マスク用エアフィルタの高性能化と評価技術に関す る研究
著者 湯浅 久史
著者別表示 Yuasa Hisashi
雑誌名 博士論文本文Full
学位授与番号 13301甲第4326号
学位名 博士(工学)
学位授与年月日 2015‑09‑28
URL http://hdl.handle.net/2297/43850
Creative Commons : 表示 ‑ 非営利 ‑ 改変禁止 http://creativecommons.org/licenses/by‑nc‑nd/3.0/deed.ja
ス 用 エ タ 高 性 能 化
評 価 技 術 に 関 研 究
湯 浅 久 史
成 2 7 7 月
博 士 論 文
ス 用 エ タ 高 性 能 化
評 価 技 術 に 関 研 究
金 沢 大 学 大 学 院 自 然 科 学 研 究 科
物 質 科 学 専 攻
生 産 セ ス 講
学 籍 番 号 1 2 2 3 1 3 2 0 1 0 氏 名 湯 浅 久 史
主 任 指 導 教 員 大 谷 吉 生 教 授
成 2 7 7 月 3 日
目 目 目
目 次 次 次 次
第
1
章 序 論1 - 1
めに1
1 - 2
既 往 研究3
1 - 2 - 1
ナノ バ タに関 既往 研究3
1 - 2 - 2
サ1 0 n m
粒 子 発生 捕集に 関 既 往研究
7
1 - 2 - 3
呼吸 用保護 具 呼 吸条件下 におけ 性能評価に 関 既 往研究
1 1
1 - 3
本 研究 目 的1 4
L i t e r a t u r e C i t e d 1 5
第
2
章 ナ ノ バ積層 エ タ捕 集性能へ 影響2 - 1
緒 言1 7
2 - 2
エ タ 過 理論1 7
2 - 2 - 1
単一 繊維 過理論1 8
2 - 2 - 2
ンモ タ( F M F )
過 理論1 8
2 - 2 - 3
実 タ 圧力 損失 推 定2 0
2 - 3
試 験用ナノ バ タ 作製2 1
2 - 3 - 1
ナノ バ及び 基材2 1
2 - 3 - 2
湿式 法によ サン 作製 物性 評価2 3
2 - 4
サ ン 圧力損失 不均一 性因子 評価3 0
2 - 4 - 1
実験 方法及 び条件3 0
2 - 4 - 2
実験 結果及 び考察3 0
2 - 5
サ ン 捕集効率 測定3 5
2 - 5 - 1
実験 方法及 び条件3 5
2 - 5 - 2
実験 結果及 び考察3 7
2 - 5 - 3 P A N
ナ ノ バ 比較4 1
2 - 5 - 4
ナ ノ バ 積 層 によ 単 一 繊 維捕 集 効率へ 影響
4 3
2 - 6
結 論4 5
A p p e n d i x A 4 7
L i t e r a t u r e C i t e d 4 9
第
3
章 帯 電 状 態 を 制 御 た気 中 分 子 発 生 捕 集 効 率 測定3 - 1
緒 言5 1
3 - 2
エ タによ 粒子 捕 集理論5 2
3 - 2 - 1
拡散 によ 粒子 捕集5 2
3 - 2 - 2
ワ ス ーン へ 粒子 捕集5 4
3 - 3
帯 電状態を 制御 たP E G
分 子 オン 発生特 性5 5
3 - 3 - 1
実験 装置5 5
3 - 3 - 2
試験 試料及 び実験 条件5 8
3 - 3 - 3
実験 結果及 び考察5 9
3 - 4
エ ス ー 発生 たP E G
分子 オ ン荷 電数 評 価
P E G 1 0 0 0
単 分子 オ ン 発生7 1
3 - 4 - 1
実験 方法及 び条件7 1
3 - 4 - 2
実験 結果及 び考察7 2
3 - 5
気 中 分子を用 いた タ捕 集試験7 4
3 - 5 - 1
実験 装置及 び試料7 5
3 - 5 - 2
実験 装置 検証1
透過率 経時変化7 7
3 - 5 - 3
実験 装置 検証2
試験粒子 濃 影響7 9
3 - 5 - 4
実験 方法及 び条件8 0
3 - 5 - 5
実験 結果8 0
3 - 5 - 6
考察8 4
3 - 6
結 論8 5
L i t e r a t u r e C i t e d 8 7
第
4
章 呼 吸シ ータ 開発 応 用4 - 1
緒 言8 8
4 - 2
呼 吸シ ータ 構造 制 御8 9
4 - 2 - 1
呼吸 シ ータ 構造 仕様8 9
4 - 2 - 2
呼 吸 シ ー タに よ 空 気 波形 発 生制御
9 1
4 - 2 - 3
呼吸 再生時 位置 補正9 3
4 - 3
呼 吸波形 記録 再 生シス 検 証9 6
4 - 3 - 1
呼 吸波形記 録装置9 6
4 - 4
4 - 3 - 2
実 験方法及 び条件4 - 3 - 3
実 験結果及 び考察呼 吸 シ ー タ を用 い た 電 動 ン 付 き 呼 吸 用 保 護具 防 護性能 評価
4 - 4 - 1
実 験方法及 び条件9 7 9 9 1 0 3
1 0 3
4 - 5
4 - 4 - 2
実験 結果及 び考察非 定常流 におけ ス 用 タ 性能評 価
4 - 5 - 1
実 験方法及 び条件4 - 5 - 2
繊 維層 タ 捕集理論1 0 5 1 0 7 1 0 7 1 1 3
4 - 5 - 3
タ 各捕集 機構へ 流 影響1 1 7
4 - 5 - 4
脈動 流 換 気条件 タ透過率 関係4 - 5 - 5
実験 結果及 び考察1 2 5 1 3 0
4 - 6
結 論1 3 9
L i t e r a t u r e C i t e d 1 4 0
第
5
章 総 括1 4 4
N o m e n c l a t u r e 1 4 7
謝 辞
1 5 2
1
第第 第
第
1 1 1 1
章章 章章 序 論序 論序 論序 論1 1
1 1----1 1 1 1
空 気 中 様 々 大 さ や 組 粒 子 存 々 健 康 大 影 響 え
い 大 気 粒 子 組 や 粒 度 分
Fig.1-1
示 う そ 生 起 源 気 中 蒸 気 核 生 発 生0.1
μm
超 微 粒 子 核 生蒸 気 凝 縮 や 超 微 粒 子 凝 集 長
0.1
~1
μm
程 度 微 粒 子 蓄 積 そ 風 巻 土 壌 う1
~ 数10
μm
程 度 大 粒 子 大 粒 子3
分 分[1]
大 気 微 粒 子 濃 度 一 般 街 地 域10
4個/cm
3 程 度 非 街 化 域10
3 個/cm
3 程 度 あ さ 仮 人 分 時 吸 量10
L/min 1
時 間 当600
億 個 微 粒 子 吸 入 生 活 いDockery et al. [2]
米 国6
都 浮 粒 子 状 物 質SPM
濃 度 吸 器 循 環 器 系 死 亡 率 い8000
人 民15
間 わ 追 跡 調 査PM
2.5 空 気 力 学 的 相 当2.5µm SPM
濃 度 死 亡 率 相 関 あ 示 さ 労 働Fig. 1-1 Typical particle size fractionation, formation/transformation processes
for ambient aerosols in general from Baron and Willeke (2001) [1]
2
環 境 い 大 気 粒 子 比 い 高 濃 度 害 微 粒 子 暴 露 さ
作 業 多 く 存 厚 生 労 働 省 健 康 害 引 起 可 能 性 あ 粉 作 業 定 作 業
[3]
溶 接 い 工 事 石 綿 除 去 作 業 多 岐 わ 日本 数 万 人 粉 作 業 従 事 い う 環 境 大 さ 濃 度 幾 何
学 的 形 状 化 学 的 特 性 及 び 生 体 害 性 異 様 々 粒 子 発 生 吸 入 暴 露 職 業 性 疾 患 現 い 課 題 い
[4]
国 射 線 防 護 委 員 会
ICRP
人 通 常 吸 吸 入 さ 粒 子 吸器 官 内 着 率 試 算
[5]
粒 子 着 部 粒 子大 く 異
10 µm
程 度 大 粒 子 吸 入 さ い 胸 外 部 着重 篤 健 康 害 引 起 要 因 い 一 方 粒 子 数
µm
気 管 支 肺 胞 到 そ 約
40
% 着 気 管 支 着 粒 子 膜 繊 毛 動 比 較 的 容 易 体 外 排 出 さ 肺 胞 着 微 粒 子 排 出 度 気管 支 比 遅 い 肺 胞 着 粒 子 食 さ ン 管
通 排 泄 さ 着 微 粒 子 量 多 い 場 合 や 石 綿 う 残 留 性 高 い 物 質 長 期 間 肺 胞 内 留 肺 細 胞 線 維 化 引 起 肺 気 腫 や 肺
肺 様 々 病 気 発 症 さ 要 因 考 え い 微 粒 子 大 さ
100 nm
ウ ン 拡 散 影 響 部 気 多 く 粒 子 着肺 胞 割 合 最 近 研 究
[6]
い 肺 胞 粒 子肺 胞 着 直 接 血 中 入 体 内 臓 器 蓄 積 さ さ 吸 入 さ 粒 子 鼻 腔 内 感 覚 神 経 通 脳 到 人 体 悪 影 響 及 可 能 性 示 唆 さ
い 現
1
次 粒 子100 nm
超 微 粒 子 利 用 製 品 場 急 拡 大 製 造 関 わ 作 業 者 や 製 品 使 用 者 粒 子 吸 入 暴 露 健 康 影 響 懸 念 さ い害 粒 子 吸 入 暴 露 健 康 害 次 式 う 関 係 あ 軽 減
い 減 効 あ
= 毒 性 × 暴 露 濃 度 × 時 間
吸 用 保 護 具 防 害 エ 吸 入 健 康 害
減 目 的 前 述 溶 接 作 業 石 綿 除 去 作 業 人 体 害 性 高 い 粒 子 暴 露 さ 作 業 環 境 用 い さ 近
PM
2.5 大 気 環 境 汚 染 問 題 や 強 毒性 新 型 ン エ ン ウ ン 懸 念 一 般 場 い
N95
米 国 府 性 能 認 証 高 性 能 商 品 広 く 及吸 入 防 護 効 性 い 関 心 急 高 い 装 着 者 吸
3
空 気 中 害 物 質 過 清 浄 空 気 吸 入 機 構 あ
防 護 性 能 述 気 中 粒 子 構
及 び 着 用 者 吸 深 く 関 わ い
本 章 用 性 能 決 定
3
因 子 関高 性 能 化 及 び 評 価 技 術 関 知 見 得 既 往 研 究 果
次 節 記 問 題 点 及 び 課 題 い 示 構 要 素 関
既 往 研 究 近 高 分 子 繊 維 微 細 化 技 術 進 歩 伴 い 注 目 さ い
着 目 理 論 的 実 験 的 性 能 評 価 研 究 調 査
従 来 損 高 捕 集 効 率 化 素 材
期 さ い 高 度 製 造 技 術 要 製 品 売 出 さ い 種 類 多
く い 既 往 研 究 基 高 性 能 化 向 課 題 検 討
次 粒 子 影 響 い 近 懸 念
10 nm
粒子 発 生 捕 集 関 既 往 研 究 最 後 実 吸 条 件
防 護 性 能 び 機 械 的 吸 波 形 発 生 装 置 関 既 往 研 究 示
1 1 1
1----2 2 2 2
既 往既 往既 往既 往 研 究研 究研 究研 究1
1 1
1----2 2 2----1 2 1 1 1
関関関関 既 往 研 究既 往 研 究既 往 研 究既 往 研 究捕 集 性 能 関 多 く 報 告 さ
い 特 捕 集 性 能 実 験 的 評 価 研 究 積 層 次 元 構
造 及 影 響 ョ ン 評 価 研 究 い
(1) (1) (1)
(1) A. A. A. A. Podgorski, Podgorski, Podgorski, et al. Podgorski, et al. et al. et al. ((((2006 2006 2006 2006)))) [7] [7] [7] [7]
Podgorski
ン(PP)
含 繊 維 層 捕 集 性 能実 験 的 及 び 理 論 的 評 価 い
法 作 製 行 そ 物 性 値
Table 1-1
示 試 験 用 用い
10 ~ 500 nm
粒 子 部 分 捕 集 効 率Fig. 1-2
示積 層 さ 捕 集 性 能 向 わ
Quality factor
( q
exp)
粒 子 関 係Fig. 1-3
示Quality factor
性 能 示 指 標あ 粒 子 透 過 率
P [-]
力 損 失∆ p [Pa] Eq.(1-1)
う 算 出 さ4
Table 1-1 Physical properties of nanofiber filters and a base filter.
Fiber diameter, d
f[µm]
Thickness, L [mm]
Packing density, α [-]
Base filter (BF) 16 2.1 0.149
Nanofiber 1 (NF1) 0.68 1.4 0.035
Nanofiber 2 (NF2) 0.60 2.5 0.033
Nanofiber 3 (NF3) 1.10 3.1 0.029
Nanofiber 4 (NF4) 1.08 5.5 0.020
Nanofiber 5 (NF5) 1.10 4.3 0.014
q
exp= − ln P
∆p (1-1)
Fig.1-3 50 nm
粒 子 い 積 層 さ 性能 良 く い
50 nm
粒 子 い 積 層必 性 能 良 い い え い う 捕 集 効 率 良 い 作 製
積 層 性 能 い 粒 範 出 現
原 因 い 解 明 出 来 い い
Fig. 1-2 Single fiber collection efficiency of sample filters. [7]
5
Fig. 1-3 Quality factor of sample filters. [7]
(2) (2) (2)
(2) B. B. B. B. Maze Maze Maze Maze, et al. , et al. , et al. , et al. (2007) (2007) (2007) (2007) [8] [8] [8] [8]
Maze
繊 維200 nm
捕 集 効率 関 試 験 粒 子 層 内 軌 跡 考 慮 次
元 的 ョ ン 行 い
Fig. 1-4
静 空 気 中 粒20, 30 nm
粒 子
x-y
面 内 粒 子 軌 跡 示 い う 粒 子1 ms
間ン オ 移 動 ン 動 い
Fig. 1-4 Trajectory of 20 and 30 nm particles in the x-y plane within the first
milliseconds of their travel from the origin,(0.0.0), in a stagnant air. [8]
6
う ン 動 い い 粒 子
Fig. 1-5
示 う 規 則 く 配 列入 そ 捕 集 効 率 予 測 行 い
ョ ン 結 果
Fig. 1-6
示厚 び 力 損 失 一 定 繊 維
50, 100, 200 nm
変 化 さ場 合 捕 集 効 率 粒 あ 繊 維 さ い
各 粒 捕 集 効 率 昇 い わ 最 大 透 過 粒 子
(Most
penetrating particle size ; MPPS)
繊 維 微 細 化 粒 側 移 動い
Fig. 1-5 Simulation domain and boundary conditions. [8]
Fig. 1-6 Collection efficiency of filter media made of fibers 50, 100 and 200 nm. [8]
7 (3)
(3) (3)
(3)
高 性 能 化高 性 能 化高 性 能 化高 性 能 化 向向向向 課 題課 題課 題課 題 問 題 点問 題 点問 題 点問 題 点捕 集 特 性 関 実 験 的 理 論 的 検 証 行 わ
実 量 産 化 さ い 製 品 少 い 現 状 あ
理 由
1
考 え 厚 極 薄く 基 材 織 積 層 作 製 さ 均 一 繊 維 充 填 形 さ
困 点 あ 一 方 過 去 文 献 積 層 均 一 性 捕 集
性 能 関 係 議 論 報 告 い そ 積 層 量 変 化 さ
ン 作 積 層 捕 集 効 率 影 響 繊 維 充 填 均 一 性 関 係 い 評
価 高 性 能 化 資 得 考 え
1 1 1
1----2 2 2----2 2 2 2 2 10 10 10 10 nm nm nm nm
粒 子粒 子粒 子粒 子 発 生発 生発 生発 生 捕 集捕 集捕 集捕 集 関関関関 既 往 研 究既 往 研 究既 往 研 究既 往 研 究(1)
(1) (1)
(1)
粒 子粒 子粒 子粒 子 分 子分 子分 子分 子 オ ンオ ンオ ンオ ン 繊 維 表 面繊 維 表 面繊 維 表 面繊 維 表 面 着 特 性着 特 性着 特 性着 特 性 理 論理 論理 論理 論 検 討検 討検 討検 討Wang & Kasper[9]
繊 維 表 面 跳 返 起 粒 子 理 論 的 検 討粒 子 均 熱 動 度
V
im 次 式 えV
im= 48kT π
2ρ
pd
p3
1 2
(1-2)
k
ン 定 数T
温 度ρ
p 粒 子 密 度d
p 粒 表粒 子 跳 返 起 臨 界 度
V
cr2
次 式 う えB-H model
V
cr= A πρ
pZd
p2
1 2
(1-3)
A Hamaker
定 数Z
粒 子−
表 面 間 分 距 あJKR model
V
cr= 3
7π
4( K
s+ K
p)
2σ
5p-sρ
p3d
p5
1/ 6
(1-4)
K
sK
p 壁 面 粒 子 縮 弾 性 係 数σ
p-s 壁 面 粒 子 付 着 エ あ8
Wang & Kasper
計 算 均 熱 動 度 臨 界 度(B-H model
及 びJKR model)
結 果
Fig. 1-7
示 粒1 ~ 10 nm
範 粒 子 臨 界 度 熱 動 度持 研 究 繊 維 表 面 跳 返 起 報 告 い 臨 界
度 算 出 い 粒 子 材 質 縮 弾 性 係 数 や 付 着 エ 必 要
あ そ 値 確 求 困 あ
10 nm
粒 子 分 子 オ ン 繊 維 表 面 着 特 性 関 議 論 や 実 験 的 検 討 行 わ
Guillaume Mouret [10] B-H model
使 用 付 着 エ 推 定 行い 跳 返 起 粒 予 測 そ 結 果
Wang & Kasper
予 測 粒さ い 粒 跳 返 起 予 測 い
Fig. 1-7 Comparison of mean thermal impact velocity and critical velocities derived from the JKR and B-H models. Note that the crossover occurs between 1 and 10 nm. [9]
(2)
粒 子粒 子粒 子粒 子 分 子分 子分 子分 子 オ ンオ ンオ ンオ ン 繊 維 表 面繊 維 表 面繊 維 表 面繊 維 表 面 着 特 性着 特 性着 特 性着 特 性 実 験 的 検 討実 験 的 検 討実 験 的 検 討実 験 的 検 討10 nm
粒 子 繊 維 表 面 着 特 性 実 験 的 検 討 試 験 粒子
Ag
粒 子 やNaCl
粒 子 用 いHeim[11]
帯 電 無 帯 電NaCl
粒 子(
粒2.5 nm ~ 20 nm)
用 いSUS
捕 集 効 率 測 定 結 果 跳 返見 い 報 告 い
2.5 nm
試 験 粒 子Ude & de la Mora
9
[12]
エ 発 生 さ 分 子 オ ンン ウ オ ン 効 あ 報 告 い 分 子 オ ン 単 一 分 子
2 nm
程 度 物 理 的 大 さ 持 分 子 量 あ 程 度 制 御 可 能あ
Heim [13]
ン ウ オ ン(THAB ions)
球 形 粒子 あ 酸 化 ン ン
WOx
試 験 粒 子 用 いSUS
ワ ン捕 集 試 験 行 い 着 特 性 検 討 行
WOx
粒 子 用 い 求 捕 集 効 率 拡 散 理 論 一 致 報 告 いFig. 1-8 THAB ions
用 い 求 透 過 率WOx
粒 子 結 果 一 致 い 回 使 用 粒 子 や分 子 オ ン 繊 維 表 面 跳 返 起 い い 報 告 い
Fig. 1-8 Penetration of THAB ions and WO
Xwith the electrical mobility distribution of the THAB ions. [13]
Lee [14]
ン ウ オ ン や 直 鎖 構 造 い エン コ
(PEG)
等 分 子 オ ン エ 発 生 さ試 験 粒 子
SUS
ワ ン 捕 集 試 験 行 い 着 特 性検 討 行
Fig.1-9
分 子 オ ン 試 験 粒 子 用 い 求 捕 集 効 率10
結 果 示 実 験 求 単 一 繊 維 捕 集 効 率 実 線 示 さ 理 論 値
捕 集 効 率 い わ そ 研 究 分 子 オ ン
繊 維 表 面 跳 返 起 結 論 付 い 全 粒 子 い
様 理 論 線 固 体 粒 子 分 子 境 界 粒 子 関 結
論 く い い
Fig. 1-9 Single fiber collection efficiency through SUS wire screen. [14]
(3)
用用用用 粒 子粒 子粒 子粒 子 性 能 評 価性 能 評 価性 能 評 価性 能 評 価Rengasamy et al. [15] DMA
分 級4-30 nm
単 分 散 銀 粒 子5
種類 使 い 捨 式 防 捕 集 性 能 評 価
(Fig.1-10)
結 果 検 討 粒子 範 粒 さ い 透 過 率 さ 値 示 報 告 い
用 粒 子 捕 集 示 い 理 論 的 解 析 行
粒 子 捕 集 拡 散 機 構 う 関 係 あ 熱 発 起
い い 考 察 含 い い
11
Fig. 1-10 Penetration of mono-disperse silver and NaCl particles through N95 respiratores from five manufactures at 85L/min. [15]
(3) 10 nm
粒 子粒 子粒 子粒 子 捕 集捕 集捕 集捕 集 関関関関 課 題課 題課 題課 題 問 題 点 等問 題 点 等問 題 点 等問 題 点 等10 nm
粒 子 分 子 オ ン 用 い 着 特 性 検 討 行 わ跳 返 境 界 粒 子 厳 密 求 報 告 い さ 近 研
究 エ 発 生 さ 粒 子 多 価 帯 電 い 可 能 性 あ そ
Lee
研 究[14]
多 価 帯 電 大 粒 子 含 試 験 粒 子 用 い理 論 線 捕 集 効 率 い 考 え そ
Lee
実 験再 検 証 エ 発 生 気 中 分 子 粒 子 及 び 帯 電 状 態
関 詳 細 検 証 実 験 行 い 粒 子 発 生 方 法 確 立 捕 集 試 験 装 置 信 頼 性 検 証 固 体 表 面 着 特 性 評 価 行 う 必 要 あ
1 1 1
1----2 2 2----3 2 3 3 3
吸吸 用 保 護 具吸吸用 保 護 具用 保 護 具用 保 護 具 吸 条 件吸 条 件吸 条 件吸 条 件 性 能 評 価性 能 評 価性 能 評 価性 能 評 価 関関関関 既 往 研 究既 往 研 究既 往 研 究既 往 研 究防 用 評 価 国 家 検 定 試 験 表 さ う ン 用
い 一 定 流 量 行 わ い 装 着 実 人 間 吸 吸 気
気 伴 う 脈 動 流 一 定 流 量 異 従 一 定 流 量 試 験 実
性 能 評 価 い う 観 点
Jannsen et al. [16] N95
12
装 着
12
労 働 者 防 護 率 計 測 そ 防 護 性 能 中 値100
あ報 告
Fig.1-11
Fig. 1-11 Probability plot of overall WPF distribution
う 吸 条 件 性 能 評 価 被 験 者 試 験 行 わ
人 吸 繰 返 行 う い く 吸 波 形 複
数 評 価 い 被 験 者 用 い 数 種 類 比 較
多 数 ン 集 時 間 労 力 要 害 環 境
試 験 い 問 題 あ 問 題 解 決 複 雑 吸
波 形 再 生 装 置 必 要 あ 人 吸 機 械 的 模 擬 装 置 研
究 行 わ
Maria [17]
人 吸 波 形 気 温 湿 度 び 気 濃 度調 整
(ABMS)
構 築(Fig.1-12 Fig.1-13)
装 置 多 く性 能 問 題 や 高 価 あ 吸 用 保 護 具 評 価 試 験 一 般 的 い さ 吸 保 護 具 評 価 使 用 吸 波 形 研 究 室 内 実 験 的 採
取 吸 く 実 装 着 作 業 者 適 い 考 え
実 作 業 者 吸 ン ン そ 吸 模 擬 装 置 や
ABMS
再 生 報 告 い13
Fig. 1-12 Schematic diagram of ABMS hardware system. [17]
Fig. 1-13 Breathing waveforms for test, medium work and heavy work. [17]
.
被 験 者 試 験 防 護 性 能 評 価 実 効 性 示
必 要 あ 労 力 要 再 現 性 得 く く 複 数
比 較 研 究 向 あ 課 題 あ 機 械 的 人 吸 模 擬
高 度 吸 開 発 さ い 人 吸 再 生 性 能 評 価
試 い い 特 近 人 吸 鋭 敏 応 電 動 ン 付 吸
14
用 保 護 具 や ン 吸 缶 知 機 能 搭 載 開 発
進 い 信 頼 性 評 価 人 吸 行 う 最 善 あ
人 吸 忠 実 再 生 装 置 必 要 あ
1 1 1
1----3 3 3 3
本 研 究本 研 究本 研 究本 研 究 目 的目 的目 的目 的本 論 文 前 述 吸 用 保 護 具 使 用 性 能 決 定 3 因 子
い 用 高 性 能 化 及 び 新 規 評 価 技 術 開 発 目 的 第
2
章 ~第
4
章 研 究 実 施 各 章 い 解 決 課 題 研 究 目 的 述第
1
章 研 究 背 既 往 研 究 課 題 そ 研 究 目 的 い 記 述第
2
章 使 用 高 性 能 化 着 目 近 高 分 子繊 維 微 細 化 技 術 進 歩 伴 い 繊 維 数 百
nm
微 細繊 維 利 用 開 発 注 目 さ い 一 般 的 製 造 技 術 あ
エ ン 法 や
PTFE
延 伸 法 い 積 層 型厚 非 常 薄 く 均 一 充 填 困 期 さ 性 能 い 多 い
そ 繊 維 充 填 均 一 性 捕 集 性 能 及 影 響 実 験 的
理 論 的 解 明 高 性 能 化 資 得 目 的
第
3
章10nm
領 域 粒 子 捕 集 い 分 子 オン 用 い 捕 集 効 率 測 定 法 構 築 び 粒 子 用 捕 集 限
実 証 目 的 領 域 粒 子 研 究 測 定 機 器 限 界 や ウ ン 拡 散 経 路 内 粒 子 測 定 確 定 要 素 多 い 本 研 究 エ
発 生 分 子 オ ン 粒 子 荷 電 条 件 制 御 詳 細 検 討 実 施
第
4
章 人 吸 記 録 再 生 開 発 評 価 行 本 研 究外 部 入 力 吸 忠 実 再 生 さ 吸 記 録
吸 気 量 気 量 差 気 流 再 生 時 課 題 解 消 吸
開 発 目 的 実 吸 再 生 装 置 詳 細 い 記 述
報 告 く 本 研 究 実 吸 条 件 過 効 率 測 定
実 使 用 性 能 把 握 可 能 え 吸 応 用
実 験 行 い 用 性 確 認 吸 う 非 定 常 流 過 い
理 論 的 実 験 的 検 証 行 第
5
章 研 究 果 総 括15 Literature Cited
[1] Baron, PA., and K. Willeke; “Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications.”,p237-241, A John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, USA (2005)
[2] Dockery, DW., CA. Pope, X.X Ferris. III., JD. Spengler, JH. Ware, ME. Fay, BG. Ferris and FE. Speizer Jr., “An Assosiation btween Air Pollution and Mortality in Six U.S. Cities”, N.
Engl. J. Med., 329,1753-1759(1993)
[3]
厚 生 労 働 省 粉 害 予 防 規 則 最 終 改 :26 6 25
日 厚 生 労 働 省 第70
号[4]
厚 生 労 働 省 発 表 資 料 肺 健 康 管 理 状 況 推 移 い 資 料1-2 ; http://www.mhlw.go.jp/file/05-Shingikai-12602000-Seisakutoukatsukan-
Sanjikanshitsu_Roudouseisakutantou/0000034247.pdf
[5] Bolch, WE., EB. Farfan, C. Huf, TE. Huston and WE. Bolch, “Influence of paremeter Uncertainties within the ICRP 66 Respiratory Tract Model: Particle Deposition.”, Health phys., 81, 378-394, 2001
[6]
酒 井 伸 粒 子 嗅 神 経 中 枢 神 経 系 移 行 関 研 究 京 都 大学 学 論 文
2011
[7] Albert Podgorski, Anna Balazy, Leon Gradon, “Application of nanofiber to improve the filtration efficiency of the most penetrating aerosol particles in fibrous filters,” Chemical Engineering Science, 61, 6804-6815, 2006
[8] B. Maze, Vahedi Tafreshi, Q. Wang, B.Pourdeyhimi, “A simulation of unsteady-state filtration via nanofiber media at reduced operating pressures,” Aerosol Science, 38, 550- 571, 2007
[9] Wang, H. C., & Kasper, G. (1991). Filtration efficiency of nanometer-size aerosol particles.
Journal of Aerosol Science, 22, 31–41.
[10] Guillaume Mouret., Sandrine Chazelet., Dominique Thomas., Denis Bemer.(2011).
Discussion about the thermal rebound of nanoparticles. Separation and Purification Technology, 78, 125-131.
[11] Heim, M., Attouni,M. & Kasper, G. (2010). The efficiency of Diffusional particle Collection onto Wire Grids in the Mobility Equivalent Size Range of 1.2-8nm., J. Aerosol Science, 41:207-222.
[12] S. Ude., J.Fernandez de la Mora.(2005). Molecular monodisperse mobility and mass
16
standards from electrosprays of tetra-alkyl ammonium halides. Journal of Aerosol Science, 36, 1224-1237.
[13] Heim, M., Michel Attoui., Gerhard Kasper. (2010). The efficiency of diffusional particle collection onto wire grids in the mobility equivalent size range of 1.2-8 nm. Journal of Aerosol Science, 41, 207-222
[14] Lee, Haeree.(2010).
種 々 固 体 表 面 気 中 分 子 オ ン 着.
金 沢 大 学 修 士 論 文[15] Rengasamy, S., WP. King, BC. Eimer and RE. Shaffer. (2008).” Filtration Performance of
NIOSH-Approved N95 and P100 Filtering Facepiece Respirators Against 4 to 30 Nanometer-Size Nanoparticles” J. Occup. Environ. Hyg., 5, 556-564.
[16] Jannsen LL., TJ. Nelson and KT. Cuta,(2007), “Workplace protection factors for an N95 respirator.” J. Occup. Environ. Hyg., 4(9), 698-707.
[17] Maria I., Derosa and R. Levine, (1978), “Simulation of man's respiratory and metabolic
functions by the automated breathing metabolic simulator.” Bureau of Mines Information
Circular, http://babel.hathitrust.org/cgi/pt?id=mdp.39015078453928;view=1up;seq=1
17
第 第 第
第2222章章 章章 ノノノノ 積層積層積層積層 捕集性能捕集性能捕集性能捕集性能 影響影響影響影響
2-1
緒言緒言緒言緒言用 利用さ い 繊維や
繊維 織布や 金属繊維 作 使用さ 近 高分
子繊維 微細化技術 進歩 繊維 数
nm
以 ノ 用い 研究開発 注目 集 い 1-7) ノ 繊維 ノこ さえ 粒子 捕集効率 向 け 繊維周 い
分子 生 こ 圧力損失 減 期 8) こ
ン 法や延伸法 基材 ン ノ 堆積さ
ノ 作製 行わ い 9-12) こ 方法 作製 ノ
厚 薄 さ 繊維充填 均一 あ 抜け 影響
捕集効率 う 問題 あ ノ 本
来有 高捕集効率 圧力損失 実現 い い 現状 あ 13-16)
本研究 ノ 均一 作製 方法 抄 法 ベ
液 過法 重力 降法 着目 こ 方法 原料 ノ 繊維 基材 積層 こ 次元的 充填構造 均一 作製 可能性 あ 本
研究 ノ 作製 行い ノ 繊維充填 均一性 び
厚 捕集性能 え 影響 実験的 理論的 評価
2 2 2
2----222 2 過理論過理論過理論過理論
粒子捕集機構 拡散 さえ 重力 ン拡散 静電気力 あ こ 捕集機構 支配的 条件 粒 過 度 捕集媒体 繊維
大 さ 決定さ 特 圧力損失 高捕集効率 実現
ン繊維 持 微細繊維層 高性能 い 拡散 さえ 効果 主 粒子捕集機構 17,18) 一方 こ う 繊維層 い 繊維 分散 や充填 均一性 粒子捕集 影響 え こ 知 い 13) 本節 捕集性能
推定 用い い 繊維 均一 充填さ ン 19)
(FMF)
及びFMF
理論 基 実 過特性 推定法 い 述
18
2-2-1
単一繊維単一繊維単一繊維単一繊維 過理論過理論過理論過理論様々 あ 部構造 積層状 織布 状
ン ン状 分け 一般的 繊維層 空間率 高 繊維間 距離 比較 的大 いこ 個々 繊維 集 体 考え 繊維 単独 粒子 捕集体 働 単一繊維 捕集効率
η
求 こ 全体 捕集効率E
推定 単一繊維捕集効率η
全体 捕集効率E
関係Eq. (2-1)
うえ
ln C
outC
in= ln(1 − E) = − 4 π
α 1 − α
( )
L
d
fη (2-1)
ここ
C
in 入口濃度C
out 出口濃度α
充填率L
厚d
f 繊維 あ2-2-2
ンンンン(FMF)
過特性理論過特性理論過特性理論過特性理論18,19)ン
(FMF) Fig. 2-1
示 う 繊維 均一 繊維流体 流 対 直角 ン 均一 充填さ こ あ 従
来 過理論 こ
FMF
基 い 構築さ い こFMF
繊維10
µm
以90 %
程度 捕集効率 示 対 多少 充填 や繊維分散 あ 影響 少 い 適用 こ 出来
Fig. 2-1 Photograph of a fan model filter (Kirsch and Stechkina(1978)).
本研究 ン 粒子 捕集 対象 い 支配的 捕集機構 拡散 さえ 拡散