CN113891963A - 纱线及布 - Google Patents

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Abstract

纱线(1、2)具备利用来自外部的能量在表面产生电位的纤维(10)，且通过在下述条件(a)～(d)下进行测定而在上述表面产生0.1V以上的电位。(a)将上述纱线(1、2)在单轴方向拉伸规定量。(b)对由导电纤维构成的芯材包覆上述纤维(10)。(c)使上述芯材接地。(d)利用电场力显微镜测定上述纤维(10)的表面电位。

Description

纱线及布
技术领域
本发明涉及产生电荷的纱线和布。
背景技术
例如，专利文献1中公开了一种具备电荷产生纤维的纱线和布，该电荷产生纤维能利用来自外部的能量产生电荷。专利文献1的纱线和布利用产生的电荷来发挥抗菌效果。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特许2018-90950号公报
发明内容
但是，专利文献1的电荷产生纤维并未公开纤维的表面产生怎样程度的电位。如果在产生的电位过低的情况下，也有可能无法产生期望的效果。
因此，本发明的目的在于提供一种发挥期望的效果的纱线和布。
本发明的纱线具备利用来自外部的能量在表面产生电位的纤维，通过在下述条件(a)～(d)下进行测定而在上述表面产生0.1V以上的电位。
(a)将上述纱线在单轴方向拉伸规定量。
(b)对由导电纤维构成的芯材包覆上述纤维。
(c)使上述芯材接地。
(d)利用电场力显微镜测定上述纤维的表面电位。
利用来自外部的能量在表面产生电位的纤维例如有具有压电效应的物质(例如聚乳酸、具有光电效应的物质、具有热电效应的物质(例如PVDF：聚偏氟乙烯(PolyvinylideneDifluoride)))、或利用化学变化产生电荷的物质等。本发明的纱线利用产生的电位发挥抗菌效果。另外，本发明的纱线也可以通过由上述条件产生所规定的电位而使物质带电。或者，本发明的纱线通过由上述条件产生所规定的电位，可以吸附物质。
根据本发明，通过在规定条件下产生所规定的电位，从而可以发挥抗菌、带电或吸附等期望的效果。
附图说明
图1(A)是表示纱线1的构成的局部分解图，图1(B)是图1(A)的A-A线的截面图。
图2是表示纱线2的构成的局部分解图。
图3是表示对纱线1在轴方向施加2％的位移时的电位的模拟结果。
图4(A)是表示Z纱线即纱线1中某截面的电场的模拟结果，图4(B)是表示S纱线即纱线2中某截面的电场的模拟结果。
图5是表示使纱线1与纱线2接近时的电场的状态的截面图。
具体实施方式
以下，对本发明的实施方式进行说明。图1(A)是表示纱线1的构成的局部分解图，图1(B)是图1(A)的A-A线的截面图。
纱线1为复数纤维10加捻而成的复丝纱线。纤维10是截面为圆形的纤维。纱线1为复数的纤维10左旋加捻而成的左旋纱线(以下称为Z纱线)。
纤维10例如由压电性聚合物构成。纤维10例如通过将压电性聚合物挤出成型而纤维化的方法进行制造。或者，纤维10通过如下方法进行制造：将压电性聚合物熔融纺丝而纤维化的方法(例如包括：分为纺丝工序和拉伸工序而进行的纺丝·拉伸法、连接纺丝工序和拉伸工序的直拉伸法、可以同时进行假捻工序的POY-DTY法、或实现了高速化的超高速纺丝法等)、利用干式或者湿式纺丝(例如包括：如使成为原料的聚合物溶解在溶剂后自喷嘴挤出而纤维化的相分离法或者干湿纺丝法、在包含溶剂的状态下均匀地纤维化成凝胶状的凝胶纺丝法、或使用液晶溶液或者熔体进行纤维化的液晶纺丝法等)将压电性高分子纤维化的方法、或利用静电纺丝将压电性高分子纤维化的方法等。应予说明，纤维10的截面形状并不限定于圆形。
压电性聚合物中存在具有热电性的压电性聚合物和不具有热电性的压电性聚合物，它们均可以使用。例如，PVDF具有热电性，通过温度变化可以极化，在纤维的表面产生电位。PVDF等具有热电性的压电体通过人体的热能也可以极化。在该情况下，人体的热能为来自外部的能量。
另外，聚乳酸(PLA：Polylactic Acid)为不具有热电性的压电性聚合物。聚乳酸通过单轴拉伸而产生压电性。作为聚乳酸，根据晶体结构，有使L-乳酸与L-丙交酯聚合而成的聚-L-乳酸、使D-乳酸与D-丙交酯聚合而成的聚-D-乳酸、进而有由这些混合结构构成的立构复合(stereocomplex)聚乳酸等，只要显示压电性，就都可以利用。就压电率的高度的观点而言，优选使用聚-L-乳酸或聚-D-乳酸。对于相同的形变，聚-L-乳酸和聚-D-乳酸各自极化的极性相反。
聚乳酸中，如果单轴拉伸而使分子取向，则表现出压电性。聚乳酸可以通过进一步施加热处理来提高结晶度，从而提高压电常数。聚乳酸通过利用拉伸的分子的取向处理而产生压电性，因此无需像PVDF等其他压电性聚合物或压电陶瓷那样进行轮询(polling)处理。
经单轴拉伸的聚乳酸的压电常数为5～30pC/N左右，在高分子中具有非常高的压电常数。进而，聚乳酸的压电常数不会随时间变动，极其稳定。
在将厚度方向定义为第1轴，将拉伸方向900定义为第3轴，将与第1轴和第3轴两者正交的方向定义为第2轴时，包含经单轴拉伸的聚乳酸的纤维10具有d14和d25的张量成分作为压电应变常数。因此，包含经单轴拉伸的聚乳酸的纤维10在与单轴拉伸的方向交叉的方向上产生滑移形变的情况下，会产生电位。
在图1(A)中，各纤维10的拉伸方向900与各纤维10的轴方向一致。通过加捻复数的纤维10，纤维10的拉伸方向900成为相对于纱线1的轴方向倾斜的状态。
对这种Z纱线的纱线1施加张力使其拉伸的情况下，纤维10沿纱线1的轴方向产生应变，沿纱线1的轴方向产生滑移形变。因此，纤维10的表面产生正电位，内侧产生负电位。应予说明，在如图2所示为将纤维10右旋加捻而成的右旋纱线(以下称为S纱线。)的情况下，在拉伸的情况下，纤维10的表面产生负电位，内侧产生正电位。
因此，纱线1的表面产生正电位，内侧产生负电位。纱线2的表面产生负电位，内侧产生正电位。但是，纤维10的加捻角度根据部位而不同，纱线1和纱线2的粗度整体上也不是均匀的。因此，纤维10通常不能产生均匀的表面电位。
图3为表示对于纱线1在轴方向上施加2％的位移时的电位的模拟结果。但是，在该模拟结果中，在纱线1产生轴方向的位移的情况下，以各纤维10彼此滑动为前提。在该模拟结果中，通过对轴方向施加2％的位移，加捻角度的平均值从6.5°变化为5.5°。
如图3的模拟结果所示，纤维10具有产生正电位的部位以及产生负电位的部位。纱线1分别在产生正电位的部位与产生负电位的部位之间形成电场。
图4(A)为表示作为Z纱线的纱线1的某截面的电场的模拟结果。图4(B)为表示作为S纱线的纱线2的某截面的电场的模拟结果。如这些模拟结果所示，可知纱线1和纱线2即便是各自单独，也具有产生数MV/m的电场的部分。
如此，本发明的纱线具备利用来自外部的能量使表面产生电位的复数的纤维10，在施加位移时，复数的纤维10之间产生电场。
更详细而言，纤维10具有正电位部分与负电位部分(电位不同的部分)，在复数的纤维10的正的部分与负的部分之间产生电场。
应予说明，纤维10的拉伸方向900只要至少相对于纱线的轴方向交叉即可。优选加捻角度的平均值为10～50°。更优选加捻角度的平均值为20～40°。
当然，在纱线1与其他物质之间、纱线2与其他物质之间、或纱线1与纱线2之间也产生电场。图5为表示使纱线1与纱线2接近的情况下的电场的状态的截面图。在单独的纱线1中，在施加轴方向的张力时，表面为正电位，内部为负电位。在单独的纱线2中，在施加轴方向的张力时，表面为负电位，内部为正电位。
在这些纱线1与纱线2接近的情况下，接近的部分(表面)倾向于成为相同的电位。在该情况下，纱线1与纱线2的接近部成为0V，为了保持原来的电位差，纱线1的内部的负电位进一步变低。同样，纱线2内部的正电位进一步变高。
在纱线1的截面中，主要形成从纱线1的外部朝向内部的电场，在纱线2的截面中，主要形成由内部朝向外部的电场。在使纱线1与纱线2接近的情况下，这些电场漏出至空气中而合成，利用纱线1和纱线2之间的电位差，在纱线1与纱线2之间形成电场。
另外，在纱线1与人体等具有规定电位的物体接近的情况下，也在纱线1与接近的物体之间产生电场。在纱线2与人体等具有规定电位的物体接近的情况下，也在纱线2与接近的物体之间产生电场。
以上这样的电场例如发挥抑制病毒、细菌、真菌、古菌或螨虫和跳蚤等微生物的增殖的抗菌效果。
应予说明，在纱线1或纱线2存在包含电解质的水分的情况下，介由该水分而电流流动。纱线1或纱线2也存在通过该电流直接发挥抗菌效果或杀菌效果的情况。或者，存在通过因电流或电压的作用而使水分中所含的氧变化而成的活性氧种、进一步与纤维中所含的添加材料的相互作用或催化剂作用而产生的自由基种、其他的抗菌性化学种(胺衍生物等)间接发挥抗菌效果或杀菌效果的情况。或者存在根据因电场或电流的存在而形成的压力环境而在菌的细胞内生成氧自由基的情况。作为自由基，可以认为是产生超氧化阴离子自由基(活性氧)或羟基自由基。
现有的药剂等具有抗菌性的材料的效果不持久。另外，现有的具有抗菌性的材料也存在因药剂等而产生过敏反应的情况。相对于此，本实施方式的纱线的抗菌效果的持续时间比药剂等的抗菌效果长。另外，本实施方式的纱线产生过敏反应的可能性低于药剂。进而，如上所述，聚乳酸的压电常数不会随时间变动，极其稳定，因此，也能长时间稳定地发挥纱线的抗菌效果。
另外，纱线1或纱线2可以利用产生的电位使其他物质带电。或者，纱线1或纱线2可以通过产生的电位吸附物质。例如，纱线1的表面产生正电位，因此可以吸附具有负电位的物质。纱线2的表面产生负电位，因此可以吸附具有正电位的物质。
纱线1或纱线2也可以通过构成过滤器，高效率地吸附物质。这种过滤器适合用于口罩或空气净化器。另外，通过用纱线1或纱线2作为前段预滤件来使物质带正电或负电，并使用产生极性相反的电位的纱线1或纱线2作为后段过滤器，由此，可以更有效地吸附物质。也可以使用纱线1或纱线2作为前段预滤件而使物质带正电或负电，并使用具有极性相反的电位的驻极体过滤器作为后段过滤器。
此处，假如纱线1或纱线2的表面产生的电位过低的情况下，也有可能无法产生上述各种期望的效果。但是，本发明的纱线的特征在于：具备利用来自外部的能量使表面产生电位的纤维，且通过在下述条件(a)～(d)下进行测定，使纱线的表面产生0.1V以上的电位。本发明的纱线通过这种条件下产生所规定的电位，从而可以发挥期望的效果。
(a)将上述纱线在单轴方向拉伸规定量。
(b)对由导电纤维构成的芯材包覆上述纤维。
(c)使上述芯材接地。
(d)利用电场力显微镜测定上述纱线的表面电位。
应予说明，作为上述(a)的规定量，纱线的应变优选为0.1％以上。更优选为0.5％以上的应变。表面电位优选为0.3V以上，更优选为1.0V以上。
纱线的粗度(单纤维纤度)优选为0.005～10dtex。如果单纤维纤度变小，则长纤维数过多，容易起毛。另一方面，如果单纤维纤度较大，而长纤维数过少，而有损手感。应予说明，这里所说的单纤维纤度为1根捻纱的单纤维纤度。即便在进一步对捻纱进行并纱的情况下，也是指在并纱前的1根捻纱的单纤维纤度。
进而，纱线的纤维强度优选为1～5cN/dtex。由此，纱线即便为了产生较高的电位而产生更大的形变，也可以承受得住，不产生断裂。纤维强度更优选为2～10cN/dtex，进一步优选为3～10cN/dtex，最优选为3.5～10cN/dtex。根据同样的目的，纱线的伸长率优选为10～50％。
另外，聚乳酸的结晶度优选为15～55％。由此，来自聚乳酸结晶的压电性变高，可以更有效地产生利用聚乳酸的压电性的极化。
以下，对实施例进行叙述。实施例1～3的纱线为使用结晶度45％、结晶尺寸12nm、取向度79％的聚乳酸、84dtex-24长纤维的捻纱。实施例1～3的纱线是对由导电纤维构成的芯材包覆聚乳酸的长纤维而成的。另外，该芯材接地。因此，实施例1～3的纱线的内侧为0V的电位。
实施例1的加捻次数为500T/m，实施例2的加捻次数为1150T/m，实施例3的加捻次数为3000T/m。在加捻次数为500T/m的情况下，加捻角度的平均值为10°，在加捻次数为1150T/m的情况下，加捻角度的平均值为28°，在加捻次数为3000T/m的情况下，加捻角度的平均值为47°。
表1为用刚体的夹具夹住实施例1～3的纱线的两端，将40mm的纱线拉伸为40.2mm，用电离器去除静电后，在轴方向上拉伸0.5％(自40.2mm至40.4mm)，利用电场力显微镜测定纱线的表面电位的结果。表1所示的电位的值为正峰值或负峰值。
[表1]
Figure BDA0003376968320000071
如表1所示，实施例1的S纱线产生-0.15V的电位。实施例1的Z纱线产生0.12V的电位。实施例2的S纱线产生-1.22V的电位。实施例2的Z纱线产生0.96V的电位。实施例3的S纱线产生-0.35V的电位。实施例3的Z纱线产生0.40V的电位。
表2为在上述表1的条件下测定后，进一步在轴方向上伸缩0.25％(在40.4mm和40.5mm之间伸缩)的情况下，利用电场力显微镜测定纱线的表面电位的结果。S纱线中，在拉伸的情况下表面产生负电位，在收缩的情况下表面产生正电位。Z纱线中，在拉伸的情况下表面产生正电位，在收缩的情况下表面产生负电位。因此，如果使纱线伸缩，则正电位和负电位会交替产生。表2所示的表面电位的值为最小值与最大值的差(峰值至峰值的值的差)。
[表2]
Figure BDA0003376968320000072
如表1所示，实施例1的S纱线产生0.28V的电位。实施例1的Z纱线产生0.33V的电位。实施例2的S纱线产生2.83V的电位。实施例2的Z纱线产生2.42V的电位。实施例3的S纱线产生0.80V的电位。实施例3的Z纱线产生0.75V的电位。
根据表1和表2的结果，可以确认在加捻次数为500～3000Tm的情况下，纱线的表面产生约0.1V以上的电位。这些实施例中均确认到产生抗菌效果。因此，本发明的纱线可以通过上述(a)～(d)的条件下产生所规定的电位(0.1V以上)而发挥期望的效果。
根据这些实施例的测定结果，可以说，加捻角度的平均值优选为10～50°。另外，在上述测定结果中，在加捻角度30°的情况下产生最高电位，因此可以说，加捻角度的平均值更优选为20～40°。
本发明的纱线根据需要，可以组合多种捻纱使用。例如，可以使用主要利用聚-L-乳酸的S捻的捻纱和主要利用聚-L-乳酸的Z捻的捻纱。如果使这些纱线接近，则纤维间的电场变大，抗菌性变高。
使用主要利用聚-L-乳酸的S捻的捻纱和主要利用聚-D-乳酸的S捻的捻纱的情况、使用主要利用聚-L-乳酸的Z捻的捻纱和主要利用聚-D-乳酸的Z捻的捻纱的情况、以及使用利用聚-D-乳酸的S捻的捻纱和主要利用聚-D-乳酸的Z捻的捻纱的情况，均相同。
这些捻纱可以在并纱后使用，也可以作为构成布的纱线并用上述捻纱中的任意2种捻纱。本发明的布例如由上述纱线1或纱线2构成。应予说明，在本发明中，布是指机织物、针织物、编织物、无纺布、蕾丝等纤维制品。
构成布的各纱线可以在上述条件(a)～(d)下使表面产生0.1V以上的电位，但本发明的布本身也可以通过在下述条件(a)～(d)下进行测定而使布的表面产生0.1V以上的电位。本发明的布也可以通过这种条件下产生所规定的电位而发挥期望的效果。
(a)使上述布在单轴方向拉伸规定量。
(b)对由导电纤维构成的芯材包覆上述纤维。
(c)使上述芯材接地。
(d)利用电场力显微镜测定上述布的表面电位。
与纱线的情况同样，作为上述(a)的规定量，布的应变优选为0.1％以上。更优选为0.5％以上的应变。表面电位优选为0.3V以上，更优选为1.0V以上。
构成布的纤维的参数与上述纱线相同。即，纤维的粗度(单纤维纤度)优选为0.005～10dtex。进而，纤维强度优选为1～5cN/dtex。纤维强度更优选为2～10cN/dtex，进一步优选为3～10cN/dtex，最优选为3.5～10cN/dtex。纤维的伸长率优选为10～50％。聚乳酸的结晶度优选为15～55％。
在构成布的纤维为捻纱的情况下，该捻纱的加捻角度的平均值优选为10～50°，更优选加捻角度的平均值为20～40°。
优选布的基重为20～200g/m2，空隙率为50～95％。另外，在使用布作为过滤器的情况下，为了提高捕获性能和捕获稳定性，优选设为风速5.1cm/sec以上时0.3μm的微粒子捕获率为40％以上、且压力损失小于250Pa的过滤器。
本发明的布能够适用于衣物、医疗用品等各种产品。例如，本发明的布能够适用于内衣(尤其是袜子)、毛巾、鞋子和靴子等的鞋垫、所有运动服、帽子、床上用品(包含被子、床垫、床单、枕头、枕套等。)、牙刷、牙线、各种过滤器类(净水器、空调或空气净化器的过滤器等)、毛绒玩具、宠物相关商品(宠物用垫、宠物服装、宠物服装的内衬)、各种垫产品(脚、手、或马桶等)、窗帘、厨房用品(海绵或抹布等)、座椅(汽车、电车或飞机等的座椅)、摩托车用头盔的缓冲材料及其外装材料、沙发、绷带、纱布、口罩、缝合线、医生和患者的服装、护具、卫生用品、体育用品(衣服和手套的内衬、或格斗中使用的护臂等)、或者包装材料等。
衣料中，尤其是袜子(或护具)因步行等动作，必然会沿关节产生伸缩，因此会高频率地产生极化。另外，袜子会吸取汗等的水分，成为菌增殖的温床，但在本发明的布中，可以抑制菌的增殖，因此作为抗菌用途会产生显著的效果。
应予说明，本发明的纱线可以是无捻纱，也可以是假捻纱。构成本发明的布的纱线可以是无捻纱，也可以是假捻纱。只要具备利用来自外部的能量使表面产生电位的纤维、且根据上述条件产生0.1V以上的电位，就可以发挥抗菌效果等各种期望的效果。
应当认为，本实施方式的说明在所有方面均为例示，而并非限制。本发明的范围并非通过上述实施方式表示，而是通过权利要求的范围来表示。进而，本发明的范围旨在包含与本发明要求保护的范围均等的含义和范围内的所有变更。
附图标记说明
1、2…纱线
10…纤维
900…拉伸方向。

Claims (8)

1.一种纱线，其具备利用来自外部的能量在表面产生电位的纤维，
通过在下述条件(a)～(d)下进行测定而在所述表面产生0.1V以上的电位：
(a)将所述纱线在单轴方向拉伸规定量，
(b)对由导电纤维构成的芯材包覆所述纤维，
(c)使所述芯材接地，
(d)利用电场力显微镜测定所述纱线的表面电位。
2.根据权利要求1所述的纱线，其中，作为所述规定量，所述纱线的应变为0.1％以上。
3.根据权利要求1或2所述的纱线，其中，粗度为0.005～10dtex。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的纱线，其中，所述纤维包含聚乳酸。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的纱线，其中，所述纤维被加捻了。
6.根据权利要求5所述的纱线，其中，加捻角度的平均值为10～50°。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的纱线，其满足下述要件(A)～(C)：
(A)纤维强度为1～5cN/dtex，
(B)伸长率为10～50％，
(C)结晶度为15～55％。
8.一种布，其具备利用来自外部的能量在表面产生电位的纤维、
通过在下述条件(a)～(d)下进行测定而在所述表面产生0.1V以上的电位：
(a)将所述布在单轴方向拉伸规定量，
(b)对由导电纤维构成的芯材包覆所述纤维，
(c)使所述芯材接地，
(d)利用电场力显微镜测定所述布的表面电位。
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