JP2005306676A - コンクリート補強用ポリプロピレン短繊維 - Google Patents

Abstract

【課題】再生ポリプロピレン（ＰＰ）を原料として、引張強度が高く、コンクリート等の水硬性組成物に対する補強効果が優れ、水硬性組成物との密着性にも優れるコンクリート補強用ＰＰ短繊維を得ることにある。
【解決手段】再生ＰＰを主体とするＰＰを溶融紡糸し、高延伸してなるＰＰ短繊維１であって、上記再生ＰＰが、押出延伸グレードのＰＰを用いて製造された製品から回収、再生されたＭＦＲ０．５〜１５のものであり、ＰＰ短繊維１の幅が１〜１．５ｍｍ、厚さが０．５〜１ｍｍ、長さが２０〜６０ｍｍで、その表面と裏面にはエンボス加工が施されて凸部１ａが形成されており、表裏面の凸部１ａの高さが繊維厚さの１０〜２５％であり、表裏面で凸部１ａの 位置が一致する箇所が、短繊維の長さ１０ｍｍ当たり、２０カ所以下であるコンクリート補強用ＰＰ短繊維である。
【選択図】図１

Description

この発明は、コンクリート、モルタルなどの水硬性組成物に添加されて、これを補強するコンクリート補強用ポリプロピレン短繊維に関し、特に再生ポリプロピレンを原料として用いて、補強効果の高いコンクリート補強用ポリプロピレン短繊維が得られるようにしたものである。

近時、ポリプロピレン製品の回収、再利用が盛んに行われつつある。
ところで、ポリプロピレンには、その用途に応じたグレードがあり、例えば、自動車バンバー、容器などの射出成形品に適した射出成形グレード、例えば、未延伸フィルム、シートなどの押出成形品に適した押出成形グレード、例えば、繊維、糸、紐、バンド、延伸フィルムなどの押出延伸グレードなどに大別される。

上記射出成形グレードのポリプロピレンは、エチレンを少量共重合したブロック共重合体あるいはランダム共重合体である。また、押出成形グレードのポリプロピレンは、メルトフローレイト５ｇ／１０分以上のホモポリマーもしくはランダム共重合体が多い。押出延伸グレードのポリプロピレンは、メルトフローレイト０．５〜５ｇ／１０分のホモポリマーのものである。
このため、使用済みのポリプロピレン製品を回収して再生した再生ポリプロピレンは、これらのグレードのポリプロピレンが混在しているものが大部分を占めることになる。

しかしながら、このような各種グレードが混在した再生ポリプロピレンを原料としてコンクリート補強用ポリプロピレン短繊維を製造すると、ポリプロピレン短繊維自体の強度が低く、十分な補強効果が得られない。
例えば、日本道路公団が制定したトンネル施工管理要領のトンネル覆工コンクリート用非鋼繊維品質規格では、引っ張り強度４５０ＭＰａ以上を要求している。
また、コンクリート補強用ポリプロピレン短繊維では、コンクリート、モルタル等との密着性が必要となり、両者が十分接合している必要がある。

コンクリート補強用ポリプロピレン繊維に関する先行発明として、特開平１１−１１６２９７号公報がある。また、コンクリート補強用オレフィン系繊維としては、特公昭６１−２６５１０号公報が知られている。コンクリート補強用ポリマー繊維としては、特公昭６１−３０１号公報がある。
しかし、これらの先行発明においては、いずれも再生ポリプロピレンを原料とするものではない。
特開平１１−１１６２９７号公報 特公昭６１−２６５１０号公報 特公昭６１−３０１号公報

よって、本発明における課題は、再生ポリプロピレンを原料として、引張強度が高く、コンクリート等の水硬性組成物に対する補強効果が優れ、水硬性組成物との密着性にも優れるコンクリート補強用ポリプロピレン短繊維を得ることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、再生ポリプロピレンを主体とするポリプロピレンを溶融紡糸し、高延伸してなるポリプロピレン短繊維であって、
上記再生ポリプロピレンが、押出延伸グレードのポリプロピレンを用いて製造された製品から回収、再生されたメルトフローレイトが０．５〜１５ｇ／１０分のものであり、
ポリプロピレン短繊維の幅が１〜１．５ｍｍ、厚さが０．５〜１ｍｍ、長さが２０〜６０ｍｍで、その表面と裏面にはエンボス加工が施されて凸部が形成されており、
その表裏面の凸部が繊維厚さの１０〜２５％であることを特徴とするコンクリート補強用ポリプロピレン短繊維である。

請求項２にかかる発明は、ポリプロピレン短繊維の表面と裏面とで、上記凸部の位置が一致する箇所が、ポリプロピレン短繊維の長さ１０ｍｍ当たり、２０カ所以下であることを特徴とする請求項１に記載のコンクリート補強用ポリプロピレン短繊維である。
請求項３にかかる発明は、延伸倍率が８〜１２．５倍であることを特徴とする請求項１または２に記載のコンクリート補強用ポリプロピレン短繊維である。

請求項４にかかる発明は、引張強度が４５０ＭＰａ以上である請求項１ないし３のいずれかに記載のコンクリート補強用ポリプロピレン短繊維である。
請求項５にかかる発明は、再生ポリプロピレンの割合が８０ｗｔ％以上であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のコンクリート補強用ポリプロピレン短繊維である。

本発明のコンクリート補強用ポリプロピレン短繊維にあっては、再生ポリプロピレンを原料として用いているにもかかわらず、再生ポリプロピレンのグレードを特定し、かつ高延伸倍率での延伸を施しているので、その引張強度が高く、４５０ＭＰａ以上の値を示し、日本道路公団が制定したトンネル施工管理要領のトンネル覆工コンクリート用非鋼繊維品質規格を満足する。

また、その表面および裏面にエンボス加工によって凸部を形成し、かつその凸部の高さを特定しているので、コンクリート、モルタルなどの水硬性組成物などとの密着性が良好で、高い補強効果が得られる。
さらに、原料として再生ポリプロピレンを用いているので、エコロジーの観点からも好ましいものとなる。
さらに、凸部の配置を特定したものでは、さらにコンクリートとの密着性が高いものとなる。

本発明の特徴とするところは、第１に再生ポリプロピレンとして、押出延伸グレードの新生ポリプロピレンからなる延伸加工製品を回収して再生した、メルトフローレイトが０．５〜１５ｇ／１０分のものを主に使用する点である。
また、第２には、延伸時の延伸倍率を新生ポリプロピレンの場合よりも高くし、８．８〜１２．５倍と高延伸倍率とした点にある。
さらに、第３には、コンクリート補強用ポリプロピレン短繊維の表面及び裏面に凸部が形成されており、その凸部の高さが繊維厚さの１０〜２５％となっている点にある。

本発明のコンクリート補強用ポリプロピレン短繊維の原料となる再生ポリプロピレンとしては、そのメルトフローレイトが０．５〜５ｇ／１０分のいわゆる押出延伸グレードの新生ポリプロピレンを用いて、溶融紡糸あるいは溶融押出したのち、これを延伸倍率８〜１０倍で延伸加工を施して製造された繊維、糸、紐、バンド、織物、不織布などの延伸加工製品の端材、廃材、あるいはこれら製品の使用済の回収材料であって、メルトフローレイトが０．５〜１５ｇ／１０分のものが用いられ、なかでも梱包用バンドとして汎用されているポリプロピレンバンドの端材、廃材、使用済回収品が好適であり、このポリプロピレンバンドのリサイクル品が市場で購入することができる状況になっている。

この再生ポリプロピレンのメルトフローレイトが０．５ｇ／１０分未満であると、押出および延伸が困難となり、１５ｇ／１０分を越えると、元の新生ポリプロピレンの分解成分が多くなると見られ、ポリプロピレン短繊維の強度不足を招く。より好適なメルトフローレイトは、３〜１２ｇ／１０分である。

また、本発明のコンクリート補強用ポリプロピレン短繊維の原料として、上述の押出延伸グレードポリプロピレンの再生品のみでなくともよく、全体の８０ｗｔ％以上が押出延伸グレード再生品であり、２０ｗｔ％以下が射出成形グレードまたは押出成形グレードの再生品もしくは新生ポリプロピレンであってもよい。

図１は、本発明のコンクリート補強用ポリプロピレン短繊維（以下、短繊維と略記することがある）の一例を示すものである。この例の短繊維１は、テープ状の外観を呈し、その幅が１〜１．５ｍｍで、厚さが０．５〜１ｍｍで、長さが２０〜６０ｍｍの比較的太径で扁平なものである。
また、この短繊維１の表面および裏面にはエンボス加工が施されており、微細な畝状の凸部１ａ、１ａが形成されている。この例では、凸部１ａの平面形状は連続または断続した稲妻状となっている。

そして、この凸部１ａの高さが短繊維１の厚さの１０〜２５％、好ましくは１０〜１８％となっている。この高さはコンクリート等との密着性に関連するもので、その高さが１０％未満では、この短繊維１をコンクリートなどの水硬性組成物中に分散させたときの密着性が低いものとなる。また、２５％を越えると、短繊維１の厚さが相対的に小さくなることになり、短繊維１自体の引張強度の不足を招く。

また、短繊維１をその長手方向に直交する断面で断面したときに、短繊維１の表面と裏面とにおいて、凸部１ａ、１ａの位置が不一致となっている部分と、図２に示すように凸部１ａ、１ａの位置が表面と裏面とで一致する部分があるようになっている。

本発明では、短繊維１の１０ｍｍの長さにおいて、凸部１ａの位置が一致する部分が２０カ所以下となっている。この値は、１０ｍｍの長さの短繊維１を５０本測定したときの平均値である。
この一致部の箇所の測定は、１０ｍｍの長さの短繊維１を冷却したうえ、厚さ０．５ｍｍにミクロトームで切断し、その切断片を顕微鏡観察することで行われる。
この凸部１ａの位置の一致部が１０ｍｍあたり２０カ所を越えると、この短繊維１をコンクリートなどの水硬性組成物中に分散させたときの密着性が低いものとなる。

一般に、コンクリート補強用繊維とコンクリートとの密着性の評価は、繊維の一部をコンクリート中に埋め込んだ状態で、コンクリートを硬化したのち、コンクリートから突出している部分の繊維を試験器の把持具に把持して、繊維を引き抜き、その時の強度を測定する方法で行われる。
この際、本発明に短繊維１においても、繊維長さ方向の引張力が作用する。この引張力によって短繊維は弾性変形し、厚さ、幅が微少に減少し、コンクリートとの界面にわずかな隙間が生じ、これによって短繊維がコンクリートから離脱する。

この時、上述の凸部１ａ、１ａの位置の一致部分においては、繊維の変形が繊維の周面で対称的に生じ、コンクリートとの界面に均一な隙間が生じる。一方、不一致部分では、繊維の変形が非対称的に生じ、コンクリートとの界面のは密着部分と非密着部分とが形成される。このため、同一量の引抜力が作用した場合には、不一致部分ではコンクリートとの密着部分が、一致部分よりも多くなり、密着性が大きくなる。
したがって、不一致部分が多い短繊維では、結果的にコンクリートとの密着性が高いものとなる。
このような理由により、本発明の短繊維１では、一致部分の箇所を長さ１０ｍｍ当たり２０カ所以下としたものである。

次に、このコンクリート補強用ポリプロピレン短繊維１の製造方法を説明する。
まず、上述の押出延伸グレードの新生ポリプロピレンからなる各種延伸加工製品の端材、廃材、使用済回収品を主体とする再生ポリプロピレンを用意する。この再生ポリプロピレンとしては、既に上記条件を満たしたものが、ペレット状として市場で入手可能であり、これを使用することが便利である。

この再生ポリプロピレン原料を押出機に供給し、溶融温度２１０〜２５０℃で、多数の押出孔が形成された紡糸口金から断面形状が円形のモノフィラメントとして押し出す。
この押し出されたモノフィラメントを冷却水槽などの冷却装置に送り、急速冷却したのち、延伸装置に送り込む。延伸装置においては、ポリプロピレンのガラス転移温度以上で融点以下の温度、例えば５０〜１５０℃の温度条件でこのモノフィラメントを延伸する。

この時に延伸倍率は、得られる短繊維１の引張強度を左右するものであることから、また新生ポリプロピレンに比べて、分子量等が低下していることからも、新生ポリプロピレンからなる延伸加工製品を製造したときの延伸倍率よりも高くされ、その時の延伸倍率よりも１０〜２５％高い延伸倍率で行う必要があり、具体的には８．８〜１２．５倍程度とされる。
ついで、延伸後のモノフィラメントをエンボス加工機に送り込み、エンボス加工を施す。

ここでのエンボス加工は、２本の金属製ロールを対峙させ、互いに逆方向に回転させておき、これらエンボスロール間に複数のモノフィラメントを通し、モノフィラメントを圧潰する方法で行われる。各エンボスロールには、上記凸部１ａに対応する凹部が刻設されている。また、エンボスロールは、８０〜１２０℃に保つことにより、モノフィラメントが半溶融状態となり、容易に凸部１ａが形成されるようになっている。

このエンボス加工によって、モノフィラメントが圧縮され、断面形状が円形から図１に示すような矩形に変化する。
また、このエンボス加工に際して、２本のエンボスロールの位置をずらしたり、モノフィラメントのエンボスロール間への挿入角度を変化させたり、エンボスロールの凹部の形状を変化させたりすることで、凸部１ａの位置の一致部分の数を１０ｍｍ当たり２０カ所以下とすることができる。

次に、エンボス加工が終了したモノフィラメントをポリプロピレンの結晶化温度付近の温度条件でその長さが５％減少するまでアニールし、ついでこれを所定の長さに切断してコンクリート補強用ポリプロピレン短繊維とする。
このアニールを行わないと、製造した短繊維１が経時的にカールし、コンクリート、モルタルなどに均一に分散せず、いわゆるファイバボールが形成されてしまう。

このようなコンクリート補強用ポリプロピレン短繊維１にあっては、再生ポリプロピレンを原料として用いているにもかかわらず、再生ポリプロピレンのグレードを特定し、かつ高延伸倍率での延伸を施しているので、その引張強度が高く、４５０ＭＰａ以上の値を示し、日本道路公団が制定したトンネル施工管理要領のトンネル覆工コンクリート用非鋼繊維品質規格を満足する。

また、その表面および裏面にエンボス加工によって凸部１ａ、１ａを形成し、かつその凸の部高さ短繊維１の厚さの１０〜２５％とし、かつその位置が一致する部分の長さ１０ｍｍ当たりの数を２０カ所以下に特定しているので、コンクリート、モルタルなどの水硬性組成物などとの密着性が良好で、高い補強効果が得られる。
さらに、原料として再生ポリプロピレンを用いているので、エコロジーの観点からも好ましいものとなる。

以下、具体例を示す。
（例１）
再生ポリプロピレンとして、押出延伸グレードのポリプロピレンからなるポリプロピレンバンドの端材、使用済回収材からなるポリプロピレンペレット（協和産業（株）製、メルトフローレイト５．０ｇ／１０分）を用意した。このポリプロピレンペレットを１軸押出機に投入し、溶融温度２３０℃で、開口径２ｍｍの孔が１４個形成された紡糸用口金を用いて溶融紡糸し、径２ｍｍのモノフィラメントとした。冷却水槽でこれを３０℃まで急速冷却したのち、延伸装置にて温度８０℃、延伸倍率９倍にて延伸した。

ついで、これをエンボス加工機に送り込み、温度１００℃にてエンボス加工を行った。これにより、幅１．２ｍｍ、厚さ０．６０ｍｍで、表面および裏面に図１に示すような高さ０．１ｍｍ、幅０．１ｍｍの凸部を有するモノフィラメントとした。
この時、エンボス加工条件を変化させて、凸部の位置が一致する部分が１０ｍｍ当たり、９カ所、１５カ所、２０カ所、３８カ所のものを作製した。
ついで、このモノフィラメントを１１０℃の温度でアニールし、その長さを５％減少させてから、長さ３２ｍｍに切断して、短繊維とした。

この短繊維の引張強度をＪＩＳ Ｌ１０１３に準じて測定したところ、４６０ＭＰａであった。
また、この短繊維をモルタル（セメントに対して水６０ｗｔ％、セメントと砂との重量比１：２）中にその一部が突出するようように埋め込み、硬化させた。突出長さは２０ｍｍとした。２週間水中養生をしたのち、短繊維の引抜試験を行った。
短繊維の引抜力と短繊維の凸部の位置の一致部分の１０ｍｍ当たり数との関係を表１に示した。
表１に示した引抜力は、凸部の位置が一致する部分が１０ｍｍ当たり２０カ所の場合の値を１００としたときの相対値で示してある。

表１の結果から、凸部の一致部分の数が１０ｍｍ当たり２０カ所以下であれば、モルタルとの密着力が高いものとなることがわかる。

（例２）
例１において、延伸時の延伸倍率を８倍とした以外は同様にして短繊維を作製した。この短繊維の引張強度は４００ＭＰａであった。
（例３）
例１において、ポリプロピレンとして、押出延伸グレードの新生ポリプロピレンを用い、延伸時の延伸倍率を８倍とした以外は、同様にして短繊維を作製した。この短繊維の引張強度は４７５ＭＰａであった。

（例４）
例１において、原料として押出延伸グレードのポリプロピレンからなるポリプロピレンバンドの端材、使用済回収材からなるポリプロピレンペレット９０ｗｔ％と、射出成形グレードのポリプロピレンからなる成形品の再生品ペレット１０ｗｔ％とをドライブレンドして混合したものを用い、延伸時の延伸倍率を１０倍とした以外は同様にして短繊維を作製した。
この短繊維の引張強度は４５３ＭＰａであった。

（例５）
例１と同様にしてエンボスによる凸部の高さを変え、それに伴い短繊維の厚さ
を変え、凸部の一致部分を１０ｍｍあたり２０カ所とした３種の短繊維を得た。
これらと、例１で得た凸部の一致部分が１０ｍｍあたり２０カ所としたものを基準品として、モルタル中に混入し、その硬化物の曲げ靱性試験を行ったところ、表２に示す結果が得られた。

曲げ靱性試験は、日本道路公団試験方法 ＪＨＳ７３０−２００３「繊維補強覆工コンクリートの曲げ靱性試験方法」によって行い、基準品の測定値を１００とした時の相対値で示した。モルタルの配合は、管理要領に基づき、単位セメント量３４０ｋｇ／ｍ^３、単位水量１７５ｋｇ／ｍ^３以下、短繊維混入率０．３％とした。曲げ供試体寸法は、１５０×１５０×５３０ｍｍとした。

この発明のコンクリート補強用ポリプロピレン短繊維は、コンクリート、モルタル、漆喰などの水硬性組成物を補強する補強繊維として有用であり、未硬化の水硬性組成物に混入したものをトンネル内壁面等に吹き付けるなどして使用できる。

本発明のコンクリート補強用ポリプロピレン短繊維の一例を示す断面斜視図である。 本発明のコンクリート補強用ポリプロピレン短繊維の一例を示す断面図である。

符号の説明

１・・・コンクリート補強用ポリプロピレン短繊維、１ａ・・・凸部

Claims (5)

1. 再生ポリプロピレンを主体とするポリプロピレンを溶融紡糸し、高延伸してなるポリプロピレン短繊維であって、
   上記再生ポリプロピレンが、押出延伸グレードのポリプロピレンを用いて製造された製品から回収、再生されたメルトフローレイトが０．５〜１５ｇ／１０分のものであり、
   ポリプロピレン短繊維の幅が１〜１．５ｍｍ、厚さが０．５〜１ｍｍ、長さが２０〜６０ｍｍで、その表面と裏面にはエンボス加工が施されて凸部が形成されており、
   その表裏面の凸部が繊維厚さの１０〜２５％であることを特徴とするコンクリート補強用ポリプロピレン短繊維。
2. ポリプロピレン短繊維の表面と裏面とで、上記凸部の位置が一致する箇所が、ポリプロピレン短繊維の長さ１０ｍｍ当たり、２０カ所以下であることを特徴とする請求項１記載のコンクリート補強用ポリプロピレン短繊維。
3. 延伸倍率が８．８〜１２．５倍であることを特徴とする請求項１または２に記載のコンクリート補強用ポリプロピレン短繊維。
4. 引張強度が４５０ＭＰａ以上である請求項１ないし３のいずれかに記載のコンクリート補強用ポリプロピレン短繊維。
5. 再生ポリプロピレンの割合が８０ｗｔ％以上であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のコンクリート補強用ポリプロピレン短繊維。
   

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