JP2008208480A

JP2008208480A - 芳香族コポリアミド繊維の製造装置

Info

Publication number: JP2008208480A
Application number: JP2007045399A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Kitagishi; 泰北岸
Original assignee: Teijin Techno Products Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2007-02-26
Filing date: 2007-02-26
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2027-02-26
Also published as: JP5329767B2

Abstract

【課題】単糸繊度が細く、引っ張り強度及び初期モジュラス等の機械的物性に優れた芳香族コポリアラミド繊維を高速で安定的に製造する装置を提供する。
【解決手段】芳香族コポリアミドを繊維化するための紡糸液を吐出する口金１と、紡出された前記紡糸液を凝固させるための凝固液を前記口金と一定のエアギャップ形成して満たした第１凝固浴２１と、前記凝固液中に前記紡糸液が紡出されて繊維化された糸条を引き取る引取ローラ３と、前記引取ローラによって引取られた糸条の凝固を更に促進する凝固液を満たした第２凝固浴５１と、前記第２凝固浴中に浸漬され且つ凝固液中を走行する糸条をその上で担持しながら搬送する糸条搬送手段４ａｂと、前記第２凝固浴中で凝固した糸条を一定倍率で延伸する延伸手段と、延伸後の糸条に残存した溶媒を抜き取るための水洗手段７と、を少なくとも備えたことを特徴とする芳香族コポリアミド繊維の製造装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、芳香族コポリアミド繊維を乾湿式紡糸法によって製造する装置に関する。

従来、パラ系のアラミド繊維は、その強度、高弾性率、高耐熱性といった特性を生かして産業用途、衣料用途に広く用いられている。このような代表的なアラミド繊維としては、例えばポリパラフェニレンテレフタルアミド（ＰＰＴＡ）繊維がある。この繊維は多くの利点を有するが、ポリマードープの光学異方性を利用した所謂「液晶紡糸法」により製造される点で、プロセス上問題のあること、繊維性能についてみれば機械的物性のうち強度が必ずしも高くないこと、及び伸度が低く靭性が不十分であること等の欠点が見られる。

そこで、この問題を解消するため、公知のアミド溶媒に対して高い溶解度を有し、容易に紡糸することができ、延伸処理後に高い引っ張り強度値と高い初期モジュラス値を有する芳香族コポリアラミド繊維を開発する試みがなされてきた。

例えば、特許文献１（特開平７−３００５３４号公報）には、芳香族コポリアミドであって、溶媒に対して等方性溶液を形成する芳香族コポリアミドを使用し、この芳香族コポリアミドからなるドープを紡出して、凝固液にて溶剤を除去して繊維化し、洗浄した後、延伸する繊維の製造方法が提案されている。しかしながら、上記特許文献１に開示されている芳香族コポリアミド繊維では、引っ張り強度、初期モジュラス等の機械的物性は不十分であり、優れた機械的物性を発現させることができる繊維の製造方法については未だ提案されていないのが実状情である。

また、近年、生産性向上のために、繊維の紡糸速度は益々上昇している。このように紡糸速度が上昇すると、洗浄液中を走行する繊維の走行抵抗も上昇する。そうすると、液中抵抗によって繊維が引き伸ばされて物性が低下するという問題が生じる。また、ひどい場合には、単糸が切れるという問題がある。
特開平７−３００５３４号公報

本発明は、以上に説明した従来技術を背景になされたもので、その目的は、単糸繊度が細く、引っ張り強度及び初期モジュラス等の機械的物性に優れた芳香族コポリアラミド繊維を高速で安定的に製造する装置を提供することにある。

ここに、本発明の芳香族コポリアミド繊維の製造装置として、「芳香族コポリアミドを繊維化するための紡糸液を吐出する口金と、紡出された前記紡糸液を凝固させるための凝固液を前記口金と一定のエアギャップ形成して満たした第１凝固浴と、前記凝固液中に前記紡糸液が紡出されて繊維化された糸条を引き取る引取ローラと、前記引取ローラによって引取られた糸条の凝固を更に促進する凝固液を満たした第２凝固浴と、前記第２凝固浴中に浸漬され且つ凝固液中を走行する糸条をその上で担持しながら搬送する糸条搬送手段と、前記第２凝固浴中で凝固した糸条を一定倍率で延伸する延伸手段と、延伸後の糸条に残存した溶媒を抜き取るための水洗手段と、を少なくとも備えたことを特徴とする芳香族コポリアミド繊維の製造装置」が提供される。

さらには、本発明の芳香族コポリアミド繊維の製造装置として、上記構成に加えて、
(1) 内部に流入する凝固液を所定流速に維持しながら流下する凝固液と共に流下する紡糸液を凝固させて繊維化する流管を前記第１凝固浴に設けることが好ましく、
(2) 前記水洗手段が、水洗液を糸条に噴き付ける水洗用ノズルであることが好ましく、
(3) 前記延伸手段の後に前記水洗用ノズルを複数箇所に設け、前記水洗用ノズルから断続的に噴き出される水洗液を走行する糸条に対して複数箇所で噴き付けることが好ましく、そして、
(4) 前記糸条搬送手段が、液中駆動ローラであることが好ましい。

以上に説明したように、本発明の芳香族コポリアミド繊維の製造装置では、口金から紡出された紡糸液を凝固させて繊維化する最終の凝固工程において、凝固されて繊維化された糸条を走行したままの状態で担持する液中駆動ローラのような糸条搬送手段を設けて、糸条の凝固を行なっている。

したがって、含有されていた溶媒が未だ抜け切れていない糸条であっても、凝固液から受ける走行抵抗を減じながら、しかも、走行糸条を担持することによって、走行する糸条の糸道を常に一定にできるため、液中で走行糸条が蛇行したり、振動することがない。このため、糸条が凝固液中でダメージを受けたり、断糸したりすることが著しく少なくなって、紡糸調子の安定化を図ることができる上に、品質に優れた繊維を製造することができる。

さらには、糸条の最終の凝固過程を前述の糸条搬送手段に担持させて行なうことができることとなり、未だ十分に可塑性を残した糸条を延伸に供することができることとなった。その結果として、安定した延伸を行なうことが可能となり、糸条の強度や初期モジュラスなどの機械物性を大幅に向上できるという極めて顕著な効果を奏する。

本発明がその対象とするのは、高強度と高モジュラスを兼ね備えた芳香族コポリアミド繊維を製造するために好適な装置である。
以下、前記本発明者等が着想するに至った本発明について、その実施形態を詳細に説明する。

本発明でいう芳香族コポリアミドとは、１種又は２種以上の２価の芳香族基が直接アミド結合により連結されているポリマーであって、前記芳香族基は２個の芳香環が酸素、硫黄又はアルキレン基で結合されたものであってもよい。また、これらの２価の芳香族基には、メチル基やエチル基などの低級アルキル基、メトキシ基、あるいはクロル基などのハロゲン基等が含まれていてもよい。

また、本発明の芳香族ポリアミド繊維の製造方法は、図１に示すような方法である。図１は、本発明に係る洗浄装置の一つの実施形態を模式的に例示した概略構成図である。
この図１において、1は芳香族コポリアミドからなる紡糸液(以下、ドープという)を吐出する口金であり、また、２は第１凝固装置であって、この第１凝固装置２は、凝固浴２１とこの凝固浴２１に浸漬された流管２０とから構成されている。更に、前記凝固浴２１には、吐出されたドープを凝固するための第１凝固液Ｌ_１が満たされており、この第１凝固液Ｌ_１は、凝固浴２１の下部に設けられた凝固液供給管２１aから供給され、凝固浴２０の液面レベルをコントロールするオーバーフロー配管２１cへ溢れ出た後、凝固液排出管から排出される。

以上に説明したように、凝固浴２１に充填された第１凝固液Ｌ_１をオーバーフローさせることによって、第１凝固液Ｌ_１の液面レベルを常に一定に保つことによって、口金１のドープ吐出面との間に形成されるエアギャップＧを常に一定の間隔に保つことができる。ここで、前記第１凝固液Ｌ_１は、本発明において、アミド系溶媒と水との２成分からなる水溶液で構成されるものを使用する。なお、前記アミド系溶媒としては、取扱い性や安定性の点から、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（以下、ＮＭＰという）が好ましい。

次に、前記第１凝固液Ｌ_１中のアミド系溶媒の濃度としては、濃度１０〜５０重量％であることが好ましい。もし、この濃度が５０％を越えると、芳香族コポリアミドからなるドープの凝固が進まず、紡出された単糸同士に密着が発生し、連続的に製糸することが困難となる。また、濃度が１０％未満であると、可塑化が十分に進まず、続いて行なわれる延伸時の延伸性が低下するため好ましくない。また、強固液Ｌ_１の温度としては、その成分組成と密接な関係があるので限定することはできないが、あまり高温にすると糸条同士の密着が激しくなる上、作業性も悪くなる。このため、好適な温度は２０〜５０℃である。

本発明においては、前述のように前記口金１のドープ吐出面と前記第１凝固液Ｌ_１の液面との間にはエアーギャップＧを形成しておくことが好ましい。そして、このエアーギャップＧに引き続いて、前記第１凝固液Ｌ_１をその内部を流下する第１凝固液Ｌ_１の液流と共に紡出された糸条を下方へ引取るための流管２０を設けることが好ましい。

なお、このとき、流管２内を流れる第１凝固液Ｌ_１の流速としては、糸条の走行速度に近い速度が良い。何故ならば、速度差が大きいと糸条にダメージが与えられ、糸物性が低下したり、ひどい場合には、断糸を起こすからである。したがって、流管２０内を流下する第１凝固液Ｌ_１の速度を好ましい値とするために、第１凝固液Ｌ_１に浸漬する流管２０の上端面と凝固浴２１の液面との距離を調整しておく必要があることは言うまでもない。

以上に説明したようにして、口金から紡出されたドープは凝固させられて繊維化されるが、このとき、前述の流管２０から出た糸条は、流管２０の下部に設けられた一定速度で回転する引取ローラ３により引取られ、そして、この引取ローラ３の引取速度によって、口金１から吐出された糸条の紡糸速度が決定される。

なお、上記説明においては、流管２０を使用して、流管２０中を流下する凝固液流の作用によって、凝固液中で凝固される糸条が受ける液中抵抗を可級的に小さくするようにしている。本発明は、このような流管２０を用いることが、より品質に優れた繊維を製造する上で好ましいが、この流管２０の使用を必須とするものではない。つまり、通常の乾湿式紡糸法において慣用されているように流管２０を用いずに、直接エアギャップＧを介して口金１から紡出したドープを凝固浴中へ導き、凝固浴の液中で回転駆動される引取ローラへで引取り、引取った糸条を凝固液から引き上げるような方法を採用しても良い。

以上に説明したように、第１凝固液Ｌ_１中で凝固させられて繊維化された糸条は、引取ローラ３から次の第２の凝固工程を行うために第２凝固装置５へ送られる。ここで、この第２凝固装置５は、既に説明した第１凝固装置２と同様に、凝固浴５１を備えている。そして、この凝固浴５１へは、凝固液供給管５１aから第２凝固液Ｌ_２が供給され、供給された第２凝固液Ｌ_２がオーバーフロー配管５１cから溢れ出させることによって、液面レベルが一定にコントロールされ、オーバーフローした第２凝固液Ｌ_２は、凝固液排出管５１bから排出されるようになっている。

また、前記第２凝固装置５には、図１に例示したように、本発明に係る糸条搬送手段としての液中駆動ローラ５０が、上方の一部を残して第２凝固液Ｌ_２中に浸漬され、浸漬された状態で図示省略した駆動装置によって液中で回転駆動されている。

このようにして、入側ガイドローラ４aへ送られた糸条は、アミド系溶媒と水との２成分からなる第２凝固液Ｌ_２の中で十分に凝固させられる。この第２凝固液Ｌ_２による凝固は、液中で回転駆動されている液中駆動ローラ５０へ送られ、この液中駆動ローラ５０上に走行糸条が担持された状態で行われる。

具体的には、前記第２凝固液Ｌ_２中を一定時間に亘って糸条を液中駆動ローラ５０上に担持させながら通過させることによって行なわれる。したがって、前記第２凝固液Ｌ_２中を走行する糸条は、液中駆動ローラ５０によって担持された状態であるので、液中を走行する糸条が容易に走行するための補助機能を果たして、糸条の液中での走行抵抗が小さくなる。また、液中駆動ローラ５０によって担持されているために、走行する糸条の糸道が安定し、糸条が凝固液Ｌ_２から受ける抵抗によって蛇行したり、振動したりすることも無くなる。その結果として、走行糸条が凝固液Ｌ_２から受けるダメージが少なくなり、また、断糸の発生も抑制される。

このように、本発明によって、糸条の最終の凝固過程を前述の糸条搬送手段に担持させて行なうことができることとなり、未だ十分に可塑性を残した糸条を延伸に供することができることとなった。そして、その結果として、安定した延伸を行なうことが可能となり、糸条の強度や初期モジュラスなどの機械物性を大幅に向上できるという極めて顕著な効果を奏する。

以上の説明においては、本発明に係る糸条搬送手段を液中駆動ローラ５０で構成する実施形態としたが、本発明の糸条搬送手段として液中駆動ローラ５０に限定する必要はなく、コンベアベルトなどの公知の搬送手段を用いることができる。しかしながら、装置構成が簡単なことから、液中駆動ローラ５０を使用する実施形態が好ましい。

なお、前述の第２凝固液Ｌ_２としては、ＮＭＰからなるアミド系溶媒の濃度が３０〜８０％であることが好ましい。もし、この濃度が８０％を越えると、芳香族コポリアミド糸条がＮＭＰ溶液中で溶解するため、連続的に製糸することが困難となるからである。また、その濃度が３０％未満であると、繊維の可塑化が十分に進まないので、後述する延伸工程において、その延伸倍率を十分に確保することが困難でとなる。更に、この第２凝固液Ｌ_２の温度は、あまり高温にすると糸条同士の密着が激しくなる上、作業性も悪くなるため、好適な温度は２０〜５０℃である。

以上に説明したように、第２凝固液Ｌ２中で凝固された繊維は、液中走行による抵抗を受けながらも、液中駆動ローラ５０に担持されながら走行するので、ダメージを受けないように護られながら、未だ十分に可塑化が進む状態を残して凝固することができる。このため、前記液中駆動ローラ５を出た後に、出側ガイドローラ４ｂと入側水洗ローラ６ａとで構成される延伸手段によって、容易に糸条を１．３〜２．５倍に延伸することができる。

このようにして可塑性を残すことで糸条の延伸を円滑に行なった後は、繊維中に含まれる溶媒は完全に不要となるばかりか、有害でもあるので、これを繊維中から取り除く必要がある。そのために、引き続いて、繊維中に含まれる溶媒を除去するための水洗工程に入る。

本発明においては、繊維中の溶媒を抜き取るための前記水洗は、前記入側水洗ローラ６ａの下流側に水洗液を走行糸条に対して噴射する水洗用ノズル７によって行なう。なお、この水洗用ノズル７は、上方から走行糸条に対して水洗液をシャワー状に噴射するものでも、下方から噴射するものでも良い。更に、この水洗用ノズル７の設置箇所は、少なくとも２箇所として、複数箇所で走行糸条に対して水洗液を噴き付けることが、水洗効率を高める上で望ましい。

このとき、水洗液中に含まれるアミド系溶媒の濃度は、前記第２凝固液Ｌ_２以下であることが水洗効率を高める上で望ましい。また、水洗用ノズル７からの水洗液の噴射は連続して行なっても良いが、断続的に噴射することがより望ましい。何故ならば、断続的に水洗液を噴射する方式を用いることにより、走行糸条に与えるダメージが少なくなって、断糸の発生頻度も少なくなるからである。

なお、本発明に係る水洗手段は、以上に説明したような「水洗液を糸条に噴き付ける水洗用ノズル」であることが水洗工程を従来よりも効率的に行なう上できわめて望ましい。しかしながら、もちろん、通常の湿式紡糸法や乾湿式紡糸法で行なわれているように、水洗浴に充填された水洗液中に上下に併設されたローラ群間に対して、走行する糸条を順次巻回させながら走行方向を変えながら走行させて、水洗液中の糸条滞留時間を稼ぐ方法を採用しても良い。

以上に説明したように、水洗工程で繊維中から十分に溶媒を除去した後で、引き続いて水洗した糸条を乾燥工程へ供して充分に乾燥し、３００〜５５０℃の温度範囲で熱処理を行うことが好ましい。なお、この熱処理温度が３００℃未満の場合には、繊維が充分に結晶化を起こすことができないために、充分な引っ張り強度、初期モジュラスが得られない。逆に、熱処理温度が５５０℃を越える場合には、高温度に曝された繊維が熱劣化を引き起こすために、この場合も充分な引っ張り強度と初期モジュラスが得られない。

以下、本発明に係る「芳香族コポリアミド繊維の製造装置」の理解を深めるために、本発明の装置を使用して、芳香族コポリアミド繊維を製造した実験例について説明する。
この実験において、先ず、窒素を内部にフローしている攪拌翼を有する攪拌槽に、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）１．９４０Ｌを投入した後、十分に乾燥させた塩化カルシウム６０．０ｇ投入し溶解させた。次いでパラフェニレンジアミン１１．０ｇ（３０ｍｏｌ％）と、５（６）−アミノ−２−（４−アミノフェニル）ベンジミダゾール５３．０ｇ（７０ｍｏｌ％）とを秤量して投入し溶解させた。続いてテレフタル酸クロライド６８．６ｇ（１００ｍｏｌ％）を投入し、反応せしめてポリマー溶液を得た。この生成物に２２．５重量％の水酸化カルシウムを含有するＮＭＰ分散液１１０．０ｇを添加し中和反応を行った。
得られたポリマー溶液から析出させたポリマーについて測定した粘度（ηｉｎｈ）は６．０であった。

得られたドープを用い、吐出孔径が０．１５ｍｍ、吐出孔数が１００個の吐出孔群が穿設された紡糸口金から毎分１４０ｃｃの割合で吐出し、エアーギャップを介してＮＭＰ濃度３０重量％、温度５０℃の水溶液中に紡出し凝固糸を得た。流管内の凝固液の到達速度は１４０ｍ／ｍｉｎで、凝固出側の糸の速度は１５０ｍ／ｍｉｎで凝固した。次いで、温度３０℃、濃度７０％のＮＭＰ水溶液中で速度１５０ｍ／ｍｉｎで液中を通過させて、その後、２．０倍の延伸倍率で延伸を行った。延伸後、温度５０℃の水を０．５ｍ間隔で１０ケ並べたノズルから与え、水洗を実施した後、乾燥し、次いで、温度４５０℃下で熱処理を行い、３００ｍ／分の速度で巻き取って４２ｄｔｅｘ／２５ｆｉｌの糸条を得た。
この繊維の機械的物性は、引っ張り強度２４．９ｃＮ／ｄｔｅｘ、初期モジュラス９００ｃＮ／ｄｔｅｘであった。

本発明に係る洗浄装置の一実施形態を模式的に例示した概略構成図である。

符号の説明

１口金
２第１凝固装置
３引取ローラ
４ａ入側ガイドローラ
４ｂ出側ガイドローラ
５第２凝固装置
６ａ入側水洗ローラ
６ｂ出側水洗ローラ
７水洗用ノズル
２０流管
２１第１凝固浴
２１a 凝固液供給管
２１b 凝固液排出管
２１c オーバーフロー配管
５０駆動ローラ
５１第２凝固浴
５１a 凝固液供給管
５１b 凝固液排出管
５１c オーバーフロー配管
Ｇエアーギャップ
Ｌ_１第１凝固液
Ｌ_２第２凝固液
Ｙ糸条

Claims

芳香族コポリアミドを繊維化するための紡糸液を吐出する口金と、紡出された前記紡糸液を凝固させるための凝固液を前記口金と一定のエアギャップ形成して満たした第１凝固浴と、前記凝固液中に前記紡糸液が紡出されて繊維化された糸条を引き取る引取ローラと、前記引取ローラによって引取られた糸条の凝固を更に促進する凝固液を満たした第２凝固浴と、前記第２凝固浴中に浸漬され且つ凝固液中を走行する糸条をその上で担持しながら搬送する糸条搬送手段と、前記第２凝固浴中で凝固した糸条を一定倍率で延伸する延伸手段と、延伸後の糸条に残存した溶媒を抜き取るための水洗手段と、を少なくとも備えたことを特徴とする芳香族コポリアミド繊維の製造装置。
内部に流入する凝固液を所定流速に維持しながら流下する凝固液と共に流下する紡糸液を凝固させて繊維化する流管を前記第１凝固浴に設けたことを特徴とする請求項１に記載の芳香族コポリアミド繊維の製造装置。
前記水洗手段が、水洗液を糸条に噴き付ける水洗用ノズルであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の芳香族コポリアミド繊維の製造装置。
前記延伸手段の後に前記水洗用ノズルを複数箇所に設け、前記水洗用ノズルから断続的に噴き出される水洗液を走行する糸条に対して複数箇所で噴き付けることを特徴とする請求項３に記載の芳香族コポリアミド繊維の製造装置。
前記糸条搬送手段が、液中駆動ローラであることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の芳香族コポリアミド繊維の製造装置。