JP2008266868A - ポリフェニレンサルファイド短繊維およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長期高温条件下でも耐薬品性に優れ、バグフィルターの濾布に用いても機械的強度が低下しにくいＰＰＳ短繊維を提供する。
【解決手段】ポリフェニレンサルファイドの粉末を減圧下で温度３５０℃未満で溶融してペレット化したペレットを、温度１３０〜１７０℃の減圧下で乾燥した後、溶融し、紡糸口金から紡出し、延伸した後に所定の長さに切断し、沸点が２００℃以上の揮発成分を０．１５重量％以下含有する、ポリフェニレンサルファイド短繊維。
【選択図】なし

Description

本発明は、長期間の熱処理下に於いてもその繊維の強力低下が少ない引張強度に優れたポリフェニレンサルファイド短繊維およびその製造方法に関するものである。

ポリフェニレンサルファイド（以下ＰＰＳと略す）樹脂は優れた耐熱性、バリア性、耐薬品性、電気絶縁性、耐湿熱性などエンジニアリングプラスチクスとして好適な性質を有しており、射出成型、押出成型用を中心として各種電気・電子部品、機械部品および自動車部品、フィルム、繊維などに使用されている。例えば、廃ガス集塵用のバグフィルター等の各種産業用フィルターに用いられる濾布にはＰＰＳ素材が広く用いられている。このような濾布は、ＰＰＳ短繊維の紡績糸から作製された基布にＰＰＳ短繊維をニードルパンチングしたものであり、廃ガス中のダストを捕集し、ダストを含まない廃ガスを外へと排気するために使用するが、目詰まりのない状態を長期間保持し続けることが重要であり、このような濾布性能の長寿命化が常に望まれている。一方で、濾布の目詰まりを抑制し濾布性能の長寿命化を図るためには、付着したダストを効率的に濾布から離脱させることが有効である。例えばバグフィルターにおいて濾布が目詰まりすると、焼却設備からの廃ガスの排気が出来なくなるので焼却設備を停止させて、濾布を交換しなければならない。つまり、濾布が目詰まりする前にダストを効率的に払い落とせば濾布の長寿命化が図れ、焼却設備の長期連続運転が可能となる。バグフィルターにおいて濾布に付着したダストを効率的に離脱させる方法としてパルスジェット方式が採用されることが多い（特許文献１および２参照）。パルスジェット方式とは、濾布の表面に付着したダストが蓄積しないうちに、濾布に高速の気流を定期的に吹きつけて濾布を振動させ、濾布の表面に付着したダストを払い落とす方式である。このようなパルスジェット方式でダストの払い落としは可能となるが、当然ながら、外力として加えられる高速の気流は濾布の機械強度を経時的に低下させやすい。定期的に外力が加えられた際に、濾布の機械強度や濾布の寸法安定性が不十分な場合、濾布が破断しバグフィルターとしての機能を果たせなくなる。

焼却設備の廃ガスは高温であって、排ガス中にはＰＰＳを化学的に劣化させるガスも含まれている。すなわち、バグフィルターに用いられる濾布は過酷な条件下で使用されており、長期間使用すると、高温下での化学的な劣化により濾布の強度が低下してくることが指摘されている（特許文献３）。このような長期間の使用による濾布の強度低下を抑制するために、高温下での化学的な劣化による引張強度の経時的低下が起こりにくいＰＰＳ繊維が求められている。

従来、ＰＰＳ繊維の機械的強度や寸法安定性を向上させるために、種々の提案がなされている。たとえば、ＰＰＳを溶融紡糸した後、ＰＰＳの融点以下で２〜７倍に延伸し、次いで、ＰＰＳの融点以上の温度で処理することにより、引張強度、結節強度および引掛強度を高め、耐屈曲摩耗特性および耐屈曲疲労特性を高める技術が特許文献４に開示されている。また、ＰＰＳ繊維の不織布において、特定の捲縮を付与したＰＰＳ短繊維を用いることにより、寸法安定性に優れた不織布とする技術が特許文献５に開示されている。

また、繊維の屈曲耐久性を改良するために、ＰＰＳにポリカルボジイミド化合物を混合する技術（特許文献６）や、製造時における製糸性を改良するために、ＰＰＳにアルキレンビスアルカンアミド類を混合する技術（特許文献７）や、ＰＰＳの分子量分布を制御する技術（特許文献８）が提案されている。

しかし、このような従来の技術では、高温下での化学的な劣化による引張強度の経時的低下を抑制するにはまだ不十分であるというのが実情であった。
特開平８−１０３６１７号公報 特開平９−２４８４１３号公報 特開２００６−３０５５６２号公報 特開平４−２２２２１７号公報 特許第２７６４９１１号公報 特開平１０−２５１９１８号公報 特開平１０−６０７３４号公報 特開２００６−３３６１４０号公報

本発明の目的は、上述した問題点を解決し、長期高温条件下でも耐薬品性に優れ、バグフィルターの濾布に用いても機械的強度が低下しにくいＰＰＳ短繊維を提供することにある。

本発明のＰＰＳ短繊維は、前記した目的を達成するために次の構成を有する。すなわち、沸点が２００℃以上の揮発成分を０．１５重量％以下含有するポリフェニレンサルファイド短繊維である。

また、本発明のＰＰＳ短繊維の製造方法は、前記した目的を達成するために次の構成を有する。すなわち、ポリフェニレンサルファイドの粉末を減圧下で温度３５０℃未満で溶融してペレット化したペレットを、温度１３０〜１７０℃の減圧下で乾燥した後、溶融し、紡糸口金から紡出し、延伸した後に所定の長さに切断する、ポリフェニレンサルファイド短繊維の製造方法である。

本発明によれば、長期高温条件下でも耐薬品性に優れ、バグフィルターの濾布として用いても機械的強度が低下しにくいＰＰＳ短繊維とすることができる。

バグフィルター等の長期間過酷な条件下に晒される用途でも、強度が低下しにくい濾布とすることができ、製品寿命を長くすることが可能になる。

以下、本発明について詳細に説明する。

本発明におけるＰＰＳは、繰り返し単位として、構造式（Ｉ）で示されるp-フェニレンサルファイド単位や、ｍ−フェニレンサルファイド単位などのフェニレンサルファイド単位を含有するポリマーを意味する。

ＰＰＳは、ホモポリマーまたはp-フェニレンサルファイド単位とｍ−フェニレンサルファイド単位の両者を有する共重合体であってもよく、また本発明の主旨を逸脱しない限り、他の芳香族サルファイドとの共重合体あるいは混合物であっても構わない。また、ＰＰＳは、重量平均分子量が、４００００〜６００００であることが好ましい。重量平均分子量が４００００未満のＰＰＳを用いて溶融紡糸を行った場合、紡糸張力が低く、紡糸時に糸切れが多発することがあり、重量平均分子量が６００００を超えるＰＰＳを用いると、溶融時の粘度が高すぎて紡糸設備を特殊な高耐圧仕様にしなければならず、設備費用が高額になって不利である。

本発明者らは、バグフィルターの濾布を長期の高温条件下において使用した際の劣化に関し鋭意検討を重ねた結果、ＰＰＳに含まれる不純物が悪影響を及ぼしていることを見出した。すなわち、ＰＰＳ短繊維を長期の高温下に置くと、不純物が存在する繊維箇所において不純物の分解が生じ、それが繊維中の大きな欠陥となっていき、繊維の強度が低下していくのである。不純物の中でも、低沸点の揮発成分は、従来のＰＰＳペレットの製造条件でも、ほぼ完全に除去されているが、高沸点の揮発成分は、従来のＰＰＳペレットの製造条件では、完全には除去されていなかったのである。

かかる高沸点の揮発成分は、具体的には沸点が２００℃以上である揮発成分である。
ＰＰＳは、通常、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、Ｎ−エチル−２−ピロリドンなどのＮ−アルキルピロリドン類、Ｎ−メチル−ε−カプロラクタムなどのカプロラクタム類、１、３−ジメチル−２−イミダゾリジノン、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアルデヒド、ヘキサメチルリン酸トリアミド、ジメチルスルホン、テトラメチレンスルホキシドなどに代表されるアプロチック有機溶媒、またはこれらの混合物などである極性溶媒を重合溶媒として用い、その中で、モノマーであるｐ−ジクロロベンゼンと硫化ナトリウムとを重合反応させて製造されるが、高沸点の揮発成分は、ＰＰＳを重合により得る際にモノマーと重合溶媒が反応して発生するものであり、特に酸化されやすいアミン系の化合物、例えばＮ−メチルクロロアニリンなどを主体とするものである。

この高沸点の揮発成分の含有量を繊維重量当たり０．１５重量％以下、好ましくは０．１０重量％以下に抑えることにより、高温条件下での強度低下が大幅に抑制できる。この高沸点揮発分の含有量が０．１５重量％よりも多いと２００℃で２０００時間の熱処理において繊維強力低下が４０％より大きくなり、本発明の目的を達し得ない。

また、ＰＰＳに含まれる高沸点の揮発成分は繊維製造段階でも悪影響を及ぼす。例えば、ＰＰＳを溶融紡糸する際に、高沸点の揮発成分により口金面の汚れ、冷却風設備の汚れが発生し、これらの汚れは、糸切れ、糸斑を誘発し、均一な未延伸糸を得ることが困難となる。そのような未延伸糸は延伸工程において高い延伸倍率で延伸することができないため、結果として高強度の繊維を得るには不利である。高沸点の揮発成分は、少ないほど望ましいが、ＰＰＳの性質上、完全に存在しないようにすることは、現在の技術では難しく、通常、高沸点揮発成分の含有量は、０．０５重量％以上である。

高沸点の揮発成分を低減させたＰＰＳ短繊維を得る方法について次に説明する。まず、固形化したＰＰＳ粉末を減圧下で温度３５０℃未満で溶融してペレット化してペレットとなす。より具体的に説明すると、固形化したＰＰＳ粉末を、エクストルーダー、好ましくは２軸のエクストルーダーを用い、真空処理しながら、温度３５０℃未満、通常２８５〜３４０℃の温度範囲で溶融させ、孔面積が３．１４〜５０．２４ｍｍ^２孔から押し出して０．５〜６ｍｍ程度の長さに切断することによりペレットを得るのである。真空処理は、エクストルーダーのシリンダー内を０．２〜１．５ｋＰａ、好ましくは０．２〜１．３ｋＰａ、より好ましくは０．２〜０．６５ｋＰａ程度に減圧することにより行なう。そのようにして得られたペレットについて、減圧下での乾燥、いわゆる真空乾燥を行なう。真空乾燥に際して、雰囲気温度を比較的低温である１３０〜１７０℃に設定する真空乾燥の時間は、５時間以上で有るのが良く、減圧の程度、いわゆる真空度は０．０５〜１．３ｋＰａとするのがよい。なお、ペレットの真空乾燥は、回分式とするのが良く、乾燥するペレットの量は、多すぎると充分に揮発成分の除去ができないので、１回あたり１ｔ〜５ｔ程度とするのがよい。

ペレットをあまりに高温で真空乾燥するとＰＰＳ樹脂の酸化架橋がすすみ、増粘など別の問題が発生する事になり、比較的低温で長時間行うことで高沸点の揮発成分を取り除くとともにＰＰＳ樹脂の変性を防ぐことが可能となる。乾燥時間については、長い程効果があるが、一定時間を超えると高沸点の揮発成分の減少幅が小さくなるので、経済的な効果を見て決めることが可能であり、実用上２４時間以内とするのがよい。

このようにして得たペレットを用い、溶融紡糸法で繊維化を行う。一般的にはプレッシャー・メルター型紡糸機か、１軸または２軸のエクストルーダー型紡糸機を用いて紡糸することができる。紡糸工程では増粘によるゲル化を防止するため、窒素雰囲気下で溶融し口金から吐出することが好ましい。口金から吐出した糸条は、通常、紡出後に風速５〜１００ｍ／分の冷却風により冷却され収束剤として油剤を適量付与させ，未延伸糸として引き取られる。引取速度に特に制限はないが、通常５００〜７０００ｍ／分、好ましくは８００ｍ／分以上７０００ｍ／分以下の間である。次に、引き取った未延伸糸条を、熱延伸する。より具体的には、引き取った未延伸糸条を３倍以上、好ましくは３〜４倍の延伸倍率で熱延伸する。熱延伸は、通常、温度が９０〜９８℃の温水中で行われ、３〜４倍の延伸倍率が採用される。高沸点の揮発成分の少ないＰＰＳを用いているので、糸切れ、糸斑が少ない安定した紡糸を行うことができ、均一な未延伸糸とすることができるので、温水中で、自然延伸倍率より６％以上高い倍率で熱延伸することが可能となる。

熱延伸後、必要に応じて、定長熱処理を行っても良い。定長熱処理温度は、通常、温度１８０℃以上、好ましくは１８０℃以上２３０℃以下、より好ましくは２００℃以上２２０℃以下で行う。定長熱処理は、糸条の長さを実質的に一定に保って熱処理を施すことを言い、通常、加熱されたローラーの前後にて糸条を把持して、その長さを実質的に一定に保って熱処理を施すことをいう。定長熱処理を行う場合には、定長熱処理時間は４秒間以上であることが好ましく、４秒間以上１２秒間以下であることがより好ましく、４秒間以上８秒間以下であることがさらに好ましい。

定長熱処理の前後で、すなわち熱延伸後と定長熱処理との間、および、定長熱処理と捲縮付与前との間のそれぞれで糸条を弛緩させてもよい。

次いで、必要に応じてスタッフィングボックス型クリンパーなどで捲縮を付与し油剤を付与後に、所定の長さに切断してＰＰＳ短繊維を得る。

このようにして得られた短繊維は、通常、繊度が０．０１〜２０ｄｔｅｘ、引張強度が２ｃＮ／ｄｔｅｘ以上、好ましくは３〜１０ｄｔｅｘ、引張伸度が１０〜１００％であり、繊維の引張強度が、５ｃＮ／ｄｔｅｘ以上、好ましくは５．２ｃＮ／ｄｔｅｘ以上であり、捲縮弾性率が７５％以上、好ましくは８０％以上である。

本発明のＰＰＳ短繊維は、バグフィルター用の濾布として好適に用いられる。バグフィルター用の濾布としては、通常、不織布の形態が採用される。不織布は、湿式、ニードルパンチ及びウォーター・ジェットパンチなどの不織布製造法によって得ることができる。不織布の製法に応じて、用いるＰＰＳ短繊維の繊度、繊維長を決定する。例えば、湿式法では、０．０１〜１ｄｔｅｘのような細繊度で、０．５〜１５ｍｍ程度の繊維長の短繊維が求められれ、ニードルパンチ法では、繊度２〜１５ｄｔｅｘ、繊維長３８〜７６ｍｍの短繊維が求められることが多い。なお、本発明のＰＰＳ短繊維は、不織布以外にも、一旦紡績糸となし、その紡績糸を用いて織物、編物などの布帛となすこともできる。

以下実施例によって本発明を具体的に説明する。ただし、本発明は、以下の実施例によって制限されるものではない。なお、本発明で定義する各特性値は以下の方法で求めた。
（１）引張強度
繊維の引張強度は、ＪＩＳ Ｌ−１０１５（１９９９年改訂）−７．７の方法に準じて測定する。
（２）引張強度低下率
測定すべき繊維について、熱処理前の繊維の引張強度ａと、熱風乾燥機で２００℃、２０００時間熱処理した繊維の引張強度ｂを前記した方法で測定し、次式により算出する。

引張強度低下率（％）＝（（a-b）/a）×１００
a:熱処理前の引張強度
b:２００℃で２０００時間後の引張強度
（３）高沸点揮発成分の含有量
ＰＰＳ繊維３ｇを、腹部が１００ｍｍ、首部が２５５ｍｍ×１２ｍｍ、肉厚が１ｍｍのガラスアンプルに計り入れてから真空封入する。このガラスアンプルの腹部のみを管状炉に挿入して規定温度で２時間加熱する。加熱によりＰＰＳ繊維から揮発成分が気化し、管状炉によって加熱されていないアンプルの首部に冷却されて付着する。アンプルを取り出した後、アンプルの首部をヤスリで切り出して秤量する。次いでアンプルの首部に付着した揮発成分を５ｇのクロロホルムで溶解して除去した後、６０℃のガラス乾燥機で１時間乾燥してから再度秤量する。そして、揮発成分を除去する前の秤量値（重量）から揮発成分を除去した後の秤量値（重量）を差し引き重量差を求める。高沸点揮発成分の含有量は、かかる重量差を、規定温度２００℃と規定温度３２０℃とで測定し、次式を用いて計算して求める。

高沸点揮発成分の含有量（重量％）＝（Ｂ−Ａ）／３×１００
ここで、Ａは、規定温度を２００℃として測定した時の重量差であり、Ｂは、規定温度を３２０℃として測定した時の重量差である。なお、本実施例では、管状炉として、(株)アサヒ理化製作所製セラミックス電気炉ＡＲＦ−３０Ｋを用いた。
（４）捲縮弾性率
ＪＩＳ Ｌ−１０１５（１９９９年改訂）−７．１２．３の方法に準じて測定した。
（５）フィルター材のパルスジェット耐久性
フィルター材に集塵性能試験装置（ＪＩＳ Ｚ８９０８−１）を用いて次の条件で繰り返しのパルスジェット負荷を与える。

パルスジェット圧力：５００ｋＰａ(50msec)
パルスジェット間隔：５秒
パルスジェット回数：５０，０００回
パルスジェット負荷を与える前のフィルター材と、パルスジェット負荷を与えた後のフィルター材それぞれについて、破裂強力をＪＩＳ Ｌ １０９６（１９９０改訂）−６．１６．１ Ａ法に準じ測定し、次の計算式にてパルスジェット耐久性を求める。

パルスジェット耐久性（％）＝Ｘ／Ｙ×１００
ここで、Ｘは、パルスジェット負荷後の破裂強力（試験片５枚の平均値）であり、Ｙは、パルスジェット負荷前の破裂強力（試験片５枚の平均値）である。耐久性が９０％以上であるものを合格とする。
（６）フィルター強度保持率
フィルター材をバグフィルターに縫製後２００日間石炭塵の除去フィルターとして実用テストを行なう。運転時の温度は１４０〜１８０℃で行う。実用テストの前後においてフィルター強度を測定し、次式からフィルター強度保持率を求める。

フィルター強度保持率（％）＝（（ａ−ｂ）／ａ）×１００
ここで、ａは、実用テスト前のフィルター強度であり、ｂは、実用テスト後のフィルター強度である。なお、フィルター強度は、フィルターの破断強力をＪＩＳ Ｌ １０９６（１９９０改訂）−６．１Ａ報法に準じて測定したものである。
（７）自然延伸倍率
未延伸糸を引張試験機の測定にかけ、その荷重−伸び曲線を測定する。その荷重−伸び曲線の定応力領域を超えた点を自然延伸倍率とする。
（８）カード通過性
５ｇの短繊維をカード機を通過させてウエッブとする時のウエッブの重量（ａ）を測定し次式に基づき収率を測定する。その収率が高いほどカード通過性が良好であると判定した。

収率（％）＝（５−ａ）／５×１００
（実施例１）
東レ(株)製ＰＰＳ粉粒体Ｅ２２８０（重量平均分子量：４９、５００）を、２軸方式のベント付きエクストルーダー（(株)日本製鋼所製ＴＥＸ３０型）で、真空度 １．３ｋＰａ、シリンダー温度２９０℃に設定し、１６０ｒｐｍのスクリュー回転にて溶融し、円形の孔（孔面積：１５．９ｍｍ^２）から押出して、ストランドカッターにより長さ３ｍｍに切断することでペレットを得た。得られたペレットを１６０℃で１０時間、１．３ｋＰａの真空度にて真空乾燥を行った。なお真空乾燥は、回分式で行い、乾燥するペレットは１回当たり２ｔであった。

真空乾燥を行なったペレットを２軸のエクストルーダー型紡糸機を用いて、紡糸温度３２０℃、吐出量４００ｇ／分で溶融紡糸し、引取速度１０００ｍ／分で引き取って未延伸糸を得た。得られた未延伸糸は、自然延伸倍率が２．６倍であった。引き続き、得られた未延伸糸を、温度９５℃の温水中で延伸倍率を３．２倍として延伸を行ない、スタッフィングボックス型クリンパー（スチーム処理なし）で捲縮を付与して熱固定した後、油剤を付与、９０℃で乾燥してから長さ５１ｍｍに切断して、ＰＰＳ短繊維を得た。得られたＰＰＳ短繊維について、繊度、引張強度、捲縮弾性率および繊維中の高沸点揮発分の含有量を測定した結果を実験条件とともに表１に示す。

また、得られたＰＰＳ短繊維をカーディング処理し、針密度４０本／ｃｍ^２で仮ニードルパンチを行って、目付２１０ｇ／ｍ^２の不織布とした。また、得られたＰＰＳ短繊維を単糸番手２０ｓ、合糸本数２本の紡績糸とし、これを経糸密度２８本／２．５４ｃｍ、緯糸密度１８本／２．５４ｃｍで平織りして織物とした。上記不織布２枚で上記織物を挟み、さらにニードルパンチ加工により織物と不織布を交絡させ、目付６８０ｇ／ｍ^２、総針密度３００本／ｃｍ^２のフィルター材を得た。得られたフィルター材についてパルスジェット耐久性およびフィルター強度保持率を測定した結果を表１に示す。
（比較例１）
ペレットを得るに際して、ベント設備が付帯していない一軸のエスクトルーダーを用いて常圧でペレット化することに変更した以外は実施例１と同様にしてＰＰＳ短繊維を得るとともに、フィルター材を得た。得られたＰＰＳ短繊維について、繊度、引張強度、捲縮弾性率および繊維中の高沸点揮発分の含有量を測定した結果、ならびに得られたフィルター材についてパルスジェット耐久性およびフィルター強度保持率を測定した結果を表１に示す。
（比較例２）
ペレットを得る際のシリンダー温度を３５０℃に変更した以外は、実施例１と同様にしてＰＰＳ短繊維を得るとともに、フィルター材を得た。得られたＰＰＳ短繊維について、繊度、引張強度、捲縮弾性率および繊維中の高沸点揮発分の含有量を測定した結果、ならびに得られたフィルター材についてパルスジェット耐久性およびフィルター強度保持率を測定した結果を実験条件とともに表１に示す。
（比較例３）
ペレットを真空乾燥する際の温度と時間を２２０℃で２時間に変更した以外は、実施例１と同様にしてＰＰＳ短繊維を得るとともに、フィルター材を得た。得られたＰＰＳ短繊維について、繊度、引張強度、捲縮弾性率および繊維中の高沸点揮発分の含有量を測定した結果、ならびに得られたフィルター材についてパルスジェット耐久性およびフィルター強度保持率を測定した結果を実験条件とともに表１に示す。
（実施例２〜４、比較例４，５）
ペレットを得る際の真空度、または、ペレットの減圧乾燥温度・時間を表1に記載したように変更した以外は、実施例１と同様にしてＰＰＳ短繊維を得るとともに、フィルター材を得た。得られたＰＰＳ短繊維について、繊度、引張強度、捲縮弾性率および繊維中の高沸点揮発分の含有量を測定した結果、ならびに得られたフィルター材についてパルスジェット耐久性およびフィルター強度保持率を測定した結果を実験条件とともに表１に示す。

Claims (3)

1. 沸点が２００℃以上の揮発成分を０．１５重量％以下含有する、ポリフェニレンサルファイド短繊維。
2. ２００℃で２０００時間の熱処理において繊維の引張強度の低下が４０％以内である、請求項１に記載のポリフェニレンサルファイド短繊維。
3. ポリフェニレンサルファイドの粉末を減圧下で温度３５０℃未満で溶融してペレット化したペレットを、温度１３０〜１７０℃の減圧下で乾燥した後、溶融し、紡糸口金から紡出し、延伸した後に所定の長さに切断する、ポリフェニレンサルファイド短繊維の製造方法。