JP2008509292A - 高弾性連続フィラメントから製造した高強度紡績糸、及びその製造方法 - Google Patents

高弾性連続フィラメントから製造した高強度紡績糸、及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

高強度紡績糸を製造するための方法であって、先ず、約２０×１０6ｐｓｉを超える引張弾性率を有する高弾性材料の実質的に捲縮のない連続フィラメントの１つ以上のトウを高速度牽切装置に通過させ、この牽切装置は前記フィラメントを牽切して約５〜６ｉｎの範囲にある平均繊維長を有する高弾性ステープルファイバとすべく、低い総ドラフト比（好ましくは約２.０)で運転される。トウは重いことが有利であり、例えば、繊度が約２５,０００〜約５００,０００デニールである。ステープルファイバは、牽切ステップの後でスライバケンス内に集められ、さらに、スライバケンスから紡績機に導入され、紡績されて糸になる。本発明の重要な一面は、牽切プロセスと実際の紡績プロセスとの間に、中間プロセスが存在しないことであり、これによりステープルファイバの配列の乱れや損傷が最小になる。
【選択図】 図１

Description

（記載なし）
かつて天然材料や鋼で補強された材料から製造されていた多くの製品が、現在では、繊維強化プラスチックから製造されている。例えば、ゴルフクラブのシャフト、釣竿、スキー板、スノーボードなど、かつて天然木や金属チューブなどから作られていた多くの製品が、現在では、カーボン、アラミド等のような高弾性繊維で強化されたマトリックス樹脂から生産されている。これらに使用される高弾性繊維は、マトリックス樹脂、マトリックス樹脂を含浸させたフィラメントの連続ストランド、或いはマンドレルに巻かれるか、ステッチボンドされるか、編まれるか、または織られて希望の構造形態にされた組織中に分散した短繊維である。これらの繊維強化プラスチック構造は、従来の製品の代替品及び革新的な新製品形態の双方として、市場において右肩上がりの使用量及び支持を見出している。
連続微細フィラメントの高弾性ストランドは特に微細フィラメント糸の形態では比較的に製造に経費がかかる点で、それらの製造に関連した経済的な問題がある。連続フィラメントのストランドを生産するよう設計されたプラントは、太番手のストランドまたは細番手のストランドのいずれかを生産することができる。太番手のストランドの設定は細番手のストランドの設定よりも多くの１日当たりのフィラメント重量を生産するであろう。特定の用途に要求される非常に細い高弾性フィラメントストランドの場合、その生産コストが法外に高くなることが見込まれ、結局、生産コストが高くない代わりに低弾性の材料がかかる用途に使用されることになる。
細い高弾性ストランドの生産に関連した経済的問題に対する部分的解決法は、比較的高デニールの連続フィラメントトウ(tow）ストランドを、細い織編用紡績糸に紡績可能なステープルスライバに変えることである。例えばカーボンフィラメントの場合、ゲバル（Gueval）等に対する米国特許第４,８２５,６３５号の明細書には、“延伸及び制御された切断によるクラッキング（cracking by drawing and controlled breaking)”を含む緩速多段階プロセスを用いて繊度１５００〜２００００デニールのマルチフィラメントカーボン糸をステープルファイバに変え、平均繊維長が１００〜１２０ｍｍ（３.９〜４.７ｉｎ）の繊維を生産するプロセスが記載されている。このような繊維は、その後一連の粗打ち延伸、仕上げ延伸、粗紡及び精紡を含む一般的な紡績装置を用いて紡績されて糸になる。この糸は、上記文献に指摘されているように、フィラメントカーボン糸の元の長さの３０％が紡績糸の形成中に失われる点で物理的特性に欠陥がある。
本発明は、高強度の紡績糸を製造するための方法、及びそのような方法により製造された糸を提供することにより、上述した必要性の解決に努めると共に、その他の利点を得ており、同等の連続フィラメント糸と比較した場合、引張り及び曲げ強度の損失が実質的に３０％未満であり、失われる繊維も１５％未満である。更に、驚くことに、紡績糸の剪断強度は同等の連続フィラメント糸のそれを実質的に超えることができる。
本発明の一実施形態において、高強度紡績糸を製造するための方法は、約２０×１０6ｐｓｉ（１３８ＧＰａ、ｐｓｉ：pounds per square inch＝lbf/in2；１lbf/in2＝６．９０×１０3Ｐａ、１ＧＰａ＝１０9Ｐａ）を超え、そして恐らく３３×１０6ｐｓｉ（２２７．７ＧＰａ）と同程度かまたはそれ以上の引張弾性率を有する高弾性材料の、捲縮のない連続フィラメントの１つ以上のトウを送給して高速度牽切装置に通すことから始まっており、前記フィラメントを牽切して約５〜６ｉｎ（１２．７〜１５．２４ｃｍ）の平均繊維長を有する高弾性ステープルファイバとする。トウは重いことが有利であり、例えば、約２５,０００〜約５００,０００デニールの繊度を有している。トウは、カーボンまたはパラアラミド(例えば、登録商標：ケブラー）のような、種々の高弾性材料とすることができる。カーボンの場合、トウのカーボン含量は約６５〜９９.９％とすることができ、有利なのはほぼ９５％である。
牽切プロセスは本発明の重要な一面である。本発明によると、総ドラフト比（即ち最初のニップローラに入るファイバの表面速度に対する最終のニップローラを出るファイバの表面速度の比）が比較的低く、例えば、約１.５〜３、より好ましくは約１.５〜２.５、最も好ましくは約２.０である。重いカーボントウは、失われる繊維を比較的少なくしながらも（例えば、約１５％未満）比較的に高速（例えば、毎分約１００〜５００フィート）で牽切できることが分かった。対照的に、フィラメントを機械的に細断または切断してステープルファイバにすることに依存する代替装置、例えば、既知の形式の“ターボ”機械（例えば米国特許第４,６９８,９５６号の図２に例示されている）、或いは既知の形式の“パシフィック（Pacific)”コンバータ（例えば米国特許第４,６９８,９５６号の図４に例示されている）は、損失量が多く、生産されたステープルファイバの品質及び均一性を悪くする結果となろう。本発明のプロセスにより生産されたステープルファイバの均一性と比較的長い繊維長とは、紡績糸の引張り及び曲げ強度特性を維持する場合に有効であることは勿論、連続フィラメント糸よりもはるかに優れた剪断強度を達成する場合における重要な要因であると確信される。
牽切ステップに続き、ステープルファイバはスライバケンス内に集められる。プロセスの次のステップでは、ステープルファイバをスライバケンスから直接紡績機内に進入させることであり、ファイバはそこで紡績されて糸になる。代替的に、ファイバを牽切装置から直接に紡績機中に進入させることが可能であるが、これは必ずしも有利とは限らない。その理由は、牽切プロセスが紡績プロセスよりも速い場合があり、総処理量を向上させるために牽切プロセスを可能な限り速く行うのが望ましいからである。いずれにしても、本発明の重要な一面は、中間プロセスが牽切プロセス及び実際の紡績プロセスの間で行われないことであり、それによりステープルファイバに対する損傷が最小になる。
種々の形式の従来の紡績設備が本発明に基づいて使用されることができる。例えば、リング精紡機を使用することにより良好な結果が得られた。しかしながら、エアジェット式紡績機、渦式紡績機、摩擦式紡績機等のような他の形式の紡績機を本発明の実施の際に使用することも可能である。
本発明のプロセスに基づいて生産された高強度紡績糸は、約１〜約５０の番手（番手はポンド当たり８４０ヤードストランドの本数と定義されている）を有することが有利である。ヤーンの２つ以上のストランドを、好ましくは個々のストランドの撚りとは反対の方向に撚り合わせることにより合撚糸を製造することもできる。
一般的な用語で本発明について説明してきたが、次に、必ずしも縮尺通りではない添付図面を参照して説明する。
以下、本発明の実施形態について、全てではないが幾つかを示す添付図面を参照しながらより詳細に説明する。実際に、本発明は、種々の異なる形態で実施可能であり、例示した実施形態に限定されるものと考えられるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、この開示が関係法律要件を満たすように提示されている。また、同様の符号は全体にわたり同様の要素を指している。
本発明の目的は、簡単な２段階の牽切(stretch-breaking)及び紡績の高速プロセスを使用して、高デニールのフィラメントトウ(tow）前駆体から、同等のフィラメント糸の物理的性能特性に近いかまたはある場合には該物理的性能特性を超える物理的性能特性を有する、カーボンまたはパラアラミド繊維のような高弾性フィラメントから紡績糸を生産することにある。ザイデル・マシーネンファブリック(Seydel Maschinenfabric)有限責任会社により製造された８７０型牽切コンバータのような汎用の牽切装置の一部を使用すると、高い均一性を有すると共に、紡績装置で高品質のカーボン糸を紡績するのに直接使用可能な長いランダムな長さ（５.０〜６.０ｉｎ）のステープルカーボンスライバの生産が可能であることが分かった。紡績されたカーボン糸の引張り強さは、典型的には、同等のカーボンフィラメント糸の８０〜８５％であるが、曲げ強さは典型的には同等のフィラメント糸の８５〜８８％である。しかしながら、本発明により達成される剪断強さは、同等のフィラメントカーボン糸で達成される剪断強さよりも２６〜３９％大きくすることができる。また、本発明の紡績カーボン糸の品質及び物理的外見は素晴らしく、これは、必要とする処理が最小であり、高デニールのカーボントウを細いカーボン紡績糸に変換する間の繊維損傷が最小である簡素な高速２段階プロセスに起因している。
このような素晴らしい（そして少々予想外の）性能上の特性が本発明の糸で達成される理由は、カーボンフィラメントトウを牽切する際に得られるステープルファイバの長いランダムなステープル長さと高い均一性とにより説明されるだろう。本発明の牽切プロセスは、４つのゴデットローラを使用し、単一または複数のフィラメントトウストランドを３組の頑丈なニップローラと協力して扁平なファイバ配列に広げており、さらにこれらのニップローラがフィラメントを牽切して、非常に低い(１.５〜３.０、より好ましくは１.５〜２.５、最も好ましくは約２.０）総ドラフト比で長くかつランダムな繊維長にする。これは、低ドラフト比が牽切プロセス中の繊維の秀逸な制御を可能にする点で、牽切プロセスの非常に重要な一面である。ニップローラから出る単一または複数の篠もしくはスライバは、精紡機に直接送り込むためにスライバケンスに集められる。その結果得られた紡績糸は単糸として使用されてもよく、或いはそれらは特定の用途のために必要に応じて撚られケーブルヤーンとしてもよい。
本発明の一実施形態に基づいて高強度の紡績糸を製造するプロセスは、図１及び図２に概略的に例示されている。図１は、プロセスの第１パートを示しており、該第１パートにおいて、カーボンまたはパラアラミド(例えば、登録商標：ケブラー）のような、実質的に連続なフィラメントの高弾性材料の１つ以上の高デニールトウが牽切プロセスによりステープルファイバの１つ以上のスライバに変換される。図２は、プロセスの第２パートを示しており、該第２パートにおいて、ステープルファイバのスライバが通常の紡績機に送り込まれて紡績され糸になる。
図１を参照すると、牽切装置１０は複数のゴデットローラ１２を含んでおり、各ゴデットローラ１２は、実質的に連続したフィラメントの高弾性材料からなる１つ以上のトウ１４を折り返して蛇行状に案内するように配列されている。これらのゴデットローラは、１つのローラから次のローラまで全て同じ周速で回転駆動され、トウを装置の牽切ゾーンに進入する前にストランドを広げて扁平なファイバ配列にする。
牽切装置１０は、２つのゾーンＺ1及びＺ2を形成する３組のニップローラ１６，１８，２０を更に含んでおり、同ゾーンにおいて、１つ以上のトウ１４は２段階プロセスで張力を付加され牽伸される。第１組のニップローラ１６は、ゴデットローラの速度よりも若干速い速度で回転自在に駆動される。一例として、第１組のニップローラ１６と最後のゴデットローラ１２との間のドラフト比は１.１０〜１.３０、より好ましくは、１.１５〜１.２５とすることができる。かくして第１組のニップローラはトウの緩みを除去すると共にトウをプレテンションする。第１の張力付加ゾーンＺ1は、第１組のニップローラ１６と第２組のニップローラ１８との間に形成されている。第２組のニップローラ１８は、第１組のニップローラ１６よりも若干速い速度で駆動される。例えば、第２組のニップローラ１８と第１組のニップローラ１６との間のドラフト比は、約１.１５〜１.４０とし、より好ましくは、約１.２０〜１.３０とすることができる。第１のゾーンＺ1において、１つ以上のトウ１４は更に張力を付加されるが、フィラメントの牽切はこのゾーンでは実質的に起きない。フィラメントは、第１のゾーンにおいてそれらの破断強度に近い状態まで張力を付与される。
第３組のニップローラ２０は第２組のニップローラ１８よりも若干速い速度で駆動されていて、フィラメントが切断するまでそれらに更に張力を付加する。第２組及び第３組のニップローラ間のドラフト比は、約１.１５〜１.４５とし、より好ましくは約１.２５〜１.３５とすることができる。装置はまた第４組のニップローラ２２を含んでおり、該第４組のニップローラは、第３組のニップローラ２０よりも若干速い速度で駆動されていて、第３組及び第４組のニップローラ間に画成されたゾーンＺ3にある牽切スライバに確実に張力を作用させている。ゾーンＺ3におけるドラフト比は、該ゾーンＺ3における対象物が牽切スライバにおける繊維の最小のドラフトで確実な張力を維持すべきであるように、約１.０１〜１.１０とし、より好ましくは約１.０３〜１.０８とすることができる。
牽切プロセスにおいて採用された低ドラフト比は、フィラメントの秀逸な制御、ステープルファイバ長さの比較的に一様な分布、及びフィラメントの切断中における繊維屑の発生を少量に抑えうるという利点がある。最後のニップローラ２２及び最後のゴデットローラ１２間の総ドラフト比は、好ましくは約１.５〜３.０であり、より好ましくは約１.５〜２.５、最も好ましくは約２.０である。
牽切プロセスの結果として、１つ以上のトウが切断されてステープルファイバとなり、その大部分は好ましくは約５〜６ｉｎの繊維長を有している。ステープルファイバに対する制御は、第３組のニップローラ２０及び第２組のニップローラ１８の間の離間距離を調節することにより行われる。ステープルファイバの１つ以上のスライバ２３は第４組のニップローラ２２から搬送ベルト２４上に出るが、この搬送ベルトは、第４組のニップローラ２２に対して約１.０１〜１.０５のドラフト比で、ベルト上のスライバの縮みを防止するのに十分な速さで走行している。１つ以上のスライバ２２はスライバケンス２６内に送り込まれる。有利なことは、ステープルファイバの配列の更なるゆがみまたはステープルファイバに対する損傷になりうるような処理が、牽切プロセスの後、且つスライバが紡績されて糸になる時まで、スライバに対して一切行われないことである。従って、図１及び図２の実施形態においては、スライバは、牽切装置１０からスライバケンス２６内に直接に送り込まれる。
図２に例示したように、プロセスの次の段階において、スライバ２２は、スライバケンス２６から紡績機３０に供給され、該紡績機が、公知の方法で紡績機の適切な設定により所望の番手及び撚り特性の糸を紡績する。紡績糸は、以後の使用のために適当な糸キャリア３２に巻き付けられる。種々の形式の紡績機が本発明の実施の際に使用可能であり、該紡績機には、リング精紡機、エアジェット紡績機、渦式紡績機、摩擦式紡績機等があるが、これらに限定されない。
図３は本発明に基づくプロセスの代替実施形態を示している。 図３のプロセスは、スライバケンス中にスライバ２３を集積する代わりに、スライバ２３を紡績機３０へ直接送り込むことを除いて、図１及び図２のプロセスに実質的に類似している。前述したプロセスでのように、中間プロセスは、牽切プロセス及び紡績プロセスの間のスライバに対して行われない。
上述したプロセスは、高弾性材料の単一高デニールトウ１４に適用することができ、或いは、複数のトウは、それらを並列して送り牽切装置１０に通すと共に、複数のスライバの流れを生ずるように複数のトウを、プロセス中において分離しておくことにより、同時に並行して処理することができ、この複数のスライバの流れは、その後、個別のスライバケンス内に集積させるか、或いは紡績機に直接送り込むようにすることができる。本発明のプロセスは、経済的な高デニールのトウ材料と共に使用するのに適している。各トウは、約２５,０００から最大で約５００,０００までのデニールを有することが有利である。
本発明により得られる単糸は、約１〜５０番手であることが有利である。合撚糸も、糸の２つ以上のストランドを、バランスのとれた撚りの合撚糸とするために、個々のストランドの撚りは反対方向の撚りで撚り合わせて製造することが好適である。例えば、個々のストランドがＳ撚りの場合には、それぞれのストランドがＺ撚りで撚り合わされ、それとは逆に、個々のストランドがＺ撚りの場合は、それらがＳ撚りで撚り合わされることが有利である。
フォータフィル(Fortafil)Ｘ０２１９カーボンフィラメント(８０ｋ、４０,０００デニール）をローラ式クリール装置からザイデルの牽切コンバータ機械のゴデットローラに送給した。２つの牽切ゾーンにおいて、トウストランドは、ゴデットローラと第１組のニップローラとの間で１.１８のドラフト比で牽伸され、その後１.２４及び１.３０のドラフトを受けて、１.０７のドラフトで搬送ベルト上に出たステープルファイバをスライバケンス内に送給した。この間の総ドラフト比は２.０であった。１インチ（２．５４ｃｍ）当たり６.０巻きのＺ撚りの７/１番手紡績糸を送り出すように設定したドラフトローラを有するリング精紡機のバックローラにスライバを供給し、ヤーンの二つの端部を１インチ当たり４.６巻きのＳ撚りで撚り合わせた。その結果として得られた７/２番手の紡績糸は、残留トルクがなく、表１に示されるように、フィラメントカーボン糸に殆ど匹敵する引張り及び曲げ特性を有すると共に、同等のフィラメントカーボン糸よりもはるかに優れた剪断特性を有していた。
Figure 2008509292
ここに記載した本発明の多くの改変例及びその他の実施形態は、上述の記載及び添付図面に提示した教示内容の利点を有するものであることが、本発明の関係する技術に習熟した者が思い浮かぶであろう。例えば、例示した実施形態において、牽切プロセスからのスライバは紡績の前にスライバケンスに集められているが、代案として、１つのスライバまたは複数のスライバを牽切装置から紡績機に直接進めることが可能であろう。従って、本発明は、開示した特定の実施形態に限定されるべきではなく、改変例及びその他の実施形態は特許請求の範囲内に含まれるものと考えられる。ここでは特定の用語が用いられているが、それらは一般的且つ説明的な意味でのみ用いられており、限定の目的で用いられているのではない。
本発明の実施形態に基づくプロセスの牽切パートを示す概略図である。 本発明の実施形態に基づくプロセスの紡績パートを示す概略図である。 本発明の別の実施形態に基づくプロセスを示す概略図であり、ステープルファイバが中間でスライバ受容器内に集められることなく牽切プロセスから紡績プロセスに直接進入される場合を示している。

Claims (26)

  1. 約２０×１０6ｐｓｉ（１３８ＧＰａ）を超える引張弾性率を有する高弾性材料からなる実質的に捲縮のない連続的なフィラメントの１つ以上のトウを高速牽切装置に通過させて送給し、前記フィラメントを牽切して、大部分が５〜６ｉｎ（１２．７〜１５．２４ｃｍ）の繊維長を有する高弾性ステープルファイバとするステップと、
    前記高弾性ステープルファイバを該ステープルファイバの中間処理なしに前記牽切装置から紡績機内に進入させ、前記高弾性ステープルファイバから高強度の紡績糸を形成するステップと、
    を含む、高強度紡績糸の製造方法。
  2. 前記捲縮のない連続的なフィラメントの前記引張弾性率が約３３×１０６ｐｓｉ（２２７．７ＧＰａ）である、請求項１に記載の高強度紡績糸の製造方法。
  3. 前記高弾性ステープルファイバを前記牽切装置から受容器内に搬送するステップと、
    前記高弾性ステープルファイバを前記受容器から前記紡績機内に直接進入させるステップと、を更に含む、請求項１に記載の高強度紡績糸の製造方法。
  4. 前記牽切装置が約１.５〜３の総ドラフト比で運転される、請求項１に記載の高強度紡績糸の製造方法。
  5. 前記牽切装置が約１.５〜２.５の総ドラフト比で運転される、請求項１に記載の高強度紡績糸の製造方法。
  6. 前記１つ以上のトウの各々の繊度が２５,０００〜５００,０００デニールである、請求項１に記載の高強度紡績糸の製造方法。
  7. 前記１つ以上のトウのカーボン含量が少なくとも６５％である、請求項１に記載の高強度紡績糸の製造方法。
  8. 前記１つ以上のトウのカーボン含量が少なくとも８０％である、請求項１に記載の高強度紡績糸の製造方法。
  9. 前記１つ以上のトウのカーボン含量が少なくとも９５％である、請求項１に記載の高強度紡績糸の製造方法。
  10. 前記トウが、パラアラミドのフィラメントから構成されている、請求項１に記載の高強度紡績糸の製造方法。
  11. 前記牽切装置は、毎分約１００〜５００フィート（３０．５〜１５２．５ｍ）の前記１つ以上のトウの前進線速度で運転する、請求項１に記載の高強度紡績糸の製造方法。
  12. 前記高強度紡績糸の２つ以上のストランドを撚り合わせて合撚糸を形成するステップを更に含む、請求項１に記載の高強度紡績糸の製造方法。
  13. 前記高強度紡績糸の前記２つ以上のストランドの各々が同方向への撚りを有しており、その撚りと反対方向の撚りで前記２つ以上のストランドを撚り合わせる、請求項１２に記載の高強度紡績糸の製造方法。
  14. 前記高強度紡績糸の糸番手が１〜５０番手である、請求項１に記載の高強度紡績糸の製造方法。
  15. 前記送給ステップが、複数のトウを送給するとともに、牽切中に前記複数のトウを分離させておくことを含む、請求項１に記載の高強度紡績糸の製造方法。
  16. 前記高弾性ステープルファイバを、前記牽切装置から前記紡績機内に直接に進入させる、請求項１に記載の高強度紡績糸の製造方法。
  17. 高弾性ステープルファイバを紡績してなる高強度紡績糸であって、前記高弾性ステープルファイバが、約２０×１０6ｐｓｉ（１３８ＧＰａ）を超える引張弾性率を有する材料から形成されていて、前記高弾性ステープルファイバは、該高弾性ステープルファイバが約５〜６ｉｎ（１２．７〜１５．２４ｃｍ）の範囲にある平均長さを有するような仕方で前記材料の連続フィラメントの１つ以上のトウを牽切することにより形成されている、高強度紡績糸。
  18. 前記高弾性ステープルファイバのカーボン含量が少なくとも６５％である、請求項１７に記載の高強度紡績糸。
  19. 前記高弾性ステープルファイバのカーボン含量が少なくとも８０％である、請求項１７に記載の高強度紡績糸。
  20. 前記高弾性ステープルファイバのカーボン含量が少なくとも９５％である、請求項１７に記載の高強度紡績糸。
  21. 糸番手が１〜３０番手である、請求項１７に記載の高強度紡績糸。
  22. Ｓ撚りまたはＺ撚りの一方の撚りで撚り合わされた複数のストランドで構成され、前記各ストランドが、いずれも前記Ｓ撚りまたはＺ撚りの他方の撚りで紡績された高弾性ステープルファイバから基本的に構成されている高強度合撚紡績糸であって、前記高弾性ステープルファイバが、約２０×１０6ｐｓｉ（１３８ＧＰａ）を超える引張弾性率を有する材料から形成されており、該高弾性ステープルファイバは、該高弾性ステープルファイバが約５〜６ｉｎ（１２．７〜１５．２４ｃｍ）の範囲にある平均長さを有するような仕方で前記材料の連続フィラメントの１つ以上のトウを牽切することにより形成されている、高強度合撚紡績糸。
  23. 前記高弾性ステープルファイバのカーボン含量が少なくとも６５％である、請求項２２に記載の高強度合撚紡績糸。
  24. 前記高弾性ステープルファイバのカーボン含量が少なくとも８０％である、請求項２２に記載の高強度合撚紡績糸。
  25. 前記高弾性ステープルファイバのカーボン含量が少なくとも９５％である、請求項２２に記載の高強度合撚紡績糸。
  26. 前記ストランドの本数をｎとした場合、糸番手が約１/ｎ〜５０/ｎ番手である、請求項２２に記載の高強度合撚紡績糸。
JP2007524849A 2004-08-06 2005-07-28 高弾性連続フィラメントから製造した高強度紡績糸、及びその製造方法 Pending JP2008509292A (ja)

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