JP2010111978A - 環状オレフィン系樹脂繊維、及び環状オレフィン系樹脂不織布 - Google Patents

環状オレフィン系樹脂繊維、及び環状オレフィン系樹脂不織布 Download PDF

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Abstract

【課題】超極細の環状オレフィン系樹脂繊維、及び環状オレフィン系樹脂不織布を提供する。
【解決手段】揮発性溶媒と、環状オレフィン系樹脂と、を含有するポリマー溶液を静電紡糸法にて紡糸する。用いる揮発性溶媒は、クロロホルム、トルエン、キシレン、シクロヘキサン、デカリンからなる群より選ばれた少なくとも1種類以上の溶媒を含有するものが好ましい。また、ガラス転移点が、160℃以上の環状オレフィン系樹脂を用いることで、高い耐熱性を環状オレフィン系樹脂繊維に対して付与することができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、静電紡糸法にて得られる環状オレフィン系樹脂繊維、及び環状オレフィン系樹脂不織布に関する。
不織布を構成する繊維の繊維径を小さくすると、分離性能、液体保持性能、払拭性能、隠蔽性能、絶縁性能、或いは柔軟性等、様々な性能に優れる。このため、不織布を構成する繊維の繊維径をより小さくすることが求められる。
このような繊維径の小さい繊維からなる不織布の製造方法として、静電紡糸法が挙げられる。静電紡糸法とは、ポリマー溶液の入ったノズルの先端とコレクター基板間に高電圧を加え、静電気的反発力によりポリマー溶液が超極細化されると同時にポリマー溶液に含まれる揮発性溶媒が蒸発し、続いてポリマーを捕集することにより、ワンステップで超極細繊維及び不織布を得る紡糸方法である。上記ポリマー溶液に含まれる樹脂としては、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂等が挙げられる。
ところで、近年、エレクトロニクス分野や環境・エネルギー分野における有機材料に関する技術開発はめざましく、有機材料に求められる性能も耐熱性、寸法安定性、電気特性等多岐にわたる。部品の小型化及び軽量化の要求に伴い様々な加工形態も求められている。その中でも、環状オレフィン系樹脂は、非晶性であり、透明性、耐熱性、及び高周波における電気特性に特に優れる材料として注目されている。そこで、上記の環状オレフィン系樹脂を用いれば、超極細繊維、超極細繊維からなる不織布の性能を高めることができる。
しかしながら、静電紡糸法によリナノオーダーの繊維径を有する環状オレフィン系樹脂繊維及び環状オレフィン系樹脂不織布を実際に製造したという報告例はない。さらに、環状オレフィン系樹脂は、繊維としての実用化は進んでいない。
環状オレフィン系樹脂繊雑として、例えば、溶融紡糸法により得られる繊維径が10μmから100μmの範囲の繊維がある(特許文献1)。しかしながら、超極細繊維及び超極細繊維からなる不織布については得られていない。
特開2005−171404号公報
上記の通り、環状オレフィン系樹脂は、優れた電気特性、耐熱性を有する。このため、超極細の環状オレフィン系樹脂繊維、及びその超極細繊維からなる不織布を製造することにより様々な用途展開が広がる。そこで、超極細の環状オレフィン系樹脂繊維、及びその超極細繊維からなる不織布が求められている。
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、超極細の環状オレフィン系樹脂繊維、及び環状オレフィン系樹脂不織布を提供することにある。
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた。その結果、揮発性溶媒と、環状オレフィン系樹脂とを含有するポリマー溶液を静電紡糸法にて紡糸することにより、平均繊維径が、0.01μmから10μmの環状オレフィン系樹脂繊維、及びその環状オレフィン系樹脂繊維からなる集合体が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。より具体的には、本発明は以下のものを提供する。
(1) 平均繊維径が、0.01μmから10μmであり、揮発性溶媒と、環状オレフィン系樹脂と、を含有するポリマー溶液を静電紡糸法にて紡糸することにより得られる環状オレフィン系樹脂繊維。
(2) 前記平均繊維径が、0.1μmから0.5μmである(1)に記載の環状オレフィン系樹脂繊維。
(3) 前記揮発性溶媒が、クロロホルム、トルエン、キシレン、シクロヘキサン、デカリンからなる群より選ばれた少なくとも1種類以上の溶媒を含有する(1)又は(2)に記載の環状オレフィン系樹脂繊維。
(4) 前記環状オレフィン系樹脂のガラス転移点が、160℃以上である(1)から(3)のいずれかに記載の環状オレフィン系樹脂繊維。
(5) (1)から(4)のいずれかに記載の環状オレフィン系樹脂繊維からなる環状オレフィン系樹脂不織布。
本発明によれば、揮発性溶媒と、環状オレフィン系樹脂とを含有するポリマー溶液を静電紡糸法にて紡糸することにより、超極細の環状オレフィン系樹脂繊維、及びその環状オレフィン系樹脂繊維の集合体を得ることができる。
以下、本発明の一実施形態について詳細に説明するが、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。
本発明の環状オレフィン系樹脂繊維、及び環状オレフィン系樹脂不織布は、揮発性溶媒と、環状オレフィン系樹脂と、を含有するポリマー溶液を静電紡糸法にて紡糸することにより得られることを特徴とする。
本発明で用いるポリマー溶液には、環状オレフィン系樹脂と、揮発性溶媒とが含まれる。本発明は、環状オレフィン系樹脂を用いることが特徴である。
<環状オレフィン系樹脂>
本発明に用いられる環状オレフィン系樹脂は、環状オレフィン成分を共重合成分として含むものであり、環状オレフィン成分を主鎖に含むポリオレフィン系樹脂であれば、特に限定されるものではない。例えば、環状オレフィンの付加重合体又はその水素添加物、環状オレフィンとα−オレフィンの付加共重合体又はその水素添加物等を挙げることができる。
また、本発明に用いられる環状オレフィン成分を共重合成分として含む環状オレフィン系樹脂(A)としては、上記重合体に、さらに極性基を有する不飽和化合物をグラフト及び/又は共重合したもの、を含む。
極性基としては、例えば、カルボキシル基、酸無水物基、エポキシ基、アミド基、エステル基、ヒドロキシル基等を挙げることができ、極性基を有する不飽和化合物としては、(メタ)アクリル酸、マレイン酸、無水マレイン酸、無水イタコン酸、グリシジル(メタ)アクリレート、(メタ)アクリル酸アルキル(炭素数1〜10)エステル、マレイン酸アルキル(炭素数1〜10)エステル、(メタ)アクリルアミド、(メタ)アクリル酸−2−ヒドロキシエチル等を挙げることができる。
本発明においては、環状オレフィンとα−オレフィンの付加共重合体又はその水素添加物を好ましく用いることができる。
また、本発明に用いられる環状オレフィン成分を共重合成分として含む環状オレフィン系樹脂(A)としては、市販の樹脂を用いることも可能である。市販されている環状オレフィン系樹脂(A)としては、例えば、TOPAS(登録商標)(TOPAS Advanced Polymers社製)、アペル(登録商標)(三井化学社製)、ゼオネックス(登録商標)(日本ゼオン社製)、ゼオノア(登録商標)(日本ゼオン社製)、アートン(登録商標)(JSR社製)等を挙げることができる。
本発明に好ましく用いられる環状オレフィンとα−オレフィンの付加共重合体としては、特に限定されるものではない。特に好ましい例としては、〔1〕炭素数2〜20のα−オレフィン成分と、〔2〕下記一般式(I)で示される環状オレフィン成分と、を含む共重合体を挙げることができる。
Figure 2010111978
(式中、R〜R12は、それぞれ同一でも異なっていてもよく、水素原子、ハロゲン原子、及び、炭化水素基からなる群より選ばれるものであり、
とR10、R11とR12は、一体化して2価の炭化水素基を形成してもよく、
又はR10と、R11又はR12とは、互いに環を形成していてもよい。
また、nは、0又は正の整数を示し、
nが2以上の場合には、R〜Rは、それぞれの繰り返し単位の中で、それぞれ同一でも異なっていてもよい。)
〔〔1〕炭素数2〜20のα−オレフィン成分〕
本発明に好ましく用いられる環状オレフィン成分とエチレン等の他の共重合成分との付加重合体の共重合成分となる炭素数2〜20のα−オレフィンは、特に限定されるものではない。例えば、特開2007−302722と同様のものを挙げることができる。また、これらのα−オレフィン成分は、1種単独でも2種以上を同時に使用してもよい。これらの中では、エチレンの単独使用が最も好ましい
〔〔2〕一般式(I)で示される環状オレフィン成分〕
本発明に好ましく用いられる環状オレフィン成分とエチレン等の他の共重合成分との付加重合体において、共重合成分となる一般式(I)で示される環状オレフィン成分について説明する。
一般式(I)におけるR〜R12は、それぞれ同一でも異なっていてもよく、水素原子、ハロゲン原子、及び、炭化水素基からなる群より選ばれるものである。
〜Rの具体例としては、例えば、水素原子;フッ素、塩素、臭素等のハロゲン原子;メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等の低級アルキル基等を挙げることができ、これらはそれぞれ異なっていてもよく、部分的に異なっていてもよく、また、全部が同一であってもよい。
また、R〜R12の具体例としては、例えば、水素原子;フッ素、塩素、臭素等のハロゲン原子;メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、ヘキシル基、ステアリル基等のアルキル基;シクロヘキシル基等のシクロアルキル基;フェニル基、トリル基、エチルフェニル基、イソプロピルフェニル基、ナフチル基、アントリル基等の置換又は無置換の芳香族炭化水素基;ベンジル基、フェネチル基、その他アルキル基にアリール基が置換したアラルキル基等を挙げることができ、これらはそれぞれ異なっていてもよく、部分的に異なっていてもよく、また、全部が同一であってもよい。
とR10、又はR11とR12とが一体化して2価の炭化水素基を形成する場合の具体例としては、例えば、エチリデン基、プロピリデン基、イソプロピリデン基等のアルキリデン基等を挙げることができる。
又はR10と、R11又はR12とが、互いに環を形成する場合には、形成される環は単環でも多環であってもよく、架橋を有する多環であってもよく、二重結合を有する環であってもよく、またこれらの環の組み合わせからなる環であってもよい。また、これらの環はメチル基等の置換基を有していてもよい。
一般式(I)で示される環状オレフィン成分の具体例としては、特開2007−302722と同様のものを挙げることができる。
これらの環状オレフィン成分は、1種単独でも、また2種以上を組み合わせて使用してもよい。これらの中では、ビシクロ[2.2.1]ヘプタ−2−エン(慣用名:ノルボルネン)を単独使用することが好ましい。
環状オレフィン系樹脂のガラス転移点は160℃以上であることが好ましい。なお、ガラス転移点(Tg)は、DSC法(JIS K7121記載の方法)によって昇温速度10℃/分の条件で測定した値を採用する。ガラス転移点が160℃以上の環状オレフィン系樹脂を用いることで、環状オレフィン系樹脂繊維及び環状オレフィン系樹脂不織布に充分な耐熱性を付与することができる。
静電紡糸法により、超極細の環状オレフィン系樹脂繊維を製造するためには、ポリマー溶液の粘度を静電紡糸に適した粘度に調整する必要がある。後述する通り、ポリマー溶液のポリマー濃度の好ましい範囲は決まっているため、そのポリマー濃度の範囲内で所望の粘度を持つ必要がある。用いる環状オレフィン系樹脂、揮発性溶媒によっても異なるが、環状オレフィン系樹脂における環状オレフィン成分の含有量が60質量%から90質量%の範囲にあれば上記所望の粘度を実現させやすいので好ましい。
〔1〕炭素数2〜20のα−オレフィン成分と〔2〕一般式(I)で表される環状オレフィン成分との重合方法及び得られた重合体の水素添加方法は、特に限定されるものではなく、公知の方法に従って行うことができる。ランダム共重合であっても、ブロック共重合であってもよいが、ランダム共重合であることが好ましい。
また、用いられる重合触媒についても特に限定されるものではなく、チーグラー・ナッタ系、メタセシス系、メタロセン系触媒等の従来周知の触媒を用いて周知の方法により得ることができる。本発明に好ましく用いられる環状オレフィンとα−オレフィンの付加共重合体又はその水素添加物は、メタロセン系触媒を用いて製造されることが好ましい。
メタセシス触媒としては、シクロオレフィンの開環重合用触媒として公知のモリブデン又はタングステン系メタセシス触媒(例えば、特開昭58−127728号公報、同58−129013号公報等に記載)が挙げられる。また、メタセシス触媒で得られる重合体は無機担体担持遷移金属触媒等を用い、主鎖の二重結合を90%以上、側鎖の芳香環中の炭素−炭素二重結合の98%以上を水素添加することが好ましい。
〔その他共重合成分〕
環状オレフィン系樹脂(A)は、上記の〔1〕炭素数2〜20のα−オレフィン成分と、〔2〕一般式(I)で示される環状オレフィン成分以外に、本発明の目的を損なわない範囲で、必要に応じて他の共重合可能な不飽和単量体成分を含有していてもよい。
任意に共重合されていてもよい不飽和単量体としては、特に限定されるものではないが、例えば、炭素−炭素二重結合を1分子内に2個以上含む炭化水素系単量体等を挙げることができる。炭素−炭素二重結合を1分子内に2個以上含む炭化水素系単量体の具体例としては、特開2007−302722と同様のものを挙げることができる。
[その他の成分]
本発明に用いられる環状オレフィン系樹脂には、本発明の効果を害さない範囲でその他の樹脂を含有させて環状オレフィン系樹脂組成物にしてもよい。また、発明の効果を害さない範囲で、核剤、カーボンブラック、無機焼成顔料等の顔料、酸化防止剤、安定剤、可塑剤、滑剤、離型剤及び難燃剤等の添加剤を添加して、所望の特性を付与した組成物も本発明に用いられる環状オレフィン系樹脂に含まれる。
[環状オレフィン系樹脂の物性等]
実施例に記載する方法で測定した上記環状オレフィン系樹脂の重量平均分子量は、50000から200000であることが好ましい。静電紡糸法による繊維化のためには、ポリマー溶液中で高分子同士が絡み合う必要があり、環状オレフィン系樹脂の重量平均分子量が上記範囲内にあれば、高分子同士が充分に絡み合い超極細の環状オレフィン系樹脂繊維が得られやすくなる。また、ポリマー溶液が、静電紡糸法による紡糸に適した粘度を発現させる観点からも、重量平均分子量の範囲は上記範囲であることが好ましい。
後述するポリマー濃度の範囲で、ポリマー溶液の粘度を所望の範囲に調整するために、環状オレフィン系樹脂のISO11443に準拠して260℃、剪断速度1216/秒に於いて測定した溶融粘度が、50Pa・sから400Pa・sの範囲であることが好ましい。
<揮発性溶媒>
揮発性溶媒は、環状オレフィン系樹脂を溶解するものであれば特に限定されない。揮発性溶媒は、二種以上の溶媒を混合した混合溶媒であってもよい。環状オレフィン系樹脂は、クロロホルム、トルエン、キシレン、シクロヘキサン、デカリン等の溶媒に溶解しやすい。環状オレフィン系樹脂も同様にこれらの揮発性溶媒に溶解しやすい。
上記の通り、環状オレフィン系樹脂は様々な溶媒に溶解しやすい。その結果、静電紡糸を行いやすい点も本発明の環状オレフィン系樹脂繊維の特徴である。従来、静電紡糸法に用いられていた主な樹脂としてポリエチレン、ポリプロピレンを挙げることができるが、これらの樹脂は、熱溶媒でなければ溶解しないという問題を抱えている。本発明の環状オレフィン系樹脂繊維であれば、このような問題もない。
特に静電紡糸法により超極細繊維を作製する際には、揮発性溶媒の蒸発速度が重要な物性になる。上記揮発性溶媒の蒸発速度に問題がある場合の解決方法としては、ノズルの形状を調整する方法、混合溶媒を用いる方法、雰囲気温度及び湿度を調整する方法等が挙げられる。これらの中でも、特に混合溶媒を用いる解決方法が簡便である。混合溶媒を用いる解決方法を行うためには、樹脂組成物は様々な溶媒に溶解することが好ましい。本発明に用いる環状オレフィン系樹脂は、上記の通り様々な揮発性溶媒に溶解し、これらを混合した混合溶媒にも容易に溶解する。その結果、上記蒸発速度の問題を解決しやすく、超極細の環状オレフィン系樹脂繊維を容易に作製することができる。
静電防止法においては、ポリマー溶液をノズルで供給する場合に、揮発性溶媒が、常圧沸点100℃以下の低沸点成分のみの場合には、ノズル針の汚れや詰まりが生じやすい。そこで、常圧で沸点が140℃以上の溶媒を20質量%以上含む揮発性溶媒を用いることでこの問題を解消することができる。上記の通り、沸点の低い揮発性溶媒を用いる場合でも、沸点の高い揮発性溶媒を混合することで、ノズル針詰まりやノズル針汚れを防ぎ連続して安定な超極細繊維の製造が可能となる。本発明に用いる環状オレフィン系樹脂は、様々な溶媒に溶解するため溶媒選択の幅が広く、針詰まり等の問題を解決しやすい。
<ポリマー溶液>
ポリマー溶液は、上記揮発性溶媒に上記環状オレフィン系樹脂を溶解させることにより得る。
本発明に用いるポリマー溶液のポリマー濃度としては、用いるポリマーの分子量にもよるが、例えば、用いるポリマーの重量平均分子量が90000程度のものを用いた場合には、3質量%から20質量%の範囲が好ましい。より好ましくは7質量%から10質量%である。ポリマー濃度が3質量%未満になると、溶液の粘度が低くなり過ぎて、繊維構造体を形成することが困難になり好ましくない。また、20質量%を超えると、ポリマー溶液の粘度が大きくなり過ぎて、得られる繊維の繊維径が大きくなり好ましくない。
ポリマー溶液の粘度としては、回転粘度計で測定したポリマー溶液の粘度が、400cpsか1000cpsの範囲であることが好ましい。
<静電紡糸法>
図1に示すような静電紡糸装置1を用いて、紡糸することができる。溶液槽11にポリマー溶液を入れ、ノズル針12からポリマー溶液を任意の流量で押出すと同時に、高電圧発生器13により、ノズル針12に高電圧を印加することで、ノズル針12と接地された銅板14に電界を形成させる。電界中に押出されたポリマー溶液はクーロン反発により分裂され、さらに引き伸ばされ、図1に示すように環状オレフィン系樹脂繊維が銅版に捕集される。
印加される電圧の大きさは特に限定されないが、5kVから100kVであることが好ましい。印加電圧が5kV未満になると、クーロン反発が小さくなり繊維化が難しくなる傾向にあるため好ましくない。100kVを超えると電極間でスパークが発生し、紡糸できない場合があるので好ましくない。より好ましい印加電圧の範囲は10kVから30kVである。
ノズル針12の内径は、特に限定されないが、生産性と得られる繊維径との調和を考慮すると0.05mmから2mmが好ましく、より好ましくは、0.1mmから1mmである。
ポリマー溶液の供給速度も特に限定されず、目的とする微細繊維の繊維径により、各種条件を変更させながら適切な値に設定する。供給速度が速すぎると、揮発性溶媒の蒸発が充分に行われず、液滴のクーロン反発が不十分になる等の影響で、所望の超極細繊維が得られない場合がある。また、供給速度が遅すぎると、繊維の生産性が低下するため好ましくない。ポリマー溶液の供給速度の好ましい範囲は、1個のノズル針当たり0.01ml/minから0.1ml/minである。
ノズル針12の先端と銅板14との間の距離は、用いる溶媒及び環状オレフィン系樹脂にもよるが、5cmから30cmであることが好ましい。
<環状オレフィン系樹脂繊維>
本発明によれば、上記環状オレフィン系樹脂、上記揮発性溶媒、上記静電紡糸の条件を適宜設定することにより、超極細の環状オレフィン系樹脂繊維を得ることができる。「超極細の繊維」とは、平均繊維径が0.01μmから100μmの繊維を指す。本発明によれば、平均繊維径0.1μmから0.5μmを容易に実現することができる。
静電紡糸法においては、通常、微細繊維が銅板14上に積層された形で得られるため、これを不織布として利用することができる。従って、本発明では、本発明の繊維からなる不織布を提供する。上記不織布は、電池セパレータ、細胞培養用の培地等として利用することができる。
以下に、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
<材料>
[環状オレフィン系樹脂]
環状オレフィン系樹脂1:TOPAS8007F−04(TOPAS Advanced Polymers社製)
環状オレフィン系樹脂2:TOPAS6013F−04(TOPAS Advanced Polymers社製)
環状オレフィン系樹脂3:TOPAS6015F−04(TOPAS Advanced Polymers社製)
環状オレフィン系樹脂4:TOPAS6017F−04(TOPAS Advanced Polymers社製)
環状オレフィン系樹脂5:TOPAS5013S−04(TOPAS Advanced Polymers社製)
[揮発性溶媒]
クロロホルム(沸点62℃)とキシレン(沸点144℃)との混合溶媒(混合比は80:20)
[静電紡糸装置]
静電紡糸装置:ナノファイバーエレクトロスピニングユニット(カトーテック社製)
<実施例>
表1に記載の材料を、上記静電紡糸装置を用いて、表1に記載の条件で静電防止法により紡糸を行った。環状オレフィン系樹脂繊維からなる不織布が得られた。なお、8時間以上の紡糸を続けてもノズル針の詰まりや汚れは生じなかった。
[平均繊維径の測定]
実施例1から5の環状オレフィン系樹脂繊維からなる不織布に含まれる環状オレフィン系樹脂繊維の平均繊維径を、走査型電子顕微鏡を用いて測定した。具体的には、5000から10000倍の倍率で、任意の10本の繊維径を測定し、その平均値を平均繊維径とした。測定結果を表1に示した。
Figure 2010111978
表1に示す通り、静電紡糸法により、超極細の環状オレフィン系樹脂繊維が得られることが確認された。
静電紡糸装置の一例を示す概略図である。
符号の説明
1 静電紡糸装置
11 溶液槽
12 ノズル針
13 高電圧発生器
14 銅板

Claims (5)

  1. 平均繊維径が、0.01μmから10μmであり、
    揮発性溶媒と、環状オレフィン系樹脂と、を含有するポリマー溶液を静電紡糸法にて紡糸することにより得られる環状オレフィン系樹脂繊維。
  2. 前記平均繊維径が、0.1μmから0.5μmである請求項1に記載の環状オレフィン系樹脂繊維。
  3. 前記揮発性溶媒が、クロロホルム、トルエン、キシレン、シクロヘキサン、デカリンからなる群より選ばれた少なくとも1種類以上の溶媒を含有する請求項1又は2に記載の環状オレフィン系樹脂繊維。
  4. 前記環状オレフィン系樹脂のガラス転移点が、160℃以上である請求項1から3のいずれかに記載の環状オレフィン系樹脂繊維。
  5. 請求項1から4のいずれかに記載の環状オレフィン系樹脂繊維からなる環状オレフィン系樹脂不織布。
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