JP2011196008A - 無機繊維の製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】平均繊維径が１μｍ以下であるものであっても人体や生活環境に及ぼす影響が抑制された、高い生体溶解性を発揮するとともに、フィルター材やシール材等の構成材料として好適な耐熱性を発揮する無機繊維を簡便に製造する方法を提供する。
【解決手段】水溶性の塩基性カルボン酸アルミニウムと水溶性のカルシウム化合物と水溶性または水分散性のケイ素化合物とを水性媒体中に溶解して紡糸原料水性溶液を作製した後、該紡糸原料水性溶液を紡糸して粗無機繊維を得、次いで、該粗無機繊維を焼成することにより、３５質量％〜８８質量％のＡｌ２Ｏ３、３質量％〜４５質量％のＣａＯおよび５質量％〜４０質量％のＳｉＯ２を含み、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２を合計した含有割合が繊維全体の９８質量％以上である無機繊維を製造することを特徴とする無機繊維の製造方法である。
【選択図】なし

Description

本発明は、無機繊維の製造方法に関する。
無機繊維は、無機化合物より成る繊維を主構成成分とするものであり、断熱材や耐火材等の構成材料として期待されており、特に平均繊維径１μｍ以下であるものは、フィルター材及びシール材の構成材料としての用途が期待される。
ところで、繊維径の小さな無機繊維としては、従来よりアスベスト（石綿）が知られており、このアスベストは、繊維径が小さく、体液に対する化学的抵抗性が高いものであるために、呼吸によって肺奥部に達し、肺胞内の細胞に長期間の刺激を与え、人体に影響するとされている。また、アスベスト以外の無機繊維においても、ＳｉＯ２を主成分とする耐熱性を向上させた無機繊維は、高温環境下でＳｉＯ２が結晶化してクリストバライトを生成し呼吸によって肺奥部に達した場合には、人体に影響するとされている。
このため、生体溶解性を有し、体液に対する化学的な抵抗性が低い無機繊維として、オキシ塩化アルミニウムとコロイダルシリカと増粘剤とを含む溶液からなる紡糸液を多数の紡糸孔から引き出して繊維前駆体とした後、これを急速加熱および急速冷却処理してなる、６５〜９９重量％のＡｌ２Ｏ３および１〜３５重量％ＳｉＯ２からなる無機繊維が提案されている（特許文献１（特許第３９７９４９４号公報）参照）。
特許第３９７９４９４号公報
しかしながら、本発明者等が鋭意検討を行ったところ、特許文献１記載の無機繊維は必ずしも生体溶解性を示すものでないことが判明した。また、無機繊維の用途によっては、特許文献１記載の無機繊維よりも、さらに生体溶解速度の速いものが求められるようになっている。
このような状況下、本発明は、生体溶解速度が大きく耐熱性が高い無機繊維を簡便に製造する方法を提供することを目的とするものである。
上記技術課題を解決すべく、本発明者等が鋭意検討を行ったところ、水溶性の塩基性酸アルミニウムと水溶性のカルシウム化合物と水溶性または水分散性のケイ素化合物とを水性媒体中に溶解して紡糸原料水性溶液を作製した後、該紡糸原料水性溶液を紡糸して粗無機繊維を得、次いで、該粗無機繊維を焼成することにより、３５質量％〜８８質量％のＡｌ２Ｏ３、３質量％〜４５質量％のＣａＯおよび５質量％〜４０質量％のＳｉＯ２を含み、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２を合計した含有割合が繊維全体の９８質量％以上である無機繊維を製造することにより、解決し得ることを見出して、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、
（１）水溶性の塩基性酸アルミニウムと水溶性のカルシウム化合物と水溶性または水分散性のケイ素化合物とを水性媒体中に溶解して紡糸原料水性溶液を作製した後、
該紡糸原料水性溶液を紡糸して粗無機繊維を得、
次いで、該粗無機繊維を焼成することにより、
３５質量％〜８８質量％のＡｌ２Ｏ３、３質量％〜４５質量％のＣａＯおよび５質量％〜４０質量％のＳｉＯ２を含み、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２を合計した含有割合が繊維全体の９８質量％以上である無機繊維を製造する
ことを特徴とする無機繊維の製造方法、
（２）前記上記水溶性の塩基性酸アルミニウムが、下記式（Ｉ）
Ａｌ（ＯＨ）ＸＹＺ （Ｉ）
（ただし、Ｘは０を超え３未満の正の数であり、Ｙは、Ｃｌ原子、ＮＯ３基、ＳＯ４基、ＲＣＯＯ基から選ばれるいずれか一種であり、Ｚは、ＹがＣｌ原子、ＮＯ３基、ＲＣＯＯ基である場合３−Ｘ、ＹがＳＯ４基である場合（３−Ｘ）／２であり、前記Ｒは水素原子または炭素数１〜１０の炭化水素基若しくは水酸基含有炭化水素基であって、ＲＣＯＯ基が複数存在する場合、各Ｒは同一であっても異なっていてもよい）
で表される化合物から選ばれる一種以上である上記（１）に記載の無機繊維の製造方法、
（３）前記紡糸が静電紡糸法により行われる上記（１）または（２）に記載の無機繊維の製造方法、
（４）前記焼成する温度が、５００℃以上液相生成温度未満である上記（１）〜（３）のいずれかに記載の無機繊維の製造方法、
を提供するものである。
本発明によれば、生体溶解速度が大きく耐熱性が高い無機繊維を簡便に製造することができる。
静電紡糸に供する紡糸装置の一例を示す図である。
本発明の無機繊維の製造方法は、水溶性の塩基性酸アルミニウムと水溶性のカルシウム化合物と水溶性または水分散性のケイ素化合物とを水性媒体中に溶解して紡糸原料水性溶液を作製した後、該紡糸原料水性溶液を紡糸して粗無機繊維を得、次いで、該粗無機繊維を焼成することにより、３５質量％〜８８質量％のＡｌ２Ｏ３、３質量％〜４５質量％のＣａＯおよび５質量％〜４０質量％のＳｉＯ２を含み、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２を合計した含有割合が繊維全体の９８質量％以上である無機繊維を製造することを特徴とするものである。
本発明の無機繊維の製造方法において、アルミニウム原料としては、水溶性の塩基性酸アルミニウムが用いられる。アルミニウム原料として上記酸塩を用いることにより、後述する焼成時において環境負荷の大きい塩素や硝酸の発生を抑制することができる。
本発明の無機繊維の製造方法において、原料として用いられる水溶性の塩基性酸アルミニウムとしては、下記式（Ｉ）
Ａｌ（ＯＨ）ＸＹＺ （Ｉ）
（ただし、Ｘは０を超え３未満の正の数であり、Ｙは、Ｃｌ原子（塩素原子）、ＮＯ３基、ＳＯ４基、ＲＣＯＯ基（カルボキシル基）から選ばれるいずれか一種であり、Ｚは、ＹがＣｌ原子、ＮＯ３基、ＲＣＯＯ基である場合３−Ｘ、ＹがＳＯ４基である場合（３−Ｘ）／２であり、前記Ｒは水素原子または炭素数１〜１０の炭化水素基若しくは水酸基含有炭化水素基であって、ＲＣＯＯ基が複数存在する場合、各Ｒは同一であっても異なっていてもよい）で表わされる化合物を挙げることができる。なお、こうした塩基性カルボン酸アルミニウムは、ヒドロキシ基で架橋された８面体配位のアルミニウム多核錯体（無機イオン性ポリマー）で、２量体やオリゴマーの形をとり得る。
組成式（Ｉ）で表される塩基性酸アルミニウムにおいて、Ｘは１以上３未満の正の数であることが好ましく、１以上２．５以下の正の数であることがより好ましく、１〜２がさらに好ましい。
組成式（Ｉ）において、Ｘは、塩基性酸アルミニウムの合成時に、添加した酸等の組成比から算出することができる。
また、ＲＣＯＯ基においてＲは水素原子または炭素数１〜１０の炭化水素基若しくは水酸基含有炭化水素基である。
Ｒが炭化水素基若しくは水酸基含有炭化水素基である場合、その炭素数は１〜１０であり、１〜５であることが好ましい。炭素数が１０を超えると、式（Ｉ）で表される塩基性カルボン酸アルミニウムが水溶性を示し難くなる。また、Ｒが炭化水素基若しくは水酸基含有炭化水素基である場合、炭化水素基部分は、直鎖状でも分枝状でもよく、また、飽和炭化水素基でも不飽和炭化水素基でもよい。
Ｒが炭化水素基である場合、炭化水素基としては、アルキル基、アルケニル基、シクロアルキル基、アルキルシクロアルキル基等が挙げられる。
具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基等のアルキル基（これらのアルキル基が分枝状になり得る場合には、アルキル基は直鎖状でも分枝状でもよい）；プロペニル基、ブテニル基等のアルケニル基（これらのアルケニル基が分枝状になり得る場合には、アルケニル基は直鎖状でも分枝状でもよく、また二重結合の位置も任意である）；シクロプロピル基、シクロブチル基等のシクロアルキル基；メチルシクロプロピル基、メチルシクロブチル基等のアルキルシクロアルキル基（アルキル基のシクロアルキル基への置換位置も任意である）等を例示することができる。
Ｒが水酸基含有炭化水素基である場合、水酸基含有炭化水素基としては、ヒドロキシアルキル基、ヒドロキシアルケニル基、ヒドロキシシクロアルキル基等が挙げられる。
具体的には、ヒドロキシメチル基、ヒドロキシエチル基、ヒドロキシプロピル基、ヒドロキシブチル基等のヒドロキシアルキル基（これらのヒドロキシアルキル基が分枝状になり得る場合には、ヒドロキシアルキル基を構成するアルキル基は直鎖状でも分枝状でもよい）；ヒドロキシブテニル基等のヒドロキシアルケニル基（ヒドロキシアルケニル基を構成するアルケニル基は直鎖状でも分枝状でもよく、また二重結合の位置も任意である）；ヒドロキシシクロプロピル基、ヒドロキシシクロブチル基等のヒドロキシシクロアルキル基（ヒドロキシル基やアルキル基のシクロアルキル基への置換位置も任意である）等を例示することができる。
水中での安定性等を考慮すると、ＲＣＯＯ基としては、ギ酸、酢酸、乳酸等から選ばれるカルボン酸の反応残基（ＨＣＯＯ基、ＣＨ３ＣＯＯ基、ＣＨ３ＣＨ（ＯＨ）ＣＯＯ基）が好ましい。
本発明の無機繊維の製造方法において、カルシウム原料としては、水溶性のカルシウム化合物が用いられ、該カルシウム化合物としては、水溶性を示すとともに、後述する紡糸原料水性溶液中に所望量溶解し得るものであれば特に制限されず、例えば、カルシウムの炭酸塩、硝酸塩、硫酸塩、酢酸塩、水酸化物、塩化物、フッ化物、ホウ酸塩、リン酸塩などが挙げられる。
これ等のカルシウム化合物のうち、紡糸原料水性溶液中に溶解させるアルミニウム化合物が塩基性カルボン酸アルミニウムであることから、カルシウム化合物もカルボン酸塩であることが好ましく、紡糸原料水性溶液への溶解性や材料の入手の容易さから酢酸カルシウム一水和物であることがより好ましい。
本発明の無機繊維の製造方法において、ケイ素原料としては、水溶性または水分散性のケイ素化合物が用いられ、該ケイ素化合物としては、紡糸原料水溶液に溶解または分散するものであれば特に制限されず、例えば、水溶性のケイ素化合物としては、水溶性のケイ酸塩、水溶性のケイ素のアルコキシド（テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン等）等を挙げることができ、水分散性のケイ素化合物としては、シリカゾル（コロイダルシリカ）等を挙げることができ、これ等のケイ素化合物のうち、紡糸原料水溶液の粘度安定性等の観点から、シリカゾル（コロイダルシリカ）が好ましい。
シリカゾルとしては、４〜１００ｎｍの粒子径のシリカを、固形分５〜３０質量％媒体中に分散してなるものが好ましく、シリカゾルは、アルコキシシランから製造されるゾル−ゲル法や、ケイ酸ナトリウムから製造されるケイ酸ソーダ法により製造することができる。
本発明の無機繊維の製造方法においては、必要に応じて、さらに紡糸助剤を用いることもできる。紡糸助剤としては、所望の無機繊維を作製し得るものであれば特に制限されないが、取扱いの容易性や溶解性を考慮すると水溶性の有機高分子であることが好ましい。例えば、ポリエチレンオキシド、ポリプロピレンオキシド、ポリビニルアルコール、ポリビニルエーテル、ポリビニルエステル、ポリアクリル酸エステルならびにこれらの共重合体が挙げられ、これ等のうち、ポリアクリル酸エステルが好ましい。
本発明の無機繊維の製造方法においては、さらに紡糸助剤を添加した紡糸原料水性溶液を用いることにより、繊維径のばらつきを抑制し、安定して紡糸することができる。また、静電紡糸後の未焼成繊維の強度が増し、ハンドリング性に優れる。
本発明の無機繊維の製造方法においては、上記水溶性の塩基性酸アルミニウムと水溶性のカルシウム化合物と水溶性または水分散性のケイ素化合物と、必要に応じ紡糸助剤とを水性媒体中に溶解させて、紡糸原料水性溶液する。
水性媒体としては、水が好ましく、溶液の安定性を向上させたり、紡糸の安定性を向上させるために、水を主成分として水に可溶な他の媒体、例えばアルコール類、ケトン類、アミン類、アミド類、カルボン酸類などを添加したものであってもよい。また、これらの媒体に対して塩化アンモニウムなどの有機塩を添加したものであってもよい。
紡糸原料水性溶液中における水溶性の塩基性酸アルミニウムの濃度は、４質量％〜８３質量％であることが好ましく、４質量％〜６８質量％であることがより好ましい。
また、紡糸原料水性溶液中において、アルミニウム元素とカルシウム元素とケイ素元素の総量に対するアルミニウム元素の存在割合は、アルミニウム元素をＡｌ２Ｏ３、カルシウム元素をＣａＯ、ケイ素元素をＳｉＯ２に換算したときのＡｌ２Ｏ３換算で３５質量％〜８８質量％であることが好ましく、３９質量％〜８７質量％であることがより好ましく、３９質量％〜８３質量％であることがさらに好ましく、３９質量％〜６６質量％であることが一層好ましく、４９質量％〜６６質量％であることがより一層好ましい。
アルミニウム元素とカルシウム元素とケイ素元素の総量に対する、アルミニウム元素の存在割合がＡｌ２Ｏ３換算で８８質量％超であると、カルシウム元素の存在割合が小さくなって所望の生体溶解性を得難くなり、アルミニウム元素とカルシウム元素とケイ素元素の総量に対する、アルミニウム元素の存在割合がＡｌ２Ｏ３換算で３５質量％未満であると、所望の耐熱性や生体溶解性を示し難くなる。
紡糸原料水性溶液中における水溶性のカルシウム化合物の濃度は、０．４質量％〜４６質量％であることが好ましく、２質量％〜４６質量％であることがより好ましい。
また、紡糸原料水性溶液において、アルミニウム元素とカルシウム元素とケイ素元素の総量に対するカルシウム元素の存在割合は、アルミニウム元素をＡｌ２Ｏ３、カルシウム元素をＣａＯ、ケイ素元素をＳｉＯ２に換算したときのＣａＯ換算で３質量％〜４５質量％であることが好ましく、３質量％〜４２質量％であることがより好ましく、２６質量％〜４２質量％であることがさらに好ましい。
アルミニウム元素とカルシウム元素とケイ素元素の総量に対する、カルシウム元素の存在割合がＣａＯ換算で４５質量％超であると、他の金属元素の存在割合が低下して所望の耐熱性を得難くなり、３質量％未満であると所望の生体溶解性を得難くなる。
紡糸原料水性溶液中における水溶性または水分散性のケイ素化合物の濃度は、０．４質量％〜２４質量％であることが好ましく、０．４質量％〜１６質量％であることがより好ましく、０．４質量％〜８質量％であることがさらに好ましい。
また、紡糸原料水性溶液中において、アルミニウム元素とカルシウム元素とケイ素元素の総量に対するケイ素元素の存在割合は、アルミニウム元素をＡｌ２Ｏ３、カルシウム元素をＣａＯ、ケイ素元素をＳｉＯ２に換算したときのＳｉＯ２換算で５質量％〜４０質量％であることが好ましく、８質量％〜３９質量％であることがより好ましく、８質量％〜２８質量％であることがさらに好ましく、８質量％〜１６質量％であることが一層好ましい。
アルミニウム元素とカルシウム元素とケイ素元素の総量に対する、ケイ素元素の存在割合がＳｉＯ２換算で４０質量％超であると、カルシウム元素の存在割合が小さくなって所望の生体溶解性を得難くなり、アルミニウム元素とカルシウム元素とケイ素元素の総量に対する、ケイ素元素の存在割合がＳｉＯ２換算で５質量％未満であると、所望の耐熱性を示し難くなる。
紡糸原料水性溶液が紡糸助剤を含む場合、紡糸助剤の濃度は、０．１質量％〜１０質量％が好ましく、０.１質量％〜５質量％がより好ましい。紡糸助剤は、焼成後に繊維が緻密化し、強度が保持されるために可能な限り少ない方が好ましいが、少量では繊維作製時の形態が安定しない場合があるため、必要に応じて添加量を調整することが好ましい。
本発明の無機繊維の製造方法においては、後述する焼成処理後に得られる無機繊維中のＡｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２を合計した含有割合が繊維全体の９８質量％以上になるように、紡糸原料水性溶液が、水溶性の塩基性カルボン酸アルミニウムと水溶性のカルシウム化合物と水溶性または水分散性のケイ素化合物等の原料成分を含有する。
紡糸原料水性溶液の作製方法は、特に制限されず、例えば、水性媒体と、水溶性の塩基性酸アルミニウム、水溶性のカルシウム化合物、水溶性または水分散性のケイ素化合物、紡糸助剤およびその他の任意成分を、各成分がそれぞれ所望濃度になるように混合することにより作製してもよいし、水溶性の塩基性酸アルミニウムの水性溶液と、水溶性のカルシウム化合物の水性溶液と、水溶性または水分散性のケイ素化合物の水性溶液と、紡糸助剤の水性溶液と、その他の任意成分とを、各成分が所望濃度になるように混合することにより作製してもよい。
紡糸原料水性溶液の粘度は、０．０１〜５．０Ｐａ・ｓ程度が好ましく、０．０５〜３．０Ｐａ・ｓ程度がより好ましい。紡糸原料水性溶液の粘度が０．０１Ｐａ・ｓ未満であると、紡糸時に紡糸原料水性溶液が糸状化せずに球状の粒を生ずる場合があり、紡糸原料水性溶液の粘度が５．０Ｐａ・ｓ超であると、繊維化処理が困難となる。紡糸原料水性溶液の粘度は、紡糸助剤の添加量を調整したり、適宜、加熱処理や減圧処理による濃縮操作を行うことによって調整することもできる。
なお、本出願書類において、紡糸原料水性溶液の粘度は、粘弾性測定装置(ＡｎｔｏｎＰａａｒ社製 Ｐｈｙｓｉｃａ ＭＣＲ３０１)を用い、紡糸液の液温を２５℃に維持し、せん断速度１０ｓ-1の時のせん断粘度を意味する。以降、上記の条件で測定した粘度を本出願書類の粘度とする。
本発明の無機繊維の製造方法においては、上記紡糸原料水性溶液を、静電紡糸法により紡糸して粗無機繊維を得ることが好ましい。
静電紡糸法とは、繊維形成性化合物を含む紡糸原料水性溶液に対して電圧を印加し、静電反発力を利用して紡糸原料水性溶液を吐出し繊維化する方法である。
紡糸原料水性溶液を電圧を印加した静電場中に吐出する方法としては、任意の方法を用いることができ、例えば、紡糸原料水性溶液を、静電場中の適切な位置に供給し、紡糸原料水溶液に対して電圧を印加することによって電界を利用して曳糸して繊維化する方法を挙げることができる。具体的には、例えば、紡糸原料水性溶液をノズルに供給した状態で、静電場中の適切な位置に置き、そのノズルから紡糸原料水性溶液を電界によって曳糸して繊維化する方法を挙げることができる。
以下、本発明の無機繊維の製造方法において、静電紡糸法による紡糸の具体的態様を図１を参照しつつ説明する。
図１は、静電紡糸に供する紡糸装置の一例を示す図である。図１において、紡糸装置１は、シリンジ２と、ノズル３と、高電圧発生装置４と、試料捕集台５から構成されている。
図１に示す紡糸装置１において、紡糸原料水性溶液は、シリンジ２内に充填された後、ノズル３の先端部まで送液される。高電圧発生装置４は、それぞれノズル３周囲に設けられた導電性の固定部と導電性の試料捕集台５に電気的に接続されており、ノズル３周囲に設けられた固定部を通じてノズル３に電圧を印加することにより、ノズル３の先端から紡糸原料水性溶液を噴出し、繊維化して、粗無機繊維とする。得られた粗無機繊維は、対向電極である試料捕集台５上に捕集される。
紡糸原料水性溶液をノズル３から静電場中に供給する場合、複数のノズル３を用い、ノズル３を並列に配置して繊維状物質の生産速度を上げてもよい。
本発明の無機繊維の製造方法において、静電紡糸時に印加する電圧は、ノズル先端と対向電極との距離（電極間の距離）や、紡糸原料水性溶液の粘度や、紡糸原料水性溶液の濃度等の条件を考慮しつつ、１〜１００ｋＶとすることが好ましく、３〜３０ｋＶとすることがより好ましい。
電極間の距離は、帯電量、ノズル寸法、紡糸原料水性溶液のノズルからの噴出量、紡糸原料水性溶液濃度等に依存するが、２０〜５００ｍｍが好ましく、５０〜３００ｍｍがより好ましく、１００〜２００ｍｍがさらに好ましい。
静電紡糸により得られる粗無機繊維は、平均繊維径が１０ｎｍ〜２０００ｎｍであることが好ましく、５０ｎｍ〜１０００ｎｍであることがより好ましい。
なお、本出願書類において、粗無機繊維の平均繊維径は、走査型電子顕微鏡(日本電子製 ＪＳＭ‐５８００ＬＶ)により撮影した写真(倍率２０００〜５０００倍)から無作為に１０〜１１１箇所選定して繊維の幅を計測し、これ等の幅から算出した平均値を意味する。
本発明の無機繊維の製造方法においては、紡糸原料水溶液を紡糸して得られた粗無機繊維を焼成する。
焼成温度は、５００℃以上液相生成温度未満が好ましく、具体的には、５００℃以上１３５０℃以下であって液相生成しない温度であることが好適である。
焼成温度が５００℃未満であると、紡糸助剤として用いた有機高分子などの有機成分が得られる無機繊維中に残留し易くなり、また、焼成温度が１３５０℃超であると、結晶粒の成長が生じて得られる無機繊維が非常に脆くなったり、液相を生じて炉床と反応し易くなる。
また、上記焼成温度は、得ようとする無機繊維の組成に応じて所定範囲にすることが望ましい。
本発明の無機繊維の製造方法においては、焼成温度を所望範囲内に制御することによって、得られる無機繊維により優れた生体溶解性を付与することができる。
焼成は、公知の電気炉等を用いて行うことができ、焼成時の雰囲気は、紡糸助剤等として用いた有機物を分解するために、大気または酸化性雰囲気とすることが好ましい。残留有機物の分解能を考慮しなくてよい場合には、窒素等の不活性雰囲気であってもよい。
このようにして、目的とする無機繊維を、簡便かつ低コストに製造することができる。
本発明の製造方法で得られる無機繊維は、３５質量％〜８８質量％のＡｌ２Ｏ３、３質量％〜４５質量％のＣａＯおよび５質量％〜４０質量％のＳｉＯ２を含み、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２を合計した含有割合が繊維全体の９８質量％以上であるものである。
本発明の製造方法で得られる無機繊維は、Ａｌ２Ｏ３を３５質量％〜８８質量％含むものであり、３９質量％〜８７質量％含むものであることが好ましく、３９質量％〜８３質量％含むものであることがより好ましく、３９質量％〜６６質量％含むものであることがさらに好ましく、４９質量％〜６６質量％含むものであることが一層好ましい。
Ａｌ２Ｏ３の含有割合が上記範囲内にあることにより、所望の耐熱性を得やすくなる。
また、本発明の製造方法で得られる無機繊維は、ＣａＯを３質量％〜４５質量％含むものであり、３質量％〜４２質量％含むものであることがより好ましく、２６質量％〜４２質量％含むものであることがさらに好ましい。
ＣａＯの含有割合が上記範囲内にあることにより、所望の生体溶解性を得やすくなる。
本発明の製造方法で得られる無機繊維は、ＳｉＯ２を５質量％〜４０質量％含むものであり、８質量％〜３９質量％含むものであることが好ましく、８質量％〜２８質量％含むものであることがより好ましく、８質量％〜１６質量％含むものであることが一層好ましい。
ＳｉＯ２の含有割合が上記範囲内にあることにより、所望の耐熱性を得やすくなる。
本発明の製造方法で得られる無機繊維は、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２を合計した含有割合が繊維全体の９８質量％以上であり、繊維全体の９９質量％以上であることより好ましい。
本発明の製造方法で得られる無機繊維は、不可避的成分を２質量％未満含み得るものであり、ここで、不可避的成分とは、無機繊維の調製時に混入する不純物成分を意味する。
本発明の製造方法で得られる無機繊維は、３５質量％〜８８質量％のＡｌ２Ｏ３、３質量％〜４５質量％のＣａＯおよび５質量％〜４０質量％のＳｉＯ２を含み、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２を合計した含有割合が繊維全体の９８質量％以上であることにより、所望の生体溶解性と耐熱性を発揮することができる。
また、本発明の製造方法で得られる無機繊維が、３９質量％〜６６のＡｌ２Ｏ３、２６質量％〜４２質量％のＣａＯおよび８質量％〜２８質量％のＳｉＯ２を含み、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２を合計した含有割合が繊維全体の９８質量％以上である場合には、所望の生体溶解性と耐熱性をより一層発揮することができる。
本発明の製造方法で得られる無機繊維に含まれるＡｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２の含有割合は、原料として用いる水溶性の塩基性カルボン酸アルミニウム、水溶性のカルシウム化合物および水溶性または水分散性のケイ素化合物の使用量を制御すること等により調整することができる。
本発明の製造方法において、得られる無機繊維を構成する各成分の含有割合（質量％）は、繊維作製時に使用した紡糸原料水性溶液から一部取り出して乾燥させ、次いで１０００℃にて２時間焼成を行った粉末を測定試料として、蛍光Ｘ線分析装置(Ｒｉｇａｋｕ社製 ＲＩＸ２０００)を用いて測定した際の値を意味する。なお、得られる無機繊維にはバランス成分が含まれる場合があるが、この場合はバランス成分を除いた金属酸化物の合計値が１００質量％となるように、補正計算を行うものとする。
本発明の製造方法で得られる無機繊維は、平均繊維径４μｍ未満でも生体溶解性を発揮することができるものであり、無機繊維の平均繊維径は、３μｍ以下であるものが好適であり、１μｍ以下であるものがより好適であり、０．５μｍ以下であるものがさらに好適である。
無機繊維の平均繊維径が１μｍ以下であることにより、フィルター材及びシール材の構成材料として好適に使用することができる。平均繊維径が１μｍ以下である無機繊維は、上記静電紡糸法による静電紡糸時の雰囲気や印加電圧を調整したり、紡糸原料水性溶液の濃度や粘度を調整すること等によって製造することができる。
本発明の製造方法で得られる無機繊維は、後述する生体溶解性の評価方法により評価したときに、試験開始後０時間〜２４時間における溶解速度が２０ｎｇ／ｃｍ２・ｈ以上であるものが好適であり、４０ｎｇ／ｃｍ２・ｈ以上であるものがより好適である。また、試験開始後２４時間〜４８時間における溶解速度が２０ｎｇ／ｃｍ２・ｈ以上であるものが好適であり、４０ｎｇ／ｃｍ２・ｈ以上であるものがより好適である。なお、試験開始後０〜２４時間における溶解速度が５００ｎｇ／ｃｍ２・ｈ以上であれば、試験開始後２４〜４８時間の溶解速度が２０ｎｇ／ｃｍ２・ｈ以下であっても、溶解性は期待できる。溶解速度の上限については、特に制限はないが、通常、５４００ｎｇ／ｃｍ２・ｈ程度である。
本発明の製造方法で得られる無機繊維は、生体溶解速度が大きく、生体溶解性に優れたものであるので、平均繊維径が小さいものであっても生活環境に与える影響が小さく、本発明の製造方法により容易に細繊維化し得るものである。
このため、例えば、平均繊維径が１μｍ以下の細繊維化物を、フィルター材及びシール材の構成材料等として、種々の産業分野で利用することができる。
なお、本出願書類において、無機繊維の平均繊維径は、走査型電子顕微鏡(日本電子製 ＪＳＭ‐５８００ＬＶ)により撮影した写真(倍率２０００〜５０００倍)から無作為に選定した１０〜１１１箇所の繊維の幅を計測し、これ等の幅から算出した平均値を意味する。
本発明の製造方法で得られる無機繊維は、融点が１３００℃以上であるものが好適であり、１３５０℃以上であるものがより好適であり、１３６７℃以上であるものがさらに好適である。本発明の無機繊維が、融点が１３００℃以上の耐熱性の高いものであることにより、フィルター材及びシール材等として好適に使用することができる。
なお、本出願書類において、無機繊維の融点は、上述した無機繊維組成を基に、熱力学平衡計算から求めた値を意味する。
このように、本発明によれば、生体溶解速度が大きく生体溶解性に優れるとともに、耐熱性の高い無機繊維を簡便に製造することができる。
以下、本発明を実施例および比較例によりさらに詳細に説明するが、本発明は以下の例により何ら限定されるものではない。
なお、以下の実施例および比較例において、生体溶解性は、以下に示す方法により評価した。
（生体溶解性の評価方法）
得られた無機繊維のうち、評価試料として２５ ｍｇの範囲に収まる量を精秤した。
次に、この評価試料を孔径０．１μｍのＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製メンブレンフィルタ上に置き、さらに評価試料上部に孔径１μｍのＰＴＦＥ製メンブレンフィルタを乗せてフィルタユニットとして固定した。このフィルタユニットに対し、表１に記載した組成を有するｐＨ５．０の生理食塩水を０．１５ｍｌ／ｍｉｎの割合で流通させた。
評価試料を流通した生理食塩水は、フィルタユニット下部に設けたタンク内に溜まるが、生理食塩水が評価試料を通ることによって無機繊維成分も溶出する。評価試験中の生理食塩水は生体液の温度である３７℃に維持しつつ、タンクに貯めた無機繊維成分溶出液を試験開始から２４時間後と４８時間後に取り出し、ＩＣＰ発光分析装置により、繊維成分の溶出量を定量し、その値から溶解度を算出した。
ここで、単純な溶解度では、繊維径の違いによる繊維表面積の差が出てくるため、繊維径を別途計測して繊維表面積を求め、これと溶解度の測定値、繊維の真密度、試料の使用量より単位時間、単位繊維表面積あたりの溶解度(ｎｇ/ｃｍ２・ｈ)を算出し溶解速度とした。溶解速度は、試験開始後０時間〜２４時間における速度を求めるともに、実施例１、実施例１０〜実施例１３、実施例１６〜２０、実施例２２〜実施例２３および実施例２５においては試験開始後２４〜４８時間における速度も求めた。
なお、得られた無機繊維の外形が概略円柱状であることから、無機繊維の表面積は、無機繊維形状が円柱状であるとしてその全側面積を求めることにより算出した。
すなわち、無機繊維の質量をＭ（ｇ）、無機繊維の全長をＬ（ｍ）、無機繊維の平均繊維径をｄ（ｍ）、無機繊維の真密度をρ（ｋｇ／ｍ３）とすると、下記（１）式が成り立つ。
Ｍ＝π×ｄ２×Ｌ×ρ／４ （１）
また、無機繊維の表面積Ａ（ｍ２）は式（２）で表わされる。
Ａ＝π×ｄ×Ｌ （２）
式（２）よりＬ＝Ａ／（π×ｄ）であることから、このＬを式（１）に代入してＡについてまとめると、以下の式（３）のとおりとなる。
Ａ＝４Ｍ／ｄρ （３）
無機繊維の質量Ｍ（ｇ）を実測するとともに、上述したように走査型電子顕微鏡(日本電子製 ＪＳＭ‐５８００ＬＶ)を用いて無機繊維の平均繊維径ｄ（ｍ）を測定し、ピクノメーター法により無機繊維の粉砕物から無機繊維の真密度ρ（ｋｇ／ｍ３）を測定して、上記式（３）にそれぞれ代入することにより、無機繊維の表面積Ａ（ｍ２）を算出することができる。
なお、上記評価によって得られた生理食塩水への溶解速度は、体液への化学的抵抗性の指標であり、この値が高いほど体液への化学的抵抗性は低く、生体への有害性は低いとされる。
Figure 2011196008
（実施例１） 塩基性カルボン酸アルミニウムとして、Ａｌ（ＯＨ）Ｘ（ＲＣＯＯ）３−Ｘ（Ｘが１．７の値、Ｒの炭素数が０〜２の値である）を用いて、以下のとおり紡糸原料水溶液を調製した。
すなわち、Ａｌ２Ｏ３換算したアルミニウム濃度が１０．５質量％である塩基性カルボン酸アルミニウム水溶液１００質量部に対して、ＣａＯ換算したカルシウム濃度が７．３質量％である酢酸カルシウム水溶液４７.２質量部と、ＳｉＯ２換算したケイ素濃度が２０．５質量％であるコロイダルシリカ２９．２質量部と、濃度６．０質量％に調製したポリアクリル酸エステル水溶液２８．６質量部とを添加、混合した後、適宜濃縮することにより、粘度が１.０Ｐａ・ｓの紡糸原料水性溶液を調製した。
この紡糸原料水性溶液は、アルミニウム元素をＡｌ２Ｏ３、カルシウム元素をＣａＯ、ケイ素元素をＳｉＯ２に換算したときに、アルミニウム元素とカルシウム元素とケイ素元素の総量に対し、アルミニウム元素を５２．６質量％、カルシウム元素を１７．４質量％、ケイ素元素を３０．０質量％含むものである。
次いで、図１に示す紡糸装置１を用いて、上記紡糸原料水性溶液を紡糸した。紡糸処理に際しては、上記紡糸原料水性溶液をシリンジ２内に充填した後、ノズル３の先端部まで送液し、ノズル３周囲に設けられた固定部と試料捕集台５に電気的に接続した高電圧発生装置４から１０．０ｋＶの電圧を印加することにより、ノズル３の先端から紡糸原料水性溶液を噴出させ、繊維化して、ノズル３先端からの距離を１５０ｍｍに調整した試料捕集台５上に捕集して、粗無機繊維を得た。
得られた粗無機繊維を、大気雰囲気下、電気炉中で５００℃／時で１０００℃まで昇温し、２時間保持することによって焼成して、無機繊維を得た。
得られた無機繊維の平均繊維径は１．５３μｍであり、Ａｌ２Ｏ３を５３．４質量％（３９．６モル％）含むとともに、ＣａＯを１８．７質量％（２５．２モル％）、ＳｉＯ２を２７．９質量％（３５．２モル％）含むものであった。
この無機繊維の生体溶解性を評価するために、上述した方法により、得られた無機繊維の溶解速度を測定したところ、試験開始後０時間〜４８時間における溶解速度は４５８ｎｇ／ｃｍ２・ｈであり、２４時間〜４８時間における溶解速度は５６０ｎｇ／ｃｍ２・ｈであり、融点は１３９２℃であった。
上記焼成時の温度および得られた無機繊維の組成（質量％およびモル％表示）を表２に示すとともに、得られた無機繊維の平均繊維径、溶解速度および融点を表３に示す。
（実施例２〜実施例２７、比較例１）
得られる無機繊維中のＡｌ２Ｏ３量、ＣａＯ量およびＳｉＯ２量が表２に示す割合になるように、紡糸原料水性溶液中の塩基性カルボン酸アルミニウム水溶液量、酢酸カルシウム水溶液量およびコロイダルシリカ量を調整するとともに、焼成温度（電気炉中で２時間保持した温度）を表３に示す温度にして、実施例１と同様にして無機繊維を作製した。
得られた無機繊維について、実施例１と同様にして平均繊維径を求めるともに、生体溶解性の評価および融点の測定を行った。結果を表３に示す。なお、実施例１３等においては、試験開始後０〜２４時間までの溶解速度に比較して、試験開始後２４〜４８時間までの溶解速度が低下しているが、これは試料の大半が溶解・消失したためである。
上記焼成時の温度および得られた無機繊維の組成（質量％およびモル％表示）を表２に示すとともに、得られた無機繊維の平均繊維径、溶解速度および融点を表３に示す。
なお、比較例１においては、紡糸原料水溶液を作製し、粘度調整した段階で沈殿が生成したため、紡糸できなかった。
Figure 2011196008
Figure 2011196008
表３に示す結果より、実施例１〜実施例２７で得られた無機繊維は、試験開始後０時間〜２４時間における溶解速度が６５ｎｇ/ｃｍ２・ｈ以上であり、試験開始後２４時間〜４８時間おける溶解速度が４７ｎｇ/ｃｍ２・ｈ以上であることから、優れた生体溶解性を示すものであることが分かり、融点が１３６７℃以上であることから、高い耐熱性を示すものであることが分かる。
これに対し、比較例１の紡糸原料水溶液は、繊維化できないものであることが分かる。
本発明によれば、生体溶解速度が大きく生体溶解性に優れるとともに、耐熱性の高い無機繊維を簡便に製造することができる。
１ 紡糸装置
２ シリンジ
３ ノズル
４ 高電圧発生装置
５ 試料捕集台

Claims (4)

  1. 水溶性の塩基性酸アルミニウムと水溶性のカルシウム化合物と水溶性または水分散性のケイ素化合物とを水性媒体中に溶解して紡糸原料水性溶液を作製した後、
    該紡糸原料水性溶液を紡糸して粗無機繊維を得、
    次いで、該粗無機繊維を焼成することにより、
    ３５質量％〜８８質量％のＡｌ２Ｏ３、３質量％〜４５質量％のＣａＯおよび５質量％〜４０質量％のＳｉＯ２を含み、Ａｌ２Ｏ３、ＣａＯおよびＳｉＯ２を合計した含有割合が繊維全体の９８質量％以上である無機繊維を製造する
    ことを特徴とする無機繊維の製造方法。
  2. 前記上記水溶性の塩基性酸アルミニウムが、下記式（Ｉ）
    Ａｌ（ＯＨ）ＸＹＺ （Ｉ）
    （ただし、Ｘは０を超え３未満の正の数であり、Ｙは、Ｃｌ原子、ＮＯ３基、ＳＯ４基、ＲＣＯＯ基から選ばれるいずれか一種であり、Ｚは、ＹがＣｌ原子、ＮＯ３基、ＲＣＯＯ基である場合３−Ｘ、ＹがＳＯ４基である場合（３−Ｘ）／２であり、前記Ｒは水素原子または炭素数１〜１０の炭化水素基若しくは水酸基含有炭化水素基であって、ＲＣＯＯ基が複数存在する場合、各Ｒは同一であっても異なっていてもよい）
    で表される化合物から選ばれる一種以上である請求項１に記載の無機繊維の製造方法。
  3. 前記紡糸が静電紡糸法により行われる請求項１または請求項２に記載の無機繊維の製造方法。
  4. 前記焼成する温度が、５００℃以上液相生成温度未満である請求項１〜請求項３のいずれかに記載の無機繊維の製造方法。
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