JP2012502198A - 弱相互作用性ポリマーを用いる繊維紡糸法 - Google Patents

Abstract

少なくとも１種の弱相互作用性溶媒に溶解した少なくとも１種の弱相互作用性ポリマーを含むポリマー溶液を、紡糸口金に供給する工程と、紡糸口金の少なくとも１つの紡糸ノズルから離れた方向に、電界の存在下で、吹込ガスと組み合わせてポリマー溶液を放出する工程と、繊維を形成する工程と、およびコレクター上に繊維を捕集する工程とを含む繊維紡糸法。

Description

関連出願の相互参照
本明細書において開示されている主題は、本発明と共に同時に出願され本発明の譲渡人に譲渡された以下の出願書類に、開示され特許請求されうる。
Ｄｅｅ、Ｈｏｖａｎｅｃ、およびＶａｎＭｅｅｒｖｅｌｄの名前で出願された「Ｈｉｇｈ Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｂｌｏｗｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ」米国仮特許出願第６１／１９１，１０２号明細書（整理番号ＴＫ４９５０ ＵＳ ＰＲＶ）

本発明は、低電気伝導率を有するポリマー溶液中の弱相互作用性ポリマーを用いて、エレクトロブロー法で繊維ウェブを形成するための方法に関する。

溶液紡糸法は、繊維および不織布の製造に用いられることが多く、ある場合には、高処理での有利性を有するので、繊維または布帛が、大規模で商業的に実行可能な量で作製されることが可能である。上記の方法を用いて、医療衣、フィルターおよび選択的障壁を必要とする他の最終用途に有用である繊維ウェブを作製することができる。小直径を有する繊維を利用して、この種の繊維ウェブの性能を高めることができる。

電界紡糸と呼ばれるタイプの溶液紡糸は、電界の存在下で紡糸ノズルを介してポリマー溶液を紡糸することにより、非常に微細な繊維を生成する。しかしながら、電界を活用するためには、ポリマー溶液は、導電性でなければならない。弱相互作用性溶媒に溶解した弱相互作用性ポリマーは、低電気伝導率を有するポリマー溶液を提供するので、電界紡糸には適切ではない。弱相互作用性ポリマーから作製される繊維を生成できる電界を利用する溶液紡糸法が必要とされる。

本発明は、約３未満の誘電率を有する少なくとも１種の弱相互作用性溶媒に溶解した約３未満の誘電率を有する少なくとも１種の弱相互作用性ポリマーを含むポリマー溶液を紡糸口金に供給するステップと、紡糸口金の少なくとも１つの紡糸ノズルから離れた方向に、電界の存在下で、吹込ガスと組み合わせてポリマー溶液を放出するステップと、繊維を形成するステップと、およびコレクター上に繊維を捕集するステップとを含む繊維紡糸法である。

詳細な説明と共に本明細書に組み込まれその一部を構成する添付の図面は、本発明の原理を説明するのに役立つ。

本発明に係る繊維ウェブを調製するのに有用な、先行技術のエレクトロブロー装置の概略図である。

様々な顧客の最終用途の要求に適うように多種多様なポリマーから作製される繊維製品に対する必要性が存在する。多くの高分子系繊維およびウェブは、導電性ポリマー溶液の電界紡糸で形成されることが可能である。しかしながら、弱相互作用性溶媒に溶解した弱相互作用性ポリマーは、低電気伝導率を有するポリマー溶液を提供するので、電界紡糸には適切ではない。

低電気伝導率を有する溶液は、プロセスの時間尺度で、紡糸口金電極から溶液の紡糸線（ｔｈｒｅａｄ ｌｉｎｅ）の表面まで電荷を移動させることができないので、低電気伝導率を有する溶液では電界紡糸することはできない。導体中の電荷中和に対する緩和時間（τ_e）は、式（(τ_e＝κε₀／σ）によって与えられ、式中、κは、溶液の誘電率であり、ε₀は、真空誘電率（８．８５４ｘ１０^‐12ファラド／ｍ）であり、およびσは、電気伝導率である。本方法の典型的な緩和時間は、０．１〜０．３秒である。この範囲よりも長い緩和時間は、溶媒中で電荷を十分に速く再分散できない電荷に相当する。故に、約１０^‐12Ｓ／ｍ未満の電気伝導率または約３未満の誘電率を有する溶媒は、電界紡糸に適切であるとは思われていない。下の表は、典型的なポリマー溶媒の一覧に関して上記の式を用いて算定された電気伝導率、誘電率、および電荷緩和時間を示す。その一覧は、電界紡糸に適切な電気伝導率を有する溶媒（線より上）と、電界紡糸に不適切な低電気伝導率を有する溶媒（線より下）とに分類されている。

表

約３未満の誘電率を有する弱相互作用性ポリマーを溶液に添加すると電気伝導率がさらに低下することが知られている。これが溶液粘度を増大させると確信されており、溶液粘度は、測定される電気伝導率を左右する、溶液中のイオン成分の移動度を低減させる。

本発明は、エレクトロブロー法を用いて、低電気伝導率を有するポリマー溶液からの弱相互作用性ポリマーを繊維およびウェブに紡糸する。

商業的規模の量および坪量の繊維層を作製する方法は、参照により本明細書に援用される国際特許第２００３／０８０９０５号パンフレット（米国特許出願第１０／８２２，３２５号明細書）に開示されている。図１は、国際特許第２００３／０８０９０５号パンフレットに記載されるエレクトロブロー（もしくは「エレクトロブロー紡糸」）を用いる本発明の方法を実行するのに有用なエレクトロブロー装置の概略図である。この先行技術のエレクトロブロー方法は、溶媒に溶かされたポリマーの溶液を貯蔵タンク１００から紡糸口金１０２を介して、高圧が印加される紡糸ノズル１０４に供給し、同時に、ポリマー溶液が紡糸ノズル１０４を出る際に、圧縮ガスまたは吹込ガスが吹込ガスノズル１０６を介してポリマー溶液に向けられて繊維を形成し、真空室１１４およびブロワー１１２により生じる真空下で、接地されたコレクター１１０上に繊維をウェブとして捕集することを含む。繊維は、連続形態または非連続形態のいずれでも使用されることが可能である。

捕集装置は、紡糸口金１０２とコレクター１１０の間の静電界内に位置する移動捕集ベルトが好ましい。捕集された後、繊維層は、コレクター１１０の下流側上の巻取りロールに向かい巻き取られる。繊維ウェブは、移動捕集ベルト上に配置された任意の様々な多孔性スクリム材料（例、スパンボンド不織布、メルトブローン不織布、ニードルパンチ式不織布、織布、編布、有孔フィルム、紙およびそれらの組み合わせ）上に堆積してもよい。

二次ガスは、繊維から溶媒を除去するのを促進するように、紡糸口金から下流で繊維に接触させてもよい。高い処理率で繊維をエレクトロブローする場合、多量の溶媒が繊維形成ポリマー溶液から除去されなければならない。二次ガスは、繊維に衝突するように配置されることが可能であり、もしくは掃引ガスとして用いて全体的な紡糸領域から溶媒を除去するのを促進することも可能である。

本発明のポリマーは、約３未満の誘電率を有する弱相互作用性ポリマーである。これらのポリマーは、弱い分散力によって相互に作用する。これらのポリマーとして、一般的に炭化水素ポリマーが挙げられる。本発明に適切な炭化水素ポリマーの例として、ポリオレフィン、ポリジエンおよびポリスチレンが挙げられる。ポリオレフィンの例として、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ（１−ブテン）、ポリ（４−メチル−１−ペンテン）、およびそれらのブレンド、混合物ならびに共重合体が挙げられる。典型的には少なくとも１種のこれらのポリマー、さらに典型的には一度に１種のみのこれらのポリマーが、本発明の方法に利用される。

本発明のポリマーを溶解するのに使用してもよい適切な溶媒として、約３未満の誘電率を有する弱相互作用性溶媒が挙げられる。これらの溶媒は、弱い分散力によって相互に作用する。ポリマーの溶解度パラメーターに類似した溶解度パラメーターを有する溶媒を選択することにより、ポリマーの溶媒を見つけてもよい。典型的な種類の弱相互作用性溶媒は、炭化水素溶媒である。炭化水素の例は、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、デカン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、キシレンおよびデカリンである。ポリマー紡糸溶液の例として、ｐ−キシレンまたはデカンの溶媒に溶解したポリエチレン、ｐ−キシレンまたはメチルシクロヘキサンの溶媒に溶解したポリプロピレン、メチルシクロヘキサンまたはシクロヘキサンの溶媒に溶解したポリ（４−メチル−１−ペンテン）、およびトルエンまたはデカリンに溶解したポリスチレンが挙げられる。

ポリマー溶液を、紡糸口金の紡糸ノズルを介して、約０．１〜約１００ｍｌ／分／孔、さらに有利には約１〜約１００ｍｌ／分／孔、なおさらに有利には約６〜約１００ｍｌ／分／孔そして最も有利には約１０〜約１００ｍｌ／分／孔の吐出率で、紡糸することができる。

吹込ガスは、空気、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、炭化水素、ハロカーボン、ハロゲン化炭化水素およびそれらの混合物の群から選択されることができる。吹込ガスは、約５０〜約３４０ｍ／秒の流速、かつほぼ周囲温度から約３００℃までの温度で注入される。

生成される繊維は、好ましくは１，０００ナノメートル未満、さらに好ましくは８００ナノメートル未満そして最も好ましくは５００ナノメートル未満の数平均繊維直径を有する。繊維は、本質的に円形の横断面形状を有することが可能である。

電界は、約１０〜約１００ｋＶの電圧電位を有することが可能である。電界を用いて、コロナ帯電を起こすことができる。

繊維は、連続した円形の横断面を含む繊維ウェブとして捕集されることができ、弱相互作用性ポリマー繊維は、約１，０００ナノメートル未満の数平均繊維直径を有する。

二次ガスは、空気、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、炭化水素、ハロカーボン、ハロゲン化炭化水素およびそれらの混合物の群から選択されうる。二次ガスは、約５０〜約３４０ｍ／秒の流速で、かつほぼ周囲温度から約３００℃までの温度で注入される。

試験方法
繊維直径を以下の通り測定した。各微細繊維層の試料の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を２または３枚撮った。明らかに識別できる微細繊維の直径を写真から測定し、記録した。欠点は含まれなかった（即ち、微細繊維の塊、ポリマー滴、微細繊維の交差）。各試料に対して約５０〜３００本の数値（ｃｏｕｎｔｓ）から数平均繊維直径を算出した。

下記のような特定の変更を伴い、上記の一般的な方法および装置を用い、以下の繊維の例を調製した。

実施例１
２．１の誘電率を有するポリ（４−メチル−１−ペンテン）（ＤＸ８２０）（三井化学株式会社から入手可能）の８重量％溶液を、還流冷却器を用いて、メチルシクロヘキサンに溶解した。磁気撹拌器を用いて、高温溶液を撹拌した。均質溶液を密閉ガラス容器に移し、紡糸室に運んだ。溶液を紡糸室のリザーバ内に移し、密閉した。内径０．４０６４ｍｍの単一紡糸ノズルを有する紡糸口金を使用した。ドラムコレクターを用いて試料を捕集した。紡糸口金を１００ｋＶの負電位に配置した。コレクターを接地した。紡糸ノズルの出口からコレクター表面までの距離は、３５ｃｍであった。吹込ガスに空気を使用した。二次ガスに窒素を使用し、紡糸室内の相対湿度（ＲＨ）および温度を制御した。窒素流は、紡糸室内の溶媒蒸気の濃度が爆発下限を超えるのを回避するのに十分であった。ＲＨを１０％未満に制御した。紡糸室の温度は、実験中ほぼ２５℃であった。０．３７７ＭＰａの窒素圧を用いて、１．６ｍｌ／分／孔の溶液流量を維持した。流出速度をおよそ１５０ｍ／秒に維持するように、吹込ガスを制御した。吹込ガスの温度は、ほぼ２５℃であった。一旦溶液流が開始されると、プルーム中に繊維を可視できた。繊維が、ドラムの帯状領域（ｓｗａｔｈ）に堆積した。繊維の数平均繊維直径を測定し、３９１ナノメートルであった。

実施例２
２．５の誘電率を有するポリスチレン（ＤＯＷ ６８５Ｄ）（ＤＯＷから入手可能）の９重量％溶液を、還流冷却器を用いて、トルエンに溶解した。磁気撹拌器を用いて、高温溶液を撹拌した。均質溶液を密閉ガラス容器に移し、紡糸室に運んだ。溶液を紡糸室のリザーバ内に移し、密閉した。内径０．４０６４ｍｍの単一紡糸ノズルを有する紡糸口金を使用した。ドラムコレクターを用いて試料を捕集した。紡糸口金を１００ｋＶの負電位に配置した。ドラムコレクターを接地した。紡糸ノズルの出口からコレクター表面までの距離は、５１ｃｍであった。吹込ガスおよび二次ガスに空気を使用し、紡糸室内の相対湿度（ＲＨ）および温度を制御した。ＲＨを２０％未満に制御した。紡糸室の温度は、実験中ほぼ２６℃であった。０．１３５ＭＰａの窒素圧を用いて、１．２７ｍｌ／分／孔の溶液流量を維持した。流出速度をおよそ８５ｍ／秒に維持するように、吹込ガスを制御した。吹込ガスの温度は、ほぼ２６℃であった。一旦溶液流が開始されると、プルーム中に繊維を可視できた。繊維が、ドラムの帯状領域に堆積した。繊維の数平均繊維直径を測定し、４０３ナノメートルであった。

実施例３
２．２の誘電率を有するＥｎｇａｇｅ ８４００（エチレンオクテン共重合体）（ＤｕＰｏｎｔから入手可能）の１１重量％溶液を、還流冷却器を用いて、メチルシクロヘキサンに溶解した。磁気撹拌器を用いて、高温溶液を撹拌した。均質溶液を密閉ガラス容器に移し、紡糸室に運んだ。溶液を紡糸室のリザーバ内に移し、密閉した。内径０．４０６４ｍｍの単一紡糸ノズルを有する紡糸口金を使用した。ドラムコレクターを用いて試料を捕集した。紡糸口金を１００ｋＶの負電位に配置した。コレクターを接地した。紡糸ノズルの出口からコレクター表面までの距離は、３０ｃｍであった。吹込ガスに空気を使用した。二次ガスに窒素を使用し、紡糸室内のＲＨおよび温度を制御した。窒素流は、紡糸室内の溶媒蒸気の濃度が爆発下限を超えるのを回避するのに十分であった。ＲＨを９％未満に制御した。紡糸室の温度は、実験中ほぼ２９℃であった。０．３０８ＭＰａの窒素圧を用いて、１２．６ｍｌ／分／孔の溶液流量を維持した。流出速度をおよそ１５６ｍ／秒に維持するように、吹込ガスを制御した。吹込ガスの温度は、ほぼ２８℃であった。一旦溶液流が開始されると、プルーム中に繊維を可視できた。繊維が、ドラムの帯状領域に堆積した。繊維の数平均繊維直径を測定し、５０２ナノメートルであった。

ポリマー溶液の伝導率が不十分であると、一般的に、これらのポリマー溶液を電界紡糸するのは困難であろう。しかしながら、エレクトロブローに利用可能な吹込ガスを用いることにより、これらのタイプのポリマー溶液をエレクトロブローして繊維にすることができる。吹込ガスの存在は、繊維の発生において重要な役割を提供する。電界の存在は、繊維を互いに反発させ、コレクター上での繊維のレイダウンの際に、均質のウェブにする。

Claims (24)

1. 繊維紡糸法であって、
   約３未満の誘電率を有する少なくとも１種の弱相互作用性溶媒に溶解した約３未満の誘電率を有する少なくとも１種の弱相互作用性ポリマーを含むポリマー溶液を、紡糸口金に供給するステップと、
   前記紡糸口金の少なくとも１つの紡糸ノズルから離れた方向に、電界の存在下で、吹込ガスと組み合わせて前記ポリマー溶液を放出するステップと、
   繊維を形成するステップと、および
   コレクター上に前記繊維を捕集するステップと、
   を含む繊維紡糸法。
2. 前記弱相互作用性ポリマーが、炭化水素ポリマーである、請求項１に記載の方法。
3. 前記炭化水素ポリマーが、ポリオレフィン、ポリジエンおよびポリスチレンからなる群から選択される、請求項２に記載の方法。
4. 前記ポリオレフィンが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ（１−ブテン）、ポリ（４−メチル−１−ペンテン）、およびそれらのブレンド、混合物、ならびに共重合体からなる群から選択される、請求項３に記載の方法。
5. 前記弱相互作用性溶媒が、炭化水素である、請求項１に記載の方法。
6. 前記炭化水素が、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、デカン、シクロヘキサン、ベンゼン、トルエン、キシレンおよびデカリンからなる群から選択される、請求項５に記載の方法。
7. 前記ポリマー溶液が、１０^‐12Ｓ／ｍ未満の伝導率を有する、請求項１に記載の方法。
8. 前記ポリマー溶液が、前記紡糸ノズルを介して、約０．１〜約１００ｍｌ／分／孔の吐出率で吐出される、請求項１に記載の方法。
9. 前記ポリマー溶液が、前記紡糸ノズルを介して、約１〜約１００ｍｌ／分／孔の吐出率で吐出される、請求項８に記載の方法。
10. 前記ポリマー溶液が、前記紡糸ノズルを介して、約６〜約１００ｍｌ／分／孔の吐出率で吐出される、請求項９に記載の方法。
11. 前記ポリマー溶液が、前記紡糸ノズルを介して、約１０〜約１００ｍｌ／分／孔の吐出率で吐出される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記吹込ガスが、空気、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、炭化水素、ハロカーボン、ハロゲン化炭化水素およびそれらの混合物の群から選択される、請求項１に記載の方法。
13. 前記吹込ガスが、約５０〜約３４０ｍ／秒の流速で、かつほぼ周囲温度から約３００℃までの温度で注入される、請求項１に記載の方法。
14. 前記繊維が、約１０００ナノメートル未満の数平均繊維直径を有する、請求項１に記載の方法。
15. 前記繊維が、約８００ナノメートル未満の数平均繊維直径を有する、請求項１４に記載の方法。
16. 前記繊維が、約５００ナノメートル未満の数平均繊維直径を有する、請求項１５に記載の方法。
17. 前記繊維が、本質的に円形である横断面形状を有する、請求項１に記載の方法。
18. 前記電界が、約１０ｋＶ〜約１００ｋＶの電圧電位を有する、請求項１に記載の方法。
19. 前記電界が、コロナ帯電電界である、請求項１に記載の方法。
20. 前記繊維を前記紡糸口金から下流に位置する二次ガスと接触させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
21. 前記吹込ガスが、空気、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、炭化水素、ハロカーボン、ハロゲン化炭化水素およびそれらの混合物の群から選択される、請求項２０に記載の方法。
22. 前記吹込ガスが、約５０〜約３４０ｍ／秒の流速で、かつほぼ周囲温度から約３００℃までの温度で注入される、請求項２０に記載の方法。
23. 前記ポリマー溶液が、約３未満の誘電率を有する弱相互作用性ポリマーの１種のみを含む、請求項１に記載の方法。
24. 前記繊維が、それらが捕集される際に多孔性スクリム材料上に堆積される、請求項１に記載の方法。

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