JP2016211110A

JP2016211110A - Ｐｅｔ極細繊維の製造方法

Info

Publication number: JP2016211110A
Application number: JP2015096473A
Authority: JP
Inventors: 成寿中澤; Shigehisa Nakazawa; 拓市林; Taku Ichibayashi; 吉弘熊谷; Yoshihiro Kumagai; 鈴木　章泰; Akiyasu Suzuki; 章泰鈴木
Original assignee: JX Nippon Oil and Energy Corp; University of Yamanashi NUC
Current assignee: Eneos Corp; University of Yamanashi NUC
Priority date: 2015-05-11
Filing date: 2015-05-11
Publication date: 2016-12-15

Abstract

【課題】炭酸ガスレーザー超音速延伸法を用いて、より細繊化されたＰＥＴ極細繊維を製造する方法の提供。
【解決手段】入口と出口の圧力差が２０ｋＰａ以上あるオリフィスで原フィラメント送出部と延伸部とが連結された装置を用いて、原フィラメントを延伸室へ導き、オリフィスから出てきた原フィラメントに対しレーザー照射を行い原フィラメント先端部を溶融し、気流により原フィラメントの先端溶融部を延伸して極細繊維を製造する方法であって、原フィラメントとして９０℃以上の温度で加熱処理を施したＰＥＴフィラメントを使用平均繊維径が１μｍ未満のＰＥＴ極細繊維の製造方法。オリフィスの整流部径Ｄと整流部長さＬの比（Ｌ／Ｄ）が０．１〜１００であり、レーザー照射位置がオリフィス出口の垂直下０．５〜１５ｍｍの位置にあり、照射するレーザーの出力が５〜１００ＷであるＰＥＴ極細繊維の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明はＰＥＴ極細繊維の製造方法に関し、詳細には、亜音速から超音速領域の気流中において、ＰＥＴフィラメントにレーザーを照射して部分溶解させ、溶融した繊維を延伸することにより平均繊維径が１μｍ未満のＰＥＴ極細繊維を製造する方法に関する。

近年、ナノファイバーと呼ばれる繊維径が１μｍ未満の極細繊維が注目を集めている。
ナノファイバーはナノスケールの直径に由来する機能とマクロなスケールの長さに由来するハンドリングの容易さを併せ持つユニークな材料である。ナノファイバーの代表的な効果として、（１）比表面積が大きいこと（超比表面積効果）、（２）サイズがナノスケールであること（ナノサイズ効果）、（３）ファイバー内で分子が配列すること（分子配列効果）があげられる。

ナノファイバーの製造方法としては多数の方法が提案されているが、主なものとしてエレクトロスピニング法（電界紡糸法）、メルトブロー法、海島型精密複合紡糸法等が知られている。

エレクトロスピニング法は、主に樹脂の希薄溶液に数１０ｋＶ以上の高電圧をかけ、電界によって溶液を飛び出させると同時に溶液が揮発して繊維を形成する方法である。本法では、樹脂は溶媒に溶解するものでなければならず、また溶液の調製をはじめとして、温度、湿度、電界など条件調整が非常に難しい。また高電圧を使用するために、有機溶媒を用いると安全性に問題があり、更に溶媒回収の問題もある。そして希薄溶液を用いているので生産性が非常に悪いという欠点を有する。

メルトブロー法は一般的な不織布の製造方法であり、各社が製品化をしている。メルトブロー法は不織布を作るには一般的な方法であるが、本法でナノファイバーを製造するためには、ノズル径を小さくして、樹脂の吐出量を小さくしなければならない。このため、ナノファイバーを製造するには生産性が非常に悪くなってしまう。また使用可能な樹脂にも制限があり、低粘度の特殊グレードでなければならない。

海島型精密複合紡糸法は、海ポリマー中に多数の島ポリマーを配置できる口金を用いて、島数が数十〜数百の海島複合繊維を作製し、これから海ポリマーを溶剤で除去することで島ポリマーからなる極細繊維を得る方法である。海島型精密複合紡糸法では、海成分の溶解処理のプロセスでコストがかかり、原料使用効率が悪く、生産性が低い。また異なる海成分、島成分の樹脂同士の相性にも注意しなければならず、使用可能な樹脂には制限がある。

上記の３種の方法以外にもナノファイバー製造方法は各種開発されているが、その中の一つとして、炭酸ガスレーザー超音速延伸法が報告されている（特許文献１〜２）。この方法は亜音速から超音速領域の気流中において、繊維にレーザーを照射して部分溶解させ、溶融した繊維を高速の気流により延伸する方法である。

炭酸ガスレーザー超音速延伸法の特徴としては、（１）熱可塑性高分子材料であれば適用でき、（２）得られるナノファイバーは無限長繊維であり、（３）繊維配向性は高く、（４）溶剤を使用しないために作業環境やナノファイバーの安全性は高く、（５）減圧化で繊維を捕集するためにナノファイバーの飛散を防止でき、（６）装置は小型で簡便な構造であるため、設置場所を選ばず、拡張性にも優れているなどがあげられる。

しかしながら、現在主流なナノファイバー製造方法であるエレクトロスピニング法では繊維径１００ｎｍ以下のナノファイバーが得られるのに対して、炭酸ガスレーザー超音速延伸法で得られるナノファイバーの繊維径は３００ｎｍ程度であり、繊維径の点で改善が求められる。

国際公開第２００８／０８４７９７号特許第３５３４１０８号

本発明の目的は、炭酸ガスレーザー超音速延伸法において、より細繊化されたＰＥＴ極細繊維を製造する方法を提供することである。

本発明者らは、上記課題について鋭意検討を重ねた結果、本発明を完成するに至った。

すなわち本発明は、入口と出口の圧力差が２０ｋＰａ以上あるオリフィスで原フィラメント送出部と延伸部とが連結された装置を用いて、原フィラメントを延伸室へ導き、オリフィスから出てきた原フィラメントに対しレーザー照射を行い原フィラメント先端部を溶融し、気流により原フィラメントの先端溶融部を延伸して極細繊維を製造する方法であって、原フィラメントとして９０℃以上の温度で加熱処理を施したＰＥＴフィラメントを使用することを特徴とする平均繊維径が１μｍ未満のＰＥＴ極細繊維の製造方法である。

本発明の方法により、炭酸ガスレーザー超音速延伸法において、より細繊化されたＰＥＴ極細繊維を製造することができる。

オリフィスの形状を示す図である。

以下、本発明について詳細に説明する。

本発明において、送出する原フィラメントとしては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の原糸（フィラメント）を使用する。フィラメントの断面形状については特に制限はなく、円形のみならず、楕円形、四角形、三角形、台形、その他多角形などの各種異形原糸などで良く、また中空糸、芯鞘型原糸、サイドバイサイド型原糸等の複合原糸でも構わない。

本発明で用いる原フィラメントの直径（繊維径）は特に制限はないが１０μｍ〜２００μｍであることが好ましい。

本発明で用いる原フィラメントは炭酸ガスレーザー超音速延伸法によって延伸される前に加熱処理を施すことが必要である。

加熱処理の温度は、ガラス転移温度以上、具体的には９０℃以上であることが必要であり、好ましくは１００℃以上である。一方、融点以下であることが好ましく、具体的には２２０℃以下、好ましくは２００℃以下、より好ましくは１８０℃以下である。加熱処理時間は１０分以上であり、好ましくは２０分以上である。上限については特に制限はないが経済上の観点から２時間以下が好ましく、より好ましくは１時間以下である。加熱処理を施した原フィラメントを使用することで、加熱処理を行っていない場合に比べてより細い繊維径のナノフィラメントを得ることが可能となる。

当該加熱処理を行うことでより細繊化が進む理由は明らかではないが、ＰＥＴフィラメントを加熱処理していくと、ＰＥＴフィラメントの結晶化が進行し、非晶部分の割合が減少するため、炭酸ガスレーザー超音速延伸法によってレーザー照射して延伸すると、結晶部の影響が大きくなり、速い延伸速度での延伸が一気に進み、より細い状態で延伸が可能となったものと推察される。
加熱処理温度が９０℃未満では、結晶化度はまだ十分に高くならず、加熱処理に基づく細繊化の効果は不十分であり、一方、融点を超えて加熱処理しても、融解してしまうため、結晶化度は上がらない。

ＰＥＴフィラメントの結晶化度は、加熱処理により１５％以上とすることが好ましく、１７％以上がより好ましい。上限については特に限定はなく、高ければ高いほど好ましい。

なお、加熱処理の方法および加熱処理に用いる装置は特に限定されず充分に加熱処理を行えればよく、例えばオーブン等の加熱処理装置に所定時間静置する方法が挙げられる。

本発明に係る炭酸ガスレーザー超音速延伸法では、フィラメントの送出部から送り出された原フィラメントについて延伸が行われる。送出手段は、ニップローラや数段の駆動ローラの組み合わせなどの一定の送出速度でフィラメントを送り出すことが出来るものであれば特に限定されるものではなく種々のタイプのものが使用できる。フィラメントの送出手段より送り出された原フィラメントは、さらにオリフィスを通して、オリフィス中を原フィラメントの走行方向に流れる気体によって送られる。原フィラメントがこのフィラメント送出手段を経てオリフィスに送り込まれるまでは、圧力がＰ１気圧の雰囲気で行われる。このＰ１気圧下の状態に保たれている場所を原フィラメント供給室とする。Ｐ１が大気圧のときは、特に圧力を一定にする囲いは必要ない。Ｐ１が加圧下や減圧下の場合は、その圧力を保つための囲い（部屋）が必要であり、加圧ポンプまたは減圧ポンプも必要となる。なお本発明では、オリフィス入口部がＰ１気圧であるとき、原フィラメントの貯蔵部、原フィラメントの送り出し部分は、必ずしもＰ１気圧である必要はない。しかし、それらを別々の部屋を設けるのは煩雑であるので、それらの部分が同一気圧であることが好ましい。

原フィラメントの送出速度は特に制限はないが通常０．０１〜１０ｍ／ｍｉｎ、好ましくは０．０５〜１ｍ／ｍｉｎ、より好ましくは０．１〜０．５ｍ／ｍｉｎである。０．０１ｍ／ｍｉｎ未満ではナノフィラメントの生産性が悪化してしまうため好ましくない。一方１０ｍ／ｍｉｎを超えるとレーザー出力にもよるが、製造されるナノフィラメントの繊維径が太くなったりショット玉が形成されたりナノフィラメントの品質に問題が生じる恐れがあるため好ましくない。

オリフィスの出口以降は、Ｐ１気圧よりも減圧のＰ２気圧下に保たれ、オリフィスから出てきた原フィラメントをレーザー照射によって加熱し、先端部分を部分溶融することによって延伸される延伸室となる。原フィラメントは、Ｐ１気圧の原フィラメント供給室とＰ２気圧下の延伸室との圧力差（Ｐ１−Ｐ２）によって生じるオリフィス中を流れる気体の流れによってオリフィス中を送られていく。Ｐ２が大気圧のときは、特に圧力を一定にする囲いは必要ないが、Ｐ２が加圧下や減圧下の場合は、その圧力を保つための囲い（部屋）が必要であり、加圧ポンプまたは減圧ポンプも必要となる。Ｐ１とＰ２の気圧は、Ｐ１＞Ｐ２であるが、Ｐ１≧２Ｐ２であることが好ましく、Ｐ１≧３Ｐ２がさらに好ましく、Ｐ１≧５Ｐ２であることが最も好ましい。Ｐ１とＰ２の圧力差（Ｐ１−Ｐ２）としては、具体的には、２０ｋＰａ以上であることが必要であり、５０ｋＰａ以上が好ましく、７０ｋＰａ以上がより好ましい。

本発明においては、Ｐ２が減圧下（大気圧未満の圧力）で行われることが特に望ましい。そうすることにより、Ｐ１を大気圧で実施でき、装置を著しく簡便にでき、また、減圧は比較的簡便な手段であるからである。なおＰ１またはＰ２は、通常室温の空気が使用されるが、必要に応じ加熱エアー、窒素ガス等の不活性ガス、水蒸気や水分を含む気体などを使用することもできる。

オリフィスの形状は図１に示すような導入部がテーパー状のもので、整流部を有するものが好ましい。整流部径Ｄと整流部長さＬの比（Ｌ／Ｄ）は０．１〜１００であることが好ましく、より好ましくは０．５〜５０、更に好ましくは１〜１０が望ましい。また整流部の先端形状は、用いる原フィラメントの繊維径、形状、材質などに合わせて、気流を調整するために加工を施しても良い。

オリフィスを通過した原フィラメントにはレーザー照射が行われ、照射部が溶融し、溶融した部分が圧力差で生じる気流の力により延伸される。

照射するレーザーのエネルギーは特に制限はないが５〜１００Ｗが好ましい。５Ｗ未満では溶融が不充分となりナノフィラメントの繊維径が太くなる。一方、１００Ｗを超えるとナノ繊維が切れて粒子状になりやすく、ナノフィラメントの品質に問題が生じる恐れがある。

レーザーの照射位置は、オリフィス出口の垂直下０．５ｍｍ以上であることが必要であり、１ｍｍ以上が好ましい。またオリフィス出口から離れ過ぎてもオリフィスから流出する気流が弱まるため、原フィラメントを充分に溶融できないため、１５ｍｍ以下であることが好ましく、１０ｍｍ以下がより好ましく、５ｍｍ以下がさらに好ましい。

以上説明した方法により、延伸室の底部または底部に適当な基材を配置していた場合には、当該基材上にナノファイバーまたその集積体を製造することができる。また基材を走行できるようにしてあれば連続して当該ナノファイバーの長繊維を製造することもできる。

上記のように、例えば基材上に広幅化して得られたナノファイバーの集積体を当該基材と共に熱ラミネート等の処理加工によって複合化することによって不織布を得ることができる。さらに、不織布を得る際には必ずしも基材が必要ではなく、集積したナノファイバーをエンボス、熱ラミネート等の処理加工することによっても、当然のことながら不織布を得ることができる。なお本発明の製造方法で得られるナノファイバーを用いて不織布を得る際の各種諸条件や基材の種類、また基材の有無等については、当該不織布の用途によって適宜選定されるものであり、何ら制限させるものではない。

上記のようにして得られた不織布は、その用途に限定されるものではなく、例えば、ワイパー（ウェットワーパー、ドライワイパー）、おむつ、フィルター（エアフィルター、液体フィルター、分子フィルター）、ティーバッグ、各種電池のセパレータ、ルーフィング、ガーゼ（フェースマスク）、タオル、コーティング基布、生理用品、合成皮革、防水基材、絶縁材、吸水シート、マスク、油吸着シート、滅菌包装資材、防護服（細菌、放射性物質）（空気抵抗最少、アエロゾル捕獲、抗生物、抗化学物質）、衣料用芯地、保温資材（ナノテキスタイル）、キャパシタ、吸着剤、触媒担持体（水素貯蔵）、電磁波シールド、メディカル用基布（再生医療用支持体、皮膚用膜、血管用チューブ）、エンジンフィルター、防虫容器、透湿防水シート、センサー基布（温度センサー、圧力センサー、生化学センサー）等、多岐に渡る用途に用いることができる。

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に何等限定を受けるものではない。また実施例および比較例中における繊維の平均径は下記の方法で求めた。

＜繊維の平均径＞
得られた繊維の集合体の表面を走査型電子顕微鏡（株式会社日本電子製ＪＣＭ−５０００）により撮影（倍率１００００倍）した。得た写真を無作為に１０枚選び、写真内のすべての繊維の径を測定し、写真１０枚の中に含まれるすべての繊維径の平均値を求めて、それを繊維の平均径とした。

（実施例１〜５および比較例１）
ポリエチレンテレフタレートのフィラメントをリールに巻いた状態でオーブンに入れ所定の温度で２０分間加熱処理を施した。これを原フィラメントとして炭酸ガスレーザー超音速延伸法によってナノフィラメントを得た（実施例１〜５）。また比較例１として、加熱処理を行っていないフィラメントから炭酸ガスレーザー超音速延伸法により製造したナノフィラメントを得た。得られたナノフィラメントの繊維径を表１に示す。

炭酸ガスレーザー超音速延伸法の条件は以下の通りである。
整流部内径Ｄが０．３ｍｍ、その整流部の長さＬが１．０ｍｍのオリフィスを用い、延伸室の真空度１０ｋＰａ（圧力差９１ｋＰａ）の状態で原フィラメントを０．１ｍ／ｍｉｎで供給し、オリフィス出口下１．２ｍｍの位置に３０Ｗのφ３．６ｍｍレーザーを照射した。

表１からわかるように、加熱処理を施したＰＥＴフィラメントを原フィラメントとして使用すると、加熱処理を行っていない比較例１に対し、より細繊なナノフィラメントを製造することができた。

炭酸ガスレーザー超音速延伸法によりＰＥＴ極細繊維を製造するにあたり、原フィラメントを加熱処理するという簡便な処理を行うことで、より細繊化されたＰＥＴ極細繊維を製造することができるため産業上非常に有用な方法である。

Claims

入口と出口の圧力差が２０ｋＰａ以上あるオリフィスで原フィラメント送出部と延伸部とが連結された装置を用いて、原フィラメントを延伸室へ導き、オリフィスから出てきた原フィラメントに対しレーザー照射を行い原フィラメント先端部を溶融し、気流により原フィラメントの先端溶融部を延伸して極細繊維を製造する方法であって、原フィラメントとして９０℃以上の温度で加熱処理を施したＰＥＴフィラメントを使用することを特徴とする平均繊維径が１μｍ未満のＰＥＴ極細繊維の製造方法。
オリフィスの整流部径Ｄと整流部長さＬの比（Ｌ／Ｄ）が０．１〜１００であることを特徴とする請求項１に記載のＰＥＴ極細繊維の製造方法。
レーザー照射位置がオリフィス出口の垂直下０．５ｍｍ以上１５ｍｍ以下の位置にあることを特徴とする請求項１または２に記載のＰＥＴ極細繊維の製造方法。
照射するレーザーの出力が５〜１００Ｗであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＰＥＴ極細繊維の製造方法。