JP2016536486A - 二成分繊維、それから形成される生成物及びそれを作製する方法 - Google Patents

二成分繊維、それから形成される生成物及びそれを作製する方法 Download PDF

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Abstract

第一の熱可塑性ポリマー材料と、ポリ（m-キシレンアジポアミド）又はポリフェニレンスルフィドのホモポリマー又はコポリマー（一つ又は複数）を含む第二の熱可塑性ポリマー材料とを含有するメルトブロー二成分繊維。第一の熱可塑性ポリマー材料は、ナイロン6（ポリカプロラクタム）、ナイロン6,6（ポリ（ヘキサメチレンアジポアミド））、ポリプロピレン及び／又はポリブチレンテレフタレートのホモポリマー又はコポリマーの一以上であり得る。複数の二成分繊維は、間隔を空けて離された接触点で互いに熱により結合し、実質的に衝突に耐える多孔質構造を画定する。不織ファブリックウェブ及び粗紡糸並びに自立型三次元多孔質要素は、複数の二成分繊維から形成され得る。

Description

発明の分野
本発明は、二成分繊維、それから形成されるウェブ、粗紡糸(roving)及び自立型(self-supporting)三次元生成物に関し、それを作製する方法に関する。
関連出願の相互参照
本願は、2013年11月7日に出願された米国仮出願第61/901,108号の35 U.S.C. §119(e)に基づく利益を主張するものであり、その全教示は、あたかも本明細書に完全に記載されているかのように、参照によって組み込まれる。
背景
二成分繊維とは、同一の紡糸口金から二つのポリマー系を押し出すことによって製造される、両ポリマー系が同一のフィラメント内に含まれた状態のフィラメントを指す、と一般的に理解されている。いずれかのポリマー系単独には存在しない能力を活用するように種々のポリマー系を使用し得るので、二成分繊維は、種々の所望の化学的及び物理学的特徴並びに幾何学的構造を有する繊維を作り出すための極めて大きな可能性を提供する。さらに、押し出された繊維が所望の断面直径の範囲内となるように細くする目的で、二成分繊維はメルトブロープロセスを用いて製造され得る。
二成分繊維は所望の最終用途のために設計され得るが、ポリマーの選択において考慮されるいくつかの要素、例えばほんの数例を挙げると、ポリマーの粘着、融点、収縮、ポリマーの相対係数(relative moduli)及び繊維の最終的な構造、が存在する。
二成分繊維の一つの用途は不織布の製造においてである。不織布とは、織布とは対照的に、化学的、機械的、熱又は溶媒処理によって互いに結合したファブリックを指す。裏打ちするか又は構造的なフレーム(structural frame)によって圧縮若しくは補強を行わない限り、典型的には、不織布は強度に欠ける。従って、不織材料を三次元生成物（フィルター等）に形成する場合、不織材料を所望の形状及び操作条件（例えば、ある範囲の圧力、温度等）に支持しかつ維持するために構造補強が必要である。しかしながら、このような構造補強は、フィルターの効率に干渉し、不純物を取り込み得るから望ましくないことがある。
例えば、メルトブローポリプロピレン単一成分繊維は、種々の生成物、例えば、微粒子の空気及び液体フィルター、並びにおむつの中で見られるもの等の吸収体流体媒体の製造に使用されてきた。しかしながら、このような繊維は剛性が小さく、圧縮時の回復に極めて乏しいものである。さらに、これらは容易に熱結合されにくく、化学的手段による結合が困難である。従って、これらは薄い多孔質の(porous)不織ウェブの製造に使用されているが、自立型三次元物品、例えば、高い衝突強さ(crush strength)特性を発揮する、インクの貯蔵部、ウィック(wick)又は平面状若しくは波型のフィルターシート(filter sheets)又は直接形成されたフィルターチューブ(filter tubes)の製造にはこれらは商業的に受け入れられてこなかった。
概要
一つの態様において、メルトブロー二成分繊維は第一の熱可塑性ポリマー材料及び第二の熱可塑性ポリマー材料を含む。第二の熱可塑性材料はポリ（m-キシレンアジポアミド）を含む。メルトブロー二成分繊維は鞘芯(sheath-core)構造を有する。芯は第一の熱可塑性材料を含み、鞘は第二の熱可塑性ポリマー材料を含む。
第一の独立した局面に従って、鞘は芯を完全に取り囲んでいる。
第二の独立した局面に従って、第一の熱可塑性ポリマー材料は第一の融点を有し、第二の熱可塑性ポリマー材料は第二の融点を有する。第一の融点は第二の融点よりも低い。
第三の独立した局面に従って、第一の熱可塑性ポリマー材料はナイロン6（ポリカプロラクタム）、ナイロン6,6（ポリ（ヘキサメチレンアジポアミド））、ポリプロピレン及び／又はポリブチレンテレフタレートのホモポリマー又はコポリマーの一以上である。
別の態様において、不織繊維ウェブ又は粗紡糸は、互いに結合した前述のメルトブロー二成分繊維のいずれか一つを複数含む。複数のメルトブロー二成分繊維は、実質的に衝突に耐える多孔質構造を画定するように間隔を空けて離された接触点で互いに熱結合し得る。。
さらに別の態様において、自立型三次元多孔質要素(element)は、不織繊維ウェブ又は粗紡糸から形成される。自立型三次元多孔質要素は、インクの貯蔵部、医学用若しくは診断用の試験デバイスのためのウィック、消臭剤若しくは殺虫剤放出デバイスのためのウィック、又はフィルター若しくはフィルター要素を形成するために用いられ得る。
さらなる態様において、ポリマー繊維は第一の熱可塑性ポリマー材料及び第二の熱可塑性ポリマー材料を含む。第二の熱可塑性ポリマー材料はポリ（m-キシレンアジポアミド）又はポリフェニレンスルフィドのホモポリマー又はコポリマーを含む。
第一の独立した局面に従って、第一の熱可塑性ポリマー材料はナイロン6（ポリカプロラクタム）、ナイロン6,6（ポリ（ヘキサメチレンアジポアミド））、ポリプロピレン及び／又はポリブチレンテレフタレートのホモポリマー又はコポリマーの一以上である。
第二の独立した局面に従って、繊維はメルトブロー二成分繊維である。
第三の独立した局面に従って、メルトブロー二成分繊維は鞘芯構造を有する。芯は第一の熱可塑性ポリマー材料を含み、かつ鞘は第二の熱可塑性ポリマー材料を含む。
第四の独立した局面に従って、鞘は芯を完全に覆っているか、又はそれを完全に取り囲んでいる。
第五の独立した局面に従って、メルトブロー二成分繊維は、鞘芯、隣接(side-by-side)、鞘芯多葉状及び先端が付与された(tipped)多葉状からなる群より選択される構造を有する。
第六の独立した局面に従って、メルトブロー二成分繊維は、第一及び第二の部分を含む隣接構造を有する。第一の部分は第一の熱可塑性材料を含み、第二の部分は第二の熱可塑性材料を含む。
さらなる態様において、不均一な繊維の不織ウェブは複数の二成分繊維及び複数の繊維を含む。複数の二成分繊維は、第一の熱可塑性ポリマー材料と、ポリ（m-キシレンアジポアミド）又はポリフェニレンスルフィドのホモポリマー又はコポリマーを含む第二の熱可塑性ポリマー材料とを含む。複数の繊維は第三の熱可塑性ポリマー材料を含む。
第一の独立した局面に従って、第一の及び第三の熱可塑性ポリマー材料のそれぞれは、第二の熱可塑性ポリマー材料についての融点よりも低い融点を有する。
第二の独立した局面に従って、第一の及び第三の熱可塑性ポリマー材料は、それぞれ独立して、ナイロン6（ポリカプロラクタム）、ナイロン6,6（ポリ（ヘキサメチレンアジポアミド））、ポリプロピレン及びポリブチレンテレフタレートのホモポリマー又はコポリマーの一以上から選択される。
第三の独立した局面に従って、二成分繊維のそれぞれは、第一の熱可塑性ポリマー材料を含む芯と、第二の熱可塑性ポリマー材料を含む鞘とを含有し、該鞘は芯を完全に取り囲んでいる。
第四の独立した局面に従って、第一の及び第三の熱可塑性ポリマー材料は同一の熱可塑性ポリマー材料を含む。
さらなる態様において、前述の不均一な繊維の不織ウェブのいずれか一つを含む自立型三次元多孔質要素が提供される。二成分繊維は、実質的に衝突に耐える多孔質構造を画定するように間隔を空けて離された接触点で互いに及び多数の繊維と熱結合される。
さらなる態様において、自立型三次元多孔質要素は繊維の不織ウェブからなり、該繊維は、第一の熱可塑性ポリマー材料及び第二の熱可塑性ポリマー材料を含む二成分繊維を含有する。第二の熱可塑性ポリマー材料はポリ（m-キシレンアジポアミド）又はポリフェニレンスルフィドのホモポリマー又はコポリマーを含む。一つの態様において、多孔質要素は、繊維の不織ウェブから分離した構造的なフレーム又は芯を包含しない。別の態様において、多孔質要素は、繊維の不織ウェブに加えて層(layers)を含まない。
第一の独立した局面に従って、第一の熱可塑性ポリマー材料の融点は第二の熱可塑性ポリマー材料の融点よりも低い。
第二の独立した局面に従って、熱可塑性ポリマー材料はナイロン6（ポリカプロラクタム）、ナイロン6,6（ポリ（ヘキサメチレンアジポアミド））、ポリプロピレン及び／又はポリブチレンテレフタレートのホモポリマー又はコポリマーの一以上である。
第三の独立した局面に従って、繊維は、第三の熱可塑性ポリマー材料を含む複数の繊維をさらに含有する。
第四の独立した局面に従って、第三の熱可塑性ポリマー材料はナイロン6（ポリカプロラクタム）、ナイロン6,6（ポリ（ヘキサメチレンアジポアミド））、ポリプロピレン及び／又はポリブチレンテレフタレートのホモポリマー又はコポリマーの一以上である。
第五の独立した局面に従って、第三の熱可塑性ポリマー材料は単一成分繊維である。
以下の詳述された説明から、記載された好ましい態様の他の目的、特徴及び長所は当業者に明らかとなる。しかしながら、本発明の好ましい態様を示すとは言え、詳述された説明及び具体例は解説目的でなされるものであり、限定を意図しないことが理解されよう。本発明の範囲内での多くの変化及び変更は、その精神から逸脱することなくなされ得、そして本発明はそのような変更の全てを包含する。
添付の図面を参照しつつ、本開示の例示的態様を本明細書に記載する。
図１は鞘芯二成分繊維の種々の構造の端面図を表す。 図２は鞘芯二成分繊維の一つの形態の透視図である。 図３は、三葉状(tri-lobal)、即ち「Y」形状の二成分繊維の端面図である。 図４は、種々の異なる構造の隣接二成分繊維の端面図を表す。 図５は、先端が付与された多葉状(multi-lobal)二成分繊維の端面図を表す。 図６は、中空コアを有する自立型三次元多孔質要素の透視図である。 図７は、二成分繊維からロッド(rods)を製造するための加工ラインの一つの形態の概略図である。 図８は、図７の加工ラインの鞘芯メルトブローのダイ部分の拡大概略図である。 図９は、本発明の二成分繊維を形成するためのスプリットダイ要素の拡大概略図である。 図１０は、連続した多孔質ロッドを結合し形成するために使用され得る水蒸気処理装置の概略断面図である。 図１１は、連続した多孔質ロッドを結合し形成するための誘電体加熱炉の性質を有する代替的な加熱手段の概略図である。
図面のいくつかの表示の全体を通して、同様の数字は同様の部分を指す。
態様の詳細な説明
本発明の具体的で非限定的な態様を、図面を参照しつつ説明する。このような態様は例示目的であり、本発明の範囲内の態様の少数ではあるが単なる実例であることを理解すべきである。本発明が属する、当業者にとって自明である様々な変化及び変更は、添付された特許請求の範囲にさらに規定されたような本発明の精神、範囲及び意図の範囲内であるとみなされる。
ポリマー繊維の態様、及び熱結合によりそのような繊維から製造される生成物の態様が本明細書に開示される。一つの態様において、ポリマー繊維は二成分繊維であり、熱可塑性ポリマー材料の芯と、ポリ（m-キシレンアジポアミド）若しくはそのコポリマー、又はポリフェニレンスルフィド若しくはそのコポリマーの鞘とを有する鞘芯二成分繊維が好ましい。別の態様において、ポリマー繊維は唯一の加熱手段により結合される。
本明細書で用いられる用語「二成分」とは、繊維構造の別々の部位に位置し、異なる化学的性質を有する、二つの異なるポリマー系の使用を指す。二成分繊維においては、二つのポリマー系の異なる構造が可能であり、例えば、鞘芯構造、隣接構造、セグメントパイ(segmented pie)構造、セグメントクロス(segmented cross)構造、鞘芯多葉状構造及び先端が付与された多葉状構造が挙げられる。図１〜５は、二成分繊維についての種々の構造のうちの特定の一つを表す。
一つの態様において、二成分繊維は鞘芯繊維であり、その中ではポリ（m-キシレンアジポアミド）のホモポリマー又はコポリマーの鞘が芯を完全に取り囲みかつ包囲するように紡がれており、該芯は比較的低コストで収縮性が小さく、高強度を有する熱可塑性ポリマー材料、例えばナイロン6（ポリカプロラクタム）、ナイロン6,6（ポリ（ヘキサメチレンアジポアミド））、ポリプロピレン又はポリブチレンテレフタレートのホモポリマー又はコポリマーである。別の態様において、二成分繊維は鞘芯繊維であり、その中ではポリフェニレンスルフィドのホモポリマー又はコポリマーの鞘が芯を完全に取り囲みかつ包囲するように紡がれており、芯は比較的低コストで収縮性が小さく高強度を有する熱可塑性ポリマー材料、例えばナイロン6（ポリカプロラクタム）、ナイロン6,6（ポリ（ヘキサメチレンアジポアミド））、ポリプロピレン又はポリブチレンテレフタレートのホモポリマー又はコポリマーである。押し出された繊維が所望の直径となるように細くするために、二成分繊維は「メルトブロー」繊維プロセスを用いて製造され得る。一つの態様において、押し出された二成分繊維は高度に細くされて、約5〜約40ミクロン、約6〜約25ミクロン又は約7〜約15ミクロンの平均直径を有する。
本明細書で用いられる用語「メルトブロー」とは、繊維をそれらの溶融状態にある間に細く又は薄くするための繊維押し出しダイの出口での高圧の気体の流れの使用を指す。米国特許第3,595,245号、第3,615,995号、第3,972,759号、第4,795,668号、第5,607,766号はメルトブロープロセスを開示する。前述の特許のそれぞれは、その全教示が、あたかも本明細書に完全に記載されているかのように、参照によって本明細書に組み込まれる。
Mitsubishi Gas Chemical Americas, Inc.が製造するMAP MX NylonグレードS6011及びS6003LD（異なるグレードのポリ（m-キシレンアジポアミド））は、鞘形成材料として使用され得る。ポリ（m-キシレンアジポアミド）のピーク融点(DSC)は237℃であり、これはポリプロピレン（166℃）、ナイロン6（ポリカプロラクタム）（220℃）及びポリブチレンテレフタレート（223℃）よりも十分に高い。ポリフェニレンスルフィドの融点は280℃であり、これも上記ポリマー及び上記ナイロン6,6（ポリ（ヘキサメチレンアジポアミド））よりも十分に高い。
一つの具体的な態様において、鞘芯二成分繊維は、より低融点で低収縮性ポリマーの芯を覆う、より高融点のポリマーの連続した鞘を含む。本態様の一例において、ポリ（m-キシレンアジポアミド）のホモポリマー又はコポリマーの鞘は、ナイロン6（ポリカプロラクタム）、ポリプロピレン及び／又はポリブチレンテレフタレートのポリマーの芯を覆って供給され得る。本態様の別の例において、ポリフェニレンスルフィドの鞘は、ナイロン6（ポリカプロラクタム）、ナイロン6,6（ポリ（ヘキサメチレンアジポアミド））、ポリプロピレン及び／又はポリブチレンテレフタレートのポリマーの芯を覆って供給され得る。このような繊維、特にメルトブローされたものは、種々の商業適用について有用なウェブ又は粗紡糸の製造及びそれらからの要素の製造に適合する。
二成分繊維の態様に関して、鞘材料（例えば、ポリ（m-キシレンアジポアミド）又はポリフェニレンスルフィドのホモポリマー及びコポリマー）のいずれか一つは熱可塑性ポリマー材料（例えば、熱可塑性ポリマーのホモポリマー又はコポリマー、例えばナイロン6（ポリカプロラクタム）、ナイロン6,6（ポリ（ヘキサメチレンアジポアミド））、ポリプロピレン及び／又はポリブチレンテレフタレート）の芯材料のいずれか一つと併用され得ることが理解される。めいめいのポリマーは、メルトブロー二成分繊維プロセスによって別々に調製されるので、同一の溶融粘度を有する鞘材料及び芯材料を利用することは重要ではない。しかしながら、鞘のポリマーのメルトインデックス(melt index)と類似のメルトインデックスを有する芯材料を選択すること、あるいは、必要であれば、二成分ダイを介した溶融押し出しプロセスにおける相溶性を確実にするために、鞘のポリマーの粘度を芯材料の粘度と同程度に変更することが望ましくあり得る。繊維及びそれらから作製される生成物に所望の性質、例えば強化された親水性又は疎水性をもたらすために、押し出しの前に、ポリマーに添加剤を配合しても良い。
ポリ（m-キシレンアジポアミド）又はポリフェニレンスルフィドのコポリマーを使用する態様において、コポリマーは、その融点が二成分繊維の第二の部分（例えば芯）よりも高くなるように選択され得る。
図１〜５は、二成分繊維により可能である種々の構造を表す。二成分繊維の相対的な比率は一定の縮尺ではないこと、及びこれらは二成分繊維の二つの部分の間の相対的な空間的関係を表すに過ぎないことが理解される。
鞘芯二成分繊維の種々の構造を表す図１〜３。繊維のサイズ及び鞘部分と芯部分との相対的な比率は、説明を明確にするために誇張されている。図１は、五つの異なる鞘芯構造（10A〜E）を有する二成分繊維を描写しており、該二成分繊維は、鞘（12A〜E）によって完全に取り囲まれた、種々の形状及び位置の芯（14A〜E）を含む。図２は、その全体が鞘22によって取り囲まれた芯25を伴う鞘芯二成分繊維20を描写する。一つの好ましい態様において、芯の体積は鞘芯二成分繊維の全体積の約50〜80%であり、鞘の体積は鞘芯二成分繊維の全体積の約20〜50%である。別の好ましい態様において、芯の体積は鞘芯二成分繊維の全体積の約60〜80%であり、鞘の体積は鞘芯二成分繊維の全体積の約20〜40%である。さらに好ましい態様において、芯の体積は鞘芯二成分繊維の全体積の約70〜85%であり、鞘の体積は鞘芯二成分繊維の全体積の15〜30%を含む。
図１〜２において表される態様のそれぞれにおいて、繊維の外側表面は実質的に円筒状であることが観察される。しかしながら、二成分繊維の外側表面は円筒形状をとるようには限定されないこと、及び他の外側表面形状が可能であることが理解される。例えば、図３に表されるような多葉状の形状が提供され得る。より具体的には、図３の二成分繊維は、鞘22a及び芯24aを含む三葉状即ち「Y」形状の繊維20aである。その形状に関わらず、鞘はポリ（m-キシレンアジポアミド）又はポリフェニレンスルフィドのホモポリマー又はコポリマーを含み、該鞘は熱可塑性ホモポリマー又はコポリマーの芯材料の好ましくは全体を取り囲んでいる。
図４は、本明細書に開示されるウェブ、粗紡糸又は自立型三次元多孔質要素の製造に使用され得る二成分繊維の別の態様を表す。二成分繊維（40A〜C）は、二つのポリマー系のそれぞれが露出する隣接構造のバリエーションである。好ましい態様において、第一の繊維部分（42A〜C）は、ポリ（m-キシレンアジポアミド）又はポリフェニレンスルフィドのホモポリマー又はコポリマーを含み得、かつ第二の繊維部分（44A〜C）は、異なる熱可塑性ポリマー材料、例えばナイロン6（ポリカプロラクタム）、ナイロン6,6（ポリ（ヘキサメチレンアジポアミド））、ポリプロピレン及び／又はポリブチレンテレフタレート）のホモポリマー又はコポリマーを含み得る。別の態様において、第二の繊維部分（44A〜C）は、ポリ（m-キシレンアジポアミド）又はポリフェニレンスルフィドのホモポリマー又はコポリマーを含み得、かつ第一の繊維部分（42A〜C）は、異なる熱可塑性ポリマー材料、例えばナイロン6（ポリカプロラクタム）、ナイロン6,6（ポリ（ヘキサメチレンアジポアミド））、ポリプロピレン及び／又はポリブチレンテレフタレート）のホモポリマー又はコポリマーを含み得る。
前述の二つの態様の間の主な違いは、40A〜Cにおける二つの繊維部分の相対的な比率又は体積、即ち二つの異なるポリマー系の相対的な比率である。二成分繊維40Aにおいて、第一及び第二の部分、即ち二つのポリマーの体積は実質的に等しい。
40B及び40Cの二成分繊維において、二つの態様は、存在し得る二つのポリマー系の量の変化を反映する。該態様の一つの局面、40Bの二成分繊維において、第一の繊維部分42Bの体積は二成分繊維の全体積の約80〜95%であり、第二の繊維部分44Bの体積は二成分繊維の全体積の約5〜20%である。
40Cの二成分繊維において、第一の繊維部分42Cの体積は二成分繊維の全体積の約65〜80%であり、第二の繊維部分44Cの体積は二成分繊維の全体積の約20〜35%である。
一つの態様において、第一の繊維部分（42B又は42C）の体積は二成分繊維の全体積の約50〜80%であり、第二の繊維部分（44B又は44C）の体積は二成分繊維の全体積の約20〜50%である。別の態様において、第一の繊維部分（42B又は42C）の体積は二成分繊維の全体積の約60〜80%であり、第二の繊維部分（44B又は44C）の体積は二成分繊維の全体積の約20〜40%である。さらなる態様において、第一の繊維部分（42B又は42C）の体積は二成分繊維の全体積の約70〜85%であり、第二の繊維部分（44B又は44C）の体積は鞘芯二成分繊維の全体積の約15〜30%である。
図５は、本明細書に開示されるウェブ、粗紡糸又は自立型三次元多孔質要素を製造するために使用され得る、先端が付与された多葉状の二成分繊維60のさらなる態様を表す。多葉状二成分繊維60は複数の先端62及び中心体64を含む。一つの態様において、先端62はポリ（m-キシレンアジポアミド）又はポリフェニレンスルフィドのホモポリマー又はコポリマーを含み得、かつ中心体64は、異なる熱可塑性ポリマー材料、例えばナイロン6（ポリカプロラクタム）、ナイロン6,6（ポリ（ヘキサメチレンアジポアミド））、ポリプロピレン及び／又はポリブチレンテレフタレート）のホモポリマー又はコポリマーを含み得る。別の態様において、中心体64はポリ（m-キシレンアジポアミド）又はポリフェニレンスルフィドのホモポリマー又はコポリマーを含み、かつ先端62は、異なる熱可塑性ポリマー材料、例えばナイロン6（ポリカプロラクタム）、ナイロン6,6（ポリ（ヘキサメチレンアジポアミド））、ポリプロピレン及び／又はポリブチレンテレフタレート）のホモポリマー又はコポリマーを含み得る。
図７〜１１は、二成分繊維の作製に用いられる装置の一例、及びそれを連続した三次元多孔質要素に処理することを概略的に示し、続いて、例えば、マーキング用若しくは筆記用の道具に組み込まれるインク貯蔵部の要素、又はフィルター付タバコに組み込まれるタバコの煙のフィルター要素等を形成するように細分化され得る。加工ラインの全体は、図７の参照番号30によって大まかに指定されている。示される態様において、二成分繊維そのものは、繊維を多孔質要素に加工するために利用される装置によってインライン(in-line)で作製される。この手法に必要な装置の設置面積は小さいために、このような配置は、メルトブロー技術をを用いて実用的である。インライン加工には商業上の利点がある一方、それらの最も広い意味においては、このような繊維から形成される二成分繊維及びウェブ又は粗紡糸は別々に作製され得、別個の又は連続した操作によって多様な生成物に加工され得ることを理解すべきである。
インラインか又は別個かどうかに関わらず、例えばPowellの米国特許第3,176,345号又は第3,192,562号又はHillsの米国特許第4,406,850号（それぞれ345号特許、'562号特許及び'850号特許、これらの主題は参照によってその全教示が本明細書に組み込まれる）において見られるように、繊維そのものは、鞘芯二成分フィラメントの形成のための標準的な繊維紡績技術を用いて製造され得る。例えば、上記の'245号特許、'995号特許及び'759号特許、Schwarzの米国特許第4,380,570号及び第4,731,215号、並びにLohkampらの米国特許第3,825,379号（それぞれ'570号特許、'215号特許及び'379号特許、これらの主題は参照によってその全教示が本明細書に組み込まれる）が参照される。これらの文献は、使用され得る二成分繊維の形成のための技術及び装置、並びに縮小(attenuation)用のメルトブローンのための技術及び装置の実例として考慮されるべきであり、それらに制限されるものとして解釈されるべきではない。
いずれにしても、鞘芯メルトブローダイの一つの形態を、図８及び９において、３５にて拡大して図示する。溶融状態の鞘形成ポリマー36及び溶融状態の芯形成ポリマー38をダイ35に送り、上記の'850号特許にて議論されたタイプであり得る図９の40、42、44及び46で略記された四枚のスプリットポリマー分配板(split polymer distribution plates)の一組を介してダイから押し出す。
'759号特許に例証されているようなメルトブロー技術及び装置を使用して、溶融状態の鞘芯二成分繊維50を、52で図示される高速気流内に押し出す。これによって繊維50が細くなり、約12ミクロン以下の微細な二成分繊維の製造が可能となる。好ましくは、54に略記される水スプレー(water spray)はメルトブロー二成分繊維50を押し出して細くする方向に対して横方向に向けられる。水スプレーは繊維50を冷却し、現時点での加工において繊維同士への結合を最小限に抑えながら繊維を強く絡ませ、それにより、繊維の集合体の綿毛のような特性を保ち続け、かつ生産性を向上させる。
必要に応じて、反応性の仕上げ剤を水スプレー中に配合し、ポリ（m-キシレンアジポアミド）繊維又はポリフェニレンスルフィド繊維の表面をより親水性に、即ち「濡れ易く」する。このようにして繊維状ウェブにさえ潤滑剤又は界面活性剤を添加し得るが、後に描かれる操作において摩擦及び静電気を最少に抑えるために潤滑剤を必要とする紡糸繊維とは異なり、メルトブロー繊維は一般的に、このような表面処理を必要としない。このような添加剤を要しない能力は、例えば、これらの外部の物質が試験されている物質に干渉し得るか又は反応し得る医学診断用デバイスにおいて特に重要である。
一方、ある種の医学用途でさえ、繊維又は三次元要素の処理は、それらが形成された時又はその後のいずれかにおいて、必要であるか又は望ましいことがあり得る。従って、得られた生成物が空気等の気体を容易に通す多孔質要素であっても良いが、表面処理又は適切に配合された鞘形成ポリマーの使用によって繊維に疎水性を付与することが可能であり、それにより極端に高い圧力無しで、選択された液体が通過できないように機能し得る。多孔質要素が、例えば、ピペットチップ中又は静脈注射用溶液の注入システム中の通気フィルターとして用いられる場合、このような特性は特に望ましい。繊維をそのように処理する物質は周知であり、そのような物質を、繊維又は多孔質要素が形成された時に適用することは当業者によく知られている。
さらに、繊維状集合体がダイから生じる際に、粒子状の物質、例えば顆粒状の活性炭等（示さず）の流れを繊維状集合体に吹き込み得、メルトブロー技術で使用される高圧空気による乱流の結果、優れた均一性が達成される。同様に、液体の添加剤、例えば香味料等を同様のやり方で繊維状集合体上にスプレーし得る。
メルトブロー繊維状集合体は、不規則に分散して絡み合ったウェブ又は粗紡糸60として、図７の61で図示されるコンベヤーベルト（又は本明細書には示されていないが、'759号特許に見られるような通常のスクリーンで覆われた真空収集ドラム）上に連続的に集められ、このコンベヤーベルトが、同伴された空気から繊維状ウェブを分離し、さらなる処理を行い易くする。このメルトブロー二成分繊維のウェブ又は粗紡糸60は、それに続く細くするか又は縮れさせる処理を伴うこと無く、ただちに加工するのに適した形状である。
図７に示される加工ラインの残りは、タバコの煙の可塑化酢酸セルロースフィルター要素の製造に知られた装置を使用し得るが、繊維の熱結合を促進するためには、その個々の要素に微細な変更が必要となり得る。代表的な装置は、例えば、Bergerの米国特許第4,869,275号、第4,355,995号、第3,637,447号及び第3,095,343号（'275号特許、'995号特許、'447号特許及び'343号特許、これらの主題は参照によってその全教示が本明細書に組み込まれる）に見られる。メルトブロー鞘芯二成分繊維60のウェブ又は粗紡糸は、この時点では結合していないか、又はほんのわずか結合しており、ニップロール(nip rolls)62によってスタッファージェット(stuffer jet)64の中に引きこまれ、そこで66に見られるようにブルーム加工され(bloomed)、そして、（'343号特許に開示されたタイプの）図１０における70aで示されるような加熱空気又は水蒸気ダイを含み得る加熱手段70で、又は図１１の70bで示されるような誘電体加熱炉の中で、ロッド形状68に集められる。加熱手段は、集められたウェブ又は粗紡糸の温度を約90℃より高くし、ロッドを硬化させ、まず鞘材料を軟化させて繊維をそれらの接触点で互いに結合させ、次いで鞘材料を結晶化させる。その後、ダイ72中で空気等によって要素68を冷却し、安定した、相対的に自立型の高多孔質繊維ロッド75を製造する。これらは、主に縦方向がランダムに向けられた高分散の連続した繊維の相互接続ネットワークを含む、柔軟性のある熱可塑化繊維状材料のウェブで形成され得、そして、接触点において互いに結合して、高い表面積であり、極めて大きい、好ましくは70%を超える間隙率を提供し得、繊維の少なくとも主要部、好ましくはその全体が、ポリ（m-キシレンアジポアミド）又はポリフェニレンスルフィドのホモポリマー又はコポリマーの連続した鞘材料を含む二成分繊維であり、該要素は100℃を超える温度で立体的に安定である。
このような実質的に自立型の細長い要素の作製方法は、二成分押し出し技術とメルトブローにより細くすることとを組み合わせて、芯材料の融点よりも低い温度で結合可能な鞘を伴う、高度に絡み合った極細繊維のウェブ又は粗紡糸を製造する工程を含む。ウェブ又は粗紡糸は集められ、加熱されて繊維の接触点で繊維を結合する。
インクの貯蔵部に関しては、繊維の結合に必要なことは、ロッドを形成させ、多孔質構造を維持するために十分な強度を与えることだけである。必要に応じて、その最終的な用途により、多孔質ロッド75を通常の様式（示さず）で可塑性材料によって被覆するか、又は78で図示されるようにプラスチックフィルム若しくは紙のオーバーラップ(overwrap)76で覆うことで、覆われた多孔質ロッド80が製造される。連続的に製造された多孔質繊維ロッド80は、覆われていてもいなくても、標準的なカッターヘッド82を通過し、そこで予め選択された長さに切断され、自動包装機械内に配置される。
連続した多孔質ロッドを再分割することによって、複数の別々の多孔質要素が形成されるが、その一つが図６において、空洞のコア92を有する90で図示される。それぞれの要素90は、図１の20で示されるような極細のメルトブロー二成分繊維である通気性の細長い本体を含み、それらの接触点で結合して、貯蔵部又はウィックとして用いられる場合には優れた毛管特性を有し、フィルターとして用いられる場合には気体又は液体を通過させるための曲がりくねった隙間の通路を提供する高表面積、高多孔質、自立型要素を画定する。本発明に従って製造される要素90には、図６に示されるように、全体が均一な構造である必要がないことが理解される。
実施例
単一成分のナイロン6（ポリカプロラクタム）繊維から作られたメルトブローフィルターチューブ（「単一成分繊維マトリックス」）及び鞘芯二成分繊維（鞘:ポリ（m-キシレンアジポアミド、及び芯:ナイロン6）（「二成分繊維マトリックス」）をテストし、繊維マトリックスの、フィルターの壁の厚さを介した耐圧性の程度を比較した。両方のフィルターチューブは同一の繊維サイズ及び密度を有していた。Instron物理試験機械から、最大負荷(lbf)及び剛性(lbf/in)の測定値を得た（表１）。
繊維マトリックスの強度をテストするために、各フィルター上の3箇所のランダムな位置から、三個の直方体状のサンプルを切り取った。直方体状の最上部はフィルターの外径を表し、底部は内径を表した。各サンプルを、直方体状の最上部表面か又はフィルターの外側に鉛直方向の力を加えるInstron機械でテストした。これは、通常の操作条件下で流体がフィルターを貫いて流れる方向と同じである。最大負荷及び剛性の測定値によって、二成分繊維マトリックスの剛性及び強度の増加が示される。二成分繊維マトリックスは、単一成分繊維マトリックスの4.4倍の平均最大負荷及び2.5倍の平均剛性を示した。
Figure 2016536486
最大負荷及び剛性について得られたこれら有意に高い値は、単一成分繊維マトリックスと比較して、遥かに大きな力及び圧力の下で、二成分繊維マトリックスはそのマトリックス構造及び孔径分布を維持し得ること、それ故に、フィルター全体にわたる圧力低下に悪影響を伴うこと無くそのろ過能力を維持し得ることを示唆する。対照的に、力の下では、単一成分繊維マトリックスは崩壊、それらの孔構造及び孔径分布の喪失の影響をより受けやすく、その結果として、フィルターとして失格であり、並びに圧力低下の大幅な増加が発生し、本質的にその当初の趣旨及び目的の役に立たないフィルターとなる。
本明細書に記述され特許が請求された本発明の非限定的な態様は、発明のいくつかの局面の実例を意図するので、本明細書に開示された特定の態様によって、範囲が限定されるべきではない。本明細書に示されかつ記載されたものに加えて、該発明の種々の変更は、実際のところ、前述の記載に基づいて当業者にとって自明となろう。このような変更はまた、添付された特許請求の範囲の範囲内であることが意図される。

Claims (31)

  1. 第一の熱可塑性ポリマー材料；及び
    ポリ（m-キシレンアジポアミド）を含む第二の熱可塑性ポリマー材料；
    を含有するメルトブロー二成分繊維であって、
    メルトブロー二成分繊維は鞘芯構造を有し;かつ
    芯は第一の熱可塑性材料を含み、かつ鞘は第二の熱可塑性ポリマー材料を含む、
    メルトブロー二成分繊維。
  2. 鞘が芯を完全に取り囲んでいる、請求項１に記載のメルトブロー二成分繊維。
  3. 第一の熱可塑性ポリマー材料は第一の融点を有し、第二の熱可塑性ポリマー材料は第二の融点を有し、第一の融点は第二の融点よりも低い、請求項１に記載のメルトブロー二成分繊維。
  4. 第一の熱可塑性ポリマー材料が、ナイロン6（ポリカプロラクタム）、ナイロン6,6（ポリ（ヘキサメチレンアジポアミド））、ポリプロピレン及び／又はポリブチレンテレフタレートのホモポリマー又はコポリマーの一以上である、請求項１に記載のメルトブロー二成分繊維。
  5. 互いに結合した複数の請求項１〜４のいずれか１項に記載のメルトブロー二成分繊維を含む、不織繊維ウェブ又は粗紡糸。
  6. 複数のメルトブロー二成分繊維が、間隔を空けて離された接触点で互いに熱により結合されて、実質的な衝突に耐える多孔質構造を画定する、請求項５に記載の不織繊維ウェブ又は粗紡糸。
  7. 請求項６に記載の不織繊維ウェブ又は粗紡糸から形成される自立型三次元多孔質要素。
  8. 請求項７に記載の自立型三次元多孔質要素を含むインクの貯蔵部。
  9. 請求項７に記載の自立型三次元多孔質要素を含む、医学用又は診断用の試験デバイスのためのウィック。
  10. 請求項７に記載の自立型三次元多孔質要素を含む、消臭剤又は殺虫剤放出デバイスのためのウィック。
  11. 請求項７に記載の自立型三次元多孔質要素を含む、フィルター又はフィルター要素。
  12. 第一の熱可塑性ポリマー材料；及び
    ポリ（m-キシレンアジポアミド）又はポリフェニレンスルフィドのホモポリマー又はコポリマーを含む第二の熱可塑性ポリマー材料、
    を含有するポリマー繊維。
  13. 第一の熱可塑性ポリマー材料が、ナイロン6（ポリカプロラクタム）、ナイロン6,6（ポリ（ヘキサメチレンアジポアミド））、ポリプロピレン及び／又はポリブチレンテレフタレートのホモポリマー又はコポリマーの一以上である、請求項１２に記載のポリマー繊維。
  14. ポリマー繊維はメルトブロー二成分繊維である、請求項１２に記載のポリマー繊維。
  15. メルトブロー二成分繊維は鞘芯構造を有し、芯は第一の熱可塑性ポリマー材料を含み、かつ鞘は第二の熱可塑性ポリマー材料を含む、請求項１４に記載のポリマー繊維。
  16. 鞘は芯を完全に覆っている、請求項１５に記載のポリマー繊維。
  17. メルトブロー二成分繊維は、鞘芯、隣接、鞘芯多葉状及び先端が付与された多葉状からなる群より選択される構造を有する、請求項１４に記載のポリマー繊維。
  18. メルトブロー二成分繊維は第一及び第二の部分を含有する隣接構造を有し、第一の部分は第一の熱可塑性材料を含み、かつ第二の部分は第二の熱可塑性材料を含む、請求項１７に記載のポリマー繊維。
  19. 第一の熱可塑性ポリマー材料と、ポリ（m-キシレンアジポアミド）又はポリフェニレンスルフィドのホモポリマー又はコポリマー（一つ又は複数）を含む第二の熱可塑性ポリマー材料とを含有する複数の二成分繊維；及び
    第三の熱可塑性ポリマー材料を含有する複数の繊維
    を含有する、不均一な繊維の不織ウェブ。
  20. 第一の及び第三の熱可塑性ポリマー材料のそれぞれが第二の熱可塑性ポリマー材料の融点よりも低い融点を有する、請求項１９に記載の不均一な繊維の不織ウェブ。
  21. 第一の及び第三の熱可塑性ポリマー材料は、それぞれ独立して、ナイロン6（ポリカプロラクタム）、ナイロン6,6（ポリ（ヘキサメチレンアジポアミド））、ポリプロピレン及び／又はポリブチレンテレフタレートのホモポリマー又はコポリマーの一以上から選択される、請求項１９に記載の不均一な繊維の不織ウェブ。
  22. 二成分繊維のそれぞれが、第一の熱可塑性ポリマー材料を含む芯と、第二の熱可塑性ポリマー材料を含む鞘とを含有し、該鞘は該芯を完全に取り囲んでいる、請求項１９に記載の不均一な繊維の不織ウェブ。
  23. 第一の及び第三の熱可塑性ポリマー材料は、それぞれ独立して、ナイロン6（ポリカプロラクタム）、ナイロン6,6（ポリ（ヘキサメチレンアジポアミド））、ポリプロピレン及び／又はポリブチレンテレフタレートのホモポリマー又はコポリマーの一以上から選択される、請求項２２に記載の不均一な繊維の不織ウェブ。
  24. 第一の及び第三の熱可塑性ポリマー材料は同一の熱可塑性ポリマー材料を含む、請求項２３に記載の不均一な繊維の不織ウェブ。
  25. 二成分繊維が、間隔を空けて離された接触点で、互いに及び複数の繊維と熱により結合されて、実質的に衝突に耐える多孔質構造を画定する、請求項１９〜２４のいずれか１項に記載の不均一な繊維の不織ウェブを含む自立型三次元多孔質要素。
  26. 第一の熱可塑性ポリマー材料と、ポリ（m-キシレンアジポアミド）又はポリフェニレンスルフィドのホモポリマー又はコポリマー（一つ又は複数）とを含む第二の熱可塑性ポリマー材料を含有する二成分繊維を含有する繊維の不織ウェブからなる、自立型三次元多孔質要素。
  27. 第一の熱可塑性ポリマー材料の融点が第二の熱可塑性ポリマー材料の融点よりも低い、請求項２６に記載の自立型三次元多孔質要素。
  28. 第一の熱可塑性ポリマー材料がナイロン6（ポリカプロラクタム）、ナイロン6,6（ポリ（ヘキサメチレンアジポアミド））、ポリプロピレン及び／又はポリブチレンテレフタレートのホモポリマー又はコポリマーの一以上である、請求項２６に記載の自立型三次元多孔質要素。
  29. 繊維が、第三の熱可塑性ポリマー材料を含む複数の繊維をさらに含有する、請求項２６に記載の自立型三次元多孔質要素。
  30. 第三の熱可塑性ポリマー材料が、ナイロン6（ポリカプロラクタム）、ナイロン6,6（ポリ（ヘキサメチレンアジポアミド））、ポリプロピレン及び／又はポリブチレンテレフタレートのホモポリマー又はコポリマーの一以上である、請求項２９に記載の自立型三次元多孔質要素。
  31. 第三の熱可塑性ポリマー材料が単一成分繊維である、請求項２９に記載の自立型三次元多孔質要素。
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