JP2017002423A - ポリプロピレン繊維の繊維物理量または繊維物性の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ポリプロピレン繊維の延伸点近傍において、糸直径・糸速度・糸温度・分子配向・伸長粘度・歪速度・弾性率・歪量、もしくはそれらの時間的変動量を精密に把握することを可能にする繊維物理量または繊維物性の測定方法を提供する。【解決手段】ポリプロピレン繊維をレーザー光照射により加熱し、さらに５０〜２５０ＭＰａの応力を与えて延伸させた状態で延伸点近傍の繊維物理量または繊維物性を測定することを特徴とする繊維物理量または繊維物性の測定方法によって達成できる。繊維物理量または繊維物性の例としては、繊維の直径、速度、温度、伸度、強度、分子配向、粘度、弾性率または歪量が挙げられる。【選択図】なし

Description

本発明はポリプロピレン繊維の延伸点近傍において、糸直径・糸速度・糸温度・分子配向・伸長粘度・歪速度・弾性率・歪量、もしくはそれらの時間的変動量を精密に把握することを可能にする繊維物理量または繊維物性の測定方法に関する。

結晶性高分子からなる熱可塑性合成繊維の工業的な製造方法では、溶融紡糸により繊維を細く長く成形し、かつ分子鎖の配向をある程度高めた後、延伸により分子鎖を高度に配向させ、さらに配向結晶化および熱結晶化により結晶化度を高めることで繊維の力学特性、熱特性を高め、強度に優れ、熱寸法安定性の高い実用的な繊維を得る。

延伸工程において配向、結晶化などの繊維構造形成に大きく寄与するのは延伸倍率である。繊維の延伸は、一般的には繊維が加熱され粘度（伸長粘度）が低下していく過程において、加えられる応力により変形可能となる点、すなわち延伸点で急速に変形が進むことから、繊維の延伸点近傍での繊維物理量または繊維物性の変化量を評価するためには、延伸前から延伸後までの糸直径・糸速度・糸温度・分子配向・伸長粘度・歪速度・弾性率・歪量等の繊維物理量または繊維物性の変化を精密にオンライン測定することが必要となる。

合成繊維の延伸点近傍での精密計測については、赤外線照射によって延伸点位置を精密に固定して、計測を行うシステムが知られている（特許文献１参照）。該技術では延伸点近傍に赤外線レーザー光を照射し、ポリエチレンテレフタレート繊維の精密なオンライン計測システムが提案されている。この技術に適用できる材料としては、赤外線を吸収して軟化温度以上まで昇温可能な高分子材料であれば特に種類は問わないと特許文献１に記載されており、ポリエステル類、ナイロン類、ポリエチレン類、ポリビニルアルコール類、ポリエーテルケトン類などが例として挙げられている。しかし、ポリプロピレン繊維への適用について特許文献１に言及はなく、またポリプロピレン繊維の延伸点の固定に重要となる延伸応力についても記載が見られない。

特開２００１−２７９５１９号公報（第２頁〜第１１頁）

本発明の課題は、ポリプロピレン繊維の延伸点近傍において、糸直径・糸速度・糸温度・分子配向・伸長粘度・歪速度・弾性率・歪量、もしくはそれらの時間的変動量を精密に把握することを可能にする繊維物理量または繊維物性の測定方法を提供することにある。

前記した本発明の課題は以下の手段により達成される。
ポリプロピレン繊維をレーザー光照射により加熱し、さらに５０〜２５０ＭＰａの応力を与えて延伸させた状態で延伸点近傍の繊維物理量または繊維物性を測定することを特徴とするポリプロピレン繊維の繊維物理量または繊維物性の測定方法。

本発明の繊維物理量または繊維物性の測定方法により、ポリプロピレン繊維の延伸点近傍における糸直径・糸速度・糸温度・分子配向・伸長粘度・歪速度・弾性率・歪量、もしくはそれらの時間的変動量を精密に把握することができ、延伸条件の最適化による力学特性、熱特性の向上、糸切れ抑制などの製糸性向上が達成できる。

以下、本発明の繊維物理量または繊維物性の測定方法について詳細に説明する。
本発明で用いるポリプロピレン（以下、ＰＰとも言う）樹脂は繰り返し単位としてプロピレン単位を有するポリマーを意味する。本発明で用いるＰＰ樹脂には、本発明の目的を満足する限度で他のオレフィン類モノマー、スチレン類モノマーが共重合されていても良い。

ＰＰ樹脂は融点が１４０〜１６５℃であることが好ましい。ＰＰ樹脂の融点は一般的には１６５℃程度であり、立体規則性、他種モノマーの共重合により結晶性が低下し、融点も低下する。融点が１４０℃未満の場合は結晶性が低すぎ、繊維として用いる際の力学特性、寸法安定性が低下し好ましくない。この観点から、ＰＰ樹脂の融点は１５０〜１６５℃であることがより好ましい。

ＰＰ樹脂は、樹脂の溶融流動性の指標であるメルトフローレート（ＭＦＲ）が３ｇ／１０ｍｉｎから３００ｇ／１０ｍｉｎの範囲にあることが好ましい。ここで言うＭＦＲとは、ＡＳＴＭ Ｄ１２３８−８２に準じ、測定温度２３０℃、荷重５ｋｇｆの条件で測定する値である。ＭＦＲが２ｇ／ｍｉｎよりも小さい場合は延伸応力が高くなりやすく、また３００ｇ／１０ｍｉｎよりも大きい場合は延伸応力が低くなりやすく、いずれも延伸点の安定化に不利となる。延伸点の安定のためにより好ましいＭＦＲは５〜５０ｇ／１０ｍｉｎである。

延伸に供するＰＰ繊維（未延伸糸）の直径は３０μｍ〜５００μｍが好ましい。３０μｍ未満では延伸後の繊維が細く、精密なオンライン計測に適さない。５００μｍを超えると一般的なＰＰ繊維とは言いがたくなり、オンライン計測の対象としては好ましくない。より好ましい直径は５０〜２００μｍである。

延伸に供するＰＰ繊維のΔｎは０．０００１〜０．０３０が好ましい。０．０００１以下では配向が低いため延伸応力を高めるための延伸倍率が高くなりすぎ、延伸点が安定しない。０．０３０を超えると配向が高いため延伸倍率を高くすることができず、ネック延伸そのものの形状が不明瞭となりオンライン計測に適さない。より好ましいΔｎは０．０００２〜０．０２０である。

延伸に供するＰＰ繊維の伸度は２００〜１５００％が好ましい。１５００％を超えると延伸応力を高めるための延伸倍率が高くなりすぎ、延伸点が安定しない。２００％未満では延伸倍率を高くすることができず、ネック延伸そのものの形状が不明瞭となりオンライン計測に適さない。より好ましい伸度は３００〜１２００％である。

本発明ではＰＰ繊維の延伸において、加熱源をレーザー光とする。レーザー光を照射し、繊維を加熱することで繊維を効率よく加熱することができ、延伸点をレーザーが照射されている範囲（レーザースポット）に安定化することができる。またレーザー光を用いることにより非接触で加熱することができ、オンライン計測を行う際に加熱装置が障害とならない。さらにレーザー光を用いることで光源の広がりを小さくすることができるので、繊維が加熱されるレーザースポットを小さくでき、その結果延伸点を小さなスポット内に安定化することができる。

本発明で用いるレーザー光は、単色光であり、平行光線であり、コヒーレントである光線を示す。レーザー光の種類としては、固体レーザー、半導体レーザー、ガスレーザー、液体レーザー、自由電子レーザー等から選択するものである。これ等のレーザー種の中でも、連続発振することや長時間の使用が可能なこと、大出力が得られること、比較的安価なことから、炭酸ガスレーザー（波長１０．６μｍ）を用いることがより好ましい。レーザー光の照射は、鏡による反射、種々のレンズ（例えばシリドリカルレンズ）を組み合わせることによる集光、光ファイバ等によりレーザー発振器を糸条から離れた場所に設置し、照射することも可能である。

レーザー光の強度はレーザー出力（Ｗ）を照射面積（ｃｍ^２）で除したエネルギー密度で表される。レーザー出力を大きく、照射面積を小さくすることでレーザー光強度は高めることができる。

本発明において、レーザー出力は５〜５０Ｗが好ましい。５Ｗ未満ではエネルギーが不足し繊維を十分に加熱できず、延伸点の安定化が困難となる。５０Ｗを超えると繊維の温度が高くなりすぎ、繊維が溶断する可能性がある。より好ましい出力は１０〜３０Ｗである。

照射面積は一般的には円形であり、レーザースポットとして表される。スポットの直径はレンズで調整することができ、本発明においては１〜２０ｍｍが好ましい。１ｍｍ未満とすると、糸揺れによりスポット内を繊維が動いた際に繊維が受けるエネルギーの変化が大きく延伸点の安定化が困難となる。２０ｍｍを超えると繊維の加熱が緩やかになり延伸点を安定化できる領域が広くなり、好ましくない。より好ましいスポット直径は５〜１５ｍｍである。

延伸前のフィードロールと延伸後のドローロールの速度の比である延伸倍率は、２．０〜１０．０倍が好ましい。延伸倍率が２．０未満ではネック延伸そのものの形状が不明瞭となりオンライン計測に適さない。１０．０倍を超えると延伸応力が高くなり延伸点の安定化が困難となる。より好ましい延伸倍率は２．５〜８．０倍である。

本発明においては延伸張力を延伸後の繊維の断面積で除した延伸応力を５０〜２５０ＭＰａとする。延伸応力は延伸に供する繊維の配向（Δｎ、伸度）、延伸倍率、延伸前の繊維直径、レーザー光強度（レーザー出力、照射面積）により変化させることができる。発明者らはＰＰ繊維の延伸時のオンライン測定に関し、延伸点を安定化する手段を検討した結果、延伸応力を一定範囲とすることが最も安定化できることを見出した。ＰＰ繊維の延伸は、付加する応力、すなわち延伸応力と加熱による軟化のバランスで、延伸点の位置関係は決まる。ＰＰの場合、ガラス転移温度（Ｔｇ）は約−２０℃であり、室温の状態から加熱を開始すると非晶部の軟化が始まる。このとき結晶部は融解しないものの、加熱により結晶引き抜き延伸に必要な応力は低下すると考えられる。このため温度制御もさることながら、延伸応力の制御が延伸点の安定化には重要であり、ＰＰの場合５０〜２５０ＭＰａとすることが最も効果的なのである。より好ましい延伸応力は８０〜２３０ＭＰａとなる。

本発明において計測する対象は繊維の直径、温度、張力、速度、分子配向等が挙げられ、これらを組み合わせて計測することで糸直径・糸速度・糸温度・分子配向・伸長粘度・歪速度・弾性率・歪量が算出でき、さらにそれらの時間的変動量も解析可能であるが、これに限定されるものではない。

延伸後のＰＰ繊維の伸度は５０〜２００％が好ましい。伸度が５０％未満の場合は高倍率の延伸、伸度が２００％を超える場合には低倍率の延伸となっており、いずれも延伸点の安定化に不利となる。より好ましい伸度は７０〜１５０％である。

延伸後のＰＰ繊維の強度は２００〜７００ＭＰａが好ましい。強度が２００ＭＰａ未満の場合は低倍率の延伸、強度が７００ＭＰａを超える場合には高倍率の延伸となっており、いずれも延伸点の安定化に不利となる。より好ましい強度は３００〜５００ＭＰａである。

延伸後のＰＰ繊維のΔｎは０．０２０〜０．０５０が好ましい。Δｎが０．０２０未満の場合は低倍率の延伸、Δｎが０．０５０を超える場合には高倍率の延伸となっており、いずれも延伸点の安定化に不利となる。より好ましいΔｎは０．０２５〜０．０４０である。

以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。なお実施例中の各特性値は次の方法で求めた。

Ａ．メルトフローレート（ＭＦＲ）
ＡＳＴＭ Ｄ１２３８−８２に準じ、測定温度２３０℃に加熱した樹脂を、荷重５ｋｇｆで加重し、１０ｍｉｎ間で溶融吐出される樹脂の質量を測定する。このＭＦＲをｇ単位で小数点第１位まで算出し、小数点以下を四捨五入した。

Ｂ．強度、伸度
ＪＩＳ Ｌ１０１３：２０１０記載の方法に準じて、試料長４０ｍｍ引張速度４０ｍｍ／ｍｉｎの条件で、島津製作所社製のオートグラフＡＧＳ−Ｘ引張試験機を用い１水準当たり１０回の測定を行い、平均値を強力（ｃＮ）、伸度（％）を求めた。これとは別に繊維の側面の顕微鏡観察から繊維の直径を求め、繊維断面を円形とみなして断面積を計算し、強力を断面積で除することで強度（ＭＰａ）を求めた。

Ｃ．Δｎ
偏光顕微鏡（ＯＬＹＭＰＵＳ社製ＢＸ５１−３３ＰＯＣ）を用いコンペンセーター法により試料１水準当たり１０回の測定を行い、平均値として求めた。

Ｄ．延伸点の安定性
延伸点近傍の繊維直径をＫＥＹＥＮＣＥ社製の高速・高精度デジタル寸法測定器ＬＳ−７０１０を用いて測定した。延伸点をネック状変形が見られる点として、６００秒の観察における延伸点の位置変動を計測し、以下の基準で延伸点の安定性を評価した。
位置変動０．５ｍｍ未満 ； ○（良好）
位置変動０．５ｍｍ以上もしくはネック状変形が時間に対し変動 ； ×（不良）

［ＰＰ未延伸糸］
融点１６５℃、ＭＦＲ３０のＰＰ樹脂を用い、紡糸温度２１５℃にて、ノズル径０．７ｍｍ、１ホールの口金から吐出量３．３ｇ／分でポリマーを吐出し、紡糸速度４００ｍ／分（サンプル１）、８００ｍ／分（サンプル２）、１２００ｍ／分（サンプル３）でそれぞれ紡糸、巻取を行い、延伸に供するＰＰ未延伸糸を得た。繊維物性を表１に示す。

［実施例１］
サンプル１のＰＰ未延伸糸を用い、ドローロールの速度を６０ｍ／分とし、フィードロール速度を１１．３ｍ／分とすることで延伸倍率を５．３倍とした。フィードロールとドローロールの間に炭酸ガスレーザー発振器が具備されたレーザー照射装置を用いてレーザー光を照射した（スポット直径；５ｍｍ）。なおレーザー光はミラーを用いて光路を折り返し、合計３回レーザー光が繊維に当たるよう調整した。

延伸後の張力はエイコー測器社製のテンションメーターＨＳ−３０００型に測定レンジ１００ｇｆのテンションピックアップＨ−２を用いてオンライン計測し、これとは別に延伸点近傍の繊維直径はＫＥＹＥＮＣＥ社製の高速・高精度デジタル寸法測定器ＬＳ−７０１０を用いて測定した。延伸後の繊維の直径から繊維断面を円形とみなして断面積を計算し、張力を断面積で除することで延伸応力（ＭＰａ）を求めた。レーザー照射条件、延伸条件、延伸応力を表２に示す。

延伸点の安定性、延伸後の繊維物性も表２に示すが、レーザー光を照射し、延伸応力を５０〜２５０ＭＰａとすることで延伸点は安定していた。

［実施例２〜４］
ここでは原糸物性の影響を評価した。延伸に供したＰＰ未延伸糸、レーザー照射条件、延伸条件（延伸倍率、ドローロール速度）を表２に示すように変更した以外は実施例１と同様の条件で延伸、オンライン計測を行った。延伸点の安定性、延伸後の繊維物性も表２に示すが、レーザー光を照射し、延伸応力を５０〜２５０ＭＰａとすることで延伸点は安定していることが分かる。

［実施例５〜６、比較例１〜２］
ここでは延伸応力が延伸点の安定性に及ぼす影響を評価した。
レーザー照射条件、延伸条件を表３に示すように変更した以外は実施例１と同様の条件で延伸、オンライン計測を行った。延伸点の安定性も表３に示すが、レーザー光を照射し、延伸応力を５０〜２５０ＭＰａとすることで延伸点は安定していることが分かる（実施例５、６）。

延伸倍率が低い比較例１では延伸点となるネック状変形の形そのものが時間に対して変動した。延伸応力は測定できなかったが実施例５、６の延伸倍率と延伸応力の関係から求めた延伸応力は４３ＭＰａとなり、延伸応力５０ＭＰａ未満では延伸点が安定しないことが分かる。

延伸倍率が高い比較例２では繊維が破断した。延伸応力は測定できなかったが実施例５、６の延伸倍率と延伸応力の関係から求めた延伸応力は２５７ＭＰａとなり、延伸応力が２５０ＭＰａを超えると延伸点が安定しないことが分かる。

Claims (2)

1. ポリプロピレン繊維をレーザー光照射により加熱し、さらに５０〜２５０ＭＰａの応力を与えて延伸させた状態で延伸点近傍の繊維物理量または繊維物性を測定することを特徴とするポリプロピレン繊維の繊維物理量または繊維物性の測定方法。
2. 前記繊維物理量または繊維物性が、繊維の直径、速度、温度、伸度、強度、分子配向、粘度、弾性率または歪量である、請求項１に記載のポリプロピレン繊維の繊維物理量または繊維物性の測定方法。