JP2017508899A - リヨセル繊維 - Google Patents

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Abstract

【課題】リヨセル繊維を提供する。【解決手段】さらに詳しくは、本発明は、リヨセル繊維に含まれているモノフィラメントの断面形状を制御して繊維の比表面積を向上させることにより、少ない量を用いても従来のリヨセル繊維と比較して同等レベル以上の物性を示すことができる、リヨセル繊維を提供する。【選択図】図1

Description

本発明は、リヨセル繊維に関する。
繊維は、形状的に見たとき、柔軟で細く、太さに対する長さの比が大きい天然または人造の線状物体を意味する。このような繊維は、その形状によって長繊維、準長繊維、短繊維に分けられ、原料によって天然繊維と人工繊維に分けられる。
昔から、繊維は人間の生活と密接な関係を持ってきたが、綿、麻、ウール、絹繊維などの天然繊維は被服の主原料として使用されてきた。産業革命以来、科学技術の発展に伴い、繊維は、被服材料だけでなく、工業用へもその用途が拡大した。さらに、文化の発達と人口の増加に伴って急激に増加した繊維の需要を満たすために、新しい繊維材料として人造繊維分野が開拓された。
このような人造繊維の中でも、再生繊維は、肌触りおよび着心地に優れるだけでなく、綿よりも遥かに速い水分吸収および排出能力を持っており、被服の原料として多く使用されてきた。特に、このような再生繊維の中でも、レーヨン繊維は、優れた光沢性および発色性を有し、天然繊維と同等の肌触りを実現することができるだけでなく、人体に無害な素材として認識されて過去から広範囲にわたって使用されてきた。ところが、このようなレーヨン繊維は、収縮およびシワがよく発生する素材の特性を持っているうえ、製造過程が複雑であり、木材パルプなどを溶かす過程で多くの化学薬品が使用されて作業上の環境問題や廃水処理などの過程で環境汚染を引き起こすという問題点を持っていた。
これにより、環境および人体に無害であるうえ、従来の他の繊維よりも物性に優れる繊維に関する研究が行われ、最近、天然パルプおよびアミンオキシド水和物から製造されるリヨセル(Lyocell)繊維が紹介された。このようなリヨセル繊維は、従来の再生繊維に比べて優れた引張特性や肌触りなどの繊維特性を有しながらも、生産工程で一切の汚染物質を発生させず、使用されるアミンオキシド系溶媒がリサイクル可能であり、廃棄の際に生分解され、環境にやさしい繊維として様々な分野で使われている。
但し、現在は、リヨセル繊維として断面円形の製品のみ生産可能であるが、リヨセル繊維の断面形状によって様々な物性を示すことができると期待されるので、様々な断面形状のリヨセル繊維製造技術に関する研究が求められている。
本発明は、比表面積の大きいリヨセル繊維を提供することを目的とする。
そこで、本発明は、好適な第1実施様態として、セルロースパルプおよびN−メチルモルホリン−N−オキシド(N−methylmorpholine−N−oxide、NMMO)水溶液を含むリヨセル紡糸ドープを紡糸して製造されたリヨセルマルチフィラメントを含み、前記マルチフィラメントは、断面が異形断面のモノフィラメントからなり、前記異形断面は多数の突起を含み、前記多数の突起は、仮想の第1円、及び前記仮想の第1円の内部に含まれている仮想の第2円と接するが、前記仮想の第2円を中心部として一体型に形成され、その末端が前記仮想の第1円と接する形状を有することを特徴とする、リヨセル繊維を提供する。
前記実施形態によるリヨセル紡糸ドープは、セルロースパルプ6〜16重量%と、N−メチルモルホリン−N−オキシド水溶液84〜94重量%とを含んでもよい。
前記実施形態によるセルロースパルプは、アルファセルロースの含量が85〜97重量%であり、重合度(DPw)が600〜1700であってもよい。
前記実施形態によるリヨセル繊維は、下記式1で定義される空間占有率が150〜400%であってもよい。
<式1>
空間占有率(%)=(仮想の第1円の面積/リヨセル繊維に含まれているモノフィラメントの断面積)×100
前記実施形態による仮想の第1円は8〜30μmの半径を有してもよい。
前記実施形態による仮想の第2円は3〜12μmの半径を有してもよい。
本発明によれば、比表面積の大きいリヨセル繊維を提供することができるため、これを衣類、建築または自動車分野の補強材などに使用する場合、従来のリヨセル繊維に比べて少ない量を使用しても同等レベル以上の物性を示すことができるという効果がある。
本発明の一実施形態に係るリヨセル繊維に含まれているモノフィラメントの断面を模式的に示すものである。 本発明の実施例1によって製造されたリヨセル繊維の断面を示す写真である。 本発明の実施例2によって製造されたリヨセル繊維の断面を示す写真である。 本発明の実施例3によって製造されたリヨセル繊維の断面を示す写真である。
以下、本発明をより詳細に説明する。
本発明は、セルロースパルプおよびN−メチルモルホリン−N−オキシド(N−methylmorpholine−N−oxide、NMMO)水溶液を含むリヨセル紡糸ドープを紡糸して製造されたリヨセルマルチフィラメントを含み、前記マルチフィラメントは、その断面が異形断面のモノフィラメントからなり、前記異形断面は多数の突起を含み、前記多数の突起は、仮想の第1円、及び前記仮想の第1円の内部に含まれている仮想の第2円と接するが、前記仮想の第2円を中心部として一体型に形成され、その末端が前記仮想の第1円と接する形状を有する、リヨセル繊維に関する。
[異形断面(multi lobal)]
本発明において、異形断面とは、多数の突起を含む形状を意味し、具体的に、図1に示すように、一つの中心部1を中心として一体型に形成された多数の突起形状を有する断面を意味する。
具体的には、前記異形断面は、多数の突起それぞれの末端点を結ぶ仮想の第1円11、および前記仮想の第1円11の内部に含まれている仮想の第2円12の範囲内でその大きさと形状を定義することができる。このとき、前記仮想の第1円11および仮想の第2円12は、前記仮想の第1円11が前記仮想の第2円12に比べて大きい半径を有する円であり、互いに同じ中心を持つことが好ましいが、同じ中心を持たなくてもよい。
前記異形断面は多数の突起を含むもので、多数の突起は、前記仮想の第2円12に重畳する中心部1と一体型に形成されているが、突起それぞれの末端5は前記仮想の第1円11と接し、突起同士の間に形成されたくぼみ部4は仮想の第2円12と接する形状を有する。
本発明において、前記リヨセル繊維の比表面積を最大化する観点から、前記異形断面は3つの突起を含むものであってもよい。
前記仮想の第1円は8〜30μmの半径を有し、仮想の第2円は3〜12μmの半径を有する。
前記仮想の第1円の半径が8μm以上である場合、異形断面形状の実現が可能であり、前記仮想の第1円の半径が30μm以下である場合、繊維製品として適した繊度を有するモノフィラメントを形成することができる。また、前記仮想の第2円の半径が3μm以上である場合、異形断面形状の実現が可能であり、前記仮想の第2円の半径が12μm以下である場合、繊維製品として適した繊度を有するモノフィラメントを形成することができる。
本発明に係るリヨセル繊維に含まれているモノフィラメントは、前述したような異形断面を有し、前記リヨセル繊維は、下記式1で定義される空間占有率が150〜400%でありうる。
<式1>
空間占有率(%)=(仮想の第1円の面積/リヨセル繊維に含まれているモノフィラメントの断面積)×100
ここで、空間占有率は、異形断面の突起によりモノフィラメントが実質的に繊維の中で占める空間の割合を意味する。すなわち、リヨセル繊維に含まれているモノフィラメントの断面が円形断面である場合は、実際のモノフィラメントの断面積と仮想の第1円の面積とが同じなので、上述のように定義される空間占有率が100%であるが、突起を含む異形断面を有する繊維の場合は、その突起によって繊維が占める実面積は大きくなる。したがって、空間占有率が大きくなるほど繊維の比表面積が大きくなることが分かる。
本発明のリヨセル繊維は、比表面積が大きくなった効果により、膨れ特性や界面接着特性、速乾性特性などの様々な特性が優秀になる観点から、前記式1で定義される空間占有率が150〜400%であり、好ましくは300〜400%である。
一方、本発明は、(S1)セルロースパルプおよびN−メチルモルホリン−N−オキシド(N−methylmorpholine−N−oxide、NMMO)水溶液を含むリヨセル紡糸ドープを紡糸する段階と、(S2)前記(S1)段階で紡糸されたリヨセル紡糸ドープを凝固させてリヨセルマルチフィラメントを得る段階と、(S3)前記(S2)段階で得られたリヨセルマルチフィラメントを水洗する段階と、(S4)前記(S3)段階で水洗されたリヨセルマルチフィラメントをエマルション処理する段階とを含むリヨセル繊維の製造方法であって、前記マルチフィラメントは、その断面が異形断面のモノフィラメントからなり、前記異形断面は多数の突起を含み、前記多数の突起は、仮想の第1円、及び前記仮想の第1円の内部に含まれている仮想の第2円と接するが、前記仮想の第2円を中心部として一体型に形成され、その末端が前記仮想の第1円と接する形状を有することを特徴とする、リヨセル繊維の製造方法に関する。
[(S1)段階]
(S1)段階は、セルロースパルプおよびN−メチルモルホリン−N−オキシド(N−methylmorpholine−N−oxide、NMMO)水溶液を含むリヨセル紡糸ドープを紡糸する段階である。
前記リヨセル紡糸ドープは、セルロースパルプ6〜16重量%と、N−メチルモルホリン−N−オキシド水溶液84〜94重量%とを含むものであり、前記セルロースパルプは、アルファセルロースの含量が85〜97重量%であり、重合度(DPw)が600〜1700でありうる。
前記リヨセル紡糸ドープにおけるセルロースパルプの含量が6重量%未満である場合には、繊維的特性を実現し難く、16重量%を超える場合には、水溶液に溶解し難いおそれがある。
また、リヨセル紡糸ドープにおいて、前記N−メチルモルホリン−N−オキシド水溶液の含量が84重量%未満である場合には、溶融粘度が大幅に高くなって好ましくなく、94重量%を超える場合には、紡糸粘度が大幅に低くなって紡糸段階で均一な繊維を製造することが難しいおそれがある。
前記N−メチルモルホリン−N−オキシド水溶液におけるN−メチルモルホリン−N−オキシドと水の重量比が93:7〜85:15でありうる。前記N−メチルモルホリン−N−オキシド の重量比が93超過である場合には、溶解温度が高くなってセルロース溶解の際にセルロースの分解が発生するおそれがあり、重量比が85未満である場合には、溶媒の溶解性能が低下してセルロースの溶解が難しいおそれがある。
上述した紡糸ドープを用いて、これを紡糸口金の紡糸ノズルから吐出させる。このとき、前記紡糸口金は、フィラメント状の紡糸ドープをエアギャップ区間を介して凝固槽内の凝固液に吐出させる役割をする。前記紡糸ドープを紡糸口金から吐出させる段階は、80〜130℃の紡糸温度下で行うことができる。
前記紡糸口金は、多数のホールを一つの単位ホールとして設定したとき、前記単位ホールが多数個形成された紡糸口金でありうる。この際、前記単位ホールに含まれている多数のホールの数は異形断面の突起の数と同じであってもよい。例えば、3つの突起を含む異形断面を有するモノフィラメントを含むリヨセル繊維を製造するために、単位ホールに含まれているホールの数は3つであってもよい。
[(S2)段階]
(S2)段階は、前記(S1)段階で紡糸されたリヨセル紡糸ドープを凝固させてリヨセルマルチフィラメントを得る段階であって、前記(S2)段階の凝固は、冷却空気を紡糸ドープに供給して凝固させるエアクエンチング(air quenching)(Q/A)による一次凝固段階、および1次凝固した紡糸ドープを凝固液に浸して凝固させる2次凝固段階を含むことができる。
前記(S1)段階で、紡糸口金から紡糸ドープを吐出させた後は、これを、前記紡糸口金と凝固槽との間のエアギャップ区間に通過させることができる。このようなエアギャップ区間には、ドーナツ形の口金の内側に位置する空冷部から、口金の内側から外側へ冷却空気が供給されるが、このような冷却空気を紡糸ドープに供給するエアクエンチング(air quenching)によって1次凝固できる。
この際、(S2)段階で得られるリヨセルマルチフィラメントの物性に影響を及ぼす要素はエアギャップ区間における冷却空気の温度および風速であり、(S2)段階の凝固は4〜15℃の温度および5〜50m/sの風速を有する冷却空気を紡糸ドープに供給して凝固させることであってもよい。
前記1次凝固の際に、冷却空気の温度が4℃未満の場合には、口金の表面が冷め、リヨセルマルチフィラメントの断面が不均一になり、紡糸工程性も悪くなり、 冷却空気の温度が15℃超過の場合には、冷却空気による1次凝固が十分になされないため紡糸工程性が悪くなる。
また、1次凝固の際に冷却空気の風速が5m/s未満の場合には、冷却空気による1次凝固が十分になされないため紡糸工程性が悪くなって糸切れが発生し、50m/sを超える場合には、口金から吐出される紡糸ドープが空気によって揺れるため紡糸工程性が悪くなる。
エアクエンチング(air quenching)による1次凝固の後、前記紡糸ドープは、凝固液入りの凝固槽に供給されて2次凝固が進行できる。一方、適切な2次凝固の進行のために、前記凝固液の温度は30℃以下でありうる。これは、2次凝固の温度が必要以上に高くないため、凝固速度が適切に維持されるようにするからである。ここで、前記凝固液は、本発明の属する技術分野における通常の組成で製造して使用することができるので、特に限定されない。
[(S3)段階]
(S3)段階は、前記(S2)段階で得られたリヨセルマルチフィラメントを水洗する段階である。
具体的には、前記(S2)段階で得られたリヨセルマルチフィラメントを牽引ローラーに導入した後、水洗浴に導入して水洗することができる。
前記フィラメントの水洗段階では、水洗後、溶剤の回収および再利用の容易性を考慮して、0〜100℃の水洗液を使用することができ、前記水洗液としては水を用いることができ、必要に応じてその他の添加成分をさらに含ませることもできる。
[(S4)段階]
(S4)段階は、前記(S3)段階で水洗されたリヨセルマルチフィラメントをエマルション処理する段階であって、エマルジョン処理の後、乾燥を行うことができる。
エマルジョン処理は、マルチフィラメントがエマルジョン中に完全に浸されている形態をとり、エマルジョン処理装置の進入ロールと放出ロールに付いている圧搾ローラーによってフィラメントへのエマルジョン付着量を一定に維持する。前記エマルジョンは、フィラメントが乾燥ローラーおよびガイドとクリンプ段階で接触したときに発生する摩擦を低減する役割をする。
前述したようなリヨセル繊維は、生分解性なので、環境に優しい。
また、前記リヨセル繊維は、モノフィラメントが多数の突起を含む異形断面の形状を示すので、比表面積が大きくなり、従来の断面円形のリヨセル繊維と比較して少ない量を使用しても同等レベル以上の物性を示すリヨセル繊維を製造することができる。
特に、本発明に係るリヨセル繊維は、比表面積が大きいので、衣類、建築または自動車分野の補強材などに使用される場合、従来のリヨセル繊維と比較して少ない量を使用しても同等レベル以上の物性を示すことができる効果がある。
本発明に係るリヨセル繊維が衣類用に使用される場合、比表面積が大きい特性により、優れた吸湿速乾性を示すので、汗が排出されても体への絡み付き現象がなく、肌が常に快適な状態を維持して不快感を軽減することができる。さらに、優れた冷却速度を有するため、汗が継続的に排出されると急速冷却が保持できる。具体的には、衣類用の適用範囲は、アウトドア、スポーツ、Tシャツ、ゴルフ、男性用および女性用衣類だけでなく、機能性インナーウェア、帽子、スポーツソックス、下着類などを含むことができる。
本発明に係るリヨセル繊維が補強材用に使用される場合、補強しようとする素材との接触面積が大きいほど補強機能が大きくなり、タイヤコード、ホース補強材などのMRG(Mechanical Rubber Good)、セメント補強材、自動車内装材などに適用することができる。
以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明する。これらの実施例が、本発明をより具体的に説明するためのものに過ぎず、本発明の範囲を制限するものではないことは、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者にとって自明である。
実施例1
重合度(DPw)820およびアルファセルロース含量93.9%のセルロースパルプを没食子酸プロピル含量0.01重量%のNMMO/HO混合溶剤(重量比90/10)に混合して、濃度12重量%のリヨセル繊維製造用紡糸ドープを製造した。
まず、前記紡糸ドープは、3つのホールを含む単位ホールが多数個形成されている紡糸口金の紡糸ノズルからの紡糸温度を110℃に維持し、フィラメントの単繊度が3.37デニールとなるように吐出量と紡糸速度を調節して紡糸した。前記紡糸ノズルから吐出されたフィラメント状の紡糸ドープをエアギャップ区間を経て凝固槽内の凝固液に供給した。このとき、前記エアギャップ区間で、冷却空気は8℃の温度および10m/sの風速で紡糸ドープを1次凝固させる。
前記凝固液は、温度が25℃、濃度が水85重量%およびNMMO15重量%であるものを使用した。
このとき、前記凝固液濃度は、センサーと屈折計を用いて連続的にモニタリングした。
牽引ローラーを介して空気層で延伸されたフィラメントは、水洗装置からスプレーされた水洗液によって水洗して残存NMMOを除去し、フィラメントにエマルジョンが均一にくっ付くようにした後、さらに圧搾してフィラメントに対するエマルジョン含量が0.2%を維持するようにし、乾燥ローラーで150℃で乾燥させることで、3つの突起を含む異形断面のモノフィラメントからなるマルチフィラメントを含むリヨセル繊維を製造した。
実施例2
フィラメントの単繊度が3.58デニールとなるようにした以外は、実施例1と同様にして、3つの突起を含む異形断面のモノフィラメントからなるマルチフィラメントを含むリヨセル繊維を製造した。
実施例3
フィラメントの単繊度が14.82デニールとなるようにした以外は、実施例1と同様にして、3つの突起を含む異形断面のモノフィラメントからなるマルチフィラメントを含むリヨセル繊維を製造した。
比較例1
1つの円形ホールを単位ホールにして、前記単位ホールが多数個形成された紡糸口金を使用し、フィラメントの単繊度が1.73デニールとなるようにした以外は、実施例1と同様にして、断面円形のモノフィラメントからなるマルチフィラメントを含むリヨセル繊維を製造した。
比較例2
フィラメントの単繊度が2.97デニールとなるようにした以外は、比較例1と同様にして、断面円形のモノフィラメントからなるマルチフィラメントを含むリヨセル繊維を製造した。
実施例及び比較例で製造されたリヨセル繊維に対して、前記リヨセル繊維に含まれているモノフィラメントの断面形状、繊度および空間占有率を次の方法で測定および算出し、その結果を下記表1に示す。
(1)リヨセル繊維に含まれているモノフィラメントの断面形状
少量の繊維束をサンプリングして、黒綿と一緒に巻いて細くし、断面をカットすることが可能な板の穴に挿入した後、カミソリの刃で断面が押されないようにカットした。
その断面を光学顕微鏡(BX51、Olympus社製)を用いて拡大観察(×200)し、デジタルカメラでイメージを保存した。前記繊維の断面イメージは、Olympus soft imaging solutionプログラムを用いて、求めようとする断面を指定し、半径および面積を分析した。
(2)繊度
断面分析によって得た実際のリヨセル繊維のモノフィラメント断面積とリヨセル繊維の密度を用いて、下記式2で計算してリヨセル繊維の繊度を求めた。
リヨセル繊維の密度=1.49g/cm
<式2>
繊度(De)=[リヨセル繊維のモノフィラメント断面積(μm)×リヨセル繊維の密度(g/cm)×9000(m)]/1000000
(3)空間占有率
下記式1によってリヨセル繊維の空間占有率を計算した。
<式1>
空間占有率(%)=(仮想の第1円の面積/リヨセル繊維に含まれているモノフィラメントの断面積)×100
Figure 2017508899
表1に示すように、異形断面を有するモノフィラメントからなる実施例1〜実施例3のリヨセル繊維は、円形断面を有するモノフィラメントからなる比較例1および比較例2のリヨセル繊維に比べて空間占有率が大きいことが判明した。このとき、実施例1〜実施例3のリヨセル繊維の断面はそれぞれ図2a〜図2cに示されているとおりである。
このような結果から、実施例1〜実施例3のリヨセル繊維は、比表面積が大きいことが分かり、比表面積の大きい繊維が求められる分野に広く適用できることが分かる。
以上、本発明の内容の特定部分を詳細に記述したが、このような具体的な記述は好適な実施様態に過ぎず、本発明の範囲を制限するものではないことは、当該分野における通常の知識を有する者にとって明らかであろう。よって、本発明の実質的な範囲は添付された請求項とそれらの等価物によって定義されるというべきである。
1 中心部
2 突起
3 突起の長軸
4 くぼみ部
5 突起の末端
11 仮想の第1円
12 仮想の第2円

Claims (7)

  1. セルロースパルプおよびN−メチルモルホリン−N−オキシド(N−methylmorpholine−N−oxide、NMMO)水溶液を含むリヨセル紡糸ドープを紡糸して製造されたリヨセルマルチフィラメントを含み、
    前記マルチフィラメントは、断面が異形断面のモノフィラメントからなり、
    前記異形断面は多数の突起を含み、
    前記多数の突起は、仮想の第1円、及び前記仮想の第1円の内部に含まれている仮想の第2円と接するが、前記仮想の第2円を中心部として一体型に形成され、その末端が前記仮想の第1円と接する形状を有することを特徴とする、リヨセル繊維。
  2. 前記リヨセル紡糸ドープはセルロースパルプ6〜16重量%およびN−メチルモルホリン−N−オキシド水溶液84〜94重量%を含むことを特徴とする、請求項1に記載のリヨセル繊維。
  3. 前記セルロースパルプは、アルファセルロース含量が85〜97重量%であり、重合度(DPw)が600〜1700であることを特徴とする、請求項2に記載のリヨセル繊維。
  4. 前記リヨセル繊維は、下記式1で定義される空間占有率が150〜400%であることを特徴とする、請求項1に記載のリヨセル繊維。
    <式1>
    空間占有率(%)=(仮想の第1円の面積/リヨセル繊維に含まれているモノフィラメントの断面積)×100
  5. 前記仮想の第1円は8〜30μmの半径を有することを特徴とする、請求項1に記載のリヨセル繊維。
  6. 前記仮想の第2円は3〜12μmの半径を有することを特徴とする、請求項1に記載のリヨセル繊維。
  7. 前記仮想の第1円と前記仮想の第2円とは同じ中心を有することを特徴とする、請求項1に記載のリヨセル繊維。
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