JP2018035461A - モノフィラメント及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】３Ｄプリンターの加工通過安定性に優れ、なお且つ、軟質性を有するモノフィラメントと、その製造方法の提供。【解決手段】オレフィン系樹脂からなり、フィラメント径斑が４．０％以下、フィラメント軸方向に垂直なフィラメント断面の最大径が０．５ｍｍ以上であるモノフィラメント。真円度が０．８以上であること、前記オレフィン系樹脂に軟質成分が含有した軟質性ポリプロピレン系樹脂であることが好ましい。軟質性ポリマーを、ドローダウンの発生しない紡糸方法、低ドラフト比で製糸することで、得られた真円度、フィラメント径斑が少ない、軟質モノフィラメント。ＭＦＲが５〜５０ｇ／１０分のオレフィン系樹脂を１７０〜２００℃の温度で溶融し、直径が１．５〜７ｍｍΦの吐出孔から溶融したオレフィン系樹脂を２０〜１００ｇ／分の吐出量で空気中に吐出し、その後凝固槽に貯留した水の中に導入して凝固させるモノフィラメントの製造方法。【選択図】なし

Description

本発明は、３Ｄプリンターの使用に適したモノフィラメント及びその製造方法に関する。

熱可塑性モノフィラメントは、引っ張り強度、弾性率等に優れていることから資材用途等の産業用途に多く用いられている。
３Ｄプリンター用としては、原料樹脂がポリ乳酸（ＰＬＡ）樹脂及びＡＢＳ樹脂が主であり、フィラメント径が１．７５ｍｍΦのモノフィラメントが多く使用されている。
３Ｄプリンター用のモノフィラメントは、紙管等に巻かれており、ＰＬＡ樹脂及びＡＢＳ樹脂からなる３Ｄプリンター用モノフィラメントは硬いため、紙管の巻き形態が残り、３Ｄプリンターでの使用時に折損の問題がある。

また、熱可塑性モノフィラメントにおいて、フィラメント径の太いフィラメントを溶融紡糸する場合、ドローダウンの問題や、糸径斑及びフィラメント断面の断面変形が大きくなる等の問題がある。
３Ｄプリンター用の熱可塑性モノフィラメントにおいて、糸径斑が大きい場合や、フィラメント断面の断面変形が大きいと、３Ｄプリンターの機器に供給する際、加工通過性が悪くなってしまう問題がある。

そこで、モノフィラメントの軟化や糸径斑の少ないものが求められている。
軟質性の熱可塑性モノフィラメントを得るためにいくつかの樹脂が提案されてきた。
例えば、特許文献１には、プロピレン樹脂とポリエチレン樹脂とのコ・ポリマーを使用した樹脂や、プロピレン樹脂に、ゴム成分、やエバール等を分散させた樹脂が提案されている。
また、特許文献２には、芯部に熱可塑性エラストマーを含有するポリエステル樹脂を配し、鞘部に熱可塑性エラストマーを含有しないポリエステルを配した複合フィラメントが提案されている

特開２００７−２７７３３５号公報 特開２００７−０２１１９４号公報

しかしながら、特許文献１の技術は、溶融した際の相溶性が悪く、３Ｄプリンターによる成型性に問題があり、特許文献２の技術は、軟質性が十分でなく、３Ｄプリンターの使用時にモノフィラメントの折損の問題が解決されていない。

本発明の目的は、このような従来技術における問題点を解決するものであり、３Ｄプリンターの加工通過安定性に優れ、なお且つ、軟質性を有するモノフィラメントと、その製造方法を提供することにある。

１．オレフィン系樹脂からなり、フィラメント径斑が４．０％以下、フィラメント軸方向に垂直なフィラメント断面の最大径が０．５ｍｍ以上であるモノフィラメント。
２．真円度が０．８以上である１に記載のモノフィラメント。
３．前記オレフィン系樹脂に軟質成分が含有した、軟質性ポリプロピレン系樹脂である１及び２に記載のモノフィラメント。
４．前記軟質性ポリプロピレン系樹脂の軟質成分が微分散されている１〜３のいずれかに記載のモノフィラメント。
５．前記オレフィン系樹脂の曲げ弾性率が１０００ＭＰa以下である１〜４のいずれかに記載のモノフィラメント。
６．３Ｄプリンター用である１〜５のいずれかに記載のモノフィラメント
７．ＭＦＲが５〜５０ｇ／１０分のオレフィン系樹脂を１７０〜２００℃の温度で溶融し、直径が１．５〜７ｍｍΦの吐出孔から溶融したオレフィン系樹脂を２０〜１００ｇ／分の吐出量で空気中に吐出し、その後凝固槽に貯留した水の中に導入して凝固させてモノフィラメントとするモノフィラメントの製造方法。
８．ドラフト比を５〜１０とする７に記載のモノフィラメントの製造方法。
９．吐出孔と液面との距離が１０〜１００ｍｍとする７または８に記載のモノフィラメントの製造方法。
１０．前記凝固槽に貯留した水の温度を５〜３０℃とする７〜９のいずれかに記載のモノフィラメントの製造方法。
１１．引取り速度を３〜３０ｍ／分とする７〜１０のいずれかに記載のモノフィラメントの製造方法。
１２．前記オレフィン系樹脂がメタロセン触媒を使用して重合された軟質性ポリプロピレン系樹脂である７〜１１のいずれかに記載のモノフィラメントの製造方法。

本発明によれば、フィラメント径が大きいが、フィラメント径斑が少ないオレフィン系モノフィラメントを提供できる。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明のモノフィラメントは、オレフィン系樹脂からなり、フィラメント径斑が４．０％以下、フィラメント軸方向に垂直なフィラメント断面の最大径が０．５ｍｍ以上であるモノフィラメントである。
オレフィン系樹脂を使用することで、得られるモノフィラメントのソフト感が得られる。
また、フィラメント径斑が４．０％以下であれば、３Ｄプリンターの機器に供給する際に、加工通過性が良好にできる。この観点から、３．０％以下がより好ましく、２．５％以下がさらに好ましい。

さらに、フィラメント軸方向に垂直なフィラメント断面の最大径が０．５ｍｍ以上であれば、３Ｄプリンターの生産性が高くできる。この観点から、前記最大径は、１．０ｍｍ以上がより好ましく、１．５ｍｍ以上がさらに好ましい。
上限は、３Ｄプリンターに使用できれば特に制限はないが、取扱い性や軟質性から５．０ｍｍ以下が好ましい。

本発明のモノフィラメントは、真円度が０．８以上であることが好ましい。
前記真円度が０．８以上であれば、３Ｄプリンターの加工通過性が良好となる。この観点から、前記真円度は０．９以上がより好ましく、０．９５以上がさらに好ましい。

本発明のモノフィラメントは、前記オレフィン系樹脂に軟質成分が含有した、軟質性ポリプロピレン系樹脂であることが好ましい。
軟質成分が含有することで、モノフィラメントが柔らかくなり、３Ｄプリンターへの供給の際に折損を少なくすることができる。
軟質モノフィラメントに使用する樹脂としては、軟質ポリマーであれば、特に限定するものでは無いが、軟質成分が製糸後、ポリオレフィン系樹脂と剥離の問題が起こらないものが好ましい。 軟質成分としては、オレフィン系ゴムなどが挙げられる。
良好な軟質ポリマーとしては、メタロセン触媒ベースの軟質ポリプロピレンであることが好ましい。

本発明のモノフィラメントは、前記軟質性ポリプロピレン系樹脂に含有する軟質成分が微分散されていることが好ましい。
軟質成分が微分散することで、モノフィラメントが柔らかくなり、３Ｄプリンターへの供給の際に折損を少なくすることができる。

本発明のモノフィラメントは、前記オレフィン系樹脂の曲げ弾性率が１０００ＭＰa以下であることが好ましい。
前記曲げ弾性率が１０００ＭＰa以下であれば、モノフィラメントが柔らかくなり、３Ｄプリンターへの供給の際に折損を少なくすることができる。
この観点から、前記曲げ弾性率は７００ＭＰa以下がより好ましく、５００ＭＰａ以下がさらに好ましい。

本発明のモノフィラメントは、３Ｄプリンター用であることが好ましい。本発明のモノフィラメントは、３Ｄプリンターに特に適している。

本発明のモノフィラメントは、製糸性に影響しない範囲であれば、着色用顔料および、着色染料、抗菌剤、難燃剤、ヒンダードアミン系化合物等からなる耐光安定剤、酸化防止剤、流動性改良剤、マイカ、タルク、ワラスナイト、チタン酸カリウム、炭酸カルシウム、シリカ、ゴム成分等の有機、無機充填剤やその他の機能剤を含んでいても良い。

本発明のモノフィラメントの製造方法は、ＭＦＲが５〜５０ｇ／１０分のオレフィン系樹脂を１７０〜２００℃の温度で溶融し、直径が１．５〜７ｍｍΦの吐出孔から溶融したオレフィン系樹脂を２０〜１００ｇ／分の吐出量で空気中に吐出し、その後凝固槽に貯留した水の中に導入して凝固させてモノフィラメントとする。

ＭＦＲが１０ｇ／１０分以上であれば、紡糸温度高く設定する必要がなく、良好な真円度、良好なフィラメント径斑のない、軟質性モノフィラメント糸を得易くなり、３０ｇ／１０分以下であれば、真円度、フィラメント径斑が良好となり易い。これらの観点から、１５〜２５ｇ／１０分がより好ましい。

オレフィン樹脂の溶融する温度が１７０℃以上であれば均一混練の溶融紡糸が可能であり、２２０℃以下であれば紡糸口金下で安定して吐出される。これらの観点から、前記溶融する温度は、１８０℃以上２００℃以下がより好ましい。

溶融したポリオレフィン系樹脂を吐出する吐出孔の直径は１．５〜７ｍｍΦが好ましい。
前記直径が１．５ｍｍ以上であれば、紡糸口金下が安定する点で好ましく、７ｍｍ以上では、紡糸口金孔に均一な樹脂圧力がかからず、真円度が好ましくない。この観点から、前記直径は、１．８〜３ｍｍがより好ましい。

前記吐出孔から吐出する溶融したポリオレフィン系樹脂の吐出量は、２０〜１００ｇ／分で吐出することが好ましい。前記吐出量が２０ｇ／分以上であれば、紡糸口金の吐出孔に均一圧力がかかり、真円度が良好になる点で好ましく、１００ｇ／分以下であれば、紡糸口金下にドローダウンが起こらない点で好ましい。この観点から、前記吐出量は、７０ｇ／分以下がより好ましく、５０ｇ／分がさらに好ましい。

本発明のモノフィラメントの製造方法は、溶融したオレフィン系樹脂を吐出孔から空気中に吐出し、その後凝固槽に貯留した水の中に導入して凝固させてモノフィラメントとすることが好ましい。空気中に吐出することは、紡糸口金下が安定する点で好ましく、その後水の中に導入して凝固させることは、太い糸径を均一冷却する点で好ましい。

本発明のモノフィラメントの製造方法は、ドラフト比を５〜１０とすることが好ましい。
ドラフト比とは、凝固槽からでたモノフィラメントが最初に引き取られるロールの表面速度（引取り速度）をノズル部の吐出線速度で除した値のことである。ドラフト比が５以上であれば、紡糸口金下の糸に均一な張力がかかり、良好な真円度、及び、良好な長手方向の斑が少なくなる点で好ましく、１０以下であれば、低配向モノフィラメントが得られ易く、軟質なモノフィラメントが得られ易い点で好ましい。
この観点から、前記ドラフト比は、６〜８がより好ましい。

本発明のモノフィラメントの製造方法は、吐出孔と液面との距離が５０〜５００ｍｍとすることが好ましい。前記距離が５０ｍｍ以上であれば、良好な真円度が得られる点で好ましく、５００ｍｍ以下であれば、樹脂のドローダウンの発生が防止でき、得られるモノフィラメントの真円度が良好となり、フィラメントの糸径斑が小さくできる点で好ましい。この観点から、前駆距離は５０〜３００ｍｍがより好ましく、５０〜２００ｍｍがさらに好ましい。

本発明のモノフィラメントの製造方法は、前記凝固槽に貯留した水の温度を５〜３０℃とすることが好ましい。前記水の温度が５℃以上であれば、ソフトなモノフィラメントが得られる、３０℃以下であれば、太い糸径を均一冷却できる。この観点から、１０〜２５℃がより好ましい。

本発明のモノフィラメントの製造方法は、引取り速度を３〜３０ｍ／分とすることが好ましい。
引取り速度とは、凝固槽からでたモノフィラメントが最初に引き取られるロールの表面速度である。
前記引取り速度が３ｍ／分以上であれば紡糸口金下のモノフィラメントに均一な張力かかり、３０ｍ／分以下であれば、繊維径斑が少なくできる。この観点から、前記引取り速度は５〜２５ｍ／分がより好ましい。

本発明のモノフィラメントの製造方法は、前記オレフィン系樹脂がメタロセン触媒を使用して重合された軟質性ポリプロピレン系樹脂であることが好ましい。メタロセン触媒を使用することで、軟質成分が均一微分散された軟質性ポリプロピレン系樹脂が得られる。

製糸方法は、溶融紡糸法であれば特に限定するものではないが、真円度及び糸径斑の面から、樹脂のドローダウンが発生しない、水冷却紡糸法、または、ノズルより吐出したポリマーを引き上げる逆さ紡糸法糸が好ましい。

本発明の成分、軟質ポリプロピレン系樹脂は、そのＪＩＳ Ｋ ７２１０に準拠して２３０℃で測定のメルティングフローレート（以下、ＭＦＲ値と略記）は特に限定するものではないが、５〜５０ｇ／１０分の範囲であることが好ましい。この範囲であれば、３Ｄプリンターの吐出先端ノズルでの通過性が良好となる。この観点から、ＭＦＲの範囲は、９〜３０ｇ／１０分であることがより好ましい。

（フィラメント径斑の測定方法）
レーザー寸法測定器（ＫＹＥＮＣＥ社製 ＬＳ−３０３０）を使用して、製糸中のフィラメントの幅を１０ｍ連続測定し、最大値Ａ（ｍｍ）及び最小値Ｂ（ｍｍ）を測定し、フィラメント径斑を以下の式により算出した。
平均値Ｃ＝（Ａ＋Ｂ）／２
糸径斑（％）＝[（Ａ―Ｃ）／Ｃ］×１００

（フィラメント最大径の測定方法）
フィラメント径斑を測定した際の最大値Ａ（ｍｍ）をフィラメント最大径とした。

（真円度の測定方法）
光学顕微鏡（Ｎｉｋｏｎ社製ＥＣＬＩＰＳＥ ＬＶ１００ＮＤ）を使用してフィラメント断面の写真を撮影し、画像解析ソフト（日本ローパー社製、Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ）を使用し、フィラメント断面の断面積と周囲長を測定し、以下の式により、真円度を算出した。フィラメント
真円度＝４πＳ／Ｌ^２
Ｓ：断面積（ｍｍ^２） 、Ｌ：周囲長（ｍｍ）

(樹脂の曲げ弾性率の測定方法)
ＪＩＳ Ｋ７１７１ に準拠し測定した。

（ＭＦＲの測定方法）
ＪＡＳ Ｋ７２１０ Ａ法に準拠し測定した。

（ドラフト比の測定方法）
引取り速度／ノズル部の吐出線速度
吐出線速度は、1分間に吐出孔から吐出した樹脂の体積を吐出孔の面積で除した値。

次に、本発明の軟質モノフィラメントの製造方法を説明する。
（実施例１）
使用樹脂として、軟質ポリプロピレン（日本ポリプロ社製ＷＥＬＮＥＸ−ＲＭＧ０２（ＭＦＲ＝２０ｇ／１０分、融点１３４℃、密度０．８９、曲げ弾性率（ＪＩＳＫ７１７１）３５０ＭＰa）のペレットを準備した。前記ペレットを押し出し機に導入し、温度１９０℃でペレットを溶融し、紡糸頭温度１９０℃（機械の温度）で、孔形状が丸形状で孔径が２．２ｍｍΦの吐出孔を２個有する紡糸口金から軟質ポリプロピレン樹脂を空気中に２２．４ｇ／分の吐出量で吐出した。吐出孔と水面との距離を６０ｍｍとし、温度が１５℃の水中に吐出孔から吐出した繊維状の軟質ポリプロピレン樹脂を導入し、ドラフト比を６とし、引取り速度が５.２ｍ／分で引取り、その後巻き取って軟質性モノフィラメントを得た。得られた軟質性モノフィラメントのフィラメント最大径、フィラメント径斑、真円度は表１に示す通りであった。

（実施例２）
吐出量を４３．１ｇ／分、引取り速度を１０ｍ／分に変えた以外は実施例１と同条件で、軟質性モノフィラメントを得た。得られた軟質性モノフィラメントのフィラメント最大径、フィラメント径斑、真円度は表１に示す通りであった。

（実施例３）
吐出量を６４．６ｇ／分、引取り速度を１５ｍ／分に変えた以外は実施例１と同条件で、軟質性モノフィラメントを得た。得られた軟質性モノフィラメントのフィラメント最大径、フィラメント径斑、真円度は表１に示す通りであった。

（実施例４）
使用樹脂として、実施例１と同じ樹脂に顔料（グリーン）を前記樹脂の質量に対し０．０５質量％混合したものを準備した。吐出量を６４．６ｇ／分、引取り速度を１５ｍ／分に変えた以外は実施例１と同条件で、軟質性モノフィラメントを得た。得られた軟質性モノフィラメントのフィラメント最大径、フィラメント径斑、真円度は表１に示す通りであった。

（比較例１）
実施例１に使用した軟質ポリプロピレン樹脂のペレットを押し出し機に導入し、温度１９５℃でペレットを溶融し、紡糸頭温度１９５℃で、孔形状が丸形状で孔径が３ｍｍΦの吐出孔を１個有する紡糸口金から軟質ポリプロピレン樹脂を空気中に１０７．８ｇ／分の吐出量で吐出した。吐出孔より６００ｍｍ下に水面を有し、温度が１５℃の水中に吐出孔から吐出した繊維状の軟質ポリプロピレン樹脂を導入し、ドラフト比を１２とし、引取り速度５０ｍ／分で引取り、その後巻き取って軟質性モノフィラメントを得た。フィラメント径が１．７ｍｍのモノフィラメントを得ようとしたが、ドローダウン及び、糸揺れが発生し、フィラメント径が０．８ｍｍから２．２ｍｍまでが変動し、均一のモノフィラメントは得ることはできなかった。フィラメント経斑は４７％であった。

（比較例２）
押し出し機温度１９０℃、紡糸頭温度１９０℃、吐出孔と水面との距離を３００ｍｍ、引取り速度を２０ｍ／分にした以外は比較例１と同様にして、軟質性モノフィラメントを得た。フィラメント径が１．７ｍｍのモノフィラメントを得ようとしたが、ドローダウン及び、フィラメント揺れが発生し、フィラメント径が１．１ｍｍから１．５ｍｍまで変動し、均一のモノフィラメントは得ることはできなかった。フィラメント経斑は１５％であった。

（比較例３）
比較例１に使用した軟質ポリプロピレン樹脂のペレットを、押し出し機に導入し、温度１９０℃でペレットを溶融し、紡糸頭温度１９０℃で、孔形状が丸形状で孔径が３ｍｍΦの吐出孔を１個有する紡糸口金から軟質ポリプロピレン樹脂を空気中に吐出させ、吐出された繊維状の軟質ポリプロピレン樹脂を空気中で冷却する乾式紡糸法により、引取り速度５０ｍ／分でモノフィラメントを得ようとしたが、ドローダウンが発生しモノフィラメントを巻き取ることができなかった。

（比較例４）
軟質ポリプロピレン樹脂を高結晶性ポリプロピレン樹脂（日本ポリプロ社製ＳＡ０１Ａ、ＭＦＲ＝９ｇ／１０分、融点１３４℃、密度０．９１、ＪＩＳＫ７１７１による曲げ弾性率が１６００ＭＰa）に変更し、押し出し機温度を２２０℃、紡糸頭温度を２１５℃とし、孔形状が丸形状で孔径が３ｍｍΦの吐出孔を１個有する紡糸口金から、高結晶性ポリプロピレン樹脂を吐出し、乾式紡糸法により、引取り速度を５０ｍ／分としてモノフィラメントを得た。得られたモノフィラメントのフィラメント最大径、フィラメント径斑、真円度は表１に示す通りであったが、硬いモノフィラメントであった。

本発明の軟質性モノフィラメントは、軟質性を求められる分野に用いることが可能であり、特３Ｄプリンターに用いるための必要条件、真円度、フィラメント径斑が少なく、プリンターの口金部の通過性が良好である。他の用途としても好適に用いることができる。

Claims (12)

1. オレフィン系樹脂からなり、フィラメント径斑が４．０％以下、フィラメント軸方向に垂直なフィラメント断面の最大径が０．５ｍｍ以上であるモノフィラメント。
2. 真円度が０．８以上である請求項１に記載のモノフィラメント。
3. 前記オレフィン系樹脂に軟質成分が含有した軟質性ポリプロピレン系樹脂である請求項１及び２に記載のモノフィラメント。
4. 前記軟質性ポリプロピレン系樹脂の軟質成分が微分散されている請求項３に記載のモノフィラメント。
5. 前記オレフィン系樹脂の曲げ弾性率が１０００ＭＰa以下である請求項１〜４のいずれか一項に記載のモノフィラメント。
6. ３Ｄプリンター用である請求項１〜５のいずれか一項に記載のモノフィラメント
7. ＭＦＲが５〜５０ｇ／１０分のオレフィン系樹脂を１７０〜２００℃の温度で溶融し、直径が１．５〜７ｍｍΦの吐出孔から溶融したオレフィン系樹脂を２０〜１００ｇ／分の吐出量で空気中に吐出し、その後凝固槽に貯留した水の中に導入して凝固させてモノフィラメントとするモノフィラメントの製造方法。
8. ドラフト比を５〜１０とする請求項７に記載のモノフィラメントの製造方法。
9. 吐出孔と液面との距離を１０〜１００ｍｍとする請求項７または８に記載のモノフィラメントの製造方法。
10. 前記凝固槽に貯留した水の温度を５〜３０℃とする請求項７〜９のいずれか一項に記載のモノフィラメントの製造方法。
11. 引取り速度を３〜３０ｍ／分とする請求項７〜１０のいずれか一項に記載のモノフィラメントの製造方法。
12. 前記オレフィン系樹脂がメタロセン触媒を使用して重合された軟質性ポリプロピレン系樹脂である請求項７〜１１のいずれか一項に記載のモノフィラメントの製造方法。