JP2019137934A - ナイロン4繊維の製造方法、ナイロン4繊維、及び、タイヤ - Google Patents
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Abstract
Description
ナイロン4を溶媒に溶解させ、紡糸用溶液を得る工程と、
前記紡糸用溶液を用いて乾式紡糸し、未延伸繊維を得る工程と、
前記未延伸繊維を延伸し、ナイロン4繊維を得る工程と、を含み、
前記ナイロン4は、重量平均分子量が550,000以上であり、
前記紡糸用溶液は、溶解している前記ナイロン4の濃度が15質量%以上であり、
前記延伸する工程における延伸温度が180℃以上240℃以下であり、且つ、延伸倍率が4倍以上である、ことを特徴とする。本発明のナイロン4繊維の製造方法によれば、高い強度及び弾性率を有するナイロン4繊維を製造することができる。
本発明の一実施形態のナイロン4繊維の製造方法(以下、「本実施形態の製造方法」と称することがある。)は、樹脂であるナイロン4を溶媒に溶解させ、紡糸用溶液を得る工程(溶解工程)と、上記紡糸用溶液を用いて乾式紡糸し、未延伸繊維を得る工程(紡糸工程)と、上記未延伸繊維を延伸し、ナイロン4繊維を得る工程(延伸工程)と、を少なくとも含むことを一特徴とし、更に必要に応じて、延伸工程の前の未延伸繊維を乾燥する工程(乾燥工程)等の、その他の工程を含むことができる。また、本実施形態の製造方法においては、上記ナイロン4の重量平均分子量が550,000以上であること、及び、上記紡糸用溶液における溶解しているナイロン4の濃度が15質量%以上であること、も一特徴とする。
本実施形態の製造方法は、本発明者らがナイロン4繊維の乾式紡糸に着目し、鋭意検討を経て見出されたものである。そして、本実施形態の製造方法によれば、高い強度及び弾性率を有するナイロン4繊維を製造することができる。
なお、本明細書において「ナイロン4繊維」とは、ナイロン4を含む線状高分子の繊維を意味する。
また、本明細書において「乾式紡糸」とは、原料を溶媒に溶解させた状態で口金(ノズル)から吐出させ、熱雰囲気中で溶媒を蒸発させて繊維状にすることを意味する。
上述の通り、本実施形態の製造方法では、重量平均分子量が550,000以上であるナイロン4を用いる。一般に、繊維の高強力化及び高弾性化を達成するためには、高度な分子配向が必要となるが、従来の乾式紡糸の例では、高強力化及び高弾性化が十分に達成されたナイロン4繊維を得ることができなかった。このような状況下、本発明者らは、通常用いられるナイロン4は分子量が低く、そのために繊維化しても分子の絡まりが不十分であったことを突き止めたとともに、重量平均分子量が550,000以上のナイロン4を用いることで、乾式紡糸した繊維の分子の絡まりが高まり、より高倍率で延伸させることができることを見出した。
なお、ナイロン4の重量平均分子量は、サイズ排除クロマトグラフィー(SEC)により、ポリメチルメタクリレートを標準物質として用いて測定される。
なお、本実施形態の製造方法では、上述した重量平均分子量が550,000以上でありナイロン4(以下、単に「ナイロン4」と称することがある。)とともに、その他のポリアミド樹脂を原料として用いてもよい。その他のポリアミド樹脂としては、例えば、重量平均分子量が550,000未満のナイロン4、ナイロン4以外の脂肪族ポリアミド(ナイロン6、ナイロン66等)、全芳香族ポリアミド(アラミド等)、半芳香族ポリアミド(ナイロン6T/66、ナイロン6T/6I等)等が挙げられる。但し、環境への配慮の点等から、本実施形態の製造方法では、上記その他のポリアミド樹脂を用いないことが好ましい。
溶解工程は、上記ナイロン4を溶媒に溶解させ、紡糸用溶液を得る工程である。また、この溶解工程で得られる紡糸用溶液は、溶解している上記ナイロン4の濃度が15質量%以上である。換言すれば、この溶解工程では、紡糸用溶液における濃度が15質量%以上となるように、上記ナイロン4を溶媒に溶解させる。なお、得られる紡糸用溶液におけるナイロン4の濃度が15質量%未満であると、蒸発させる溶媒の量が多すぎて、乾式紡糸することができないか、或いは、得られる繊維にボイドが多く発生し、高強度なナイロン4繊維を最終的に得ることができない。
紡糸工程は、溶解工程で得られた紡糸用溶液を用いて乾式紡糸し、未延伸繊維を得る工程である。乾式紡糸の操作としては、特に制限されず、従来用いられている乾式紡糸装置により、乾式紡糸することができる。
本実施形態の製造方法では、後述する延伸工程の前に、乾燥工程として、紡糸工程で得られた未延伸繊維を乾燥してもよい。乾燥の方法としては、特に制限されず、例えば所定の温度及び湿度に調整されたチャンバー内に繊維を放置する方法等が挙げられる。
延伸工程は、紡糸工程又は乾燥工程の後の未延伸繊維を延伸し、ナイロン4繊維を得る工程である。本実施形態の製造方法では、この延伸工程を経て、高い強度及び弾性率を有するナイロン4繊維を最終的に得ることができる。
一例として、図2に、本実施形態の製造方法で使用可能な延伸装置の概略図を示す。図2に示される延伸装置200において、繊維は、送出ローラー21、ローラーガイド23によって順次送られる間に、所定の温度(延伸温度)に調整可能な加熱チャンバー22を通過することで加熱される。また、繊維は、巻き取りローラー25の巻き取り速度を、送出ローラー21の送り速度よりも大きくすることで、延伸される。このとき、延伸倍率は、巻き取り速度及び送り速度をそれぞれ変化させることで調整される。
なお、未延伸繊維における溶媒の濃度の低減は、例えば、上述した乾燥工程を実施する、紡糸用溶液に溶解しているナイロン4の濃度を高める、乾式紡糸装置における熱雰囲気の温度を高める、水蒸気を当てる等により、達成することができる。
本発明の一実施形態のナイロン4繊維(以下、「本実施形態のナイロン4繊維」と称することがある。)は、上述したナイロン4繊維の製造方法により製造されることを特徴とする。本実施形態のナイロン4繊維は、上述した本実施形態の製造方法により製造されたため、高い強度及び弾性率を有する。そのため、本実施形態のナイロン4繊維は、衣料、ロープ、タイヤコード等の幅広い用途に適用可能である。
なお、繊維強度は、実施例に記載の手順により求めることができる。
なお、弾性率は、実施例に記載の手順により求めることができる。
本発明の一実施形態のタイヤ(以下、「本実施形態のタイヤ」と称することがある。)は、上述したナイロン4繊維を補強部材に用いたことを特徴とする。本実施形態のタイヤは、上述したナイロン4繊維が補強部材に用いられているため、操縦安定性の向上、ロードノイズの抑制、及びフラットスポットの抑制の少なくともいずれかを達成することができる。その上、本実施形態のタイヤは、上述の通り強度に優れるナイロン4繊維を用いているため、従来よりも軽量化を図ることができる。
以下、本発明の一好適例のタイヤを、図3を用いて説明する。図3は、当該タイヤの半部についての子午線断面図である。図3の示すタイヤ300は、トレッド部31と、トレッド部31の側部に連続してタイヤ径方向内方へ延びるサイドウォール部32と、サイドウォール部32のタイヤ径方向内方に連続するビード部33とを備える。また、タイヤ300においては、ビードコア34がビード33に埋設され、カーカス35が一対のビードコア間にトロイド状に延び、カーカス35のクラウン域の外周側にベルト層36が配設され、ベルト層36のタイヤ径方向外方にベルト補強層37が配設され、このベルト補強層37のタイヤ径方向外方にトレッド踏面38を形成するトレッドゴム39が配設されている。そして、タイヤ300においては、上記ナイロン4繊維がベルト補強層37(ベルト保護層、キャッププライとも呼ばれる)に用いられることで、操縦安定性が向上するとともに、ロードノイズ及びフラットスポットが抑制される。
以下に示す手順に従い、ナイロン4を調製した。
2−ピロリジノン(関東化学株式会社製、純度:98.0%)600gに硫酸4.0gを添加し、アルゴン気流中、100℃の油浴中で撹拌した。次いで、外浴温度150℃、1mmHgにて減圧蒸留し、初留約10mLを採った後、本留約570gを得た。このようにして、あらかじめモノマーとしての2−ピロリジノンの精製を行った。
1Lのセパラブル4口フラスコに、撹拌羽根、セプタムキャップ、バルーンとアルゴンバブラーとを取り付けた三方コック、及び留去装置を取り付けた。このフラスコに、精製した2−ピロリジノンを570.0g投入し、減圧−アルゴン置換を3回行い、アルゴン雰囲気とした。その後、アルゴン気流中として、フラスコを30℃の油浴中に浸漬させ、100rpmにて撹拌した。
次いで、水酸化カリウム80.4gをフラスコに投入し、減圧して30分間減圧−撹拌を行った後、油浴温度を0.5℃/分の昇温速度で100℃まで昇温させた。そして、反応に伴って生じる水を、共沸されるピロリジノンと共に除いた。
次にアルゴン置換を行い、アルゴン気流中とした後、油浴温度を40℃とし、留去装置を取り除いた。そして、セプタムキャップからPFA製キャニュラを差し込み、炭酸ガスを60mL/分で供給し、75分間撹拌しながらバブリングした。
その後、撹拌羽根を液面から離し、アルゴン気流中、油浴温度は40℃のままで、40時間フラスコを放置した。このようにして、合成反応物を含む固体を得た。
得られた固体約500gを粉砕し、室温にて3Lの純水中で30分間撹拌した後、ろ過した。この操作をろ液のpHが中性になるまで繰り返し、洗浄した。その後、1Lの純水中における浸漬−撹拌を10時間行い、ろ液のpHが中性になっていることを確認して、樹脂を得た。この樹脂を、ミニスピードミルMS−05(ラボネクスト株式会社製)で粉砕し、100メッシュ以下に分級した。分級後、沸騰水中での5分間の洗浄を2回行った後、ろ過し、オーブン内で乾燥させた。このようにして、最終的にナイロン4を得た。
溶離液:ヘキサフルオロイソプロパノール
前処理:メンブレンフィルター(0.2μm)でろ過
添加剤:トリフルオロ酢酸ナトリウム(5mmol/L)
標準物質:ポリメチルメタクリレート
濃度:0.05質量%
注入量:10μL
流速:0.3mL/min
カラム温度:40℃
使用装置:Shodex GPC−104(RI検出器使用)(昭和電工株式会社製)
カラム:Shodex GPC LF−404×2(昭和電工株式会社製)
その結果、上記ナイロン4は、重量平均分子量が564,335であり、数平均分子量が270,234であった。
また、参考までに、上記ナイロン4の分子量分布を図6に示す。
上記の通り得られた乾燥済みのナイロン4を秤量し、溶媒としてのギ酸(99%ギ酸)と撹拌混合して、紡糸用溶液を得た。上記秤量は、紡糸用溶液に溶解しているナイロン4の濃度が20質量%となるように行った。また、上記撹拌は、吸湿したり、ギ酸が飛散して重量が減少したりしないようにするため、シーリングミキサーUZU(中村科学器械工業株式会社製)を用いて、外浴温度50℃でナイロン4が完全に溶媒に溶解するまで行った。
延伸繊維を、温度20℃、相対湿度65%に調整した恒温恒湿室に一晩放置した後、サーチ株式会社製の繊度測定器「DENICON DC−21」を用い、繊度(dtex)を測定した。結果を表1に示す。
延伸繊維を恒温恒湿室に放置した後、島津製作所株式会社製の小型卓上試験機「EZTest EZ−SX」を用いて、試料チャック間長20mm、引張速度20mm/分の条件で引張試験を行い、応力−歪み曲線を求めた。そして、曲線初期の直線部分の傾きを計算し、弾性率(GPa)を求めた。結果を表1に示す。
延伸繊維を恒温恒湿室に放置した後、島津製作所株式会社製の小型卓上試験機「EZTest EZ−SX」を用いて、試料チャック間長20mm、引張速度20mm/分の条件で引張試験を行い、この引張試験における破断強力(cN)を求めた。そして、上記で測定した繊度を用いて算出される強度(単位:cN/dtex)を、延伸繊維の密度を用いてPaの単位に変換し、繊維応力(MPa)を繊維強度の尺度として求めた。結果を表1に示す。
ここで、延伸繊維の密度については、学術文献(C.E.Barnes, Lenzinger Berrichte, p62-66, March, 1987)に記載されている「1.25g/cm3」を代表値として採用した。なお、本実施例においても、浮沈法(トルエン−四塩化炭素系、25℃)によりいくつかの延伸繊維の密度測定を行った結果、1.252〜1.255g/cm3の範囲内にあることを確認した。
アイティー計測制御株式会社製の動的粘弾性測定装置「DVA−200」を用い、延伸繊維について80℃における貯蔵弾性率(E’)を測定した。なお、測定においては、試料チャック間長:10mm、測定モード:引張り、昇温速度:10℃/分、周波数:10Hz、静/動力比:1.5とした。また、吸湿によるE’の低下の影響を除去するため、乾燥気流下、110℃まで一旦加熱した後、50℃未満に温度を下げて水分を除去し、再び昇温して融点付近(約260℃)まで加熱してデータを得た。結果を表1に示す。
また、昇温速度の条件を10℃/分として、温度と貯蔵弾性率との関係曲線を求めた。この関係曲線を、既存のタイヤコードとして用いられるナイロン66繊維の関係曲線とともに、図4に示す。
実施例1において、紡糸用溶液に溶解しているナイロン4の濃度、未延伸繊維中の残存溶媒濃度、及び延伸倍率を、表1に示すように調整又は変更したこと以外は実施例1と同様にして、最終的にナイロン4繊維(延伸繊維)を得た。そして、得られた延伸繊維について、各測定を行った。結果を表1に示す。
実施例1において、紡糸用溶液に溶解しているナイロン4の濃度を10質量%としたこと以外は、実施例1と同様にして、乾式紡糸を試みたが、紡糸することができなかった。
実施例2と同様にして得られた紡糸用溶液を用い、湿式紡糸を行った。具体的に、紡糸用溶液を、凝固槽中の凝固液としてのメタノールに吐出し、凝固させて、未延伸繊維を得た。なお、この未延伸繊維を数本束ね、その断面を走査型電子顕微鏡で観察した。その断面の概略図を図5Bに示す。
次いで、得られた未延伸繊維の延伸を試みたが、延伸することができなかった。
実施例2において、溶媒として、ギ酸に代えてギ酸及びヘキサフルオロイソプロパノール(HFIP)の混合液(ギ酸:70質量%、HFIP:30質量%)を用いたこと、並びに、未延伸繊維中の残存溶媒濃度を表1に示すように調整又は変更したこと以外は実施例2と同様にして、最終的にナイロン4繊維(延伸繊維)を得た。そして、得られた延伸繊維について、各測定を行った。結果を表1に示す。
実施例1において、溶媒として、ギ酸に代えて酢酸を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、紡糸用溶液の調製を試みたが、ナイロン4が酢酸に十分に溶解しなかったため、紡糸用溶液を調製することができなかった。
実施例1において、延伸温度を表1に示すように調整又は変更したこと以外は実施例1と同様にして、最終的にナイロン4繊維(延伸繊維)を得た。そして、得られた延伸繊維について、各測定を行った。結果を表1に示す。
実施例1において、未延伸繊維中の残存溶媒濃度及び延伸温度を表1に示すように調整又は変更したこと以外は実施例1と同様にして、最終的にナイロン4繊維(延伸繊維)を得た。そして、得られた延伸繊維について、各測定を行った。結果を表1に示す。
実施例1において、未延伸繊維中の残存溶媒濃度及び延伸温度を表1に示すように調整又は変更したこと以外は実施例1と同様にして、未延伸繊維の延伸を試みたが、繊維の断線が生じ、延伸することができなかった。
実施例1において、延伸倍率を表1に示すように調整又は変更したこと以外は実施例1と同様にして、最終的にナイロン4繊維(延伸繊維)を得た。そして、得られた延伸繊維について、各測定を行った。結果を表1に示す。
実施例1において、未延伸繊維中の残存溶媒濃度、延伸温度及び延伸倍率を表1に示すように調整又は変更したこと以外は実施例1と同様にして、最終的にナイロン4繊維(延伸繊維)を得た。そして、得られた延伸繊維について、各測定を行った。結果を表1に示す。
また、図4より、実施例1のナイロン4繊維は、既存のタイヤコードとして多用されるナイロン66繊維と比較して、貯蔵弾性率(E’)が高いことが分かる。なお、貯蔵弾性率(E’)が高いと、タイヤにおける操縦安定性、ロードノイズ、フラットスポット等の性能に好影響を与えるものと考えられる。
更に、図5A及び図5Bから、実施例1の未延伸繊維はボイドが少ないのに対し、比較例2の未延伸繊維は、ボイドが多いことが分かる。このことより、比較例2では、ボイドが多く存存していたことにより、高強力の繊維が得られなかったとともに、延伸時に延伸倍率を上げることが困難であったものと考えられる。
実施例1で得られたナイロン4繊維を用い、1400dtex/2、撚り数26×26(回/10cm)のタイヤコードを得た。そして、このタイヤコードをベルト補強層に用い、195/65R15のサイズのタイヤモデルを作製した。
ナイロン4繊維に代えてナイロン66を用いたこと以外は、実施例7と同様にして、195/65R15のサイズのタイヤモデルを作製した。
11 シリンジ
115 プランジャー
116 ノズル
12 ヒーター
13,14 送りローラー
15 巻き取りローラー
16 筒
17 溶媒トラップ
18 外径測定器
19 保護カバー
200 延伸装置
21 送出ローラー
22 加熱チャンバー
23 ローラーガイド
24 張力計
25 巻き取りローラー
300 タイヤ
31 トレッド部
32 サイドウォール部
33 ビード部
34 ビードコア
35 カーカス
36 ベルト層
37 ベルト補強層
38 トレッド踏面
39 トレッドゴム
Claims (6)
- ナイロン4を溶媒に溶解させ、紡糸用溶液を得る工程と、
前記紡糸用溶液を用いて乾式紡糸し、未延伸繊維を得る工程と、
前記未延伸繊維を延伸し、ナイロン4繊維を得る工程と、を含み、
前記ナイロン4は、重量平均分子量が550,000以上であり、
前記紡糸用溶液は、溶解している前記ナイロン4の濃度が15質量%以上であり、
前記延伸する工程における延伸温度が180℃以上240℃以下であり、且つ、延伸倍率が4倍以上である、
ことを特徴とする、ナイロン4繊維の製造方法。 - 前記溶媒がギ酸を含む、請求項1に記載のナイロン4繊維の製造方法。
- 前記溶媒が、ヘキサフルオロイソプロパノール及びトリフルオロ酢酸から選択される1種以上を更に含む、請求項2に記載のナイロン4繊維の製造方法。
- 請求項1〜3のいずれかに記載のナイロン4繊維の製造方法により製造される、ことを特徴とする、ナイロン4繊維。
- 請求項4に記載のナイロン4繊維を補強部材に用いたことを特徴とする、タイヤ。
- 前記補強部材がベルト補強層を含む、請求項5に記載のタイヤ。
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