JP2020510112A - ポリアミドをゲル紡糸するための組成物および方法 - Google Patents
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Abstract
繊維を形成するための組成物は、少なくとも１種類のポリアミドおよびカプロラクタムを含む。少なくとも１種類のポリアミドは、３８，０００Ｄａ〜１００，０００Ｄａの間の数平均分子量を有する。ポリアミドは、少なくとも部分的にカプロラクタム中に溶解している。カプロラクタムは組成物の２０重量％〜９０重量％の間を構成する。【選択図】図１
Description
[0001]本発明はポリアミド材料に関し、特にポリアミドから繊維を製造するためのゲル紡糸技術に関する。
[0002]通常のポリアミドまたはナイロンのテキスタイルは、紡糸口金を通して樹脂を押出してテキスタイル繊維を形成する前にポリアミド樹脂を溶融状態に加熱する溶融紡糸技術を用いて製造される。このようなナイロン樹脂は、通常は約１４，０００ダルトン（Ｄａ）〜２０，０００Ｄａの範囲の分子量を有し、約６〜１０グラム／デニールのテナシティを有する繊維を生成する。この機械的強度は、いくつかの高性能テキスタイル繊維用途のためには十分ではない。
[0003]例えば、米国特許第７，２５８，０４８号、米国特許第８，１０６，１１６号、および国際特許公開第ＷＯ２００５／０４９６９４号には、幾つかの繊維前ゲル(pre-fiber gel)組成物、製造方法、およびそれらの使用が開示されている。これらの開示事項はそれらの全体が参照により本明細書に組み込まれている。
[0004]より広範囲のテキスタイル用途のために好適な機械的により強靱なポリアミドテキスタイル繊維を製造するために、前述の繊維前ゲル組成物および製造方法の改良が望まれている。
[0005]本発明は、ポリアミド繊維をゲル紡糸するための組成物を提供する。紡糸された繊維は、高性能テキスタイルの製造において有用である可能性がある。
[0006]種々の実施形態は、繊維を形成するための組成物に関する。この組成物は少なくとも１種類のポリアミドおよびカプロラクタムを含む。少なくとも１種類のポリアミドは、ＡＳＴＭ−７８９に従って求められるギ酸粘度（ＦＡＶ）から誘導して３８，０００Ｄａ〜１００，０００Ｄａの間の数平均分子量を有する。ポリアミドは少なくとも部分的にカプロラクタム中に溶解している。カプロラクタムは組成物の２０重量％〜９０重量％の間を構成する。いくつかの実施形態においては、組成物の少なくとも１種類のポリアミドはポリアミド−６である。いくつかの実施形態においては、カプロラクタムは組成物の全重量の５０重量％〜９０重量％の間を構成する。いくつかの実施形態においては、ポリアミドは、ＡＳＴＭ−７８９に従って求められるギ酸粘度（ＦＡＶ）から誘導して４１，０００Ｄａ〜６８，０００Ｄａの間の数平均分子量を有する。
[0006]種々の実施形態は、繊維を形成するための組成物に関する。この組成物は少なくとも１種類のポリアミドおよびカプロラクタムを含む。少なくとも１種類のポリアミドは、ＡＳＴＭ−７８９に従って求められるギ酸粘度（ＦＡＶ）から誘導して３８，０００Ｄａ〜１００，０００Ｄａの間の数平均分子量を有する。ポリアミドは少なくとも部分的にカプロラクタム中に溶解している。カプロラクタムは組成物の２０重量％〜９０重量％の間を構成する。いくつかの実施形態においては、組成物の少なくとも１種類のポリアミドはポリアミド−６である。いくつかの実施形態においては、カプロラクタムは組成物の全重量の５０重量％〜９０重量％の間を構成する。いくつかの実施形態においては、ポリアミドは、ＡＳＴＭ−７８９に従って求められるギ酸粘度（ＦＡＶ）から誘導して４１，０００Ｄａ〜６８，０００Ｄａの間の数平均分子量を有する。
[0007]種々の実施形態は、繊維を製造する方法を含む。この方法は、少なくとも１種類のポリアミドをカプロラクタム中に溶解して紡糸可能な溶液を形成すること、および紡糸口金を通して紡糸可能な溶液を押出すことによって、紡糸可能な溶液を紡糸して繊維を形成することを含む。少なくとも１種類のポリアミドは、ＡＳＴＭ−７８９に従って求められるギ酸粘度（ＦＡＶ）から誘導して３８，０００Ｄａ〜１００，０００Ｄａの間の数平均分子量を有する。いくつかの実施形態においては、少なくとも１種類のポリアミドの溶解は１５０℃〜２７０℃の温度で行う。さらなる実施形態においては、少なくとも1種類のポリアミドの溶解は１５０℃〜２００℃の温度で行う。いくつかの実施形態においては、少なくとも1種類のポリアミドはポリアミド−６である。いくつかの実施形態においては、紡糸可能な溶液は２０重量％〜９０重量％の間のカプロラクタムを含む。さらなる実施形態においては、紡糸可能な溶液は５０重量％〜９０重量％の間のカプロラクタムを含む。いくつかの実施形態においては、ポリアミドは、ＡＳＴＭ−７８９に従って求められるギ酸粘度（ＦＡＶ）から誘導して４１，０００Ｄａ〜６８，０００Ｄａの間の数平均分子量を有する。いくつかの実施形態においては、この方法は、クエンチ液を含有するクエンチ浴中で紡糸された繊維をクエンチすることをさらに含む。いくつかの実施形態においては、紡糸口金とクエンチ浴中のクエンチ液との間にエアギャップが画定されており、このエアギャップは長さ０．２５インチ〜１１インチである。いくつかの実施形態においては、このエアギャップは長さ０．５インチ〜２インチである。いくつかの実施形態においては、紡糸された繊維をクエンチすることは、クエンチ浴を通して繊維を第１の方向に牽引すること；および、クエンチ液を第２の方向に流すこと；を含む。第２の方向は、第１の方向に対して実質的に反対である。いくつかの実施形態においては、クエンチ液は１，０００〜２６，０００センチポアズの間の動粘度を有する。いくつかの実施形態においては、クエンチ液は５０℃〜１５０℃の温度である。
[0008]種々の実施形態はポリアミド繊維を含む。ポリアミド繊維は複数のポリアミドポリマー鎖を含む。ポリアミドポリマー鎖は、ＡＳＴＭ−７８９に従って求められるギ酸粘度（ＦＡＶ）から誘導して３８，０００Ｄａ〜１００，０００Ｄａの間の数平均分子量を有する。いくつかの実施形態においては、ポリアミド繊維のテナシティは１０グラム／デニールより大きい。
[0009]添付の図面と併せて以下の本発明の複数の実施形態の説明を参照することによって、本発明の上記および他の特徴、ならびにそれらを達成する方法がより明らかになり、本発明それ自体がより良く理解されるであろう。
[0014]本発明の幾つかの実施形態は、高分子量ポリアミドを使用してより強靱なポリアミド繊維を形成することができる。本発明の目的のために、高分子量ポリアミドは、約３８，０００Ｄａより大きい数平均分子量（Ｍｎ）を有する。上記のように、溶融紡糸において使用されるポリアミドの分子量は、従来は約２０，０００Ｄａ以下に制限されていた。より高い分子量のポリアミドは、粘度が高すぎて、押出温度を上昇させない限りは通常の工業用押出機を通して加工することができない可能性があるが、押出温度を大きく上昇させるとポリアミドが熱分解する可能性がある。
[0015]しかしながら、高分子量のポリアミドをゲル化剤中に部分的に溶解して、ゲルの形態の紡糸可能な溶液を形成することができることが今回見出された。紡糸可能な溶液またはゲルは、以下に記載されるように押出してポリアミド繊維を形成することができる。ポリアミド繊維の強度は、ゲル中において使用されるポリアミドの数平均分子量を増加させるにつれて増加することが見出された。いかなる理論にも束縛されることは望まないが、このようなポリアミド繊維のより大きな強度は、連鎖末端の欠陥がより少ない結果である可能性があると考えられる。
[0016]いくつかの実施形態においては、本発明に従って製造されるポリアミド繊維は、１０グラム／デニール（ｇｐｄ）より高いテナシティを有することができる。いくつかの実施形態においては、ポリアミド繊維は、例えば、１０．５ｇｐｄ、１１ｇｐｄ、もしくは１２ｇｐｄのような低い値、または１４ｇｐｄ、１５ｇｐｄ、もしくは１６ｇｐｄのような高い値、或いは１０．５ｇｐｄ〜１６ｇｐｄ、１１ｇｐｄ〜１５ｇｐｄ、もしくは１２ｇｐｄ〜１４ｇｐｄのような前述の値の任意の２つの間の任意の範囲内のテナシティを有することができる。
[0017]ポリアミドは樹脂の形態で用意することができる。いくつかの実施形態においては、ポリアミドとしては、ポリアミド−６（ＰＡ−６）、ポリアミド−６，６（ＰＡ−６，６）、およびポリアミド−９，６（ＰＡ−９，６）の少なくとも１つが挙げられる。一実施形態においては、ポリアミドはポリアミド−６またはポリアミド−６，６である。より特定の実施形態においては、ポリアミドはポリアミド−６である。
[0018]ポリアミドは、約３８，０００Ｄａより高い数平均分子量を有していてよい。いくつかの実施形態においては、ポリアミドは、３８，０００Ｄａ、４１，０００Ｄａ、４６，０００Ｄａ、もしくは５３，０００Ｄａのような低い値、または６８，０００Ｄａ、７７，０００Ｄａ、８８，０００Ｄａ、もしくは１００，０００Ｄａのような高い値、或いは前述の値の任意の２つの間で規定される任意の範囲内の数平均分子量を有していてよく、例えばいくつかの実施形態においては、ポリアミドは、３８，０００Ｄａ〜１００，０００Ｄａ、４１，０００Ｄａ〜８８，０００Ｄａ、４６，０００Ｄａ〜７７，０００Ｄａ、および５３，０００Ｄａ〜６８，０００Ｄａの範囲の数平均分子量を有していてよい。いくつかの実施形態においては、ポリアミドは約６０，０００Ｄａの数平均分子量を有していてよい。
[0019]分子量は通常は樹脂の粘度に相関する。粘度はギ酸粘度（ＦＡＶ）として報告することができる。ＦＡＶは、ＡＳＴＭ−７８９にしたがう９０体積％のギ酸中の１０体積％の溶液の粘度である。数平均分子量（Ｍｎ）は、測定されるＦＡＶから、以下の関係式：
に従って計算することができる。
[0020]したがって、２０５のＦＡＶは約３６，０００のＭｎに対応し、２３０のＦＡＶは約３８，０００のＭｎに対応し、２８０のＦＡＶは約４１，０００のＭｎに対応し、３６５のＦＡＶは約４６，０００のＭｎに対応し、５２０のＦＡＶは約５３，０００のＭｎに対応し、７２５のＦＡＶは約６０，０００のＭｎに対応し、１，０３０のＦＡＶは約６８，０００のＭｎに対応し、１，５００のＦＡＶは約７７，０００のＭｎに対応し、２，２６０のＦＡＶは約８８，０００のＭｎに対応し、３，４４０のＦＡＶは約１００，０００のＭｎに対応する。
[0020]したがって、２０５のＦＡＶは約３６，０００のＭｎに対応し、２３０のＦＡＶは約３８，０００のＭｎに対応し、２８０のＦＡＶは約４１，０００のＭｎに対応し、３６５のＦＡＶは約４６，０００のＭｎに対応し、５２０のＦＡＶは約５３，０００のＭｎに対応し、７２５のＦＡＶは約６０，０００のＭｎに対応し、１，０３０のＦＡＶは約６８，０００のＭｎに対応し、１，５００のＦＡＶは約７７，０００のＭｎに対応し、２，２６０のＦＡＶは約８８，０００のＭｎに対応し、３，４４０のＦＡＶは約１００，０００のＭｎに対応する。
[0021]これに関連して、ポリアミドは、例えば、２０５、２３０、２８０、３６５、もしくは５２０のような小さい値、または７２５、１，０３０、もしくは１，５００、２，２６０、もしくは３，４４０のような大きい値のＦＡＶを有してよく、あるいは２０５〜３，４４０、２３０〜２，２６０、２８０〜１，５００、３６５〜１，０３０、または５２０〜７２５のような前述の値の任意の対の間で規定される任意の範囲内のＦＡＶを有していてよい。
[0022]１つの例示的な実施形態においては、ポリアミドは、例えば、０．２重量％、０．５重量％、若しくは１重量％のような低い値、または２重量％、５重量％、もしくは１０重量％のような高い値のＩＳＯ−６４２７にしたがう抽出物含量、或いは０．２重量％〜１０重量％、０．２重量％〜２重量％、若しくは０．２重量％〜１重量％のような前述の値の任意の２つの間で規定される任意の範囲内の抽出物含量を有する。抽出物含量は、例えばカプロラクタムおよび種々のオリゴマーを含み得る。
[0023]ゲル化剤は、ポリアミドを少なくとも部分的に溶解して、紡糸することができる粘稠質の溶液またはゲルを形成することができる。通常のゲル化剤は比較的低い分子量を有し、モノマーまたはオリゴマーであってよい。いくつかの実施形態においては、ゲル化剤としてラクタムが挙げられる。いくつかの実施形態においては、ラクタムとして、カプロラクタム、Ｎ−メチルカプロラクタムおよびＮ−エチルカプロラクタムなどのカプロラクタムベースのアミド、および
のようなカプロラクタムベースのアミドエステルを挙げることができる。
[0024]カプロラクタムは、例としてポリアミドのゲル化剤としての利点を提供する。いくつかの実施形態においては、これらの利点としては、ポリアミドを部分的に溶媒和して粘稠質の溶液またはゲルの紡糸可能な溶液を形成すること、低い毒性、比較的低いコスト、低い臭気、および溶媒として水を使用して紡糸された繊維から比較的容易に抽出されることの１つ以上が挙げられる。
[0024]カプロラクタムは、例としてポリアミドのゲル化剤としての利点を提供する。いくつかの実施形態においては、これらの利点としては、ポリアミドを部分的に溶媒和して粘稠質の溶液またはゲルの紡糸可能な溶液を形成すること、低い毒性、比較的低いコスト、低い臭気、および溶媒として水を使用して紡糸された繊維から比較的容易に抽出されることの１つ以上が挙げられる。
[0025]紡糸可能な溶液は、ポリアミド、および一定範囲の濃度のカプロラクタムなどのゲル化剤から形成することができる。いくつかの実施形態においては、紡糸可能な溶液は、２０重量％、３０重量％、４０重量％、もしくは５０重量％のような低い値、または６０重量％、７０重量％、８０重量％、もしくは９０重量％のような高い値、或いは前述の値の任意の２つの間で規定される任意の範囲内のカプロラクタム濃度を有し、例えば、いくつかの実施形態においては、紡糸可能な溶液のカプロラクタム濃度は、２０重量％〜９０重量％、３０重量％〜８０重量％、４０重量％〜７０重量％、５０重量％〜９０重量％、５０重量％〜８０重量％、５０重量％〜７０重量、または５０重量〜６０重量％の範囲であってよい。全てのカプロラクタム濃度は、紡糸可能な溶液の総重量を基準とする。
[0026]いくつかの実施形態においては、紡糸可能な溶液は、１０重量％、２０重量％、３０重量％、もしくは４０重量％のような低い値、または５０重量％、６０重量％、７０重量％、もしくは８０重量％のような高い値、或いは前述の値の任意の２つの間で規定される任意の範囲内のポリアミド濃度を有し、例えば、いくつかの実施形態においては、紡糸可能な溶液のポリアミド濃度は、１０重量％〜８０重量％、２０重量％〜７０重量％、３０重量％〜６０重量％、または４０重量％〜５０重量％の範囲であってよい。全てのポリアミド濃度は、紡糸可能な溶液の総重量を基準とする。
[0027]いくつかの実施形態においては、紡糸可能な溶液に、熱安定剤、酸化防止剤、着色剤、または加工助剤などの１種類以上の添加剤をさらに含ませることができる。いくつかの実施形態においては、全ての添加剤の総濃度は紡糸可能な溶液の総重量の５重量％を超えない。
[0028]より高い数平均分子量のポリアミドは、一般に、通常の工業用押出機を通して加工することができないほどは粘稠でない紡糸可能な溶液を生成させるために、より高い濃度のカプロラクタムを必要とする。紡糸可能な溶液中のカプロラクタムのより高い濃度は、より強靱な繊維を生成することができることもまた見出された。いかなる理論にも束縛されることを望むものではないが、より高いカプロラクタム濃度または装填量は、ポリアミドのポリマー鎖の絡み合い密度を減少させる（すなわち、絡み合い部分の間の分子量（Ｍｅ）を増大させる）のに役立ち、これにより繊維の延伸能力または延伸性、およびより強靱な繊維を生成させるためのポリマー鎖の長手方向の配向を改善することができると考えられる。例えば、R. Schallerら、「High-Performance Polyethylene Fibers 'Al Dente': Improved Gel-Spinning of Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene Using Vegetable Oils」, Macromolecules, 2015, 48 (24), pp.8877-8884を参照。
[0029]図１は、本発明の幾つかの実施形態による、繊維を製造するためのシステムの概略図である。図１に示すように、システム１０には、ミキサー１２、紡糸ブロック１４、繊維延伸装置１６、および場合によってはクエンチシステム１８を含ませることができる。ミキサー１２には供給ポート２０を含ませることができる。ミキサー１２には、例えばメカニカルスターラー、二軸押出機、およびブレーベンダーミキサーを含ませることができる。紡糸ブロック１４には紡糸口金２２を含ませることができる。紡糸口金２２は、複数の孔（図示せず）を含むダイである。繊維延伸装置１６には、方向転換装置２４、複数のローラー２６、１つ以上の延伸ローラー２８、および最終ローラーまたは巻取り機３０を含ませることができる。いくつかの実施形態においては、方向転換装置２４は回転ローラーである。他の実施形態においては、方向転換装置２４は非回転バーである。ローラー２６は回転ローラーである。いくつかの実施形態においては、延伸ローラー２８および巻取り機３０は駆動ローラーであってよい。クエンチシステム１８には、クエンチ浴３２及びクエンチ液３４を含ませることができる。いくつかの実施形態においては、クエンチ液３４はクエンチ浴３２内に収容することができる。いくつかの実施形態においては、クエンチ液３４には水を含ませることができる。図１に示す実施形態のような幾つかの実施形態においては、クエンチシステム１８は随意的な流れ循環システム３６を更に含む。流れ循環システム３６にはポンプ３８及び配管４０を含ませることができる。配管４０は、ポンプ３８の両側に、且つクエンチ浴３２に接続して、クエンチ浴３２を通してクエンチ液３４を循環させる。
[0030]図２は、本発明の幾つかの実施形態による、繊維を製造するための方法１００を示すフロー図である。図１および２を一緒に考察すると、ブロック１０２において、上記の任意の実施形態によるポリアミド４２およびゲル化剤４４を、上記の任意の重量％に従って用意して、供給ポート２０中に供給する。ブロック１０４を参照すると、ポリアミド４２とゲル化剤４４をミキサー１２中で混合して、ポリアミド４２をゲル化剤４４中に溶解し、上記の任意の実施形態による紡糸可能な溶液４６を形成する。いくつかの実施形態においては、ポリアミド４２およびゲル化剤４４をミキサー１２内で加熱して、紡糸可能な溶液４６の形成を補助することができる。
[0031]いくつかの実施形態においては、紡糸可能な溶液４６は、例えば、１５０℃、１６０℃、１７０℃、１７５℃、１８０℃、１８５℃、もしくは１９０℃のような低い値、または２００℃、２２５℃、２５０℃、２５５℃、２６０℃、２７０℃、もしくは２７５℃のような高い値、あるいは１５０℃〜２００℃、１７０℃〜１９０℃、１７５℃〜１８５℃、２５０℃〜２７０℃、もしくは２５５℃〜２６５℃のような前述の値の任意の２つの間で規定される任意の範囲内の温度で形成される。
[0032]ブロック１０６を参照すると、紡糸可能な溶液４６は紡糸ブロック１４に供給して、そこで紡糸口金２２の孔を通して押出すことによって紡糸して複数の繊維４８を形成する。紡糸口金２２から排出される繊維４８の速度はゲル速度と呼ばれる。いくつかの実施形態においては、ゲル速度は、０．４メートル／分（ｍ／分）、０．８ｍ／分、１ｍ／分、もしくは３ｍ／分のような低い値、１０ｍ／分、１４ｍ／分、２０ｍ／分、もしくは３０ｍ／分のような高い値、あるいは０．４ｍ／分〜３０ｍ／分、０．８ｍ／分〜２０ｍ／分、もしくは３ｍ／分〜１４ｍ／分のような前述の値の任意の２つの間で規定される任意の範囲内であってよい。
[0033]いくつかの実施形態においては、紡糸ブロック１４は、紡糸中に紡糸可能な溶液４６を加熱することができる。いくつかの実施形態においては、紡糸可能な溶液４６は、例えば、１５０℃、１６０℃、１８０℃、もしくは２００℃のような高い値、または２２０℃、２４０℃、２６０℃、２６５℃、もしくは２７０℃のような高い値、あるいは１５０℃〜２７０℃、１８０℃〜２６５℃、もしくは２００℃〜２６５℃のような前述の値の任意の２つの間で規定される任意の範囲内の温度で紡糸する。
[0034]上記のように、より高い数平均分子量のポリアミド４２は、一般に、通常の工業用押出機を通して加工することができないほどは粘稠でない紡糸可能な溶液４６を生成させるためには、より高い濃度のカプロラクタムなどのゲル化剤４４を必要とする。また、紡糸可能な溶液４６中のカプロラクタムのより高い濃度によって、より強靱な繊維を製造することができる。
[0035]しかしながら、いくつかの実施形態においては、高いカプロラクタム装填量は、紡糸口金２２から押し出される際に低い溶融強度を有する繊維４８をもたらす可能性がある。低すぎる溶融強度を有する繊維は、引き続く延伸プロセスの間に牽引して繊維形態にする際に破断する可能性がある。従って、ブロック１０８において、繊維４８をクエンチシステム１８に供給する。図１に示すように、繊維４８は、クエンチ液３４中に、及びそれを通して牽引する。クエンチ液３４は、繊維４８の溶融強度を迅速に増大させるために紡糸温度より低い温度に維持することができる。
[0036]いくつかの実施形態においては、クエンチ液３４は、例えば、２℃、４℃、８℃、１５℃、２５℃、もしくは４０℃のような低い値、または５０℃、７５℃、１００℃、１２０℃、もしくは１５０℃のような高い値、あるいは２℃〜１５０℃、４℃〜１２０℃、８℃〜１００℃、１５℃〜７５℃、２５℃〜５０℃、４０℃〜５０℃、５０℃〜７５℃、もしくは２５℃〜７５℃のような前述の値の任意の２つの間で規定される任意の範囲内の温度に維持する。いくつかの実施形態においては、クエンチ液３４は、繊維４８のガラス転移温度よりも高い温度、例えば５０℃〜１５０℃に維持する。いかなる理論にも束縛されることを望むものではないが、クエンチ液３４のより高い温度はポリマーの結晶化を遅延させ、結晶化を遅延させることによって、約３８，０００Ｄａより高い数平均分子量を有するポリアミドのより上首尾な紡糸が与えられると考えられる。
[0037]紡糸口金２２とクエンチ浴３２内のクエンチ液３４の表面５０との間の距離は、図１に示すようにエアギャップ５２を画定する。エアギャップ５２は、例えば、０．２５インチ、０．５インチ、０．７５インチ、１インチ、１．５インチ、２インチ、もしくは２．５インチのような小さな値、または３インチ、４インチ、５インチ、６インチ、７インチ、９インチ、もしくは１１インチのような大きな値、あるいは０．２５インチ〜１１インチ、もしくは０．２５インチ〜２．５インチ、もしくは０．２５インチ〜２インチのような前述の値の任意の２つの間の任意の範囲内であってよい。いかなる理論にも束縛されることを望むものではないが、概してより小さいエアギャップ５２は、紡糸口金２２から排出されたら繊維４８をより迅速に冷却することによって、概してより高いカプロラクタムの濃度を有する紡糸可能な溶液４６の紡糸を支援することができると考えられる。
[0038]ブロック１１０を参照すると、クエンチが開始された後、繊維４８を繊維延伸装置１６に供給して繊維４８を延伸する。図１に示すように、繊維４８は、クエンチ液３４中に及びそれを通して、且つ方向転換装置２４の上で牽引される。いくつかの実施形態においては、方向転換装置２４から排出される繊維４８の速度とゲル速度との比は、１．０：１、１．１５：１、もしくは２．０：１のような低い値、または１００：１、５００：１、もしくは１０００：１のような高い値、あるいは１．０：１〜１０００：１、１．５：１〜５００：１、もしくは２．０：１〜１００：１のような前述の値の任意の２つの間で規定される任意の範囲内であってよい。
[0039]繊維４８を引き続き延伸ローラー２８によって複数のローラー２６の上を牽引する際に、繊維４８の速度を増加させて繊維４８をさらに延伸することができる。例えば、いくつかの実施形態においては、クエンチ液３４から排出される繊維４８の速度とゲル速度との比は、例えば、１５：１、３０：１、５０：１、７０：１、もしくは１００：１のような低い値、または１６０：１、２００：１、２５０：１、３００：１、もしくは３５０：１のような高い値、あるいは１５：１〜３５０：１、３０：１〜３００：１、５０：１〜２５０：１、７０：１〜２００：１、もしくは１００：１〜１６０：１のような前述の値の任意の２つによって規定される任意の範囲内であってよい。クエンチ液３４から排出される繊維４８の速度とゲル速度との比は、紡糸延伸比である。
[0040]いくつかの実施形態においては、クエンチ液３４から排出される繊維４８の速度は、例えば、２００メートル／分（ｍｐｍ）、３００ｍｐｍ、４００ｍｐｍ、５００ｍｐｍ、６００ｍｐｍ、７００ｍｐｍ、もしくは８００ｍｐｍのような低い値、または１，０００ｍｐｍ、１，１００ｍｐｍ、１，２００ｍｐｍ、１，３００ｍｐｍ、１，４００ｍｐｍ、１，５００ｍｐｍ、もしくは１，６００ｍｐｍのような高い値であってよく、あるいは、２００ｍｐｍ〜１，６００ｍｐｍ、３００ｍｐｍ〜１，５００ｍｐｍ、４００ｍｐｍ〜１，４００ｍｐｍ、５００ｍｐｍ〜１，３００ｍｐｍ、６００ｍｐｍ〜１，２００ｍｐｍ、７００ｍｐｍ〜１，１００ｍｐｍ、および８００ｍｐｍ〜１，０００ｍｐｍのような任意の２つの前述の値によって規定される範囲内であってよい。クエンチ液３４から排出される繊維４８の速度は、巻取り速度（ＴＵ速度）と呼ばれる。
[0041]図１に示すように、繊維４８は、クエンチ浴３２を通して第１の方向Ｄ１に牽引することができる。クエンチシステム１８が流れ循環システム３６をさらに含むいくつかの実施形態においては、流れ循環システム３６は、クエンチ浴３２を通って第２の方向Ｄ２にクエンチ液３４を循環させるように構成することができる。図１に示すように、第２の方向Ｄ２は、第１の方向Ｄ１に対して実質的に反対である。繊維４８の延伸方向に対して反対にクエンチ液３４を流すことは、繊維４８とクエンチ液３４との間の抗力の増加を生成させる傾向がある。いくつかの実施形態においては、クエンチ液３４は、繊維４８の長さまたはエクステント(extent)によって画定される軸に平行な軸に沿って流し、繊維４８の移動方向に対して概して反対の方向に流すことができる。いかなる理論にも束縛されることを望むものではないが、抗力を増加させることによって、ポリマー鎖の長手方向の配向をさらに改善して、より強靱な繊維を製造することができると考えられる。さらに、繊維４８に対する抗力を増加させることによって、ポリアミドの結晶化度およびα結晶相形成を増加させて、より高強度の繊維を与えることができると考えられる。
[0042]流れ循環システム３６に代えて、または流れ循環システム３６に加えて、クエンチ液３４の動粘度を増加させることによって、繊維４８に対する抗力を増加させることができる。いくつかの実形態においては、クエンチ液３４の動粘度は、例えば、１，０００センチポアズ（ｃｐ）、５，０００ｃｐ、１０，０００ｃｐ、１２，０００ｃｐ、もしくは１４，０００ｃｐのような低い値、または１８，０００ｃｐ、２０，０００ｃｐ、２２，０００ｃｐ、２４，０００ｃｐ、もしくは２６，０００ｃｐのような高い値、あるいは１，０００ｃｐ〜２６，０００ｃｐ、５，０００ｃｐ〜２４，０００ｃｐ、１０，０００ｃｐ〜２２，０００ｃｐ、１２，０００ｃｐ〜２０，０００ｃｐ、１４，０００ｃｐ〜１８，０００ｃｐ、もしくは１８，０００ｃｐ〜２４，０００ｃｐのような前述の値の任意の２つの間で規定される任意の範囲内であってよい。
[0043]いくつかの実施形態においては、クエンチ液３４の所望のレベルの動粘度は、クエンチ液３４の温度を低下させることによって、またはクエンチ液３４に増粘剤を添加することによって得ることができる。例えば、いくつかの実施形態においては、クエンチ液３４は、例えば、２℃、４℃、６℃、もしくは８℃のような低い値、または１０℃、１２℃、１４℃、もしくは１６℃のような高い値、あるいは２℃〜１６℃、４℃〜１４℃、６℃〜１２℃、もしくは８℃〜１０℃のような前述の値の任意の２つの間で規定される任意の範囲内に維持される。いくつかの実施形態においては、クエンチ液３４は約４．４℃の温度に維持される。更に、またはあるいは、いくつかの実施形態においては、クエンチ液３４に、コーンスターチまたはポリマーアクリル酸エステルなどの増粘剤をさらに含ませることができる。
[0044]ブロック１１２において、繊維４８を巻取り機３０上に巻き取る。いくつかの実施形態においては、繊維４８を巻取り機３０上に巻き取る際の繊維４８の速度とゲル速度との比は、例えば、１．０：１、１．５：１、もしくは２．０：１のような低い値、または２００：１、１０００：１、もしくは３０００：１のような高い値、あるいは１．０：１〜２００：１、１．５：１〜１０００：１、もしくは２．０：１〜３０００：１のような前述の値の任意の２つの間で規定される任意の範囲内であってよい。
[0045]クエンチ液３４が本質的に水から構成されるいくつかの実施形態においては、クエンチ液３４は、繊維４８からカプロラクタムの相当部分を抽出して、これによっておそらくはより高いカプロラクタム濃度がポリアミドのポリマー鎖の絡み合い密度を低下させ、ポリマー鎖の長手方向の配向を改善してより強靱な繊維を生成することができる程度を低下させる可能性がある。したがって、いくつかの他の実施形態においては、クエンチ液３４に、水に加えてカプロラクタムを含ませることができる。クエンチ液３４中のカプロラクタムの濃度は、繊維４８からのカプロラクタムの抽出を防止するために、またはクエンチ中にカプロラクタムが繊維４８から抽出される程度を制御可能に減少させるために、所望のように維持することができる。いくつかの実施形態においては、クエンチ液３４は、例えば、１０重量％、２０重量％、３０重量％、４０重量％のような低い値、または６０重量％、７０重量％、８０重量％、もしくは９０重量％のような高い値、あるいは１０重量％〜９０重量％、３０重量％〜７０重量％、もしくは４０重量％〜６０重量％のような前述の値の任意の２つの間で規定される任意の範囲内のカプロラクタム濃度を有していてよい。
[0046]いくつかの実施形態においては、繊維４８は、例えば、８グラム／デニール（ｇｐｄ）、９ｇｐｄ、１０ｇｐｄ、もしくは１２ｇｐｄのような低い値、または１４ｇｐｄ、１６ｇｐｄ、１８ｇｐｄ、もしくは２０ｇｐｄのような高い値、あるいは８ｇｐｄ〜２０ｇｐｄ、９ｇｐｄ〜１８ｇｐｄ、１０ｇｐｄ〜１６ｇｐｄ、もしくは１２ｇｐｄ〜１４ｇｐｄのような前述の値の任意の２つの間で規定される任意の範囲内のＡＳＴＭ−Ｄ２２５６による強度を有する。
[0047]いくつかの実施態様においては、繊維４８は、例えば、１％、２％、もしくは５％のような小さい値、または１０％、２０％、もしくは５０％のような大きい値、或いは１％〜５０％、２％〜５０％、もしくは１％〜２０％のような前述の値の任意の２つの間で規定される任意の範囲内のＡＳＴＭ−Ｄ２２５６による極限伸びＵＥ（％）を有する。
[0048]図３は、種々のパーセンテージのカプロラクタムと混合された種々の数平均分子量のポリアミドの溶液の予測される紡糸性を示す。いかなる理論にも束縛されることを望むものではないが、所与の数平均分子量のポリアミドについては、溶液中のカプロラクタム濃度が低すぎると、押出機によって繊維を紡糸するには高すぎる押出圧力が必要となる可能性があると考えられる（斜線部(lightly shaded regions)）。逆に、溶液中のカプロラクタム濃度が高すぎると、溶融強度が低すぎて繊維を紡糸することができない可能性がある（斜交差線部(darkly shaded regions)）。図３に示すように、ポリアミドの数平均分子量が増加すると、溶液を紡糸可能にするためには組成物中のカプロラクタムの重量％を増加させることが必要である（非斜線部(unshaded regions)）
[0049]本明細書で使用されるように、「前述の値の任意の２つの間で規定される任意の範囲内」という語句は、文字通り、値がリストの下位部分にあるか、またはリストの上位部分にあるかにかかわらず、そのような語句の前にリストされた値の任意の２つから任意の範囲を選択することができることを意味する。例えば、一対の値は、２つのより低い値、２つのより高い値、またはより低い値およびより高い値から選択することができる。
[0049]本明細書で使用されるように、「前述の値の任意の２つの間で規定される任意の範囲内」という語句は、文字通り、値がリストの下位部分にあるか、またはリストの上位部分にあるかにかかわらず、そのような語句の前にリストされた値の任意の２つから任意の範囲を選択することができることを意味する。例えば、一対の値は、２つのより低い値、２つのより高い値、またはより低い値およびより高い値から選択することができる。
[0050]本発明は主としてテキスタイル紡糸のような用途に関するが、本明細書に開示された特徴は、カーペット繊維紡糸、従来の紡糸、および高性能繊維用途において使用される超高分子量ポリエチレンに関して使用されるようなゲル紡糸などの他の紡糸および押出プロセスに適用することができることを理解されたい。
[0051]本発明を例示的なデザインに関して説明したが、本発明は本発明の精神および範囲内でさらに修正することができる。さらに、本出願は、本発明が関係する技術分野における公知または慣例的な実施の範囲内に入るような本発明からの逸脱をカバーすることを意図する。
実施例１−ポリアミドＰＡ−６およびカプロラクタム溶液：
[0052]ＰＡ−６を昇温温度においてカプロラクタム中に溶解して粘稠質の溶液またはゲルを形成することによって、種々の量のＰＡ−６およびカプロラクタムの組成物を形成した。次に、複数の出口孔を含む紡糸口金を含む押出機に組成物を供給して、組成物を繊維に紡糸した。
[0052]ＰＡ−６を昇温温度においてカプロラクタム中に溶解して粘稠質の溶液またはゲルを形成することによって、種々の量のＰＡ−６およびカプロラクタムの組成物を形成した。次に、複数の出口孔を含む紡糸口金を含む押出機に組成物を供給して、組成物を繊維に紡糸した。
[0053]比較例Ａについては、２８０のギ酸粘度を有する１００％ＰＡ−６の組成物（０％のカプロラクタム）を、それぞれ直径０．４ｍｍの７２のフィラメントカウントを有する紡糸口金に供給した。パック圧力が１０〜１１ポンド／時の処理量においてシステムの３０００ｐｓｉの操作限界より高かったので、繊維を形成することができなかった。比較例Ａは、図３の斜線部に示されている（Ｅｘ．Ａ）。
[0054]例Ｂについては、ＰＡ−６を２５５℃〜２６５℃の範囲の温度においてカプロラクタム中に溶解することによって、２８０のギ酸粘度を有する２０％カプロラクタムおよび８０％ＰＡ−６の組成物を形成し、次いで比較例Ａと同じ紡糸口金に供給した。繊維は１２ポンド／時の処理量において上首尾に紡糸された。比較例Ｂは、図３の非斜線部に示されている（Ｅｘ．Ｂ）。
実施例２−ポリアミド繊維のテナシティ
[0055]図４〜７は、ポリアミド繊維のテナシティに対する、ポリアミドの分子量、クエンチ液の温度、紡糸延伸比、巻取り速度、および紡糸口金とクエンチ浴中のクエンチ液の表面との間のエアギャップの効果を示す。それぞれの場合において、ＰＡ−６は、上記の実施例Ａと同様に調製した。すなわち、ＰＡ−６はカプロラクタムによって溶解しなかった。クエンチ液は水であった。
[0055]図４〜７は、ポリアミド繊維のテナシティに対する、ポリアミドの分子量、クエンチ液の温度、紡糸延伸比、巻取り速度、および紡糸口金とクエンチ浴中のクエンチ液の表面との間のエアギャップの効果を示す。それぞれの場合において、ＰＡ−６は、上記の実施例Ａと同様に調製した。すなわち、ＰＡ−６はカプロラクタムによって溶解しなかった。クエンチ液は水であった。
[0056]図４は、種々の分子量のＰＡ−６から製造されたポリアミド繊維に関するテナシティに対する紡糸延伸比の効果を示すグラフである。図４〜７に関しては、分子量をＦＡＶによって示す。図４に示すように、繊維のテナシティは、紡糸延伸比の増加と共に増加し、より高い分子量のポリアミドは一般により高い比で延伸することがより可能である。また、所与の紡糸延伸比について、より高い分子量のポリアミドは、一般により高いテナシティを有する繊維を生成した。
[0057]図５は、種々の温度のクエンチ液を種々のエアギャップで用いて種々の分子量のＰＡ−６から製造されたポリアミド繊維に関するテナシティに対する巻取り速度の効果を示すグラフである。それぞれの線について、分子量（ＦＡＶ）、クエンチ液温度（℃）、およびエアギャップ（インチ）を線の横に示す。図５に示すように、テナシティは、一般に巻取り速度の増加と共に増加する。巻取り速度と紡糸延伸比は一定のゲル速度について相関しているので、これは図４に示すデータと一致する。図５はまた、図４と同様に、ポリアミド繊維を製造するために使用されるポリアミドのポリアミド分子量の増加に伴うテナシティの増加を示す。図５にさらに示すように、エアギャップを減少させても、一般に繊維のテナシティは増加する。図５はまた、クエンチ液の温度を上昇させると、一般に繊維のテナシティが増加することを示す。
[0058]図５において、６５℃のクエンチ液中において１１インチのエアギャップで２０５のＦＡＶを有するポリアミドから形成されたポリアミド繊維の強度を示す線は例Ｃである。６５℃のクエンチ液中において１１インチのエアギャップで２３０のＦＡＶを有するポリアミド繊維から形成されたポリアミド繊維の強度を示す線は例Ｄである。例Ｃは約１，２００ｍｐｍの巻取り速度以下で比較的高いテナシティを示し、一方で例Ｄは約４００ｍｐｍの低い巻取り速度においてやや高いテナシティを示しているが、より高速で引き取ることはできない。例Ｃは図３の非斜線部分に示されており、一方で例Ｄは図３の斜線部分に示されている。
[0059]図６は、種々のエアギャップで種々の温度のクエンチ液を用いて約３２，０００（ＦＡＶ−１５５）の分子量を有するＰＡ−６から製造されたポリアミド繊維に関するテナシティに対する巻取り速度の効果を示すグラフである。それぞれの線について、クエンチ液温度（℃）およびエアギャップ（インチ）を、線の横に示す。図６に示すように、テナシティは、一般に少なくともより高いクエンチ液温度においては、巻取り速度の増加、クエンチ液温度の上昇、およびエアギャップの減少と共に増加する。
[0060]図７は、種々のエアギャップで種々の分子量のＰＡ−６から製造されたポリアミド繊維についてのテナシティに対する巻取り速度の効果を示すグラフである。クエンチ液温度は５０℃である。それぞれの線について、分子量（ＦＡＶ）およびエアギャップ（インチ）を線の横に示す。図７に示すように、テナシティは、一般に、巻取り速度の増加、分子量の増加、およびエアギャップの減少と共に増加する（ＦＡＶ−１３５の線を比較されたい）。
Claims (14)
- 繊維を形成するための組成物であって、
ＡＳＴＭ−７８９に従って求められるギ酸粘度（ＦＡＶ）から誘導して３８，０００Ｄａ〜１００，０００Ｄａの間の数平均分子量を有する少なくとも1種類のポリアミド；および
カプロラクタム；
を含み、前記ポリアミドは少なくとも部分的に前記カプロラクタム中に溶解しており、前記カプロラクタムは前記組成物の２０重量％〜９０重量％の間を構成する上記組成物。 - 前記カプロラクタムが前記組成物の５０重量％〜９０重量％の間を構成する、請求項１に記載の組成物。
- 前記ポリアミドが、ＡＳＴＭ−７８９に従って求められるギ酸粘度（ＦＡＶ）から誘導して４１，０００Ｄａ〜６８，０００Ｄａの間の数平均分子量を有する、請求項１に記載の組成物。
- 繊維を製造する方法であって、
ＡＳＴＭ−７８９に従って求められるギ酸粘度（ＦＡＶ）から誘導して３８，０００Ｄａ〜１００，０００Ｄａの間の数平均分子量を有する少なくとも１種類のポリアミドをカプロラクタム中に溶解して紡糸可能な溶液を形成すること；および
紡糸口金を通して前記紡糸可能な溶液を押出すことによって、前記紡糸可能な溶液を紡糸して繊維を形成すること；
を含む上記方法。 - 前記少なくとも１種類のポリアミドの溶解を１５０℃〜２７０℃の温度で行う、請求項４に記載の方法。
- 前記紡糸可能な溶液が２０重量％〜９０重量％のカプロラクタムを含む、請求項４に記載の方法。
- 前記ポリアミドが、ＡＳＴＭ−７８９に従って求められるギ酸粘度（ＦＡＶ）から誘導して４１，０００Ｄａ〜６８，０００Ｄａの間の数平均分子量を有する、請求項４に記載の方法。
- クエンチ液を含むクエンチ浴中で紡糸された繊維をクエンチすることをさらに含む、請求項４に記載の方法。
- 前記紡糸口金と前記クエンチ浴中の前記クエンチ液との間にエアギャップが画定されており、前記エアギャップは長さ０．２５インチ〜１１インチである、請求項８に記載の方法。
- 前記紡糸された繊維をクエンチすることが、
前記クエンチ浴を通して前記繊維を第１の方向に牽引すること；および
前記クエンチ液を、前記第１の方向に対して実質的に反対の第２の方向に流すこと；
を含む、請求項８に記載の方法。 - 前記クエンチ液が１，０００センチポアズ〜２６，０００センチポアズの間の動粘度を有する、請求項８に記載の方法。
- 前記クエンチ液が５０℃〜１５０℃の温度である、請求項８に記載の方法。
- 複数のポリアミドポリマー鎖を含み、前記ポリアミドポリマー鎖は、ＡＳＴＭ−７８９に従って求められるギ酸粘度（ＦＡＶ）から誘導して３８，０００Ｄａ〜１００，０００Ｄａの間の数平均分子量を有するポリアミド繊維。
- 前記ポリアミド繊維のテナシティが１０グラム／デニールより大きい、請求項１３に記載のポリアミド繊維。
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