JP2023546975A - 溶融紡糸熱可塑性ポリウレタン繊維を含む可染性布地 - Google Patents
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Abstract
本発明は、カプロラクトン及びポリエーテルポリオールから誘導されたコポリマージオールを含む溶融紡糸熱可塑性ポリウレタン繊維、並びにそれから作製された布地に関し、それらは両方とも、分散染色条件下で染色することができる。
Description
アパレル市場では、延伸であるが、形状及びフィット性を維持することができる布地に対する関心が高まっている。熱可塑性ポリウレタン(「thermoplastic polyurethane、TPU」)繊維は、延伸特性及びフィット特性を提供する大きな可能性を示すが、いくつかの欠点を有する。多くのポリウレタン繊維は、溶媒中に反応性成分を溶解することを伴う乾式紡糸プロセスによって作製される。このような繊維は一般に良好な耐熱性を有するが、乾式紡糸プロセスは高価であり、時間がかかり、環境的配慮を引き起こす揮発性溶媒の使用を伴う。繊維の溶融紡糸は製造上の利点を有するが、全てのTPUが溶融紡糸条件下で繊維を形成するのに適しているわけではない。加えて、繊維に溶融紡糸することができる先行技術のTPUは、それらが特定の染色条件に耐えることを可能にする耐熱性を有していない。これは、溶融紡糸TPU繊維を他の一般的な合成又は天然繊維と組み合わせることを困難にする。なぜなら、TPU繊維は、染色条件に曝露された後にそれらの延伸特性及び回復特性を失い得るからである。
したがって、良好な延伸特性及び回復特性を有するが、分散染色条件下(例えば、約130℃~135℃Cの温度)で染色することができる溶融紡糸TPU繊維を有することが望ましい。染色することができ、望ましい特性を有する布地を提供するために、TPU繊維単独から、又は他の繊維材料と組み合わせて作製された布地を有することも望ましい。
加えて、スクラップ又は使用済み布地のリサイクルは、関心が高まっている分野である。他の物品を作製するために布地材料をリサイクルする方法を有することが望ましい。
一実施形態では、本発明は、繊維が熱可塑性ポリウレタン組成物及びイソシアネート官能性架橋剤を含む、溶融紡糸繊維である。繊維に使用される熱可塑性ポリウレタン組成物は、(i)カプロラクトンモノマー及びポリ(テトラメチレンエーテルグリコール)から誘導されたコポリマージオールを含むか、又はそれからなるポリオール成分と、(ii)ヒドロキシル末端鎖延長剤成分と、(iii)第1のジイソシアネート成分との反応生成物を含む。
別の実施形態では、本発明は、以下のステップを有する熱可塑性ポリウレタンを調製するためのプロセスであって、(a)(a)カプロラクトンモノマー及びポリ(テトラメチレンエーテルグリコール)から誘導されたコポリマージオールを含むポリオール成分と、(b)1,4-ビス(β-ヒドロキシエトキシ)ベンゼンを含む鎖延長剤成分と、(c)ジイソシアネートとの反応生成物である反応性熱可塑性ポリウレタン組成物を調製するステップと、(2)反応性熱可塑性ポリウレタン組成物を乾燥させるステップと、(3)反応性熱可塑性ポリウレタン組成物を押出機中で溶融するステップと、(4)イソシアネート官能性プレポリマーを押出機中に添加するステップと、(5)反応性熱可塑性ポリウレタン組成物とイソシアネート官能性プレポリマーとを押出機中で混合して、架橋熱可塑性ポリウレタンポリマーを形成するステップと、(6)架橋熱可塑性ポリウレタンポリマーを少なくとも1つの紡糸口金に供給して、溶融紡糸繊維を生成するステップと、(7)溶融紡糸繊維を冷却するステップと、(8)溶融紡糸繊維をボビン上に巻き取るステップと、を含む、プロセスを含む。
更に別の実施形態では、本発明は、ASTM D2256に従って測定された10%~75%の極限伸びを有する硬質糸、例えば、ポリエステル繊維を含む第1の繊維成分と、ASTM D2731に従って測定された少なくとも300%の極限伸びを有する溶融紡糸熱可塑性ポリウレタンフィラメントを含む第2の繊維成分と、を含み、第1の繊維成分及び第2の繊維成分が、一緒に編まれて布地を形成し、布地が、分散染色条件を使用して染色される、布地を提供する。
別の実施形態では、本発明は、他の物品を作製するために、本明細書で作製された布地をリサイクルする方法を提供する。
これらの様々な実施形態は、以下でより詳細に説明される。
本発明の特性及び実施形態について、以下の非限定的な例示によって以下に説明する。
開示される技術は、熱可塑性ポリウレタン(「TPU」)組成物及びイソシアネート官能性架橋剤を含む溶融紡糸繊維を含む。本発明の溶融紡糸繊維を作製するのに有用なTPU組成物は、ポリオール成分と、ヒドロキシル末端鎖延長剤成分と、ジイソシアネート成分との反応生成物である。イソシアネート官能性架橋剤は、ポリオールと過剰のイソシアネートとの反応生成物である。これらの構成要素の各々について、以下でより詳細に説明する。
本明細書で使用される場合、重量平均分子量(weight average molecular weight、Mw)は、ポリスチレン標準を使用するゲル浸透クロマトグラフィーによって測定され、数平均分子量(number average molecular weight、Mn)は、末端基分析によって測定される。
熱可塑性ポリウレタン組成物
熱可塑性ポリウレタン組成物
本発明の溶融紡糸繊維を作製するのに有用なTPU組成物は、ポリオール成分を含み、これはまた、ヒドロキシル末端中間体として記載され得る。本発明において、ポリオール成分は、カプロラクトンモノマー及びヒドロキシル官能性ポリエーテル中間体から誘導されたコポリマージオールを含むか、又はそれからなる。
本発明で使用されるコポリマーポリオールを作製するのに有用なカプロラクトンモノマーとしては、ε-カプロラクトン及び2-オキセパノンが挙げられる。一実施形態では、カプロラクトンモノマーをポリエーテルジオールと反応させて、コポリマージオールを形成する。別の実施形態では、ε-カプロラクトンは、別の二官能性開始剤(例えば、ジエチレングリコール、1,4-ブタンジオール、ネオペンチルグリコール、又は当業者に公知の任意の他のグリコール及び/若しくはジオール)と反応され得る。
ε-カプロラクトンがポリエーテルポリオール中間体と反応する一実施形態では、好適なヒドロキシル官能性ポリエーテル中間体としては、合計2~15個の炭素原子を有するジオール又はポリオールから誘導されたポリエーテルポリオールが挙げられ、いくつかの実施形態では、2~6個の炭素原子を有するアルキレンオキシド、典型的にはエチレンオキシド若しくはプロピレンオキシド又はそれらの混合物を含むエーテルと反応するアルキルジオール又はグリコールが挙げられる。例えば、ヒドロキシル官能性ポリエーテルは、最初にプロピレングリコールをプロピレンオキシドと反応させ、続いてエチレンオキシドと反応させることによって生成することができる。エチレンオキシドから得られる一級ヒドロキシル基は、二級ヒドロキシル基よりも反応性が高く、したがって好ましい場合がある。有用な市販のポリエーテルポリオールとしては、エチレングリコールと反応したエチレンオキシドを含むポリ(エチレングリコール)、プロピレングリコールと反応したプロピレンオキシドを含むポリ(プロピレングリコール)、テトラヒドロフランと反応した水を含むポリ(テトラメチレンエーテルグリコール)(重合テトラヒドロフランと記載することもでき、一般にPTMEGと称される)が挙げられる。いくつかの実施形態では、本発明において使用されるヒドロキシル官能性ポリエーテル中間体は、PTMEGを含むか、又はそれからなる。
一実施形態では、ポリオール成分は、カプロラクトンモノマーとポリ(テトラメチレンエーテルグリコール)との反応生成物であるコポリマージオールを含むか、又はそれからなる。別の実施形態では、ポリオール成分は、約50重量%のε-カプロラクトンモノマーと約50重量%のポリ(テトラメチレンエーテルグリコール)との反応生成物を含むか、又はそれからなる。
本発明の一実施形態では、本明細書で使用されるTPU組成物を形成するための反応混合物は、約50重量%~約80重量%、例えば、約60重量%~約75重量%、又は更に約65重量%~約70重量%のポリオール成分を含む。
鎖延長剤成分
鎖延長剤成分
本明細書に記載されるTPU組成物は、鎖延長剤成分を使用して作製される。好適な鎖延長剤としては、ジオール、ジアミン、及びそれらの組み合わせが挙げられる。
好適な鎖延長剤としては、比較的小さいポリヒドロキシ化合物、例えば、2~20個、又は2~12個、又は2~10個の炭素原子を有する低級脂肪族又は短鎖グリコールが挙げられる。好適な例としては、エチレングリコール、ジエチレングリコール、プロピレングリコール、ジプロピレングリコール、1,4-ブタンジオール(butanediol、BDO)、1,6-ヘキサンジオール(hexanediol、HDO)、1,3-ブタンジオール、1,5-ペンタンジオール、ネオペンチルグリコール、1,4-シクロヘキサンジメタノール(cyclohexanedimethanol、CHDM)、2,2-ビス[4-(2-ヒドロキシエトキシ)フェニル]プロパン((hydroxyethoxy)phenyl]propane、HEPP)、1,4-ビス(β-ヒドロキシエトキシ)ベンゼン((hydroxyethoxy)benzene、HQEE)、ヘキサメチレンジオール、ヘプタンジオール、ノナンジオール、ドデカンジオール、3-メチル-1,5-ペンタンジオール、エチレンジアミン、ブタンジアミン、ヘキサメチレンジアミン、及びヒドロキシエチルレゾルシノール(hydroxyethyl resorcinol、HER)など、並びにそれらの混合物が挙げられる。一実施形態では、鎖延長剤は、1,4-ビス(β-ヒドロキシエトキシ)ベンゼン(HQEE)を含むか、又はそれからなる。
本発明の一実施形態では、本明細書で使用されるTPU組成物を形成するための反応混合物は、約5重量%~約25重量%、例えば、約5重量%~約15重量%、又は更に約8重量%~10重量%の鎖延長剤成分を含む。
イソシアネート成分
イソシアネート成分
本発明のTPUは、イソシアネート成分を使用して作製される。イソシアネート成分は、1つ以上のポリイソシアネート、又はより具体的には1つ以上のジイソシアネートを含んでもよい。好適なポリイソシアネートとしては、芳香族ジイソシアネート、脂肪族ジイソシアネート、又はそれらの組み合わせが挙げられる。いくつかの実施形態では、ポリイソシアネート成分は、1つ以上の芳香族ジイソシアネートを含む。いくつかの実施形態では、ポリイソシアネート成分は、脂肪族ジイソシアネートを本質的に含まないか、又は全く完全に含まない。他の実施形態では、ポリイソシアネート成分は、1つ以上の脂肪族ジイソシアネートを含む。いくつかの実施形態では、ポリイソシアネート成分は、芳香族ジイソシアネートを本質的に含まないか、又は全く完全に含まない。いくつかの実施形態では、脂肪族及び芳香族ジイソシアネートの混合物が有用であり得る。
有用なポリイソシアネートの例としては、4,4’-メチレンビス(フェニルイソシアネート)(MDI)、3,3’-ジメチル-4,4’-ビフェニレンジイソシアネート(TODI)、1,5-ナフタレンジイソシアネート(naphthalene diisocyanate、NDI)、m-キシレンジイソシアネート(xylene diisocyanate、XDI)、フェニレン-1,4-ジイソシアネート、ナフタレン-1,5-ジイソシアネート、及びトルエンジイソシアネート(toluene diisocyanate、TDI)などの芳香族ジイソシアネート、並びに1,6-ヘキサメチレンジイソシアネート(hexamethylene diisocyanate、HDI)、イソホロンジイソシアネート(isophorone diisocyanate、IPDI)、1,4-シクロヘキシルジイソシアネート(cyclohexyl diisocyanate、CHDI)、デカン-1,10-ジイソシアネート、リジンジイソシアネート(lysine diisocyanate、LDI)、1,4-ブタンジイソシアネート(butane diisocyanate、BDI)、イソホロンジイソシアネート(PDI)、及びジシクロヘキシルメタン-4,4’-ジイソシアネート(dicyclohexylmethane-4,4’diisocyanate、H12MDI)などの脂肪族ジイソシアネートが挙げられる。これらのジイソシアネートの異性体も有用であり得る。2つ以上のポリイソシアネートの混合物を使用してもよい。いくつかの実施形態では、イソシアネート成分は、芳香族ジイソシアネートを含むか、又はそれからなる。いくつかの実施形態では、イソシアネート成分は、MDIを含むか、又はそれからなる。
本発明の一実施形態では、本明細書で使用されるTPU組成物を形成するための反応混合物は、約15重量%~約30重量%、例えば、約15重量%~約25重量%、又は更に約18重量%~約20重量%のイソシアネート成分を含む。
任意選択的に、1つ以上の重合触媒が、TPUの重合反応中に存在してもよい。一般に、ジイソシアネートをポリオール中間体又は連鎖延長剤と反応させるために、任意の従来の触媒を利用することができる。特に、ジイソシアネートのNCO基とポリオール及び鎖延長剤のヒドロキシ基との間の反応を促進する好適な触媒の例は、先行技術から公知の従来の三級アミン(例えば、トリエチルアミン、ジメチルシクロヘキシルアミン、N-メチルモルホリン、N,N’-ジメチルピペラジン、2-(ジメチルアミノエトキシ)エタノール、ジアザビシクロ[2.2.2]オクタンなど)、及びまた特に、有機金属化合物(例えば、チタンエステル、鉄化合物(例えば、鉄アセチルアセトネート)、スズ化合物(例えば、二酢酸スズ、オクタン酸スズ、ジラウリン酸スズ)、ビスマス化合物(例えば、トリネオデカン酸ビスマス)、又は脂肪族カルボン酸のジアルキルスズ塩(例えば、二酢酸ジブチルスズ、ジラウリン酸ジブチルスズ)など)である。触媒の通常使用される量は、ポリオール成分100重量部当たり0.001~0.1重量部である。いくつかの実施形態では、本発明のTPUを形成するための反応は、触媒を実質的に含まないか、又は完全に含まない。
本発明において使用されるTPU組成物は、「ワンショット」プロセスを介して作製され得、ここで、全ての成分は、加熱された押出機に同時に又は実質的に同時に一緒に添加され、反応されてTPUを形成する。ジイソシアネートの、ヒドロキシル末端中間体及び鎖延長剤の総当量に対する当量比は、一般に、約0.95~約1.10、例えば、約0.97~約1.03、又は更に約0.98~約1.0である。一実施形態では、TPUが末端ヒドロキシル基を有して、繊維紡糸プロセス中の架橋剤との反応を高めるように、当量比は1.0未満であってもよい。TPUの重量平均分子量(MW)は、一般に、約25,000~約300,000、例えば、約50,000~約200,000、更に例えば、約75,000~約150,000である。
別の実施形態では、TPUは、プレポリマープロセスを使用して調製され得る。プレポリマープロセスでは、ヒドロキシル末端中間体を一般に当量過剰の1つ以上のジイソシアネートと反応させて、遊離又は未反応イソシアネートをその中に有するプレポリマー溶液を形成する。続いて、本明細書に記載されるような鎖延長剤が、イソシアネート末端基並びに任意の遊離又は未反応ジイソシアネート化合物に一般に等しい当量で添加される。したがって、全ジイソシアネートの、ヒドロキシル末端中間体及び鎖延長剤の総当量に対する全当量比は、約0.95~約1.10、例えば、約0.97~約1.03、又は更に約0.98~約1.0である。一実施形態では、TPUが末端ヒドロキシル基を有して、繊維紡糸プロセス中の架橋剤との反応を高めるように、当量比は1.0未満であってもよい。典型的には、プレポリマープロセスは、押出機などの任意の従来のデバイスで実施することができる。
任意選択の添加剤成分は、重合反応中に存在してもよく、かつ/又は加工及び他の特性を改善するために上記のTPUエラストマーに組み込まれてもよい。これらの添加剤としては、酸化防止剤、有機ホスファイト、ホスフィン及びホスホナイト、ヒンダードアミン、有機アミン、有機硫黄化合物、ラクトン及びヒドロキシルアミン化合物、殺生物剤、殺菌剤、抗菌剤、相溶化剤、電気散逸性又は帯電防止添加剤、充填剤及び強化剤(例えば、二酸化チタン、アルミナ、クレー及びカーボンブラック)、難燃剤(例えば、ホスフェート、ハロゲン化材料、及びアルキルベンゼンスルホネートの金属塩)、耐衝撃性改良剤(例えば、メタクリレート-ブタジエン-スチレン(「methacrylate-butadiene-styrene、MBS」)及びメチルメタクリレートブチルアクリレート(「methylmethacrylate butylacrylate、MBA」))、離型剤(例えば、ワックス、脂肪及び油、顔料及び着色剤、可塑剤、ポリマー)、レオロジー改良剤(例えば、モノアミン、ポリアミドワックス、シリコーン、及びポリシロキサン)、スリップ添加剤(例えば、パラフィンワックス、炭化水素ポリオレフィン、及び/又はフッ素化ポリオレフィン)、並びにUV安定剤(これらはヒンダードアミン光安定剤(hindered amine light stabilizer、HALS)及び/又はUV光吸収剤(UV light absorber、UVA)タイプであってもよい)が挙げられるが、これらに限定されない。他の添加剤を使用して、TPU組成物又はブレンド生成物の性能を向上させてもよい。上記の全ての添加剤は、これらの物質に対して慣習的な有効量で使用することができる。
これらの追加の添加剤は、TPU樹脂の調製のための成分に、又はTPU樹脂の調製のための反応混合物に、あるいはTPU樹脂を作製した後に組み込むことができる。別のプロセスでは、全ての材料をTPU樹脂と混合し、次いで、溶融させることができるか、又はそれらをTPU樹脂の溶融物に直接組み込むことができる。
イソシアネート官能性架橋剤
イソシアネート官能性架橋剤
上記のTPU組成物は、イソシアネート官能性架橋剤と組み合わされる。架橋剤は、ポリエーテル、ポリエステル、ポリカプロラクトン、ポリカーボネート、及びそれらの混合物から選択されるヒドロキシル末端ポリオールと過剰のジイソシアネートとの反応生成物である。一実施形態では、架橋剤において使用されるヒドロキシル末端ポリオールは、ポリエーテルポリオールである。例えば、ヒドロキシル末端ポリエーテルは、ポリ(テトラメチレンエーテルグリコール)を含みか、又はそれからなり得る。別の実施形態では、架橋剤において使用されるヒドロキシル末端ポリオールは、ポリエステルである。例えば、ヒドロキシル末端ポリエステルは、ネオペンチルグリコールアジペートを含むか、又はそれからなり得る。一実施形態では、ポリイソシアネート成分は、芳香族ジイソシアネート、例えば、MDIである。別の実施形態では、ポリイソシアネート成分は、脂肪族ジイソシアネート、例えば、H12MDIである。架橋剤は、1.0より大きい、例えば、約1.5~2.5、更に例えば、約1.8~2.2のイソシアネート官能価を有する。イソシアネート官能性架橋剤は、ヒドロキシル末端中間体を当量過剰の1つ以上のジイソシアネートと反応させて、遊離又は未反応イソシアネートを有するプレポリマー溶液を形成する、本明細書に記載のプレポリマープロセスを使用して調製することができる。
TPUポリマーとともに使用される架橋剤の重量パーセントは、約5.0重量%~約20重量%、例えば、約8.0重量%~約15重量%である。使用される架橋剤のパーセンテージは、TPU及び架橋剤の総重量に基づく重量パーセントである。
熱可塑性ポリウレタン繊維
熱可塑性ポリウレタン繊維
溶融紡糸TPU繊維は、押出機中でTPU組成物を溶融し、溶融TPUに架橋剤を添加することによって作製される。架橋剤を有するTPU溶融物は、紡糸口金に供給される。溶融物は、紡糸口金を出て繊維を形成し、繊維は、冷却され、ボビン上に巻き取られる。この方法は、以下のステップ:(1)(a)カプロラクトンモノマー及びポリ(テトラメチレンエーテルグリコール)から誘導されたコポリマージオールを含むか、又はそれからなる、ポリオール成分と、(b)1,4-ビス(β-ヒドロキシエトキシ)ベンゼンを含むか、又はそれからなる、鎖延長剤成分と、(c)ジイソシアネートとの反応生成物である反応性熱可塑性ポリウレタン組成物を調製するステップと、(2)反応性熱可塑性ポリウレタン組成物を乾燥させるステップと、(3)反応性熱可塑性ポリウレタン組成物を押出機中で溶融するステップと、(4)イソシアネート官能性プレポリマーを押出機中に添加するステップと、(5)反応性熱可塑性ポリウレタン組成物とイソシアネート官能性プレポリマーとを押出機中で混合して、架橋熱可塑性ポリウレタンポリマーを形成するステップと、(6)架橋熱可塑性ポリウレタンポリマーを少なくとも1つの紡糸口金に供給して、溶融紡糸繊維を生成するステップと、(7)溶融紡糸繊維を冷却するステップと、(8)溶融紡糸繊維をボビンコア上に巻き取るステップと、を含む。このプロセスのステップについて、以下でより詳細に説明する。
溶融紡糸プロセスは、予め形成されたTPUポリマーを押出機中に供給することから始まる。TPUは、押出機中で溶融され、架橋剤は、TPU溶融物が押出機を出る点の近くの下流に、又はTPU溶融物が押出機を出た後に、連続的に添加される。溶融物が押出機を出た後に架橋剤が添加される場合、架橋剤は、TPUポリマー溶融物への架橋剤の適切な混合を確実にするために、静的又は動的ミキサーを使用してTPU溶融物と混合される必要がある。押出機及びミキサーを出た後、架橋剤を含む溶融TPUポリマーは、マニホールド中に流入する。マニホールドは溶融ストリームを異なるストリームに分割し、各ストリームは複数の紡糸口金に供給される。通常、マニホールドから流れる各々の異なるストリームに対して溶融ポンプが存在し、各溶融ポンプはいくつかの紡糸口金に供給する。紡糸口金は小さな孔を有し、この孔を通して溶融物が押し出され、繊維の形態で紡糸口金から出る。紡糸口金の孔のサイズは、繊維の所望のサイズ(デニール)に依存する。繊維は、紡糸口金を出るときに引き伸ばされるか又は延伸され、ボビン上に巻き取られる前に冷却される。繊維は、紡糸口金を出る繊維の速度よりも速い速度でボビンを巻き取ることによって延伸される。溶融紡糸TPU繊維について、ボビンは、通常、紡糸口金を出る繊維の速度よりも大きい速度で、例えば、いくつかの実施形態では、紡糸口金を出る繊維の速度の4~8倍の速度で巻き取られるが、特定の機器に応じて、より遅く又はより速く巻き取られ得る。典型的なボビン巻き取り速度は、100~3000メートル/分で変動し得るが、より典型的な速度は、TPU溶融紡糸繊維について300~1200メートル/分である。シリコーン油などの仕上げ油は、通常、冷却後、ボビンに巻き取られる直前に、繊維の表面に添加される。
溶融紡糸プロセスの重要な態様は、TPUポリマー溶融物と架橋剤との混合である。適切な均一混合は、均一な繊維特性を達成し、繊維破損を経験することなく長い実行時間を達成するために重要である。TPU溶融物と架橋剤との混合は、プラグフロー、すなわち先入れ先出しを達成する方法であるべきである。適切な混合は、動的ミキサー又は静的ミキサーを用いて達成することができる。例えば、供給スクリュー及び混合ピンを有する動的ミキサーを使用することができる。米国特許第6,709,147号は、そのようなミキサーを記載しており、回転可能な混合ピンを有する。
TPUは、繊維紡糸プロセス中に架橋剤と反応して、約200,000~約800,000、好ましくは約250,000~約500,000、より好ましくは約300,000~約450,000の繊維形態のTPUの重量平均分子量(MW)を与える。TPUが紡糸口金を出る点でのTPUと架橋剤との間の繊維紡糸プロセスにおける反応は、20%超、好ましくは約30%~約60%、より好ましくは約40%~約50%であるべきである。TPUポリマーと架橋剤との間の典型的な先行技術のTPU溶融紡糸反応は、20%未満、通常約10~15%の反応である。反応は、NCO基の消失によって決定される。本発明のより高い%反応は、溶融強度を改善し、したがって、より高い紡糸温度を可能にし、これはTPUの紡糸性を改善する。繊維は通常、分子量が横ばいになるまでボビン上でオーブン中で熟成される。
紡糸温度(紡糸口金におけるポリマー溶融物の温度)は、ポリマーの融点より高くなければならず、好ましくはポリマーの融点より約10℃C~約20℃C高くなければならない。使用できる紡糸温度が高ければ高いほど、紡糸は良好である。しかしながら、紡糸温度が高すぎる場合、ポリマーは分解する可能性がある。したがって、TPUポリマーの融点よりも約10℃C~約20℃C高い温度が、ポリマーの分解を伴わずに良好な紡糸のバランスを達成するのに最適である。紡糸温度が低すぎる場合、ポリマーは、紡糸口金中で固化し、繊維破断を引き起こす可能性がある。本発明によって生成される繊維の紡糸温度は、190℃C超、好ましくは約190℃C~約220℃C、又は更に約190℃C~約200℃Cである。
溶融紡糸TPU繊維を作製する重要な態様は、プロセスを停止することなく連続的に行うことができる時間である。プロセスを停止する必要性は、通常、繊維破断の結果である。繊維破断は、紡糸口金での圧力が許容できないレベルまで増加するときに起こる。圧力が1平方cm当たり約140~200kgの力に達すると、繊維破断が通常起こる。圧力上昇は、不適切な混合などのいくつかの理由で起こり得る。これは、繊維のための紡糸口金における小さな出口孔の部分的な閉塞を引き起こし得る架橋剤の自己反応に起因する生成物の形成をもたらす。本発明は、有害な圧力上昇を超えて繊維破損をもたらす前に、はるかに長い実行時間を可能にする。
溶融紡糸TPU繊維は、様々なデニールで作製することができる。「デニール」という用語は、9000メートルの繊維、フィラメント、又は糸のグラム単位の質量として定義される。それは、繊維、フィラメント、又は糸の単位長さ当たりの質量である線密度を記載しており、ASTM D1577、オプションBに従って測定される。典型的な溶融紡糸TPU繊維は、1080未満のデニールサイズ、より典型的には10~240未満のデニールサイズで作製され、20及び40デニールがよく使用されるサイズである。
先行技術の溶融紡糸TPU繊維は、ポリエステルを染色するのに必要な高温のために、通常、ポリエステル繊維と組み合わせて使用されない。ポリエステルポリマー及び繊維の極性の欠如並びに極めて高い結晶性のために、分散性染料が染色に典型的に使用される。このような繊維は、通常、120℃C~135℃C、例えば、約130℃Cで60分間、1~1.5kg/cm2の圧力で染色される。この圧力染色は、ポリエステルポリマーを「開放し」、染料分子が浸透することを可能にする。染色が完了し、布地が加圧染色容器(染色機と称される)から取り出されると、ポリエステルポリマー系は再び「閉鎖し」、分散染料分子を内部に「捕捉する」。先行技術の溶融紡糸TPU繊維は、いずれもASTM D2731に従って測定されるテナシティ及びひずみ率などの物理的特性を失うことなく、このタイプの温度に60分間耐えることができない。加えて、先行技術の溶融紡糸TPU繊維はまた、前述の高温及び高圧に曝露されたときに隣接する繊維に融着する傾向があり、これは布地の延伸特性に有害である。
本発明の溶融紡糸TPU繊維の高い耐熱性は、弾性を維持するのに十分な物理的特性を保持しながら、ポリエステル繊維の染色操作に耐えることができる。
本発明の高耐熱性溶融紡糸TPU繊維の別の特性は、分散性染料を吸収する能力である。分散性染色のためのプロセスは、約130℃Cの温度に約60分間曝露すること(ポリエステル繊維のための染色条件)を伴う。多くのTPU繊維は、これらの温度への曝露後に、染料ピックアップ、色堅牢度(洗浄後)、及び耐漂白性を示すことができない。
本発明に従って作製された溶融紡糸繊維は、先行技術のTPU繊維によって呈されない独特の物理的特性を有する。第一に、繊維は、独特の弾性特性を呈する。例えば、本発明に従って作製された繊維は、100%伸び時に30%未満又は更に20%未満、150%伸び時に30%未満又は更に18%未満、及び200%伸び時に30%未満又は更に18%未満の、5回目の負荷及び無負荷サイクル後のヒステリシスを呈する。「ヒステリシス」という用語は、外部刺激が除去された後の残留物理的効果として定義され、繊維において、それは延伸及び回復後の寸法の変化として観察される。対応する伸び(又は歪み)でのヒステリシスパーセントとして表される。ヒステリシスは、ASTM D2731に従って測定される。ヒステリシスの計算は、以下の情報及び式を使用して計算することができる。
負荷サイクル中の100%伸び時の弾性率=m1
負荷サイクル中の100%伸び時の弾性率=m2
100%伸び時のヒステリシス%=(m1-m2)/m1×100。ヒステリシスは、150%及び200%伸び時に同様に計算され得る。
負荷サイクル中の100%伸び時の弾性率=m1
負荷サイクル中の100%伸び時の弾性率=m2
100%伸び時のヒステリシス%=(m1-m2)/m1×100。ヒステリシスは、150%及び200%伸び時に同様に計算され得る。
本発明に従って作製された溶融紡糸TPU繊維はまた、ASTM D2731によって測定される場合、少なくとも300%、例えば、300%~650%の極限伸びを有する。典型的には、弾性材料は、伸展性及び弾性によって特徴付けられ、外力が解放されると、これらの材料は、ほぼ完全に元の寸法に戻る。理想的な弾性材料の場合、応力-歪みプロット上には、負荷サイクル及び除荷サイクルを追跡する曲線が1つしか存在しない。しかしながら、ほとんどの材料では、エネルギー(熱の形態)の損失に起因して、ほとんどの材料は、「ヒステリシス」としても知られる、負荷及び除荷について異なる曲線を示す。より低いヒステリシス%値は、優れた弾性を意味する。非常に低いヒステリシス%を有する弾性繊維の使用は、衣料品においてより少ない変形を有する布地を達成するために使用され得る。
加えて、本発明に従って作製された溶融紡糸TPU繊維はまた、ASTM D3418に従って測定する、140°~170℃C、例えば、150℃C~170℃C、更に例えば、約155℃C~166℃Cの溶融開始、並びに、DMA(動的機械分析(Dynamic mechanical analysis))によって測定する、130℃Cで3.5E+05~12E+05Paの弾性率を有し得る。DMA測定は、1Hzの周波数を使用して0.1%の歪みで2℃C/分の加熱速度で-100℃C~250℃Cの平行板構成を使用して行われる。
布地
布地
本発明のTPU繊維は、繊維を編む若しくは織ることによって天然若しくは合成の他の繊維と組み合わされて、種々の物品において使用され得る布地を作製する。このような布地を様々な色に染色することが望ましい。
本発明の溶融紡糸TPU繊維は、衣類衣料品を含む様々な最終用途物品を作製するために、綿、ナイロン、又はポリエステルなどの他の繊維と組み合わせることができる。
例えば、本発明による布地は、本発明の溶融紡糸TPU繊維を、TPUから作製されておらず、本明細書において「硬質糸」とも称される、本発明のTPU繊維よりも弾性が低い糸と組み合わせることができる。硬質糸としては、例えば、ポリエステル、ナイロン、綿、羊毛、アクリル、ポリプロピレン、又はビスコースレーヨンが挙げられ得る。一実施形態では、硬質糸は、10%~200%、例えば、10%~75%、又は10%~60%、又は更に10%~50%、又は更に10%~30%の極限伸びを有し、本発明の溶融紡糸TPU繊維は、少なくとも300%の極限伸び、例えば、300%~650%の極限伸びを有する。繊維成分の各々は、組成物中に1~99重量%の量で含まれ得る。最終用途における溶融紡糸TPU繊維の重量%は、所望の弾性に応じて変動することができる。例えば、織布は1~8重量%、下着は2~5重量%、水着及びスポーツウェアは8~30重量%、ファンデーションは10~45重量%、医療用ホースは35~60重量%の溶融紡糸TPU繊維を有し、残りの量は硬質非弾性繊維である。これらの2つの繊維材料で作製された布地は、丸編み、経編み、製織、編組、不織布又はそれらの組み合わせを含むがこれらに限定されない、様々なプロセスによって構成することができる。一実施形態では、本発明の繊維から作製された布地は、ASTM D4964に従って測定される100%超の延伸を有する。繊維は、少なくとも130℃Cの高温で染色されてもよい。
本出願及び以下の実施例において、以下の特性は、そのような特性を測定するための方法とともに言及される。
・デニールは、線密度の尺度であり、ASTM D1577、オプションBに従って測定された。
・デニールによって正規化された引張強度である弾性フィラメントのテナシティも、ASTM D2731に従って測定され、報告された。
・破断点伸びである弾性フィラメントの極限伸びもまた、ASTM D2731に従って測定され、報告された。
・弾性フィラメントについてASTM D2731に従って、それぞれの伸びにおいて本明細書で前述したように定義及び計算され、かつ報告される、ヒステリシス。
・非弾性であるポリエステルのような硬質糸については、テナシティ及び伸びを測定し、ASTM D2256規格を使用した。
・布地中の個々の成分の含有量は、ASTM D629に従って測定された
・布地延伸、及び布地弾性率は、ASTM D4964に従って測定された。
・米国繊維化学者・色彩技術者協会(American Association of Textile Chemists and Colorists、AATCC)の試験方法135を使用して、生地洗濯を実施した。
・デニールは、線密度の尺度であり、ASTM D1577、オプションBに従って測定された。
・デニールによって正規化された引張強度である弾性フィラメントのテナシティも、ASTM D2731に従って測定され、報告された。
・破断点伸びである弾性フィラメントの極限伸びもまた、ASTM D2731に従って測定され、報告された。
・弾性フィラメントについてASTM D2731に従って、それぞれの伸びにおいて本明細書で前述したように定義及び計算され、かつ報告される、ヒステリシス。
・非弾性であるポリエステルのような硬質糸については、テナシティ及び伸びを測定し、ASTM D2256規格を使用した。
・布地中の個々の成分の含有量は、ASTM D629に従って測定された
・布地延伸、及び布地弾性率は、ASTM D4964に従って測定された。
・米国繊維化学者・色彩技術者協会(American Association of Textile Chemists and Colorists、AATCC)の試験方法135を使用して、生地洗濯を実施した。
本発明は、以下の実施例を参照することによってより良く理解されるであろう。
実施例A~GのTPUポリマーを、真空バッチ乾燥機において80℃Cで12時間予備乾燥した。乾燥後、TPUポリマーを、24のL/D比を有する1.25インチ一軸スクリュー押出機中で溶融した。押出機は、プロセス全体を通して180℃C~225℃Cに維持された4つの加熱ゾーンを有していた。押出機を出る際に、TPUポリマー溶融物を10重量%のプレポリマー架橋剤と混合した(90重量%のTPUポリマー溶融物/10重量%の架橋剤)。TPU及び架橋剤の組み合わせを表2に要約する。
架橋剤をダイナミックミキサー中でTPUポリマー溶融物と混合し、次いで、マニホールドを通して紡糸口金にポンプで送った。各紡糸口金は0.65mmのオリフィスサイズを有していた。紡糸口金から出るポリマーストリームを空気で冷却し、シリコン仕上げ油を適用し、形成された繊維をボビンに巻き取った。繊維の物理的特性を試験する前に、ボビン上の繊維を80℃Cで24時間熱熟成させた。表3は、繊維の重要な特性を要約する。
Vanguard丸編み機でシングルジャージ編み布地を作製するために、実施例1の繊維を使用した。70D(68フィラメント)のマルチフィラメントテクスチャード加工ポリエステル糸を(硬質糸として)表3の実施例と組み合わせた。機械上の編み張力を調整して、表3の25%のエラストマー糸及び75%のポリエステル糸を含有するように布地全体においてバランスのとれた比を編んだ(これは、ASTM D629-15に従って、布地の小ぎれにおけるエラストマー糸及び硬質糸の重量による機械的分離によって確認された)。表2の繊維実施例1は、布地への変換に成功した。繊維実施例2~7は、粘着性が高すぎ、編みプロセス中に一貫して破断し、布地に変換することができなかった。
実施例1の繊維を使用して編布地を以下のように染色した。
精練、染色、及び還元透明溶液:1000mlの精練溶液は、2グラムのNa2CO3、6グラムのNaOHを含有し、残りは脱イオン水であった。1000mlの染料溶液は、Archroma U.S.製の2グラムのForon Navy S-2GRL 200、6グラムのNa2CO3を含有し、残りは脱イオン水であった。酢酸を使用して染浴のpHを4.5に調整した。1000mlの還元透明溶液は、6グラムのNaOHを含有し、残りは脱イオン水であった。
長さ10メートル、重量1kgの布地片をThies miniMaster(登録商標)染色機に入れた。染色機は、精練、染色、及び還元透明温度サイクルのためにプログラムされた。
30分間、65℃Cで上記で調製した1リットルの精練溶液を使用して精練を行い、続いて温かい水道水ですすいだ。次いで、染料容器を1リットルの染料溶液で満たした染色プロセスを50℃Cで開始した。次いで、浴温度を2℃C/分の速度でゆっくりと130℃Cに上昇させ、その温度で60分間保持した。次いで、温度を80℃Cに下げ、次いで、染料溶液を染料容器から排出し、続いて、2サイクルの水道水ですすいだ。
すすいだ後、上記で調製した1リットルの還元透明溶液を染色容器に75℃~80℃Cで30分間導入した。次いで、更なる染料の滲みがなくなるまで、布地試料を温かい水道水ですすいだ。最後に、布地を1%酢酸中和溶液に30秒間浸漬した。
湿った布地試料を一晩空気乾燥した。乾燥したら、布地をテンターフレーム中で熱硬化し、布地を最初の幅より20%大きく予備延伸した。この布地について、テンターフレームを2回通過させた。
次に、米国繊維化学者・色彩技術者協会(AATCC)の試験方法135-2018を使用して、生地試料を洗濯した。洗濯に続いて、洗濯後、布地試料を延伸特性について に従って評価した
本発明の繊維を使用して作製された布地は、リサイクルすることもできる。一実施形態では、本発明に従って作製された布地は、押出物品又は成形物品を作製するためにリサイクルされる。したがって、本発明は、本発明に従って調製された分散染色布地を提供することと、そのような布地を細断することと、そのような細断された布地を熱処理して、顆粒を形成することと、次いで押出機中で顆粒を溶融かつ剪断して、物品を形成することと、を含む、物品を作製する方法を提供する。
上記で言及した文献の各々は、上記に具体的に列挙されているか否かにかかわらず、優先権が主張される任意の先行出願を含めて、参照により本明細書に組み込まれる。任意の文献の言及は、そのような文献が先行技術として適格であること、又は任意の管轄区域における当業者の一般知識を構成することを認めるものではない。実施例を除いて、又は他に明示的に示されるかどうかを除いて、材料の量、反応条件、分子量、炭素原子の数などを特定する本説明における全ての数量は、「約」という語によって修飾されるものとして理解されるべきである。本明細書に記載される量、範囲、及び比の上限及び下限は、独立して組み合わされ得ることが理解されるべきである。同様に、本発明の各要素についての範囲及び量は、他の要素のうちのいずれかについての範囲又は量と一緒に使用することができる。
本明細書で使用される場合、「含む(including)」、「含有する(containing)」、又は「を特徴とする」と同義である移行用語「含む(comprising)」は、包括的又はオープンエンドであり、追加の列挙されていない要素又は方法ステップを除外しない。しかしながら、本明細書における「含む」の各記載において、この用語がまた、代替的な実施形態として、「から本質的になる」及び「からなる」という句を包含することが意図され、ここで、「からなる」は、特定されていない任意の要素又はステップを排除し、「から本質的になる」は、考慮中の組成物又は方法の基本的かつ新規な特徴に実質的に影響を及ぼさない追加の記載されていない要素又はステップの包含を許容する。
本発明を例示する目的で、ある特定の代表的な実施形態及び詳細を示したが、本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更及び修正を行うことができることが当業者には明らかであろう。これに関して、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。
Claims (28)
- 布地であって、
a.ASTM D2256に従って測定された10%~75%又は10%~60%の極限伸びを有する熱可塑性硬質糸である第1の繊維成分と、
b.ASTM D2731に従って測定された少なくとも300%の極限伸びを有する溶融紡糸熱可塑性ポリウレタン繊維を含む第2の繊維成分と、を含み、
前記第1の繊維成分及び前記第2の繊維成分が、一緒に編まれて前記布地を形成し、前記布地が、少なくとも130℃の温度で染色される、布地。 - 前記溶融紡糸熱可塑性ポリウレタン繊維が、5回目の負荷及び無負荷サイクル後に以下のヒステリシスを呈し、
(a)100%伸び時に30%未満のヒステリシスを有する
(b)150%伸び時に30%未満のヒステリシスを有する
(c)200%伸び時に30%未満のヒステリシスを有する
ヒステリシスが、ASTM D2731に従って測定される、請求項1に記載の布地。 - 前記第2の繊維成分が、カプロラクトンモノマー及びポリ(テトラメチレンエーテルグリコール)から誘導されたコポリマージオールを含むポリオール成分と、ヒドロキシル末端鎖延長剤成分と、第1のジイソシアネート成分との反応生成物と、イソシアネート官能性プレポリマー架橋剤と、を含む溶融紡糸熱可塑性繊維である、請求項1又は2に記載の布地。
- 前記コポリマージオールが、50重量%のカプロラクトンモノマーポリオールと50重量%のポリ(テトラメチレンエーテルグリコール)との反応生成物を含む、請求項3に記載の布地。
- 前記溶融紡糸熱可塑性ポリウレタン繊維が、ガス浸透クロマトグラフィーで測定された300,000~450,000の重量平均分子量を有する、請求項3又は4に記載の布地。
- 前記第1のジイソシアネート成分が、芳香族ジイソシアネートを含むか、又はそれからなる、請求項3~5のいずれか一項に記載の布地。
- 前記第1のジイソシアネート成分が、4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネートを含むか、又はそれからなる、請求項6に記載の布地。
- 前記イソシアネート官能性プレポリマー架橋剤が、ポリ(テトラメチレンエーテルグリコール)と第2のジイソシアネート成分との反応生成物を含むか、又はそれからなる、請求項3~7のいずれか一項に記載の布地。
- 前記イソシアネート官能性プレポリマー架橋剤が、ネオペンチルグリコールアジペートと第2のジイソシアネート成分との反応生成物を含むか、又はそれからなる、請求項3~7のいずれか一項に記載の布地。
- 前記第2のジイソシアネート成分が、芳香族ジイソシアネートを含む、請求項8又は9に記載の布地。
- 前記第2のジイソシアネート成分が、4,4’-メチレンビス(フェニルイソシアネート)を含むか、又はそれからなる、請求項10に記載の布地。
- 前記第2のジイソシアネート成分が、脂肪族ジイソシアネートを含む、請求項8又は9に記載の布地。
- 前記第2のジイソシアネート成分が、ジシクロヘキシルメタン-4,4’-ジイソシアネートを含むか、又はそれからなる、請求項12に記載の布地。
- 前記第1の繊維が、ポリエステル繊維、ナイロン繊維、綿繊維、羊毛繊維、アクリル繊維、ポリプロピレン繊維、ビスコースレーヨン繊維、又はそれらの混合物から選択される、請求項1~13のいずれか一項に記載の布地。
- 分散染色布地を調製するためのプロセスであって、
(1)(a)ASTM D2256に従って測定された10%~75%又は10%~60%の極限伸びを有する熱可塑性硬質糸である第1の繊維成分と、(b)ASTM D2731に従って測定された少なくとも300%の極限伸びを有する溶融紡糸熱可塑性ポリウレタン繊維を含む第2の繊維成分と、を含む、布地を提供するステップと、
(2)分散染色条件を使用して、少なくとも130℃の温度で前記布地を染色するステップと、を含む、プロセス。 - 前記溶融紡糸熱可塑性ポリウレタン繊維が、5回目の負荷及び無負荷サイクル後に以下のヒステリシスを呈し、
(a)100%伸び時に30%未満のヒステリシスを有する
(b)150%伸び時に30%未満のヒステリシスを有する
(c)200%伸び時に30%未満のヒステリシスを有する
ヒステリシスが、ASTM D2731に従って測定される、請求項15に記載のプロセス。 - 前記第2の繊維成分が、カプロラクトンモノマー及びポリ(テトラメチレンエーテルグリコール)から誘導されたコポリマージオールを含むポリオール成分と、ヒドロキシル末端鎖延長剤成分と、第1のジイソシアネート成分との反応生成物と、イソシアネート官能性プレポリマー架橋剤と、を含む溶融紡糸熱可塑性繊維である、請求項15又は16に記載のプロセス。
- 前記コポリマージオールが、50重量%のカプロラクトンモノマーポリオールと50重量%のポリ(テトラメチレンエーテルグリコール)との反応生成物を含む、請求項17に記載のプロセス。
- 前記溶融紡糸熱可塑性ポリウレタン繊維が、ガス浸透クロマトグラフィーで測定された300,000~450,000の重量平均分子量を有する、請求項17又は18に記載のプロセス。
- 前記第1のジイソシアネート成分が、芳香族ジイソシアネートを含むか、又はそれからなる、請求項17~19のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記第1のジイソシアネート成分が、4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネートを含むか、又はそれからなる、請求項20に記載のプロセス。
- 前記イソシアネート官能性プレポリマー架橋剤が、ポリ(テトラメチレンエーテルグリコール)と第2のジイソシアネート成分との反応生成物を含むか、又はそれからなる、請求項17~21のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記イソシアネート官能性プレポリマー架橋剤が、ネオペンチルグリコールアジペートと第2のジイソシアネート成分との反応生成物を含むか、又はそれからなる、請求項17~21のいずれか一項に記載のプロセス。
- 前記第2のジイソシアネート成分が、芳香族ジイソシアネートを含む、請求項22又は23に記載のプロセス。
- 前記第2のジイソシアネート成分が、4,4’-メチレンビス(フェニルイソシアネート)を含むか、又はそれからなる、請求項24に記載のプロセス。
- 前記第2のジイソシアネート成分が、脂肪族ジイソシアネートを含む、請求項22又は23に記載のプロセス。
- 前記第2のジイソシアネート成分が、ジシクロヘキシルメタン-4,4’-ジイソシアネートを含むか、又はそれからなる、請求項26に記載のプロセス。
- 前記第1の繊維が、ポリエステル繊維、ナイロン繊維、綿繊維、羊毛繊維、アクリル繊維、ポリプロピレン繊維、ビスコースレーヨン繊維、又はそれらの混合物から選択される、請求項15~27のいずれか一項に記載のプロセス。
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