JP3829955B2 - 染色性に優れた再生セルロース繊維およびその製法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、Ｎ−メチルモルホリン−Ｎ−オキシド（以下、ＮＭＭＯと略記する）を含む溶媒にセルロースを溶解した紡糸原液を用いて得られる再生セルロース繊維、およびその製法に関し、特に染色性、光沢、風合いなどに優れると共に、耐フィブリル性の高められた高品質の再生セルロース繊維を得る技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＮＭＭＯを含む溶剤を用いた再生セルロース繊維の製法は、例えば特公昭５７−１１５６６号や同６０−２８８４８号などにも記載されている如く古くから知られている。ところが上記溶媒を用いた従来の製法では、得られる再生セルロース繊維がフィブリル化を起こし易いという大きな欠点を有しており、汎用化の障害となっていた。ところがこの方法は、環境に与える悪影響が少なく、且つ経済的にも無駄のない方法であり、また得られる再生繊維の物性もある程度良好であるところから、最近再び注目を集めている。
【０００３】
一方、上記フィブリル化の問題についても改良研究が進められ、例えば特表平８−５０１３５６号、同７−５０８３２０号、特開平８−４９１６７号に見られる如く幾つかの特許出願もなされているが、現実には実用規模で満足のいく効果を得るまでには至っていない。
【０００４】
また、上記溶剤を用いて得られる再生セルロース繊維を衣料分野等に適用する場合、繊維そのもの或は織・編物としたときの染色性や光沢や風合いを高めることは重要であるが、ＮＭＭＯ含有溶剤を用いた再生セルロース繊維の染色性の改良については現在のところ全く検討されていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の様な状況に着目してなされたものであって、その目的は、前述したＮＭＭＯ含有溶剤を用いた再生セルロース繊維の製法の特徴を活かし、その維持特性を更に改善すると共に、その欠点として指摘されるフィブリル化の問題を解消し、優れた染色性と物性と風合いなどに優れた再生セルロース繊維を提供すると共に、その様な繊維を安定して製造することのできる製法を確立しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決することのできた本発明の染色性に優れた再生セルロース繊維とは、ＮＭＭＯを含む溶剤にセルロースを溶解した紡糸原液を用いて製造された再生セルロース繊維であって、再生セルロース繊維中のヘミセルロース含有量を特定量にするところにその特徴が存在する。
【０００７】
この再生セルロース繊維の中でも、該繊維中に含まれるセルロースの平均重合度が４００以下であり、且つ該セルロースのうち５〜３０重量％が重合度５００以上であるものは、優れた物性と風合い等の外観特性を有しているばかりでなく耐フィブリル化においても非常に優れたものであり、衣料用と等に広く利用することができる。
【０００８】
また本発明の製法は、上記特性を備えた染色性に優れた再生セルロース繊維を製造する方法であって、ＮＭＭＯを含む溶剤にセルロースを溶解した紡糸原液を用いて再生セルロースを製造するに際し、再生セルロース繊維中のヘミセルロース含有率を３〜１５重量％にし、乾湿式紡糸法によって紡糸を行ない、再生セルロース繊維を製造することろに要旨が存在する。この方法を実施する際にも、紡糸原液中のセルロースの平均重合度を４００以下に抑えると共に、該セルロースのうち５〜３０重量％を重合度５００以上に調整すれば、得られる繊維の耐フィブリル性を高めることができるので好ましい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明者らは前述の様な従来技術の欠点、特にＮＭＭＯを含む溶媒を用いた再生セルロース繊維に指摘されるフィブリル化を防止すべく、様々の角度から改良研究を進めてきた。その結果、上記溶媒を用いて再生セルロース繊維を製造する際に、紡糸工程で疑似液晶化現象を起こす様な紡糸原液を使用すると、得られる再生セルロース繊維はフィブリル化の極めて少ないものになるという、これまで何人も認識していなかった新たな事実を見出した。
【００１０】
しかも、上記の様な疑似液晶化現象を生じる紡糸原液を使用し、乾湿式紡糸を行なうと、染色性に優れ、光沢や風合い等の非常に優れた再生セルロース繊維が容易に得られることを知った。
【００１１】
そして更に研究を進めたところ、紡糸工程で上記の様な疑似液晶化を生じさせるには、紡糸原液中に溶解しているセルロースの重合度が極めて重要であり、該セルロースの平均重合度を特定すると共に、高重合度のセルロースと低重合度のセルロースを特定の比率で含有するものを使用すればよく、その様な混合セルロース溶液を紡糸原液として用いて紡糸を行なうと、フィブリル化が極めて少なく、良質の再生セルロース繊維が確実かつ容易に得られることをつきとめた。ここで「疑似液晶化現象」とは、紡糸時の流動場や伸長場においてセルロースが液晶状の転移を生じる現象を言う。
【００１２】
ＮＭＭＯを溶媒として紡糸された再生セルロース繊維はヘミセルロースをほとんど含有しない場合でも基本的に染色し難いフィブリルから構成されるにも拘わらず、染色性が比較的良好である。しかしながらその染料吸尽量は決して多いとはいえず、むしろ他のセルロース繊維に比べ少ない。この点に関し鋭意研究の結果以下のことが判明した。
即ち、少ない染料吸尽量は、この繊維の優れた力学特性を担うフィブリルの染料吸尽量が極めて少ないことに起因している。しかるに良好な染色性を有するのはフィブリル外へ偏析したヘミセルロースやリグニン等のいわば不純物の効果である。フィブリルを取り囲むように偏析したヘミセルロースが染料の染着座席となり、全体として少ない吸尽量にも拘わらず効果的に染色されるため染色性が良い結果になっている。従って、この不純物量を増加せしめることにより、さらに染色性を向上し風合いの改善された繊維が得られる。特に異形断面糸や中空糸においてこの効果がいっそう顕著である。
【００１３】
原料セルロースとしていかなる一般的セルロースを用いても良いが、ヘミセルロース成分を比較的多く含有するパルプ原料、たとえばクラフトパルプなどを混合し、繊維中に含まれるヘミセルロースの含有率を３〜１５重量％になるように調製する。好ましいヘミセルロースの含有率は３〜１２重量％であり、より好ましくは４〜１０重量％である。ヘミセルロースの含有率が３重量％未満では染色性の改善効果が認められず、１５重量％を超えると、紡糸性が低下するとともに糸物性が著しく低下する。
【００１４】
上記の様な特性の再生セルロース繊維は、ＮＭＭＯを含む溶媒を用い、これにセルロースを溶解した紡糸原液を使用すると共に、セルロース中のヘミセルロース含有率を３〜１５重量％の範囲にして乾湿式紡糸することによって得られるが、この際紡糸原液中に溶解しているセルロースの平均重合度と高重合度セルロースの含有比率を適正に調整してやれば、紡糸工程で疑似液晶化現象を起こし、耐フィブリル性においても非常に優れた再生セルロース繊維を得ることが可能となる。
【００１５】
即ち、上記再生セルロース繊維を製造するに当たっては、紡糸原液に溶解しているセルロースの平均重合度を４００以下とすると共に、該セルロース中に占める重合度５００以上の高重合度セルロースの含有比率を５〜３０重量％の範囲に納めるのがよく、この様に重合度の異なるセルロース混合物を使用すると、紡糸工程で高重合度のセルロース成分が相分離により伸び切り鎖を主体とする構造を形成し、その隙間を低重合度のセルロースが埋め、得られる再生セルロース繊維はあたかもコンポジット状の構造を形成することになり、フィブリル化が抑えられるものと思われる。
【００１６】
つまり、高重合度セルロースが疑似液晶化現象を起こす主体となって長手方向に収斂して力学的特性を担い、一方、低重合度セルロースはその隙間を埋めて風合いなど衣料としての要求特性を高める作用を担い、それらの相加的乃至相乗的作用効果によって、優れた強度特性や風合いが与えられ、コンポジット状に複合された繊維構造によりフィブリル化を可及的に抑えることが可能となるのである。
【００１７】
こうしたコンポジット状構造を確保すると共に、紡糸作業を円滑に行なうには、紡糸原液中に溶解しているセルロースの平均重合度を４００以下に抑えるのがよく、また紡糸工程で疑似液晶化現象を確実に生じさせ、得られる再生セルロース繊維として十分な長手方向の力学的特性を確保するには、上記セルロース中に占める重合度５００以上の高重合度セルロースの含有比率を５重量％以上にすることが極めて有効となる。即ち、高重合度セルロースの含有率が５重量％未満では、紡糸工程で上記の様な疑似液晶化現象が起こり難くなり、相分離によるフィブリル化防止効果が不十分になるばかりでなく、長手方向の力学的特性も乏しくなり、一方、重合度５００以上の高重合度セルロースの含有比率が３０重量％を越えると、紡糸工程で疑似液晶化現象は発生しても相分離が起こらず、フィブリル化防止効果も得られ難くなる。上記の観点から、重合度５００以上の高重合度セルロースのより好ましい含有比率は５〜２５重量％、更に好ましくは５〜２０重量％の範囲である。
【００１８】
なお本発明では、上記の様に低重合度セルロースの使用比率が多く、それにつれて再生セルロース繊維の強度はやや低めになる傾向があるが、本発明の主たる用途である衣料用途では、産業資材用途の如くそれほど高レベルの繊維強度は要求されず、むしろ風合いや耐フィブリル性等が重視されるので、実用化に当たり強度不足が問題となることはない。
【００１９】
本発明で使用する高重合度セルロースは、紡糸原液としたときの重合度が５００以上を示すものであればその種類は特に制限されないが、最も一般的なのは木材パルプを原料とする重合度７５０以上のセルロースである。しかし、上記重合度の要件を満たすものであれば、リンタや木綿繊維等であっても勿論構わない。一方低重合度のセルロースとしては、レーヨン繊維の回収物等が好ましく用いられるが、このほか古紙や回収された古木綿等の回収品から得られるセルロース等を使用することができる。これらの原料セルロースは、エタノール等を用いて湿潤させてから粉砕もしくは裁断し、乾燥して用いられる。
【００２０】
そして紡糸原液を調製するに当たっては、該原液中のセルロースの平均重合度が４００以下で且つ重合度５００以上の高重合度セルロースの含有比率が５〜３０重量％、より好ましくは５〜２５重量％、更に好ましくは５〜２０重量％の範囲となる様に、上記高重合度セルロースと低重合度セルロースの配合比率を調製すればよい。
【００２１】
紡糸原液の調製に用いられる溶媒としてはＮＭＭＯを含む溶媒が使用されるが、好ましいのはＮＭＭＯと水の混合溶媒であり、中でも特に好ましいのはＮＭＭＯ／水の混合比率が９０／１０〜４０／９０重量比の混合物である。
【００２２】
そしてこれらの溶媒に、前記セルロースの濃度が好ましくは１５〜２５重量％となる様に添加し、通常８０〜１３５℃程度の温度でシアーミキサー等で溶解することにより紡糸原液の調製が行なわれる。紡糸原液のセルロース濃度が低過ぎると疑似液晶紡糸にならず、逆に高過ぎると粘度が高くなり過ぎて紡糸が困難になるので、紡糸原液のセルロース濃度は、上記の様に１５〜２５重量％、より好ましくは１５〜２０重量％の範囲となる様に調製するのが望ましい。
【００２３】
原料セルロースは、該溶解工程で若干の重合度低下を起こすので、本発明で規定するセルロースの前記重合度は、該溶解工程を経た後の状態で測定し、その平均重合度と高重合度物の含有比率が前述の要件を満たす様に、溶解原料として用いる高重合度セルロースと低重合度セルロースの配合量を調製すればよい。このとき、溶解時におけるセルロースの重合度低下やＮＭＭＯの分解を抑える為、例えば過酸化水素、修酸またはその塩、没食子酸、メチルジ没食子酸、グリコシド等の安定剤を添加することは好ましい態様として推奨される。
【００２４】
セルロース原料をＮＭＭＯと水の混合溶媒に溶解した溶液は、比較的低粘度であって高濃度の溶液が得られ易く、その粘性も湿式紡糸に好適なものになることは、例えば「繊維学会誌」５１，４２３（１９９５）にも記載されている通りである。
【００２５】
こうして得られる高粘度（溶解温度での零剪断粘度が５，０００ポイズ程度以上）の溶液は、薄膜エバポレータで脱泡した後、濾過してから紡糸部へ供給される。高粘度の紡糸原液は紡糸ヘッドへ送られ、ギアポンプで計量されてスピンパックへ供給される。紡糸温度は９０〜１３５℃の範囲が好ましく、９０℃未満ではドープ粘度が高過ぎるため紡糸が困難となり、また１３５℃を越えて過度に高温になるとセルロースの分解により重合度が低下し、得られる再生繊維の物性、殊に引張強力が乏しくなる。
【００２６】
紡糸に用いるオリフィスは、ドープの安定性を高めるためＬ／Ｄを長くすることも有効であるが、そうすると紡糸背圧が高くなるという問題が生じてくるので、好ましくは導入角の小さいテーパ状のオリフィスを使用し、乱流の発生を抑制することが望ましい。
【００２７】
前記導入部のテーパー角度αを好ましくは４５度以下、より好ましくは３５度以下にすることが望ましいが、テーパー角αを余りに小さくすることは機械加工上困難であるばかりでなく、該導入部への入口部で乱流が生じ易くなり却って曳糸性を阻害する傾向が生じてくるので、１０度程度までに止めることが望ましい。曳糸性や加工性等を総合的に考慮してより好ましいテーパー角度は１５〜３０度の範囲である。
【００２８】
口金から吐出されたドープは、所謂エアーギャップ（吐出部から吐出したドープが凝固液に侵入するまでの区間）で引き伸ばされるが、上記の様なテーパ状オリフィスを使用すると、十分な紡糸ドラフトを与えることができ、その結果として疑似液晶化現象が確実に発現され、耐フィブリル性も高められることとなる。
【００２９】
そこで本発明を実施する際には、高粘度の紡糸原液の溶液粘度を下げるため高温で紡糸し、且つ紡糸温度よりも低い温度で凝固させるため、例えば特表平８−５００８６３号公報に記載されている如く、紡糸ノズルから出た吐出ドープが凝固浴に侵入するまでの間にエアーギャップを設けた乾湿式紡糸法を採用することが必要となる。即ち、本発明を実施する際にこの様な乾湿式防止法を採用すると、高重合度セルロースと低重合度セルロースを含む高濃度溶液中の高重合度セルロースが、上記エアギャップ部に形成される流動場ないし伸長場で相転移と相分離を引き起こし、この部分で疑似液晶転移現象を生じて高重合度セルロースが繊維骨格を形成し、得られる再生セルロースは、低重合度のセルロースを多量含むものであっても、十分な強度を示すものとなる。なお紡糸速度は特に制限されないが、通常は１００ｍ／分以上、好ましくは１５０ｍ／分以上で行なうことが望ましい。
【００３０】
エアギャップは、通常の空気の如く非凝固性の気体が存在するだけのエアギャップであれば、分子緩和を抑えつつ大きな変形速度が得られる様に、口金と凝固液面との間隔を５〜５０ｍｍ程度に設定すれば良い。あるいは、クエンチチャンバー等を用いて吐出糸条を積極的に冷却する方式を採用すると、分子緩和が起こらないので該エアギャップは長くてもよく、特に高速で紡糸する場合はむしろこの方が好ましい。
【００３１】
凝固浴としてはＮＭＭＯの水溶液を使用するのがよく、好ましくはＮＭＭＯ濃度が１０〜５０重量％の水溶液を使用することが望まれる。しかしてＮＭＭＯ濃度が１０重量％未満では、蒸発するＮＭＭＯの回収率が低くなって不経済になるし、逆に５０重量％を超えて過度に高濃度にするとフィラメントが凝固不足になるからである。凝固浴のより好ましいＮＭＭＯ濃度は１５〜４０重量％の範囲である。また、凝固浴の好ましい温度は−２０〜２０℃、より好ましくは−１０〜１５℃の範囲であり、２０℃を超えると凝固不足となって繊維性能が悪くなり、一方凝固浴を−２０℃を下回る温度にまで過度に冷却してもそれ以上に繊維性能が高められる訳ではないので、それ以上に冷却することは経済的に無駄である。
【００３２】
凝固浴を通過した糸条は、引き続いて水洗・乾燥工程へ送られるが、このとき、ネットコンベア等の捕集装置を用いて糸条を捕集して処理することは、設備を簡素化する上で極めて有効である。さらに、ネットコンベアによる捕集を一層容易にするため、例えば特公昭４７−２９９２６号に開示されている様な公知のダブルキックバックロールやアスピレータ等を使用することも、好ましい方法として推奨される。また、得られる再生セルロース繊維を短繊維として使用する場合、クリンパーを工程中に設けて伸縮を付与することも有効である。クリンパーとしては所謂スタッフィングボックス型のクリンパーが好ましいが、ギアークリンパーであっても勿論構わない。ボックス型のクリンパーを使用する場合は、ネットコンベアの捕集装置としても用いることができる。
【００３３】
ネットコンベアを用いて水洗・乾燥された繊維束は、長繊維として得る場合はワインダーで所定繊度の糸条として巻き上げられ、短繊維として得る場合は束ねられた長繊維を直ちに若しくは別途カッターで切断して得ればよい。カッターとしては、ロータリカッターやギロチンカッター等が一般的に用いられる。
【００３４】
【実施例】
以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はもとより下記実施例によって制限を受けるものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。なお、下記実施例、比較例で採用した各性能の測定法は次の通りである。
【００３５】
［セルロースの重合度の測定］
高分子学会編「高分子材料試験法２」第２６７頁、共立出版（１９６５）に記載の銅エチレンジアミン法により測定。
［染色性の測定］
ＪＩＳ Ｌ−１０１５の７．３０染着率に準じて試験した。
【００３６】
［ヘミセルロースの定量法］
繊維材料をＪＩＳ Ｐ−８１０１−１９９４の５．６βセルロースに準じて処理し、得られた値からヘミセルロース含有率を求めた。
【００３７】
実施例１
セルロースとしてクラフトパルプを使用し、その１５重量部をＮＭＭＯ：７３重量部と水：１２重量部の混合液に１１０℃で溶解し、紡糸原液とした。この紡糸原液を使用し、表１に示す条件で乾湿式紡糸を行ない、得られたフィラメントを水洗・乾燥して巻き取り、夫々について繊維の物性と染着率を測定し、表１に示す結果を得た。
【００３８】
【表１】

表１からも明らかである様に、ヘミセルロース含有率が高い実施例では、満足な糸質とともに良好な染着率を示し、繊維風合は一段と優れたものであった。
【００３９】
実施例２
高重合度のセルロースとしてクラフトパルプを、また低重合度のセルロースとしてレーヨン繊維を使用し、前者対後者を２０／８０の重量比で配合した混合セルロース１５重量部を、ＮＭＭＯ：７３重量部と水：１２重量部の混合液に１１０℃で減圧溶解した。高重合度セルロースおよび低重合度セルロースの各単独ドープから水で沈殿凝固させて得た各セルロースの重合度は、高重合度セルロースで重合度７５０、低重合度セルロースで重合度３００であり、平均重合度は３９０であった。
【００４０】
この紡糸原液を使用し、表２に示す条件で乾湿式紡糸を行ない、紡速２００ｍ／分とし、３００ｍｍのエアーギャップを介して吐出糸条を凝固浴に導びいた。エアーギャップで１０℃のクエンチ風を０．５０ｍ／秒の速度でドープフィラメントに直角に吹き付け糸状の冷却を行った。２０重量％の濃度で１０℃凝固浴で凝固させて得られたフィラメントを水洗・乾燥して巻き取って物性と染着率を測定した。結果は表２に併記する通りであり、繊維物性の高い染色性に優れた再生セルロース繊維が得られている。
【００４１】
【表２】

【００４２】
【発明の効果】
本発明は以上の様に構成されており、溶媒としてＮＭＭＯを含む溶媒を用いてヘミセルロース含有量を特定の範囲とすることにより、これまで提供されたことのない染色性に優れ、光沢、風合い等に優れた再生セルロース繊維を提供すると共に、原料セルロースとして、高重合度のセルロースと低重合度のセルロースを所定の比率で併用することによりフィブリル化の問題も解消し、強度的にもまた風合い等においても優れた性能の再生セルロース繊維が得られる。

Claims (3)

1. Ｎ−メチルモルホリン−Ｎ−オキシドを含む溶剤にセルロースを溶解した紡糸原液を用いて製造された再生セルロース繊維であって、該繊維中に含まれるセルロースの平均重合度が４００以下であり、且つ該セルロースのうち５〜３０重量％が重合度５００以上であり、その再生セルロース繊維中のヘミセルロース含有率が３〜１５重量％であることを特徴とする染色性に優れた再生セルロース繊維。
2. Ｎ−メチルモルホリン−Ｎ−オキシドを含む溶剤にセルロースを溶解した紡糸原液を用いて再生セルロース繊維を製造するに当たり、紡糸原液中で平均重合度が４００以下であり、且つ５〜３０重量％が重合度５００以上であるセルロースを用い、ヘミセルロース含有率を３〜１５重量％とし、乾湿式紡糸法によって紡糸を行なうことを特徴とする染色性に優れた再生セルロース繊維の製法。
3. 紡糸口金から凝固浴の間で、気体流によって紡出フィラメントを冷却することを特徴とする請求項２記載の製法。