JP4339674B2 - 機能性粒子担持繊維とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は機能性粒子が持つ物質吸着、物質反応などに代表される機能性粒子本来の性能を損なうことなく、繊維に機能性粒子を担持させて、気体や液体、また流体中に含まれる物質を効果的に吸着、反応させる繊維に関するものである。

近年、環境問題を引き起こす物質に対し、その物質を分解する光触媒や金属触媒による分解や吸着剤による吸着回収する機能性粒子の開発が活発に行われている。しかし、その機能性粒子は用途によって、他の有機、無機の物質で成形された素材に担持させ、機能性粒子が対象とする物質に効果的に接触させる必要がある。その成形体や素材、またその成形体に担持させる方法についてはさまざまな研究が成されている。特に機能性粒子の繊維に対する担持は、繊維の持つ比表面積と繊維同士の構造形成により、適度の通気、通液性を有しており、その担持方法については盛んに研究が成されている。

従来、繊維への粒子担持方法は、例えば、繊維を成形する前の溶融ポリマーに機能性粒子を混合して押し出す方法や、繊維表面に機能性粒子をバインダーなどを介してコーティングする方法が取られている。この内、繊維表面へ機能性粒子を担持させる方式については、機能性粒子を担持出来る面が繊維表面だけであるので、容積に占める機能性粒子の量は低くなり、繊維内の空間が無駄となるばかりか、バインダーを用いる際には、機能性粒子がバインダーにより被覆される為に、機能性粒子の接触効果は大きく損なわれてしまう。

また溶融ポリマー中に事前に機能性粒子を混合した後、紡糸により成形された繊維については、繊維が緻密化され、繊維内部に含まれる機能性粒子に吸着や反応をさせる物質が接触するのを阻害するため、その機能性粒子の機能は十分に発揮されなくなる。この為、繊維内部に含まれた機能性粒子と接触を目的とする物質の接触効率を向上させる手段として、繊維成形後のアルカリ減量に代表される方法で繊維表面から機能性粒子を含む繊維内部までポリマー除去する方式や、後工程で抽出できる剤を予め溶融ポリマーに混合し、その溶融ポリマーを押し出した後に抽出剤を抽出して繊維内に空孔を設ける方式（例えば、特許文献１参照。）がとられてきている。これらの方法による方式は、本来の繊維成形工程に追加したアルカリ減量工程や抽出工程を伴うのみならず、それらの処理工程で発生する液を処理する工程もあらたに必要となり、本来の製糸工程がより複雑になるばかりか、回収工程における物質損失や動力使用量増加があらたに生じるといった問題がある。
特開平６−４９７０５号公報

本発明の目的は前述のように従来の繊維形態、成形方法では機能性粒子の機能を十分に発現させるには不十分であった機能性粒子を担持した繊維の形態及び当該繊維の成形方法を提供することにある。

本発明者らは、上記従来技術に鑑み鋭意検討を重ねた結果、本発明に到達した。
即ち、本発明の目的は、
ポリマー溶液を、貧溶媒を５０重量％以上含む凝固液中に押し出して凝固させ、ポリマー溶液中に含まれるポリマーを相分離させることにより内部に多数の空孔を形成した繊維であって、前記空孔内壁部に機能性付与粒子が担持されていることを特徴とする、機能性粒子担持繊維によって達成することができる。

本発明に関する機能性粒子を混合分散したポリマー溶液を、貧溶媒を５０重量％以上含む湿式凝固浴に押し出し凝固とともに繊維内で相分離により空孔を形成させることにより、繊維表面のみならず、繊維内にも接触面をもたせ、この面に機能性粒子を担持したことにより、その機能性粒子の持つ反応や吸着といった機能を損なうことなく、単位空間に占める機能性粒子の接触性が飛躍的に向上し、機能性粒子が目的とする物質と効率的に接触することが可能である。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明は、産業上、生活上から排出され回収や分解を必要とする物質や製造工程における精製や合成、分解を必要とする吸着剤、触媒に代表される機能性粒子を、その機能性粒子本来の機能を損なうことなく繊維に担持させて、単位空間内に占める機能性粒子の接触性を向上させる目的で用いられる。

本発明において機能性粒子とは、粒子自体が特定物質、複数物質を機能性粒子に吸着する、または粒子組成内に取り込む、または粒子内組成物と交換するような吸着粒子のみならず、粒子自体が対象物質に対し分解や変質、また合成を促進するような触媒粒子、またそれ自体が反応する粒子などが広く知られているが、ここでは特に粒子の機能を限定するものではない。

また繊維の製造方法については、一般的にポリマー溶液を用いて湿式紡糸法で成形される繊維としてアラミド系繊維、アクリル系繊維、ビニルアルコール系繊維、セルロース系繊維が知られているが、ここでは本項記載の方式で成形される製造方法とそれから得られる繊維の構造が重要であるために、特に湿式紡糸法で成形される繊維のポリマー種類を限定するものではない。また凝固により形成された繊維内の空孔の形状は必ずしも真円に限定するものではなく、その他に楕円孔、矩形、三角形、またそれらの形状が異形化したものも含まれる。

また、それらの空孔は、空孔の面積が、繊維の見掛け断面積の２０〜９８．５％を占めており、この中でも６０〜９５％の範囲を取ることが更に好ましい。また、その空孔の大きさはその空孔の最長部が、０．１〜１５０μｍの範囲にあることが好ましく、この中でも２０〜１００μｍの空孔を持つ形態は更に好ましい。また、これらの空孔は、１０００倍以上の電子顕微鏡で観察される断面形状において、独立した空孔であっても、その一部が繋がった連続の孔であっても構わないが、好ましくはその空孔同士は一部が繋がっている、または空孔同士の間に存在するさらに微細な空孔で接続されている方が好ましい。

また繊維の外形形状については、凝固液の種類、温度の条件や口金の種類により、真円、異形をとることが出来る。また、外形寸法については、断面最外径を特に規定するものではないが、繊維表層と繊維内層との液交換速度の点から断面最外径は１．５ｍｍ以下とすることが好ましく、更にその中でも２００μｍ以下とすることでその効果は顕著に表れる。更に繊維長については、長繊維、短繊維何れに対してもその効果は変わることはなく、またそれら繊維を不織布や織物に代表される加工品としても、その効果を損なうことがないことは言うまでもない。

これら、空孔を有して機能性粒子を担持した繊維は、ポリマーが溶媒に溶解したポリマー溶液に機能性粒子を混合分散させてできた混合物を、ギヤポンプなどの押し出し機で口金を介して貧溶媒を５０重量％以上含む凝固浴中に押し、その後凝固浴中でポリマー溶液中に含まれるポリマーは相分離を開始し、繊維内部に空孔を生じさせることにより目的とする繊維が形成される。

この製造工程で、機能性粒子を混合するポリマー溶液は、ポリマー１００重量部が３００〜２４００重量部の溶媒に溶解しており、この中でもポリマー溶液の溶媒量はポリマー１００重量部に対し、６００〜１９００重量部の溶媒量とすることが好ましく、更には９００〜１５００重量部とすることが好ましい。次に、前記ポリマー溶液中に機能性粒子をポリマー１００重量部に対し１０〜９７００重量部分散混合するが、その機能性粒子は高濃度の混合を行う方が望ましいが、機能性粒子の比重、嵩、形状によってその混合量は決定される。

次に前記機能性粒子を混合分散させた混合物を、前記混合物を凝固浴中に押し出す工程と、凝固浴中において、押し出されたポリマー溶液中に含まれるポリマーを相分離させて内部に空孔を生じさせることにより目的とする繊維は成形される。凝固浴の液組成は用いたポリマーに対する貧溶媒を用い、ポリマー溶液中のポリマーと溶媒を相分離させることにより空孔を形成させる。この貧溶媒の種類は、用いるポリマーの種類により任意に選択ができるが、例えば、アラミド系ポリマーとその良溶媒の一つであるＮメチル−２ピロリドン（以下、ＮＭＰと略記することがある。）からなるポリマー溶液に機能性粒子を混合する場合であれば、この混合物をギヤポンプで口金を介して凝固液に押し出す際、凝固液に水やメチルアルコールなどの貧溶媒、若しくはそれら溶媒を５０重量％以上含む溶液で凝固することにより、目的とする繊維の形成は可能となる。また、ポリアクリル系ポリマーとその良溶媒であるジメチルスルホオキサド（以下、ＤＭＳｏと略記することがある。）からなるポリマー溶液に機能性粒子を混合する場合であれば、凝固液に水やクロロホルム、メチルアルコールなどの貧溶媒、若しくはそれら溶媒を５０重量％以上含む溶液で凝固することにより、目的とする繊維の形成は可能となる。

凝固で形成された空孔に機能性粒子を担持した繊維は、そのままの使用でも十分な効果は発現するが、その後に延伸や乾燥、熱処理を行っても、その効果を大きく損なうことはないため、適宜凝固後の工程にそれらの工程を組み合わせることが出来る。また、機能性粒子が目的とする物質は、気体状、液体状の流体、また目的物質が流体に溶解したもの、または流体により搬送できる固体であれば特に限定されるものではない。

以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明するが、本発明はこれにより何等限定を受けるものではない。

［実施例１］
メタ系アラミドのポリマー８重量％、平均粒径０．５μｍの光触媒８重量％、ＮＭＰ８４重量％からなるポリマー溶液を、温度２５℃で孔径φ０．３ｍｍ×１０ホールの口金から、毎分６ｍの吐出線速度で、凝固液の中に吐出した。凝固液は、水９８重量％、ＮＭＰ２重量％の溶液を用いた。凝固により得られた繊維は、光触媒が繊維全重量の５０重量％を含む繊維であり、断面外径はφ８０μｍで内部にボイドを有した繊維が得られた。

図１は本実施例で得られた繊維断面の電子顕微鏡の写真であり、繊維断面において空孔形成が確認され、空孔間に隔壁表面に光触媒が担持されていることが観察される。

［実施例２］
実施例１で得られた光触媒を担持した繊維を用いて、メチレンブルーの分解テストを実施した。１０ｐｐｍに調整したメチレンブルー溶液１００ｇをシャーレに入れ、実施例１で得られた繊維を１．００ｇ（この内光触媒量は０．５０ｇ）浸漬し、マグネットスターラーで毎時３０ｒｐｍの速度でゆっくりと攪拌を行った。シャーレには、メチレンブルー溶液の液面上５０ｍｍの位置から、紫外線強度１８２０μＷ／ｃｍ^２、紫外線波長３６５ｎｍの紫外線を照射した。この方法により、１００分までの経過時間によるメチレンブルー溶液の分解量を測定した。その結果を図２に示す。

［実施例３］
実施例２の分解テストを繰り返しで５回行った。その５回目の結果を図３に示す。

［実施例４］
ポリアクリルニトリルのポリマー１２重量％、平均粒径０．５μｍの光触媒１２重量％、ＤＭＳｏ７６重量％からなるポリマー溶液を、温度２５℃で孔径φ０．３ｍｍ×１０ホールの口金から、毎分３ｍの吐出線速度で、凝固液の中に吐出した。凝固液は、水８０重量％、ＤＭＳｏ２０重量％の溶液を用いた。凝固により得られた繊維は、光触媒が繊維全重量の５０重量％を含む繊維であり、断面外径φ１４０μｍで実施例１同様ボイドを有した繊維が得られた。

［実施例５］
実施例４で得られた繊維１．００ｇ（この内光触媒量は０．５ｇ）に替えた以外は、実施例２と同様のテストを行った。その結果を図２に示す。

［実施例６］
実施例５の分解テストを繰り返しで５回行った。その５回目の結果を図３に示す。

［比較例１］
光触媒単体０．５ｇの粉体を用いた以外は、実施例２と同様のテストを行った。その結果を図２に示す。

［比較例２］
メタ系アラミドのポリマー２２重量％、平均粒径０．５μｍの光触媒２２重量％、ＮＭＰ５６重量％からなるポリマー溶液を、温度６０℃で孔径φ０．３ｍｍ×１０ホールの口金から、毎分６ｍの吐出線速度で凝固液の中に吐出した。凝固液は、水４０重量％、ＮＭＰ６０重量％の溶液を用いた。凝固により得られた繊維は、光触媒が繊維全重量の８０重量％を含む繊維であり、断面緻密であった。本比較例で得られた繊維１．０ｇを用いた以外は実施例２と同様のテストを行った。その結果を図２に示す。

［比較例３］
光触媒をポリマー溶液に混合しなかった以外は、実施例１と同様の繊維を成形し、その繊維１．００ｇを用いて実施例２と同様のテストを行った。その結果を図２に示す。

本発明は機能性粒子が持つ分解、反応の本来の特性を損なうことなく、繊維に機能粒子を担持させて、気体、液体中に含まれる物質を効果的に回収、分解する繊維に関するものである。

本発明の繊維の横断面を電子顕微鏡により撮影した写真図（撮影倍率一万倍である。 本発明により得られた繊維の性能評価、及び比較評価の結果のグラフである。 本発明により得られた繊維の性能繰り返し評価結果のグラフである。

Claims (5)

1. ポリマー溶液を、貧溶媒を５０重量％以上含む凝固液中に押し出して凝固させ、ポリマー溶液中に含まれるポリマーを相分離させることにより内部に多数の空孔を形成した繊維であって、前記空孔内壁部に機能性付与粒子が担持されていることを特徴とする、機能性粒子担持繊維。
2. 前記機能性粒子の担持量が全繊維重量を基準として１０〜９８重量％である、請求項１記載の繊維。
3. 任意の繊維横断面において、繊維内部に形成された空孔の面積が、繊維の見掛け断面積の２０〜９８．５％を占める、請求項１記載の繊維。
4. 任意の繊維横断面において、繊維内部に形成された空孔の最長部が、０．１〜１５０μｍの範囲にある、請求項１記載の繊維。
5. ポリマー１００重量部に対し、３００〜２４００重量部の溶媒が用いられているポリマー溶液に１０〜９７００重量部の機能性粒子とを混合分散させて混合物を得る工程と、前記混合物をポリマーの貧溶媒を５０重量％以上含む凝固浴中に押し出す工程と、凝固浴中において、押し出されたポリマー溶液中に含まれるポリマーを相分離させて内部に空孔を生じさせる工程とを含む、機能性粒子担持繊維の製造方法。

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