JP4773901B2 - ポリメタフェニレンイソフタルアミドナノファイバー不織布の製造方法 - Google Patents

Description

本発明はエレクトロスピニング法により作製したポリメタフェニレンイソフタルアミドナノファイバー不織布の強度を増大させる方法に関するものである。

従来よりナノファイバーの作製方法として、海島複合紡糸繊維や海島混合紡糸繊維の海成分を溶剤により除去して島成分をナノファイバー化する方法が知られている。
例えば特開２００４−１６２２４４号公報の実施例１には、ＮＹ６を島成分とし、共重合ＰＥＴを海成分とする海島型ポリマーブレンド紡糸法により作製されたナノファイバーは、単糸繊度が１×１０^−７〜２×１０^−４ｄｔｅｘと非常に細く、単糸繊度のバラツキも少ないものが開示されている。この方式のナノファイバーは通常の繊維と同様の延伸工程を経ているため、分子の結晶化度や配向状態が高く、強度が高いものが得られるが、しかしながら紡糸後或いは不織布化後に多量の海成分を溶剤により除去してナノファイバー化するため、除去した成分の処理が煩雑且つ不経済なものであり、環境問題としても好ましくない。また現状では熱溶融性ポリマーしか用いることができず、溶融紡糸できない樹脂については適用できないという問題点があった。

又特開２００２−２４９９６６号公報によれば、エレクトロスピニング法は静電反発作用を利用し、ポリマーの溶剤溶液を口金などから引き出すことによってナノファイバーを作製する方法であり、繊維径は、印加電圧、溶液濃度、スプレーの距離、エレクトロスピニング環境の温湿度を調節することによりコントロールすることが可能であり、海島複合紡糸繊維のように成分の除去や廃棄の問題がなく有利な方法といえる。また適切な溶剤があればどのような樹脂であってもナノファイバー化が可能であるというメリットもある。
しかしながら、エレクトロスピニング法により作製されたナノファイバー不織布は、延伸工程を経ていないため強度が弱く、取扱いが非常に困難であるという欠点があった。

特開２００５−０９７７５３号公報にはエレクトロスピニング法によって作製したナノファイバーからなる繊維シートを、ガラス転移温度付近の温度で一軸方向に延伸することによって、延伸軸方向の強度を向上させて取扱い性を向上させる方法が提案されている。確かに延伸軸方向の強度は向上し、破れにくくなって取扱い性が向上するものの、延伸軸方向とは異なる軸方向については物性や機能、特に強度が改善されないという問題点や、又目付けが３．０ｇ／ｍ^２以下の低目付では、延伸倍率を２倍以上で延伸すると、延伸時にシートの破断が生じるという問題点があった。
こういった現状に鑑み、エレクトロスピニング法により作製されたナノファイバー不織布の高強度化の方法が大いに望まれていた。

特開２００４−１６２２４４号公報 特開２００２−２４９９６６号公報 特開２００５−０９７７５３号公報

本発明の目的は、上記従来技術の有する問題点を解決し、エレクトロスピニング法によって作製したポリメタフェニレンイソフタルアミドナノファイバー不織布の強度を増大させる方法に関するものである。

エレクトロスピニング法により作製した単繊維径の直径が３０〜５００ｎｍからなるポリメタフェニレンイソフタルアミドナノファイバーよりなる不織布を水蒸気中もしくは沸水中で湿熱処理すること、好ましくは任意の直交二軸方向に一定長に固定した状態で行うことにより達成される。

本発明により、薄手でありながら強度の高いナノファイバー不織布が得られるので、取り扱い性も向上し、特に耐熱用途として使用実績のあるポリメタフェニレンイソフタルアミドのナノファイバー不織布であるため、様々な用途に拡大できる。

本発明において使用するポリメタフェニレンイソフタルアミド樹脂としては、特に限定は無く、公知のポリメタフェニレンイソフタルアミド樹脂を用いることができる。
ポリメタフェニレンイソフタルアミドを溶解させる溶媒は特に限定されるものではないが、例えばＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、１−メチル−２ピロリドン等を挙げることが出来、これらを単独又は混合して用いることができる。

更に、上記ポリメタフェニレンイソフタルアミド溶液にアルカリ金属塩を添加することが好ましく、特に限定はないが、塩化リチウム、塩化ナトリウム、塩化カルシウム、塩化カリウム、塩化マグネシウムなどが挙げられる。

これらを好ましく用いてポリメタフェニレンイソフタルアミドの紡糸溶液を作成する。好ましい実施態様としては、ポリメタフェニレンイソフタルアミド樹脂を主成分とする粉末状体を、塩化リチウムが０．１〜５．０ｗｔ％添加された溶媒Ｎ，Ｎ−ジメチルアセトアミドに０．１〜２０．０ｗｔ％の重量比で溶解させたものを挙げることが出来る。

エレクトロスピニング法によるナノファイバー不織布の作製は適宜な装置を用いて行うことができるが、ノズルなどの紡糸溶液吐出部から、上記紡糸液を電界によって曳糸することが一般的であり、特に限定するものではないが、電圧は５．０〜５０ｋＶ、紡糸距離は５．０〜５０ｃｍ、単位距離あたりの電圧に換算すると、０．５〜５．０ｋｖ／ｃｍであるのが好ましい。

曳糸したナノファイバーを均一に積層方法として特に限定はないが、例えば、ノズル部やナノファイバーのコレクター部をトラバースさせる方法が挙げられる。
こうして作製される本発明のポリメタフェニレンイソフタルアミドナノファイバーの繊維径、即ち単繊維の直径としては、３０〜５００ｎｍの範囲とするのが好ましい。３０ｎｍ未満の単繊維径の場合、不織布はビーズ（節糸状のポリマーの塊）が多く発生し好ましくない。又該不織布の単繊維径が５００ｎｍを超えるの場合は、繊維径のバラツキが大きくなり、均一な積層ができない。好ましいポリメタフェニレンイソフタルアミドナノファイバーの単繊維径は５０〜３００ｎｍである。

次に不織布の強度をアップする方法について説明する。本発明は上記不織布を水蒸気中もしくは沸水中で湿熱処理することにより、好ましくは不織布を任意の直交二軸方向に、延伸することなく、一定長に固定した状態で上記湿熱処理することにより強度がアップするという知見に基づき完成された。

湿熱処理の条件としては、沸水中に浸漬する、又は１００℃水蒸気中で処理することが好ましい。なかでも沸水処理が好ましい。ポリメタフェニレンイソフタルアミドのフィラメントを紡糸する際、急激な結晶化を防ぐために１００℃以下の低温における湿熱延伸工程を行うが、ポリメタフェニレンイソフタルアミドナノファイバー不織布においても同様の湿熱処理を実施することで、乾熱処理を伴わずとも、物性を改善させることが可能である。とくに湿熱処理温度の限定はないが、１００℃とすることが好ましい。

更に上記湿熱処理は不織布の任意の直交二軸方向で、延伸することなく、一定長に固定して行うことが好ましい。エレクトロスピニング法では繊維軸が無配向に積層されているため、ほぼすべての方向を固定して行うことが好ましいが、実用性からいって、任意の直交二軸方向で一定長に固定して熱処理を行うことが好ましい。不織布を直交する二軸方向に、延伸することなく、一定長に固定して熱処理するとは、例えば不織布の長さ方向と幅方向に不織布の長さが固定されて変化しない状態で熱処理することをさす。また同等の効果が得られるのであれば、不織布は弛んだ状態、又は弛みの生じない状態で固定されていても良い。このように延伸することなく、一定長に固定された状態で処理するため、目付の低い不織布においても延伸によって破断が生じることなく処理が可能である。特に積層されているナノファイバー量が少なく、１．０ｇ／ｍ^２程度の低目付のナノファイバー不織布では効果的である。本方法に適用できるポリメタフェニレンイソフタルアミドナノファイバー不織布の目付は特に限定するものではないが、好ましくは０．５〜５．０ｇ／ｍ^２である。更に連続式に処理を行う場合には不織布の進行方向（長さ方向）とそれと直交方向（幅方向）で固定して熱処理することが好ましい。工業的に二軸方向で、延伸することなく、一定長に固定して熱処理を実施する方法としては、コレクターを回転ドラム等とし、それに捕集した不織布を連続的に直接ピンテンターやクリップテンターに導入し、長さ方向、幅方向を一定長に固定して湿熱処理を行うか、又は一旦コレクターから連続的に巻き取った後に、ピンテンターやクリップテンターに導入し、長さ方向、幅方向を一定に固定して湿熱処理を行うことができる。又必要に応じてナノファイバー不織布をニードルパンチして軽く絡合させた後行うことも好ましい。

以下、実施例に基づいて本発明をさらに詳細に説明する。なお、実施例における各物性は、以下の方法により求めたものである。
（１）目付
２１．０ｃｍ×２５．０ｃｍにおける重量を量り、１ｍ^２あたりに換算した。結果を表１に示す。
（２）引張強度
テンシロン万能試験機で、試長３０×５０ｍｍ、引張速度２０ｍｍ／分で伸長し、破断時の強度を測定した。５回の測定を行い、その平均値をポリメタフェニレンイソフタルアミドナノファイバーの目付で除したものを強度とした。

［実施例１］
ポリメタフェニレンイソフタルアミドパウダーが１０重量％、塩化リチウムが１重量％となるようにＮ，Ｎ−ジメチルアセトアミドに溶解させたものを紡糸溶液とした。該溶液を、電圧は２０ｋＶ、コレクターまでの距離を１０ｃｍとし、ナノファイバーを積層した。エレクトロスピニングを実施した。得られたナノファイバー不織布を走査型電子顕微鏡で測定したところ、繊維径は５０〜１００ｎｍであり、平均繊維径が３０ｎｍ以下と５００ｎｍ以上の不織布は存在しなかった。

このようにして得られた不織布を、１００ｍｍ×１８０ｍｍのステンレス製枠に固定し、水蒸気を充満させ、１００℃に加熱したプレッシャークッカーを用い、湿熱処理を行った後、３０ｍｍ×５０ｍｍの試験片を採取し、引張強度を測定した。得られた結果を表１に示す。

［実施例２］
水蒸気を充満させ、１００℃に加熱したプレッシャークッカーの代わりに、沸水に充たされたバットを用い、湿熱処理をした以外は実施例１の操作を行った。得られた結果を表１に示す。

［実施例３］
実施例１のエレクトロスピニングにより作製した不織布を１５０ｍｍ×１８０ｍｍに切断し、一方の長軸をステンレスの棒に固定させ、他の軸はどこにも接触しないように弛緩した状態で、水蒸気を充満させ、１００℃に加熱したプレッシャークッカー中にて５分間の湿熱処理を行った。その後、３０ｍｍ×５０ｍｍの試験片を採取し、引張強度を測定した。得られた結果を表１に示す。

［実施例４］
水蒸気を充満させ、１００℃に加熱したプレッシャークッカーの代わりに、沸水に充たされたバットを用いた以外は実施例３の操作を行った。得られた結果を表１に示す。

［比較例１］
湿熱処理しなかった以外は実施例１と同様の操作を行った。得られた結果を表１に示す。

［比較例２］
水蒸気を充満させ、１００℃に加熱したプレッシャークッカーの代わりに、２００℃に加熱された電気炉を用い、乾熱処理を行った以外は実施例３の操作を行った。得られた結果を表１に示す。

［比較例３］
水蒸気を充満させ、１００℃に加熱したプレッシャークッカーの代わりに、３００℃に加熱された電気炉を用い、乾熱処理を行った以外は実施例３の操作を行った。得られた結果を表１に示す。

不織布全体で均一な強度のナノファイバー不織布が得られ、特に耐熱用途として使用実績のあるポリメタフェニレンイソフタルアミドのナノファイバー不織布であるため、耐熱性フィルター、電子基板材料や支持体などに好適に適用できる。

Claims (3)

1. エレクトロスピニング法により作製した単繊維径が３０〜５００ｎｍのポリメタフェニレンイソフタルアミドナノファイバーからなる不織布を、水蒸気中もしくは沸水中で湿熱処理することを特徴とするポリメタフェニレンイソフタルアミドナノファイバー不織布の製造方法。
2. 湿熱処理を、上記不織布の任意の直交二軸方向に、延伸することなく、一定長に固定した状態で行う請求項１記載のポリメタフェニレンイソフタルアミドナノファイバー不織布の製造方法。
3. 不織布の目付が０．５〜５ｇ／ｍ^２である請求項１〜２いずれか記載のポリメタフェニレンイソフタルアミドナノファイバー不織布の製造方法。