JP4871269B2 - ケイ酸塩含有繊維の製造法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

発明の分野
本発明は、添付クレーム１の前提部に従うケイ酸塩含有繊維の製造法に関する。

発明の背景
容易に燃えない、または不燃性の材料は、家具および布地への使用がますます増加している。たとえば、家具などの室内装飾材料において、容易に引火しない、または不燃性であり、燃焼を防ぐ繊維が使用されている。この種類の繊維は、とりわけケイ酸塩含有繊維を含む。

ケイ酸塩含有繊維を製造する１つの方法は、セルロースから製造されたビスコースを、それに二酸化ケイ素を添加し、このように作製されたケイ酸塩含有繊維をさらなる使用のために紡糸および処理することによって、適合させることである。この種の方法はたとえば英国特許１０６４２７１号で示されており、そこではビスコース含有ケイ酸ナトリウムが酸性紡糸液に紡出されて、ビスコースのセルロースへの再生が行われ、同時にビスコース中のケイ酸ナトリウムがケイ酸に沈殿し、セルロース中に均一に分散した水含有二酸化ケイ素となる。

上記の特許に従う方法は、ケイ酸塩含有繊維を製造する安価な方法である。問題は、この方法で形成された繊維中のケイ酸が布地の洗浄に用いられるアルカリ洗浄剤に耐えられないことである。繰返し洗浄において、繊維が含むケイ酸はアルカリ洗浄液に溶解し、繊維の耐久性を低下させる。

上記の課題は、フィンランド特許９１７７８号（米国特許５，４１７，７５２号に対応）において、紡糸ケイ酸塩含有ビスコース繊維をアルミン酸ナトリウムで処理することによって解決されており、そこでは、ケイ酸塩においてケイ素酸の形である二酸化ケイ素がアルミン酸と反応し、ケイ酸においてケイ酸アルミニウム基を形成する。ケイ酸アルミニウム基含有ケイ酸のアルカリ洗浄剤への溶解性は非常に少ないので、生成物はその防火特性を変えられることなく、通常の洗浄剤で洗浄できる。さらに、ケイ酸アルミニウム基を含む製品は、アルミン酸なしで製造された製品より著しく優れた防火効率を有する。

しかしながら、上記２つの公報に従う方法に関連する問題は、ビスコースが含むケイ酸塩が、すなわち、ケイ酸または二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂・ｎＨ₂Ｏ）が紡糸において紡糸液に溶解する傾向があることである。かなりの量のケイ酸塩、紡糸液１リットル当たり何百ミリグラムもが紡糸において紡糸液に残り得る。制御されない紡糸液へのケイ酸塩の溶解および分散は、いくつかの問題を引き起こす。ケイ酸塩は紡糸液中で沈殿を形成し、紡糸浴の汚染をもたらし、紡糸浴で形成される何千もの繊維から成る束と砕石片および延伸石などの延伸ロールとの間で摩擦を強める。個々の繊維の間の摩擦は束においても増し、束の延伸性、そして個々の繊維の強度を弱める。繊維の間の摩擦は、紡績機で繊維を擦り切ることにもなる。

繊維から紡糸液へのケイ酸塩の溶解は、それらにおいて品質の変動も引き起こす。これは、強度値および力価、すなわち繊維の重量／長さの値における変動として示され、繊維の布地特性を劣化させる。さらに、繊維中のケイ酸塩の量の減少は、完成した繊維の耐火性の低下となる。なぜなら、ケイ酸塩の量における１〜２％の減少でさえも、防火を著しく低下させるからである。

本発明の簡単な説明
したがって、本発明の目的は、ケイ酸塩含有繊維の改良された製造法を提供することであり、上記の課題を回避し、方法に従って製造された繊維は、できるだけ高いケイ酸塩濃度を有する。

この目的を達成するために、本発明に従う方法は、独立主クレーム１の特徴部に示されることにおいて、主に特徴付けられる。
他方、従属クレームは、本発明の好適な実施形態を示すであろう。

本発明は、ケイ酸塩含有繊維の製造において使用される酸性再生液、すなわち紡糸浴として使用された紡糸液の組成は、製造される繊維のケイ酸塩濃度ができるだけ高く保持されるように成されるということに基づいている。これは本発明に従う方法によって実施され、適切な量の可溶性ケイ酸塩を、制御された方法で紡糸液に添加することによって、繊維中のケイ酸塩の紡糸液への溶解性が減少するという驚くべき発見を活用している。したがって、ビスコース繊維が含むケイ酸塩の量は、できるだけ高く保持できる。

紡糸浴において形成されるケイ酸塩含有繊維において、ケイ酸塩は繊維中に均一に分散されている。しかしながら、繊維の外面のケイ酸塩は、繊維の紡糸中に紡糸液と接するようになり、紡糸液に溶解し、その中に結晶化する。この結晶は全く制御できず、上記の課題を引き起こす。本発明に従う可溶性ケイ酸塩を紡糸液に添加することによって、繊維の表面のケイ酸の制御できない溶解および結晶化が抑えられる。

紡糸浴に添加されるケイ酸塩は、ケイ酸ナトリウム、たとえば水ガラス（Ｎａ₂Ｏ・ｎＳｉＯ₂）などの水溶性アルカリ金属ケイ酸塩、または水溶性沈降ケイ酸塩が可能である。紡糸浴のケイ酸塩濃度は、紡糸液１リットルあたり５０〜１０００ｍｇの間で変更可能であり、有利には紡糸液１リットルあたり１００〜７００ｍｇの間である。ケイ酸塩は、紡糸液を形成するその他の化学物質とともに、紡糸浴に直接添加される。紡糸液は、紡糸中に紡糸浴および紡糸液の工程の間で連続して再循環される。

本発明の有利な実施形態に従えば、ケイ酸塩を除去する、または制御された方法で紡糸浴に添加することによって、紡糸液は可溶性ケイ酸塩で飽和またはほぼ飽和して保たれる。紡糸浴に沈殿した余分なケイ酸塩は、それ自体周知の濾過法、たとえば砂濾過、加圧濾過または湾曲したスクリーンによって除去される。

本発明の第２の実施形態に従えば、ケイ酸塩含有繊維の製造工程において、ケイ酸塩含有溶液が紡糸段階に続く繊維の延伸および洗浄段階でも使用される。

さらに、本発明の第３の実施形態に従えば、ケイ酸塩含有繊維のケイ酸塩濃度は、紡糸液に添加されるケイ酸塩の量を制御することによって、所望のレベルに制御できる。

本方法によって、ケイ酸塩含有繊維から紡糸液へのケイ酸塩の制御できない溶解が排除され、紡糸浴に沈殿するケイ酸塩粉末によって引き起こされる繊維間の摩擦がもたらす課題は取除かれる。この結果として、繊維の品質特性における変動も減少する。測定された繊維の強度および力価値の偏差は、先行技術に従う方法によって製造された繊維のそれよりも小さく、それらの布地特性を改善する。さらに、繊維が含むケイ酸塩の量における増加は、繊維の防火特性を著しく改善する。

本方法によって、ケイ酸塩濃度が顧客の要求に従う特定のレベルに制御されたビスコース繊維を製造することも可能である。

本発明の適用は容易かつ単純であり、ケイ酸塩含有繊維を製造する既存のプラントに容易に適用される。

以下では、本発明が添付図を参照して詳細に説明され、本発明に従ってケイ酸塩含有繊維を製造する方法を図式的に示す。

発明の詳細な説明
図１はビスコース繊維の製造法を示し、そこでは段階１において、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）によって処理された溶解しているセルロースが、ドロドロにされてスラッシュパルプになる。この後、セルロースは水酸化ナトリウムをそこから除去するために、段階２でプレスされ、得られたアルカリセルロースは、段階３で細かく刻まれる。細かく刻まれたアルカリセルロースは、段階４、すなわち、予備熟成に導かれ、そこでは約３５〜４５℃の温度で、約３〜５時間、空気中で酸素の影響下にある。予備熟成において、アルカリセルロースは、部分的に解重合される。

次に、予備熟成されたアルカリセルロースは硫化（段階５）に導かれ、そこでは二硫化炭素（ＣＳ₂）がアルカリセルロースに混合され、その場合にセルロースキサントゲン酸塩が形成される。硫化の後、段階６で、弱い水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）が同時に混合しながらキサントゲン酸塩に添加され、キサントゲン酸塩の溶解をもたらし、１時間の溶解後ほぼ完了する。段階６から得られた橙黄色の、シロップ状のビスコースは、段階７の熟成タンクを通って導かれる。

熟成中およびその後、段階８でビスコースが濾過される。次の処理段階９は、脱気である。脱気の前、たとえば矢印１０が付されている時点で、二酸化ケイ素溶液がビスコースに添加され、ビスコースと二酸化ケイ素によって形成される混合ビスコースとなる。必要に応じて、二酸化ケイ素は前の処理段階、すなわち、紡糸浴の前のいずれかの適切な処理段階／時点でも添加できる。ビスコースに添加された二酸化ケイ素は、たとえば水ガラス（Ｎａ₂Ｏ・ｎＳｉＯ₂）または二酸化ケイ素と水酸化ナトリウムの混合物などの市販の二酸化ケイ素が可能である。脱気段階９において、ビスコース／二酸化ケイ素混合ビスコースから気泡が除去される。

次に、混合ビスコースは、紡糸段階１１に導かれ、そこではビスコース繊維の形成が行われる。混合ビスコースは、紡糸キャンドルの紡糸口金、小さな穿孔のノズルを通って、紡糸溶液の表面下、紡糸浴に導かれる。紡糸口金には、通常約８，０００〜５０，０００の穴があり、その直径は５０μｍと８０μｍとの間である。紡糸液は酸性の液体であり、硫酸（Ｈ₂ＳＯ₄）、硫酸亜鉛（ＺｎＳＯ₄）および硫酸ナトリウム（Ｎａ₂ＳＯ₄）を一般的に含む。溶液に含まれる硫酸と混合ビスコース中の水酸化ナトリウムとが反応するとき、硫酸ナトリウムが溶液中で形成される。紡糸液の温度は、およそ０〜１００℃であり、一般的にはおよそ４０〜７０℃である。本発明によると、可溶性ケイ酸塩、たとえばケイ酸ナトリウムが紡糸液にも添加され、紡糸浴で形成されているビスコース／二酸化ケイ素繊維中のケイ酸塩が紡糸浴に溶解せず、繊維中に残らないという結果になる。紡糸液に含まれる成分の比率は、以下の方法で変わってもよい。

硫酸 紡糸液１リットルあたり４０〜１５０ｇ
硫酸ナトリウム ２０〜４０重量％
硫酸亜鉛 紡糸液１リットルあたり０〜１００ｇ
ケイ酸ナトリウム ＳｉＯ₂として計算されて、紡糸液１リットルあたり５０〜１０００ｍｇ、有利には１００〜７００ｍｇ

紡糸液の組成は、製造される繊維の品質目標および特性、たとえばその厚みによって変わる。

ケイ酸塩は制御された方法、すなわち、紡糸される繊維のケイ酸塩濃度ができるだけ高くなるような方法で紡糸浴に添加されるが、紡糸液の特性およびその中に沈殿しているケイ酸塩は、紡糸および紡糸装置の操作において問題を起こさない。したがって、ケイ酸塩は紡糸浴に適切な分量で、連続してまたは規定の間隔で添加される。紡糸浴に沈殿したケイ酸塩は、沈殿したケイ酸の量に依存して、制御された方法で同様に除去される。

紡糸浴において形成する固体セルロース−フィラメント繊維は、１つの紡糸口金に由来する数千の繊維によって形成される束が、段階１２において、最初に小さな延伸ロールに、その後延伸浴を経て、別の大きな延伸ロール、すなわち延伸石に巻き付けられるように、紡糸浴から集められる。延伸は繊維を５０〜１００％伸ばすだけでなく、その強度も高める。延伸の後、繊維で形成された束は、切断段階１３に導かれ、そこでは所望の長さに切断される。切断された繊維は、洗浄段階１４へと、水ですすがれる。したがって、繊維の束状構造は壊れ、個々の繊維の洗浄が段階１４で続けられる。

図面および洗浄段階でも、ケイ酸塩含有溶液を用いることが可能であり、繊維中のケイ酸塩濃度をできるだけ高く保つのに役立つ。

洗浄段階１４では、必要であれば、たとえばアルミン酸ナトリウム溶液（ＮａＡｌＯ₂）などのアルミニウム含有溶液で繊維を処理することも可能である。この結果として、繊維に含まれるケイ素酸はケイ酸アルミニウムに変えられ、洗浄剤および漂白剤にも充分に耐えるが、通常のビスコース繊維と同じような官職の繊維となる。

可能なアルミン酸ナトリウム処理の後、繊維は段階１４において通常の方法でさらに処理される、すなわち、それらは洗浄され、ｐＨが調節され、それらは表面活性剤で処理される。この後、繊維は乾燥される。

好適な実施形態に従うと、紡糸浴に添加されるケイ酸塩の量は、可溶性ケイ酸塩に対して飽和される、またはほぼ飽和されるほどである。紡糸浴に沈殿した過剰のケイ酸塩は、紡糸液の循環に関連して除去される。

上記のビスコース繊維の製造で使用される装置、およびその操作は、当業者にそれ自体知られているので、ここでは詳細に説明されない。

以下において、ケイ酸塩含有繊維を製造するための本発明に従う方法のいくつかの試験結果が示される。試験では、紡糸浴のケイ酸塩濃度が変えられ、同時に紡糸によるビスコース繊維のケイ酸塩濃度が測定された。

試験準備：
ビスコースは上記のそれ自体知られているビスコース法によって製造され、そこではケイ酸ナトリウム、すなわち水ガラスが二酸化ケイ素としてビスコースに添加された。したがって、結果は３．６％のＳｉＯ₂、８．２％のαセルロース、および７．４％のＮａＯＨを含む混合ビスコースである。３．５ｄｔｅｘの繊維がこの混合ビスコースで紡糸された。紡糸液の温度は５０℃であり、ケイ酸塩の添加なしの組成は、次のとおりである。

硫酸 紡糸液１リットルあたり６５ｇ
硫酸ナトリウム ２０重量％
硫酸亜鉛 紡糸液１リットルあたり４５ｇ

一定量のケイ酸塩が規定の間隔で、紡糸液のケイ酸塩濃度が徐々に増加するように紡糸浴に添加された。市販の水ガラス（ＳｉＯ₂：Ｎａ₂Ｏ ２．５：１、３０．９％ ＳｉＯ₂）が添加ケイ酸塩として使用された。それぞれの添加の後、繊維は上記で示された方法で、紡糸浴に紡出された。紡糸浴の後、繊維は温度が９０℃で３ｇ／ｌの硫酸が含まれる延伸浴で、元より９０％長く延伸された。

紡糸液の二酸化ケイ素濃度は、いわゆるモリブデンブルー法を用いて、分光光度計によって決定された。決定の前に、紡糸液は酸バランスを正常にするために、約1時間循環された。

紡糸によるビスコース繊維のケイ酸塩濃度に対するケイ酸塩添加の効果は、それぞれのケイ酸塩添加後に紡糸された繊維のＳｉＯ₂含有量を分析することによって測定された。繊維のＳｉＯ₂含有量は、繊維を７５０℃の炉で1時間灰化し、得られた灰の重さを量ることによって決定された。繊維中の二酸化ケイ素はほぼ純粋なＳｉＯ₂であることが見出された。

次の表は繊維のＳｉＯ₂濃度に対する紡糸浴のケイ酸塩濃度の影響を示している。

表1の結果から、紡糸浴へのケイ酸塩の添加は、紡糸の結果として得られる繊維のケイ酸塩濃度を増加させる、すなわち、繊維中のケイ酸塩の紡糸液への溶解が減少するということが見出された。ケイ酸塩に対する溶液の飽和点は、試験4で達成された。その後の紡糸液への大量のケイ酸塩の添加は、繊維のケイ酸塩濃度にこれ以上影響せず、一定のままであった。

また、１つはケイ酸塩で飽和された紡糸液に紡出され（試験４）、もう１つはケイ酸塩がごく少量添加される、または添加されない紡糸液に紡出され（試験１および２）、繊維が比較されるとき、ケイ酸塩の添加なしに、およそ８％の重量減少が紡糸中の繊維で起こる、すなわち、繊維によるケイ酸塩の紡糸液への溶解が顕著である。実際、試験１および２で作製される繊維は、それらの防火特性において不充分であり、予期せぬ重量減少は繊維のｄｔｅｘ（重量／長さ）の制御を妨げる。紡糸浴のケイ酸塩を適切なレベルで保つことによって、これらの問題は取除かれる。

上記で示された試験（試験１〜７）で製造される繊維の一部は、アルミン酸塩でも処理された。アルミン酸ナトリウム溶液（Ａｌ₂Ｏ₃として計算された３ｇ／ｌのアルミン酸ナトリウム、溶液比率 １：１０、温度５０℃）で処理することは、表１で示される値の２〜２．５％の繊維の灰分を増加させた。したがって、灰はアルミニウムも含んだ。

本発明は実施例として示された上記の実施形態に限定されるものではないが、本発明は添付クレームで規定される発明着想の範囲内で広く適用されるものである。

本発明に従ってケイ酸塩含有繊維を製造する方法である。

Claims (12)

1. ケイ酸塩含有繊維を製造する方法であって、二酸化ケイ素溶液がセルロースから製造されたビスコースに添加されて、形成されたビスコースと二酸化ケイ素との混合物がノズルを経て酸性再生液に導かれて、ケイ酸塩含有繊維が形成される方法において、可溶性ケイ酸塩が酸性再生液に添加され、繊維中のケイ酸塩の紡糸液への溶解性が減少することを特徴とする方法。
2. 再生液に添加された可溶性ケイ酸塩が、可溶性アルカリ金属ケイ酸塩または水溶性沈降ケイ酸塩であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. ＳｉＯ_２として計算される５０〜１０００ｍｇ／ｌの可溶性ケイ酸塩が再生液に添加されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
4. ＳｉＯ_２として計算される１００〜７００ｍｇ／ｌの可溶性ケイ酸塩が酸性再生液に添加されることを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 再生液に添加される可溶性ケイ酸塩の量は、再生液が可溶性ケイ酸塩で飽和されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の方法。
6. 再生液に沈殿した可溶性ケイ酸塩は、再生液からその循環に関連して除去されることを特徴とする請求項５記載の方法。
7. 可溶性ケイ酸塩は、ビスコースと二酸化ケイ素との混合物が再生液に導かれる前に、紡糸段階（１１）で再生液に直接添加されることを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 再生液は、硫酸、硫酸ナトリウムおよび硫酸亜鉛をさらに含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の方法。
9. 可溶性ケイ酸塩が再生液に添加されて、除去されることを特徴とする請求項１記載の方法。
10. 再生液への可溶性ケイ酸塩の添加および除去は、再生液中の可溶性ケイ酸塩濃度が制御される方法で行われることを特徴とする請求項９記載の方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか１つに記載の方法で使用される酸性再生液において、紡糸液１リットルあたり４０〜１５０ｇの硫酸、２０〜４０重量％の硫酸ナトリウム、紡糸液１リットルあたり０〜１００ｇの硫酸亜鉛、およびＳｉＯ_２として計算されて、紡糸液１リットルあたり５０〜１０００ｍｇの可溶性ケイ酸ナトリウムを含むことを特徴とする酸性再生液。
12. ＳｉＯ_２として計算される１００〜７００ｍｇ／ｌの可溶性ケイ酸塩を含むことを特徴とする請求項１１記載の酸性再生液。

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