JP4888031B2 - 通気性を有する繊維成形体の製造方法 - Google Patents
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請求項1に係る通気性を有する繊維成形体の製造方法では、繊維成形体の原料は、水85〜95質量%、充填補助剤0.5〜2質量%及び残部として少なくとも繊維を含有するものである。特に、充填補助剤の含有量は、少ないと原料の充填補助機能が不足して繊維が水中で離散し原料を成形凹部に充填することが困難になり、多いと原料の粘性が上昇して充填時間が長くなり過ぎて製造効率が悪化する。充填補助剤の含有量を水、繊維などの含有量に対して上記範囲に設定することにより、原料の適正な粘性と充填性が良好に発現される。さらに、繊維の含有量を抑えて充填時における繊維の配向を整えることができる。従って、原料の充填性が良く、短時間のうちに充填できると共に、繊維の配列の均一性に優れ、通気性の良好な繊維成形体を容易に得ることができる。
本実施形態の通気性を有する繊維成形体は、繊維、金型の成形凹部(キャビティ)への充填を補助する充填補助剤及び水を含有する繊維成形体の原料を撹拌、混合した後、金型の成形凹部に充填し、加熱により水分を除去することによって製造される。その場合、繊維成形体の原料は、水85〜95質量%、充填補助剤0.5〜2質量%及び残部として少なくとも繊維を含有するものである。この原料には、必要により繊維間を接合する繊維接着剤等の添加剤が配合される。
(繊維について)
使用する繊維としては、綿(コットン)、パルプ、レーヨン繊維、ポリエステル繊維、アクリル繊維、ナイロン繊維、ポリプロピレン繊維等で、天然繊維、合成繊維を問わず用いられる。この繊維は、対象となる製品の通気性や除塵性、剛性等の要求値に基づいて選定され、単独又は複数の繊維が混合して使用される。繊維形状は、直径0.1〜100μm、長さ1〜10mmで、ストレート繊維、捲縮繊維等を問わず、要求される繊維成形体の厚さに対する繊維量(繊維密度)、繊維成形体の剛性、通気性等に基づいて、単独又は混合して使用することができる。
(充填補助剤について)
充填補助剤は、成形凹部への原料の充填性を改善するもので、その基本的な構成成分は水溶性ポリマーである。水溶性ポリマーとしては、ポリアクリル酸又はその塩、ポリエチレンオキサイド、ヒドロキシエチルセルロース等が挙げられる。ポリアクリル酸の塩としては、ポリアクリル酸ナトリウム等のポリアクリル酸のアルカリ金属塩等が挙げられる。水溶性ポリマーの質量平均分子量は、200万〜500万のものが好適に用いられる。そして、水溶性ポリマーを水で希釈したものに繊維を混合して繊維成形体の原料とする。水溶性ポリマーは水へ微量添加することで高粘度の水溶液が得られる。その水溶液に繊維を混合させることで繊維間を均一に保持した状態に保つことができ、外力に対し繊維間隔(繊維密度)を均等に保ちながら高い展延性を得ることができる。
(水について)
水は繊維及び充填補助剤を分散又は溶解させる媒体である。繊維成形体の原料中における水の含有量は、85〜95質量%に設定される。水の含有量が85質量%より少ない場合には、繊維及び充填補助剤の含有量が相対的に過剰になり、繊維の凝集が起きたり、原料の粘度が高くなって充填性が悪化する。その一方、95質量%より多い場合には、繊維及び充填補助剤の含有量が僅少になり、繊維が離散したり、繊維間が不均一になったりして繊維成形体の品質が損なわれる。
(繊維接着剤について)
繊維接着剤は繊維間を結合して集束するもので、必要により用いられ、バインダー繊維(繊維状接着剤)、エマルジョン系接着剤、ウレタン系接着剤等が使用される。バインダー繊維は従来、不織布製造時に繊維同士を接着するために使用されているもので、一定温度以上に加熱することで繊維全体が溶融し、未溶融の主繊維を融着するものと、芯鞘構造繊維で、鞘部が溶融して主繊維同士を接着し、芯部が成形構成繊維として残留するものとがある。これらのバインダー繊維の必要量、形状、材質等は、使用する主繊維材質、繊維形状、繊維成形体の形状、通気度、繊維密度等のあらゆる面から決定する必要がある。例えば、ポリエステル繊維が主繊維で、直径10μm、長さ5mm程度のものならば、ポリエステル系芯鞘構造のバインダー繊維であれば、直径5μm、長さ3mm程度で、主繊維量の50%程度の含有量で良好な結合状態を得ることができる。バインダー繊維を添加する時期は、状態が繊維であるため、主繊維に混ぜるか、又は主繊維を混ぜた直後に添加することが好ましい。
(繊維滑り性向上剤について)
繊維を金型内に円滑に充填するため、水溶性ポリマーを充填補助剤として使用して原料を調製するが、これだけでは繊維成形体の形状に薄肉部や複雑な形状が見られる場合、充填不足になることがある。この場合には、繊維滑性向上剤を原料に添加することで対策可能である。繊維滑性向上剤には界面活性剤(乳化剤)と繊維コーティング剤の2種類があり、両剤を単独又は併用することで原料の充填性を損なわず、繊維の滑り性を向上させることができる。
(繊維成形体の原料調製)
使用する繊維は予め単繊維の状態(繊維同士が付着していない状態)に分離しておくことが好ましい。これは、繊維と添加剤を均一に混合(ブレンド)させたり、多種類の繊維を均一に混合させたりするためである。特に繊維が綿状で単繊維の状態である場合や、束状の繊維でも粘性のある充填補助剤を用いて攪拌することで解繊されるような状態であれば解繊する必要はないが、解繊を実施することで原料を調製したときの繊維分散状態を安定化させることができる。
(充填工程)
図1に示すように、充填装置30はピストン31を備えた充填シリンダ32と、成形凹部33を備えた金型34と、充填シリンダ32のピストン31を往復駆動させる駆動装置35とで構成されている。充填シリンダ32の上部中央には原料供給管36が接続され、原料混合装置10の供給配管22からの原料14を充填シリンダ32内へ供給するようになっている。原料供給管36の充填シリンダ32内への開口部は原料投入口37となっており、該原料投入口37には図示しない逆流防止バルブが設置され、充填シリンダ32内に供給された原料14が逆流するのを防止している。駆動装置35はモータを備え、駆動軸38によって充填シリンダ32のピストン31を前後動させる。充填シリンダ32の先端開口部は金型34の成形凹部33と同じ大きさに絞られ、開口されている。金型34内の成形凹部33は、繊維成形体の形状に基づいて断面がジグザグ状に形成されている。
(成形工程)
図3〜図5は成形装置40と金型41を示す概略正面図である。なお、この金型41は前記図1の金型34とは異なる構造のものである。成形装置40は、上部支持盤43と下部支持盤44とが対向配置されると共に、複数の支柱45で連結され、その内部空間に金型41が配設されている。金型41は上型46と下型47とからなり、上型46は上部支持盤43の下面に固定され、下型47は繊維成形体の取り出しができるように型開閉装置48で上下に駆動され、型開き及び型締めができる構造になっている。型開閉装置48による上下の駆動は、空気圧、油圧、電動モータ等により行われる。成形凹部33の開口部は、上型46側に形成される構造であるため、型開閉動作で充填シリンダ32の先端開口部32aを移動させなくてもよい。原料14の充填は、金型41を型締めした状態で実施される。また、成形凹部33への図示しないゲートは上型46と下型47の型割面や成形凹部33の中央部、端部等のどこでもよく、ゲート形状は直径1mm以上の開口を有し、形状は限定されない。特に繊維成形体の厚さと同じ高さで、幅方向を広げたゲートは、射出充填性が良く、薄型繊維成形体に好適である。
(固化工程)
金型41内に充填された原料14は下型47ごと、又は充填された原料14を保持した状態で取り出して固化処理を行う。その方法は、熱源に熱風、赤外線、加熱蒸気、マイクロ波等の固化処理ができる炉に、例えば成形された原料14を入れるという方法であり、連続炉にすると効率よく処理することができる。熱源は単一熱源でも複数の異なる熱源を連続炉内に並べて使用してもよい。加熱温度は、接着剤やバインダー繊維の溶融温度以上で、主繊維や接着剤、バインダー繊維の分解温度以下にする必要がある。
(作用)
さて、本実施形態の作用について説明すると、通気性を有する繊維成形体は、繊維、充填補助剤及び水を含有する繊維成形体の原料を撹拌、混合した後、金型の成形凹部に射出して充填し、加熱して水分を除去することにより製造される。このとき、繊維成形体の原料は、水85〜95質量%、水溶性ポリマー等の充填補助剤0.5〜2質量%及び残部として少なくとも繊維を含んでいる。このため、原料には少量の繊維に対して適正量の充填補助剤が配合されており、水分蒸発時に繊維表面に移動する充填補助剤を少量に抑え、充填補助剤によって繊維間が弱い結合力で束ねられると同時に、原料は低い粘性でもって円滑に流動する。その結果、成形凹部への原料の注入が円滑に進行すると共に、その過程で繊維間の配向が整えられ、かつ繊維間が均一に保持される。
(実施形態の効果のまとめ)
・ この実施形態の通気性を有する繊維成形体の製造方法では、繊維成形体の原料は、水85〜95質量%、充填補助剤0.5〜2質量%及び残部として少なくとも繊維を含有するものである。従って、原料の充填性が良く、短時間のうちに充填できると共に、繊維の配列の均一性に優れ、通気性の良好な繊維成形体を、原料組成の調整により容易に製造することができる。しかも、厚さ1mm以上という厚肉の繊維成形体も容易に成形することができる。よって、この繊維成形体を自動車のエンジン吸気系におけるフィルター、空調装置のフィルターなどとして好適に使用することができる。その場合、従来の平板不織布を折り曲げて製作していたフィルターに比べ、自由な形状のフィルターを成形することができ、それに伴う小型化も可能である。
・ 充填補助剤としてのポリエチレンオキサイドは直鎖状であるが、加熱や攪拌時の剪断力により分子が断裂しやすい性質があり、これにより粘性も低下する。さらに、加熱処理した後の繊維成形体は保水性が低くなるため、水濡れしても通気抵抗となり難く、また繊維間に残存する通気抵抗となる固形分も微細化するため、その影響を少なくすことができる。さらに、成形後の離型性も良好になる。
(実施例1及び2並びに比較例1及び2)
繊維として、直径20μmで長さ5mmの捲縮ポリエチレンテレフタレート(PET)繊維と、直径3μmで長さ3mmのPET繊維とを質量比1:1の割合で混ぜて使用した。充填補助剤として、ポリエチレンオキサイド(PEO)を用いた。そして、水100質量部に対して繊維混合物を5質量部、充填補助剤を表1に示す質量部で配合し、撹拌、混合することにより繊維成形体の原料を調製した。
充填時間(秒):原料14が充填シリンダ32b内から充填容器52内に充填されるまで(原料の流動が止まるまで)の時間を測定した。
(実施例3及び4並びに比較例3及び4)
実施例3及び4では実施例1及び2において、比較例3及び4では比較例1及び2において、充填補助剤として、ポリエチレンオキサイドをポリアクリル酸ナトリウムに代え、その含有量を表2に示すように設定したほかは実施例1及び2並びに比較例1及び2と同様に実施した。ポリアクリル酸ナトリウムの含有量は表2に示すように設定した。そして、充填率、充填時間及び膜はりの有無を目視にて観察した。それらの結果を表2に示した。
(実施例5〜8)
実施例1において、充填容器52の加熱温度を実施例5では20℃、実施例6では50℃、実施例7では100℃及び実施例8では130℃とし、その他は実施例1と同じ条件で実施した。そして、成形状態を目視により観察すると共に、加熱処理時間(分)を測定した。それらの結果を表3に示した。
(実施例9、10及び比較例5、6)
実施例9、10及び比較例5、6では繊維成形体の原料のチクソトロピー性を判断するために、原料を6rpmと60rpmの回転速度で撹拌して粘度(mPa・s)を測定した。原料としては、実施例9では実施例1の原料、実施例10では実施例2の原料、比較例5では比較例1の原料、比較例6では比較例2の原料を用いた。その結果を表4に示した。
(実施例11〜16)
実施例1及び2において、繊維成形体の原料に繊維滑り性向上剤として、実施例11〜16では非イオン性界面活性剤を繊維に対してそれぞれ0.003質量%、0.1質量%及び1.5質量%配合し、その他は実施例1及び2と同じ条件で実施した。表5において、非イオン性界面活性剤の欄の( )内の数値は、繊維に対する非イオン性界面活性剤の割合(質量%)を表す。そして、実施例1及び2と同様にして充填率、充填時間及び膜はりの有無を目視にて観察した。それらの結果を表5に示した。
(実施例17〜22)
実施例3及び4において、繊維成形体の原料に繊維滑り性向上剤として、実施例17〜22ではポリアリルアミンを繊維に対してそれぞれ0.1質量%、1質量%及び20質量%配合し、その他は実施例3及び4と同じ条件で実施した。表6において、ポリアリルアミンの欄の( )内の数値は、繊維に対するポリアリルアミンの割合(質量%)を表す。そして、実施例3及び4と同様にして充填率、充填時間及び膜はりの有無を目視にて観察した。それらの結果を表6に示した。
・ 各実施例において、繊維成形体の原料14を加熱する前に減圧によって脱水を行うことができる。
・ 繊維成形体の原料の分散安定性を図るために、カルボキシメチルセルロース(CMC)、カラギナン、キサンタンガム等を配合することもできる。
・ 前記繊維は、捲縮繊維を含む複数の繊維により構成されていることを特徴とする通気性を有する繊維成形体の製造方法。この製造方法によれば、繊維密度のより均一な繊維成形体を製造することができる。
Claims (4)
- 繊維、充填補助剤としての水溶性ポリマー、及び水を含有する繊維成形体の原料を撹拌、混合した後、金型内部に形成された成形凹部に充填し、加熱により水分を除去して繊維成形体を製造する方法において、
前記繊維成形体の原料は、前記繊維3〜14.5%、前記充填補助剤0.5〜2質量%、及び水85〜95質量%を含有し、
前記繊維を予め単繊維の状態に解繊した後、前記繊維成形体の原料を混合槽内で攪拌、混合し、前記成形凹部に充填して50〜100℃で加熱することを特徴とする通気性を有する繊維成形体の製造方法。 - 前記繊維成形体の原料は、その粘度が撹拌による剪断力の増大に伴って低くなるチクソトロピー性を有するものであることを特徴とする請求項1に記載の通気性を有する繊維成形体の製造方法。
- 前記加熱の前に、加圧又は減圧により脱水することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の通気性を有する繊維成形体の製造方法。
- 前記繊維成形体の原料には、非イオン性界面活性剤及びポリアリルアミンの少なくとも一種よりなる繊維滑り性向上剤を含有することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の通気性を有する繊維成形体の製造方法。
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