JP5171638B2 - フィブリル化ポリピリドビスイミダゾールフロック - Google Patents

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Description

関連出願の相互参照
本件出願は、その開示が参照により本明細書に援用される、2005年12月21日出願の米国仮特許出願第60/752,929号明細書の優先権を主張するものである。
本開示は概して、フィブリル化ポリピリドビスイミダゾールフロックの製造方法およびかかるフロックから製造された紙に関する。
フィブリル化繊維は紙の製造に使用されてきた。アラミドフロックのフィブリル化は典型的にはディスクリファイナーで行われる。しかしながら、標準的な方法では、リファイナーはフロックをフィブリル化するだけでなく、フロックをまたカットし、フロックの長さを減らし、そしてパルプと呼ばれてきたものを形成する。
かなりの量の(約8000kJ/kg以下の)エネルギーが、パラ−アラミドパルプおよび他のパルプを高性能繊維から製造するのに用いられる。
繊維の平均長さを減らすことなく形成することができ、かつ、より低いエネルギー利用で行うことができる、紙での使用に好適なフロックの製造方法に対するニーズがある。
幾つかの実施形態では、本発明は、
約0.5〜10mmの平均カット長を有するポリピリドビスイミダゾールフィラメントを提供し、そして
ポリピリドビスイミダゾールフィラメントにエネルギーを加えてフィブリル化フロックを生成すること
を含んでなるフィブリル化ポリピリドビスイミダゾールフロックの製造方法であって、
フィブリル化フロックがエネルギーの適用後にエネルギーの適用前と同じ平均カット長を本質的に有し、
フィブリル化フロックが、単独で水中に分散されたときに、約400〜750mlのカナダ標準ろ水度(CSF)を有する方法に関する。
幾つかの実施形態では、エネルギーは攪拌によって加えられる。ある種の実施形態では、ポリピリドビスイミダゾールフィラメントは流体と接触させられて分散系を形成し、エネルギーは、ポリピリドビスイミダゾールフィラメントを含有する分散系に加えられる。幾つかの実施形態では、エネルギーは分散系をポンピングすることによって分散系に加えられる。
幾つかの実施形態では、フィブリル化フロックを製造するためにポリピリドビスイミダゾールフィラメントに加えられるエネルギーの量は360〜3600kJ/kgである。
好ましい一流体は水である。一ポリピリドビスイミダゾールはPIPDである。幾つかの実施形態では、ポリピリドビスイミダゾールフィラメントは約1〜1.5mmの平均カット長を有する。
幾つかの態様では、本発明は、
約0.5〜10mmの平均カット長を有するポリピリドビスイミダゾールフィラメントを提供し、
ポリピリドビスイミダゾールフィラメントにエネルギーを加えてフィブリル化フロックを生成し、ここで、フィブリル化フロックがエネルギーの適用後にエネルギーの適用前と同じ平均カット長を本質的に有し、フィブリル化フロックが、単独で水中に分散されたときに、約400〜750mlのカナダ標準ろ水度(CSF)を有し、さらに
フィブリル化フロックを水と接触させて分散系を形成し、そして
分散系から水の少なくとも一部を除去して紙を生成すること
を含んでなる紙の製造方法に関する。
幾つかの実施形態では、水の一部がスクリーンまたはワイヤベルトによって分散系から除去されて湿った紙が生成され、そして湿った紙が乾燥させられる。ある種の実施形態では、本方法は、プロセス中のあるポイントでカレンダー加工または圧縮することによって紙組成物を高密度化する追加の工程を含んでなる。
幾つかの方法はバインダー材料をさらに含んでなる。幾つかの実施形態では、バインダー材料は、0.2〜1mmの平均最大寸法、5:1〜10:1の最大寸法対最小寸法の比、および2ミクロン以下の厚さを有する非顆粒の繊維状またはフィルム様メタ−アラミドフィブリドを含んでなる。幾つかの実施形態では、バインダー材料は、懸濁液、エマルジョン、溶液、粉末、フレークまたは繊維の形態で熱可塑性または熱硬化性樹脂を含んでなる。
幾つかの実施形態では、本方法は、バインダー材料のガラス転移温度以上で紙組成物を熱処理する追加の工程を含んでなる。ある種の実施形態では、熱処理が、紙組成物のカレンダー加工よりも前に行なわれるか、あるいは熱処理がカレンダー加工を含む。
本発明はまた、0.5〜10mmのカット長および、水中に単独で分散されたときに、約400〜約750mlのカナダ標準ろ水度を有するフィブリル化ポリピリドビスイミダゾールフロックに関する。幾つかの実施形態では、フィブリル化ポリピリドビスイミダゾールフロックは約1〜1.5mmのカット長を有する。ある種の実施形態では、フィブリル化ポリピリドビスイミダゾールフロックはPIPDを含んでなる。
実施形態は、本明細書に提示されるようなコンセプトの理解を向上させるために添付の図に例示される。
図は一例として提供され、本発明を限定することを意図されない。
幾つかの実施形態では、本発明は、
約0.5〜10mmの平均カット長を有するポリピリドビスイミダゾールフィラメントを提供し、そして
ポリピリドビスイミダゾールフィラメントにエネルギーを加えてフィブリル化フロックを生成すること
を含んでなるフィブリル化ポリピリドビスイミダゾールフロックの製造方法であって、
フィブリル化フロックがエネルギーの適用後にエネルギーの適用前と同じ平均カット長を本質的に有し、
フィブリル化フロックが、単独で水中に分散されたときに、約400〜750mlのカナダ標準ろ水度(CSF)を有する方法に関する。
PIPD短繊維またはフロックが水中で撹拌される場合、短繊維は非常に高程度に容易にフィブリル化することが発見された。PIPDフロックは驚くほど少ない剪断またはエネルギーが繊維へ与えられる状態でアラミドフロックより容易にフィブリル化することがさらに観察される。これまで、アラミドフロックでこの量のフィブリル化を得るためには、フロックは、例えば、ディスクリファイナーで精製される必要があったであろう。しかしながら、標準操作で、リファイナーはフロックをフィブリル化するだけでなく、フロックをまたカットし、フロックの長さを減らし、パルプと普通に言われるものを形成する。本発明の実施は、出発フロックと本質的に同じ平均長さを有する真のフィブリル化フロックを生成する。フィブリル化を達成するためにフロックに加える必要があるエネルギーの量は、約360〜3600kJ/kgである。これは、パラ−アラミドパルプおよび他の高性能繊維からのパルプを製造するために用いられるエネルギーのレベル(8000kJ/kg以下)より下である。
本質的に同じ平均長さとは、フィブリル化フロックの長さおよび最初の/生のフロックの長さが95%信頼レベルで同じものであることを意味する。
本発明のフロックは、ステープルファイバーより短い、短い長さの繊維を意味する。フロックの長さは約0.5〜約15mmであり、4〜50マイクロメートルの直径であり、好ましくは1〜12mmの長さおよび8〜40マイクロメートルの直径を有する。約1mm未満であるフロックは、それが使用される材料の強度を有意に増大させない。約15mmより大きいフロックまたは繊維はしばしば、個々の繊維が絡み合うようになるかもしれず、そして材料またはスラリーの全体にわたって十分におよび一様に分配され得ないので、うまく機能しない。フロックは一般に、従来の繊維切断装置を用いて連続的な紡糸フィラメントまたはトウを特定の長さ片へカットすることによって製造される。一般に、この切断は、繊維の有意なまたはいかなるフィブリル化もなしに行われる。
本発明の目的のためには、「紙」は、フォアドリニール(Fourdrinier)機または傾斜ワイヤ機などの、抄紙機で製造できる平らなシートである。好ましい実施形態では、これらのシートは、水懸濁液からレイドダウンされ、そしてそれら自身の親和力、摩擦、絡み合い、バインダー、またはそれらの組み合わせによって一緒に接合されたランダムに配向した短繊維の網状構造よりなる一般に薄い繊維シートである。紙は、約10〜約700g/mの坪量および約0.015〜約2mmの厚さを有する。
本発明のフロックはフィブリルを有する。フィブリルは、マイクロメートルの何分の1から2、3マイクロメートルほどに小さい直径を有する、かつ、約10〜100マイクロメートルの長さを有する小さい繊維を意味する。本発明のフィブリル化フロックは、主なより大きいフロック繊維から一般に伸びるフィブリルを有する。フィブリルは、隣接材料を巻き込むおよび捕捉するためのホックまたはファスナーとしての機能を果たす。
本発明はポリピリドビスイミダゾール繊維を利用する。この繊維は、高強度のものである剛性ロッドポリマーから製造される。この繊維のポリピリドビスイミダゾールポリマーは、少なくとも20dl/gまたは少なくとも25dl/gまたは少なくとも28dl/gの固有粘度を有する。かかる繊維には、PIPD繊維(M5(登録商標)繊維としても知られ、ポリ[2,6−ジイミダゾ[4,5−b:4,5−e]−ピリジニレン−1,4(2,5−ジヒドロキシ)フェニレン)から製造される繊維)が含まれる。PIPD繊維は下の構造をベースにしている:
Figure 0005171638
ポリピリドビスイミダゾール繊維は、ポリベンゾイミダゾール繊維がポリビベンゾイミダゾールであるという点において、周知の商業的に入手可能なPBI繊維すなわちポリベンゾイミダゾール繊維とは区別することができる。ポリビベンゾイミダゾール繊維は剛性ロッドポリマーではなく、ポリピリドビスイミダゾールと比較されたときに低い繊維強度および低い引張弾性率を有する。
PIPD繊維は、約310GPa(2100グラム/デニール)の平均弾性率および約5.8Gpa(39.6グラム/デニール)以下の平均靱性を有する可能性があると報告されてきた。これらの繊維は、ブルー(Brew)ら著、Composites Science and Technology 59(1999)、1109ページ;ファンデルジャグト(Van der Jagt)、ビューカース(Beukers)著、Polymer 40(1999)、1035ページ;シッケマ(Sikkema)著、Polymer 39(1998)、5981ページ;クロップ(Klop)、ラムマース(Lammers)著、Polymer 39(1998)、5987ページ;ハーゲマン(Hageman)ら著、Polymer 40(1999)、1313ページによって記載されてきた。
剛性ロッド・ポリピリドイミダゾールポリマーの一製造方法は、シッケマらに付与された米国特許第5,674,969号明細書に詳細に開示されている。ポリピリドイミダゾールポリマーは、乾燥原料とポリリン酸(PPA)溶液との混合物を反応させることによって製造されてもよい。乾燥原料は、ピリドビスイミダゾール形成モノマーおよび金属粉末を含んでなってもよい。本発明の布に使用される剛性ロッド繊維を製造するために使用されるポリピリドビスイミダゾールポリマーは、少なくとも25、好ましくは少なくとも100の繰り返し単位を有するべきである。
本発明の目的のためには、ポリピリドビスイミダゾールポリマーの相対分子量は、メタンスルホン酸などの好適な溶媒でポリマー製品を0.05g/dlのポリマー濃度に希釈し、そして30℃で1つもしくはそれ以上の希薄溶液粘度を測定することによって好適にキャラクタリゼーションされる。本発明のポリピリドビスイミダゾールポリマーの分子量増加は、1つもしくはそれ以上の希釈溶液粘度測定によって好適に監視され、そしてそれらと相互に関係づけられる。従って、相対粘度(「V相対」または「η相対」または「n相対」)および固有粘度(「V固有」または「η固有」または「n固有」)の希薄溶液測定は典型的にはポリマー分子量を監視するために用いられる。希薄ポリマー溶液の相対粘度および固有粘度は、式
固有=ln(V相対)/C
(ここで、lnは自然対数関数であり、Cはポリマー溶液の濃度である)
に従って関係づけられる。V相対は、ポリマー溶液粘度対ポリマーを含まない溶媒のそれの単位なしの比であり、こうしてV固有は逆濃度の単位で、典型的にはグラム当たりのデシリットル(「dl/g」)として表される。従って、本発明のある種の態様では、メタンスルホン酸中0.05g/dlのポリマー濃度で、30℃で少なくとも約20dl/gの固有粘度を有するポリマー溶液を提供すると特徴づけられるポリピリドビスイミダゾールポリマーが製造される。本明細書に開示される本発明に由来するより高い分子量のポリマーは粘稠なポリマー溶液を生成するので、メタンスルホン酸中の約0.05g/dlポリマーの濃度が適量の時間で固有粘度を測定するために有用である。
本発明で有用な模範的ピリドビスイミダゾール形成モノマーには、2,3,5,6−テトラアミノピリジンおよび、テレフタル酸、ビス−(4−安息香酸)、オキシ−ビス−(4−安息香酸)、2,5−ジヒドロキシテレフタル酸、イソフタル酸、2,5−ピリドジカルボン酸、2,6−ナフタレンジカルボン酸、2,6−キノリンジカルボン酸、またはそれらの任意の組み合わせをはじめとする、様々な酸が含まれる。好ましくは、ピリドビスイミダゾール形成モノマーには、2,3,5,6−テトラアミノピリジンおよび2,5−ジヒドロキシテレフタル酸が含まれる。ある種の実施形態では、ピリドイミダゾール形成モノマーはリン酸化されていることが好ましい。好ましくは、リン酸化ピリドイミダゾール形成モノマーは、ポリリン酸および金属触媒の存在下に重合させられる。
金属粉末を、最終ポリマーの分子量を構築することを助けるために用いることができる。金属粉末には典型的には、鉄粉、スズ粉末、バナジウム粉末、クロム粉末、およびそれらの任意の組み合わせが含まれる。
ピリドビスイミダゾール形成モノマーおよび金属粉末は混合され、次に混合物はポリリン酸と反応させられてポリピリドイミダゾールポリマー溶液を形成する。追加のポリリン酸を必要ならばポリマー溶液に加えることができる。ポリマー溶液は典型的には、ダイまたは紡糸口金を通して押し出されてまたは紡糸されてフィラメントを製造するまたは紡糸する。
本発明のフィブリル化フロックは、ポリピリドビスイミダゾールフィラメントにエネルギーを加えてフィブリル化フロックを生成することによって製造され、ここで、フィブリル化フロックはエネルギーの適用後にエネルギーの適用前と同じ平均カット長を本質的に有する。幾つかの実施形態では、エネルギーは、ミキサーまたは他の混合容器中の羽根車または回転子によるなど、攪拌によって加えられる。ある種の実施形態では、ポリピリドビスイミダゾールフィラメントは流体と接触させられて分散系を形成し、エネルギーがポリピリドビスイミダゾールフィラメントを含有する分散系に加えられる。幾つかの実施形態では、エネルギーは、分散系をポンピングすることによって分散系に加えられる。フロック片を、フロックをカットすることなく他のフロック片と、または固体表面と繰り返し接触させるエネルギーを与える任意の好適な方法が本発明の方法に用いられてもよい。好ましい実施形態では、エネルギーまたは剪断の量は、約360〜3600kJ/kgでフロックの外面に加えられる。
試験方法
次の試験方法を実施例で用いた。
カナダ標準ろ水度(CSF)は、水がパルプまたは繊維のスラリーまたは分散系から較正スクリーンを通って排出する機能のよく知られた製紙業者の尺度である。ろ水度はTAPPI(パルプ製紙業界技術協会)試験T227によって測定する。それは、繊維/粒子/水スラリーが抄紙機の移動スクリーン上で紙を形成するときに起こるものを模倣している。当該試験の実施から得られるデータは、規定条件下に水性スラリーから排出する水のミリリットルである、カナダ標準ろ水度数として表される。大きい数、すなわち、高いろ水度は、水がスクリーン上に蓄積しつつある繊維パッドを通って迅速に排出することを示唆する。低い値は、繊維スラリーがゆっくり排水することを示唆する。繊維なしの水は880mlのCSFを与えるが、100mlより下の数は、多くの短繊維がスクリーンを通過しつつあるかもしれないので問題である。ショッパー−リーグラー(Schopper−Riegler)ろ水度試験は、100mlより下のCSF値にとってより確実である。フィブリルのより大きい数は、水が形成中の紙マットを通って排出する速度を下げるので、ろ水度は繊維のフィブリル化の程度に反比例する。
実施例1
約1.5dpf(0.17テックス)の線密度および約6.4mmの平均長さの1.6グラムのPIPDフロック(図1を参照されたい)を約2500グラムの水と共に実験室パルプ粉砕機に入れ、組み合わせた内容物を3分間攪拌してフロックをフィブリル化した。粉砕機は、1750回転毎分で動作する3枚プロペラおよび4つの邪魔板付きのTAPPI標準T205に記載されるようなものであった。攪拌後に、フィブリル化フロックは約6.4mmの同じ平均長さおよびコア繊維スタークから外へ出る多くのフィブリルを有した(図2を参照されたい)。
実施例2
別の1.6グラムのPIPDフロックを、実施例1と正確に同じ方法でフィブリル化した。実施例1および本実施例からのフィブリル化フロックを次に組み合わせて適正なフロックサンプルを製造し、カナダ標準ろ水度(CSF)を測定した。650mlのCSFが積み重ねサンプルについて測定された。
以下に本発明の特に好ましい態様を示す。
[1]
約0.5〜10mmの平均カット長を有するポリピリドビスイミダゾールフィラメントを提供し、そして
ポリピリドビスイミダゾールフィラメントにエネルギーを加えてフィブリル化フロックを生成すること
を含んでなるフィブリル化ポリピリドビスイミダゾールフロックの製造方法であって、
フィブリル化フロックがエネルギーの適用後にエネルギーの適用前と同じ平均カット長を本質的に有し、
フィブリル化フロックが、単独で水中に分散されたときに、約400〜750mlのカナダ標準ろ水度(CSF)を有する方法。
[2]
エネルギーが攪拌によって加えられる[1]に記載の方法。
[3]
ポリピリドビスイミダゾールフィラメントが流体と接触させられて分散系を形成し、そしてエネルギーがポリピリドビスイミダゾールフィラメントを含有する分散系に加えられる[1]に記載の方法。
[4]
エネルギーが分散系をポンピングすることによって分散系に加えられる[3]に記載の方法。
[5]
フィブリル化フロックを製造するためにポリピリドビスイミダゾールフィラメントに加えられるエネルギーの量が360〜3600kJ/kgである[1]に記載の方法。
[6]
流体が水である[3]に記載の方法。
[7]
ポリピリドビスイミダゾールがPIPDである[1]に記載の方法。
[8]
ポリピリドビスイミダゾールフィラメントが約1〜1.5mmの平均カット長を有する[1]に記載の方法。
[9]
約0.5〜10mmの平均カット長を有するポリピリドビスイミダゾールフィラメントを提供し、
ポリピリドビスイミダゾールフィラメントにエネルギーを加えてフィブリル化フロックを生成し、ここで、フィブリル化フロックがエネルギーの適用後にエネルギーの適用前と同じ平均カット長を本質的に有し、フィブリル化フロックが、単独で水中に分散されたときに、約400〜750mlのカナダ標準ろ水度(CSF)を有し、さらに
フィブリル化フロックを水と接触させて分散系を形成し、そして
分散系から水の少なくとも一部を除去して紙を生成すること
を含んでなる紙の製造方法。
[10]
水の一部がスクリーンまたはワイヤベルトによって分散系から除去されて湿った紙を生成し、そして湿った紙が乾燥させられる[9]に記載の方法。
[11]
プロセス中のあるポイントでカレンダー加工または圧縮することによって紙組成物を高密度化する追加の工程を含んでなる[9]に記載の方法。
[12]
バインダー材料をさらに含んでなる[9]に記載の方法。
[13]
バインダー材料のガラス転移温度以上で紙組成物を熱処理する追加の工程を含んでなる[9]に記載の方法。
[14]
熱処理が、紙組成物のカレンダー加工よりも前に行なわれるか、あるいは熱処理がカレンダー加工を含む[13]に記載の方法。
[15]
ポリピリドビスイミダゾールフロックが約1〜1.5mmのカット長を有する[9]に記載の方法。
[16]
バインダー材料が0.2〜1mmの平均最大寸法、5:1〜10:1の最大寸法対最小寸法の比、および2ミクロン以下の厚さを有する非顆粒の繊維状またはフィルム様メタ−アラミドフィブリドを含んでなる[12]に記載の方法。
[17]
ポリピリドビスイミダゾールがPIPDである[9]に記載の方法。
[18]
0.5〜10mmのカット長および、水中に単独で分散されたときに、約400〜約750mlのカナダ標準ろ水度を有するフィブリル化ポリピリドビスイミダゾールフロック。
[19]
約1〜1.5mmのカット長を有する[18]に記載のフィブリル化ポリピリドビスイミダゾールフロック。
[20]
ポリピリドビスイミダゾールがPIPDである[18]に記載のフィブリル化ポリピリドビスイミダゾールフロック。
フィブリル化前のPIPDフロックを示す。 それがフィブリル化前に有したものと同じ平均長さ(約6.4mm)を有する、かつ、コア繊維スタークから外へ出る多くのフィブリルを有するフィブリル化PIPDフロックを示す。

Claims (2)

  1. 0.5〜10mmの平均カット長を有するポリピリドビスイミダゾールフィラメントを提供し、そして
    ポリピリドビスイミダゾールフィラメントにエネルギーを加えてフィブリル化フロックを生成すること
    を含んでなるフィブリル化ポリピリドビスイミダゾールフロックの製造方法であって、
    フィブリル化フロックがエネルギーの適用後にエネルギーの適用前と同じ平均カット長を本質的に有し、
    フィブリル化フロックが、単独で水中に分散されたときに、400〜750mlのカナダ標準ろ水度(CSF)を有し、ここで、フィブリル化フロックを製造するためにポリピリドビスイミダゾールフィラメントに加えられるエネルギーの量が360〜3600kJ/kgである、前記製造方法。
  2. 0.5〜10mmの平均カット長を有するポリピリドビスイミダゾールフィラメントを提供し、
    ポリピリドビスイミダゾールフィラメントにエネルギーを加えてフィブリル化フロックを生成し、ここで、フィブリル化フロックがエネルギーの適用後にエネルギーの適用前と同じ平均カット長を本質的に有し、フィブリル化フロックが、単独で水中に分散されたときに、400〜750mlのカナダ標準ろ水度(CSF)を有し、さらに
    フィブリル化フロックを水と接触させて分散系を形成し、そして
    分散系から水の少なくとも一部を除去して紙を生成すること
    を含んでなる紙の製造方法であって、ここで、フィブリル化フロックを製造するためにポリピリドビスイミダゾールフィラメントに加えられるエネルギーの量が360〜3600kJ/kgである、前記製造方法。
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