JP5701239B2 - 炭化シート、不織布の炭化方法および不織布の炭化装置 - Google Patents

Description

本発明は、炭化シート、不織布の炭化方法および不織布の炭化装置に関する。

不織布はその名の通り、織物工程を用いない方法で製造される布であり、その製法には、繊維間を熱融着樹脂により結合したり、接着剤により化学的に結合したり、あるいは繊維を機械的に絡めて結合する方法などがある。これらの製法で得られた不織布は、いずれも繊維が絡み合っているかパッド状になったものであり、その原料にはコットン、麻、ウールなどの天然素材をはじめ、合成樹脂繊維、再生繊維、あるいは紙の原料であるパルプなどが使用されている。

合成樹脂繊維を用いた不織布は樹脂の特性上、比較的低い軟化点・融点を有するため、高温の焼成過程で素材が変形したり溶融するので、炭化することができなかった。つまり、不織布の汎用原料である合成樹脂繊維の融点は、ポリエチレンが１２５℃、ポリプロピレンが１６５℃、ナイロンが２１５℃、ポリエステルが２５５℃であり、いずれも従来の焼成温度７００℃〜１０００℃に比較してかなり低い。このため、焼成過程で不織布シートが軟化・溶融し、シートの形状が崩壊することが炭化できない理由であった。

一方、植物性繊維や同繊維から合成されたレーヨンのみからなる織物を使用して炭化するという方法もある（特許文献１、２参照）が、この製法のシートはいずれも織物工程を経たシートであるため、不織布よりは製造コストが高くなる。

以上のように、製造コストは高いながらも、これまで存在していた炭化技術は植物繊維に特化したものに限られており、合成樹脂繊維を原料とした不織布の炭化技術は存在しなかった。
しかし、この不織布を炭化することができれば、炭化材料の豊富化が可能であり、炭化物の用途も広がる可能性がある。

特開２０１１−２４５７１９号公報 特開２０１０−２１６０４５号公報

本発明は上記事情に鑑み、炭化シート、不織布の炭化方法および不織布の炭化装置を提供することを目的とする。

第１発明の炭化シートは、炭化されたシート状の不織布であって、該不織布は、融点が２５０℃以上の難溶融性材料からなる芯線が多数交絡したものであり、
前記芯線同士は、融点が２００℃未満の易溶融性材料を溶融させた塊状部分で絡められ固定されていることを特徴とする。
第２発明の炭化シートは、第１発明の炭化シートに炭化された補強用繊維層が積層されていることを特徴とする。
第３発明の不織布の炭化方法は、不織布を構成する繊維が、芯線とその芯線を熱融着樹脂繊維で被覆した被覆材からなり、前記芯線は、融点が２５０℃以上の難溶融性材料からなり、前記被覆材は、融点が２００℃未満の易溶融性材料からなる炭化用原料シートを用い、前記被覆材を溶融させ、前記芯線を溶融させないように加熱して、前記易溶融性材料が溶融した塊状部分で前記芯線同士を絡めて固定することを特徴とする。
第４発明の不織布の炭化方法は、第３発明において、不織布を構成する前記繊維が、前記熱融着樹脂繊維に混合または交絡される他の難溶融性繊維を含むことを特徴とする。
第５発明の不織布の炭化方法は、第３または４発明において、前記加熱は、、
第１段階では、１５０℃前後で加熱し、第２段階では、２００℃前後で加熱し、第３段階では、６００℃以下で加熱することを特徴とする。
第６発明の不織布の炭化装置は、不織布を構成する繊維が、芯線とその芯線を熱融着樹脂繊維で被覆した被覆材からなり、前記芯線は、融点が２５０℃以上の難溶融性材料からなり、前記被覆材は、融点が２００℃未満の易溶融性材料からなる炭化用原料シートを連続的に作成する不織布作成部と、前記被覆材を溶融させ、前記芯線を溶融させないように連続的に加熱する加熱部とを備えており、前記加熱部が、予熱部と焼成部と冷却部を、不織布の送り方向に沿ってその順で連設したことを特徴とする。
第７発明の不織布の炭化装置は、第６発明において、前記不織布作成部が第１作成部および第２作成部とからなり、さらに補強用繊維層を連続的に作成する補強用繊維層作成部を備えることを特徴とする。

第１発明の炭化シートは、炭化した芯線が溶融した易溶融性材料で絡められた状態となっているので、不織布を原料とするにも拘らずシート形状を保ったままの炭化シートとして利用できる。
第２発明の炭化シートは、補強用繊維も内部に絡んだ状態で炭化さているので、剛性があり形状保持性に優れた炭化シートとして利用できる。
第３発明の炭化方法によれば、炭化用原料シートを加熱すると、不織布を構成する繊維の被覆材となっている易溶融性材料が溶融を開始し、溶けて塊状となり、さらに炭化して芯線に絡みついた状態になる。一方、芯線は融点が２５０℃以上の難溶融性材料を用いているので、すぐには溶融せず芯線の形状を維持したまま、炭化を開始する。このため、炭化した芯線が溶融炭化した易溶融性材料で絡められた炭化シートが得られる。
第４発明の炭化方法を用いると、他の難溶融性繊維の混合によりシート強度の向上等の特性を継承した炭化シートを得られる。
第５発明の炭化方法によれば、第一段階として１５０℃前後で被覆材の易溶融性樹脂が溶融して塊状となる。第二段階として、２００℃程度に昇温すると塊状の易溶融性樹脂と芯線の樹脂が炭化を開始する。第三段階として６００℃以下で焼成するが、芯線が完全に炭化する前に終了すると、表層のみ炭化した芯線が溶融した易溶融性材料で絡められた炭化シートが得られる。
第６発明の炭化装置によれば、不織布作成部で不織布を連続的に作成しながら加熱部において、予熱部で水分等を放出させたのち焼成部で加熱でき、かつ冷却部で熱を放出できるので、能率よく不織布を炭化した炭化シートが得られる。
第７発明の炭化装置によれば、第１作成部で作成した不織布と第２作成部で作成した不織布に補強用繊維層作成部で連続的に作成した補強用繊維層を加えることができるので、補強用繊維で補強された不織布の炭化シートが得られる。

本発明に係る炭化用不織布シートの説明図である。 本発明の炭化方法の説明図である。 本発明の一実施形態に係る炭化用不織布シートの炭化前の拡大写真である。 図３の炭化用不織布シートの炭化後の拡大写真である。 本発明の一実施形態に係る炭化装置の斜視図である。 本発明の他の実施形態に係る炭化装置の斜視図である。

本発明の炭化用不織布シートＡは、図１に示すように、不織布を構成する繊維ａが芯線ａ１とその芯線ａ１を被覆した被覆材ａ２からなり、基本的には合成樹脂繊維からなる。芯線ａ１は、融点が２５０℃以上の難溶融性材料からなり、被覆材ａ２は、融点が２００℃未満の易溶融性材料からなるものである。また、各繊維ａ、ａの交差する点ｃでは被覆材ａ２が少し溶けて互いに接着している。

芯線ａ１に用いられる難溶融性材料は、融点が２５０℃以上であることが条件とされるが、このような難溶融性材料としては、つぎのものを例示できる。
最も好適なものは、ポリエステル繊維であり、融点は２５５℃である。
これ以外にも、アラミド繊維、ガラス繊維、セルロース繊維、ナイロン繊維（たとえばナイロン６６）、レーヨン繊維などが利用可能である。さらに、素材そのものには耐熱性はないが難燃化処理を施すことによりビニロン繊維、ポリオレフィン繊維、植物繊維（セルロース）、レーヨン（セルロースからの合成繊維）などが利用可能となる。

被覆材ａ２に用いられる易溶融性材料は、融点が２００℃未満であることが条件とされるが、このような易溶融性材料としては、つぎのものを例示できる。
最も好適なものはポリエチレンであり、融点は１２５℃である。これ以外に以下の熱融着樹脂も利用可能である。
低密度ポリエチレン樹脂、エチレン酢酸ビニル樹脂、合成ゴム、共重合ポリアミド樹脂、共重合ポリエステル樹脂など。

（本発明の炭化方法）
本発明の炭化方法を図２に基づき説明する。（Ａ）は加熱工程を示し、公知の加熱炉１が用いられる。本発明の炭化用不織布シートＡを用い、加熱炉１内で２５０℃以上６００℃以下の温度で加熱し、被覆材ａ２を溶融させ、芯線ａ１を溶融させないように加熱時間を調整する。

本発明の炭化用不織布シートＡを２５０℃以上６００℃以下の温度で加熱すると、まず不織布を構成する繊維ａの被覆材ａ２となっている易溶融性材料が溶融を開始し、溶けて塊状となり、芯線ａ１に絡みついた状態になる。一方、芯線ａ１は融点が２５０℃以上の難溶融性材料を用いているので、すぐには溶融せず芯線ａ１の形状を維持したまま、炭化を開始する。そして、芯線ａ１が溶融しはじめる前に加熱を止めると、同図（Ｂ）に示すように、炭化した芯線ａ１、ａ１同士が溶融炭化した塊状の易溶融性材料ａ２’で絡められ固定された状態になるので、シート形状を保ったままの炭化シートＢが得られる。

本発明の炭化方法の適用前後における不織布シートを図３、図４に示す。炭化前の写真（図３）では、繊維ａの外周は易溶融性材料で被覆されており、繊維ａ、ａ同士の接触部では、一部の被覆材が溶けて相互に接着している。もちろん内部には（見えないが）芯線が通っている。炭化後の写真（図４）では、被覆材ａ２’（ポリエチレン樹脂など）が溶融して塊状になり、被覆材ａ２’が互いに芯線ａ１を接着しているのが分る。さらに２５０℃以上に昇温するとこの被覆層ａ２’（ポリエチレン樹脂など）の塊が炭化を開始し、同時に芯線ａ１も軟化しながらも炭化を開始する。

さらに６００°以下の温度まで昇温していく間に炭化を促進させ、芯線ａ１が中心まで完全に炭化する手前で焼成炭化を停止すると、芯部に繊維の強度を残存させた炭化シートＢが製造できる。図２の（Ｂ）は炭化した状態の不織布シートを示すものであり、芯線ａ１の表層を炭化し、芯線ａ１の内部は素材のままでとどめおくことにより、シートとしての形状が保たれているものである。なお、符号ａ２’は、溶融した被覆材料を示し、塊状となって芯線ａ１，ａ１相互を接着する接着材となっている。

（本発明の炭化装置）
図５に基づき、本発明の炭化装置Ｅの第１実施形態を説明する。
本実施形態の炭化装置Ｅは、不織布を連続的に作成する不織布作成部１０と、不織布を連続的に加熱する加熱部１とを備えている。

不織布作成部１０は、繊維分散箱１１とエアーレイド機１２からなる。繊維分散箱１１内に、不織布を構成する合成樹脂からなる繊維ａを入れておき、エアーレイド機１２を駆動すると、空気流を利用して繊維を積層し、シート状の不織布を形成する。
本発明の不織布は、合成樹脂繊維ａのみからなるものでもよく、これに植物繊維ｂを混合したものでもよい。植物繊維ｂを混合する場合は、繊維分散箱１１には、竹繊維や木質繊維、ケナフ、ジュート、麻、バガスなどの植物繊維ｂを混入させるとよい。植物繊維ｂはエアーレイド機１２で合成樹脂繊維ａに混入され、共に不織布シートＡを形成する。

形成された不織布シートＡは、エアーレイド機１２から加熱部１に向けて配設されたコンベヤ４１，４２で、加熱部１内に送られる。

加熱部１は、予熱部２と焼成部３と冷却部４とからなる。
予熱部２と焼成部３とは、無酸素状態で過熱蒸気か電気ヒーターで加熱するものが好ましいが、これに限られることはない。
また、予熱部２と焼成部３は、トンネル状に形成されており、その内部を炭化対象の不織布シートが耐熱ベルトコンベヤ等で送り込まれ、かつ出ていくようになっている。

予熱部２は、不織布から水や揮発性樹脂を放出させるに必要な温度、たとえば、２００℃位まで加熱する炉である。
焼成部３は、炭化のための加熱部であり、過熱蒸気もしくは多数個のヒータからなるヒータ群を内蔵している。そして、各ヒータ群の設定温度を変えることにより２５０℃以上６００℃以下の範囲内で数段階の温度での加熱が可能となっている。たとえば、第１段階で約１５０℃、第２段階で約２００℃、第３段階で約３００℃を目標とする加熱温度変化が可能となっている。
なお、温度制御は、連続変化であってもよく、段階状変化であってもよく、いずれを採用するかは、炭化対象物によって変えるとよい。

加熱時間の制御は、加熱部１内を走行するコンベヤ４２を定速送りにして送り速度を加減するのが、連続生産に好適である。送り速度が遅いほど加熱量が多く、送り速度が早いほど加熱量が少なくなるので、予熱部２と焼成部３を通過させる時間を長短に制御することにより、炭化の程度を変えることができる。

冷却部４は、炭化後の不織布シートの熱を放出することができればよく、その構成は任意であるが、たとえば、冷却ハウジングの外周に水冷管を配置したものや空冷設備で構成することができる。

冷却部４の出側には、プレス部５と巻取り部６が設けられている。
プレス部５は上下一対のプレスローラからなり、炭化後のシートを軽く圧縮して、炭化後の繊維の絡みを維持するようにしている。
巻取り部６は公知の巻取り機で構成されており、炭化完了後のシートを巻き取るものである。

上記炭化装置Ｅを用いた炭化方法を、つぎに説明する。
炭化用不織布シートＡは、加熱部１炭化炉へ搬入され、予熱部２で無酸素状態で過熱蒸気もしくは電熱ヒーターなどにより、徐々に昇温され、水分や揮発性樹脂分を放出する。ついで、焼成部３において３段階加熱する。
第１段階として１５０℃前後で被覆材の易溶融性樹脂（たとえばポリエチレン）が溶融して塊状となる。第２段階として、さらに昇温すると、２００℃程度から塊状の易溶融性樹脂と芯線の樹脂が炭化を開始する。第３段階として６００℃以下で、望ましくは約３００℃前後で焼成し、芯線が完全に炭化する前に終了する。その後、冷却部４でシートを冷却し、プレス部５を通すことで緊度を有するシートに仕上げる。
本発明では、２５０℃以上６００℃以下、好ましくは約３００℃前後の低温領域で焼成時間を調整することにより、繊維本体の強度を残して、つまり繊維内部は焼成前のままの状態で、シートの形状を残した炭化シートが製造される。

つぎに、第２実施形態の炭化装置Ｅを図６に基づき説明する。
本実施形態の炭化装置Ｅは、２枚の不織布シートＡ、Ａの間に補強用繊維層Ｄを内挿する構造を特徴としている。

加熱部１は第１実施形態のものと同一である。
不織布作成部１０は２台あり、後述する補強用繊維層作成部３０の前後に配置されている。２台の不織布作成部１０の構成は、図５に示す第１実施形態と実質同一である。

補強用繊維作成部３０は、補強用繊維層を連続的に作成する作成部である。
補強用繊維ｄは不織布に強度を与えるための繊維であり、通常は難溶融性繊維、例えばポリエステル、レーヨン等が用いられる。

補強用繊維層作成部３０は、供給箱３１とコンベヤ３２とカード機３３とからなる。
供給箱３１に補強用繊維ｄである難溶融性熱融着樹脂繊維を入れてコンベヤ３２に定量ずつ供給し、カード機３３でウエブを形成する。カード機３３は、大径のドラムの半周上に複数本のロールを配置した公知の装置であり、繊維ｄがロールからロールに移るたびに繊維ｄの方向が揃えられる。カード機３３の出側は、前記コンベヤ４１に接続されているので、方向が揃えられた補強用繊維ｄは補強用繊維層Ｄとしてウエブ形成された状態でコンベヤ４２で移送されていく。

補強用繊維層作成部３０で作成された補強用繊維層Ｄは、コンベヤ４１にのせられて移送され、上下２層の不織布Ａ，Ａの間に挿入されて３層となる。この３層状態で加熱部１へ送り込まれ、炭化される。

上記のように難溶融性繊維を混入させた不織布にあっては、炭化後においても難溶融繊維の中心部は未炭化となっているので、強度の高い炭化シートＢが得られる。

合成樹脂繊維ａに竹繊維ｓなどの植物繊維を混入させた不織布にあっては、図４に示すように、竹繊維ｓも内部に絡んだ状態で炭化される。竹繊維ｓは不織布の繊維ａより太く、かつその形状を保ったままで炭化するので、剛性があり形状保持性に優れた炭化シートとなる。

（他の実施形態）
前記実施形態では、加熱部１における予熱部２と焼成部３と冷却部４は連続するように結合しているが、これを個別に設け互いに離間したものであってもよい。

前記、実施形態では、不織布を構成する繊維は熱融着樹脂繊維か、これに植物繊維を混合したものであったが、さらに難溶融性繊維を追加してもよい。本発明でいう難溶融性繊維は２５０℃でも溶融しない繊維をいい、これにはガラス繊維や難燃化処理繊維などが含まれる。これらのガラス繊維や難燃化処理繊維は、熱融着樹脂繊維に混合したり、交絡したりすることで不織布としての一体化が可能となる。
また、ガラス繊維や難燃化処理繊維を混合交絡すると、シート温度が向上するという利点がある。

前記実施形態では、焼成部３における加熱を３段階で行ったが、２段階以下でもよく４段階以上であってもよい。要は被覆材ａ２が溶け芯材ａ１が炭化しさえすればよい。

Ａ 炭化用不織布シート
ａ 繊維
ａ１ 芯線
ａ２ 被覆材
Ｂ 炭化シート
ａ２’ 溶融した被覆材料
Ｄ 補強用繊維層
Ｅ 炭化装置
１ 加熱部
２ 予熱部
３ 焼成部
４ 冷却部
５ プレス部
６ 巻取り部
１０ 不織布作成部
３０ 補強用繊維層作成部

Claims (7)

1. 炭化されたシート状の不織布であって、該不織布は、融点が２５０℃以上の難溶融性材料からなる芯線が多数交絡したものであり、
   前記芯線同士は、融点が２００℃未満の易溶融性材料を溶融させた塊状部分で絡められ固定されている
   ことを特徴とする炭化シート。
2. 請求項１の炭化シートに炭化された補強用繊維層が積層されている
   ことを特徴とする請求項１記載の炭化シート。
3. 不織布を構成する繊維が、芯線とその芯線を熱融着樹脂繊維で被覆した被覆材からなり、前記芯線は、融点が２５０℃以上の難溶融性材料からなり、前記被覆材は、融点が２００℃未満の易溶融性材料からなる炭化用原料シートを用い、
   前記被覆材を溶融させ、前記芯線を溶融させないように加熱して、前記易溶融性材料が溶融した塊状部分で前記芯線同士を絡めて固定する
   ことを特徴とする不織布の炭化方法。
4. 不織布を構成する前記繊維が、前記熱融着樹脂繊維に混合または交絡される他の難溶融性繊維を含むことを特徴とする請求項３記載の不織布の炭化方法。
5. 前記加熱は、、
   第１段階では、１５０℃前後で加熱し、
   第２段階では、２００℃前後で加熱し、
   第３段階では、６００℃以下で加熱する
   ことを特徴とする請求項３または４記載の不織布の炭化方法。
6. 不織布を構成する繊維が、芯線とその芯線を熱融着樹脂繊維で被覆した被覆材からなり、前記芯線は、融点が２５０℃以上の難溶融性材料からなり、前記被覆材は、融点が２００℃未満の易溶融性材料からなる炭化用原料シートを連続的に作成する不織布作成部と、
   前記被覆材を溶融させ、前記芯線を溶融させないように連続的に加熱する加熱部とを備えており、
   前記加熱部が、予熱部と焼成部と冷却部を、不織布の送り方向に沿ってその順で連設した
   ことを特徴とする不織布の炭化装置。
7. 前記不織布作成部が第１作成部および第２作成部とからなり、
   さらに補強用繊維層を連続的に作成する補強用繊維層作成部を備える
   ことを特徴とする請求項６記載の不織布の炭化装置。