JP5744178B2 - 快適性が改善されたフラッシュ火災およびアーク防護のための結晶化メタ−アラミド混紡品 - Google Patents

快適性が改善されたフラッシュ火災およびアーク防護のための結晶化メタ−アラミド混紡品 Download PDF

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Description

本発明は、アーク、火炎、およびフラッシュ火災（ｆｌａｓｈ ｆｉｒｅ）防護性を有するのみならず快適性も改善された布帛の製造に有用な混紡糸に関する。本発明はまた、この種の布帛から製造された衣服にも関する。
作業者を防護衣によってフラッシュ火災の可能性から防護しようとする場合、考慮すべき重要な事項は実際に火炎に暴露される時間である。一般に、「フラッシュ」火災という用語は、火炎暴露が非常に短時間（数秒間程度）であるという理由で使用されている。さらに、わずか１秒間の差は小さいように思われるが、火炎に暴露された場合は、火炎暴露時間が１秒長くなることで火傷に大変な差が生じる可能性がある。
フラッシュ火災における素材の性能は、ＡＳＴＭ Ｆ１９３０の試験手順を用いて、試験用機器を装備したマネキンを使用することによって測定することができる。マネキンに被測定素材の衣服を着用させた後、バーナーの火炎に暴露する。マネキン全体に分布した温度センサーが、人体が同じ量の火炎に暴露された場合に体感するであろう温度として、マネキンの局部温度を測定する。標準的な火炎強度を想定し、人間が受けるであろう火傷の程度（すなわち、第１度、第２度等）および火傷を受ける体の割合をマネキンの温度データから求めることができる。
Ｚｈｕらに付与された米国特許第７，３４８，０５９号明細書には、アークおよび火炎防護用布帛および衣服に使用するためのモダクリル／アラミド繊維混紡品が開示されている。このような混紡品は、概してモダクリル繊維含有量が高く（４０〜７０重量％）、結晶化度が少なくとも２０％であるメタ−アラミド繊維（１０〜４０重量％）およびパラ−アラミド繊維（５〜２０重量％）の含有量がより低い。このような混紡品から作製された布帛および衣服は、電気アークおよびフラッシュ火災暴露から最長で３秒間の防護を提供する。Ｚｈｕに付与された米国特許出願公開第２００５／００２５９６３号明細書には、少なくとも１種のアラミドステープル繊維を１０〜７５部、少なくとも１種のモダクリルステープル繊維を１５〜８０重量部、および少なくとも１種の脂肪族ポリアミドステープル繊維を５〜３０重量部の混繊品から作製された、難燃性が改善された混繊品、糸、布帛、および衣料の物品が開示されている。この混繊品は、混繊品中の可燃性脂肪族ポリアミド繊維の比率が高いことから、１８６．５〜２３７グラム毎平方メートル（５．５〜７オンス毎平方ヤード）の範囲の布帛ではカテゴリー２のアーク等級（ａｒｃ ｒａｔｉｎｇ）が得られないであろう。Ｌｏｖａｓｉｃらに付与された米国特許第７，１５６，８８３号明細書には、非晶質メタ−アラミド繊維、結晶化メタ−アラミド繊維、および難燃性セルロース系繊維を含み、メタ−アラミド繊維が５０〜８５重量％であり、メタ−アラミド繊維の３分の１〜３分の２が非晶質であり、メタ−アラミド繊維の３分の２〜３分の１が結晶性である、混繊品、布帛、および防護服が開示されている。この場合も同様に、このような混繊品から作製された布帛は、１８６．５〜２３７グラム毎平方メートル（５．５〜７オンス毎平方ヤード）の範囲の布帛でカテゴリー２のアーク等級は得られないであろう。
ＮＦＰＡ ２１１２標準に準拠するフラッシュ火災用防護衣に要求される最低限の性能は、３秒間の火炎暴露による体の火傷が５０％未満となることである。フラッシュ火災は一部の産業従事者にとって非常に現実的な脅威であり、また、個人が火炎に巻き込まれるであろう時間を完全に予測することは不可能であるため、防護衣用布帛および衣服のフラッシュ火災性能に何らかの改善を施すことによって生命が助かる可能性がある。特に、３秒間を超えて、例えば４秒間以上火災に暴露された場合の防護性が向上した防護衣を提供することができた場合、このことは、暴露可能な時間が３３％以上も延長されることを表している。フラッシュ火災は作業者が経験する可能性のある熱的な脅威の中で最も過酷なものの１つであり、このような脅威は単純な火炎暴露よりもはるかに深刻である。
残念なことに、この種の防護衣の性能を向上させると着用時の不快感が増大する可能性があり、既に緊張に曝されている緊急作業従事者（ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｒｅｓｐｏｎｄｅｒ）に肉体的なストレスまで増やすことになる。実際、産業によっては、快適性の問題から作業者の防護が後回しになり兼ねない状況もある。したがって、火炎、フラッシュ火災、およびアーク防護を犠牲にすることなくこの高性能衣料の快適性を改善するいかなる改良も望ましい。
本発明は、アークおよび火炎防護に使用するための糸、ならびにこの糸から作製された布帛および衣服に関し、この糸は、以下の成分（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、および（ｅ）の総重量を基準として、（ａ）結晶化度が少なくとも２０％であるメタ−アラミド繊維を５０〜８０重量％、（ｂ）難燃レーヨン繊維を１０〜３０重量％、（ｃ）モダクリル繊維を１０〜２０重量％、（ｄ）パラ−アラミド繊維を０〜５重量％、および（ｅ）帯電防止繊維を０〜３重量％から基本的になる。この布帛および衣服の目付は１８６．５〜２３７グラム毎平方メートル（５．５〜７オンス毎平方ヤード）の範囲にある。
一実施形態においては、この糸から作製された衣服は、着用者がＡＳＴＭ Ｆ１９３０に従い４秒間フラッシュ火災に暴露された場合に被ると予測される体の火傷が６０％未満になるような熱防護を提供すると同時に、カテゴリー２のアーク等級を維持する。
本発明は、アーク防護および優れたフラッシュ火災防護を同時に提供する快適な布帛および衣服を製造することができる糸の提供に関する。電気アークは、典型的には、数千ボルトおよび数千アンペアの電流を伴い、衣服または布帛は強力な入射エネルギーに曝される。着用者を保護するためには、このエネルギーが衣服または布帛を通過して着用者に伝達されるのを阻止しなくてはならない。このことは、布帛が入射エネルギーの一部を吸収することと、布帛が破れ（ｂｒｅａｋ−ｏｐｅｎ）ないこととに加えて、布帛と着用者の体との間の空隙によって起こると考えられている。破れる際に布帛に穴が空き、表面または着用者が直接入射エネルギーに曝される。
電気アークからの強力な入射エネルギーを阻止することに加えて、本衣服および布帛は、３秒間を超える長時間のフラッシュ火災暴露によるエネルギーの熱伝達も阻止する。本発明は、一部の入射エネルギーの吸収と、伝達された熱エネルギーの低減を可能にする炭化の改善とによってエネルギーの伝達を低減すると考えられている。
この糸は、メタ−アラミド繊維、難燃（ＦＲ）レーヨン繊維、モダクリル繊維、ならびに場合によっては少量のパラ−アラミド繊維および帯電防止繊維の混紡品から基本的になる。典型的には、この糸は、結晶化度が少なくとも２０％であるメタ−アラミド繊維を５０〜８０重量％、ＦＲレーヨン繊維を１０〜３０重量％、およびモダクリル繊維を１０〜２０重量％からなる。さらにこの糸は、パラ−アラミド繊維を０〜５重量％および帯電防止繊維を０〜３重量％も含むことができる。好ましい幾つかの実施形態においては、この糸は、結晶化度が少なくとも２０％であるメタ−アラミド繊維を５５〜７５重量％、ＦＲレーヨン繊維を１５〜２５重量％、モダクリル繊維を１５〜２０重量％、パラ−アラミド繊維を３〜５重量％、および帯電防止繊維を２〜３重量％からなる。上の百分率は、指定した５種の成分（すなわち、指定したこれらの５種の成分の糸中の総重量）を基準とする。「糸」とは、製織、製編、もしくは編組（ｂｒａｉｄｉｎｇ、ｐｌａｉｔｉｎｇ）、またはそれ以外の方法で繊維材料または布帛を作製するために使用することができる連続した撚り線を形成するための、繊維を紡績または合撚した集合体を意味する。
混繊品中に難燃レーヨンを使用すると、糸に水分率の高い繊維成分が加わるため、この糸を含む布帛から作製された衣服が着用者にとってより快適なものになると考えられている。ＦＲレーヨン繊維を用いて作製された布帛は、良好な難燃性およびフラッシュ火災性能を有するが、最上級のアーク性能を有することは知られていない。驚くべきことに、混繊品中で、ＦＲレーヨン繊維とモダクリル繊維とを特許請求する百分率で組み合わせると、水分率も快適性も改善された布帛および衣服を得ることが可能になり、それと同時に、火炎高アーク等級の性能（ｆｉｒｅ ｈｉｇｈ ａｒｃ ｒａｔｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）、高い難燃性、および場合によっては改善されたフラッシュ火災性能が維持されることが見出された。
本明細書において用いられる「アラミド」は、アミド（−ＣＯＮＨ−）結合の少なくとも８５％が２個の芳香族環に直接結合しているポリアミドを意味する。アラミドと一緒に添加剤を使用してもよく、実際、最大で１０重量％もの量の他の高分子材料をアラミドと混合することができることまたはアラミドの１０％ものジアミンを他のジアミンで置き換えるかもしくはアラミドの１０％ものジ酸クロリドを他のジ酸クロリドで置き換えたコポリマーを使用することができることが見出されている。好適なアラミド繊維は、Ｍａｎ−Ｍａｄｅ Ｆｉｂｅｒｓ−−Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、第２巻、Ｆｉｂｅｒ−Ｆｏｒｍｉｎｇ Ａｒｏｍａｔｉｃ Ｐｏｌｙａｍｉｄｅｓと題した項、ｐ．２９７、Ｗ・Ｂｌａｃｋら、Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ、１９６８に記載されている。アラミド繊維は、米国特許第４，１７２，９３８号明細書、米国特許第３，８６９，４２９号明細書、米国特許第３，８１９，５８７号明細書、米国特許第３，６７３，１４３号明細書、米国特許第３，３５４，１２７号明細書、および米国特許第３，０９４，５１１号明細書にも開示されている。メタ−アラミドはアミド結合が互いにメタ位にあるアラミドであり、パラ−アラミドはアミド結合が互いにパラ位にあるアラミドである。最も使用頻度の高いアラミドはポリ（メタフェニレンイソフタルアミド）およびポリ（パラフェニレンテレフタルアミド）である。
メタ−アラミド繊維を糸に使用した場合は、限界酸素指数（ＬＯＩ）が約２６である難燃性の炭化物形成繊維となる。メタ−アラミド繊維は、火炎暴露による糸の損傷の拡散も阻止する。メタ−アラミド繊維は、弾性率および伸びの物理的特性のバランスを有していることから、従来のシャツ、ズボン、およびカバーオールの形態で作業服（ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｐｐａｒｅｌ）として着用することが意図された単層布の衣服に有用な快適な布帛にもなる。長時間フラッシュ火災に暴露された際のエネルギーの熱伝達を阻止するべく軽量布帛および衣服の炭化を改善するために、糸の少なくとも５０重量％をメタ−アラミド繊維とする。幾つかの実施形態においては、糸はメタ−アラミド繊維を少なくとも５５重量％有する。幾つかの実施形態においては、メタ−アラミド繊維の好ましい最大量は７５重量％以下である。しかしながら、使用量を８０重量％と高くすることも可能である。
難燃レーヨン繊維とは、１種またはそれ以上の難燃剤を有し、繊維の引張強さが少なくとも２グラム毎デニールであるレーヨン繊維を意味する。難燃剤として二酸化ケイ素をポリケイ酸の形態で含むセルロース系またはレーヨン繊維は特別に除外される。それは、この種の繊維の繊維引張強さが低いためである。また、この種の繊維は炭化物形成が良好であるものの、リン化合物や他の難燃剤を含有する繊維と比較すると垂直燃焼性が相対的に劣っている。
レーヨン繊維は当該技術分野において周知の人造繊維であり、全体として再生セルロースから構成されるが、ヒドロキシル基の水素の１５％以下が置換基で置き換えられた再生セルロースも含まれる。このようなものとして、ビスコース法、銅アンモニア法、ならびに現在では既に用いられていないニトロセルロース法および鹸化アセテート法で作製された糸が挙げられる。しかしながら、好ましい実施形態においては、ビスコース法が使用される。一般に、レーヨンは、木材パルプ、綿花リンター、または他の植物性物質をビスコース原液中に溶解させたものから得られる。この液を酸−塩凝固浴（ａｃｉｄ−ｓａｌｔ ｃｏａｇｕｌａｔｉｎｇ ｂａｔｈ）中に押し出して延伸することにより連続フィラメントが得られる。このフィラメントを複数本合わせて糸を形成することもできるし、あるいはステープルに切断して、さらに紡績糸（ｓｐｕｎ ｓｔａｐｌｅ ｙａｒｎ）に加工することもできる。本明細書において用いられるレーヨン繊維には、リヨセル繊維として知られるものも包含される。
難燃剤をレーヨン繊維中に取り込ませるには、難燃薬剤（ｆｌａｍｅ ｒｅｔａｒｄａｎｔ ｃｈｅｍｉｃａｌ）を原液に添加して、難燃剤をレーヨン繊維に練り込み紡糸するか、レーヨン繊維を難燃剤でコーティングするか、レーヨン繊維を難燃剤と接触させて繊維に難燃剤を吸収させるか、または難燃剤をレーヨン繊維中に取り込むことができる他の任意の方法を用いることができる。一般的には、１種またはそれ以上の難燃剤を含有するレーヨン繊維には難燃性を示す「ＦＲ」が付記される。好ましい実施形態においては、ＦＲレーヨンは難燃剤を練り込み紡糸（ｓｐｕｎ−ｉｎ）したものである。
ＦＲレーヨンは水分率が高いことから、布帛に快適性を与える構成要素となる。布帛の快適性が改善されたと認識されるには、糸がＦＲレーヨンを少なくとも１０重量％含むことが必要であると考えられている。さらに、ＦＲレーヨンの割合を増加させると快適性が一層高くなる可能性があるが、糸中のＦＲレーヨンの量が約３０重量％を超えると、快適性が改善されることよりも重大な問題となり兼ねない好ましくない性能が布帛に現れる可能性があると考えられている。幾つかの好ましい実施形態においては、ＦＲレーヨン繊維は、糸中に１５〜２５重量％の量で存在する。
ＦＲレーヨン繊維は、１種またはそれ以上の様々な市販の難燃剤を含むことができ、例えば、Ｓａｎｄｏｚより入手可能なＳａｎｄｏｌａｓｔ ９０００（登録商標）等の特定のリン化合物等が挙げられる。難燃剤として様々な化合物を使用することができるが、好ましい実施形態においては、難燃剤はリン化合物系である。有用なＦＲレーヨン繊維は、日本国のダイワボウレーヨン株式会社よりＤＦＧ「難燃ビスコースレーヨン」の名称で入手可能である。他の有用なＦＲレーヨン繊維は、Ｌｅｎｚｉｎｇ ＡＧよりＶｉｓｃｏｓｅ ＦＲの名称で入手可能である（ＡｕｓｔｒｉａのＬｅｎｚｉｎｇ Ｆｉｂｅｒｓより入手可能なＬｅｎｚｉｎｇ ＦＲ（登録商標）としても周知である）。
モダクリル繊維とは、主としてアクリロニトリルを含むポリマーから作製されたアクリル系合成繊維を意味する。好ましくは、このポリマーは、アクリロニトリルを３０〜７０重量％およびハロゲン含有ビニルモノマーを７０〜３０重量％を含むコポリマーである。ハロゲン含有ビニルモノマーは、例えば、塩化ビニル、塩化ビニリデン、臭化ビニル、臭化ビニリデン等から選択される少なくとも１種のモノマーである。共重合可能なビニルモノマーは、例えば、アクリル酸、メタクリル酸、この種の酸の塩またはエステル、アクリルアミド、メチルアクリルアミド、酢酸ビニル等である。
好ましいモダクリル繊維は、アクリロニトリルを塩化ビニリデンと組み合わせたコポリマーであり、このコポリマーは、難燃性を改善するための１種または複数種の酸化アンチモンをさらに含む。この種の有用なモダクリル繊維としては、これらに限定されるものではないが、米国特許第３，１９３，６０２号明細書に開示されている三酸化アンチモンを２重量％を含む繊維、米国特許第３，７４８，３０２号明細書に開示されている、少なくとも２重量％、好ましくは８重量％以下の量で存在する様々な酸化アンチモンと一緒に作製された繊維、および米国特許第５，２０８，１０５号明細書および米国特許第５，５０６，０４２号明細書に開示されている、アンチモン化合物を８〜４０重量％を含む繊維が挙げられる。
モダクリル繊維は、糸中において、典型的にはＬＯＩがアンチモン誘導体の添加量に応じて少なくとも２８である難燃性炭化物形成繊維となる。モダクリル繊維はまた、火炎暴露による糸の損傷の拡散も阻止する。モダクリル繊維は難燃性が非常に高いが、その一方で、単独では糸またはその糸から作製された布帛に十分な引張強さが付与されず、電気アーク暴露時に所望の水準の耐破れ性が得られない。糸はモダクリル繊維を少なくとも１０重量％有しており、幾つかの好ましい実施形態においては、糸は、モダクリル繊維を少なくとも１５重量％有している。幾つかの実施形態においては、モダクリル繊維の好ましい最大量は２０重量％である。
メタ−アラミド繊維は、糸およびその糸から形成された布帛にさらなる引張強さを付与する。モダクリルおよびメタ−アラミド繊維の組合せは非常に難燃性が高いが、糸およびその糸から作製された布帛には、電気アーク暴露時に所望の水準の耐破れ性を得るための十分な引張強さが付与されない。
アーク防護の改善を実現するためには、メタ−アラミド繊維が特定の最小限の結晶化度を有することが重要である。メタ−アラミド繊維の結晶化度は、少なくとも２０％、より好ましくは少なくとも２５％である。これは例示目的であるが、最終繊維の形成を容易にするための実用上の結晶化度の上限は５０％である（しかしながら、より高い百分率が好適とみなされる）。一般に、結晶化度は、２５〜４０％の範囲内であろう。この結晶化度を有する市販のメタ−アラミド繊維は、例えば、Ｅ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ＆Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｗｉｌｉｍｉｎｇｔｏｎ，Ｄｅｌａｗａｒｅ）より入手可能なＮｏｍｅｘ（登録商標）Ｔ４５０である。
メタ−アラミド繊維の結晶化度は２種類の方法の一方で測定される。第１の方法は、空隙のない繊維に用いられ、第２の方法は、完全に空隙を有しないわけではない繊維に用いられる。
第１の方法におけるメタ−アラミドの結晶化度（％）は、まず最初に、良質の基本的に空隙のない試料を用いて結晶化度に関する直線性の検量線を作成することによって決定する。このような空隙のない試料の場合、比体積（１／密度）は、２相モデルを用いた場合の結晶化度と直接関連づけることができる。試料の密度は密度勾配管で測定する。ｘ線散乱法により非晶質であることが確認されたメタ−アラミドフィルムを測定することにより、平均密度が１．３３５６ｇ／ｃｍ3であることがわかった。次いで、完全に結晶性のメタ−アラミド試料の密度は、ｘ線による単位格子の大きさから１．４６９９ｇ／ｃｍ3であると決定された。結晶化度が０％および１００％であるこれらの両端を確立してしまえば、この直線的な関係から、任意の空隙を有しない実験用試料の結晶化度（密度は既知）を決定することができる：
Figure 0005744178
多くの繊維試料は空隙を全く含まないというわけではないので、結晶化度の決定に好ましい方法はラマン分光法である。ラマン測定は空隙の含有量の影響を受けないので、空隙の有無に関わらず、１６５０−１ｃｍのカルボニル伸縮の相対強度を任意の形態のメタ−アラミドの結晶化度測定に使用することができる。これを達成するために、空隙が最小限であり、上述した密度測定によって予め決定しておいた既知の結晶化度を有する試料を使用して、１００２ｃｍ−１の環伸縮モードの強度に対し標準化した１６５０ｃｍ−１のカルボニル伸縮強度と結晶化度との間の直線的な関係を構築した。Ｎｉｃｏｌｅｔ Ｍｏｄｅｌ ９１０ ＦＴ−ラマン分光器を使用し、密度検量線に依存する結晶化度（％）に関する以下の経験的関係を構築した：
Figure 0005744178
 （式中、Ｉ（１６５０ｃｍ−１）は、メタ−アラミド試料のその点におけるラマン強度である）。この強度を用いることにより、この式から実験試料の結晶化度（％）が求められる。
メタ−アラミド繊維は、溶液から紡糸し、急冷し、さらなる熱または化学処理を行わずにガラス転移温度未満の温度を用いて乾燥した場合、得られる結晶化度はごく低水準である。このような繊維の結晶化度（％）をラマン散乱法を用いて測定すると、繊維の結晶化度は１５％未満である。結晶化度の低いこのような繊維は、熱および化学的手段を用いて結晶化させることができる非晶質メタ−アラミド繊維と見なされる。結晶化度は、ポリマーのガラス転移温度以上で熱処理することによって増大させることができる。このような熱の適用は、典型的には、繊維に所望の量の結晶化度を付与するのに十分な時間、繊維を張力下で加熱されたロールと接触させることによって実施される。
ｍ−アラミド繊維の結晶化度は化学処理によって増大させることができ、幾つかの実施形態においては、このことには、布帛に組み込む前に繊維を着色、染色、または疑似染色（ｍｏｃｋ ｄｙｅ）する方法が含まれる。幾つかの方法が、例えば、米国特許第４，６６８，２３４号明細書、米国特許第４，７５５，３３５号明細書、米国特許第４，８８３，４９６号明細書、および米国特許第５，０９６，４５９号明細書に開示されている。染料キャリアとしての周知の染色助剤を使用して、アラミド繊維による染料のピックアップの増加を促進してもよい。有用な染料キャリアとしては、アリールエーテル、ベンジルアルコール、またはアセトフェノンが挙げられる。
糸にパラ−アラミド繊維を加えると、この糸から作製された布帛の火炎暴露後の耐収縮性および耐破れ性をさらに幾らか高めることができる。糸がパラ−アラミド繊維を多量に含むと、その糸を含む衣服の着用者が不快感を覚える可能性がある。糸は、パラ−アラミド繊維を０〜５重量％、幾つかの実施形態においては、糸は、パラ−アラミド繊維を３〜５重量％有する。
静電気放電は、損傷しやすい電気機器を扱ったり可燃性蒸気の近くで作業する作業者に危険を及ぼす可能性があるため、糸、布帛、または衣服に帯電防止成分を含有させてもよい。例示的な一例としては、スチール繊維、炭素繊維、または既存の繊維に炭素を組み込んだものがある。帯電防止成分は、糸全体の０〜３重量％の量で存在する。幾つかの好ましい実施形態においては、帯電防止成分は、わずか２〜３重量％の量で存在する。米国特許第４，６１２，１５０号明細書（Ｄｅ Ｈｏｗｉｔｔに付与）および米国特許第３，８０３４５３号明細書（Ｈｕｌｌに付与）には、特に有用な導電繊維が記載されており、熱可塑性繊維中にカーボンブラックが分散されることにより、繊維に帯電を防止するコンダクタンスが付与される。好ましい帯電防止繊維は、カーボン芯／ナイロン鞘繊維である。帯電防止繊維を使用することにより、帯電性が低減された糸、布帛、および衣服が得られ、したがって、見かけの電界強度および煩わしい静電気が低減される。
ステープル糸は、必要とされる結晶化度が最終的な糸に存在するのであれば、これらに限定されるものではないが、リング紡績、コアスピニング、および空気を用いてステープル繊維を撚糸するムラタ空気紡績（Ｍｕｒａｔａ ａｉｒ ｊｅｔ ｓｐｉｎｎｉｎｇ）等の空気紡績技術を含む紡績技術によって製造することができる。単糸を製造した場合は、次いで、これを布帛に変える前に、好ましくはこれらを引き揃えて少なくとも２本の単糸を含む双糸を形成する。別法として、布帛の作製に連続フィラメントのマルチフィラメント糸を使用することもできる。
電気アークによって生じる強力な熱応力から防護するためには、アーク防護布帛およびこの布帛から形成された衣服が、耐炎性を得るための空気中の酸素濃度を超える（すなわち、２１を超え、好ましくは２５を超える）ＬＯＩ、布帛への損傷の伝播が遅いことを示す短い炭化長、防護層下の表面に入射エネルギーが直接当たるのを防ぐための良好な耐破れ性等の特徴を有することが望ましい。
本明細書および添付の特許請求の範囲において使用される布帛という用語は、前述した１種またはそれ以上の異なる種類の糸を用いて、製織、製編、またはそれ以外の方法で集合させた所望の防護層を指す。好ましい実施形態は織布であり、好ましい製織は綾織りである。幾つかの好ましい実施形態においては、布帛の目付に関し標準化された耐アーク性は、少なくとも１．１カロリー毎平方センチメートル毎オンス毎平方ヤード（０．１４ジュール毎平方センチメートル毎グラム毎平方メートル）である。幾つかの実施形態においては、目付に関し標準化された耐アーク性は、好ましくは少なくとも１．３カロリー毎平方センチメートル毎オンス毎平方ヤード（０．１６ジュール毎平方センチメートル毎グラム毎平方メートル）である。幾つかの実施形態においては、目付に関し標準化された耐アーク性を、１．５カロリー毎平方センチメートル毎オンス毎平方ヤード（０．１８５ジュール毎平方センチメートル毎グラム毎平方メートル）以上とすることも可能である。
本布帛には、上述の比率のメタ−アラミド繊維、ＦＲレーヨン繊維、モダクリル繊維、および場合によってはパラ−アラミド繊維、帯電防止繊維を有する糸のみが存在する。織布の場合は、この糸が布帛の経糸および緯糸の両方に使用される。所望により、糸の組成が上述の範囲内にある限りは、糸中のメタ−アラミド繊維、ＦＲレーヨン繊維、モダクリル繊維、パラ−アラミド繊維、および帯電防止繊維の相対量を変化させてもよい。
布帛の作製に使用される糸は、上述した比率の上述したメタ−アラミド繊維、ＦＲレーヨン繊維、モダクリル繊維、パラ−アラミド繊維、および帯電防止繊維から基本的になり、さらなる他の熱可塑性または可燃性繊維または材料を何も含まない。ポリアミドまたはポリエステル繊維等の他の材料および繊維は、糸、布帛、および衣服に可燃性材料を供与し、衣服のフラッシュ火災性能に影響を及ぼすと考えられている。
上述した比率のメタ−アラミド繊維、ＦＲレーヨン繊維、モダクリル繊維、パラ−アラミド繊維、および帯電防止繊維を有する糸から作製された衣服は、フラッシュ火災に４秒間暴露した場合に予測される体の火傷を６０％未満にすることに相当する熱防護を着用者に提供し、それと同時に、アーク等級のカテゴリー２を維持する。これは、３秒間暴露で予測される着用者の体の火傷を５０％未満にするという最低基準から大幅に改善されている。一部の他の耐炎性布帛の場合、火傷は、その性質上、火炎暴露に対し基本的に指数関数的に増加する。衣服で火炎防護する場合、暴露時間が１秒間長くなることは生死を分け兼ねない可能性を意味する。
アーク等級に慣用されているカテゴリー等級付け体系には２種類ある。Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｆｉｒｅ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ（ＮＦＰＡ）の場合は４つの異なるカテゴリーがあり、カテゴリー１は性能が最も低く、カテゴリー４は性能が最も高い。ＮＦＰＡ ７０Ｅ体系に基づくと、カテゴリー１、２、３、および４は、布帛に通過させる熱流束がそれぞれ４、８、２５、および４０カロリー毎平方センチメートルであることに対応する。Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓａｆｅｔｙ Ｃｏｄｅ（ＮＥＳＣ）にも３つの異なるカテゴリーに等級付けする体系があり、カテゴリー１は最も性能が低く、カテゴリー３は最も性能が高い。ＮＥＳＣ体系に基づけば、カテゴリー１、２、および３は、布帛に通過させる熱流束がそれぞれ４、８、および１２カロリー毎平方センチメートルであることに対応する。したがって、アーク等級がカテゴリー２である布帛または衣服は、ＡＳＴＭ Ｆ１９５９の一連の標準的方法に従い測定すると、８カロリー毎平方センチメートルの熱流束に耐えることができる。
フラッシュ火災における衣服の性能は、ＡＳＴＭ Ｆ１９３０の試験手順を用いて試験用機器を装備したマネキンを使用して測定される。マネキンに衣服を着用させ、バーナーの火炎に暴露し、人体が同じ量の火炎に曝された場合に経験するであろう局所的な皮膚温度をセンサーで測定する。標準的な火炎強度を想定し、人間が受けるであろう火傷の程度（すなわち、第１度、第２度等）および火傷を受けた体の割合をマネキンの温度データから決定することができる。予測される体の火傷が低いことは、フラッシュ火災の危険時における衣服の防護性がより高いことを示す。
上述したように、糸、布帛、および衣服中に結晶性メタ−アラミド繊維を使用することは、フラッシュ火災における性能を改善できるのみならず、洗濯による収縮を大幅に低減させると考えられている。この収縮の低減は、上述した結晶化度を有するメタ−アラミド繊維を使用したことおよび結晶化度を高めるための処理を施していないメタ−アラミド繊維を使用したことのみが異なる同一布帛の比較に基づいている。本明細書において、収縮は、１４０°Ｆの水温で２０分間の洗濯サイクルを実施した後に測定される。好ましい布帛は、１０回の洗濯サイクル後、好ましくは２０サイクル後の収縮率が５％以下である。単位面積当たりの布帛の量が増加するに従い、潜在的な危険と防護すべき対象との間の材料の量が増大する。布帛の目付が増加することによって、耐破れ性が増大し、熱防護係数（ｔｈｅｒｍａｌ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒ）が増大し、かつアーク防護性が増大する。しかしながら、より軽量の布帛がどのようにして改善された性能を達成することができるのかは明らかではない。上述した糸を用いることによって、防護衣、特に、性能が改善されたより快適な単層布帛の衣服により軽量の布帛を使用することが可能になる。所望のアークおよびフラッシュ火災性能（ａｒｃ ａｎｄ ｆｌａｓｈ ｆｉｒｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）の両方を有する布帛の目付は、１８６．５ｇ／ｍ2（５．５ｏｚ／ｙｄ）以上、好ましくは２００ｇ／ｍ2（６．０ｏｚ／ｙｄ2）以上である。幾つかの実施形態においては、好ましい最大目付は２３７ｇ／ｍ2（７．０ｏｚ／ｙｄ2）である。目付がより高い布帛は剛性が増大することになると考えられているため、この最大量を超えると、単層布帛の衣服により軽量な布帛を用いることによって快適性が得られるという利点が低下すると考えられている。
炭化長は、生地の耐炎性の目安である。炭化物は、熱分解または不完全燃焼の結果として形成される炭素質の残さと定義される。布帛の炭化長は、ＡＳＴＭ ６４１３−９９の試験条件下で火炎に直接暴露された布帛の端部から、布帛に規定の引裂力を加えた後に視認できる損傷の最も遠い点までの距離として定義される。ＮＦＰＡ ２１１２基準に従い、布帛の炭化長は４インチ未満であるべきである。
幾つかの好ましい実施形態においては、布帛は防護衣服において単層で使用される。本明細書において、布帛の防護的価値は、その布帛の単層に関し報告される。幾つかの実施形態においては、本発明には、この布帛から作製された多層衣服も包含される。
幾つかの特に有用な実施形態においては、上述した比率のメタ−アラミド繊維、ＦＲレーヨン繊維、モダクリル繊維、パラ−アラミド繊維、および帯電防止繊維を有するステープル紡績糸を耐炎性衣服の作製に使用することができる。幾つかの実施形態においては、衣服はステープル紡績糸から作製された防護布帛を基本的に１層有することができる。この種の例示的な衣服としては、消防士または軍人用のジャンプスーツおよびカバーオールが挙げられる。このような上下服は、典型的には消防服として使用され、森林火災を消火すべき地域にパラシュートで降下する際に使用することができる。他の衣服としては、非常に激しい熱的事象が起こる可能性がある化学処理産業や工業電力／施設等の状況で着用することができるズボン、シャツ、手袋、アームカバー等を挙げることができる。
試験方法
布帛の摩耗性能は、ＡＳＴＭ Ｄ−３８８４−０１「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｇｕｉｄｅ ｆｏｒ Ａｂｒａｓｉｏｎ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ Ｔｅｘｔｉｌｅ Ｆａｂｒｉｃｓ（Ｒｏｔａｒｙ Ｐｌａｔｆｏｒｍ，Ｄｏｕｂｌｅ Ｈｅａｄ Ｍｅｔｈｏｄ）」に従い測定する。
布帛の耐アーク性は、ＡＳＴＭ Ｆ−１９５９−９９「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ ｔｈｅ Ａｒｃ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｖａｌｕｅ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ Ｃｌｏｔｈｉｎｇ」に従い測定する。
布帛の破断強度は、ＡＳＴＭ Ｄ−５０３４−９５「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｂｒｅａｋｉｎｇ Ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ Ｅｌｏｎｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆａｂｒｉｃｓ（Ｇｒａｂ Ｔｅｓｔ）」に従い測定する。
布帛の限界酸素指数（ＬＯＩ）は、ＡＳＴＭ Ｇ−１２５−００「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｌｉｑｕｉｄ ａｎｄ Ｓｏｌｉｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｆｉｒｅ Ｌｉｍｉｔｓ ｉｎ Ｇａｓｅｏｕｓ Ｏｘｉｄａｎｔｓ」に従い測定する。
布帛の引裂抵抗は、ＡＳＴＭ Ｄ−５５８７−０３「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｔｅａｒｉｎｇ ｏｆ Ｆａｂｒｉｃｓ ｂｙ Ｔｒａｐｅｚｏｉｄ Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ」に従い測定する。
布帛の熱防護性能は、ＮＦＰＡ ２１１２「Ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｎ Ｆｌａｍｅ Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ Ｇａｒｍｅｎｔｓ ｆｏｒ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｐｅｒｓｏｎｎｅｌ Ａｇａｉｎｓｔ Ｆｌａｓｈ Ｆｉｒｅ」に従い測定する。熱防護性能（またはＴＰＰ）という用語は、布帛が火炎または放射熱に直接暴露された場合に布帛の内側の着用者の皮膚を布帛が連続的かつ確実に保護する能力に関連する。
フラッシュ火災防護レベル試験は、試験用布帛から作製された標準的なパターンのカバーオールを着用させた、試験用機器を装備したサーマルマネキンを使用して、ＡＳＴＭ Ｆ−１９３０に従い実施した。
布帛の炭化長は、ＡＳＴＭ Ｄ−６４１３−９９「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｆｌａｍｅ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ Ｔｅｘｔｉｌｅｓ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｍｅｔｈｏｄ）」に従い測定する。
初期に室温である場合に布帛の有炎燃焼をちょうど支持するであろう酸素および窒素の混合物中の最低酸素濃度（体積％で表される）は、ＡＳＴＭ Ｇ１２５／Ｄ２８６３条件下で測定する。
１回またはそれ以上の洗濯サイクルの後に布帛の単位面積を物理的に測定することによって収縮率を測定する。１サイクルとは、工業用洗濯機を用いて布帛を１４０°Ｆの水温で２０分間洗濯することを指す。
本発明を例示するために以下の実施例を提供する。特段の指定がない限り部および百分率はすべて重量によるものであり、度は摂氏度である。
比較例Ａ
本例は、過半部分である、結晶化度が少なくとも２０％のメタ−アラミド繊維と、少量部分である、モダクリル繊維、パラ−アラミド繊維、および帯電防止繊維とを組み合わせた糸、布帛、および衣服を例示するものである。この材料は、所望のアーク等級である２と、試験用機器を装備したサーマルマネキンから予測される４秒間暴露による体の火傷が６０％未満であることとの両方を有している。
経糸および緯糸の両方がＮｏｍｅｘ（登録商標）ｔｙｐｅ４５０繊維、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）２９繊維、モダクリル繊維、および帯電防止繊維の緊密な混繊品の空気紡績糸である、耐久性を有するアークおよび熱防護布帛を作製する。Ｎｏｍｅｘ（登録商標）ｔｙｐｅ４５０は、結晶化度が３３〜３７％であるポリ（ｍ−フェニレンイソフタルアミド）（ＭＰＤ−Ｉ）である。モダクリル繊維は、アンチモン６．８％を含むＡＣＮ／ポリ塩化ビニリデンコポリマー繊維である（Ｐｒｏｔｅｘ（登録商標）Ｃとして市販されていることが周知である）。Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）２９繊維は、ポリ（ｐ−フェニレンテレフタルアミド）（ＰＰＤ−Ｔ）繊維であり、帯電防止繊維は、Ｐ１４０として市販されていることが周知の炭素芯／ナイロン鞘繊維である。
Ｎｏｍｅｘ（登録商標）ｔｙｐｅ４５０繊維を６８．６重量％、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）２９繊維を１０重量％、モダクリル繊維を２５重量％、およびＰ１４０繊維を１．４重量％を打綿機（ｐｉｃｋｅｒ）で混打綿してスライバを作製し、綿紡方式の加工および空気精紡機を用いてステープル紡績糸を製造する。結果として得られた糸は２１ｔｅｘ（２８綿番手）の単糸である。次いで、２本の単糸を合撚機で合撚することにより撚り数が１０回／インチの双糸を製造する。
次いで、この糸を経糸および緯糸として用いてシャトル織機で２×１綾織組織の布帛を製造する。綾織物の生機の目付は２０３ｇ／ｍ2（６ｏｚ／ｙｄ2）である。次いで、この綾織物の生機を熱水で洗い上げ、塩基性染料を用いて液流染色し、乾燥する。完成した綾織物の組織は、打込本数が経３１本×緯１６本／ｃｍ（経７７本×緯４７本／インチ）であり、目付が２２０ｇ／ｍ2（６．５ｏｚ／ｙｄ2）である。次いで、この布帛の一部を用いてアーク、熱、および機械特性に関する試験を実施し、一部をフラッシュ火災試験用の単層防護カバーオールにする。
比較例Ｂ
緊密な混繊品中のモダクリル繊維に替えて同量のＦＲレーヨン繊維を使用することを除いて比較例Ａを繰り返す。ＦＲレーヨン繊維はＬｅｎｚｉｎｇ ＦＲビスコースである。次いで、この布帛の一部を用いてアーク、熱、および機械特性に関する試験を実施し、一部をフラッシュ火災試験用の単層防護カバーオールにする。
実施例１
Ｎｏｍｅｘ（登録商標）ｔｙｐｅ４５０繊維を５５．８重量％、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）ｔｙｐｅ２９繊維を３％、ＦＲレーヨン繊維を２３重量％、モダクリル繊維を１７重量％、およびＰ１４０繊維を１．２重量％の混繊品を作製することを除いて比較例ＡおよびＢに示した方法を繰り返し、糸、布帛、および衣服を作製する。次いで、この布帛の一部を用いてアーク、熱、および機械特性に関する試験を実施し、一部をフラッシュ火災試験用の単層防護カバーオールにする。
実施例に記載した糸、布帛、および衣服に関し予想される性能を表にまとめる。公称目付およびアーク等級の値を示す。一方、予測される火傷および水分率に関する特性については相対的に評価を行い、基準（（ｏ）で示す）よりも改善された項目は（＋）とする。
比較例Ａはアーク等級が高いが、快適性およびフラッシュ火災性能は基準並みでしかない。比較例Ｂはアーク等級が劣っているが、快適性およびフラッシュ火災性能が改善されている。実施例１はアーク等級が高く、快適性が改善されていると共にフラッシュ火災性能が改善されている。驚くべきことに、実施例１の布帛は、アーク試験における性能が１０．７カロリー毎平方センチメートルと優れており、これは比較例Ａの布帛のアーク試験における性能（１０．３カロリー毎平方センチメートル）を上回っていた。重量基準では、実施例１のアーク性能は１．６５カロリー毎平方センチメートル毎オンス毎平方ヤード（０．２０３ジュール毎平方センチメートル毎グラム毎平方メートル）であり、一方、例Ａのアーク性能は１．５８カロリー毎平方センチメートル毎オンス毎平方ヤード（０．１９５ジュール毎平方センチメートル毎グラム毎平方メートル）であった。
表
Figure 0005744178

次に、本発明の態様を示す。
1. アークおよび火炎防護に使用するための糸であって、
（ａ）結晶化度が少なくとも２０％であるメタ−アラミド繊維を５０〜８０重量％、
（ｂ）難燃レーヨン繊維を１０〜３０重量％、
（ｃ）モダクリル繊維を１０〜２０重量％、
（ｄ）パラ−アラミド繊維を０〜５重量％、および
（ｅ）帯電防止繊維を０〜３重量％
から基本的になり、
前記百分率が、成分（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、および（ｅ）を基準とする、糸。
2. 前記メタ−アラミド繊維の結晶化度が２０〜５０％の範囲にある、上記１に記載の糸。
3. アークおよび火炎防護に使用するのに適した布帛であって、
（ａ）結晶化度が少なくとも２０％であるメタ−アラミド繊維を５０〜８０重量％、
（ｂ）難燃レーヨン繊維を１０〜３０重量％、
（ｃ）モダクリル繊維を１０〜２０重量％、
（ｄ）パラ−アラミド繊維を０〜５重量％、および
（ｅ）帯電防止繊維を０〜３重量％
から基本的になる糸を含み、
前記百分率が、成分（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、および（ｅ）を基準とし、
前記布帛の目付が１８６．５〜２３７グラム毎平方メートル（５．５〜７オンス毎平方ヤード）の範囲にある、布帛。
4. 前記メタ−アラミド繊維の結晶化度が２０〜５０％の範囲にある、上記３に記載の布帛。
5. ＡＳＴＭ Ｄ−６４１３−９９に準拠する炭化長が６インチ未満である、上記３に記載の布帛。
6. ＡＳＴＭ Ｆ−１９５９−９９に準拠する耐アーク性が少なくとも１．１カロリー毎平方センチメートル毎オンス毎平方ヤード布帛である、上記３に記載の布帛。
7. 前記耐アーク性が少なくとも１．３カロリー毎平方センチメートル毎オンス毎平方ヤード布帛である、上記６に記載の布帛。
8. アークおよび火炎防護に使用するのに適した衣服であって、
（ａ）結晶化度が少なくとも２０％であるメタ−アラミド繊維を５０〜８０重量％、
（ｂ）難燃レーヨン繊維を１０〜３０重量％、
（ｃ）モダクリル繊維を１０〜２０重量％、
（ｄ）パラ−アラミド繊維を０〜５重量％、および場合によっては
（ｅ）帯電防止繊維を０〜３重量％
から基本的になる布帛を含み、
前記百分率が、成分（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、および（ｅ）を基準とし、
前記布帛の目付が１８６．５〜２３７グラム毎平方メートル（５．５〜７オンス毎平方ヤード）の範囲にある、衣服。
9. 前記メタ−アラミド繊維の結晶化度が２０〜５０％の範囲にある、上記８に記載の布帛。
10. ＡＳＴＭ Ｆ１９３０に準拠し４秒間火炎暴露した場合の体の火傷が６５％未満となることに相当する熱防護を提供すると同時に、ＡＳＴＭ Ｆ１９５９およびＮＦＰＡ ７０Ｅに準拠するカテゴリー２のアーク等級を維持する、上記８に記載の衣服。

Claims (3)

  1. アークおよび火炎防護に使用するための糸であって、
    （ａ）結晶化度が少なくとも２０％であるメタ−アラミド繊維を５０〜８０重量％、
    （ｂ）難燃レーヨン繊維を１０〜３０重量％、
    （ｃ）モダクリル繊維を１０〜２０重量％、
    （ｄ）パラ−アラミド繊維を０〜５重量％、および
    （ｅ）帯電防止繊維を０〜３重量％
    から基本的になり、
    前記百分率が、成分（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、および（ｅ）を基準とする、糸。
  2. アークおよび火炎防護に使用するのに適した布帛であって、
    （ａ）結晶化度が少なくとも２０％であるメタ−アラミド繊維を５０〜８０重量％、
    （ｂ）難燃レーヨン繊維を１０〜３０重量％、
    （ｃ）モダクリル繊維を１０〜２０重量％、
    （ｄ）パラ−アラミド繊維を０〜５重量％、および
    （ｅ）帯電防止繊維を０〜３重量％
    から基本的になる糸を含み、
    前記百分率が、成分（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、および（ｅ）を基準とし、
    前記布帛の目付が１８６．５〜２３７グラム毎平方メートル（５．５〜７オンス毎平方ヤード）の範囲にある、布帛。
  3. アークおよび火炎防護に使用するのに適した衣服であって、
    （ａ）結晶化度が少なくとも２０％であるメタ−アラミド繊維を５０〜８０重量％、
    （ｂ）難燃レーヨン繊維を１０〜３０重量％、
    （ｃ）モダクリル繊維を１０〜２０重量％、
    （ｄ）パラ−アラミド繊維を０〜５重量％、および場合によっては
    （ｅ）帯電防止繊維を０〜３重量％
    から基本的になる布帛を含み、
    前記百分率が、成分（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、および（ｅ）を基準とし、
    前記布帛の目付が１８６．５〜２３７グラム毎平方メートル（５．５〜７オンス毎平方ヤード）の範囲にある、衣服。
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