JP5836364B2 - ポリウレタン弾性繊維 - Google Patents
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Description
これらの分野にポリウレタン弾性繊維が使用される場合には、薄地化、軽量化、高性能化がますます求められるようになってきた。特に近年、着用中のフィット感を高めたスポーツ衣料、インナーウェアや、着用中のサポート力が通常のものよりも高く、優れた体型補正機能、疲労軽減機能を持つストッキング、ガードルなどの製品が注目を集めている。これらの分野においては、より少ないポリウレタン弾性繊維の使用量で同じストレッチ性能を発現することで生地を薄地・軽量・透明化することや、同じポリウレタン弾性繊維の使用量ではより高いストレッチ性能を発現することでより高機能化することが強く求められている。
以下の特許文献1には、炭素数が2〜10の異なったアルキレンエーテルからなる共重合ポリアルキレンエーテルジオールから製造したポリウレタンウレアからなるポリウレタン弾性繊維であって、ウレタン部分とウレア部分の数平均分子量が特定範囲であるポリウレタン弾性繊維が開示されている。このポリウレタン弾性繊維はヒステリシスロスが小さいという特徴を有するが、伸長時応力を低くする意図をもったポリマー設計がなされており、得られたポリウレタン弾性繊維の回復時応力自体は低いものであった。
[1]炭素数が2〜10の異なったアルキレンエーテルからなる共重合ポリアルキレンエーテルジオール、ジイソシアネート、及びジアミンからなるポリウレタンウレアからなるポリウレタン弾性繊維であって、該ポリウレタンウレアの下記式(1):
ハードセグメント分率(%)=(ウレア部分の数平均分子量)/{(ウレタン部分の数平均分子量)+(ウレア部分の数平均分子量)}×100 式(1)
で定義されるハードセグメント分率が14.0%以上25.0%以下であることを特徴とする前記ポリウレタン弾性繊維。
[6]前記共重合ポリアルキレンエーテルジオールは、テトラメチレン基と分岐状アルキレン基からなる共重合ポリアルキレンエーテルジオールである、前記[1]〜[5]のいずれかに記載のポリウレタン弾性繊維。
臨界回復応力(cN/dtex)=0.0320−6.43×10−6×D 式(6){式中、D:ポリウレタン弾性糸の繊度(dtex)}
で定義される臨界回復応力以上である、前記[1]〜[6]のいずれかに記載のポリウレタン弾性繊維。
炭素数が2〜10の異なったアルキレンエーテルジオールからなる共重合ポリアルキレンエーテルジオールとジイソシアネートを反応させて、両末端がイソシアネートであるウレタンプレポリマーを合成し、
不活性溶媒中で、得られたウレタンプレポリマーにジアミンを添加して、ポリウレタンウレアを合成して、ポリウレタンウレア溶液を得、ここで、合成されるポリウレタンウレアの下記式(1):
ハードセグメント分率(%)=(ウレア部分の数平均分子量)/{(ウレタン部分の数平均分子量)+(ウレア部分の数平均分子量)}×100 式(1)
で定義されるハードセグメント分率は14.0%以上25.0%以下であり、そして
得られたポリウレタンポリウレア溶液を、乾式紡糸して、ポリウレタン弾性繊維を得る、
を含む前記[1]〜[7]のいずれかに記載のポリウレタン弾性繊維の製造方法。
本発明のポリウレタン弾性繊維は、共重合ポリアルキレンエーテルジオール、ジイソシアネート、及びジアミンからなるポリウレタンウレアから構成される。
本発明における共重合ポリアルキレンエーテルジオールは、エチレン、プロピレン、テトラメチレン、ペンタメチレン、ヘキサメチレン、デカメチレン等の炭素数2〜10の直鎖状アルキレン基、又は、1,2−プロピレン、3−メチルテトラメチレン、3−メチルペンタメチレン、2,2−ジメチルプロピレン等の炭素数2〜10の分岐状アルキレン基が、少なくとも2種類以上エーテル結合している共重合ポリアルキレンエーテルジオールである。2種類以上のアルキレン基は、全て直鎖状であっても、全て分岐状であっても、又は直鎖状と分岐状の組み合わせであってもよい。また、2種類以上のアルキレン基は交互状、ブロック状又はランダム状にエーテル結合していてよい。得られるポリウレタン弾性繊維の強伸度特性の観点からは、2種類以上のアルキレン基のうち最も多く含有しているアルキレン基成分を主成分、それと共重合している他のアルキレン基成分を共重合成分としたとき、共重合ポリアルキレンエーテルジオール中の共重合成分の割合である共重合比率は4モル%以上かつ40モル%以下であることが好ましく、より好ましくは8モル%以上20モル%以下である。
本発明におけるジイソシアネートに特に制限はないが、例えば、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート、トリレンジイソシアネート、1,5−ナフタレンジイソシアネート、1,4−フェニレンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート等の芳香族ジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート等の脂肪族ジイソシアネート、イソホロンジイソシアネート、4,4’ −ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート等の脂環族ジイソシアネートを使用することができる。これらは単独で使用してもよいし、2種類以上を混合して使用してもよい。好ましいのは活性水素との高い反応性を有する芳香族ジイソシアネートを使用することであり、その中でも、反応性や得られるポリウレタン弾性繊維の強伸度特性の観点から、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネートを使用することが特に好ましい。4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネートには、それに対し20モル%以下の量で2,4’−ジフェニルメタンジイソシアネートが混合されていてもよい。
まず、下記式(1):
ハードセグメント分率(%)=(ウレア部分の数平均分子量)/{(ウレタン部分の数平均分子量)+(ウレア部分の数平均分子量)}×100 式(1)
で定義されるハードセグメント分率が14.0%以上25.0%以下となるように、ウレタン部分の数平均分子量とウレア部分の数平均分子量を決定する。
図2に、本発明のポリウレタンウレアのウレタン部分とウレア部分の構造式の一例を示す。図2中のR1は共重合ポリアルキレンエーテルジオールの残基、R2はジイソシアネートの残基、そしてR3はジアミンの残基を表す。ここで、ウレタン部分とは、共重合ポリアルキレンエーテルジオールとジイソシアネートとの反応で得られた、ウレタン結合を有する部分であり、そしてウレア部分とは、ジアミンとジイソシアネートとの反応で得られた、ウレア結合を有する部分である。
ウレタン部分の数平均分子量Msを制御するためには、共重合ポリアルキレンエーテルジオールの数平均分子量Mdoと、共重合ポリアルキレンエーテルジオールに対するジイソシアネートのモル比N1を調整する必要がある。ここで、ウレタン部分の数平均分子量Msは、下記式(2):
Ms={Mdo+Mdi(N1−N0)}/(N1−N0−1)−2Mdi 式(2)
{式中、
Ms:ウレタン部分の数平均分子量、
Mdo:共重合ポリアルキレンエーテルジオールの数平均分子量、
Mdi:ジイソシアネートの分子量、
N1:ジイソシアネートの共重合ポリアルキレンエーテルジオールに対するモル比、
N0:下記式(3):
N0=aN1 4+bN1 3+cN1 2+dN1+e 式(3)
(式中、a〜e:定数(a=0.03806、b=−0.3997、c=1.617、d=−2.144、e=0.8795)により求められる、ウレタンプレポリマー反応後に存在する未反応のジイソシアネートの共重合ポリアルキレンエーテルジオールに対するモル比)}
により計算される。ここで、式(3)で示したN0は、ウレタンプレポリマー反応後に存在する未反応のジイソシアネートの共重合ポリアルキレンエーテルジオールに対するモル比であり、L.H.Peebles.Jr.により「Macromolecules,7(6),782−882,1974」に記載された式から導出したものである。
すなわち、ウレタン部分の数平均分子量Msを制御するためには、使用する共重合ポリアルキレンエーテルジオールの分子量Mdoを決定した上で、上記式(2)のMsが所望の値となるように、共重合ポリアルキレンエーテルジオールに対するジイソシアネートのモル比N1を設計すればよい。
すなわち、鎖伸長反応時に存在する未反応のジイソシアネートの共重合ポリアルキレンエーテルジオールに対するモル比N3は下記式(4):
N3=N0+N2 式(4)
{式中、
N0:前記式(3)で求められる、ウレタンプレポリマー反応後に存在する未反応のジイソシアネートの共重合ポリアルキレンエーテルジオールに対するモル比、
N2:鎖延長反応時の追加添加分のジイソシアネートの共重合ポリアルキレンエーテルジオールに対するモル比(追加添加しない場合はN2=0である。)}で計算される。
ここで、式(4)中に定義したように、鎖伸長反応時に、ジイソシアネートを追加添加する必要がないときN2は0である。
ウレア部分の数平均分子量Mhは、下記式(5):
Mh={Mda(N1+N3−N0−1)+Mdi×N3}/(N1−N0−1)+2Mdi 式(5)
{式中、
Mh:ウレア部分の数平均分子量、
Mda:ジアミンの分子量(2種類以上を混合して使用する場合はその数平均分子量)、
Mdi:ジイソシアネートの分子量、
N0:前記式(3)で求められる、ウレタンプレポリマー反応後に存在する未反応のジイソシアネートの共重合ポリアルキレンエーテルジオールに対するモル比、
N1:ジイソシアネートの共重合ポリアルキレンエーテルジオールに対するモル比、
N3:前記式(4)で求められる、鎖伸長反応時に存在するジイソシアネートの共重合ポリアルキレンエーテルジオールに対するモル比}で計算される。
すなわち、ウレア部分の数平均分子量Mhを制御するためには、使用するジアミンの分子量を決定した上で、上記式(5)のMhが所望の値となるように、鎖伸長反応時に存在する未反応のジイソシアネートの共重合ポリアルキレンエーテルジオールに対するモル比N3を設計すればよい。
製造したポリウレタンウレア溶液には、必要に応じて熱安定剤、酸化防止剤、黄変防止剤、耐塩素剤等の添加剤や、不活性溶媒を添加して、紡糸に供することができる。紡糸に供するポリウレタンウレア溶液の濃度に特に制限はないが、ポリウレタンウレア溶液の取り扱いの容易性からは15重量%から45重量%の範囲であることが好ましい。このようにして得られたポリウレタンウレア溶液は、従来技術の乾式紡糸法又は湿式紡糸法を用いてポリウレタン弾性繊維とすることができる。紡糸したポリウレタン弾性繊維には、油剤として、ポリアルキルシロキサン、ポリエーテル変性シリコーン、アミノ変性シリコーン、鉱物油、タルク等の鉱物性微粒子、ステアリン酸マグネシウム等の高級脂肪酸金属塩粉末、パラフィンなどの種々のものを、単独で又は組み合わせて付与してもよい。
臨界回復応力(cN/dtex)=0.0320−6.43×10−6×D 式(6)
{式中、
D:ポリウレタン弾性糸の繊度(dtex)}で定義される臨界回復応力以上であることが好ましい。
ポリウレタン弾性繊維のヒステリシスロスは小さいほうが好ましい。ヒステリシスロスが小さいことは、ポリウレタン弾性繊維の伸長時応力に対する回復時応力の割合が大きいことを示す。これは、伸長繰り返し試験時の伸長時の応力をS−モジュラス、回復時の応力をR−モジュラスとしたときに下記式(7):
200%応力保持率(%)=fR/fS×100 式(7)
{式中、
fR:0%〜300%伸長繰り返し試験の3サイクル目の200%R−モジュラス(cN)
fS:0%〜300%伸長繰り返し試験の3サイクル目の200%S−モジュラス(cN)}で示される200%応力保持率が大きいことと対応する。ポリウレタン弾性繊維を使用したストレッチ布帛の着用容易性と着用時フィット感との好ましい組み合わせの観点からは、この200%応力保持率が45%以上であることが好ましく、55%以上であることがより好ましく、60%以上であることが特に好ましい。
本発明のポリウレタン弾性繊維は、回復時応力が高く、ヒステリシスロスが小さく、耐熱性が高いという特徴を有し、水着やタイツ等に代表されるスポーツ衣料分野や、インナーウェア、アウターウェア、ストッキング等の衣料分野におけるストレッチ布帛をはじめ、オムツに代表される衛生材料分野、産業資材分野等に好適に使用される。
丸編地、緯編地、経編地、織物は生機を開反し、リラックス処理を施した後、染色工程を経て、樹脂加工を含めた仕上げセットなどの行う一般的な染色工程を使用することができる。
(1)ウレタン部分及びウレア部分の数平均分子量とハードセグメント分率の測定方法
ポリウレタン弾性繊維を石油エーテルで洗浄して油剤を除去し、その後、クロロホルムを溶媒としてソックスレー抽出を行い、有機化合物系添加剤を除去する。クロロホルムを乾燥除去し、以下の装置と測定条件で測定する。
測定装置 :BRUKER社製AVANCE II
測定核 :1H
共鳴周波数 :400MHz
積算回数 :128回
測定温度 :25℃
溶媒 :重水素化ジメチルホルムアミド
測定濃度 :1.5重量%
化学シフト基準:テトラメチルシラン(0ppm)
n=2×(F1/F2) 式(8)
m=2×(F3/F2) 式(9)
したがって、ウレタン部分の数平均分子量Msとウレア部分の数平均分子量Mhは、それぞれ、下記式(10)と式(11)で求めることができる。
Ms=(Mdo+Mdi)×n+Mdo 式(10)
Mh=(Mda+Mdi)×m+Mda+2Mdi 式(11)
{式(10)と式(11)中、
Mdo:共重合ポリアルキレンエーテルジオールの数平均分子量、
Mdi:4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネートの分子量、
Mda:ジアミンの分子量(2種類以上を混合して使用する場合はその数平均分子量)}
ポリウレタン溶液を溶媒が飛散しないように密閉容器に入れ、50℃のセーフティーオーブン(タバイエスペック社製SPH−200型)内に15日間放置した。50℃で15日間放置する前後のポリウレタン溶液の粘度を、回転粘度計(東京計器製BH型)を用いて測定し、その粘度上昇幅Δηを粘度安定性の指標とした。Δηが小さい程、紡糸工程での糸切れ等がなく安定生産可能なポリウレタン溶液である。
引張試験機(オリエンテック(株)製RTG−1210型テンシロン)を使用し、20℃、相対湿度65%の条件下で試料長50mmの試験糸を500mm/分の速度で引っ張り、破断強力及び伸度の測定を行う。一つの試験糸につき測定は10回行い、その平均値を採用する。
また、試料長50mmの試験糸を500mm/分の速度で伸度0%〜300%の伸長繰り返し試験を実施したときの伸長時の応力をS−モジュラス、回復時の応力をR−モジュラスとし、伸度200%における繰り返し3回目のS−モジュラスとR−モジュラスを測定する。この伸度200%における繰り返し3回目のR−モジュラスを、試験糸の繊度(dtex)で割った値を、ポリウレタン弾性繊維の回復時200%応力とする。さらに、下記式(7)
200%応力保持率(%)=fR/fS×100 式(7)
{式中、
fR:0%〜300%伸長繰り返し試験の3サイクル目の200%R−モジュラス(cN)
fS:0%〜300%伸長繰り返し試験の3サイクル目の200%S−モジュラス(cN)}で示される、伸度200%における繰り返し3回目のS−モジュラスに対するR−モジュラスの比を200%応力保持率と呼び、ヒステリシスロスの指標とする。この200%応力保持率が大きい程、ヒステリシスロスが小さいポリウレタン弾性繊維であることを示している。一つの試験糸につき測定は5回行い、その平均値を採用する。
一辺が可動で糸長を自由に変化させることができる金枠に、試験糸をつかみ間隔50mmで保持する。このとき保持した糸のつかみ間隔50mmの位置に印を付けておき、これをその試験糸の初期長とする。次に金枠に50mmで保持した試験糸が100mmとなるように金枠の一辺を移動させて固定し、そのまま雰囲気温度190℃のオーブン内で金枠ごと1分間熱処理する。オーブンから取り出した金枠を試験糸が50mmとなるように金枠の一辺を移動させて固定してから、試験糸を取り外す。取り出した試験糸は熱処理の影響で熱固定され、初期長50mmで印を付けた点の間隔は50mmよりも長くなる。その後、熱処理する前の印を付けた位置で、チャック間距離50mmに設定した引張試験機(オリエンテック(株)製RTG−1210型テンシロン)に試験糸を取り付け、20℃、相対湿度65%の条件下で500mm/分の速度で伸度0%〜300%の伸長繰り返し試験を実施し、繰り返し3回目の200%R−モジュラスを測定する。熱処理をしない試験糸の200%R−モジュラスに対する熱処理後の200%R−モジュラスを熱処理保持率と呼び、耐熱性の指標とする。この熱処理保持率が高いほど、耐熱性の高いポリウレタン弾性繊維であることを示している。一つの試験糸につき熱処理及び熱処理後の試験糸の200%R−モジュラスの測定を5回実施し、その平均値を採用する。
ストレッチ布帛から弾性繊維を抜き出し(これを抜出糸と呼ぶ)、以下の方法で測定する。
まず、100mm長さの抜出糸5本分の重量W(g)を測定し、下記式(10):
抜出糸の繊度(dtex)=10,000×W/0.5 式(10)
により、抜出糸の繊度(dtex)を求める。
次に、引張試験機(オリエンテック(株)製RTG−1210型テンシロン)を使用し、20℃、相対湿度65%の条件下で、速度500mm/分、チャック間距離50mmで伸度0%〜300%の伸長繰り返し試験を実施したときの伸長時の応力をS−モジュラス、回復時の応力をR−モジュラスとし、伸度200%における繰り返し3回目のR−モジュラスを測定する。このR−モジュラスを先に測定した繊度で割った値を、300%伸長繰り返し3回目の回復時200%伸長強度とする。一つの試験糸につき測定は5回行い、その平均値を採用する。
テトラメチレン基と2,2−ジメチルプロピレン基からなる、数平均分子量1800で2,2ジメチルプロピレン基の共重合率が10モル%である共重合ポリアルキレンエーテルジオール1800g(1モル)と、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート(表1中で、MDI−1と表す)477.0g(1.905モル)を乾燥窒素雰囲気下、60℃で3時間攪拌することで反応させて、末端がイソシアネートであるウレタンプレポリマーを得た。これを室温まで冷却した後、ジメチルアセトアミド(表1中で、DMAc−1と表す)2783gを追加して室温で攪拌することにより、均一なプレポリマー溶液とした。
一方、ジアミンとして1,2−ジアミノプロパンを64.9g(0.876モル)、末端停止剤としてジエチルアミンを4.27g(0.0584モル)、ジメチルアセトアミド(表1中で、DMAc−2と表す)1980gに溶解した溶液を、上記プレポリマー溶液に高速攪拌下で一気に加え、さらに室温下で1時間反応させ、30℃で3500ポイズのポリウレタン溶液を得た。
このポリウレタン溶液の粘度安定性を評価したところ、50℃で15日間放置した後の粘度上昇幅Δηは230ポイズで、安定な原液であった。
この紡糸原液を、紡口口金4ホールを使用して紡口直下の加熱窒素ガス温度270℃の雰囲気下に吐出し、ゴデッドローラーと巻き取りボビン間のドラフト1.15の条件下で、巻き取り速度680m/分で、ジメチルシリコーンを主成分とする油剤を付与した後、ボビンに巻き取り、44デシテックスのポリウレタン弾性繊維を得た。
このストレッチ布帛から抜き出したポリウレタン弾性繊維の繊度は16.9dtexであり、200%R−モジュラスは1.5cN、回復時200%応力は0.091cN/dtexであった。抜出糸の物性を表2に示す。
実施例1と同様の方法で以下の表1に示す原料及び仕込み比率で製造したポリウレタン溶液を、実施例1と同様な方法で紡糸して、44デシテックスのポリウレタン弾性繊維を得た。
但し、実施例4、実施例7、実施例8、実施例10、実施例12においては、共重合ポリアルキレンエーテルジオールと4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート(表1中で、MDI−1と表す)を反応させて末端がイソシアネートであるウレタンプレポリマーを得た後、これを室温まで冷却してから追加添加用の4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネート(表1中で、MDI−2と表す)とジメチルアセトアミド(表1中で、DMAc−1と表す)を追加して室温で攪拌することにより、均一なプレポリマー溶液を得た。
一方、実施例5〜実施例13においては、ジアミンは2種類の混合品とし、表1に示す種類と量の第一ジアミン、第二ジアミンとジエチルアミンをジメチルアセトアミド(表1中で、DMAc−2と表す)に溶解したものをプレポリマー溶液に加えて反応させることで、ポリウレタン溶液を得た。
得られたポリウレタン弾性繊維の各種評価解析結果を、以下の表2に示す。
比較例1は実施例1、比較例2は実施例4、比較例3と比較例4は実施例5と同様の方法で以下の表1に示す原料及び仕込み比率で製造したポリウレタン溶液を、実施例1と同様な方法で紡糸して、44デシテックスのポリウレタン弾性繊維を得た。このポリウレタン弾性繊維の各種評価解析結果を以下の表2に示す。
Claims (8)
- 炭素数が2〜10の異なったアルキレンエーテルからなる共重合ポリアルキレンエーテルジオール、ジイソシアネート、及びジアミンからなるポリウレタンウレアからなるポリウレタン弾性繊維であって、該ポリウレタンウレアの下記式(1):
ハードセグメント分率(%)=(ウレア部分の数平均分子量)/{(ウレタン部分の数平均分子量)+(ウレア部分の数平均分子量)}×100 式(1)
で定義されるハードセグメント分率が14.0%以上25.0%以下であることを特徴とする前記ポリウレタン弾性繊維。 - 前記ポリウレタンウレアのハードセグメント分率が15.5%以上22.0%以下である、請求項1に記載のポリウレタン弾性繊維。
- 前記ジアミンは、2つのアミン基の間のアルキル部分の炭素数が3以下である直鎖又は分岐脂肪族第一ジアミンと、該第一ジアミンと異なる、2つのアミン基の間のアルキル部分の炭素数が3以下である直鎖又は分岐脂肪族第二ジアミンとの混合物である、請求項1又は2に記載のポリウレタン弾性繊維。
- 前記全ジアミン中の第二ジアミンのモル分率は、2〜20モル%である、請求項3に記載のポリウレタン弾性繊維。
- 前記共重合ポリアルキレンエーテルジオールの数平均分子量は、1000〜3000である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のポリウレタン弾性繊維。
- 前記共重合ポリアルキレンエーテルジオールは、テトラメチレン基と分岐状アルキレン基からなる共重合ポリアルキレンエーテルジオールである、請求項1〜5のいずれか1項に記載のポリウレタン弾性繊維。
- 300%伸長繰り返し3回目の回復時200%応力が下記式(6):
臨界回復応力(cN/dtex)=0.0320−6.43×10−6×D 式(6){式中、D:ポリウレタン弾性糸の繊度(dtex)}で定義される臨界回復応力以上である、請求項1〜6のいずれか1項に記載のポリウレタン弾性繊維。 - 以下の工程:
炭素数が2〜10の異なったアルキレンエーテルジオールからなる共重合ポリアルキレンエーテルジオールとジイソシアネートを反応させて、両末端がイソシアネートであるウレタンプレポリマーを合成し、
不活性溶媒中で、得られたウレタンプレポリマーにジアミンを添加して、ポリウレタンウレアを合成して、ポリウレタンウレア溶液を得、ここで、合成されるポリウレタンウレアの下記式(1):
ハードセグメント分率(%)=(ウレア部分の数平均分子量)/{(ウレタン部分の数平均分子量)+(ウレア部分の数平均分子量)}×100 式(1)
で定義されるハードセグメント分率は14.0%以上25.0%以下であり、そして
得られたポリウレタンポリウレア溶液を、乾式紡糸して、ポリウレタン弾性繊維を得る、
を含む、請求項1〜7のいずれか1項に記載のポリウレタン弾性繊維の製造方法。
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