JP5967557B2 - 光発熱繊維シート - Google Patents
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Description
本発明は、光発熱繊維シートに係り、特に、太陽光の光エネルギーを効率良く熱エネルギーに変換して発熱する、保温効率の高い光発熱繊維シートに関する。
保温の概念は、人体から放出される熱が外部へ奪われないようにする消極的方法と、外部から熱を与える積極的方法に分けられる。前者の方法としては、人体から発生する熱を織物の空気層によって断熱保温する方式や、人体から発散した輻射熱を衣服の外に発散させない赤外線反射素材を用いる方式、人体放射エネルギーを吸収する素材を用いる方式などが提案されており、後者の方法としては、電気発熱素材、化学反応発熱保温素材、太陽光蓄熱保温素材などを被服に導入する方法が提案されている。
前者の方式のうち、空気層による断熱保温方式は、被服を構成する織物の厚さを増加させるので活動性が低くなる原因になり、その他の素材を用いる方式は、被服の洗濯性や耐久性を低下させる要因になって汎用的には使用し難いという問題がある。
熱伝導度は、熱の伝達程度を示す物質に関する定数であって、熱伝導率ともいう。 言い換えれば、熱伝導度は、物体内の任意の点から等温面の単位面積を通り、これと垂直に単位時間に通過する熱量と該方向の温度勾配との比をいう。すなわち、熱の伝達程度を示す物質に関する定数であるが、温度または圧力によって異なる。等方性物質の場合にはスカラー量となり、非等方性物質の場合にはテンソル量となる。特に、金属は、自由電子により熱伝導は大きい値を有し、熱伝導度と電気伝導度との間にはヴィーデマン−フランツ（Ｗｉｅｄｅｍａｎｎ−Ｆｒａｎｚ）の法則が成立する。熱伝導度は密度、比熱、粘度に影響される。生地では、例えば熱伝導度の大きい亜麻繊維は涼しい繊維であり、熱伝導度の小さいウールは最も暖かい繊維である。
特許文献１では、遠赤外線放射特性による保温性に優れるコーティング織物の製造方法を開示している。これは、合成繊維織物の一面に、ジメチルホルムアミドを溶剤として用いた固形分３０±１％のポリウレタン溶液と、２０〜８０％の微斜長石、５〜３０％の酸化ベリリウム、５〜２０％の酸化亜鉛および５〜１５％の二酸化錫を焼結、粉砕して得た遠赤外線放射特性を有する微粒子と、ゼオライトＡとから構成された混合物でコーティング皮膜を形成したコーティング織物の製造方法に関する。この方法は、織物にコーティング層が形成されるので、前述したように洗濯性及び耐久性に問題がある。
また、特許文献２では、電源から熱を発生させるための、伝導性糸から製造された織物であって、１種以上の非伝導性糸と１種以上の正温度係数（ＰＴＣ：Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）加熱糸を含み、前記非伝導性糸とＰＴＣ加熱糸とを組み合わせて加熱織物を形成する構造を提案している。この提案でも、別途の電源発生構造が必要であり、被服適合性が低下するなどの問題がある。
本発明は、上述したように従来の技術の問題点を解決するためのもので、その目的は、衣類への使用に適し、別途の設備なしで優れた発熱機能を有する光発熱繊維シートを提供することにある。
本発明の他の目的は、炭素ナノ繊維の熱的特性を用いて太陽光などの光吸収により熱を発生させる、熱効率に優れる上、環境にやさしい光発熱繊維シートを提供することにある。
本発明は、繊維から形成される生地の一面にドット状またはストライプ状の発熱部、および前記発熱部に重なり合わない非発熱部が形成されるが、前記発熱部は、炭素ナノチューブ、または第４属金属炭化物がドット状またはストライプ状に塗布されて形成されることを特徴とする、光発熱繊維シートを提供する。
ここで、前記発熱部は炭素ナノチューブとバインダーとが混合されて塗布されることを特徴とする。
また、前記非発熱部は感温変色顔料で染色または塗布されることを特徴とする。
また、前記感温変色顔料は、５〜４０℃で変色するが、変色の後に前記発熱部と同じ色相を有することを特徴とする。
また、前記感温変色顔料は、５〜４０℃で変色するが、変色の前に前記発熱部と同じ色相を有することを特徴とする。
本発明に係る光発熱繊維シートは、炭素ナノチューブまたは第４族金属炭化物の優れた熱的特性を用いて太陽光などの光を吸収して熱エネルギーに変換する作用により熱効率に優れるという効果がある。
また、本発明の光発熱繊維シートは、炭素ナノチューブまたは第４族金属炭化物を使用したもので、繊維固有の質感をそのまま維持するという効果がある。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な一実施例を詳細に説明する。まず、図面における同一の構成要素または部品はできる限り同一の参照符号を付した。本発明を説明するにあたり、関連した公知の機能或いは構成に対する具体的な説明は本発明の要旨を曖昧にしないようにするために省略する。
本明細書で使用される程度関連用語「約」、「実質的に」などは、言及された意味に固有な製造および物質許容誤差が提示されるとき、その数値からまたはその数値に近接した意味で使用されるとともに、本発明の理解に役立つために正確かつ絶対的な数値が言及された開示内容を非良心的な侵害者が不当に利用することを防止するために使用される。
本明細書で使用される「生地」は、製織または編織によって製造される物品、不織布および繊維ウェブなどを全て含む意味である。
図１は本発明に係る光発熱繊維シートのドット状の発熱部を示し、図２は本発明に係る光発熱繊維シートのストライプ状の発熱部を示す。
本発明は、生地の一面に、光により発熱する機能を有する発熱部１００が形成される光発熱繊維シート１０に関する。
上述した本発明の光発熱繊維シート１０は、図１および図２に示すように、生地の一面に、ドット状またはストライプ状の発熱部１００、および前記発熱部１００に重なり合わない非発熱部２００を形成して成る光発熱繊維シートである。
前記発熱部１００は光を吸収して発熱する物質を含む構成部であり、前記光を吸収する物質としては炭素ナノチューブまたは第４属金属炭化物を用いることが好ましい。
前記炭素ナノチューブは、優れた電気的性質により、一般的な静電気抑制素材の水準を一層越える革新的な静電気防止素材であって、炭素からなる炭素同素体の一種であり、炭素原子がと六角形の蜂の巣状に結合している黒鉛面を円筒状に巻き付けたチューブ形状をしており、粒径１〜１００ｎｍのナノ物質である。
このような炭素ナノチューブは、黒鉛面からなる壁の数によって単一壁（ＳＷＮＴ：Ｓｉｎｇｌｅ Ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ）、二重壁（ＤＷＮＴ：Ｄｏｕｂｌｅ Ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ）、多重壁（ＭＷＮＴ：Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｗａｌｌｅｄ Ｃａｒｂｏｎ Ｎａｎｏｔｕｂｅ）に区分され、この中でも、世界的な量産事例の希なＳＷＮＴがＭＷＮＴよりその特性に優れると報告されている。また、炭素ナノチューブは、例えば、抵抗値が銅の１／１００倍、電流輸送能力が銅の１０００倍に達するなど、優れた電気的特性を持つ。
前記炭素ナノチューブの熱的特性の熱伝導率は自然界で最も優れたダイヤモンドの２倍に達する。前記炭素ナノチューブは、化学的特性の観点からは酸、塩基、還元剤などに対する抵抗力特性など優れた化学的安定性があり、機械的特性の観点からは構造的に炭素間の強い結合をなしており、高強度合金の５０〜１００倍の強度を有している。また、六角形の蜂の巣状をして微細気孔を形成しており、チューブ形状をして中心が開いており、表面積が広い構造的特性を持つ。
本発明に使用される炭素ナノチューブのサイズが２ｎｍ未満の場合には発熱性能が低下するおそれがあり、前記炭素ナノチューブのサイズが１０ｎｍを超える場合には生地の触感が低下するおそれがあるので、本発明に使用される炭素ナノチューブのサイズは２〜１０ｎｍが好ましい。
前記第４族金属炭化物は、遷移金属であって、周期律第ＩＶ族に属する化合物の炭化物である。
前記第４族金属炭化物は、太陽光の主成分である波長０．３〜２μｍの光エネルギーを吸収し、そのエネルギーを波長２〜２０μｍの熱エネルギーに転換放射する能力、および人体から放射される波長約１０μｍの熱エネルギーを反射する機能がある。
前記第４族金属炭化物は、炭化ジルコニウム、炭化ハフニウム、炭化チタニウムなどがあり、前記第４族金属炭化物のいずれか１種または２種以上の組み合わせを使用することが好ましい。
前記第４族金属炭化物を使用する場合、第４族金属炭化物は、微粉末の形で使用されるもので、微粉末の平均粒径が２０μｍを超える場合には繊維シートの感触が低下するおそれがあるので、微粉末の平均粒直径が２０μｍを超えないことが好ましい。
前記炭素ナノチューブまたは第４族金属炭化物をアクリル系、ポリウレタン系、シリコン系などの内から選択した１つバインダーと混合し、前記炭素ナノチューブまたは第４族金属炭化物と前記バインダーとの混合物を図１および図２のように生地の一面にプリント、ラミネートなどの方法でドット状またはストライプ状に塗布して前記発熱部を形成することができる。
本発明で使用される前記生地は、上述したように発熱部を形成した後で染色することが容易ではないので、染色された生地を準備して使用することが好ましい。
前記非発熱部２００は、前記発熱部が形成されていない部位であって、生地の審美性または機能性のために感温変色顔料で染色または塗布できる。
前記感温変色顔料は、特定の温度範囲で色を発現する顔料であって、熱を吸収すると、化合物の構造が変わって発色または消色し、熱を遮断させると、元の化合物構造に戻ってきて消色または発色する可逆性である。一般に、このような感温変色顔料の原料物質は電子供与性呈色性有機化合物であって、電子を放出するドナーと電子を受け入れるアクセプタからなっている。このような構成成分の相互作用によって結晶相で色相を出す。熱を加えると、アクセプタが分離されて相互作用が行われないため、色相がなくなる。
このような電子供与性呈色性有機化合物と電子受容性化合物からなり、外部の環境、特に空気中の酸素や湿度に非常に敏感であるため、低温熱可塑性樹脂などでコートして使用することが好ましい。また、マイクロカプセル化して使用することが好ましい。
マイクロカプセルの内部に顕色剤および温度調節用ワックスなどが共に添加されて感温変色顔料の色変化をさらに明確にすることができる。
前記感温変色顔料が色相を発揮する温度では、一般顔料と感温変色顔料との混合色相を発現させて色相の変化を様々にすることができる。
前記感温変色顔料は、体温または周辺の温度によって変色することが好ましいので、５〜４０℃で変色するように形成することが好ましい。
前記非発熱部の感温変色顔料は、審美性のために変色の後に前記発熱部と同じ色相を持つようにして、変色の前には非発熱部が生地に模様を形成するが、変色の後には模様が消えるようにすることができる。
或いは、前記非発熱部の感温変色顔料は、変色の前に前記発熱部と同じ色相を持つようにして、変色の前には単一染色された形態と同一であるが、変色の後には非発熱部が生地に模様を形成するようにすることができる。
上述した本発明に係る光発熱繊維シートに使用される生地は、加工性を高めるために親水化加工を行うことが好ましく、前記親水化加工は一般な加工によって行うことができる。
前述したように感温変色顔料を用いて染色することができ、前記生地に染色工程により非発熱部の色を呈するようにすることができる。
前記炭素ナノチューブまたは第４族金属炭化物とバインダーを混合してプリント、ラミネートなどのコーティング方法で発熱部を生地に形成すると、コーティングされないで残った部分が非発熱部として形成される。
前記バインダーは、アクリル系、ウレタン系、シリコン系バインダーを使用することができる。
前記炭素ナノチューブまたは第４族金属炭化物とバインダーとの混合率は３０：７０〜７０：３０の重量比にすることができ、前記炭素ナノチューブまたは第４族金属炭化物とバインダーとの混合物の塗布量は生地の重量に対しての５〜５０％であることが好ましい。
前記発熱部を炭素ナノチューブで形成する場合、発熱部の蓄熱機能を発現させるために、炭素ナノチューブは、ＳＷＮＴとＭＷＮＴを２０：８０〜５０：５０で混合して使用することが好ましい。
前記塗布方法のうち、生地の触感のためにプリント方法で発熱部を形成することが好ましい。
以下、本発明に係る光発熱繊維シートを製造するための方法の実施例を示すが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
褐色のレギンス用起毛生地の一面に、炭素ナノチューブとポリウレタン系バインダーを１：１の重量比で混合した混合物をロールプリント方法によって図１に示された形で塗布し、炭素ナノチューブを含む黒色の発熱部、および炭素ナノチューブを含まない非発熱部を形成した。
実施例１と同様にして製造するが、１５℃で黒色からピンク色に変色する感温変色顔料を生地の一面に塗布し、その上に炭素ナノチューブとポリウレタン系バインダーを塗布し、炭素ナノチューブを含む発熱部と感温変色顔料の非発熱部を形成した。
［光発熱評価実験］
光発熱評価実験は、上述の実施例で製造された本発明の光発熱繊維シートと、何らの処理も施されていないレギンス用起毛生地を比較例として用いて評価実験を行った。
光発熱評価実験は、上述の実施例で製造された本発明の光発熱繊維シートと、何らの処理も施されていないレギンス用起毛生地を比較例として用いて評価実験を行った。
評価実験は、次の方法で行った。
イ．実験室の温／湿度：（２４±２）℃、（４０±５）％Ｒ．Ｈ
ロ．試料を実験室で温度が同一となるように安定化した。
ハ．５００Ｗの電球を試料から３０ｃｍ離れた状態で点灯して試料に光発熱を誘導させ、試料の裏面に温度計を取り付けて温度を測定した。
イ．実験室の温／湿度：（２４±２）℃、（４０±５）％Ｒ．Ｈ
ロ．試料を実験室で温度が同一となるように安定化した。
ハ．５００Ｗの電球を試料から３０ｃｍ離れた状態で点灯して試料に光発熱を誘導させ、試料の裏面に温度計を取り付けて温度を測定した。
１．光発熱評価
上述の実験方法で、上述の実施例の生地と比較例の生地の光発熱を評価した。実験結果は表１に示す。
上述の実験方法で、上述の実施例の生地と比較例の生地の光発熱を評価した。実験結果は表１に示す。
表１より、本発明の実施例１および実施例２は、電球が点灯すると同時に生地の温度が短時間で急上昇し、比較例は、これらの実施例と比較してゆっくり生地の温度が上昇することが分かり、２０分後にも９℃以上の差があることが分かる。よって、本発明に係る光発熱繊維シートは、その光発熱効率が非常に優れることが分かる。
２．洗濯による光発熱に対する影響の評価
前述の実施例の光発熱繊維シート、および何らの処理も施されていないレギンス用起毛生地を比較例として用いて、洗濯による光発熱に対する影響を評価するために、前述の実施例の生地と比較例の生地を２０回洗濯した後、同一の実験を行った。実験結果は表２に示す。
前述の実施例の光発熱繊維シート、および何らの処理も施されていないレギンス用起毛生地を比較例として用いて、洗濯による光発熱に対する影響を評価するために、前述の実施例の生地と比較例の生地を２０回洗濯した後、同一の実験を行った。実験結果は表２に示す。
表２より、本発明の実施例１および実施例２は、電球が点灯すると同時に生地の温度が短時間で急上昇し、比較例と比較して７℃以上の差があることが分かる。よって、本発明に係る光発熱繊維シートは、洗濯を行っても光発熱効率が非常に優れることが分かる。
１０ 光発熱繊維シート
１００ 発熱部
２００ 非発熱部
１００ 発熱部
２００ 非発熱部
Claims (3)
- 繊維から形成される生地の一面に、ドット状またはストライプ状の発熱部、および前記発熱部に重なり合わない非発熱部が形成されてなり、
前記発熱部は、炭素ナノチューブまたは第４属金属炭化物がドット状またはストライプ状に塗布されて形成され、
前記非発熱部が感温変色顔料で染色または塗布されることを特徴とする光発熱繊維シート。 - 前記感温変色顔料は、５〜４０℃で変色するが、変色の後に前記発熱部と同じ色相を有することを特徴とする請求項１に記載の光発熱繊維シート。
- 前記感温変色顔料は、５〜４０℃で変色するが、変色の前に前記発熱部と同じ色相を有することを特徴とする請求項１に記載の光発熱繊維シート。
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