JP6545995B2 - 繊維束の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、繊維束を洗浄する製造方法であって、特には有機系高分子から成る合成繊維の製造工程において、形成された繊維束中に含まれる溶媒等の異物を、効率よく洗浄除去する繊維束の製造方法に関する。

湿式紡糸あるいは乾湿式紡糸といわれる溶液紡糸法では、紡糸口金に設けられた吐出孔群より紡糸原液を吐出し、凝固浴内の凝固液中にて凝固させて繊維化する。そしてこのような溶液紡糸法では、その後に行われる繊維中の溶媒等を除去する洗浄工程が特に重要である。通常この洗浄工程としては水洗処理が行われているが、これは同じ溶液紡糸を採用するレーヨン、アクリル、全芳香族ポリアミドなどの有機系高分子からなる合成繊維共通の工程である。また繊維束の洗浄工程としては、上記のような湿式紡糸以外でも、例えば繊維表面に付着した異物や剤を除去するために、広く洗浄処理は実施されている。

そしてこのような洗浄処理としては、洗浄液を満たした浴槽に繊維を単純に浸漬させる処理や、浴槽に浸漬させたときに繊維の進行方向と逆向きに洗浄液を流す処理でも、少量の繊維の処理であれば可能である。
しかし繊維束の洗浄工程において、特に多数の単繊維が集合した繊維束、いわゆるトウの状態にて製造する場合や、生産速度をさらに向上させようとする場合には、困難性が顕著に増加していくこととなる。特に単純な洗浄処理方法にて十分な洗浄効果を得るためには、長い洗浄浴長が必要であり、設備の大型化や洗浄液の量が多くなるという問題が発生するのである。

そこで、このような問題を解決するために、特許文献１や特許文献２では、物理的に繊維束を振動させるなどして、洗浄効果を向上させる技術が開示されている。しかしながら、これらの従来技術では、振動装置を走行するトウに接触させる方式であるため、トウを形成する単繊維を傷つけることになり、その結果として、繊維物性の低下や断糸した繊維の巻き付きによる工程トラブルが発生するという問題があった。
また特許文献３や特許文献４では、洗浄槽を出た、あるいは洗浄槽内の繊維トウに対し、洗浄液を吹き付けるなどする方法が開示されている。しかしながら、これらの方法では、繊維トウの内部まで洗浄液を行き渡らせるのが難しく、特に繊維トウを構成する単繊維数が多くかつ高密度の糸条では十分な洗浄効果を得られないという問題があった。

特開２００１−４９５２３号公報 特開２０１１−２６７１９号公報 特開２００３−６４５７３号公報 特開２００７−３２１２５４号公報

本発明は、以上に述べた従来技術が有する諸問題を解決するためになされたものであって、本発明の目的は、溶液紡糸法による凝固後等の繊維束から、効率的に溶媒等を洗浄除去する繊維束の製造方法を提供することにある。

本発明の繊維束の製造方法は、連続して洗浄処理する繊維束の製造方法であって、洗浄処理が処理浴中にて行われ、処理浴中には仕切り材が設置されており、該仕切り材の一端が繊維束に接触し、他端が処理浴の底面または水面上に位置することを特徴とする。
さらには、処理浴中に仕切り材が複数存在し、仕切り材の他端が処理浴の底面に位置するＡ型仕切り材と、処理浴の水面上に位置するＢ型仕切り材とを含むものであることや、Ａ型仕切り材の数がＢ型仕切り材の数よりも多いものであることが好ましい。また仕切り材の繊維束に接触する一端の形状が、半径１ｍｍ以上の曲率を有する曲面であることや、処理浴の上流側から新規な洗浄液が供給されることが好ましい。

本発明によれば、溶液紡糸法による凝固後等の繊維束から、効率的に溶媒等を洗浄除去する繊維束の製造方法が提供される。

本発明の仕切り材の一実施形体を模式的に例示した側面図である。

本発明の繊維束の製造方法は、連続して洗浄処理する繊維束の製造方法であって、洗浄処理が洗浄浴中にて行われ、洗浄浴中には仕切り材が設置されており、該仕切り材の少なくとも一つの仕切り材において、その一端が繊維束に接触し、他端が洗浄浴の底面に位置する製造方法である。
ここで本発明にて洗浄処理される繊維束としては、繊維表面に付着した異物や剤を除去する必要がある繊維束であれば本発明の対象物となる。例えば繊維の表面処理として、酸、アルカリ、その塩類などが用いられ、洗浄工程が行われている。
また、中でも本発明は、その除去する対象が溶媒等の液体、例えばＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）等である場合に効率的である。

したがって本発明は、特にはいわゆる溶液紡糸法にて繊維化された繊維束に対し効果的に採用される。溶液紡糸法としては、湿式紡糸法あるいは乾湿式紡糸法が一般的であるが、そのいずれも紡糸口金に設けられた吐出孔群より紡糸原液を吐出し、凝固浴内の凝固液中にて凝固させて繊維化する方法である。そしてこのような溶液紡糸法では、その後に行われる繊維中の溶媒を除去する洗浄工程が必要であるが、本発明の方法を用いることにより、効率的にかつ繊維束への損傷が少ない処理が行われるのである。

そのため本発明の製造方法にて処理される繊維束としては、上記のような溶液紡糸を採用するレーヨン、アクリル、全芳香族ポリアミドなどの有機系高分子からなる合成繊維束が、特に好ましく例示される。
そして本発明の繊維束の製造方法では、洗浄浴中を繊維束が連続して通過し、洗浄処理が行われる。そしてこの洗浄浴中には仕切り材が設置されており、該仕切り材の一端が繊維束に接触し、他端が洗浄浴の底面または水面上に位置していることが必要である。

以下、本発明の繊維束の製造方法に用いられる洗浄浴について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明に用いられる洗浄浴を含む洗浄装置の一実施形態を模式的に例示した側面図である。この図において、１、２は仕切り材（Ａ型及びＢ型）、３は走行する繊維束、４は洗浄浴、５は浸漬ロールをそれぞれ示す。

ところで、本発明に好ましく用いられるレーヨン、アクリル、全芳香族ポリアミドなどの有機系高分子からなる合成繊維は、湿式紡糸法あるいは乾湿式紡糸法によって、紡糸口金（図示せず）に設けられた吐出孔群（図示せず）より紡糸液を凝固浴（図示せず）内の凝固液中に吐出させて凝固させて繊維化される。その後、これらの繊維は繊維中に残存する溶媒等を除去する洗浄工程が必要とされる。
本発明は、例えばこのようにして得られた繊維束を、有効に洗浄処理する繊維束の製造方法なのである。この本発明で行われる洗浄工程は、図１に示したように、洗浄対象となる繊維束は、浸漬ロール５によって洗浄浴４へと導かれる。

そしてこの洗浄浴中には仕切り材が存在するのであるが、ここで仕切り材の一端は繊維束に接触し、他端は浴の底面または水面上に位置している。そして繊維束が仕切り材と接触することによって、繊維束の周辺に形成される溶媒濃度が高い随伴流体が剥がされるのである。すると繊維束の周りには仕切り材に接触した後には、より低濃度の溶媒を含有する溶液に置換され、より効率的に洗浄されるのである。この仕切り材の他端は洗浄浴の底面または水面上に位置しているので、高濃度の溶媒を含む溶液は繊維束の上流側に留まる。したがって繊維束が次第に下流側を通過する際には、繊維束はより低濃度の溶媒に接することになるのである。なお、このような仕切り材の効果をより発揮させるためには、仕切り材に接触する部分における繊維束の形状が偏平であることが好ましい。

さらに本発明では、洗浄浴中に仕切り材が複数存在し、仕切り材の他端が浴の底面に位置するＡ型仕切り材１と、仕切り材の他端が浴の水面上に位置するＢ型仕切り材２とを含むものであることが好ましい。このような２種の仕切り材が併存することにより、繊維束の上部と下部において洗浄浴がそれぞれ緩く分離され、濃度差により効率的な処理が行われるのである。

さらにはＡ型仕切り材１の数がＢ型仕切り材２の数よりも多いものであることが好ましい。通常繊維束は洗浄槽中の上部から槽内に入り、洗浄槽中の繊維束はその外の上部へと糸道が設定せれている。すなわち繊維束の入り側と出側は、仕切り材の他端が浴の水面上に位置するＢ型仕切り材と同じ効果を有するため、それに対応して仕切り材の他端が浴の底面に位置するＡ型仕切り材をより多く設置することが、より効率的である。

このように本発明では、繊維束周辺の随伴流体を仕切り材によって引き剥がすのであるが、これによって繊維束の走行速度高速化した際の随伴流の乱れを抑制することが可能となる。また発明の効果をより発揮させるためには、洗浄にて除去される対象が、溶媒などの液体であることが好ましい。

本発明のような仕切り材を使用しない従来技術の場合、洗浄浴の幅方向に対する繊維束の占める割合が小さい場合であっても、繊維束の走行速度が速くなると随伴流の液乱れにより、安定した工程の維持が困難となる。しかし本発明では仕切り材を使用することにより、繊維束の走行速度が高速になっても随伴流の液乱れを抑え、安定した生産を継続することが可能となった。

本発明では、繊維中の溶媒等を効率的に除去するためには、繊維束と仕切り材が接しているのであるが、ここで接している程度としては、仕切り材と繊維束が触れている状態であることが必要であり、さらには本発明では、仕切り材によって繊維束側を幾何学的に押さえている状態であることが好ましい。仕切り材と繊維束が触れているのみより仕切り材によって幾何学的に押さえる方が、繊維束周辺に形成される随伴流体、及び繊維束内部の随伴液を効率的に引き剥がすことができる。仕切り材によって幾何学的に押さえるとは、仕切り材によって繊維束の糸道が屈曲する程度に張力がかかっている状態をいう。

ただし仕切り材による過度の抑え（仕切り材による繊維束糸道の屈曲が大きい場合）は、繊維中の溶媒を効率的に除去できるものの、繊維束、もしくは繊維束の単糸が仕切り材との摩擦により損傷し、工程が悪化する傾向にある。
また仕切り材の形状としては、繊維束に接する部分の形状が特に重要であり、繊維束に接触する一端の形状が、半径１ｍｍ以上の曲率を有する曲面であることが好ましい。特には一端の形状が、半径２〜１０００ｍｍの曲率を有することが好ましい。

また、洗浄浴の深さが浅い場合には、仕切り材の形状としては円筒または円柱型が好ましいが、屈曲強度の面から中が中空の円筒型であることがより好ましい。直径としては洗浄浴の深さの１／４〜３／４であることが好ましい。ただしこのような円型の仕切り材を使用する場合、仕切り材が繊維束との接触による抵抗で回転すると前工程から単糸切れが流れてきた場合に仕切り材に単糸巻付きが発生する可能性があるため、固定して設置することが好ましい。ここで洗浄浴の深さが浅いとは、ほぼ１０００ｍｍ以下の槽を用いる場合である。
他方、洗浄浴が深い場合は仕切り材が円型では槽内を占める体積が大きくなるため、仕切り材が板状であって、繊維束に接触する一端のみの形状が、半径１ｍｍ以上の曲率を有する板型であることが好ましい。

また本発明の製造方法では、洗浄浴の幅方向に対する繊維束の占める割合は１５〜９５％が好ましい。そのためには繊維束の断面形状は扁平の形状であることが好ましい。糸条が丸断面である場合に比べ、偏平断面とすることにより、洗浄浴中の幅方向に対する繊維束の占める割合を容易に向上させることができる。繊維束の扁平の程度としては、幅１ｍｍ／１０００フィラメント以上であることが、特には幅２〜２０ｍｍ／１０００フィラメントであることが好ましい。また繊維束自体の数や、繊維を構成する単糸の数を増やすことも好ましい態様である。

繊維側の洗浄浴の幅方向に占める割合が小さすぎる場合には、洗浄浴内に滞留部分が増え濃度が均一になりにくい傾向にある。逆に１００％近くになると繊維束と洗浄浴壁面とが接触する懸念が増大する。その際に繊維束もしくは繊維束を構成する単糸が損傷し、工程が悪化する傾向にある。
また特に本発明では洗浄対象となる繊維束が、太いトウの状態である時に効果的である。例えば洗浄対象の繊維束としては、繊維束の総単糸数が１００〜５０万本であることが好ましい。

さらに本発明では、洗浄浴の上流側から新規な洗浄液が供給されることが好ましい。より具体的には、洗浄浴４には、繊維束３の走行方向と反対の図中右側から左側へ洗浄液を供給することが好ましい。この場合には、繊維束３は仕切り材１や２と接触することによって、繊維束３の周辺に形成される溶媒濃度が高い随伴流体が剥がされる。すると剥がされた随伴液流に替えて繊維束３の走行方向と反対側から供給される溶媒濃度の低い洗浄液が繊維束３へ供給され、より効率的に繊維中の溶媒を除去することができる。
繊維束から剥がされた随伴流体は洗浄浴内の液を効率的に撹拌するため、洗浄液の濃度が均一になりやすく、さらに洗浄浴内を複数個の洗浄浴に分割したような濃度勾配を得ることが出来る。

さらには洗浄液が水である場合に、本発明は特に効果的である。水を使用して洗浄する場合は、新規な処理液を安価に容易できることに加え、溶媒等の溶解性が一般に高く、本発明の仕切り効果がより有効となるからである。その観点からは洗浄液が水である場合の除去される溶媒等としては、水に溶解する各種のアルコールやＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡ）、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、等の場合に特に有用である。

本発明の繊維束の製造方法は、上記のような洗浄処理を行うことにより、効率的な、しかも繊維束への損傷が少ない製造方法となる。
特に本発明の製造方法は、繊維束が紡糸後の繊維状物を凝固浴中にて繊維化したものである場合に特に有効である。このような場合、繊維化された直後の繊維はまだ十分の固化しておらず、損傷が受けやすいが、本発明の製造方法を採用することにより効率の良い製造が可能となる。また、水洗によって紡糸の際や凝固の際に用いられた溶媒を完全に除去することが必要なのであるが、本発明は一つの洗浄浴中に複数の溶媒の濃度分布が生じ、あたかも多段の洗浄浴を用いたかのような効果が、短い洗浄浴長で洗浄液量を増やすことなく、発揮されるのである。

また本発明により洗浄された繊維は、その後の経時による強度劣化も少なくなるため、特に強度が必要とされる産業繊維の洗浄方法として好ましく用いられる。本発明にて得られた繊維束は、例えば芳香族ポリアミド繊維束ならそのまま用いることができるし、例えばポリアクリルニトリル繊維束であれば、処理後に耐炎化、炭素化等の工程を経て、炭素繊維とすることも好ましい。

以下、実施例等により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例等により限定されるものではない。

［繊維中の溶媒量の測定方法］
繊維中に含まれる溶媒量は、以下の方法により測定した。
洗浄工程の入側および出側にて、それぞれの繊維をサンプリングした。サンプリングした繊維を遠心分離機（回転数５０００ｒｐｍ）に１０分間かけ、このときの繊維質量（Ｍ_１）を測定した。この繊維を、質量Ｍ_２ｇのメタノール中で４時間煮沸し、繊維中のアミド系溶媒および水を抽出した。抽出後の繊維を１０５℃雰囲気下で２乾燥し、乾燥後の繊維質量（Ｐ）を測定した。また、抽出液中に含まれるアミド系溶媒の質量濃度（Ｃ）を、ガスクロマトグラフにより求めた。
繊維中に残存する溶媒量Ｎ（％）は、上記のＭ_１、Ｍ_２、Ｐ、およびＣを用いて、下記
式により算出した。
Ｎ＝［Ｃ／１００］×［（Ｍ_１＋Ｍ_２−Ｐ）／Ｐ］×１００

［実施例１］
界面重合法によって製造したポリメタフェニレンイソフタルアミド粉末２１．５質量部を、−１０℃に冷却したＮ−メチル−２−ピロリドン（以下、ＮＭＰと表記する）７８．５質量部に懸濁させ、スラリー状にした。引き続き、懸濁液を６０℃まで昇温して溶解させ、透明なポリマー溶液を得た。
得られたポリマー溶液を紡糸原液として、孔径０．０７ｍｍ、孔数１５０００の吐出孔群が穿設された紡糸口金から、８５℃の凝固浴中に吐出して紡糸した。このときの凝固浴の組成は、塩化カルシウムが４０質量％、ＮＭＰが５質量％、水が５５質量％であり、浸漬長（有効凝固浴長）１０００ｍｍにて糸速７．０ｍ／分で吐出して凝固液中を通過させた後、いったん空気中に引き出した。

引き続いて、水／ＮＭＰの組成（質量％）を８０／２０、温度２０℃に調整された長さ２０００ｍｍ、深さ６０ｍｍの水洗槽中に、凝固糸の繊維束を導いた。該水洗槽内を繊維束が走行する際に、本発明の繊維束下面に接触し、かつ浴槽底面に接触する円柱状のＡ型仕切り材２本、及び繊維束上面に接触しかつ浴槽液面より上方に端面を有する円柱状のＢ型仕切り材１本を用いて繊維束を洗浄した。円柱の直径は２０ｍｍであった。また繊維束の断面形状は、扁平形状であった。そして水洗浴槽の幅方向に対して、繊維束の占める長さの割合は５０％であった。
水洗工程の入側（水洗前）の繊維内に含まれる溶媒量は、１３１．０質量部であったが、水洗工程の出側（水洗後）の繊維内に含まれる溶媒量は、７３．４質量部であり、繊維束が仕切り材に接していたにも関わらず、工程調子も良好であった。

［比較例１］
実施例１と同じ条件で紡糸し、凝固させた芳香族ポリアミド凝固糸につき、実施例１と同じ組成および温度の水洗槽を用いて洗浄を実施した。なお、洗浄にあたっては、本発明の洗浄設備を設置しない通常の水洗槽を通過させて行った。水洗工程の入側（水洗前）の繊維内に含まれる溶媒量は、１３１．０質量部であったが、水洗工程の出側（水洗後）の繊維内に含まれる溶媒量は、９０．５質量部までしか低減していなかった。

［実施例２］
単量体としてアクリロニトリル９５質量％、アクリル酸メチル４質量％、イタコン酸１質量％の割合で含む混合液を溶液重合、湿式紡糸、凝固、を順に行うことによって、２４０００本のフィラメントからなるポリアクリルニトリル系の繊維束（凝固糸条）を得た。
得られた繊維束を延伸し、さらに引き続いて水洗槽に導いた。該水洗槽内を繊維束が走行する際に、本発明の繊維束下面に接触し、かつ浴槽底面に接触する円柱状のＡ型仕切り材２本、及び繊維束上面に接触しかつ浴槽液面より上方に端面を有する円柱状のＢ型仕切り材１本を用いて繊維束を洗浄した。円柱の直径は２０ｍｍであった。繊維束の単糸密度は５ｍｍ／１０００本の扁平形状の繊維束であった。水洗浴槽の幅方向に対する繊維束の占める割合は４７％であり、有効水洗長１７２５０ｍｍの水洗槽を通過後、沸水中で延伸し、再び有効水洗長３４５０ｍｍの水洗槽を通過して洗浄した。水洗浴槽には洗浄液を繊維束の走行方向の反対側から１ｍ^３／時間で供給した。

水洗工程を経た繊維束は、さらにシリコーン系油剤浴中に浸漬して油剤を付与し、表面温度１５０℃のローラーにて乾燥緻密化して、延伸した後、冷ローラーを通過させボビンに巻き取ることによりアクリロニトリル系重合体繊維束を得た。
得られたアクリロニトリル系重合体繊維束の溶媒や塩類等の残存物の濃度は、水洗浴槽中にて仕切り材を使用していない場合の５０％に低減していた。また、繊維束が仕切り材に接していたにも関わらず、工程調子も良好であった。
また、水洗後の繊維束を耐炎化処理、炭化処理することにより、炭素繊維を得ることができた。

１：Ａ型仕切り材
２：Ｂ型仕切り材
３：走行する繊維束
４：水洗槽
５：浸漬ロール

Claims (5)

1. 連続して洗浄処理する繊維束の製造方法であって、洗浄処理が処理浴中にて行われ、処理浴中には仕切り材が設置されており、該仕切り材の少なくとも一つの仕切り材において、その一端が繊維束に接触し、他端が処理浴の底面に位置することを特徴とする繊維束の製造方法。
2. 処理浴中に仕切り材が複数存在し、仕切り材の他端が処理浴の底面に位置するＡ型仕切り材と、処理浴の水面上に位置するＢ型仕切り材とを含むものである請求項１に記載の繊維束の製造方法。
3. Ａ型仕切り材の数がＢ型仕切り材の数よりも多いものである請求項２記載の繊維束の製造方法。
4. 仕切り材の繊維束に接触する一端の形状が、半径１ｍｍ以上の曲率を有する曲面である請求項１〜３のいずれか１項記載の繊維束の製造方法。
5. 処理浴の上流側から新規な洗浄液が供給される請求項１〜４のいずれか１項記載の繊維束の製造方法。

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