JP6562313B2 - 極細マルチフィラメント糸とその製造手段 - Google Patents

Description

本発明は、極細マルチフィラメント糸とその製造手段に関し、特に赤外線光束を照射して超高延伸倍率を行う延伸手段において、その延伸されたマルチフィラメントウェブをインターレースノズル中へ通過させるという簡便な手段により、抱合性があり、かつ嵩高で高弾性・高強度糸を得ることを可能にした極細マルチフィラメント糸及びその製造手段に関し、さらにこの極細マルチフィラメント糸をさらに高強度にする手段やこのマルチフィラメント糸から得られた手術用縫合糸や人工血管等の応用製品に関する。

近年、繊維径が１μｍ未満、すなわちナノメータ（数ナノメータから数百ナノメータ）範囲のファイバーが、ＩＴ、バイオ、環境分野などの幅広い分野で、将来の革新的素材になると注目されている。そして、そのナノファイバーの製造手段として、エレクトロスピニング法（以下ＥＳ法と略す場合がある。）が代表的である（米国特許第１，９７５，５０４号）。しかしこのＥＳ法は、ポリマーを溶剤に溶解する必要があることや、出来た製品も脱溶剤が必要であることから、製法において煩雑であり、また、フィラメントの分子配向がないことよりフィラメントの強度・弾性率が小さい。また、出来たファイバー集積体にダマやショットと呼ばれる樹脂の小さい固まりが混在するなど、品質的にも問題点が多かった。

本発明人は、赤外線法により、分子配向を伴って、１，０００倍以上という超高倍率の延伸倍率で極細フィラメントおよび不織布を得る手段について発明を行った（国際公開番号ＷＯ２００５／０８３１６５Ａ１など）。これらは、簡便な手段で、極細の分子配向したフィラメントおよびそれからなる不織布が得られた。また、これらを発展させ、さらにナノフィラメントの領域までに極細化を可能にした、極細フィラメントの製造手段を発明した（国際公開公報ＷＯ２００８／０８４７９７Ａ１）。

米国特許第１，９７５，５０４号明細書（第１−２頁、第１図、第４図） 国際公開番号ＷＯ２００５／０８３１６５Ａ１（第１−２頁、図１，図３） 国際公開公報ＷＯ２００８／０８４７９７Ａ１（第１−２頁、図１―３）

本発明は、上記本発明人の先願発明をさらに発展させたものであって、その目的とするところは、本発明人の先願発明である極細フィラメントウェブ、特にナノフィラメントウェブ製造において、そのウェブをインターレースノズル中に通過させることにより極細マルチフィラメント糸を製造させることにある。このようにして得られて極細マルチフィラメント糸は抱合性があり、かつ嵩高性があって高強度である。

本発明は、原フィラメントが延伸されることによって、ナノフィラメントの領域までに極細化される延伸装置内で製造されるナノフィラメントウェブから極細マルチフィラメント糸を得ることにある。本発明における原フィラメントとは、既にフィラメントとして製造されて、リール等に巻き取られたものである。また紡糸過程において、溶融または溶解フィラメントが冷却や凝固によりフィラメントとなったものを紡糸過程に引き続き使用され、本発明の原フィラメントとすることもできる。ここでフィラメントとは、実質的に連続した繊維であり、数ミリメータから数十ミリメータの長さである短繊維とは区別される。原フィラメントは、単独で存在することが望ましいが、数本ないし数十本に集合されていても使用することができる。

本発明において延伸されたフィラメントは、全てフィラメントと表現するが、延伸された結果、上記ファイバーの領域に属するものも含まれる。本発明における延伸されたフィラメントは、殆ど延伸切れすることがないので、フィラメントの長さも数ｍ以上であり、フィラメント径ｄが小さいことを考慮すると、実質的に連続フィラメントと見なすことができる場合が殆どである。しかし、条件によっては、上記ファイバーの領域に属する短繊維も製造することができる。

本発明における原フィラメントは、一本のフィラメントからなるシングルフィラメントである場合と、複数のフィラメントからなるマルチフィラメントである場合が含められる。本発明においては、延伸されたフィラメントは数ミクロン領域の極細フィラメントの領域から１ミクロン未満のナノフィラメント領域のフィラメントを原料にして極細のマルチフィラメント糸が製造される。

本発明の原フィラメントは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、脂肪族ポリエステルおよびポリエチレンナフタレートを含むポリエステル、ナイロン（含むナイロン６、ナイロン６６）を含むポリアミド、ポリプロピレンやポリエチレンを含むポリオレフィン、ポリビニルアルコール系ポリマー、また、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）などを含むフッ素系ポリマー、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等の耐熱性のポリマーにも適用される。特に、生分解性ポリマーであるポリ乳酸（ＰＬＬA）や生体内分解吸収性ポリマーであるポリグリコール酸などは、他の手段ではナノフィラメント化が困難とされているので、本発明の手段が有効である。

本発明においては、フィラメントの送出手段から送り出された原フィラメントについて延伸が行われる。送出手段は、ニップローラや数段の駆動ローラの組み合わせなどの一定の送出速度でフィラメントを送り出すことが出来るものであれば種々のタイプのものが使用できる。

本発明において、送出手段から送り出されてくる原フィラメントは、多錘であることを特徴とする。多錘とは、独立して行動するフィラメント又はフィラメントの束が複数本存在することを意味する。複数本は、２本から数１００本を意味する。

フィラメントの送出手段より送り出された多錘の原フィラメントは、さらにオリフィスを通して、オリフィス中を原フィラメントの走行方向に流れる気体によって送られる。原フィラメントがこのフィラメント送出手段を経てオリフィスに送り込まれるまでは、Ｐ１気圧の雰囲気下で行われ、Ｐ１気圧下の状態に保たれている場所を原フィラメント供給室とする。Ｐ１が大気圧のときは、特に圧力を一定にする囲いは必要ない。Ｐ１が加圧下や減圧下の場合は、その圧力を保つための囲い（部屋）が必要であり、加圧ポンプまたは減圧ポンプも必要となる。なお本発明では、オリフィス入口部がＰ１であることが必要であるが、原フィラメントの貯蔵部、原フィラメントの送り出し部分は、必ずしもＰ１気圧である必要はない。しかし、それらを別々の部屋を設けるのは煩雑であるので、それらの部分が同一気圧であることが好ましい。

オリフィスの出口以降は、Ｐ２気圧下に保たれ、オリフィスから出てきた原フィラメントを赤外線光束（ビーム）によって加熱することによって延伸される延伸室となる。原フィラメントは、Ｐ１気圧の原フィラメント供給室とＰ２気圧下の延伸室との圧力差（Ｐ１−Ｐ２）によって生じるオリフィス中を流れる空気の流れによってオリフィス中を送られていく。

Ｐ１とＰ２の気圧の差は、Ｐ１＞Ｐ２である。そして、実験の結果、Ｐ１≧２Ｐ２であることが好ましく、さらに好ましくはＰ１≧３Ｐ２、Ｐ１≧５Ｐ２であることが最も好ましいことがわかった。

本発明は、Ｐ２が減圧下（大気圧未満の圧力）で行われることを特徴とする。そうすることにより、Ｐ１を大気圧で実施でき、装置を著しく簡便に出来、また、減圧は比較的簡便な手段であるからである。さらに、オリフィスからエアーが減圧下に噴出されることにより、通常存在する大気圧のエアーに邪魔されることないので、噴出されるエアーも、それに伴うフィラメントも非常に安定し、その結果、延伸性が安定し、ナノフィラメント領域までの延伸が可能になる。さらにもう一つの特徴として、本発明ではインターレースノズルを使用するが、通常のインターレースノズルは圧縮エアーを必要とする。しかし、本発明のインターレースノズルは減圧下の延伸室内で使用されるため、圧縮エアーは必要とせず、インターレースノズルの圧縮エアー挿入口を延伸室外の外気に配管するのみでよく、コンプレッサーも必要とせず、省エネルギーでもある。このような簡便な手段で、ナノミクロン領域のフィラメント糸が得られることに本発明の特徴がある。

なおＰ１またはＰ２は、通常室温の空気が使用される。しかし、原フィラメントを予熱したい場合や、延伸したフィラメントを熱処理したい場合は、加熱エアーも使用される。また、フィラメントが酸化されるのを防ぐ場合は、窒素ガス等の不活性ガスが使用され、水分の飛散を防ぐ場合は、水蒸気や水分を含む気体も使用される。

本発明における原フィラメント供給室と延伸室は、オリフィスによってつながっている。オリフィス中では、原フィラメントとオリフィス内径との間の狭い隙間に、Ｐ１＞Ｐ２の圧力差で生じた高速気体の流れが生じる。この高速気体の流れを生じるために、オリフィスの内径Ｄと繊維の径ｄとは、あまり大きくかけはなれてはならない。実験結果、Ｄ＞ｄであって、Ｄ＜３０ｄ、好ましくはＤ＜１０ｄ、さらに好ましくはＤ＜５ｄであってＤ＜２ｄであることが最も好ましい。

オリフィス内を高速の気体が流れるので、オリフィスの内部は抵抗の少ない構造が望ましい。本発明のオリフィスの形状は、１本１本独立したものも使用されるが、板状物に多数の孔を開けて多錘のオリフィスとすることもできる。オリフィスの内部の断面も円形のものが望ましいが、複数のフィラメントを通過させる場合や、フィラメントの形状が楕円やテープ状の場合には、断面が楕円や矩形のものも使用される。また、オリフィス入り口では、原フィラメントを導入しやすいように大きく、出口部分のみ狭い形状が、フィラメントの走行抵抗を小さくし、オリフィスの出口からの風速も大きくできるので好ましい。

本発明におけるオリフィスは、本発明者らによる従来の延伸前の送風管とは役割を異にしている。従来の送風管は、レーザーをフィラメントの定位置に当てる役目であり、できるだけ抵抗が少なく、定位置に原フィラメントを搬送する役目であった。本発明はそれに加えて、高速の整流気体が原フィラメント供給室の気圧Ｐ１と延伸室の気圧Ｐ２の気圧差で発生する点で異なる。なお、通常のスパンボンド不織布製造においては、エアーサッカー等によって溶融フィラメントに張力を与えられる。しかし、スパンボンド不織布製造におけるエアーサッカーと本発明におけるオリフィスとは、その作用機構と効果が全く異なる。スパンボンド法では、溶融フィラメントをエアーサッカー内の高速流体で送られ、エアーサッカー内でそのフィラメント径の細化の殆どが完了する。それに対して、本発明では固体の原フィラメントがオリフィスで送られ、オリフィス内ではフィラメントの細化は始まらず、オリフィスを出た所でレーザービームが照射されることによって、始めて延伸が開始される。またスパンボンド法では、エアーサッカー内に高圧エアーを送りこむことにより高速流体を発生させるが、本発明では、オリフィス前後における部屋の気圧差でオリフィス内の高速流体を発生させる点で異なる。またその効果も、スパンボンド法では、せいぜい１０μｍ前後のフィラメント径しか得られないのに対して、本発明では１μｍ未満のナノフィラメントが得られるという大きな効果が得られる点が異なる。

本発明は、原フィラメントが赤外線光束によって加熱されて延伸されることを特徴とする。赤外線は、波長０．７８μｍから１ｍｍまでとされているが、高分子化合物のＣ−Ｃボンドは、３．５μｍの吸収を中心としており、０．７８μｍから２０μｍが特に好ましい。これらの赤外線は、鏡やレンズにより点状または線状に焦点を絞り、原フィラメントの加熱域を絞り込むスポットヒータやラインヒータと呼ばれる加熱ヒータが使用できる。ラインヒータは、複数本の原フィラメントが並列して走行している場合に好適である。

本発明の赤外線光束は、レーザー光であることが特に好ましい。中でも、１０．６μｍの波長の炭酸ガスレーザーと、１．０６μｍの波長のＹＡＧ（イットリウム、アルミニウム、ガーネット系）レーザーが特に好ましい。レーザーは、放射範囲（光束）を小さく絞り込むことが可能であり、また、特定の波長に集中しているので、無駄なエネルギーも少ない。

オリフィスから送り出されてきた原フィラメントは、オリフィス直下で、赤外線光束によって加熱され、オリフィスからの高速流体によってフィラメントに与えられる張力によって、原フィラメントは延伸される。オリフィスの直下とは、実験結果、赤外線光束の中心がオリフィス先端より３０ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下、５ｍｍ以下であることが最も好ましい。オリフィスから離れると、原フィラメントが振れ、定位置に収まらず、赤外線光束に安定して捉えられないからである。またオリフィスからの高速気体によってフィラメントに与えられる張力が、オリフィスから離れることによって弱くなり、また安定性も小さくなるからと思われる。

本発明の原フィラメントは、赤外線ビームにより延伸適温に加熱されるが、延伸適温に加熱される範囲がフィラメントの中心でフィラメントの軸方向に沿って、上下４ｍｍ（長さ８ｍｍ）以内であることが好ましく、さらに好ましくは上下３ｍｍ以下、最も好ましくは上下２ｍｍ以下で加熱される。このビームの径は、走行するフィラメントの軸方向に沿って測定する。本発明においては、原フィラメントが複数本であるので、原フィラメントの軸方向で測定される。本発明は、狭い領域で急激に延伸されることにより、高度に極細化され、ナノ領域までに細くした延伸を可能にし、しかも超高倍率延伸であっても、延伸切れを少なくすることができた。なお、この赤外線光束が照射されるフィラメントがマルチフィラメントである場合は、上記のフィラメントの中心は、マルチフィラメントのフィラメント束の中心を意味する。

延伸室内で、多数の原フィラメントが赤外線光束によって加熱されて延伸され、極細の延伸フィラメント群となる。延伸されたフィラメント群は延伸室内を走行するコンベア上に集積され、極細フィラメントウェブとなる。本発明のコンベアとして、網（ネット）状の移動体が通常使用されるが、ベルトやシリンダ上に集積させてもよい。

原フィラメントが多数本使用されるので、原フィラメントが通過するオリフィスも多数本使用される。この多数のオリフィスの配列には大別して二通りの方式がある。多数本のオリフィスがコンベアの進行方向にほぼ平行して配列されている縦型配列の場合と、オリフィスの多数本がコンベアの進行方向に対してほぼ直角方向に配列されている横型配列の場合である。縦型配列では、極細フィラメントウェブは狭い幅でコンベア上を走行し、横型配列では、極細フィラメントウェブは広い幅でコンベア上を走行する。なお、オリフィスの配列を、コンベアの走行方向に対して、平行又は直角と説明したが、角度は厳密ではなく、数度乃至は数十度傾斜していてもよい。

コンベア上の極細フィラメントウェブは、集束されてインターレースノズル中を通過する。
インターレースノズルは、合成繊維のマルチフィラメント紡糸において近年開発されたもので、「圧縮空気を吹き出し、糸条により合わせに相当する抱合効果を付与するためのノズル」（ＪＩＳ Ｌ０３６４）である。マルチフィラメント紡糸においてインターレースノズルが使用される以前は、紡糸されたマルチフィラメントは巻き取られた後、別工程で撚が加えられていた。撚のないマルチフィラメント糸は、糸切れ、絡みつき、織物不良となり、きわめて扱いにくい。しかし、別工程での撚加工は、作業能率が悪く、コストアップとなっていた。そこで紡糸工程中にインターレースノズルを設け、マルチフィラメントにより合わせに相当する抱合効果を付与し、マルチフィラメント糸として使用できるようにした。インターレースノズルは、マルチフィラメントが通過する通路Ａと、通路Ａの直角方向から導入される圧縮空気の通路Ｂからなる。直角方向から流入したエアーにより、マルチフィラメントを構成する複数のフィラメントを相互に絡ませることで、撚のもつ集束性と抱合効果を持たせることができる。

本発明のインターレースノズルは、圧縮空気を必要としない点に特徴がある。本発明のインターレースノズルは、減圧下のＰ２圧で使用されるので、上記の通路Ｂを延伸室外の通常の外気に接続することで、外気の流入が圧縮空気と同等の効果をもたらす。圧縮空気を使用しない点で、繊維産業で通常使用されているインターレースノズルとは機構を異にするが、構造は殆ど同一であるので本発明でもインターレースノズルの用語を使用する。

延伸室内にインターレースノズルを複数個設け、またコンベア上には複数列の極細フィラメントウェブが走行しており、この複数のウェブがそれぞれの複数のインターレースノズル（複数のノズルＡ）を通過することで複数の糸状体が形成させることができる。そして、この複数の糸状体を合わせて、さらに別個のインターレースノズル（ノズルＢ）を通過させることによって、複数の糸状体（ダブルの糸）がさらに交絡された糸状体を形成させることができる。２本撚ることでマルチフィラメント径を小さくでき、さらに引張強度を高めることができた。

本発明のコンベアの走行速度Ｓｃに対して、インターレースノズルを出た糸状体の巻取速度のＳｗを大きく（Ｓｗ／Ｓｃ＞１）することにより、巻き取られる糸に延伸効果を生じさせることができる。延伸倍率λは、λ＝Ｓｗ／Ｓｃで表示できる。コンベアとインターレースノズルの間に延伸張力がコンベア上に及ばないように、ニップローラ、フリクションローラ等の張力遮断のための手段を設けることもできる。

インターレースノズルを出た糸状体は巻取ビームを有する巻取機に巻かれて行く。本発明では抱合性のある糸として巻き取られるので、マルチフィラメントの個々のフィラメントの糸切れも少なく、非常に作業性よく巻き取られる。

本発明において、インターレースノズルを出て巻き取られた糸は、さらに延伸されて糸の強度をアップすることができる。延伸は、合成繊維の延伸に用いられている糸を熱板や加熱ローラ、オーブン（熱風室）等の加熱源を介してニップローラ間で延伸することによっても達成することができる。さらに、本発明の巻き取られた糸の有効な延伸手段としてゾーン延伸がある。ゾーン延伸は、上記の加熱源を糸が通過する距離を極端に狭くすることで、糸の加熱域を非常に狭くする。局所加熱のため、加熱軟化された部分に応力が集中し、延伸切れを少なくし、延伸倍率をアップさせることでき、高強度の糸となる。さらに、高張力下の熱処理もされているので、糸の耐熱性も向上する。

極細マルチフィラメントからなる糸は、通常の市販のマルチフィラメント糸とはフィラメント本数が桁違いに多く、それだけに取り扱いが難しい。本発明により、この取り扱いが難しい極細マルチフィラメントに抱合性を持たせ取り扱いを良くした。この糸の製造工程における延伸（Ｓｗ／Ｓｃ）やその後のゾーン延伸等において、糸の強度や弾性率がアップした。本発明による極細マルチフィラメント糸は、極細フィラメントからなる織布やニット等の衣料用、医療用、産業用素材としても使用される。さらに、本発明を利用して生体内分解吸収性ポリマーからなるマルチフィラメント糸を製造し、この糸より組紐技術により手術用縫合糸や人工血管（円筒状組紐）等に応用することができる。

本発明における極細マルチフィラメント糸の熱物性は、株式会社リガク製ＴＨＥＭ ＰＬＵＳ２ ＤＳＣ８２３０Ｃにより示差熱分析（ＤＳＣ）を用い、昇温速度１０℃／ｍｉｎで測定した。

また、極細マルチフィラメント糸の結晶性については、ＦＴ−ＩＲ（フ−リエ変換赤外分光光度計）によっても測定される。本発明では、ＪＡＳＣＯ社製ＦＴ／ＩＲ４２００装置を使用した。

なお、ナノフィラメントの強伸度は、フィラメント径があまりにも小さいので１本のフィラメントについて直接測定することは困難である。そこで、1本のマルチフィラメント糸の強度を測定し、１本のマルチフィラメント糸の強伸度として求めた。なお、マルチフィラメント糸を構成するナノファイバーの本数n_MFは（１）式から概算できる。
(d_av/2)²πＬ_MFρn_MF =W_MF (1)
ここで、d_avは極細フィラメントの平均繊維径、Ｌ_MFは極細フィラメントの長さ、ρは極細フィラメントの密度、W_MFは糸の所定の長さ当たりの重量である。

本発明の極細マルチフィラメントは、製造工程より抱合性のある１本の糸として取り扱い性の良い糸となり、極細フィラメントの実用性を高めることができた。さらに、本発明の極細マルチフィラメント糸は、フィラメントの交絡があるので、伸度があり、また嵩高性があり、柔らかく風合いのある衣料用糸となる。嵩高性は、単位容積当たりの重量（ｇ／ｃｍ^-3）である嵩密度で表示される。また、強度×伸度の値が大きいので、タフな糸となり、衣料用、医療用、産業用糸となり、糸単体として、さらに織布やニット等に加工される。さらに、この糸の製造工程における延伸（Ｓｗ／Ｓｃ）やその後のゾーン延伸やゾーン熱処理において、糸の強度、弾性率、耐熱性をアップすることができ、上記の特性に併せて、高強度の糸としての特性を有する。

本発明の極細マルチフィラメント糸はインターレースノズルを使用することを特徴とする。このインターレースノズルは通常繊維産業のマルチフィラメント紡糸における使用とは異なり、加圧エアーを用いないことを特徴とする。したがって、コンプレッサーを必要としないし、電力エネルギーも必要としない。本発明の図３にあるように、複数のインターレースノズルを使用する場合はなおさら重要である。

本発明の極細マルチフィラメント糸製造装置（縦型）の例を示す斜視図。 本発明の極細マルチフィラメント糸製造装置（横型）の例を示す斜視図。 本発明の極細マルチフィラメント糸製造装置の他の例を示す斜視図。 本発明で使用されるインターレースノズルの種々のタイプを示す概念図。 本発明のゾーン延伸の原理を示す斜視図。 本発明によって得られたＰＥＴナノマルチフィラメント糸の外観写真（倍率５０倍と１０００倍）。 本発明によって得られたＰＥＴナノマルチフィラメント糸の径ｄMFとそれを構成する極細フィラメントの平均径ｄav。 本発明によって得られたＰＥＴマルチフィラメント糸の引張試験結果。 本発明によって得られたＰＥＴマルチフィラメント糸のＤＳＣ測定結果。 本発明によって得られたＰＥＴマルチフィラメント糸のＦＴ−ＩＲ測定結果。 本発明のダブルでインターレースノズルを通過させたＰＥＴナノマルチフィラメント糸のＳＥＭによる外観写真（倍率５０倍と１０００倍）。 本発明のシングルとダブルでインターレースノズルを通過させたＰＥＴナノマルチフィラメント糸の径ｄMFとそれを構成する極細フィラメントの平均径ｄav。 本発明のダブルでインターレースノズルを通過させたＰＥＴナノマルチフィラメント糸の引張試験結果。 本発明によって得られたＰＬＬＡ極細マルチフィラメント糸のＳＥＭによる外観写真（倍率２００倍）。 レーザーパワーＬｐ（Ｗ）を変化させた場合のＰＬＬＡマルチフィラメント糸を構成する極細フィラメントの平均径ｄav。 本発明によって得られたＰＬＬＡマルチフィラメント糸をゾーン延伸した糸の強度、弾性率測定結果。 本発明によって得られたＰＬＬＡマルチフィラメント糸とそれをゾーン延伸した糸の広角度Ｘ線図。 本発明によって得られたＰＬＬＡマルチフィラメント糸とそれをオーブン熱処理した糸およびゾーン延伸した糸の強伸度曲線。 本発明によって得られたＰＬＬＡ極細マルチフィラメント糸により作製された組紐のＳＥＭによる外観写真（倍率３０左倍と右１００倍）。 本発明によって得られたＰＬＬＡ極細マルチフィラメント糸により作製された中空組紐のＳＥＭによる外観写真（倍率 左５０倍と右３０倍）。

以下、本発明の実施の形態の例を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の極細マルチフィラメント糸製造装置（縦型）の例を斜視図で示す。原フィラメント１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・は、リール２に巻かれた状態から繰り出され、コーム等を経て、繰出ニップローラ３により一定速度で送り出され、オリフィス４ａ、４ｂ、４ｃ、・・・へと導かれる。オリフィス４ａ、４ｂ、４ｃ、・・・は板５に開けられた穴で形成されている。この図におけるここまでの工程は、原フィラメント供給室の気圧Ｐ１が大気圧に保たれて、特別の部屋を必要としない場合について図示してあるが、ここまでを加圧された一定圧Ｐ１の部屋とすることもできる。オリフィス４ａ、４ｂ、４ｃ、・・・の出口以降は、負圧状態のＰ２気圧下にある延伸室６となる。気圧Ｐ２は、配管７を通じて真空ポンプ（図示されていない）へ導かれている。オリフィス４ａ、４ｂ、４ｃ、・・・を出た原フィラメント１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・は、原フィラメント供給室と延伸室６の気圧差Ｐ１−Ｐ２によってもたらされる高速エアーと共に延伸室６に導かれる。炭酸ガスレーザー発振装置８より出たレーザービーム９は、オリフィス４ａ、４ｂ、４ｃ、・・・直下において、原フィラメント１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・に照射される。なお、レーザービーム９を延伸室内へ導くには、Ｚｎ−Ｓｅからなる窓１０を通過し、延伸室６の背後の壁にもＺｎ−Ｓｅ窓１１を設け、延伸室６を出たレーザービーム９は、パワーメータ１２に到る。レーザービーム９により加熱され、Ｐ１−Ｐ２の気圧差によってもたらされる高速エアーが下方のフィラメントに与える張力により、原フィラメント１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・は延伸されて、延伸されたフィラメント１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、・・・となって下降し、下方の一定速度で走行するコンベアベルト１４上に集積され、延伸された極細フィラメントウェブ１５となる。オリフィス４ａ、４ｂ、４ｃ、・・・は、コンベア１４の進行方向に平行に並べられ、レーザービーム９は、オリフィス４ａ、４ｂ、４ｃ、・・・の列より若干傾けられて照射され、全ての原フィラメント１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・にレーザービーム９が当たるようにされている。このようにオリフィス４ａ、４ｂ、４ｃ、・・・の列とコンベア１４の進行方向はこの図ではほぼ平行に配置され、縦型の捕集パターンを形成する。コンベア１４上の延伸された極細フィラメントウェブ１５は、集束されてインターレースノズル１６を通過する。インターレースノズル１６の横腹には配管１７が設けられており、バルブ１８を介して延伸室６の外に通じている。バルブ１８を開にすることで、減圧になっている延伸室６へ外気が吸引される。なお、インターレースノズル１６へ導入されるエアーの量は、バルブ１８によって調整される。インターレースノズル１６内の極細フィラメントウェブ１５は、インターレースノズル１６内の横腹から流入してきた外気と衝突し、極細フィラメントウェブ１５を構成するマルチフィラメントがお互いに交絡して、抱合性をもったマルチフィラメント糸１９となり、巻取リール２０へ巻き取られる。

なお、図１において、コンベア１４の走行速度Ｓｃに対して、インターレースノズル１６を出た糸状体１９の巻取速度のＳｗを大きく（Ｓｗ／Ｓｃ＞１）することにより、巻き取られる糸に延伸効果を生じさせることができる。延伸倍率λは、λ＝Ｓｗ／Ｓｃで表示できる。コンベアとインターレースノズルの間に延伸張力がコンベア上に及ばないように、ニップローラ、フリクションローラ等の張力遮断のための手段が設けることもできる。

図２は、本発明の極細マルチフィラメント糸製造装置（横型）の例を斜視図で示す。原フィラメント１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・は、リール２に巻かれた状態から繰り出され、コーム等を経て、繰出ニップローラ３により一定速度で送り出され、オリフィス４ａ、４ｂ、４ｃ、・・・へと導かれる。オリフィス４ａ、４ｂ、４ｃ、・・・は板５に開けられた穴で形成されているが、図１と異なり、オリフィス４ａ、４ｂ、４ｃ、・・・の配列がコンベア１４の進行方向とは直角方向に並べられており、コンベア１４上に集積した延伸された極細フィラメントウェブ１５は、幅の広いウェブとなる。この極細フィラメントウェブ１５は、図１と同様集束されてインターレースノズル１６を通過し、抱合性をもったマルチフィラメント糸１９となり、巻取リール２０へ巻き取られる。図２ではインターレースノズル１６の外気への配管は省略されている。

図３は、本発明の極細マルチフィラメント糸製造装置の他の例を斜視図で示す。１群の原フィラメント２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、・・・は、リール２２に巻かれた状態から繰り出され、コーム等を経て、繰出ニップローラ２３により一定速度で送り出され、オリフィス２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、・・・へと導かれる。オリフィス２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、・・・は板２５に開けられた穴で形成されている。他の１群の原フィラメント２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、・・・は、リール２７に巻かれた状態から繰り出され、コーム等を経て、繰出ニップローラ２３により一定速度で送り出され、オリフィス２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、・・・へと導かれる。オリフィス２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、・・・も板２５に開けられた穴で形成されている。この図におけるここまでの工程は、原フィラメント供給室の気圧Ｐ１が大気圧に保たれている。オリフィス２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、・・・及びオリフィス２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、・・・の出口以降は、負圧状態のＰ２気圧下にある延伸室２９となる。気圧Ｐ２は、配管３０を通じて真空ポンプ（図示されていない）へ導かれている。オリフィス２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、・・・及びオリフィス２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、・・・を出た原フィラメント２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、・・・、及び２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、・・・は、原フィラメント供給室と延伸室２９の気圧差Ｐ１−Ｐ２によってもたらされる高速エアーと共に延伸室２９に導かれる。原フィラメント２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、・・・、及び２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、・・・オリフィス２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、・・・及びオリフィス２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、・・・直下において、炭酸ガスレーザー発振装置８より出たレーザービーム９によって照射される。なお、レーザービーム９を延伸室内へ導くには、Ｚｎ−Ｓｅからなる窓１０を通過し、延伸室６の背後の壁にもＺｎ−Ｓｅ窓１１を設け、延伸室６を出たレーザービーム９は、パワーメータ１２に到る。レーザービーム９により加熱され、Ｐ１−Ｐ２の気圧差によってもたらされる高速エアーが下方のフィラメントに与える張力により、原フィラメント２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、・・・、及び２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、・・・は延伸されて、延伸されたフィラメント３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、・・・及び３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、・・・となって下降し、下方の一定速度で走行するコンベア３３上に集積され、延伸された極細フィラメントウェブ３４及び３５となる。コンベア３３上の延伸された極細フィラメントウェブ３４及び３５は、それぞれ集束されてインターレースノズル３６及び３７を通過する。インターレースノズル３６及び３７を通過することによって抱合性のある糸となったマルチフィラメント糸３８、３９は合わさってインターレースノズル４０を通過してマルチフィラメント糸４１となり、巻取リ−ル４２へ巻き取られる。なお、インターレースノズル３６、３７及び４０は、図１のインターレースノズル１５と同様に外気につなぐ配管があるが、この図では省略されている。

図４は、本発明で使用されるインターレースノズルの種々のタイプの例を概念図で示す。図４のａ−１図において、インターレースノズル５１はマルチフィラメントが通過する通路５２と、通路５２の直角方向から導入される空気流入通路５３からなる。ａ−２図は、インターレースノズル５１を断面図で示し、空気流入通路５３から流入した空気の流れがノズルの壁と衝突するエアーの乱流が、通路５２を通ってくるマルチフィラメントの個々のフィラメントを交絡させて、マルチフィラメント全体として抱合性のある糸となる。空気流入通路５３からの空気は、繊維産業で使用されるインターレースノズルでは加圧エアー（圧縮空気）が使用されるが、本発明では、インターレースノズルが減圧下の延伸室に設置されるので、加圧エアーの必要がなく、延伸室外の外気の自然流入である点が大きな相違点であり、省エネルギーである特徴を有する。通路５２の断面は円ばかりでなく、半円や矩形等の種々のタイプも使用される。ｂ図は、別のタイプのインターレースノズル５４を断面図で示し、マルチフィラメントが通過する通路５５は、入口から出口にかけて徐々に径が大きくなっている。また空気流入通路５６は通路５６に対して必ずしも直角である必要はなく、傾斜している例を示した。ｃ図は、インターレースノズル５８において、マルチフィラメントが通過する通路５８に段差が設けられている例を示した。

図５は、本発明で使用されるゾーン延伸・熱処理の原理を示す斜視図である。図５Ａにおいて、糸６１がスピードコントロールモータ６２に取り付けられた糸供給リール６３から一定速度Ｓａで繰り出される。繰り出された糸６１は、加熱域ｗのゾーンヒータ６４のギャップｇを通過し、スピードコントロールモータ６５に取り付けられた糸巻取リール６６へ一定速度Ｓｂで巻き取られる。ゾーン延伸の延伸倍率はＳｂ／Ｓａである。ゾーン延伸においては、加熱域ｗ及びギャップｇが極めて小さいことが特徴で、これらの値は、Ｓａ，Ｓｂ／Ｓａ，糸を構成するポリマー、糸の径、ゾーンヒータの温度などより最適値を求めて決定される。なお、この図ではＳａ、Ｓｂはスピードコントロールモータ６２、６５によって決められるが、繰出ニップロール、引取ニップローラ等の一定速度で繰出、引取が行われる他の手段も使用することができる。図５Ｂは一定張力型ゾーン延伸・熱処理の原理を示す。糸６１がスピードコントロールモータ６２に取り付けられた糸供給リール６３から一定速度Ｓａで繰り出される。ゾーンヒータ６４の手前に一定張力付与具６７が設けられており、一定張力付与具は、定滑車６８ａ、６８ｂと動滑車６９、及びウエイト７０からなる。一定張力の糸６１は、ゾーンヒータ６４によって加熱されて、スピードコントロールモータ６５に取り付けられた糸巻取リール６６へ一定速度Ｓｂで巻き取られる。ここでは、動滑車６９の位置が一定範囲に収まるように、ゾーンヒータ６４の温度、ウエイト７０、引取速度Ｓｂ等が制御される。

原フィラメントとして未延伸ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィラメント（繊維径１１０．４μｍ、ＤＳＣ融点：２５６．０℃、ＤＳＣ結晶化度：１９．１１％）を１０本使用し、第２図の装置（横型捕集）により実験を行った。この時の赤外線照射装置はコヒーレント社製の炭酸ガスレーザー発振装置を使用し、レーザー出力（Ｌｐ）を２０Ｗ、３０Ｗ、４０Ｗ、５０Ｗで実験した。オリフィス径は、０．３ｍｍであり、延伸室の真空度は３５ｋＰａに調整した。原フィラメントの送出速度は、０．１ｍ／分、コンベア速度０．５ｍ／ｍｉｎ、巻取速度０．５２ｍ／ｍｉｎであった。使用したインターレースノズルは、湯浅糸道社Ｃ２０４０３０−Ｌを使用し、バルブ（図１の１８）を調節して外気を取り込んで使用した。レーザーの照射ワット数Ｌｐ（Ｗ）を変更しつつ実験して得られた極細マルチフィラメント糸の外観ＳＥＭ写真を図６に、得られたマルチフィラメント糸の径ｄMF（μ）、それを構成する極細フィラメントの平均繊維径ｄav（μ）を図７に示した。平均フィラメント径ｄavは、０．３−０．６μｍの範囲にあり、ナノフィラメントの領域である。また、得られたマルチフィラメント糸の引張試験結果を図８に示し、レーザーのＷ数が多くなると強度Ｓｔ、弾性率Ｅがアップしている。また、ＤＳＣ測定結果を図９に、ＦＴ−ＩＲ（フ−リエ変換赤外分光光度計）によって得られた結果を図１０に示し、レーザーのＷ数が多くなると融点Ｔm2（℃）、結晶化度Ｘc1、Xｃ2（％）が向上する。表１に得られたマルチフィラメント糸の切断強度、弾性率、嵩密度等を示した。嵩密度が０．１ｇ/ｃｍ^-3より小さい場合でも、切断強度が２０ＭＰａ以上、弾性率が２００ＭＰａを超えている。

実施例１と同じ原フィラメントを使用し、第３図の装置で実験を行った。原フィラメントの送出速度は、０．１ｍ／分、コンベア速度０．５ｍ／ｍｉｎ、巻取速度０．５２ｍ／ｍｉｎであった。使用したインターレースノズルは、一段目として使用する２個は湯浅糸道社Ｃ２０４０３０−Ｌ、それで作製された２個のマルチフィラメント糸を合わせた後に使用されるインターレースノズルは、湯浅糸道社Ｃ１０６０３０Wを使用した。レーザーの照射ワット数（Ｗ）を変更しつつ実験して得られた極細マルチフィラメント糸の外観ＳＥＭ写真を図１１に示す。また、得られたマルチフィラメント糸の径ｄMF（μ）、それを構成する極細フィラメントの平均繊維径ｄav（μ）を実施例２の２本の糸をもう一個のインターレーサーで合わせた場合（ダブル）と、合わせなかった実施例１の場合（シングル）を比較して図１２に示した。平均フィラメント径ｄavは、０．３−０．６μｍの範囲にあり、ナノフィラメントの領域である。また、得られたマルチフィラメント糸の引張試験結果を図１３に示した。レーザーのＷ数が多くなると強度Ｓｔ（ＭＰａ）、弾性率Ｅ（ＭＰａ）がアップしている。表２に得られたダブルの場合のマルチフィラメント糸の切断強度、弾性率、嵩密度等を示した。嵩密度が０．２５ｇ/ｃｍ^-3より小さい場合でも、切断強度が４０ＭＰａ以上、弾性率が４００ＭＰａを超えている。

原フィラメントとしてポリ乳酸（ＰＬＬＡ）フィラメント（繊維径５０．７４μｍ、ＤＳＣ融点ピーク：１５６．２℃、１６４．６℃、ＤＳＣ結晶化度：４４．４％）を２５本使用し、第１図の装置（縦型捕集）により実験を行った。この時の赤外線照射装置はコヒーレント社製の炭酸ガスレーザー発振装置を使用し、レーザー出力（Ｌｐ）を１０Ｗ、２０Ｗ、３０Ｗ、４０Ｗで実験した。オリフィス径は、０．３ｍｍであり、延伸室の真空度を３０ｋＰａ、４０ｋＰａ，５０ｋＰａに調整した。原フィラメントの送出速度は、０．１ｍ／分、コンベア速度０．５ｍ／ｍｉｎで巻取速度０．７ｍ／ｍｉｎで実験した。使用したインターレースノズルは、湯浅糸道社Ｃ２０４０３０−Ｌを使用し、バルブ（図１の１８）を調節して外気を取り込んで使用した。レーザーの照射ワット数（Ｗ）を変更しつつ実験して得られた極細マルチフィラメント糸の外観ＳＥＭ写真を図１４に、得られたマルチフィラメント糸の径ｄMF（μ）、それを構成する極細フィラメントの平均繊維径ｄav（μ）を図１５に示し、平均フィラメント径ｄavはレーザーワット数が２０Ｗ以上ではナノフィラメントの領域である。また、得られたマルチフィラメント糸の切断強度、弾性率、嵩密度等を表３に示した。嵩密度が０．５ｇ/ｃｍ^-3より小さい場合でも、切断強度が３０ＭＰａ以上、弾性率が３００ＭＰａを超えている。

実施例３の原フィラメント及び装置において、コンベア速度０．５ｍ／ｍｉｎの場合に巻取速度を種々変化させて実験し、得られたマルチフィラメント糸の強伸度測定結果を表４に示す。コンベアの走行速度Ｓｃに対して、インターレースノズルを出た糸状体の巻取速度のＳｗを大きく（Ｓｗ／Ｓｃ＞１）にすることにより、巻き取られた糸の強度、弾性率が向上している。

実施例４でＳｗ／Ｓｃ＝１．４で得られた極細マルチフィラメント糸を図５の装置でゾーン延伸を行った。ウエイトを７．８ｇ、１４．８ｇ、２１．８ｇ、２４．８ｇと変化させ、またゾーンヒータの温度も６０℃、８５℃、９５℃で実験した。糸の送出速度Ｓａを０．５ｍ／ｍｉｎ、ゾーン延伸倍率１．４倍で得られた糸を使用した。得られた糸の強伸度データを図１６に示す。また得られた糸の広角度Ｘ線パターンを図１７に示す。ゾーン延伸により強度、弾性率、配向度、耐熱度が向上していることがわかる。また、ゾーン延伸は熱処理効果もアップする。ゾーン延伸で得られた糸を、元の糸、真空オーブン（１５０℃）で熱処理した糸と比較して、強伸度特性を図１８に示す。ゾーン延伸により強度、弾性率ばかりでなく、熱処理効果も増大していることがわかる。

実施例３で得られた極細マルチフィラメント糸１５本を使用して、組紐（図１９）及び中空組紐（図２０）を作製した。これらは、手術用縫合糸や人工血管を作製する際に重要となる。

本発明による極細マルチフィラメント糸は、衣料用布や産業用の糸ばかりでなく、手術用縫合糸や人工血管等の医療用分野にも使用される。

１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・：原フィラメント、 ２：リール、 ３：ニップロール、
４ａ、４ｂ、４ｃ、・・・：オリフィス、 ５：板、 ６：延伸室、 ７：配管、
８：炭酸ガスレーザー発振装置、 ９：レーザービーム、
１０、１１：窓、 １２：パワーメータ、
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、・・・：延伸されたフィラメント、
１４：コンベア、 １５：極細フィラメントウェブ、
１６：インターレースノズル、 １７：配管、 １８：バルブ、
１９：極細マルチフィラメント糸、 ２０：巻取ビーム。
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、・・・：原フィラメント、
２２：リール、 ２３：ニップロール、
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、・・・：オリフィス、 ２５：板、
２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、・・・：原フィラメント、 ２７：リール、
２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、・・・：オリフィス、 ２９：延伸室、 ３０：配管、
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、・・・：延伸されたフィラメント、
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、・・・：延伸されたフィラメント、
３３：コンベア、 ３４、３５：極細フィラメントウェブ、
３６、３７、４０：インターレースノズル、
３８，３９、４１：極細マルチフィラメント糸、 ４２：巻取ビーム。
５１，５４、５７：インターレースノズル、
５２、５５、５７：通路、 ５３、５６、５９：空気流入通路。
６１：糸、 ６２、６５：スピードコントロールモータ、
６３：糸供給リール、 ６４：ゾーンヒータ、 ６６：糸巻取リール、
６７：定張力付与具、 ６８ａ、６８ｂ：定滑車、 ６９：動滑車、
７０：ウエイト。

Claims (12)

1. フィラメントの送出手段を有するＰ１気圧下の原フィラメント供給室と、該原フィラメント供給室に配設されており、該原フィラメントがその中を通過する多数本のオリフィスと、該オリフィスによって該原フィラメント供給室と接続されており、該オリフィスを通過してきた該原フィラメントが赤外線レーザービームにより加熱されることによって延伸されるＰ２気圧下（Ｐ１＞Ｐ２でかつＰ２は減圧下）の延伸室と、該赤外線レーザービームを放射する赤外線レーザー発振装置とを具備している、延伸された極細フィラメントの製造装置において、
   該原フィラメントが供給される多錘の原フィラメント供給手段と、
   該延伸室内でオリフィス直下において走行するコンベアと、
   該延伸室内で該コンベア上に集積された該延伸された極細フィラメントウェブを集束して通過させるインターレースノズルと、
   該インターレースノズルが該延伸室外のＰ２気圧より高い外気を流入させる配管を有し、
   該インターレースノズルを通過してきた糸状体を巻き取る巻取機と、
   を有することを特徴とする、平均フィラメント径が１μｍ未満のナノフィラメントからなる極細マルチフィラメント糸の製造装置。
2. 前記オリフィスの多数本が前記コンベアの進行方向にほぼ平行して配列されている、請求項１記載の平均フィラメント径が１μｍ未満のナノフィラメントからなる極細マルチフィラメント糸の製造装置。
3. 前記オリフィスの多数本が前記コンベアの進行方向に対してほぼ直角方向に配列されている、請求項１記載の平均フィラメント径が１μｍ未満のナノフィラメントからなる極細マルチフィラメント糸の製造装置。
4. 前記インターレースノズルが複数個設けられており、前記コンベア上の複数の前記ウェブをそれぞれの該複数のインターレースノズル（複数のノズルＡ）を通過するように配置されており、さらに別個のインターレースノズル（ノズルＢ）が設けられており、該ノズルＡを通過することによって形成された複数の糸状体を該ノズルＢに通過させることによって、複数の糸状体がさらに交絡された糸状体が形成される、請求項１記載の平均フィラメント径が１μｍ未満のナノフィラメントからなる極細マルチフィラメント糸の製造装置。
5. フィラメントが送出手段により送り出された多数本の原フィラメントが、Ｐ１気圧下で多数本のオリフィスに供給され、該オリフィスの前後における気圧の差が、Ｐ１≧２Ｐ２である減圧下のＰ２気圧下の延伸部に導かれ、該延伸部において赤外線光束により加熱されて延伸され、該オリフィス直下を走行するコンベア上に集積される極細フィラメントウェブの製造において、
   該コンベア上に集積された該延伸された極細フィラメントウェブが集束されて、延伸室外のＰ２気圧より高い外気を導入できる配管を有するインターレースノズルを通過させて交絡される工程と、
   該インターレースノズルを通過し、交絡された糸状体が巻取機に巻き取られる工程と、
   を有することを特徴とする、平均フィラメント径が１μｍ未満のナノフィラメントからなる極細マルチフィラメント糸の製造方法。
6. 前記オリフィスの多数本が前記コンベアの進行方向にほぼ平行して配列されている、請求項５記載の平均フィラメント径が１μｍ未満のナノフィラメントからなる極細マルチフィラメント糸の製造方法。
7. 前記オリフィスの多数本が前記コンベアの進行方向に対してほぼ直角方向に配列されている、請求項５記載の平均フィラメント径が１μｍ未満のナノフィラメントからなる極細マルチフィラメント糸の製造方法。
8. 前記インターレースノズルが複数個設けられており、前記コンベア上には複数の前記ウェブが走行しており、該複数のウェブがそれぞれの該複数のインターレースノズル（複数のノズルＡ）を通過することで複数の糸状体が形成され、該複数の糸状体が合わさってさらに別個のインターレースノズル（ノズルＢ）を通過することによって、複数の糸状体がさらに交絡された糸状体が形成される、請求項５記載の平均フィラメント径が１μｍ未満のナノフィラメントからなる極細マルチフィラメント糸の製造方法。
9. 前記コンベアの走行速度Ｓｃに対して、前記インターレースノズルを出た糸状体の巻取速度Ｓｗを大きく（Ｓｗ／Ｓｃ＞１）になるように延伸される、請求項５記載の平均フィラメント径が１μｍ未満のナノフィラメントからなる極細マルチフィラメント糸の製造方法。
10. 前記インターレースノズルを出た糸状体がさらにゾーン延伸される、請求項５記載の平均フィラメント径が１μｍ未満のナノフィラメントからなる極細マルチフィラメント糸の製造方法。
11. 前記マルチフィラメントを構成する個々のフィラメント間に交絡を有する前記インターレース糸であって、該個々のマルチフィラメントの平均フィラメント径が１μｍ未満であるポリエチレンテレフタレートからなり、該糸の嵩密度が０．１ｇ/ｃｍ^-3より小さく、切断強度が２０ＭＰａ以上、弾性率が２００ＭＰａ以上であることを特徴とする、請求項５記載の平均フィラメント径が１μｍ未満のナノフィラメントからなる極細マルチフィラメント糸の製造方法。
12. 前記マルチフィラメントを構成する個々のフィラメント間に交絡を有する前記インターレース糸であって、該個々のマルチフィラメントの平均フィラメント径が１μｍ未満であるポリ乳酸Poly( L-lactide)(PLLA)からなり、該糸の嵩密度が０．５ｇ/ｃｍ^-3より小さく、切断強度が３０ＭＰａ以上、弾性率が３００ＭＰａ以上であることを特徴とする、請求項５記載の平均フィラメント径が１μｍ未満のナノフィラメントからなる極細マルチフィラメント糸の製造方法。

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