JP6721781B2

JP6721781B2 - 高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置

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Publication number: JP6721781B2
Application number: JP2019507058A
Authority: JP
Inventors: ギュハム，ワン; ウーナム，イン; ジンリー，スン; スブリム，キ
Original assignee: Korea Academy of Industrial Technology
Current assignee: Korea Academy of Industrial Technology
Priority date: 2016-05-02
Filing date: 2017-04-24
Publication date: 2020-07-15
Anticipated expiration: 2037-04-24
Also published as: CN109642344B; WO2017191916A1; US11255025B2; KR20170124293A; JP2019516027A; CN109642344A; KR101798529B1; US20210238768A1

Description

本発明は、高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置に係り、さらに詳しくは、紡糸ノズルから熱可塑性樹脂を溶融紡糸する工程において、紡糸部分に対する加熱方式を最適化して、紡糸ノズルから吐出される溶融状態の繊維の温度を、熱分解が生じない短時間の間、パックボディの温度よりも高温に昇温させて局部加熱することにより、瞬間高温加熱により、分子量が低下することなく、熱可塑性樹脂の溶融状態の高分子内の分子鎖の絡み合い構造を制御して繊維の延伸性を向上させ、強度及び伸度等の機械的物性を改善するとともに、溶融紡糸工程及び延伸工程の既存の工程を活用しながら、紡糸時、樹脂の溶融粘度（ノズル先端圧）を下げ、さらに高粘度樹脂の紡糸が可能となり、繊維の冷却速度を遅延させ、紡糸張力（配向）を下げることにより、紡糸速度（生産速度）をさらに改善することができるようにし、低コストで高強度の繊維を量産することができる、高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置に関する。

商業化したＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）繊維のうち、現在までに知られた最大強度は、１．１ＧＰａ程度であって、理論強度に対して最大限に発現可能な強度が、他の高強度繊維（極限性能パラ系アラミド（ケブラー、Ｋｅｖｌａｒ）繊維、約２．９ＧＰａ）に比べて１／３水準である３〜４％に過ぎない。このため、一般用衣類や生活用または産業用の一部（タイヤコード）の繊維素材を除いた極限性能が求められる産業用繊維素材として適用するには限界があった。

このように、非液晶熱可塑性高分子繊維であるＰＥＴとナイロン系繊維は、液晶ポリマー（ＬＣＰ）繊維であるＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール）（ザイロン、Ｚｙｌｏｎ）、パラ系アラミド（ケブラー）系繊維よりも強度が低く、理論値と対比して実際の強度を極端に上げることができないが、これは、樹脂で繊維状に加工するとき、構造形成の挙動の違いがあるからである。

すなわち、液晶ポリマー（ＬＣＰ）は、溶液状態において液晶状の構造をなしているので、適切なせん断応力を与えれば、紡糸前後の繊維構造のエントロピー差が少なく、極めて高い配向度及び結晶性を有する繊維構造を形成し、高強度・高性能繊維に製造することができる。

これに対して、ＰＥＴとナイロン系非液晶熱可塑性ポリマーは、溶融状態において高分子鎖が、非結晶のランダムコイル状に絡んだ複雑な構造からなるので、紡糸ノズルにおいて、高度のせん断応力及び以降の延伸比（ドラフト及び延伸比率等）を与えても、ランダムコイル状に絡んだ構造のため、完全な配向結晶化（高強度化）が相対的に得られ難い問題があった。このとき、紡糸前後の繊維構造のエントロピー間の差が大きく現れる。

一方、汎用の熱可塑性高分子の構造的な不利点にもかかわらず、従来に比べて相対的に高強度の熱可塑性高分子繊維を開発することができれば、適用市場と波及効果が非常に大きいものと思われ、近年、日本の繊維業界を中心にして、従来の汎用ＰＥＴ繊維の物性の極大化及び限界性能を高めるために、様々な研究が進行されている。

その一例として、高強度繊維を製造する研究として、超高分子量のＰＥＴ樹脂を用いるか（非特許文献１）、または溶融紡糸に凝固浴槽技術を適用して配向を極大化しようとする研究（非特許文献２）が報告されている。

しかしながら、これらの研究は、高強度ＰＥＴ繊維を開発するための実験室規模の接近方式であることを考慮すれば、物性向上の効果に比べて作業性及び生産性の限界により、商用化されてはいない。

また、近年、日本では、ＰＥＴ、ナイロン等の汎用の熱可塑性高分子を用い、溶融紡糸工程を基盤として、製造費用が２倍以上とならない範囲内で、既存の繊維を１．１ＧＰａ〜２ＧＰａの強度に高強度化する研究開発が報告されている。

さらには、最終的に、産業用繊維として消費量が最も多いタイヤコードに、近いうちに適用して実用化する目的で推進される研究開発分野としては、溶融構造制御技術、分子量制御技術、延伸・熱処理技術、及び評価・分析技術がある。

特に、このうち、溶融構造制御技術は、従来、固化した繊維の分子配向及び結晶化を通じて、繊維構造の形成挙動を制御し、繊維の高強度化を具現した研究とは異なり、溶融状態の高分子内の分子鎖の絡み合い（ｍｏｌｅｃｕｌａｒｅｎｔａｎｇｌｅｍｅｎｔ）構造を制御する概念として接近しており、非配向無定形繊維内の構造制御及び挙動を究明することにより、ＰＥＴ繊維の高強度化を達成しようとする。

ここに、溶融紡糸工程における分子構造を制御するための手段として、紡糸ノズル装置の設計及びレーザ加熱、超臨界ガス、凝固浴槽等を通じて、高強度ＰＥＴ繊維を開発することが報告されている。

特に、従来、溶融紡糸工程時の紡糸ノズル装置の設計の方法により、高強度ＰＥＴ繊維を提供するが、紡糸ノズルの付近を局部加熱する方法の一例として、図７は、紡糸ノズルの直下保温法による局部加熱の実施形態である。

具体的には、溶融紡糸工程において、紡糸ノズル装置は、１００〜３５０℃の熱源が提供されるパックボディヒータ（Ｐａｃｋ−ＢｏｄｙＨｅａｔｅｒ）３００により維持されたパックボディ（Ｐａｃｋ−Ｂｏｄｙ）２００に、紡糸ノズル１００が固定され、紡糸ノズル１００の上部に、小流板５００と分配板６００が順に設けられ、溶融状態の熱可塑性樹脂は、分配板６００と小流板５００から紡糸ノズル１００に供給され、紡糸ノズル１００の紡糸ノズル孔１１１から紡糸される。

紡糸後、形成された繊維１１２が、常温〜４００℃の高温の電気ヒータを一定の距離から均一に適用するように、２０〜２００ｍｍのアニールヒータ４００を通過することにより、さらに低コストで高効率の熱伝達を可能にする。

しかしながら、前記アニールヒータ４００による繊維１１２の局部加熱は、加熱の目的ではなく、紡糸ノズル１００の下部の紡糸ノズル孔１１１間の均一な温度を維持するための保温用途であって、紡糸ノズル孔１１１間温度の偏差を最小化することにより、紡糸作業性及び品質改善のために適用されるだけで、繊維１１２とアニールヒータ４００との間の距離が遠く、繊維１１２への均一な加熱が行われていない。

従来、溶融紡糸工程中の紡糸ノズルの付近を局部加熱するまた他の紡糸ノズル装置として、紡糸ノズルの紡糸ノズル孔の直径を微細化し、紡糸ノズルの直下でＣО₂レーザを照射することにより、延伸後、ＰＥＴ繊維強度が１．６８ＧＰａ（１３．７ｇ／ｄｅｎ．）であり、伸度が９．１％である高性能ＰＥＴ繊維の製造が報告されている（非特許文献３）。

ここに、図８は、紡糸ノズルの直下にレーザ照射による局部加熱の実施形態である。具体的には、紡糸後、形成された繊維１１２にＣО₂レーザ照射部４１０から照射されたＣО₂レーザにより直接加熱する方式で、紡糸ノズル１００の下部がパックボディ２００の下端へ０〜３ｍｍ突出され、紡糸直後、１〜１０ｍｍの位置においてＣО₂レーザが照射される。

しかしながら、紡糸ノズル１００の直下におけるレーザ加熱は、特定の繊維１１２部位を高温に加熱する特徴があるが、数十〜数万個の紡糸ノズル孔１１１を有する実際に商用化された紡糸ノズル１００には、同時に適用し難い限界があった。

それで、本発明者らは、高強度繊維の製造方法における紡糸ノズルの直下において局部加熱する方式における従来の問題点を改善するために努力した結果、実際に商用化される紡糸ノズルの紡糸ノズル孔の付近を加熱して熱伝達方式を最適化することにより、紡糸ノズルから吐出される溶融状態の繊維の温度を、熱分解が生じない短時間の間、パックボディの温度よりも高温に昇温させて局部加熱することにより、瞬間高温加熱により、分子量が低下することなく、熱可塑性樹脂の溶融状態の高分子内の分子鎖の絡み合い構造を制御して繊維の延伸性を向上させ、強度及び伸度等の機械的物性を改善するとともに、溶融紡糸工程及び延伸工程の既存の工程を活用しながら、紡糸時、樹脂の溶融粘度（ノズル先端圧）を下げ、さらに高粘度樹脂の紡糸が可能となり、繊維の冷却速度を遅延させ、紡糸張力（配向）を下げることにより、紡糸速度（生産速度）をさらに改善することができるようにし、低コストで高強度の繊維を量産することができることを確認し、本発明を完成するに至った。

Ｚｉａｂｉｃｋｉ，Ａ．，"ＥｆｆｅｃｔｏｆＭｏｌｅｃｕｌａｒＷｅｉｇｈｔｏｎＭｅｌｔＳｐｉｎｎｉｎｇａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＨｉｇｈ−ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＰｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）Ｆｉｂｅｒｓ"，Ｔｅｘｔ．Ｒｅｓ．Ｊ．，１９９６，６６，７０５−７１２；Ｓｕｇｉｍｏｔｏ，Ｍ．，ｅｔａｌ．，"ＭｅｌｔＲｈｅｏｌｏｇｙｏｆＰｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅＣｏｎｔａｉｎｉｎｇＳｍａｌｌＡｍｏｕｎｔｓｏｆＨｉｇｈ−Ｍｏｌｕｃｕｌａｒ−ＷｅｉｇｈｔＣｈａｉｎ．２．ＵｎｉａｘｉａｌａｎｄＢｉａｘｉａｌＥｘｔｅｎｓｉｏｎａｌＦｌｏｗ"，Ｍａｃｒｏｍｏｌ．，２００１，３４，６０５６−６０６３ＩｔｏＭ．，ｅｔａｌ．，"ＥｆｆｅｃｔｏｆＳａｍｐｌｅＧｅｏｍｅｔｒｙａｎｄＤｒａｗＣｏｎｄｉｔｉｏｎｓｏｎｔｈｅＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＤｒａｗｎＰｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）"，Ｐｏｌｙｍｅｒ，１９９０，３１，５８−６３Ｍａｓｕｄａ，Ｍ．，"ＥｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅＣｏｎｔｒｏｌｏｆＰｏｌｙｍｅｒＦｌｏｗｉｎｔｈｅＶｉｃｉｎｉｔｙｏｆＳｐｉｎｎｉｎｇＮｏｚｚｌｅｏｎＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＰｏｌｙ（ｅｔｈｙｌｅｎｅｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）Ｆｉｂｅｒｓ"，Ｉｎｔｅｒｎ．ＰｏｌｙｍｅｒＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２０１０，２５，１５９−１６９

本発明は、前記問題点に鑑みなされたものであり、熱可塑性樹脂の溶融紡糸工程において、紡糸ノズルの紡糸ノズル孔部分をパックボディの外部に位置させ、紡糸ノズル孔部分に対する加熱方式を最適化した高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置を提供することを目的とする。

本発明に係る高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置を具現するための好適な第１の実施形態は、パックボディ２１と、前記パックボディの外側に設けられ、パックボディに熱源を提供するパックボディヒータ２２と、前記パックボディ２１に設けられ、溶融状態の熱可塑性樹脂を紡糸する紡糸ノズル２３と、前記パックボディ内に設けられ、溶融状態の熱可塑性樹脂を紡糸ノズルに流入させるための分配板２４及び小流板２５と、を備え、前記紡糸ノズル２３が、パックボディ２１の内部に位置する固定部２３ｂと、パックボディ２１の外部に位置する紡糸部２３ｃと、からなり、前記パックボディの外部に位置した紡糸部２３ｃには、多数個の紡糸ノズル孔２３ａが形成され、熱可塑性樹脂が溶融紡糸されて繊維が形成され、前記紡糸部２３ｃの紡糸ノズル孔２３ａ部分をパックボディ２１の温度よりも高温で加熱するための加熱体２６を備えた高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置を提供する。

また、前記第１の実施形態において、前記紡糸ノズル２３は、固定部２３ｂと紡糸部２３ｃとの間を離隔させるための延長部２３ｄを有し、延長部２３ｄは、パックボディ２１の下端から１０〜５００ｍｍ延長形成され、紡糸部２３ｃに形成された紡糸ノズル孔２３ａがパックボディの外部に位置される。

また、前記第１の実施形態において、加熱体２６は、紡糸部２３ｃの側壁周りを取り囲んでリング状で設けられ、前記小流板２５の下部は、紡糸ノズル２３内に挿入され、前記小流板２５の下部が、紡糸ノズル２３の延長部２３ｄと紡糸部２３ｃの境界地点までに延長され、溶融状態の熱可塑性樹脂が紡糸ノズル孔２３ａの入口までに誘導されることが好ましく、前記紡糸ノズルの固定部２３ｂ及び延長部２３ｄの内側壁と、これに対向する小流板２５の外側壁との間には、空間部２７が形成され、紡糸ノズルの延長部２３ｄには、前記空間部２７と外部を連通させる空気流通孔２８が形成される。

本発明に係る高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置を具現するための好適な第２の実施形態は、パックボディ３１と、前記パックボディの外側に設けられ、パックボディに熱源を提供するパックボディヒータ３２と、前記パックボディ３１内に設けられ、溶融状態の熱可塑性樹脂を紡糸ノズルに流入させる分配板３４及び小流板３５と、を備え、前記小流板３５が、前記パックボディ３１の内部に位置する第１小流板３５ａと、前記パックボディ３１の外部に位置し、前記第１小流板３５ａと着脱可能に設計された第２小流板３５ｂと、からなり、前記紡糸ノズル３３が、前記第２小流板３５ｂの下部に着脱可能に設けられ、前記パックボディ３１の外部に位置し、前記パックボディ３１の外部に位置された紡糸ノズル３３に多数個の紡糸ノズル孔３３ａが形成され、熱可塑性樹脂が溶融紡糸されて繊維が形成され、前記紡糸ノズル孔３３ａ部分をパックボディ３１の温度よりも高温で加熱するための加熱体３６を備えた高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置を提供する。

前記第２の実施形態において、前記加熱体３６は、前記第２小流板３５ｂ及び紡糸ノズル３３の側面周りと上面を取り囲む形状に設けられ、パックボディ３１の下端部と前記加熱体３６との間に空気が流通する空間部３７を形成することが好ましい。

本発明に係る高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置を具現するための好適な第３の実施形態は、パックボディ４１と、前記パックボディの外側に設けられ、パックボディに熱源を提供するパックボディヒータ４２と、前記パックボディ４１に設けられ、溶融状態の熱可塑性樹脂を紡糸する多数個の紡糸ノズル孔４３ａが形成された紡糸ノズル４３と、前記パックボディ内に設けられ、溶融状態の熱可塑性樹脂を紡糸ノズルに流入させるための分配板４４及び小流板４５と、を備え、前記紡糸ノズル４３の紡糸ノズル孔４３ａの下部に配置され、紡糸後、繊維をパックボディ４１の温度よりも高温で加熱するための加熱体４６を備え、前記紡糸ノズル４３と加熱体４６との間に設けられた断熱材層４０を備え、前記加熱体４６が、紡糸後、それぞれの繊維が通過するように、孔状タイプの加熱孔４６ａまたは一列で配置された帯状タイプの加熱孔４６ｂを有する高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置を提供する。

前記第３の実施形態において、前記断熱材層４０の厚さは、１〜３０ｍｍに設定し、前記加熱体４６は、断熱材層から１〜５００ｍｍの長さで延長され、前記断熱材層の厚さと加熱体の延長長さを含めて繊維の加熱区域が形成される。

本発明に係る高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置を具現するための好適な第４の実施形態は、パックボディ５１と、前記パックボディの外側に設けられ、パックボディに熱源を提供するパックボディヒータ５２と、前記パックボディ５１に設けられ、溶融状態の熱可塑性樹脂を紡糸する多数個の紡糸ノズル孔５３ａが形成された紡糸ノズル５３と、前記パックボディ内に設けられ、溶融状態の熱可塑性樹脂を紡糸ノズルに流入させるための分配板５４及び小流板５５と、を備え、前記紡糸ノズル５３の紡糸ノズル孔５３ａの付近に配置され、紡糸ノズル孔の付近を前記パックボディ５１の温度よりも高温で加熱するとともに、紡糸後、繊維を加熱するための加熱体５６を備え、前記加熱体５６が、紡糸後、それぞれの繊維が通過するように、孔状タイプの加熱孔５６ａまたは一列で配置された帯状タイプの加熱孔５６ｂを有し、前記紡糸ノズル５３の下部に前記加熱体５６を接触または加熱体の一部を挿入してなる高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置を提供する。

前記第４の実施形態において、前記パックボディ５１から紡糸ノズル５３の下部面の位置は、パックボディの下部面を基準として１〜３００ｍｍに設定し、前記紡糸ノズル５３の下部面に接触または一部挿入される加熱体５６の挿入深さは０〜５０ｍｍに設定し、前記紡糸ノズル５３の下部面から延長される加熱体５６の延長長さは０〜５００ｍｍに設定し、前記紡糸ノズル５３の下部に一部挿入された加熱体５６の挿入深さと、前記紡糸ノズル５３の下部面から延長された加熱体５６の延長長さを含めて繊維の加熱区域が形成される。

また、第４の実施形態において、前記紡糸ノズル５３の下部に一部挿入された加熱体５６の上面と、前記加熱体５６の上面が対向する紡糸ノズル５３の対向面との間に、直接接触または隙間を形成するようにし、紡糸ノズル５３の下部に挿入される加熱体５６の挿入深さを最大５０ｍｍに設定し、加熱体５６は、紡糸前、紡糸ノズル５３内における溶融された熱可塑性樹脂の直接加熱及びノズル胴体の直下における繊維の間接加熱を同時に行うように設計される。

本発明の第３の実施形態及び第４の実施形態において、前記孔状タイプの加熱孔または帯状タイプの加熱孔は、内周面が紡糸ノズル孔の中心から１〜３００ｍｍ以内で離隔して形成されることが好ましい。

上記した特徴的構成を有する本発明に係る高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置によれば、溶融紡糸工程における紡糸ノズルの紡糸部分に対する加熱方式を最適化したものであって、実際に常用化される紡糸ノズルの紡糸ノズル孔をパックボディの直下の外部に位置させ、紡糸ノズル孔部分を加熱体で加熱することにより、熱伝逹方式を最適化し、また瞬間高温加熱により、溶溶状態の高分子内の分子鎖の絡み合い構造を制御して、熱可塑性樹脂の延伸性を向上させ、強度、伸度等の機械的物性を改善する効果がある。

また、本発明に係る高強度繊維製造用の紡糸ノズルは、溶融紡糸工程及び延伸工程の既存の工程を活用しながら、構造が簡単であり、エネルギー効率の高い加熱装置を用いることにより、紡糸線上における繊維の冷却速度を効果的に遅延させ、紡糸速度及び延伸速度を向上させることにより、初期投資費を下げ、量産及び低コストで、高性能の繊維生産が可能である。

また、本発明に係る高強度繊維製造用の紡糸ノズルは、溶融紡糸工程及び延伸工程の既存の工程を活用しながら、構造が簡単であり、エネルギー効率の高い加熱装置を用いることにより、紡糸ノズル孔内の溶融状態の樹脂の粘度を、分子量が低下することなく、効果的に下げることにより、紡糸ノズルの使用周期が長くなり、さらに高いせん断速度及びＬ／Ｄの孔スペック（ｓｐｅｃ）を有する紡糸ノズルで紡糸が可能であり、紡糸作業性及び繊維品質が改善され、特に、これまで紡糸できなかった超高粘度の樹脂も紡糸可能であり、初期投資費を下げ、低コストで高性能の繊維生産が可能である。

したがって、量産及び低コストによる価格競争力、多様な繊維物性の制御に基づき、タイヤコード、自動車、列車、航空、船舶等の輸送用内装材、土木及び建築資材、電子材料、ロープ及び網等の海洋用及び軍事用途として有用であり、その他、軽量のスポーツウェア及び作業服、軍服、家具及びインテリア、スポーツ用品等の衣類及び生活用途としても有用であり、広範囲にわたる市場の確保が可能である。

以外にも、ＰＥＴ長繊維、短繊維、不織布等の繊維分野にも適用可能であることはもとより、それを用いたフィルム、シート、成形、容器等の製造分野でも活用可能である。

本発明の第１の実施形態に係る高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置を示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係る高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置を示す断面図である。本発明の第３の実施形態に係る高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置を示す断面図である。図３におけるＩ−Ｉ線による断面図であって、孔状タイプの加熱孔を有する加熱体を示す断面図である。図３におけるＩ−Ｉ線による断面図であって、帯状タイプ（ａ）または一直線状タイプ（ｂ）の加熱孔を有する加熱体を示す断面図である。本発明の第４の実施形態に係る高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置を示す断面図である。従来例による紡糸ノズルが設けられた紡糸ノズル装置の紡糸部を示す断面図である。他の従来例による紡糸ノズルが設けられた紡糸ノズル装置の紡糸部を示す断面図である。

以下、添付された図面を参照して、本発明の好適な実施例にについて詳述する。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る紡糸ノズル装置を示すものであって、図示のように、第１の実施形態に係る紡糸ノズル装置は、パックボディ２１と、前記パックボディ２１の外側に設けられ、パックボディ２１に熱源を提供するパックボディヒータ２２と、前記パックボディ２１に設けられ、溶融状態の熱可塑性樹脂を紡糸する紡糸ノズル２３と、前記パックボディ２１内に設けられ、溶融状態の熱可塑性樹脂を紡糸ノズル２３に流入させるための分配板２４及び小流板２５と、を備える。

第１の実施形態において、紡糸ノズル２３は、パックボディ２１の内部に位置する固定部２３ｂと、パックボディ２１の外部に位置する紡糸部２３ｃと、からなり、前記パックボディの外部に位置した紡糸部２３ｃから多数個の紡糸ノズル孔２３ａが形成され、熱可塑性樹脂が溶融紡糸されて繊維が形成され、前記紡糸部２３ｃの紡糸ノズル孔２３ａ部分をパックボディ２１の温度よりも高温で加熱するための加熱体２６が設けられる。

また、前記第１の実施形態において、紡糸ノズル２３は、固定部２３ｂと紡糸部２３ｃとの間を離隔させるための延長部２３ｄを有し、前記延長部２３ｄは、パックボディ２１の下端から１０〜５００ｍｍ延長形成されることにより、紡糸部２３ｃに形成された紡糸ノズル孔２３ａは、パックボディの外部に位置する。

すなわち、前記紡糸部２３ｃには、熱可塑性樹脂を溶融紡糸して繊維Ｆを形成する多数個の紡糸ノズル孔２３ａが形成されており、前記延長部２３ｄは、パックボディ２１の下端から１０〜５００ｍｍ、さらに好ましくは１００〜３００ｍｍ延長形成され、紡糸部２３ｃ及び紡糸ノズル孔２３ａがパックボディ２１の外部に位置される。

また、前記紡糸ノズル２３の紡糸部２３ｃには、パックボディ２１の外部に位置した紡糸ノズル孔２３ａ部分を加熱するための加熱体２６が設けられ、加熱体２６は、リング状に形成され、紡糸部２３ｃの側壁周りを取り囲んで設けられる。

また、小流板２５の下部は、紡糸ノズル２３内に挿入され、小流板２５の下端は、紡糸ノズル２３の延長部２３ｄと紡糸部２３ｃの境界地点までに延長され、溶融状態の熱可塑性樹脂を紡糸ノズル孔２３ａの入口までに誘導する。

通常、パックボディ２１は、パックボディヒータ２２により５０〜３５０℃に維持されるものであって、パックボディ２１の温度が５０℃未満であれば、大部分の樹脂が溶融されず、固くて紡糸が困難であり、３５０℃を超えると、樹脂の急激な熱分解による繊維の物性低下が発生して好ましくない。

これに対して、加熱体２６により加熱される紡糸ノズル２３の紡糸部２３ｃの温度は、前記パックボディ２１よりも高い温度、例えばパックボディ２１の温度が３００℃であれば、紡糸ノズルの紡糸部２３ｃの温度は３５０〜７００℃に維持することが好ましく、パックボディ２１内の溶融樹脂を加熱する温度よりも紡糸ノズル孔２３ａ部分を加熱する温度を高く設定する。

一方、パックボディ２１と紡糸ノズル２３との間は、相互の熱伝達を最小化して構成されたものであって、このため、紡糸ノズル２３の固定部２３ｂ及び延長部２３ｄの内側壁と、これに対向する小流板２５の外側壁との間には、空間部２７が形成され、紡糸ノズル２３の延長部２３ｄには、前記空間部２７と外部を連通させる空気流通孔２８が形成される。

これは、紡糸ノズル２３の紡糸部２３ｃをパックボディ２１の外部に位置させるとともに、紡糸ノズル２３と小流板２５との間の空間部２７に空気を流通させ、加熱体２６から提供する高温が紡糸ノズル２３を介してパックボディ２１に伝達され、パックボディ２１の温度が上昇することにより、パックボディ２１内の熱可塑性樹脂、例えばポリエステル系高分子樹脂からなる原料が劣化して物性が低下する問題を防止する。

このような第１の実施形態に係る紡糸ノズル装置によれば、分配板２４及び小流板２５を通じて紡糸ノズル２３に流入した溶融状態の熱可塑性樹脂は、紡糸ノズル孔２３ａから紡糸されて繊維Ｆを形成し、紡糸後、繊維Ｆを冷却させ、前記冷却した繊維Ｆを仮撚機で延伸後、巻取する過程を通じて、高強度熱可塑性高分子繊維を製造する。

このとき、加熱体２６は、パックボディ２１の外部に露出した紡糸ノズル２３の紡糸部２３ｃを、パックボディ２１の温度よりも５０〜４００℃以上の高温で瞬間加熱することにより、紡糸ノズル孔２３ａから紡糸される溶融状態の高分子内の分子鎖の絡み合い構造を制御して、熱可塑性高分子繊維の強度及び伸度等の機械的物性を改善することができる。

また、紡糸ノズル２３の紡糸部２３ｃは、延長部２３ｄにより、パックボディ２１の外部に位置するとともに、紡糸ノズル２３と小流板２５との間に設けられた空間部２７に外気を流通させる構成により、加熱体２６の高温が紡糸ノズル２３を介してパックボディ２１の内部に伝達されて温度が上昇することを最小化することにより、パックボディ２１内の溶融高分子の劣化による物性低下を防ぐことができる。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る紡糸ノズル装置を示すものであって、図示のように、第２の実施形態に係る紡糸ノズル装置は、パックボディ３１と、前記パックボディ３１の外側に設けられ、パックボディ３１に熱源を提供するパックボディヒータ３２と、前記パックボディ３１内に設けられ、溶融状態の熱可塑性樹脂を紡糸ノズル３３に流入させるための分配板３４及び小流板３５と、を備える。

前記小流板３５は、前記パックボディ３１内に設けられる第１小流板３５ａと、前記パックボディ３１の外部に位置し、前記第１小流板３５ａと着脱可能な第２小流板３５ｂと、からなり、前記紡糸ノズル３３は、前記第２小流板３５ｂの下部に着脱可能に設けられ、前記パックボディ３１の外部に位置する。このとき、前記パックボディ３１の外部に位置された紡糸ノズル３３に多数個の紡糸ノズル孔３３ａが形成され、熱可塑性樹脂が溶融紡糸されて繊維Ｆが形成され、前記紡糸ノズル孔３３ａ部分をパックボディ３１の温度よりも高温で加熱するための加熱体３６を備える。

前記第１小流板３５ａと第２小流板３５ｂの着脱構造は、第１小流板３５ａに雌ねじ部３８を形成し、第２小流板３５ｂに雄ねじ部３９を形成して、これらの螺合により着脱可能であり、第２小流板３５ｂの雄ねじ部３９には、第２小流板３５ｂの回転を容易にする六角頭状部３９ａを形成することが好ましい。

また、前記紡糸ノズル３３と第２小流板３５ｂの着脱構造は、第２小流板３５ｂの底面に紡糸ノズル３３の上部を挿入し、第２小流板３５ｂに螺合される固定枠板４０を用いて紡糸ノズル３３の端部を第２小流板３５ｂに固定し、固定枠板３０には、紡糸ノズル３３の紡糸ノズル孔３３ａが露出するように開口部３０ａを形成することにより構成する。

また、前記第２小流板３５ｂと紡糸ノズル３３の外側壁と上面は、紡糸ノズル３３の紡糸ノズル孔３３ａ部分を加熱するための加熱体３６で取り囲まれている。

通常、パックボディ３１は、パックボディヒータ３２により５０〜３５０℃に維持されるものであって、パックボディ３１の温度が５０℃未満であれば、大部分の樹脂が溶融されず、固くて紡糸が困難であり、３５０℃を超えると、樹脂の急激な熱分解による繊維の物性低下が発生して好ましくない。

これに対して、加熱体３６により加熱される紡糸ノズル３３の紡糸ノズル孔３３ａ部分の温度は、前記パックボディ３１よりも高い温度、例えばパックボディ３１の温度が３００℃であれば、紡糸ノズル３３の紡糸ノズル孔３３ａ部分の温度は３５０〜７００℃に維持することが好ましく、パックボディ３１内の溶融樹脂を加熱する温度よりも紡糸ノズル孔３３ａ部分を加熱する温度を高く設定する。

一方、パックボディ３１と加熱体３６との間は、相互の熱伝達を最小化することが好ましく、このため、紡糸ノズル３１の加熱体３６との間に空間部３７が形成され、空気が流れるようにし、また、前記空間部３７から第２小流板３５ｂの雄ねじ部３９が外部に露出する。

これは、加熱体３６と第２小流板３５ｂの高温が、パックボディ３１及び第１小流板３５ａに熱伝逹され、パックボディ３１及び第１小流板３５ａの温度を上昇させることにより、パックボディ３１及び第１小流板３５ａ内の熱可塑性樹脂、例えばポリエステル系高分子樹脂からなる原料が劣化して物性が低下する問題を防止する。

このような第２の実施形態に係る紡糸ノズル装置によれば、分配板３４及び小流板３５を通じてパックボディ３１の外部に設けられた紡糸ノズル３３に流入した溶融状態の熱可塑性樹脂は、紡糸ノズル３３の紡糸ノズル孔３３ａから紡糸されて繊維Ｆを形成し、紡糸後、繊維Ｆを冷却させ、前記冷却した繊維Ｆを仮撚機で延伸後、巻取する過程を通じて、高強度熱可塑性高分子繊維を製造する。

このとき、加熱体３６は、パックボディ３１の外部に位置した紡糸ノズル３３を、パックボディ３１の温度よりも５０〜４００℃以上高い温度で瞬間加熱することにより、紡糸ノズル孔３３ａから紡糸される溶融状態の高分子内の分子鎖の絡み合い構造を制御して、熱可塑性高分子繊維の強度及び伸度等の機械的物性を改善することができる。

また、加熱体３６とパックボディ３１の間の空間部３７に外気が流通し、第２小流板３５ｂの雄ねじ部３９が空間部３７に露出した構成であるので、加熱体３６の高温がパックボディ３１及び第１小流板３５ａに伝達されて温度が上昇させることを最小化することにより、溶融高分子の劣化による物性低下を防ぐことができる。

また、第２の実施形態に係る紡糸ノズル装置は、紡糸ノズル３３を第２小流板３５ｂから着脱可能に構成されたものであり、紡糸ノズル３３を交替しようとするときは、第２小流板３５ｂから分離して交替すればよいので、交替作業が極めて迅速かつ簡便に行われ、紡糸ノズル３３の紡糸ノズル孔３３ａに対する掃除作業時も、極めて便利であるという利点がある。

図３は、本発明の第３の実施形態に係る紡糸ノズル装置を示すものであって、図示のように、第３の実施形態に係る紡糸ノズル装置は、パックボディ４１と、前記パックボディの外側に設けられ、パックボディに熱源を提供するパックボディヒータ４２と、前記パックボディ４１に設けられ、溶融状態の熱可塑性樹脂を紡糸する多数個の紡糸ノズル孔４３ａが形成された紡糸ノズル４３と、前記パックボディ内に設けられ、溶融状態の熱可塑性樹脂を紡糸ノズルに流入させるための分配板４４(未図示)及び小流板４５(未図示)と、を備える。

上記した第３の実施形態に係る高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置は、前記紡糸ノズル４３の紡糸ノズル孔４３ａの下部に加熱体４６を配置し、紡糸後、繊維をパックボディ４１の温度よりも高温に加熱する。また、前記紡糸ノズル４３と加熱体４６との間に設けられた断熱材層４０を備え、前記加熱体４６は、紡糸後、それぞれの繊維が通過するように、孔状タイプの加熱孔４６ａまたは一列で配置された帯状タイプの加熱孔４６ｂを有する。

前記紡糸ノズル４３は、紡糸ノズル孔４３ａから溶融状態の熱可塑性樹脂を紡糸して繊維Ｆを形成し、前記紡糸後、繊維Ｆが加熱体を通過して加熱処理され、前記加熱処理された繊維Ｆを冷却させ、前記冷却した繊維Ｆをインライン延伸機で延伸後、巻取する過程を通じて、高強度熱可塑性高分子繊維を製造する。

図４は、図３のＩ−Ｉ線による断面図であって、図示のように、加熱体４６は、紡糸ノズル４３の紡糸ノズル孔４３ａと同一の構造と個数の孔状タイプの加熱孔４６ａを形成した加熱体からなり、紡糸後、繊維Ｆは、それぞれの加熱孔４６ａを通過し、加熱孔の通過時、加熱孔４６ａに直接的に接触（例えば、熱伝導）しないように設計されている。

このため、加熱孔４６ａの内周面から紡糸ノズル孔の中心までの距離ａ１は、１〜３００ｍｍ以内、さらに好ましくは１〜３０ｍｍの範囲で設定することが好ましく、このような孔状タイプの加熱孔４６ａは、加熱孔４６ａの中心から３６０度方向へ同一の距離において均一な温度を維持することができる。

また、前記加熱孔４６ａの変形例として、図５は、図３のＩ−Ｉ線による断面図であって、（ａ）に示すように、紡糸ノズル孔が同心円状に配置された紡糸ノズルの場合、同心円状に一列で配置された複数個の紡糸ノズル孔から紡糸される繊維Ｆが一緒に通過するように、円形からなる帯状タイプの加熱孔４６ｂを形成し、または（ｂ）に示すように、紡糸ノズル孔が一直線状に一列で配置された紡糸ノズルの場合、一列で配置された複数個の紡糸ノズル孔から紡糸される繊維Ｆが通過するように、直線状からなる帯状タイプの加熱孔４６ｃに形成することができる。以外にも、図示してはいないが、加熱体４６に紡糸ノズル孔が配置された形態に応じて、円弧状、山状等、多様な形態の帯状タイプの加熱孔に設計し、または多くの形態の加熱孔を組み合わせて設計することができる。

前記帯状タイプの加熱孔４６ｂも、孔状タイプの加熱孔４６ａと同様に、内周面と紡糸ノズル孔の中心までの距離ａ１を１〜３００ｍｍ以内、さらに好ましくは１〜３０ｍｍの範囲で設定する。

さらに図４及び図５を参照すると、前記紡糸ノズル４３と加熱体４６は、相互に熱伝逹されないようにすることが好ましく、このため、前記紡糸ノズル４３と加熱体４６との間に断熱材層４０を備える。

紡糸ノズル４３の温度は、パックボディヒータ４１の温度と同一である。前記断熱材層４０は、紡糸ノズル４３の直下に位置した加熱体４６から提供する高温の温度が、紡糸ノズル４３に伝達されないように熱伝逹遮断の機能を行い、これにより、熱可塑性樹脂、例えば、ポリエステル系高分子樹脂からなる原料が紡糸ノズル４３内において劣化して物性が低下する問題を防ぐことができる。このとき、断熱材層４０の材質は、断熱効果を具現する公知された断熱材を用いることができ、好ましくは、ガラス及びセラミック系化合物を含む無機系の高温耐火断熱材を用いる。

断熱材層４０の厚さａ２は、紡糸ノズル４３と加熱体４６との間の距離が１〜３０ｍｍの範囲となるように設定する。例えば、前記厚さａ２が３０ｍｍを超えると、紡糸ノズル４３からの紡糸後に形成される繊維Ｆが、加熱体４６により熱処理される前に冷却されて、効果的な溶融構造の制御が難しいので、好ましくない。

前記加熱体４６の延長長さａ３は、断熱材層４０との接合面から１〜５００ｍｍに設定され、断熱材層４０の厚さａ２と加熱体４６の延長長さａ３を含む。

すなわち、第３の実施形態における加熱体４６は、紡糸ノズル４３の直下面に１〜３０ｍｍ以内に設定された断熱材層４０の厚さａ２、及び前記断熱材層４０から１〜５００ｍｍの延長長さａ３から形成された加熱体４６を通過しながら、紡糸後、繊維Ｆが間接（例えば、輻射）加熱される方式である。

このとき、加熱体４６の直下からパックボディ４１の下端面までの距離ａ４を１〜５０ｍｍの範囲以内に設定することにより、前記加熱体４６において、断熱材層４０の全体と加熱体４６の一部がパックボディ４１内に位置することになる。これにより、紡糸直後、全ての繊維Ｆに間接（例えば、輻射）加熱されるようにして、機械的物性を改善することができる。

以上、設計された第３の実施形態に示された加熱体４６及び断熱材層４０を含む加熱区域５０は、実際に常用化される紡糸ノズル４３の直下に、設計変更をすることなく、直ちに適用可能であるので、初期投資費を下げ、量産及び低コストで、高性能の繊維生産が可能である。

また、第３の実施形態は、紡糸後、吐出される繊維Ｆの全体を、加熱体４６により一定の距離から均一に高温で瞬間加熱することにより、溶融状態の高分子内の分子鎖の絡み合い構造を制御して、溶融粘度を下げ、延伸性を向上させ、断熱材層４０により高温の熱が紡糸ノズル４３の紡糸ノズル孔４３ａに伝達されないようにすることにより、溶融高分子の劣化による物性低下を防ぎ、熱可塑性高分子繊維の強度及び伸度を改善し、低コストで高強度繊維を量産することができる。

図６は、本発明の第４の実施形態に係る紡糸ノズル装置を示すものであって、図示のように、第４の実施形態に係る紡糸ノズル装置は、パックボディ５１と、前記パックボディの外側に設けられ、パックボディに熱源を提供するパックボディヒータ５２と、前記パックボディ５１に設けられ、溶融状態の熱可塑性樹脂を紡糸する多数個の紡糸ノズル孔５３ａが形成された紡糸ノズル５３と、前記パックボディ内に設けられ、溶融状態の熱可塑性樹脂を紡糸ノズルに流入させるための分配板５４(未図示)及び小流板５５(未図示)と、を備える。

前記第４の実施形態に係る高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置は、前記紡糸ノズル５３の紡糸ノズル孔５３ａの付近に配置され、紡糸ノズル孔の付近を前記パックボディ５１の温度よりも高温で加熱するとともに、紡糸後、繊維を加熱するための加熱体５６を備え、前記加熱体５６が、紡糸後、それぞれの繊維が通過するように、孔状タイプの加熱孔５６ａまたは一列で配置された帯状タイプの加熱孔５６ｂ、５６ｃを有し、前記紡糸ノズル５３の下部に前記加熱体５６を接触または加熱体の一部を挿入してなる高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置を提供する。

上記した第４の実施形態において、前記パックボディ５１の下部面から、紡糸ノズル５３の下部面の位置ｂ１が１〜３００ｍｍで露出して設定される。

また、第４の実施形態において、加熱体５６は、紡糸ノズル５３の直下に断熱材層を設けず、紡糸ノズル５３の下部面に接触または０〜５０ｍｍの挿入深さｂ２で挿入され、紡糸ノズル５３の下部面から０〜５００ｍｍの延長長さｂ３の長さで延長された加熱体５６からなり、前記紡糸ノズル５３に加熱体５６が挿入された挿入長さｂ２と、紡糸ノズル５３の下部面から延長された加熱体５６の延長長さｂ３を含めて加熱区域６０が形成される。

このとき、図６の部分拡大図に示すように、紡糸ノズル５３に挿入された加熱体５６の上面と、これに対向する紡糸ノズル５３の底面との間に、０〜１０ｍｍの隙間ｂ４が形成されており、加熱体５６とノズル胴体５２の表面が直接接触し（隙間：０ｍｍ）、または最大１０ｍｍの隙間ｂ４で直接または間接的（例えば、伝導または輻射）に加熱され、紡糸前の紡糸ノズル５３内の紡糸ノズル孔５３ａの付近において溶融された熱可塑性樹脂を一次に直接（例えば、伝導）加熱されるようにする。

したがって、前記加熱区域６０は、紡糸前、紡糸ノズル５３内の紡糸ノズル孔５３ａの付近において溶融された熱可塑性樹脂を、紡糸ノズル５３の下部に挿入された加熱体５６の挿入長さｂ２と隙間ｂ４により、一次に直接または間接的（例えば、伝導または輻射）に加熱し、続いて、紡糸ノズル５３の下部面から０〜５００ｍｍの長さで延長された加熱体８１の延長長さｂ３により、紡糸後、ノズル胴体５２から吐出された固化前の溶融状態の繊維Ｆを二次に間接（例えば、輻射）加熱するようになる。

このとき、前記第４の実施形態の加熱区域６０において、紡糸ノズル５３の下部に加熱体５６を最大５０ｍｍまで挿入するときは、高温の熱が伝達され、紡糸ノズル５３の紡糸ノズル孔５３ａ内の溶融高分子の劣化による物性が低下することを考慮して、前記紡糸ノズル５３の下部面の位置ｂ１は、パックボディ５１の下部面から１〜３００ｍｍで露出するように設計することが好ましい。

以上、第４の実施形態における加熱区域６０は、実際に常用化される紡糸ノズル５３における下端の構造変更のみにより、高温の熱を紡糸ノズル５３の紡糸ノズル孔５３ａの付近に直接伝達し、紡糸ノズル５３の直下に形成された加熱体５６により、繊維Ｆを間接加熱する二重加熱の熱伝逹方式を最適化することにより、瞬間高温加熱により、溶融状態の高分子内の分子鎖の絡み合い構造を制御し、得られた熱可塑性高分子繊維の延伸性を向上させることにより、強度及び伸度等の機械的物性を改善することができる。

ここに、第４の実施形態は、実際に常用化される紡糸ノズル５３の下部構造を変更し、直ちに適用可能であるので、初期投資費を下げ、量産及び低コストで、高性能の繊維生産が可能である。

また、第４の実施形態では、加熱体５６が紡糸ノズル５３に一部挿入され、紡糸ノズル５３の紡糸ノズル孔５３ａの付近を加熱して、紡糸ノズル孔から紡糸される溶融樹脂の粘度を緩和させるようになるので、延伸比及び紡糸速度の増加により生産性を向上させることができ、特に、紡糸ノズル孔５３ａの付近での粘度緩和により、既存の高粘度の紡糸が不可能であった「超高分子量樹脂の紡糸」も可能であり、高強度化を実現することができる。

本発明の第４の実施形態において、図６のＩＩ−ＩＩ線による断面として、加熱体５６の加熱孔５６ａ、５６ｂ、５６ｃは、第３の実施形態において説明した孔状タイプの加熱孔または帯状タイプの加熱孔と同一である。

具体的には、本発明の第３の実施形態及び第４の実施形態において、加熱体４６、５６の加熱孔４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、５６ａ、５６ｂ、５６ｃは、紡糸ノズル４３、５３の紡糸ノズル孔４３ａ、５３ａの構造及び個数と同一に設計されることにより、紡糸後、吐出された繊維Ｆが、加熱体４６、５６をそのまま通過しながら局部加熱される。特に、孔状タイプの加熱孔４６ａ、５６ａは、紡糸ノズル４３、５３の紡糸ノズル孔４３ａ、５３ａの構造を維持するが、その内周面を前記ノズル胴体の孔の中心から１〜３００ｍｍ以内で離隔して形成することにより、各紡糸ノズル４３、５３の紡糸ノズル孔４３ａ、５３ａの中心から３６０度方向へ同一の距離において温度を維持する。

また、帯状タイプの加熱孔４６ｂ、５６ｂは、紡糸ノズル４３、５３の紡糸ノズル孔４３ａ、５３ａを中心として１８０度で対向する線形構造であり、紡糸ノズル孔４３ａ、５３ａの中心から１〜３００ｍｍ以内で対称して形成された構造である。

このとき、加熱孔４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、５６ａ、５６ｂ、５６ｃは、紡糸後、通過される繊維Ｆが直接熱に触れないような間接加熱方式で設計されるものであり、加熱孔４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、５６ａ、５６ｂ、５６ｃのサイズが、紡糸ノズル４３、５３の紡糸ノズル孔４３ａ、５３ａの中心から１ｍｍ未満に近接すると、加熱体４６、５６が繊維Ｆと接触する可能性が高く、加熱体４６、５６の汚染及び繊維Ｆの糸切れが発生し、繊維品質及び作業性が劣り、しかも過度な熱への露出により、繊維Ｆが劣化する恐れがあり、３００ｍｍを超えると、繊維Ｆへの十分な熱伝逹が行われず、溶溶状態の繊維高分子内の分子鎖の絡み合い構造の制御が困難であり、物性改善の効果が低くなるので、好ましくない。

紡糸ノズル４３、５３の紡糸ノズル孔４３ａ、５３ａの構造について説明すると、図４及び図６に示すように、孔の直径Ｄが０．０１〜５ｍｍであり、孔の長さＬがＬ／Ｄ１以上であり、ノズル胴体内の孔１１、５１の数は、１以上である。

また、紡糸ノズル孔４３ａ、５３ａ間のピッチは、１ｍｍ以上であり、紡糸ノズル孔４３ａ、５３ａの断面は、本発明の実施例では、円形を例示しているが、これに限定されず、異形断面（Ｙ、＋、−、Ｏ等）も適用され得る。また、紡糸ノズル１０，５０を有する紡糸口金を通じて、鞘芯型、サイドバイサイド型、海島型等、２種以上の複合紡糸が可能である。

本発明の第３の実施形態及び第４の実施形態において、加熱体４６，５６の孔状タイプの加熱孔４６ａ、５６ａは、紡糸ノズル４３、５３の紡糸ノズル孔４３ａ、５３ａの構造と個数が同じであり、このため、円形、楕円形、四角形、ドーナツ状等の全ての形態の孔構造を含む。

以上、第１乃至第４の実施形態に係る高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置において、加熱体２６、３６、４６、５６の温度は、パックボディヒータ２２、３２、４２、５２と同様に、通常の電気熱線または熱媒により調節されてもよく、電気熱線の一例としては、Ｃｕ系及びＡｌ系鋳込み式ヒータ、電磁誘導加熱器、近赤外線ヒータ、カーボンヒータ、セラミックヒータ、ＰＴＣヒータ、石英管ヒータ、ハロゲンヒータ等から選ばれたいずれか一つにより提供されてもよい。

以上、第１乃至第４の実施形態に係る紡糸ノズル装置を適用して繊維Ｆを形成するとき、通常の熱可塑性樹脂が制限無しに適用可能であるが、さらに好ましくは、特に熱に弱い高分子樹脂の適用に有利であろう。また、実際に常用化される紡糸ノズル装置に最小の設計変更により適用可能であるので、初期投資費を下げ、量産及び低コストで、高性能の繊維生産が可能である。

熱可塑性樹脂としては、ポリエステル系高分子（ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）、ＰＴＴ（ポリトリメチレンテレフタレート）、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）等）のほか、ナイロン及びＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥ（ポリエチレン）系等を用いてもよい。特に、本発明の実施例では、ポリエステル系繊維が最も好ましく、ＰＥＴ長繊維及び短繊維、不織布等の繊維分野にも適用可能であり、以外にフィルム、シート、成形、容器等の製造分野にも適用可能であろう。

また、第１乃至第４の実施形態に係る紡糸ノズル装置において、同一の目的を達成するために、紡糸ノズル２３、３３、４３、５３の紡糸ノズル孔２３ａ、３３ａ、４３ａ、５３ａを通過する溶融高分子の滞留時間、流量及びせん断速度の最適化が要求される。

ここに、好適な溶融高分子の紡糸ノズル孔２３ａ、３３ａ、４３ａ、５３ａの滞留時間は３秒以下であり、流量は、少なくとも０．０１ｃｃ／ｍｉｎ以上であればよい。このとき、ポリエステル系高分子の場合、滞留時間が３秒を超えると、溶融高分子が過度な熱に長期間露出して劣化問題が発生し、流量が０．０１ｃｃ／ｍｉｎ未満であれば、これも、溶融高分子に過度な熱が露出して劣化問題が発生して好ましくない。

また、第１乃至第４の実施形態に係る紡糸ノズル装置において、紡糸ノズル２３、３３、４３、５３の紡糸ノズル孔２３ａ、３３ａ、４３ａ、５３ａの壁面のせん断速度（ｓｈｅａｒｒａｔｅ）は、５００〜５００，０００／ｓｅｃであることが好ましく、せん断速度が５００／ｓｅｃ未満であれば、低いせん断応力による溶融高分子の分子配向及び構造制御効果が減少し、５００，０００／ｓｅｃを超えると、溶融高分子の粘弾性特性によるフィルムの見掛け密度の不良（ｍｅｌｔｆｒａｃｔｕｒｅ）が発生し、繊維断面の不均一をもたらす。

以上、第１乃至第４の実施形態に係る紡糸ノズル装置は、１種以上の熱可塑性高分子を原料として適用した溶融紡糸工程に適用され得る。具体的には、モノフィラメント単独または複合紡糸工程に適用され、紡糸速度０．１〜２００ｍ／ｍｉｎで行い、繊維径０．０１〜３ｍｍのモノフィラメントを提供することができる。

また、第１乃至第４の実施形態に係る紡糸ノズル装置は、溶融複合紡糸時、低速紡糸法（ＵＤＹ、１００〜２０００ｍ／ｍｉｎ）、中・低速紡糸法（ＰＯＹ、２０００〜４０００ｍ／ｍｉｎ）、高速紡糸法（ＨＯＹ、４０００ｍ／ｍｉｎ以上）、紡糸及びインライン延伸工程（ＳＤＹ）を用いて、１００ｄ／ｆ以下の繊維Ｆ（長繊維）単独または複合紡糸工程に適用することができる。

以外にも、ステープルファイバ（短繊維）単独または複合紡糸工程に適用して、紡糸速度：１００〜３０００ｍ／ｍｉｎで行い、繊維径１００ｄ／ｆ以下の繊維を提供することができ、紡糸速度１００〜６０００ｍ／ｍｉｎ及び繊維径１００ｄ／ｆ以下を具現する不織布（スパンボンド及びメルトブロー等）単独及び複合紡糸工程に適用することができる。その他、高分子樹脂の成形及び押出工程にも適用することができる。

上述した本発明に係る紡糸ノズル装置は、実際に商用化される紡糸ノズル装置の設計と、溶融紡糸工程及び延伸工程等の既存の工程を活用しながら、物性を改善することにより、初期投資費を下げ、量産及び低コストで、高性能の繊維生産が可能である。

ここに、量産及び低コストによる価格競争力、多様な繊維物性の制御に基づき、タイヤコード、自動車、列車、航空、船舶等の輸送用内装材、土木及び建築資材、電子材料、ロープ及び網等の海洋用及び軍事用途として有用であり、その他、軽量のスポーツウェア及び作業服、軍服、家具及びインテリア、スポーツ用品等の衣類及び生活用途としても有用であり、広範囲にわたる市場の確保が可能である。

［実施例］
＜実施例１〜２＞第１の実施形態に係る紡糸ノズル装置による高強度ＰＥＴ繊維の製造
第１の実施形態に係る紡糸ノズル装置を用いた局部高温加熱方式を行うが、表１に示すように、ＰＥＴ樹脂の固有粘度を異ならせ、下記の低速紡糸及びオフライン延伸を行い、高強度ＰＥＴ繊維を製造した。

（１）紡糸条件
−使用樹脂：実施例１：ＰＥＴ（Ｉ．Ｖ．０．６５）、実施例２：ＰＥＴ（Ｉ．Ｖ．１．２０）
−紡糸温度（ノズル温度）：２８０〜３００℃
−紡糸ノズル孔の直径：Φ０．５
−紡糸ノズル孔当たりの吐出量：３．３ｇ／ｍｉｎ
−ノズルの局部加熱ヒータ温度：パックボディ温度＋１００℃以上
−紡糸速度：１ｋｍ／ｍｉｎ
（２）オフライン延伸条件
−未延伸糸：前記紡糸条件から得られたＰＥＴａｓ−ｓｐｕｎ繊維
−１ｓｔゴデットロールの速度（温度）：１０ｍ／ｍｉｎ（８５℃）
−延伸段数：３段以上
−糸切れ無しに連続して延伸可能な最大延伸比における延伸糸のサンプリングを実施（熱固定温度１３０〜１８０℃）

上記した表１から明らかなように、固有粘度０．６５及び１．２のＰＥＴ樹脂を、第１の実施形態に係る紡糸ノズル装置を用いて、ノズル局部高温加熱を通じて製造された実施例１、２の繊維と、ノズル局部高温加熱無しに（パックボディ温度と同一である）行われることを除いては同様にして製造された比較例１、２の繊維との強度及び伸度の物性分析の結果、実施例１、２で製造された未延伸糸（ａｓ−ｓｐｕｎ糸）及び延伸糸の繊維物性値が、ノズル局部高温加熱無しに行われることを除いては同様にして製造された比較例１、２の繊維に対して高い結果を示した。このような結果から、低分子量及び高分子量のＰＥＴ樹脂共に、ノズル局部高温加熱による分子鎖の絡み合いの制御により、物性が向上することが確認された。

特に、実施例１、２の延伸糸の場合、低分子量及び高分子量のＰＥＴ繊維共に、既存の比較例１、２に対して、最大延伸可能な延伸比が１０％以上増加し、得られた繊維も、伸度は類似するものの、強度が１５％以上向上した。

＜実施例３〜４＞第２の実施形態に係る紡糸ノズル装置による高強度ＰＥＴ繊維の製造
第２の実施形態に係る紡糸ノズル装置を用いた局部高温加熱方式を行うが、表２に示すように、局部加熱温度を異ならせ、下記の低速紡糸及びオフライン延伸を行い、高強度ＰＥＴ繊維を製造した。

（１）紡糸条件
−使用樹脂：ＰＥＴ（Ｉ．Ｖ．１．２０）
−紡糸温度（ノズル温度）：２８０〜３００℃
−紡糸ノズル孔の直径：Φ０．５
−紡糸ノズル孔当たりの吐出量：３．３ｇ／ｍｉｎ
−ノズルの局部加熱ヒータ温度：パックボディ温度＋１００〜１５０℃以上
−紡糸速度：１ｋｍ／ｍｉｎ
（２）オフライン延伸条件
−未延伸糸：前記紡糸条件から得られたＰＥＴａｓ−ｓｐｕｎ繊維
−１ｓｔゴデットロールの速度（温度）：１０ｍ／ｍｉｎ（８５℃）
−延伸段数：３段以上
−糸切れ無しに連続して延伸可能な最大延伸比における延伸糸のサンプリングを実施（熱固定温度１３０〜１８０℃）

上記した表２から明らかなように、固有粘度１．２のＰＥＴ樹脂を、第２の実施形態に係る紡糸ノズル装置を用いて、ノズル局部高温加熱を通じて加熱温度を変化させて製造された実施例３、４の繊維と、ノズル局部高温加熱無しに（パックボディ温度と同一である）行われることを除いては同様にして製造された比較例３の繊維との強度及び伸度の物性分析の結果、実施例３、４で製造された未延伸糸（ａｓ−ｓｐｕｎ糸）及び延伸糸の繊維物性値が、ノズル局部高温加熱無しに行われることを除いては同様にして製造された比較例３の繊維に対して高い結果を示した。また、局部加熱の加熱温度が高いほど、繊維物性値が増加することを示した。このような結果から、高分子量ＰＥＴ樹脂のノズル局部高温加熱による分子鎖の絡み合いの制御により、物性が向上することが確認され、特に、加熱温度が増加すればするほど、物性がさらに増加することが確認され、以降、温度をさらに上げる場合、物性もさらに改善する可能性があることを示した。

実施例３、４のＰＥＴ延伸糸の場合、全て既存の比較例３に対して、最大延伸可能な延伸比が１５％以上増加し、得られた繊維も、伸度は類似するものの、強度が２０％以上向上した。

＜実施例５＞第３の実施形態に係る紡糸ノズル装置による高強度ＰＥＴ繊維の製造
第３の実施形態に係る紡糸ノズル装置を用いた局部高温加熱方式を行うが、下記の工程条件で行い、高強度ＰＥＴ繊維を製造した。

（１）紡糸条件
−使用樹脂：ＰＥＴ（Ｉ．Ｖ．１．２１）
−紡糸温度（ノズル温度）：３００℃
−紡糸ノズル孔当たりの吐出量：４ｇ／ｍｉｎ
−紡糸速度：１ｋｍ／ｍｉｎ
−加熱体温度：４００℃以上
（２）物性分析の結果
加熱体４６のオフ状態で得られたＰＥＴ繊維の強度２３０ＭＰａ及び伸度４３５％に対して、加熱体４６のオン状態で得られたＰＥＴ繊維の強度２３１ＭＰａ及び伸度４５５％であり、強度は類似した範囲であるものの、伸度が４．６％増加して延伸性（Ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ）が増加した。

＜実施例６＞第４の実施形態に係る紡糸ノズル装置による高強度ＰＥＴ繊維の製造
第４の実施形態に係る紡糸ノズル装置を用いた局部高温加熱方式を行うが、下記の工程条件で行い、高強度ＰＥＴ繊維を製造した。

（１）紡糸条件
−使用樹脂：ＰＥＴ（Ｉ．Ｖ．１．２１）
−紡糸温度（ノズル温度）：３００℃
−紡糸ノズル孔当たりの吐出量：４ｇ／ｍｉｎ
−紡糸速度：１ｋｍ／ｍｉｎ
−加熱体温度：４００℃以上
（２）物性分析の結果
加熱体５６のオフ状態で得られたＰＥＴ繊維の強度２１０ＭＰａ及び伸度４８５％に対して、加熱体５６のオン状態で得られたＰＥＴ繊維の強度２１１ＭＰａ及び伸度５２０％であり、強度は類似した範囲であるものの、伸度が７．２％増加して延伸性が増加した。

＜実施例７＞第４の実施形態に係る紡糸ノズル装置による高強度ＰＥＴ繊維の製造
第４の実施形態に係る紡糸ノズル装置を用いた局部高温加熱方式を行うが、下記の工程条件として、低速紡糸の直後、インライン延伸を行うことを除いては、前記実施例６と同様にしてＰＥＴ繊維を製造した。

（１）紡糸及び高速インライン延伸条件
−ノズル胴体温度：３００℃
−紡糸ノズル孔当たりの吐出量：４ｇ／ｍｉｎ
−加熱体温度：４００℃以上
−１ｓｔロールの速度及び温度：１０００ｍ／ｍｉｎ及び８５℃
−２ｎｄロールの速度及び温度：４０００ｍ／ｍｉｎ及び１３０℃
−巻取速度：３，９６０ｍ／ｍｉｎ
（２）物性分析の結果
加熱体５６のオフ状態で得られたＰＥＴ繊維の強度１１８０ＭＰａ及び伸度１１．０％に対して、加熱体５６のオン状態で得られたＰＥＴ繊維の強度１１７５ＭＰａ及び伸度１３．８％であり、強度は類似した範囲であるものの、伸度が２５％増加して延伸性が増加した。

上述のように、本発明に係る高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置は、溶融複合紡糸工程において、紡糸ノズルの紡糸ノズル孔部分をパックボディの外部に位置させることとともに、紡糸ノズル孔部分の加熱方式を最適化したものであって、瞬間高温加熱により、溶融状態の高分子の分子鎖の絡み合い構造を制御して、熱可塑性高分子繊維の延伸性を向上させることにより、強度及び伸度を改善した。

本発明に係る高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置は、溶融紡糸工程及び延伸工程等の既存の工程を活用しながら、樹脂の溶融粘度を下げ、繊維の冷却速度を遅延させ、延伸性を改善することにより、初期投資費を下げ、量産及び低コストで、高性能の繊維生産が可能である。

ここに、熱可塑性高分子のうち、高強度のポリエステル糸を提供することにより、タイヤコード、自動車、列車、航空、船舶等の輸送用内装材、土木及び建築資材、電子材料、ロープ及び網等の海洋用及び軍事用途として有用であり、その他、軽量のスポーツウェア及び作業服、軍服、家具及びインテリア、スポーツ用品等の衣類及び生活用途としても有用であり、広範囲にわたる市場の確保が可能である。

特に、高強度のＰＥＴ繊維を提供することにより、ＰＥＴ長繊維及び短繊維、不織布等の繊維分野に適用可能であり、それを用いたフィルム、シート、成形、容器等の製造分野でも活用可能である。

以上、本発明は、記載された具体例についてのみ詳述されているが、本発明の範囲内において様々な変形及び修正が可能であることは、当業者にとって明らかなものであり、このような変形及び修正が、添付の特許請求の範囲に属するのは、当然なことである。

２１、３１、４１、５１パックボディ
２２、３２、４２、５２パックボディヒータ
２３、３３、４３、５３紡糸ノズル
２３ａ、３３ａ、４３ａ、５３ａ紡糸ノズル孔
２３ｂ固定部
２３ｃ紡糸部
２３ｄ延長部
２４、３４、４４、５４分配板
２５、３５、４５、５５小流板
３５ａ、３５ｂ第１小流板、第２小流板
２６、３６、４６、５６加熱体
４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、５６ａ、５６ｂ、５６ｃ加熱孔
２７、３７空間部
２８空気流通孔
３８雌ねじ部
３９雄ねじ部
４０断熱材層
Ｆ繊維

Claims

パックボディ（２１）と、前記パックボディの外側に設けられ、パックボディに熱源を提供するパックボディヒータ（２２）と、前記パックボディ（２１）に設けられ、溶融状態の熱可塑性樹脂を紡糸する紡糸ノズル（２３）と、前記パックボディ内に設けられ、溶融状態の熱可塑性樹脂を紡糸ノズルに流入させるための分配板（２４）及び小流板（２５）と、を備え、
前記紡糸ノズル（２３）が、パックボディ（２１）の内部に位置する固定部（２３ｂ）と、パックボディ（２１）の外部に位置する紡糸部（２３ｃ）と、からなり、
前記パックボディの外部に位置した紡糸部（２３ｃ）には、多数個の紡糸ノズル孔（２３ａ）が形成され、熱可塑性樹脂が溶融紡糸されて繊維が形成され、
前記紡糸部（２３ｃ）の紡糸ノズル孔（２３ａ）部分をパックボディ（２１）の温度よりも高温で加熱するための加熱体（２６）を備え、
前記紡糸ノズル（２３）が、固定部（２３ｂ）と紡糸部（２３ｃ）との間を離隔させるための延長部（２３ｄ）を有し、
前記紡糸ノズルの固定部（２３ｂ）及び延長部（２３ｄ）の内側壁と、これに対向する小流板（２５）の外側壁との間には、空間部（２７）が形成され、紡糸ノズルの延長部（２３ｄ）には、前記空間部（２７）と外部を連通させる空気流通孔（２８）が形成されたことを特徴とする高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置。
前記紡糸ノズルの延長部（２３ｄ）は、パックボディ（２１）の下端から１０〜５００ｍｍ延長形成され、紡糸部（２３ｃ）に形成された紡糸ノズル孔（２３ａ）がパックボディの外部に位置されることを特徴とする請求項１に記載の高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置。
前記加熱体（２６）が、紡糸部（２３ｃ）の側壁周りを取り囲んでリング状で設けられたことを特徴とする請求項１に記載の高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置。
前記小流板（２５）の下部が、紡糸ノズル（２３）内に挿入され、前記小流板（２５）の下部が、紡糸ノズル（２３）の延長部（２３ｄ）と紡糸部（２３ｃ）の境界地点までに延長され、溶融状態の熱可塑性樹脂が紡糸ノズル孔（２３ａ）の入口までに誘導されることを特徴とする請求項１に記載の高強度繊維製造用の紡糸ノズル装置。