JP7072657B2

JP7072657B2 - 超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維及びその製造方法

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Publication number: JP7072657B2
Application number: JP2020535098A
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Inventors: 星余周; 海涛周; 紅波周; 勇趙
Original assignee: 星宇安防科技股▲ふん▼有限公司
Priority date: 2019-07-18
Filing date: 2019-09-11
Publication date: 2022-05-20
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Description

本開示は、ポリエチレン繊維の技術分野に関し、より具体的には超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維及びその製造方法に関する。

超高分子量ポリエチレン繊維とは、工業化された現在の繊維材料の中で最も高い比強度を有する繊維のことである。高い強度、高い弾性率、耐摩耗性及び耐化学薬品性等の優れた特性を有し、国防及び軍事、海底ケーブル及び身辺警護の分野で広く使用されている。軍と民間との融合が進む中、超高分子量ポリエチレン繊維は民間市場でも手に入るようになりつつある。超高分子量ポリエチレン繊維製の耐切創性手袋は民間市場を席巻しつつある。現在、一般に使用される４００Ｄ超高分子量ポリエチレン繊維製の防護手袋は、最大でも規格ＥＮ３８８－２００３のレベル３の耐切創性能しか有しない。このレベルは極めて不安定である。したがって、防護手袋は不適切になりつつあり、切創の危険性がある実際の作業条件下での十分な保護という要件を欠く。

手袋の耐切創性能を改善するための一般的な方法では、ガラス繊維または鋼線等の材料に超高分子量ポリエチレン繊維をブレンドし、織る。この方法により手袋の耐切創性能は向上するものの、こういった材料の添加により手袋は着用感が悪い。一方で、鋼線は比較的硬いため手袋は着用感が悪い。他方で、ガラス繊維は比較的脆く、容易に折れて露出するため手袋は着用感が悪い。さらに、ガラス繊維のざらつきにより、むずがゆくなったり、繊維が刺さったり、すり傷ができたりと手に二次的な傷を負いやすい。

現在、当業者は、ポリエチレン繊維の耐切創性を強化するために無機高硬度材料に高分子量ポリエチレン粉末をブレンドすることで高分子量ポリエチレン初期繊維（ｎａｓｃｅｎｔｆｉｂｅｒ）を製造できると提案している。この方法によりポリエチレン繊維の耐切創性が改善されることは確認されているものの、それでもなお２つの明白な欠点がある。（１）これらの無機高硬度材料は比較的硬度が高く、製造機材に深刻な摩損を引き起こす。機材の構成要素及び部品の頻繁な交換が必要となり、設備投資額が増大し、生産効率に影響する。（２）これらの高硬度材料は、その柔軟性が低いことからポリエチレン繊維マトリックスを突き破ってポリエチレン繊維から飛び出し、ポリエチレン繊維の表面を損傷し、結果的に耐切創性が失われがちであることが実際の使用から判明している。

上記に鑑みて、超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維及びその製造方法を提供することによって従来技術でみられる問題点を克服する。超高耐切創性を有するこの超高分子量ポリエチレン繊維を特には耐切創性手袋、耐切創性防護服に織ることで高い防護性能と着用感の良さを成し遂げ、製造機材の摩耗及び損傷を回避し、製造コストを節約し、耐切創性手袋または耐切創性防護服の耐用寿命を延ばすことができる。

上記の目的を達成するために本発明で提供する主要な技術的解決策は以下の通りである。

本開示の一態様において、炭素繊維粉末粒子を分散させた超高分子量ポリエチレンマトリックスを含む超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維を提供し、炭素繊維粉末粒子の含有量は０．２５－１０重量％である。

典型的には、以下に限定するものではないが、超高分子量ポリエチレンマトリックス中の炭素繊維粉末の含有量は０．２５重量％、０．５重量％、１重量％、１．２重量％、１．５重量％、２．０重量％、２．５重量％、３．０重量％、３．５重量％、４．０重量％、４．５重量％、５．０重量％、５．５重量％、６．０重量％、６．５重量％、７．０重量％、７．５重量％、８．０重量％、８．５重量％、９．０重量％、９．５重量％または１０．０重量％である。

炭素繊維粉末粒子の含有量が極度に多いとポリエチレンマトリックスの比重が低くなり、結果的に、製造されたポリエチレン繊維の紡糸性が低下する（織りの途中で容易に切れる）。炭素繊維粉末粒子の含有量が極度に少ないと、必要とされる改善された耐切創性能が得られない。

本開示はさらに、超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維の製造方法に関し、
Ｓ１：炭素繊維粉末粒子を第１溶媒及び界面活性剤と混合及び乳化することで炭素繊維粉末乳化材料を得て、
Ｓ２：炭素繊維粉末乳化材料及び分子量２０００００－６００００００を有する超高分子量ポリエチレン粉末を第２溶媒中に分散させて混合物を得て、
Ｓ３：この混合物を押出機でブレンド及び押出成形し、凝固浴中で冷却及び成型することで初期繊維を得て、この初期繊維を取り出し、乾燥させ、多段階熱延伸に供することで超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維を得る
ことを含む。

典型的には、以下に限定するものではないが、超高分子量ポリエチレンの分子量は２０００００、４０００００、６０００００、８０００００、１００００００、１２０００００、１４０００００、１６０００００、１８０００００、２００００００、２２０００００、２４０００００、２６０００００、２８０００００、３００００００、３２０００００、３４０００００、３６０００００、３８０００００、４００００００、４２０００００、４４０００００、４６０００００、４８０００００、５００００００、５２０００００、５４０００００、５６０００００、５８０００００または６００００００である。

本発明の好ましい実施形態において、炭素繊維粉末粒子は直径０．１－１０μｍ及び長さ０．１－１００μｍを有する。さらに、炭素繊維粉末粒子は、直径より大きい長さを有する長い棒状である。より好ましくは、長さは２０－６０μｍである。典型的には、以下に限定するものではないが、炭素繊維粉末粒子の長さは２０－３０μｍ、３０－４０μｍ、４０－５０μｍまたは５０－６０μｍである。

本発明の好ましい実施形態において、炭素繊維粉末粒子の主成分は微結晶グラファイトであり、炭素繊維粉末粒子は廃棄炭素繊維を粉砕するまたは炭素繊維フィラメントを切断することで得られる。

本発明の好ましい実施形態において、炭素繊維粉末粒子は、事前に表面処理を行うことで活性化させる。その結果、炭素繊維粉末粒子の溶媒及び超高分子量ポリエチレン粉末との界面融合及び／または濡れ性を改善でき、材料が均一に分配されてより良好且つより安定した性能を有する超高耐切創性ポリエチレン繊維が得られる。

本発明の好ましい実施形態において、表面処理の方法は気相酸化、液相酸化、触媒酸化、カップリング剤コーティング、ポリマーコーティング及びプラズマ処理から成る群のいずれか１つまたは少なくとも２つの選択の組み合わせである。上記の表面処理により炭素繊維粒子の表面に弱い極性が生じ、溶媒中での炭素繊維の塊状集積が防止され、溶媒中での炭素繊維の分散が改善される。そのため、炭素繊維粒子は超高分子量ポリエチレンマトリックス中でより均一に分散し、超高分子量ポリエチレンマトリックスとより緊密に組み合わされ、それによって炭素繊維の剥離が防止され、超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維の性能均一性及び有効性を改善できる。

本発明の好ましい実施形態において、超高分子量ポリエチレン、炭素繊維粉末及び溶媒の質量比は（１０－４０）：（０．１－１）：１００である。溶媒の質量は、第１溶媒及び第２溶媒の質量の合計に等しい。

上記の質量比に従うとペースト様の混合物が得られ、この混合物中に分散した炭素繊維粉末は比較的良好な耐切創性を得るのに十分である。本開示において、第１溶媒及び第２溶媒はこれらの溶媒を使用するステップが異なり、これは第１溶媒と第２溶媒とが異なることを意味しないことに留意されたい。すなわち、第１溶媒及び第２溶媒は同一の溶媒または異なる溶媒になり得る。

好ましくは、第１溶媒及び第２溶媒のそれぞれは、ホワイトオイル、鉱油、植物油、パラフィン油及びデカリンから成る群から１種以上を選択することで用意する。

本発明の好ましい実施形態において、超高分子量ポリエチレンの分子量は２００００００－５００００００である。

超高分子量ポリエチレンの分子量が大きければ大きいほど、耐切創性及び機械的強度は高くなる。しかしながら、分子量が極度に大きいと粘度が極めて高くなるため、押出成形作業では繊維フィラメントを得るのが困難となり、製造機材はかなり限定され、またすぐに使い物にならなくなる。繰り返し試験を行った後、分子量２００００００－５００００００で得られた耐切創性ポリエチレン繊維フィラメントは全ての面で最良の性能を有し、機材の摩耗の低減に役立つ。

本発明の好ましい実施形態において、押出機は二軸スクリュー押出機であり、二軸スクリュー押出機の各領域の温度は１００－３００℃に制御される。

本発明の好ましい実施形態において、界面活性剤はアルキロールアミド（Ｎｉｎｏｌ６５０２）であり、やし油またはパーム核油及びジエタノールアミンの縮合反応で得られるマイルドな非イオン界面活性剤である。あるいは、界面活性剤はアルキロールアミドホスフェートエステルである。これらの界面活性剤は、可溶化、乳化及び帯電防止化の機能を有し、皮膚に刺激を与えず、とりわけ洗剤、衣料品ケア剤として使用されることが多い。当然のことながら、界面活性剤は上で挙げたものに限定されず、乳化させて溶媒における炭素繊維粉末の分散度を上昇させることができる任意の界面活性剤になり得て、例えばステアリン酸、ナトリウムドデシルベンゼンスルホネート、アルキルグルコシド（ＡＰＧ）、トリエタノールアミン、脂肪酸グリセリド、ソルビタン脂肪酸エステル（Ｓｐａｎ）、ポリソルベート（Ｔｗｅｅｎ）、ナトリウムジオクチルスクシネートスルホネート（Ａｌｏｓｅａｕ－ＯＴ）、ナトリウムドデシルベンゼンスルホネート、ナトリウムグリココール酸他である。

本開示は超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維に関し、上記の実施形態のいずれかに記載の製造方法を用いることで得られる。

本開示はさらに超高耐切創性手袋または衣類に関し、上記の実施形態のいずれか１つにおけるまたは上記の実施形態のいずれか１つに記載の製造方法で製造した超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維から織った編み生地を含む。

微結晶グラファイト材料としての炭素繊維（ＣＦ）は、高い強度及び高い弾性率を有し、炭素含有量が９５％以上の新しい繊維材料である。炭素繊維は外側は軟らかく、内側は硬く、金属アルミニウムより軽いものの強度は鋼より高く、耐食性及び高い弾性率という特徴を有する。炭素繊維は炭素材料本来の特徴を有し、織物繊維の柔らかさと加工性も有し、新世代の強化繊維である。炭素繊維の主な特徴は以下の通りである。（１）織物繊維の柔らかさ及び加工性を有する。（２）３５００ＭＰａを超える引張強さを有する。（３）引張弾性係数２３０－４３０ＧＰａを有する。

プラズマ表面処理：プラズマ表面処理デバイスを、非熱力学的平衡状態にある低温プラズマで使用する。電子はより高いエネルギーを有し、材料表面の分子の化学的結合を切断し、粒子の化学反応活性を改善することができ（熱プラズマより大きく）、それでいて中性粒子の温度は室温に近い。これらの利点により、感熱性ポリマーの表面改質に適した条件が得られる。低温プラズマ表面処理により、様々な物理的及び化学的変化が材料表面で起きる。表面を清浄化し、炭化水素系の汚染物質、例えばグリース及び補助的添加剤を除去する。あるいは、密な架橋層を形成するエッチングによる粗面加工が表面に施され、あるいは表面を酸素含有極性基（例えば、ヒドロキシル及びカルボキシル）で処理する。これらの基は様々なコーティング材料の接着性を促進する効果を有し、接着剤及び塗料への応用時に最適化される。

本発明の利点は以下の通りである。
（１）本発明において、炭素繊維粉末は、超高分子量ポリエチレン繊維マトリックス材料に分散させて超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維を得るための添加剤として使用される。ガラス繊維及び鋼線等の材料に超高分子量ポリエチレン繊維をブレンドし、織ることで手袋を作製する従来技術と比較すると、本発明で提供する超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維から織った手袋または準完成手袋はより良好な着用感を有し、例えば感触はより柔らかく、ざらつき、ちくちく感、こすれその他の問題がなく、着用しやすいなどである。

（２）他の無機高硬度材料、例えば強化用添加剤としての窒化ホウ素及び炭化タングステンと比較して、本発明で使用する炭素繊維粉末は、炭素繊維粉末を超高分子量ポリエチレン粉末にブレンドし、押出成形することで超高分子量ポリエチレン初期繊維を製造した場合に、炭素繊維の比較的低い硬度及び比較的高い靭性により、超高分子量ポリエチレン初期繊維の耐切創性を弱化させず、機材の摩損及び亀裂を減少させ、設備投資及び製造コストを削減し得て、生産効率に負の影響を与えない。加えて、炭素繊維粉末は改善された強度及び柔らかさを有するため、超高分子量ポリエチレン繊維マトリックスの表面を突き破って繊維損傷を引き起こしにくい。したがって、炭素繊維粉末をより長期間にわたってポリエチレン繊維マトリックス内に保持させることができ、高耐切創性ポリエチレン繊維の耐切創性はより長いものになる。

（３）さらに、本発明において、超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維を製造する場合、炭素繊維粉末の分散度を改善し、溶媒中での塊状集積を防止するために、炭素繊維粉末をまず表面活性化処理に供する。続いて、炭素繊維粉末をまず添加剤乳化材料へと調製し、次に超高分子量ポリエチレン粉末と共に溶媒中に分散させて混合物を得る。スクリュー押出機を使用して混合物をブレンド及び押出成型して初期繊維を得て、したがって炭素繊維粉末は、超高分子量ポリエチレン繊維マトリックスに融合し超高分子量ポリエチレン繊維と組み合わさって安定した固体を形成すると均一及び極めて安定したものになり得て、そのため超高分子量ポリエチレン繊維は炭素繊維粉末の固形分散剤として機能し、より良好な耐切創性、より高い均一性及びより高品質の超高分子量ポリエチレン繊維が得られる。

要約すると、本発明の超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維はポリエチレン繊維の耐切創性能が大幅に改善されたものであり、編み手袋及び他の生地の耐切創性レベルは規格ＥＮ３８８－２００３の安定したレベル５に達し、それを維持することができる。より重要なことは、本発明に従って製造した超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維には、強化を目的として鋼線、ガラス繊維及び他の材料をブレンドする必要がない。得られた防護手袋は柔らかく、軽く、感度が高く、長期間着用してもくたびれにくく、超高耐切創性及び着用感の良さの両方を達成する。

本発明を余すことなく説明し理解し易くするために、以下、本発明を特定の実施形態を通して詳述する。

本発明の全体的な概念は以下の通りである。特定量の炭素繊維粉末を、超高分子量ポリエチレン初期繊維を製造するための原材料の１つとして使用する。炭素繊維粉末粒子は超高分子量ポリエチレン繊維マトリックスに均一且つ安定して融合し、超高分子量ポリエチレン繊維と組み合わさって安定した固体を形成し、超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維が得られる。他の高硬度無機強化材料と比較して、炭素繊維には比類のない特徴、すなわち「外側は軟らかく、内側は硬い」がある。他の高硬度無機強化材料を炭素繊維に置き換えると超高分子量ポリエチレン繊維に高い耐切創性を付与できる。さらに、炭素繊維には機材の摩損を低減し、繰り返し使用している間に起き耐切創性を弱化させる、超高分子量ポリエチレン繊維マトリックスの突き破りを防止するという重要な利点を有する。

好ましくは、本発明の特定の製造方法は、以下のステップに従って実行できる。

（１）炭素繊維粉末の用意
炭素繊維粉末の粒子は好ましくは、直径０．１－１０μｍ及び長さ０．１－１００μｍ、より好ましくは長さ２０－６０μｍを有する棒状である。

炭素繊維粉末の主成分は微結晶グラファイトであり、廃棄炭素繊維を粉砕、篩過することで得られるまたは炭素繊維フィラメントを切断することで調製し得る。

（２）炭素繊維粉末の表面処理
表面処理の主な目的は、炭素繊維粉末の粒子表面を活性化させることである。利用可能な方法には、気相酸化、液相酸化、触媒酸化、カップリング剤コーティング、ポリマーコーティング及びプラズマ処理が含まれる。

炭素繊維粒子を活性化させた後、炭素繊維の表面には弱い極性が生じ、これによって溶媒中での炭素繊維粒子の分散を改善し、炭素繊維粉末の塊状集積を防止し、したがって超高分子量ポリエチレンマトリックス中での炭素繊維粒子の分散均一性、界面融合特性及び／または濡れ性をさらに改善することができ、より良好な性能を有する超高切創性ポリエチレン繊維が得られる。

（３）炭素繊維粉末乳化材料の調製
処理した炭素繊維粉末及び界面活性剤を溶媒に添加して高せん断乳化を行うことで炭素繊維粉末乳化材料を得る。溶媒は、ホワイトオイル、鉱油、植物油、パラフィン油及びデカリンから成る群から選択される１種以上である。

（４）混合物の調製：分子量２０００００－６００００００（好ましくは４０００００－８０００００）を有する超高分子量ポリエチレン粉末及び炭素繊維粉末乳化材料を残りの溶媒に添加して混合物を得る。超高分子量ポリエチレン、炭素繊維粉末乳化材料及び溶媒の質量比は（１０－４０）：（０．１－１）：１００である。

溶媒は、ホワイトオイル、鉱油、植物油、パラフィン油及びデカリンから成る群から選択される１種以上である。

（５）耐切創性ポリエチレン繊維の製造
混合物を二軸スクリュー押出機に通して押出成型し、凝固浴中で冷却及び成型することで初期繊維を得る。二軸スクリュー押出機の各領域の温度は１００－３００℃に制御される。この初期繊維を取り出し、乾燥させ、多段階熱延伸に供することで超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維を得る。

本発明の解決策の利点を、以下、特定の実施形態と共にさらに説明する。

実施形態１
この実施形態では超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維の製造方法を提供し、この方法は以下のステップを含む。

（１）長さ１０－２０μｍを有する７５０ｇの炭素繊維粉末をとり、プラズマでの１時間の表面処理に供する。

（２）１００ｋｇのホワイトオイルを秤量し、１００ｋｇのうち５ｋｇのホワイトオイルを取り出し、処理した炭素繊維粉末及び５ｍｌの界面活性剤（ジナトリウムモノラウリルスルホスクシネート）に添加し、せん断速度２８００回転／分、３０分間の高せん断乳化に供することで炭素繊維乳化材料を得る。

（３）分子量２００００００及び平均粒径１００μｍを有する１５ｋｇの超高分子量ポリエチレン粉末及び炭素繊維乳化材料を残りの９５ｋｇのホワイトオイルに添加し、１時間にわたって均一に混合することで混合物を得る。

（４）混合物を二軸スクリュー押出機に通してブレンド及び押出成型し、凝固浴中で冷却及び成型することで初期繊維を得る。得られた初期繊維を取り出し、乾燥させ、多段階熱延伸に供することで超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維を得て、超高分子量ポリエチレン中に分散した炭素繊維の濃度は５％である。

上記の繊維から作製した耐切創性手袋は柔らかく着用感が良く、ちくちく感がない。規格ＥＮ３８８－２００３の試験によると、耐切創性グレードはレベル５である。

実施形態２
この実施形態では超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維の製造方法を提供し、この方法は以下のステップを含む。

（１）長さ２０－３０μｍを有する８００ｇの炭素繊維粉末をとり、プラズマでの１時間の表面処理に供する。

（２）１００ｋｇのホワイトオイルを秤量し、１００ｋｇのうち５ｋｇのホワイトオイルを取り出し、処理した炭素繊維粉末及び１５ｍｌの界面活性剤（ジナトリウムコカミドＭＥＡ－スルホスクシネート（ＤＭＳＳ））に添加し、せん断速度２８００回転／分、３０分間の高せん断乳化に供することで炭素繊維乳化材料を得る。

（３）分子量３００００００及び平均粒径１００μｍを有する２０ｋｇの超高分子量ポリエチレン粉末及び炭素繊維乳化材料を残りの９５ｋｇのホワイトオイルに添加し、１時間にわたって均一に混合することで混合物を得る。

（４）混合物を二軸スクリュー押出機に通してブレンド及び押出成型し、凝固浴中で冷却及び成型することで初期繊維を得る。得られた初期繊維を取り出し、乾燥させ、多段階熱延伸に供することで超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維を得て、超高分子量ポリエチレン中に分散した炭素繊維の濃度は４％である。

実施形態３
この実施形態では超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維の製造方法を提供し、この方法は以下のステップを含む。

（１）長さ３０－６０μｍを有する１０００ｇの炭素繊維粉末をとり、プラズマでの１時間の表面処理に供する。

（２）１００ｋｇのホワイトオイルを秤量し、１００ｋｇのうち５ｋｇのホワイトオイルを取り出し、処理した炭素繊維粉末及び１０ｍｌの界面活性剤（ラウリルアルコールホスフェート酸エステル（ＭＡＰ））に添加し、せん断速度２８００回転／分、３０分間の高せん断乳化に供することで炭素繊維乳化材料を得る。

（３）分子量２６０００００及び平均粒径１００μｍを有する１０ｋｇの超高分子量ポリエチレン粉末及び炭素繊維乳化材料を残りの９５ｋｇのホワイトオイルに添加し、１時間にわたって均一に混合することで混合物を得る。

（４）混合物を二軸スクリュー押出機に通してブレンド及び押出成型し、凝固浴中で冷却及び成型することで初期繊維を得る。得られた初期繊維を取り出し、乾燥させ、多段階熱延伸に供することで超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維を得て、超高分子量ポリエチレン中に分散した炭素繊維の濃度は１０％である。

実施形態４
この実施形態では超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維の製造方法を提供し、この方法は以下のステップを含む。

（１）長さ２０－３０μｍを有する７５０ｇの炭素繊維粉末をとり、プラズマでの１時間の表面処理に供する。

（２）１００ｋｇのホワイトオイルを秤量し、１００ｋｇのうち５ｋｇのホワイトオイルを取り出し、処理した炭素繊維粉末及び１０ｍｌの界面活性剤（カリウムモノラウリルホスフェート（ＭＡＰＫ））に添加し、せん断速度２８００回転／分、３０分間の高せん断乳化に供することで炭素繊維乳化材料を得る。

（３）分子量３６０００００及び平均粒径１００μｍを有する２０ｋｇの超高分子量ポリエチレン粉末及び炭素繊維乳化材料を残りの９５ｋｇのホワイトオイルに添加し、１時間にわたって均一に混合することで混合物を得る。

（４）混合物を二軸スクリュー押出機に通してブレンド及び押出成型し、凝固浴中で冷却及び成型することで初期繊維を得る。得られた初期繊維を取り出し、乾燥させ、多段階熱延伸に供することで超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維を得て、超高分子量ポリエチレン中に分散した炭素繊維の濃度は３．７５％である。

実施形態５
この実施形態では超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維の製造方法を提供し、この方法は以下のステップを含む。

（１）長さ４０－６０μｍを有する６００ｇの炭素繊維粉末をとり、プラズマでの１時間の表面処理に供する。

（２）１００ｋｇの植物油を秤量し、１００ｋｇのうち５ｋｇの植物油を取り出し、処理した炭素繊維粉末及び１０ｍｌの界面活性剤（カリウムポリオキシエチレンラウリルエーテルホスフェート（ＭＡＥＰＫ））に添加し、せん断速度２８００回転／分、３０分間の高せん断乳化に供することで炭素繊維乳化材料を得る。

（３）分子量４０００００及び平均粒径１００μｍを有する３０ｋｇの超高分子量ポリエチレン粉末及び炭素繊維乳化材料を残りの９５ｋｇの植物油に添加し、１時間にわたって均一に混合することで混合物を得る。

（４）混合物を二軸スクリュー押出機に通してブレンド及び押出成型し、凝固浴中で冷却及び成型することで初期繊維を得る。得られた初期繊維を取り出し、乾燥させ、多段階熱延伸に供することで超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維を得て、超高分子量ポリエチレン中に分散した炭素繊維の濃度は２％である。

上記の繊維から作製した耐切創性手袋は柔らかく着用感が良く、ちくちく感がない。規格ＥＮ３８８－２００３の試験によると、耐切創性グレードはレベル４である。

実施形態６
この実施形態は実施形態１をベースとしたものであり、炭素繊維にはいかなる表面処理も施さず、炭素繊維は乳化された材料中で塊状集塊する。他の条件及び処理手順は実施形態１と同一である。超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維が得られ、炭素繊維は超高分子量ポリエチレン中に濃度５％で分散する。表面活性化処理を施していない炭素繊維は塊状集塊を起こしやすく、得られた繊維フィラメントの紡糸性は低く、この繊維を織った手袋の耐切創性もまた不安定である。

比較例１
実施形態１の炭素繊維を、長さ１０－２０μｍを有する７５０ｇの窒化ホウ素に置き換える。他の条件及び処理手順は実施形態１と同一である。超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維が得られ、窒化ホウ素は超高分子量ポリエチレン中に濃度５％で分散する。得られた繊維フィラメントの紡糸性は低い。手袋を使い続けるにつれ、この繊維を織った手袋の耐切創性は急速に弱化し、手袋はざらつき、硬く、着用感が悪くなる。

比較例２
実施形態１の炭素繊維を、長さ１０－２０μｍを有する７５０ｇの炭化タングステンに置き換える。他の条件及び処理手順は実施形態１と同一である。超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維が得られ、炭化タングステンは超高分子量ポリエチレン中に濃度５％で分散する。得られた繊維フィラメントの紡糸性は低い。手袋を使い続けるにつれ、この繊維を織った手袋の耐切創性は急速に弱化し、手袋はざらつき、硬く、着用感が悪くなる。

実施形態１－６及び比較例１－２で得られた超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維を１３ゲージの防護手袋にそれぞれ織る。同一ポジションで同一作業を行う作業者に手袋を１日（１ｄ）及び２０日（２０ｄ）着用及び使用させ、手袋の性能をそれぞれ試験する。試験結果を以下の表に示す。

上記実施形態の試験結果は、本発明に従って得られた超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維から織った生地の耐切創性グレードが実際に規格ＥＮ３８８－２００３のレベル４－５に到達できることを示す。より重要なことに、本発明に従って得られた超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維には、強化を目的として鋼線、ガラス繊維及び他の材料をブレンドする必要がない。得られた防護手袋は柔らかく、軽く、感度が高く、長期間使用してもくたびれにくい。

加えて、実施形態１－５と比較して、実施形態６は不安定な試験結果を示しており、これは超高分子量ポリエチレンマトリックス中での炭素繊維の分布が不均一であることが主な原因である。

実施形態１－６と比較して、比較例１－２の高耐切創性手袋は、約１日使用した場合の本発明の実施形態１－６のものと同等の耐切創性値及びグレードを有する。しかしながら、使用２０日後、比較例１－２の手袋の耐切創性は急激に低下し、手袋はざらつき、硬く着用感が悪くなる。実施形態６においては、３つの異なる位置で試験を行い、範囲値を得る。比較例１－２の手袋においては、２０日の使用中に繰り返し曲げ、捻ったことを主な原因として、柔軟性がない高硬度無機強化材料が直接ポリエチレンマトリックスを突き破ってポリエチレンマトリックスの表面を損傷し、ざらつきが生じた。一方、無機強化材料の一部が飛び出すことで耐切創性能がさらに弱化する。反対に、本発明の炭素繊維で強化したポリエチレン手袋は並外れた耐久性を示し、繰り返し使用した後、耐切創性は製造されたばかりの製品のものとほぼ同等である。さらに、炭素繊維で強化したポリエチレン手袋は柔らかく滑らかであり、着用感が良好である。

このことは、比較例１で使用した無機高硬度強化材料は高硬度であっても柔らかさに欠けるため、超高分子量ポリエチレン繊維マトリックスの表面を簡単に突き破り、高硬度強化材料の摩耗及び損失を引き起こし、耐切創性の急激な低下に至ることを示す。加えて、本発明において耐切創性強化材料添加剤として炭素繊維を使用して作製される耐切創性手袋は、窒化ホウ素及び炭化タングステン等の無機高硬度材料を添加した手袋に匹敵する耐切創性能を有する。

加えて、出願人が行った過去半年にわたる製造実験リサーチによると、比較例１－２における無機高硬度添加材料を使用して高分子量ポリエチレン繊維の耐切創性を強化すると、機材、例えば押出機のスクリューが深刻且つはっきりと損傷を受け、機材の価値が極めて急速に低下することが判明している。しかしながら、本発明においては、炭素繊維をこういった無機高硬度強化材料の代わりに使用し、機材の摩耗度は従来の超高分子量ポリエチレン繊維の製造でのそれにほぼ等しい。

Claims

Ｓ１：炭素繊維粉末粒子を第１溶媒及び界面活性剤と混合及び乳化することで炭素繊維粉末乳化材料を得て、
Ｓ２：前記炭素繊維粉末乳化材料及び分子量２０００００－６００００００を有する超高分子量ポリエチレン粉末を第２溶媒中に分散させて混合物を得て、
Ｓ３：前記混合物を押出機でブレンド及び押出成形し、凝固浴中で冷却及び成型することで初期繊維を得て、前記初期繊維を取り出し、乾燥させ、多段階熱延伸に供することで超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維を得ることを含み、
前記炭素繊維粉末粒子に事前に表面処理を行うことで前記炭素繊維粉末粒子の表面を活性化させ、
前記表面処理の方法は気相酸化、液相酸化、触媒酸化、カップリング剤コーティング、ポリマーコーティング及びプラズマ処理から成る群から選択されるいずれか１つまたは少なくとも２つの組み合わせである
ことを特徴とする超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維の製造方法。
前記炭素繊維粉末粒子は直径０．１－１０μｍ及び長さ０．１－１００μｍを有し、好ましくは、前記炭素繊維粉末粒子は、直径より大きい長さを有する長い棒状である
請求項１に記載の方法。
前記炭素繊維粉末粒子の主成分は微結晶グラファイトであり、前記炭素繊維粉末粒子は廃棄炭素繊維を粉砕することで得られる
請求項２に記載の方法。
前記超高分子量ポリエチレン、前記炭素繊維粉末及び前記溶媒の質量比は（１０－４０）：（０．１－１）：１００であり、前記溶媒の質量は、前記第１溶媒及び前記第２溶媒の質量の合計に等しい
請求項１または２に記載の方法。
前記超高分子量ポリエチレンの分子量は２００００００－５００００００である
請求項１に記載の方法。
前記押出機は二軸スクリュー押出機であり、前記二軸スクリュー押出機の各領域の温度は１００－３００℃に制御される
請求項１に記載の方法。
請求項１ないし６のいずれかに記載の方法を用いて得られ、
炭素繊維粉末粒子を分散させた超高分子量ポリエチレンマトリックスを含み、前記超高分子量ポリエチレンマトリックスの重量に対する前記炭素繊維粉末粒子の含有量は０．２５－１０重量％である
ことを特徴とする超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維。
請求項７に記載の超高耐切創性を有する超高分子量ポリエチレン繊維から織った編み生地を含む
ことを特徴とする超高耐切創性手袋または衣類。