JP7112415B2

JP7112415B2 - 通液部材

Info

Publication number: JP7112415B2
Application number: JP2019545128A
Authority: JP
Inventors: 郷史勝谷; 洋祐和志武; 了慶遠藤
Original assignee: Kuraray Co Ltd
Current assignee: Kuraray Co Ltd
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2018-09-25
Publication date: 2022-08-03
Anticipated expiration: 2038-09-25
Also published as: JPWO2019065625A1; WO2019065625A1; CN111164133A; CN111164133B; EP3689946A1; WO2019065625A8; US20200224345A1; EP3689946B1; EP3689946A4

Description

関連出願

本願は２０１７年９月２９日出願の特願２０１７－１９０８８８の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本出願の一部をなすものとして引用する。

本発明は、面内方向及び面外方向で異なる通液性を有し、かつ力学特性に優れる多孔質複合体で構成される通液部材に関する。

不織布やスポンジ状の素材など、内部に連続する空隙を有する素材は、通液性を有することから、農業資材や土木資材、人工芝生、水処理フィルター、コンクリート用型枠などへの応用が検討されている。

例えば特許文献１（特開２００２－３３９３１１号公報）には、導水シートを一体化した人工芝生が開示されている。この導水シートには不織布が使用されている。また、特許文献２（特開平８－３４０８６号公報）には、ポリオレフィン有孔フィルムと繊維強化ポリオレフィン樹脂多孔体との積層体が開示されている。この発明では、短繊維とポリオレフィン樹脂粉末とを抄紙して複合シートとしたものを加圧下で加熱した後、加圧下で冷却する事で繊維強化ポリオレフィン樹脂多孔体を作製し、該繊維強化ポリオレフィン樹脂多孔体によって多孔性樹脂積層体に強度を持たせ、該ポリオレフィン有孔フィルムの細孔の径が規定されているので、透水性やガス透過性を制御することができる積層体が開示されている。

特開２００２－３３９３１１号公報特開平８－３４０８６号公報

しかしながら、特許文献１および２では、通液量の制御に留まり、液を部材内の特定方向のみに流すといった通液性の異方性制御が出来ない。

本発明はこのような従来技術における問題点を解決するものであり、面内方向及び面外方向が互いに異なる通液性を有する多孔質複合体、好ましくはさらに力学特性に優れる多孔質複合体で構成される通液部材を提供するものである。

上記の課題を解決するために鋭意検討を行った結果、本発明者らは、非連続強化繊維が分散した構造の、少なくとも交点が熱可塑性樹脂で接着され、連通孔である空隙を３０～９０％有し、非連続強化繊維の面内方向の繊維配向角の平均値αが０～４０°で、面外方向の繊維配向角の平均値βが０～２５°である多孔質複合体で構成される通液部材が、異方性を制御可能であり、高い通液性を有し、高強度、高剛性が得られることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、以下の態様で構成されうる。
〔態様１〕
非連続強化繊維が分散した構造の、少なくとも交点が熱可塑性樹脂で接着され、連通孔である空隙を３０～９０％（好ましくは３５～８８％、より好ましくは４０～８６％）有し、非連続強化繊維の面内方向の繊維配向角の平均値αが０～４０°（好ましくは０～３８°、より好ましくは０～３６°）で、面外方向の繊維配向角の平均値βが０～２５°（好ましくは０～２０°、より好ましくは０～１５°）であることを特徴とする多孔質複合体で構成される、通液部材。
〔態様２〕
前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度が１００℃以上（好ましくは１０５℃以上、より好ましくは１１０℃以上）である、態様１に記載の通液部材。
〔態様３〕
前記熱可塑性樹脂が、ポリエーテルイミド系樹脂、半芳香族ポリアミド系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン系樹脂、およびポリカーボネート系樹脂からなる群より選ばれる少なくとも一種の熱可塑性樹脂である態様１または２に記載の通液部材。
〔態様４〕
前記非連続強化繊維の平均繊維長が３～５０ｍｍ（好ましくは４～４０ｍｍ、より好ましくは５～３０ｍｍ）である、態様１～３のいずれか一態様に記載の通液部材。
〔態様５〕
多孔質複合体における、非連続強化繊維の重量比率が１５～８０％（好ましくは２０～７５％、より好ましくは２５～７０％）である、態様１～４のいずれか一態様に記載の通液部材。
〔態様６〕
３０ＭＰａ以上（好ましくは３５ＭＰａ以上、より好ましくは４０ＭＰａ以上）の曲げ強度および３．０ＧＰａ以上（好ましくは３．５ＧＰａ以上、より好ましくは４．０ＧＰａ以上）の曲げ弾性率を有する、態様１～５のいずれか一態様に記載の通液部材。
〔態様７〕
面外に対する面内方向の通液異方性（面内通液速度／面外通液速度）が、２．０～１２．０である、態様１～６のいずれか一態様に記載の通液部材。

なお、本発明において、面内方向とは、所定の基準面を定めた際の面内に存在する方向であり、面外方向とは、前記基準面に対して法線方向の関係にある方向を意味する。

なお、請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成要素のどのような組み合わせも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲に記載された請求項の２つ以上のどのような組み合わせも本発明に含まれる。

本発明によれば、面内方向および面外方向に異方性のある通液性を有する、通液部材を得ることが出来る。さらに、本発明の通液部材は、農業資材、工業資材、土木資材、各種輸送車両などにおいて、異方的な通液性を利用する構成部材、好ましくはさらに力学特性が必要な構成部材などに好ましく用いられる。

この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。
本発明の通液部材および中間複合体の繊維の配列を説明するための概略透過斜視図である。図１中のＡ－Ａ’断面図である。繊維配向角の観察方法の模式図である。本発明の通液部材の断面ＳＥＭ写真である。

以下において、本発明について詳細に説明する。以下に記載する構成要件の説明は、代表的な実施形態や具体例に基づいてなされることがあるが、本発明はそのような実施形態に限定されるものではない。

本発明の通液部材は、非連続強化繊維が分散した構造の、少なくとも交点が熱可塑性樹脂で接着した多孔質複合体で構成される。熱可塑性樹脂で非連続強化繊維を接着させる方法としては、例えば、非連続強化繊維と熱可塑性樹脂からなる繊維（以下、熱可塑性繊維と称する）とを混合不織布とし、該熱可塑性繊維を溶融した後に、冷却固化し、非連続強化繊維同士を接着させる方法などが挙げられる。

＜非連続強化繊維＞
本発明で用いる非連続強化繊維は、本発明の効果を損なわない限り特に制限されず、有機繊維であっても無機繊維であってもよく、また、単独で、あるいは二種以上を組み合わせて用いてもよい。例えば、無機繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維、セラミックファイバー、玄武岩繊維、各種金属繊維（例えば、金、銀、銅、鉄、ニッケル、チタン、ステンレス等）を例示することができ、また、有機繊維としては、全芳香族ポリエステル系繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維、パラ系アラミド繊維、ポリスルフォンアミド繊維、フェノール樹脂繊維、ポリイミド繊維、フッ素繊維等を例示することができる。

本発明で用いる非連続強化繊維は、１０ＧＰａ以上の弾性率をもつものが好ましい。より好ましくは３０ＧＰａ以上、最も好ましくは５０ＧＰａ以上である。弾性率が低すぎると、連通孔の空隙を保持する事が難しく、高い空隙率が得られないおそれがある。上限に関しては特に制限はないが、２０００ＧＰａ以下である。なお、ここでの非連続強化繊維の弾性率とは、引張弾性率を表す。

本発明で用いる非連続強化繊維は、平均長さが３～５０ｍｍであることが好ましい。より好ましくは４～４０ｍｍ、最も好ましくは５～３０ｍｍである。平均長さが短すぎると、繊維同士の重なりによる反発が小さくなり、高い空隙率が得られないおそれがある。また、平均長さが長すぎる場合、繊維同士の絡まりが多すぎて、通液部材を構成する多孔質複合体製造時の工程不良が生じるため、均一な空隙が得られないおそれがある。

非連続強化繊維の平均直径は２～４０μｍであることが好ましい。より好ましくは３～３０μｍ、最も好ましくは５～２５μｍである。平均直径が小さすぎると、繊維同士の重なりによる反発が小さくなり、高い空隙率が得られないおそれがある。また、平均直径が大きすぎる場合、構成繊維本数が少なくなり、高い空隙率が得られないおそれがある。

通液部材を構成する多孔質複合体における非連続強化繊維の重量比率は１５～８０％であることが好ましい。より好ましくは２０～７５％、更に好ましくは２５～７０％である。非連続強化繊維の重量比率が小さすぎると、連通孔の多孔質を形成する非連続強化繊維が不足し、高い空隙率が得られないおそれがある。非連続強化繊維の重量比率が大きすぎる場合、非連続強化繊維同士を接着する樹脂量が不足し、構造体としての強度が得られないおそれがある。

＜熱可塑性樹脂＞
本発明で用いる熱可塑性樹脂は、加熱溶融あるいは加熱流動するものであれば特に制限はないが、熱流体に対する通液性を制御する観点から、ガラス転移温度が１００℃以上の熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。なお、上限に関しては特に制限はないが、３００℃以下が好ましい。一般に、高分子の強度や弾性率などの力学特性は非晶部の分子が動き出すガラス転移温度で大きく落ち込むことがよく知られている。例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やナイロン６などのような２００℃以上の融点を持つ熱可塑性樹脂であっても、その力学特性は６０～８０℃付近のガラス転移温度で大きく落ち込んでしまうため、耐熱性に優れているとは言い難い。従って、ガラス転移温度が１００℃未満の熱可塑性樹脂を用いると、得られる樹脂複合体の耐熱性が高いとは言えず、実使用に制限がかかるものとなる。本発明で用いる熱可塑性樹脂のガラス転移温度は、好ましくは１０５℃以上、更に好ましくは１１０℃以上である。なお、本発明でいうガラス転移温度は、レオロジ社製の固体動的粘弾性装置「レオスペクトラＤＶＥ－Ｖ４」を用い、周波数１０Ｈｚ、昇温速度１０℃／ｍｉｎで損失正接（ｔａｎδ）の温度依存性を測定し、そのピーク温度から求めたものである。ここで、ｔａｎδのピーク温度とは、ｔａｎδの値の温度に対する変化量の第１次微分値がゼロとなる温度のことである。

本発明で用いる熱可塑性樹脂は、加熱溶融あるいは加熱流動する限り特に制限されず、単独で、または二種以上を組み合わせて用いてもよく、具体例としては、ガラス転移温度が１００℃未満の汎用樹脂として、ビニル系樹脂（ビニル基ＣＨ_２＝ＣＨ－またはビニリデン基ＣＨ_２＝Ｃ＜を有するモノマーからなるポリマーまたは誘導体）、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂などが挙げられ、好ましくは、ガラス転移温度が１００℃以上である熱可塑性樹脂として、ポリテトラフルオロエチレン系樹脂、ポリエーテルイミド系樹脂、ポリスルフォン系樹脂、半芳香族ポリアミド系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリアリレート系樹脂などが挙げられるが、中でも、力学特性や難燃性、耐熱性、成型性、入手のし易さの点から、ポリエーテルイミド系樹脂、半芳香族ポリアミド系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン系樹脂、ポリカーボネート系樹脂が好適に用いられる。

本発明で用いる熱可塑性樹脂は、本発明の効果を損なわない範囲で、酸化防止剤、帯電防止剤、ラジカル抑制剤、艶消し剤、紫外線吸収剤、難燃剤、無機物などを含んでいてもよい。かかる無機物の具体例としては、カーボンナノチューブ、フラーレン、タルク、ワラステナイト、ゼオライト、セリサイト、マイカ、カオリン、クレー、パイロフィライト、シリカ、ベントナイト、アルミナシリケートなどの珪酸塩、酸化珪素、酸化マグネシウム、アルミナ、酸化ジルコニウム、酸化チタン、酸化鉄などの金属酸化物、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、ドロマイトなどの炭酸塩、硫酸カルシウム、硫酸バリウムなどの硫酸塩、水酸化カルシウム、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウムなどの水酸化物、ガラスビーズ、ガラスフレーク、ガラス粉、セラミックビーズ、窒化ホウ素、炭化珪素、カーボンブラックおよびシリカ、黒鉛などが用いられる。

また、上記の熱可塑性樹脂を繊維形態で用いる場合は、熱可塑性繊維の製造においては、特に限定されるものではなく、公知の溶融紡糸装置を用いることができる。すなわち、溶融押出し機で前記熱可塑性樹脂のペレットや粉体を溶融混練し、溶融ポリマーを紡糸筒に導きギヤポンプで計量し、紡糸ノズルから吐出させた糸条を巻き取ることで得られる。その際の引取り速度は特に限定されるものではないが、紡糸線上で分子配向が起こると好ましくないので、５００ｍ／ｍｉｎ～４０００ｍ／ｍｉｎの範囲で引き取ることが好ましい。引取り速度が小さすぎると、生産性の点からは好ましくなく、一方、引取り速度が大きすぎる場合、高温時の収縮を引き起こすに足る分子配向が進むおそれがあるばかりでなく、繊維の断糸が起こりやすくなるおそれがある。引き取り速度はより好ましくは８００ｍ／ｍｉｎ～３５００ｍ／ｍｉｎ、更に好ましくは１０００ｍ／ｍｉｎ～３０００ｍ／ｍｉｎであってもよい。

本発明で用いる熱可塑性繊維の単繊維繊度は、０．１～１０ｄｔｅｘであることが好ましい。力学特性および通液性に優れた通液部材を得るためには、前駆体となる混合不織布中の非連続強化繊維を斑なく分散させることが望ましい。熱可塑性繊維を同じ重量比率で使用する場合、単繊維繊度が細いほど、混合不織布を構成する熱可塑性繊維の本数が多くなり、非連続強化繊維を斑なく分散させることができるが、単繊維繊度が小さすぎると、不織布製造工程において、繊維同士が絡まりやすくなり、強化繊維を斑なく分散することができないおそれがある。また、特に湿式抄紙で不織布を製造する場合、工程中での濾水性が悪くなるなど、工程通過性を大幅に悪化させる可能性がある。更には、単繊維繊度が大きすぎる場合、混合不織布を構成する熱可塑性繊維の本数が少なすぎて、強化繊維を斑なく分散させることができないおそれがある。熱可塑性繊維の単繊維繊度はより好ましくは０．２～９ｄｔｅｘ、更に好ましくは０．３～８ｄｔｅｘである。

本発明で用いる熱可塑性繊維の単繊維の平均繊維長は０．５～６０ｍｍであることが好ましい。平均繊維長が小さすぎる場合、不織布製造過程で繊維が脱落したり、また、特に湿式抄紙で不織布を製造する場合に、工程中での濾水性が悪くなるなど、工程通過性を大幅に悪化させる可能性がある。平均繊維長が大きすぎる場合、不織布製造工程において絡まったりして、強化繊維を均一に分散できない可能性がある。より好ましくは１～５５ｍｍ、更に好ましくは３～５０ｍｍである。なお、その際の繊維の断面形状に関しても特に制限はなく、円形、中空、扁平、あるいは星型等異型断面であってもかまわない。

＜混合不織布＞
本発明で用いる混合不織布は熱可塑性繊維の割合が２０～８５ｗｔ％であることが好ましい。熱可塑性繊維の割合が少なすぎる場合、多孔質複合体にした場合の熱可塑性樹脂量が少なくなり、通液部材を形成するにあたり十分な強度が得られないおそれがある。また、熱可塑性繊維の割合が多すぎる場合、不織布中の非連続強化繊維（以下、単に強化繊維と称する場合がある）割合が低くなり、多孔質複合体の空隙率が低くなるため、十分な通液性が得られないおそれがある。より好ましくは２５～８０ｗｔ％であり、更に好ましくは３０～７５ｗｔ％である。

本発明で用いる混合不織布の製造方法は、特に制限はなく、スパンレース法、ニードルパンチ法、スチームジェット法、乾式抄紙法、湿式抄紙法などが挙げられる。中でも、生産効率や強化繊維の不織布中での均一分散の面から、湿式抄紙法が好ましい。例えば、湿式抄紙法では、前記熱可塑性繊維および強化繊維を含む水性スラリーを作製し、ついでこのスラリーを通常の抄紙工程に供すればよい。なお、水性スラリーは、バインダー（例えば、ポリビニルアルコール系繊維などの水溶性ポリマー繊維、ＰＥＴ系繊維などの熱融着繊維、パラ系アラミド繊維や全芳香族ポリエステル系繊維のパルプ状物）などを含んでいてもよい。また、紙の均一性や圧着性を高めるために、スプレードライによりバインダーを塗布したり、湿式抄紙工程後に熱プレス工程を加えたりしてもよい。

なお、湿式抄紙法で不織布を製造する場合は、抄紙速度は、２ｍ／ｍｉｎ以上であることが好ましい。より好ましくは３ｍ／ｍｉｎ以上、更に好ましくは５ｍ／ｍｉｎ以上である。抄紙速度を高めることで、強化繊維及び熱可塑性繊維の配向方向を一方向とすることができ、かつ大半の強化繊維と熱可塑性繊維を多孔質複合体の表面と平行となるように配向させることが容易となる。これにより、多孔質複合体において面内方向及び面外方向で通液性の異方性を付与することができる。抄紙速度が小さすぎる場合、繊維配向の異方性の付与が難しく、従って通液性の異方性の付与が出来ない。また、抄紙速度の上限は特に無いが、５０ｍ／ｍｉｎ以下であってもよい。抄紙速度が大きすぎる場合、不織布の目付ムラなどが大きくなり、これを用いて得られる複合体の密度ムラなどが生じ、通液性の制御が難しくなるおそれがある。

該混合不織布の目付けは特に制限は無いが、５～１５００ｇ／ｍ^２であることが好ましい。より好ましくは１０～１０００ｇ／ｍ^２、更に好ましくは２０～５００ｇ／ｍ^２である。目付が小さすぎる場合、不織布の強力が低いために工程通過性を悪化させるおそれがある。目付が大きすぎる場合、空隙率の細かな調整が難しくなるおそれがある。

＜多孔質複合体＞
本発明の通液部材を構成する多孔質複合体を得る方法としては特に制限はない。例えば、前記混合不織布を圧縮熱成型して、中間複合体を形成した後、この中間複合体を所定の空隙率まで熱膨張させる方法がある。この方法では、前記混合不織布を一枚ないしは多数枚（例えば、２～１００枚、好ましくは１０～８０枚、より好ましくは２０～６０枚）積層して、前記熱可塑性繊維の流動開始温度以上の温度で加圧、加熱し、その後加圧しながら冷却することで中間複合体を作製し、次いで、該中間複合体を、熱可塑性樹脂の流動開始温度以上で加熱し、中間複合体を膨張させた後に所定の空隙率が得られるように複合体の厚みを制御しながら冷却する事で多孔質複合体を作製する。

中間複合体を形成する際、非連続強化繊維は、加圧下で流動開始温度以上の温度で加熱された熱可塑性繊維により屈曲形状が付与され、次いで加圧下で冷却されるため、得られた中間複合体中の非連続強化繊維は屈曲した状態で一旦固定される。このようにして得られた中間複合体は、非連続強化繊維の固定を解放するために、熱可塑性樹脂の流動開始温度以上で加熱すると、熱可塑性樹脂で拘束されていた屈曲状態が解放され、その結果中間複合体が膨張する。

この時、膨張前の中間複合体から多孔質複合体を作製する際の膨張率は４０～９００％であることが好ましい。より好ましくは６０～８５０％、更に好ましくは８０～８００％である。膨張率が小さすぎる場合、得られる多孔質複合体の空隙率が小さく、十分な通液性が得られないおそれがある。膨張率が大きすぎる場合、構造体としての強度が不十分となる。なお、ここで膨張率とは、下記式で表される。
膨張率（％）＝（（膨張後の多孔質複合体の厚み（ｍｍ）－膨張前の中間複合体の厚み（ｍｍ））／膨張前の中間複合体の厚み（ｍｍ））×１００

本発明では、非連続強化繊維の面内方向および面外方向の配向性を制御することにより、所望の異方通液性を達成することが可能である。

図１～３を参照しつつ、面内方向および面外方向、繊維の面内配向性および面外配向性について説明する。

図１には、本発明の多孔質複合体および中間複合体の繊維の配列を説明するための概略透過斜視図が示されている。例えば、図１において、多孔質複合体および中間複合体は、所定の厚みを有する板状体であり、ＭＤ方向、ＣＤ方向および厚み方向で規定されている。以下、ＭＤ方向をＸ方向、ＣＤ方向をＹ方向、厚み方向をＺ方向と称する場合がある。

より具体的には、本発明でいう面内方向及び面外方向とは以下の通りである。例えば、図１で示す通り、混合不織布のＭＤ方向（Ｘ方向）の軸およびＣＤ方向（Ｙ方向）の軸を含む平面（ＸＹ平面）を基準面とする場合、混合不織布の積層方向、つまり多孔質複合体または中間複合体の厚み方向（Ｚ方向）が、基準面に対する面外方向である。また、面内方向は、Ｙ方向の軸およびＺ方向の軸を含む平面（ＹＺ平面）に対するＸ方向、またはＺ方向の軸およびＸ方向の軸を含む平面（ＺＸ平面）に対するＹ方向であり、Ｘ方向およびＹ方向のうち、後述する非連続強化繊維の面内方向の繊維配向角の測定において平均値αが４５°以下となる方向である。

繊維の面内配向性および面外配向性は、以下の手法により算出することができる。
まず、板状体のＸＹ平面に対して垂直な切断面（例えば、ここではＸ方向に垂直なＡ－Ａ’断面（図２））において露出した繊維断面を所定の本数について、切断面における個々の繊維の長軸ａ、短軸ｂ、およびＸＹ平面（例えば、図２ではＹ方向の軸）と繊維断面の長軸との間の角度θ（０°≦θ≦９０°）を測定する。
次いで、これらの値を後述する式により計算し、各繊維の面内配向角α_ｎおよび面外配向角β_ｎを算出することができる（図３）。なお、ここで、α_ｎは、Ｘ方向またはＹ方向に対して４５°以下となる方向で算出され、β_ｎは基準線に対して０°～９０°の範囲で存在する角度である。
そして得られた各繊維の面内配向角α_ｎおよび面外配向角β_ｎをそれぞれ平均し、繊維配向角の平均値αおよびβを算出することができる。具体的には、非連続強化繊維の面内方向の繊維配向角の平均値αおよび面外方向の繊維配向角の平均値βは後述の実施例に記載した方法により測定される値である。
繊維配向角の平均値により、強化繊維の全体的な配向性を把握することが可能となる。

例えば、面内方向の繊維配向角の平均値αが５°の場合、繊維はＸＹ平面において、Ｘ方向またはＹ方向のいずれかと、全体として略平行に配向しているといえる。また、例えば、面外方向の繊維配向角の平均値βが５°の場合、繊維はＺＸ平面において、Ｘ方向と、全体として略平行に配向しているといえる。

中間複合体の面内方向の繊維配向角の平均値αは０～４０°であることが好ましい。より好ましくは０～３８°であり、更に好ましくは０～３６°である。面内方向の繊維配向角の平均値が大きすぎる場合、作製される多孔質複合体の通液性の面内方向の異方性が得られないおそれがある。また、中間複合体の面外方向の繊維配向角の平均値βは０～２０°であることが好ましい。より好ましくは０～１５°であり、更に好ましくは０～１０°である。面外方向の繊維配向角が大きすぎる場合、作製される多孔質複合体の面内方向への通液に対する面外方向への液の流出が多くなり、通液性の制御が出来なくなるおそれがある。
該方法では、空隙のない中間複合体を経ることで、取り扱い性に優れる、強化繊維の交点に均一に樹脂が行き渡る、などの利点がある。

本発明の通液部材を構成する多孔質複合体は、連通孔である空隙率を３０～９０％有していることが重要である。より好ましくは３５～８８％、更に好ましくは４０～８６％である。空隙率が低すぎる場合は、液体を通過する連通孔の割合が低くなり、通液部材としての性能が不足するおそれがある。空隙率が高すぎる場合は、構造材として必要な力学特性が得られないおそれがある。なお、ここで空隙率とは、多孔質複合体の嵩体積に対する、空隙の占める体積の割合を示し、後述の実施例に記載した方法により測定される値である。

本発明の通液部材を構成する多孔質複合体は、非連続強化繊維の面内方向の繊維配向角の平均値αが０～４０°であることが重要である。より好ましくは０～３８°（例えば、０．５～３８°）、更に好ましくは０～３６°（例えば、１～３６°）である。面内方向の繊維配向角の平均値αが大きすぎる場合、通液性の面内方向の異方性が得られない。また、非連続強化繊維の面外方向の繊維配向角の平均値βが０～２５°であることが重要である。より好ましくは０～２０°（例えば、０．５～２０°）であり、更に好ましくは０～１５°（例えば、１～１５°）である。面外方向の繊維配向角の平均値βが大きすぎる場合、膨張により得られる多孔質複合体の面内方向への通液に対する面外方向への液の流出が多くなり、通液性の制御が出来なくなる。

本発明の通液部材を構成する多孔質複合体は、面内方向の通液性より面外方向の通液性を抑制する観点から、非連続強化繊維の面内方向の繊維配向角の平均値αと面外方向の繊維配向角の平均値βとの比率α／βが１．１～５．０であってもよく、好ましくは１．２～４．０、より好ましくは１．３～３．０であってもよい。

中間複合体を経て、熱膨張により、本発明の通液部材を構成する多孔質複合体を作製する場合、膨張により、面外方向の繊維配向角は増加するため、それを考慮して、中間複合体の面外方向の繊維配向角は、多孔質複合体の面外方向の繊維配向角の適切な範囲よりも小さい値を取ることが好ましい。

本発明の通液部材を構成する多孔質複合体は、通液性の面内方向の異方性を有する観点から、後述の実施例に記載した通液速度評価における面内方向の通液異方性が１．３以上であってもよく、好ましくは１．５以上、より好ましくは２．０以上であってもよい。面内方向の通液異方性の上限は特に限定されないが、例えば、８．０程度であってもよい。

また、多孔質複合体の面内方向への通液に対する面外方向への液の流出を抑制する観点から、後述の実施例に記載した通液速度評価における面外に対する面内方向の通液異方性が２．０以上であってもよく、好ましくは３．０以上、より好ましくは４．０以上であってもよい。面外に対する面内方向の通液異方性の上限は特に限定されないが、例えば、１２．０程度であってもよい。

本発明の通液部材を構成する多孔質複合体は、３０ＭＰａ以上の曲げ強度および３．０ＧＰａ以上の曲げ弾性率を有することが好ましい。曲げ強度に関して、より好ましくは３５ＭＰａ以上で、特に好ましくは４０ＭＰａ以上である。また、曲げ弾性率に関して、より好ましくは３．５ＧＰａ以上で、特に好ましくは４．０ＧＰａ以上である。なお、上限に関しては特に制限はないが、曲げ強度は５００ＭＰａ以下であることが好ましい。また、曲げ弾性率は５０ＧＰａ以下であることが好ましい。曲げ強度が小さすぎる場合、通液部材としての耐久性が不足するおそれがある。曲げ弾性率が小さすぎる場合、通液部材としての剛性が不足するおそれがある。なお、多孔質複合体の曲げ強度および曲げ弾性率は後述の実施例に記載した方法により測定される値である。

本発明の通液部材を構成する多孔質複合体の目付けは、１００～１００００ｇ／ｍ^２であってもよく、好ましくは５００～９０００ｇ／ｍ^２、より好ましくは８００～８０００ｇ／ｍ^２であってもよい。なお、多孔質複合体の目付けは後述の実施例に記載した方法により測定される値である。

本発明の通液部材を構成する多孔質複合体の厚みは、１～２００ｍｍであってもよく、好ましくは３～１８０ｍｍ、より好ましくは５～１５０ｍｍであってもよい。

本発明の通液部材を構成する多孔質複合体の形状は、板状に限られるものではなく、三次元構造を有している立体状も含まれる。立体状の場合であっても、良好な通液性を求める面を基準面として定めることにより、面内方向および面外方向を定めることができる。

本発明の通液部材を構成する多孔質複合体を得るために、前記混合不織布を加熱成型する方法については特に制限はなく、スタンパブル成型や加圧成型、真空圧着成型、ＧＭＴ成型のような一般的な圧縮成型が好適に用いられる。その時の成型温度は用いる熱可塑性繊維の流動開始温度や分解温度に併せて設定すればよい。例えば、熱可塑性繊維が結晶性の場合、成型温度は熱可塑性繊維の融点以上、［融点＋１００］℃以下の範囲であることが好ましい。また、熱可塑性繊維が非結晶性の場合、成型温度は熱可塑性繊維のガラス転移温度以上、［ガラス転移温度＋２００］℃以下の範囲であることが好ましい。なお、必要に応じて、加熱成型する前にＩＲヒーターなどで予備加熱することもできる。

加熱成型する際の圧力も特に制限はないが、通常は０．０５ＭＰａ以上の圧力で行われる。より好ましくは０．１ＭＰａ以上、特に好ましくは０．５ＭＰａ以上であってもよい。上限は特に限定されないが、３０ＭＰａ程度であってもよい。加熱成型する際の時間も特に制限はないが、長時間高温に曝すとポリマーが劣化してしまう可能性があるので、通常は３０分以内であることが好ましい。より好ましくは２５分以内、特に好ましくは２０分以内であってもよい。下限は特に限定されないが、１分程度であってもよい。また、得られる多孔質複合体の厚さや密度は、強化繊維の種類や加える圧力で適宜設定可能である。更には、得られる複合体の形状にも特に制限は無く、適宜設定可能である。目的に応じて、仕様の異なる混合不織布を複数枚積層したり、仕様の異なる混合不織布をある大きさの金型の中に別々に配置したりして、加熱成型することも可能である。

前記多孔質複合体は連通孔である空隙を有するため、液体の流量や流れの方向を制御するための通液部材として好適に利用する事が出来る。また、液体の流量や流れの方向は多孔質複合体の空隙率や繊維配向などを変更する事で調整する事が出来る。

本発明の通液部材は、面内方向および面外方向が互いに異なる通液性を有しているため、通液部材を配置するに当たり、面内方向への流れは良好であり、面外方向への流れは抑制することが求められる各種資材や部材、例えば、農業、工業、土木、各種輸送車両などに用いられる資材や部材などにおいて、有効に用いることができる。
特に、通液部材が所定の力学特性を有する場合、および／または耐熱性を有する場合、本発明の通液部材の一態様では、高強度および／または耐熱性部材として有用に用いることができる。また、本発明の通液部材の一態様では、優れた通液性を有しているにもかかわらず、薄肉化が可能である。

例えば、本発明の通液部材は、床暖房用流路部材として用いることにより、面外方向への熱水の流れを抑制できるとともに、面内方向に熱水を拡散させることができるため、均一な温度制御が可能である。また、例えば、強度に優れているため、屋根融雪用流路部材に用いることも可能であり、面内方向に熱水を拡散させることができるため、不均一な温度制御による局所的な落雪などを抑制することも可能である。

以下に、実施例に基づき本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらにより何ら制限を受けるものではない。

＜参考例１＞（ポリエーテルイミドショートカットファイバーの製造）
非晶性樹脂であるポリエーテルイミド（以下、ＰＥＩと略称することがある）系ポリマー（サービックイノベイティブプラスチックス社製「ＵＬＴＥＭ９００１」）を１５０℃で１２時間真空乾燥した。前記ＰＥＩ系ポリマーを紡糸ヘッド温度３９０℃、紡糸速度１５００ｍ／ｍｉｎ、吐出量５０ｇ／ｍｉｎの条件で丸孔ノズルより吐出し、２６４０ｄｔｅｘ／１２００ｆのＰＥＩ繊維のマルチフィラメントを作製した。得られたマルチフィラメントを１５ｍｍにカットし、ＰＥＩ繊維のショートカットファイバーを作製した。得られた繊維の外観は毛羽等なく良好で、単繊維繊度は２．２ｄｔｅｘ、平均繊維長は１５．０ｍｍであった。

＜参考例２＞（ポリエーテルイミドステープルの製造）
参考例１と同様に、２６４０ｄｔｅｘ／１２００ｆのＰＥＩ繊維のマルチフィラメントを作製した。得られたマルチフィラメントを捲縮加工した後、５１ｍｍにカットしてＰＥＩ繊維のステープルを作製した。得られた繊維の外観は毛羽等なく良好で、単繊維繊度は２．２ｄｔｅｘ、平均繊維長は５１．０ｍｍであった。

＜実施例１＞
熱可塑性繊維としてＰＥＩショートカットファイバーを５０ｗｔ％、非連続強化繊維として１２ｍｍのカット長の炭素繊維（東邦テナックス製：平均繊維径７μｍ）を４５ｗｔ％、バインダーとしてＰＶＡ繊維（クラレ製「ＶＰＢ－１０５－２」）を５ｗｔ％からなるスラリーを用いて短網式湿式抄紙機にて、５ｍ／ｍｉｎの速度で抄紙し、目付け１００ｇ／ｍ^２の混合不織布（混抄紙）を得た。
得られた混合不織布を７４枚積層し、テストプレス（北川精機製「ＫＶＨＣ－ＩＩ」）にて、積層方向に対して垂直な面に対して１５ＭＰａにて加圧しながら、３４０℃で１０分間加熱し、炭素繊維の間にＰＥＩ樹脂を含浸させた後、加圧を維持したまま、ＰＥＩのガラス転移温度以下である２００℃まで冷却し、厚みが５．３ｍｍの中間複合体を作製した。
得られた中間複合体を、テストプレス機にて３４０℃に加熱し、複合体を膨張させた後、積層方向に対して垂直な面に対して５ＭＰａで加圧して、厚みを１０ｍｍとした後、ＰＥＩのガラス転移温度以下である２００℃まで冷却し、多孔質複合体で構成される通液部材を作製した。得られた多孔質複合体で構成される通液部材に関して、空隙率及び繊維配向角の測定結果、並びに力学特性及び通液性の評価結果を表１に示す。

＜実施例２＞
複合体の作製工程にて、混合不織布の積層枚数を４４枚とした以外は実施例１と同様にして、中間複合体を作製した。その後、実施例１と同様に多孔質複合体で構成される通液部材を作製した。得られた多孔質複合体で構成される通液部材に関して、空隙率及び繊維配向角の測定結果、並びに力学特性及び通液性の評価結果を表１に示す。

＜実施例３＞
混合不織布の作製工程にて、抄紙速度を１０ｍ／ｍｉｎに調整した以外は、実施例２と同様にして、混合不織布を作製した。その後、実施例２と同様に中間複合体および、多孔質複合体で構成される通液部材を作製した。得られた多孔質複合体で構成される通液部材に関して、空隙率及び繊維配向角の測定結果、並びに力学特性及び通液性の評価結果を表１に示す。

＜実施例４＞
熱可塑性繊維としてＰＥＩステープルを５５ｗｔ％、非連続強化繊維として１２ｍｍのカット長の炭素繊維（東邦テナックス製：７μｍ）を４５ｗｔ％で混合したものをカード機にて解繊し、ニードルパンチ法にて目付け１００ｇ／ｍ^２の混合不織布（ニードルパンチ不織布）を作製した。その後、実施例２と同様に中間複合体および、多孔質複合体で構成される通液部材を作製した。得られた多孔質複合体で構成される通液部材に関して、空隙率及び繊維配向角の測定結果、並びに力学特性及び通液性の評価結果を表１に示す。

＜比較例１＞
混合不織布の作製工程にて、抄紙速度を１ｍ／ｍｉｎに調整した以外は、実施例２と同様にして、混合不織布を作製した。その後、実施例２と同様に中間複合体および、多孔質複合体で構成される通液部材を作製した。得られた多孔質複合体で構成される通液部材に関して、空隙率及び繊維配向角の測定結果、並びに力学特性及び通液性の評価結果を表１に示す。

＜比較例２＞
複合体の作製工程にて、混合不織布の積層枚数を１１８枚とした以外は実施例１と同様にして、中間複合体を作製した。その後、実施例１と同様に多孔質複合体で構成される通液部材を作製した。得られた多孔質複合体で構成される通液部材に関して、空隙率及び繊維配向角の測定結果、並びに力学特性及び通液性の評価結果を表１に示す。

＜評価、測定＞
＜密度＞
密度は、通液部材を構成する多孔質複合体サンプルを縦１０ｃｍ、横１０ｃｍに切り出し、その厚み（ｃｍ）と重量（ｇ）を計測し、下記式により算出した。
密度（ｇ／ｃｍ^３）＝重量（ｇ）／（厚み（ｃｍ）×１００（ｃｍ^２））

＜目付け＞
目付けは、通液部材を構成する多孔質複合体サンプルを縦１０ｃｍ、横１０ｃｍに切り出し、その重量（ｇ）を計測し、下記式により算出した。
目付け（ｇ／ｍ^２）＝重量（ｇ）／０．０１（ｍ^２）

＜空隙率＞
ＪＩＳＫ７０７５「炭素繊維強化プラスチックの繊維含有率及び空洞率試験」に準拠し、通液部材を構成する多孔質複合体の空隙率（％）を算出した。

＜曲げ強度、曲げ弾性率＞
ＪＩＳＫ７０１７「繊維強化プラスチック－曲げ特性の求め方」に準拠し、曲げ強度（ＭＰａ）、曲げ弾性率（ＧＰａ）を算出した。なお、試験片の軸はＭＤ方向で採取して行った。

＜繊維配向角＞
複合体に対して、二液硬化型エポキシ樹脂（株式会社アイエムティー製「ゼロマーＫプラス」）にて樹脂包埋した後、ＭＤ方向と直交する断面（図１におけるＡ－Ａ’断面）で複合体を切断した。次いで、露出させた断面の表面に同エポキシ樹脂を塗布し、その表面を耐水研磨紙およびアルミナスラリーで研磨した。得られた研磨面をマイクロスコープにて観察し、切断した複合体の断面に露出している全ての非連続強化繊維の断面について、長軸方向の長さaと短軸方向の長さｂ、および複合体の底辺（ＣＤ方向）と長軸との交差角θを計測した。図２は、多孔質複合体で構成される通液部材を切断した断面の模式図である。

切断面（Ａ－Ａ’断面）に露出している各非連続強化繊維に対してａ_ｎ、ｂ_ｎ、θ_ｎを計測して得られた値から、図３に示す面内方向及び面外方向の繊維配向角α_ｎ及びβ_ｎを算出した。ここで、θ_ｎは０～９０°の範囲として計測した。この場合、面内方向の繊維配向角α_ｎは、厚み方向（Ｚ方向）の軸およびＭＤ方向（Ｘ方向）の軸を含むＺＸ平面と非連続強化繊維のＸＹ平面成分との交差角であり、面外方向の繊維配向角β_ｎは、ＭＤ方向（Ｘ方向）の軸およびＣＤ方向（Ｙ方向）の軸を含むＸＹ平面と非連続強化繊維のＺＸ平面成分との交差角である。ついで、下記の計算式に従い、面内方向の繊維配向角の平均値α、面外方向の繊維配向角の平均値βを算出した。
α＝（１／ｍ）・Σα_ｎ＝（１／ｍ）・Σａｒｃｃоｓ（ｂ_ｎ／（ａ_ｎｃоｓθ_ｎ））
（ｎ＝１、２、３、・・・・・、ｍ）
β＝（１／ｍ）・Σβ_ｎ＝（１／ｍ）・Σａｒｃｃоｓ（ｂ_ｎ／（ａ_ｎｓｉｎθ_ｎ））
（ｎ＝１、２、３、・・・・・、ｍ）
ただし、ｍは切断面に露出した非連続強化繊維の数である。
なお、上述のように算出した面内方向（Ｙ方向）の繊維配向角の平均値αが４５°を超える場合は、Ｘ方向を面内方向とし、面内方向の繊維配向角の平均値αは、９０°からＹ方向の繊維配向角の平均値を引いた値とする。

＜通液速度評価＞
１０ｍｍ厚の多孔質複合体で構成される通液部材をＭＤ方向（面内方向）に沿って１０ｍｍ分、ＭＤ方向に直交する断面で切り、得られた棒状サンプルのＣＤ方向に５０ｍｍの長さに切断したものをサンプルＡとした。次いで、多孔質複合体で構成される通液部材をＣＤ方向に沿って１０ｍｍ分、ＣＤ方向に直交する断面で切り、得られた棒状サンプルのＭＤ方向に５０ｍｍの長さに切断したものをサンプルＢとした。
ついで、縦１０ｍｍ、横５０ｍｍの長方形状の穴が開いた直径８０ｍｍ、厚み５ｍｍのステンレス製円盤に、サンプルＡのＭＤ方向と直交する切断面がステンレス製円盤から露出するように入れ、サンプルＡとステンレス製円盤の隙間をシリコン製シーラント材で埋めた。
また、サンプルＢの場合は、サンプルＢのＣＤ方向と直交する切断面がステンレス製円盤から露出するように入れ、サンプルＢとステンレス製円盤の隙間をシリコン製シーラント材で埋めた。
底面の外径が直径８０ｍｍ、縁にシリコン製パッキン付、頂部に耐圧チューブが接続された、円錐状の接続金具を２個用い、ステンレス製円盤を挟み込み、クランプで外れないように固定した。
次いで、得られた治具の片方より、２ｋＰａの圧力で純水を注入し、もう一方の側から流出する水の体積を観測し、合計量が２０ｍＬから４０ｍＬとなるために必要な時間ｔ（ｍｉｎ）を計測した。
得られた時間より、下記式により、サンプルＡおよびＢの面内通液速度（Ｘ方向の通液速度およびＹ方向の通液速度）を算出した。
通液速度（ｍＬ／ｍｉｎ）＝２０（ｍＬ)／ｔ（ｍｉｎ）

＜面内方向の通液異方性＞
得られたＸ方向の通液速度およびＹ方向の通液速度から下記式より、面内異方性を算出した。
面内方向の通液異方性＝Ｘ方向の通液速度（ｍＬ／ｍｉｎ）／Ｙ方向の通液速度（ｍＬ／ｍｉｎ）

＜面外に対する面内方向の通液異方性＞
サンプルＡの面外方向と直交する面がステンレス製円盤から露出するように入れ、サンプルＡとステンレス製円盤の隙間をシリコン製シーラント材で埋めた以外は、上記の通液速度評価と同様にして、サンプルＡの面外通液速度（Ｚ方向の通液速度）を算出した。
得られたＸ方向の通液速度およびＺ方向の通液速度から下記式より、面外異方性を算出した。
面外に対する面内方向の通液異方性＝Ｘ方向の通液速度（ｍＬ／ｍｉｎ）／Ｚ方向の通液速度（ｍＬ／ｍｉｎ）

なお、表１において、ＣＦは炭素繊維で、ＰＥＩはポリエーテルイミド系樹脂である。

表１に評価結果を示す。実施例１～４の通り、面内の平均繊維配向角が４０°以下、かつ面外の平均繊維配向角が２５°以下である多孔質複合体で構成される通液部材において、通液速度が高いことが分かる。また、これらの多孔質複合体で構成される通液部材では、面内での通液異方性および面外に対する面内方向での通液異方性についても高い値を示す。

実施例１、２、および比較例２を比べると、空隙率が小さい場合は、通液速度が小さく、空隙率の増加に伴い、通液速度が大きくなることが分かる。
また、実施例１および比較例１を比べると、同じ空隙率でも、面外および面内の繊維配向角の平均値が大きく、ランダム配向（４５°）に近い場合、通液性の異方性が小さいことが分かる。
更に、実施例２、３を見ると、面内方向の繊維配向角の平均値が小さくなるほど、通液の面内での通液異方性が高くなるとともに、通液速度も大きくなることが分かる。

また、実施例２～４を見ると、面外方向の繊維配向角の平均値βは抄紙法より、ニードルパンチ法の方が大きい。これは、ニードルパンチ法においては、面外方向へのニードルの突き刺しにより、一部の繊維が面外方向に配向するためである。
また、面内の平均繊維配向角の平均値αについては、抄紙法より、ニードルパンチ法の方が小さい。これは、ニードルパンチ法ではカード工程において、面内方向の一方向に繊維が配向するためである。

本発明により得られた多孔質複合体で構成される通液部材は、通液性を有しながら、軽量かつ高強度であるため、構造部材としても利用可能であり、農業資材、工業資材、土木資材などへの応用が期待される。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施例を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、請求の範囲から定まる発明の範囲内のものと解釈される。

１多孔質複合体
２非連続強化繊維
３樹脂包埋させたエポキシ樹脂

Claims

非連続強化繊維が分散した構造の、少なくとも交点が熱可塑性樹脂で接着され、連通孔である空隙を３０～９０％有し、非連続強化繊維の面内方向の繊維配向角の平均値αが０～４０°で、面外方向の繊維配向角の平均値βが０～２５°であることを特徴とする多孔質複合体で構成される、通液部材。
前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度が１００℃以上である、請求項１に記載の通液部材。
前記熱可塑性樹脂が、ポリエーテルイミド系樹脂、半芳香族ポリアミド系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン系樹脂、およびポリカーボネート系樹脂からなる群より選ばれる少なくとも一種の熱可塑性樹脂である請求項１または２に記載の通液部材。
前記非連続強化繊維の平均繊維長が３～５０ｍｍである、請求項１～３のいずれか一項に記載の通液部材。
多孔質複合体における、非連続強化繊維の重量比率が１５～８０％である、請求項１～４のいずれか一項に記載の通液部材。
３０ＭＰａ以上の曲げ強度および３．０ＧＰａ以上の曲げ弾性率を有する、請求項１～５のいずれか一項に記載の通液部材。
面外に対する面内方向の通液異方性（面内通液速度／面外通液速度）が、２．０～１２．０である、請求項１～６のいずれか一項に記載の通液部材。