JP7158493B2

JP7158493B2 - 照光繊維

Info

Publication number: JP7158493B2
Application number: JP2020553818A
Authority: JP
Inventors: 剛津高; 洋祐和志武; 了慶遠藤; 俊介水光
Original assignee: Kuraray Co Ltd
Current assignee: Kuraray Co Ltd
Priority date: 2018-11-01
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2039-10-23
Also published as: JPWO2020090590A1; US11754776B2; EP3862800B1; US20210382228A1; CN112823300B; EP3862800A4; EP3862800A1; WO2020090590A1; CN112823300A

Description

本発明は、照光繊維に関する。

従来、コアとクラッドを有する光ファイバを照明用途に利用した光ファイバライトガイドが知られている。このライトガイドは、１本以上の照光プラスチック光ファイバを束状にし、これに被覆層を形成したものであり、ライトガイドの一端から入射した光がコア内を伝搬するとともに、ライトガイドの長手方向の一部（側面）のクラッドから漏光させることにより、線状発光体として機能するものである。

例えば、コア、クラッドの２層を有するプラスチック光ファイバにおいて、照光プラスチック光ファイバの総円周長と、照光プラスチック光ファイバの断面積とが特定の関係を満たすことにより、効率的に照光プラスチック光ファイバの側面発光が得られ、かつ側面発光を有する長手方向の長さを向上させた照光プラスチック光ファイバライトガイドが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７－２１１４７２号公報

しかし、上記特許文献１に記載の照光プラスチック光ファイバにおいては、線状発光体への加工は可能であるが、光ファイバが柔軟性に乏しく、硬く脆いため、織編物等の繊維構造体への加工が困難になるだけでなく、得られる織編物等の繊維構造体の屈曲性が乏しいという問題があった。

そこで、本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、照光性を保持しつつ、柔軟性に優れ、織編物等の繊維構造体への加工性に優れた照光繊維を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の照光繊維は、コアとクラッドを有し、繊維側面から照光する照光繊維であって、コアに用いられる樹脂がポリメチルメタクリレート、ポリメチルメタクリレート共重合体、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリオルガノシロキサン、及びノルボルネンからなる群より選択される少なくとも１種であり、クラッドに用いられる樹脂がフッ素系樹脂であり、繊維径が９５μｍ以下であることを特徴とする。

本発明によれば、柔軟性と加工性に優れた照光繊維を提供することが可能になる。

本発明の照光繊維は、コア（内層）とクラッド（外層）からなる２層構造を有し、径方向の断面形状として略円形状を有する。

コアに用いる樹脂（以下、「コア樹脂」と記載する場合がある。）としては、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリメチルメタクリレート共重合体（メチルメタクリレートを主成分とする共重合体）、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリオルガノシロキサン（シリコーン）、及びノルボルネン等を挙げることができる。このうち、ポリメチルメタクリレートまたはポリメチルメタクリレート共重合体は、屈折率、屈曲疲労性、耐熱性の観点において好ましい。さらに、透明性の観点から、ポリメチルメタクリレートが特に好ましい。

これらの材料は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を組み合わせて使用するようにしてもよい。また、コア樹脂には、可塑剤、染料、顔料、無機粒子、及び光拡散材等の添加剤が含まれていてもよい。

なお、繊維径の小さい繊維を採取するには、溶融粘度を十分に減少させる必要があるため、２６０℃程度の高温での熱成形が必要となる。そのため、上述のコア樹脂においては、高温成形に耐え得る耐熱性が必要であることから、熱重量分析における１％重量減少温度が２６０℃以上であることが好ましい。１％重量減少温度が２６０℃未満の場合は、樹脂の劣化が発生し、コア樹脂中に不純物が混入して、照光性能が低下する場合がある。１％重量減少温度は２８０℃以上であることがより好ましく、３００℃以上であることがさらに好ましい。

なお、ここで言う「１％重量減少温度」とは、ＪＩＳＫ７１２０「プラスチックの熱重量測定方法」の規定に準拠して熱重量測定を行ったときの質量減少率が１％となった時の温度のことを言う。

クラッドに用いる樹脂（以下、「クラッド樹脂」と記載する場合がある。）は、低屈折率であるフッ素系樹脂である。このフッ素系樹脂としては、結晶性のフッ素系樹脂やその共重合体が使用でき、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ポリビニリデンフルオライド）（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、トリフルオロ酢酸エチル（ＥＦＡ）、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）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、クロロトリフルオエチレン・エチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体（ＥＣＴＦＥ）等が挙げられる。また、ポリフッ化ビニリデンの共重合体であるポリ（フッ化ビニリデン／ヘキサフルオロプロピレン）共重合体（ＰＶＤＦ－ＨＦＰ）、ポリ（フッ化ビニリデン／トリフルオロエチレン）等を使用してもよい。このうち、ポリフッ化ビニリデンまたはポリフッ化ビニリデン共重合体は、溶融成形性、屈折率の観点において好ましい。

これらの材料は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を組み合わせて使用するようにしてもよい。また、クラッド樹脂には可塑剤、染料、顔料、無機粒子、光拡散材等の添加剤が含まれていてもよい。

また、長光路における照光性を確保するとの観点から、コア樹脂の屈折率がクラッド樹脂の屈折率よりも大きくなるように設定され、コア及びクラッドの屈折率に関しては、下記式（１）で示される開口数を０．４０以上０．６５以下とすることが好ましい。なお、開口数とは、光がコア内で全反射する最大の入射角度の大きさを表すものである。

［数１］
開口数＝｛（コア樹脂の屈折率）^２－（クラッド樹脂の屈折率）^２｝^１／２（１）

また、クラッド層の厚みは、２．０～１５．０μｍであることが好ましい。２．０μｍ以上の場合は、コアとクラッドとの界面で光を全反射でき、２．５μｍ以上であることがより好ましい。また、１５．０μｍ以下の場合は、クラッド内での吸収が抑えられ、側面発光を有する長手方向における長さを向上させることができ、１０．０μｍ以下であることがより好ましく、７．５μｍ以下であることがさらに好ましい。

また、本発明の照光繊維の繊維径（直径）は９５μｍ以下（即ち、単糸繊度７８ｄｔｅｘ以下）である。照光繊維の繊維径を９５μｍ以下に設定することにより、照光繊維の柔軟性が向上するため、取扱性が向上する。従って、織編物等の繊維構造体への加工性が向上するため、屈曲性に優れた繊維構造体を提供することが可能になる。

なお、照光繊維の繊維径は、９０μｍ以下（単糸繊度７７ｄｔｅｘ以下）が好ましく、８０μｍ以下（単糸繊度５５ｄｔｅｘ以下）がより好ましく、７０μｍ以下（単糸繊度４２ｄｔｅｘ以下）がさらに好ましく、５０μｍ以下（単糸繊度２４ｄｔｅｘ以下）が特に好ましい。また、照光繊維の繊維径の下限については、特に限定されないが、取扱性の観点から、１０μｍ以上（単糸繊度０．８６ｄｔｅｘ以上）であることが好ましい。

また、本発明の照光繊維の総繊度としては、特に限定はないが、５０～１００００ｄｔｅｘであることが好ましく、８０～５０００ｄｔｅｘがより好ましく、１００～２０００ｄｔｅｘがさらに好ましく、２００～１０００ｄｔｅｘが特に好ましい。また、フィラメント数としては、特に限定はないが、２～１０００本であることが好ましく、５～５００本がより好ましい。

また、本発明の照光繊維においては、ＪＩＳＰ８１１５（１９９４）に規定されたＭＩＴ試験機法における屈曲疲労性試験（繊度当たりの荷重が０．０４ｇ／ｄｔｅｘ、屈曲角度が１３５°での屈曲疲労試験）において、破断回数までの往復折り曲げ回数（往復折り曲げによる耐折性回数）が１００回以上であることが好ましい。これは、往復折り曲げ回数が１００回以上の場合は、照光繊維の屈曲疲労性が更に向上するため、照光繊維を使用した織編物等の繊維構造体における機械的特性（強度）が向上するためである。

また、本発明の照光繊維は、上述のごとく、９５μｍ以下の繊維径を有する繊維であるため、この照光繊維によるマルチフィラメントを用いて織物や編物を製造する際に、所望の撚り加工を行うことができる。

ここで、このマルチフィラメントにおいては、織物や編物への加工を容易にさせるとの観点から、撚り加工できることが肝要である。特に、フィラメントを破断させずに撚ることができる最大の撚り数が４００回／ｍ以上であることが好ましく、８００回／ｍ以上であることがより好ましい。

本発明の照光繊維は、クラッド樹脂とコア樹脂とを別々の溶融系で加熱溶融しておき、それぞれ通常の押出紡糸装置により紡糸口金まで送り、紡糸口金直前で両成分を所望のコアクラッド型の複合形状に合わせて合流させ、押し出して得られる糸条を巻取ることにより製造される。なお、必要に応じて延伸、ついで熱処理することも可能である。

具体的には、１０００ｍ／分以下の速度で引取り、必要に応じてこれを巻き取った後に延伸する、いわゆるＰＯＹやＦＯＹ延伸法、または巻き取ることなく延伸するスピンドロー法などが採用される。なお、３００～２０００ｍ／分、より好ましくは６００～１５００ｍ／分で引き取り、そのまま製品として用いる方法が好ましい。

また、延伸する場合は、一段延伸でも二段延伸でもよい。また延伸倍率は紡糸速度により様々に変化するため、一義的に特定されるものではないが、破断に至る倍率の５０～８５％程度の延伸倍率を採用することが好ましい。また、熱処理温度としては毛羽が発生しない範囲で高めに設定することが好ましい。

また、剪断速度がノズル孔に分配される分流板では、１０^２ｓ^－１オーダー、さらには鞘成分であるポリマーと合流して押し出されるノズルでは、１０^３ｓ^－１オーダーにも達する。

そこで、本発明では、かかる点を検討した結果、コア樹脂とクラッド樹脂の溶融粘度が影響することを見出した。即ち、２６０℃における剪断速度が１２１６ｓ^－１において、コア樹脂及びクラッド樹脂の溶融粘度が３００Ｐａ・ｓ以下であり、かつ２６０℃における剪断速度が１０～５００ｓ^－１の領域において、コア樹脂の溶融粘度ａとクラッド樹脂の溶融粘度ｂとの比（ａ／ｂ）が０．１～８．０の範囲にあることが好ましい。コア樹脂とクラッド樹脂の溶融粘度比が、この範囲にある場合、断面均整度が優れる繊維が得られ、長手方向の照光性能を向上させることできる。なお、この比（ａ／ｂ）は、０．３～６．０がより好ましく、０．５～４．０がさらに好ましく、０．５～２．０が特に好ましい。

以上のようにして得られる本発明の照光繊維は、各種繊維構造体（繊維集合体）として用いることができる。ここで繊維構造体とは、本発明の照光繊維単独よりなる織編物はもちろんのこと、本発明の照光繊維を一部に用いた織編物（例えば、天然繊維、化学繊維、合成繊維など他の繊維との交編織布、あるいは混紡糸、混繊糸として用いた織編物）、引き揃え糸、組物などであってもよい。

さらに、本発明の照光繊維を少なくとも一部に用いた繊維構造体の用途の一例としては、蛍光灯やＬＥＤ照明などの屋内外の照明器具、自動車の内装材やシート、カーテン、ソファーなどのインテリア、ドレス、スカート、ジャケットなどの衣料、光線治療などのメディカル、及び感圧センサー等が挙げられる。

以下に、本発明を実施例に基づいて説明する。なお、本発明は、これらの実施例に限定されるものではなく、これらの実施例を本発明の趣旨に基づいて変形、変更することが可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。

（実施例１）
＜溶融粘度の測定＞
株式会社東洋精機製キャピログラフ「１ＣＰＭＤ－Ｃ」を用いて、２６０℃における剪断速度が１２１６ｓ^－１の条件下で、クラッド樹脂であるポリフッ化ビニリデン（ＡＲＫＥＭＡ社製、商品名：Ｋｙｎａｒ７１０、屈折率：１．４２）とコア樹脂であるポリメチルメタクリレート（株式会社クラレ製、商品名：パラペットＧＨ－１０００Ｓ、屈折率：１．４９）の溶融粘度を測定するとともに、コア樹脂とクラッド樹脂の溶融粘度比を算出した。また、クラッド樹脂とコア樹脂の屈折率から、上述の式（１）を用いて、開口数を算出した。以上の結果を表１に示す。

＜１％重量減少温度の測定＞
熱重量分析装置（株式会社リガク製、商品名：ＴＧ－ＤＴＡ熱分析装置サーモプラス２）を用いて、加熱過程におけるポリメチルメタクリレートの重量変化を窒素雰囲気下で測定した。

より具体的には、試料重量が約１０ｍｇ、昇温速度が１０℃／ｍｉｎの条件で測定を行い、測定開始時の試料重量に対して重量が１％減少した温度を１％重量減少温度とした。以上の結果を表１に示す。

＜照光繊維の作製＞
まず、上述のポリフッ化ビニリデン共重合体とポリメチルメタクリレートを複合紡糸機に供給した。

次に、別々の溶融押出機を用いて、コア樹脂およびクラッド樹脂の溶融押し出しを行い、紡糸温度２６０℃、複合重量比率（コア成分／クラッド成分）が８０／２０のコアクラッド型となるようにノズル部で合流させた後、ノズル口径０．３ｍｍφ、２４ホールのノズルを用いて吐出させ、７５０ｍ／分の速度で巻き取ることにより、繊維径が４６μｍ、単糸繊度が２０ｄｔｅｘ、クラッド厚みが２μｍの照光繊維を得た。

＜紡糸性評価＞
紡糸性を、以下の評価基準に従って評価した。以上の結果を表１に示す。
２４時間での紡糸の際に、断糸することなく、連続した繊維が採取できた：◎
２４時間での紡糸の際に、１～５回の断糸があった：○
２４時間での紡糸の際に、６回以上の断糸があった：×

＜照光繊維の側面照度の測定＞
光源として白色ＬＥＤ（光束：１３５ｌｍ、指向特性：１２０°）を使用し、分光放射計（株式会社トプコンテクノハウス製、商品名：ＳＲ－３Ａ）を用いて、光源から２０ｃｍ、及び３０ｃｍ離れた位置でそれぞれ発光輝度を測定した。そして、下記式（２）を用いて、側面輝度保持率を算出した。以上の結果を表１に示す。

［数２］
側面輝度保持率［％］＝（測定位置の発光輝度）／（１０ｃｍ離れた位置での発光輝度）×１００（２）

＜柔軟性評価＞
台座の一端に斜面（傾斜角：４５°）を有するカンチレバー試験機を用いて、柔軟性の評価を行った。より具体的には、試験片として、作製した照光繊維から長さ１５０ｍｍのフィラメントを取り出し、この試験片を、一定速度で斜面方向に台座の上を滑らせ、フィラメントが曲がってフィラメントの端部が斜面に接地する瞬間の移動距離を測定した。なお、本指標は、フィラメントの柔軟性が高い場合においては、フィラメントの自重で垂れ下がりやすく、より短い移動距離で斜面に接地することから、移動距離の値が小さいほど、高い柔軟性を示す指標である。以上の結果を表１に示す。

＜屈曲疲労性評価＞
作製した照光繊維を５０００ｄｔｅｘに集束させた繊維に対して２００ｇの荷重（即ち、繊度あたり０．０４ｇ／ｄｔｅｘの荷重）をかけて、直径２０ｍｍのマンドレルで支持し、支持点を中心に繊維の他端を、角度１３５°で連続的に屈曲させ、繊維が完全に破断するまでの往復折り曲げ回数を計測した。以上の結果を表１に示す。

＜撚糸性評価＞
作製した照光繊維マルチフィラメント（フィラメント数：２４本）を用意し、検撚機（大栄化学精器製作所製、商品名：手動検尺器Ｍ－１）を用いて、作製した照光繊維（長さ：５０ｃｍ）に対して０．０２５ｇ／ｄｔｅｘの荷重をかけて、Ｓ撚りで加撚し、マルチフィラメントが破断するまでの撚り数を計測した。以上の結果を表１に示す。なお、表においては、計測した撚り数（５０ｃｍ単位）を倍にして、１ｍ単位における撚り数で示している。

＜加工性評価＞
丸善産業株式会社製の糸試験編み機（型式：ＭＲ－１）を用いて、繊維の総繊度を４８０ｄｔｅｘ、ゲージ数：２００、巻出し速度：４０ｒｐｍ／分で作製したときの編地作製における工程通過性を、以下の評価基準に従って測定し、加工性を評価した。以上の結果を表１に示す。
１ｍの編地作製までの単糸切れもしくはループの発生箇所が０回：○
１ｍの編地作製までの単糸切れもしくはループの発生箇所が１回以上：×

（実施例２）
３７５ｍ／分の速度で巻き取ることにより、繊維径が６５μｍ、単糸繊度が４０ｄｔｅｘ、クラッド厚みが２．５μｍの照光繊維を得たこと以外は、実施例１と同様にして、紡糸性評価、柔軟性評価、屈曲疲労性評価、撚糸性評価、加工性評価、及び照光繊維の側面照度の測定を行った。以上の結果を表１に示す。

（実施例３）
２７３ｍ／分の速度で巻き取ることにより、繊維径が８０μｍ、単糸繊度が５５ｄｔｅｘ、クラッド厚みが２．８μｍの照光繊維を得たこと以外は、実施例１と同様にして、紡糸性評価、柔軟性評価、屈曲疲労性評価、撚糸性評価、加工性評価、及び照光繊維の側面照度の測定を行った。以上の結果を表１に示す。

（実施例４）
コアの樹脂に溶融粘度２０Ｐａ・ｓ、１％重量減少温度が２７０℃のＰＭＭＡを用いて照光繊維を得たこと以外は、実施例１と同様にして、紡糸性評価、柔軟性評価、屈曲疲労性評価、撚糸性評価、加工性評価、及び照光繊維の側面照度の測定を行った。以上の結果を表１に示す。

（実施例５）
コアの樹脂に溶融粘度４０Ｐａ・ｓ、１％重量減少温度が２５０℃のＰＭＭＡ共重合体を用いて照光繊維を得たこと以外は、実施例１と同様にして、紡糸性評価、柔軟性評価、屈曲疲労性評価、撚糸性評価、加工性評価、及び照光繊維の側面照度の測定を行った。以上の結果を表１に示す。

（実施例６）
１９５ｍ／分の速度で巻き取ることにより、繊維径が９０μｍ、単糸繊度が７７ｄｔｅｘ、クラッド厚みが４．０μｍの照光繊維を得たこと以外は、実施例１と同様にして、紡糸性評価、柔軟性評価、屈曲疲労性評価、撚糸性評価、加工性評価、及び照光繊維の側面照度の測定を行った。以上の結果を表１に示す。

（実施例７）
コアの樹脂に溶融粘度２５０Ｐａ・ｓ、１％重量減少温度が３３６℃のＰＭＭＡを用いて、２７３ｍ／分の速度で巻き取ることにより、繊維径が８０μｍ、単糸繊度が５５ｄｔｅｘ、クラッド厚みが２．８μｍの照光繊維を得たこと以外は、実施例１と同様にして、紡糸性評価、柔軟性評価、屈曲疲労性評価、撚糸性評価、加工性評価、及び照光繊維の側面照度の測定を行った。以上の結果を表１に示す。

（比較例１）
１６４ｍ／分の速度で巻き取ることにより、繊維径が１００μｍ、単糸繊度が９１．５ｄｔｅｘ、クラッド厚みが３μｍの照光繊維を得たこと以外は、実施例１と同様にして、紡糸性評価、柔軟性評価、屈曲疲労性評価、撚糸性評価、加工性評価、及び照光繊維の側面照度の測定を行った。以上の結果を表１に示す。

（比較例２）
７０ｍ／分の速度で巻き取ることにより、繊維径が１５０μｍ、単糸繊度が２１４ｄｔｅｘ、クラッド厚みが４μｍの照光繊維を得たこと以外は、実施例１と同様にして、紡糸性評価、柔軟性評価、屈曲疲労性評価、撚糸性評価、加工性評価、及び照光繊維の側面照度の測定を行った。以上の結果を表１に示す。

（比較例３）
実施例１と同じコア樹脂を単独で溶融押し出しを行い、繊維径が４８μｍ、単糸繊度が２０ｄｔｅｘの照光繊維を得たこと以外は実施例１と同様にして、紡糸性評価、柔軟性評価、屈曲疲労性評価、撚糸性評価、加工性評価、及び照光繊維の側面照度の測定を行った。以上の結果を表１に示す。

表１に示すように、繊維径が９５μm以下である実施例１～７の照光繊維においては、比較例１～２に比し、フィラメントの端部が斜面に接地する瞬間の移動距離が短く、柔軟性に優れていることが分かる。

また、実施例１～７の照光繊維においては、比較例１～２に比し、破断までの往復折り曲げ回数が非常に多く、屈曲疲労性に優れていることが分かる。

また、実施例１～７の照光繊維においては、比較例１～２に比し、マルチフィラメントが破断するまでの撚り数が非常に多く、加工性に優れていることが分かる。

また、実施例１～７の照光繊維においては、比較例３に比し、照光性能を有していることが分かる。

以上に説明したように、本発明は、特に、繊維構造体に使用される照光繊維に適している。

Claims

コアとクラッドを有し、繊維側面から照光する照光繊維であって、
前記コアに用いられる樹脂がポリメチルメタクリレート、ポリメチルメタクリレート共重合体、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリオルガノシロキサン、及びノルボルネンからなる群より選択される少なくとも１種であり、
前記クラッドに用いられる樹脂がフッ素系樹脂であり、
繊維径が９５μｍ以下であり、
マルチフィラメントであって、破断せずに撚ることができる最大の撚り数が４００回／ｍ以上であることを特徴とする照光繊維。
繊度あたりの荷重が０．０４ｇ／ｄｔｅｘ、屈曲角度が１３５°である屈曲疲労試験における破断回数までの往復折り曲げ回数が１００回以上であることを特徴とする請求項１に記載の照光繊維。
２６０℃での剪断速度１２１６ｓ^－１における、前記コアに用いられる樹脂及び前記クラッドに用いられる樹脂の溶融粘度が３００Ｐａ・ｓ以下であり、２６０℃での剪断速度１０～５００ｓ^－１の領域において、コアの溶融粘度ａとクラッドの溶融粘度ｂとの比（ａ／ｂ）が０．１～８．０の範囲にあることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の照光繊維。
前記コアに用いられる樹脂の１％重量減少温度が２６０℃以上であることを特徴とする請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の照光繊維。
請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の照光繊維を少なくとも一部に用いた繊維構造体。