JP7338286B2 - 繊維構造体、繊維構造体の製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、繊維構造体、および繊維構造体の製造方法に関する。
特許文献１では、シルクフィブロインが繊維材料に含浸されたシルクフィブロイン複合材料が開示されている。
特許文献２では、絹タンパク質を含む熱伝導体の製造方法が開示されている。
特許文献３では、繊維支持体とフィブロイン多孔質体とで構成されたフィブロイン複合体の製造方法が開示されている。
特許文献４では、フィブロイン様構造を有するポリペプチド組成物の製造方法が開示されている。
特開２０１０－９５５９６号公報 特開２００７－２７７４８１号公報 特開２０１５－２１４１３２号公報 国際公開第２０１７／０３０１９７Ａ１号
近年、乾式よる古紙再生技術の分野では、環境負荷低減に向け、繊維同士の結合に用いられる結合材を、石油由来の材料から天然由来の材料に転換することが望まれている。しかしながら、天然由来の材料を用いた場合、再生紙の引張強度や耐折性の確保が困難である、という課題があった。
繊維構造体は、複数の繊維と、前記複数の繊維を結合するフィブロインと、を有し、前記繊維をＡ、前記フィブロインをＢとした場合、下記式（１），（２）を満たすことを特徴とする。
０．０３≦Ｂの体積平均粒径／Ａの短手方向における平均幅≦４．００ ・・・（１）
０．０１≦繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦０．４０ ・・・（２）
上記繊維構造体の前記繊維が、天然繊維、化学繊維、の少なくとも一つから選択される、ことが好ましい。
上記繊維構造体の前記フィブロインが、節足動物またはその幼虫が生成する物質、又はそれらに由来する物質、又は人工的に生成された物質、の少なくとも一つから選択される、ことが好ましい。
上記繊維構造体の前記繊維の表面には、水酸基、アミノ基、カルボニル基の少なくとも１つを有する、ことが好ましい。
上記繊維構造体では、前記繊維の短手方向における前記平均幅が、１μｍ以上１００μｍ以下である、ことが好ましい。
上記繊維構造体では、前記繊維の密度が、０．１ｇ／ｃｍ3以上２．０ｇ／ｃｍ3以下である、ことが好ましい。
繊維構造体の製造方法は、複数の繊維と、前記複数の繊維を結合するフィブロインと、を混合させて繊維体を形成する混合工程と、前記繊維体を気中で堆積させてウェブを形成するウェブ形成工程と、前記ウェブに水溶液を付与する水溶液付与工程と、前記水溶液が付与された前記ウェブを加圧及び加熱して繊維構造体を成形する成形工程と、を含み、前記混合工程では、前記繊維をＡ、前記フィブロインをＢとした場合、下記式（１），（２）を満たし、前記水溶液付与工程では、前記水溶液付与後の繊維構造体に含まれる水分をＣとした場合、下記式（３）を満たす、ことを特徴とする。
０．０３≦Ｂの体積平均粒径／Ａの短手方向における平均幅≦４．００ ・・・（１）
０．０１≦繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦０．４０ ・・・（２）
０．２≦Ｃの質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦１０．０ ・・・（３）
繊維構造体の製造方法は、繊維を含む繊維体を気中で堆積させてウェブを形成するウェブ形成工程と、前記ウェブにフィブロインを含む水溶液を付与する水溶液付与工程と、前記水溶液が付与された前記ウェブを加圧及び加熱して繊維構造体を成形する成形工程と、を含み、前記水溶液付与工程では、前記繊維をＡ、前記フィブロインをＢ、前記水溶液付与後の繊維構造体に含まれる水分をＣとした場合、下記式（１），（２）を満たす、ことを特徴とする。
０．０１≦繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦０．４０ ・・・（１）
０．２≦Ｃの質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦１０．０ ・・・（２）
上記繊維構造体の製造方法では、前記水溶液付与工程の前に、前記繊維の表面を親水化処理する親水化処理工程を有する、ことが好ましい。
繊維構造体の製造方法は、複数の繊維と、前記複数の繊維を結合するフィブロインと、水溶液と、を混合した混合物を成形型に充填する充填工程と、充填された前記混合物を加圧及び加熱して繊維構造体を成形する成形工程と、を含み、前記充填工程では、前記繊維をＡ、前記フィブロインをＢ、前記水溶液付与後の繊維構造体に含まれる水分をＣとした場合、下記式（１），（２）,（３）を満たす、ことを特徴とする。
０．０３≦Ｂの体積平均粒径／Ａの短手方向における平均幅≦４．００ ・・・（１）
０．０１≦繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦０．４０ ・・・（２）
０．２≦Ｃの質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦１０．０ ・・・（３）
上記繊維構造体の製造方法の前記成形工程では、加圧する圧力が、１０ＭＰａ以上８０ＭＰａ以下である、ことが好ましい。
上記繊維構造体の製造方法の前記成形工程では、加熱する加熱温度が、８０℃以上２３０℃以下である、ことが好ましい。
上記繊維構造体の製造方法の前記水溶液には、水が含まれ、その他にメチルアルコールやエチルアルコール、イソプロパノール、ブタノール、ヘキサンジオール等のアルコール類、グリセリン、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ブチレングリコール、チオジグリコール等のグリコール類、のいずれか一つを含んでいてもよい。
実施形態１にかかる繊維構造体の構成を示す模式図。 実施形態１にかかる繊維構造体の構成を示す模式図。 実施形態１にかかる繊維構造体の製造方法を示すフローチャート。 実施形態１にかかる繊維構造体を製造する製造装置の構成を示す模式図。 実施形態２にかかる繊維構造体の製造方法を示すフローチャート。 実施形態２にかかる繊維構造体を製造する製造装置の構成を示す模式図。 実施形態３にかかる繊維構造体の製造方法を示すフローチャート。 実施形態３にかかる繊維構造体の製造方法及び製造装置の構成を示す模式図。 実施形態３にかかる繊維構造体を製造方法及び製造装置の構成を示す模式図。
１．実施形態１
まず、繊維構造体Ｓの構成について説明する。
図１及び図２は、繊維構造体Ｓの構成を示す模式図である。詳細には、図１は、繊維構造体Ｓの構造を示す断面模式図であり、図２は、繊維Ｓａの形態の一例を示す模式図である。
図１に示すように、繊維構造体Ｓは、複数の繊維Ｓａと、複数の繊維Ｓａを結合するフィブロインＳｂと、を有する。繊維構造体Ｓはシート状を成す。ここで、繊維ＳａをＡ、フィブロインＳｂをＢとした場合、下記式（１），（２）を満たす。
０．０３≦Ｂの体積平均粒径／Ａの短手方向における平均幅≦４．００ ・・・（１）
０．０１≦繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦０．４０ ・・・（２）
なお、より好適には、０．５≦Ｂの体積平均粒径／Ａの短手方向における平均幅≦２．００であり、０．１０≦繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦０．２０である。なお、繊維Ｓａの短手方向における平均幅は、図２に示す寸法Ｈである。また、本発明において、乾燥質量とは、１００～１１０℃の温度で水が蒸発し存在しなくなるまで乾燥した状態での質量のことである。
図２に示すように、繊維Ｓａは糸状を成す。そして、繊維Ｓａの長手方向の寸法をＬとし、短手方向における寸法をＨとしたとき、上記式（１）におけるＡの短手方向における平均幅とは、寸法Ｈを指す。
繊維Ｓａ同士が天然由来のフィブロインＳｂによって結合されることで、従来、結合材として石油由来の合成樹脂を使用した場合に比べて環境負荷が低減される。具体的には、石油由来の合成樹脂の生産等にかかる二酸化炭素の排出量の低減につながる。さらに、上記式（１），（２）の条件を満たすことで、引張強度や耐折性が確保された繊維構造体Ｓを提供することができる。すなわち、繊維構造体Ｓを紙とした場合、環境負荷の低減とともに、紙の特徴である強度としなやかさを得ることが可能となる。
繊維Ｓａは、原料としては、特に限定されず、広範な繊維材料を用いることができる。繊維としては、天然繊維（動物繊維、植物繊維）、化学繊維（有機繊維、無機繊維、有機無機複合繊維）などが挙げられ、更に詳しくは、セルロース、絹、羊毛、綿、大麻、ケナフ、亜麻、ラミー、黄麻、マニラ麻、サイザル麻、針葉樹、広葉樹等からなるパルプ繊維や、レーヨン、ビスコースレーヨン、リヨセル、キュプラ、ビニロン、アクリル、ナイロン、アラミド、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、炭素、ガラス、金属、石綿からなる繊維が挙げられ、これらを単独で用いてもよいし、適宜混合して用いてもよいし、精製などを行った再生繊維として用いてもよい。原料としては、例えば、古紙、古布等が挙げられるが、これらの繊維の少なくとも１種を含んでいればよい。また、繊維は、乾燥されていてもよいし、水、有機溶剤等の液体が含有又は含浸されていてもよい。また、各種の表面処理がされていてもよい。また、繊維の材質は、純物質であってもよいし、不純物、添加物及びその他の成分など、複数の成分を含む材質であってもよい。環境負荷低減の観点からは、天然繊維を用いることが好ましい。種々の繊維ＳａをフィブロインＳｂによって結合させて、各種の繊維構造体Ｓを構成することができる。
繊維構造体Ｓａの繊維の表面には、水酸基、アミノ基、カルボニル基の少なくとも１つを有する。この場合、例えば、繊維構造体Ｓａの繊維の表面が水酸基のみであってもよいし、他の基を含む形態であってもよい。これにより、繊維Ｓａ間の結合力を高めることができる。また、繊維Ｓａの短手方向における平均幅Ｈは、１μｍ以上１００μｍ以下である。さらに、繊維構造体Ｓでは、繊維Ｓａの密度が、０．１ｇ／ｃｍ3以上２．０ｇ／ｃｍ3以下である。これにより、繊維構造体Ｓにおける引張強度や耐折性をより高めることができる。
フィブロインＳｂは、節足動物またはその幼虫が生成する物質、又はそれらに由来する物質、又は人工的に生成された物質、の少なくとも一つから選択される。すなわち、フィブロインＳｂは天然由来の物質であり、環境負荷を低減できる。また、フィブロインＳｂは生分解性を有しており、さらに環境負荷を低減することができる。節足動物は、例えば、クモ科の動物等であり、節足動物の幼虫は、例えば、カイコやミノムシ等である。また、天然のクモの他、天然クモの牽引糸のクモ体内での生産機構を人造繊維や人工繊維の製造に応用して得られたフィブロイン様構造を有するポリペプチド組成物であってもよい。また、フィブロインＳｂは、上記の物質を適宜混合させた形態であってもよい。フィブロインＳｂは、例えば、粒子状を成す。粉砕することにより所定の粒径を有することができる。粉砕は、ハンマーミル、ピンミル、カッターミル、パルペライザー、ターボミル、ディスクミル、スクリーンミル、ジェットミルなどの粉砕機で行うことができる。これらを適宜組み合わせて粒子を得ることができる。また、粉砕の工程は、まずおよその粒径が１ｍｍ程度となるように粗く粉砕した後、目的の粒径となるように細かく粉砕するなど、段階的に行われてもよい。このような場合でも各段階において、適宜例示した装置を利用することができる。更に粉砕の効率を高めるため凍結粉砕法を用いることもできる。このように得られたフィブロインＳｂは、様々な大きさのものが含まれている場合もあり、目的とする粒径とするため、必要に応じて公知の分級装置を用いて分級してもよい。フィブロインＳｂの粒子の粒径（体積平均粒径）は、０．１μｍ以上１００μｍ以下が好ましく、より好ましくは１μｍ以上６０μｍ以下、さらに好ましくは１μｍ４０μｍ以下である。
フィブロインＳｂの粒子の体積平均粒径は、例えば、レーザ回折散乱法を測定原理とする粒度分布測定装置により測定することができる。粒度分布測定装置としては、レーザ回折式粒子径分布測定装置「ＳＡＬＤ―２３００」株式会社島津製作所製）が挙げられる。
また、フィブロインＳｂに加え、必要に応じて、繊維と結合する結合材として、天然樹脂や合成樹脂をさらに含んでもよい。天然樹脂として、ロジン、ダンマル、マスチック、コーパル、琥珀、シェラック、麒麟血、サンダラック、コロホニウムデンプン、カゼイン、ゼラチン、天然ゴム等があげられる。合成樹脂として、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン、熱硬化性ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ナイロン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアセタール、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、スチレン系樹脂、アクリル系樹脂、スチレン－アクリル系共重合樹脂、オレフィン系樹脂、塩化ビニル系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリビニルアルコール系樹脂、ビニルエーテル系樹脂、Ｎ－ビニル系樹脂、スチレン－ブタジエン系樹脂等の熱可塑性樹脂があげられる。環境負荷低減の観点から、天然樹脂が好ましい。前記フィブロインに追加して使用することで、さらに引張強度を高めることができる他、生産性向上、コスト削減を見込める。
フィブロインＳｂには、繊維構造体を着色するための着色剤や、繊維構造体等が燃えにくくするための難燃剤が含まれていてもよい。また、フィブロインＳｂの凝集を防止するための凝集抑制剤が含まれていてもよい。凝集抑制剤としては、無機物からなる微粒子が挙げられ、これをフィブロインＳｂの表面に配置することで、非常に優れた凝集抑制効果を得ることができる。凝集抑制剤の材質の具体例としては、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化セリウム、酸化マグネシウム、酸化ジルコニウム、チタン酸ストロンチウム、チタン酸バリウム、炭酸カルシウムを挙げることができる。凝集抑制剤の粒子の平均粒径（数平均粒径）は、特に限定されないが、好ましくは、０．００１～１μｍであり、より好ましくは、０．００８～０．６μｍである。凝集抑制剤の一次粒子の粒径がこの範囲内であれば、フィブロインＳｂの表面に良好にコーティングを行うことができ、十分な凝集抑制効果を付与することができる。凝集抑制剤をフィブロインＳｂに添加する場合の添加量は、フィブロインＳｂ１００質量部に対して、０．１質量部以上５質量部以下とすれば、上記効果を得ることができ、該効果を高め、及び／又は製造されるシートから凝集抑制剤が脱離することを抑制する、などの観点から、フィブロインＳｂ１００質量部に対して、好ましくは０．２質量部以上４質量部以下、より好ましくは０．５質量部以上３質量部以下とすることができる。フィブロインＳｂの表面に凝集抑制剤を配置する態様としては、コーティング、被覆等が挙げられるが、必ずしもフィブロインＳｂの表面全体を覆っていなくてもよい。
次に、繊維構造体Ｓの製造方法について説明する。図３は、繊維構造体Ｓの製造方法を示すフローチャートである。図４は、繊維構造体Ｓを製造する製造装置１００の構成を示す模式図である。
図３に示すように、繊維構造体Ｓの製造方法は、複数の繊維Ｓａと、複数の繊維Ｓａを結合するフィブロインＳｂと、を混合させて繊維体を形成する混合工程（ステップＳ１１）と、繊維体を気中で堆積させてウェブを形成するウェブ形成工程（ステップＳ１２）と、ウェブに水溶液を付与する水溶液付与工程（ステップＳ１３）と、水溶液が付与されたウェブを加圧及び加熱して繊維構造体Ｓを成形する成形工程（ステップＳ１４）とを含む。
ここで、混合工程では、繊維ＳａをＡ、フィブロインＳｂをＢとした場合、下記式（１），（２）を満たし、水溶液付与工程では、水溶液付与後の繊維構造体に含まれる水分をＣとした場合、下記式（３）を満たす。
０．０３≦Ｂの体積平均粒径／Ａの短手方向における平均幅≦４．００ ・・・（１）
０．０１≦Ｂの質量／（Ａの質量＋Ｂの質量）≦０．４０ ・・・（２）
０．２≦Ｃの質量／（Ａの質量＋Ｂの質量）≦１０．０ ・・・（３）
ここで、繊維Ｓａの短手方向における平均幅は、図２に示す寸法Ｈであり、Ａの質量は、繊維構造体おけるＡの絶乾質量であり、Ｂの質量は、繊維構造体におけるＢの絶乾質量である。
なお、より好適には、０．５≦Ｂの体積平均粒径／Ａの短手方向における平均幅≦２．００であり、０．１０≦Ｂの質量／（Ａの質量＋Ｂの質量）≦０．２０であり、０．５≦Ｃの質量／（Ａの質量＋Ｂの質量）≦２．０である。
以下、製造装置１００を用いた繊維構造体Ｓの製造方法について説明する。
本実施形態の製造装置１００は、例えば、原料としての使用済みの古紙を乾式で解繊して繊維化した後、加圧、加熱、切断することによって、新しいシート状の繊維構造体Ｓ、すなわち再生紙を製造するのに好適な装置である。なお、本実施形態で製造される繊維構造体Ｓは、Ａ４サイズの用紙である。なお、製造装置１００では、各種サイズのオフィス用紙、名刺用紙など、用途に合わせて、さまざまな厚さ・サイズのシート状の繊維構造体Ｓを製造することができる。
図４に示すように、製造装置１００は、例えば、供給部１０と、粗砕部１２と、解繊部２０と、選別部４０と、第１ウェブ形成部４５と、回転体４９と、混合部５０と、堆積部６０と、第２ウェブ形成部７０と、搬送部７９と、水溶液付与部３１０、シート形成部８０と、切断部９０と、を含む。
ここで、混合部５０は、混合工程（ステップＳ１１）に相当し、堆積部６０及び第２ウェブ形成部７０は、ウェブ形成工程（ステップＳ１２）に相当し、水溶液付与部３１０は、水溶液付与工程（ステップＳ１３）に相当し、シート形成部８０は、成形工程（ステップＳ１４）に相当する。
製造装置１００は、例えば、原料に対する加湿、および原料が移動する空間を加湿する目的で、加湿部２０２，２０４，２０６，２０８，２１０，２１２を含む。
供給部１０は、粗砕部１２に原料を供給する。粗砕部１２に供給される原料は、古紙やパルプのセルロース系繊維を含むものである。本実施形態では、古紙を原料とする構成を例示する。供給部１０は、例えば、古紙を重ねて蓄積するスタッカーと、スタッカーから古紙を粗砕部１２に送り出す自動投入装置と、を有する。
粗砕部１２は、供給部１０によって供給された原料を粗砕刃１４によって裁断して、粗砕片にする。粗砕刃１４は、大気中等の気中で原料を裁断する。粗砕部１２は、例えば、原料を挟んで裁断する一対の粗砕刃１４と、粗砕刃１４を回転させる駆動部と、を有し、いわゆるシュレッダーと同様の構成とすることができる。
粗砕部１２は、粗砕刃１４により裁断されて落下する粗砕片を受けるシュート９を有する。シュート９には、解繊部２０に連通する管２が連結され、管２は、粗砕片を、解繊部２０に搬送させるための搬送路を形成する。
解繊部２０は、粗砕部１２で裁断された粗砕物を解繊する。より具体的には、解繊部２０は、粗砕部１２によって裁断された原料を解繊処理し、解繊物を生成する。ここで、「解繊する」とは、複数の繊維が結着されてなる原料を、繊維１本１本に解きほぐすことをいう。解繊部２０は、原料に付着した樹脂粒やインク、トナー、にじみ防止剤等の物質を、繊維から分離させる機能を有する。
解繊部２０は、乾式で解繊を行う。ここで、液体中ではなく、大気中等の気中において、解繊等の処理を行うことを乾式と称する。解繊部２０は、例えば、インペラーミルを用いて構成される。解繊物は、排出口２４から管３通り、解繊ブロアー２６を介して選別部４０に搬送される。
選別部４０には、管３から解繊部２０により解繊された解繊物が気流とともに流入する導入口４２が設けられる。選別部４０は、導入口４２に導入する解繊物を、繊維の長さによって選別する。詳細には、選別部４０は、解繊部２０により解繊された解繊物のうち、予め定められたサイズ以下の解繊物を第１選別物とし、第１選別物より大きい解繊物を第２選別物として、選別する。第１選別物は、繊維Ｓａまたは粒子等を含み、第２選別物は、例えば、大きい繊維、未解繊片、十分に解繊されていない粗砕片、解繊された繊維が凝集し、あるいは絡まったダマ等を含む。
選別部４０は、例えば、ドラム部４１と、ドラム部４１を収容するハウジング部４３と、を有する。
ドラム部４１は、モーターによって回転駆動される円筒の篩である。ドラム部４１は、網を有し、篩として機能する。この網の目により、ドラム部４１は、網の目開きの大きさより小さい第１選別物と、網の目開きより大きい第２選別物と、を選別する。
導入口４２に導入された解繊物は、気流とともにドラム部４１の内部に送り込まれ、ドラム部４１の回転によって第１選別物がドラム部４１の網の目から下方に落下する。ドラム部４１の網の目を通過できない第２選別物は、導入口４２からドラム部４１に流入する気流により流されて排出口４４に導かれ、管８に送り出される。管８を通って流される第２選別物は、粗砕部１２により裁断された粗砕片とともに管２を流れ、解繊部２０の導入口２２に導かれる。
また、ドラム部４１により選別される第１選別物は、ドラム部４１の網の目を通って空気中に分散し、ドラム部４１の下方に位置する第１ウェブ形成部４５のメッシュベルト４６に向けて降下する。
第１ウェブ形成部４５は、メッシュベルト４６と、ローラー４７と、吸引部４８と、を有している。メッシュベルト４６は、無端形状のベルトであって、３つのローラー４７に懸架され、ローラー４７の動きにより、図中矢印で示す方向に搬送される。メッシュベルト４６の表面は、所定サイズの開口が並ぶ網で構成される。選別部４０から降下する第１選別物のうち、網の目を通過するサイズの微粒子は、メッシュベルト４６の下方に落下し、網の目を通過できないサイズの繊維Ｓａがメッシュベルト４６に堆積し、メッシュベルト４６とともに矢印方向に搬送される。ここで、メッシュベルト４６に堆積される繊維Ｓａの短手方向における平均幅の寸法Ｈは、１μｍ以上１００μｍ以下である。
メッシュベルト４６から落下する微粒子は、解繊物の中で比較的小さいものや密度の低いものである。
吸引部４８は、メッシュベルト４６の下方から空気を吸引する。吸引部４８は、管２３を介して集塵部２７に連結される。集塵部２７の下流には捕集ブロアー２８が設置され、捕集ブロアー２８は、集塵部２７から空気を吸引する集塵用吸引部として機能する。また、捕集ブロアー２８が排出する空気は、管２９を経て製造装置１００の外に排出される。
メッシュベルト４６の搬送経路において、選別部４０の下流側には、加湿部２１０によって、ミストを含む空気が供給される。加湿部２１０が生成する水の微粒子であるミストは、第１ウェブＷ１に向けて降下し、第１ウェブＷ１に水分を供給する。これにより、第１ウェブＷ１が含む水分量が調整され、静電気によるメッシュベルト４６への繊維Ｓａの吸着等を抑制できる。
製造装置１００は、メッシュベルト４６に堆積した第１ウェブＷ１を分断する回転体４９を有している。第１ウェブＷ１は、メッシュベルト４６がローラー４７により折り返す位置で、メッシュベルト４６から剥離して、回転体４９により分断される。
第１ウェブＷ１は、繊維Ｓａが堆積してウェブ形状となった柔らかい材料であり、回転体４９は、第１ウェブＷ１の繊維Ｓａをほぐして、後述する混合部５０でフィブロインＳｂを混合しやすい状態に加工する。
回転体４９の構成は任意であるが、図示の例では、回転体４９は、板状の羽根を有し回転する回転羽形状を有する。回転体４９は、メッシュベルト４６から剥離する第１ウェブＷ１と羽根とが接触する位置に配置される。回転体４９の回転、例えば図中矢印Ｒで示す方向への回転により、メッシュベルト４６から剥離して搬送される第１ウェブＷ１に羽根が衝突して分断し、細分体Ｐを生成する。
なお、回転体４９は、回転体４９の羽根がメッシュベルト４６に衝突しない位置に設置されることが好ましい。
回転体４９によって分断された細分体Ｐは、管７の内部を下降して、管７の内部を流れる気流によって混合部５０へ搬送される。
混合部５０は、フィブロインＳｂを供給する結合材供給部５２と、管７に連通し、細分体Ｐを含む気流が流れる管５４と、混合ブロアー５６と、を有する。
細分体Ｐは、上述のように選別部４０を通過した第１選別物から除去物を除去した繊維Ｓａで構成される。混合部５０は、細分体Ｐを構成する繊維Ｓａと、フィブロインＳｂと、を混合する。
混合部５０では、混合ブロアー５６によって気流を発生させ、管５４中において、細分体ＰとフィブロインＳｂとを混合させながら、搬送する。また、細分体Ｐは、管７および管５４の内部を流れる過程でほぐされて、より細かい繊維状となる。
結合材供給部５２は、フィブロインＳｂを蓄積する図示しないカートリッジに接続され、カートリッジ内部のフィブロインＳｂを管５４に供給する。カートリッジは、結合材供給部５２に着脱可能な構成であってもよい。結合材供給部５２は、フィブロインＳｂをいったん貯留する。結合材供給部５２は、貯留したフィブロインＳｂを管５４に送る排出部５２ａを有する。
フィブロインＳｂは、節足動物またはその幼虫が生成する物質、又はそれらに由来する物質、又は人工的に生成された物質、の少なくとも一つから選択される。すなわち、フィブロインＳｂは天然由来の物質である。また、フィブロインＳｂに加え、繊維と結合する結合材として、天然樹脂や合成樹脂をさらに含んでもよい。
結合材供給部５２では、下記式を満たすように、フィブロインＳｂを供給する。
０．０３≦フィブロインＳｂの体積平均粒径／繊維Ｓａの短手方向における平均幅≦４．００、さらには、０．５≦フィブロインＳｂの体積平均粒径／繊維Ｓａの短手方向における平均幅≦２．００。
また、０．０１≦繊維構造体全量に対するフィブロインＳｂの乾燥質量／（繊維構造体全量に対する繊維Ｓａの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するフィブロインＳｂの乾燥質量）≦０．４０。さらには、０．１０≦繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦０．２０。
混合ブロアー５６が発生する気流により、管７を降下する細分体Ｐ、および結合材供給部５２により供給されるフィブロインＳｂは、管５４の内部に吸引され、混合ブロアー５６内部を通過する。混合ブロアー５６が発生する気流、および混合ブロアー５６が有する羽根等の回転部の作用により、細分体Ｐを構成した繊維ＳａとフィブロインＳｂを含むフィブロインＳｂとが混合されて繊維体が形成される。この繊維体、すなわち第１選別物とフィブロインＳｂとが混合された繊維体は、管５４を通って堆積部６０に搬送される。
なお、第１選別物とフィブロインＳｂとを混合させる機構は、特に限定されず、高速回転する羽根により攪拌するものであってもよいし、Ｖ型ミキサーのように容器の回転を利用するものであってもよく、これらの機構を混合ブロアー５６の上流または下流に設置してもよい。
堆積部６０は、混合部５０を通過した繊維体を導入口６２から導入し、絡み合った繊維体をほぐして、空気中で分散させながら降らせる。これにより、堆積部６０は、第２ウェブ形成部７０に、繊維体を均一性よく堆積させることができる。
堆積部６０は、ドラム部６１と、ドラム部６１を収容するハウジング部６３と、を有する。ドラム部６１は、モーターによって回転駆動される円筒の篩である。ドラム部６１は、網を有し、篩として機能する。この網の目により、ドラム部６１は、網の目開きのより小さい繊維Ｓａや粒子を通過させ、ドラム部６１から下降させる。ドラム部６１の構成は、例えば、ドラム部４１の構成と同じである。
なお、ドラム部６１の「篩」は、特定の対象物を選別する機能を有していなくてもよい。すなわち、ドラム部６１として用いられる「篩」とは、網を備えたもの、という意味であり、ドラム部６１は、ドラム部６１に導入された繊維体の全てを降らしてもよい。
ドラム部６１の下方には第２ウェブ形成部７０が配置される。第２ウェブ形成部７０は、堆積部６０を通過した通過物を堆積して、ウェブとしての第２ウェブＷ２を形成する。第２ウェブ形成部７０は、例えば、メッシュベルト７２と、ローラー７４と、サクション機構７６と、を有している。
メッシュベルト７２は、無端形状のベルトであって、複数のローラー７４に懸架され、ローラー７４の動きにより、図中矢印で示す方向に搬送される。メッシュベルト７２は、例えば、金属製、樹脂製、布製、あるいは不織布等である。メッシュベルト７２の表面は、所定サイズの開口が並ぶ網で構成されている。ドラム部６１から降下する繊維Ｓａや粒子のうち、網の目を通過するサイズの微粒子は、メッシュベルト７２の下方に落下し、網の目を通過できないサイズの繊維がメッシュベルト７２に堆積し、メッシュベルト７２とともに矢印方向に搬送される。メッシュベルト７２は、繊維構造体Ｓを製造する通常動作中には、一定の速度Ｖ２で移動する。通常動作中とは、上述した通りである。
メッシュベルト７２の網の目は、微細であり、ドラム部６１から降下する繊維Ｓａや粒子の大半を通過させないサイズとすることができる。
サクション機構７６は、メッシュベルト７２の下方に設けられる。サクション機構７６は、サクションブロアー７７を備え、サクションブロアー７７の吸引力によって、サクション機構７６に下方に向く気流を発生させることができる。
サクション機構７６によって、堆積部６０により空気中に分散された繊維体をメッシュベルト７２上に吸引する。これにより、メッシュベルト７２上における第２ウェブＷ２の形成を促進し、堆積部６０からの排出速度を大きくすることができる。さらに、サクション機構７６によって、繊維体の落下経路にダウンフローを形成することができ、落下中に繊維ＳａやフィブロインＳｂが絡み合うことを防ぐことができる。
サクションブロアー７７は、サクション機構７６から吸引した空気を、図示しない捕集フィルターを通じて、製造装置１００の外に排出してもよい。あるいは、サクションブロアー７７が吸引した空気を集塵部２７に送り込み、サクション機構７６が吸引した空気に含まれる除去物を捕集してもよい。
ドラム部６１を含む空間には、加湿部２０８により加湿空気が供給される。この加湿空気によって、堆積部６０の内部を加湿することができ、静電力によるハウジング部６３への繊維ＳａやフィブロインＳｂの付着を抑え、繊維ＳａやフィブロインＳｂをメッシュベルト７２に速やかに降下させ、好ましい形状の第２ウェブＷ２を形成させることができる。
以上のように、堆積部６０および第２ウェブ形成部７０を経ることにより、空気を多く含み柔らかくふくらんだ状態の第２ウェブＷ２が形成される。メッシュベルト７２に堆積された第２ウェブＷ２は、シート形成部８０へと搬送される。
メッシュベルト７２の搬送経路において、堆積部６０の下流側には、加湿部２１２によって、ミストを含む空気が供給される。これにより、加湿部２１２が生成するミストが第２ウェブＷ２に供給され、第２ウェブＷ２が含む水分量が調整される。これにより、静電気によるメッシュベルト７２への繊維Ｓａの吸着等を抑制できる。
製造装置１００は、メッシュベルト７２上の第２ウェブＷ２を、シート形成部８０に搬送する搬送部７９を有している。搬送部７９は、例えば、メッシュベルト７９ａと、ローラー７９ｂと、サクション機構７９ｃと、を有している。
サクション機構７９ｃは、図示しないブロアーを備え、ブロアーの吸引力によってメッシュベルト７９ａに上向きの気流を発生させる。この気流は、第２ウェブＷ２を吸引し、第２ウェブＷ２は、メッシュベルト７２から離れてメッシュベルト７９ａに吸着される。メッシュベルト７９ａは、ローラー７９ｂの自転により移動し、第２ウェブＷ２をシート形成部８０に搬送する。メッシュベルト７２の移動速度と、メッシュベルト７９ａの移動速度とは、例えば、同じである。
このように、搬送部７９は、メッシュベルト７２に形成された第２ウェブＷ２を、メッシュベルト７２から剥がして搬送する。
搬送部７９の下流側には、水溶液付与部３１０が配置される。水溶液付与部３１０は、第２ウェブＷ２に対して水溶液を付与する。水溶液は水を含むとともに、メチルアルコールやエチルアルコール、イソプロパノール、ブタノール、ヘキサンジオール等のアルコール類、グリセリン、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ブチレングリコール、チオジグリコール等のグリコール類、のいずれか一つを含むものであってもよい。
本発明において、前記水溶液に含む水は、イオン交換水、限外ろ過水、逆浸透水、蒸留水などの純水又は超純水を用いることが好ましい。特にこれらの水を紫外線照射又は過酸化水素添加などにより滅菌処理した水は、長期間に亘りカビやバクテリアの発生を抑制することができるので好ましい。
水溶液付与部３１０では、下記式を満たすように、水溶液を付与する。
０．２≦水溶液付与後の繊維構造体に含有する水分量／（繊維構造体全量に対する繊維Ｓａの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するフィブロインＳｂの乾燥質量）≦１０．０。さらには、０．５≦水溶液付与後の繊維構造体に含有する水分量／（繊維構造体全量に対する繊維Ｓａの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するフィブロインＳｂの乾燥質量）≦２．０。
第２ウェブＷ２に水溶液を付与することで、繊維Ｓａ間の水素結合が促進され、繊維Ｓａ間の接合強度を高めることができる。
本実施形態の水溶液付与部３１０は、第２ウェブＷ２に対して水溶液を付与する。付与する方法は既知の方法を適用することができ、例えば、ロールコーター、ダイコーター、スプレー、インクジェットなどがあげられる。さらに、第２ウェブＷ２への損傷を抑制する点において、非接触な状態で水溶液を付与することが好ましい。水溶液付与部３１０は、インクジェットヘッドが搭載された構造である。当該インクジェットヘッドは、駆動部としてのピエゾ素子を有し、ピエゾ素子を変位させることで、水溶液を液滴として吐出させることができる。なお、水溶液付与部３１０は、例えば、スプレー構造や霧吹き構造等を有したものであってもよい。これにより、第２ウェブＷ２への損傷を抑制することができる。
シート形成部８０は、水溶液が付与された第２ウェブＷ２からシート状の繊維構造体Ｓを形成する。より具体的には、シート形成部８０は、メッシュベルト７２に堆積され搬送部７９により搬送された第２ウェブＷ２を、加圧加熱して繊維構造体Ｓを成形する。シート形成部８０では、第２ウェブＷ２を加熱することにより、複数の繊維Ｓａを、互いにフィブロインＳｂを介して結着させる。
シート形成部８０は、第２ウェブＷ２を加圧する加圧部８２と、加圧部８２により加圧された第２ウェブＷ２を加熱する加熱部８４と、を有する。
加圧部８２は、一対のカレンダーローラー８５で構成され、第２ウェブＷ２を所定のニップ圧で挟んで加圧する。加圧部８２による加圧圧力は、１０ＭＰａ以上８０ＭＰａ以下である。より好ましくは、３０ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下である。第２ウェブＷ２は、加圧されることによりその厚さが小さくなり、第２ウェブＷ２の密度が高められる。一対のカレンダーローラー８５の一方は、図示しないモーターにより駆動される駆動ローラーであり、他方は従動ローラーである。カレンダーローラー８５は、モーターの駆動力により回転して、加圧により高密度になった第２ウェブＷ２を、加熱部８４に向けて搬送する。
加熱部８４は、例えば、加熱ローラー、熱プレス成形機、ホットプレート、温風ブロアー、赤外線加熱器、フラッシュ定着器、蒸気過熱シリンダ、加熱熱風エアドライヤ、ガスヒータードライヤ、電気ヒータードライヤ、赤外線ヒータードライヤ等各種の方法を単独もしくは併用して用いて構成されている。図示の例では、加熱部８４は、一対の加熱ローラー８６を備える。加熱ローラー８６は、内部または外部に設置されるヒーターによって、予め設定された温度に加温される。加熱ローラー８６は、カレンダーローラー８５によって加圧された第２ウェブＷ２を挟んで熱を与え、繊維構造体Ｓを形成する。加熱部８４における加熱温度は、８０℃以上２３０℃以下である。これにより、繊維Ｓａ間のフィブロインＳｂが溶融し、繊維Ｓａ間の接合強度を高めることができる。なお、加熱ローラー８６においても、１０ＭＰａ以上８０ＭＰａ以下で加圧する。より好ましくは、３０ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下で加圧する。
一対の加熱ローラー８６の一方は、図示しないモーターにより駆動される駆動ローラーであり、他方は従動ローラーである。加熱ローラー８６は、モーターの駆動力により回転して、加熱した繊維構造体Ｓを、切断部９０に向けて搬送する。
このように、堆積部６０で形成された第２ウェブＷ２は、シート形成部８０で加圧および加熱されて、シート状の繊維構造体Ｓとなる。
なお、加圧部８２が備えるカレンダーローラー８５の数、および加熱部８４が備える加熱ローラー８６の数は、特に限定されない。
切断部９０は、シート形成部８０によって成形された繊維構造体Ｓを切断する。図示の例では、切断部９０は、繊維構造体Ｓの搬送方向と交差する方向に繊維構造体Ｓを切断する第１切断部９２と、搬送方向に平行な方向に繊維構造体Ｓを切断する第２切断部９４と、を有している。第２切断部９４は、例えば、第１切断部９２を通過した繊維構造体Ｓを切断する。
以上により、所定のサイズの単票の繊維構造体Ｓが成形される。切断された単票の繊維構造体Ｓは、排出部９６へと排出される。排出部９６は、所定サイズの繊維構造体Ｓを載せるトレイあるいはスタッカーを有している。
なお、水溶液付与部３１０によって第２ウェブＷ２に水溶液を付与する水溶液付与工程（ステップＳ１３）の前に、繊維Ｓａの表面を親水化処理する親水化処理工程を有してもよい。さらに好適には、混合工程（ステップＳ１１）の前に、親水化処理工程を有してもよい。
本実施形態では、選別部４０と結合材供給部５２との間に親水化処理装置としてのプラズマ処理装置３２０が配置される。プラズマ処理装置３２０は、プラズマビームを発生させ、メッシュベルト４６に堆積した第１ウェブＷ１に対してプラズマビームを当てる。これにより、発生した活性酸素が第１ウェブＷ１を構成する繊維Ｓａの表面に衝突して、表面層の分子鎖を切断し、切断された分子と反応して新たな官能基（ＯＨ，ＣＨＯ，ＣＯＯＨなど）を生成することで親水化処理される。これにより、繊維Ｓａ間の接合強度を高めることができる。
なお、プラズマ処理装置３２０に替えてＵＶオゾンを発生させるＵＶオゾン装置、コロナ放電処理装置等であってもよい。また、プラズマ処理装置３２０を、粗砕部１２に配置してもよいし、堆積部６０と水溶液付与部３１０との間に配置してもよい。
なお、上記では、最初に粗砕部１２において原料を粗砕し、粗砕された原料から繊維構造体Ｓを製造するものとしたが、例えば、原料として繊維Ｓａを用いて繊維構造体Ｓを製造する構成とすることも可能である。
例えば、解繊部２０が解繊処理した解繊物と同等の繊維を原料として、ドラム部４１に投入可能な構成であってもよい。また、解繊物から分離された第１選別物と同等の繊維Ｓａを原料として、管５４に投入可能な構成とすればよい。この場合、古紙やパルプ等を加工した繊維Ｓａを製造装置１００に供給することで、繊維構造体Ｓを製造できる。
以上の通り、繊維Ｓａ同士が天然由来のフィブロインＳｂによって結合されるため、環境負荷が低減される。また、上記式の条件を満たすことで、引張強度や耐折性が確保された繊維構造体Ｓを製造することができる。
２．実施形態２
図５は、本実施形態にかかる繊維構造体Ｓの製造方法を示すフローチャートである。図６は、本実施形態にかかる繊維構造体Ｓを製造する製造装置１００Ａの構成を示す模式図である。なお、実施形態１と同一の構成部位については、同一の番号を使用し、重複する説明は省略する。また、製造装置１００Ａによって製造された繊維構造体Ｓの構成は、実施形態１と同様なので説明を省略する。
図５に示すように、繊維構造体Ｓの製造方法は、繊維Ｓａを含む繊維体を気中で堆積させてウェブを形成するウェブ形成工程（ステップＳ２１）と、ウェブにフィブロインＳｂを含む水溶液を付与する水溶液付与工程（ステップＳ２２）と、水溶液が付与されたウェブを加圧及び加熱して繊維構造体Ｓを成形する成形工程（ステップＳ２３）と、を含む。
ここで、水溶液付与工程では、繊維ＳａをＡ、フィブロインＳｂをＢ、水溶液付与後の繊維構造体に含まれる水分をＣとした場合、下記式（１），（２）を満たす。
０．０１≦繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦０．４０ ・・・（１）
０．２≦Ｃの質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦１０．０ ・・・（２）
なお、より好適には、０．１０≦繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦０．２０であり、０．５≦Ｃの質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦２．０である。
以下、製造装置１００Ａを用いて繊維構造体Ｓの製造方法について説明する。
図６に示すように、製造装置１００Ａは、供給部１０と、粗砕部１２と、解繊部２０と、選別部４０と、第１ウェブ形成部４５と、回転体４９と、堆積部６０と、第２ウェブ形成部７０と、搬送部７９と、水溶液付与部３４０、シート形成部８０と、切断部９０と、を含む。また、繊維Ｓａの表面を親水化させるプラズマ処理装置３２０を備える。すなわち、本実施形態では、繊維ＳａとフィブロインＳｂとを混合させる混合部（混合工程に相当）が省略された点が、実施形態１の構成と異なる点である。
ここで、堆積部６０及び第２ウェブ形成部７０は、ウェブ形成工程（ステップＳ２１）に相当し、水溶液付与部３４０は、水溶液付与工程（ステップＳ２２）に相当し、シート形成部８０は、成形工程（ステップＳ２３）に相当する。
製造装置１００Ａにおいて、供給部１０、粗砕部１２、解繊部２０、選別部４０、第１ウェブ形成部４５、回転体４９、搬送部７９、シート形成部８０及び切断部９０の構成や加工条件等は、実施形態１と同様なので説明を省略する。さらに、プラズマ処理装置３２０（親水化処理工程に相当）も実施形態１の構成と同様なので説明を省略する。
堆積部６０は、上流側から搬送された繊維Ｓａを含む繊維体を空気中で分散させながら降らせる。これにより、堆積部６０は、第２ウェブ形成部７０に、繊維体を均一性よく堆積させることができる。堆積部６０のドラム部６１の下方には第２ウェブ形成部７０が配置される。第２ウェブ形成部７０は、堆積部６０を通過した通過物を堆積して、ウェブとしての第２ウェブＷ２を形成する。なお、堆積部６０及び第２ウェブ形成部７０の詳細な構成は、実施形態１の構成と同様なので説明を省略する。
搬送部７９の下流側には、水溶液付与部３４０が配置される。水溶液付与部３４０は、第２ウェブＷ２に対してフィブロインＳｂを含む水溶液を付与する。水溶液には、水、メチルアルコールやエチルアルコール、イソプロパノール、ブタノール、ヘキサンジオール等のアルコール類、グリセリン、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ブチレングリコール、チオジグリコール等のグリコール類、の少なくとも一つを含む。例えば、アルコール類を添加することで、フィブロインの硬化を促すことで強度を向上させること、またグリコール類を添加することで、柔軟性を向上することも可能である。
水溶液付与部３１０では、下記式を満たすように、水溶液を付与する。
０．２≦水溶液付与後の繊維構造体に含有する水分量／（繊維構造体全量に対する繊維Ｓａの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するフィブロインＳｂの乾燥質量）≦１０．０。さらには、０．５≦水溶液付与後の繊維構造体に含有する水分量／（繊維構造体全量に対する繊維Ｓａの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するフィブロインＳｂの乾燥質量）≦２．０。
また、０．０１≦繊維構造体全量に対するフィブロインＳｂの乾燥質量／（繊維構造体全量に対する繊維Ｓａの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するフィブロインＳｂの乾燥質量）≦０．４０。さらには、０．１０≦繊維構造体全量に対するフィブロインＳｂの質量／（繊維構造体全量に対する繊維Ｓａの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するフィブロインＳｂの質量）≦０．２０。第２ウェブＷ２にフィブロインＳｂを含む水溶液を付与することで、繊維Ｓａに対してフィブロインＳｂを容易に添加させることができるとともに、繊維Ｓａ間の水素結合が促進され、繊維Ｓａ間の接合強度を高めることができる。
本実施形態の水溶液付与部３４０は、第２ウェブＷ２に対してフィブロインＳｂを含む水溶液を付与する。付与する方法は既知の方法を適用することができ、例えば、ロールコーター、ダイコーター、スプレー、インクジェットなどがあげられる。さらに、第２ウェブＷ２への損傷を抑制する点において、非接触な状態でフィブロインＳｂを含む水溶液を付与することが好ましい。水溶液付与部３４０は、例えば、水溶液を液滴として吐出可能なインクジェットヘッドが搭載された構造やスプレー構造、霧吹き構造を適用することができる。これにより、第２ウェブＷ２への損傷を抑制することができる。
以降、シート形成部８０及び切断部９０を介して繊維構造体Ｓが形成される。
本実施形態によれば、実施形態１の効果に加え、繊維構造体Ｓの製造において、繊維ＳａとフィブロインＳｂとを混合させる混合部（混合工程に相当）を省略したので、繊維構造体Ｓの製造方法及び製造装置１００Ａの構成を簡略化させることができる。
３．実施形態３
図７は、本実施形態にかかる繊維構造体Ｓの製造方法を示すフローチャートである。図８及び図９は、本実施形態にかかる繊維構造体Ｓの製造方法及び製造装置１００Ｂの構成を示す模式図である。なお、製造装置１００Ｂによって製造された繊維構造体Ｓの構成は、実施形態１と同様なので説明を省略する。
図７に示すように、繊維構造体Ｓの製造方法は、充填工程（ステップＳ３１）と成形工程（ステップＳ３２）と、を含む。
図８に示すように、本実施形態の製造装置１００Ｂは、成形型としての下型部４０１と上型部４０２とを備えた加熱加圧装置である。下型部４０１は凹部４０１ａを有する。上型部４０２は、凹部４０１ａに嵌入可能なヘッド部４０２ａを有する。
以下、製造装置１００Ｂを用いた繊維構造体Ｓの製造方法について説明する。
ステップＳ３１の充填工程では、複数の繊維Ｓａと、複数の繊維Ｓａを結合するフィブロインＳｂと、水溶液と、を混合した混合物ＳＳを下型部４０１の凹部４０１ａに充填する。
繊維Ｓａは、例えば、古紙やパルプのセルロース系繊維を含むものを、図４で示す解繊部２０等によって解繊処理し、解繊処理された解繊物から分離された第１選別物と同等の繊維を適用することができる。フィブロインＳｂの構成は、実施形態１と同様である。
水溶液は、水を含むとともに、メチルアルコールやエチルアルコール、イソプロパノール、ブタノール、ヘキサンジオール等のアルコール類、グリセリン、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ブチレングリコール、チオジグリコール等のグリコール類、のいずれか一つを含むものであってもよい。
ここで、充填工程では、繊維ＳａをＡ、フィブロインＳｂをＢ、水溶液付与後の繊維構造体に含まれる水分をＣとした場合、下記式（１），（２）,（３）を満たす。
０．０３≦Ｂの体積平均粒径／Ａの短手方向における平均幅≦４．００ ・・・（１）
０．０１≦繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦０．４０ ・・・（２）
０．２≦Ｃの質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦１０．０ ・・・（３）
繊維Ｓａの短手方向における平均幅は、図２に示す寸法Ｈである。
なお、より好適には、０．５≦Ｂの体積平均粒径／Ａの短手方向における平均幅≦２．００であり、０．１０≦繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦０．２０であり、０．５≦Ｃの質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦２．０である。
また、充填工程では、下型部４０１及び上型部４０２を加熱する。加熱温度は、８０℃以上２３０℃以下である。なお、加熱処理は、混合物ＳＳを凹部４０１ａに充填する前に、予め加熱しておいてもよい。
次いで、ステップＳ３２の成形工程では、凹部４０１ａに充填された混合物ＳＳを加圧及び加熱して繊維構造体Ｓを成形する。具体的には、下型部４０１に対して上型部４０２を降下させ、凹部４０１ａに充填された混合物ＳＳをヘッド部４０２ａで加圧する。加圧圧力は、１０ＭＰａ以上８０ＭＰａ以下である。より好ましくは、３０ＭＰａ以上５０ＭＰａ以下である。これにより、シート状の繊維構造体Ｓが形成される。
本実施形態によれば、実施形態１の効果に加え、繊維構造体Ｓの製造において、繊維構造体Ｓの製造方法及び製造装置１００Ｂの構成を簡略化させることができる。
４．実施例
次に、本発明の実施例について説明する。
４－１．実施例１から実施例７
図４に示す製造装置１００を用いて繊維構造体Ｓを製造した。
具体的には、繊維ＳａとフィブロインＳｂとを混合させて繊維体を形成し、形成した繊維体を気中で堆積させて第２ウェブＷ２を形成した。その後、第２ウェブＷ２に霧吹きで水を吹きかけた。
このとき、繊維ＳａをＡ、フィブロインＳｂをＢ、水溶液付与後の繊維構造体に含まれる水分をＣとしたとき、Ｂの体積平均粒径／Ａの短手方向における平均幅（寸法比：Ｂ／Ａ）、繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）（質量比：Ｂ／（Ａ＋Ｂ））、Ｃの質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）（質量比：Ｃ／（Ａ＋Ｂ））は、表１の通りであった。
次いで、水が付与された第２ウェブＷ２を加圧及び加熱した。具体的には、８０℃及び１０ＭＰａで５分間、第２ウェブＷ２を加熱加圧した後、１３０℃及び３０ＭＰａで５分間、第２ウェブＷ２を加熱加圧した。これにより、繊維構造体Ｓが形成された。
ここで、繊維Ｓａは、セルロース繊維であり、フィブロインＳｂは、ナノフィブロインパウダー（株式会社松田養蚕場）を用いた。
４－２．比較例１から比較例７
上記実施例と同様の方法で表１の通り各繊維構造体Ｓを製造した。
ここで、比較例１から比較例４は、上記実施例と同様に、結合材としてフィブロイン（ナノフィブロインパウダー：株式会社松田養蚕場）を用いた。
比較例５は、結合材としてデンプン（ホワイトコンスターチ：日本コンスターチ（株））を用いた。
比較例６は、結合材としてゼラチン（ゼラチン 和光一級：富士フィルム和光純薬（株））を用いた。
比較例７は、結合材としてカゼイン（カゼイン 乳製：林純薬工業）を用いた。
上記のフィブロイン、デンプン、ゼラチン及びカゼインは、それぞれＲＥＴＳＣＨ社の凍結粉砕機クライオミルを用いて凍結粉砕して粉体化した。
４－３．実施例８から実施例１５、および比較例８から比較例１１
表２の通り、図４に示す製造装置１００を用いて繊維構造体Ｓを上記同様に製造した。
なお、実施例８から実施例１１、比較例８及び比較例９は、第２ウェブＷ２の加圧及び加熱条件として、８０℃及び１０ＭＰａで５分間、第２ウェブＷ２を加熱加圧した後、１０５℃及び３０ＭＰａで５分間、第２ウェブＷ２を加熱加圧した。
また、実施例１２から実施例１５、比較例１０及び比較例１１は、第２ウェブＷ２の加圧及び加熱条件として、８０℃及び１０ＭＰａで５分間、第２ウェブＷ２を加熱加圧した後、１３０℃及び３０ＭＰａで５分間、第２ウェブＷ２を加熱加圧した。
４－４．評価
以下の引張強度試験、耐折性試験及び乾燥性試験の結果に基づいて評価した。
４－４－１．引張強度試験
ＪＩＳ Ｐ ８１１３：２００６に基づいて、引張強度試験を行った。
引張強度試験では、引張試験機 ＡＳＧ－Ｘ５００Ｎ（（株）島津製作所）を用いた。
４－４－１－１．評価基準
Ａ：比引張強さ ３０Ｎ・ｍ／ｇ以上
Ｂ：比引張強さ １０Ｎ・ｍ／ｇ以上３０Ｎ・ｍ／ｇ未満
Ｃ：比引張強さ １０Ｎ・ｍ／ｇ未満
４－４－２．耐折性試験
ＪＩＳ Ｐ ８１１５に基づいて、耐折性試験を行った。
耐折性試験では、極軽荷重耐折度試験機 Ｎｏ．２０１５－ＵＬ（熊谷理機工業（株））を用いた。
４－４－２－１．評価基準
Ａ：耐折度 １００回以上
Ｂ：耐折度 １０回以上１００回未満
Ｃ：耐折度 １０回未満
４－４－３．乾燥性試験
加熱乾燥式水分計 ＭＸ－５０（エー・アンド・デイ社）を用いて、繊維構造体Ｓの水分率を計測した。乾燥性試験において、繊維構造体Ｓに対する加熱温度は１２０℃であった。
水分率は、下記式で求めた。
水分率＝（Ｗ－Ｄ）／Ｗ×１００（％）
ここで、Ｗは乾燥前の繊維構造体Ｓの質量、Ｄは乾燥後の繊維構造体Ｓの質量である。
４－４－３－１．評価基準
Ａ：水分率 １０％未満
Ｂ：水分率 １０％以上２０％未満
Ｃ：水分率 ２０％以上
結果は、表１及び表２の通りである。
Figure 0007338286000001
Figure 0007338286000002
表１に示すように、実施例１から実施例７では、引張強度及び耐折性において優れた結果であった。一方、比較例１から比較例７では、実施例１から実施例７に比べ、引張強度または耐折性において劣ることが分かった。また、フィブロインＳｂを用いた方が、デンプン、ゼラチン、カゼインを用いた場合よりも、引張強度及び耐折性において優れていることが分かった。
表２に示すように、実施例８から実施例１５では、引張強度及び耐折性において優れた結果であった。一方、比較例８から比較例１１では、実施例８から実施例１５に比べ、引張強度または耐折性において劣ることが分かった。さらに、実施例８から実施例１５では、乾燥性に優れていることが分かった。繊維Ｓａの質量とフィブロインＳｂの質量との合計質量に対する水の質量が微量であっても、すなわち、第２ウェブＷ２に付与する水の量が微量であっても、引張強度及び耐折性において優れた結果をもたらすことが分かった。
以下に、実施形態から導き出される内容を記載する。
繊維構造体は、複数の繊維と、前記複数の繊維を結合するフィブロインと、を有し、前記繊維をＡ、前記フィブロインをＢとした場合、下記式（１），（２）を満たすことを特徴とする。
０．０３≦Ｂの体積平均粒径／Ａの短手方向における平均幅≦４．００ ・・・（１）
０．０１≦繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦０．４０ ・・・（２）
この構成によれば、複数の繊維が天然由来のフィブロインによって結合されるため、環境負荷が低減される。また、上記式の条件を満たすことで、引張強度や耐折性が確保された繊維構造体を提供することができる。
上記繊維構造体の前記繊維が、天然繊維、化学繊維、の少なくとも一つから選択される、ことが好ましい。
この構成によれば、種々の繊維を結合させることができる。
上記繊維構造体の前記フィブロインが、節足動物またはその幼虫が生成する物質、又はそれらに由来する物質、又は人工的に生成された物質、の少なくとも一つから選択される、ことが好ましい。
この構成によれば、天然由来の物質を用いることで環境負荷を低減することができる。なお、節足動物は、例えば、クモ科の動物等であり、節足動物の幼虫は、例えば、カイコやミノムシ等である。
上記繊維構造体の前記繊維の表面には、水酸基、アミノ基、カルボニル基の少なくとも１つを有する、ことが好ましい。
この構成によれば、繊維間の結合力を高めることができる。
上記繊維構造体では、前記繊維の短手方向における前記平均幅が、１μｍ以上１００μｍ以下である、ことが好ましい。
この構成によれば、繊維構造体において引張強度や耐折性をより高めることができる。
上記繊維構造体では、前記繊維の密度が、０．１ｇ／ｃｍ3以上２．０ｇ／ｃｍ3以下である、ことが好ましい。
この構成によれば、繊維構造体において引張強度や耐折性をより高めることができる。
繊維構造体の製造方法は、複数の繊維と、前記複数の繊維を結合するフィブロインと、を混合させて繊維体を形成する混合工程と、前記繊維体を気中で堆積させてウェブを形成するウェブ形成工程と、前記ウェブに水溶液を付与する水溶液付与工程と、前記水溶液が付与された前記ウェブを加圧及び加熱して繊維構造体を成形する成形工程と、を含み、前記混合工程では、前記繊維をＡ、前記フィブロインをＢとした場合、下記式（１），（２）を満たし、前記水溶液付与工程では、前記水溶液付与後の繊維構造体に含まれる水分をＣとした場合、下記式（３）を満たす、ことを特徴とする。
０．０３≦Ｂの体積平均粒径／Ａの短手方向における平均幅≦４．００ ・・・（１）
０．０１≦繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦０．４０ ・・・（２）
０．２≦Ｃの質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦１０．０ ・・・（３）
この構成によれば、複数の繊維が天然由来のフィブロインによって結合されるため、環境負荷が低減される。また、上記式の条件を満たすことで、引張強度や耐折性が確保された繊維構造体を製造することができる。
繊維構造体の製造方法は、繊維を含む繊維体を気中で堆積させてウェブを形成するウェブ形成工程と、前記ウェブにフィブロインを含む水溶液を付与する水溶液付与工程と、前記水溶液が付与された前記ウェブを加圧及び加熱して繊維構造体を成形する成形工程と、を含み、前記水溶液付与工程では、前記繊維をＡ、前記フィブロインをＢ、前記水溶液付与後の繊維構造体に含まれる水分をＣとした場合、下記式（１），（２）を満たす、ことを特徴とする。
０．０１≦繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦０．４０ ・・・（１）
０．２≦Ｃの質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦１０．０ ・・・（２）
この構成によれば、複数の繊維が天然由来のフィブロインによって結合されるため、環境負荷が低減される。また、上記式の条件を満たすことで、引張強度や耐折性が確保された繊維構造体を製造することができる。
上記繊維構造体の製造方法では、前記水溶液付与工程の前に、前記繊維の表面を親水化処理する親水化処理工程を有する、ことが好ましい。
この構成によれば、より繊維間の接合強度を高めることができる。
繊維構造体の製造方法は、複数の繊維と、前記複数の繊維を結合するフィブロインと、水溶液と、を混合した混合物を成形型に充填する充填工程と、充填された前記混合物を加圧及び加熱して繊維構造体を成形する成形工程と、を含み、前記充填工程では、前記繊維をＡ、前記フィブロインをＢ、前記水溶液付与後の繊維構造体に含まれる水分をＣとした場合、下記式（１），（２）,（３）を満たす、ことを特徴とする。
０．０３≦Ｂの体積平均粒径／Ａの短手方向における平均幅≦４．００ ・・・（１）
０．０１≦繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦０．４０ ・・・（２）
０．２≦Ｃの質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦１０．０ ・・・（３）
この構成によれば、複数の繊維が天然由来のフィブロインによって結合されるため、環境負荷が低減される。また、上記式の条件を満たすことで、引張強度や耐折性が確保された繊維構造体を製造することができる。
上記繊維構造体の製造方法の前記成形工程では、加圧する圧力が、１０ＭＰａ以上８０ＭＰａ以下である、ことが好ましい。
この構成によれば、繊維間の距離が緊密となり、繊維間の接合強度を高めることができる。
上記繊維構造体の製造方法の前記成形工程では、加熱する加熱温度が、８０℃以上２３０℃以下である、ことが好ましい。
この構成によれば、繊維間のフィブロインが溶融し、繊維間の接合強度を高めることができる。
上記繊維構造体の製造方法の前記水溶液は、水を含むとともに、メチルアルコールやエチルアルコール、イソプロパノール、ブタノール、ヘキサンジオール等のアルコール類、グリセリン、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ブチレングリコール、チオジグリコール等のグリコール類、のいずれか一つを含んでいてもよい。
この構成によれば、水素結合が促進され、繊維間の接合強度を高めることができる。
１０…供給部、１２…粗砕部、２０…解繊部、４０…選別部、４５…第１ウェブ形成部、５０…混合部、５２…結合材供給部、６０…堆積部、７０…第２ウェブ形成部、７６…サクション機構、７９…搬送部、８０…シート形成部、８２…加圧部、８４…加熱部、８５…カレンダーローラー、８６…加熱ローラー、９０…切断部、１００，１００Ａ，１００Ｂ…製造装置、３１０…水溶液付与部、３２０…プラズマ処理装置、３４０…水溶液付与部、４０１…下型部、４０１ａ…凹部、４０２…上型部、４０２ａ…ヘッド部、Ｗ１…第１ウェブ、Ｗ２…第２ウェブ、Ｓ…繊維構造体、Ｓａ…繊維、Ｓｂ…フィブロイン、ＳＳ…混合物。

Claims (13)

  1. 複数の繊維と、前記複数の繊維を結合するフィブロインと、を有し、前記繊維をＡ、前記フィブロインをＢとした場合、下記式（１），（２）を満たす、繊維構造体。
    ０．０３≦Ｂの体積平均粒径／Ａの短手方向における平均幅≦４．００ ・・・（１）
    ０．０１≦繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦０．４０ ・・・（２）
  2. 請求項１に記載の繊維構造体であって、
    前記繊維が、天然繊維、化学繊維、の少なくとも一つから選択される、繊維構造体。
  3. 請求項１または請求項２に記載の繊維構造体であって、
    前記フィブロインが、
    節足動物またはその幼虫が生成する物質、又はそれらに由来する物質、又は人工的に生成された物質、の少なくとも一つから選択される、繊維構造体。
  4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の繊維構造体であって、
    前記繊維の表面には、
    水酸基、アミノ基、カルボニル基の少なくとも１つを有する、繊維構造体。
  5. 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の繊維構造体であって、
    前記繊維の短手方向における前記平均幅が、１μｍ以上１００μｍ以下である、繊維構造体。
  6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の繊維構造体であって、
    前記繊維の密度が、０．１ｇ／ｃｍ3以上２．０ｇ／ｃｍ3以下である、繊維構造体。
  7. 複数の繊維と、前記複数の繊維を結合するフィブロインと、を混合させて繊維体を形成する混合工程と、
    前記繊維体を気中で堆積させてウェブを形成するウェブ形成工程と、
    前記ウェブに水溶液を付与する水溶液付与工程と、
    前記水溶液が付与された前記ウェブを加圧及び加熱して繊維構造体を成形する成形工程と、を含み、
    前記混合工程では、前記繊維をＡ、前記フィブロインをＢとした場合、下記式（１），（２）を満たし、
    前記水溶液付与工程では、前記水溶液付与後の繊維構造体に含まれる水分をＣとした場合、下記式（３）を満たす、繊維構造体の製造方法。
    ０．０３≦Ｂの体積平均粒径／Ａの短手方向における平均幅≦４．００ ・・・（１）
    ０．０１≦繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦０．４０ ・・・（２）
    ０．２≦Ｃの質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦１０．０ ・・・（３）
  8. 繊維を含む繊維体を気中で堆積させてウェブを形成するウェブ形成工程と、
    前記ウェブにフィブロインを含む水溶液を付与する水溶液付与工程と、
    前記水溶液が付与された前記ウェブを加圧及び加熱して繊維構造体を成形する成形工程と、を含み、
    前記水溶液付与工程では、前記繊維をＡ、前記フィブロインをＢ、前記水溶液付与後の繊維構造体に含まれる水分をＣとした場合、下記式（１），（２）を満たす、繊維構造体の製造方法。
    ０．０１≦繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦０．４０ ・・・（１）
    ０．２≦Ｃの質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦１０．０ ・・・（２）
  9. 請求項７または請求項８に記載の繊維構造体の製造方法であって、
    前記水溶液付与工程の前に、
    前記繊維の表面を親水化処理する親水化処理工程を有する、繊維構造体の製造方法。
  10. 複数の繊維と、前記複数の繊維を結合するフィブロインと、水溶液と、を混合した混合物を成形型に充填する充填工程と、
    充填された前記混合物を加圧及び加熱して繊維構造体を成形する成形工程と、を含み、
    前記充填工程では、
    前記繊維をＡ、前記フィブロインをＢ、前記水溶液付与後の繊維構造体に含まれる水分をＣとした場合、下記式（１），（２）,（３）を満たす、繊維構造体の製造方法。
    ０．０３≦Ｂの体積平均粒径／Ａの短手方向における平均幅≦４．００ ・・・（１）
    ０．０１≦繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦０．４０ ・・・（２）
    ０．２≦Ｃの質量／（繊維構造体全量に対するＡの乾燥質量＋繊維構造体全量に対するＢの乾燥質量）≦１０．０ ・・・（３）
  11. 請求項７から請求項１０のいずれか一項に記載の繊維構造体の製造方法であって、
    前記成形工程では、
    加圧する圧力が、１０ＭＰａ以上８０ＭＰａ以下である、繊維構造体の製造方法。
  12. 請求項７から請求項１１のいずれか一項に記載の繊維構造体の製造方法であって、
    前記成形工程では、
    加熱する加熱温度が、８０℃以上２３０℃以下である、繊維構造体の製造方法。
  13. 請求項７から請求項１２のいずれか一項に記載の繊維構造体の製造方法であって、
    前記水溶液は、
    水を含むとともに、メチルアルコールやエチルアルコール、イソプロパノール、ブタノール、ヘキサンジオール等のアルコール類、グリセリン、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコール、ポリエチレングリコール、ブチレングリコール、チオジグリコール等のグリコール類、のいずれか一つを含む、繊維構造体の製造方法。
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