JPH03119105A - ポリエチレンフイラメントの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明は、超高分子ポリエチレンの溶液を高速紡糸する
ことにより、良好な強度および高いモジュラスに基づき
、たとえば工業的糸としての使用、プラスチックの補強
その他のＩ；めに全般的に適しているポリエチレンフィ
ラメントを製造する方法に関する。

［従来の技術］ 一連のポリマー　たとえば再生セルロース、ポリエステ
ル、ポリアミド等から、フィラメントおよび工業的糸を
製造することは公知であるこれら全ての方法において、
高い強度、高いモジュラス、特に高い初期モジュラスお
よび可能な限り低い破断点伸びを有するフィラメントを
得ようとしており、さらに可能な限り高い生産速度でか
つできる限り簡単な方法により作業しようとしている。

ポリエチレンからなるこの種の糸を製造するという試み
もまた行なわれた。ポリエチレンはその化学的構造に基
づき、重縮合によって得られるようなポリマーと比較し
て一連の利点を有する。たとえばポリエステルおよびポ
リアミドのエステル結合およびアミド結合において頻繁
に観察される加水分解の危険が生じない。

森林の激減により繊維素用の原料源がしだいに危機に陥
いっていることを度外視しても、ポリエチレンは、実際
に任意の量で製造可能な合成材料として、繊維素におい
て実情である需給の変動にｔ；いしてあまり左右されな
い。

ポリエチレンフィラメントを溶融紡糸法により製造する
のが最も簡単である。しかし、ポリエチレンの溶融紡糸
には限界がある。それというのも、高い強度およびモジ
ュラスが重要となる分子量が高くなるにつれて溶融物の
粘度は、紡糸の際に困難が生じるほど著しく増大するた
めである。溶融温度は任意に高めることはでさない、そ
れというのも約２４０℃までの温度でポリエチレンの分
解の恐れがあるためである。

分子量が高くなるにつれて、ポリマー溶融物の弾性は増
大し、このことが押出速度を高める際に特に問題となる
。

さらに、ポリエチレンの溶液をフィラメントに紡糸する
ことによりこの難点を回避することが試みられｔ：。し
、かじ、この方法においても同様の問題が生じた。それ
というのも溶液においても、粘度および弾性は溶けたポ
リマーの分子量が高まるとともに著しく上昇するためで
あるオランダ国特許出願公開７９１０４９９０号明細書
には、高い強度および高いモジュラスを有するポリエチ
レンフィラメントの製造方法が記載されており、その際
特に実施例から引用されるように、比較的低濃度の溶液
を用いて作業している。満足できる機械特性を得るため
に、紡糸、巻取りおよび抽出の後に熱中で延伸させる必
要があり、これによりこの方法の生産性が減少してしま
う。

ペニングス（Ｐｅｎｎｉｎｇｓ　）および協力者は４Ｐ
ｏｌｙｍｅｒ　　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ”　ｌ　６　、　　
ｌ　６７−１７４　（１９８６）において、多様な条件
下で超高分子ポリエチレンをどのように紡糸するかとい
うことを記載している。ポリエチレンフィラメントが使
用可能な機械的特性を示すために、このフィラメントは
オランダ国特許出願公開７９１０４９９０号明細書に記
載された方法と同様に延伸しなければならず、その際、
このフィラメントは延伸の前に抽出する。

超高分子ポリエチレンを紡糸することによりポリエチレ
ンフィラメントを製造する一連の方法はすでに公知であ
るが、特に高い生産性を保証し、かつ使用可能な機械的
特性を得るために紡糸および巻取りの後に延伸する必要
がないような改善方法が必要である。

［発明が解決しようとする課題］ 従って、本発明の課題は、高い生産性を可能にし、紡糸
したフィラメントを延伸せずに作業し、かつ、良好な機
械的特性、特に高い強度および高いモジュラスを有し、
工業的糸として、プラスチック用補強材等として使用す
るのに適したポリエチレンフィラメントを簡単な方法で
供給する超高分子ポリエチレンの高速紡糸方法を提供す
ることであった。

［課題を解決するための手段］ 前記課題は、分子量ＭＷ≧１Ｘ１０６を有するポリエチ
レン溶剤とから約１〜６重量％の溶液を製造し、この溶
液を、押出温度Ｔｉ−１８０−２５０℃１押出速度Ｖｗ
−５〜１５０　ｍ／分で、ノズル出口面に向って横断面
が小さくなるノズル口を有する紡糸ノズルを通して紡糸
シャフト中へ押し出し、その際、この紡糸シャフトはノ
ズル出口面の下方で加熱装置を用いて１００〜２５０℃
の温度に保持され、フィラメントに加熱区域の下方でガ
スを吹き付け、このフィラメントを速度■１≧５００ｍ
／分で引取りさらに延伸せずに溶剤を除去することを特
徴とする、超高分子ポリエチレンの溶液を高速紡糸する
ことによりポリエチレンフィラメントを製造する方法に
より解決される。

分子量ＭＷ≧３．５Ｘ１０６が有利である。

本発明の方法の特に有利な実施態様においてポリマーの
分子量の不均一性が として表わされる。

ノズル出口面の下方の温度が１５０〜１９０℃に調節さ
れるのが有利である。１０００ｍ／分以上の引落速度で
作業するのがを利である。

引落速度１５００〜４０００ｍ／分が特に有利である。

本発明による方法を実施するために、ノズル口を備えた
紡糸ノズルを使用し、そのノズルの横断面は押出方向に
向って小さくなる。従って、横断面の推移はトランペッ
ト状または漏斗状または疑似双曲線的という表現で表わ
すことができる。このような好ましい疑似双曲線的横断
面形は添付図面に図示した。

疑似双曲線的横断面形とは双曲線上の推移に近い推移と
解されるが、程度に差こそあれ始点ならびに終点で著し
く変動していてもよい。

溶液の製造のため、溶液が押出温度で１−１００Ｐａ−
３の粘度を示すような溶剤を使用するのが有利である。

この場合、パラフィン油が特に有利である。この粘度は
速度勾配Ｄ　−１、−’で測定しｔ：。

溶液の製造において、できるだけ線状のポリエチレンを
使用するが、これは、わずかな量の分校ポリエチレンの
存在も排除するものではない。使用するポリマーは低圧
での重合により得られたポリエチレンが好ましい。これ
は、市販されており、多くの場合ＨＤＰＥ（ｈｉｇｈｄ
ｅｎｓｉｔｙ　ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）として表わ
される。

ポリマーとして、完全にまたは十分にホモポリマーとし
て存在するポリエチレンを使用するのが特に有利である
。しかし、所定の場合にはコポリマー　！；とえば約５
重量％までがエチレンの他の七ツマ−たとえばプロピレ
ンまたはブチレンから構成されているコポリマーを用い
てもよい。もちろん程度に差こそあれ１種以上のモノマ
ーを含有するコポリマーを使用してもよい。

本発明によるポリエチレンフィラメントの製造のために
用いたポリエチレンは、一般に超高分子ポリエチレンと
いわれる種類のポリエチレンに属する。これについては
、分子量ＭＷ１００万以上を有するポリエチレンと解さ
れ、この場合ＭＷはたとえばＧＰＣ法により測定するこ
とができる重量平均分子量である。ＭＷは浸透圧法によ
り測定することができる数平均分子量である。

本発明の範囲内で、多少の幅がある通常の分子量分布を
有する、たとえば２０の不均一性を有するポリエチレン
を使用することができるのであるが、できるだけ狭い分
子量分布を有する、つまり不均一性に対するこの値がで
きるだけ低いポリエチレンを使用するのが有利である。

この不均一性は重量平均分子量と数平均分子量との比に
より定義され、有利に≦５、特に≦３である。

使用するポリマーの不均一性は、製造様式により制御す
ることができる。もちろん著しく広い分子量分布を有す
るポリエチレンから分留により狭い分子量分布を有する
ポリマーを得ることも可能である。

溶剤として、１８０〜２５０℃１場合により１８０〜２
３０℃の押出温度でなお十分に粘性である、つまりｐ　
＝　ｌ　、−１で測定して有利に３〜１ＯＰａ−５以上
の粘度を有するような化合物を使用する。

このポリエチレン−溶剤系は、溶液が押出温度より下の
温度に冷却されるとゲルを形成するように選択すべきで
ある。

ゲル形成温度が１３０℃以下にあるのが有利である。こ
れは７０℃より下にあってもよい。

前記の紡糸溶液は弾性である。溶剤中でのポリエチレン
の溶解は、押出温度と一致する温度で行うのが有利であ
る。不活性雰囲気下、たとえば窒素下で溶解を行うのが
有利である。

この溶液に安定化剤を添加してもよい。

溶剤として特に有利なのはパラフィン油である。さらに
炭化水素、たとえばシクロオクタン、バラキジロール、
デカリンまたは石油エーテルを使用することができる。

本発明の範囲内で、約１〜６重量％、特に１〜３重量％
の濃度を有する溶液を使用することができる。

しかし最も有利なのは約１〜２重量％の濃度である。

押出速度とはノズル出口の単位面積あたり単位時間に通
過する紡糸溶液量と解される。これは　ｍ３／ｍ２×分
または　ｍ　／／分で表わされる引落速度とは、フィラ
メントが紡糸シャフトの下端に引き取られる線速度（ｍ
／分）を表わす。フィラメントは引取りの後にさらに延
伸を行なわないために、この引落速度は一般に巻取速度
に相当する。

達成可能な引落速度は選択した濃度に依存する。一般に
、最大引落速度はポリエチレンの濃度が上昇するにつれ
て低下することがいえる。

しかし、低濃度領域では紡糸の際に困難が生じる可能性
がある。これは押出速度を低下させることにより回避す
ることができる。押出速度、引落速度および溶液の濃度
の適当な組合せは、簡単な試験により測定することがで
きる。

−数的に、達成可能な最大押出速度は、ポリマーの濃度
が上昇するとともに低下する。

紡糸ノズルの下方にある紡糸シャフトを必要な温度にす
るための装置として、たとえば簡単な環状の加熱装置を
用いることができる。加熱区域の長さは使用する紡糸装
置のサイズに応じて数センチメートルの間に、たとえば
４ｃｍ〜２００ｃｍである。

加熱区域の下方で、温度を低下させるため、フィラメン
トにガスを吹き付ける。このフィラメントとへの吹き付
けにより、勾配的なまたは段階的な温度推移を調節する
のが有利であり、その結果、たとえば１６０℃の温度が
支配する加熱区域の後にたとえばｉｏ’ｏだけ低い温度
たとえば約１５０℃の次の区域が存在し、その次に温度
がたとえば１１０℃に低下した次の区域が存在し、次に
室温を有するガスを使用することにより５０℃より下の
温度に冷却を行う区域が続き、その結果、このフィラメ
ントは引落し手段に達する際に十分に冷却される。この
温度階調はあらかじめ１個以上の加熱装置を用いて行っ
てもよく、この装置により温度階調および温度勾配を調
節することができる。

本発明において特に重要であるのは紡糸口の横断面の推
移である。紡糸口は、紡糸材料が紡糸口に入る側でより
広い口を有し、出口側に向ったノズル口の横断面はより
狭いことが無条件に必要である。疑似放物線的な推移を
有するノズル口が特に適している。疑似放物線的とは、
放物線的推移に類似しているが、正確な放物線的推移が
著しく湾曲する領域およびより線状の領域で変動してい
てもよい。この種の形状は添付図面に図示した。

しかし、籾量は漏斗状またはトランペット状または円錐
状の開口部を有し、次に段階的にかまたは移行しながら
円錐状の推移に変遷するノズル口を何するノズルを使用
してもよく、その際、円錐は、入口部の円錐もしくは放
物線よりもより鋭角な開口角を有する。ノズル口の最後
の部分が同じ断面を有していてもよい。

本発明の方法を用いて超高分子のポリエチレンを機械的
に良好な特性、つまり、高いモジュラスおよび高い耐破
壊性を有するフィラメントに加工することができること
が特に意想外であ−）た。本発明の方法は先行技術の方
法に比べていわゆる一工程方法である。つまり、今まで
に必要であった後延伸をせずに作業する点で特に優れて
いる。従って、この方法は経済的であり、高い生産速度
を可能にする。

さらに、本発明の方法は、今まで公知の方法で高分子ポ
リエチレンの紡糸の際に弾性溶融物または溶液の形で生
じる紡糸途切れが生じる恐れがなく高分子ポリエチレン
の紡糸を実施できることが特に意想外であった。従って
、公知方法において頻繁に前例に記載されているような
、今までほとんど紡糸ノズル内部での溶融破断の数は著
しく減少するかもしくは完全に回避される。

本発明による方法は４０００ｍ／分の程度までおよびそ
れ以上の引落速度で実施可能である得られたフィラメン
トは、後延伸をもはや必要とせず、かつ場合によりさら
に後延伸不可能であるような良好な機械特性を有する。

この特性に基づき、ステープルファイバーに切断できる
フィラメントは特に工業的糸として使用するのに適して
いる。これは保護衣、たとえば防弾チョッキ等、ロープ
、落下傘等に極めて良好に加工することができる。

このフィラメントは特にプラスチックの強化用の際のス
テープル７アイパーとして特に適当である。

本発明による方法において、ノズル内部でおよび紡糸シ
ャフト内で生じる経過が個々に明確でないにもかかわら
ず、本発明の方法により特に有利な分子的構成、つまり
特に有利なフィラメント中の分子的構造が生じると予想
される。

本発明の方法において、結合鎖として機能すると同時に
十分に縦長の分子が十分に生じると考えられ、さらに縦
長の分子と薄層状に配置した領域とが好ましい割合で相
互に位置し、鎖の曲折に基づく欠損箇所（ｃｈａｉｎ　
　ｆｏｌｄ　　ｄｅｆｅｃｔｓ）は副次的な程度で存在
するにすぎないと考えられる。

［実施例１ 本発明を次に実施例につき詳説する。

比較例１ 超高分子ポリエチレンの１．５重量％の溶液を次のよう
に製造した。デリカン中で１３５℃で測定した極限粘度
数３３．３８　ｄＱ／ｇ、ＭＷ＝　５．５　Ｘ　１０６
ｋｇ　／ｋｍｏｌおよびＭＷ−２，５ｘ１０６ｋｇ／　
ｋｍｏｌを有するポリマー４８．７ｇをパラフィン油３
２００ｇと酸化防止剤２．６−ジーｔ−ブチル−４−メ
チル−クレゾール１６゜２ｇとに添加し、５ａの釜中で
１２０℃の温度で撹拌した。この混合物を撹拌により均
質にしその際１５０℃に温めた。撹拌機を、ポリエチレ
ンが完全に溶解し、いわゆるヴアイセンベルク効果（Ｗ
ｅｉｓｓｅｎｂｅｒｇ　−Ｅｆ　ｆｅｋｔ、）が生じる
とすぐに止めた。その後、温度を４８時間１５００Ｃに
保った。この溶液を室温に冷却し、約１３０℃でゲルを
形成した。このゲルをトランペット形の断面形を有する
、第１図に示したような紡糸口を備えた紡糸装置に供給
した。ノズル口の出口は、直径０．５ｍ＋ｎを有してい
た。この溶液を２２０℃で１ｍ／分の速度で押し出し、
フィラメントを空気中で急冷し、同じ速度で巻き取った
。

パラフィン油の抽出後、こうして得られた繊維を１４８
℃の温度で２００の割合まで延伸し、その際、７．ＱＣ
Ｐａの強度を有する繊維が生じた。

比較例２ 例１に記載した溶液を同様に加工し、１００ｍ／分の押
出速度で５００ｍ／分の巻取速度で作業した。こうして
得られた繊維はもはや熱延伸できなかった。ｎ−ヘキサ
ンでパラフィン油を抽出した後の強度は０−３ＧＰａで
あった。

例３ 例１と一致する溶液を１００ｍ／分の押出速度で紡糸す
るが、その際シリンダ状の炉を用いて紡糸ノズルの出口
面の下方の２０．５ｃ＋＋＋の区間を１６０℃に保った
。このフィラメントを４０００ｍ／分の速度で引取った
。このフィラメントはもはや熱延伸できなかったが、パ
ラフィン油を抽出した後に次の特性を示した。

強度　　　　　　　　　２．３　ＧＰａヤングモジュラ
ス　　　３６ＧＰａ 破断点伸び　　　　　　　８％ 例４ 紡糸溶液を例３に記載したように加工するがその際１９
０℃の押出温度で２０００ｍ／分の巻取速度で作業した
。抽出した繊維の強度は１　、７　ＧＰａであった。

例５ 例３と同様に紡糸溶液を加工するがｌｏｍ／分の押出速
度で２０００ｍ／分の巻き取り速度で作業した。抽出し
た繊維の強度はｌ　−９ＧＰａであった。

例６ 紡糸溶液を例３に相応して加工するが、５ｍ／分の押出
速度で出口箇所での直径１ｍｍを有する紡糸口を有する
紡糸ノズルを使用した。０゜５ｍの長さの紡糸シャフト
を使用した例１〜４とは異なり４ｍの長さの紡糸シャツ
［・を用いて作業した。この長さはフィラメントを巻取
る前に押出されたフィラメントを十分に冷却するために
必要であった。巻取速度は２０００ｍ／分であった。こ
のフィラメントは抽出後１．４ＧＰａの強度を有してい
た。

例７ 例Ｉに記載したと同様の方法でポリエチレンからなる３
％の紡糸溶液を製造し、前記ポリエチレンはＭＷ−４Ｘ
ＩＯ６およびＭ　ｎ　−２Ｘ　１０５を有していた。１
９０　’Ｏの押出温度で３０００ｍ／分の引落速度で作
業した。抽出しｔ：繊維の強度は０．８０Ｐａであった
。

例８ 例７に相応する紡糸溶液を用いて、２２０℃の押出温度
で、４０００ｍ／分の巻取速度で作業した。抽出したフ
ィラメントの強度は０．８ＧＰａであった。

例９ 例７に相応するが５重量％の濃度を有する紡糸溶液を２
２０℃の温度で押出し、引落温度は３５００ｍ／分であ
った。抽出した繊維の強度は０．６ＧＰａであった。

例１Ｏ 例１と同様に紡糸溶液を製造したが、溶剤としてデカリ
ンを使用した。この紡糸材料を１８０℃の押出温度でｌ
ｏｏｍ／分の紡糸速度で押出し１０００ｍ／分で巻取っ
た。抽出した繊維の強度は０　、９　ＧＰａであった。

前記した実施例は、本発明による紡糸ノズルの下方の加
熱装置を使用せずに作業した場合、熱中で後延伸するこ
とによっても破断性の強度が達成されたにすぎないこと
を示している。この場合、極めて低い押出速度で作業し
なければならない。高い押出速度で作業すると、後延伸
は不可能であり、強度はこのフィラメントがたいていの
使用目的に対して使用不能であるほど低かった。

本発明による例３〜ＩＯは後延伸を必要とせずに１工程
方法で作業することができ、例２の方法と比べて２倍ま
たは数倍の強度を有する強度が得られることが示された
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に用いる紡糸ノズルの断面図である。 図面の浄書（内容に変更なし） 手 続 （方式） 事件の表示 平成　２ 発明の名称 年 特許願 ８４３７９ ポリエチレンフィラメントの製造方法 補正をする者 名称 アクゾーエヌ１ヴエー ５、補正命令の日付 平成２　年９ ６、補正の対象 月２５ 日（発送口） 図　　面 補正の内容

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、超高分子ポリエチレンの溶液を高速紡糸することに
   よりポリエチレンフィラメントを製造する方法において
   、分子量＠Ｍ＠＿Ｗ≧１×１０＾６を有するポリエチレ
   ンと溶剤とから約１〜６重量％の溶液を製造し、この溶
   液を、押出温度Ｔ＿Ｅ＝１８０〜２５０℃、押出速度Ｖ
   ＿Ｅ＝５〜１５０ｍ／分で、ノズル出口面に向って横断
   面が小さくなるノズル口を有する紡糸ノズルを通して紡
   糸シャフト中へ押し出し、その際、この紡糸シャフトは
   ノズル出口面の下方で加熱装置を用いて１００〜２５０
   ℃の温度に保持され、フィラメントに加熱区域の下方で
   ガスを吹き付け、このフィラメントを速度Ｖ＿Ｗ≧５０
   ０ｍ／分で引取り、さらに延伸せずに溶剤を除去するこ
   とを特徴とするポリエチレンフィラメントの製造方法。 ２、分子量＠Ｍ＠＿Ｗ≧３．５×１０＾６を有するポリ
   エチレンを使用する請求項１記載の方法。 ３、分子量の不均一性： Ｕ＝（＠Ｍ＠＿Ｗ）／（＠Ｍ＠＿ｎ）≦５ を有するポリエチレンを使用する請求項１または２記載
   の方法。 ４、Ｕ≦３である請求項３記載の方法。 ５、ノズル出口面の下方で、加熱装置を用いて１５０〜
   １９０℃の温度を保持する請求項１から４までのいずれ
   か１項記載の方法。 ６、速度Ｖ＿Ｗ≧１０００ｍ／分で引取る請求項１から
   ５までのいずれか１項記載の方法。 ７、速度Ｖ＿Ｗ＝１５００−４０００ｍ／分で引取る請
   求項６記載の方法。 ８、溶液が押出温度において、Ｄ＝１＿３＾−＾１で測
   定して、粘度１〜１００Ｐａ・ｓを有するような溶剤を
   使用する請求項１から７までのいずれか１項記載の方法
   。 ９、溶剤としてパラフィン油を使用する請求項８記載の
   方法。