JPH04164235A

JPH04164235A - 界面エネルギーの測定方法

Info

Publication number: JPH04164235A
Application number: JP28996790A
Authority: JP
Inventors: Tatsuro Mizuki; 達郎水木
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1990-10-26
Filing date: 1990-10-26
Publication date: 1992-06-09

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］本発明は、接着、粘着分野において指標とじて用いられ
ている界面エネルギーの新規な測定方法に関する。

特に溶融ポリマー間の界面エネルギーの測定方法に関す
る。

［従来の技術］界面エネルギーは、２物質問の相互作用を表わすパラメ
ーターとして、また、接着力に関連したパラメーターと
して学問的にも工業的にも重要である。しかし、特に高
温における溶融ポリマー間の界面エネルギーに関しては
、その技術的困難さのためにあまりデーターは集められ
ていない。

界面エネルギーの直接的な測定方法としては、懸滴法が
知られている（「新化学実験講座１８」第６９頁〜、丸
善株式会社、昭和５２年１０月２０日発行）。該方法は
、ポリマー浴中に別のポリマーを細管より滴下し、細管
より離れる直前のポリマー形状を写真により測定し、計
算式から求めるのであるが、両ポリマー間の密度差を正
確に求める必要があるとともに、測定に手間がかかり、
さらに測定上の誤差が大きく、また計算上、補正式を使
用するなど問題点があった。また、筒型法なる方法もあ
るが、液滴の形が乱れやすく誤差を生じやすいという欠
点があった。

また異種のポリマーのそれぞれの表面エネルギーから界
面エネルギーを算出する式も何種か提案されているが、
いずれの方法も経験式もしくは推定式であり、確固たる
信頼はない。

［発明が解決しようとする課題］本発明は、これらの問題点を解決し、容易に高温におけ
る異種ポリマー間の界面エネルギーを測定する方法を提
供せんとするものである。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するために、本発明は、次の構成を有す
る。

すなわち、本発明の界面エネルギーの測定方法は、二種
の異種ポリマーを、交互に繰り返し接合した少なくとも
３２層以上の多層接合複合ポリマー流とし、次いで、該
ポリマー流を定形断面を持つ吐出孔より吐出させ、得ら
れた糸状物質の断面形状と、前記吐出口形状の相異度合
いにより、二。

種のポリマー間の界面エネルギーを算出することを特徴
とするものである。

また、本発明において好ましくは、多層接合複合ポリマ
ー流の界面が実質的に全てほぼ平行であるものであり、
さらにより好ましくは、二種の異種ポリマーが、互いに
非相溶な組み合わせであるものである。

「作用」以下、本発明の詳細な説明する。

本発明は、界面を有する複合ポリマー流が低圧雰囲気に
吐出されたとき、表面エネルギーおよび界面エネルギー
の兼ね合わせにより、その形状が異なることを利用する
ものである。

つまり、通常は、吐出孔より吐出されたポリマーは、そ
の表面エネルギーにより表面積が最小となるようその断
面が丸形に近づこうとするのであるが、ポリマー内部に
異種ポリマーによる界面が存在すると、上記表面エネル
ギーと界面エネルギーとのバランスにより、断面形状が
楕円もしくは偏平となることを利用するものである。

本発明における界面エネルギーの測定方法は、以下のと
おりである。

二種の異種ポリマーを、交互に繰り返し接合した少なく
とも３２層以上の多層接合複合ポリマー流とし、次いで
、該ポリマー流を丸孔もしくは正方形である定形の断面
構造を持つ吐出孔より吐出させたものの断面は、界面が
互いに平行な多層構造をしており、その形状は界面エネ
ルギーにより偏平になる。今、該断面におけるの界面と
垂直な方向の軸長をＡ、界面と垂直な方向の軸長をＢと
すると、断面の偏平度ＣはＣ’＝　Ａ　／　Ｂで表され
る。

一方、該断面の外周Ｇおよび界面の総距離Ｉ７は、ポリ
マーの総吐出量および吐出速度から楕円または長方形に
近似して計算することができる。このＧ１およびＩ７は
、ポリマーの吐出量を一定とすれば断面積が一定である
ので、偏平度Ｃによりおのずと決まってくる。

今、該２ポリマ一間の界面エネルギーをに１ポリマーの
それぞれの表面エネルギーをＥｌ、Ｅ２、ポリマーのそ
れぞれの内部エネルギーをＵ　１、Ｕ２，２ポリマーの
吐出量が等しいとすると、単位体積当たりのポリマーに
おけるエネルギーＹは、Ｙ　＝　Ｋ　ｘ　Ｌ　＋　Ｅ　
１　ｘ　Ｇ　／　２　＋Ｅ　２　ｘ　Ｇ　／　２＋　Ｕ
　ｉ　−１−Ｕ　２　　　　　　・・・■で表される。

■式において、各ポリマーの表面張力Ｅ４およびＥ２は
既知である。

次いで、特定のＫに対して、吐出量一定（断面積一定）
のもとて偏平度Ｃを変更しながら（ＬおよびＧを変えな
がら）、各々の偏平度のときのＹを計算する。このとき
、Ｙが最小となる偏平度Ｃが最も安定な形状となる。次
いで、Ｋの値を変更し、同様にＫの値に対する最も安定
な偏平度を求める。Ｋの値に対して、偏平度Ｃをプロッ
トすると相関ある関係が得られる。

このグラフより、実験により得られた偏平度から界面エ
ネルギーにの値を求めることができる。

該グラフを作成するにあたって、Ｋは−０，５〜４０　
ｄ　ｙ　ｎ　ｅ　／　ｃ　ｍ程度において０．　５きざ
み程度でＹが最小となる偏平度Ｃを計算すれば十分であ
る。

以上の計算は、パソコンを使って容易に計算させること
ができる。

さらに、Ｅｌ、Ｅ２が不明の場合においても、Ｅ＝Ｅ１
＝Ｅ２と近似すれば、Ｅ（！：にの比はＥの値には因ら
ないので、適当な値をＥに代入することでＥ／Ｋを求め
ることができる。

■式において、Ｙの最小値を求めるに当たって、Ｕｌ、
Ｕ２は無視でき、また近似的に、Ｅ　］、　＝　Ｅ２＝
Ｅとおけば、■式は、Ｙ＝ＫＸＬ＋ＥＸＧ　　　　・・・■ と簡略化することも可能である。

また、■式や■式で単位体積当たりのポリマーにおける
エネルギーＹを計算するにあたり、外周や界面が湾曲し
ている場合などにはＧ、Ｌに補正を施したり、さらに必
要に応じて他のエネルギー類を加えるなどの操作を力μ
・えることは何ら差支えない。

本発明において、より正確に界面エネルギーを測定する
ための最も大きなポイントは、複合ポリマー流断面にお
ける界面の長さおよびその配置である。

すなわち、界面の数が多いほど一般にはトータルの界面
エネルギーが多くなり、吐出後の断面変形が大きくなる
。半円を二つ接合したようなバイメタル構造では、界面
の数が一つであるので、本発明の効果はほとんど発現せ
ず、得られるポリマー流の断面は丸形のままである。本
発明において好ましい界面の数は３１以上、より好まし
くは１２７以上、すなわち層数としては３２層以上、よ
り好ましくは１２８層以上である。一方、界面エネルギ
ーの値が高いポリマーの組み合わせの場合、層数が多す
ぎると得られる断面の偏平が激しすぎて形状が乱れてし
まうという好ましくない場合もあり、測定の様子を見な
がら適当な層数を決定し測定すればよい。

また、複合ポ６、リマー流断面における界面の方向が全
体として一致していなければ、該界面エネルギーに基づ
く界面張力は各々の方向において相殺され、正しい評価
ができなくなる。例えば、界面が同心円状の場合や、十
文字型のような場合には、界面が任意の方向を向いてい
るため、たとえ界面の長さが長くとも得られる断面は丸
であり好ましくない。つまり、多数の界面が実質的に全
て平行であることが望ましくなる。ここでいう実質的に
とは、本発明の効果に著しい影響を及ぼさない程度であ
れば、その界面の一部は他の界面と平行でなく湾曲した
りしていてもよいという意味である。

本発明において、具体的に使用するポリマーとしては、
汎用の熱可塑性ポリマーであれば、特に問題なく使用で
き、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリエ
チレン、ポリスチレン、ポリプロピレン、ボリアリレー
ト、ポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリ
フェニレンサルファイドなどが挙げられるが、何らこの
限りではない。さらに、これらのポリマーに第三成分を
共重合したものや、ポリマーをブレンドしたものを一成
分として使用することもできる。

本発明でいう異種ポリマーの組合わせとは、多層構造と
なった複合ポリマー流を吐出せしめた際に、界面が乱れ
ずに存在することのできるポリマーの組合せのことを言
うものである。たとえば、ポリエチレンテレフタレート
とポリスチレン、ポリアミドとポリエチレンテレフタレ
ートの組合せなどが代表的なものである。また、ポリエ
チレンテレフタレートとポリエチレンテレフタレートに
第３成分を共重合したポリマーの組合せなどの場合は、
上述の通りに多層構造となった複合ポリマー流を吐出せ
しめた際に界面が乱れずに存在するという条件を満たす
ことのできる組合せであればよいのであって、該組合せ
に該当するか否かについては、共重合成分自身の性質や
共重合割合に応じて相違する性格のものであると言える
が、実際には、上述吐出を行なうことにより簡単に見出
すことができる。

さらに、本発明の効果を最大限に引き出すためには、用
いられる二種のポリマーは互いに非相溶性であることが
好ましいといえる。たとえ、得られた複合ポリマー流の
界面が乱れなく確認できたとしても、二種のポリマーの
相溶性が高い場合には得られる界面エネルギーの値は誤
差を含みゃすい。この理由ははっきりとは分かっていな
いが、おそらく、二種のポリマーの相溶性が高い場合に
は、時間とともに界面が曖昧になるとともに、混合エン
タルピーなどの影響が無視できなくなるからであると推
察される。往々にして、用いるポリマーの相溶性が高い
場合には、得られる断面形状は界面の面積を広げる方向
に変形する。もっとも、本発明により得られた複合ポリ
マーの断面形状が、界面の面積を広げる方向に変形して
いるのであれば、両者の相溶性が良いと判断することも
できる。

上述のような多層でかつ実質的に界面が全て平行となる
ポリマー流は、特公昭６０−１−０４８号公報に記載の
ごとく静止型混合器を有する紡糸パック内で異種ポリマ
ーを交互に繰り返し接合させ、次いで、得られたポリマ
ー流を吐出孔より低圧雰囲気下に吐出することで得るこ
とができる。

ここでいう低圧雰囲気下とは、パック内のポリマー圧に
対しての相対圧を指し、通常、真空もしくは気相中など
への吐出を指す。一般に測定されるポリマーの表面張力
は空気もしくは窒素雰囲気での値であるので該値を利用
できる点からは空気中もしくは窒素雰囲気中への吐出が
好ましい。

したがって、本発明に必要な測定装置としては、多層複
合ポリマー流を生じせしめるパック、並びに、該ポリマ
ー流を吐出する吐出孔、さらに吐出されたポリマー流を
採取し、断面の偏平度を測定できる器具があればよい。

パックには、ポリマーの吐出量を正確に測定し送り出す
機構、さらには、ポリマーを溶融させるための加熱機構
、ポリマーの高温での劣化を防止するための窒素シール
機構などがイ」帯しているとより好ましい。吐出孔の形
状は、本発明の界面エネルギー測定原理が、基本的には
、丸断面からの変化を利用するものであるから、界面が
存在しな・　い場合に、丸断面となるような吐出孔であ
る必要がある。このような吐出孔としては、たとえば丸
形、正方形が挙げられる。

ただし、本発明の方法は、上記説明を行なった丸形ある
いは正方形の吐出孔の場合のみに必ずしも限定されるも
のではなく、本発明方法の技術思想にそい、一定形状を
持つ吐出孔よりポリマー流を吐出させ、それによって得
られる糸状物質の断面形状と、その吐出孔形状との相異
度合いにより界面エネルギーをある程度の正確性をもっ
て算出することができるものであれば、丸形や正方形以
外の吐出孔形状をもつものも使用可能である。

吐出孔の大きさは小さすぎると界面が乱れやすくなり、
また大きすぎると、吐出孔から開放されたポリマー流の
変形が起こりにくくなるので、通常は、−辺もしくは直
径が０１１ｍｍ以上、４０ｍｍ以下であることが好まし
く、０．５ｍｍ以上、５ｍｍ以下であることがより好ま
しい。

偏平度（偏平率）測定にあたっては、吐出中のポリマー
流に対して赤外線などにより直接測定しても構わないが
、吐出されたポリマー流をブリード、もしくは巻取機な
どを用いて巻き取った後、断面を観察する方法がより正
確に測定できるために好ましい。顕微鏡や、拡大写真撮
影などの手法を利用することは、より正確な測定を可能
にする−１．２− ためにさらに好ましい。

本発明で用いる異種ポリマーの吐出成分比は、通常は５
０：５０であるが、３０　：　７０〜７０：３０、好ま
しくは４０　：　６０〜６０：４０の程度の範囲内で任
意の比率をとることができる。吐出比が５０：５０から
ずれた場合には、断面を構成する層−つ一つの厚みは隣
接する層のそれと異なってくるが、界面の数はかわらず
偏平性には影響ない。このとき、ＳおよびＬを正確に求
めることが若干困難になる。

第１図に本発明で観察される繊維状ポリマー流の多層断
面の模式図を示した。この模式図では３２層の接合複合
ポリマー流となっているものを示しており、Ａは表面、
Ｂは界面である。

［実施例］以下、実施例を用いて本発明の詳細な説明する。

実施例１− （１）実験方法：特公昭６０−１．０４．８号公報に記載されているのと
同型の流体交互配列素子を縦方向に６個連結した６４層
のポリマー流を作る流体混合器と、該流体混合器の２つ
の吐出孔より吐出したポリマー流を両者のポリマー流の
界面が平行を保つように連結結合する結合プレート、さ
らにその下部に上記結合ポリマー流を吐出する直径３ｍ
ｍの丸形吐出孔、からなるパックを用いて、Ａ成分がポ
リエチレンテレフタレート、Ｂ成分がポリスチレンより
なる１２８層の複合ポリマー流を空気中に吐出した。こ
のとき、Ａ、Ｂ各成分の吐出量はともに５ｇ／ｍｉｎと
した。

次いで、該１２８層のポリマー流の断面形状を光学顕微
鏡により２００倍で観察したところ、はぼ楕円であり、
その長袖と短軸の比は５．８であった。

（２）計算方法：ポリマーの吐出量が一定のとき、その断面積は偏平度に
かかわらず一定である。

楕円の面積Ｓ＝πＡＢにおいて、ＡＸＢ−一定の条件下
で、外周Ｇおよび界面長■７を計算することができる。

今、ＡＸＢ＝１６．０として、Ａを１．０から０．１２
５きざみで１６．０までの各偏平度においてＧ、Ｌを計
算した。この結果の一部を第１表に示す。

また、ポリエチレンテレフタレート、およびポリスチレ
ンの表面エネルギーをほぼ等しく４２ｄｙ　ｎ　ｅ　／
　ｃ　ｍとし、■式　Ｙ＝ＫＸＬ＋ＥＸＧにおいて、Ｅ
＝４２を代入した。

次いで、界面エネルギーに＝３，５ｄｙｎｅ／ｃｍとし
て、第１表の各ＧＸＬの組み合わせでＹを計算させたと
ころ、Ａ＝８．７５、Ｂ＝１．８３のときにＹが最小と
なった。

同様の計算をに＝０．０から９．０まで０．２５きざみ
で行ない、それぞれのＫにおいてのＹを最小とするＡＸ
Ｂを求めた。

次いで、横軸にに１縦軸に偏平度Ｃ＝Ａ／Ｂをプロット
すると両者に相関が得られる。その結果を第２図に示す
。

以上の計算および図示は、数値計算により日本電気のパ
ーソナルパソコン：ＰＣ−９８０：ＬＲＸを用いて行な
った。

第２図において、実験により得られた偏平率５゜８より
Ｋを読み取るとに−４，３ｄｙｎｅ／ｃｍが得られ、か
かる値が求める界面エネルギーである。

実施例２ポリマーＡにポリエチレンテレフタレート、ポリマーＢ
にポリスチレンを用い、実施例１と同様にして両者の１
２８層の複合ポリマー流の断面の偏平率を測定したとこ
ろ９．５であった。

この例においてもポリマーＡ１およびＢの表面エネルギ
ーは両者ともほぼ４２　ｄ　ｙ　ｎ　ｅ　／　ｃ　ｍと
仮定した。

次いで、実施例］−と同様に第２図を用いてＫを求める
と、Ｋ＝７．７ｄｙｎｅ／ｃｍであった。

［発明の効果］以上述べた通りの本発明の方法によれば、従来、測定が
困難であった二種の溶融ポリマー間の界面エネルギーを
容易に測定することを可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、繊維状ポリマー流の多層断面図を模式的に示
したものであり、各層は２種のポリマーが交互に並んだ
ものである。第２図は、実施例で得られた偏平率と界面エネルギーの
関係をプロットした線図である。Ａ：表面、Ｂ：界面

Claims

【特許請求の範囲】

（１）二種の異種ポリマーを、交互に繰り返し接合した
少なくとも３２層以上の多層接合複合ポリマー流とし、
次いで、該ポリマー流を定形断面を持つ吐出孔より吐出
させ、得られた糸状物質の断面形状と、前記吐出口形状
の相異度合いにより、二種のポリマー間の界面エネルギ
ーを算出することを特徴とする界面エネルギーの測定方
法。
（２）多層接合複合ポリマー流の界面が実質的に全てほ
ぼ平行である請求項（１）に記載の界面エネルギーの測
定方法。
（３）二種の異種ポリマーが、互いに非相溶な組み合わ
せである請求項（１）または（２）に記載の界面エネル
ギーの測定方法。