JPH08502790A - 金属溶融吹込布 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 狭い繊維寸法分布及び低充填密度を有する繊維から成る溶融吹込ウエブ。ウエブは柔軟な弾性に富むウエブとして特徴を有すると共に優れた濾過能力を示す。

Description

【発明の詳細な説明】 金属溶融吹込布 発明の背景 本発明は改良された特性を有する新規な溶融吹込ウエブに関する。一面におい て本発明は、空気のようなガスの濾過に有用な溶融吹込フィルタに関する。 溶融吹込不織布ウエブは溶融吹込方法で製造される。同方法は複数の重合体の フィラメント（すなわち、繊維）を形成するために熱可塑性樹脂を近接して隔置 した１列のオリフィスを通して押出し、一方で高速熱気の収束シートがフィラメ ントに前推力を分与しかつその直径を微小な寸法に引下げる。微小直径繊維は収 集スクリーン又はコンベヤ上に吹込まれそこでからみ合わされて収集され、統合 された不織布ウエブを形成する。ウエブ内の繊維の平均直径は約0.5乃至20ミク ロンの範囲にある。ウエブの強さは繊維の機械的からみ合い及び繊維結合に依存 する。 溶融吹込ウエブはそのマイクロデニール繊維構造により各種の用途に完全に適 している。これらの用途で重要なウエブ特性には以下のものがある。 ａ）ウエブ破裂強さ ｂ）充填密度 ｃ）ウエブ切断力 ｄ）ウエブ破断伸び さらに濾過用途に対して溶融吹込ウエブは、妥当な空気透過率において高い濾 過効率を示すべきである。 以下に詳述するように、本発明は上述の諸特性を示す溶融吹込ウエブに関する 。発明的ウエブは、各種の方法で製造可能であるが、好ましい方法は米国特許第 5,075,068号記載の直交（直角）流れを用いたものによる。 収集装置の上流で空気・繊維流に対してある媒体を用いることを開示する文献 には、米国特許第3,806,289号、3,957,421号、4,594,202号及び4,622,259号の各 号がある。しかしこれらの文献のなかには、本発明のウエブ特性を有する溶融吹 込ウエブを開示するものはない。 発明の要約 本発明の溶融吹込ウエブは、同ウエブを各種の用途、特に濾過及び吸収剤に完 全に適したものとする独特な特性を示す。ウエブは微小寸法の繊維から成り、従 来の溶融吹込ウエブに関してより狭い繊維寸法分布及び極端に低い充填密度を示 す。（ここで用いる『繊維』及び『繊維寸法』の用語はそれぞれ繊維、すなわち 、フィラアメント及び繊維直径を意味する。）本発明は同様に比較的高い空気透 過率を示すガスフィルタとして新規なウエブの用途を意図している。 本発明の広い実施態様によれば、ウエブは有効平均繊維寸法が約3-13ミクロン の範囲で繊維寸法分布（CV）が40未満の熱可塑性プラスチックから成る。ウエブ はさらに20％未満、好ましくは15％又はそれ未満の低充填密度を特徴とする。 本発明の好ましい実施態様においては、本発明のウエブは約50kPa、好ましく は約60kPaを越える破裂強さを示す。ウエブは同様に優れた切断力及び破断伸び をも示す。これらの特性はすべて結合されて溶融吹込ウエブの実用性を高めてい る。 本発明の特殊な実施態様においては、ウエブは優れた空気透過率で高い濾過効 率を示すガスフィルタを構成する。 図面の簡単な説明 １図は、本発明のウエブを製造することができる溶融吹込装置の透視図である 。 ２図は、１図の溶融吹込装置の拡大側面図である。 ３図は、従来の溶融吹込ウエブの繊維寸法（直径）と本発明の溶融吹込ウエブ のそれとを比較するプロットである。 ４図乃至６図は、発明的ウエブの充填密度を従来のウエブのそれと比較するプ ロットである。 ７図乃至９図は、本発明のウエブのウエブ空気透過率と従来のウエブのそれと を比較するプロットである。 １０図は、溶融吹込ウエブのウエブ濾過効率対繊維直径を示すプロットである 。 １１図は、破裂強さと繊維寸法平均直径との間の関係を示すプロットである。 好ましい実施態様の説明 本発明の溶融吹込ウエブは、米国特許第5,075,068号に記載された方法及び 装置により製造できる。同特許は参照により本明細書に組み入れる。 図１及び図２に示す通り、溶融吹込ライン（系列）は溶融樹脂を溶融吹込ダイ 11に放出する押出機10から成る。ダイは溶融重合体フィラメントを収束熱気流と して押出す。フィラメント・空気流は収集機又はスクリーン上に向けられ、そこ でフィラメントは任意のからみ合いとして収集されウエブ16を形成する。ウエブ 16は収集機15から引き出され運搬及び貯蔵のために巻き取ることができる。溶融 吹込装置はダイ内に設けられる加熱要素14及びバルブ付入口13を通してダイ11と 連結される空気源をも含む。空気は図示されない手段で加熱される。 図２にさらに詳しく示すように、溶融吹込ダイ11は、本体部材20及び21、ダイ 本体20に固定された細長いノーズ片22及び空気板23及び24を含む。ノーズ片22は 先端26で終わる断面が三角形の収束ダイ先端部25を有する。中央の細長い通路27 がノーズ片22内に形成され、複数の横並びオリフィス28が先端26内に設けられる 。オリフィスは概して直径が100乃至1200ミクロンの間で共に近接して隔置され る。 本体部材20及び21を有する空気板23及び24が、空気通路29及び30を定める。空 気板23及び24は、内部に向かう先細り面を有し、同先細り面はノーズ片25と結合 して調節可能な収束空気通路31及び32を定める。例示の通り、各空気通路31及び 32の流れ領域は調節可能である。溶融重合体は押出機10からダイ通路（図示せず ）を通して通路27に伝達されて、オリフィス28を通して放出される微小寸法横並 びフィラメントとして押出される。主空気はライン13を経て空気通路を通して空 気源から伝達され、熱気の収束シートとして溶融フィラメントの反対側上に放出 される。収束熱気シートはフィラメントに前推力を分与し、オリフィス28からフ ィラメントを放出する方向にフィラメントを引き付け、すなわち、細くする。フ ィラメントの方向（すなわち、その軸）は、フィラメントの放出方向を定め、主 空気がフィラメント上に接触する角度を決定する。接触角度は22.5乃至45の間で ある。ノーズ片25の内抱角は約45乃至90度の範囲にある。溶融吹込ラインの上記 説明は例示のためのみのものであることに注目することは重要である。以下に述 べる直交空気装置と結合して他の溶融吹込ラインを用いることができる。 上記の溶融吹込ダイには、押出されたフィラメント上に直交流空気を伝達する 空気導管17を設けてもよい。直交流空気を用いると独特な溶融吹込不織布ウエブ を生成することが可能で、同ウエブは低充填密度（高ロフト、すなわち、弾性） 、高破裂強さ、狭繊維寸法分布及び所与の繊維平均直径に対する高空気透過率を 特徴とする。これらの特性は以下に詳述する通り溶融吹込ウエブの多くの用途に とり重要である。 本発明の溶融吹込ウエブが独特な特性を持つ理由は十分には理解されていない が、部分的には繊維の引落率を増加させる直交流空気に起因する、増大した前推 力によるものと信じられており、それによりウエブの繊維寸法及び繊維寸法分布 が低減される。直交流空気が押出されたフィラメントに接触する直交流空気に関 する機構については米国特許第5,075,068号に詳述されている。 本発明のウエブは直交流空気を有する溶融吹込により製造できるが、発明的ウ エブは特殊な製造に限定されないことは強調すべきである。本発明の独特な特性 を有するウエブを製造するその他の方法を調査若しくは開発することは可能であ る。本発明の新規性はウエブの構造及び特性にある。このように本発明のウエブ は、狭い繊維寸法分布、低い充填密度（すなわち、より弾力に富む）及び所与の 空気透過率に対する増大された濾過効率により特徴付けられる。これらの特性の 各々につき以下に述べる。 峡繊維寸法分布：３図のプロットは、従来の溶融炊込ウエブの繊維直径と本発 明の溶融吹込ウエブのものとを比較している。Ａ′、Ｂ′、Ｃ′により定められ る包絡線（約0.9乃至4.2ミクロンの範囲）が、従来のウエブに対するＡ、Ｂ、Ｃ により定められる包絡線（約1.5乃至6.9ミクロンの範囲）より遥かに狭いことに 注目のこと。本発明のウエブの狭い繊維寸法分布は遥かに均一なウエブに帰着す る。 ３図に示す繊維寸法データは光学的に測定された。図4-11に示す平均繊維寸法 データは、Benjamin Y．H．Liu及びKenneth L．Rubowによる文献からの下式によ り計算（測定よりはむしろ）された。 ここで、Ｃは、充填率（ウエブの重量／ウエブの体積／PPの密度） Ｄは、有効平均繊維直径 ｕは、空気粘性 Ｖは、ウエブを通した空気速度 ｈは、ウエブの厚さ △Ｐは、圧力低下（125Pa） ｋは、流体力学係数（-0.5Lnc-0.75+C-0.25Ｃ²） ａは、既知直径のサンプルから得た定数この場合には基線サンプルの２ つのSEM、平均繊維直径を測定した ｃの値は、イソプロパノルに浸けて秤量前に30秒間排出させた乾サンプ ル（DW）及び湿サンプル（WW）を秤量し、その後下式により計算した Ｃ=（（WW/DW）x1.147-0.147）^-1 ｈの値は、式 ｈ=ウエブ基重量／Ｃ／PP密度により評価した PP密度=0.9012（g/cm³） イソプロパノル密度=0.7848（g/cm³） 上記方法による光学測定又は計算に基づく平均繊維寸法値は非常によい相関を 示す。しかし、４図乃至１１図及び請求項で取り上げた平均繊維寸法の値は上記 の計算方法に基づくものである。 特殊ウエブの繊維寸法分布は、個々の光学繊維寸法測定値に基づいて変動係数 （CV）として定量できる。 CVは測定された繊維の標準偏差をサンプルの平均繊維寸法で除したものである 。各種の条件において（例えば、重合体スループット、すなわち、処理原料の量 ）製造される従来のウエブに対しては、CVは46.5乃至60.4パーセントの範囲であ った。しかし、対応する条件において製造された本発明のウエブに対しては、CV は33.9乃至38パーセントの範囲であった。 本発明及び従来の溶融吹込ウエブの特性曲線は概して３図に示すようなもので 、用いた重合体及び処理条件に依存する。概して各曲線は、横座標に沿った異な る値において同一の一般的形状を有する。 充填密度：充填密度は溶融吹込ウエブの重要な特性である。その理由はそれが ウエブのロフト、すなわち、弾性又は柔軟性の尺度になるからである。以下に 論じる実験データも同様に、充填密度は、繊維寸法の均一性と共に空気透過率に 対して影響を与える。 ここではパーセントとして表わされる充填密度は、押出機で用いた熱可塑性プ ラスチック材料の密度で除したウエブの密度として定義される。 ４図乃至６図は、各種の溶融吹込条件（実験の項で以下に述べる）における従 来及び本発明のウエブに対する充填密度対平均繊維寸法直径のプロットを示す。 例外なく、対応する平均繊維寸法における発明的ウエブの充填密度は、３ミクロ ンを越える平均繊維寸法に対して従来のウエブのものより小さく、その差は増大 した平均繊維寸法と共に増大する。非常に有用な繊維寸法範囲（3乃至12ミクロ ン）及び最も好ましい範囲（3-10ミクロン）における充填密度差は重要である。 ４図乃至６図のプロットから分かるように、充填密度は溶融吹込条件に依存し て変化する。発明的ウエブ及び従来のウエブに対する充填密度の値には重複部分 がある。しかし、充填密度の平均繊維寸法に対する比として性能パラメータを定 義すると重複はなくなり、表Ｉのデータで示すように本発明のウエブは驚くほど 異なる。 表Ｉのデータにより気が付くように、繊維寸法が３ミクロンを越える範囲内では 発明的ウエブの比は２未満であるが、一方対応する寸法での従来のウエブに対す る比は２又はそれより大きい。好ましい比は1.9未満であり、最も好ましい範囲 は1.75未満である。同範囲の下方の値は、1.0、好ましくは1.2、最も好ましくは 1.3である。 本発明の低密度ウエブは、同一基本重量においてより厚く、より柔軟なウエブ に帰着する。 空気透過率：本発明の驚くべき重要な特性はその空気透過率である。ウエブ濾 過効率（実験で定められる）は繊維直径の関数である。図１０は、本発明のウエ ブ及び従来のウエブの濾過効率（F.E.）が所与の平均繊維寸法に対して同一であ ることを示す。（F.E.は以下の実験で定められる）しかし、図７乃至図９に図式 的に示すデータは、興味のある範囲内の所与の平均繊維寸法（＞3-10ミクロン） に対して本発明のウエブの空気透過率は、特に好ましい（3-12ミクロン）及び最 も好ましい（＞3-10ミクロン）繊維寸法範囲において大幅に高い。より高い空気 透過率は、勿論、所与のF.E.に対してより多くの空気スループット又はより小さ い圧力低下に置き換えられる。 充填密度特性の場合と同様に、発明的ウエブと従来のウエブとの間には空気透 過率の重複がある。ここでは再び平均繊維寸法に対する空気透過率の比を比較す ることにより空気透過率性能の差は明らかである（表II参照）。 表IIのデータは、本発明のウエブに対する空気透過率・繊維寸法比が従来のウ エブに対するものの比より大幅に高いことを示す。 要約：本発明のウエブに対する特性範囲と先行技術による従来のウエブのもの とを以下に比較する。 その他の特性：本発明のウエブは同様に以下の特性をも有することが好ましい 。 試験は、発明的ウエブに対する上記特性（すなわち、破裂強さ、伸び及び切断 力）は、比較可能な平均繊維寸法において従来のウエブより優れていることを示 した。 独特な特性の組合わせは、本発明の溶融吹込ウエブを従来のウエブに対して区 別をはっきりさせ、その実用性を高め、従来の溶融吹込ウエブでは見られない他 の用途に対するその有用性を拡大する。 本発明の溶融吹込ウエブの製造 すでに述べた通り本発明のウエブは米国特許第5,075,068号で開示された方法 及び装置により製造できる。このような製造においては、導管17をダイ出口の上 方、下方に設けて所望の“ａ”、“ｂ”、及び角度“A”設定に調節される。溶 融吹込ラインは定常状態稼働を達成するよう作動される。直交流空気はその後所 望の圧力で従来の圧縮機により導管17に伝達される。最適結果を得るためには若 干の軽い調節を要するであろう。導管寸法は、好ましくは少なくとも200fps、最 も好ましくは300乃至1200fpsの間の直交流空気を供給するように設定される。 空気導管は任意の溶融吹込ダイに追加できることに注目するのは重要である。 例えばダイ11は、米国特許第4,818,463号又は第3,978,185号で開示されたもので よい。これらの開示内容は参照により本明細書に組み入れる。 本発明のウエブは各種の熱可塑性物、すなわち、エチレン及びプロピレンのよ うなポリオレフィン、ホモポリマ、共重合体、３量体等から製造できる。他の適 切な材料としては、ポリ（メチル−メタクリル酸エステル）及びポリ（エチレン テレフタル酸エステル）のようなポリエステルが含まれる。同様に、ポリ（ヘキ サメチレンアデプアミド）、ポリ（オメガカプロアミド及びポリ（ヘキサメチレ ンセバクアミド）のようなポリアミドも適している。また、ポリスチレン及びエ チレンアクリリック共重合体を含むエチレンアクリレートのようなポリビニルも 適している。ポリオレフィンは好ましい。これらは、ポリプロピレン、ポリエチ レン及びその他のより高いポリオレフィンのホモポリマ及び共重合体を含む。ポ リエチレンはLEPD、HDPE、LLDPE及び極低密度のポリエチレンを含む。上記熱可 塑性物のブレンドも用いてよい。溶融吹込により微細繊維に紡ぎ得るあらゆる熱 可塑性物を用いることができる。 選んだ熱可塑性材料及び必要なウエブ・製品特性の種類に依存して本発明の方 法により広範な処理条件を用いてもよい。不織布製品を形成するように材料がダ イから押出される限りあらゆる作動温度の熱可塑性材料が受容できる。ダイ内の 熱可塑性材料に対して受容可能な温度範囲及び従って材料周囲のダイヘッドの大 体の温度は350乃至900°Ｆある。好ましい範囲は400乃至750°Ｆである。ポリプ ロピレンに対しては、非常に好ましい範囲は400乃至650°Ｆである。 有用な不織布製品の製造が行える限りあらゆる作動温度の空気が受容できる。 受容可能な範囲は250乃至900°Ｆである。 熱可塑性物及び主空気の流量は、押出される熱可塑性材料、収集装置からダイ までの距離（概して6乃至18インチ）及び用いる温度に依存して大幅に変えても よい。主空気の重合体に対する重量比の許容可能な範囲は約15-500で、ポリプロ ピレンに対しては15-100がより一般的である。典型的な重合体の流量は約0.3乃 至5.0g/h/m、好ましくは約0.3-1.5の範囲で変化する。 以下の実験は、本発明のウエブを従来のものと比較して改良された特性を明示 する。 実験 その１：実験は、下記明細による標準ポリプロピレンスクリューを有する１イ ンチ押出機及びダイを用いて行われた。 オリフィス数 １ オリフィス寸法（ｄ） 0.015インチ ノーズ内抱角 60度 オリフスランド長さ 0.12インチ 空気スロット 2mm開口 （空気板により定まる） 2mm逆後退 実験その１で用いた試験装置は、平坦側に１つの長手方向スロットを有する半 円形の空気導管を含む。他の実験では直径１インチのスロット付きパイプ形の空 気導管を用いた。 樹脂及び作動条件は以下の通りであった。 樹脂 800 MFR PP（EXXON Grade 3495G） ダイ温度 430°Ｆ 溶融温度 460°Ｆ 主空気温度 16.5SCFM/１インチダイ幅 重合体流量 0.8gms/min． スロット開口 0.030インチ ウエブ収集装置 ダイから12インチ離れたスクリーン 本試験は対する“ａ”、“ｂ”、及び角度“A”の値はそれぞれ１ in、1-1/12 in及び+30度であった。他の実験は以下に述べるように多重穴を有するダイで行 われた。 ３図のデータはその１の試験に基づく。 その２：他の実験は多重オリフィスダイで行われた。ダイは幅が28インチでダ イオリフィスの幅は20インチであった。オリフィスの直径は0.38mmで、L/Dは10 であった。空気間隙及びダイ先端の後退は0.20cmであった。20インチダイは、幾 何学的配列及びオリフィス寸法の面で市販のものと類似しており、我々の実験室 内の単一穴ダイのものとも類似している。これらの研究のために、長さ24インチ のスリット及び0.5インチODのパイプに0.08インチ幅の切口を備えた直交流装置 が設けられた。 ４乃至１１図のデータはその２の試験に基づく。 実験計画 市販のEXXONホモポリプロピレン800MFR樹脂が用いられた。主空気速度及び直 交流速度と共に変数“ａ”、“ｂ”、及び“A”の研究がまず行われ、20インチ のダイ表面に関して直交流スリットの最良の形状を決定するようにした。その後 直交流の有無を除いては同一条件下でサンプルが処理され、収集された。 サンプル調製及び特性測定 本研究に用いた処理条件を以下に列挙する。 ａ溶融温度（265℃） ｂ主空気温度（271℃） ｃ主空気速度（M/S）-100-290 ｄ直交流空気速度（M/S）-70-140 ｅスループット（gm/min/h）-0.1-2.0 f DCD（CM）-15-25 ｇ基本重量（gm/M²）-30-40 直交流なしで造られた各ウエブの次に直交流を用いたものを造り、このようにし て直交流を除けば同一処理条件を有する一対のウエブが得られるようにした。 直径0.2ミクロンの粒子源として空気１in³当たり0.101ミリグラムのDOP（デオ クチルフタレート）を有するTSI自動フィルタ試験装置8110型を用いて濾過効率 （F.E.）を決定した。１分間当たり24リットルの空気流速度が用いられ、材料表 面において3.75cm/secの速度に帰着した。 ASTM試験方法D 737-75により空気透過率（A.P.）を決定するために、Frazier 空気透過率試験装置（5138型）が用いられた。水12.7mmの気圧低下においてウエ ブを通す空気流量が決定された。 破裂強さ、すなわち、ウエブに直角に加えられる応力によりウエブを破裂させ るに要する力が、ASTM標準3786-80aによりムレン破裂試験装置（ダイアフラム型 ）で行われた。 切断力及び破断伸びは、ASTM試験方法D 1682に従ってInstron引張試験装置卓 上型を用いて測定した。 実験結果 図３のデータは、単一穴ダイを用いる試験に基づいた。しかし実験は、多重穴 ダイの溶融吸込方法における繊維の形成機構が単一穴ダイによるものと類似して いることを示した。 ４乃至１１図に示す試験で用いたウエブは多重オリフィスダイを用いて以下の 通り調製された。 樹脂-PP（EXXONグレード3495G） ダイ温度510°Ｆ 主空気温度520°Ｆ DCD-10インチ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 熱可塑性重合体の任意にからみ合った繊維から成る溶融吹込不織布ウエブで あって、 3.0ミクロン又はそれを越える平均繊維寸法直径と、 40％又はそれ未満のウエブ繊維寸法直径の変動係数と、 20％未満の充填密度と、 2.0又はそれ未満の平均繊維寸法直径に対する充填密度の比とを特性として 有する溶融吹込不織布ウエブ。 ２ 前記充填密度が５乃至15％である、請求項１のウエブ。 ３ 平均繊維寸法直径が３ミクロンを越えかつ10ミクロン未満で、充填密度が７ 乃至12％である、請求項１のウエブ。 ４ ウエブ繊維寸法直径の変動係数（CV）が15乃至40％である、請求項１のウエ ブ。 ５ 充填密度対平均繊維寸法直径の比が1.3乃至1.75の範囲にある、請求項３の ウエブ。 ６ 前記熱可塑性物がポリオレフィンのホモポリマ又は共重合体である、請求項 １のウエブ。 ７ 請求項１の溶融吹込繊維のウエブから成るガスフィルタであって、34gm/M²又 はそれを越える基本重量において空気に対する透過率が50乃至300CFM/FT²で、該 空気透過率が該ウエブを横切るH₂O 12.7mmの差圧で測定されるガスフィルタ。 ８ 空気透過率の平均繊維寸法直径に対する比が20乃至30の範囲にある、請求項 ７のガスフィルタ。 ９ 該有効平均繊維寸法直径が３乃至10ミクロンである、請求項８のガスフィル タ。 10 CVが30乃至40％である、請求項９のガスフィルタ。