JPH10506961A - 断熱材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 1.00psi(70.3ｇ／cm²)で圧縮された繊維構造物の厚さが、同じ面積密度を有し、造形繊維と同じdpf の丸断面繊維から製造された同様の圧縮構造物の厚さの1.4 倍以上である、造形繊維からなる繊維構造物が開示される。本発明は、本明細書に開示された構造物を使用して製造されるコート、手袋、ブーツ、靴などのような物品で有用である。本発明による構造物の驚くべき特徴は、高い圧力での厚さ保持性である。この圧力下での保持された厚さは、減少した熱移動又は改良された断熱に直接転換する。

Description

【発明の詳細な説明】 断熱材料 技術分野 本発明は一般的に断熱材料に関する。更に詳しくは、本発明は、軟らかさと耐 圧縮性、即ち、典型的な使用荷重の下に圧縮された時厚さを保持する能力との独 特の組合せを有する、通常繊維から製造されたマットの形態での、繊維構造物に 関する。これれの繊維構造物は、通気性のシート又はフィルムに積層することが できる。 発明の背景 熱極限に対して保護するための断熱についての必要性はよく知られている。典 型的には、的確に設計された構造物が、熱極限の影響を最小にするために使用さ れている。寒冷気候用の上着、手袋、ブーツ、靴、防寒用下着等には普通、ある 種の断熱材を使用することが含まれる。ダウン又はダウン／フェザー混合物のよ うな天然断熱材を使用することができるか又はThinsulate（商標）、Thermoloft （商標）又はMicroloft（商標）のような薄い合成断熱材を使用することができ る。これらの断熱材は全て、典型的な使用荷重の下に圧縮されたとき厚さを保持 することができないと言う難点がある。本発明は、進歩した薄い合成断熱材の利 点の全てを有し、圧縮されたとき増加した厚さ保持性を有する構造物を提供する 。 断熱のために使用される合成構造物には多数の特許がある。合成物の一つの利 点は、湿時における断熱値の保持にある。ダウンは湿時につぶれる。合成物の他 の利点は、「ダウン状」構造物の大きな嵩を伴なうことなく著るしい保護を与え る「薄い」構造物を設計す ることができることである。衣料二次加工の容易性は、薄い合成物の他の利点で ある。 米国特許第4,304,817 号には、一つの成分は耐久性の皮膜で滑らかにされ、一 つの成分は滑らかにされず、そして一つの成分はバインダー繊維である、捲縮ポ リエステル繊維（３dpf 未満）のバット（bat）が開示されている。これらのバ ットは上着断熱用に使用することができる。 米国特許第4,167,604 号には、ダウンと熱硬化性樹脂を染み込ませた合成中空 ステープル繊維との混合物が開示されている。この用途は寝袋などである。 種々の形の中空繊維が合成断熱材に使用されてきた。米国特許第3,772,137 号 には、中空繊維から製造された高ロフトの構造物が開示されており、欧州特許出 願公開第82303034.1号には、より軟らかい断熱材用の改良された中空ポリエステ ル繊維が開示されている。前記欧州公開公報の繊維には、15〜35％の全ボイド分 率を有する４個の連続中空断面が含まれいる。 米国特許第4,395,455 号には、上着用の断熱材中の熱移動の輻射成分を減少さ せるために、繊維材料の層の間に金属箔の薄い層を使用することが開示されてい る。 米国特許第4,992,327 号には、３〜12ミクロンの直径を有する微小繊維70〜90 ％、12〜50ミクロンの直径を有する微小繊維５〜30％からなり、繊維の幾らかは 結合している凝集性繊維構造物が開示されている。低下するらしい熱伝導率が報 告されている。 米国特許第4,136,222 号には、利用できる面積の約40〜90％のみを覆うフォー ム配列物に結合した鏡のように反射するフィルム（空気に対して開放している又 は閉じている）からなる断熱シート材料が開示されている。 米国特許第5,102,711 号には、不織ウエブが連続フィラメントから製造されて いる、自己結合した不織ウエブ及び多孔質フィルム複合体が開示されている。 米国特許第5,043,209 号には、外側層の上の汗吸収層及び内側層の上の通気性 フィルムからなる積層衣類裏地が開示されている。 図面の簡単な説明 図１は、本発明による構造物に使用される典型的な繊維の断面図である。 図１Ａは、図１に示す繊維を製造するために使用する紡糸口金オリフィスの略 図である。 図２〜５は、本発明による構造物に使用される他の典型的な繊維の断面図であ る。 図６，７及び８は、それぞれ対照に対して、本発明による構造物の耐圧縮性、 断熱性及び熱伝導率を比較するグラフである。 図９及び10は、それぞれ不織ウエブ及び積層体の形での繊維構造物の断面図で ある。 発明の説明 本発明により、1.00psi(70.3ｇ／cm²)で圧縮された繊維構造物の厚さが、同じ 面積密度を有し、造形繊維(shaped fibers)と同じdpf の丸断面繊維から製造さ れた同様の圧縮構造物の厚さの1.4 倍以上である、造形繊維からなる繊維構造物 が提供される。本発明は、本明細書に開示された構造物を使用して製造されるコ ート、手袋、ボート、靴などのような物品で有用である。本発明による構造物の 驚くべき特徴は、典型的な最終用途圧力［例えば、１psi(70.3ｇ／cm²)］での厚 さ保持性である。この圧力下での保持された厚さ は、減少した熱移動又は改良された断熱に直接転換する。 本発明は、 Ａ）構造物の軟らかさが、約0.18インチ−ポンド／平方インチ（32.2ｇ−cm／ cm²）以下であり、 Ｂ）式 圧縮％＝ 100−Kp に於ける定数Ｋが、構造物について2.00以上であり、 Ｃ）構造物が、約0.3 lb／ft³（0.005g／cc）〜約3.0 lb／ft³（0.05ｇ／cc） の未圧縮密度及び 0.5インチ（l.27cm）より小さい未圧縮厚さを有し、 Ｄ）構造物中の繊維が、形状因子が 1.5より大きいような、断面内での複数個 の指状突起部を有し、 Ｅ）構造物中の繊維が、約 1.5〜約 5.0cc／ｇの比体積及び約２〜約15のデニ ールを有する、 繊維からなる断熱性構造物である。 軟らかさは、（１）１psi(70.3ｇ／cm²)までの圧縮及び（２）０psi（0.0ｇ／ cm²）までの回復のエネルギーの合計によって測定される。 圧縮％は１psi(70.3ｇ／cm³)荷重で、 ｐは、lb／ft³（ｇ／cc）での構造物の初期嵩密度である。 形状因子は、下記式によって定義される。 但し、周囲長さと面積の単位は一致している。 比体積は、繊維１グラムによって占められる立方センチメートル （cc）での体積として定義される。 繊維から製造されたヤーン又はトウの比体積は、既知体積の円筒状溝の中に特 定の張力（普通、0.1ｇ／ｄ）でヤーン又はトウを巻き付けることによって決定 される。ヤーン又はトウは溝が完全に充填されるまで巻き付けられる。溝内に含 有されたヤーンの重量は、最近値 0.1mgまで決定される。従って比体積は下記式 のように定義される。 繊維の断熱マットは当該技術分野で公知である。例えば、繊維のバット状配列 物は、例えば、連続的に移動しているベルトの上へのような一般的な手段によっ て所定の厚さのマットに形成することができる。所望により、繊維は一般的な接 着剤を使用して一緒に結合するか又は好ましくは一般的な方法を使用してニード ルパンチすることができる。 本発明による断熱マットに使用される繊維は、特別の形状のものであり、独特 の性質を有し、断熱材のために特に適した軟らかさ及び耐圧縮性になる。実際の 未圧縮厚さは、最終用途及び遭遇する環境の酷度に依存して約１／８インチ（0. 32cm）から約１／２インチ（1.27cm）まで変化してよい。見掛け熱伝導率（後で 記載するよう ／°Ｋ）未満である。 本発明の構造物を形成する際に使用される繊維は、前記の軟らかさ及び耐圧縮 性を与える設計のものである。この繊維は、形状因子 が 1.5より大きいような、断面内での複数個の指状突起部を有する。この指状突 起部は繊維の長手方向に伸びている。本発明で有用な幾つかの典型的な断面を図 面に示す。 図１に於いて、繊維の本体10が複数個の指状突起部12を有する繊維断面を示す 。 図１Ａは、図１に示す繊維を製造するために使用する紡糸口金オリフィスの略 図である。この記載は典型的な紡糸口金の例示であり、単に実施例として与える 。図２〜５に示すような他の形状の繊維のための紡糸口金は、当業者により容易 に設計することができる。それで、これらの形状のための紡糸口金をここに記載 する必要はない。 本発明により製造される典型的な繊維の例とて、0.6 I．V．のポリ（エチレン テレフタレート）（PET）ポリマーが使用される。ポリマーをパターソンコナフ ォーム（Patterson Conaform）乾燥器内で120℃で８時間、0.003 重量パーセン ト以下の水分レベルまで乾燥する。ポリマーを、1.5インチ（3.81cm）直径で、2 8：１の長さ対直径比を有するエガン（Egan）押出機を通して283℃で押し出す。 各オリフィスが図１Ａに示すようなものである８個オリフィス紡糸口金を通して 繊維を押し出す。図１Ａに於いて、Ｗは0.100mm であり、Ｘ₂は４Ｗであり、Ｘ₄ は２Ｗであり、Ｘ₆は６Ｗであり、Ｘ₈は６Ｗであり、Ｘ₁₀は７Ｗであり、Ｘ₁₂は ９Ｗであり、Ｘ₁₄は10Ｗであり、Ｘ₁₆は11Ｗであり、Ｘ₁₈は６Ｗであり、θ₂は ０°であり、θ₄は45°であり、θ₆は30°であり、そしてθ₈は45°である。ポ リマー押出量は約７ポンド（3.18kg）／時である。空気冷却システムは横流れ配 置を有する。スクリーンの頂部での冷却空気速度は、平均294 フィート（89.6メ ートル）／分である。スクリーンの頂部から約７インチ（17.8cm）の距離で、冷 却空気の平均速度は 約285 フィート（86.9メートル）／分であり、スクリーンの頂部から約14インチ （35.6cm）の距離で、平均冷却空気速度は約279フィート（85.0メートル）／分 である。空気スクリーンの頂部から約21インチ（53.3cm）で、平均空気速度は約 340フィート（103.6メートル）／分である。スクリーンの残りはブロックされて いる。15dpf（フィラメント当たりのデニール）の繊維が、1,500メートル／分(M PM)でレソナ(Lessona)ワインダーに巻き付けられる。この繊維の断面の顕微鏡写 真を図１に示す。 次いでこれらの繊維を、70℃の水中での２×の第一段階ドラフト、180℃のス チーム中での1.25×の第２段階ドラフトを使用して、一般的なポリエステルステ ープル処理装置で処理する。次いでこの繊維を従来通り捲縮し、親水性潤滑油を 適用し、次いで145℃のオーブン中で５分間乾燥させる。次いでこのトウを所望 のステープル長さに切断する。 図２〜５は、本発明の断熱特性を与える異なった断面を例示する。図２，３， ４及び５は、本体10及び指状突起部12を有する繊維を示す。これらの繊維は、そ れぞれ約3.15，3.8，2.9及び3.8の形状因子を有する。 本発明の構造物で使用される繊維は、上記の形状に形成することができ、上記 の特徴を有するどのような組成のものであってもよい。例えば、組成物は合成ポ リマー又は天然ポリマーであってよい。特に興味のあるものは、ポリエステル、 ポリアミド、酢酸セルロース、セルロースアセテートプロピオネート及びセルロ ースアセテートブチレートのような有機ポリマーである。これらの中でも、ポリ エステル、特に上記の例で記載したようなポリエチレンテレフタレート、ポリシ クロヘキシレンジメチレンテレフタレート及びこれらのポリエステルのコポリマ ーが特に好ましい。 本明細書で使用するとき、インヘレント粘度（I．V．）は、フェノール60重量 ％及びテトラクロロエタン40重量％からなる溶媒100mL当たりポリマー0.50ｇを 使用して25℃で測定する。 Sintech(商標)２Ｗ機械を使用するマットの圧縮試験のための手順は、下記の 通りである。 １．試料を試験プラットホーム［10インチ×10インチ、12インチ×12インチ（25 .4cm×25.4cm、30.5cm×30.5cm）］に適合するサイズに予め切断する。 ２．試料を、既知の寸法［2.25インチ（5.72cm）直径］の試験脚の下のプラット ホームの上に置く。 ３．圧縮装置を下記のパラメーターで設定する。 ａ．ゲージ長さ、布帛の初期厚さ［２インチ（5.08cm）］により決定される。 ｂ．クロスヘッド速度、２インチ（5.08cm）／分。 ｃ．ロードセル、ピーク荷重に適合する［５ポンド又は50ポンド（2.27kg又は 22.7kg）］。 ｄ．ピーク荷重、伸びで得られる最大力［１ポンド又は５ポンド／平方インチ （70.3ｇ／cm² 又は351ｇ／cm²）］。 ｅ．ゆるみ荷重、布帛の初期厚さが決定される荷重（30グラム）。 ｆ．戻り荷重、布帛の最終厚さが決定される荷重（30グラム）。 ｇ．保持時間、ピーク荷重を保持する時間（60秒）。 ４．試験を開始し、試料の単一部位で多数回のサイクルを行うことができる。同 じ試料の多数部位を試験することもできる。 Holometrix（商標）熱流計熱伝導率計器を使用する不織布での見掛け熱伝導率 測定は、下記の通りである。 異なった種類の繊維から製造された不織布のＫ−係数又は熱伝導 率を測定するために、ホロメトリックス（Holometrix）モデルK50／K75 K-Matic 熱流計熱伝導率計器を使用する。この計器は、Holometrix，Inc.，Thermatest I nstruments Divisionにより製造されている。この計器のスイッチを入れ、較正 及び試料試験を行う前に一晩ウォームアップさせる。計器は各試験日の開始時に 較正し、複数日試験期間の間そのままにしておく。0.253及び0.256BTU−IN／（H R−FT２−DEGF）（0.0289及び0.0292Ｗ／メートル／°Ｋ）の熱伝導率を有する ２個の１インチ（2.54cm）厚さのガラス繊維複合体較正試料が、計器を較正する ためにメーカーによって供給される。一般的に、較正は日毎に＋／−0.003(又は それ未満)BTU−IN／（HR−FT２−DEGF）（＋／−0.00034Ｗ／メートル／°Ｋ又 はそれ未満）以内で安定である。12インチ×12インチ（30.5cm×30.5cm）の不織 布試料を、インチでの試料厚さが、BTU−IN／（HR−FT２−DEGF）で測定した熱 伝導率の予想値の２倍以上である計器メーカーの要求に適合するために十分な厚 さまで積層する。ASTM C518規格に一致するように設計された計器は、その間に 試料を試験するために置く加熱した下表面及び冷却した上表面を有する断熱チャ ンバーからなっている。下表面は、試料を上表面と接触させ、所望により試料の 幾らかの圧縮を行わせるための外部レバーアームの手段によって移動可能である 。熱伝導率、試料厚さ、熱流速及び上プレートと下プレートとの間の温度差のデ ジタル読み出しは、計器の前面のセレクタースイッチの手段によって与えられる 。上プレート及び下プレート温度の外部デジタル読み出しも与えられる。試料を チャンバー内に置いて、データをロギングする前に平衡に到達させる。平衡は、 少なくとも５分間内に熱伝導率読み出しに於いて検出可能な変化が無いものとし て定義される。一般的に、平衡は、試料の全質量及び厚さに依存して、30〜60分 内に到達される。 下記の２個のカーディングし熱的に結合した６オンス／平方ヤード(l42ｇ／平 方メートル)のバットを、比較試験のために製造する。 １）対照バット 85重量％ ポリエチレンテレフタレート（I．V．＝0.60）繊維、 6.5dpf，2.0 インチ（5.08cm）長さ 15重量％ シース／コア繊維−シースは１，４−シクロヘキサン ジメタノール又はジエチレングリコールのようなコモ ノマーで変性した低融点ポリエチレンテレフタレート （I．V．＝約0.60）であり、コアはポリエチレンテレ フタレート（I．V．＝0.60）である、6.5dpf，2.0 イ ンチ（5.08cm）長さ ２）本発明によるバット 85重量％ ポリエチレンテレフタレート（I．V．＝0.62）繊維、 dpf ＝ 6.0，3.0 インチ（7.62cm）長さ 15重量％ シース／コア繊維−シース（対照のものと同じ） 図６は、１psi(70.3ｇ／cm²)荷重以下のこれらの２個のバットの圧縮特性を示 す。対照バットの初期厚さが、本発明によるバットより大きい（一層嵩張ってお り、一層低い密度）ことに注目されたい。しかしながら、１psi(70.3ｇ／cm²)の 荷重の下では、保持厚 さは、本質的に同じ軟らかさ及び柔軟さを維持しながら、対照バットについてよ りも本発明によるバットについて51％（1.51倍）大きい。これは、図７に示す断 熱に於ける利点に転換する。図８は、密度の関数としてのバットの見掛け熱伝導 率を示す。CLOの標準的定義を図７で使用する。この試料の軟らかさは約0.16イ ンチ−ポンド／平方インチ（28.6ｇ−cm／cm²）である。 図９は、本発明による断熱材料について繊維の不織マット14を断面で示す。 図10は、本発明による断熱材料について通気性シート16に積層された繊維の不 織マット14を断面で示す。例として、Gore−Tex(商標)通気性シート材料と不織 繊維の層との積層物は接着剤で結合されて、本発明による断熱材料を形成してい る。不織繊維の層は３／16インチ（0.47cm）厚さであり、その中の繊維は６dpf 及び２インチ（5.08cm）長さである。嵩密度は0.5 lb／ft³（35.2ｇ／cm²）であ る。繊維の形状因子は2.7である。この繊維は汗のような液体を自発的に輸送す る能力がある。液体を「自発的に輸送する」によって、液体が１本の繊維と接触 するうになっとき、滴が繊維に沿って広がるような一般的に液体、特に液体の滴 、典型的に水の滴の性質を意味する。このような性質は、液体と固体繊維との交 差点で独特の接触角で静的楕円形状を形成する滴の通常の性質とは対照的である 。楕円状滴の形成には非常に短い時間を要するが、その後静止したままで留まっ ていることは明らかである。重要な因子は、空気、液体、固体界面の位置が時間 と共に移動することである。液体が繊維と接触した直後にこのような界面が移動 すると、繊維は自発的に輸送性であり、このような界面が静止していると、繊維 は自発的に輸送性ではない。自発的に輸送性の現象は大きなフィラメント（20デ ニール／フィラメント (dpf)超）については裸眼で容易に見るこ とができるが、繊維が20dpf より小さい場合は繊維を見るために顕微鏡が必要で あろう。着色した液体は一層容易に見えるが、自発的輸送性の現象は色には依存 しない。液体が他の部分よりも速く移動する繊維の周辺の部分を有することが可 能である。このような場合に、空気、液体、固体界面は実際に繊維の長さに亘っ て伸びる。そうして、このような繊維は、空気、液体、固体界面が静止とは反対 に移動する場合にも自発的に輸送性である。このような繊維は当該技術分野に於 いて、例えば、米国特許第5,268,229 号、同第4,707,409 号及び同第5,200,248 号に開示されている。 用語「通気性フィルム」によって、本発明者等は、水蒸気を通過させることが できるが、液体水に対しては不浸透性である材料のフィルム又はシートを意味す る。例には、公知のGore−Texシート材料及びDermoflex(商標)シート材料が含ま れる。 本発明をその好ましい態様を特に参照して詳細に記載したが、その変形及び修 正が本発明の精神及び範囲内で実施することができることが理解されるであろう 。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．Ａ）構造物の軟らかさが、約0.18インチ−ポンド／平方インチ（32.2ｇ− cm／cm²以下であり、 Ｂ）式 圧縮％＝100−Kp に於ける定数Ｋが、構造物について2.00以上であり、 Ｃ）構造物が、約0.3 〜約3.0 lb/ft³（0.005〜約0.05ｇ／cc）の未圧縮密度 及び 0.5インチ（1.27cm）より小さい未圧縮厚さを有し、 Ｄ）構造物中の繊維が、形状因子が1.5より大きいような、断面内での複数個 の指状突起部を有し、 Ｅ）構造物中の繊維が、約1.5〜約5.0cc／ｇの比体積及び約２〜約15のデニー ルを有する断熱性繊維構造物であって、 軟らかさが、（１）１psi(70.3ｇ／cm²)までの圧縮及び（２）０psi（0.0ｇ／ cm²）までの回復のエネルギーの合計によって測定され、 １psi(70.3g／cm²)荷重で、 ｐは、lb／ft³（ｇ／cc）での構造物の初期嵩密度であり、 形状因子は、下記式によって定義され、 （但し、周囲長さと面積の単位は一致している） 比体積は、繊維１グラムによって占められる立方センチメートル（cc）での体 積として定義される 断熱繊維構造物。 ２．Ｋが3.00以上である請求の範囲第１項に記載の繊維構造物。 である請求の範囲第１項に記載の繊維構造物。 ４．マットの形状の請求の範囲第１項に記載の繊維構造物。 ５．1.0psi（70.3ｇ／cm²）で圧縮された該繊維構造物の厚さが、同じ面積密 度を有し、丸断面繊維から製造された同様の圧縮繊維構造物の厚さの1.4 倍以上 である、造形繊維から製造された繊維構造物。 ６．約６の平均dpf を有し、約2.7 の形状因子を有する図１に示される繊維断 面を有するポリエチレンテレフタレートから製造された請求の範囲第５項に記載 の繊維構造物。 ７．請求の範囲第５項に記載の繊維構造物からなる靴又はブーツ用断熱材。 ８．成分の一つが請求の範囲第５項に記載の繊維構造物である積層物。