JPS60181318A - 無機質繊維の製造方法 - 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】 本発明は、耐火性物質およびプラスチックスや金属など
をマトリックスとする被合体の強化材として使用される
に適した無機質繊維の製造方法に関するものである。

近年、各種断熱材料の研究開発が進むにつれて、より高
温域での断熱材料の需要が高まってきており、また、各
種工業材料の軽量化と高強度化が省資源の立場から重要
となってきている。このような背景の中で、特に高耐熱
性を有し高強度であるような無機繊維、たとえば多結晶
質のシリカ・アルミナ繊維やジルコニア繊維などが脚光
を浴びつつある。

こうした無機繊維の製造方法に関しては従来より種々の
方法が提案されている。たとえば、特公昭５５−８６７
２６号公報では、繊維化の方法として、１個またはそれ
以上の開孔部を通じて、押出された組成物の移動方向に
高速で流れる成分を有する少なくとも一つの空気流中に
押出しすることによって行なっている。しかし、この方
法では、押出された組成物の速度と空気流の速度との間
に全く相関がないことから、繊維の太さを充分に制御す
ることができないために繊維が細くなりすぎて、その結
果切断してしまい連続に近い長さを有し、織物にするこ
とのできる様な繊維をつくることはできない。また、押
出された組成物に空気流が高速で衝突するために、繊維
はねじれて巻縮したものとなって結晶粒間に歪みが残シ
、本来有しているはずの高引張強度と高弾性率を維持す
ることができない。繊維状物質で高耐熱性を得るために
は、なるべく繊維を配向して熱線の通り道を遮断するこ
とが肝要であり、したがって、織物状繊維が最も優れた
耐熱性を有している。さらに、プラスチックや金属など
のマトリックス中に繊維がランダムに配向された複合体
では、軽量化と高強度化に繊維の及ぼす影響はほとんど
なく、配向に有利なフィラメント状長繊維が優れた効果
を上げている。

すなわち１．前記公報に記載の繊維化方法では、長繊維
ができないために繊維を配向させることができないこと
、並びに繊維が巻縮してしまう理由から、高耐熱性と高
強度との両方を兼備した無機質繊維が製造できないこと
がわかる。

同様に、特開昭５６−９４２７号公報にも押出された細
流を高速気流で牽引し、引続き熱風で乾燥して前駆体繊
維を得る繊維化方法が記述されているが、この方法にお
いては特に音速に近い高速気流を用いているために上記
の如く繊維が短く切断されてしまうことおよび生成した
前駆体繊維の形状が縮れたものであるために強度の弱く
なることの２つの理由から、繊維化方法としては好適で
はない。

一方、特開昭４７−２９６８１号公報は、初めて連続に
近い長さを有する繊維を製造する方法について記述した
もので、強粘溶液を押出して生繊維を形成し、その生繊
維を弛緩したゆるい形状で蓄積したまま焼成することで
連続した長さを有する無機繊維を製造するものである。

しかしながら、生繊維をべμトコンベア上に８の字状に
ゆるく蓄積するために、生繊維のねじれを防止すること
ができず焼成後の繊維もねじれを受けているために弱く
なってしまう。また、繊維はローラーの回転によっての
み細化されるので、高耐熱に適した細い繊維は製造でき
ない。

さらにまた、特開昭５５−８０４６７号公報および特開
昭５６−９６９１５号公報に記述されている如き遠心力
による繊維化方法では、繊維のねじれが非常に強く生ず
ること、また、高速度で吹き飛ばされるため、事実上遠
心力を利用して連続繊維は製造できない。

以上の様に、従来の繊維化方法では、連続でねじれかな
く高強度の無機質繊維を製造することができなかった。

本発明は上記先願発明に対して、実質的圧ねじれのない
高強度の無機質連続繊維を製造する方法に関するもので
あり、高耐熱性と高強度とを有した無機質繊維を提供す
るものである。

以下本発明の詳細な説明する。

本発明は、容器内の金属化合物、有機重合体の水溶液か
ら成る高い粘度を有する組成物に圧力をかけ、前記容器
に設けた細孔部から前記組成物を連続して噴出せしめて
細流となし、前記組成物の噴出方向に流れる空気流にて
前記細流を延伸せしめて生繊維となし、次いで前記生繊
維を焼成して無機質繊維となす方法において、前記容器
の細孔部の内径’ｔ：Ｄｏｅ１Ｍ、前記組成物の粘度を
ηポイズ、前呂組成物の噴出量をＱｃ＋４／ｓｅｅ、前
記生繊維の径をＤｉｃｍで表わす時、ｌｏｇ　（１，２
７８η・Ｑ／Ｄｏ”）が２〜４の範囲にあり、かつＤｏ
／Ｄｆが２５以下であることを特徴とする無機質繊維の
製造法を提供するものである。

金属化合物の水溶液と水溶性の有機重合体とから成る組
成物を繊維化して後、焼成して無機繊維を製造する方法
は公知のものである。

前記組成物の粘度ηボイズは、前記組成物に含有される
有機重合体の添加量の大小には相関がなく、主に前記組
成物内の金属化合物の濃度に大きく影響される。ここで
、金属化合物は水溶液中でイオン化し、金属化合物の濃
度が増加すると金属イオンは互いに三次元的に重合して
多核イオンを形成するようになり、粘度ηが増大する。

金属イオンの重合は方向性のない等方性のものであるの
で、粘度の増加が繊維化の容易さをそのまま指示するも
のとはならない。かえって、金属イオンの重合すなわち
凝集は、細く伸ばされることに対して正反対の力を加え
ることに相当するので、繊維化に惑影響を与えることと
なる。この様に、前記組成物の繊維化は、鎖状の高分子
を構成成分とする合成繊維の繊維化に比較して、まった
く異なった挙動を示すことになり、合成繊維の繊維化に
おける連続繊維製造の条件を仁の場合にもそのまま適用
することはできない。

無機質の連続繊維をつくる方法は、ガラス繊維に多数の
例が見られる。しかし、ガラスの場合には、原子間の結
合がほとんど無限に続いた三次元的な網目構造を持って
いることから、相互に結合を持たない金属イオンの集合
体から成る前記組成物の繊維化に比べて、隔分容易に連
続繊維をつくることかできる。

しかしながら、本発明の如き、水溶性の組成物から連続
繊維をつくるには、第一に溶媒である水が揮発して諭く
過程で、上述した様な弱い結合しか持たない金属化合物
と有機血合体とから成る組成物の延伸を行なわねばなら
ないために、繊維化の条件を厳密に制御しないと切断が
生じ連続繊維ができないこと、第二に繊維化特性を付与
するために添加される有機重合体の量が、一般に合成繊
維の製造時に必要とされる量と比較して著しく少ないこ
とから強度のある生繊維をつくることができず、生繊維
の取扱い時に繊維が切断してしまうことの二つの理由か
ら、大変困難なことであると考えられた。

本発明者等は、上述した如き高粘性の水溶液から無機質
繊維を製造する方法について、特に繊維化の方法につい
て種々検討したところ、以下の様な事項を新規に知見し
た。

第１点は、連続繊維の製造条件にお゛いて、細孔部から
の組成物の噴出速度ＶＯ（ｃ＋ｍ／ｇ＠６）と組成物の
粘度η（ポイズ）との間に密接な関係の存在することを
新規に知見したのである。たとえば、粘度ηが１０００
　（ポイズ）以上と著しく高い場合には、噴出速度Ｖｏ
を小さくしないと連続繊維を得ることができず、また、
粘度ηが１００（ポイズ）以下のように低い場合には、
噴出速度Ｖｏは大きい方が好適であった。そこで、粘度
η（ポイズ）と噴出速度ｖ　ｏ　（ｃｍ／ｓｅｅ　）と
を種々変化さ１せて、連続繊維となる条件について調査
し、その結果をまとめたところ、ｌｏｇ　（η・Ｖｏ）
の値（以下、対数値という）が２〜４の範囲、より好ま
しくは２．５〜８．５の範囲にある時に、連続繊維を製
造することができたのである。

ここで、細孔部からの前記組成物の噴出速度Ｖｏ　（ｃ
ｍ／５ｅｅ）は、前記組成物の噴出量ｔ”　Ｑ　（ｃＪ
／ｓｅｅ　）、また細孔部の内径を［）、）（備）とす
る時、Ｖｏ　＝　１．２７８　・Ｑ／　Ｄｏ”なる関係
にあるから、上記対数値はｌｏｇ（１，２７８・η・Ｑ
／Ｄｏりと書き直すことができる。

第２点は、繊維化が、細孔部よシ噴出された前記組成物
から成る細流が、空電流によってさらに細くされ、水が
蒸発して金属化合物と有機重合体とから成る生繊維とな
る過程を通じて行なわれる時に、前記細孔部の内径１）
（１（ｍ）と前記生繊維の径Ｄｆ（＃）との比、すなわ
ち、Ｄｏ／Ｄｆ値（以下、伸長比という）を定義すれば
、この伸長比が２５という値を越えない場合に連続繊維
が製造できることを新規に知見したのである。そして、
以上二つの条件のいずれもが満足されないと連続繊維を
製造できないことがわかったのである。

つまり、第１の条件は、細孔部から連続して組成物を噴
出せしめるためのものであり、第二の条件は、連続の状
態を維持しながら所望の繊維径へと伸長せしめるための
ものである。

本発明の繊維化の方法は、容器内の金属化合物、有機重
合体の水溶液から成る組成物に圧力をかけ、前記容器に
設けた細孔部から前記組成物を押出す方法、いわゆる押
出法にて行なわれる。

前記組成物の粘度は具体的にはｌＯ〜１ｏｏｏｏポイズ
とするのが好適である。よシ好ましくは１００〜８００
０ボイズとするのがよい。粘度が１０ホイズより低い場
合には１．前記組成物内の金属化合物の濃度が少なくな
って緻密で高強度の繊維を形成することが不可能となる
ため好ましくない。また、粘度が１ｏｏｏｏポイズより
高い場合には、前記組成物の流動性が著しく損われる結
果となり、連続して前記組成物を噴出せしめるためには
、非常に高圧が必要であること、あるいは、細孔の内径
を大きくせねばならず細い繊維をつくり難いこと等の問
題があり好ましくない。

前記容器の細孔部の内径は、０．００５〜０．５百とす
るのが好適であり、よし好ましくは０．０１〜０．１２
６６屑とするのが艮い。特に、細孔の大きさは所望繊維
径、すなわち前記生繊維のそれ以上さらに伸長され得な
い径（以下、最終径という）をどれ程にするのかで決定
される。たとえば、断熱材用途向の如く細い繊維が所望
でめれば、小さな細、孔が選ばれ、かさ高くて腰の強い
繊維が所望ならば、太い細孔が選ばれる。しかし、前記
内径が０、００５　Ｃｍより小さいと、前記組成物を該
細孔部を通じて噴出せしめるのに高圧が必要であること
または、生産性が著しく低下する理由から好ましくない
。また、前記内径が０．５備より太い場合には、実質的
に実用とならない太さの繊維しか得られないため有用で
はない。

同様に前記生繊維の最終径は、０．０００５〜０．０５
ｃｍの範囲が実用的で好適であり、より好ましくは０．
０００７〜０．００５０ｃｍ＋とするのが良い。最終径
が０．０００５１”１１より小さいと、生繊維の取扱い
時に切断し易くなるため好ましくない。また、最終径が
０．０５ｅｌ１１より太いと、焼成後の繊維もまた太い
ものとなるので実用的でない。

さらに、前記組成物の噴出量は、細孔１本あたり、０．
０００５〜０．０５　ｃＪ／ｓｅａとするのが好適であ
り、より好ましくは０．００１〜０．０１　ｃｄ／ｓｅ
ｃとするのが良い。前記噴出量が０．０００５Ｃν８１
１６より少ない場合には生産量を増加させるために多数
の細孔が必要となり、繊維化が繁雑となり好ましくない
。また前記噴出量が０．０５　ｅｄ／ｓｅａよシ多いと
、実用に供さないような太い繊維、あるいは連続繊維を
得るだめの伸長を充分に行なえない等の理由から好１し
くない。

本発明の特徴は、上述した如き好適範囲を有するそれぞ
れの繊維化因子を、２つの関係式に従って制御し所望の
連続繊維を製造することにある。

すなわち、前記容器の細孔部の内径をＤｏｅｍ。

前記組成物の粘度をηボイズ、前記組成物の噴出量をＱ
　Ｊ／ｓｅｃ　、前記生繊維の径をＤｉＣＩＩで表わす
時、ｌｏｇ　（１，２７８η−Ｑ／Ｄｏりが２〜４の範
囲にあり、かつＤｏ／Ｄｆが２５以下であるようにそれ
ぞれの量を制御することである。

ここで、対数値ｌｏｇ　（１，２７８ηＱ／Ｄｏ２）が
２より小さいと、前記澗孔部より噴出した細流が、前記
細孔部の下部で表面張力の作用により球状になり、その
結果繊維の切断が生じることとなり好ましくない。また
、対数値が４より大きな範囲になると、前記組成物の凝
集力が強くなって繊維が伸長されにくくなり、切断が生
じ易くなって好ましくない。さらに、伸畏比Ｄｏ／Ｄｆ
が２５を越えると繊維の伸長を強く行ない過ぎることと
なり繊維が切断するので好ましくない。

本発明における金属化合物とは、水溶液の金属塩である
ことが重要であり、アルミニウム、ジルコニウム、チタ
ン、クロム、マグネシウム、スズ、銅、マンガン、コバ
ルトおよび鉄またはそれらの混合物の塩化物、硫酸塩、
酢酸塩、水酸化物および硝酸塩からなる群から選ばれる
。特に、塩基性塩化アルミニウム、塩基性酢酸アルミニ
ウム、塩化アルミニウム、塩基性塩化ジルコニウム、塩
基性酢酸ジルコニウム、塩化マグネシウムの一種又は二
種以上から選ばれるのが好ましい。

有機重合体は、水溶性の有機重合体であることが好まし
く、たとえば、ポリビニルアルコール、ポリエチレンオ
キサイド、ポリエチレングリコール、ポリアクリルアミ
ドなどが好適である。

本発明における生繊維の焼成は、有機重合体の分解を充
分に行なわせしめるために、酸素を含有した雰囲気で少
なくとも８００℃以上の温度で焼成することが好ましい
。特に、繊維化されて収束された生繊＃Ｉを連続して焼
成炉へ導き焼成する連続焼成方法は、繊維にねじれが発
生しないことから最も好ましい方法である。

また、生繊維の収束は、生繊維に強度のないことから主
に空気の流れを利用して生繊維を収束していく方法が特
に好ましいものである。

以下、本発明の実施例を比較例と合わせて説明する。

塩基性塩化アルミニウム水溶液（ＡｈＯｓ　２８ωｔ％
）ｌｌにポリビニルアルコ−ｊｖ（クランＰＶＡ−２１
７）の４％水溶液５００ｇｔ、酸性安定型のシリカシＡ
／（日照化学社製・スノーテックスＯ）９２ｍｌ。

及び塩化アルミニウム六水塩１６ｊＦを加え、混合物を
攪拌濃縮して紡糸原液を作成した。紡糸原液は、水分量
を調節することで種々の粘度を有する試料を得ることが
できたが、水分量の違いは繊維化には何ら悪影響を与え
なかった。この原液をｐ過、脱泡後圧力容器に収容し、
最大５０　ｋ４１／ｃｄ　Ｇの窒素ガス圧を加えて容器
下部の細孔部よ、９７０％以下の相対湿度を持つ空気中
へ押出し、さらに延伸用の空気ノズルから２０℃におい
て８００　ｆｉ以下の速度を有する空気流を該繊維に当
てて細化し乾燥させて繊維とした。ここで、１ｍ維化の
条件として、紡糸原液粘度、細孔部の原液流出流量、細
孔部の径、そして、紡糸原液の表面張力を因子として種
々変化させて繊維化を行なった。細孔部より押出された
繊維は、空気によって細化されるのであるが、細孔部の
流速に比べて延伸部の速度が著しく大きい場合には、繊
維が切断されてしまう。

そこで、延伸後の繊維の速度を観察、測定して細孔部の
流速との比較を行ない、連続繊維製造の条件について調
べた。その結果を下記の表に示す。

上記の表における凪１〜７は、本発明による場合のもの
で、紡糸原液粘度が１５０〜２０００　ｐｏｉｓｅと繊
維化に好適な範囲にあり、延伸部速度を制御したことに
より延伸比Ｄ　ｏ／　Ｄ　ｆがいずれも２５以下の数値
となって、連続状のきれいなアルミナ繊ｍを得ることが
できた。

隘８〜１０は本発明によらない比較例を示したものυ、
凪８は、紡糸原液粘度が低すぎて対数値が好適な範囲に
含まれないために繊維が切断してしまった場合を、また
、凪９は紡糸原液粘度が高くなりすぎて、原液を構成す
る分子間の凝集力が高まりその結果繊維が切断されてし
まった場合を示した。Ｉ’！１ＬｌＯは、延伸部の速度
が速すぎたために、繊維が切断されてしまった場合を示
した。

以上のように、本発明の無機質繊維の製造方法によれば
、断熱材や複合強化用途に適した連続状の無機繊維を製
造できるものである。

特許出願人 イビデン株式会社 代表者　多賀憫一部

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、容器内の金属化合物と有機重合体の水溶液から成る
   高い粘度を有する組成物に圧力をかけ、前記容器に設け
   た細孔部から前記組成物を連続して噴出せしめて細流と
   なし、前記組成物の噴出方向に流れる空気流にて前記細
   流を延伸せしめて生繊維となし、次いで前記生繊維を焼
   成して無機質繊維となす製造方法において、前記容器の
   細孔部の内径をＤ□ｃｍ、前記組成物の粘度をηポイズ
   、前記組成物の噴出量ｔ−Ｍ／１ｉｅ（１，前記生繊維
   の径’１Ｄｆｅｌｌで表わす時、ｌｏｇ　（１，２７８
   η・Ｑ／Ｄｏ”）が２〜４の範囲内にあり、かつＤｏ／
   Ｄｆが２５以下であることを特徴とする無機質繊維の製
   造方法。 ２、前記容器の細孔部の内径が０．００５〜Ｑ、　５　
   ｅｔａで前記組成物の粘度が１０〜１ｏｏｏｏポイズ、
   前記組成物の噴出量が０．０００５〜０．０５−レ’、
   ８＜１６　、前記生繊維の最終の径が０．０００５〜０
   ．００５１’ｌｌであることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の製造方法。