JP2012502197A - 高処理のエレクトロブロー法 - Google Patents

Abstract

本発明は、２５℃で少なくとも約６ｋＰａの蒸気圧で少なくとも１種の溶媒中に溶解した少なくとも１種のポリマーを含むポリマー溶液を紡糸口金に供給するステップと、紡糸口金の少なくとも１つの紡糸ノズルから離れた方向に、電界の存在下で、吹込ガスと組み合わせてポリマー溶液を放出するステップであって、ポリマー溶液を約６〜約１００ｍｌ／分／孔の吐出率で紡糸ノズルを介して吐出するステップと、繊維を形成するステップと、およびコレクター上に繊維を捕集するステップとを含む繊維紡糸法である。

Description

関連出願の相互参照
本明細書において開示されている主題は、本発明と共に同時に出願され本発明の譲渡人に譲渡された以下の出願書類に、開示され特許請求されうる。
Ｄｅｅ、Ｈｏｖａｎｅｃ、およびＶａｎＭｅｅｒｖｅｌｄの名前で出願された「Ｆｉｂｅｒ Ｓｐｉｎｎｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｗｅａｋｌｙ Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｎｇ Ｐｏｌｙｍｅｒ」米国仮特許出願第６１／１９１１０３号明細書（整理番号ＴＫ４９５５ ＵＳ ＰＲＶ）

本発明は、高処理のエレクトロブロー法からの繊維ウェブを形成する方法に関する。

溶液紡糸法は、繊維および不織布の製造に用いられることが多く、ある場合には、高処理での有利性を有するので、繊維または布帛が、大規模で商業的に実行可能な量で作製されることが可能である。上記の方法を用いて、医療衣、フィルターおよび選択的障壁を必要とする他の最終用途に有用である繊維ウェブを作製することができる。小直径を有する繊維を利用して、この種の繊維ウェブの性能を高めることができる。

エレクトロブローと呼ばれるタイプの溶液紡糸は、吹込ガスと組み合わせ、電界の存在下で紡糸ノズルを介してポリマー溶液を紡糸することにより、非常に微細な繊維を生成する。

しかしながら、繊維の均一性や製品の品質を損なわずに、この方法の処理を増大させてプロセス効率を向上させ、製造コストを低減させることが望まれている。

本発明は、２５℃で少なくとも約６ｋＰａの蒸気圧で少なくとも１種の溶媒中に溶解した少なくとも１種のポリマーを含むポリマー溶液を紡糸口金に供給するステップと、紡糸口金の少なくとも１つの紡糸ノズルから離れた方向に、電界の存在下で、吹込ガスと組み合わせてポリマー溶液を放出するステップであって、ポリマー溶液を約６〜約１００ｍｌ／分／孔の吐出率で紡糸ノズルを介して吐出するステップと、繊維を形成するステップと、およびコレクター上に繊維を捕集するステップとを含む繊維紡糸法である。

詳細な説明と共に本明細書に組み込まれその一部を構成する添付の図面は、本発明の原理を説明するのに役立つ。

本発明に係る繊維ウェブを調製するのに有用な、先行技術のエレクトロブロー装置の概略図である。

本発明は、濾過媒体、蓄エネルギーセパレーター、防護服等の、様々な顧客の最終用途に適用する溶媒紡糸されたウェブおよび布帛に関する。

本発明は、エレクトロブロー法を用いて、高蒸気圧の溶媒中に溶解したポリマーを高い処理率で繊維およびウェブに紡糸する。

繊維層を作製する方法は、参照により本明細書に援用される国際特許第２００３／０８０９０５号パンフレット（米国特許出願第１０／８２２，３２５号明細書）に開示されている。図１は、国際特許第２００３／０８０９０５号パンフレットに記載されるエレクトロブロー（または「エレクトロブロー紡糸」）を用いる本発明の方法を実施するのに有用なエレクトロブロー装置の概略図である。この先行技術のエレクトロブロー方法は、溶媒に溶かされたポリマーの溶液を貯蔵タンク１００から紡糸口金１０２を介して、高電圧が印加される紡糸ノズル１０４に供給し、同時に、ポリマー溶液が紡糸ノズル１０４を出る際に、圧縮ガスまたは吹込ガスが、吹込ガスノズル１０６を介してポリマー溶液に向けられて繊維を形成し、そして真空室１１４およびブロワー１１２により生じる真空下で、接地されたコレクター１１０上に繊維をウェブとして捕集するステップを含む。

捕集装置は、紡糸口金１０２とコレクター１１０の間の静電界内に位置する移動捕集ベルトが好ましい。捕集された後、繊維層は、コレクター１１０の下流側上の巻取りロールに向かい巻き取られる。繊維ウェブは、移動捕集ベルト上に配置された任意の様々な多孔性スクリム材料（例、スパンボンド不織布、メルトブローン不織布、ニードルパンチ式不織布、織布、編布、有孔フィルム、紙およびそれらの組み合わせ）上に堆積されてもよい。

二次ガスは、繊維から溶媒を除去するのを促進するように、紡糸口金から下流で繊維に接触させてもよい。高い処理率で繊維をエレクトロブローする場合、多量の溶媒が繊維形成ポリマー溶液から除去されなければならない。二次ガスは、繊維に衝突するように配置されることが可能であり、もしくは掃引ガスとして用いて全体的な紡糸領域から溶媒を除去するのを促進することも可能である。

高い処理率または吐出率で繊維を紡糸するために、高蒸気圧を有する溶媒を用いることができる。本発明に従って、２５℃で少なくとも６ｋＰａの蒸気圧を有する溶媒が好ましく、２５℃で少なくとも１０ｋＰａの蒸気圧を有する溶媒がさらに好ましく、そして２５℃で少なくとも２０ｋＰａの蒸気圧を有する溶媒がなおさらに好ましい。高蒸気圧を有する適切な溶媒として、メタノール（１６．９）、エタノール（７．９）、アセトン（３０．８）、ブタノン（１２．１）、ジクロロメタン（５８．１）、１，２−ジクロロエタン（１０．６）、トリフルオロ酢酸（１４．７）、酢酸エチル（１２．４）、テトラヒドロフラン（２１．６）、クロロホルム（２６）、四塩化炭素（１５．４）、およびペンタン（６８．３）、ヘキサン（２０．２）、ヘプタン（６．１）、シクロヘキサン（１３）、メチルシクロヘキサン（６．１）、およびベンゼン（１２．３）をはじめとする炭化水素が挙げられる（括弧内の数字は、２５℃でのｋＰａ単位でのこれらの溶媒の蒸気圧である）。蒸気圧データは、「Ｏｒｇａｎｉｃ Ｓｏｌｖｅｎｔｓ」２巻、４版、Ｊｏｈｎ Ｒｉｄｄｉｃｋ、Ｗｉｌｌｉａｍ Ｂｕｎｇｅｒ、およびＴｈｅｏｄｏｒｅ Ｓａｋａｎｏ、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ、１９８６年）からもしくは溶媒の物理的性質のＤＩＰＰＲ（登録商標）データベースから獲得した。

本発明に従って、２５℃で少なくとも６ｋＰａの蒸気圧を有する溶媒が好ましく、２５℃で少なくとも１０ｋＰａの蒸気圧を有する溶媒がさらに好ましく、そして２５℃で少なくとも２０ｋＰａの蒸気圧を有する溶媒がなおさらに好ましい。

ポリマー溶液は、約０℃から溶媒の沸点までの温度で紡糸されることが可能である。

これらの溶媒を用いて、約６〜約１００ｍｌ／分／孔、さらに有利には約１０〜約１００ｍｌ／分／孔、そして最も有利には約２０〜約１００ｍｌ／分／孔の吐出率で紡糸できるポリマー溶液を調製できる。

本発明の方法に基づいて繊維層を作製するのに使用されるポリマーは、選択した溶媒にポリマーがほぼ所望の濃度で可溶でありかつ本明細書に記載される方法により繊維に紡糸できるならば、特に制限されない。これらのポリマーの例として、一般的に、炭化水素ポリマーが挙げられる。本発明に適切な炭化水素ポリマーの例として、ポリオレフィン、ポリジエン、ポリスチレンおよびそれらのブレンドが挙げられる。ポリオレフィンの例として、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ（１−ブテン）、ポリ（４−メチル−１−ペンテン）、およびそれらのブレンド、混合物、ならびに共重合体が挙げられる。

上述のポリマーに加えて、他の例として、ポリスルホン、ポリカーボネート、ポリ（メタ）アクリレート、セルロースエステル、ポリ塩化ビニル、およびそれらのブレンドが挙げられる。ポリ（メタ）アクリレートの例として、ポリメチルアクリレートおよびポリメチルメタクリレートが挙げられる。セルロースエステルの例として、セルローストリアセテートが挙げられる。ポリエステルの例として、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリ（イプシロン−カプロラクトン）、ポリ（ＤＬ−乳酸）およびポリ（Ｌ−ラクチド）が挙げられる。

吹込ガスは、空気、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、炭化水素、ハロカーボン、ハロゲン化炭化水素およびそれらの混合物の群から選択されることができる。吹込ガスは、約５０〜約３４０ｍ／秒の流速、かつほぼ周囲温度から約３００℃までの温度で注入される。

生成される繊維は、好ましくは１，０００ナノメートル未満、さらに好ましくは８００ナノメートル未満そして最も好ましくは５００ナノメートル未満の数平均繊維直径を有する。繊維は、連続でも非連続でも可能である。繊維は、本質的に円形の横断面形状を有することが可能である。

電界は、約１０〜約１００ｋＶの電圧電位を有することが可能である。電界を用いて、コロナ帯電を生じることができる。

繊維は、円形の横断面を含む繊維ウェブとして捕集されることができ、弱相互作用性ポリマー繊維は、約１，０００ナノメートル未満の数平均繊維直径を有する。

二次ガスは、空気、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、炭化水素、ハロカーボン、ハロゲン化炭化水素およびそれらの混合物の群から選択されうる。二次ガスは、約５０〜約３４０ｍ／秒の流速で、かつほぼ周囲温度から約３００℃までの温度で注入される。

試験方法
繊維直径を以下の通り測定した。各微細繊維層の試料の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を２または３枚撮った。明らかに識別できる微細繊維の直径を写真から測定し、記録した。欠点は含まれなかった（即ち、微細繊維の塊、ポリマー滴、微細繊維の交差）。各試料に対して約５０〜３００本の数値（ｃｏｕｎｔｓ）から数平均繊維直径を算出した。

下記のような特定の変更を伴い、上記の一般的な方法および装置を用い、以下の繊維の例を調製した。

実施例１
ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）の９重量％溶液を室温でアセトン（２５℃で２４．２ｋＰａの蒸気圧）に溶解した。磁気撹拌器を用いて、溶液を撹拌した。均質溶液を密閉ガラス容器に移し、紡糸室に運んだ。溶液を紡糸室のリザーバ内に移し、密閉した。内径０．２５４ｍｍの単一紡糸ノズルを有する紡糸口金を使用した。ドラムコレクターを用いて試料を捕集した。紡糸口金を１００ｋＶの負電位に配置した。コレクターを接地した。紡糸ノズルの出口からコレクター表面までの距離は、５１ｃｍであった。吹込ガスに空気を使用した。二次ガスに窒素を使用し、紡糸室内の相対湿度および温度を制御した。窒素流は、紡糸室内の溶媒蒸気の濃度が爆発下限を超えるのを回避するのに十分であった。相対湿度を１１％未満に制御した。紡糸室の温度は、実験中ほぼ２３℃であった。０．２０４４ＭＰａの窒素圧を用いて、６．７ｍｌ／分／孔の溶液流量を維持した。流出速度をおよそ６７ｍ／秒に維持するように、吹込ガスを制御した。吹込ガスの温度は、ほぼ２３℃であった。溶液流が開始された後直ちに、プルーム中に繊維を可視できた。繊維が、ドラムの帯状領域（ｓｗａｔｈ）に堆積した。繊維の数平均繊維直径を測定し、３９３ナノメートルであった。

実施例２
ポリスチレンの９重量％溶液を室温でジクロロメタン（２５℃で５８．１ｋＰａの蒸気圧）に溶解した。磁気撹拌器を用いて、溶液を撹拌した。均質溶液を密閉ガラス容器に移し、紡糸室に運んだ。溶液を紡糸室のリザーバ内に移し、密閉した。内径０．４０６ｍｍの単一紡糸ノズルを有する紡糸口金を使用した。ドラムコレクターを用いて試料を捕集した。紡糸口金を１００ｋＶの負電位に配置した。コレクターを接地した。紡糸ノズルの出口からコレクター表面までの距離は、９５ｃｍであった。吹込ガスに空気を使用した。二次ガスに空気を使用し、紡糸室内の相対湿度および温度を制御した。空気流は、紡糸室内の溶媒蒸気の濃度が爆発下限を超えるのを回避するのに十分であった。相対湿度を１１％未満に制御した。紡糸室の温度は、実験中ほぼ３２℃であった。０．５１５ＭＰａの窒素圧を用いて、３４．３ｍｌ／分／孔の溶液流量を維持した。流出速度をおよそ１５０ｍ／秒に維持するように、吹込ガスを制御した。吹込ガスの温度は、ほぼ２４℃であった。溶液流が開始された直後に、プルーム中に繊維を可視できた。繊維が、ドラムの帯状領域に堆積した。繊維の数平均繊維直径を測定し、３３５ナノメートルであった。

実施例３
ポリスチレンの９重量％溶液を室温でジクロロメタン（２５℃で５８．１ｋＰａの蒸気圧）に溶解した。磁気撹拌器を用いて、溶液を撹拌した。均質溶液を密閉ガラス容器に移し、紡糸室に運んだ。溶液を紡糸室のリザーバ内に移し、密閉した。内径０．４０６ｍｍの単一紡糸ノズルを有する紡糸口金を使用した。ドラムコレクターを用いて試料を捕集した。紡糸口金を１００ｋＶの負電位に配置した。コレクターを接地した。紡糸ノズルの出口からコレクター表面までの距離は、１１４ｃｍであった。吹込ガスに空気を使用した。二次ガスに空気を使用し、紡糸室内の相対湿度および温度を制御した。空気流は、紡糸室内の溶媒蒸気の濃度が爆発下限を超えるのを回避するのに十分であった。相対湿度を１１％未満に制御した。紡糸室の温度は、実験中ほぼ３７℃であった。０．７７ＭＰａの窒素圧を用いて、５７．１ｍｌ／分／孔の溶液流量を維持した。流出速度をおよそ１５０ｍ／秒に維持するように、吹込ガスを制御した。吹込ガスの温度は、ほぼ２４℃であった。溶液流が開始された直後に、プルーム中に繊維を可視できた。繊維が、ドラムの帯状領域に堆積した。繊維の数平均繊維直径を測定し、６３０ナノメートルであった。

実施例４
Ｅｎｇａｇｅ ８４００（エチレンオクテン共重合体）（ＤｕＰｏｎｔから入手可能）の１１重量％溶液を、還流冷却器を用いて、メチルシクロヘキサン（２５℃で６．１ｋＰａの蒸気圧）に溶解した。磁気撹拌器を用いて、高温溶液を撹拌した。均質溶液を密閉ガラス容器に移し、紡糸室に運んだ。溶液を紡糸室のリザーバ内に移し、密閉した。内径０．４０６４ｍｍの単一紡糸ノズルを有する紡糸口金を使用した。ドラムコレクターを用いて試料を捕集した。紡糸口金を１００ｋＶの負電位に配置した。コレクターを接地した。紡糸ノズルの出口からコレクター表面までの距離は、３０ｃｍであった。吹込ガスに空気を使用した。二次ガスに窒素を使用し、紡糸室内の相対湿度および温度を制御した。窒素流は、紡糸室内の溶媒蒸気の濃度が爆発下限を超えるのを回避するのに十分であった。相対湿度を９％未満に制御した。紡糸室の温度は、実験中ほぼ２９℃であった。０．３０８ＭＰａの窒素圧を用いて、１２．６ｍｌ／分／孔の溶液流量を維持した。流出速度をおよそ１５６ｍ／秒に維持するように、吹込ガスを制御した。吹込ガスの温度は、ほぼ２８℃であった。一旦溶液流が開始されると、プルーム中に繊維を可視できた。繊維が、ドラムの帯状領域に堆積した。繊維の数平均繊維直径を測定し、５０２ナノメートルであった。

Claims (19)

1. 繊維紡糸法であって、
   ２５℃で少なくとも約６ｋＰａの蒸気圧で少なくとも１種の溶媒中に溶解した少なくとも１種のポリマーを含むポリマー溶液を紡糸口金に供給するステップと、
   前記紡糸口金の少なくとも１つの紡糸ノズルから離れた方向に、電界の存在下で、吹込ガスと組み合わせて前記ポリマー溶液を放出するステップであって、前記ポリマー溶液が、約６〜約１００ｍｌ／分／孔の吐出率で前記紡糸ノズルを介して吐出されるステップと、
   繊維を形成するステップと、および
   コレクター上に前記繊維を捕集するステップと、
   を含む繊維紡糸法。
2. 前記溶媒が、メタノール、エタノール、アセトン、ブタノン、ジクロロメタン、１，２−ジクロロエタン、トリフルオロ酢酸、酢酸エチル、テトラヒドロフラン、クロロホルム、四塩化炭素、および炭化水素からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
3. 前記炭化水素が、ペンタン、ヘキサン、ヘプタン、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、およびベンゼンからなる群から選択される、請求項２に記載の方法。
4. 前記蒸気圧が、２５℃で少なくとも約１０ｋＰａである、請求項１に記載の方法。
5. 前記蒸気圧が、２５℃で少なくとも約２０ｋＰａである、請求項１に記載の方法。
6. 前記ポリマー溶液が、約１０〜約１００ｍｌ／分／孔の吐出率で前記紡糸ノズルを介して吐出される、請求項１に記載の方法。
7. 前記ポリマー溶液が、約２０〜約１００ｍｌ／分／孔の吐出率で前記紡糸ノズルを介して吐出される、請求項６に記載の方法。
8. 前記吹込ガスが、空気、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、炭化水素、ハロカーボン、ハロゲン化炭化水素およびそれらの混合物の群から選択される、請求項１に記載の方法。
9. 前記吹込ガスが、約５０〜約３４０ｍ／秒の流速で、かつほぼ周囲温度から約３００℃までの温度で注入される、請求項１に記載の方法。
10. 前記繊維が、約１０００ナノメートル未満の数平均繊維直径を有する、請求項１に記載の方法。
11. 前記繊維が、約８００ナノメートル未満の数平均繊維直径を有する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記繊維が、約５００ナノメートル未満の数平均繊維直径を有する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記電界が、約１０ｋＶ〜約１００ｋＶの電圧電位を有する、請求項１に記載の方法。
14. 前記電界が、コロナ帯電電界である、請求項１に記載の方法。
15. 前記繊維が、本質的に円形である横断面形状を有する、請求項１に記載の方法。
16. 前記繊維を前記紡糸口金から下流に位置する二次ガスと接触させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
17. 前記吹込ガスが、空気、窒素、アルゴン、ヘリウム、二酸化炭素、炭化水素、ハロカーボン、ハロゲン化炭化水素およびそれらの混合物の群から選択される、請求項１６に記載の方法。
18. 前記吹込ガスが、約５０〜約３４０ｍ／秒の流速で、かつほぼ周囲温度から約３００℃までの温度で注入される、請求項１６に記載の方法。
19. 前記ポリマー溶液中の前記少なくとも１種のポリマーが、ポリオレフィン、ポリジエン、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリカーボネート、ポリ（メタ）アクリレート、セルロースエステル、ポリ塩化ビニルおよびそれらのブレンドからなる群から選択される、請求項１に記載の方法。

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