JP4196679B2 - 多層多成分フィラメントを製造する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶融紡糸した多層断面多成分フィラメントの製造方法および装置に関する。これらのフィラメントを集合させて、フィルター、衣服、拭き取り用布、および衛生用製品に使用される不織ウェブに加工することができる。

溶融紡糸法では、熱可塑性合成ポリマーを溶融させ、紡糸口金の孔から強制的に押し出して、フィラメントが形成される。これらのフィラメントは、空気ジェットまたは機械的手段によって延伸したり繊維化したりすることができ、移動する多孔質表面の上で捕集して、不規則に並んだフィラメントすなわち不織ウェブを製造することができる。このウェブは、その完全性を維持するために互いに接合させることができる。また、メルトブロー法では、紡糸口金末端部で空気ジェットを加えて、非常に迅速な延伸工程を行うことによって、非常に小さな直径のフィラメントを得ることができる。

紡糸口金孔の列から均一なフィラメントを形成するためには、各フィラメントのポリマーは、紡糸装置中においてできる限り同じ熱履歴および滞留時間となるようにすべきである。これは、より短い移動距離の溶融ポリマーよりも迅速により長い距離溶融ポリマーを移動させるポリマー分配マニホールドを使用することによって実施可能である。分配マニホールドの一例は、コートハンガー（マニホールドの全体的な形状を示している）であり、これは（特許文献１）、（特許文献２）、（特許文献３）、（特許文献４）、および（特許文献５）に見ることができる。

２種類の異なるポリマーから製造される２成分フィラメントを溶融紡糸することもできる。別々の溶融ポリマー流れを合流させて層状のポリマー流れを得て、各フィラメントの長さ方向の実質的な部分に延在した異なるポリマー成分をそれぞれのフィラメント部分が有する断面が並列したフィラメントを形成することができる。メルトブロー法におけるこのような例は（特許文献６）である。断面が並列するフィラメントを製造する場合、コートハンガーを使用する前に、ポリマー流れを合流させる方法が公知である。残念ながら、２成分溶融物流れのろ過によって層状のポリマー流れの混合が起きるので、これによって下流のろ過能力がなくなってしまう。各ポリマー流れにコートハンガーを使用し、続いてポリマー流れを分割ホールダイに供給してから合流させる方法も公知である。残念ながら、この分割ホールダイは不均一なフィラメントを形成しうる。

ポリマーがろ過されないシステムでは、ダイの始動中および作業中に紡糸口金の多数の孔が詰まるが、その理由は溶融系が通過するときにこれらの孔は粒子から保護されないからである。実質的にすべての溶融方法では、紡糸孔を詰まらせるのに十分な大きさの粒子が形成される。これらの粒子は、分解したポリマー、ゲル、凝集物、汚染物質などによって形成されうる。ほとんどの方法では、詰まった孔の通常の数は開始時で１０〜１５％であり、その数は稼働中に増加し続ける。

米国特許第３，８６０，３８３号明細書 米国特許第４，０４３，７３９号明細書 米国特許第４，２８５，６５５号明細書 米国特許第５，７２８，４０７号明細書 米国特許第６，１２０，２７６号明細書 米国特許第６，０５７，２５６号明細書

下流でのろ過、層状ポリマー流れの形成、および一般的な一体型ダイからの層状ポリマー流れの押出が可能な、均一な多層断面のフィラメントを製造するための溶融紡糸装置および方法が必要とされている。

第１の実施形態では、本発明は、複数種類の熱可塑性合成ポリマーを別々に溶融させ、別々の溶融ポリマー流れとして押し出す工程と、前記別々の溶融ポリマー流れを別々の平面状溶融ポリマー流れに分配する工程と、前記別々の平面状溶融ポリマー流れをろ過する工程と、前記ろ過した別々の平面状溶融ポリマー流れを合流させて多層溶融ポリマー流れを得る工程と、前記多層溶融ポリマー流れを複数の紡糸口金出口孔に供給して多層フィラメントを形成する工程とを含む、複数種類の熱可塑性合成ポリマーから複数の多層フィラメントを製造する方法に関する。

本発明の別の実施形態は、複数種類の熱可塑性合成ポリマーを別々に溶融させ、溶融ポリマー流れとして押し出す複数の押出機と、前記別々の溶融ポリマー流れを別々の平面状溶融ポリマー流れに分配するための、前記押出機の下流にあり前記押出機と連絡する別々の分配マニホールドと、前記別々の平面状溶融ポリマー流れをろ過するための、前記分配マニホールドの下流にあり前記分配マニホールドと連絡する別々のフィルターと、前記別々のろ過した平面状溶融ポリマー流れを合流させて多層溶融ポリマー流れを得るための、前記フィルターの下流にあり前記フィルターと連絡する合流マニホールドと、前記多層溶融ポリマー流れを複数の紡糸口金出口孔に通して多層フィラメントを形成するための、前記合流マニホールドの下流にあり前記合流マニホールドと連絡する紡糸口金とを含む、上記方法を実施するための装置である。

本発明のさらに別の実施形態は、別々の複数のコートハンガー分配マニホールドとそれぞれ連絡する複数のポリマー入口通路と、各コートハンガー分配マニホールドの下流にあり各コートハンガー分配マニホールドと連絡する別々のフィルターと、前記フィルターの下流にあり前記フィルターと連絡する合流マニホールドと、前記合流マニホールドの下流にあり前記合流マニホールドと連絡する、前記多層フィラメントを紡糸するための出口孔を有する紡糸口金とを含む、上記方法および装置に使用される溶融紡糸ビームに関する。

本明細書で使用される場合、多層フィラメントという用語は、繊維の長手方向に延在する第１のポリマー層が、繊維の長手方向に延在する第２のポリマー層と接触し、第２のポリマーは任意に１つ以上の別のポリマー層と接触するフィラメントを意味する。

本明細書で使用される場合、複数種類の熱可塑性合成ポリマーという用語は、２種類以上の異なるまたは異種の合成された熱加工可能なポリマーを意味する。これには、ポリオレフィン、ポリエステル、およびポリアミドが含まれるが、これらに限定されるものではない。ホモポリマー、コポリマー、およびポリマー混合物も含まれる。

本明細書で使用される場合、溶融ポリマー流れという用語は、紡糸装置を流れて通過することが可能な、融点よりも高温に加熱されたポリマーを意味する。

本明細書で使用される場合、平面状溶融ポリマー流れという用語は、全体的に幅対高さの比率が大きい断面を有する溶融ポリマー流れを意味する。

本明細書で使用される場合、多層溶融ポリマー流れという用語は、２つ以上の異なる平面状溶融物流れから形成され、平面状溶融物れが断面の幅に沿って接触している溶融ポリマー流れを意味する。

本明細書で使用される場合、分配マニホールドという用語は、全体的に幅対高さの比率が大きい断面にポリマー流れを広げる装置を意味し、好ましくは流れの断面に沿ったすべてのポリマーはほぼ同じ熱履歴にさらされる。

本明細書で使用される場合、合流マニホールドという用語は、２つ以上の平面状溶融ポリマー流れを合流させて多層溶融ポリマー流れにする装置を意味する。

本発明は、均一な多層断面多成分フィラメントを溶融紡糸することに関する。これらのフィラメントは、形成スクリーン上に捕集して、互いに接合させて不織ウェブを製造することができる。このウェブは例えば、フィルター、衣服、拭き取り用布、および衛生用製品に使用することができる。

本発明によると、複数種類の熱可塑性合成ポリマーは、別々の溶融させて溶融ポリマー流れとなり、平面状溶融ポリマー流れに分配され、ろ過され、合流させて多層溶融ポリマー流れとなり、複数の紡糸口金出口孔に供給されて、多層断面フィラメントが製造される。任意に、多層溶融ポリマー流れが紡糸口金出口孔から出現するときに、多層溶融ポリマー流れを形成するフィラメントは、流体ジェットからの空気などの高速流体によって冷却し繊維化することができ、これによって溶融紡糸で非常に直径の小さなフィラメントを形成することができる。

多成分フィラメントでは、複数種類の熱可塑性合成ポリマーは、少なくとも２種類の異なるポリマーを含み、これらは化学的または物理的のいずれの相違であってもよい。ポリマーとしては、ポリオレフィン、ポリエステル、およびポリアミドを挙げることができ、ホモポリマー、コポリマー、またはポリマーのブレンドであってもよい。

ポリマーは、押出機などの従来手段を使用して溶融させて溶融ポリマー流れにされ、別々の複数の分配マニホールドに強制的に通されて、平面状溶融ポリマー流れが形成される。複数の分配マニホールドによって溶融ポリマー流れは、溶融ポリマーの長く薄い面となり、この面に沿ったすべてのポリマーはほぼ同じ熱履歴および滞留時間を有する。マニホールド壁と接触するポリマーの劣化を最小限にするため、溶融ポリマー流れはできるだけ同じ熱履歴および滞留時間を有すると最適であり、このポリマーの劣化によって、紡糸口金孔下流を詰まらせうる固化粒子が形成され、および／またはより不均一に紡糸されたフィラメントが形成される傾向にある。一般的な分配マニホールドはコートハンガーマニホールドであり、コートハンガーの形態と全体的に類似している（長手方向断面で）ためにこの名称がついている。コートハンガー分配マニホールドは長く薄い形態であるため、溶融紡糸ビームの壁からの熱は、ほとんど瞬時に溶融ポリマーに伝達され、そのため紡糸ビーム内部での熱勾配は最小限となり、ポリマーの不均一な加熱が軽減される。

同様に、コートハンガー分配マニホールドの形状のため、マニホールド内部をより長い距離移動する溶融ポリマーは、より短い距離を移動する溶融ポリマーよりも高速で移動する。したがって、コートハンガー分配マニホールドを適切に設計することによって、マニホールド内部のすべての溶融ポリマーの滞留時間がほぼ同じになる。

コートハンガー分配マニホールドを使用するにもかかわらず、コートハンガーマニホールド内部および紡糸ビーム入口通路内の両方で、紡糸ビームの壁内部の界面において、紡糸ビーム内部の溶融ポリマーはある程度の劣化が常に起こる。したがって本発明では、平面状溶融ポリマー流れは合流する前にコートハンガー分配マニホールドの下流で個別にろ過され、紡糸口金出口孔を詰まらせうる不要な粒子による紡糸口金の通過が大きく軽減または解消される。この方法では、複数の溶融ポリマー流れのそれぞれは、流れを合流させた後で流れを乱さずにろ過することができ、このような流れの乱れは層状の流れの性質、そしてそれにより得られるフィラメントに悪影響を及ぼす。

ろ過された平面状溶融ポリマー流れは合流し、紡糸口金出口孔を有する一般的な一体型ダイに通されて紡糸されて、多層フィラメントが形成される。ポリマーの層の形成は任意の順序であってよく、希望の回数だけ繰り返すことができる。各層はフィラメントと接触し、フィラメントの長さの実質的な部分に延在する。

最も簡単な例では、本発明のフィラメントを製造するための２種類のみの異なるポリマーを含むフィラメントは２成分フィラメントと呼ばれる。また、２層の場合、そのフィラメントは並列断面フィラメントと呼ばれる。本発明の別の実施形態では、紡糸ビーム、３つ以上の溶融ポリマー流れのための３つ以上の流路を含みうる。したがって、３成分フィラメントが望ましい場合、３つの別々のポリマー入口通路と、３つの別々のコートハンガー分配マニホールドと、３つの別々のフィルターとを有するように紡糸ビームが構成され、すべては１つの合流マニホールドに供給され、ここで別々の溶融ポリマー流れが合流して３層溶融ポリマー流れとなり、紡糸口金出口孔の下流に供給されて、紡糸ビームと出るときには３成分フィラメントが形成される。多成分フィラメントを形成するために任意の数の別々の流路を紡糸ビーム内部に形成することができることは当業者には理解できるであろう。

図１の紡糸装置によって並列断面２成分フィラメントを作製する具体例を参照しながら、本発明を説明することができる。

図１は、２成分直交紡糸ビーム１の横断面図であり、長手方向に延在しており、長手方向、すなわち図のページの面に対して垂直方向に数ｍ延在している。２種類の異なる熱可塑性合成ポリマーが、別々の押出機（図示していない）内部で別々に溶融し、入口通路２および４を通って紡糸ビームに供給される。溶融ポリマーは２つのコートハンガー分配マニホールド６および８に移動し、ここで溶融ポリマー流れは２つの平面状溶融ポリマー流れになる。マニホールドの形状を慎重に選択すれば、溶融ポリマー流れの面の長さ方向に沿ったマニホールド内ですべてのポリマーの温度、粘度、および滞留時間はほぼ同じになる。平面状溶融ポリマー流れは、溶融紡糸ビームの長さ方向に延在するフィルター１０および１２を通ってそれぞれろ過される。別々の平面状溶融ポリマー流れは合流マニホールド１３を通って合流して、紡糸口金１４内で２層平面状溶融ポリマー流れとなる。流れが紡糸口金の複数の孔１６に供給されて並列フィラメントが形成される間、２層溶融ポリマー流れの完全性は維持される。合流マニホールドおよび紡糸口金は１つの装置に合体させることができる。

任意に、メルトブロー法で、２層溶融ポリマー流れが紡糸口金の孔から出現するときに、ジェット２０から放出される空気などの高速流体で２層溶融ポリマー流れ冷却して繊維化して、非常に小さな直径のフィラメントを形成することができる。

以下の実施例は、図１の装置を参照しながら上述の方法に従ってメルトブロー２成分繊維から作製されるウェブの作製を説明している。実施例２は、ポリ（エチレンテレフタレート）中に青色顔料を含有している。顔料の添加は、着色ウェブの製造に有用である。

実施例１
ポリエチレン成分とポリ（エチレンテレフタレート）成分とを有するメルトブロー繊維からメルトブロー２成分ウェブを作製した。ポリエチレン成分は、イクイスター（Ｅｑｕｉｓｔａｒ）よりＧＡ５９４として入手可能なメルトインデックスが１３５ｇ／１０分である線状低密度ポリエチレンから作製した。ポリエステル成分は、Ｅ．Ｉ．デュポン・ド・ヌムール・アンド・カンパニー（Ｅ．Ｉ．ｄｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ）よりクリスター（Ｃｒｙｓｔａｒ）（登録商標）ポリエステル（マージ（Ｍｅｒｇｅ）４４４９）として入手可能な固有粘度が０．５３のポリ（エチレンテレフタレート）から作製した。別々の押出機で、ポリエチレンポリマーは２６０℃に加熱し、ポリエステルポリマーは３０５℃に加熱した。これら２種類のポリマーを別々に押し出して、２つの別々のコートハンガー型ポリマー分配装置に供給した。各分配装置から出てきた平面状溶融物流れを別々にろ過し、続いて２成分メルトブローダイで合流させて、並列フィラメント断面を得た。このダイは３０５℃に加熱した。このダイは、５４．６ｃｍの線上に配列した６４５のキャピラリー開口部を有した。ポリマー処理速度０．８０ｇ／孔／分で各キャピラリーにポリマーを通して紡糸した。細長化空気は、３０５℃の温度に加熱し、幅１．５ｍｍの２つの空気チャネルから７ｐｓｉｇの圧力を加えた。この２つの空気チャネルは、キャピラリー開口部の５４．６ｃｍの線の長さ方向を通っており、キャピラリーの線の両側にある１つのチャネルは、キャピラリー開口部から１．５ｍｍ離した。ポリエチレンは６．２ｋｇ／時の速度で紡糸パックに供給し、ポリエステルは２４．８ｋｇ／時の速度で紡糸パックに供給した。２０重量％のポリエチレンと８０重量％のポリエチレンの２成分メルトブローウェブが作製された。このフィラメントを、ダイと捕集装置の間の距離１２．７ｃｍで移動スクリーン上に捕集してメルトブローウェブを作製した。このメルトブローウェブは、ロール上に集めた。このメルトブローウェブの坪量は１７ｇ／ｍ^２であった。

実施例２
ポリエステル成分が０．０５％の青色顔料（アメリケム（Ａｍｅｒｉｃｈｅｍ，Ｉｎｃ．）より入手可能な１１５８２−Ｆ２５ブルー・フタロ（１１５８２−Ｆ２５ Ｂｌｕｅ Ｐｈｔｈａｌｏ））を含有したことを除けば、実施例１の手順に従ってウェブを作製した。顔料は、ベース材料がデュポン（ＤｕＰｏｎｔ）クリスター（Ｃｒｙｓｔａｒ）（登録商標）ポリエステル（マージ（Ｍｅｒｇｅ）４４４９である２５％濃縮物形態で、添加フィーダーを使用して押出機のスロートに加えた。これによって得られたメルトブローウェブの坪量は１７ｇ／ｍ^２であった。顔料の存在による加工性の有意差は見られなかった。

平面状溶融ポリマー流れをろ過することによって、紡糸口金出口孔の詰まりが実質的に
解消され、それによって形成される不織ウェブの均一性が増大し、紡糸システムの使用可
能時間が延長される。
本発明の好適な実施の態様は次のとおりである。
１．複数種類の熱可塑性合成ポリマーを別々に溶融させ、別々の溶融ポリマー流れとして押し出す工程と、
前記別々の溶融ポリマー流れの各々を別々のコートハンガーマニホールドに分配して、前記ポリマーのそれぞれで別々の平面状溶融ポリマー流れを形成する工程と、
次に、別々のフィルターに前記別々の平面状溶融ポリマー流れを通過させて、前記平面状溶融ポリマー流れをろ過する工程と、
前記フィルターから流出した前記ろ過した別々の平面状溶融ポリマー流れを紡糸口金内部の合流マニホールドに通して多層平面状溶融ポリマー流れを形成する工程と、
前記多層平面状溶融ポリマー流れを複数の紡糸口金出口孔に供給して通過させて多層フィラメントを形成する工程と、
前記複数の紡糸口金孔に近接して配置された流体ジェットから放出される流体によって、前記多層フィラメントが前記複数の紡糸口金出口孔を出るときに前記多層フィラメント
を繊維化する工程と
を含む、複数種類の熱可塑性合成ポリマーから複数の多層フィラメントを製造する方法。
２．複数種類の熱可塑性合成ポリマーの種類数が２である上記１に記載の方法。
３．複数種類の熱可塑性合成ポリマーの種類数が３以上である上記１に記載の方法。
４．複数種類の熱可塑性合成ポリマーを別々に溶融させ、溶融ポリマー流れとして押し出す複数の押出機と、
メルトブロービームであって、
前記押出機の下流にあり前記押出機と連絡する別々のコートハンガー分配マニホールドと、
前記メルトブロービームの下流にあり前記メルトブロービームの長さ方向に実質的に延在し前記コートハンガー分配マニホールドと連絡する別々のフィルターと、
紡糸口金であって、前記別々のろ過された平面状溶融ポリマー流れを多層平面状溶融ポリマー流れとして合流させるための、前記フィルターの下流に合流通路を有し前記フィルターと連絡する合流マニホールドと、複数の紡糸口金出口孔とを含み、前記合流通路は前記フィルターの長さ方向に延在し前記フィルターから出ている紡糸口金と、
前記紡糸口金出口孔に近接して配置された流体ジェットと、
を含むメルトブロービームと
を含む、複数種類の熱可塑性合成ポリマーから複数の多層フィラメントを紡糸する装置。
５．２種類の熱可塑性合成ポリマー用に構成される上記４に記載の装置。
６．３種類以上の熱可塑性合成ポリマー用に構成される上記４に記載の装置。
７．複数種類の熱可塑性合成ポリマーから複数の多層フィラメントを形成するためのメルトブロービームであって、各ポリマーの別々のコートハンガー分配マニホールドとそれぞれ連絡する複数のポリマー入口通路と、前記メルトブロービームの下流にあり前記メルトブロービームの長さ方向に実質的に延在し各コートハンガー分配マニホールドと連絡する別々のフィルターと、紡糸口金であって、前記別々のフィルターから出た前記別々のろ過された平面状溶融ポリマー流れを多層平面状溶融ポリマー流れとして合流させるための、前記フィルターの下流にあり前記フィルターと連絡する合流マニホールドを含み、前記合流マニホールドは前記フィルターの長さ方向に延在する前記合流通路を有し、前記合流マニホールドの下流にあり前記合流マニホールドと連絡する複数の紡糸口金出口孔と、前記紡糸口金出口孔に近接して配置された流体ジェットとを含むメルトブロービーム。

断面が並列した２成分フィラメントを製造するための本発明による溶融紡糸ビームの横断面の概略図である。

Claims (3)

1. 複数種類の熱可塑性合成ポリマーを別々に溶融させ、別々の溶融ポリマー流れとして押し出す工程と、
   前記別々の溶融ポリマー流れの各々を別々のコートハンガーマニホールドに分配して、前記ポリマーのそれぞれで別々の平面状溶融ポリマー流れを形成する工程と、
   次に、別々のフィルターに前記別々の平面状溶融ポリマー流れを通過させて、前記平面状溶融ポリマー流れをろ過する工程と、
   前記フィルターから流出した前記ろ過した別々の平面状溶融ポリマー流れを紡糸口金内部の合流マニホールドに通して多層平面状溶融ポリマー流れを形成する工程と、
   前記多層平面状溶融ポリマー流れを複数の紡糸口金出口孔に供給して通過させて多層フィラメントを形成する工程と、
   前記複数の紡糸口金孔に近接して配置された流体ジェットから放出される流体によって、前記多層フィラメントが前記複数の紡糸口金出口孔を出るときに前記多層フィラメントを繊維化する工程と
   を含む、複数種類の熱可塑性合成ポリマーから複数の多層フィラメントを製造する方法。
2. 複数種類の熱可塑性合成ポリマーを別々に溶融させ、溶融ポリマー流れとして押し出す複数の押出機と、
   メルトブロービームであって、
   前記押出機の下流にあり前記押出機と連絡する別々のコートハンガー分配マニホールドと、
   前記メルトブロービームの下流にあり前記メルトブロービームの長さ方向に実質的に延在し前記コートハンガー分配マニホールドと連絡する別々のフィルターと、
   紡糸口金であって、前記別々のろ過された平面状溶融ポリマー流れを多層平面状溶融ポリマー流れとして合流させるための、前記フィルターの下流に合流通路を有し前記フィルターと連絡する合流マニホールドと、複数の紡糸口金出口孔とを含み、前記合流通路は前記フィルターの長さ方向に延在し前記フィルターから出ている紡糸口金と、
   前記紡糸口金出口孔に近接して配置された流体ジェットと、
   を含むメルトブロービームと
   を含む、複数種類の熱可塑性合成ポリマーから複数の多層フィラメントを紡糸する装置。
3. 複数種類の熱可塑性合成ポリマーから複数の多層フィラメントを形成するためのメルトブロービームであって、各ポリマーの別々のコートハンガー分配マニホールドとそれぞれ連絡する複数のポリマー入口通路と、前記メルトブロービームの下流にあり前記メルトブロービームの長さ方向に実質的に延在し各コートハンガー分配マニホールドと連絡する別々のフィルターと、紡糸口金であって、前記別々のフィルターから出た前記別々のろ過された平面状溶融ポリマー流れを多層平面状溶融ポリマー流れとして合流させるための、前記フィルターの下流にあり前記フィルターと連絡する合流マニホールドを含み、前記合流マニホールドは前記フィルターの長さ方向に延在する前記合流通路を有し、前記合流マニホールドの下流にあり前記合流マニホールドと連絡する複数の紡糸口金出口孔と、前記紡糸口金出口孔に近接して配置された流体ジェットとを含むメルトブロービーム。

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