JPH0978350A - ポリベンザゾール繊維の製造方法およびポリベンザゾール中間乾燥繊維 - Google Patents
ポリベンザゾール繊維の製造方法およびポリベンザゾール中間乾燥繊維Info
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Abstract
ベンザゾール繊維を製造することを目的とする。 【構成】 ポリベンザゾールとポリリン酸からなる紡糸
ドープを紡糸口金から非凝固性の気体中に溶融して押し
出す。該フィラメントを凝固・水洗後に、240℃以上
の高温で繊維にダメージを与える事無く乾燥するポリベ
ンザゾール繊維の製造方法及びポリベンザゾール中間乾
燥繊維。 【効果】 繊維構造を制御し、乾燥工程での繊維物性低
下が生じないポリベンザゾール繊維を提供すると同時
に、乾燥時間を短縮する高速乾燥方法により経済的な高
性能ポリベンザゾール繊維の提供が可能となる。
Description
ンゾオキサゾールの繊維の製造方法に関する。さらに詳
しくは、高強度・高弾性率ポリベンゾオキサゾールの繊
維を効率的に短時間で乾燥させる製造方法及び効率的に
短時間で乾燥させるための中間乾燥繊維に関するもので
ある。
るスーパー繊維の代表であるポリパラフェニレンテレフ
タルアミド繊維の2倍以上の強度と弾性率を持つ。した
がって次世代のスーパー繊維として期待されている。ポ
リベンザゾール重合体のポリリン酸溶液から繊維を製造
することは公知である。例えば、紡糸方法については米
国特許5296185号、米国特許5294390号が
あり、乾燥方法については特願平5−304111号
が、熱処理方法については米国特許5288445号が
提案がなされている。しかしながらポリベンザゾール繊
維の製造において、分子が剛直であるため物質移動が困
難で、特に乾燥方法については特願平5−304111
号に記載されているように、繊維内の水分率が多い状態
で高温に晒されると繊維にダメージが発生するために、
乾燥温度を高くして短時間で乾燥する事は極めて困難で
あった。
を、従来技術で工業化するに際し最大の問題点は乾燥工
程が長時間要るため高速製糸設備が大型化する事にあ
る。本発明は、このような技術的困難を克服し、繊維に
ダメージを与えることなく高速に乾燥する技術を開発
し、高速度で工業的にポリベンザゾール繊維を得る新規
な製造方法を提供するものである。
ザゾール繊維を経済的にに製造することを目的とし、鋭
意研究し、解決手段を見いだした。即ち、ポリベンザゾ
ールとポリリン酸から成る紡糸ドープを、紡糸口金から
溶融紡出し、通常エアーギャップと呼ばれる非凝固性の
気体中でドラフトを糸条に与えた後、凝固及び/又は抽
出しさらに乾燥しポリベンザゾール繊維を得る。この工
程において、凝固条件が乾燥に供する糸条の微細構造を
決定し、水分の乾燥現象を支配していることを発見し
た。また凝固条件のうち特に、凝固液温度および凝固液
濃度条件が支配的であることを見い出し、繊維にダメー
ジを与えることなく高速度で乾燥する方法を発明した。
本発明はその製造方法を主旨とするものである。さら
に、凝固条件をコントロールすることで得られた乾燥時
の内部歪みが発生し難く、繊維表面だけが乾燥し繊維の
中心部が多量の水を含んだ状態で乾燥を中断しても繊維
内の残留応力レベルが低く、その後繊維内の水分が減っ
ても強度低下が起こらない特徴を有する。このような繊
維は紡糸と乾燥を直結しない製造プロセスにおいても品
質の変化が生じ難く、紡糸・水洗の工程と、乾燥・熱処
理の工程を異なる生産速度にすることも可能となる。
けるポリベンザゾール繊維とは、ポリベンザゾールポリ
マーよりなる繊維をいい、ポリベンザゾール(PBZ)
とは、ポリベンゾオキサゾール(PBO)ホモポリマ
ー、ポリベンゾチアゾール(PBT)ホモポリマー及び
それらPBO、PBTのランダム、シーケンシャルある
いはブロック共重合ポリマーをいう。ここでポリベンゾ
オキサゾール、ポリベンゾチアゾール及びそれらのラン
ダム、シーケンシャルあるいはブロック共重合ポリマー
は、例えば Wolfe等の「Liquid Crystalline Polymer C
ompositions , Process and Products」米国特許第47
03103号(1987年10月27日)、「Liquid C
rystall-ine Polymer Compositions , Process and Pro
ducts 」米国特許4533692号(1985年8月6
日)、「Liquid Crystalline Poly(2,6-Benzothiazole)
Composition, Process and Products」米国特許第45
33724号(1985年8月6日)、「Liquid Crys
talline Polymer Compositions , Process and Product
s 」米国特許第4533693号(1985年8月6
日)、Evers の「Thermooxidative-ly Stable Articula
ted p-Benzobisoxazole and p-Benzobisthiazole Polym
res 」米国特許第4539567号(1982年11月
16日)、Tasi等の「Method for making Heterocyclic
Block Copolymer」米国特許第4578432号(19
86年3月25日)、等に記載されている。PBZポリ
マーに含まれる構造単位としては、好ましくはライオト
ロピック液晶ポリマーから選択される。モノマー単位は
構造式(a)〜(h)に記載されているモノマー単位か
らなり、さらに好ましくは、本質的に構造式(a)〜
(c)から選択されたモノマー単位からなる。
好適な溶媒としては、クレゾールやそのポリマーを溶解
し得る非酸化性の酸が含まれる。好適な酸溶媒の例とし
ては、ポリリン酸、メタンスルホン酸および高濃度の硫
酸あるいはそれらの混合物が挙げられる。さらに適する
溶媒はポリリン酸及びメタンスルホン酸である。また最
も適する溶媒は、ポリリン酸である。
とも約7重量%であり、さらに好ましくは少なくとも1
0重量%、最も好ましくは少なくとも14重量%であ
る。最大濃度は、例えばポリノーの溶解性やドープ粘度
といった実際上の取扱い性により限定される。それらの
限界要因のために、ポリマー濃度は通常では20重量%
を超えることはない。
プは公知の手法により合成される。例えば Wolfe等の米
国特許第4533693号(1985年8月6日)、Sy
bert等の米国特許4772678号(1988年9月2
0日)、Harrisの米国特許第4847350号(198
9年7月11日)に記載される方法で合成される。PB
Zポリマーは、Gregory 等の米国特許第5089591
号(1992年2月18日)によると、脱水性の酸溶媒
中での比較的高温、高剪断条件下において高い反応速度
での高分子量化が可能である。
に供給され、紡糸口金から通常100℃以上の温度で吐出
される。口金細孔の配列は通常円周状、格子状に複数個
配列されるが、その他の配列であってもよい。口金細孔
数は特に限定されないが、紡糸口金面における紡糸細孔
の配列は、吐出糸条間の融着などが発生しないような孔
密度を保つ必要がある。また、高速で紡糸する際にはフ
ィラメント間の冷却気体の温度が最適化されるように、
孔配列や冷却気流を調整する必要がある。
るエアーギャップ)に吐出されたフィラメント状のドー
プはエアーギャップ中でドラフトを与えられる。該糸条
の冷却効率を高めるためエアーギャップ中に、冷却風を
用いて糸条を冷却するいわゆるクエンチチェンバーを設
けることは特に早い紡糸速度で安定した生産をするため
には有効である。好ましい冷却風の温度は、およそ10
℃以上120℃以下であるが、これらはドープのポリマ
ー分子量、ポリマー濃度等に依存する。
または抽出される。凝固の条件は本発明の乾燥プロセス
を実現する上で極めて重要な意味を持つ。凝固液は、実
用的観点からドープ溶媒の水溶液であるリン酸水溶液が
好ましい。凝固の条件としては、凝固液の温度、凝固液
の濃度、凝固時間、凝固時にドープフィラメントにかか
っている張力、凝固浴に進入するドープフィラメントの
温度、凝固浴に進入するドープフィラメントの配向度等
がある。これらのうち特に重要なのは、凝固液の温度、
凝固液の濃度および凝固時間である。中でもとりわけ重
要なのは凝固液の温度である。好ましい凝固液の温度は
30℃以上120℃以下である。凝固液の温度が30℃
未満では凝固力が不足して繊維の内層部の相分離組織が
粗くなり、乾燥時の内部歪みが発生し易くなる。温度が
120℃を超えると、ドープフィラメントが柔らかくス
トレッチを与え続けなければ糸道を安定化させる事がで
きない。より好ましい凝固液温度は35℃以上85℃以
下である。凝固で使用するリン酸水溶液の濃度は、6%
以上およそ50%未満が好ましい。凝固液の濃度を低く
する事で、十分な凝固力が得られるが濃度を低く保つた
めには多量の低濃度燐酸液を処理するコストの問題が生
じるので6%未満の濃度は工業的見地から好ましくな
い。高濃度の凝固は、低温の凝固と同様に凝固力が不足
して繊維の内層部の相分離組織が粗くなり、乾燥時の内
部歪みが発生し易くなる。より好ましい凝固液の濃度は
10%以上45%以下であり、さらに好ましくは、15
%以上35%以下である。凝固時間は、凝固温度、凝固
液濃度に依存する。すなわち、凝固力が高い条件(高温
・低濃度)に対して凝固力が弱い条件(低温・高濃度)
では長い時間を必要とする。しかしながら凝固の時間
は、最短で0.01秒以上より好ましくは0.05秒以上さ
らに好ましくは0.1秒以上である必要がある。また、
凝固の時間は、設備をコンパクトにする観点から短い事
が好ましく、長くても10秒以下より好ましくは5秒以
下、さらに好ましくは3秒以下が良い。
た繊維が、短時間で乾燥際に好適な微細構造を有する。
凝固後の水洗の条件は大きな構造変化の要因ではない
が、リン濃度は10000ppm以下、好ましくは7000ppm 以下
が好ましい。また水洗工程では中和工程も実施すること
が可能である。中和薬剤としてはアルカリ金属の塩基が
利用できる繊維中の残留溶媒であるリン原子に対するア
ルカリ金属の原子比が0.2 以上1.8 以下とすることは、
繊維の後加工中の物性保持の為特に好ましいが、必須で
はない。
ル繊維(中間乾燥繊維)は、繊維の中心部と表層部の高
次構造の差が小さくなる。ここでいうところの、高次構
造は繊維内の微細な数10オングストローム程度のサイ
ズをもつ空隙のサイズ分布で評価する事ができる。この
サイズ分布を評価する方法としては、未乾燥の状態で水
溶性の重金属塩を含浸することで空隙内の水に偏在する
重金属を透過型電子顕微鏡で観察する方法、未乾燥繊維
を熱示差分析測定装置で冷却し内部の水が凍る温度を測
定する方法がある。後者の方法が簡便であるが、繊維表
面に付着している水と繊維内部にある水との分離をする
必要がある。この操作は、繊維中水分率がおよそ25%
になるまで、張力2g/d、温度180℃で乾燥させて
繊維表面および繊維表層部の水の一部を除去することで
可能となる。ここでいう繊維中水分率は繊維の絶乾重量
に対する保有水の重量分率で定義する。乾燥装置内の滞
留時間を変える事で水分率を25%に調節することがで
きる。この際に、張力を2g/dに設定する理由は、乾
燥時の張力が高いと繊維の配向が進むと同時に内部の空
隙サイズが変化することを防止するためである。乾燥温
度を180℃に設定する理由は、減量速度が適当で繊維
中水分率の調整が容易だからである。一般に、細孔の中
に閉じこめられた水の凝固点は、その表面張力のために
熱力学的作用として凝固点低下が生じる。石切山らの報
告(Polymer Preprints, Japan Vol. 34, No. 9, p2645
(1985)) に従えば、細孔の径が100オングストローム以
下になると急激に凝固点低下を引き起こすことが知られ
ており、ポリベンザゾール未乾燥糸中に含まれる水のD
SC曲線を比較することから、繊維内の空隙の大きさ及
び分布を評価できる。上述のようにして準備した試料の
20〜−70℃における熱示差分析の結果より、本発明
の繊維では図−1の2のような単一ピークとなるのに対
して、本発明外の例えば凝固温度が25℃、凝固液の燐
酸濃度22%の繊維では図−1の1のような2山のピー
クとなる。2山のピークとなる繊維は繊維内の構造が不
均一で、およそ240℃以上の高温で乾燥する際に、強
度低下を伴うボイドが発生する。実質的に単一ピークと
なっている繊維のボイド発生限界温度はおよそ240℃
以上であるのに対して、実質的に単一ピークとなってい
ない繊維のボイド発生限界温度はおよそ230℃以下で
ある。
度が高ければ高い程短縮できる。これは、繊維中の水分
子がクラスターや単分子気体となって運動する速度が絶
対温度の1/2乗に比例するためである。しかしながら
従来技術では、繊維中の水分量が15%以上ある乾燥初
期から240℃といった高温で乾燥させようとすると繊
維内にボイドが発生し、強度低下、光酸化劣化特性が悪
くなるといった問題が生じていた。上述したように、発
明者らは繊維内部の空隙サイズがそろった未乾燥糸を乾
燥する際にはおよそ240℃以上の高温で乾燥しても、
強度低下が生じないことを見出した。乾燥工程で用いる
事が出来る温度は、凝固で出来た構造に依存する。理想
的に凝固された未乾燥糸は300℃以上で乾燥しても強
度低下やボイド発生がない。凝固温度がおよそ30℃以
上の条件では240℃以上の高温で乾燥しても強度低下
が生じないようにすることができる。
具体的な証拠としは次のようなものがある。乾燥工程に
おける分子の歪みをラマン分光法により測定することが
できる。Youngらが(J.of Materials Sc.25,127(1
990)) 、1580〜1640cm-1での吸収のピークのシ
フトから分子の歪みを測定する方法を示している。発明
者らは、およそ紡速400m/分で紡糸し、燐酸濃度2
2%、液温度20℃の凝固浴で0.3秒滞留させた後十
分に水洗した繊維を240℃のホットステージ上で乾燥
させる間の評価を実施した。分子鎖に圧縮向きの歪みが
作用し、巨視的なボイドが生成する事により、歪みが緩
和され吸収ピークのシフトが元に戻ることが確認された
が、本発明の凝固条件が調整された場合には、240℃
のホットステージ上で乾燥させる間ピークのシフトは観
測されず、280℃においてもピークシフト量は1cm-1
以下であることを確認した。ラマン分光法のピークシフ
ト量の測定は、例えば、Jobin-Yvon社製Ramanor-U1000
を用いて、アルゴンレーザー光源で実施することができ
る。
る。この際の体積変化は内部歪みを発生させるが、繊維
内部と繊維表層の収縮差が小さくなると分子鎖の歪みも
小さくなる。本発明の繊維では、繊維表面だけが乾燥し
た状態で放置しても、ボイド発生が起こらない。従来の
繊維では、中間乾燥状態の内部歪みが大きい状態で放置
すると、内部の水分が蒸発した際にボイドが発生し強度
低下を引き起こしていた。本発明では、乾燥を中断し繊
維を一旦パッケージとして捲き取った状態で乾燥する方
法や、工程速度を下げて、多錘で短い処理長で乾燥を実
施することも可能となった。
することで経済的にポリベンザゾール繊維を製造するこ
とである。従って、乾燥温度は可能な限り高く設定する
事が好ましく、乾燥工程の出来るだけ多くの部分が高温
に保たれていることが好ましい。特に複数の乾燥装置で
連続的に乾燥する場合などは、装置間のつなぎの糸温度
が低下する部分をできるだけ短くする工夫が必要であ
り、少なくとも乾燥工程の全長に対して80%以上を2
40℃以上に保つことが好ましく、より好ましくは95
%以上を240℃以上に保つことが好ましい。また乾燥
の温度は、未乾燥糸の構造により設定の変更は必要だが
少なくともおよそ240℃以上、更に好ましくは260
℃以上、最も好ましくは280℃以上である。乾燥温度
の上限は、ヤーンの収束性、制電性を油剤で実現する限
りにおいては290℃以下が好ましい。電荷調整等の方
法でヤーンの収束性が確保できる場合においても、ポリ
マーの耐熱性から高くてもおよそ650℃以下にする必
要がある。
もおよそ80秒以下で繊維の平衡水分率のおよそ2%未
満まで乾燥させることが好ましい、更に好ましくは60
秒以下、最も好ましくはおよそ30秒以下である。
は火炎等の輻射、加熱ローラーもしくは加熱空気または
加熱不活性ガス、もしくは過熱水蒸気、もしくはオイル
等の熱媒体が使用できる。高温に保持して一部マイクロ
波等の電磁場や衝撃波を併用してもよい。またこれらの
組み合わせで使用してもよい。繊維をすばやく昇温でき
ることが肝要である。
施する事が好ましい。より好ましくは平衡水分率以下ま
で乾燥した後で捲き取って製品とする事が好ましい。一
方で、乾燥工程で巻取り可能な水分率まで乾燥し、捲き
取られたパッケージで乾燥を引き続き行ってもよい。或
は、捲き取られたパッケージから解じょして、乾燥、熱
処理を連続して行う事も可能である。巻取りが可能とな
る水分率としては、好ましくは多くともおよそ25%以
下、より好ましくはおよそ15%以下、さらに好ましく
はおよそ4%以下である。
例に限定されるものではない。 (水分率測定)繊維中水分率の測定法は次に示すとおり
である。約1.0gの乾燥後の繊維を秤量(W1)し、
その繊維を静置乾燥機で230℃、30分乾燥させ、再
び秤量(W0)し、次式で算出する。 水分率(%)={(W1−W0)/W0}×100 (熱示差測定)熱示差測定(以下DSC測定とする)
は、マックサイエンス社製DSC3100Sを用いて測定した。
試料として未完全乾燥のフィラメントバンドルを手早く
1乃至5mmの長さに切りそろえ、2乃至12mgを天秤で秤
量しアルミニウムパンに封入した。この時供する試料の
水分率はあらかじめおよそ25%に調整しておく必要が
ある。何故ならば、多量に自由水(糸の外表面に付着し
た水)を含む状態でDSC測定を行うと、自由水の凝固
が妨害要因となり、問題としている細孔中の水の凝固点
測定を妨げる。特に、0℃乃至-40 ℃に存在するピーク
が影響を受けやすい。凝固点の分布は、降温過程のDSC
曲線を測定、評価する事により行った。昇温過程の測定
からも本質的には同じ結論を導くべきではあるが、DSC
曲線上に生ずるピークが鈍くなるため、実際の評価には
適さなかった。降温速度は10℃/ 分とし、20℃から−
70℃まで測定した。この様にして測定したDSC曲線
の例を図−1に示す。ピークの分裂の有無が存在するこ
とから、細孔分布の違いを評価することができる。 (ボイド観察)繊維の欠陥の発生量と分散状態は、約4
cmにカットした繊維片をスライドグラスに載せ、光学
顕微鏡を使用して200倍で観察した。
0℃のメタンスルホン酸溶液で測定した固有粘度が2
4.4dL/gのポリベンゾオキサゾール14.0(重
量)%と五酸化リン含量率83.17%のポリリン酸か
らなる紡糸ドープを紡糸に用いた。ドープは金属網状の
濾材を通過させ、次いで2軸からなる混練装置で混練と
脱泡を行った後、昇圧させ、重合体溶液温度を175℃
に保ち、孔数334を有する紡糸口金から175℃で紡
出し、温度60℃の冷却風を用いて吐出糸条を冷却した
後、凝固浴中に導入した。紡糸速度、凝固浴温度および
凝固浴のリン酸水溶液濃度は表−1に示す条件とした。
オンラインで紡糸・凝固・水洗(中和)・乾燥を行っ
た。乾燥装置は熱風乾燥式のオーブン(風速16m/
秒)を用いた。水洗・乾燥条件および得られた繊維の物
性を同じく表−1に示す。
おける凝固条件を満足する紡出糸はこれまでにない画期
的な高速乾燥条件下においても巨視的ボイドなどの発生
もなく物性が低下しない。本発明の技術によりより少な
い設備投資により極めて効率的にポリベンズアゾール繊
維が製造できる。
行った試料を180℃の乾燥条件で34秒、工程張力2
g/dで乾燥して繊維中水分率を25%とした繊維を巻
取り、DSC測定を行った。図−1の1は比較例1に相
当する中間未乾糸(比較例3)、図中の2は実施例3に
相当する試料(実施例9)のパターンである。
し、ボイドが発生する上限温度を調べた。ボイドが発生
する温度は各々、比較例3では225℃、実施例9では
295℃であった。
行った試料を220℃の乾燥機に80秒通し、捲き取っ
た。この時の水分率は比較例1に相当する中間乾燥糸
(比較例4)では5.7%、実施例3に相当する中間乾
燥糸(実施例10)では5.1%であった。これらを、
気温20℃、湿度65rh%の室内の暗所に42時間放
置した前後の水分率と強度を表−2に示す。
ンザゾール繊維は乾燥に伴う糸質変化を生じ難い優れた
特性を有する。
パクトな設備でポリベンザゾール繊維の製造が可能にな
る。
未乾燥糸の熱示差分析曲線を示す。
曲線(比較例3) 2:本発明のポリベンザゾール中間未乾燥糸の熱示差分
析曲線(実施例9)
Claims (5)
- 【請求項1】 ポリリン酸とポリベンザゾールからなる
紡糸ドープを紡糸口金から押し出し、得られたドープフ
ィラメントを凝固・水洗後に、乾燥させる際に加熱帯の
全長に対して80%以上の部分の温度を240℃以上に
することを特徴とするポリベンザゾール繊維の製造方
法。 - 【請求項2】 凝固浴として6%以上50%未満のポリ
リン酸水溶液を使用し、凝固浴温度を30℃以上120
℃以下とすることを特徴とする請求項1記載のポリベン
ザゾール繊維の製造方法。 - 【請求項3】 80秒以内で繊維中の水分率を2%未満
まで乾燥させる事を特徴とする請求項1記載のポリベン
ザゾール繊維の製造方法。 - 【請求項4】 2g/dの張力下で180℃で乾燥させ
ることにより繊維中水分率を25%とし熱示差分析(D
SC)で測定した際に、20〜−70℃に単一の繊維内
液体凝固ピークが観察される繊維を乾燥工程に供するこ
とを特徴とする請求項1記載のポリベンザゾール繊維の
製造方法。 - 【請求項5】 2g/dの張力下で180℃で乾燥させ
ることにより繊維中水分率を25%とし、示差走査熱量
計(DSC)で測定した際に20〜−70℃に単一の繊
維内液体凝固ピークが観察されることを特徴とするポリ
ベンザゾール中間乾燥繊維。
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|---|---|---|---|
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- 1995-09-13 JP JP23520895A patent/JP3661802B2/ja not_active Expired - Fee Related
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