JP2016122185A - 吸音材 - Google Patents
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Abstract
【課題】ナノファイバーによる、吸音特性に優れる吸音材を提供する。【解決手段】吸音材は、繊維が絡み合わされてなる繊維体1を有する不織布構造体10A、10B、10C、10D、10Eを含む。繊維は、その繊維径が1μm未満のポリプロピレン製のナノファイバーを含み、繊維体の厚さは、20mm以上30mm以下である。また、繊維体の繊維密度は、10kg/m3以上50kg/m3未満であり、繊維体におけるナノファイバーの含有比率は、質量比で0.5以上である。さらに、吸音材における1kHzの音の吸音率は、0.59以上0.84以下であり、6kHzの音の吸音率は0.84以上0.93以下である。【選択図】図1
Description
本発明は、吸音材に関する。
近年、車内環境などの身近な環境において、騒音に関する対策の必要性が増している。当該対策の一つとして吸音材が用いられており、当該吸音材の一種として、例えば、不織布繊維による構造体(不織布構造体)が用いられている。当該不織布構造体は、吸音材だけでなく種々の用途に用いられている。当該不織布構造体には、繊維径が1μm未満の樹脂製のナノファイバーが絡み合わされてなる繊維体を有する不織布構造体が知られている(例えば、特許文献1〜7参照)。その中には、当該繊維体の厚さが10mm以上である不織布構造体が知られている(例えば、特許文献3〜7参照)。
上記不織布構造体には、上記ナノファイバーの繊維径の細さに起因する様々な機能が期待される。しかしながら、ナノファイバーの製造は、マイクロファイバーのそれに比べて未だ難しく、ナノファイバーによる上記繊維体の構造上の条件(例えば、厚さや密度など)の検討は、未だ十分になされていない。たとえば、厚さについては、上記特許文献のいずれにも、ナノファイバーによる、10mmを超えるほど厚い上記繊維体がもたらす機能についての知見は示されていない。
このように、上記不織布構造体は、種々の用途が期待されているにも関わらず、上記不織布構造体の構造上の条件によって発現される機能については、未だ検討の余地が残されている。
本発明は、ナノファイバーによる、吸音特性に優れる吸音材を提供することを目的とする。
本発明は、繊維が絡み合わされてなる繊維体を有する不織布構造体を含む吸音材であって、前記繊維は、その繊維径が1μm未満のポリプロピレン製のナノファイバーを含み、前記繊維体の厚さは、20mm以上30mm以下であり、前記繊維体の繊維密度は、10kg/m3以上50kg/m3未満であり、前記繊維体における前記ナノファイバーの含有比率は、質量比で0.5以上であり、1kHzの音の吸音率が0.59以上0.84以下であり、かつ、6kHzの音の吸音率が0.84以上0.93以下である吸音材、を提供する。
本発明に係る吸音材は、マイクロファイバーによる繊維体を含む不織布構造体に比べて、低周波数域の音の吸音特性により優れている。また、この不織布構造体を含む不織布製品は、吸音特性以外の他の所期の機能と上記の優れた吸音特性とを発現することができる。
以下、本発明の実施の形態を説明する。
本実施の形態に係る吸音材は、不織布構造体を含む。当該不織布構造体は、繊維が絡み合わされてなる繊維体を有する。当該繊維体は、例えば不織布である。
本実施の形態に係る吸音材は、不織布構造体を含む。当該不織布構造体は、繊維が絡み合わされてなる繊維体を有する。当該繊維体は、例えば不織布である。
上記繊維は、その繊維径が1μm未満のナノファイバーを含む。当該ナノファイバーの繊維径は、当該ナノファイバーの繊維の太さを代表する値であり、例えば、平均値であってもよいし、メディアン値であってもよいし、最頻値であってもよい。当該ナノファイバーの繊維径が1μm以上であると、その繊維はナノファイバーには該当せず、また、後述の吸音効果が不十分になることがある。当該繊維径は、吸音効果と不植布構造体のつぶれ防止の観点から、0.20〜0.95μmであることが好ましく、0.20〜0.70μmであることがより好ましい。
上記繊維径は、上記繊維体の拡大画像の観察によって求めることが可能である。たとえば、上記繊維径は、カーボンテープ上に3mm角程度の上記繊維体を含む塊を貼り、当該繊維体にAuを2分間程度蒸着し、走査型電子顕微鏡 VE−7800(株式会社キーエンス.製)を用いて上記繊維体を3000倍の倍率で観察し、任意の10本のナノファイバーの繊維径を測定し、それらの平均値として求めることができる。
上記ナノファイバーは、樹脂製である。当該樹脂は、化学繊維の原料に使用される樹脂から適宜に選択することが可能である。当該樹脂は、一種でもそれ以上でもよく、その例には、汎用プラスチック、エンジニアリングプラスチックおよびスーパーエンジニアリングプラスチックが含まれる。当該汎用ブラスチックの例には、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ポリウレタン(PU)、ポリ乳酸(PLA)およびアクリル樹脂(例えばPMMA)が含まれる。上記エンジニアリングプラスチックの例には、ポリエチレンテレフタラート(PET)、ナイロン6(N6)、ナイロン6,6(N66)およびナイロン12(N12)が含まれる。上記スーパーエンジニアリングプラスチックの例には、ポリフェニレンスルフィド(PPS)および液晶ポリマー(LCP)が含まれる。
上記繊維体の厚さは、10mm以上である。当該繊維体の厚さは、繊維体の形状に応じた適当な部分で測定される。たとえば、上記繊維体の形状がシート状であれば、当該繊維体の平坦部の平均厚さである。また、上記繊維体の形状が凹凸を含む場合には、一番深い凹部(繊維体の厚さが最小になる部分)における平均厚さであり、あるいは当該凹部の平面方向における面積占有率が低い(例えば50%未満)である場合では、上記繊維体の表面形状の高低差を均した値である。
また、後述する、複数積み重ねられている繊維体を含む不織布構造体では、上記繊維体の厚さとは、積み重ね方向における繊維体の厚さの総和である。上記繊維体が後述する一以上の支持体に支持されている場合、上記繊維体の厚さは、支持体上の繊維体の厚さであってもよく、支持体の厚さが繊維体の厚さに対して十分に小さい場合(例えば、支持体の厚さが200μm以下)には、支持体の厚さを含んでいてもよい。
当該厚さが10mm未満であると、1kHz以下の周波数の音波の吸収率が不十分となることがある。当該厚さは、例えば、上記繊維体における任意の複数箇所の厚さを測定し、それらの平均値として求めることができる。上記厚さは、上記不織布構造体の用途に応じて適宜に決めることができる。吸音効果については、厚みによる上限はないが、上記不織布構造体の形状や大きさなどは、例えば、車載用などの用途によっては吸音材が設置される空間が制限される場合があり、このように上記不織布構造体の使用環境によって制御されることがある。したがって、上記不織布構造体の厚さの上限値は、通常、その用途に応じて適宜に決められる。
上記繊維体の繊維密度は、10kg/m3以上50kg/m3未満である。上記繊維密度が10kg/m3未満であると、周波数1kHz以下の音およびそれより大きな周波数の音の両方における後述の吸音効果が不十分となることがある。上記繊維密度が50kg/m3以上であると、周波数が4kHz以上の高周波域の音、さらには周波数1kHz近傍の音、の当該吸音効果が不十分となることがある。
さらに、上記繊維密度は、10〜25kg/m3であることが、周波数1kHz以下の音に対する吸音効果に加えて、それよりもより高い周波数を有する高周波数域(例えば2〜6kHz)の音に対する吸音効果を奏し、高める観点から好ましい。
上記繊維密度は、上記繊維体の目付け量を上記厚さで除することにより求められる。当該目付け量は、上記繊維体における単位面積当たりの繊維の質量である。上記目付け量は、例えば、上記繊維体の質量から単位面積当たりの質量を算出することにより求められる。上記繊維密度は、上記目付け量および上記厚さの一方または両方によって調整することが可能である。
上記繊維体は、ナノファイバーのみから構成されていてもよいし、ナノファイバーに加えてマイクロファイバーをさらに含んでいてもよい。当該マイクロファイバーとは、例えば、その繊維径が2〜50μmである繊維である。上記繊維体が当該マイクロファイバーを含むことは、繊維体の強度をより高め、繊維体の形状を保つ(繊維体の圧迫による変形を抑制する)観点から好ましい。
上記マイクロファイバーは一種でもそれ以上でもよい。上記繊維体における当該マイクロファイバーの含有量は、多すぎると、上記繊維体による吸音効果が不十分になることがあり、少なすぎると、上記マイクロファイバーの混入による上記繊維体の強度の向上効果が不十分となることがある。上記吸音効果と上記強度向上効果の観点から、上記繊維体における上記ナノファイバーの含有量は、20〜100質量%であることが好ましく、40〜100質量%であることがより好ましく、50〜100質量%であることがさらに好ましく、70〜100質量%であることがより一層好ましく、75〜100質量%であることがさらに一層好ましい。
なお、マイクロファイバーを含む場合、上記繊維体の厚み方向において、十分にナノファイバーが存在することが、ナノファイバーによる吸音効果を発現させる観点から好ましい。
上記マイクロファイバーの繊維径および上記含有量は、上記繊維体の拡大画像の観察によって求めることが可能である。たとえば、上記マイクロファイバーの繊維径は、拡大画像における倍率を適宜に(例えば100倍に)調整する以外は、前述したナノファイバーの繊維径と同様に求めることが可能である。なお、マイクロファイバーの繊維径の測定では、走査型電子顕微鏡以外の光学顕微鏡の拡大画像においてマイクロファイバーを十分に確認可能であれば、金を蒸着させなくてもよい。
また、上記マイクロファイバーの含有量は、上記拡大画像におけるナノファイバーの占有面積とマイクロファイバーの占有面積との比から求めることが可能である。あるいは、上記マイクロファイバーの含有量は、既知質量の上記繊維体の試料からマイクロファイバーまたはナノファイバーを分別、除去し、当該除去前後における試料の質量差から求めることが可能である。
上記ナノファイバーの繊維径分布の分布幅は、上記マイクロファイバーの繊維径分布の分布幅よりも狭いことが、ナノファイバーによる吸音効果と、上記マイクロファイバーによる強度向上効果とのそれぞれを適宜に制御する観点から好ましい。上記ナノファイバーの繊維径分布は、ナノファイバーの上記繊維径が1μm未満となる範囲において、適宜に決めることが可能である。
上記不織布構造体は、上記繊維体が所期の部位に直接配置されることによって構成されていてもよいが、上記繊維体を支持する支持体をさらに有していてもよい。上記不織布構造体が上記支持体を有することは、上記繊維体の所期の形状を維持する観点から好ましい。上記支持体は、例えばシート状の部材である。上記支持体の材料は、本実施形態の効果が奏される範囲において、適宜に選ぶことが可能である。上記支持体の例には、不織布、織布、フィルム、紙および発泡体層が含まれる。上記支持体は、上記繊維体に比べて充分に薄く、さらには通気性または通液性に優れていることが、上記繊維体の所期の機能を十分に発現させる観点から好ましい。当該支持体の厚さは、例えば20〜500μmである。
上記支持体は、一つでもそれ以上でもよい。たとえば、上記繊維体は、その片面で上記支持体に支持されていてもよいし、二つの当該支持体で挟まれて支持されていてもよい。また、上記不織布構造体は、二以上の上記繊維体を有し、かつ少なくとも当該繊維体の間に上記支持体を有していてもよい。たとえば、一つの支持体の両面のそれぞれに二つの上記繊維体が支持されていてもよい。繊維体間に支持体が配置される構造は、ナノファイバーの柔軟性による繊維体の厚さ方向へ変形(例えばつぶれ)や、の平面方向への変形あるいは破壊(例えば破れ)などに対する強度を大幅に向上させる観点から効果的である。
上記繊維体は、例えば特許文献2に記載されているような、ナノファイバーの公知の製造方法を利用して製造することが可能である。たとえば、上記繊維体は、高速エアを活用した溶融紡糸装置により製造することが可能である。当該溶融紡糸装置は、例えば、熱可塑性樹脂を溶融して搬送する溶融押出機と、搬送された溶融樹脂を繊維状に吐出する紡糸ノズルと、紡糸ノズル近傍に高温の加熱エアを吹き出すエアノズルを備える。上記繊維体は、上記溶融紡糸装置を用いて、上記熱可塑性樹脂を高速の当該気流によってすばやく引き延ばすことによって、製造することが可能である。ここで、上記溶融紡糸装置は、必要に応じて、紡糸ノズルから吐出する溶融樹脂に高電圧を印加する電圧付与装置をさらに有していてもよい。当該電圧付与装置を有することにより、上記溶融紡糸装置は、上記繊維体における繊維径のさらなる調整が可能となる。
また、上記マイクロファイバーをさらに含む上記繊維体は、高速エアを活用する上記の溶融紡糸装置の複数を、縦方向に、または横方向に、または両方向に並べて、同時に紡糸し、ナノファイバーの上記気流に合流させることで、異なる樹脂、繊維径の繊維を集合、複合化させることにより製造可能である。
この方法は、ナノファイバーとマイクロファイバーを同時に紡糸する。このため、ナノファイバーとマイクロファイバーとがほぼ均一に、そしてマイクロファイバーに対してナノファイバーが十分に存在し、かつ絡み合う上記繊維体を作製することが可能である(図4A、4B参照)。上記の方法は、繊維体の厚み方向において十分にナノファイバーを存在させる観点から好ましい。
さらに、上記支持体に支持された上記繊維体は、例えば、上記エアノズルから気流を支持体の表面に向けて発生させ、上記第1の紡糸ノズルおよび上記第2の紡糸ノズルの一方または両方から所期の材料などを吐出させ、生成する繊維を支持体の表面で捕集することにより、製造することが可能である。
さらに、上記支持体に支持された、複数の積み重ねられた繊維体で構成される不織布構造体は、支持体とその上に支持された上記繊維体の複数の、当該支持体同士、あるいは当該繊維体同士、あるいは当該支持体と当該繊維体と、を合わせ、一部分で必要に応じて接着、溶着あるいは固定することによって製造することが可能である。
また、上記繊維体の製造には、上記の高速エアを活用した溶融紡糸装置以外にも、メルトブローン法や電界紡糸法などの公知の方法を、安定した生産性の観点では望ましくないが、利用することが可能である。また、上記ナノファイバーと上記マイクロファイバーは、同じ方法で作製されてもよいし、異なる方法で作製されてもよい。
上記不織布構造体の具体例を図示する。図1Aは、上記不織布構造体の第1の態様を模式的に示す図であり、図1Bは、上記不織布構造体の第2の態様を模式的に示す図であり、図1Cは、上記不織布構造体の第3の態様を模式的に示す図であり、図1Dは、上記不織布構造体の第4の態様を模式的に示す図であり、図1Eは、上記不織布構造体の第5の態様を模式的に示す図である。
不織布構造体10Aは、図1Aに示されるように、繊維体1のみから構成されている。繊維体1は、ナノファイバーのみ、あるいはナノファイバーとマイクロファイバーとによって、前述した厚みと密度を満たすように構成されている。
不織布構造体10Bは、図1Bに示されるように、繊維体1および支持体2とから構成されている。支持体2は、例えば樹脂製の不織布のシートである。繊維体1は、支持体2の一表面に支持されている。不織布構造体1Bは、例えば、支持体2の一表面に繊維体1を形成することによって作製される。
不織布構造体10Cは、図1Cに示されるように、繊維体1と、繊維体1を厚さ方向の両側から挟む二枚の支持体2とから構成されている。不織布構造体10Cは、例えば、二つの不織布構造体1Bの繊維体1同士を合わせることによって作製される。
不織布構造体10Dは、図1Dに示されるように、一枚の支持体2の両面のそれぞれに繊維体1が支持されて構成されている。不織布構造体1Dは、例えば、一枚の支持体2の両面に同時に、あるいは支持体2の片面に逐次、繊維体1を形成することによって作製される。
不織布構造体1Eは、図1Eに示されるように、複数の繊維体1と複数の支持体2とによって構成されている。支持体2は、各繊維体1の厚さ方向における両側に配置されている。不織布構造体1Eは、例えば、不織布構造体1B、1C、1Dの一以上を適宜に積み重ねることによって作製される。
上記不織布構造体は、周波数が1kHzよりも大きな音の吸収性能と、周波数が1kHz以下の音の吸収性能との両方に優れている。その理由は、以下のように考えられる。
上記繊維体は、ナノファイバーを十分に含む繊維で構成され、十分な厚さと適度な繊維密度を有する。当該繊維体の内部には、非常に微小な空隙が形成されている。空気の振動(音波)である音が、当該繊維体内を通過する。
上記ナノファイバーの繊維が細いことから柔軟性に富み、よって、ナノファイバーは、上記空気の振動により共振する。このため、ナノファイバーが振動し、ナノファイバー同士の摩擦によって熱が生じる。こうして、ナノファイバーを振動させる音のエネルギーは、繊維体内を通過することでナノファイバーを振動させ、熱エネルギーに変換される。
10mm以上の厚さを有する上記繊維体では、 従来の繊維体に比べて、1kHz以下の低周波数域の音の吸音効果が、より一層起こりやすい。これは、ナノファイバーが十分に柔軟であり、かつ十分な繊維密度で存在するので、より高周波数域の、振動エネルギーのより大きな音だけでなく、より低周波数域の、振動エネルギーのより小さな音までも、熱エネルギーに変えることができるため、と考えられる。
なお、上記繊維体の繊維密度が前述の範囲よりも低いと、ナノファイバーの共振が十分に発生せず、1kHz以下の低周波数域の音の吸音効果が不十分となることがある。また、上記繊維体の繊維密度が前述の範囲よりも高いと、繊維体の表面部での音の反射が生じやすくなり、繊維体内における上記低周波数域の音の吸音効果が不十分となることがある。その一方で、上記繊維体の繊維密度を10〜25kg/m3とすると、上記低周波数域の音の吸音効果が十分に得られるとともに、前述した中周波数域の音の吸音効果が十分に得られることがある。
以上の説明から明らかなように、上記吸音材は、繊維が絡み合わされてなる繊維体を有する不織布構造体を含み、当該繊維は、その繊維径が1μm未満のポリプロピレン製のナノファイバーを含み、当該繊維体の厚さは20mm以上30mm以下であり、当該繊維体の繊維密度は10kg/m3以上50kg/m3未満であり、上記繊維体における上記ナノファイバーの含有比率は質量比で0.5以上であり、かつ1kHzの音の吸音率が0.59以上0.84以下であり、6kHzの音の吸音率が0.84以上0.93以下であることから、低周波数域の音の優れた吸音特性を発現する。
また、上記不織布構造体が上記繊維体を支持する支持体をさらに有することは、上記繊維体の所期の形状を維持する観点および不織布構造体の強度を高める観点から、より一層効果的である。また、上記の観点から、上記不織布構造体は、上記繊維体が、その片面で上記支持体に支持されているか、または二つの上記支持体で挟まれて支持されていてもよいし、上記不織布構造体が、二以上の上記繊維体を有し、かつ少なくとも当該繊維体の間に上記支持体を有していてもよい。
また、上記支持体が不織布、織布、フィルム、紙および発泡体層からなる群から選ばれる一以上であることは、入手が容易であり不織布構造体の生産性を高める観点からより一層効果的である。
また、上記繊維体は、その繊維径が2〜50μmであるマイクロファイバーをさらに含むことは、当該繊維体の所期の形状を維持する観点および当該繊維体の強度を高める観点からより一層効果的である。
また、上記ナノファイバーの繊維径分布の分布幅が上記マイクロファイバーの繊維径分布の分布幅よりも狭いことが、上記低周波数域の音の吸音効果と上記強度向上効果との設計の観点からより一層効果的である。
上記繊維体には、連続する微細な空隙を有する構造が形成されており、上記支持体にも、通常、そのような構造を有する部材が使用される。よって、上記不織布構造体は、一般に、前述した独特の吸音特性を有するとともに、通気性または通液性を兼ね備える。したがって、上記不織布構造体は、例えば、上記の吸音特性を要する用途、および、当該吸音特性とそれ以外の他の機能との両方を要する用途、のいずれにも採用することができる。また、上記不織布構造体は、上記の他の機能のみの用途で採用することも可能である。このような観点から、当該不織布構造体は、吸音材、遮音材、ろ過材、断熱材、絶縁セパレータ、オイル吸着材、表面洗浄用布および医療用被覆材などの不織布製品の構成部材として好適に用いられる。
<参考例1>
まず、高速・高温(例えば200m/sec、300℃)のエアをエアノズルから一方向に噴き出し、また、エアノズルからの高速高温気流の下流側に、ポリプロピレン製の不織布を支持体として設置する。当該不織布は、スパンレース法によって製造された不織布であり、その目付け量は20g/m3であり、またその厚さは140μmである。
まず、高速・高温(例えば200m/sec、300℃)のエアをエアノズルから一方向に噴き出し、また、エアノズルからの高速高温気流の下流側に、ポリプロピレン製の不織布を支持体として設置する。当該不織布は、スパンレース法によって製造された不織布であり、その目付け量は20g/m3であり、またその厚さは140μmである。
次いで、ポリプロピレン(PP、株式会社プライムポリマー製「プライムポリプロ J106G」)を、300℃に調整された紡糸ノズルに通過させて充分に溶融し、次いで当該溶融したPPを紡糸ノズルから上記高速高温気流へ吐出させ、繊維径が0.50μm、繊維長が100cmのナノファイバーを作製するとともに下流側の上記不織布の表面に捕集する。こうして、繊維径が0.50μm(500nm)、目付け量が350g/m2、繊維密度が17.5kg/m3のナノファイバーによる繊維体が上記不織布の表面に支持されている、図1Bに示されるようなシート状の不織布構造体1を作製した。
また、不織布構造体1の厚さは、20mmである。不織布構造体1の厚さは、上記不織布と上記繊維体の厚さの総和の平均値であり、当該不織布構造体1の平面方向における任意の5箇所で測定された厚さの総和の平均値である。
上記繊維径は、前述したように、カーボンテープ上に3mm角程度の繊維体1の試料を貼り、次いで当該試料にAuを2分間程度蒸着し、次いで走査型電子顕微鏡 VE−7800(株式会社キーエンス製)を用いて上記試料を3000倍の倍率で観察し、得られた拡大画像中の任意の10本のナノファイバーの繊維径を測定し、それらの平均値として求めた。
上記目付け量は、上記繊維体を、その平面形状が10cm×10cmの正方形に切断し、その重量を測定し、当該重量と平面方向における面積(100cm2)とから算出した。また、上記繊維密度は、上記目付け量および下記不織布構造体の厚さとの積により求めた。
なお、上記繊維体を走査型電子顕微鏡(SEM)で観察することにより、図3Aおよび3Bに示されるように、当該繊維体の平面方向および厚さ方向のいずれにおいても、上記ナノファイバーによる均一かつ緻密な繊維体が構成されていることが確認される。
<実施例2、参考例4および比較例3、5〜7>
紡糸ノズルの温度の調整、PPの吐出量の調整、高速高温気流の流量の調整、生成する繊維の捕集時間の調整、および繊維体の厚さ方向への圧縮、を必要に応じて行う以外は不織布構造体1と同様にして、不織布構造体2〜7をそれぞれ作製した。
紡糸ノズルの温度の調整、PPの吐出量の調整、高速高温気流の流量の調整、生成する繊維の捕集時間の調整、および繊維体の厚さ方向への圧縮、を必要に応じて行う以外は不織布構造体1と同様にして、不織布構造体2〜7をそれぞれ作製した。
不織布構造体2における繊維体の繊維径は0.35μmであり、目付け量は390g/m2であり、繊維密度は17.7kg/m3である。また、不織布構造体2の厚さは22mmである。不織布構造体3における繊維体の繊維径は0.50μmであり、目付け量は350g/m2であり、繊維密度は35.0kg/m3である。また、不織布構造体3の厚さは10mmである。不織布構造体4における繊維体の繊維径は0.50μmであり、目付け量は756g/m2であり、繊維密度は47.3kg/m3である。また、不織布構造体4の厚さは16mmである。不織布構造体5における繊維体の繊維径は0.50μmであり、目付け量は500g/m2であり、繊維密度は27.8kg/m3である。また、不織布構造体5の厚さは18mmである。不織布構造体6における繊維体の繊維径は0.50μmであり、目付け量は453g/m2であり、繊維密度は25.2kg/m3である。また、不織布構造体6の厚さは18mmである。不織布構造体7における繊維体の繊維径は0.35μmであり、目付け量は190g/m2であり、繊維密度は19.0kg/m3である。また、不織布構造体7の厚さは10mmである。
<参考例8〜10>
紡糸ノズルの温度、PPの吐出量、および高速高温気流の流量を必要に応じて調整する以外は不織布構造体1と同様にして、上記不織布の表面に、繊維径が0.50μm(500nm)、目付け量が187g/m2、繊維密度が46.8kg/m3の繊維体が支持されてなる、図1Bに示されるような不織布構造体ユニット8を作製した。不織布構造体ユニット8の厚さは4mmである。
紡糸ノズルの温度、PPの吐出量、および高速高温気流の流量を必要に応じて調整する以外は不織布構造体1と同様にして、上記不織布の表面に、繊維径が0.50μm(500nm)、目付け量が187g/m2、繊維密度が46.8kg/m3の繊維体が支持されてなる、図1Bに示されるような不織布構造体ユニット8を作製した。不織布構造体ユニット8の厚さは4mmである。
不織布構造体ユニット8を三枚重ね、さらにその最上部に上記不織布を重ね、適宜に固定することにより、図1Eに示されるような、三層の上記繊維体の層を有する不織布構造体8を作製した。不織布構造体8の厚さは12mmである。
さらに、不織布構造体ユニット8を四枚重ねる以外は不織布構造体8と同様にして、不織布構造体9を作製した。また、不織布構造体ユニット8を五枚重ねる以外は不織布構造体8と同様にして、不織布構造体10を作製した。不織布構造体9の厚さは16mmであり、不織布構造体10の厚さは20mmである。
<実施例11および参考例12>
上記高速高温気流に向けて配置されている、280℃に調整された第2の紡糸ノズルから、溶融したポリエチレンテレフタラート(PET、帝人株式会社製「TRN−8550T」)を、上記PPと同時に上記高速高温気流へ吐出させる以外は、不織布構造体1と同様にして、不織布構造体11を作製した。不織布構造体11の繊維体は、PP製のナノファイバーとPET製のマイクロファイバーとが質量比1:1で混在している。
上記高速高温気流に向けて配置されている、280℃に調整された第2の紡糸ノズルから、溶融したポリエチレンテレフタラート(PET、帝人株式会社製「TRN−8550T」)を、上記PPと同時に上記高速高温気流へ吐出させる以外は、不織布構造体1と同様にして、不織布構造体11を作製した。不織布構造体11の繊維体は、PP製のナノファイバーとPET製のマイクロファイバーとが質量比1:1で混在している。
不織布構造体11の繊維体におけるナノファイバーの繊維径は0.50μmであり、マイクロファイバーの繊維径は11μmである。上記繊維体の目付け量は1140g/m2であり、繊維密度は49.6kg/m3である。また、不織布構造体11の厚さは23mmである。
なお、上記マイクロファイバーの繊維径は、上記の拡大画像における倍率を100倍とする以外はナノファイバーの繊維径と同様に測定して求めた。
また、上記繊維体をSEMで観察することにより、図4Aおよび4Bに示されるように、当該繊維体の平面方向および厚さ方向のいずれにおいても、上記ナノファイバーと上記マイクロファイバーとが均一に混在し、かつ上記マイクロファイバー間に上記ナノファイバーが十分に存在する繊維体が構成されていることが確認される。
また、紡糸ノズルの温度の調整、PPの吐出量の調整、PETの吐出量の調整、高速高温気流の流量の調整、生成する繊維の捕集時間の調整 および繊維体の厚さ方向への圧縮、を必要に応じて行う以外は不織布構造体11と同様にして不織布構造体12を作製した。不織布構造体12の繊維体の目付け量は760g/m2であり、繊維密度は47.5kg/m3である。また、不織布構造体12の厚さは16mmである。
<参考例13〜15、17および実施例16>
紡糸ノズルの温度の調整、PPの吐出量の調整、PETの吐出量の調整、高速高温気流の流量の調整、生成する繊維の捕集時間の調整 および繊維体の厚さ方向への圧縮、を必要に応じて行う以外は不織布構造体11と同様にして不織布構造体13を作製した。不織布構造体13の繊維体におけるナノファイバーの繊維径は0.50μmであり、マイクロファイバーの繊維径は20μmである。また、当該繊維体の目付け量は331g/m2であり、繊維密度は18.4kg/m3である。さらに、不織布構造体13の厚さは18mmである。不織布構造体13〜17の繊維体では、PP製のナノファイバーとPET製のマイクロファイバーとが質量比1:1で混在している。
紡糸ノズルの温度の調整、PPの吐出量の調整、PETの吐出量の調整、高速高温気流の流量の調整、生成する繊維の捕集時間の調整 および繊維体の厚さ方向への圧縮、を必要に応じて行う以外は不織布構造体11と同様にして不織布構造体13を作製した。不織布構造体13の繊維体におけるナノファイバーの繊維径は0.50μmであり、マイクロファイバーの繊維径は20μmである。また、当該繊維体の目付け量は331g/m2であり、繊維密度は18.4kg/m3である。さらに、不織布構造体13の厚さは18mmである。不織布構造体13〜17の繊維体では、PP製のナノファイバーとPET製のマイクロファイバーとが質量比1:1で混在している。
また、紡糸ノズルの温度の調整、PPの吐出量の調整、PETの吐出量の調整、高速高温気流の流量の調整、生成する繊維の捕集時間の調整 および繊維体の厚さ方向への圧縮、を必要に応じて行う以外は不織布構造体13と同様にして不織布構造体14〜17を作製した。不織布構造体14〜17の繊維体におけるナノファイバーの繊維径は、いずれも0.50μmであり、マイクロファイバーの繊維径は、いずれも20μmである。
不織布構造体14の繊維体の目付け量は691g/m2であり、繊維密度は19.2kg/m3である。また、不織布構造体14の厚さは36mmである。不織布構造体15の繊維体の目付け量は691g/m2であり、繊維密度は34.6kg/m3である。また、不織布構造体15の厚さは20mmである。不織布構造体16の繊維体の目付け量は509g/m2であり、繊維密度は17.0kg/m3である。また、不織布構造体16の厚さは30mmである。不織布構造体17の繊維体の目付け量は509g/m2であり、繊維密度は36.4kg/m3である。また、不織布構造体17の厚さは14mmである。
<実施例18〜20>
紡糸ノズルの温度の調整、PPの吐出量の調整、PETの吐出量の調整、高速高温気流の流量の調整、生成する繊維の捕集時間の調整 および繊維体の厚さ方向への圧縮、を必要に応じて行う以外は不織布構造体11と同様にして不織布構造体18を作製した。不織布構造体18の繊維体におけるナノファイバーの繊維径は0.50μmであり、マイクロファイバーの繊維径は21μmである。また、当該繊維体の目付け量は480g/m2であり、繊維密度は16.0kg/m3である。さらに、不織布構造体18の厚さは30mmである。不織布構造体18〜20の繊維体では、PP製のナノファイバーとPET製のマイクロファイバーとが質量比3:1で混在している。
紡糸ノズルの温度の調整、PPの吐出量の調整、PETの吐出量の調整、高速高温気流の流量の調整、生成する繊維の捕集時間の調整 および繊維体の厚さ方向への圧縮、を必要に応じて行う以外は不織布構造体11と同様にして不織布構造体18を作製した。不織布構造体18の繊維体におけるナノファイバーの繊維径は0.50μmであり、マイクロファイバーの繊維径は21μmである。また、当該繊維体の目付け量は480g/m2であり、繊維密度は16.0kg/m3である。さらに、不織布構造体18の厚さは30mmである。不織布構造体18〜20の繊維体では、PP製のナノファイバーとPET製のマイクロファイバーとが質量比3:1で混在している。
紡糸ノズルの温度の調整、PPの吐出量の調整、PETの吐出量の調整、高速高温気流の流量の調整、生成する繊維の捕集時間の調整 および繊維体の厚さ方向への圧縮、を必要に応じて行う以外は不織布構造体18と同様にして、不織布構造体19、20をそれぞれ作製した。不織布構造体19および20の繊維体のいずれも、ナノファイバーの繊維径は0.50μmであり、マイクロファイバーの繊維径は21μmである。また、不織布構造体19の厚さは27mmであり、その繊維体の繊維密度は17.8kg/m3である。さらに、不織布構造体20の厚さは20mmであり、その繊維体の繊維密度は24.0kg/m3である。
<参考例21、22および実施例23>
紡糸ノズルの温度の調整、PPの吐出量の調整、PETの吐出量の調整、高速高温気流の流量の調整、生成する繊維の捕集時間の調整 および繊維体の厚さ方向への圧縮、を必要に応じて行う以外は不織布構造体11と同様にして、不織布構造体ユニット21を作製した。
紡糸ノズルの温度の調整、PPの吐出量の調整、PETの吐出量の調整、高速高温気流の流量の調整、生成する繊維の捕集時間の調整 および繊維体の厚さ方向への圧縮、を必要に応じて行う以外は不織布構造体11と同様にして、不織布構造体ユニット21を作製した。
不織布構造体ユニット21の繊維体は、PP製のナノファイバーとPET製のマイクロファイバーとが質量比1:1で混在しており、その繊維体におけるナノファイバーの繊維径は0.50μmであり、マイクロファイバーの繊維径は11μmである。また、上記繊維体の目付け量は190g/m2であり、繊維密度は47.5 kg/m3である。さらに、不織布構造体ユニット21の厚さは4mmである。
不織布構造体ユニット21を3枚重ね、さらにその最上部に上記不織布を重ね、適宜に固定することにより、3層の上記繊維体の層を有する不織布構造体21を作製した。不織布構造体21の厚さは12mmである。
不織布構造体ユニット21をそれぞれ、5枚および6枚重ねる以外は不織布構造体21と同様にして、不織布構造体22、23をそれぞれ作製した。不織布構造体22の厚さは20mmであり、不織布構造体23の厚さは24mmである。
<比較例1>
スリーエム ジャパン株式会社製「シンサレート TAI3047」(「シンサレート」は同社の登録商標)を用意し、これを不織布構造体C1とした。不織布構造体C1は、ポリプロピレン製のマイクロファイバー1とポリエステル製のマイクロファイバー2とが混在した繊維体を有する。マイクロファイバー1の繊維径は約2μmであり、マイクロファイバー2の繊維径は約25μmである。また、マイクロファイバー1の質量(MF1)とマイクロファイバー2の質量(MF2)との比(MF1:MF2)は約65:35である。また、不織布構造体C1の繊維体における目付け量は315g/m2であり、繊維密度は17.5kg/m3である。また、不織布構造体C1の厚さは18mmである。
スリーエム ジャパン株式会社製「シンサレート TAI3047」(「シンサレート」は同社の登録商標)を用意し、これを不織布構造体C1とした。不織布構造体C1は、ポリプロピレン製のマイクロファイバー1とポリエステル製のマイクロファイバー2とが混在した繊維体を有する。マイクロファイバー1の繊維径は約2μmであり、マイクロファイバー2の繊維径は約25μmである。また、マイクロファイバー1の質量(MF1)とマイクロファイバー2の質量(MF2)との比(MF1:MF2)は約65:35である。また、不織布構造体C1の繊維体における目付け量は315g/m2であり、繊維密度は17.5kg/m3である。また、不織布構造体C1の厚さは18mmである。
<比較例2、3>
紡糸ノズルの温度の調整、PPの吐出量の調整、高速高温気流の流量の調整、生成する繊維の捕集時間の調整 および繊維体の厚さ方向への圧縮、を必要に応じて行う以外は不織布構造体1と同様にして、繊維密度および厚さが異なる以外は不織布構造体1と同様の不織布構造体C2、C3をそれぞれ作製した。
紡糸ノズルの温度の調整、PPの吐出量の調整、高速高温気流の流量の調整、生成する繊維の捕集時間の調整 および繊維体の厚さ方向への圧縮、を必要に応じて行う以外は不織布構造体1と同様にして、繊維密度および厚さが異なる以外は不織布構造体1と同様の不織布構造体C2、C3をそれぞれ作製した。
不織布構造体C2の繊維体の繊維密度は50.0kg/m3であり、不織布構造体C2の厚さは7mmである。また、不織布構造体C3の繊維体の繊維密度は87.5kg/m3であり、不織布構造体C3の厚さは4mmである。
<比較例4〜6>
紡糸ノズルの温度の調整、PPの吐出量の調整、高速高温気流の流量の調整、生成する繊維の捕集時間の調整 および繊維体の厚さ方向への圧縮、を必要に応じて行う以外は不織布構造体4〜6のそれぞれと同様にして、繊維密度および厚さが異なる以外は不織布構造体4〜6のそれぞれと同様の不織布構造体C4〜C6をそれぞれ作製した。
紡糸ノズルの温度の調整、PPの吐出量の調整、高速高温気流の流量の調整、生成する繊維の捕集時間の調整 および繊維体の厚さ方向への圧縮、を必要に応じて行う以外は不織布構造体4〜6のそれぞれと同様にして、繊維密度および厚さが異なる以外は不織布構造体4〜6のそれぞれと同様の不織布構造体C4〜C6をそれぞれ作製した。
不織布構造体C4の繊維体の繊維密度は75.6kg/m3であり、不織布構造体C4の厚さは10mmである。不織布構造体C5の繊維体の繊維密度は55.6kg/m3であり、不織布構造体C5の厚さは9mmである。不織布構造体C6の繊維体の繊維密度は50.3kg/m3であり、不織布構造体C6の厚さは9mmである。
<比較例7、8>
不織布構造体ユニット8を不織布構造体C7とした。また、不織布構造体ユニットの重ね枚数を二枚とする以外は不織布構造体8と同様にして、不織布構造体C8を作製した。不織布構造体C8の厚さは8mmである。
不織布構造体ユニット8を不織布構造体C7とした。また、不織布構造体ユニットの重ね枚数を二枚とする以外は不織布構造体8と同様にして、不織布構造体C8を作製した。不織布構造体C8の厚さは8mmである。
<比較例9、10>
紡糸ノズルの温度の調整、PPの吐出量の調整、PETの吐出量の調整、高速高温気流の流量の調整、生成する繊維の捕集時間の調整 および繊維体の厚さ方向への圧縮、を必要に応じて行う以外は不織布構造体11と同様にして、不織布構造体C9、C10をそれぞれ作製した。
紡糸ノズルの温度の調整、PPの吐出量の調整、PETの吐出量の調整、高速高温気流の流量の調整、生成する繊維の捕集時間の調整 および繊維体の厚さ方向への圧縮、を必要に応じて行う以外は不織布構造体11と同様にして、不織布構造体C9、C10をそれぞれ作製した。
不織布構造体C9の厚さは7mmであり、その繊維体の目付け量は380g/m2であり、繊維密度は54.3kg/m3である。不織布構造体C10の厚さは4mmであり、その繊維体の目付け量は190g/m2であり、繊維密度は47.5kg/m3である。不織布構造体C10の目付け量および繊維密度は、不織布構造体ユニット21と同等である。
<比較例11>
紡糸ノズルの温度の調整、PPの吐出量の調整、PETの吐出量の調整、高速高温気流の流量の調整、生成する繊維の捕集時間の調整 および繊維体の厚さ方向への圧縮、を必要に応じて行う以外は不織布構造体13と同様にして、不織布構造体C11を作製した。不織布構造体C11の厚さは7mmであり、その繊維体の目付け量は331g/m2であり、繊維密度は47.3kg/m3である。
紡糸ノズルの温度の調整、PPの吐出量の調整、PETの吐出量の調整、高速高温気流の流量の調整、生成する繊維の捕集時間の調整 および繊維体の厚さ方向への圧縮、を必要に応じて行う以外は不織布構造体13と同様にして、不織布構造体C11を作製した。不織布構造体C11の厚さは7mmであり、その繊維体の目付け量は331g/m2であり、繊維密度は47.3kg/m3である。
<比較例12>
紡糸ノズルの温度の調整、PPの吐出量の調整、PETの吐出量の調整、高速高温気流の流量の調整、生成する繊維の捕集時間の調整 および繊維体の厚さ方向への圧縮、を必要に応じて行う以外は不織布構造体18と同様にして、不織布構造体C12を作製した。不織布構造体C12の厚さは9mmであり、その繊維体の目付け量は480g/m2であり、繊維密度は53.3kg/m3である。
紡糸ノズルの温度の調整、PPの吐出量の調整、PETの吐出量の調整、高速高温気流の流量の調整、生成する繊維の捕集時間の調整 および繊維体の厚さ方向への圧縮、を必要に応じて行う以外は不織布構造体18と同様にして、不織布構造体C12を作製した。不織布構造体C12の厚さは9mmであり、その繊維体の目付け量は480g/m2であり、繊維密度は53.3kg/m3である。
不織布構造体1〜23およびC1〜C12のそれぞれについて、不織布構造体の平面方向に対して垂直な方向からの、周波数200Hz〜6kHzの音の吸音率(垂直入射吸音率)を、音響インピーダンス管を用いた垂直吸音システム(株式会社 小野測器製「DS−200」)を用いて測定した。不織布構造体1〜23およびC1〜C12の構造および物性と垂直入射吸音率の測定結果とを表1〜3にそれぞれ示す。また、図2に、不織布構造体1、2およびC1の垂直入射吸音率を示す。図中、実線は不織布構造体1の、一点鎖線は不織布構造体2の、そして破線は不織布構造体C1の垂直入射吸音率をそれぞれ示している。
表3および図2から明らかなように、マイクロファイバーからなる繊維体を有する不織布構造体C1は、約1kH以下の周波数域では吸音率が約0.1程度と不十分であり、約1kHzから約5kHzまでの周波数域では吸音率が徐々に増加し、約5kHz以上の周波数では0.9以上の十分な吸音率を示している。
表1、表2および図2から明らかなように、ナノファイバーによる繊維体において、厚みを10mm以上とし、かつ、繊維密度を10kg/m3以上50kg/m3未満とした不織布構造体1〜6および不織布構造体8〜23は、いずれも、約3kHzまでの周波数域で比較例1以上の高い吸音率を示しており、具体的には1kHzにて0.2以上、2kHzにて0.5以上、3kHZにおいても0.7以上の吸音率を示している。かつ、これらの不織布構造体は、約4kHz以上の周波数でも、十分に高い吸音率を示している。
このように、上記の不織布構造体は、マイクロファイバーによる不織布構造体に比べて、より低い周波数域の音の吸音性に優れていることがわかる。これは、先述のように、ナノファイバーの繊維体における粘性による音の熱エネルギーへの変換の効率が高くなり、また、当該繊維体自身の共振による吸音効果が起こりやすくなるため、と考えられる。
その効果は、図2に示されるように、厚さが16mm以上でナノファイバーの比率の高い不織布構造体1および2において特に顕著であり、1kHzにて0.8以上、2kHzにて0.7以上、3kHZにおいても0.7以上の吸音率が示されている。
また、不織布構造体7と不織布構造体C1との対比によれば、両者の吸音特性はほぼ同等と言える。しかしながら、不織布構造体7の厚さは10μmであり、その目付け量は190g/m2、と不織布構造体C1のそれらに比べて、十分に小さな値となっている。このように、目付け量が200g/cm2以下であり、厚さが15mm以下でも、従来のマイクロファイバーの不織布構造体と同等の吸音効果がもたらされる。よって、ナノファイバーで繊維体を構成することにより、従来のマイクロファイバーで構成された繊維体を含む不織布構造体に比べて、より軽くより薄い不織布構造体で同等の吸音効果が得られる。
また、不織布構造体1と不織布構造体2との対比によれば、繊維体の繊維径がより細いことが、5kHz以下の周波数域での吸音特性をより高める観点から効果的であることがわかる。これは、より柔軟なナノファイバーで構成される上記繊維体のそれ自身の剛性がより小さくなり、ナノファイバーの共振が起こり易くなり、その結果、低周波域での吸音効果がより高まっているため、と考えられる。
また、不織布構造体8〜10と不織布構造体C8との対比よれば、厚さの不足のために1kHz近傍での吸音率が低かった不織布構造体ユニット8を積み重ねることによって、当該吸音率を高めることが可能であることがわかる。
さらに、不織布構造体8〜10では、繊維体の層の間に支持体の層が配置されることから、ナノファイバーによる不織布構造体の厚さ方向への変形(例えばつぶれ)や、の平面方向への変形(例えば破れ)などに対する強度が、このような層間の支持体を有さない不織布構造体1などに比べて大幅に向上する。
その結果、つぶれの抑制によって不織布構造体の繊維密度が経時的により安定する。繊維体における繊維密度が高くても、気体や液体などの流体が繊維体内を通過したときの繊維体の損失が抑制されることが期待される。加えて、繊維体の各層における共振による吸音効果と、繊維体の層同士での一部の波長域での反射吸収による共鳴効果も合わせて発生させることが期待される。よって、より一層幅広い繊維密度で最適な吸音特性が発現されるように、不織布構造体における吸音特性の設計の自由度が高められることが期待される。
さらに、不織布構造体11〜23によれば、少なくともマイクロファイバーとナノファイバーとが混在する複合繊維の繊維体であっても、ナノファイバーの質量比が0.5以上の範囲で、ナノファイバーのみの繊維体による上記の吸音効果と同様の効果が得られることがわかる。当該複合繊維の繊維体では、前述の効果に加えて、マイクロファイバーの存在によって繊維体自身の強度がより向上し、繊維体自身の変形がより一層抑制されることが期待される。
一方で、不織布構造体C7、C8、C10、C11は、いずれも、少なくとも1kHz以下の周波数域での吸音特性が不十分であった。これは、繊維体の密度は所定の範囲であるが、繊維体の厚さが10mm未満であるため、前述の共振による吸音効果が十分に発現されなかったため、と考えられる。
また、不織布構造体C2〜C6および不織布構造体C9、C12においては、少なくとも4kHzの以上の周波数域で、吸音率が0.7以下となり、吸音特性が不十分であった。さらには、不織布構造体C3、C9、C12においては、1kHZ近傍で、吸音率が0.15以下となり、当該周波数域でも吸音特性が不十分となっている。これは、特に不織布構造体1と不織布構造体C2および不織布構造体C3との対比から明らかなように、繊維体の繊維密度が高すぎ、繊維体内または繊維体表面での音の反射が強くなり、低周波域の音の繊維体への侵入および繊維体での吸収が不十分となったためと、加えて不織布構造体C3、C9およびC12では厚みに低下による前述の共振による吸音効果が十分に発現されなかったため、と考えられる。
本発明に係る不織布構造体は、低周波数域の吸音特性に優れるというナノファイバーによる繊維体に特有な効果を奏する。したがって、上記不織布構造体には、例えば通気性および通液性、断熱性などの不織布構造体に特有の効果に加えて、低周波の流体の振動の伝達を防止する付加的な効果が期待される。よって、上記不織布構造体は、より低周波数の音を吸収するための吸音材としての用途での利用が期待され、また上記の低周波の振動の防止が期待される様々な分野において、上記の吸音特性を兼ね備える被覆材や分離材、仕切部材などとして、種々の用途での利用が期待される。
1 繊維体
2 支持体
10A〜10E 不織布構造体
2 支持体
10A〜10E 不織布構造体
Claims (6)
- 繊維が絡み合わされてなる繊維体を有する不織布構造体を含む吸音材であって、
前記繊維は、その繊維径が1μm未満のポリプロピレン製のナノファイバーを含み、
前記繊維体の厚さは、20mm以上30mm以下であり、
前記繊維体の繊維密度は、10kg/m3以上50kg/m3未満であり、
前記繊維体における前記ナノファイバーの含有比率は、質量比で0.5以上であり、
1kHzの音の吸音率が0.59以上0.84以下であり、かつ、6kHzの音の吸音率が0.84以上0.93以下である、吸音材。 - 前記不織布構造体は、前記繊維体を支持する支持体をさらに有する、請求項1に記載の吸音材。
- 前記繊維体は、その片面で前記支持体に支持されているか、または二つの前記支持体で挟まれて支持されている、請求項2に記載の吸音材。
- 前記不織布構造体は、二以上の前記繊維体を有し、かつ少なくとも前記繊維体の間に前記支持体を有する、請求項2または3に記載の吸音材。
- 前記支持体は、不織布、織布、フィルム、紙および発泡体層からなる群から選ばれる一以上である、請求項2〜4のいずれか一項に記載の吸音材。
- 前記繊維体は、その繊維径が2〜50μmであるマイクロファイバーをさらに含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の吸音材。
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