JP4095560B2 - 高機能繊維ロープとその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤーロープあるいは一般の繊維ロープの代替、特に係留用や曳船用、更には海事工事用のロープとして有用な高機能繊維ロープとその製造方法に関する。

近年、例えばアラミド繊維、超高分子量ポリエチレンなどの所謂スーパー繊維で作られた各種ロープが出まわっている。この種スーパー繊維で作られたロープは、従来の天然繊維や合成繊維に比べて、多くの特性を備えている。具体的には、水に浮くほど軽量であり、耐摩耗性、耐衝撃性に優れ、強度があり、更には高弾性率で、結節強度、化学的安定性があるなどである。
特開２００２−６０１６３号公報 特開平１１−２９３５７４号公報 特開平０８−２０９５６３号公報

ところで、上記従来の提案による、また、既に市販されているロープ類などは、その製法において基本的に、今までの繊維ロープの製法と同じ手法で製造されている。
つまり、原糸を撚り合わせてヤーンを得、得られたヤーンの数十本撚り合わせてストランドにし、この得られたストランドを適宜本数撚り合わせてロープを得るという手法である。

しかし、従来のこの種のロープは確かに素材、つまり一本一本の原糸は大変優れた特性を持っているにもかかわらず、現実にロープとして製品になると、その素材の優秀性、特性が十二分には生かされていない傾向がある。特に強度の上で問題のあることが分かった。因みに、強度が２６ｃＮ／ｄｔｅｘである原糸（超高分子量ポリエチレン）を採用しても、例えば原糸２０本を撚り合わせて得たヤーン１４本を撚り合わせてストランドを形成し、これを１２本撚り合わせて得られたロープとしての強度は１１ｃＮ／ｄｔｅｘにしかならず、５０％以下の強度しか得られないのが現状である。特に係留用や曳船用、更には海事工事用のロープとしては、一般的に、原糸１５〜２４本程度を撚り合わせてヤーンを得、このヤーンで形成したストランドを四つ打、八つ打、１２打、更には二重組打などして得られるものであるが、いずれにおいても上記に示した強度には大きな変化は見られなかった。

このような現状を踏まえ、本発明者は、強度をアップするために原糸の数、ヤーンの数、更にはストランドの数をそれぞれ更に増やしてみた。しかし、その結果は、必然的にロープ径が増大し、扱い難くなった。そこで、ロープ径を減少するべく撚り角を大きくしてみた。しかし、結果的には型崩れを起こし易く、ストランドやヤーンの間に異物が侵入し易くなり、容易に損傷したり、切断する結果となった。

そこで本発明は、ワイヤーロープの代替であれば、同一径でこれに匹敵するほどの優れた特性を備え、また、一般繊維ロープの代替であればロープ径を半分以下にでき、実用上大変優位な高機能繊維ロープとその製造方法を得ることを課題とする。

本発明者らは、上記の課題を解決するために、先の検討結果を踏まえた上で、今回は視点を変えて本質的な面から検討し直してみた。その結果、糸を集合させてゆくロープの各製造工程で、各々の糸にかかる張力が不均一であることが判明した。また、各工程毎で集合された糸のユニット、つまりヤーンやストランドが張力を負荷されながら撚り合わされてそれぞれの加撚（撚り合わせ）が完了するが、この加撚が完了して負荷が解かれたときに、各ユニット同士の間のバランスが微妙に崩れることが分かった。検査の結果、各工程で、平均して原糸一本一本、また、ユニット一つ一つに０．２５〜０．４５ｋｇの張力誤差が生じていることが判明した。

張力誤差がロープの強度低下を招来する本質的な原因である確証はなかったが、この考察の結果を基にして、取りあえず各製造工程における原糸やユニットに負荷する張力を均一にすることを思い立ち、各製造工程で原糸やユニットに対する張力を可及的に均一にし、併せてその好ましい範囲を模索してみたところ、十分に満足のゆく結果が得られた。

すなわち、本発明に係る請求項１に記載された高機能繊維ロープの製造方法は、この基本的な考え方を具体化したもので、高機能繊維からなる原糸の一本毎に、０．５〜１．５ｋｇの張力を与えながら１３〜２６本を撚り合わせてヤーンを形成し、得られたヤーンに１５０〜２３０ｋｇの張力を負荷し、引き続きこの得られたヤーン一本毎に、０．５〜１．５ｋｇの張力を与えながら撚り合せてストランドを得、その後このストランドを撚り合せてロープを得ることを特徴とする。

まずヤーン製造工程において、原糸一本一本に、０．５〜１．５ｋｇの値の張力を負荷しつつ、１３〜２６本を撚り合わせることによって、原糸一本一本に可及的に誤差の生じない均一な張力が負荷される。更に、撚り合わされたヤーンに１５０〜２３０ｋｇの張力を負荷しながら、ヤーン製造工程で負荷された張力と撚りの安定化が図られ、腰のあるヤーンが得られる。

このヤーン製造工程において、張力をかけたヤーンに熱処理を施すと、このヤーンにかけられた張力並びに撚りが一層安定し、かつ、固定化され、ロープ製造にあたり、強度の再現性が大変安定する。

引き続きストランド工程においても、ヤーン一本一本に、０．５〜１．５ｋｇの値の張力を負荷しつつ撚り合わせることによって、ヤーン一本一本に可及的に誤差が生じない均一な張力が負荷されたロープが得られた。更に得られたロープに１０，０００〜３０，０００ｋｇの張力を負荷することによって、それまでの各製造工程で負荷された張力と撚りの一層の安定化を図ることができる（請求項２）。

このように、ロープの各製造工程において、各製造工程に用いられる原糸、ヤーン、更にはストランド、そして出来上がったロープそのものにも定められた張力を負荷するとともに、ヤーン製造工程では、張力を負荷した上に熱処理を施すことによって、ヤーン、ストランドまたロープそのものに負荷される張力をより均一にすることができ、併せてバランスの良い張力を掛けることができる。

得られたロープの強度は平均して１８ｃＮ／ｄｔｅｘで、同様の高機能繊維を用いて従来の手法で製造したロープに比べて、その強度は約１．６倍にもなることが判明した。

この発明において、高機能繊維からなる糸一本毎に負荷される定められた張力は０．５〜１．５ｋｇであるのが望ましい。
０．５ｋｇ以下ではヤーン製造後で負荷が解かれると、簡単に緩みが生じ、原糸一本一本にかかる張力が均一にならない。逆に１．５ｋｇ以上であると、ヤーンが硬くなり過ぎて、以降の製造が困難になる。
望ましくは０．６〜０．９ｋｇである。

また、得られたヤーンに負荷される張力は１５０〜２３０ｋｇであるのが望ましい。
１５０ｋｇ以下ではヤーン製造後で負荷が解かれると、簡単に緩みが生じ、ヤーン一本一本にかかる張力が均一にならない。逆に２３０ｋｇ以上の負荷を掛けるとヤーンが硬くなり過ぎて、以降の製造が困難になる。
望ましくは１５０〜１８０ｋｇである。

特に本発明が対象にしているロープは、先にも示したように、船舶の係留や曳航、更には海事工事に使用されるものを主体としているので、ヤーンを形成するための原糸の本数は１３〜２６本程度で、最も少ない１３本であれば最低１５０ｋｇの張力が望ましい。また、最も多い２６本であれば最高２３０ｋｇが限界である。ちなみにこの張力を原糸一本一本に負荷される張力でみてみると、７．５〜１０ｋｇの範囲であることが分かる。

次に、ストランドの加撚工程で、一本のヤーンに負荷される張力は０．５〜１．５ｋｇであるのが望ましい。
０．５ｋｇ以下ではストランド製造後で負荷が解かれると、ストランドに緩みが生じ、ヤーン一本一本にかかる張力も均一にならない。逆に１．５ｋｇ以上であると、ストランドが硬くなり過ぎて、以降の製造が困難になる。
望ましくは０．６〜０．９ｋｇである。

また、得られたロープに負荷される張力は１０，０００〜３０，０００ｋｇであるのが望ましい。
１０，０００ｋｇ以下ではロープ製造後で負荷が解かれると、ロープに緩みが生じ、ストランド一本一本にかかる張力も均一にならない。逆に３０，０００ｋｇ以上であると、ストランドが硬くなり過ぎて、ロープの柔軟性が大きく阻害され、扱いが困難になる。
望ましくは１３，０００〜１８，０００ｋｇである。

更に、熱処理温度は、６０〜９０°Ｃであるのが望ましい（請求項５）。
６０°Ｃ以下であるとヤーンにかけられた張力並びに撚りが安定しない。逆に９０°Ｃ以上であるとヤーンが硬くなり過ぎたり、場合によっては軟化してしまったりして、以降の製造が困難になる。
望ましくは７０〜８０°Ｃである。

この場合、熱を付加する媒体としては蒸気が望ましい（請求項６）。
用いられる素材によっては直接的な加熱に馴染まないものもあることを考慮した結果である。また、蒸気は取り扱い易く、装置として組み込み易いからである。

採用される高機能繊維は、全芳香族ポリアミド繊維、全芳香族ポリエステル繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、ポリビニルアルコール系繊維及び超高分子量ポリエチレン繊維などか挙げられる。中でも、超高分子量ポリエチレン繊維であることが好ましい（請求項７）。

上記全芳香族ポリアミド繊維としては、パラ系アラミド繊維が好適である。このパラ系アラミド繊維としては、例えば「ケブラー」（商品名 東レ・デュポン株式会社製）、「テクノーラ」（商品名 帝人株式会社製）などの市販のものも採用できる。

また、全芳香族ポリエステル繊維は、例えば「ベクトラン」（商品名 株式会社クラレ製）を、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維は、例えば「ザイロン」（商品名 東洋紡株式会社製）を、ポリビニルアルコール系繊維は、「クラロンＫ２」（商品名 株式会社クラレ製）を、超高分子量ポリエチレン繊維は、例えば「ダイニーマ」（商品名 東洋紡株式会社製）などをそれぞれ採用できる。

また、以上の高機能繊維は、公知又はそれに準ずる方法で製造できる。

上述したように、本発明の製造方法によって得られた高機能繊維ロープ（請求項８）も、原糸を集合させる時の各々の糸、並びに糸を集合させたヤーンやストランド更には得られたロープそのものにかかる張力が均一で、しかも撚りが安定していて、曳船用や係留用、また、海事工事用のロープとして特に有用である。

したがって、この発明は次の効果を有する。
本発明の高機能繊維ロープの製造方法によれば、大変軽量で、特に強靭なロープを効率よく製造できる。ちなみに、得られたロープの強度は平均して１８ｃＮ／ｄｔｅｘで、同様の高機能繊維を用いて従来の手法で製造されたロープに比べて、その強度は約１．６倍にもなることが判明した。

その結果、本発明に係る製造方法で得られたロープを、例えばワイヤーロープの代替として採用すると、同一のロープ径のものでも適用可能で、重量は１／６〜１／８まで軽量化できる上に、遥かに柔軟性に勝り、したがって作業者の負担軽減をはかれたり、安全性の向上に大きく貢献できる。また、グリスを必須とするワイヤーロープに比べて、海洋汚染を招いたり、船舶そのものを汚損したりするおそれがなくなった。

また、一般の繊維ロープの代替として採用すると、例えば大型船に使われているナイロンロープと比べて、適用ロープ径が半分以下で、重量は１／４程度まで軽量化でき、したがって作業者の負担軽減をはかれたり、安全性の向上に大きく貢献できる。加えて、ロープを巻き取るウインチを小型にでき、コストダウンを図れる。

また、本発明によって得られる高機能繊維ロープは、ワイヤーロープや一般の繊維ロープの代替として広い範囲の用途に適用できる。そして、特に船舶の係留用、また、曳船用、更には海事工事用として好適に用いられる。

超高分子量ポリエチレン繊維を用いて、ロープの各製造工程において得られる素材、つまりは原糸、ヤーン、ストランド、そして最終的には得られたロープそのものに定められて張力を負荷し、原糸、ヤーン、ストランド、そして最終的には得られたロープの張力を均一にして、結果としてロープ径をワイヤーロープの代替であれば１／６〜１／８に、また一般の繊維ロープの代替であれば１／４で同等の強度を発現できることを実現した。

本発明に係る高機能繊維ロープの製造方法の第１の実施例を示す。

原糸として平均分子量が１０の６乗以上で、１０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上の強度を有する超高分子量ポリエチレン、具体的には「ダイニーマＳＫ６０」（商品名 東洋紡株式会社製２６ｃＮ／ｄｔｅｘの強度）のマルチフィラメント糸１７６０ｄｔｅｘのもの２０本を、それぞれに０．７ｋｇの均一な張力をかけながら撚りを与えてヤーンを形成した。更に、得られたヤーン一本毎に１５０ｋｇの張力をかけて原糸に負荷されている張力と撚りが安定して保たれるように処理を施した。

従来のヤーン製造工程では原糸に負荷される張力が０．３ｋｇ（許容誤差範囲は上下限ともに０．５ｋｇ）であるために、撚り合わされた原糸相互に張力の不均一が生じ、得られたロープに原糸に備わった本来の強度（２６ｃＮ／ｄｔｅｘ）を有効に発現できない。この点を、従来のほぼ２倍の張力を負荷することで、撚り合わされた後でも原糸に負荷された張力と撚りを安定的に保てるようにした。

引き続き、得られたヤーン１４を、それぞれに０．７ｋｇの張力をかけながら撚りを与えてストランドを形成した。得られたストランド１２本を撚り合わせてロープを得た。更に得られたロープに１５，０００ｋｇの張力を負荷し、目的とするロープを形成した。

従来のストランド工程ではヤーンに負荷される張力が０．４ｋｇ（許容誤差範囲は上下限ともに０．５ｋｇ）であるために、撚り合わされたヤーン相互に張力の不均一が生じ、得られたロープに原糸に備わった本来の強度（２６ｃＮ／ｄｔｅｘ）、更には理想的な撚りが得られているヤーンの強度を有効に発現できなかった。更に、ストランドを撚り合わせただけで完成品としていた。この点を、ストランドを撚り合わせる過程では従来のほぼ１．７５倍の張力を負荷し、更に出来上がったロープそのものにもあえて１５，０００ｋｇの張力を負荷することによって、撚り合わされた後でも原糸やヤーンに負荷された張力と撚りを安定的に保てるようにした。

ちなみに、本発明と同じ素材を用いながら、従来の手法で得られたロープは平均して１１ｃＮ／ｄｔｅｘの強度しか得られなかったが、本発明による場合では、平均して１８ｃＮ／ｄｔｅｘの強度が得られた。したがってまた、原糸本来の強度２６ｃＮ／ｄｔｅｘに対して、本発明では６９．２％もの強度を発現できたのに対して、従来の手法では僅かや４２．３％の強度しか発現できなかった。

また、本発明によって得られたロープでも、１５，０００ｋｇの張力をかけない場合の強度は平均して１４ｃＮ／ｄｔｅｘであったが、１５，０００ｋｇの張力をかけた後の強度は、先にも示したとおり、平均して１８ｃＮ／ｄｔｅｘを得ることができ、約１．３倍もの強度アップを図ることができた。

この第２の実施例は、上記を第１の実施例で得られるロープの更なる改良を意図したもので、得られたロープの強度の再現性をより一層的確に確保できるようにしようとするもである。

具体的な手法は上記の第１の実施例と同様の手法を経るが、負荷された工程は、ヤーンの製造工程において、得られたヤーンに熱処理を施す点である。

すなわち、第１の実施例では、原糸を撚り合わせてヤーンを形成し、得られたヤーンに１５０ｋｇの張力を負荷するが、この後に、この１５０ｋｇの張力を負荷されたヤーンを、７０°Ｃの蒸気が充満する槽内を通過させる。

このように蒸気による雰囲に晒すことによって、熱が原糸やヤーンに負荷された張力と撚りを保たれたままでヤーンを固めるように働き、与えられている張力や撚りを一層安定的に保てるようになった。その結果、得られたロープの強度に大小のばらつきが可及的にに少なくなり、強度を高い再現性が得られ、より高い品質のロープを提供できるようになった。

なお、この熱処理工程は、当然に乾燥工程を含むものであり、温風や常温の風を強制的にヤーンに吹き付けて、強制的に乾燥する手法の他に、自然乾燥を拒むものではない。強制的な乾燥を負荷することで、ロープの生産性を大幅に上げることが可能になることは言うまでもない。

以上の各実施例においては、原糸の本数を２０本とした場合についての具体例を示したが、この原糸の本数は、少なくて１５本程度、逆に多くて２４本程度までは許容される範囲であるが、必用に応じて更に１〜２本の増減は考慮される。いずれの場合であっても所期の望ましい強度を備え、一般のロープとして採用する場合には何ら問題はない。ただし、特に船舶の係留や曳船、あるいは海事工事用に採用するには、１３本以下ではロープ径が３０ｍｍ以下となり、外観上、やや脆弱なイメージを与えてしまうおそれがある。逆に２６本以上であると、ヤーン更にはストランドなどの加工において。出来上がったロープ全体のバランスや纏まりがやや悪くなる傾向があり、市場が要求するニーズから少し遊離するきらいがある。このような諸条件を考慮した結果として、望ましい原糸の本数は１３〜２６本程度と判断した。

Claims (8)

1. 高機能繊維からなる原糸の一本毎に、０．５〜１．５ｋｇの張力を与えながら１３〜２６本を撚り合わせてヤーンを形成し、得られたヤーンに１５０〜２３０ｋｇの張力を負荷し、引き続きこの得られたヤーン一本毎に、０．５〜１．５ｋｇの張力を与えながら撚り合せてストランドを得、その後このストランドを撚り合せてロープを得ることを特徴とする高機能繊維ロープの製造方法。
2. 高機能繊維からなる原糸の一本毎に、０．５〜１．５ｋｇの張力を与えながら１３〜２６本を撚り合わせてヤーンを形成し、得られたヤーンに１５０〜２３０ｋｇの張力を負荷し、引き続きこの得られたヤーン一本毎に、０．５〜１．５ｋｇの張力を与えながら撚り合せてストランドを得、その後このストランドを撚り合せてロープを得、更に得られたロープに１０，０００〜３０，０００ｋｇの張力を負荷することを特徴とする高機能繊維ロープの製造方法。
3. 高機能繊維からなる原糸の一本毎に、０．５〜１．５ｋｇの張力を与えながら１３〜２６本を撚り合わせてヤーンを形成し、得られたヤーンに１５０〜２３０ｋｇの張力を負荷した後、熱処理を施し、引き続きこの得られたヤーン一本毎に、０．５〜１．５ｋｇの張力を与えながら撚り合わせてストランドを得、その後このストランドを撚り合わせてロープを得、更に得られたロープに１０，０００〜３０，０００ｋｇの張力を負荷することを特徴とする高機能繊維ロープの製造方法。
4. ロープはストランド１２本を撚り合わせてえる請求項１〜３のいずれかに記載の高機能繊維ロープの製造方法。
5. 熱処理温度は、６０〜９０°Ｃである請求項３又は４のいずれかに記載の高機能繊維ロープの製造方法。
6. 熱処理は蒸気により行われる請求項３〜５のいずれかに記載の高機能繊維ロープの製造方法。
7. 高機能繊維が、全芳香族ポリアミド繊維、全芳香族ポリエステル繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、ポリビニルアルコール系繊維及び超高分子量ポリエチレン繊維のいずれかである請求項１〜６のいずれかに記載の高機能繊維ロープの製造方法。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の高機能繊維ロープの製造方法により製造された高機能繊維ロープ。