JP6140285B2 - アーク及び火炎防護のための繊維ブレンド、糸条、布地及び衣類 - Google Patents

アーク及び火炎防護のための繊維ブレンド、糸条、布地及び衣類 Download PDF

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Description

本発明は、アーク及び火炎防護用糸条(yarn)、布地(fabric)、及び衣類(garment)に有用である、より低い重量において性能が改善したより耐久性のある繊維ブレンドに関する。
Tutterowらへの米国特許出願公開第2010/0112312号明細書では、約30〜60%のFRモダクリル繊維と、約20〜60%の合成セルロース繊維と、約5〜30%の更なる本質的にFRの繊維との繊維ブレンドを開示している。
Zhuらへの米国特許第8,133,584号明細書では、少なくとも20%の結晶化度を有する50〜80重量パーセントのメタ−アラミド繊維、10〜30重量パーセントの難燃性レーヨン繊維、10〜20重量パーセントのモダクリル繊維、0〜5重量パーセントのパラ−アラミド繊維、及び0〜3重量パーセントの帯電防止繊維からなる糸条及び布地を開示している。
アーク及び火炎防護は、人命救助と関係するので、低い坪量(basis weight)で、改善されたフラッシュ火災性能と高水準のアーク防護性との組み合わせを提供するいずれの改善も望まれている。
本発明は、(a)30重量パーセントを超えるアラミド繊維と、(b)20〜35重量パーセントのモダクリル繊維と、(c)21以下の限界酸素指数を有し、且つ、デニール当り3グラム以上の乾燥引張り強度を有するレーヨン繊維20〜35重量パーセントと、(d)0〜3重量パーセントの帯電防止繊維と、を含むアーク及び火炎防護に使用するのに適する繊維ブレンド、糸条、布地、及び/又は衣類に関し、これらのパーセンテージは成分(a)、(b)、(c)、及び(d)に基づき、ブレンド、糸条、布地、及び/又は衣類に存在するモダクリル繊維及びレーヨン繊維の量の違いは、10重量パーセント以下である。
繊維のブレンドを含む布地の驚くほど優れた耐アーク性能を例示する図である。
本発明は、21以下の限界酸素指数、及び、デニール当り少なくとも3グラムの高い乾燥引張り強度をともに有するかなりの量のレーヨンを含むアーク及び火炎防護衣服に有用である繊維ブレンドに関する。このブレンドから作成される布地及び衣類は、より低い布地重量において、驚くべきアーク防護性能を提供し、いくつかの実施形態においては、1.2カロリー毎平方センチメートル毎オンス毎平方ヤードを超える。又、いくつかの実施形態においては、布地は、4インチ未満の優れた炭化長性能を有する。レーヨンは、21以下の限界酸素指数を有することから、空気中で燃焼するであろうという点において、このことは重要である。
電気アークは、通常、数千ボルト及び数千アンペアの電流を伴い、衣類又は布地は、強力な入射エネルギーに曝される。着用者を保護するためには、このエネルギーが衣類又は布地を通過して着用者に伝達されるのを阻止しなくてはならない。
この繊維ブレンド、糸条、布地、及び/又は衣類は、(a)30重量パーセントを超えるアラミド繊維と、(b)20〜35重量パーセントのモダクリル繊維と、(c)21以下の限界酸素指数を有し、且つ、デニール当り3グラム以上の乾燥引張り強度を有するレーヨン繊維20〜35重量パーセントと、(d)0〜3重量パーセントの帯電防止繊維と、を含み、これらのパーセンテージは成分(a)、(b)、(c)、及び(d)に基づく。ブレンド、糸条、布地、及び/又は衣類に存在するモダクリル繊維及びレーヨン繊維の量の違いは、10重量パーセント以下である。
いくつかの実施形態においては、アラミド繊維は、59重量パーセント以下の量で、ブレンド、糸条、布地、及び/又は衣類に存在し、且つ、いくつかの実施形態においては、アラミド繊維は、メタ−アラミド繊維を含む。好ましい一実施形態においては、ブレンド、糸条、布地、及び/又は衣類に存在するアラミド繊維の最小量は、30パーセントを超え、且つ、最大量は、59重量パーセント以下であり、パラ−アラミド繊維及びメタ−アラミド繊維からなるアラミド繊維は、2〜20重量パーセントのパラ−アラミド繊維及び10〜57重量パーセントのメタ−アラミド繊維として、それらの最小/最大の値内に分配される。
ブレンド、糸条、布地、及び/又は衣類に存在するモダクリル繊維及びレーヨン繊維の量の違いは、10重量パーセント以下であり、且つ、いくつかの実施形態においては、レーヨン繊維の量は、モダクリル繊維の量を超える。
繊維ブレンドは、糸条の形態で使用可能である。「糸条」とは、製織、製編、ブレーディング、又はプレーティング、或いはそれ以外の方法で繊維製品材料又は布地を製造するために使用することができる連続した撚り糸を形成するための、繊維を紡績又は合撚した集合体を意味する。糸条は、これらに限定されるものではないが、空気を用いて短繊維を撚糸して糸条にするMurataエアジェット紡績などの紡績技術を含む、リング紡績、コアスピニング、及びエアジェット紡績などの糸条紡績技術によって製造することができる。単糸を製造する場合は、次いで、これを布地に変える前に、好ましくはこれを引き揃えて少なくとも2本の単糸を含む下撚り糸条を形成する。いくつかの実施形態においては、糸条は、連続フィラメントを含むことができる。
繊維ブレンドは、布地の形態で使用可能である。布地という用語は、一実施形態においては、前述した1つ以上の異なる種類の糸条を用いて、製織、製編、又はそれ以外の方法で組み合わせた所望の防護層を意味する。好ましい実施形態は織布であり、且つ、好ましい製織は綾織りである。
いくつかの好ましい実施形態においては、布地は、NFPA 2112による4インチ未満の炭化長を有する。炭化長は、繊維製品の耐炎性の尺度である。炭化は、熱分解又は不完全燃焼の結果形成される炭素質の残渣として定義される。布地の炭化長は、本明細書で報告されるASTM 6413−08の試験条件下で火炎に直接暴露された布地の端部から、規定の引裂き力を加えた後に視認できる布地の損傷の最も遠い地点までの距離として定義される。フラッシュ火災基準NFPA 2112に従い、布地は、4インチ(10.2cm)未満の炭化長を有するべきである。耐アーク性基準ASTM F1506に従い、布地は、6インチ未満の炭化長を有するべきである。
いくつかの好ましい実施形態においては、布地は、1.2カロリー毎平方センチメートル毎オンス毎平方ヤード(0.148ジュール毎平方センチメートル毎グラム毎平方メートル)以上の坪量に対して標準化された耐アーク性を有する。いくつかの好ましい実施形態においては、耐アーク性は、1.3カロリー毎平方センチメートル毎オンス毎平方ヤード(0.160ジュール毎平方センチメートル毎グラム毎平方メートル)を超える。
単位面積当たりの布地の量が増加するに従い、潜在的な危険と防護すべき対象との間の材料の量が増加する。布地の坪量が増加することによって、耐破れ性が増大し、熱防護係数(thermal protection factor)が増大し、且つ、アーク防護性が増大する。しかしながら、より軽量の布地がどのようにして改善された性能を達成することができるのかは明らかではない。所望のアーク及びフラッシュ火災性能をともに有する布地の坪量は135g/m2(4oz/yd2)以上であり、且つ、いくつかの実施形態においては、坪量は186.5g/m2(5.5oz/yd2)以上である。いくつかの好ましい実施形態においては、坪量は220g/m2(6.5oz/yd2)以上である。いくつかの実施形態においては、好ましい最大坪量は288g/m2(8.5oz/yd2)であり、いくつかのその他の実施形態においては、この最大坪量は407g/m2(12oz/yd2)である。坪量が高い布地ほど増大した剛性を示すと考えられているため、この最大量を超えると、単層布地の衣類により軽量な布地を用いることによる快適性の利点が低減すると考えられている。
一実施形態においては、電気アークによって生じる強力な熱応力から防護するためには、アーク防護布地及びこの布地から形成された衣類は、空気中の酸素濃度を超える限界酸素指数(即ち、21を超え、好ましくは25を超える)を有する。
好ましくは、アラミド繊維、モダクリル繊維、レーヨン繊維、及び帯電防止繊維の前述の比率を有する糸条のみが、布地において存在する。好ましい織布の場合には、糸条は、布地の縦糸及び横糸の両方に使用される。所望により、糸条の組成が前述の範囲内にある限り、アラミド繊維、モダクリル繊維、レーヨン繊維、及び帯電防止繊維の相対量を糸条において変動させることができる。
好ましい実施形態においては、布地の製造に使用される糸条は、前述の比率において、前述のアラミド繊維、モダクリル繊維、レーヨン繊維、及び帯電防止繊維から本質的になり、更なるその他の熱可塑性又は可燃性の繊維又は材料を含むことはない。ポリアミド又はポリエステル繊維などのその他の材料及び繊維は、糸条、布地、及び衣類に可燃性材料を供与し、衣類のフラッシュ火災性能に影響を及ぼすと考えられている。
繊維ブレンドを含む布地を使用して、防護衣類を製造することができる。いくつかの実施形態においては、布地は、防護衣類における単層として使用される。本明細書において、布地の防護的価値は、その布地の単層に関し報告される。いくつかの実施形態においては、本発明には、布地から製造された多層衣類も包含される。布地は、標準のカバーオールのパターンを介して布地のパネルをカットしパネルを縫い合わせることによって、シャツ、ズボン、及びカバーオールなどの単層の防護衣類を含む、衣類に変えることができる。
いくつかの特に有用な実施形態においては、アラミド繊維、モダクリル繊維、レーヨン繊維、及び帯電防止繊維の前述の比率を有する紡績短繊維糸条を使用して、難燃性衣類を製造することができる。これらの衣類における布地の好ましい坪量は、150g/m2(4.5oz/yd2)以上である。いくつかの実施形態においては、好ましい最大坪量は、290g/m2(8.5oz/yd2)である。
いくつかの実施形態においては、衣類は、紡績短繊維糸条から製造された防護布地の1つの層を基本的に有することができる。この種の例示的な衣類としては、消防士又は軍人用のジャンプスーツ及びカバーオールが挙げられる。このような上下服は、典型的には消防服として使用され、森林火災を消火すべき地域にパラシュートで降下する際に使用することができる。その他の衣類としては、非常に激しい熱的事象が起こる可能性がある化学処理産業又は工業電力/施設などの状況で着用することができるズボン、シャツ、手袋、アームカバー等を挙げることができる。
いくつかの実施形態においては、カテゴリー2のアーク等級(arc rating)を維持しながら、4秒のフラッシュ火災に曝露された場合、アラミド繊維、モダクリル繊維、レーヨン繊維、及び帯電防止繊維の前述の比率を有する糸条から製造された衣類は、予測された体の火傷が65%未満に等しい熱防護性を着用者に提供する。これは、3秒間暴露で予測される着用者の体の火傷を50パーセント未満にするという最低基準から大幅に改善されている。一部のその他の耐炎性布地の場合、火傷は、その性質上、火炎暴露に対し基本的に指数関数的に増加する。衣類で火炎防護する場合、火炎暴露時間が1秒間長くなることは生死を分け兼ねないことを潜在的に意味する。
アーク等級に慣用されているカテゴリー等級付け体系には2種類ある。National Fire Protection Association(NFPA)の場合は、4つの異なるカテゴリーがあり、カテゴリー1は性能が最も低く、カテゴリー4は性能が最も高い。NFPA 70Eの体系に基づくと、カテゴリー1、2、3、及び4は、布地を介する熱流束がそれぞれ4、8、25、及び40カロリー毎平方センチメートルであることに対応する。National Electric Safety Code(NESC)にも3つの異なるカテゴリーに等級付けする体系があり、カテゴリー1は性能が最も低く、カテゴリー3は性能が最も高い。NESC体系に基づけば、カテゴリー1、2、及び3は、布地を介する熱流束がそれぞれ4、8、及び12カロリー毎平方センチメートルであることに対応する。従って、ASTM F1959の一連の標準的方法に従い測定された、カテゴリー2のアーク等級である布地又は衣類は、8カロリー毎平方センチメートルの熱流束に耐えることができる。
フラッシュ火災における衣類の性能は、ASTM F1930の試験手順を用いて、試験用機器を装備したマネキンを使用することによって測定される。マネキンに衣類を着用させ、バーナーの火炎に暴露させて、センサーが、人体が同じ量の火炎に暴露された場合に経験するであろう局部的な皮膚温度を測定する。標準的な火炎強度を想定し、人間が受けるであろう火傷の程度(即ち、第1度、第2度等)及び火傷を負う体の割合をマネキンの温度データから求めることができる。予測された体の火傷の程度が低いことは、フラッシュ火災による危険に曝された場合に衣類がより高い防護性を提供することを示唆している。
繊維ブレンド、糸条、布地、及び/又は衣類は、21以下の限界酸素指数、及び、デニール当り少なくとも3グラムの高い乾燥引張り強度をともに有するレーヨンを含む。一般的に、防護衣服において使用されるいかなるレーヨン繊維も、難燃性処理したレーヨン繊維である。難燃剤をレーヨン繊維中に取り込ませるには、難燃薬剤を紡糸溶液に添加して、難燃剤をレーヨン繊維に練り込み紡糸するか、レーヨン繊維を難燃剤でコーティングするか、レーヨン繊維を難燃剤と接触させて繊維に難燃剤を吸収させるか、又は難燃剤をレーヨン繊維中に取り込むその他の任意の方法を用いることができる。しかしながら、難燃剤を提供するプロセスは、レーヨンの乾燥強度を弱め、且つ、レーヨンの湿潤強度を著しく弱める。従って、本発明のブレンド、糸条、布地、及び/又は衣類は、耐久性のために、難燃剤なしで製造されたより強度のあるレーヨンを含む。本明細書において使用される場合、「21以下の限界酸素指数を有するレーヨン」という句、及び「非難燃性レーヨン」という句は、同一のものを意味するとみなされる。
本明細書において使用される場合、「乾燥引張り強さ」とは、意識的に繊維を湿潤させることなく、標準条件での繊維の引張り試験を指し、且つ、「湿潤引張り強さ」とは、湿潤している際の、繊維の引張り試験を指す。
引張り強度という用語は、破裂又は破損の前に、材料に印加されることができる応力の最大量を意味する。引裂き強度は、布地を引裂くのに必要な力の量である。一般的に、布地の引張り強度は、布地がどれだけ容易に引裂ける又は破れるかに関連する。又、引張り強度は、永久的に伸長される又は変形されることを回避する布地の能力に関連する。布地の引張り強度及び引裂き強度は、所望の程度の衣類の防護を著しく損なうであろうように、衣類が、破れ、引裂き、又は永久的な変形をしないよう防止するのに十分高くなければならない。
非難燃性レーヨンを使用することによって、ブレンドにおいて使用される主要な繊維の引張り強さの平衡が保たれる。換言すれば、非難燃性レーヨンは、モダクリル繊維及びメタ−アラミド繊維と同程度である引張り強さを有し、これは、驚くべき性能の相乗的結果を提供するのを助けると考えられる。
人工セルロース繊維は、適切な溶媒におけるセルロースの溶液を凝固浴に押し出すことによって製造可能であることが知られている。このようなプロセスの一例は、米国特許第4,246,221号明細書に記載されている。セルロースは、例えば、N−メチルモルホリンN−オキシド等の水性第3級アミンN−オキシドなどの溶媒に溶解される。次いで、得られた溶液を、適切なダイを通して水性浴に押し出して、フィラメントの集合体を生成し、これを水で洗浄して溶媒を除去した後、乾燥させる。このプロセスは、「溶媒紡糸」と称され、これによって生成したセルロース繊維は、「溶媒紡糸された」セルロース繊維、又はリヨセル繊維と称される。リヨセル繊維は、その他の周知のプロセスによって製造されたセルロース繊維とは異なるものであり、これは、セルロースの溶解性化学的誘導体の形成、及び、例えば、ビスコースプロセスなどのセルロースを再生するためのその後の分解に依る。
いくつかの実施形態においては、好ましい非難燃性レーヨンは、リヨセル繊維である。本明細書において使用される場合、「リヨセル繊維」という用語は、有機溶剤紡糸プロセスによって得られるセルロース繊維を意味し、この場合に、有機溶媒は、本質的に、有機化学品及び水の混合物を含み、且つ、溶媒紡糸は、セルロースを有機溶媒に溶解させて、セルロースの誘導体を形成することなく繊維に紡糸される溶液を形成することを含む。本明細書において使用される場合、「溶媒紡糸されたセルロース繊維」及び「リヨセル繊維」は、同義である。こうしたフィラメントのグループは複数本合わせて糸条を形成してもよく、或いは、短繊維に切断して、更に紡績短繊維糸条に加工されていてもよい。ブレンド、糸条、布地、及び/又は衣類は、少なくとも20重量パーセントのレーヨン繊維を有する。いくつかの実施形態においては、ブレンドの少なくとも28重量パーセントは、レーヨン繊維である。いくつかの実施形態においては、レーヨン繊維の好ましい最大量は、33重量パーセントである。
非難燃性レーヨンが、空気中において燃焼することから、モダクリルと組み合すことで難燃特性の欠如を補う。具体的には、ブレンド、糸条、布地、及び/又は衣類におけるモダクリル繊維及びレーヨン繊維の量の違いは、10重量パーセント以下である。
又、ブレンドにおける多量のアラミド繊維の使用は、非難燃性レーヨンの十分な使用を可能にし、いくつかの実施形態においては、モダクリルの量を超える量で、存在することを可能にする。具体的には、好ましい実施形態の1つは、レーヨン繊維の量がモダクリル繊維を超える、ブレンド、糸条、布地、及び/又は衣類である。
本明細書において使用される場合、「アラミド」は、アミド(−CONH−)結合の少なくとも85%が2つの芳香族環に直接結合しているポリアミドを意味する。アラミドとともに添加剤を使用することができ、実際、10重量パーセントと同量までのその他の高分子材料をアラミドとブレンドすることができること、又は、アラミドのジアミンを10パーセントと同量のその他のジアミンで置き換えられた、若しくは、アラミドの二酸塩化物を10パーセントと同量のその他の二酸塩化物で置き換えられたコポリマーを使用することができることが見出されている。適切なアラミド繊維は、Man−Made Fibers−−Science and Technology,Volume 2,Section titled Fiber−Forming Aromatic Polyamides,p.297,W.Black et al.,Interscience Publishers,1968に記載されている。アラミド繊維は、米国特許第4,172,938号明細書、米国特許第3,869,429号明細書、米国特許第3,819,587号明細書、米国特許第3,673,143号明細書、米国特許第3,354,127号明細書、及び米国特許第3,094,511号明細書にも開示されている。メタ−アラミドは、アミド結合が互いに対してメタ位にあるアラミドであり、且つ、パラ−アラミドは、アミド結合が互いに対してパラ位にあるアラミドである。いくつかの実施形態においては、好ましいメタ−アラミドは、ポリ(メタフェニレンイソフタルアミド)であり、且つ、好ましいパラ−アラミドは、ポリ(パラフェニレンテレフタルアミド)である。
糸条に使用される場合、メタ−アラミド繊維は、限界酸素指数(LOI)が約26である難燃性の炭化物形成繊維を提供する。又、メタ−アラミド繊維は、火炎暴露による糸条の損傷の拡散を阻止する。弾性率及び伸びの物理的特性のバランスのため、メタ−アラミド繊維は、従来のシャツ、ズボン、及びカバーオールの形態で作業服(industrial apparel)として着用することが意図された単層の布地の衣類に有用な快適な布地を提供する。ブレンド、糸条、布地、及び/又は衣類は、少なくとも10重量パーセントのメタ−アラミド繊維を有する。いくつかの実施形態においては、ブレンドの10〜57重量パーセントは、メタ−アラミド繊維である。いくつかの実施形態においては、メタ−アラミド繊維の好ましい最大量は、30重量パーセント以下である。
いくつかの実施形態においては、メタ−アラミド繊維は、少なくとも20%、より好ましくは少なくとも25%の結晶化度を有する。例示目的であるが、最終繊維の形成を容易にするための実用上の結晶化度の上限は50%である(しかしながら、より高いパーセンテージが適切とみなされる)。一般的に、結晶化度は、25〜40%の範囲内であろう。この結晶化度を有する市販のメタ−アラミド繊維の例は、デラウェア州、ウィルミントンのE.I.du Pont de Nemours&Companyより入手可能なNomex(登録商標)T−450又はT−300である。
メタ−アラミド繊維の結晶化度は2つの方法のうちの1つで求められる。第1の方法は、空隙のない繊維に用いられ、第2の方法は、完全に空隙を有しないわけではない繊維に用いられる。
第1の方法におけるメタ−アラミドの結晶化度(%)は、最初に、良好な基本的に空隙のない試料を用いて結晶化度に関する直線性の検量線を作成することによって求められる。このような空隙のない試料の場合、比体積(1/密度)は、2相モデルを用いた場合の結晶化度と直接関連付けることができる。試料の密度は密度勾配管で測定する。x線散乱法により非晶質であることが確認されたメタ−アラミドフィルムを測定することにより、平均密度が1.3356g/cm3であることがわかった。次いで、完全に結晶性のメタ−アラミド試料の密度は、x線による単位格子の大きさから1.4699g/cm3であると決定された。結晶化度が0%及び100%であるこれらの両端を確立してしまえば、この直線的な関係から、密度が既知である空隙を有しない任意の実験用試料の結晶化度を決定することができる。
Figure 0006140285
多くの繊維試料は空隙を全く含まないというわけではないので、結晶化度の決定に好ましい方法はラマン分光法である。ラマン測定は空隙の含有量の影響を受けないので、空隙の有無に関わらず、1650cm-1のカルボニル伸縮の相対強度を使用して、任意の形態におけるメタ−アラミドの結晶化度を決定することができる。これを実現するために、空隙が最小限であり、前述の密度測定によって予め決定しておいた既知の結晶化度を有する試料を使用して、1002cm-1の環伸縮モードの強度に対し標準化した1650cm-1のカルボニル伸縮強度と結晶化度との間の直線的な関係を構築した。Nicolet Model 910 FT−ラマン分光器を使用し、密度検量線に依存する、結晶化度(%)に関する以下の経験的関係
Figure 0006140285
(式中、I(1650cm-1)は、その地点におけるメタ−アラミド試料のラマン強度である)を構築した。この強度を用いることにより、この式から実験試料の結晶化度(%)が計算される。
メタ−アラミド繊維は、溶液から紡糸し、急冷し、更なる熱又は化学処理を行わずにガラス転移温度未満の温度を用いて乾燥した場合、結晶化度はごく低水準となる。このような繊維の結晶化度(%)をラマン散乱法を用いて測定すると、繊維の結晶化度は15パーセント未満である。結晶化度の低いこうした繊維は、熱又は化学的手段を用いて結晶化させることができる非晶質メタ−アラミド繊維とみなされる。結晶化度は、ポリマーのガラス転移温度以上で熱処理することによって増加させることができる。このような熱の適用は、通常、繊維に所望の量の結晶化度を付与するのに十分な時間、繊維を張力下で加熱されたロールと接触させることによって実施される。
m−アラミド繊維の結晶化度は化学処理によって増加させることができ、いくつかの実施形態においては、このことには、布地に組み込む前に繊維を着色、染色、又は疑似染色(mock dye)する方法が含まれる。いくつかの方法が、例えば、米国特許第4,668,234号明細書、米国特許第4,755,335号明細書、米国特許第4,883,496号明細書、及び米国特許第5,096,459号明細書に開示されている。染料キャリアとしても周知の染色助剤を使用して、アラミド繊維による染料のピックアップの増加を促進していてもよい。有用な染料キャリアとしては、アリールエーテル、ベンジルアルコール、又はアセトフェノンが挙げられる。
前述のブレンド、糸条、布地、及び/又は衣類に結晶性メタ−アラミド繊維を使用することは、フラッシュ火災における性能を改善できるのみならず、洗濯による収縮を大幅に低減させると考えられる。この収縮が低減することは、結晶化度を増加させるための処理を施していないメタ−アラミド繊維と比較して、前述した結晶化度を有するメタ−アラミド繊維を使用したことのみが異なる、同一の布地によるものである。本明細書の目的上、収縮は、華氏140度の水温で20分間の洗濯サイクルを実施した後に測定される。好ましい布地は、10回の洗濯サイクル後、好ましくは20回のサイクル後の収縮率が5パーセント以下である。
パラ−アラミド繊維は、糸条に適切な量で加えられた場合、火炎暴露後に糸条から形成された布地の耐破れ性を改善する高い引張り強度の繊維を提供する。糸条がパラ−アラミド繊維を多量に含むと、その糸条を含む衣類の着用者が不快感を覚える。いくつかの実施形態においては、ブレンド、糸条、布地、及び/又は衣類は、少なくとも2重量パーセントのパラ−アラミド繊維を有する。いくつかの実施形態においては、ブレンドの2〜20重量パーセントは、パラ−アラミド繊維である。いくつかの実施形態においては、パラ−アラミド繊維の好ましい最大量は、20重量パーセント以下である。
モダクリル繊維とは、主としてアクリロニトリルを含むポリマーから製造されたアクリル系合成繊維を意味する。好ましくは、このポリマーは、30〜70重量パーセントのアクリロニトリル及び70〜30重量パーセントのハロゲン含有ビニルモノマーを含むコポリマーである。ハロゲン含有ビニルモノマーは、例えば、塩化ビニル、塩化ビニリデン、臭化ビニル、臭化ビニリデン等から選択される少なくとも1つのモノマーである。共重合性ビニルモノマーの例は、アクリル酸、メタクリル酸、これらの酸の塩又はエステル、アクリルアミド、メチルアクリルアミド、酢酸ビニル等である。
好ましいモダクリル繊維は、アクリロニトリルを塩化ビニリデンと組み合わせたコポリマーであり、このコポリマーは、難燃性を改善するための1つ又は複数の酸化アンチモンを更に有する。こうした有用なモダクリル繊維としては、これらに限定されるものではないが、米国特許第3,193,602号明細書に開示されている2重量パーセントの三酸化アンチモンを有する繊維、米国特許第3,748,302号明細書に開示されている、少なくとも2重量パーセント、好ましくは8重量パーセント以下の量で存在する様々な酸化アンチモンとともに製造された繊維、並びに米国特許第5,208,105号明細書及び米国特許第5,506,042号明細書に開示されている、8〜40重量パーセントのアンチモン化合物を有する繊維が挙げられる。
いくつかの実施形態においては、モダクリル繊維は、8重量パーセント未満のアンチモン含有量を有する。アンチモンは、従来、モダクリル繊維において更なる難燃性添加物として使用される一方、驚くべきことに、繊維のこのブレンドから製造された糸条、布地、及び衣類は、アンチモンの量を増加させることさえなく、優れたアーク性能を有すると考えられる。一実施形態においては、モダクリル繊維は、2.0パーセント未満のアンチモン含有量を有し、且つ、好ましい一実施形態においては、モダクリル繊維は、1.0パーセント未満のアンチモン含有量を有する。最も好ましい一実施形態においては、モダクリル繊維は、アンチモンを有さず、このことは、ポリマー中に存在することがあるアンチモンの任意の痕跡量を超えて、繊維に更なるアンチモン含有量を提供する任意のアンチモン系化合物の意図的な添加をすることなく、繊維は製造されることを意味する。これらのアンチモン低含有量の繊維又はアンチモン非含有の繊維を使用することで、防護性を提供しながらも廃棄物の環境への影響を低減する可能性を有する布地を提供する。
モダクリル繊維は、糸条中において、通常、LOIがアンチモン誘導体の添加濃度に応じて少なくとも28である難燃性炭化物形成繊維を提供する。又、モダクリル繊維は、火炎暴露による糸条の損傷の拡散も阻止する。モダクリル繊維は難燃性が非常に高いが、その一方で、単独では糸条又は糸条から作製された布地に十分な引張り強度が付与されず、電気アーク暴露時に所望の水準の耐破れ性が得られない。繊維ブレンド、糸条、布地、及び/又は衣類は、少なくとも20重量パーセントのモダクリル繊維を有する。いくつかの実施形態においては、モダクリル繊維の量は、少なくとも30重量パーセントである。
静電気放電は、損傷しやすい電気機器を扱うか又は可燃性蒸気の近くで作業する作業者に危険を及ぼす可能性があるため、繊維ブレンド、糸条、布地及び/又は衣類は、金属又は炭素を含む帯電防止成分を含むことができる。例示的な例としては、スチール繊維、炭素繊維、又は既存の繊維に炭素を組み込んだものがある。帯電防止成分は、繊維ブレンド、糸条、布地、及び/又は衣類全体の0〜3重量パーセントの量で存在する。いくつかの好ましい実施形態においては、帯電防止成分は、2〜3重量パーセントのみの量で存在する。米国特許第4,612,150号明細書(De Howittへ)及び米国特許第3,803453号明細書(Hullへ)には、特に有用な導電繊維が記載されており、熱可塑性繊維中にカーボンブラックが分散されることにより、繊維に帯電を防止する伝導性が付与される。好ましい帯電防止繊維は、炭素芯/ナイロン鞘繊維である。帯電防止繊維を使用することにより、帯電性が低減された糸条、布地、及び衣類が得られ、従って、見かけの電界強度及び煩わしい静電気が低減される。
試験方法
繊維の乾燥及び湿潤引張り強度は、ASTM D3822−07「Standard Test Method for Tensile Properties of Single Textile Fibers」に従って決定される。
布地の摩耗性能は、ASTM D−3884−01「Standard Guide for Abrasion Resistance of Textile Fabrics(Rotary Platform,Double Head Method)」に従って決定される。
布地の耐アーク性は、ASTM F−1959−06「Standard Test Method for Determining the Arc Thermal Performance Value of Materials for Clothing」に従って決定される。
製品安全データシート(Material Safety Data Sheet)に開示されるように、その他の繊維のどれにもアンチモンを提供していないので、モダクリル繊維中のアンチモン含有量は、布地の試料において決定される。この布地から試料0.1グラムを得る。試料をまず4ミリリットルの環境等級(environmental grade)の硫酸と混ぜ合わせた後、追加の2ミリリットルの環境等級の硝酸を加える。200〜220℃の温度で、約2分間マイクロ波で、酸に溶かした試料を加熱し、非金属材料を蒸解する。クラスAのメスフラスコ内で、酸の蒸解溶液をミリQ水で100ミリリットルに希釈する。その後、酸溶液を3つの発光波長、206.836nm、217.582nm、及び231.146nmを用いてICP発光分光法により分析して、アンチモン含有量が決定される。
布地の破断強度は、ASTM D−5034−95「Standard Test Method for Breaking Strength and Elongation of Fabrics(Grab Test)」に従って決定される。
布地の限界酸素指数(LOI)は、ASTM G−125−00「Standard Test Method for Measuring Liquid and Solid Material Fire Limits in Gaseous Oxidants」に従って決定される。
布地の引裂き抵抗は、ASTM D−5587−03「Standard Test Method for Tearing of Fabrics by Trapezoid Procedure」に従って決定される。
布地の熱防護性能は、NFPA 2112「Standard on Flame Resistant Garments for Protection of Industrial Personnel Against Flash Fire」に従って決定される。熱防護性能(又はTPP)という用語は、布地が火炎又は放射熱に直接暴露された場合に布地の内側の着用者の皮膚を布地が連続的且つ確実に保護する能力に関連する。
フラッシュ火災防護レベル試験は、試験用布地から製造された標準的なパターンのカバーオールを着用させた、試験用機器を装備したサーマルマネキンを使用して、ASTM F−1930に従い実施した。
布地の炭化長は、ASTM D−6413−08「Standard Test Method for Flame Resistance of Textiles(Vertical Method)」に従って決定される。
初期に室温である場合に布地の有炎燃焼をまさに助けるであろう酸素及び窒素の混合物中の体積パーセントで表される最低酸素濃度は、ASTM G125/D2863条件下で決定される。
1回又はそれ以上の洗濯サイクルの後に布地の単位面積を物理的に測定することによって収縮率が決定される。1サイクルとは、業務用洗濯機において、布地を温度が華氏140度の水で20分間洗濯することを指す。
本発明を例示するために、以下の実施例を提供する。特段の指定がない限り、部及びパーセンテージはすべて重量によるものであり、且つ、度は摂氏度である。
実施例1
この実施例は、繊維ブレンド、糸条、布地、及び衣類を例示する。繊維の緊密ブレンドを、モダクリル繊維、リヨセル繊維(難燃剤なし)、ポリ(m−フェニレンイソフタルアミド)(MPD−I)繊維、ポリ(p−フェニレンテレフタルアミド)(PPD−T)繊維、及び帯電防止繊維から製造した。具体的には、ブレンドを、32重量パーセントの市販のProtex(登録商標)Cモダクリル繊維(株式会社カネカから入手可能)、33重量パーセントのTencel(登録商標)リヨセル繊維(Lenzing Fibers Corporationから入手可能)、及び15重量パーセントのKevlar(登録商標)29PPD−T繊維(DuPontから入手可能)を、20重量パーセントのNomex(登録商標)N302アラミド繊維ブレンド(又、DuPontから入手可能)とブレンドすることによって製造した。Nomex(登録商標)N302アラミド繊維ブレンドは、93%の(MPD−I)繊維、5%の(PPD−T)繊維、及び2%のP140帯電防止炭素−芯/ナイロン−鞘繊維(Invistaから入手可能)である。モダクリル繊維は、>2%のアンチモン含有量を有するACN/ポリ塩化ビニリデンコポリマーを含有した。
ピッカーブレンドスライバーを、ブレンドから調製し、エアジェット紡績機を使用して、従来の綿システムにおいて紡績短繊維糸条に加工した。結果として得られた糸条は19.6tex(30綿番手)の単糸であった。次いで、これらの2本の単糸を合撚機で合撚して、10回/インチの撚り数を用いて2本撚り糸条を製造した。
次いで、快適性及び耐久性のある織布を、縦糸及び横糸ともにおいてこの2本撚り糸条を使用して、シャトル織機にて2×1綾織構成で製造した。綾織物の生機は、構成がエンド30本×ピックス20本/cm(インチ当たりエンド75本×ピックス50本)であり、坪量が210g/m2(6.2oz/yd2)であった。調製した綾織物の生機を熱水中で洗濯し、低い張力下にて乾燥させた。
次いで、この布地の6.5オンス/平方の糸条試料を、アーク性能について試験し、その結果を図に点3として示す。
又、標準のカバーオールのパターンを介して布地のパネルをカットしパネルを縫い合わせることによって、得られた布地を、単層防護カバーオールに変える。
比較例A
リヨセル繊維を使用せず、且つ、ブレンドを、62重量パーセントのモダクリル繊維、10重量パーセントのPPD−T繊維、及び28重量パーセントのNomex(登録商標)N319アラミド繊維ブレンドをブレンドすることによって製造した以外は、実施例1の手順を、同一の源から得られた繊維を用いて繰り返した。Nomex(登録商標)N319アラミド繊維ブレンドは、65%の(MPD−I)繊維、29%の(PPD−T)繊維、及び6%のP140帯電防止炭素−芯/ナイロン−鞘繊維(Invistaから入手可能)である。
このブレンドを使用して、実施例1の手順に従い、2本の19.6tex(30綿番手)単糸を使用して、同様な2本撚り糸条を製造し、織布の縦糸に使用した。横糸については、縦糸の単糸と同一の組成を有する2本の21tex(28綿番手)単糸から製造した、2本撚り糸条を使用した。
実施例1のように、糸条を使用して、2×1綾織り構成を有する織布を製造した。綾織物の生機は、構成がエンド29本×ピックス18本/cm(インチ当たりエンド72本×ピックス46本)であり、坪量が210g/m2(6.2oz/yd2)であった。前述のように調製した綾織物の生機を熱水中で洗濯し、低い張力下にて乾燥させた。
比較例B
Tutterowらへの米国特許出願公開第2010/0112312号明細書の表1では、4つの異なる布地ブレンドのアーク性能を開示している。その表によれば、布地ブレンド#4は、ATPV(熱防護値)の重量に対する最も高い比を有する、最も高い性能のブレンドである。布地ブレンド#4は、48重量パーセントのモダクリル繊維、37重量パーセントの非難燃性リヨセル繊維、及び15重量パーセントのパラ−アラミド繊維の緊密ブレンドである。この組成物の2つの坪量のATPVは、これらの2つの地点の間に描かれた線1で、図中に図示的に示される。より低い坪量におけるこのブレンドの性能を反映するために、2で示されるように、この線は、下向きに修正されることができると考えられる。
前述のように、点3は、実施例1の本発明の試料の性能を表す。この性能は、より低い坪量(約0.50オンス/平方ヤード低い)における比較例Bのブレンドの性能と少なくとも同等であると考えられる。更に、実施例1の組成物によってなされるその他の坪量は、領域4において示される性能を有し、より低い重量での等価な性能、又は、任意の1つの坪量において改善した性能を示すと考えられる。更に、以下に示される表は、得られた布地及び衣類のその他の特性及び性能を例示する。「+」は、対照の特性より優れた特性を示すが、記号「0」は、対照の性能又は対照と同等の性能を示す。表に示すように、本発明の試料は、比較例A及びBの両方に勝る、認識される快適さを含む、改善した全般的な一連の特性を有する。
表1
Figure 0006140285

*縦/横
次に、本発明の態様を示す。
1. (a)30重量パーセントを超えるアラミド繊維と、
(b)20〜35重量パーセントのモダクリル繊維と、
(c)21以下の限界酸素指数を有し、且つ、デニール当り3グラム以上の乾燥引張り強度を有するレーヨン繊維20〜35重量パーセントと、
(d)0〜3重量パーセントの帯電防止繊維と、
を含むアーク及び火炎防護布地に使用するための繊維のブレンドであって、前記パーセンテージは成分(a)、(b)、(c)、及び(d)に基づき、前記ブレンドに存在する前記モダクリル繊維及び前記レーヨン繊維の量の違いが、10重量パーセント以下である、繊維のブレンド。
2. 前記アラミド繊維が59重量パーセント以下の量で存在する、上記1に記載のブレンド。
3. 前記アラミド繊維がメタ−アラミド繊維を含む、上記1に記載のブレンド。
4. 前記アラミド繊維が少なくとも2パーセントのパラ−アラミド繊維を含む、上記1に記載のブレンド。
5. (a)の前記アラミド繊維が、2〜20重量パーセントのパラ−アラミド繊維及び10〜57重量パーセントのメタ−アラミド繊維として分配され、前記メタ−アラミドは、ポリ(メタフェニレンイソフタルアミド)であり、且つ、前記パラ−アラミドは、ポリ(パラフェニレンテレフタルアミド)である、上記1に記載のブレンド。
6. 前記レーヨン繊維の量が前記モダクリル繊維の量を超える、上記1に記載のブレンド。
7. 糸条の形態における上記1に記載のブレンド。
8. (a)30重量パーセントを超えるアラミド繊維と、
(b)20〜35重量パーセントのモダクリル繊維と、
(c)21以下の限界酸素指数を有し、且つ、デニール当り3グラム以上の乾燥引張り強度を有するレーヨン繊維20〜35重量パーセントと、
(d)0〜3重量パーセントの帯電防止繊維と、
を含む糸条を含むアーク及び火炎防護に使用するのに適する布地であって、前記パーセンテージは成分(a)、(b)、(c)、及び(d)に基づき、前記糸条に存在する前記モダクリル繊維及び前記レーヨン繊維の量の違いは、10重量パーセント以下であり、且つ、
前記布地は、135〜407グラム毎平方メートル(4〜12オンス毎平方ヤード)の範囲における坪量を有する、布地。
9. アラミド繊維が59重量パーセント以下の量で前記糸条に存在する、上記8に記載の布地。
10. 前記アラミド繊維がメタ−アラミド繊維を含む、上記9に記載の布地。
11. 前記アラミド繊維が少なくとも2パーセントのパラ−アラミド繊維を含む、上記8に記載の布地。
12. (a)の前記アラミド繊維が2〜20重量パーセントのパラ−アラミド繊維及び10〜57重量パーセントのメタ−アラミド繊維として分配され、前記メタ−アラミドは、ポリ(メタフェニレンイソフタルアミド)であり、且つ、前記パラ−アラミドは、ポリ(パラフェニレンテレフタルアミド)である、上記8に記載の布地。
13. 前記レーヨン繊維の量が前記モダクリル繊維の量を超える、上記8に記載のブレンド。
14. ASTM D−6413−08による4インチ未満の炭化長を有する、上記8に記載の布地。
15. ASTM F−1959−06による布地の1.2カロリー毎平方センチメートル毎オンス毎平方ヤードを超える耐アーク性を有する、上記8に記載の布地。
16. (a)30重量パーセントを超えるアラミド繊維と、
(b)20〜35重量パーセントのモダクリル繊維と、
(c)21以下の限界酸素指数を有し、且つ、デニール当り3グラム以上の乾燥引張り強度を有するレーヨン繊維20〜35重量パーセントと、
(d)0〜3重量パーセントの帯電防止繊維と、
を含む布地を含むアーク及び火炎防護に使用するのに適する衣類であって、前記パーセンテージは成分(a)、(b)、(c)、及び(d)に基づき、前記布地に存在する前記モダクリル繊維及び前記レーヨン繊維の量の違いは、10重量パーセント以下であり、且つ、
前記布地は、150〜290グラム毎平方メートル(4.5〜8.5オンス毎平方ヤード)の範囲における坪量を有する、衣類。
17. 前記アラミド繊維が59重量パーセント以下の量で前記布地に存在する、上記16に記載の衣類。
18. 前記アラミド繊維がメタ−アラミド繊維を含む、上記16に記載の衣類。
19. 前記アラミド繊維が少なくとも2パーセントのパラ−アラミド繊維を含む、上記16に記載の衣類。
20. (a)の前記アラミド繊維が、2〜20重量パーセントのパラ−アラミド繊維及び10〜57重量パーセントのメタ−アラミド繊維として分配され、前記メタ−アラミドは、ポリ(メタフェニレンイソフタルアミド)であり、且つ、前記パラ−アラミドは、ポリ(パラフェニレンテレフタルアミド)である、上記16に記載の衣類。
21. ASTM F1959及びNFPA 70Eによるカテゴリー2のアーク等級を維持しながら、ASTM F1930による4秒の火災への曝露において体の火傷が65%未満に等しい熱防護性を提供する、上記16に記載の衣類。
22. 前記布地は、ASTM F−1959−06による布地の1.2カロリー毎平方センチメートル毎オンス毎平方ヤードを超える耐アーク性を有する、上記16に記載の衣類。

Claims (3)

  1. (a)30重量パーセントを超えるアラミド繊維と、
    (b)20〜35重量パーセントのモダクリル繊維と、
    (c)21以下の限界酸素指数を有し、且つ、デニール当り3グラム以上の乾燥引張り強度を有するレーヨン繊維20〜35重量パーセントと、
    (d)0〜3重量パーセントの帯電防止繊維と、
    を含むアーク及び火炎防護布地に使用するための繊維のブレンドであって、前記パーセンテージは成分(a)、(b)、(c)、及び(d)に基づき、前記ブレンドに存在する前記モダクリル繊維及び前記レーヨン繊維の量の違いが、10重量パーセント以下である、繊維のブレンド。
  2. (a)30重量パーセントを超えるアラミド繊維と、
    (b)20〜35重量パーセントのモダクリル繊維と、
    (c)21以下の限界酸素指数を有し、且つ、デニール当り3グラム以上の乾燥引張り強度を有するレーヨン繊維20〜35重量パーセントと、
    (d)0〜3重量パーセントの帯電防止繊維と、
    を含む糸条を含むアーク及び火炎防護に使用するのに適する布地であって、前記パーセンテージは成分(a)、(b)、(c)、及び(d)に基づき、前記糸条に存在する前記モダクリル繊維及び前記レーヨン繊維の量の違いは、10重量パーセント以下であり、且つ、
    前記布地は、135〜407グラム毎平方メートル(4〜12オンス毎平方ヤード)の範囲における坪量を有する、布地。
  3. (a)30重量パーセントを超えるアラミド繊維と、
    (b)20〜35重量パーセントのモダクリル繊維と、
    (c)21以下の限界酸素指数を有し、且つ、デニール当り3グラム以上の乾燥引張り強度を有するレーヨン繊維20〜35重量パーセントと、
    (d)0〜3重量パーセントの帯電防止繊維と、
    を含む布地を含むアーク及び火炎防護に使用するのに適する衣類であって、前記パーセンテージは成分(a)、(b)、(c)、及び(d)に基づき、前記布地に存在する前記モダクリル繊維及び前記レーヨン繊維の量の違いは、10重量パーセント以下であり、且つ、
    前記布地は、150〜290グラム毎平方メートル(4.5〜8.5オンス毎平方ヤード)の範囲における坪量を有する、衣類。
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