JPWO2018030057A1

JPWO2018030057A1 - 不織布およびその製造方法

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Publication number: JPWO2018030057A1
Application number: JP2018532881A
Authority: JP
Inventors: 正士伊藤; 祐一武田; 平原　武彦; 武彦平原
Original assignee: Toray Fine Chemicals Co Ltd
Current assignee: Toray Fine Chemicals Co Ltd
Priority date: 2016-08-08
Filing date: 2017-07-11
Publication date: 2019-06-06
Anticipated expiration: 2037-07-11
Also published as: TWI787190B; WO2018030057A1; TW201807283A; JP6957472B2

Abstract

極細繊維を有しながら、なおかつシート加工時の強度に優れる不織布およびその製造方法を提供する。本発明の不織布は、平均繊維径が０．８μｍ以下であり、かつ、繊維径が１．０μｍ以下の繊維の体積比率が４０％未満であることを特徴とする。本発明の不織布の製造方法は、メルトブロー法において、紡糸ノズル当たりの樹脂吐出量を０．０１ｇ／分以上とし、ダイ部分のポリマー圧力が２．３ＭＰａ以上となるようにダイ温度を設定することを特徴とする。

Description

本発明は、不織布およびその製造方法に関する。

従来、極細繊維からなる不織布は、各種フィルター等に用いられており、繊維径の小さい繊維で形成された不織布は、微粒子の捕捉性に優れていることから、液体フィルター、エアフィルター等に適用されている。特に、溶融した熱可塑性樹脂を紡糸して製造するメルトブロー不織布については、繊維径の小さい繊維で不織布を形成するための検討がなされている。例えば、メルトブロー法にて、異なる２種類の繊維径を有する不織布を製造することで、高捕集効率に優れるフィルターが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この場合、７０μｍ以上の太い繊維を有するため、液体フィルターのように、緻密な粒子を均一に濾過しようとする場合、太い繊維による空隙が発生し、漏れの原因となるため好ましくない。また、エレクトロスピニングを用いた溶液紡糸との組み合わせによって２種類の繊維を混繊させた不織布についての記載があるが、細繊維の体積比率が少なく、濾過精度に劣るものであった（例えば、特許文献２参照）。同じく、エレクトロスピニングを用いた溶液紡糸との組み合わせによって２種類の繊維を混繊させた不織布についての記載があるが、繊維径差が大きく、さらに細繊維の体積比率が少なくなるため、好ましくない（例えば、特許文献３参照）。

極細繊維からなるメルトブロー不織布として、平均繊維径１μｍ以下からなる不織布が提案されているが、細繊維の体積比率が多いため、強度は非常に弱いものである。積層によって強度向上の開示もあるが、積層枚数が多いと、積層間での剥離が発生し、フィルターとして使用するには好ましくない（例えば、特許文献４参照）。さらに高い比表面積を有する不織布についての開示があるが、細繊維が多く存在することで、比表面積が多くなるが、その分、繊維間融着が少なくなるため、強度の低いものしか得られない（例えば、特許文献５参照）。融着の少ない極細不織布についての開示があるが、融着が少ないと強度の低いシートしか得られないため、工程通過時に、破れが発生する等、好ましくない（例えば、特許文献６参照）。不織布の孔径分布の狭い不織布について開示があるが、分布が狭い場合、細い繊維のみとなりやすく、程好く太い繊維が存在しないと、強度に劣るものとなってしまし好ましくない（例えば、特許文献７参照）。

さらに、高電圧の印加によって融着を促進させる製法についての記載があるが、印加による融着では、強度向上に十分な影響を与えることはできない。また、口金噴射直下にそのような設備を設置することで、気流の乱れによりシートに筋が発生することも考えられる（例えば、特許文献８参照）。

特開２０１５−１９６９２０号公報特開２０１０−１８５１５４号公報特開２００９−０５７６５５号公報特開２０１６−０５３２４１号公報特開２０１５−１９００８１号公報特開２０１５−０９２０３８号公報特開２０１６−０３０８６６号公報国際公開第２０１２／０１４５０１号

極細メルトブロー不織布においては、平均繊維径を小さくすることが重要であり、その方法について、様々な検討がなされてきた。ただし、細い繊維が得られたとしても、目付が低いものであったり、シートの強度が低い場合は、メルトブロー不織布を様々な用途へ加工することが困難となる。シートの強度を向上させるためには、他素材を積層させる等の方法が挙げられるが、積層間での剥がれや、接着による濾過面積の減少等があり、フィルターとして十分な性能が得られなかった。

本発明は上記課題を解決するものであり、極細繊維を有しながら、なおかつシートを加工する際の強度に優れた不織布およびその製造方法を提供するものである。

前記目的を達成するために、本発明の不織布は、平均繊維径が０．８μｍ以下であり、かつ、繊維径が１．０μｍ以下の繊維の体積比率が４０％未満であることを特徴とする。

本発明の不織布において、平均目付が１０ｇ／ｍ^２以上であることが好ましい。

本発明の不織布において、長手方向の５％伸張時応力が、５．０Ｎ／５ｃｍ以上であることが好ましい。

本発明の不織布の製造方法は、メルトブロー法において、紡糸ノズル当たりの樹脂吐出量を０．０１ｇ／分以上とし、ダイ部分のポリマー圧力が２．３ＭＰａ以上となるようにダイ温度を設定することを特徴とする。

本発明によれば、極細繊維を有しながら、なおかつシート加工時の強度に優れる不織布およびその製造方法を提供することができる。

図１は、実施例および比較例の不織布における繊維径分布のヒストグラムである。図１（ａ）は実施例１、図１（ｂ）は実施例２、図１（ｃ）は比較例１のそれぞれの不織布における繊維径分布である。図２は、引張試験におけるＳ−Ｓカーブである。

以下、本発明をさらに具体的に述べる。本発明の不織布は、平均繊維径が０．８μｍ以下であり、さらに繊維径が１．０μｍ以下の繊維の割合を体積換算にて４０％未満とすることにより、濾過精度に優れ、なおかつ、工程通過性に必要となる強度に優れる不織布とその製造方法を実現することができたものである。

本発明の不織布は、不織布を構成する繊維の平均繊維径が０．８μｍ以下であり、さらに繊維径が１．０μｍ以下の繊維の体積比率が４０％未満であることを特徴とする。平均繊維径は、好ましくは、０．７μｍ以下であり、より好ましくは０．４μｍ以下である。平均繊維径の下限値は０．１μｍ以上であることが好ましい。平均繊維径が０．８μｍを超えると、不織布の細孔径が大きくなるために細かい粒子径のダストを捕捉することができない場合があり、フィルターとしての機能が不十分なものとなりやすい。また、１．０μｍ以下の繊維の割合は、好ましくは体積比率で１０％以上４０％未満、より好ましくは２０％以上３５％以下である。１．０μｍ以下の繊維の体積比率が４０％以上であると、シートの強度が低下し、フィルターを加工する際、シートが伸びて変形したり、加工中に破断しやすくなる。１０％よりも少なくなると、太い繊維が多く存在するため、不織布の細孔径が大きくなるために細かい粒子径のダストを捕捉することができない場合があり、フィルターとしての機能が不十分なものとなりやすい。ここで平均繊維径とは、後述する繊維径の測定方法において示すように、不織布を構成する繊維２００本当たりの特定の繊維径から算出した値であり、体積比率（体積換算での比率）とは、同じく後述する繊維径測定から得られた数値を元に算出した値である。

本発明の不織布は、見掛け密度が０．０５ｇ／ｃｍ^３以上０．５０ｇ／ｃｍ^３以下であり、かつ、最大細孔径が１０．０μｍ以下であることが好ましい。見掛け密度は、より好ましくは、０．０８ｇ／ｃｍ^３以上０．３０ｇ／ｃｍ^３以下である。さらに好ましくは０．１１ｇ／ｃｍ^３以上０．１５ｇ／ｃｍ^３以下である。最大細孔径を小さくするために、不織布を積層したりカレンダー加工したり、適宜調整しても良いが、単層の不織布とすることが取り扱い性やコスト面でより好ましい。

上記において、見掛け密度とは、後述するように不織布の平均厚みおよび平均目付を測定し、次の式によって算出した値である。見掛け密度が小さいものほど嵩高い不織布であるといえる。
見掛け密度（ｇ／ｃｍ^３）＝｛平均目付（ｇ／ｍ^２）／平均厚み（ｍｍ）｝／１０００

前記平均目付は、不織布の取扱いにおいて次工程での作業性等を考慮すると高目付であればあるほどよく１０ｇ／ｍ^２以上であることが好ましい。さらに、前述したとおり、単層で平均目付が１０ｇ／ｍ^２以上である不織布を得ることが、取り扱い性やコスト面でより好ましい。

本発明の不織布を構成する繊維は、熱可塑性樹脂からなる。熱可塑性樹脂であれば、特に限定されることはなく、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド等を用いることができる。なかでもポリプロピレン極細繊維であることが好ましい。ポリプロピレン樹脂は、公知のものを用いることができるが、後述するメルトブロー法によって製造する場合には、ＭＦＲ（メルトフローレイト）が１０ｇ／１０分以上２０００ｇ／１０分以下の範囲にあることが好ましい。樹脂の物性値を示すＭＦＲは、ＪＩＳＫ７２１０−１の標準的試験方法により測定される。ポリプロピレン樹脂については、測定条件２．１６ｋｇ、２３０℃（ＪＩＳＫ６９２１−２においてポリプロピレン樹脂について定められた条件）として測定した値である。

また、前記不織布は、メルトブロー不織布であることが好ましい。メルトブロー法では、溶融した樹脂を紡糸ノズルから繊維状に吐出させるときに、吐出された繊維状の溶融樹脂に両側面から圧縮ガス（例えば空気）をあてるとともに、ガスを随伴させることで繊維径を小さくすることができる。このように、メルトブロー法によると、極細繊維を含む平均繊維径が０．８０μｍ以下の不織布を容易に得ることができるため、好ましい。

また、本発明の不織布の製造方法は、メルトブロー法において、紡糸ノズル当たりの樹脂吐出量を０．０１ｇ／分以上とし、ダイ圧力を２．３ＭＰａ以上にすることを特徴とする。ダイ圧力が２．３ＭＰａを下回る場合は、口金より紡出されるポリマーの直進性が失われ、紡糸不安定となるため、ショットと呼ばれる塊状ポリマーとなって不織布上に噴射される。ここで、ダイ圧力の上限値は１０ＭＰａ程度であるが、これは標準的な現行装置上の制約であるため、前記制約が解消すればこの上限に限定されるものではない。

平均繊維径が０．８０μｍ以下、かつ、繊維径が１．０μｍ以下の繊維の体積比率が４０％未満といった不織布を得るには、紡糸ノズル当たりの樹脂吐出量を０．０１ｇ／分以上とすることが必要である。前記樹脂吐出量を０．０１ｇ／分より少なくすると、繊維径が、例えば１．０μｍ以下の細い繊維をより多く紡糸できるが、細い繊維の比率が大きくなりすぎてしまう。そのため、繊維間の融着が弱くなり、シートの強度を維持できず、工程通過時に、シートが伸びたり、破断してしまう。さらに、口金噴射後の繊維をシート状に捕集するサクション設備において、細い繊維が捕集しきれずに、吹き流れ風綿と呼ばれる綿屑が発生する。前記樹脂吐出量を０．０１ｇ／分以上とすることで、例えば繊維径が１．０μｍを超える太い繊維が一部存在するようになる。この太い繊維によって、不織布の繊維間融着が強くなり、高強度のシートが得られる。さらには、太い繊維が細い繊維を絡め取るため、風綿の発生を抑制し、高目付化することも可能である。前記樹脂吐出量は０．２ｇ／分以下であることが好ましい。前記樹脂吐出量が多すぎると、太い繊維の割合が多くなりすぎるため、好ましくない。

本発明の不織布の製造方法においては、樹脂の物性値を示すＭＦＲが、１０ｇ／１０分以上２０００ｇ／１０分以下の範囲にある原料樹脂を用いることが好ましい。樹脂の物性値を示すＭＦＲは、樹脂の種類に応じて測定温度が規定されており、例えば、ポリプロピレンでは測定温度は２３０℃である。ダイ温度は一般的には、樹脂の物性値を示すＭＦＲの測定温度近辺の温度に設定されるため、所望の不織布を製造するためには、所定の範囲内のＭＦＲを有することを樹脂選択の指標とすることが好ましい。

このように、本発明の不織布の製造方法でメルトブロー不織布を製造すると、前記で規定したような不織布を好適に得ることができる。

（実施例１）
メルトブロー不織布製造装置を用いて、ポリプロピレン樹脂を原料として不織布を製造した。本実施例において原料は、ポリプロピレン樹脂Ａ（商品名「Ａｃｈｉｅｖｅ^ＴＭ６９３６Ｇ２」、ＥｘｘｏｎＭｏｂｉｌ社製、ＭＦＲ＝１５５０）を用いた。前記のポリプロピレン樹脂を用い、前記製造装置においてダイの設定温度を２６０℃、直径０．１２ｍｍの紡糸ノズル１穴当たりの吐出量を０．０１７ｇ／分とした。前記紡糸ノズルの両側からは、設定温度２９０℃にて加熱圧縮された空気を吹き付け、前記紡糸ノズルから１００ｍｍの距離の捕集装置に紡糸させ、平均目付を３０ｇ／ｍ^２としたメルトブロー不織布を得た。このときのダイ圧力は２．３ＭＰａであった。得られた不織布の物性を下記記載の方法で測定した。結果を表１に示す。また、得られた不織布の繊維径分布のヒストグラムを図１（ａ）に、１枚の試験片についての引張試験におけるＳ−Ｓカーブを図２において実線で示す。

（実施例２）
原料としてＭＦＲ＝８５０のポリプロピレン樹脂Ｂを用いた。ダイの設定温度を２４０℃とし、加熱圧縮された空気の設定温度を２３０℃にした以外は、実施例１と同様にして不織布を得た。このときのダイ圧力は２．９ＭＰａであった。得られた不織布の物性を下記記載の方法で測定した。結果を表１に示す。得られた不織布の繊維径分布のヒストグラムを図１（ｂ）に、１枚の試験片についての引張試験におけるＳ−Ｓカーブを図２において破線で示す。

（比較例１）
紡糸ノズル１穴当たりの吐出量を０．００８ｇ／分、加熱圧縮された空気の設定温度を１９０℃にした以外は、実施例２と同様にして不織布を得た。このときのダイ圧力は２．６ＭＰａであった。得られた不織布の物性を下記記載の方法で測定した。結果を表１に示す。また、得られた不織布の繊維径分布のヒストグラムを図１（ｃ）に、１枚の試験片についての引張試験におけるＳ−Ｓカーブを図２において一点鎖線で示す。

（比較例２）
紡糸ノズル１穴当たりの吐出量を０．００８ｇ／分、加熱圧縮された空気の設定温度を２９０℃に使用した以外は、実施例２と同様にして不織布を得た。このときのダイ圧力は２．０ＭＰａであった。この条件下では、ショットが多発したため、均一なシートが得られなかった。ダイの圧力が低下し、紡糸性が悪化したためである。

実施例１の不織布は、平均繊維径が０．６１μｍであり、かつ、１．０μｍ以下の繊維の体積比率が２５．２％であった。引張強度は２１．４Ｎ／５ｃｍ、５％伸張時応力は１８．３Ｎ／５ｃｍと非常に高い値を示した。極細繊維を含みなおかつ、工程通過性に優れる不織布が得られた。

実施例２の不織布は、平均繊維径が０．６８μｍであり、かつ、１．０μｍ以下の繊維の体積比率が２４．３％であった。引張強度は１９．１Ｎ／５ｃｍ、５％伸張時応力は１５．４Ｎ／５ｃｍと非常に高い値を示した。極細繊維を含みなおかつ、工程通過性に優れる不織布が得られた。

一方、比較例１の不織布は、平均繊維径が０．６３μｍであるが、１．０μｍ以下の繊維の体積比率は４０．０％であった。引張強度は７．１Ｎ／５ｃｍ、５％伸張時応力は１．１Ｎ／５ｃｍと非常に低い値を示した。太い繊維が少ないため、高強度が得られず、極細繊維を含んでいるものの、工程通過時にシートが破断する等した。

以上のように、実施例においては、極細繊維を有しながら、なおかつシートを加工する際の強度に優れた不織布を得ることができた。実施例で得られた不織布は、比較例で得られた不織布と比べて、１．０μｍを超えるような太い繊維径の繊維を体積比率にて、実施例１では約７５％、実施例２では約７６％も有しているにも拘らず最大細孔径が小さく、フィルター性能の観点からはより均一性に優れているといえる。

なお、実施例および比較例で得られた上記の不織布の特性は以下の方法で測定した。

［平均厚み］
平均厚みは、得られた不織布を２５０ｍｍ×２５０ｍｍにカットし、それぞれの辺の中央部分の４ヶ所をダイヤルシックネスゲージにより測定し、得られた値から、平均値を算出し、小数点以下第３位を四捨五入することにより求めた。

［平均目付］
平均目付は、得られた不織布を２５０ｍｍ×２５０ｍｍにカットした試験片を３枚採取し、各々の質量を電子天秤にて測定して３枚の平均値を算出し、この平均値を１６倍し、小数点以下第２位を四捨五入することにより求めた。

［見掛け密度］
見掛け密度は前述の平均厚みおよび平均目付から、下記式より算出し、小数点以下第４位を四捨五入した。
見掛け密度（ｇ／ｃｍ^３）＝｛平均目付（ｇ／ｍ^２）／平均厚み（ｍｍ）｝／１０００

［平均繊維径、繊維本数比率、繊維体積比率］
平均繊維径、繊維本数比率、および繊維体積比率は、得られた不織布を電子顕微鏡にて５０００倍で撮影した写真から、繊維径を測定することにより求めた。平均繊維径は、写真１０枚から任意に、合計本数２００本の繊維について直径０．０１μｍオーダーまで繊維径を測定し、それらを平均し、小数点以下第３位を四捨五入して求めた。繊維径が１．０μｍ以下の繊維の本数比率は、前記の繊維２００本のうち繊維径が１．０μｍ以下となる繊維の本数を、全測定繊維本数にて除し、百分率で表した。繊維径が１．０μｍ以下の繊維の体積比率は、前記の繊維２００本のうち１．０μｍ以下となる繊維について、繊維径を各々２乗した値の総和を、全測定繊維について繊維径を各々２乗した値の総和にて除し、百分率で小数点以下第２位を四捨五入して算出した。

［Ｄｗ／Ｄｎ］
繊維径Ｄｉの繊維がＮｉ本存在するとき、数平均繊維径Ｄｎと重量平均繊維径Ｄｗは次のように求められる。Ｄｗ／Ｄｎは、これらを基に算出した繊維径分布を表す指標であり、１に近いほど、より繊維径分布が均一である。
Ｄｎ＝ΣＸｉＤｉ＝Σ（ＮｉＤｉ）／Σ（Ｎｉ）
（式中、Ｘｉ＝繊維径Ｄｉの存在比率＝Ｎｉ／ΣＮｉである。）
Ｄｗ＝ΣＷｉＤｉ＝Σ（ＮｉＤｉ^２）／Σ（ＮｉＤｉ）
（式中、Ｗｉ＝繊維径Ｄｉの重量分率＝ＮｉＤｉ／ΣＮｉＤｉである。）

［最大細孔径］
バブルポイント法（ＪＩＳＫ３８３２（１９９０））により、最大細孔径を求めた。測定は、自動細孔径分布測定器（型式「ＣＦＰ−１２００ＡＥＸＣＳ」、Ｐｏｒｏｕｓｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｉｎｃ社製）を用い、下記試験方法によって得られたバブルポイント値から下記式１を用いて最大細孔径を算出し、小数点以下第２位を四捨五入した。
（試験方法）
不織布の試験片に試薬（ＧＡＬＷＩＣＫ、表面張力１５．９ｄｙｎ／ｃｍ＝１５．９ｍＮ／ｍ）を含浸させて完全に濡らし、液体（試薬）とサンプル（不織布）との接触角をゼロとする。前記試薬を含浸させた不織布の試験片を、前記測定器のホルダーにセットし測定する。
ｄ＝Ｃｒ／Ｐ（式１）
ｄ＝最大細孔径（μｍ）
ｒ＝試薬の表面張力（１５．９ｍＮ／ｍ）
Ｐ＝差圧（Ｐａ）
Ｃ＝圧力定数（２８６０）

［平均細孔径］
前記自動細孔径分布測定器に、乾燥した不織布の試験片をセットし、一方の面にかける空気圧を徐々に増大させて、空気が乾燥試験片を透過するときの圧力と流量との関係を示す乾き流量曲線（ＤＲＹＦＬＯＷＣＵＲＶＥ）を測定した。このとき、空気が乾燥試験片を透過し始めたときの圧力をＰ１とする。次いで、前記乾き流量曲線を基に、透過流量を１／２としたハーフドライ流量曲線を作成した。そして、前記試験片を前記試薬に浸漬した後に、同様の測定を行い、濡れ流量曲線（ＷＥＴＦＬＯＷＣＵＲＶＥ）を得た。
平均細孔径ｄ_ｍは、ハーフドライ流量曲線と濡れ流量曲線との交点における圧力Ｐ_２と、前記Ｐ_１との差圧Ｐ_ｃから、下記式２を用いて算出し、小数点以下第２位を四捨五入した。
ｄ_ｍ＝Ｃｒ／Ｐ_ｃ（式２）
ｄ_ｍ＝平均細孔径（μｍ）
ｒ＝液体の表面張力（１５．９ｍＮ／ｍ）
Ｐ_ｃ＝差圧（Ｐ_２−Ｐ_１）（Ｐａ）
Ｃ＝圧力定数（２８６０）

［通気度］
得られた不織布を２００ｍｍ×２００ｍｍにカットした試験片を５枚採取し、ＪＩＳＬ１０９６（Ａ法：フラジール形法）に準拠した方法にて、通気性試験／通気度測定器（ＴＥＸＴＥＳＴ社製ＦＸ３３００）を用いて測定した。測定においては、１ｃｍ^２の面積に通過する空気量（ｃｍ^３／ｃｍ^２／ｓｅｃ）を求め、試験片５枚の前記空気量の平均値から、小数点以下第２位を四捨五入して通気度とした。

［引張強度、５％伸張時応力］
得られた不織布をシートの長さ方向に対して、長さ２００ｍｍ×幅５０ｍｍにカットした試験片をシート全幅に対し、等間隔で５枚採取し、ＪＩＳＬ１９１３に準拠した方法にて、掴み間隔５０ｍｍ、引張速度３００ｍｍ／分にて試験を行い、最大強度を示した値を引張強度とした。また、得られたＳ−Ｓカーブから、５％伸張時の強度を読み取り、５％伸張時応力とした。試験片５枚の前記引張強度および、５％伸張時応力の平均値の小数点以下第２位を四捨五入した。

本発明の不織布は、太い繊維を一定以上の割合で含みながらも均一性に優れ、極細繊維を含みなおかつ高強度であることから、各種フィルター用途に好適に用いることができ、特に液体フィルター用途に好適に用いることができる。また、本発明の不織布の製造方法によると、均一性に優れ、極細繊維を含みなおかつ高強度な不織布を製造することができる。

Claims

平均繊維径が０．８μｍ以下であり、かつ、繊維径が１．０μｍ以下の繊維の体積比率が４０％未満であることを特徴とする不織布。
平均目付が１０ｇ／ｍ^２以上であることを特徴とする、請求項１記載の不織布。
長手方向の５％伸張時応力が、５．０Ｎ／５ｃｍ以上であることを特徴とする、請求項１または２記載の不織布。
メルトブロー法において、紡糸ノズル当たりの樹脂吐出量を０．０１ｇ／分以上とし、ダイ部分のポリマー圧力が２．３ＭＰａ以上となるようにダイ温度を設定することを特徴とする不織布の製造方法。