(57)【要約】      （修正有）【課題】コンポジット等の成形が容易であり、かつ強度にも優れた芯鞘複合繊維を提供する。【解決手段】芯材１１がポリアミドを含有し、鞘材１２がグラフト変性による変性ポリエチレンを含有し、芯材１１の融点が、鞘材１２の融点よりも１７０℃以上高く、当該繊維の断面形状が多角形であることを特徴とする芯鞘複合繊維１０とする。【選択図】図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
芯材の主成分がポリアミドであり、
鞘材の主成分が変性ポリエチレンであり、
前記芯材の融点が、前記鞘材の融点よりも１７０℃以上高いことを特徴とする芯鞘複合繊維。
【請求項２】
複数本の前記芯材を有し、断面形状が多角形であることを特徴とする請求項１に記載の芯鞘複合繊維。
【請求項３】
燃料タンクに用いられることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の芯鞘複合繊維。
【請求項４】
ポリアミドを主成分とする芯材の融点が、変性ポリエチレンを主成分とする鞘材の融点よりも１７０℃以上高くなるように構成し、
加熱により前記鞘材を溶融させて当該鞘材と前記芯材とを融着させる工程を含むことを特徴とする芯鞘複合繊維の製造方法。
【請求項５】
請求項４の芯鞘複合繊維の製造方法で製造した芯鞘複合繊維を複数本束ね、加熱により前記鞘材を溶融させる工程と、
前記鞘材を溶融させた前記芯鞘複合繊維の束をコールドプレスにより押し出して、断面形状が多角形のコンポジットに成形する工程とを含むことを特徴とする芯鞘複合繊維の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、芯鞘複合繊維および芯鞘複合繊維の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
芯鞘複合繊維とは、糸状の芯材と、該芯材を鞘のようにくるむ鞘材とからなる複合構造の繊維であり、性質の異なる芯材と鞘材とを組み合わせることで、単一構造の繊維では実現し難い様々な効果を発揮するものである。芯鞘複合繊維はフィルター等の織物の素材としてはもちろん、合成樹脂部品の補強材料等、様々な分野で活用されている。
【０００３】
特許文献１には、鞘成分としての高密度ポリエチレンと芯成分としてのポリエステルとからなる複合繊維であって、鞘成分の溶融温度は１１０〜１８０℃であり、芯成分の溶融温度は２４０〜２７０℃であり、高温加圧によって鞘成分が溶融して補強繊維と融着することで三次元的な多孔性のネットワーク構造を形成する自動車用の天井材が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許５１９８６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような芯鞘複合繊維には、該芯鞘複合繊維の芯材同士を融着させてカバーを成形し、該カバーを対象の外側表皮に融着させることで対象の剛度を向上する、補強の用途が考えられる。芯鞘複合繊維で作成したカバーは、内部に多数の芯材が通っているため、単なる樹脂シートで作成したカバーよりも高い剛性が期待できる。しかし、このような補強の用途で従来の芯鞘複合繊維を利用しようとすると、以下のような問題が発生する。
【０００６】
鞘材と芯材の融点が近ければ、鞘材を溶融させるに際して芯材まで一緒に溶融させてしまう失敗が起こりやすくなり、芯鞘複合繊維をコンポジットやシート等に成形することが困難になる。特許文献１の発明には、鞘材および芯材それぞれの融点の範囲については開示されているが、鞘材と芯材部の融点差が何℃以上であるべきかについては開示していない。開示された融点の範囲から算出した融点差は６０℃〜１６０℃であるが、最大値の１６０℃であってもコンポジット等を簡便に成形するにはやや不足である。
【０００７】
さらに大きな問題として、芯材と鞘材の融点の乖離に伴う芯鞘複合繊維の強度低下が挙げられる。
強度が高く、補強材料として優れた芯鞘複合繊維を実現するためには、芯材と鞘材が強固に接着していることが必要である。しかし、コンポジット等の成形性向上のために鞘材と芯材の融点差を大きくすれば、一方で芯材と鞘材との分離が発生しやすくなる。特許文献１の発明はこの芯と鞘の分離による強度低下に対処していないため、補強の用途で使用するには強度が不足していると考えられる。
このような状況を踏まえ、本発明は、コンポジット等の成形が容易であり、かつ強度にも優れた芯鞘複合繊維を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１に記載の発明は、芯鞘複合繊維であって、芯材の主成分がポリアミドであり、鞘材の主成分が変性ポリエチレンであり、前記芯材の融点が、前記鞘材の融点よりも１７０℃以上高いことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によればコンポジット等の成形が容易であり、かつ強度にも優れた芯鞘複合繊維を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】芯鞘複合繊維を輪切りにした横断面図である。
【図１Ｂ】芯鞘複合繊維を長辺方向に切った縦断面図である。
【図２】芯鞘複合繊維の剛性測定実験に使用する装置の概略図である。
【図３】複数の芯鞘複合繊維からなるコンポジットの概略図である。
【図４Ａ】複数の芯鞘複合繊維からなるシートの概略図である。
【図４Ｂ】複数の芯鞘複合繊維からなるシートの断面の拡大図である。
【図５】燃料タンクを芯鞘複合繊維からなるカバーで補強する例を示す斜視図である。
【図６】燃料タンクのブロー成形の前段階におけるカバーの配置を示す図である。
【図７】燃料タンクのブロー成形を示す図である。
【図８】燃料タンクのブロー成形において挟み込みが完了した状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、本発明の実施形態に係る芯鞘構造糸について説明する。
なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
【００１２】
＜芯鞘構造＞
図１Ａに本実施形態の芯鞘複合繊維１０を輪切りにした横断面図を、図１Ｂに本実施形態の芯鞘複合繊維１０を長辺方向に切った縦断面図を示す。
本実施形態の芯鞘複合繊維１０は、芯材１１と、芯材１１をくるむ鞘材１２とから成り、押出成形によって製造される。本実施形態の芯材１１と鞘材１２は共に丸断面の外径を持つ。なお、芯材の外径はこのような丸断面に限定されることはなく、例えば複数の突起を有する異型断面であってもよい。
【００１３】
図１Ａのような、長さ方向に垂直に輪切りにした横断面における芯材１１と鞘材１２の比率は、９９：１〜１：９９であることが好ましく、９０：１０〜１０：９０であることがより好ましい。芯材の割合を増加させることにより剛性を向上させることができる。一方、鞘材の割合を増加させることにより接着性を向上させることができる。
【００１４】
芯鞘複合繊維１０は、偏芯構造を取ることもできるが、図１のように芯材１１が鞘材１２の略中央に配置される方が望ましい。芯材１１を鞘材１２の略中央に配置することにより、芯鞘複合繊維１０からコンポジット１００（図３参照）等を成形する際に、鞘材１２からの芯材１１の露出を抑制することができる。芯材１１の露出の抑制により、鞘材１２同士を強固に結着させ、コンポジット１００等を強固に成形することができる。
【００１５】
＜芯鞘複合繊維の剛性＞
芯鞘複合繊維１０の用途としては、例えば自動車等の燃料タンク等の補強が考えられる。このような燃料タンク等の外側表皮には、ポリエチレンが多く用いられる。よって、芯鞘複合繊維１０と外側表皮との融着性を向上するために、鞘材１２にポリエチレンを含有させることが考えられる。
【００１６】
しかし、ポリエチレンは一般に他の物質と結合を作りづらい物質であり、芯材１１とポリエチレンを含有する鞘材１２とを強固に接着させることは難しい。よって、芯材１１へポリエチレンを使用すると、芯材１１と鞘材１２の分離により芯鞘複合繊維１０の剛性が低下する恐れがある。特に、芯鞘複合繊維１０からコンポジット１００（図３参照）等を成形する際、成形を容易にするために芯材１１と鞘材１２の融点差を大きくすると、芯材１１と鞘材１２との分離が起こりやすくなるため、上記剛性の低下がより問題となる。なお、このコンポジット１００の成形については後述する。
【００１７】
そこで、本研究者らは、ポリエチレンに不飽和官能基を付加した変性ポリエチレンを鞘材１２に使用することにより、当該官能基と鞘材１２との間に水素結合を形成することで、芯材１１と鞘材１２の融点差が大きく、かつ、剛性も高い芯鞘複合繊維１０を実現することを試みた。
【００１８】
図２に芯鞘複合繊維１０の剛性測定実験に使用する装置の概略図を示す。
実施例として、芯材１１にポリアミドを用い、鞘材１２にマレイン酸変性ポリエチレンを用いた芯鞘複合繊維１０を使用する。比較例として、芯材１１にポリアミドを用い、鞘材１２にポリエチレンを用いた芯鞘複合繊維を使用する。
【００１９】
両芯鞘複合繊維１０を図２のように２つのローラー２上に固定し、上方から下方に向けて、つまり図中の矢印の方向に向けて０．５Ｎの力を加えて、芯鞘複合繊維１０に発生した伸びによる変位を測定し比較する。
【００２０】
測定の結果、比較例の芯鞘複合繊維１０の変位は２．１４０ｍｍであった。一方、実施例の芯鞘複合繊維１０の変位は１．７６２ｍｍであった。両者の比較により、無変性ポリエチレンを鞘材１２に使用した比較例の芯鞘複合繊維１０よりも、マレイン酸変性ポリエチレンを鞘材１２に使用した実施例の芯鞘複合繊維１０の方が、剛性が１７％向上することが判明した。
【００２１】
以上により、芯鞘複合繊維１０の芯材１１の主成分はポリアミドとし、鞘材１２の主成分は変性ポリエチレンとする。なお、芯材１１の主成分とは、芯材１１の成分全体に対して４０質量％以上含有されることをいう。鞘材１２の主成分とは、鞘材１２の成分全体に対して４０質量％以上含有されることをいう。
【００２２】
＜芯鞘複合繊維の材料＞
芯材１１と鞘材１２の融点差は１７０℃以上であり、１８０℃以上であることが好ましい。
融点差が１７０℃以上あれば、鞘材１２を溶融させる際に芯材１１も溶融させてしまうという失敗が起こりづらくなり、芯鞘複合繊維１０からコンポジット１００（図３参照）等を成形することが容易になる。なお、コンポジット１００の成形については後述する。
したがって、芯材１１の主成分のポリアミドと、鞘材１２の主成分の変性ポリエステルは、両者の融点差が１７０℃以上になるような組み合わせで選択する。
【００２３】
以下、芯材と鞘材の成分それぞれについて詳細を記載する。
（芯材）
本実施形態の芯材１１の主成分であるポリアミドは、鞘材１２の主成分である変性ポリエチレンとの融点差が１７０℃以上となるものであれば、特に限定されないが、補強材として使用する観点から高い剛性を備えることが好ましい。ポリアミドとしては、例えば、ポリアミド６、ポリアミド１２、ポリアミド６６などを使用することができる。
【００２４】
（鞘材）
本実施形態の鞘材１２の主成分である変性ポリエチレンは、融着させる対象である燃料タンク等のブロー成形において溶融することができ、かつ、芯材１１の主成分であるポリアミドとの融点差が１７０℃以上となる融点を有し、さらに当該ポリアミドと水素結合を形成できるものであれば、特に限定されない。
【００２５】
変性ポリエチレンを得る方法としては、例えば、グラフト変性が挙げられる。これは、ポリエチレンの炭素−水素結合を開裂させて発生させた炭素ラジカルに、不飽和官能基を付与する方法である。炭素ラジカルは、電子線や電離放射線の照射や、有機、無機過酸化物等のラジカル発生剤の使用等により発生させることができる。
変性に用いる官能基は、カルボキシル基、アミノ基、水酸基及びシラノール基等から選ぶことができる。これら官能基の中でも水酸基が好ましく、カルボキシル基がより好ましい。
【００２６】
前記官能基を含む構造単位としては、例えば、不飽和カルボン酸又はその誘導体、水酸基含有エチレン性不飽和化合物、アミノ基含有エチレン性不飽和化合物、ビニル基含有有機ケイ素化合物などの化合物に由来する構造単位が挙げられる。これら構造単位の中でも水酸基含有エチレン性不飽和化合物が好ましく、不飽和カルボン酸又はその誘導体がより好ましい。
不飽和カルボン酸又はその誘導体としては、カルボン酸基を１以上有する不飽和化合物、カルボン酸基を有する化合物とアルキルアルコールとのエステル、無水カルボン酸基を１以上有する不飽和化合物等を挙げることができる。
【００２７】
不飽和カルボン酸としては、例えばアクリル酸、マレイン酸、フマル酸、テトラヒドロフタル酸、イタコン酸、シトラコン酸、クロトン酸、イソクロトン酸、ナジック酸〔商標〕（エンドシス−ビシクロ［２．２．１］ヘプト−５−エン−２，３−ジカルボン酸）等が挙げられる。
不飽和カルボン酸の誘導体としては、例えばマレイミド、無水マレイン酸、無水シトラコン酸、マレイン酸モノメチル、マレイン酸ジメチル、グリシジルマレエート等が挙げられる。
【００２８】
これらの不飽和カルボン酸及び／又はその誘導体は、１種単独で使用することもできるし、２種以上を組み合せて使用することもでき、中でもアクリル酸が好ましく、無水マレイン酸が反応性が高い点でより好ましい。
【００２９】
＜コンポジット成形＞
図３に、複数の芯鞘複合繊維１０からなるコンポジット１００の概略図を示す。
図３上図のように複数本の芯鞘複合繊維１０を並べて束にし、加熱により鞘材１２を溶融させた後、コールドプレスにより成形させることにより、図３下図のように、多角形の断面を有するコンポジット１００とすることができる。
このように芯鞘複合繊維１０をコンポジット１００に加工すると、芯鞘複合繊維１０のままであるより、シート１０１（図４Ａ参照）に加工するのが容易である。
【００３０】
加熱の方法は特に限定されず、ＩＲ（赤外線）ヒータ、熱風加熱、熱板加熱等が考えられるが、中でも、安価で簡便であるという点でＩＲヒータや熱風加熱が好ましい。
【００３１】
ＩＲヒータや熱風加熱は、安価な反面、熱源からの距離の違いにより温度差が発生しやすく温度管理が困難である。しかし、本実施形態の芯鞘複合繊維１０であれば、芯材１１と鞘材１２の融点差が１７０℃以上あるため、熱源から遠い鞘材１２が溶融するまで加熱を続けると熱源近くの鞘材１２の温度が必要以上に高くなってしまう場合であっても、芯材１１が溶融しづらい。よって、本発明の芯鞘複合繊維１０は安価なＩＲヒータや熱風加熱でもって、精密な温度管理を要することなくコストを抑えて簡便にコンポジット１００を形成することができる。
【００３２】
＜シート成形＞
図４Ａに、複数の芯鞘複合繊維１０からなるシート１０１の概略図を、図４Ｂにシート１０１の断面の拡大図を示す。
複数本の芯鞘複合繊維１０、またはコンポジット１００を並べて、加熱により鞘材１２同士を溶融させ融着させることにより、図４Ａのようにシート１０１とすることができる。図４Ｂのように、シート１０１の断面では、溶融し融着した変性ポリエチレンの中に複数の芯材が並び、単なる樹脂シートよりも高い強度を実現している。
【００３３】
このようなシート１０１は、芯鞘複合繊維１０のままであるより、燃料タンク等の外側表皮に密着させるカバー１０２に加工するのが容易である。一般に、燃料タンク等は複雑な形状を有しており、燃料タンク等の外側と同一の形状を有しこれに密着可能なカバー１０２を作成するためには、加工性の高さが重要となる。
【００３４】
＜燃料タンクとカバーの融着＞
図５に、燃料タンクを芯鞘複合繊維１０からなるカバーで補強する例を示す斜視図を示す。
燃料タンクは、タンク本体Ｔと、２つのカバー１０２とから構成される。なお、図５では、タンク本体Ｔと、カバー１０２とが分離しているが、実際には、タンク本体Ｔと上下のカバー１０２とは、以下の工程で融着される。
【００３５】
図６〜８に、ブロー成形を行う装置の概略図を示す。
まず、図６に示すように、カバー１０２の配置に先立ち、エア吸引装置が、吸引孔４４からエアの吸引を開始する（破線矢印）。その後、金型４２の内側に予め成形済みのカバー１０２が配置される。カバー１０２は、成形されるタンク本体Ｔの外形と同じ形状を有し、金型４２に嵌合した状態となっている。
【００３６】
次に、図７に示すように、融解状態のパリソンＰがダイス４１から、例えば、筒状に吐出される。この吐出とともに、左右の金型４２が吐出されているパリソンＰを挟み込む。さらに、この挟み込みと同時に、エアピン４３を介して、パリソンＰ内部に圧縮エアが供給され（実線矢印）、ブロー成形が行われる。これにより、パリソンＰが膨張し、膨張したパリソンＰはカバー１０２に押し付けられる（図８参照）。
【００３７】
パリソンＰと、カバー１０２とが接すると、パリソンＰの熱によって、カバー１０２のうち、パリソンＰに接する部分が融解する。この結果、タンク本体Ｔ（パリソンＰ）と、カバー１０２とが融着する。なお、パリソンＰの温度は、１６０℃〜１９０℃であることが好ましく、１８０℃〜１９０℃であることがより好ましい。
【符号の説明】
【００３８】
１０    芯鞘複合繊維
１１    芯材
１２    鞘材
１００  コンポジット
１０１  シート
１０２  カバー
２      ローラー
４１    ダイス
４２    金型
４３    エアピン
４４    吸引孔（金型に開けられた孔、固定機構）
Ｐ      パリソン（ポリエチレンに代表される熱可塑性樹脂）
Ｔ      タンク本体
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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