JP7682016B2

JP7682016B2 - 紡糸用ノズル

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Publication number: JP7682016B2
Application number: JP2021079779A
Authority: JP
Inventors: 有輝久保; 洋平新福; 秀和吉川
Original assignee: Teijin Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2021-05-10
Filing date: 2021-05-10
Publication date: 2025-05-23
Anticipated expiration: 2041-05-10
Also published as: JP2022173821A

Description

本発明は、化学繊維を紡糸法により製造するためのノズルに関するものである。

アクリル系繊維などの化学繊維の製造方法は様々あるが、重合体を含む紡糸原液を紡糸用ノズルの吐出孔（以降、ホールともいう）を通して押し出す、湿式紡糸法、乾式紡糸法などの紡糸方法が工業的に実用化されている。中でも、生産性の観点から湿式紡糸法が一般的に使用されている。この湿式紡糸法は、紡糸原液である重合体溶液を溶剤と水の混合液である凝固液に吐出・凝固して繊維を形成する方法であり、紡糸原液を紡糸ノズルから直接凝固液中に吐出させる狭義の湿式紡糸法と紡糸原液を紡糸ノズルから一旦気相部（通常は、空気中）に吐出させる乾湿式紡糸法などがある。
このような紡糸法において、紡糸原液は紡糸ノズルから吐出され、繊維状に形成された単繊維（フィラメント）の集合体である繊維束となって引き取られるが、紡糸ノズルの吐出孔密度を増加させ、繊維束の構成本数が増加すると、吐出孔群の外周部と中央部で、凝固速度に差異が発生しやすくなり、デニール（繊度）の斑や凝固斑が起こりやすくなる。また、紡糸ノズルの吐出孔密度を増加すると、生産性の向上の観点からは効果を有するが、フィラメント同士の融着が起こりやすくなったり、フィラメントの切断、所謂、単糸切れが多くなったりするという問題があった。
このような問題を解決するため、これまで種々の検討がなされ、例えば、紡糸用ノズルとして、「円形ノズルの円中心から外周にかけて形成された複数の略扇形穿孔領域と、前記複数の略扇形穿孔領域の間に形成された複数の非穿孔領域とからなる湿式紡糸用円形ノズルであって、前記扇形穿孔領域には円形ノズルの円中心を中心とする互いに等間隔離間する同心円上に所定間隔で穿設された吐出孔を有し、前記非穿孔領域は円形ノズルの外周から中心にかけて略同一幅に形成されてなることを特徴とする湿式紡糸用円形ノズル」が提案されている（特許文献１）。
特許文献１のノズルを利用することで、デニール斑や凝固斑等の少ない高品位の繊維を生産性良く製造することができる。
しかしながら、近年、さらに、生産性を高めるためにホール（上記の吐出孔である）数を増やしたいという要望があるが、単に、ホール数を増やすと、フィラメントの切断、所謂、単糸切れが多くなる。

特開２００２－３４８７２３号公報

本発明は、ホール数を増やしても、フィラメントの切断が生じ難い紡糸用ノズルを提供することを目的とする。

本発明に係る紡糸用ノズルは、ノズル面を複数に区画したブロック部に複数のホールを有する紡糸用ノズルにおいて、前記ブロック部は、前記ノズル面の中央から当該ノズル面の外周に向かうにしたがってその幅が大きくなる形状であって、前記中央を基準として周方向に間隔をおいて存在し、前記ブロック部は、外周縁から前記中央に向かって凹入する凹入部分を有する。

本発明の紡糸用ノズルによれば、ホール数を増やしても、フィラメントの切断を抑えることができる。

実施形態の紡糸用ノズルを内部から見た図である。凹入部分の説明図である。

＜概要＞
実施形態の一態様に係る第１の紡糸用ノズルは、ノズル面を複数に区画したブロック部に複数のホールを有する紡糸用ノズルにおいて、前記ブロック部は、前記ノズル面の中央から当該ノズル面の外周に向かうにしたがってその幅が大きくなる形状であって、前記中央を基準として周方向に間隔をおいて存在し、前記ブロック部は、外周縁から前記中央に向かって凹入する凹入部分を有する。これにより、ホール数を増やしても、フィラメントの切断を抑えることができる。また、凹入部分を設けることでフィラメント間の融着も抑制することができる。
実施形態に係る別態様に係る第２の紡糸用ノズルは、第１の紡糸用ノズルにおいて、前記ホールは、前記中央を中心する複数の同心円上であって前記ブロック部内に位置する仮想円弧上に形成され、前記凹入部分の長さは、前記外周縁と前記中央との間の長さに対して０．６５倍以下である。
実施形態に係る別態様に係る第３の紡糸用ノズルは、第１又は第２の紡糸用ノズルにおいて、前記周方向に隣接するブロック部の間隔が、１．５ｍｍ以上である。
実施形態に係る別態様に係る第４の紡糸用ノズルは、第１又は第２の紡糸用ノズルにおいて、前記周方向に隣接するブロック部の間隔が、１．５ｍｍ以上であり、前記凹入部分の周方向の幅は、前記ブロック部の間隔よりも小さく、０．９５ｍｍ以上である。
実施形態に係る別態様に係る第５の紡糸用ノズルは、第１～第４の紡糸用ノズルにおいて、前記ノズル面に存在する前記ホールの合計数が、１８，０００個以上である。
実施形態に係る別態様に係る第６の紡糸用ノズルは、第１～第５の紡糸用ノズルにおいて、前記ブロック部の数が３０個以上である。
実施形態に係る別態様に係る第６の紡糸用ノズルは、第１～第５の紡糸用ノズルにおいて、前記仮想円弧上に形成されている前記ホールの最小のピッチが０．３５ｍｍ以上である。

＜実施形態＞
実施形態で説明する紡糸用ノズルは、中心から径方向の外側に向かうにしたがって周方向の寸法が大きくなる扇状、三角形状、これらに似た形状のブロック部が設けられ、そのブロック部にホールが形成されているが、そのブロック部中にホールの無い凹入部分を設けることで、ホール数を増やしてもフィラメントの切断が生じ難く、且つフィラメント間の融着の無い高品位な繊維が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

１．全体構成
紡糸用ノズル（以下、単に「ノズル」とする）について図１及び図２を用いて説明する。
ノズル１００は、ノズル面１と、ノズル面１に設けられた紡糸用の多数のホール３とを有している。なお、図１は、紡糸原液が貯留されている側から見た図である。なお、紡糸原液が貯留されている側を内側又は裏側といい、貯留されていない側を外側又は表側という。
ノズル面１は例えば円形状をしている。多数のホール３は、ノズル面１を複数に区分して構成されたブロック部７に設けられている。なお、以下、周方向及び径方向は、円形状のノズル面１の中心５を基準とし、ここでの中心５は、ノズル面１の中央の一例に相当する。ノズル面３に存在するホール３の合計数は、１８，０００個以上であることが好ましく、より好ましくは２４，０００～５０，０００個である。

ブロック部７は、ノズル面１と直交する方向であって裏側から見ると、ノズル面１の中央を基準として周方向に間隔を置いて存在する。ブロック部７は、中央、つまり中心５から径方向の外側（外周側）に向かうにしたがって周方向の寸法（幅）が大きくなる扇状、三角形状、これらに似た形状をしている。なお、ブロック部７の形状は、後述の凹入部分１１がない場合の形状であるが、凹入部分の有無に関係なく、ブロック部の形状とする。
複数のブロック部７は、周方向に区画部９を挟んで存在する。換言すると、複数のブロック部７は、周方向に間隔を空けて設けられ、当該間隔の空いた部分が区画部９である。ここでの区画部９は、その幅が一定であり、複数のブロック部７は、周方向に等間隔をおいて（等ピッチで）存在する。複数のブロック部７は、中心５に対して点対称になるように、又は、中心５を通る仮想線に対して線対称となるように設けられている。各区画部９は中心５側から径方向の外方へ一直線状に延び、全体として中心５から放射状に伸びている。

ブロック部７は、裏側から見ると、そのブロック部７の外周縁（正確には、凹入部分１１がないとした場合の外周縁である）から中央（ここでは中心５である）に向かって凹入する凹入部分１１を有している。凹入部分１１にはホール３が設けられていない。なお、凹入部分１１は、ブロック部７の外周形状を構成するものであり、ノズル面１の厚み方向に凹入するような溝を意味しない。
凹入部分１１は直線状をしている。凹入部分１１は、区画部９よりも長さが短く、区画部９よりも幅が狭い。

２．ホールの配置
１つのブロック部７に設けられるホール３の配置について図２を用いて説明する。
複数のホール３は、隣接するホール３から吐出される紡糸同士が融着しない又は融着し難いように配置されている。ホール３のピッチは、複数種類あり、中心５からの距離によって決定されている。なお、ホール３のピッチは、ホール３の形状や直径、紡糸原液の粘度、紡糸原液の吐出速度や温度等によって決定されてものであり、一義的に定義できないが、０．３５ｍｍ以上が好ましい。
複数のホール３は、ノズル面１の中心５を中心とする複数の同心円上であってブロック部７内の仮想円弧１３上に設けられている。中心５から離れるほど各仮想円弧１３の長さ（周方向に隣接する区画部９の間隔である）が大きくなり、仮想円弧上に形成されるホール３の個数が多くなる。
発明者らの検討によると、仮想円弧１３上に配されたホール３が多くなると、当該ホール３と、当該ホール３に近接（隣接）する他のホール３とから吐出された紡糸同士が融着しやすいことが判明している。なお、このような融着を抑制するために、融着が発生しやすい領域に凹入部分１１を設けているともいえる。

融着が発生しやすい領域は、中心５からの距離、ホール３の形状や大きさ、ノズル面１の主面とホール３との境界部分の形状（面取りＣの大きさやＲ加工の半径等である）、紡糸原液の粘度、吐出速度や温度等に依存するものであり、具体的な数字で定義することは困難である。
発明者の検討では、扇状、三角形（二等辺三角形）状、又はこれらに似た形状のブロック部７の周縁から１０～２０ｍｍ離れた領域で融着が発生しやすいことが判明している。また、１０～２０ｍｍをホール数で置き換えると、ホール３の直径によっても異なるが、周縁から８個以上離れる領域で発生しやすい。つまり、仮想円弧上に１５個以上ある領域である。

３．凹入部分及び区画部
（１）区画部
区画部９の幅（周方向の長さ）は、１～２ｍｍであり、好ましくは、１～１．５ｍｍである。幅は、ホール３の直径に対して１２～３５倍であり、好ましくは、ホール３の直径に対して１２～２５倍である。
（２）凹入部分
凹入部分１１の長さ（径方向の長さ）は、５～２５ｍｍであり、好ましくは、１０～２０ｍｍである。凹入部分１１の長さは、径方向における、中心５とブロック部７の最外縁との距離に対して０．０５～０．６５倍である。好ましくは、距離に対して、０．１～０．６５倍であり、より好ましくは、距離に対して、０．２～０．６倍である。
凹入部分１１の長さは、ホール３の直径に対して、１００～１０００倍、好ましくは、１５０～８００倍が好ましい。凹入部分１１の長さは、ホール３の最小ピッチに対して、１０～１５０倍、好ましくは、２０～１００倍が好ましい。

凹入部分１１の幅（周方向の寸法）は、０．５～１．５ｍｍであり、好ましくは、０．７～１．３ｍｍである。凹入部分１１の幅は、区画部９の幅に対して、０．３～０．８倍であり、好ましくは、０．４～０．７倍である。なお、区画部９の幅が一定でない場合は、区画部９の面積を区画部９の径方向の長さで割った値を幅とし、凹入部分１１の幅が一定でない場合は、凹入部分１１の面積を凹入部分１１の径方向の長さで割った値を幅とする。
凹入部分１１の幅は、ホール３の直径に対して、１０～２０倍であり、好ましくは、１３～１７倍である。凹入部分１１の幅は、ホール３の最小ピッチに対して、２～３倍であり、好ましくは、２．２～２．７倍である。
（３）まとめ
区画部９と凹入部分１１とを上記のような寸法や比率にすることで、単糸切れを抑制できる。また、融着を抑制しつつノズル面１に多くのホール３を設けることもできる。

＜実施例＞

紡糸原液は、例えば、６０質量％の塩化亜鉛水溶液を溶媒として用い、これにアクリロニトリル９５質量％、アクリル酸メチル４質量％、イタコン酸１質量％の共重合体を濃度７質量％に溶解させている。この紡糸原液を６℃の塩化亜鉛２５質量％水溶液（凝固液である）に吐出することで凝固させた。この凝固糸を１５～９５℃の水中で洗浄しながら合計２．９倍の多段延伸を行い、得られた繊維をアミノシリコンの水分散液中（８ｇ／Ｌ）で処理した。その後、７０～１５０℃のサクションドラム乾燥機で水分率が１質量％以下になるまで乾燥緻密化を行った。次いで、９０℃の熱水浴を通した後、０．７５ＭＰａ（ゲージ圧）の飽和水蒸気中で５倍の再延伸を行って、前駆体繊維束を製造した。

製造した前駆体繊維束に対して、融着数と単糸切れ数を測定した。
融着数は、長さ９ｍの繊維束を３ｍごとに長さ３ｍｍに切断して試料を得た。この試料をアセトン１０ｍｌに投入した後、超音波を１分間照射した。光学顕微鏡を用いて、倍率２０倍で前記繊維束を分散させたアセトン溶液を観察し、融着繊維の本数を数えた。なお、融着数が５個以下であれば、融着数が少ないと評価している。
単糸切れ数は、長さ５ｍの繊維束を長さ１ｍずつに切断して、目視にて切れている単糸を数えることで測定している。なお、単糸切れ数は、１個以下であれば、単糸切れ数が少ないと評価している。

＜実施例１＞
使用したノズル１００は、円形状をし、全ホール数３６，０００個である。ブロック部７の形状は扇状をしている。ブロック部数は６０個であり、１個のブロック部７に、直径が０．０６ｍｍのホール３が６００個設けられている。最小のホール３のピッチ（最小ホール間ピッチ）は、０．４０ｍｍである。１個のブロック内のホール密度は、７．１個／ｍｍ^２であった。
周方向に隣接するブロック部７の間隔である区画部９の幅は、１．５ｍｍであり、凹入部分１１の幅は０．９５ｍｍであり、ブロック部７の外周縁から中心５に向かう凹入部分１１の長さは、ノズル１００の中心５からブロック部７の最外縁までの長さに対して０．２倍である。
本ノズル１００を用いて前駆体繊維を製造した結果、融着数が「１」であり、単糸切れ数は、「０．８」であった。
このように、ホール数を１８，０００個以上の「３６，０００」個としても、融着の発生や単糸切れを抑えたノズル１００が得られた。
なお、ノズル１００の仕様及び評価結果を表１にまとめている。

＜実施例２＞
使用したノズル１００は、ホール径０．０７ｍｍであり、ブロックの形状、凹入部分１１の構成等は実施例１と同じである。
実施例２では、融着数が「１」であり、単糸切れ数は、「１．０」であった。
このように、ホール数を１８，０００個以上の「３６，０００」個としても、融着の発生や単糸切れを抑えたノズル１００が得られた。
なお、ノズル１００の仕様及び評価結果を表１にまとめている。

＜実施例３＞
使用したノズル１００は、凹入部分１１の幅は１．００ｍｍであり、凹入部分１１の長さは、ノズル１００の中心５からブロック部７の最外縁までの長さに対して０．６倍である。また、１個のブロック内のホール密度は、７．３個／ｍｍ^２であった。
実施例３では、融着数が「１」であり、単糸切れ数は、「０．９」であった。
このように、ホール数を１８，０００個以上の「３６，０００」個としても、融着の発生や単糸切れを抑えたノズル１００が得られた。
なお、ノズル１００の仕様及び評価結果を表１にまとめている。

＜比較例１＞
使用したノズル１００は、直径、形状、全ホール数、ホール３の直径、ブロック数、区画部９の幅は、実施例１と同じであるが、最小のホール３のピッチが０．４６ｍｍであり、凹入部分１１を有していない。また、１個のブロック内のホール密度は、５．１個／ｍｍ^２であった。
比較例１では、融着数が「１」であり、単糸切れ数は、「３」であった。
このように凹入部分１１を有しない場合、ホール数を１８，０００個以上の「３６，０００」個とすると、融着の発生は抑えることができたが、単糸切れを抑えることができなかった。
なお、ノズル１００の仕様及び評価結果を表１にまとめている。

＜比較例２＞
使用したノズル１００は、直径、形状、全ホール数、ホール３の直径は、実施例１と同じであるが、最小のホール３のピッチが０．３９ｍｍ、ブロック数が１２０個、区画部９の幅が０．９５ｍｍであり、凹入部分１１を有していない。また、１個のブロック内のホール密度は、７．４個／ｍｍ^２であった。
比較例２では、融着数が「１」であり、単糸切れ数は、「３」であった。
このように凹入部分１１を有しない場合、ホール数を１８，０００個以上の「３６，０００」個とすると、融着の発生は抑えることができたが、単糸切れを抑えることができなかった。
なお、ノズル１００の仕様及び評価結果を表１にまとめている。

＜比較例３＞
使用したノズル１００は、直径、形状、全ホール数、ホール３の直径、ブロック数、区画部９の幅は、実施例１と同じであるが、最小のホール３のピッチが０．３５ｍｍであり、凹入部分１１を有していない。また、１個のブロック内のホール密度は、１５個／ｍｍ^２であった。
比較例２では、融着数が「１０」であり、単糸切れ数は、「１０」であった。
このように凹入部分１１を有しない場合、ホール数を１８，０００個以上の「３６，０００」個とすると、融着の発生及び単糸切れを抑えることができなかった。
なお、ノズル１００の仕様及び評価結果を表１にまとめている。

＜まとめ＞
（１）ホール数
実施例１～３と比較例１～３とは、同じホール数であったが、凹入部分１１をブロック部７に有する実施例１～は、比較例１～３よりも単糸切れ数が少ない。このことから、ホール数が１８，０００個以上の場合、ブロック部７に凹入部分１１を設けることで、単糸切れを抑制できることが分かる。
（２）ホール密度
参考例１の３．５個／ｍｍ^２では、単糸切れ数が非常に少ないのに対し、比較例１では、５．１個／ｍｍ^２と参考例１に近い密度であるにもかかわらず、単糸切れ数が参考例１よりも多くなった。
実施例１～３は、比較例１のホール密度よりも高いが、単糸切れ数が少なかった。
このことから、ホール密度が４個／ｍｍ^２以上になると、単糸切れが発生しやすく、実施例１～３のように凹入部分１１を設けると、単糸切れを抑制できることが分かる。

＜＜変形例＞＞
以上、実施形態に基づいて説明したが、本発明は実施形態に限られない。例えば、以下で説明する変形例と実施形態の何れかを適宜組み合わせてもよいし、複数の変形例を適宜組み合わせてもよい。
（１）ノズル１００は、円形状であってもよいし、正方形状等の正多角形、楕円形状、長円形状等の他の形状であってもよい。ノズル１００の大きさ（例えば、円形状の場合の直径である）は、特に説明していないが、ホール数、ホールの直径、ホール間ピッチ等により決定される。
（２）ホールの直径は、一定であってもよいし、異なってもよい。ホールの形状は、円形状であってもよいし、正方形状等の正多角形状、楕円形状等の他の形状であってもよい。ホールのピッチは、一定であってもよいし、異なってもよい。
（３）凹入部分１１は、裏側から見たときに、ブロック部７において外周縁から中央に向かい、ブロック部７の外周形状を構成しているが、例えば、外周形状を構成すると共に、ノズル面１の厚み方向に凹入するような溝や突出する突条を形成することで、裏側から見たときに凹入形状を構成してもよい。また、ブロック部は、ノズル面において、ブロック部以外の部分と面一であってもよいし、面一でなくてもよい。
凹入部分１１は、１つのブロック部７に対して１本存在したが、複数本あってもよい。
（４）ノズルは、炭素繊維用の前駆体繊維を製造するためのノズルであったが、アクリル繊維、レーヨン繊維、ポリエステル繊維を製造するためのノズルであってもよい。

１ノズル面
３ホール
５中心（中央）
７ブロック部
９区画部
１１凹入部分
１００ノズル

Claims

区画部によりノズル面が複数に区画された複数のブロック部に複数のホールを有する紡糸用ノズルにおいて、
前記ブロック部は、前記ノズル面の中央から当該ノズル面の外周に向かうにしたがってその幅が大きくなる形状をし、
前記複数のブロック部は、前記中央を基準として周方向に前記区画部を挟んで隣接し、
前記区画部は、前記ノズル面において前記中央から外周縁まで延び、
前記ブロック部は、前記ノズル面の外周縁から前記中央に向かって凹入する凹入部分を有し、
前記凹入部分の前記周方向の寸法は、０．１５～１．５ｍｍであって、前記複数のホールの最小のピッチに対して２～３倍である
紡糸用ノズル。
前記ホールは、前記中央を中心する複数の同心円上であって前記ブロック部内に位置する仮想円弧上に形成され、
前記凹入部分の長さは、前記外周縁と前記中央との間の長さに対して０．６５倍以下である
請求項１に記載の紡糸用ノズル。
前記仮想円弧上に形成されている前記ホールの最小のピッチが０．３５ｍｍ以上である
請求項２に記載の紡糸用ノズル。
前記周方向に隣接する前記ブロック部の間隔が、１．５ｍｍ以上である
請求項１～３の何れか１項に記載の紡糸用ノズル。
前記周方向に隣接する前記ブロック部の間隔が、１．５ｍｍ以上であり、
前記凹入部分の前記周方向の幅は、前記ブロック部の間隔よりも小さく、０．９５ｍｍ以上である
請求項１～３の何れか１項に記載の紡糸用ノズル。
前記ノズル面に存在する前記ホールの合計数が、１８，０００個以上である
請求項１～５の何れか１項に記載の紡糸用ノズル。
前記ブロック部の数が３０個以上である
請求項１～６の何れか１項に記載の紡糸用ノズル。
前記紡糸用ノズルは、炭素繊維用のアクリル繊維を紡糸するためのノズルである
請求項１～７の何れか１項に記載の紡糸用ノズル。