本発明は、原フィラメントが延伸されるこ� ��によって、ナノフィラメントの領域までに� ��細化される延伸方法及び装置を提供するも� ��である。本発明における原フィラメントと� ��、既にフィラメントとして製造されて、リ� ��ル等に巻き取られたものである。また紡糸� ��程において、溶融または溶解フィラメント� ��冷却や凝固によりフィラメントとなったも� ��を紡糸過程に引き続き使用され、本発明の� ��フィラメントとなる。ここでフィラメント� ��は、実質的に連続した繊維であり、数ミリ� ��ータから数十ミリメータの長さである短繊� ��とは区別される。原フィラメントは、単独� ��存在することが望ましいが、数本ないし数� ��本に集合されていても使用することができ� ��。
 本発明において延伸されたフィラメントは� ��全てフィラメントと表現するが、延伸され� ��結果、上記ファイバーの領域に属するもの� ��含まれる。本発明における延伸されたフィ� ��メントは、殆どの場合、延伸切れすること� ��く数分以上延伸されるので、フィラメント� ��長さも数m以上であり、フィラメント径dが� �さいことを考慮すると、実質的の連続フィ� �メントと見なすことができる場合が殆どで� �る。しかし、条件によっては、上記ファイ� �ーの領域に属する短繊維も製造することが� �きる。

 本発明におけるフィラメントは、一本のフ� ��ラメントからなるシングルフィラメントで� ��る場合と、複数のフィラメントからなるマ� ��チフィラメントである場合が含められる。� ��本のフィラメントにかかる張力等では、「� ��糸あたり」と表現するが、一本のフィラメ� ��トでは、「その一本のフィラメントあたり� ��を意味し、マルチフィラメントでは、それ� ��構成する「個々のフィラメント一本あたり� ��を意味する。
 本発明における原フィラメントは、複屈折� ��測定した配向度が30%、あるいは50%以上とい� ��た、高度に分子配向したフィラメントでも� ��用できることに特徴があり、このような高� ��に配向した原フィラメントからでも、数百� ��といった超高延伸倍率が実現できる点にお� ��ても、他の延伸法と際だって異なる点であ� ��。このように原フィラメントが高配向して� ��る場合は、延伸開始点において、原フィラ� ��ント径以上の膨張部をもって延伸されるこ� ��が多い。 

 本発明の原フィラメントは、ポリエチレ� ��テレフタレート、脂肪族ポリエステルおよ� ��ポリエチレンナフタレートを含むポリエス� ��ル、ナイロン(含むナイロン6、ナイロン66)� �含むポリアミド、ポリプロピレンやポリエ� �レンを含むポリオレフィン、ポリビニルア� �コール系ポリマー、アクリロニトリル系ポ� �マー、テトラフルオロエチレン・パーフル� �ロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)など を含むフッ素系ポリマー、塩化ビニル系ポリ マー、スチレン系ポリマー、ポリオキシメチ レン、エーテルエステル系ポリマーなどの熱 可塑性ポリマーからなるフィラメントであれ ば使用することができる。特に、ポリエチレ ンテレフタレート、ナイロン(含むナイロン6� ��ナイロン66)、ポリプロピレンは、延伸性も� ��く、分子配向性もよく、本発明の極細フィ� ��メントや極細フィラメントからなる不織布� ��製造に特に適する。また、ポリ乳酸やポリ� ��リコール酸等の生分解性ポリマーや生体内� ��解吸収性ポリマー等、さらにポリアリレー� ��やアラミド等の高強度、高弾性ポリマーな� ��も本発明の赤外線ビームによる延伸性もよ� ��、本発明による極細フィラメントや極細不� ��布の製造に特に適する。また原フィラメン� ��には、これらのポリマーからなる芯鞘型フ� ��ラメントなどの複合フィラメントも使用す� ��ことができる。なお、上記ポリマーを85%(重 量パーセント)以上含む場合は、ポリエステ� �「系」やポリエステルを「主成分」とする� �どと表現する場合がある。

  本発明においは、フィラメントの送出手� �から送り出された原フィラメントについて� �伸が行われる。送出手段は、ニップローラ� �数段の駆動ローラの組み合わせなどの一定� �送出速度でフィラメントを送り出すことが� �来るものであれば種々のタイプのものが使� �できる。また、一定長さのフィラメントだ� �を延伸したい場合は、原フィラメントをチ� �ックで把持し、一定速度で下降させてオリ� �ィスに供給してもよい。  
 フィラメントの送出手段より送り出された� ��フィラメントは、さらにオリフィスを通し� ��、オリフィス中を原フィラメントの走行方� ��に流れる気体によって送られる。原フィラ� ��ントがこのフィラメント送出手段を経てオ� ��フィスに送り込まれるまでは、P1気圧の雰� �気下で行われ、P1気圧下の状態に保たれてい る場所を原フィラメント供給室とする。P1が� ��気圧のときは、特に圧力を一定にする囲い� ��必要ない。P1が加圧下や減圧下の場合は、� �の圧力を保つための囲い(部屋)が必要であり 、加圧ポンプまたは減圧ポンプも必要となる 。なお本発明では、オリフィス入口部がP1で� ��ることが必要であるが、原フィラメントの� ��蔵部、原フィラメントの送り出し部分は、� ��ずしもP1気圧である必要はない。しかし、� �れらを別々の部屋を設けるのは煩雑である� �で、それらの部分が同一気圧であることが� �ましい。

 オリフィスの出口以降は、P2気圧下に保た� �、オリフィスから出てきた原フィラメント� �赤外線光束によって加熱することによって� �伸される延伸室となる。原フィラメントは� �P1気圧の原フィラメント供給室とP2気圧下の� ��伸室との圧力差(P1-P2)によって生じるオリフ ィス中を流れる空気の流れによってオリフィ ス中を送られていく。P2が大気圧のときは、� ��に圧力を一定にする囲いは必要ないが、P2� �加圧下や減圧下の場合は、その圧力を保つ� �めの囲い(部屋)が必要であり、加圧ポンプま たは減圧ポンプも必要となる。
 P1とP2の気圧の差は、P1>P2である。そして� ��実験の結果、P1≧2P2であることが好ましく� �さらに好ましくはP1≧3P2、P1≧5P2であること� ��最も好ましいことがわかった。  

 本発明は、P2が減圧下(大気圧未満の圧力)で 行われることが特に望ましい。そうすること により、P1を大気圧で実施でき、装置を著し� ��簡便に出来、また、減圧は比較的簡便な手� ��であるからである。さらに、オリフィスか� ��エアーが減圧下に噴出されることにより、� ��常存在する大気圧のエアーに邪魔されるこ� ��ないので、噴出されるエアーも、それに伴� ��フィラメントも非常に安定し、その結果、� ��伸性が安定し、ナノフィラメント領域まで� ��延伸が可能になるものと思われる。また、� ��た、通常、ノズルから高速流体が噴出する� ��、ノズルの周りで多量の随伴流を伴うが、� ��圧下では、この随伴流も少なくなり、ノズ� ��から出たフィラメントの流れを乱さないた� ��に、安定した延伸を可能にするものと思わ� ��る。このような簡便な手段で、ナノミクロ� ��領域のフィラメントが得られることに本発� ��の特徴がある。
 なおP1またはP2は、通常室温の空気が使用さ れる。しかし、原フィラメントを予熱したい 場合や、延伸したフィラメントを熱処理した い場合は、加熱エアーが使用される。また、 フィラメントが、酸化されるのを防ぐ場合は 、窒素ガス等の不活性ガスが使用され、水分 の飛散を防ぐ場合は、水蒸気や水分を含む気 体も使用される。 

 本発明における原フィラメント供給室と延� ��室は、オリフィスによってつながっている� ��オリフィス中では、原フィラメントとオリ� ��ィス内径との間の狭い隙間にP1>P2の圧力� �で生じた高速気体の流れが生じる。この高� �気体の流れを生じるために、オリフィスの� �径Dと繊維の径dとは、あまり大きくかけはな れてはいけない。実験結果、D>1.2dであって 、D<10d、好ましくはD>1.5dであって、D<7d 、さらに好ましくはD<5dであってD>2dであ� ��ことが最も好ましい。フィラメント径に比� ��し、あまり大きなノズル径では、ノズルを� ��れる風速も大きくならず、またP2の気圧も� �まり小さくならないためと思われる。また� �フィラメント径に比較し、ノズル径があま� �近接すると、空気流に抵抗が生じ、ノズル� �流れる風速が上がらないためと思われる。� �た上記の好ましい範囲から外れるにしたが� �、延伸されたフィラメント径が大きくなる� �かりでなく、フィラメント径のバラツキも� �きくなり、ダマも生じやすくなる。
 上記におけるオリフィス内径Dは、オリフィ スの出口部における径をいう。但し、オリフ ィス断面が円では無い場合、一番狭い部分の 径をDとする。同様に、フィラメントの径も� �断面が円ではない場合、一番小さい径の値� �dとし、断面の最も小さい箇所を基準に10カ� �を測定して算術平均する。なお、オリフィ� �の出口は、通常、原フィラメントが上から� �へ通過するので、縦に配置されたオリフィ� �の下方が出口となるが、下から上へ原フィ� �メントが通過する場合は、オリフィスの上� �に出口がある。同様に、オリフスが横に配� �されて、原フィラメントが横方向に通過す� �場合は、オリフィスの横方向に出口がある� �

 上記のように、オリフィス内を高速の気� ��が流れるので、オリフィスの内部は抵抗の� ��ない構造が望ましい。本発明におけるオリ� ��ィスは、必ずしも筒状である必要はない。� ��リフィスの断面も円形のものが望ましいが� ��複数のフィラメントを通過させる場合や、� ��ィラメントの形状が楕円やテープ状の場合� ��は、断面が楕円や矩形のものも使用される� ��また、オリフィス入り口では、原フィラメ� ��トを導入しやすいように大きく、出口部分� ��み狭い形状が、フィラメントの走行抵抗を� ��さくし、オリフィスの出口からの風速も大� ��くできるので好ましい。  

 本発明におけるオリフィスは、本発明人� ��による従来の延伸前の送風管とは役割を異� ��している。従来の送風管は、レーザーをフ� ��ラメントの定位置に当てる役目であり、で� ��るだけ抵抗少なく、定位置に原フィラメン� ��を搬送する役目であった。本発明はそれに� ��ラスすることの、高速の整流気体が原フィ� ��メント供給室の気圧P1と延伸室の気圧P2の気 圧差で発生する点で異なる。なお、通常のス パンボンド不織布製造においては、エアーサ ッカー等によって溶融フィラメントに張力を 与えられる。しかし、スパンボンド不織布製 造におけるエアーサッカーと本発明における オリフィスとは、その作用機構と効果が全く 異なる。スパンボンド法では、溶融フィラメ ントをエアーサッカー内の高速流体で送られ 、エアーサッカー内でそのフィラメント径の 細化の殆どが完了するに対して、本発明では 固体の原フィラメントがオリフィスで送られ 、オリフィス内ではフィラメントの細化は始 まらない。またスパンボンド法では、エアー サッカー内に高圧エアーを送りこむことによ り高速流体を発生させるが、本発明では、オ リフィス前後における部屋の気圧差でオリフ ィス内の高速流体を発生させる点で異なる。 またその効果も、スパンボンド法では、せい ぜい10μm前後のフィラメント径しか得られな� ��のに対して、本発明では1μm未満のナノフィ ラメントが得られるという大きな効果が得ら れる点が異なる。

 本発明は、延伸が音速域で行われることが� ��ましい。オリフィスを出たエアーの風速vは 、下記の式で表される(Graham’ theorem)。ここ� ��、ρはエアー密度を表す。
 v={2(P1-P2)/ρ} ^1/2 
   ここで、P1に大気圧とし、P2を変化させて計� �させると、第1表となる。このことより、本� ��明の減圧域P2が30kPa、20kPa、6kPaでは、風速v� �音速域(340-400m/sec)にあることがわかる。音速 との比(マッハM)を計算した結果も表に示した 。Mが0.98以上を音速域とすると、延伸室での� ��速vを、これらの音速域にすることにより、 本発明では延伸して得られたフィラメント径 をナノメータ域までの極細フィラメントを得 ることができた。

 オリフィスから送り出されてきた原フィラ� ��ントは、オリフィスの出口で、赤外線光束� ��よって加熱され、オリフィスからの高速流� ��によってフィラメントに与えられる張力に� ��って、原フィラメントは延伸される。オリ� ��ィスの直下とは、実験結果、赤外線光束の� ��心がオリフィス先端より30mm以下、好ましく は10mm以下、5mm以下であることが最も好まし� �。オリフィスから離れると、原フィラメン� �が振れ、定位置に収まらず、赤外線光束に� �定して捉えられないからである。またオリ� �ィスからの高速気体によってフィラメント� �与えられる張力が、オリフィスから離れる� �とによって弱くなり、また安定性も小さく� �るからと思われる。
 本発明は、原フィラメントが赤外線光束に� ��って加熱されて延伸されることを特徴とす� ��。赤外線は、波長0.78μmから1mmまでとされて いるが、高分子化合物のC-Cボンドは、3.5μmの 吸収を中心としており、0.78μmから20μmが特に 好ましい。これらの赤外線は、鏡やレンズに より点状または線状に焦点を絞り、原フィラ メントの加熱域を絞り込むスポットヒータや ラインヒータと呼ばれる加熱ヒータが使用で きる。ラインヒータは、複数本の原フィラメ ントが並列して走行している場合に好適であ る。

 本発明の赤外線光束は、レーザー光である� ��とが特に好ましい。中でも、10.6μmの波長の 炭酸ガスレーザーと、1.06μmの波長のYAG(イッ� ��リウム、アルミニウム、ガーネット系)レー ザーが特に好ましい。レーザーは、放射範囲 (光束)を小さく絞り込むことが可能であり、� ��た、特定の波長に集中しているので、無駄� ��エネルギーも少ない。本発明の炭酸ガスレ� ��ザーは、パワー密度が50W/cm ² 以上、好ましくは100W/cm ² 以上、最も好ましくは、180W/cm ² 以上である。狭い延伸領域に高パワー密度の エネルギーを集中することによって、本発明 の超高倍率延伸が可能となるからである。

 なお、この場合の赤外線光束の照射は、複� ��箇所から照射されることが好ましい。フィ� ��メントの片側のみからの加熱は、そのポリ� ��ーの融解温度が高い場合や、溶融が困難な� ��合、また、もともと延伸が困難なフィラメ� ��トの場合は、非対称加熱により、延伸が困� ��になるからである。このような複数箇所か� ��の照射は、複数個の赤外線光束の光源から� ��射してもよいが、一つの光源からの光束を� ��によって反射させることにより、複数回、� ��フィラメントの通路に沿って照射させるこ� ��によって達成することもできる。鏡は固定� ��ばかりでなくポリゴンミラーのように回転� ��るタイプも使用することができる。
 また、複数箇所からの照射の別な手段とし� ��、複数光源からの光源を原フィラメントに� ��数箇所から照射する手段がある。比較的小� ��模のレーザー光源で安定してコストの安い� ��ーザー発振装置を複数用いて、高パワーの� ��源とすることができる。

 本発明の原フィラメントは、赤外線加熱� ��段(レーザーを含む)により照射される赤外� �光束により延伸適温に加熱される。本発明� �は赤外線光束によって原フィラメントは加� �されるが、延伸適温に加熱される範囲がフ� �ラメントの中心でフィラメントの軸方向に� �って、上下4mm(長さ8mm)以内であることが好ま しく、さらに好ましくは上下3mm以下、最も好 ましくは上下2mm以下で加熱される。この光束 の径は、走行するフィラメントの軸方向に沿 って測定する。原フィラメントが複数本の場 合は、スリット状の光束も使用されるが、そ の場合は一番狭い部分が原フィラメントの軸 方向と一致することが好ましい。本発明は、 狭い領域で急激に延伸することにより、高度 に極細化され、ナノ領域までに細くした延伸 を可能にし、しかも超高倍率延伸であっても 、延伸切れを少なくすることができた。なお 、この赤外線光束が照射されるフィラメント がマルチフィラメントである場合は、上記の フィラメントの中心は、マルチフィラメント のフィラメント束の中心を意味する。

 本発明によって延伸されたフィラメントは� ��延伸室内で集積させて取り出すこともでき� ��が、走行するコンベア上に積層されること� ��よって、極細フィラメントの集積体または� ��織布として巻き取ることもできる。このよ� ��にすることにより、ナノフィラメントから� ��る不織布を製造することができる。本発明� ��コンベアとして、網状の移動体が通常使用� ��れるが、ベルトやシリンダ上に集積させて� ��よい。
 また、本発明によって延伸された極細フィ� ��メントは、走行している布状物上に集積さ� ��ることによって、この布状物と積層された� ��層体を製造することができる。特に、ナノ� ��ィラメントからなる集積体または不織布は� ��構成するフィラメントが非常に細いために� ��り扱いが困難であるが、このように布状物� ��積層されることにより取り扱いが安定する� ��また用途においても、市販のスパンボンド� ��織布等と積層されることにより、フィルタ� ��等の用途にそのまま使用することもできる� ��布状物として、織物、編物、不織布、フェ� ��トなどが使用される。また、フィルムを走� ��させてその上に集積させてもよい。

 本発明によって延伸されたフィラメントは� ��その後、ガイドローラ等を経てボビン、チ� ��ズ、カセなどに連続的に巻き取られ、巻き� ��られた製品とすることもできる。
 本発明は赤外線光束によって、原フィラメ� ��トを超高倍率に延伸することによって、極� ��フィラメントを製造することを目的とする� ��本発明における極細フィラメントは、原フ� ��ラメントが100倍以上に延伸されて極細化さ� ��たフィラメントをいう。その極細フィラメ� ��トのうち、フィラメント径が1μm未満のもの を特にナノフィラメントという。本発明にお いては、原フィラメントを延伸倍率が10,000倍 以上にすることにより、100μm以上の径の原フ ィラメントからでもナノフィラメントが得る ことができる。
 本発明における延伸倍率λは、原フィラメ� �トの径doと延伸後のフィラメントの径dより� �下記の式で表される。この場合、フィラメ� �トの密度は一定として計算する。繊維径の� �定は、走査型電子顕微鏡(SEM)で、原フィラメ ントは350倍、延伸されたフィラメントは1000� �またはそれ以上の倍率での撮影写真に基づ� �、100点の平均値で行う。
  λ=(do/d) ²
 本発明における延伸フィラメントは、フィ� ��メント径が揃っていることを特徴とする。� ��ィラメント径分布は、上記SEM写真から測長� ��ソフトでフィラメント径を100箇測定して求� ��た。またそれらの測定値より、標準偏差を� ��め、フィラメント径分布の尺度とした。

 本発明における延伸フィラメントは延伸� ��れることにより分子配向し、熱的にも安定� ��ている。本発明の延伸フィラメントはフィ� ��メント径が非常に小さいので、フィラメン� ��の分子配向を測定することは困難である。� ��発明の延伸フィラメントは、単に細くなっ� ��だけではなく、分子配向も生じていること� ��、熱分析の結果により示唆されている。原� ��ィラメントや延伸フィラメントの示差熱分� ��(DSC)測定は、株式会社リガク製THEM PLUS2 DSC8 230Cにより、昇温速度10℃/minで測定した。