JP2016517360A - ３次元不織構造の形成プロセス - Google Patents

Abstract

不織布から３次元構造を形成するためのプロセスを開示する。布は、合成ポリマーフィラメントで製作される。このプロセスは、ポリマーのガラス転移温度と溶融温度との間の温度で、布に成形力を印加することを含む。不織布は、構成要素のフィラメントの充分な延伸を許容するように構成される。布は、選択したエリアにおいて優先的に接合される。フィラメントは、紡糸プロセスの際に部分的にのみ引っ張られ、延伸可能性を保存している。このプロセスによって製作される３次元構造は、例えば、飲料カプセルで使用されるフィルタに成形できる。

Description

本発明は、一般に３次元不織構造を形成するためのプロセスに関し、詳細には３次元フィルタエレメントを形成するためのプロセスに関する。

濾過に関係する多くのプロセスが、濾過媒体として紙を使用する。紙は、多くの利点を提供する。紙を製作するプロセスは長い歴史を有し、紙の機械的性質を決定するパラメータは充分に理解されている。紙フィルタは、空気濾過、食品準備、特に抽出飲料、例えば、コーヒー、茶などのプロセスにおいて広範囲に使用される。

濾過媒体として紙の使用は、数多くの短所を有する。紙は、繊維を延伸することによって３次元形状に成形することに対して従順ではない。３次元形状が要求された場合、頼りになるのは、例えば、折り曲げまたはプリーツ加工であり、時には、所望の形状を保存するための１つ以上の接着ラインの生成と組み合わせられる。

紙フィルタの他の短所は、紙フィルタが水で濡れた場合、紙布の強度が著しく弱くなることである。多くの用途では、これは、紙フィルタを堅い構造、例えば、漏斗などで支持する必要性が生ずる。これらの堅い構造は、フィルタを通る液体の流れに悪影響を及ぼし、コストを増加させる。

小さな紙フィルタが、堅い支持構造を用意することなく、例えば、ある一杯用のコーヒーおよび茶カプセルにおいて、水性液体で使用できる。しかしながら、これらのフィルタは、濡れた場合、カプセルの側壁に対して垂れ下がる傾向があり、フィルタを通る水性液体の流れを制限する。こうしたフィルタの側壁にプリーツを設けて、カプセルの側壁との接触エリアを制限することが提案されている。プリーツ工程は、製造プロセスに対して複雑さを追加する。さらに、プリーツは、使用の際、特に、多量のロースト粉コーヒーおよび／または長い抽出時間が採用された場合、充分に寸法的に安定していないことが判明した。

最近、本発明者によって発見された紙フィルタの他の著しい短所は、紙の繊維が有益な香り成分を抽出飲料から吸収することである。さらに、紙の繊維は、濡れると膨れて、抽出の際、紙フィルタの孔サイズを減少させ、消費者飲料への香り成分の配給を減少させる。不織布が、種々の用途においてフィルタエレメントとして、典型的には平坦シートの形態で使用される。こうしたシートは、充分な構造的完全性を欠いており、フレームによって支持する必要がある。ガラス繊維がフィルタエレメントに一般に使用され、合成ポリマー繊維も使用される。こうしたフィルタエレメントは、一般に、繊維が小孔付サポートの上にランダムに堆積する手法、例えば、湿式敷設またはエア敷設によって製造される。フィルタ材料の孔サイズ分布は、繊維直径およびフィルタエレメントの坪量によって主に決定される。

先行技術の不織フィルタは、適切な濾過および形状保持特性を備えた３次元構造を形成するのに適していない。一般に、こうしたフィルタは、深絞りを許容する延伸性質、および所望の３次元形状を保持する機械的強度を欠く。さらに、こうした不織フィルタは、成形プロセスの際、孔サイズ分布の制御を可能にする機械的完全性を欠く。

こうして３次元フィルタ構造を不織布から形成するためのプロセスについて特別のニーズがあり、所望の形状を保持し、得られる構造の孔サイズ分布の制御を可能にする構造が得られる。

本発明は、不織合成ポリマーフィラメント布から３次元構造を形成するためのプロセスを提供することによって、これらの課題に対処する。前記合成ポリマーは、ガラス温度Ｔｇおよび溶融温度Ｔｍを有し、前記プロセスは、
布エリアおよび接合エリアを有する、合成ポリマーフィラメントの不織布を用意するステップであって、接合エリアは布エリアの２％〜５０％であり、布引張強度が５〜１２０Ｎ／ｃｍの範囲である、ステップと、
Ｔｇ＜Ｔｄ＜Ｔｍである温度Ｔｄで不織布に成形力を印加して、３次元構造を形成するステップと、
３次元構造を周囲温度に冷却するステップと、を含む。

本発明の他の態様は、本発明のプロセスで使用される不織布を含む。

本発明の他の態様は、本発明のプロセスによって形成される３次元構造を含む。

本発明の特徴および利点は、下記図面を参照して理解されるであろう。

図１Ａ〜図１Ｄは、成形プロセスの概略図である。 数多くの接合パターンの例を示す。

下記は、本発明の詳細な説明である。
（定義）
ここで用いた用語「メルトインデックス」は、熱可塑性ポリマーを評価するために使用される一般の測定を参照する。それは、本質的には、溶融時にポリマーの粘性についての間接的で反比例した測定である。定義された温度、圧力および幾何形状の条件下で、所定の時間量でオリフィスを通って流れる溶融したポリマーの質量を測定する。メルトインデックス値が大きいほど、その粘性は低くなり、従ってポリマーの平均分子量はより低い（但し、他の要因、例えば、処理、添加物なども役割を果たす）。より高い分子量は、一般に粘性がより高くなり、同じ条件下で流れるのが少なくなり、メルトインデックスは、より小さな数になる。メルトインデックスは、典型的には、１０分間で流れ出るポリマーのグラム、即ち、ｇ／１０ｍｉｎまたはｄｇ／ｍｉｎで表される。

異なるポリマータイプが、異なる条件でのメルトインデックスをしばしば報告する。例えば、ポリエチレンは、典型的には１９０℃でのメルトインデックスを報告し、一方、ポリプロピレンは、典型的には２３０℃でのメルトインデックスを報告し、これらの異なる溶融温度に部分的に起因している。従って、メルトインデックス値は、ポリマータイプ間で常に直接に比較可能でない。

ＡＳＴＭおよびＩＳＯ下、例えば、ＡＳＴＭ Ｄ１２３８でのメルトインデックスについて標準化された方法がある。こうした標準的方法は、使用する装置についての幾何形状および他の制約、そして条件の組合せを特定する。装置は、本質的には、プランジャおよび取り外し可能な（クリーニング用）オリフィスが底部に装着された、直立した狭い円筒状バレルである。バレルは、温度制御され、定義した重量がプランジャ上に置かれ、規定の力を供給し、プランジャに圧力をかけて溶融ポリマーをオリフィスに通す。典型的には、ポリマーペレットがバレルに投入され、ポリマー溶融温度より充分に高い測定温度になるようにする。そして、重量がプランジャに印加され、ポリマーをオリフィスに通す。押し出し物が、重量測定によって、または既知の溶融密度を用いる体積的方法（プランジャ運動距離）によって測定される。

異なるポリマータイプ、または所定タイプの製品内の異なる分子量範囲で、異なる重量を使用してもよい。例えば、ブロー成形等級のＨＤＰＥが、こうした等級の高い粘性に起因して、２１．６ｋｇの重りを用いたメルトインデックス値を報告する。一方、ブロー成形フィルム押し出し等級のＬＬＤＰＥまたはＬＤＰＥが、一般に、２．１６ｋｇの重りを用いる。

学術用語は、ポリマータイプ間でも変化し、混乱の原因にもなる。メルトインデックス、メルトフローインデックス、メルトフローレートは一般には同義語であるが、異なる測定条件をしばしば暗示し、異なるポリマータイプとしばしば関連付けられる。２つの異なる重量負荷を用いて測定されるメルトフローの比率が、時にはポリマーの剪断減粘性(shear-thinning)挙動の程度を特徴付けるために用いられる。力が増加すると、見かけ粘性が減少し、フローは予想より高くなり、各ポリマーについて高負荷で測定したメルトインデックスと低負荷のものとの比率として表した場合、メルトフロー比率は、２つのポリマー間で異なることがある。メルトフロー比率の変化は、通常はポリマー等級間で、分子量分布および／または長鎖分岐レベルの相違を反映している。

ここで用いた用語「低収縮(shrink)」は、上昇する温度に曝した場合、長さが収縮する合成ポリマーフィラメントの性質を参照する。詳細に後述するように、本発明のプロセスは、上昇する温度で不織布に成形力を印加することを含む。この成形ステップの際、布中のフィラメントの収縮は許容できるが、一般には不可避であり、過度の収縮は回避すべきである。成形プロセスが２０％未満の収縮、好ましくは１０％未満、より好ましくは５％未満を生じさせた場合、不織布は低収縮と考えられる。

ここで用いた用語「引き不足(underdrawn)のフィラメント」は、紡糸プロセスの際、ポリマーフィラメントを延伸しまたは「引張る」行為を参照する。新たに紡糸したフィラメントの延伸は、急冷した後、フィラメント内のポリマー分子のアライメントを生じさせ、これはポリマーの性質、結晶化の程度に依存する。これは、ポリマーフィラメントの最も一般的な使用にとって望ましく、一般には、フィラメントを上昇する温度に曝すことを含まない。しかしながら、成形ステップの際、フィラメントが上昇する温度に曝される本発明のプロセスでは、高度のアライメントおよび／または結晶化は望ましくなく、成形ステップの際、フィラメントが伸長する能力を低減するためである。

紡糸プロセスの際、フィラメントのある延伸は、許容可能であり、望ましくもある。しかしながら、延伸は、本件のポリマーについて一般に使用されるものより著しく少なく、その結果、フィラメントを引張ることによって得られる最大値より著しく少ないアライメントおよび／または結晶化の程度をもたらす。得られたフィラメントは、ここでは「引き不足」と称している。

最も広い態様において、本発明は、３次元構造を不織合成ポリマーフィラメント布から形成するためのプロセスに関し、前記合成ポリマーは、ガラス温度Ｔｇおよび溶融温度Ｔｍを有し、前記プロセスは、布エリアおよび接合エリアを有する、合成ポリマーフィラメントの不織布を用意するステップであって、接合エリアは布エリアの２％〜５０％であり、布引張強度が５〜１２０Ｎ／ｃｍの範囲である、ステップと、
Ｔｇ＜Ｔｄ＜Ｔｍである温度Ｔｄで不織布に成形力を印加して、３次元構造を形成するステップと、
３次元構造を周囲温度に冷却するステップとを含む。

このプロセスの主要な利点は、空気浸透性測定によって決定されるような、得られる構造の多孔性の良好な制御であり、そして３次元構造の良好な形状保持である。

合成ポリマーフィラメントの樹脂の選択が、プロセスの成功する用途にとって重要である。合成ポリマーは、熱可塑性ポリマー、即ち、Ｔｍ＞Ｔｇであるガラス温度Ｔｇおよび溶融温度Ｔｍを有するポリマーである必要がある。適切な樹脂の例が、ポリオレフィン、特にポリエチレン、ポリプロピレンなど、ポリエステル、特にポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレートなど、ポリアミド、特にポリマーのナイロン群、例えば、ナイロン６、ナイロン６，６、およびこれらの組合せを含む。

良好な不織製造特性を有し、良好な成形特性を有する布地に変換できるような樹脂を選択すべきである。ポリマーの分類内で、樹脂の処理特性は、一般に分子量、重合の程度、水分レベル、およびメルトフローインデックスに依存する。

特定範囲の分子量および重合の程度は、本発明のプロセスで使用される樹脂について規定していない。むしろ重合の程度は、溶融紡糸可能である樹脂、そして閉塞などを生じさせることなく、良好な溶融紡糸の挙動にとって極めて充分であるメルトフローインデックスを生成するようにすべきである。

水分レベルは重要である。樹脂内に存在する水分が、紡糸プロセスの際、ポリマー劣化および分子鎖破損を引き起こすことがあるためである。許容できる水分量は、所望の紡糸挙動およびポリマーの物理的特性、例えば、親水性などに部分的に依存する。一般に、水分レベルは、５００重量ｐｐｍ未満、好ましくは３００重量ｐｐｍ未満、より好ましくは２００重量ｐｐｍ未満にすべきである。

上述のように、低収縮は、本発明のプロセスで使用される樹脂の重要な属性である。ポリエステル、例えばＰＥＴなどは、比較的高い熱不安定性によって特徴付けられ、即ち、これらのポリマーは、上昇する温度に曝された場合、収縮する傾向がある。この特性は、本発明のプロセスで使用するにはあまり適していないが、これらの樹脂は、ヒートセットプロセスを施すことによって安定化できる。ヒートセット処理したポリエステルは、一般に本発明のプロセスで使用するのに適している。ヒートセット工程は、一般に、布を形成した後に実施され、同時に接合を提供する。

ポリマーフィラメントは、単一成分でもよく、１つより多い成分を含んでもよい。後者の例は、鞘−コアフィラメント、アイランド・イン・ザ・シー構造、セグメント（中空）パイ、サイドバイサイドなどを含む。

紡糸プロセスの際、紡糸速度（分当りで孔当りのグラム（ＧＨＭ）として表される）および熱絞り比(drawing ratio)は、引き不足フィラメントを生成するために制御する必要がある。

引き不足フィラメントは、成形温度Ｔｄで大きな破損延伸を有することによって特徴付けられ、これは布地の成形可能性にとって重要である。絞り比は、フィラメントの延伸特性を保存するように、ポリマー鎖の配向および結晶化を許容限界内に維持するために制御する必要がある。通常、引き不足フィラメントは、低い複屈折値（分子異方性の尺度）および低い弾性係数を示す。

不織布は、望ましくは、布が、５〜１２０Ｎ／ｃｍ、好ましくは１０〜１００Ｎ／ｃｍの範囲の引張強度を有するような接合の程度を有する。溶融ブロープロセスにおいて、フィラメントは、溶融ポリマーをブロー処理することによって新たに形成され、回収ベルト上で回収され、ある程度の自発接合が得られる。紡糸接合(spunbond)プロセスにおいて、布が横たわった後、別個の接合ステップが実行される。

接合ステップの際、過度の熱の使用は回避すべきであり、熱の使用は、増加した結晶性によって、フィラメントの延伸特性を著しく減少させるためである。フィラメントの低い延伸特性が、成型ステップの際、フィラメントネットワークの崩壊を生じ、そして小さい形成深さを生じさせる。

特定の接合プロセスは熱を使用しない。例は、高圧の水を使用して、フィラメントを相互連結するハイドロエンタングルメントを含む。

他の接合プロセスは、布の局所エリアのみに熱を印加する。例は、布の表面にあるフィラメントだけが熱処理される表面接合（「ｓ−ｗｒａｐ」）である。他の例は、局所エリアが超音波エネルギーに曝される超音波接合であり、接合エリアのパターンが生成される。

局所接合を採用した場合、接合エリアは、一般に、布エリアの２％〜５０％、好ましくは２％〜３０％、より好ましくは３％〜１５％である。

成形ステップは、Ｔｇ＜Ｔｄ＜Ｔｍである温度Ｔｄで不織布に成形力を印加することを含む。換言すると、成型温度は、ポリマーのガラス転移温度Ｔｇと溶融温度Ｔｍとの間で選択され、その結果、フィラメントは、延伸の際に軟化し、布は均等に成形できる。成形ステップは、３次元構造の形成をもたらす。

成形ステップの前、不織布は実質的に平面的な形態を有することが理解されよう。成形ステップは、布の表面積の増加を含むことも理解されよう。実施形態において、成形ステップは、成形エリアにおいて、２００％〜８００％、好ましくは２５０％〜６００％の範囲で布の表面積の増加をもたらす。

布の表面積のこの増加は、フィラメントを破損する代わりに、成型エリアでのフィラメントの相応の延伸を必要とすることは理解されよう。これは、紡糸および接合プロセスの際、フィラメントの延伸特性を保存することが重要である理由である。さらに、３次元構造は、成形力の印加を停止する場合、その形状を相当に保持する必要がある。これは、成形ステップの不可避部分である熱処理の結果として、フィラメントの収縮を最小に維持すべきである理由である。ポリマー選択は、必要形状保持特性を有する布地を提供することにとついて重大である。

成形ステップの後、３次元構造は周囲温度に冷却される。これは、構造を周囲条件に露出することによって達成できる。冷却は、必要ならば、例えば、冷却空気を構造全体に吹き付けることによって加速できる。

一例において、３次元構造はフィルタである。この実施形態は、３次元フィルタ、例えば、一杯用の飲料カプセルで使用される浴槽形状のフィルタを参照して説明している。本発明のプロセスは、いずれかの種類の成形フィルタの製造で使用できることは理解されよう。

（例示の実施形態／例の説明）
下記は、本発明の特定の実施形態の説明であり、例として供与されているに過ぎず、図面を参照している。

本発明のプロセスは、一杯用の飲料カプセル、例えば、コーヒー、茶またはスープの一杯用を抽出するためのカプセルで使用される成形フィルタの製造で使用できる。

プロセスは、熱可塑性ポリマーの不織布を用意することを含む。飲料カプセルでの使用では、ポリマーは、食品接触安全であって、所定の抽出時間、通常は２分未満で１００℃までの抽出温度に対する露出について認定されるべきである。マルチ成分フィラメント、例えば、アイランド・イン・ザ・シータイプのものは、特に適していることが判った。実施形態において、「アイランド(islands)」は、ポリエステル材料、例えば、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ＰＥＴ、ナイロンなどで製作され、「シー(sea)」エリアは、ポリオレフィン、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）など、特に直鎖状低密度ポリエチレン（ＬＬＤＰＥ）などで製作される。鞘−コアタイプのフィラメントも本発明での使用に適している。例えば、「コア」は、ポリエステル、例えば、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）またはポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）などで製作でき、「鞘」は、ＰＥ、ＰＰ、またはＰＥとＰＰのコポリマーで製作できる。

不織布は、３０〜２００ｇ／ｍ^２、好ましくは５０〜１５０ｇ／ｍ^２、の範囲の坪量を有することができる。布は、５〜５０μｍの範囲の平均直径を有するフィラメントで製作される。布は、適切には、１００〜５００立方フィート／分（ｃｆｍ）の空気浸透性を有する（方法ＡＳＴＭ Ｄ７３７で測定）。

成形プロセスを図１に概略的に示す。図１Ａは、リング１１にクランプ支持された不織布１０を示す。成形マンドレル１２が布１０に向けて矢印１３の方向に移動する。成形マンドレル１２は、不織布地の化学的性質に応じて１００〜２００℃の温度に維持される。

図１Ｂは、成形位置にある成形マンドレル１２を示す。

図１Ｃは、矢印１４の方向に布１０から遠くに移動している成形マンドレル１２を示す。

図１Ｄは、成形動作から得られた３次元フィルタ１５を示す。

マンドレルが不織布と接触している滞留時間は、通常は１０秒以下であり、機械スループットを考慮すると、好ましくは５秒以下である。

成形ステップから得られる表面積の増加は、次のように計算できる。元の表面積は、２２ｍｍの半径を有する円のものである。元の表面積は、π（２２）^２＝１５２０ｍｍ^２である。成形した３次元フィルタの表面積は、３４ｍｍの長さおよび３９ｍｍの平均直径有するシリンダならびに３４ｍｍの直径を有する円のもの、即ち、（πｘ３９ｘ３４）＋π（１７）^２＝４１６４＋９０７＝５０７１に近似できる。増加は、５０７１／１５２０ｘ１００％＝３３４％である。

１次元の延伸は、約（３４＋３４＋３４）／４４ｘ１００％＝２３２％である。成形プロセスの際、布内の孔の平均直径は、２３２％だけ増加するにすぎない。所望される結果は、１０〜３０μｍの範囲の平均孔直径である。この終点に到達するには、成形前の布の平均孔直径は、４．３〜１３μｍの範囲にすべきである。

成形プロセスの際の表面積の増加は、可能な限り少ないフィラメント−フィラメント結合の崩壊およびフィラメント破損を伴ったフィラメント延伸の結果であるべきである。

図２は、接合パターンの例を示す。一般に、接合エリアを限定しつつ、接合強度を最大化する接合パターンを使用することが望ましい。図２Ａ〜図２Ｅの接合パターンは、幾何学に基づいて考慮できる。図２Ｂ（ハニカム）、図２Ｃおよび図２Ｄ（雪の結晶）、図２Ｆ（蜘蛛の巣）の接合パターンは、自然で見つかるパターンに基づいており、占有エリアを限定しつつ、強度を最大化する探究に対する優雅な解決法を提供する。

自然で見つかる他の例は、例えば、種々の葉の脈管パターン、魚鱗パターン、ヤシの木樹皮パターンなど、接合パターンについてひらめきの追加の源を提供する。

ここで説明した構造および手法に対して、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、上記に加えて多くの変更を行うことができる。従って、特定の実施形態を説明したが、これらは例に過ぎず、本発明の範囲に対して限定するものでない。

Claims (25)

1. 不織合成ポリマーフィラメント布から３次元構造を形成するためのプロセスであって、前記合成ポリマーは、ガラス温度Ｔｇおよび溶融温度Ｔｍを有し、前記プロセスは、
   ａ）布エリアおよび接合エリアを有する、合成ポリマーフィラメントの不織布を用意するステップであって、接合エリアは布エリアの２％〜５０％であり、布引張強度が５〜１２０Ｎ／ｃｍの範囲である、ステップと、
   ｂ）Ｔｇ＜Ｔｄ＜Ｔｍである温度Ｔｄで不織布に成形力を印加して、３次元構造を形成するステップと、
   ｃ）３次元構造を周囲温度に冷却するステップと、を含むプロセス。
2. 布は、布エリアの２％〜３０％の範囲の接合エリアを有する請求項１記載のプロセス。
3. 布は、布エリアの３％〜１５％の範囲の接合エリアを有する請求項２記載のプロセス。
4. 合成ポリマーフィラメントの不織布は、溶融ブロープロセスによって得られたものである請求項１〜３のいずれかに記載のプロセス。
5. 布は、１０〜１００Ｎ／ｃｍの範囲の布引張強度を有する請求項１〜４のいずれかに記載のプロセス。
6. ステップｂは、２００％〜８００％の範囲で布の表面積の増加をもたらす請求項１〜５のいずれかに記載のプロセス。
7. 表面積の増加は、２５０％〜６００％の範囲である請求項６記載のプロセス。
8. ３次元構造は、フィルタである請求項１〜７のいずれかに記載のプロセス。
9. ポリマーフィラメントは、５〜５０μｍの範囲の平均直径を有する請求項８記載のプロセス。
10. ポリマーフィラメントは、１０〜３０μｍの範囲の平均直径を有する請求項８記載のプロセス。
11. フィルタは、孔を含み、
    前記孔は、１００〜１０００ｃｆｍの空気浸透性をもたらす請求項８記載のプロセス。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載のプロセスで使用される不織ポリマーフィラメント布。
13. ポリマーは、ポリオレフィン、ポリエステル、ナイロンおよびこれらの組合せから選択される請求項１２記載の不織布。
14. ポリマーは、ポリエステルである請求項１３記載の不織布。
15. ポリマーは、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートまたはポリ乳酸である請求項１４記載の不織布。
16. ポリマーは、食品等級のポリマーである請求項１２記載の不織布。
17. 紡糸接合プロセスによって製作された請求項１２記載の不織布。
18. 接合エリアは、選択的エリア接合によって形成される請求項１２記載の不織布。
19. 接合エリアは、熱接合、超音波接合または機械的接合によって形成される請求項１２記載の不織布。
20. 接合エリアは、超音波接合によって形成される請求項１９記載の不織布。
21. 選択的エリア接合は、対称接合パターンを形成する請求項１８記載の不織布。
22. 対称接合パターンは、ドットパターン、ハニカムパターン、星型パターン、星型＋ドットパターン、ダイヤモンドパターン、蜘蛛の巣パターンおよびこれらの組合せからなるグループから選択される請求項２１記載の不織布。
23. 請求項１〜２２のいずれかに記載のプロセスによって形成された３次元構造。
24. 浴槽形状のフィルタである請求項２３記載の３次元構造。
25. 請求項１〜２４のいずれかに記載のフィルタを含む一杯用の飲料カプセル。

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