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2節 衣料の化学

 

◆合成繊維の分類

合成繊維は,人工的に重合反応を行わせて合成した鎖状高分子化合物を,繊維状にして取り出したものである。半合成繊維(アセテート),再生繊維(レーヨン等),無機繊維(ガラス繊維や金属繊維)等は普通合成繊維には含めず,まとめて人造繊維(化学繊維)という。合成繊維は,原料により次の様に分けられる。

ポリアミド系;ナイロン

ポリエステル系;デークロン,テリレン,テトロン

ポリビニルアルコール系;ビニロン

ポリ塩化ビニル系;ロービル,デビロン

ポリ塩化ビニリデン系;サラン,クレハロン

アクリル系;オーロン,アクリラン,クレスラン,ボンネル,カシミロン

ポリオレフイン系;ポリエチレン,ポリプロピレン

フルオロカーボン系;テフロン

ポリウレタン系;スパンデックス

 

合成繊維の製造

低分子化合物を原料として化学的に合成された高分子物質を繊維化したもので,化学繊維の一種である。天然繊維とは異なり,繊維の長さ,太さ,断面形状から官能基の種類等の物理的・化学的性質を人為的に変えられるので超高強力繊維,耐熱性繊維,光学繊維等自然界にはない新しい機能をもつ繊維もつくられ,その種類も極めて多彩になってきている。合成繊維の生産量の多くはポリエステル,アクリル,ナイロンで占められ,三大合成繊維といわれている。これらのうち,ポリエステルは適度のこしと混紡性のよさ,アクリルは共重合による改質の多様性と嵩高性,ナイロンは適度の弾性と弾性回復率が特徴である。その他,ビニロンは吸湿性,ビニリデンは重さと難燃性,ポリウレタンはその大きな弾性等の特徴がある。

紡糸技術は著しく進歩し,ポリエステル繊維の紡糸速度は1950年代には1000m/分だったが,1985年頃には50006000m/分の高速紡糸が可能となった。また,非常に細い繊維(超極細繊維;ファインデニール繊維)もできる様になり,眼鏡拭き用クロス等特殊な用途で用いられている他,合成繊維につきまとう人工的な冷たさをぬぐう為に,制御されたばらつきを加味して暖かみを帯びた繊維にしたり,繊維の断面を三角形にし外観や性能をできるだけ絹に近づけたポリエステル繊維(シルクライク繊維)を開発したり,中空で多孔性の為汗を吸い易い吸汗性繊維もつくられる等,様々な繊維が紡糸技術の発展により開発されている。

 

◆綿の断面

木綿はセルロース分子からなり,その平均分子量は3050万の天然高分子化合物である。セルロースはβ-グルコースが1,4-グリコシド結合した長鎖状の多糖類であり,セルロース分子が多数集合したミクロフィブリルが,更に並んで繊維をつくっている。乾燥植物体中の主成分(3050)であり,最も豊富な生物資源で,ワタの繊維はその98%がセルロースである。

 

◆レーヨン

再生セルロースからなる人造繊維をレーヨンという。ビスコースレーヨンのみを指していう事もある。現在,ビスコースレーヨン,キュプラがある。

(1) ビスコースレーヨン  木材パルプを原料とする。濃アルカリでアルカリセルロースとし,これに二硫化炭素を加え,セルロースキサントゲン酸ナトリウムとする。これは,アルカリ水溶液に可溶であり,希NaOH水溶液で溶かすと赤橙色のコロイド溶液(ビスコース)になる。

(C6H10O5) n nNaOH ―→ (C6H9O4ONa)n nH2O

(C6H9O4ONa)n nCS2 ―→ (C6H9O4OCS2Na)n

ビスコースは熟成中に分解し,再びセルロースになる,これを紡糸して後処理を行い,レーヨン糸とする。重合度は約300である。

(2) キュプラ 銅アンモニア法でつくられるレーヨンで,銅アンモニアレーヨンともいう。商品名はベンベルグという。原料はコットンリンター又は木材パルプである。製造法は次の通りで,まず,塩基性硫酸銅(II)に濃アンモニア水を加え銅アンモニア液をつくり,原料セルロースを加える。

Cu(OH)24NH3 ―→ [Cu(NH3)4] (OH)2

2(C6H10O5) n n [Cu(NH3)4] (OH)2  [(C6H9O5)2[Cu(NH3)4]]n 2nH2O

[(C6H9O5)2[Cu(NH3)4]]n n [Cu(NH3)4] (OH)2

 [ [(C6H8O5)2Cu] [Cu(NH3)4]]n 4nNH3 2nH2O

更にNaOH水溶液を加え,セルロースを完全に溶解し,紡糸原液とする。これを紡糸し,硫酸で元のセルロースにする。

 

◆セロハン

セロハンは,ビスコースより得られる再生セルロースフイルムである。1908年,スイス人Brandenbergerにより発明された。グリセリン1020%を含み,フイルムの厚さは0.020.04mm。透明性がよく,水蒸気をよく通すが,ビニル樹脂等を塗布した防湿セロハンは水蒸気を通さない。セロハンは,包装材料や半透膜として用いられる。粘着剤を塗布したものはセロハンテープ(セロテープ)として使わている。尚,キュプラをフィルムにしたものはキュプロファンと呼ばれている。

 

シュワイツァー試薬とキュプラ

1857年,シュワイツァーによりキュプラ(銅アンモニアレーヨン)がつくり出され,1919年,ベンベルグ社によってキュプラが工業化された。銅(U)イオンのアンミン錯体[Cu(NH3)4](OH)2の溶液をシュワイツァー試薬という。熱した硫酸銅(U)水溶液に炭酸ナトリウム水溶液を加えてできる沈殿CuSO4 · 3Cu(OH)2を集め,メチルレッドが黄変する迄アンモニア水に溶かし,水酸化ナトリウム水溶液を加えてつくる。深紫青色。セルロースを溶かす性質がある。実用的には安定剤としてグルコースを加える事がある。

この液に木綿リンター或いは高a木材パルプ等の原料セルロースを溶かし,更に水酸化ナトリウム溶液を加えてセルロースを完全に溶かす。この紡糸原液を凝固浴の水中に繊維状に押し出し,更に30℃の希硫酸浴中に通し,脱銅再生してキュプラとする。

 

◆アセテート

セルロースを酢酸エステルにしたアセチルセルロースを骨格とする繊維である。原料は木材パルプと無水酢酸で,まずトリアセテルセルロースをつくり,これを一部加水分解し(重合度180230,酢化度約55)アセトンに溶かし,乾式紡糸する。

[C6H7O2(OH)3] n 3n (CH3CO)2O [C6H7O2(OCOCH3)3] n 3nCH3COOH

[C6H7O2(OCOCH3)3] n (3x) nH2O

[C6H7O2(OCOCH3) x (OH)3-x] n (3x) nCH3COOH

アセチルセルロースは,プラスチックやフイルム等として使用される。

 

ナイロン

ナイロンは,ポリアミド系合成繊維を総称する語として用いられている。アジピン酸とヘキサメチレンジアミンからつくられる6,6-ナイロンの他,ε-カプロラクタムから得られる6-ナイロンや,その他6,10-ナイロン,11-ナイロン,9-ナイロン,4-ナイロン等がある。

ナイロンの命名は,H2N(CH2)mNH2HOOC(CH2)n-2COOHから合成されるものをm,n-ナイロン,H2N(CH2)n-1COOH

HN(CH2)n1CO

から合成されるものをn-ナイロンと呼んでいる。

ナイロンは摩擦に対する耐久性が大きく,希酸や塩基等の薬品にも侵され難いので,靴下・衣服・漁網・化学工業のろ布等広く使われている。

6,6-ナイロンを初めて合成したのは,アメリカのカロザースの研究チームで1935年,その後ドイツでは1940年に6-ナイロン(パーロンL)と,6,6-ナイロン(パーロンT)を出し,日本では1941年に6-ナイロン(アラミン)を出している。

6,6-ナイロンの合成では,ヘキサメチレンジアミンとアジピン酸を水に入れて混合し,生じた水溶液に酢酸少量を加える。これを釜に仕込み不活性ガスを満たして熱する。生じた水蒸気は圧力を調節しながら逃がし,280°Cで重合させる。冷却後,ポリマーをペレットとする。6,6-ナイロンは265°Cで溶融するので,溶融紡糸で繊維とする。

6-ナイロンの合成では,カプロラクタムを溶融し,これに少量の水等を加えて熱し,重合させる。6-ナイロンの融点は220230°Cで,溶融紡糸で繊維とする。

 

ポリエステル

ポリエチレンテレフタラートが,ポリエステルの主なものである。これは,テトロン(日本),テリレン(イギリス),ダクロン(アメリカ)等と呼ばれ,初期弾性が高く,吸水率が0.4以下で非常に低い。この繊維は,衣料品として多量に市販されている。

ポリエステルの合成は,通常2段階で行われる。まず,加圧下で熱し,ビス-b-ヒドロキシエチルテレフタレート(BHET)をつくる。

HOOC-C6H4-COOH 2HOCH2CH2OH

HO(CH2)2O2C-C6H4-CO2(CH2)2OH 2H2O

次にBHETを高温・減圧下で縮重合させて,ポリエチレンテレフタラートを得る。

nHO(CH2)2O2C-C6H4-CO2(CH2)2OH

HO(CH2)2O2C-C6H4-COnO(CH2)2OH(n1)HO(CH2)2OH

BHETをつくるとき,原料としてテレフタル酸ジメチルo-C6H4(CO2CH3)2を用いる方法もある。この場合は,常圧で数時間熱する。

H3CO2C-C6H4-CO2CH3 2HO(CH2)2OH

HO(CH2)O2C-C6H4-CO2(CH2)2OH 2CH3OH

 

◆アクリル繊維

アクリロニトリルCH2=CHCNは極めて重合し易い物質である。ポリアクリロニトリルをジメチルホルムアミドに溶解して紡糸したものがオーロン(アメリカ)である。塩化ビニル5660%にアクリロニトリル4440%を加えて共重合させ,これをアセトンに溶かして紡糸したものはダイネル(アメリカ)と呼ばれている。カネカロンも両者の共重合繊維である。アクリロニトリルと少量のビニルピリジンまたはビニルアミンとを共重合させて,染色性をよくしたエクスランというものもある。

 

●炭素繊維

有機高分子繊維を8003000℃の一連の段階的加熱処理をして得られた繊維。炭素繊維は,炭素材料としての性質と繊維としての性質を兼ね備えている。性質の特徴を要約すると,@軽い,A細く,長く,しなやか,B引っ張り強さ及び引っ張り弾性率が高い,C潤滑性,耐摩耗性が優れている,D熱膨張係数が小さく,寸法の安定性が高い,E極低温での熱伝導率が小さい,F耐熱性が高い,G導電性である,HX線の透過性が良好である,I化学的に安定で,酸・塩基や各種溶媒に侵されない,等が挙げられる。@〜Cの性質を利用して,飛行機の二次構造材,ロケット,ヘリコプター,ゴルフクラブ,ラケット類,パワーボート,釣竿,洋弓等,D〜Fの性質から宇宙機器,ロケット,ベアリング類等,Gの性質から事務機器,電波遮へい,除電TVアンテナ等,Hの性質からX線医療機器等,Iの性質から化学バルブ等に実用化されている。現在研究開発段階にあるものとして,飛行機の一次構造材,宇宙ステーションビーム材,リニアモーターカー,自動車板ばね,駆動軸,産業ロボット,遠心分離機,風車ブレード,楽器,二次電池,燃料電池,海洋エネルギー機器等がある。

 

◆ビニロン

わが国で開発された合成繊維である。量産当初,酢酸ビニルCH2=CHOCOCH3は,アセチレンに酢酸を付加させてつくった。これを付加重合させると,ポリ酢酸ビニルという鎖状高分子ができる。これを酸またはアルカリで加水分解して酢酸基を除き,ポリビニルアルコール(ポバール)に変えた後,水に溶かして紡糸口から硫酸ナトリウムの水溶液中に押し出すと繊維になる。しかし,このままでは水に弱いので熱処理し,更にホルマリンで表面を処理したものがビニロンである。

ビニロンは,ポリビニルアルコールを主原料としてつくられる合成繊維の一般名である。ポリビニルアルコールは1924年にドイツで発見されているが,これを合成繊維に大成したのは日本の桜田一郎氏を中心とする研究陣であって,1939年の事である。当時この合成繊維の事を合成一号やカネビアンと呼んでいたが,1948年にビニロンと称する事になった。これを最初の量産に移したのはクラレ(倉敷レイヨン)で,1950年ごろから市場に出る様になった。

ビニロンは長い繊維のままで漁網や織物に用いられ,又は短く切って他の繊維と混ぜて糸に紡ぎ,衣料に用いられる。

 

◆ジアゾ化

芳香族第一級アミンと亜硝酸の反応により,-N2を持つジアゾ化合物をつくる反応をいう。アミンを塩の形,または薄い酸に溶かして懸濁し,亜硝酸ナトリウムを加えて冷やしながら反応させるのが一般的な方法である。

RNH2 NaNO2 2H RN2 Na 2H2O

 

アゾ化合物

アゾ基-NN-をもつ化合物をいう。アゾ化合物はアゾベンゼンの誘導体が多い。アゾ基は強力な発色団であり,アゾ化合物は,黄橙,赤等の色を持っている。普通の芳香族アゾ化合物は全て結晶である。-NH2-OH-SO3H等の置換基をもつアゾ化合物はアゾ染料として使われている。

メチルオレンジは,酸性ではHが付加し変色し,赤色となる。

メチルオレンジの発色はアゾ基によるものだが,酸性ではベンゼン環がキノン構造をとり,赤色となる。この様に発色の原因となる基を発色団といい,発色団は特有の波長の光を吸収して,その補色が現れる。食品用のアゾ色素を以下に示す。

 

カップリング(ジアゾカップリング)

芳香族ジアゾニウム化合物R-N2X-が,ある種の化合物H-R¢と容易に反応してアゾ化合物R-N=N-R¢を生じる時,この反応をカップリング又はジアゾカップリングという。

R-N2 H-R¢  R-N=N-R H

ジアゾ化合物をつくるアミンR-NH2をジアゾ成分,カップリングされる化合物H-Rをカップリング成分という。カップリング試薬には,芳香族アミン,芳香族オキシ化合物等がある。

 

◆セッケンの製造

セッケンは,広義には脂肪酸の金属塩の総称だが,普通,ナトリウムやカリウムのアルカリ金属塩をさし,その他のものは金属セッケンと呼んで区別されている。また,アルカリセッケンは,硬セッケンと軟セッケンに区別される。

硬セッケンの製造は,大別すれば次の2種類がある。

(1) 油脂に水酸化ナトリウム溶液を加え,けん化釜で長時間加熱してけん化させ,食塩水で塩析する。

(2) 油脂を過熱水蒸気で加水分解して脂肪酸とグリセリンに分離し,脂肪酸に水酸化ナトリウム溶液を加えて中和する。

得られたセッケンは,乾燥後,香料・着色料・ビルダー等と混合され,成型,型打ちされて製品となる。

 

◆脂肪族化合物の反応

セッケン水中では,油分(汚れ)に多数のセッケン分子が親油性部分で結びつく。繊維に付着した汚れは,セツケン分子に取り囲まれ,微少な油滴となり繊維から離れて水中に分散する。この様な乳化が起こり,結果として繊維の汚れが取れて洗浄される。

 

乳化作用

極性のある水分子と無極性の油分子とは混じり合わないが,これらも分子中に親水性の基と疎水性の基とを合わせもつ物質,即ち両親媒性の物質を加える事によって,混合させる事ができる。この物質を乳化剤という。

例えば,分子中に極性の強い親水性のカルボキシル基-COOHと,無極性の疎水性のアルキル基-CnH2n1をもつセッケンCnH2n1COONaがその例である。

水と油とを入れた容器にセッケン水を加えて激しく振ると,何個かのセッケン分子が油の小滴を中心にして,疎水性の基を内側,親水性の基を外側にして球状に集合し,コロイド粒子となり,この粒子が水の中に分散する。これが乳化である。

 

合成洗剤

セッケン以外の洗剤を合成洗剤という。合成洗剤には主に陰イオン界面活性剤が用いられ,これにビルダーや螢光増白剤の添加剤が配合されている。ビルダーは,洗剤の性能を著しく向上させる作用をもつ物質で,かつてはトリポリリン酸ナトリウムが用いられていた。しかし,ビルダーのリン酸化合物は,湖沼の富栄養化を促進するので,その配合率が次第に低下し,ゼオライトが用いられる様になった。

合成洗剤に用いられる界面活性剤には,アルカリベンゼンスルホン酸塩,アルカンスルホン酸塩,α-オレフィンスルホン酸塩,硫酸アルキル(ポリオキシエチレン)塩,アルキルポリオキシエチレンエーテル等がある。

日本の界面活性剤生産の過半数が家庭用合成洗剤に用いられる。1960年代以後,合成洗剤による水質汚濁が問題となり,特に多量に用いられていたアルキルベンゼンスルホン酸ABSが問題となった。ABS0.01ppmで藻類や硝化菌,15ppmで大腸菌を死滅させる有毒な物質で,安定で分解し難く,510ppmで飲み水に異様な味臭を与える。ABSの微生物分解が多く研究され,従来の枝のあるアルキル基(ハード型)に対して,分解がより容易な直鎖型(ソフト型)ABS(LAS)が,その後用いられる様になった。

 

参考 界面活性剤

2相間の界面張力が,少量の物質の溶解で大きく低下する事を界面活性といい,界面活性を示す物質を界面活性剤という。界面活性剤は,その構造により次の(1)(3)の様に分類される。水に溶けて電離するものをイオン活性剤といい,セッケンと同様の仕組みで働く。水に溶けて電離しないものを非イオン活性剤といい,-OH基等が親水基として働く。非イオン活性剤は,他の活性剤と混合して使用でき,疎水基の変化に応じて親水基の強弱を自由に変えられるので,利用範囲も広い。

(1) アニオン活性剤

@ セッケン類 RCOO-M   ()アルカリセッケン,金属セッケン

A 硫酸化物  ROSO3-M   ()ロート油,高級アルコールの硫酸エステル

B スルホン化物 RSO3-M ()脂肪族スルホン化物,アルキルアリルスルホン化物,芳香族スルホン化物

(2) カチオン活性剤

RAA2A3H,アルキル基,

芳香族炭化水素基等

X-Cl-Br-I-

 

() 高級脂肪族アミン,ジアミン誘導体,第四級アンモニウム塩

(3) 非イオン活性剤

@ エステル型 CH2(OH)CH(OH)CH2OOCR

A エーテル型 RCH2O(CH2CH2O)nH

また,界面活性剤の用途としては,(1) 洗浄剤,(2) 湿潤剤,浸透剤,

(3) 分散剤,凝集剤,(4) 乳化剤,乳化破壊剤,(5) 可溶化剤,

(6) 起泡剤,消泡剤,(7) 平滑剤,減摩剤,柔軟剤,帯電防止剤,撥水剤,

(8) 殺菌剤,(9) 防錆剤,等

 








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