スパンデックス
スパンデックスは、スポーツウェアなどの伸縮性のある衣類の製造に使用される軽量の合成繊維です。ポリウレタンと呼ばれる長鎖ポリマーで構成されており、ポリエステルとジイソシアネートを反応させて製造されます。ポリマーは、乾式紡糸技術を使用して繊維に変換されます。 1950年代初頭に最初に製造されたスパンデックスは、当初、ゴムの代替品として開発されました。スパンデックスの市場は綿やナイロンなどの他の繊維に比べて比較的小さいままですが、スパンデックスの新しい用途が絶えず発見されています。
背景
スパンデックスは合成ポリマーです。化学的には、長鎖ポリグリコールと短ジイソシアネートを組み合わせたもので、少なくとも85％のポリウレタンが含まれています。エラストマーですので、ある程度伸ばすことができ、離すと反動します。これらの繊維は、より強く、より軽く、より用途が広いため、ゴムよりも優れています。実際、スパンデックス繊維はその長さのほぼ500％まで伸ばすことができます。
スパンデックス繊維のこの独特の弾性特性は、材料の化学組成の直接的な結果です。繊維は多数のポリマーストランドで構成されています。これらのストランドは、長いアモルファスセグメントと短い剛性セグメントの2種類のセグメントで構成されています。それらの自然な状態では、アモルファスセグメントはランダムな分子構造を持っています。それらは混ざり合い、繊維を柔らかくします。ポリマーの剛性部分のいくつかは互いに結合し、繊維構造を与えます。繊維を伸ばすために力が加えられると、剛性セクション間の結合が切断され、アモルファスセグメントがまっすぐになります。これにより、アモルファスセグメントが長くなり、ファイバーの長さが長くなります。繊維が最大長まで伸ばされると、剛性セグメントは再び互いに結合します。アモルファスセグメントは細長い状態のままです。これにより、繊維がより硬く、より強くなります。力が取り除かれた後、アモルファスセグメントは反動し、繊維は弛緩状態に戻ります。スパンデックス繊維の弾性特性を使用することにより、科学者は望ましい伸縮性と強度特性を備えた生地を作成できます。
スパンデックス繊維の主な用途は布地です。それらは多くの理由で役立ちます。まず、繰り返し伸ばすことができ、ほぼ正確に元のサイズと形状に戻ります。第二に、それらは軽量で柔らかく、滑らかです。さらに、それらは簡単に染められます。また、摩耗やボディオイル、汗、洗剤の悪影響に強いため、弾力性もあります。それらは他の材料と互換性があり、他の種類の繊維と紡糸して、両方の繊維の特性を備えた独特の布を製造することができます。
スパンデックスは、さまざまな種類の衣類に使用されています。軽量で動きを制限しないため、アスレチックウェアで最もよく使用されます。これには、水着、自転車のズボン、運動着などの衣服が含まれます。スパンデックスのフォームフィット特性は、下着での使用に適しています。そのため、ウエストバンド、サポートホース、ブラ、ブリーフに使用されています。
歴史
スパンデックスの開発は第二次世界大戦中に開始されました。このとき、化学者はゴムの合成代替品の開発に挑戦しました。 2つの主要な動機付け要因が彼らの研究を促しました。第一に、戦争努力は、設備を構築するために利用可能なゴムのほとんどを必要としました。第二に、ゴムの価格は不安定で、頻繁に変動しました。ゴムの代替品を開発することで、これらの問題の両方を解決できる可能性があります。
当初、彼らの目標は、合成ポリマーをベースにした耐久性のある弾性ストランドを開発することでした。 1940年に、最初のポリウレタンエラストマーが製造されました。これらのポリマーは、ゴムの適切な代替品である粉砕可能なガムを生成しました。同じ頃、デュポンの科学者たちは最初のナイロンポリマーを製造しました。これらの初期のナイロンポリマーは硬くて硬いため、より弾力性のあるものにするための取り組みが開始されました。科学者たちは、他のポリウレタンを細い糸にできることを発見したとき、これらの材料がより伸縮性のあるナイロンの製造や軽量の衣服の製造に役立つ可能性があると判断しました。
最初のスパンデックス繊維は、高分子化学の初期のパイオニアの1人であるFarbenfabrikenBayerによって実験レベルで製造されました。彼は1952年に彼の合成でドイツの特許を取得しました。繊維の最終的な開発は、デュポン家と米国ラバーカンパニーの科学者によって独自に行われました。デュポンはブランド名ライクラを使用し、1962年に本格的な製造を開始しました。現在、スパンデックス繊維の製造で世界をリードしています。
原材料
伸縮性のあるスパンデックス繊維の製造には、さまざまな原材料が使用されています。これには、繊維の骨格を生成するプレポリマー、ポリマーの完全性を保護する安定剤、および着色剤が含まれます。
2種類のプレポリマーが反応して、スパンデックス繊維ポリマーのバックボーンが生成されます。 1つは柔軟なマクログリコールで、もう1つは硬いジイソシアネートです。マクログリコールは、ポリエステル、ポリエーテル、ポリカーボネート、ポリカプロラクトン、またはこれらのいくつかの組み合わせであり得る。これらは長鎖ポリマーであり、両端にヒドロキシル基（-OH）があります。これらの分子の重要な特徴は、それらが長くて柔軟であることです。スパンデックス繊維のこの部分は、その伸縮特性に関与しています。スパンデックスを製造するために使用される他のプレポリマーは、高分子ジイソシアネートです。これは短鎖ポリマーで、両端にイソシアネート（-NCO）基があります。この分子の主な特徴は、その剛性です。繊維では、この分子が強度を提供します。
1890年にニューヨーク市のジェイコブキンドリマンによって設計されたコルセット。 （ミシガン州ディアボーンのヘンリーフォード博物館とグリーンフィールドビレッジのコレクションから。）
このコルセットで覆われた胴体は、1890年にニューヨーク市のジェイコブキンドリマンによって製造されました。コルセット職人であるキンドリマンは、宣伝する必要がほとんどありませんでした。当時、女性はコルセットを着用する必要があると考え、20世紀初頭までコルセットなしで下品な服装をしていると考えていました。コルセットは、オールインワンの衣服にブラジャーとガードルのウエストを組み合わせたニッパーで、ファッショナブルなドレスの土台の形を形成していました。
スパンデックスの前の数日間、コルセットはどのように効果的に体の輪郭を描きましたか？ 18世紀、衣服がしっかりとひもで締められたとき、コルセットの厚いキルティングと丈夫な縫い目が体を形作りました。 19世紀初頭、ヒゲクジラの口から出てきた骨のあるが曲がる物質であるヒゲクジラがコルセットの継ぎ目に縫い付けられました（したがって、クジラのコルセットと呼ばれます）が、このような1800年代後半のコルセットは小さく薄いストリップで補強されていました。布で覆われた鋼の。そのような鋼で覆われたコルセットは、動きや快適さを許しませんでした。第一次世界大戦までに、アメリカの女性はコルセットの一部を2つの衣服に分け始めました。ガードル（ウエストとヒップのシェイパー）とバンドー（胸を支えて形作るために使用される柔らかいバンド）です。
ナンシー EVブリック
2種類のプレポリマーを混合すると、相互作用してスパンデックス繊維を形成します。この反応では、ヒドロキシル 
乾式紡績プロセス。 マクログリコールの基（-OH）はイソシアネートと反応します。各分子が別の分子の末端に付加され、長鎖ポリマーが形成されます。これは、逐次重合または付加重合として知られています。この反応を開始するには、ジアゾビシクロ[2.2.2]オクタンなどの触媒を使用する必要があります。繊維の分子量を制御するために、他の低分子量アミンが追加されます。
スパンデックス繊維は、熱、軽い大気汚染物質、塩素など、さまざまな原因による損傷を受けやすくなっています。このため、繊維を保護するために安定剤が添加されています。酸化防止剤は安定剤の一種です。
モノマーおよびポリマーのヒンダードフェノールを含む、さまざまな酸化防止剤が繊維に添加されます。光の劣化を防ぐために、ヒドロキシベンゾトリアゾールなどの紫外線（UV）スクリーナーが追加されています。大気汚染物質によって引き起こされる繊維の変色を抑制する化合物は、添加される別のタイプの安定剤です。これらは通常、大気汚染で窒素酸化物と相互作用する可能性のある第三級アミン官能基を持つ化合物です。スパンデックスは水着によく使われるので、防湿剤 
ウェットスピニングプロセス。添加剤も追加する必要があります。スパンデックス繊維に添加されるすべての安定剤は、繊維に損傷を与える可能性があるため、溶剤への暴露に耐えるように設計されています。
それらが最初に製造されたとき、スパンデックス繊維は白です。したがって、美的外観を改善するために着色剤が添加されます。通常、分散染料と酸性染料が使用されます。スパンデックス繊維がナイロンやポリエステルなどの他の繊維と織り合わされている場合は、特別な染色方法が必要です。
製造
プロセス
スパンデックス繊維は、溶融押出、反応紡糸、溶液乾式紡糸、および溶液湿式紡糸を含む4つの異なる方法で製造されます。これらの各方法には、モノマーを反応させてプレポリマーを生成する最初のステップが含まれます。次に、プレポリマーはさまざまな方法でさらに反応し、引き出されて長繊維を生成します。溶液乾式紡糸は、世界のスパンデックス繊維の90％以上を生産するために使用されているため、説明されています。
ポリマー反応
- 1スパンデックスの製造における最初のステップは、プレポリマーの製造です。これは、マクログリコールをジイソシアネートモノマーと混合することによって行われます。化合物は反応容器内で混合され、適切な条件下で反応してプレポリマーを形成します。構成材料の比率により、特性の異なる繊維が生成されるため、厳密に管理されています。グリコールとジイソシアネートの典型的な比率は1：2である可能性があります。
- 2乾式紡糸繊維の製造では、プレポリマーはさらに等量のジアミンと反応します。これは鎖延長反応として知られています。得られた溶液を溶媒で希釈して、紡糸溶液を生成する。溶媒は、溶液をより薄くし、より扱いやすくするのに役立ちます。その後、繊維生産セルにポンプで送ることができます。
繊維の製造
- 3紡糸液は円筒形の紡糸セルにポンプで送られ、そこで硬化されて繊維に変換されます。このセルでは、ポリマー溶液は、全体に小さな穴がある紡糸口金と呼ばれる金属板に押し込まれます。これにより、溶液が液体ポリマーのストランドに整列します。ストランドがセルを通過するときに、窒素と溶媒ガスの存在下でストランドが加熱されます。これらの条件により、液体ポリマーが化学的に反応し、固体ストランドを形成します。
- 4繊維がセルを出るときに、特定の量の固体ストランドが束ねられて、目的の太さが生成されます。これは、繊維を撚り合わせる圧縮空気装置を使用して行われます。実際には、スパンデックスの各繊維は、表面の自然な粘着性のために互いに接着する多くの小さな個々の繊維で構成されています。
最終処理
- 5次に、繊維を仕上げ剤で処理します。これは、ステアリン酸マグネシウムまたはポリ（ジメチルシロキサン）などの別のポリマーである可能性があります。これらの仕上げ材は、繊維が互いにくっつくのを防ぎ、繊維製造を支援します。この処理の後、繊維は一連のローラーを介してスプールに移されます。プロセス全体の巻き上げ速度は、繊維の太さに応じて、毎分300〜500マイル（482.7〜804.5 km）の範囲になります。
- 6スプールに繊維が充填されると、最終的なパッケージに入れられ、繊維メーカーやその他の顧客に出荷されます。ここで、繊維は、綿やナイロンなどの他の繊維と織られて、衣料品の製造に使用される布を製造することができる。この生地はまた、希望の色を生成するために染色することができます。
品質管理
スパンデックス繊維の品質を確保するために、メーカーは生産の各段階で製品を監視しています。検査は、入ってくる原材料の評価から始まります。さまざまな化学的および物理的特性がテストされます。例えば、ジイソシアネートのｐＨ、比重、および粘度をチェックすることができる。さらに、外観、色、および臭いも評価できます。出発材料に厳格な品質管理チェックを行うことによってのみ、製造業者は一貫した最終製品を確実に生産できるようになります。製造後、スパンデックス繊維もテストされます。これらのテストには、繊維の弾力性、弾力性、吸収性を評価するテストが含まれる場合があります。
未来
スパンデックス繊維の品質は、最初に開発されて以来、継続的に改善されてきました。さまざまな研究分野が、その改善を継続するのに役立ちます。たとえば、科学者は、出発プレポリマーを変更することにより、さらに優れた伸縮特性を持つ繊維を開発できることを発見しました。他の特性は、さまざまなプレポリマー比、より優れた触媒、およびさまざまなフィラーを使用することで改善できます。スパンデックス繊維の改良に加えて、従来の繊維にスパンデックス繊維を組み込んだ高度な繊維が生産される可能性があります。現在、ナイロン/スパンデックス繊維のブレンドが利用可能です。最後に、製造の改善も発見されます。これらは、繊維をより速く、より効率的に生産することに焦点を当てます。
製造プロセス