JP4024006B2 - 繊維集合体の成形方法および前記繊維集合体の成形装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の繊維からなる繊維体を加工することで形成される繊維集合体に関し、特に低密度でかつ厚みの厚い繊維集合体、その成形方法および成形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、繊維集合体の成形方法としては、大きく分けてニードルパンチング法と熱成形法とが一般に用いられている。これらの方法は、独立して用いられる場合もあるし、組み合わせて用いられる場合もある。
【０００３】
以下に、上記二つの方法について簡単に説明する。
【０００４】
（１）ニードルパンチング法ニードルパンチング法とは、繊維材料の積層体をフェルティング針と呼ばれる針を使ってニードルパンチング機械で串刺しにし、繊維同士を絡み合わせてシート状の繊維集合体を連続的に作製する手法である。
【０００５】
（２）熱成形法熱成形法とは、融点の異なる複数種の繊維材料の積層体に所望の熱を加え相対的に融点の低い繊維（接着材）を溶融させ、これにより、相対的に融点の高い繊維（骨格材）同士の交点を固定して、繊維集合体を得る方法である。つまり、熱成形法においては、相対的に融点の高い繊維で骨格を構成し、相対的に融点の低い繊維は接着剤としての機能を有する。さらにこの熱成形方法には、代表的な方法として、熱風コンベア炉式と呼ばれ、繊維積層体を熱風コンベア炉に連続的に供給して繊維集合体を連続的に成形する方法や、型成形式と呼ばれ、所望の大きさの型内に繊維積層体を詰め込んで加熱し所望の大きさ（形状／サイズ）の繊維集合体をバッチ式に得る方法がある。
【０００６】
以下に、上記二つの方法についてさらに説明する。
【０００７】
（２−ａ）熱風コンベア炉式
図１０は、熱成形法に用いられる従来の熱風コンベア炉の概略断面図である。図１０に示すように、この熱風コンベア炉５００は、図示右方から供給される繊維積層体６００を上下方向（繊維積層方向）から挟んで図示左方へ移送させるための、上下方向に所定の間隔をあけて対向配置された一対のメッシュベルト５１０，５２０を有する。繊維積層体６００は、カード機（不図示）あるいはクロスレイヤー機（不図示）等で作製され繊維方向が略揃ったウェブを積層したものであり、その用途に応じて所望の目付け（単位面積当たりの重量）となっている。また、繊維積層体６００は、融点の異なる複数種の繊維材料から構成されている。
【０００８】
メッシュベルト５１０，５２０の間隔ｈは、成形すべき繊維集合体６５０の厚みと略等しく、必要に応じて自由に設定可能である。熱風コンベア炉５００に供給される繊維積層体６００の厚みＨは、メッシュベルト５１０，５２０の間隔ｈよりも大きく、熱風コンベア炉５００内に供給された繊維積層体５００は、メッシュベルト５１０，５２０により厚さｈまで一気に圧縮され、圧縮された状態で加熱成形され、繊維集合体６５０となる。
【０００９】
繊維積層体６００の加熱成形のために、熱風コンベア炉５００内には、熱風を吹き出す送風チャンバ５３０と、送風チャンバ５３０から送風された熱風を吸い込む受風チャンバ５４０とが設けられている。送風チャンバ５３０は、熱風コンベア炉５００内を移送される繊維積層体６００の上方に配置され、給気口５３１から吹き出された熱風を、複数の開口５３２を通って繊維積層体６００に吹き付ける構成となっている。受風チャンバ５４０は、繊維積層体６００の下方に配置され、繊維積層体６００を通過した熱風を、複数の開口５４２を介して吸引し、吸引口５４１から外部に排気する構成となっている。
【００１０】
熱風コンベア炉５００内に導入された繊維積層体６００は、送風チャンバ５３０から吹き付けられる熱風により所望の温度まで加熱される。繊維積層体６００は前述の通り、融点の異なる複数種の繊維材料から構成されているので、熱風の温度を相対的に融点の低い繊維の融点より高く、相対的に融点の高い繊維の融点より低い温度に設定することで、相対的に融点の低い繊維を溶融させ、相対的に融点の高い繊維同士の交点を接着材（相対的に融点の低い繊維）により固定して、所望の厚みの繊維集合体が得られる。
【００１１】
（２−ｂ）型成形式
図１１は、従来の型成形式による繊維集合体の成形方法を説明する図である。
【００１２】
繊維積層体６１０は、熱風コンベア炉式で用いたものと同様の繊維積層体をブロック状に切り出したものであり、図１１（ａ）に示すように、ある一方向に略揃った繊維方向ａを有し、繊維方向ａと直交する方向に積層方向ｂを有するものとする。この繊維積層体６１０をアルミ製の型７００に挿入し、図１１（ｂ）、（ｃ）に示すように、蓋７１０をする。この状態では、繊維積層体６１０は、積層方向ｂに圧縮されて型７００内に詰め込まれている。そして、この状態で型７００を前述の温度で加熱することにより、ブロック状の繊維集合体を得ることができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の繊維集合体の作製方法には、それぞれ以下に述べるような課題がある。
【００１４】
（１）ニードルパンチング法
ニードルパンチング法では、繊維をフェルティング針で物理的に絡ませるため、得られる繊維集合体は、繊維密度が高く、硬さが硬く、しかも厚みの薄いシート状の繊維集合体となってしまう。従って、繊維密度が低く、柔らかく、厚い繊維集合体を得ることが困難であった。
【００１５】
（２−ａ）熱風コンベア炉式
熱風コンベア炉式では、繊維積層体の上方から熱風を吹き付けているため、下方よりも上方の繊維のほうが軟化し易く、しかも、繊維の自重と上方より吹き付ける熱風の風圧によって繊維積層体が潰されてしまうため、下方の繊維密度よりも上方の繊維密度が高くなり、全体として均一な繊維集合体を得ることが困難であった。この問題を回避するためには、熱風の風速を小さくすればよいが、熱風の風速を小さくすると熱風が繊維積層体を通過することができなくなってしまい、繊維積層体の下方がほとんど加熱されないという問題が生じてしまう。
【００１６】
従って、熱コンベア炉式でもニードルパンチング法と同様に、相対的に繊維密度が高く、硬い、シート状の薄物繊維集合体は容易に得られるが、繊維密度が低く、柔らかく、厚い均一な繊維集合体を得ることは困難であった。また、繊維積層体はメッシュコンベアによって圧縮されつつ加熱されるので、繊維集合体の表層にメッシュコンベアの跡（凹凸形状）が転写されてしまうという課題もあった。
【００１７】
（２−ｂ）型成形式
型成形式によって繊維集合体を成形する場合の課題について図１２を参照して説明する。図１２は、型成形式による繊維集合体の製造の際の、型の内部の状態を示す図である。
【００１８】
繊維積層体６１０が詰め込まれ、蓋７１０により内部が密閉された型７００を加熱し始めると、図１２（ａ）に示すように、繊維積層体６１０は、その周辺部から徐々に重力方向に沿って潰れてくる。これは、繊維積層体６１０を構成する繊維が、ポリエチレン（ＰＥ）とポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）との混紡繊維の組み合わせのように、融点が大きく異なる場合には顕著ではないが、オレフィン材料のみから選択した場合には融点差が比較的少ないため、熱が型７００の周りから伝達されることで、熱の影響が繊維積層体６１０の周囲にまず現れるためである。
【００１９】
型７００を加熱し続けると、熱は繊維積層体６１０の内部まで伝わり、図１２（ｂ）に示すように、繊維積層体６１０は底面全体が潰れた状態となる。このとき繊維積層体６１０は、繊維密度状態が重力方向下方と上方とで異なっている。すなわち、繊維積層体６１０の下方側は自重の影響を受けるため繊維密度が高く、上方側は下方に比べて繊維密度が低い状態となる。その結果、繊維積層体６１０には高密度領域６１０ｂと低密度領域６１０ａとが存在し、不本意な密度勾配を生じてしまう。なお、図１２（ｂ）では、図示を簡略化するために、繊維積層体６１０を低密度領域６１０ａと高密度領域６１０ｂとの二つの領域に分けて図示したが、実際には低密度領域６１０ａから高密度領域６１０ｂへと連続した密度勾配が生じている。
【００２０】
以上述べたように従来の型成形式では、重力の影響による密度勾配が生じてしまうので、熱風コンベア炉式によるものと同様に、相対的に繊維密度が高く、硬い、シート状の繊維集合体は容易に得ることができるが、繊維密度が低く、柔らかく、厚い均一な繊維集合体を得ることが困難であった。
【００２１】
また、繊維積層体６１０の型７００に接触している面には溶融した繊維（接着材としての機能を有する、相対的に融点の低い繊維）が型７００の内面に沿って平面状に広がるので、内部に比べて開口率の低いスキン層が発生する。このスキン層は用途によっては不具合を発生するので、スキン層を剥離する工程が必要となり、さらに材料歩留まりも悪化するという課題もあった。
【００２２】
本発明の目的は、繊維密度が低く、均一で、しかも厚みの厚い繊維集合体を、特に同種の材料、融点差の少ない材料、または融点の低い材料を用いた場合に有効に成形可能な、繊維集合体の成形方法及び成形装置を提供することである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の繊維集合体の成形方法は、繊維体に加熱処理を施して繊維同士の一部を融着して構成される繊維集合体の成形方法において、下型の上に第１の通気性シートを配置し、該第１の通気性シート上に前記繊維体を載せ、前記第１の通気性シートに前記繊維体を構成する繊維が絡み合うことによって前記繊維体の姿勢を規制するとともに、前記繊維体に対して下方から熱風を通過させることで前記繊維体を重力に抗して前記下型から浮上させて、前記繊維体を構成する繊維の一部を溶融させる加熱工程と、前記熱風の送風を維持し、加熱されている前記繊維体の上下方向の厚みを所定の厚みに圧縮する圧縮工程と、圧縮された前記繊維体を冷却し、前記繊維の溶融した個所を固化する冷却工程と、を有することを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の繊維集合体の成形装置は、繊維体に加熱処理を施して繊維同士の一部を融着して構成される繊維集合体の成形装置であって、前記繊維体を載置する下型と、前記下型の下方から上方に吹き上げられる熱風を発生する熱風発生手段と、前記繊維体を前記下型側に向かって圧縮するように構成された上型と、を備え、前記下型の上に、第１の通気性シート、前記繊維体、および第２の通気性シートをこの順番で載せ、前記第１の通気性シートに前記繊維体を構成する繊維が絡み合うことによって前記繊維体の姿勢を規制しつつ、前記熱風発生手段によって発生した熱風を前記繊維体に対して下方から通過させることで、重力に抗して前記繊維体を前記下型から浮上させた状態で、前記繊維体を構成する繊維の一部を溶融させ、前記熱風の送風を維持した状態で、加熱されている前記繊維体の上下方向の厚みを前記上型によって所定の厚みに圧縮することを特徴とする。
【００２５】
本発明によれば、繊維体への加熱処理時に、繊維体の下から熱風を吹き上げることによって繊維体を浮上させ、浮上時には繊維体の姿勢を規制することで、繊維集合体の成形時に重力の影響が少なくなるので、低密度で均一、しかも厚みの厚い繊維集合体が容易に得られる。
【００２６】
特に、繊維体の上下に通気性シートを配することによって、繊維体の圧縮の際に繊維体を圧縮する部材の表面状態が転写されることによって生じるスキン層を防止することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２８】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による、繊維集合体を成形するための加熱炉の概略断面図である。
【００２９】
図１に示す加熱炉１０は、熱風を発生させる熱風発生ユニット１１を内部に有する。熱風発生ユニット１１は、加熱炉１０の下側に配されており、熱を発生する複数本の棒状のヒータ１２と、ヒータ１２の下方に配置されて上向きの気流を発生させる送風ファン１３と、ヒータ１２の上方に設けられたステンレス製の穴あきプレート１４とを有する。これにより、ヒータ１２で熱せられた加熱炉１０内の空気は、熱風となって送風ファン１３によって上方に吹き上げられ、さらに、穴あきプレート１４を通過することによって均一に拡散される。穴あきプレート１４を通過した熱風は、加熱炉１０の上壁に衝突した後、リターン通路１５を通って送風ファン１３に吸引され、再度、上方に吹き上げられて循環する。加熱炉１０内の温度は、不図示の制御手段によって一定に保たれている。
【００３０】
熱風発生ユニット１１の上方には、繊維積層体５０を上下方向から保持する型ユニット２０が配されている。型ユニット２０は、下型２１と上型２２とを有し、これら下型２１と上型２２とは、互いに独立して加熱炉１０に対して出し入れ自由な構成となっている。上型２２は、不図示の駆動手段により上下方向に移動可能に設けられた上型ガイド２６に支持されており、加熱炉１０内で上型２２を上下動させることができる。なお、図１の左半分は上型２２を上昇させた状態を示しており、右半分は上型２２を下降させた状態を示している。上型２２及び下型２１は、後述するように熱風を下方から上方へ通過させる必要があり、しかも、繊維積層体５０を圧縮しても変形しないことが必要であるので、本実施形態ではステンレス製の穴あきプレートを用いている。
【００３１】
ここで、繊維積層体５０について説明する。繊維積層体５０は、繊維方向が略そろったウェブが積層されたものであり、カード機（不図示）あるいはクロスレイヤー機（不図示）等により、用途に応じて所定の目付け量で作製され、所望の大きさに切り出されている。積層方向は、重力方向と平行であり、図１でいえば図面の上下方向である。繊維方向は、積層方向に対して略垂直方向であり、図１でいえば図面の左右方向または奥行き方向である。本実施形態では、繊維積層体５０としては、上記のようにカード機あるいはクロスレイヤー機等で作製された積層体シートを約１０００ｍｍ×約１０００ｍｍの略正方形に切り出したものを用いた。なお、本発明においては、繊維積層体５０は必ずしも方向性を有する積層体である必要はなく、繊維の方向性がランダムな繊維体でもよい。この場合、繊維体の密度はほぼ均一であることが望ましい。
【００３２】
繊維積層体５０を構成する繊維としては、図２に示すように、ポリプロピレン（ＰＰ）からなる芯部５１ａと、その周囲のポリエチレン（ＰＥ）からなる鞘部５１ｂとからなる二重構造の芯鞘繊維５１を用いた。ポリプロピレンの融点は約１８０℃であり、ポリエチレンの融点は約１３０℃である。従って、両者の融点差は約５０℃である。繊維径としては一般には５μｍから５０μｍ程度のものが使用されるが、本実施形態では約１８μｍ（２デニール）の繊維を用いた。
【００３３】
なお、本実施形態では上述したような芯鞘繊維５１を用いたが、繊維の構成はこれに限るものではなく、例えばＰＰとＰＥの内部が単一の構造の繊維（以下、単糸と称する）を混紡しても良いし、単糸と二重構造繊維を混紡しても良い。芯鞘繊維５１を用いた場合は、繊維同士の交点全てにＰＥが存在しており殆どの交点がＰＥで固定されるので、しっかりとした繊維集合体を得ることができる。また、混紡の場合は、ＰＰ繊維とＰＥ繊維の比率によって、固定される交点の割合が変化する、すなわち、ＰＥ繊維の存在する部位の交点しか固定されないので、相対的に柔らかい繊維集合体を得る場合には有効である。また、本実施形態では繊維材料としてＰＰとＰＥを用いたが、互いの融点が異なっていればこれに限るものではない。さらに、繊維の種類についても２種類に限るものではなく、３種類以上であってもよい。
【００３４】
次に、図１に示した加熱炉１０を用いた繊維集合体の成形方法について、見掛密度０．０３８〜０．０４３ｇ／ｃｍ³、厚さが３５ｍｍの繊維集合体を形成する場合を例に挙げて説明する。
【００３５】
（１−１）準備工程
見掛密度０．０３８〜０．０４３ｇ／ｃｍ³で厚さが３５ｍｍとされる繊維集合体を上記の芯鞘繊維から成形するためには、繊維積層体５０の厚さ（高さ方向に均一的に敷き詰めた後に、上方から軽く押圧してそれを解除した状態での厚さ）が１２０ｍｍ前後（１００〜１５０ｍｍ）が適当とされる。従って、繊維積層体５０としては１２０ｍｍのものを用いる。
【００３６】
まず、図３に示すように、下型２１を加熱炉１０（図１参照）から取り出し、下型２１の上に通気性シート２３を敷き、その上に繊維積層体５０を載せる。通気性シート２３の両側部は、押さえブロック２４によって下型２１に固定されている。下側の通気性シート２３の大きさ（繊維積層体５０の積載面の面積）は、押さえブロック２４による押さえ代を確保するためと、後述する加熱工程において通気性シート２３が下型２１から浮き上がることができるようにするために、繊維積層体５０が積載される領域の面積に比べて十分に大きくなっている。
【００３７】
繊維積層体５０の上面には、上記の通気性シート２３と同様の通気性シート２５が載せられる。この通気性シート２５の大きさは、繊維積層体５０の上面とほぼ等しい大きさである。これら２つの通気性シート２３，２５のうち特に下側の通気性シート２３は、後述する加熱工程において、浮き上がる繊維積層体５０を保持する機能も持つので、繊維積層体５０を構成する繊維と適度に絡み合い、かつ、加熱環境下で伸縮性を有することが必要である。繊維積層体５０の繊維と通気性シート２３との絡み合いがないと、繊維積層体５０を浮上させる際に繊維積層体５０が通気性シート２３から剥離し、通気性シート２３が繊維積層体５０を保持することができなくなってしまう。
【００３８】
一方、上型２２（図１参照）は、予め加熱炉１０内にセットされている。このとき、上型２２は後述する炉内温度まで加熱されていることが望ましい。上型２２の温度が低すぎると、後述する圧縮工程において上型２２が繊維積層体５０に接触すると、繊維が急激に冷却され、固化してしまうので、均一な圧縮ができなくなってしまうからである。
【００３９】
（１−２）加熱工程
以上のように、繊維積層体５０を下型２１上に載せたら、繊維積層体５０が載せられた下型２１を加熱炉１０にセットする。このとき、図４に示すように、上型２２の位置は、上側の通気性シート２５との間に隙間が生じるような位置となっている。また、加熱炉１０内は、ヒータ１２により予め所望の温度に加熱されている。前述したように、繊維積層体５０は、ＰＥとＰＰの芯鞘繊維を用いているので、加熱温度としては、ＰＥの融点（約１３０℃）とＰＰの融点（約１８０℃）の間の温度であり、さらに、ＰＰの軟化点（約１２０℃）よりも高い温度であればよい。本実施形態では、加熱炉１０内の温度を１４５℃に設定した。
【００４０】
下型２１を加熱炉１０にセットしたら、送風ファン１３を駆動し、繊維積層体５０に向けて下方から熱風を吹き上げ、繊維積層体５０を加熱する。ここで、送風ファン１３により発生する上向きの気流の速度は、０．３〜０．８ｍ／ｓｅｃとなるように設定した。前述したように下型２１及び上型２２は穴あきプレートであり、しかも、繊維積層体５０は上下を通気性シート２３，２５で挟まれているので、熱風をより均一に繊維積層体５０に通気させることができる。なお、下型２１及び上型２２により通気性シート２３，２５の通気性が損なわれないようにするため、下型２１及び上型２２の通気性が通気性シート２３，２５の通気性と同程度またはそれ以上となるように、下型２１及び上型２２は開口サイズや開口密度が設定されている。
【００４１】
送風ファン１３の駆動により、繊維積層体５０には、図５に示すように、繊維積層体５０を重力方向Ｇに抗して浮上させ、繊維積層体５０が上型２２に押し付けられることなく接触する程度の熱風を作用させる。これにより、繊維積層体５０の上面を上型２２で保持しつつ、下方からの熱風で繊維自身を浮上させ、繊維一本一本にかかる重力の影響を少なくすることができる。さらに、通気性シート２５を繊維積層体５０の上面と上型２２との間に介在させることで、繊維積層体５０の上面の局所的な高密度領域の発生を防止することができる。すなわち、繊維積層体５０を、ほぼ加熱前の状態を保ったまま加熱することができる。
【００４２】
また、熱風により繊維積層体５０が浮上するが、前述したように繊維積層体５０の繊維は通気性シート２３と適度に絡み合っており、しかも通気性シート２３の両側部が押さえブロック２４によって下型２１に固定されている。そのため、通気性シート２３は図５に示すように湾曲した状態となり、繊維積層体５０の浮き上がり量及び浮き上がり姿勢は通気性シート２３によって規制される。このように、繊維積層体５０の浮上時の位置及び姿勢を規制することにより、熱風による繊維積層体５０の加熱を安定して行うことができる。
【００４３】
また、熱風により繊維積層体５０を浮上させることは、通気性シート２３の有無にかかわらず、以下のような効果がある。繊維積層体５０を浮上させない場合には、下型２１の開口部（本実施形態ではステンレス製穴あきプレートの穴部）と非開口部とで加熱状態が異なる。すなわち、下型２１の開口部から熱風が吹き出すので、開口部の近傍はより積極的に熱風が通気されるため、非開口部に比べてより早く急激に加熱される。そのため、繊維積層体５０の昇温状態が不均一となり、均一な繊維集合体を得にくい場合がある。ところが、本実施形態のように繊維積層体５０を浮上させることにより、下型２１と繊維積層体５０の底面部との間に空間ができる。下型２１の開口部から吹き出た熱風は、下型２１と繊維積層体５０の底面部との間の空間がダンパーとなるので、繊維積層体５０の底面部から均一に熱風を通気することができ、繊維積層体５０を浮上させないで加熱した場合と比べてより均一に加熱することができ、より均一な繊維集合体を得ることができる。
【００４４】
押さえブロック２４を用いない場合には、下から吹き上げる熱風の風速が大きすぎると繊維積層体５０が上型２２に押し付けられてしまい、上方の繊維密度が下方の繊維密度に比べて大きいものとなる。一方、風速が弱すぎると、繊維積層体５０が浮上せず、加熱により軟化した繊維が重力により下方へ落ち、下方の繊維密度が上方の繊維密度に比べて大きいものとなる。いずれにしても、適切な風速で熱風を吹き上げないと均一な繊維密度が得られない。なお、熱風の風速を、繊維積層体５０が浮上し、かつ、上型２２に押し付けられることなく、繊維積層体５０の上面全体がほぼ均一に上型２２と接触するように適切に制御できるのであれば、押さえブロック２４は必ずしも設けなくてもよい。
【００４５】
また、通気性シート２３が繊維積層体５０の繊維と適度に絡み合っており通気性シート２３と繊維積層体５０との摩擦抵抗が大きいため、繊維積層体５０は通気性シート２３に対して水平方向へずれにくくなる。その結果、この加熱工程や、後述する圧縮工程及び冷却工程時に、外力による物理的なずれや収縮が抑制され、より均一な繊維集合体を得ることができる。
【００４６】
前記繊維積層体５０の浮上は、多角形平面形状をなす繊維積層体５０の下面に配した通気性シート２３の少なくとも対向する２辺の浮上を押さえブロック２４で押え、かつその上方にある積層繊維体５０は実質的に浮上している状態である。従って、上方に向かう熱風が積層繊維体５０のサイドから逃げることが防止されるので、多角形積層体の端部近傍まで平面位置においても、また厚さ方向においても所望の均密性が得られる。
【００４７】
ここで、 ＰＰとＰＥの芯鞘繊維からなる繊維積層体５０の昇温特性について説明する。図６に、この繊維積層体５０の昇温特性のグラフを示す。図６において、縦軸が温度、横軸が加熱時間を示す。
【００４８】
繊維積層体５０が、ＰＰの融点Ｓ₂（約１８０℃）よりも低い温度Ｓ₃に設定された加熱炉１０内に投入されると、繊維積層体５０は、時間Ｔ₁後にＰＥの融点Ｓ₁（約１３０℃）まで昇温する。繊維積層体５０の温度がＳ₁に達すると、ＰＥが溶融を開始し、鞘部５１ｂ（図２参照）を構成するＰＥの溶融が完了するまで繊維積層体５０の温度はＳ₁にとどまる。
【００４９】
Ｔ₂時間経過後、すなわちＰＥの溶融が完了すると、繊維積層体５０は再び昇温を開始し、Ｔ₃時間経過後、加熱炉１０の設定温度Ｓ₃に達する。温度Ｓ₃は前述の通りＰＰの融点Ｓ₂より低い温度に設定されているので、ＰＰが溶融し繊維骨格が崩れてしまうことはない。
【００５０】
本実施形態のような１０００ｍｍ×１０００ｍｍの大きさの繊維集合体５０の場合、Ｔ₁、Ｔ₂、Ｔ₃の値としては、Ｔ₁は１０〜１５分、Ｔ₂は１０〜２０分、Ｔ₃は２０〜２５分が適当である。
【００５１】
（１−３）圧縮工程
繊維積層体５０全体が加熱された後、図７に示すように、上型２２を降下させ、繊維積層体５０を所望の厚み（密度）まで圧縮する。このとき上型２２は、繊維積層体５０とほぼ同じ温度まで加熱されていることが望ましい。これは、もし上型２２の温度が、接着材となるＰＥの融点より低い温度であると、圧縮時に上型２２に接触した部分からＰＥが固化してしまい、繊維同士が溶融接着されてしまうため、上部の繊維密度が局所的に高くなる等の不具合が発生するためである。
【００５２】
この圧縮工程では、熱風は止めず、繊維一本一本にかかる重力がキャンセルされた状態で繊維積層体５０を圧縮する。これにより、全体として均一な繊維密度を保ったまま繊維積層体５０が圧縮される。繊維積層体５０の圧縮に伴って、繊維積層体５０の繊維密度が徐々に高くなり、熱風の通気性及び通温性が悪くなる。従って、繊維積層体５０の圧縮時には、熱風をやや弱くすることが望ましい。これは、繊維密度が高くなり通気性及び通温性が悪くなることにより、繊維積層体５０全体が熱風により吹き上げられて上型２２に押し付けられて、結果的に上部の繊維密度が局所的に高くなる等の不具合が発生するためである。本実施形態では、この圧縮工程での熱風の風速は、０．２〜０．４ｍ／ｓｅｃとした。
【００５３】
また、圧縮の速度（本実施形態では上型２２を下降させる速度）は、圧縮後の繊維密度が高い（０．１５ｇ／ｃｍ³以上）繊維集合体を得る場合にはあまり関係ないが、繊維密度の低い繊維集合体を得るためには、より遅い速度でゆっくり圧縮することが望ましい。圧縮速度が速いと、繊維積層体５０全体が圧縮される前に、上型２２が当接した側の繊維密度が高くなりその状態で繊維同士が接着され、上部の繊維密度が局所的に高くなる等の不具合が発生するためである。
【００５４】
この圧縮工程においても、熱風により繊維積層体５０を下方から浮上させつつ、上方から上型２２を下降させることが好ましいことはいうまでもない。
【００５５】
（１−４）冷却工程
繊維積層体５０を所望の厚さに圧縮した後、繊維積層体５０を圧縮した状態のまま、上型２２と下型２１を加熱炉１０から取り出し、この状態で型全体を冷却する。このとき、例えば、所望の高さのスペーサ（不図示）を上型２２と下型２１との間に挟み、上型２２を重り等によって下型２１に向けて加圧すれば、繊維積層体５０の圧縮状態を良好に維持することができる。また、冷却の方法は、自然冷却や、冷却ファン等を使った強制冷却等、どんな手段であっても良い。さらには、上型２２及び下型２１を加熱炉１０から取り出さず、加熱炉１０内の熱を冷ますことで冷却を行ってもよい。
【００５６】
そして、少なくとも繊維積層体５０の表層、すなわち上型２２、下型２１と接触している面の温度がＰＥの融点以下になったら、繊維積層体５０を通気性シート２３，２５と一緒に上型２２及び下型２１から取り外す。この状態では、繊維積層体５０は、まだ通気性シート２３，２５が密着しているものの、実質的には繊維集合体５５（図９参照）と同等のものである。従って、以下の説明では、冷却工程が終了した繊維積層体５０は、繊維集合体５５として表す。
【００５７】
上型２２及び下型２１からの取り外し後、図８に示すように、繊維集合体５５から通気性シート２３，２５を剥がし、図９に示す繊維集合体５５を得ることができる。
【００５８】
上述の各工程を経ることにより、前述した、見掛比重０．０３８〜０．０４３ｇ／ｃｍ³、厚さが３５ｍｍの繊維集合体５５を成形することができる。得られた繊維集合体５５は、その用途に応じて所望の大きさに切断され、または組み合わせて用いられる。
【００５９】
なお、ここでは上記の見掛比重、厚さを有する、ＰＰとＰＥの芯鞘繊維で構成される繊維集合体５５を成形する場合について述べたが、成形すべき繊維集合体の種類や厚さ、物性条件に応じて前述した加熱炉１０内の温度設定や熱風の風速等の各条件が変更される。本実施形態に示した方法によれば、繊維密度が０．０２ｇ／ｃｍ³程度の繊維積層体５０から、繊維密度が０．０３〜０．３ｇ／ｃｍ³の範囲まで十分に均一で、かつ、厚肉な繊維集合体５５を得る事ができる。
【００６０】
このような繊維集合体５５は、適宜の弾力性を有しているので、例えば乗用車のシート、アームレスト、あるいはヘッドレスト等の内装材や、ベッドやソファを代表とする家具類のクッション材として好適に用いることができる。また、繊維集合体５５は保水性にも優れているので、各種液体、水分を収容保持する容器製品内に収納する保水部材等としても好適に用いることができる。
【００６１】
以上説明したように、加熱炉１０を用いた本実施形態の繊維集合体の成形方法によれば、加熱工程において、圧縮しない状態の繊維積層体５０に対して熱風を下方から吹き上げているので、熱風が繊維積層体５０と熱交換をしながら繊維積層体５０の内部をスムーズに上昇するようになり、加熱効果が高くなり加熱時間が短縮されるとともに、低密度で厚みの厚い繊維集合体を成形することができる。
【００６２】
ここで、通気性シート２３，２５について補足説明を行う。
【００６３】
前述したように、下側の通気性シート２３は、加熱工程で繊維積層体５０が下型２１から離脱するのを防止することによって、低くかつ均一な繊維密度を有する厚肉の繊維集合体５５を得るのに有効に働く。この点だけを考えれば、上側の通気性シート２５は不要である。しかし、この通気性シート２５は、繊維積層体５０の浮上加熱時の繊維積層体５０の上面の乱れ、加熱された上型２２からの急激な伝熱による意図しない密度分布の発生を防止する効果がある。加えて、加熱工程後の圧縮工程を考えると、この圧縮工程では、繊維積層体５０はＰＥが溶融している状態で上型２２及び下型２１により圧縮される。従って、通気性シート２３，２５を用いない場合には、上型２２及び下型２１の表面状態が繊維積層体５０に転写され、いわゆるスキン層が繊維積層体５０の上下面に形成される。このようなスキン層の発生を防止する上で、繊維積層体５０を圧縮する部材の間に通気性シート２３，２５を介在させることは有効である。
【００６４】
上述したことから明らかなように、通気性シート２３，２５としては、繊維積層体５０の繊維と適度に絡み合い、加熱環境下で伸縮性を有し、加熱工程で溶融しない素材であることが望ましい。加えて、通気性シート２３，２５の表面状態は少なからず繊維積層体５０に転写されるので、通気性シート２３，２５としては、繊維積層体内部の開口状態と同じ程度の開口状態を持った素材であることが望ましい。そこで本実施形態では、通気性シート２３，２５として、セル数が約１６個／ｃｍの発泡ポリウレタン製シートを用いた。
【００６５】
また、発泡ポリウレタンフォーム等の、発泡後セル膜を除去させてなる構造体は、繊維に対して、セル（約３００〜６００μｍ）スケールでの局部的な通気抵抗の大小の差が少ない。二次元的に表現すれば、繊維体は、襖を取り去った部屋つづきの大広間（柱が繊維）にたとえる事ができるが、ウレタンスポンジのセルは各部屋の大きさ（セルサイズ）も異なる事に加えて、各仕切り（襖）が一部閉まっており局部的に通気抵抗が大きくなっている。こうした発泡体を通気性シートとして繊維積層体の上または下に配することで、通気面全体に対する整流効果も得られる。
【００６６】
ところで、合成繊維では一般に、繊維の収束性や平滑性の確保や静電気防止等を目的として、紡糸工程で様々な油剤を繊維表面に付着させている。しかしながら、医療分野や精密機器分野ではこうした油剤を極端に嫌う場合がある。このような場合、上記油剤を極端に減らす場合がある。このような繊維を用いて本発明に適用すると、静電気による繊維の不本意な絡み付きや密度の乱れ等の様々な問題が引き起こされる場合がある。そこでこの対策として、繊維積層体を作製する際に、ウェブ全域に除電ブローを施すのが望ましい。また、それに加えて、イオン交換水あるいはノニオン系界面活性剤の水溶液を繊維に噴霧付与する工程を設ける事も有効である。
【００６７】
（第２の実施形態）
本実施形態では、第１の実施形態で説明した、繊維積層体５０を挟む上型２２および下型２１（いずれも図１参照）の組を複数組、連続的に移送できる加熱炉を用意し、繊維集合体を作製する。本実施形態では、準備工程については前述の第１の実施形態と同様なので省略し、加熱工程、圧縮工程、および冷却工程について以下に詳細に説明する。以下の説明では、第１の実施形態と同等の構成については第１の実施形態の説明で用いた図面に用いられている符号を用いて説明する。
【００６８】
（加熱工程）
第１の実施形態と同様に、繊維積層体５０を下型２１の上に載せる。このとき、上型２２の位置は、上側の通気性シート２５との間に隙間が生じるような位置となっている。また、加熱炉内は、ヒータにより予め所望の温度に加熱されている。この状態のまま、繊維積層体５０が載せられた下型２１とその上方にセットされた上型２２とを加熱炉内へ移送する。加熱炉内には、上型２２および下型２１を移送するための移送手段が設けられている。加熱炉内では、この移送手段によって、下型２１と上型２２との間隔が所望の間隔に保たれ、また、その間隔は任意に設定可能となっている。
【００６９】
前述のとおり、下型２１および上型２２を複数組用意し、これらを順次加熱炉内に移送していく。加熱炉の大きさ（移送方向での長さ）は、必要な加熱時間と移送速度によって決められる。加熱炉内での繊維積層体５０の加熱方法は前述の実施形態と同様であるので説明は省略する。
【００７０】
（圧縮工程）
繊維積層体５０全体が加熱炉内で加熱された後、上型２２を下降させ、繊維積層体５０を所望の厚み（密度）まで圧縮する。また、下型２１には第１の実施形態と同様に、所望の高さのスペーサが設けられており、その位置まで上型２２が下降される。前述の上型２２の移送手段は、この圧縮ゾーンでは昇降可能となっている。また、上型２２は、前述の移送手段により加熱炉内を移送されているので、前述の実施形態と同様、繊維積層体５０とほぼ同じ温度まで加熱されている。
【００７１】
この圧縮工程でも、前述の実施形態と同様、熱風は止めず、繊維一本一本にかかる重力がキャンセルされた状態で繊維積層体５０を圧縮する。この圧縮工程においても、熱風により繊維積層体５０を下方から浮上させつつ、上方から上型２２を下降させることが好ましいことはいうまでもない。
【００７２】
（冷却工程）
繊維積層体５０を所望の厚さに圧縮した後、繊維積層体５０を圧縮した状態のまま、上型２２および下型２１が前述の移送手段により加熱炉から排出され、この状態で型全体を冷却する。冷却の方法は、自然冷却や、冷却ファン等を用いた強制冷却等、どのような方法であってもよい。
【００７３】
そして、少なくとも繊維積層体５０の表層、すなわち上型２２と接触している面および下型２１と接触している面の温度がＰＥの融点以下になったら、上型２２を上昇させ、繊維積層体５０を下型２１上から取り出す。この状態では、繊維積層体５０は、まだ通気性シート２３，２５が密着しているものの、実質的には繊維集合体５５（図９参照）と同等のものである。
【００７４】
本構成によれば、繊維積層体５０を取り出した後、加熱前の繊維積層体５０を下型２１に再びセットし、以下同様に、加熱→圧縮→冷却が繰り返され、見かけ上ほぼ連続的に繊維集合体５５を作製することができる。その他の構成および硬化は前述の実施形態と同様である。
【００７５】
また、以上説明したように、本構成においても、前述の第１の実施形態と同様の繊維集合体を効率よく作製できる。また、装置の大きさや上型２２および下型２１の数は、加熱時間、圧縮時間および移送速度によって決めればよい。
【００７６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、繊維体への加熱処理時に、繊維体の下から熱風を吹き上げることによって繊維体を浮上させ、浮上時には繊維体の姿勢を規制することで、低密度で均一、しかも厚みの厚い繊維集合体を容易に得ることができる。
【００７７】
特に、繊維体の上下に通気性シートを配することによって、繊維体の圧縮の際に繊維体を圧縮する部材の表面状態が転写されることによって生じるスキン層を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施形態による、繊維集合体を成形するための加熱炉の概略断面図である。
【図２】 繊維積層体を構成する繊維の一例の断面図である。
【図３】 図１に示した加熱炉を用いた繊維集合体の成形方法を説明する図であり、下型上に繊維積層体を載せた状態を示している。
【図４】 図１に示した加熱炉を用いた繊維集合体の成形方法を説明する図であり、下型を加熱炉内にセットした状態の下型と上型との位置関係を示している。
【図５】 図１に示した加熱炉を用いた繊維集合体の成形方法を説明する図であり、下方から熱風を吹き付けている状態を示している。
【図６】 ＰＥとＰＰの芯鞘繊維からなる繊維積層体の昇温特性を示すグラフである。
【図７】 図１に示した加熱炉を用いた繊維集合体の成形方法を説明する図であり、上型と下型とで繊維積層体を圧縮している状態を示している。
【図８】 図１に示した加熱炉を用いた繊維集合体の成形方法を説明する図であり、圧縮工程及び冷却工程が終了して通気性シートを剥がしている状態を示している。
【図９】 図１に示した加熱炉を用いて成形された繊維集合体の斜視図である。
【図１０】 熱成形法に用いられる従来の熱風コンベア炉の概略断面図である。
【図１１】 従来の型成形式による繊維集合体の成形方法を説明する図である。
【図１２】 従来の型成形式による繊維集合体の成形方法における課題を説明する図である。
【符号の説明】
１０ 加熱炉
１１ 熱風発生ユニット
１２ ヒータ
１３ 送風ファン
１４ 穴あきプレート
１５ リターン通路
２０ 型ユニット
２１ 下型
２２ 上型
２３，２５ 通気性シート
２４ 押さえブロック
２６ 上型ガイド
５０ 繊維積層体
５１ 芯鞘繊維
５１ａ 芯部
５１ｂ 鞘部
５５ 繊維集合体

Claims (14)

1. 繊維体に加熱処理を施して繊維同士の一部を融着して構成される繊維集合体の成形方法において、
   下型の上に第１の通気性シートを配置し、該第１の通気性シート上に前記繊維体を載せ、前記第１の通気性シートに前記繊維体を構成する繊維が絡み合うことによって前記繊維体の姿勢を規制するとともに、前記繊維体に対して下方から熱風を通過させることで前記繊維体を重力に抗して前記下型から浮上させて、前記繊維体を構成する繊維の一部を溶融させる加熱工程と、
   前記熱風の送風を維持し、加熱されている前記繊維体の上下方向の厚みを所定の厚みに圧縮する圧縮工程と、
   圧縮された前記繊維体を冷却し、前記繊維の溶融した個所を固化する冷却工程と、
   を有することを特徴とする繊維集合体の成形方法。
2. 前記熱風の風速は、前記加熱工程での熱風の風速よりも前記圧縮工程での熱風の風速が小さいことを特徴とする、請求項１に記載の繊維集合体の成形方法。
3. 前記圧縮工程は、前記繊維体の上面側に第２の通気性シートを介して配置された上型によって前記所定の厚みへの圧縮を行い、前記上型は、前記圧縮の前に予め加熱されていることを特徴とする、請求項１に記載の繊維集合体の成形方法。
4. 前記第１の通気性シートは、押さえ部材によって前記下型に対して固定されていることを特徴とする、請求項１に記載の繊維集合体の成形方法。
5. 前記下型および上型は、穴のあいたプレートであることを特徴とする、請求項１または３に記載の繊維集合体の成形方法。
6. 前記通気性シートの融点は、前記繊維体を構成する繊維の融点よりも高いことを特徴とする、請求項１または３に記載の繊維集合体の成形方法。
7. 前記通気性シートは、前記加熱工程においても伸縮性を有することを特徴とする、請求項１または３に記載の繊維集合体の成形方法。
8. 前記冷却工程の後に、前記通気性シートを剥離する工程を有することを特徴とする、請求項１または３に記載の繊維集合体の成形方法。
9. 前記繊維体を構成する繊維は、互いに融点の異なる複数の材料からなるものであり、前記加熱工程で前記繊維体を通過する熱風の温度は、相対的に融点の低い材料の融点及び相対的に融点の高い材料の軟化点よりも高く、相対的に融点の高い材料の融点よりも低いことを特徴とする、請求項１に記載の繊維集合体の成形方法。
10. 前記繊維は、オレフィン系の材料からなることを特徴とする、請求項９に記載の繊維集合体の成形方法。
11. 繊維体に加熱処理を施して繊維同士の一部を融着して構成される繊維集合体の成形装置であって、
    前記繊維体を載置する下型と、
    前記下型の下方から上方に吹き上げられる熱風を発生する熱風発生手段と、
    前記繊維体を前記下型側に向かって圧縮するように構成された上型と、
    を備え、
    前記下型の上に、第１の通気性シート、前記繊維体、および第２の通気性シートをこの順番で載せ、前記第１の通気性シートに前記繊維体を構成する繊維が絡み合うことによって前記繊維体の姿勢を規制しつつ、前記熱風発生手段によって発生した熱風を前記繊維体に対して下方から通過させることで、重力に抗して前記繊維体を前記下型から浮上させた状態で、前記繊維体を構成する繊維の一部を溶融させ、前記熱風の送風を維持した状態で、加熱されている前記繊維体の上下方向の厚みを前記上型によって所定の厚みに圧縮することを特徴とする、繊維集合体の成形装置。
12. 前記第１の通気性シートは、押さえ部材によって前記下型に対して固定されることを特徴とする、請求項１１に記載の繊維集合体の成形装置。
13. 前記下型および上型は、穴のあいたプレートであることを特徴とする、請求項１１に記載の繊維集合体の成形装置。
14. 前記第１および第２の通気性シートは、前記熱風発生手段による加熱環境下において伸縮性を有するとともに、その融点は前記繊維体を構成する繊維の融点よりも高いことを特徴とする、請求項１１に記載の繊維集合体の成形装置。

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