Synthetic fiber

Japanese: 合成繊維 - ごうせいせんい（英語表記）synthetic fiber

A typical example of chemical fiber is one that is made from raw materials such as petroleum, coal, and water, and is formed into fibers using some kind of chemical method. Fiber is generally defined as "something that is long, extremely thin, and flexible, making it easy to spin into thread." Electric wires and copper wires are simply long and thin and are called wires.

There are many types of fibers, which can be broadly divided into natural fibers and chemical fibers. Natural fibers include silk, wool, cotton, and asbestos. Chemical fibers include regenerated fibers (rayon, cupra, etc.) made by chemically processing natural substances such as cellulose and proteins into fibers, semi-synthetic fibers (acetate, etc.) made by chemically reacting natural cellulose to create cellulose derivative fibers, and synthetic fibers. Synthetic fibers are made by turning small molecular weight substances produced by petrochemicals into high molecular weight substances through polymer formation reactions, and are produced in the largest quantities.

[Hiroshi Kakiuchi]

history

Among chemical fibers, regenerated fibers have an early history, with cupra being industrialized around 1900, followed by the production of viscose rayon and the semi-synthetic fiber acetate around 1905. All of the above are made from natural polymers such as wood pulp and linters, the short fibers of cotton seeds, but nylon, which was researched and developed by Carothers of the American company DuPont, was announced in 1938. This was the first synthetic fiber, synthesized at the time from coal, air, and water, and its fibers were advertised as being stronger than steel and as thin as spider silk.

In 1946, the polyester fiber Terylene began to be sold commercially by ICI in the UK. Currently, this type of fiber is known in Japan as "Tetoron" and is used in large quantities due to its excellent properties. Acrylic fiber, which is famous as a clothing fiber, was developed mainly in the United States and is a copolymer mainly made of polyacrylonitrile. Currently, nylon, polyester and acrylic fibers account for the majority of synthetic fibers.

[Hiroshi Kakiuchi]

Japan's synthetic fiber industry

The announcement of nylon by DuPont came as a major shock to Japan's synthetic fiber industry, as it predicted a decline in rayon and staple fiber (staple fiber), which Japan had been the world's number one producer of until then. In competition with nylon, Ichiro Sakurada of Kyoto University announced polyvinyl alcohol-based synthetic fibers (Synthetic No. 1 and Kanebiyan by Kanegafuchi Spinning (later Kanebo)) in 1939 (Showa 14). Interest in synthetic fibers also grew, but full-scale production did not begin until after World War II.

The first synthetic fibers to be industrialized after the war were the polyvinyl alcohol-based "Vinylon" and nylon 6. Vinylon was industrially produced by Kurashiki Rayon (now Kuraray) in 1950. Toyo Rayon (now Toray), which had also developed nylon 6, entered into a technical partnership with DuPont in 1951 to produce nylon 6,6, while Toyo Rayon and Teikoku Rayon (now Teijin) attempted to domestically produce terylene through a technical partnership with ICI, which began selling it in Japan under the name "Tetoron." Acrylic fibers were first prototyped in 1942 by Kanbara Shu (1902-99) of the Tokyo Institute of Technology, but their practical application began in 1956 when Kanegafuchi Chemical Industry (now Kaneka) produced "Kanecaron," a copolymer fiber of acrylonitrile and vinyl chloride (chloroethylene). After that, various textile companies produced acrylic fibers based on copolymers of acrylonitrile and other monomers, and these were sold under a variety of product names.

[Hiroshi Kakiuchi]

Applications

Synthetic fibers are overwhelmingly used for clothing, but they are also used for industrial purposes such as in filter cloths, as various nets in the agricultural and fishing industries, and as base materials for composite materials, among other specialized uses, and are used according to their respective characteristics.

[Hiroshi Kakiuchi]

Structure and properties

All synthetic fibers have a linear polymer structure, and the molecules must be regularly arranged. Other requirements for use in clothing include a pleasant feel, good dyeability, and good washability, depending on the application. Synthetic fibers in particular generally do not mix with water, so they have extremely low moisture absorption. This is a characteristic of synthetic fibers, and when used in underwear they do not absorb sweat, reducing the breathability of the fabric, causing dry skin. Of course, they cannot be used to make handkerchiefs or rags. On the other hand, they do not expand or contract much when placed in water, and they dry quickly. There is not much difference between the dry and wet tensile strength of synthetic fibers.

[Hiroshi Kakiuchi]

General manufacturing method of synthetic fibers

Currently, all raw materials for synthetic fiber production are petroleum and natural gas. Gasoline and diesel are extracted from crude oil by fractional distillation based on the difference in boiling points, and the fraction of heavy gasoline is called naphtha. Various synthetic fibers are produced from the products of naphtha cracking (thermal decomposition).

At the beginning, we mentioned that the raw materials for nylon are coal, air, and water. Coal is distilled into coal tar, and air is used as a raw material for nitrogen, which is extracted by distilling the liquid air, and water is used as a raw material for hydrogen. However, around 1950, large oil fields were developed in the Middle East, and oil prices fell. At the same time, hydrocarbon separation technology was developed, and the raw material for organic industrial products changed from coal to oil. Japan is one of the world's leading petrochemical industrial countries, and is dependent on petrochemicals except for nitrogen, a synthetic raw material.

There are three main methods for spinning polymerized synthetic fiber raw materials.

(1) Wet method: This method was traditionally used for rayon, but is now also used for vinylon and acrylic fibers. The raw polymer is dissolved in a suitable solvent and extruded under pressure through a nozzle with fine holes into the coagulating liquid. The spinning speed is slow, but the use of a large number of holes makes mass production possible.

(2) Dry method: The polymer to be spun is dissolved in a solvent and then discharged through a fine hole into hot air to evaporate the solvent and solidify the thread. This method is applied to semi-synthetic fibers such as acetate, acrylic, and polyvinyl chloride fibers.

(3) Melt method: The raw polymer is heated and melted, flows out of the pores and is cooled and solidified. This is used for nylon, polyester, polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, vinylidene, and polyurethane fibers. Materials obtained by melt spinning are easily stretched as they are, have a high degree of elongation, and do not return to their original shape even when the force is removed. To improve this, cold drawing is performed. The material is stretched at least four times its original size at room temperature, and then heat-treated in that state to fix the molecular structure. This improves the molecular arrangement, promotes crystallization, and fixes the material into a strong fiber structure.

[Hiroshi Kakiuchi]

Performance and issues

Synthetic fibers have a lower moisture absorption rate and extremely high tensile strength compared to natural materials such as cotton and rayon. This low moisture absorption and poor heat resistance are common drawbacks of synthetic fibers, which makes it difficult to determine the appropriate temperature for ironing. Clothing textile products are required to display the names of the fibers used and their blend ratios, so when ironing, the appropriate temperature indicated should be chosen.

Due to its low moisture absorption properties, static electricity generated by friction easily accumulates; however, it does not discharge into the air, especially in the winter when humidity is low, so when it comes into contact with metal it discharges with a crackling sound.

Synthetic fibers have advantages such as feeling lighter due to their lower specific gravity than natural fibers, being resistant to friction and chemicals, and not being damaged by insects, but some have problems with dyeability. Nylon (polyamide), polyester, acrylic, vinylon, and polyurethane fibers, which have groups that bond with dyes that have polar groups, are relatively easy to dye, but are more difficult to dye than cotton, wool, and silk. Furthermore, polyethylene, polypropylene, polyvinyl chloride, and vinylidene fibers, which do not have groups that bond with dyes, naturally have poor dyeability. This poor dyeability is one of the reasons why these fibers do not stretch when used for clothing.

Synthetic fibers are generally weak against heat. When natural fibers such as cotton, silk, and wool are heated in an airtight container, they do not melt but decompose. Since synthetic fibers melt when heated, the damage from burns is greater. Synthetic fibers containing chlorine such as polyvinyl chloride and vinylidene are self-extinguishing. However, when they decompose at higher temperatures, they produce dioxins as a by-product.

Flame retardancy in textiles is important from the perspective of disaster prevention when used for materials such as infant clothing and interior furnishings, especially for the interior furnishings of underground shopping malls.

[Hiroshi Kakiuchi]

The future of synthetic fibres

It seems that synthetic fibers for clothing have been exhausted. To promote industrial use, various plastics are compounded with fibrous reinforcing materials to reinforce or improve the mechanical and thermal properties of plastics, which are their shortcomings. Fibers used as reinforcing materials include glass fiber, carbon fiber, aramid fiber, and boron fiber (a continuous long fiber with high strength and high elasticity, used in aircraft tails, golf shafts, fishing rods, tennis rackets, and other sporting goods). The most common combination is unsaturated polyester resin and glass fiber, which is called fiber reinforced plastics (FRP) and is widely used in small ships, containers, skis, bathtubs, and other products. It is lightweight, does not corrode, and has excellent mechanical properties.

An even more luxurious combination is epoxy resin and carbon fiber. It is used in golf club black shafts, tennis rackets, fishing rods, and in America and Europe, it is even used in aircraft fuselages. Printed circuit boards for computers and video equipment are made from a combination of epoxy resin and glass fiber.

[Hiroshi Kakiuchi]

"The Story of Synthetic Fibers" by Tomonari Tsukumo (1952, Diamond Inc.)" ▽ "Nylon and Tetron" by Mizutani Hisakazu (1958, Sangyo Tosho)" ▽ "Synthetic Fibers" by Akiyoshi Saburo (1959, Nikkan Kogyo Shimbun) " ▽ "Acrylic Synthetic Fibers" by Katayama Masamichi (1959, Nikkan Kogyo Shimbun)" ▽ "Synthetic Fibers" edited by Sakurada Ichiro et al. (1964, Asakura Shoten)" ▽ "New Knowledge of Synthetic Fibers" by Hirose Kanemitsu (1966, Choko Shobo)" ▽ "New Synthetic Fibers" edited by Asahara Teruzo et al. (1968, Kyoritsu Shuppan)" ▽ "Modern Industry: Synthetic Fiber Industry" revised edition by Uchida Hoshimi (1973, Toyo Keizai Shinposha)" ▽ "Basic Knowledge of Synthetic Fibers" by Miyasaka Kazuo (1974, Yamazaki Shoten)" ▽ "Synthetic Fibers, revised edition, by Sobue Hiroshi (1975, Dai Nippon Tosho)" ▽ "Synthetic Fibers, edited and published by Diamond Inc. (1977)" ▽ "Chemistry of Fibers, by Sakurada Ichiro (1978, Sankyo Publishing)" ▽ "The Discovery of Nylon, by Imoto Minoru (1982, Tokyo Kagaku Dojin)" ▽ "New Synthetic Fibers, edited by Miyasaka Keizo and Okamoto Mitsuyoshi, Chemical Society of Japan (1996)" ▽ "Commodity Studies of the Naphtha System, by Moriya Haruo (1997, Moriyama Shoten)" ▽ "Encyclopedia of Polymer Materials, by Kurihara Fukuji (1999, Nikkan Kogyo Shimbun)" ▽ "Choosing Inter-Company Systems: An Analysis of the Japanese Chemical Fiber Industry, by Lee Hyung-oh (2002, Shinzansha Publishing)" ▽ "Chemistry Friendly to the Environment and People, by Tanaka Haruhiko (2003, Baifukan)" ▽ "Chemical Products Handbook" 2003 Edition (2003) compiled and published by Heavy Chemical Industry Press

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

化学繊維の代表的なもので、石油、石炭、水などを出発原料とし、なんらかの化学的手段を用いて繊維に形成したものをいう。繊維とは一般に「長くて、きわめて細く、しなやかなために糸に紡ぎやすいもの」と定義されている。電線や銅線は単に細長いだけで線といわれている。

　繊維は種類が多く、天然繊維と化学繊維とに大別される。天然繊維には絹、羊毛、木綿、石綿などがある。化学繊維には、セルロースやタンパク質などの天然物を化学的に処理して繊維状に再生した再生繊維（レーヨン、キュプラなど）と、天然のセルロースを化学反応させてセルロース誘導体の繊維にした半合成繊維（アセテートなど）、および合成繊維がある。合成繊維は、石油化学で製造した分子量の小さい物質を、高分子生成反応にしたがって高分子量の物質としたもののうち、繊維としてもたなければならない諸性質をもったものをいい、もっとも多量に生産されている。

［垣内　弘］

歴史

化学繊維のなかでは再生繊維の歴史が早く、1900年ごろにキュプラが工業化され、次に1905年ごろにビスコース人絹と、半合成繊維のアセテートの製造が始まった。以上はいずれも天然高分子の木材パルプやワタの実の短繊維であるリンターを原料にしたものであるが、1938年にアメリカのデュポン社のカロザースにより研究・開発されたナイロンが発表された。これが合成繊維の最初のもので、当時は石炭と空気と水から合成され、その繊維は鉄より強く、クモの糸のように細いと宣伝された。

　1946年にポリエステル系繊維のテリレンがイギリスのICI社から市販され始めた。現在この系統の繊維は日本では「テトロン」の名称で知られ、その優れた性質のため多量に使われている。衣料用繊維として有名なアクリル繊維は主としてアメリカで開発されたもので、ポリアクリロニトリルを主体とし、共重合させたものである。現在、ナイロン、ポリエステルとアクリル繊維が合成繊維の主力を占めている。

［垣内　弘］

日本の合成繊維工業

日本での合成繊維工業は、デュポン社によるナイロンの発表により、それまで世界1位の生産を誇っていたレーヨンやスフ（ステープルファイバー）の後退を予想して大きな衝撃を受けた。ナイロンに対抗して1939年（昭和14）に京都大学の桜田一郎によりポリビニルアルコール系合成繊維（合成1号および鐘淵(かねがふち)紡績（のちカネボウ）の「カネビヤン」）が発表された。合成繊維に対する関心も高まったが、本格的な生産が行われるようになったのは第二次世界大戦後である。

　戦後まず工業化された合成繊維はポリビニルアルコール系の「ビニロン」とナイロン6である。ビニロンは1950年、倉敷レイヨン（現クラレ）により工業生産された。またナイロン6を開発していた東洋レーヨン（現東レ）は1951年デュポン社と技術提携してナイロン6,6の、また東洋レーヨンと帝国人造絹糸（現帝人）はICI社との技術提携によりテリレンの国産化を試み、日本での商品名「テトロン」として市販し始めた。アクリル繊維は古くは1942年に東京工業大学の神原周(かんばらしゅう)（1902―99）によって試作されたが、実用化は1956年に鐘淵化学工業（現カネカ）が、アクリロニトリルと塩化ビニル（クロロエチレン）の共重合繊維「カネカロン」を生産したことに始まる。その後、各繊維会社でアクリロニトリルと他の単量体との共重合系のアクリル繊維がつくられ、多くの商品名で市販されている。

［垣内　弘］

用途

合成繊維は衣料用が圧倒的に多いが、それ以外に濾過(ろか)布など工業用に使用され、また、さまざまな網として農業や水産業の分野にも使用されている。さらに複合材料の基材としてなどの特殊用途があり、それぞれの特性に応じて利用されている。

［垣内　弘］

構造と性質

合成繊維はいずれも線状の高分子構造をもち、その分子が規則正しく配列していることが必要な条件である。それ以外に衣料用としては、触感のよいこと、染色性、洗濯性のよいことなどがその用途に応じた条件である。とくに合成繊維は一般に水になじまないので吸湿性が著しく小さい。これは合成繊維の特徴であり、肌着では汗を吸い取らず、織物の通気性を減ずるので肌むれがおこる。もちろんハンカチーフや雑巾(ぞうきん)にはならない。反面、水に入れても伸び縮みが少なく、乾きが早い。合成繊維は乾・湿引張り強度はあまり差が出てこない。

［垣内　弘］

合成繊維の一般的製造法

合成繊維製造のための原料は現在ではすべて石油と天然ガスである。原油を沸点の差で分留してガソリンや軽油などをとっていくが、重質ガソリンの留分をナフサといい、ナフサのクラッキング（熱分解）生成物から各種合成繊維が製造されている。

　ナイロンの原料は始めに石炭と空気と水と述べたが、石炭についてはこれを乾留して留出するコールタールが原料となり、空気は液化して液体空気を分留して採取される窒素の、水は水素の原料として用いられた。しかし1950年ごろに中近東に大油田が開発され、石油価格が低落し、同時に炭化水素の分離技術も発達して、有機工業製品の原料が石炭から石油にかわった。日本は世界有数の石油化学工業国であり、合成原料の窒素以外は石油化学に依存している。

　高分子化した合成繊維原料から紡糸する方法は大別すると3通りになる。

(1)湿式法　古くはレーヨンに応用されたが、ビニロンやアクリル系繊維にも適用されている。原料ポリマー（重合体）を適当な溶媒に溶かし、加圧下で細孔をもったノズルを通して凝固液中に押し出す。紡糸速度は遅いが、孔数を多くすることによって量産を可能にしている。

(2)乾式法　紡糸用ポリマーを溶媒に溶かし、細孔から熱風中に流出させて溶媒を蒸発させて糸を凝固させる。半合成繊維のアセテートやアクリル系、ポリ塩化ビニル繊維に適用されている。

(3)溶融法　原料ポリマーを加熱・溶融し、細孔から流出し冷却固化させる。ナイロン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニルやビニリデン、ポリウレタン繊維などに利用されている。溶融紡糸により得られたものはそのままでは伸びやすく、伸度も大きく、力を取り去っても元に戻らない。それを改良するため冷延伸を行う。室温で4倍以上引き伸ばし、その状態で熱処理して分子構造を固定化させる。分子の配列が良好になり結晶化が進み、強靭(きょうじん)な繊維構造に固定される。

［垣内　弘］

性能と問題点

合成繊維は、天然物系の木綿やレーヨンに比べて水分吸収率が小さく、引張り強度はきわめて大きい。この吸湿性の少ないことと耐熱性に乏しいことが合成繊維の一般的な欠点であり、アイロンをかける際の適正温度が問題になる。衣料用繊維製品には、使用されている繊維名とその混紡率を表示することが義務づけられているので、アイロンかけは表示されている適正温度を選ぶべきである。

　吸湿性の少ない性質のため、摩擦で発生した静電気が帯電しやすく、とくに湿気の少ない冬季には空中に放電されないので、金属に触れるとパチパチと放電する。

　合成繊維は天然繊維に比べて比重が小さいので軽く感じ、摩擦にも強く耐薬品性があり、虫害を受けないなどの長所もあるが、染色性に問題があるものがある。極性基をもった染料と結合する基をもったナイロン（ポリアミド）、ポリエステル、アクリル系、ビニロンやポリウレタン繊維などは比較的染色しやすいが、木綿や羊毛、絹などに比べると染色しにくい。さらに染料と結合する基をもたないポリエチレン、ポリプロピレンやポリ塩化ビニルやビニリデン繊維は、当然のことながら染色性に乏しい。この染色性の悪さは、これらの繊維が衣料用として伸びない理由の一つである。

　合成繊維は一般に熱に弱い。綿、絹や羊毛などの天然繊維は、空気を遮断して加熱すると、溶融せずに熱分解をする。合成繊維は加熱によって溶融するので、火傷の被害が大きくなる。ポリ塩化ビニルやビニリデン系の塩素の入った合成繊維は自己消火性である。しかし、より高温で熱分解するとダイオキシンを副生する。

　繊維の難燃化は、乳幼児用衣料やインテリア、とくに地下街のインテリア用の材料としてみた場合、防災上重要である。

［垣内　弘］

合成繊維の将来

衣料用としての合成繊維は出尽くした感がある。工業用の使途を進めるため各種のプラスチックを繊維状強化材で複合化し、プラスチックの欠点である機械的性質や熱的性質の補強や改質が行われている。補強材としての繊維はガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ボロン繊維（高強度、高弾性率をもつ連続長繊維で、航空機の尾翼やゴルフシャフト、釣り竿(ざお)、テニスラケットなどスポーツ用品などに使われる）などが用いられている。不飽和ポリエステル樹脂とガラス繊維の組合せがもっとも一般的で、これを繊維強化プラスチック（FRP、fiber reinforced plastics）とよび、小型船舶、コンテナー、スキー、バスタブなど広く用いられている。軽量で腐食せず、機械的性質も優れている。

　さらに、より高級なものとしてエポキシ樹脂と炭素繊維の組合せがある。ゴルフのブラックシャフトやテニスのラケット、釣り竿(ざお)などに使われ、アメリカやヨーロッパでは航空機の機体にまで利用されている。コンピュータ関係、ビデオなどのプリント配線基板はエポキシ樹脂とガラス繊維の組合せである。

［垣内　弘］

『友成九十九著『合成繊維物語』（1952・ダイヤモンド社）』▽『水谷久一著『ナイロンとテトロン』（1958・産業図書）』▽『秋吉三郎著『合成繊維』（1959・日刊工業新聞社）』▽『片山将道著『アクリル系合成繊維』（1959・日刊工業新聞社）』▽『桜田一郎他編『合成繊維』（1964・朝倉書店）』▽『広瀬兼光著『新しい合成繊維の知識』（1966・長江書房）』▽『浅原照三他編『新しい合成繊維』（1968・共立出版）』▽『内田星美著『現代の産業　合成繊維工業』新訂版（1973・東洋経済新報社）』▽『宮坂和雄著『合成繊維の基礎知識』（1974・山崎書店）』▽『祖父江寛著『合成繊維』改訂（1975・大日本図書）』▽『ダイヤモンド社編・刊『合成繊維』（1977）』▽『桜田一郎著『繊維の化学』（1978・三共出版）』▽『井本稔著『ナイロンの発見』（1982・東京化学同人）』▽『宮坂啓象・岡本三宜著、日本化学会編『新合成繊維』（1996）』▽『守屋晴雄著『ナフサ体系の商品学』（1997・守山書店）』▽『栗原福次著『高分子材料大百科』（1999・日刊工業新聞社）』▽『李亨五著『企業間システムの選択――日本化学繊維産業の分析』（2002・信山社出版）』▽『田中春彦著『環境と人にやさしい化学』（2003・培風館）』▽『重化学工業通信社編・刊『化学品ハンドブック』2003年版（2003）』