繊維の未来

過去の繊維開発は繊維の未来を示唆しているかもしれません。

ジェフ・デューガン著

マルクス・アウレリウスの言葉を大まかに引用すると、「過去を振り返ると、未来を予見できる」。 これと同じ考え方が繊維の研究開発にも当てはまります。 ファイバーの開発が将来どのような方向に進むかを洞察するには、過去が最良の指標となります。 水晶玉や未来を正確に予測する方法はなく、「推測メーター」があるだけです。 しかし、過去は将来の可能性を示唆しています。 開発の中には、短期的なもので、思いつきのようなものではないものもありますが、他の開発の中には、実現するかどうかわからない長期的なプロジェクトもあります。

素晴らしいアイデアから商品化までの距離は非常に長く、残念なことに、物事がうまくいかない可能性がたくさんあります。 素晴らしいアイデアが実現しないこともあります。

現在の繊維業界を 20 ～ 30 年前と比較すると、あまり変わっていません。 今日でも、ポリエステルは依然として王者であり、ポリと綿の混合物が織られ、編まれて生地に使用されています。 20～30年ほど前、数十年後には誰もが不織布を着用するようになるだろうと人々は考えていたかもしれませんが、最終的にはそうなる可能性はありますが、まだそうなっていません。 明らかに、研究開発は進行中であり、現在開発中のものは、今後数十年で業界の様相を変えるでしょう。 しかし、変化はゆっくりであり、おそらく今後 20 ～ 30 年後も、現在重要なものは依然として繊維業界で重要であるということを覚えておくことが重要です。

また、これまでに起こった大きな開発は、ほとんどが周縁部にありました。 歴史が直線であるなら、そしてもちろん決してそうではありませんが、未来が過去と同じであるならば、新しい発展のほとんどはマージンに残ることになります。

もしそうなら、なぜそれらのイノベーションに注目するのでしょうか? 答えは、そこにお金があるからです。 たとえ企業がマージンに残る開発に取り組んでいたとしても、生産者は価格と量だけで競争するのではなく、そこから利益を得ることができます。 これが、企業がイノベーションや新たな開発を追い求める理由の 1 つです。

また、研究によって収益性の高いものが生み出されるだけでなく、もしかしたら業界を根本的に変える「新しいポリエステル」が生まれるかもしれないという夢も常にあります。 ポリエステルは何十年もの間王様でしたが、100年前には存在しませんでしたし、いずれ変化が起こるでしょう。

複合繊維は新しいものではありませんが、まだ開発されていない用途の 1 つはバインダー繊維の用途です。 バインダー繊維の性能を拡張できる新しい技術が登場しています。 標準的なバインダー繊維についてはよく知られています。 新しいポリマーの開発により、繊維を用途に合わせて調整するために利用できる新しい溶融温度が存在します。 アモルファスまたは結晶質のバインダーを選択できることにより、必要な役割を果たすように製品をより適切に調整することもできます。

さらに、より新しい可能性の 1 つは、最初に生地を結合し、その後使用に必要な時点で結合を解除できるバインダーです。 これらは、バインダー繊維の革新における短期的な可能性である可能性があります。

タガント技術は、現在利用可能なもう 1 つの二成分技術ですが、十分に活用されておらず、この種のファイバー技術には多くの価値があります。 2D バーコードのような識別子を作成したり、さまざまな波長の光で見るとファイバーが光る素材を使用したりできます。

2D バーコードは、断面を特定してバーコード内の情報を抽出するために、ある種の法医学的なアプローチが必要な場合に、多くの情報を提供します。 これに比べ、特定の波長の光を使用して表示されるタグは、ファイバーが存在する場合にのみそれを識別する、単純化されたバイナリ テクノロジーです。 このタイプのタグにはそれほど多くの情報はありませんが、POS スキャンなどの特定のアプリケーションでは役立つ場合があります。

将来的には、下流側に説明責任を持たせるために、ある種のタガント技術が必要になる可能性があります。 このようなアプリケーションは、バイコンポーネント技術を現在の水準を超えて拡張する方法を提供します。

DNA 添加剤の使用は、これらのタガント技術に対する新しいアプローチです。 2D バーコードと同様の多くの情報を含む DNA をファイバーに挿入できるようになりました。 DNA を使用する利点の 1 つは、情報の抽出がより簡単で、法医学的手法が必要ないことです。 このテクノロジーは安価ではありませんが、多くの情報をファイバーに埋め込むより簡単な方法です。

タガント以外にも、スプリッタブルファイバーは市場における複合繊維の拡張の可能性を提供します。 紡績糸を製造する場合、カード機でマイクロファイバーが問題を引き起こします。 ただし、複合繊維の断面を制御すると、繊維の分割性も制御できるため、紡績糸にマイクロファイバーを組み込む方法が得られます。 カーディングプロセスはすべて異なり、設計や用途によっては分割可能なマイクロファイバーと非マイクロファイバーの異なる混合が必要になる場合があるため、分割可能特性は重要です。 利用可能な多くの異なるタイプのポリマーと組み合わせて製造できるさまざまな断面のすべてにより、非常に広範囲の分割可能な繊維を製造することが可能です。

カード可能で分割可能な二成分繊維には次のものがあります (図 1 を参照)。

さまざまな分割性を備えているため、繊維をプロセスに合わせて調整し、カーディング中に二成分繊維が分割されるブレンドをカーディングすることが可能です。 注意点は、プロセス全体ですべての繊維を運ぶために、繊維混合物中に分割不可能な非マイクロファイバーがいくつか含まれている必要があるということです。 しかし、この技術によりマイクロファイバーを紡績糸にブレンドすることが可能になります。 この二成分繊維用途の拡大には、下流側での追加の作業が必要になる可能性がありますが、これは非常に簡単な成果であり、短期的には利用可能であり、開発の機が熟しています。

ファイバーの将来の「推測メーター」に関するもう 1 つの短期開発は、環境に有利なファイバーです。 「グリーン」繊維という用語にはさまざまな意味があり、「グリーン」繊維には持続可能性や二酸化炭素の軽減だけでなく、マイクロプラスチックの懸念、毒性、埋め立て問題など、さまざまな意味があります。 さまざまなファイバー技術がさまざまな環境問題に対応しており、環境的に有利という用語は、多くのシナリオをカバーするために使用するのに適した用語です。

すでに始まっていることの 1 つは、天然繊維の役割の拡大です。 消費者の観点からは、これらの繊維がプラスチックよりも環境に優しいことは明らかです。 しかし、需要にもかかわらず、天然繊維は、特にポリエステルが提供する特性を提供しないため、織物に使用される繊維の 100% を実現することはできません。

天然繊維を使用してこれまでよりもさらに拡張するには、繊維を化学的に修飾してその特性範囲を拡張する何らかの作業が必要になる場合があります。 また、将来のある時点で、私たちの土地を食料以外のものの生産に使用するかどうかについての議論が起こるでしょう。 ポリ乳酸（PLA）繊維の生産者はすでにトウモロコシを使用しており、食料供給の一部を消費しているため、ポリマーに対する反発をある程度見ている。 したがって、天然繊維の拡大は、「繊維か食品か？」という問題に左右される可能性があります。 最終的には、天然繊維と合成繊維の間の戦いは、たとえそれが戦いであっても、プラスチックの進化によって制限される可能性があるものになるだろう。 プラスチック業界では、プラスチックが引き起こす環境問題のいくつかに対処するために多くの取り組みが行われており、解決策は説得力のあるものになりつつあります。 費用対効果の高い解決策はまだ多くありませんが、少なくとも技術的には環境問題に対する答えはたくさんあります。 新しいソリューションの開発速度と最終的なコストにより、天然繊維にさらに焦点を当てる推進力が制限される可能性が非常に高いです。

プラスチック業界で開発され、大きな利益をもたらす新しい技術の 1 つは、劣化促進添加剤 (DEA) です。 CiCLO® は、Intrinsic Textiles Group と Parkdale Advanced Materials の合弁事業である Intrinsic Advanced Materials が提供する技術の 1 つです。 市場には他のテクノロジーもあり、それらは基本的に同じように機能します。 DEA をほぼすべてのプラスチックに添加すると、その材料は微生物が豊富な環境では 2 ～ 3 年で分解され、200 年や 300 年かかることはありません。

これらの技術の魅力の一つは、環境問題の解決のために求められることが多いバイオポリマーと比較して、比較的低コストであることです。 バイオポリマーには多くの技術的利点がありますが、どれも安価ではありません。 DEA は比較的低コストで、すぐに製品に組み込むことができます。 もう 1 つの大きな利点は、バイオポリマーは用途や加工、あるいはその両方において特性を大幅に犠牲にする必要があることです。 DEA は、本質的に特性を犠牲にすることなく、低コストで迅速に環境上の利益をもたらします。 さらに、一部のバイオポリマーは分解するために堆肥化を必要とし、DEA を使用すると、堆肥化を必要とせずに微生物が豊富な環境で繊維を分解できます。

欠点の 1 つは、PLA などの他のポリマーほど早く分解が起こらない可能性があることです。 しかし、すぐに分解するが高価で特性の点でコストがかかる製品と、すぐには分解しないが数年で分解する DEA を含むファイバーを比較すると、DEA の使用には説得力のある提案があります。何世紀にもわたってそのテクノロジーは今日も存在します。 DEA はおそらく、かなり短期間で重要なテクノロジーになるでしょう。

ポリエチレンフラノエート (PEF) は、オランダの Avantium などが主に開発している新しいバイオポリマーです。 PEF はバイオポリマーの世界では例外です。なぜなら、バイオベースの成分を選択することは、他のバイオポリマーのように繊維の特性を犠牲にすることを意味しないからです。

バイオベースのエチレンは入手可能な原料であるため、完全にバイオベースのポリエチレン テレフタレート (PET) はまだ現実的ではありませんが、テレフタレートの部分は非常に扱いが難しいのです。 PEFでは、フラノエートモノマー（2,5-フランジカル酸）が生物由来のエチレングリコールと結合してPETに非常によく似たポリマーを作りますが、フラノエートモノマーも生物ベースであるため、得られるPEFポリマーは100パーセント生物ベースです。 この繊維にはある程度の自然分解性がありますが、自然に生分解性ではないため、耐久性が必要な多くの用途に役立ちます。 PEF は両極端の中間に位置します。すぐには劣化しませんが、必要に応じて劣化させることができます。 繊維の特性はポリエステルに匹敵しますが、この繊維は中期的に生分解性があり、一般的な PET リサイクルの流れでリサイクルできることが大きな利点です。 もう 1 つの利点は、PEF を既存の PET プラントで生産できることです。 反応速度は異なりますが、基本的にメーカーはテレフタレート モノマーをフラノエート モノマーに交換するだけで済みます。 さらに、特に PEF は DEA と組み合わせて使用​​するのに適したポリマーです。

PEF の欠点の 1 つはコストです。 これは開発段階の初期段階にあるため、価格が下がることも一因です。 Avantium はコストの予測を共有しており、規模が拡大すれば価格は PLA と同程度か、おそらくもう少し高くなるだろうと予測しています。 しかし、これはかなりのプレミアムであり、率直に言って大衆市場での PLA の採用を妨げています。

価格の面では、コストが許容可能なレベルに達すると考える理由は他にもあります。 PEFの製造コストを現在の約20パーセントに削減できる重合プロセスを開発するための研究が行われています。 さらに、PEFの酸素バリア性は素晴らしいです。 この特性は繊維にとっては何の意味もありませんが、ペットボトル市場では非常に重要です。 コカ・コーラなどの企業はバイオプラスチックボトルの開発に多額の資金を投資しており、これがPEFの開発を推進することになる。

もう 1 つの選択肢は、100% 生分解性 PET を作ることであり、これは実現可能ですが、高価であり、多額の投資にもかかわらず、まだ解決されていません。 そして、特性の違いを考慮すると、PEF が生分解性ポリエステルよりも勝者となる可能性があります。 そうであれば、量は膨大になり、コストは削減されます。 PEF は注目すべきファイバーです。 研究はまだ十分に進んでいませんが、最初のパイロット規模のプラントが建設中です。

ポリヒドロキシアルカノエート (PHA) も注目に値する生体高分子の一種です。 繊維としてはまだ全盛期には達していませんが、この技術は商業化に近づきつつあります。 PHA には、他の材料に比べて多くの利点があります。 これらは 100% バイオベースであり、自然に生分解されます。 前述したように、PEF にはある程度の耐久性があることが利点であり、これは多くのアプリケーションで望まれることです。 しかし、自然分解性が重要な用途は他にもあります。 微生物が存在する場所であればどこでも、PHA は分解されます。 クローゼットに吊るしておいても劣化するというわけではありません。 しかし、地面に放置すると劣化が早くなります。 また、このポリマーは海洋分解性でもあるため、海洋プラスチックやマイクロプラスチックの問題に対する有望な解決策となります。 PHA は大規模に比較的低コストで入手できる可能性が高く、おそらくポリプロピレンよりも安価である可能性があり、これは他のバイオポリマーに比べて大きな利点です。 また、PHA はあらゆる生体材料や二酸化炭素から製造できるため、トウモロコシや他の食品源からの糖分は影響を受けません。 工場では、煙突のスクラバーで回収した二酸化炭素を PHA の原料として使用することもできます。これはどれほど環境に優しいのでしょうか? PHA は加工性の点ではまだ十分ではありませんが、幅広い調整が可能な化学ベースです。 ポリマーの特性を調整する方法は数多くあり、これに環境上の魅力的な利点を加えることで、開発が解決に向けて前進することが期待されます。

ケミカルリサイクルも、環境に有利な繊維の分野では潜在的に大きな問題となる可能性があります。 数年前、BASF はナイロンの解重合を検討しました。 当時、それは環境問題ではなく、よりコスト重視の研究だったが、同社はそれが法外なコストであると判断した。 今日、この分野で新たな活動が見られるのは興味深いことです。 現在、ポリエステルやポリプロピレンのリサイクル工場が世界中の多くの場所に建設されていますが、収益性の高い取り組みでない限り、そのような資本が投資されるとは考えにくいです。

ケミカルリサイクルではダウンサイクルも排除されるため、ポリエステルは永久にリサイクルできると考えられます。

リサイクルとバイオポリマーの使用については議論があります。リサイクルは非常に単純であり、単なる機械的なプロセスであるためです。また、バイオポリマーの方が風変わりで有利であるように思われます。 しかし、環境上の利点をもたらすという点では、適切な状況下でリサイクルを行うことは、簡単に劣化するポリマーよりも強力な可能性があります。 将来的には、ケミカルリサイクルの取り組みがさらに注目されることになるでしょう。

電気応用など、まだ十分に開発されていない繊維や織物でできることはあります。 繊維にワイヤーを追加する電気的に機能するアパレルは、しばらく前から開発されていますが、まだ業界を席巻するまでには至っていません。 しかし、イノベーションは進行中であり、おそらく課題は解決されるでしょう。

さらに言えば、電気的に活性化された基板には多くの期待があり、非常に役立つ可能性があります。 たとえば、基板内の動きを活性化する電気刺激について考えてみましょう。 あるいは、他のタイプの活性化には、衣類、ブラインド、または屋根材に役立つ可能性のある光起電力繊維が含まれます。 このような技術は、別のプロジェクターの必要性を排除する、折り畳み式または巻き取り式のディスプレイ スクリーンの作成にも使用できます。 この種のテクノロジーは、明日生産できるものではありません。それがどのように正確に機能するかについては、多くの作業と調査が必要です。しかし、その仕事に適した材料は入手可能であり、研究する価値は十分にあります。価値があります。

繊維も導体となりえます。 導電性が限られた天然の導電性ポリマーの 1 つであるポリアニリンがあります。 しかし、それが存在するという事実は、現在入手可能なポリアニリンよりも価値のある、より導電性の高い繊維を作成するための開発作業が行われる可能性があることを示唆しています。

導電性繊維は、カーボン ナノチューブなどの導電性添加剤を使用するか、蒸着技術を使用して作成することもできます。

カーボン ナノチューブは、より導電性の高い糸を製造するために使用される可能性がありますが、最も興味深いのは、単層カーボン ナノチューブは導電性があるだけでなく、超伝導体であるということです。 これらの微細なカーボンナノチューブを、たとえばポリエステルのマトリックスに埋め込むことができ、実用的な長さのものを作ることができれば、これらの新材料は超伝導体として多くの価値をもたらす可能性がある。

ポリマーに金属を蒸着すること（たとえば、ナイロンに銀を蒸着する）は可能ですが、含まれる銀の量により、これらの繊維は非常に高価になります。 ただし、ナイロンに銀を蒸着するのと同じプロセスを使用してポリエステルに銀を蒸着することはできません。 したがって、全体にナイロンの細片が走っているだけの複合繊維を想像してください。 銀をナイロン上にのみ蒸着して、数分の１のコストで 100 パーセントの導電性を提供する繊維を作成することができます。

さらに電気用途では、ポリフッ化ビニリデンは溶融押出可能であるため、繊維にすることができます。 そして、製造中に適切な方向の電場で引き伸ばしたり引っ張ったりすると、圧電性のファイバーが得られます。 ほんの数例ですが、圧電ファイバーにはセンサー、アクチュエーター、人工筋肉などに使用する価値があるはずです。 これはファイバー分野において未開発の貴重な機会であり、誰かが解決策を見つけるのを待っています。

空想の未来の繊維に関しては別の領域に移りますが、溶剤紡糸タンパク質繊維です。 このカテゴリーの可能性はほぼ無限です。 目標は、タンパク質を使用し、それを溶媒で紡糸することです。理想的には、環境に安全なプロセスを保証するために溶媒として水を使用して、繊維に求められるすべての特性（軽量、強度、耐久性）を備えた合成クモの糸に似たものを作ることです。ストレッチ付き。

この分野では多くの研究が行われており、日々商品化に近づいています。 商業的に使用可能なタンパク質繊維を製造するための解決策が見つかったら、クモの糸は単なる始まりにすぎません。膨大な範囲の新しい特性を提供するまったく新しい化学の世界が広がるからです。 単に特性が改善されただけではなく、異なる特性も得られます。 基礎技術を習得できれば、この分野は採り得る機が熟している。 タンパク質繊維におけるウォレス・カロザースの瞬間が必要であり、それが実現すると、過去 20 ～ 30 年で見られなかった方法で繊維の状況を完全に変える可能性のあるまったく新しい世界が開かれるでしょう。

将来の「推測メーター」をほぼ最大限に活用するのは 3D ファイバーです。 イノベーションはまず、繊維の長さという 1 つの次元をマスターしましたが、それが唯一の変数でした。 その後の研究により、二次元の変化を制御して、二成分繊維と非円形の断面を生成することが可能になりました。 しかし、繊維の 3 次元を調べることは、多くの価値をもたらす可能性があります。 たとえば、長さに沿って繊維の形状や組成を変更することは可能かもしれません。つまり、ここには 1 つの断面があり、さらに先には別の断面が存在します。 または、ここに 1 つの素材があり、その後に別の素材が配置されたり、長さに沿ってさらに別の素材が組み合わせられたりする場合もあります。 おそらく 20 年か 30 年後には、業界はそのような繊維の生産に近づいているでしょう。

考えられる用途の 1 つは合成グースダウンです。 グースダウンは、体長に沿って小さな小羽枝があり (図 2 を参照)、繊維製品の中で最も高価なものの 1 つです。 グースダウンの中綿が圧縮されると、小羽枝が垂直な繊維に引っかかり、繊維が押しのけるのではなく曲がります。 圧力が解放されるとダウンは元に戻り、断熱性が維持されます。 合成グースダウンは価値のある製品ですが、まず長さに沿って繊維の形状を変える技術が存在する必要があります。

これは、「推測メーター」が正しい場合に繊維の将来がどのようになるかについての 1 つの見方にすぎません。 そのようにうまくいくかもしれないし、うまくいかないかもしれませんが、過去の開発は将来の方向性を示唆しています。

編集者注: Jeff Dugan は Fiber Innovation Technology の共同創設者で、最近退職するまで研究担当副社長を務めました。 彼は今でも時折、コンサルタントとして新しいファイバープロジェクトの人々を支援しています。 Dugan は 39 年のキャリアの中で多数の論文を執筆し、約 50 件の特許に名前が挙げられています。 彼はまた、繊維をテーマにした最初で唯一の TED トークを発表しました。 この記事は、前回の合成糸織物協会 (SYFA) カンファレンスで行われた Dugan のプレゼンテーション「Future Fibers」の内容に基づいています。

2023年1月/2月