石川県工業試験場

光エネルギーを利用した環境適応型染色システムの開発

■繊維生活部　沢野井康成　森大介　守田啓輔　神谷淳
■金沢大学　黒堀利夫

　ポリエステル布における環境負荷の少ない発色技術を開発するため，クリーンな光エネルギーであるレーザとスキャニング機構からなる発色方法を考案した。この方法を検証するため，連続発振の半導体励起固体レーザ(DPSSL)とガルバノミラー方式によるスキャニング装置を組み合わせた発色試験装置を試作し，スキャニング速度など照射条件を変えて実験したところ，発色されている結果が得られた。これにより，考案した方法でポリエステル布を連続的に発色することは可能であることを確認できた。
キーワード: 染色(発色), インクジェットプリント, レーザ光, ポリエステル, 分散染料, 環境適応

Development of a New Eco-Friendly Dyeing Method for Ink-jet Print in Textiles Using a Visible Laser

Yasunari SAWANOI, Daisuke MORI, Keisuke MORITA, Jun KAMITANI and Toshio KUROBORI

We devised a new eco-friendly dyeing method for polyester (PET) fabric printed by means of an ink-jet printer using disperse dye. This method combines laser, which is pollution-free optical energy, and a scanning mechanism. The study was carried out to verify the dyeing method. First, a dyeing test apparatus, which incorporates a galvanometer mirror and a visible CW (continuous wave) laser (DPSSL; Diode-pumped Solid-state Laser), was constructed. Secondly, a laser beam was applied to the test fabrics to investigate the relationship between the dyeing properties of PET fabrics and test conditions such as scanning speed, laser power density and fabric feeding speed. This test confirmed that the proposed eco-friendly method was effective for continuous dyeing of PET fabrics printed by ink-jet printers.
Keywords : dyeing, ink-jet print, laser beam, polyester (PET), disperse dye, eco-friendly

１．緒　　言
　下請受注型の企業から企画提案型企業への転換が急務となっている繊維製造業(捺染業界)では，小ロット・短納期生産に優れ，且つデジタルデータが利用できるインクジェットプリントは不可欠な染色技術の一つとなっている。しかしながら，プリント工程を簡略化できるインクジェットプリントにおいても，プリント後に，発色・水洗・熱セットというような後処理を行う必要がある。後処理工程は一般的に従来の染色仕上げ加工場で行われており，特にポリエステルを発色させる場合，専用の湿熱あるいは乾熱装置を用いた高温での熱処理が行われている。このため，水や熱エネルギーを大量に消費するとともに，染色廃液の環境対策も必要となる。
　一方，クリーンな光エネルギーの一つであるレーザ光の染色加工への応用については，紫外線レーザによる昇華性芳香族分子の高分子フィルムへの移動(レーザ注入)に関する基礎研究1)，赤外線レーザ加熱による染色2)，光吸収剤併用下での近赤外半導体レーザによる転写プリント3)，サーモゾル染色4)の報告例等がある。これらのレーザ光による発色法は，図1に示すように，従来の湿熱あるいは乾熱による熱エネルギーに代わり，レーザ光による光エネルギーを利用して染料を繊維の内部に拡散させる方法である。このように発色工程に光エネルギーを用いることで，環境負荷の低減と省エネルギー化が期待できると考える。
　しかしながら，これまでの研究はまだ実用化段階にないため，筆者らはこれまでレーザ光を用いるインクジェットプリントしたポリエステル布の発色技術に関する基礎研究に取り組み，連続発振の可視光レーザが発色に適する知見を得るとともに連続発色方法の考案を行った5,6)。
　本研究では，考案した連続発色方法の実用化を目的に，レーザと走査機構の組み合わせからなる簡易型の発色試験装置を試作し，この発色方法の検証を行った。

（図1　レーザ光による発色法）

 

２．実験方法
２．１　簡易型発色試験装置の試作
　試作した装置(以下，簡易型発色試験装置)の概略とその主な仕様を図2及び表1にそれぞれ示す。
　レーザには，装置の小型化が可能な半導体励起固体レーザ(DPSSL；使用波長473nm)を用い，さらにレーザ光をより小さなスポットに集光することが可能となる光学素子を使用した。スキャナー装置には，鏡を回転させてレーザ光を走査するガルバノミラーと，スキャニング速度が一定になるよう補正するfθレンズを用いた。布送り部には，X-Y微動装置を使用して布を一定速度で送り出した。試料の布は，X-Y微動装置に設置した予備加熱(プリントの反対面より布を暖める)用ヒータ内蔵のアルミ板上に貼り付けた。なおこの試験装置の初期設定は，fθレンズの焦点距離を150mm，スキャニング幅を80mmとした。光学素子の変更により，ビーム径を保ったまま焦点距離を稼ぐことでスキャニング幅の拡大も可能となる。

（図2　簡易型発色試験装置の概略）
（表1　簡易型発色試験装置の主な仕様）

２．２　試験試料の作製
　試験布には前処理加工済みのポリエステルデシン(コニカミノルタIJ(株)製)を用い，同社製テキスタイルインクジェットプリンターNassenger KS-1600IIを使用し，附属の分散染料インク(シアン(C)，マゼンダ(M)，イエロー(Y)，ブラック(K))の4色を各色幅1cmのストライプ状にプリントしたものを試験試料とした。
２．３　発色性の評価
　試験試料の発色性は，レーザ光を照射した試験試料を水洗および湯洗して前処理剤を除去したものを，分光測色計(マクベス社製，MS-2020PL)によってD65光源・10度視野で測色し，得られた分光反射率から式(1)より表面染色濃度(K/S値)を算出し評価した。
(K/S)λ＝(1-Rλ)2/2Rλ--------(1)
R：反射率
λ：最大吸収波長
２．４　照射試料の観察
　レーザ光照射が繊維に与える影響については，発色した試験試料の表面状態を走査型電子顕微鏡(日立製作所(株)，S-3000N形)で観察して調べた。

 

３．結果及び考察
３．１　スキャニング速度と発色性
　レーザ光のパワー密度52W/mm2(スポット径:約100mm)，布送り速度18mm/min，スキャニング巾80mmとしたときのスキャニング速度(3.2〜20.8×10mm/s)と発色性(K/S値)について調べた結果を図3に示す。これによりスキャニング速度が遅いほど発色性は良い結果となった。詳細な発色メカニズムは解明されていないが，光エネルギーは染料分子に吸収されることで，熱に変換されていると考えられる。すなわち，単位面積当たりのレーザ光の照射時間が長いほど熱エネルギーが蓄積するので，染料分子の昇華は起きやすくなり発色性も向上するものと思われる。

（図3　スキャニング速度と発色性）

３．２　レーザ光のパワー密度と発色性
　 布送り速度とスキャニング巾を3.1と同様，スキャニング速度3.2×10mm/sとしたときのレーザ光のパワー密度(5〜52W/mm2)とK/S値について調べた結果を図4に示す。これよりパワー密度は高いほど発色性は良くなった。これは3.1の結果とも関連し，パワー密度が大きいほど発生する熱エネルギー量も大きくなり，それにともない昇華する染料も多くなるためと考えられる。

（図4　レーザ光のパワー密度と発色性）

３．３　布送り速度と発色性
　レーザ光のパワー密度とスキャニング巾を3.1と同様，スキャニング速度3.2×102mm/sとしたときの布送り速度(18〜50mm/min)とK/S値について調べた結 果を図5に示す。これより布送り速度が25mm/min以上になる場合，発色度合いは低くなった。これは布送り速度が上がるほど，単位面積当たりのレーザ光照射面積が減少することによるものと考えられる。したがって，同一のパワー密度でスポット径を大きくすれば，布送り速度をさらに上げて発色することは可能になると考える。

（図5　布送り速度と発色性）

３．４　予備加熱と発色性
　スキャニング速度3.2×10mm/s，レーザ光のパワー密度52W/mm2，布送り速度18mm/min，スキャニング巾80mmとしたときの予備加熱(22〜70℃)とK/S値について調べた結果を図6に示す。これより予備加熱は高いほど発色性は良くなった。この理由として，レーザ光照射により昇華した染料分子が気相を経て繊維中に拡散する際，予備加熱温度(布温度)が高いほど繊維表面付近の染料濃度も高くなるためと考えられる。

（図6　予備加熱と発色性）

３．５　レーザ光による繊維への影響
　スキャニング速度3.2×10mm/s，レーザ光のパワー密度52W/mm2，布送り速度18mm/min，スキャニング巾80mm，予備加熱70℃としたときの試験試料の繊維表面についてSEM観察した結果を図7(a)〜(d)に示す。これより，ブラックの染料インク(図7(d))では繊維表面に凹凸状が多く観察された。これについては，レーザ光照射時に発生した熱エネルギーによる，固化した前処理剤の残留や繊維の一部損傷等の可能性が考えられる。一方，パワー密度を36W/mm2と低くしたブラックの場合を図7(e)に示すが，凹凸状はかなり少なくなっていることが確認された。この理由として，瞬間的に発生する熱エネルギー量が減少して発生温度も低下することで，前処理剤の焦げ付きや繊維が溶融する可能性は低くなることが推測される。これら連続発色実験の結果については前報5)と同様なものであり，レーザ光による照射の影響を少なくすることは可能であると考えられる。

（図7　レーザ光を照射した試験試料のSEM観察の一例）

 

４．結　　言
　環境負荷の少ない連続発色技術の開発を目的に，考案したレーザとスキャニング機構からなる発色試験装置を試作し，ポリエステル布の発色性について検討した。その結果，以下の知見を得た。
(1) 半導体励起固体レーザとガルバノミラー・fθレンズからなるスキャニング装置を組み合わせたシステムでレーザ光を照射することにより，ポリエステル布が連続的に発色することが確認された。
(2) 上記システムにおいて，スキャニング速度，布送り速度，レーザ光のパワー密度及び予備加熱温度をそれぞれ調節することにより，照射による繊維への影響を少なくしつつ発色性を向上させることは可能である結果が得られた。
(3) 連続発色実験の結果から，同一のレーザ光パワー密度でスポット径を大きくする工夫により発色速度の向上が期待される等，実用化の可能性を見出すことが出来た。

 

謝　　辞
　本研究を遂行するに当たり，ご助言を頂いた福井大学大学院工学研究科教授堀照夫氏に感謝します。また，レーザ光による照射実験にこれまでにご協力頂いた，金沢大学・黒堀研究室学生各氏に感謝します。

 

参考文献
1) 福村裕史. パルスレーザ照射による芳香族分子の高分子固体内移動. レーザ研究, 1996, vol. 24, no. 7, p. 773-779.
2) 江守商事(株), ウラセ合同染工(株). 川口英雄. レーザ照射による染色加工法. 特開昭59-106589. 1984-06-20.
3) 静岡県. 三浦清 他. ポリエステル布帛の染色方法. 特開2005-273122. 2005-10-06.
4) 三浦清 他. 半導体レーザによるメタ型アラミドのレーザサーモゾル染色. 繊維学会誌, 2007, vol. 63, no. 1, p. 18-21.
5) 沢野井康成　他. インクジェット捺染用発色技術の開発. 石川県工業試験場研究報告, 2006, No.55, p.43-46.
6) 国立大学法人金沢大学, 石川県. 黒堀利夫, 沢野井康成. レーザ光を用いた発色方法及び発色装置. 特開2006-249597. 2006-09-21.