Research of basic performance and action mechanism of fabric softener for house-hold use

概要

家庭用柔軟剤は、我々の衣生活を支える洗濯アイテムとして広く使用されている。衣類やタオル等を繰り返し使用すると、ごわごわとした硬い感触が際立つ様になるが、適量の柔軟剤を使用すると、この硬さを効果的に解消し、ふんわりとした柔らかな実感性能が得られる。今日市場に流通する家庭用柔軟剤の多くは、長鎖二鎖アルキル型のカチオン界面活性剤を主成分とする組成物である事から、この様な柔軟化効果の由来については、これ迄、アルキル鎖に由来する繊維間の摩擦に関係づけた説明がされてきた。すなわち、「水中で柔軟剤( ベシクルを形成)を繊維に処理すると、静電的な相互作用により負電荷を帯びた繊維表面に対して剤が吸着し、その後の乾燥過程において、アルキル基を空気側に向けた単分子膜が形成し、この膜の介在により、近接した繊維表面間の摩擦が軽減する為に、柔らかさが発現する」とい•う考え方である。この様な視点にたち、柔軟化性能を処理繊維の摩擦特性という観点から関係づけて理解しようとする試みが多々散見されるが、今なお、この現象を確定して説明できる状況には至っていない。一方、柔軟剤は、確かにタオルや布を効果的に柔軟化する利点を有しているが、繊維表面を疎水化してしまう為、吸水性を悪化させるという課題が顕在する。

この様な相互の性能のトレードオフの関係を克服する上で、現象を支える本質的なメカニズムを探る試みは、有益な知見を与える。そこで、本研究では、これら両性能の特徴が顕著に得られる「木綿」に注目し、繊維の対象物研究の視点から、自然乾燥後の木綿繊維は何故硬くなるのか、そして、柔軟剤の使用により、何故この硬さを解消できるのかという柔軟化の本質に関わる起源を探ると共に、吸水性の低下という柔軟剤使用時の課題に対する策を考える事で、製品の基本性能の強化、更には、新しい時代の要請や生活者ニーズに応えられる繊維改質技術の提案に繫がる基礎的な知見を得る事を目的とした。

第一章序論
家庭用柔軟剤に関する一般的な特徴を述べた上で、最も顕著な柔軟化効果が得られる木綿繊維に視点を注ぎ、その特性を整理した。その上で、柔軟剤使用時の課題に位置づけられる吸水性の悪化について言及した。以上を踏まえて、本学位論文の着想に至った経緯と意義を述べた。

第二章水素結合に視点をおいた柔軟性の発現機構
柔軟剤の使用に伴う柔軟化の起源を探る為、先ず「濡れた状態から静置乾燥すると、糊付けした様に硬くなる」という木綿特有の基本現象に着眼し、柔軟化の対極にあるこの「硬さ•ゴワツキ」の生成要因を探る事で、柔軟剤の本質的な作用要因を検討した。先に述べた硬化状態の未処理本綿糸の曲げモーメントのプロファイル解析の結果に、本綿特有の結合水の性質に関する情報を統合する事で、この変化の由来を「本綿単繊維間で形成した結合水( 毛管凝着水) を介した三次元水素結合ネットワーク」によるものと推定した( 木綿の硬化モデルの提案)。また、常温常湿下の木綿繊維に含まれる約8 %の水(相転移を伴わない不凍性結合水)を加熱減圧操作により完全除去すると、硬さが失われ、柔らかさが発現する事を見出した。この結果から、本綿の硬化•柔軟化現象において「結合水」が重要な役割をもつ事を推定した。以上の検討から、木綿繊維に対する柔軟剤の作用が「木綿単繊維間で結合水を介した架橋形成に対する効果的な阻害」によるものと考察した。

第三章本綿の硬化モデルの検証一単繊維表面結合の直接観察
木綿の力学強度の由来となる「本綿単繊維同士の、結合水を介した三次元水素結合ネットワーク」というモデルを検証する為、その鍵となる「本綿単繊維表面に存在する結合水」の実態観察を行う事で、その微視的構造を明らかとする為の検討を行った。先ず、湿度可変条件下で本綿単繊維と親水性のシリコン製プローブの間で働く引力を、原子間力顕微鏡(A FM : Atomic Force Microscopy)を用いて計測し、湿度の増加に対応して増加する毛管接着力に対応する力を検出した。また、水分除去前後の単繊維表面のA FM・I R (Atomic force microscopy-infrared spectroscopy)測定を実施し、赤外スペクトルの変化から、最表 層に存在する本綿特有の結合水の存在を推定し、その性質を議論した。更に、AFM法で得たフォースカーブから、本綿単繊維表面に対する親水性プローブの接近/離反時で観察 される明瞭なヒシテリシスの存在を、木綿糸の曲げ剛性の若返り現象(木綿糸に対して曲 げ応力を負荷した後に低下した剛性が回復する現象)に関連づけ、本綿表面に存在する「粘性をもつ水」の可能性を議論した。粘性散逸力であるずり応力は、結合水の粘性係数に比例する事から、曲げ剛性だけではなく、繊維の動的な力学挙動であるせん断、捻じれ、引っ張り等に関与していると考察した。

第四章 単繊維集合体への柔軟剤の吸着実態と性能の関係
単繊維集合体から構成される布•糸における柔軟剤の吸着分布をマクロな視点で精査し、柔軟性能との関係を整理した。従来、柔軟化の機構が繊維間の滑りという観点から議論されてきた経緯を受けて「糸同志の交点の役割」に注目した。その結果、繊維同志の重なりが伴う交点では、①剤の分布そのものが乏しい事、② 交点における剤濃度が乏しくても、優位な柔軟性能が発現できる事•を見出した。②は、従来議論の中心とされてきた「繊維間の摩擦低減」が柔軟化の主要因であるとの立場とは相反する知見に位置づけられる。また、単繊維の集合体から構成される「糸」では、剤が糸表面に偏在し易く、この表面から内部にかけて「濃度勾配」を伴って分布していた。この様な特徴的な剤分布の由来を、水中での柔軟剤の会合特性( ベシクル) に起因する吸着機構( 衝突による付着• 定着) を反映したものと推察した。
更に、この様な剤の吸着分布に関する特徴を、第2章で述べた「柔軟剤が、木綿単繊維間で形成した毛管凝着水( 結合水) を介した三次元水素結合ネットワークに対して、効果的な形成阻害を与える」という知見と統合して考察した。糸内部では、硬さの維持を担う単繊維間で結合水を介した水素結合ネットワークから成る構造が残留する一方で、糸内部から表面に向けて剤濃度が増す事により、水素結合の形成阻害を受けた柔らかな物性を担う部位が濃度勾配を伴って共存している事になる。この様な剛軟感の異なる2つの物性が共存する特異性こそが、柔軟剤特有の豊かで弾力ある風合いに繋がっていると推定した。

第五章 既存柔軟剤の使用に伴う課題の克服 -吸水性能の向上
この章では、柔軟剤の使用に伴う課題として「吸水性能」を取り上げ、繊維表面の濡れの改善という視点から、課題解決に向けた方策を検討した。吸水という現象は、繊維間或いは繊維内部におけるバルク水の移動に関連した事象である事から、液体の浸透に関わる基本理論：Lucas-Washburn式を手掛かりに、疎水面で被覆された単繊維表面を、斉リの使用により如何に効果的に親水化できるかという観点から検討を行った。
凸形状を持つ粗面上での接触角が、見かけの表面積に対する実際の表面積の割合により倍増する事を示すWentzelの式をベースに、表面親水性の小粒径エマルションの添加効果を、親水性のリニアポリマーと比較しながら検証した。親水的な木綿表面上で柔軟剤の作用により疎水化された表面が共存した混合膜を想定し、表面親水性微粒子の併用により、付加的に凸ドメインを導入した改質表面の接触角0を、Vdungの式とCassie-Baxterの式をベースに改変して得られる新たな理論式で表現した。これらの検討より、木綿繊維表面の親水性は、疎水的な柔軟剤膜で部分的に被覆する事により低下するが、表面親水性の微粒子を効果的に共存させる事で、この低下を有効に回復し、濡れ性を高められることを見出した。

第六章結言
本学位論文では、二長鎖アルキル型のカチオン活性剤を主成分とする家庭用柔軟剤の基本性能とその効果発現の機序に着目し、① 木綿繊維における柔軟化のメカニズム② 吸水課題の克服 に関する研究を行った。先ず、第二章では、木綿本来の硬化の要因が「自然乾燥後に形成する単繊維間の結合水を介した三次元水素結合ネットワーク」に由来するという独自の着眼点を取り入れて、柔軟剤がこの水素結合ネットワークに対して「効果的な形成阻害を与える」という新しい機構を提案した。第三章では、第二章で述べた木綿の硬化モデルを考える上で重要な役割を担う「表面に存在する結合水」に視点を注ぎ、最表層を対象とした表面分析を駆使した実態観察を踏まえて、力学特性との関係性を考察した。第四章では、木綿の柔軟性能の由来を、布• 糸( 単繊維集合体) に対する剤分布をマクロな観点から関係づけて議論した。柔軟剤の会合特性( ベシクル) に由来する吸着機構を反映した布•糸に対する剤分布の偏在性という特性が、柔軟剤使用時の特徴ある弾力を伴う豊かな風合いに繋がっているという考え方を提案した。さらに、第五章では、柔軟剤使用時の繊維の表面疎水化によって生じる「吸水性の低下」という課題を取り上げ、繊維表面の濡れ性を効果的に高める為の方策として、「親水的な表面を付加的に導入する」手法を提案した。
本学位論文で記した学術的な知見が、今後の新しい繊維仕上げ技術の開発や多様な表面改質の発展に少しでも寄与し貢献できる事を願っている。

以上