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熱固定とは、繊維産業において、通常は蒸気雰囲気または乾熱環境下で行われる熱処理を指す用語です。この処理により、繊維、糸、または生地に寸法安定性がもたらされ、多くの場合、ボリュームの増加、しわになりにくさ、耐熱性などの望ましい特性も付与されます。また、熱固定は、後続工程の特性を向上させるためにも用いられることがよくあります。
熱処理により、望ましくないねじれの発生傾向を解消できます。巻き取り、撚り合わせ、織り、タフティング、編みなどの工程において、ねじれの発生傾向が増加すると、糸の加工が困難になることがあります。カーペット糸に熱処理を施す場合、望ましい結果としては、ねじれの減少だけでなく、繊維糸の安定化または固定も含まれます。撚りの安定化とフリーズ効果の安定化は、いずれも熱処理によって得られる効果です。熱処理は、短繊維糸だけでなく、バルク連続フィラメント（BCF）糸にも有効です。熱処理によって合成繊維の体積が増加することもよくあります。この体積増加は一般的に「バルク形成」と呼ばれます。温度や水分を利用して繊維に上記のような特性を与えるすべての工程は、熱処理として知られています。「熱固定」という用語はあまり使われません。カーペット業界では、この工程はもっぱら「熱処理」と呼ばれています。
縮れが生じる傾向は、紡績糸の製造工程における技術的条件と繊維の物理的特性に起因します。中でも、「紡績糸の製造工程における技術的条件」とは、糸の回転モーメントを指します。撚られた糸は、ループ状に2つの固定点の間に自由に吊り下げられると、常にねじれようとします。その際、元の撚りの一部が失われ、元の撚り方向とは逆の方向にねじれる螺旋状の構造が形成されます。この逆方向への撚りの発生は、撚られた糸が平衡状態に達しようとする過程で起こります。
反対方向へのねじれは、ミュラーが張力と圧力の図で示した糸のねじれによって生じる張力によるものです。ねじれに抵抗する総張力は、糸の繊維束の張力と圧力が増加するため、ねじれの増加に伴って増加します。圧縮応力に耐えられなくなると、糸の芯が座屈するほど強くなることがあります。糸がカールするのは、糸が元のねじれ方向とは反対方向のねじれが糸のトルクと釣り合う平衡状態に達しようとするためです。これらのねじれは負のねじれとも呼ばれます。この平衡状態では、内部のねじり張力が互いに打ち消し合います。糸は常に、糸の不均一性のために断面積が小さい箇所で座屈します。紡績工程では、この箇所に多くのねじれが生じ、そのため内部張力が高くなり、最終的に糸の芯が切れます。太い糸は細い糸よりもねじれが少ないですが、内部張力は糸の太さに反比例して増加します。細い糸ほど蒸気処理による弱化が大きい。蒸気処理のその他の利点としては、糸のカールを軽減できること、そして同時に、撚りによって糸に与えられた密着性や伸長性といった物理的特性を固定できることが挙げられる。
糸の材質によって、挙動は全く異なります。ウール糸の蒸気処理については多くのことが知られていますが、合成繊維や綿の蒸気処理挙動については、さらなる研究が必要です。
蒸気が入るとすぐに、糸の加熱と蒸気の凝縮により、糸の水分量が急激に増加します。スピークマンによれば、引き伸ばされた羊毛繊維では次の現象が見られます。シスチン側鎖は硫黄架橋で加水分解を受け、シスチンはシステインとまだ単離されていないスルホン酸に溶解します。
塩の遊離によって生じた架橋部分ではイオン化が見られます。蒸気処理中に繊維の温度が上昇すると分子の振動が生じ、水素結合が切断されます。すると残留価数が解放され、双極子を持つ水分子と結合できるようになります。水分子は個々の分子間の潤滑剤として作用します。こうして主鎖間の結合は側鎖によって切断され、個々のポリペプチド鎖は互いに移動できるようになり、張力は平衡状態に達します（図4参照）。糸の蒸気処理が続くと、主鎖の個々の構成要素間に新たな側鎖が形成されます。最終的に糸が乾燥すると、つまり糸内部で水分バランスが取れると、再び塩が遊離し、水素結合が形成されます。すると個々のポリペプチド鎖は互いに移動できなくなり、繊維は以前のような密接な状態に戻りますが、内部に顕著な張力は生じません。
糸または撚り糸の撚りが設定されます。もちろん、蒸気処理によって張力を均一化する際には、繊維の形態構造を考慮する必要があります。ウール繊維は水素結合を切断する温度とシスチン結合を加水分解する蒸気に非常に速く達するため、オートクレーブ処理された糸の値にほぼ相当する比較的迅速な撚り変更が可能です。ただし、Steamaticの蒸気処理プロセスは、水分吸収の均一性に関して、はるかに優れた蒸気処理品質を提供します。
合成繊維は、結晶性（整列）領域と非晶質（非整列）領域の2つの領域に分けられます。結晶性領域では、ポリマーの平行な線間に物理的な引力が働いています。これらの力は繊維軸に垂直に作用し、繊維の密な構造を形成します。繊維に張力が加わると、これらの力が繊維の破断を妨げます。
対照的に、非晶質繊維領域は繊維同士の連結部として機能します。これらは繊維の曲げ強度を担っています。さらに、非晶質繊維領域は水や染料の浸透を可能にします。
蒸気処理中、繊維の加熱によって分子が振動し始めます。加熱の度合いと時間によって振動の強さが増すと、繊維内の電気的な結合力が弱まります。最初は非晶質領域で、次に結晶領域で、最後にポリマー領域で結合力が弱まります。羊毛と同様に、紡績によって生じた張力が解放されます。繊維の乾燥または冷却中に、内部に張力がなくなることで結合力が再構築されます。
合成繊維の問題点は、結合力の減少が、いわゆる変形点（固く固まった非晶質繊維領域が粘弾性で容易に変形する状態に変化し始める点）と歪み点（結晶繊維領域も粘弾性状態に変化する点）の間でのみ起こることであり、これは比較的高い温度範囲にある。
これは、合成繊維を混ぜたウールが純ウールよりもセットしにくい理由を説明するものでもある。合成繊維は85～95 ℃以上の温度範囲でしかセットできないのに対し、純ウールはこの温度でも非常に良くセットできる。
インライン式蒸気処理において、綿は多かれ少なかれ補助的な役割を担う。繊維内部における正確な物理的または化学的プロセスは十分に解明されていない。
カットパイルカーペットの品質は、糸の内部張力を低減することで大幅に向上します。この重要な利点は、蒸気処理と熱処理の効果によってもたらされます。
カーペットのスタイルは大きく分けて2種類あります。ループパイルカーペットとカットパイルカーペットです。特にカットパイルカーペットとそのバリエーション（サクソニー、シャグ、フリーズなど）においては、熱処理による固定工程が非常に重要です。
通常、糸を切ると、編み紐やロープの端が切れたときのようにほつれて、ブラシのような形になります。カットパイルカーペットでは、このほつれは絶対に避けなければなりません。科学的研究で証明されているように、糸の端がほつれたカットパイルカーペットは、見た目が悪く、寿命が短く、歩行者にとって人間工学的に不利になります。カーペットの弾力性が低く、ヒートセットカーペットほどユーザーの足音を吸収しません。ヒートセット糸で作られたカーペットは、より魅力的で、耐久性があり、ユーザーにとって快適です。ヒートセットカーペットの付加価値は大きいです。通常、ヒートセットカーペットは、業界で「ピンポイント先端定義」と呼ばれる粒状の構造で識別できます。カットパイルの端は、ピンポイントのような外観をしています。
繊維産業では、さまざまな熱処理方法が知られています。ここでは、その中でも特に重要なものを紹介します。
最も古い熱処理方法はオートクレーブ熱処理です。これは主に断続的なプロセスです。オートクレーブ設備は真空または加圧、あるいはその両方を利用します。繊維材料は、ボビン、かせ、または容器にバラバラの状態でオートクレーブに投入されます。ほぼすべてのオートクレーブは一定の圧力にさらされるため、通常は円筒形に作られ、水平に設置されます。オートクレーブへの材料の投入と取り出しは、円筒の端から行うのが一般的ですが、片方の端から投入し、もう一方の端から取り出すものもあります。垂直に設置されたオートクレーブも存在しますが、あまり一般的ではありません。これらは主にポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロンなどの合成繊維に使用されます。
リンク紡績・巻取り工程の自動化には、いわゆる「インラインスチーマー」が用いられます。この種の最初のプロセスとして知られているのは、Resch社によるSteamaticプロセスです。このプロセスでは、熱処理工程はリング紡績機と巻取り機の間で行われます。リング紡績機の紡績が完了するとすぐに、ボビンがインラインスチーマーに搬送されます。そこでボビンは真空方式で蒸気処理され、数秒以内に再び乾燥されます。蒸気処理と乾燥後、ボビンは巻取り機に搬送され、クロス巻きパッケージに巻き直されます。
カーペット業界では現在、パワーヒートセット法と、オートクレーブ技術から派生したTVP法という2つの連続プロセスが用いられている。
パワーヒートセットプロセス（旧称スーセンプロセス）は、1970年代初頭に開発され、世界初の連続加熱固定システムでした。このプロセスは、飽和蒸気と圧力ではなく、大気圧下で過熱蒸気と空気の混合気を使用するという点で画期的でした。この革新的な技術により、全く新しいカーペットコレクションが誕生しました。パワーヒートセットプロセスでは、周囲の大気中の酸素と高温により、糸や繊維の表面がわずかに酸化します。この毛細管状の酸化皮膜により、カーペット全体がより汚れにくくなります。汚れの粒子が繊維に付着しにくくなるのです。
Power-Heat-Set技術に加え、SUPERBA TVP3プロセスという連続プロセスもあります。TVP3プロセスでは、糸はコンベアベルトに載せられ、ロックを通して最大15mの長さの加圧トンネルに挿入されます。トンネル内では、飽和蒸気による加熱処理が行われます。トンネルの出口では、糸は2つ目のロックを通して取り出されます。加熱処理後、まだ高温多湿の状態の糸は乾燥・冷却され、巻き取り工程へと送られます。最大72本の糸を同時に処理することが可能です。
パワーヒートセット法では、大気圧下の開放系において、過熱蒸気を用いて糸を熱処理します。ポリアミド6、ポリアミド6.6、ポリプロピレン、アクリル、PET、ポリエステル、ウールなど、カーペット業界で一般的に使用されるあらゆる素材を加工できます。
未加工の糸は、クリール（最大72個のパッケージ）にパッケージされた状態で供給されます。最大700m/分の速度で、糸はパッケージから引き出され、熱処理工程に入ります。この工程で糸を搬送する方法は主に2つあります。1つは、糸をベルト上にコイル状または「8の字型」に配置、もう1つは、多角形に配置されたロープに巻き付けて工程を通して搬送する方法です。フリーズ糸の場合は、ベルト搬送のみが使用されます。フリーズは、ツインロールボックス（TRB）と呼ばれる特殊なスタッファーボックスで製造されます。熱処理工程は、蒸気と空気の混合気中で110℃から200℃の温度で行われます。熱処理後、糸は冷却され、ワインダーで再びパッケージに巻き取られます。一般的に、熱処理機は、それぞれ8本の糸（繊維）を持つ6つのラインで構成されています。1日あたり最大10.5トンの生産が可能です。