2017 Fiscal Year Research-status Report
繊維構造形成過程のその場観察による繊維強度発現機構の解明
| Project/Area Number |
16K05910
|
|---|
| Research Institution | Shinshu University |
|---|
Principal Investigator |
大越 豊 信州大学, 学術研究院繊維学系, 教授 (40185236)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
|
| Keywords | X線 / シンクロトロン / アンジュレーター / 繊維 / 繊維構造 / 強度 / ポリエチレンテレフタラート / ポリプロピレン |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
高速紡糸・延伸などによって配向した高分子材料が配向結晶化を起こし、強度や弾性率などの繊維物性が顕著に増加することは良く知られているが、高強度の繊維では分子の配向や結晶化度が飽和傾向を示すことから、強度設計に有用な新たな構造パラメータが求められていた。
繊維・フィルムの延伸等、繊維・高分子材料を高度に配向させると、配向結晶化により数ミリ秒で繊維構造が形成される。本研究では、レーザー光照射加熱を利用した連続延伸とFSBLのアンジュレーター光源の組み合わせによって、ごく短時間で完了するこの構造形成過程を100マイクロ秒以下の時間分解能で測定することに成功した。
平成29年度は、Poly(ethylene terephthalate)の連続ネック延伸過程における繊維構造形成、特にsmectic相の形態・秩序性および量の経時変化に注目し、紡糸・延伸条件の効果を詳細に検討した。紡糸条件は500 - 2000 m/min。いわゆるUDYからPOYの下限に至る範囲とした。また延伸条件としては特に延伸応力約80、100、150 MPa付近の条件に注目した。
実験の結果、ネック変形後0.3ms付近で最大値を示し、その後消滅するsmectic相の量とサイズは、紡糸速度が増すほど減少した。また安定延伸できる最低応力では生じず、80MPaまでで急増した後飽和した。延伸応力がそれ以上増加した場合、量とサイズの変化は小さかったが、ネック変形から0.3msまでの時間帯で、面間隔に明瞭な延伸応力依存性が観察される様になった。得られた面間隔を経過時間0に外挿して得られた弾性率は、140-180℃と高温にもかかわらず約40 GPaであり、延伸後の繊維が示すヤング率よりはるかに大きい。したがって、ネック変形によって引き揃えられ、その後smectic相に成長していくこの配向分子鎖が、ネック延伸時の応力を主に支える構造であることが強く示唆された。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初計画していた様に、Undulatorを装着したシンクロトロン光源（SPring8、BL03XU）を使用することで、PETの繊維構造形成過程を時間分解能100μs以下でその場測定することに成功し、ネック延伸後1 ms以内でほぼ完了する繊維構造形成過程での小角X線散乱像および広角X線回折像のその場測定結果から、フィブリル状のsmectic像が形成されていく過程、およびこれの消滅と平行して結晶化と長周期構造が形成されていく過程におよぼす紡糸速度と延伸倍率の影響について調べることができた。
この測定の結果、当初計画どおり、延伸前の繊維（as-spun繊維）作成時の紡糸速度および延伸倍率によって、形成されるsmectic相の量、面間隔、およびサイズに顕著な差を生じることが示され、これらの差を定量的に解析することに成功した。以上の結果は、形成されたPET繊維中で外力を支えている構造の初期状態を可視化したことを意味し、繊維構造形成過程の高時間分解能観察によって、繊維強度の発現機構を定量的に推定し得ることを示している。特にsmectic相の面間隔を外挿することによってネック変形直後での配向分子鎖のみかけ弾性率が約40GPaであることを推定できたことは、繊維構造形成から定量的かつ根源的な物性データを導き出せたことを意味しており、この点を主たる理由として、当初計画以上に順調に研究が進展していると判断した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
H29年度までの研究成果より、繊維構造が形成されていく過程を解析することで、本研究の目的である繊維の強度発現機構に関して、有益な情報を得られることが明らかになった。ただし、smectic相自体が高弾性率であることが示されたことから、強度発現機構を定量的に評価するためには、smectic相間での秩序性、すなわちフィブリルの集合体構造についても検討していく必要性が示された。すなわち、強度を定量的に評価するためにはsmectic相の平均的構造だけでは不十分であり、smectic相分布の均一性にも大きく影響を受け、この構造不均一性から成長した構造欠陥によって、破壊に至ると考えている。このため、不均一性から構造欠陥が成長するプロセス、より具体的にはボイドが形成・成長するメカニズムに注目したい。このため、超小角エックス線散乱によってフィブリル集合体構造の均一性評価に挑む予定である。
また、1次構造、具体的にはイソフタル酸成分の共重合が繊維構造形成におよぼす影響についても検討するつもりである。さらに、PP繊維の立体規則性が繊維構造形成におよぼす影響についても検討を予定している。いずれについても、1次構造の規則性を低下させることによって、結晶化速度や結晶性の低下効果が有ることが知られている。実際に紡糸工程中もしくは製品の結晶化抑制を目的として利用されている技術でもあるが、製造工程における配向結晶化におよぼす効果は知られていない。そこでH30年度の研究では、特に配向結晶化速度、すなわちsmectic相の形成に要する時間と、それが結晶に転移するのに要する時間に注目して実験を進める。
|
| Causes of Carryover |
論文投稿費用が予定より安価に済んだため残額が生じている。
次年度使用額は、H30年度請求額と合わせ、増加が予想される報文の英文校正費用、投稿料、および学会発表に要する費用に使用する予定である。
|
