2018 Fiscal Year Research-status Report
Development of biomimetic fiber mimicking cotton fiber structure
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17K00796
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| Research Institution | Kyoritsu Women's University |
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Principal Investigator |
村瀬 浩貴 共立女子大学, 家政学部, 教授 (60525509)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 3Dプリンタ / Additive Manufacturing / 複合紡糸 / 螺旋構造 / 階層構造 / バイオミメティック |
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| Outline of Annual Research Achievements |
綿の優れた機能に対する階層構造の寄与を明らかにし，綿のミクロフィブリルの螺旋配向構造を再現する新しい紡糸方法を開発することが本研究の目的である。そのために着想した方法は， FDM（Fused Deposition Modeling）型3Dプリンタの樹脂吐出機構を利用してミクロフィブリル含有繊維を得る方法である。2017年度は，3Dプリンタを用いて 2種類の樹脂製繊維を組み合わせた複合繊維を作製可能であることが確認できた。2018年度は，あらかじめ螺旋構造を内包させた樹脂複合フィラメントを自作し，それを用いて3Dプリンタを用いて繊維化を実施した。得られた繊維を1mmピッチでの連続断面化し，その光学顕微鏡像を用いて内部構造の３次元可視化を試みた。その結果，わずかではあるが螺旋構造の痕跡を確認することができた。しかしながら，その螺旋構造はノズル内のせん断流動によって大きく乱されており，綿のような明確な螺旋構造を実現するためには，さらなる工夫が必要であることが判明した。一方，当初は想定していなかった新しい構造が確認できた。それは，２種類の樹脂が薄い層をなして同心円状に積層した構造である。綿には螺旋構造だけでなく，同心円状の構造が存在する。この観点で，本研究の目的であるバイオミメティック構造を実現できたと言える。今後は，螺旋構造の実現をさらに検討するとともに，新規に見出した同心円状の積層構造の特性を解明してゆく。特に，金属分野で硬質層と軟質層が交互積層した構造が高物性を発現することが見出され注目されている。今回見出した構造にも同様の効果が発現するか是非検証してゆく。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2018年度は， 綿の持つ螺旋構造の模倣技術の探索に取り組んだ。着想したアイディアは，FDM型３Dプリンタの材料である樹脂フィラメントの内部にあらかじめ螺旋構造を内包させておき，それを３Dプリンタのノズルより吐出させる方法である。ポリ乳酸（PLA）繊維と非晶性ポリエステル繊維を１本ずつ束ねて，直径1.75mmのPLAフィラメントに巻き付けた。繊維の太さや，芯に巻き付ける繊維量を調製して全体の太さが概ね2.8mmになるようにし，熱収縮チューブに挿入後，加熱により繊維間の融着を行った。この螺旋構造内包フィラメントをFDM-3Dプリンタのノズルから吐出して複合紡糸繊維を作製した。得られた複合紡糸繊維の内部構造を詳しく観察するために，繊維軸方向に一定間隔で連続断面を作製した。その断面の光学顕微鏡像と，医療用のDICOMビューワーソフトを用いて３次元再構築像を得た。複合繊維の３次元内部構造を観察した結果，螺旋構造が認められた。ただし，螺旋構造は痕跡程度しか観察されず，ノズル内のせん断流動によって初期構造が大きく乱されてしまうことが明らかとなった。綿のような明確な螺旋構造の実現にはさらなる工夫が必要である。一方，当初は想定していなかった構造が観察された。比較的太い２本のPLA繊維と非晶性ポリエステル繊維を用いた螺旋構造フィラメントを用いて複合紡糸繊維を作製した際に，２つの樹脂が同心円状かつ多層に積層した新規な断面構造が観察された。これは，従来の複合紡糸の技術では先例の無い構造である。さらに，綿には螺旋構造とは別に，多層の同心円状積層構造があるので，綿の構造を模倣した繊維を得ることに成功したと言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
2017年度にFDM型3Dプリンタを用いて直径数十μmの繊維を作製することに成功し，さらにポリ乳酸とポリエステルを原料とした繊維を複合化してFDM型3Dプリンタ用のフィラメントを作製する技術を構築した。2018年度は，FDM型3Dプリンタの原料フィラメントに螺旋構造をあらかじめ内包させ，それをノズルより吐出させることにより螺旋構造繊維が得られるか検証した。わずかな螺旋構造の痕跡は確認できたが，綿ほど明確な螺旋構造の実現には至らなかった。一方，綿の同心円状多層構造を模した構造の実現に成功した。
2019年度は，引き続き螺旋構造実現の方策を検討する。原料フィラメントへの螺旋構造内包のアイディアは有効ではなかったので，ノズルから吐出した樹脂に物理的にねじり運動を付与すること等を検討する。また，新たに見出した同心円状多層構造と物性の関係を検討する。最近，金属分野で硬度の異なる２成分の積層構造が高物性を発現することが見出され注目されている。高分子でも同様の構造による物性改善の研究が活発化しており，本研究で発見した構造が同様の機能を発現するか今後詳細に検討する必要がある。特に，弾性率に大きな差のある２種類の高分子を用いて，多層構造を実現した時に物性が改善されるのか検証したい。また，綿の微細構造の研究も進める。大型放射光施設SPring-8を利用して，綿の乾燥過程での構造変化を追跡するデータを取得し，詳細な解析を行う。綿の優れた性質の起源を微細構造の側面から解明してゆく。
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| Causes of Carryover |
引き続き綿構造を模した繊維を3Dプリンタを用いて作製する検討を行うため，材料等の調達費用として使用する。
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Research Products
(2 results)
