2019 Fiscal Year Research-status Report
Study on the fiber property revelation by the in-situ observation of structure development
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19K05597
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| Research Institution | Shinshu University |
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Principal Investigator |
大越 豊 信州大学, 学術研究院繊維学系, 教授 (40185236)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | Fiber Property / Structure Development / PET / X-ray Diffraction / SPring-8 / Fiber Strength |
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| Outline of Annual Research Achievements |
強度や弾性率など繊維の諸物性は構造の影響を強く受け、繊維の製造条件によって顕著に変化する。本研究では繊維の構造が形成されていく過程に注目し、合成繊維の性質をより的確に設計する手法を確立するため、SPring-8の超高輝度X線を使用し、繊維をレーザー光で瞬間的に加熱して引き伸ばした後の構造変化を100マイクロ秒単位で観測した。具体的には走行する繊維に炭酸ガスレーザーを照射して連続的にネック延伸させる過程で、X線回折像を撮像した。
特にこの研究では、この方法でのみ観察でき、しかも強度等の繊維物性に大きな影響をおよぼすと考えらえるフィブリル状構造の形成過程に注目した。これまでの研究により、ネック変形に伴って形成されるフィブリル状構造はほぼ伸びきった分子鎖の束からなることからフィブリル内に多くのタイ分子(intra-microfibrillar tie-chain)が形成され、十分な強度と弾性率を持っているらしいことがわかっている。本研究では、フィブリル状構造の量、長さ、乱れ、フィブリル内分子鎖面間隔の変化、フィブリルの配列構造の変化を解析することによってこの仮説を検証すると共に、原料高分子や製造条件がこれらの構造形成におよぼす影響を調べ、強度・ヤング率・熱収縮率などの繊維物性を定量的に説明することを目指した。
今年度の研究では、特にPET（ポリエチレンテレフタレート）について、原料高分子の分子量とイソフタル酸共重合成分の影響を調べた。この結果、フィブリル構造の母体となるsmectic相の量は共重合および低分子量化によっていずれも大きく減るのに対し、ネック変形直後の面間隔変化への影響は低分子量化の方が大きいことがわかった。この傾向によって、共重合によって得られた繊維の結晶化度が低下するのに対し、繊維強度はほとんど低下しない傾向を良く説明することができる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
今年度の研究では、ネック変形直後に形成され、フィブリル状の形態を示すPETのsmectic相構造の量、(001')面間隔、長さおよび幅の変化に注目し、得られる繊維の物性、特に繊維強度への影響について考察した。形成されるsmectic相の量は分子量が低下するに伴って明瞭に減少し、同等の分子量のPETと比較した場合、イソフタル酸共重合によってさらに減少する。一方で、smectic相面間隔はネック変形後、nematic状態の分子鎖束からsmectic相が形成される段階でしだいに減少するが、この時点での面間隔には明瞭な延伸応力依存性が見られることから、面間隔を経過時間ゼロに外挿することによって、ネック変形直後に外力を支えている分子鎖束の量を見積もることができる。得られたみかけ弾性率は結晶弾性率の1/10から1/2であり、分子量の低下に伴って明瞭に低下する傾向が認められた。一方イソフタル酸を共重合した繊維のsmectic相面間隔変化から求めたみかけ弾性率は、同等の分子量を持つPETホモポリマー繊維とほとんど差が無い。後者の傾向は、得られた繊維の強度に見られる傾向、すなわち分子量低下に伴って低下するが共重合の効果はほとんど見られないという傾向と良く一致し、分子量と繊維強度との間には線形関係も見出された。またsmectic相の長さに分子量や共重合の影響はあまり見られず、これが分子鎖の「絡み合い」点間距離を反映しているのではないかとの仮説と一致した。
以上の様に、今年度の研究によってPETについて知られている繊維強度の分子量依存性と共重合効果を明確に説明し得る結果が得られ、さらに線形関係を想定できるところまで到達できたことは、研究初年度の成果としては当初計画以上の進展と考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度の研究により、PETに対するイソフタル酸共重合および分子量が繊維強度におよぼす影響と、繊維構造形成時に観察されるsmectic相の量、面間隔および形態との間に強い相関が在ることが明らかになり、繊維の高次構造および物性の発現メカニズムの解明に大きく近づいたと考えて居る。一方で、現状ではデータ数が十分とは言えず、定量的な物性予測には不十分である。このため、まずはデータ数の充実を図りたい。具体的には、特にデータ数が少ない低分子量PETに関するデータを追加することを考えている。この実験により、特にフィブリル相を形成する以外の分子鎖、すなわちラメラ結晶が繊維強度におよぼす影響についても考察できると考えている。この考察は、その後に計画しているPPおよびPPSの強度発現機構を考える上でも重要と思われる。
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| Causes of Carryover |
当初計画で見込んだよりも安価に研究が進んだため、当該年度の交付額のうち￥51,060を次年度使用額とすることができた。この額は、報文化および外部発表に使用する予定である。
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