芯鞘型複合繊維を利用した連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の試作

1997 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 08455308
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 鞠谷 雄士 東京工業大学, 工学部, 助教授 (70153046)
• 研究分担者: 伊藤 浩志 東京工業大学, 工学部, 助手 (20259807) ; 塩谷 正俊 東京工業大学, 工学部, 助教授 (10196363)
• キーワード: 複合繊維 / 高速紡糸 / 繊維強化複合材料 / 熱可塑性液晶ポリマー / 複合則 / 引張弾性率 / ポリエチレンテレフタレート / ポリプロピレン

研究概要

芯鞘型複合繊維の高速紡糸における繊維構造形成に関する基礎的な知見を得るため、各種ポリマーの組み合わせて繊維を作製した。さらに、繊維の構造を複屈折測定などにより評価することを通じて、複合繊維の高速紡糸における成分間相互作用が、繊維中の各成分の構造・物性に及ぼす影響につき検討した。次に、熱可塑性液晶ポリマー(以下、TLCP)を用い、芯鞘型の複合繊維を作製した。芯部にTLCP、鞘部には上記検討の結果を考慮して、ポリエチレンテレフタレート(PET)またはポリプロピレン(PP)を配置した。いずれの組み合わせにおいても、TLCPはPET、PPとの複合により可紡性が向上し、TLCPを単成分で紡糸した場合に比べ、より高い巻取速度での紡糸が可能となった。複合則を用いて複合繊維中のTLCP成分の引張弾性率を推定したところ、特に高速度域で単成分の紡糸では得られない高い値を示していることが明らかになり、予測したとおり、このポリマーの組み合わせにおいては複合紡糸がTLCPの構造形成を促進する効果を有することが明らかになった。得られた芯鞘型繊維を一軸方向に配列させ、熱プレスすることにより、TLCPを強化繊維、PET、PPをマトリクス樹脂とする繊維強化複合材料を成形した。また、芯鞘型複合紡糸過程においては芯・鞘成分の吐出量を容易に制御することが可能であり、強化繊維とマトリクス樹脂との体積分率が厚さ方向で変化した傾斜構造を有する繊維強化複合材料の作製も行った。引張試験、3点曲げ試験などにより評価した成形品の力学特性は、複合繊維の物性をほぼ保持しており、本手法により十分な強度、弾性率を有する連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料が容易に得られることが明らかになった。また、傾斜構造を有する複合材料においては曲げ方向によって異なる力学特性を示し、本手法を利用することにより従来より自由度の高い連続繊維強化複合材料の設計が可能となることを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] H.S.Kim: "Computational Analysis on the Thermal Bonding Behaviors of Bicomponent Fibers" The Journal of Textile Institute. (in press).
• [文献書誌] 鞠谷雄士: "複合繊維の高速紡糸" 成形加工. 10.2. 129-136 (1998)
• [文献書誌] H.S.Kim: "The Thermal-bonding Behavior of Polyethylene/Poly(ethylene terephthalate)Bicomponent Fibers." The Journal of Textile Institute. 88.3. 37-51 (1997)
• [文献書誌] H.S.Kim: "Tensile Behavior of Poly(ethylene terephthalate)/Polyethylene Bicomponent Fibers Prepared by High-Speed Melt Spinning" Seikei-Kakou. 9.6. 449-461 (1997)
• [文献書誌] 古田達彦: "芯鞘型複合繊維を利用した連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の試作" 成形加工. 11.9. 920-926 (1997)
• [文献書誌] J.Radhakrishnan: "High-Speed Melt Spinning of Sheath-Core Bicomponent Polyester Fibers.High and Low Molecular Poly(ethylene terephthalate)System" Textile Research Journal. 67.9. 684-694 (1997)
• [文献書誌] M.Shioya: "Analysis of Single-Fiber Pull-Out from Composites by using Stress Birefringence" Comosite Interfaces. 4.6. 429-445 (1997)
• [文献書誌] M.Shioya: "A Refined Method for Estimating Fiber and Interfacial Shear Strength by using A Single-Fiber Composite" Composite Interfaces. 4.6. 379-399 (1997)
• [文献書誌] T.Kikutani: "The Model Analysis of Tensile Stress Distribution in the Short-Fiber Embedded in Thermoplastic Composites." Composite Interfaces. 4.1. 1-9 (1996)
• [文献書誌] M.Shioya: "Non-Hookean Stress-Response and Changes in Crystallite Orientation of Carbon Fiber." Journal of Materials Science. 31. 4521-4532 (1996)
• [文献書誌] M.Shioya: "Structure of Carbon Films Derived from Polycarbodiimide" Carbon. 34.10. 1229-1238 (1996)