(57)【要約】      （修正有）【課題】  高強度であって、繊維の内部構造が均一で、かつ繊維を構成するフィラメント強度のバラツキの少ない新規なポリエチレン繊維を利用した繊維強化複合材料を提供する。【解決手段】  本発明は、モノクリニック由来の結晶サイズが９ｎｍ以下であり、オルソロンビック血相と回折面由来の結晶サイズの比が０．８以上１．２以下であり、平均強度が２０ｃＮ／ｄＴｅｘ以上であり、結節強度の保持率が４０％以上である高強度ポリエチレン繊維を含んでなる繊維強化複合材料に関する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
モノクリニック由来の結晶サイズが９ｎｍ以下である高強度ポリエチレン繊維を含んでなる繊維強化複合材料。
【請求項２】
前記高強度ポリエチレン繊維において、オルソロンビック結晶（２００）と（０２０）回折面由来の結晶サイズの比が０．８以上１．２以下である請求項１に記載の繊維強化複合材料。
【請求項３】
前記高強度ポリエチレン繊維の応力ラマンシフトファクターが−５．０ｃｍ−１／（ｃＮ／ｄＴｅｘ）以上である、請求項１または２に記載の繊維強化複合材料。
【請求項４】
前記高強度ポリエチレン繊維の平均強度が２０ｃＮ／ｄＴｅｘ以上である請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
【請求項５】
前記高強度ポリエチレン繊維を構成するモノフィラメントの結節強度の保持率が４０％以上である請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
【請求項６】
前記高強度ポリエチレン繊維を構成するモノフィラメントの単糸強度のばらつきを示すＣＶが２５％以下である請求項１〜５のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
【請求項７】
前記高強度ポリエチレン繊維を構成するモノフィラメントの破断伸度が２．５％以上６．０％以下である請求項１〜６のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
【請求項８】
前記高強度ポリエチレン繊維を構成するモノフィラメントの単糸繊度が１０ｄＴｅｘ以下である請求項１〜７のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
【請求項９】
前記高強度ポリエチレン繊維の融点が１４５℃以上である請求項１〜８のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高強度ポリエチレン繊維を含んでなる繊維強化複合材料に関する。
より詳しくは、高強度であって、繊維の内部構造が均一で、かつ繊維を構成するフィラメント強度のバラツキの少ない新規なポリエチレン繊維を利用した繊維強化複合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
高強度ポリエチレン繊維に関しては、超高分子量のポリエチレンを原料にし、いわゆる「ゲル紡糸法」により従来にない高強度・高弾性率繊維が得られることが知られており、既に産業上広く利用されている（例えば、特許文献１、特許文
献２）。
【０００３】
【特許文献１】特公昭６０―４７９２２号公報
【特許文献２】特公昭６４−８７３２号公報
【０００４】
超高分子量ポリエチレン繊維は、様々な用途に使用されており、極低温用の磁束計やスペーサーを補強するためにも使用されている（例えば、特許文献３、特許文献４）。
【０００５】
【特許文献３】特開平４−０６７８４３号公報
【特許文献４】特開平８−１２７０９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
これらの広範囲な要求を満足するのに有効な手段は、繊維の内部に存在する欠陥を限りなく少なくすることである。加えて、繊維を構成するフィラメントが均一で有ることである。従来のゲル紡糸法では、この内部の欠陥構造を十分低いレベルに押さえらなかった。また、繊維を構成するそれぞれのフィラメント強度のバラツキも大きかった。これらの原因について、本発明者らは次のように考えている。
【０００７】
従来のゲル紡糸法を用いた場合、超延伸操作が可能となり、高強度・高弾性率化は達成され、結果として得られる繊維の構造は、小角Ｘ線散乱測定に於いて長周期構造が観察されないほど高度に結晶化・秩序化する。その反面、後で詳しく説明するように、どうしても消去することの出来ない欠陥構造が生成するため、この凝集が繊維に応力を与えたとき繊維内部に大きな応力分布が誘引される問題があった。繊維のスキンコア構造などは、この欠陥構造の一つであると考えられる。
【０００８】
本発明者らは、モノクリニック由来の結晶サイズを低く抑えることが、結節強度を高める上で最も重要であることを見出した。理由は定かではないが、得られたポリエチレン繊維のX線回折をとると、オルソロンビック結晶系由来の回折点がメインではあるものの、若干のモノクリニック回折由来のピークが確認された。本検討の結果、モノクリニック回折由来の結晶サイズをある一定以下に抑えることが重要であることが判明した。この理由については正確には明らかではないが、大略以下のとおりであると理解している。すなわち、溶媒の抜けたキセロゲルの状態から延伸したとき、モノクリニック結晶の成長を阻害する溶媒分子が少ないためか、モノクリニック由来結晶のサイズが比較的大きく成長することが判った。このような、モノクリニック結晶がある限度以上のサイズまで成長した状態になると、繊維が変形を受けたときモノクリニック由来の結晶とオルソロンビック由来の結晶の間に応力集中が生じ破壊の起点となり得、結果的に、結節強度の観点からも不利となり好ましくない。
【０００９】
次に本発明者らは、結節強度と、繊維を構成する微細結晶サイズ、配向、繊維各部位でのこれら構造パラメータのばらつきとの間に相関関係があることを見出した。結節強度を向上させるためには、繊維が微視的に見ても巨視的に見ても、しなやかに任意に曲げ得る状態が理想の状態である。この時、曲げたことが原因となって繊維微細構造の破壊が生じる可能性をできる限り低く抑える必要がある。このとき、繊維の結晶配向や結晶サイズをできるだけ大きくする必要がある。また同時に、これらをあまり大きくしすぎると、残留するアモルファス領域との対比（コントラスト）がつきすぎるため、かえって結節強度が悪くなる傾向がある。さらには、繊維の各部位での結晶サイズや配向も大体同じ程度に作りこむことが重要であることも、本発明者らは見出した。もし微細構造の各部位、特に隣接する部位間に、結晶サイズや配向などの構造不均一があれば、変形を与えたときに、その不均一個所を起点として応力集中が発生し、結果として結節強度の低下を招くことが判った。
【００１０】
構造中に生じる応力分布は、例えばＹｏｕｎｇらが示したように、ラマン散乱法を用いて測定することが出来る（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，  ２９，  ５１０  （１９９４））。ラマンバンド、即ち基準振動位置は、繊維を構成する分子鎖の力の定数と分子の形（内部座標）から構成される方程式を解くことにより決定される（Ｅ．  Ｂ．  Ｗｉｌｓｏｎ，  Ｊ．  Ｃ．  Ｄｅｃｉｕｓ，  Ｐ．Ｃ．  Ｃｒｏｓｓ著Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ，  Ｄｏｖｅｒ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ  （１９８０））。この現象の理論的な説明としては、例えばＷｏｏｌらによれば、繊維が歪むにつれて該分子も歪み、結果として基準振動位置が変化するとの説明を与えている（Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ，  １６，  １９０７  （１９８３））。
【００１１】
欠陥凝集などの構造不均一が存在すると、外部歪みを与えたときに、繊維中の部位により、生じる応力が異なることになる。この変化は、バンドプロファイルの変化として検出できるため、逆に、繊維に応力を与えたとき、その強度とラマンバンドプロファイルの変化の関係を調べることによって、繊維内部に誘引された応力分布を定量出来る。即ち、構造不均一が小さい繊維は、後述するように、ラマンシフトファクターがある領域の値をとるようになる。
【００１２】
上記に加え、これまで開示されている「ゲル紡糸法」による高強度ポリエチレン繊維は、その高度に配向した構造故に引っ張り強度は非常に強いものの、結節強度のように繊維が折れ曲がった状態となると、比較的低い応力で容易に破断してしまう欠点があった。さらに繊維中に例えばスキンコア構造の様な繊維の断面方向に不均一構造が存在すると、折れ曲がった状態では、さらに容易に繊維が破断する。本発明者らは、鋭意検討を行い、構造不均一の小さい繊維は、折れ曲がった状態での引っ張り状態に強いこと、また、構造不均一が小さい繊維は、引っ張り強度に対する結節強度の割合が高くなることを見出した。
【００１３】
これまで開示されている「ゲル紡糸法」による高強度ポリエチレン繊維の欠点は、通常の溶融紡糸法などによって得られる繊維に比べて、ノズル孔から紡出後の状態によって、単糸繊維間に強度のむらが生じてしまうことであった。その為、特にヤーンの平均繊度あたりの強度と比較して著しく強度の低い単糸が存在してしまう問題点があった。繊維中にこのような平均強度より低い強度を持つ単繊維が存在すると、例えば、繊維が摩擦を受けた場合等、特に、釣り糸・繊維強化複合材料・防弾・防護衣料などに本繊維を用いる場合、太細むらが存在すると細い部分で応力が集中し破断が生じる。また、製造工程に於いても、単糸切れなどによる工程トラブルの原因となり、生産性に悪い影響を与える。
【００１４】
本発明は、これらの問題が改善され、単糸間強度のばらつきが少なく均一性に優れる高強度ポリエチレン繊維を含んでなる、高性能繊維強化複合材料を提供することを課題とする。
【００１５】
本発明者らは鋭意検討し、従来のゲル紡糸法のような手法では得ることが困難であった、高強度で繊維の内部構造が均一であって、かつ、繊維を構成するフィラメントの強度のバラツキの少ない新規なポリエチレン繊維を得ることに成功し、これを繊維強化複合材料用に使用することにより本発明に到達した。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、特定の高強度ポリエチレン繊維を使用した下記の繊維強化複合材料に関する。即ち、ポリエチレン繊維中には、通常、オルソロンビック（直方体）とモノクリニック（斜方）の２種類の結晶が含まれるが、本発明における高強度ポリエチレン繊維は、モノクリニック由来の結晶サイズが小さいことに特徴がある。
【００１７】
［１］モノクリニック由来の結晶サイズが９ｎｍ以下である高強度ポリエチレン繊維を含んでなる繊維強化複合材料。
［２］前記高強度ポリエチレン繊維において、オルソロンビック結晶（２００）と（０２０）回折面由来の結晶サイズの比が０．８以上１．２以下である［１］に記載の繊維強化複合材料。
［３］前記高強度ポリエチレン繊維の応力ラマンシフトファクターが−５．０ｃｍ−１／（ｃＮ／ｄＴｅｘ）以上である、［１］または［２］に記載の繊維強化複合材料。
［４］前記高強度ポリエチレン繊維の平均強度が２０ｃＮ／ｄＴｅｘ以上である［１］〜［３］のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
［５］前記高強度ポリエチレン繊維を構成するモノフィラメントの結節強度の保持率が４０％以上である［１］〜［４］のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
［６］前記高強度ポリエチレン繊維を構成するモノフィラメントの単糸強度のばらつきを示すＣＶが２５％以下である［１］〜［５］のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
［７］前記高強度ポリエチレン繊維を構成するモノフィラメントの破断伸度が２．５％以上６．０％以下である［１］〜［６］のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
［８］前記高強度ポリエチレン繊維を構成するモノフィラメントの単糸繊度が１０ｄＴｅｘ以下である［１］〜［７］のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
［９］前記高強度ポリエチレン繊維の融点が１４５℃以上である［１］〜［８］のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
【発明の効果】
【００１８】
本発明における高強度ポリエチレン繊維は、従来のゲル紡糸法では十分低いレベルに押さえられていなかった繊維の内部に存在する欠陥が限りなく少なく、かつマルチフィラメントを構成するフィラメントの強度のバラツキが小さく均一な繊維である。
本発明によれば、かかる高強度ポリエチレン繊維を使用することにより、従来のポリエチレン繊維強化複合材料に比較し、高い引張強度を有する繊維強化複合材料を得ることが出来る。更に、急激な温度変化に対し耐クラック性を有する繊維強化複合材料を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明に係る繊維を得る手法に関しては、新規な手法が必要であり、例えば以下のような方法が推奨されるが、それらに限定されるものでは無い。
本繊維の製造に当たっては、その原料となる高分子量のポリエチレンとして超高分子量ポリエチレンを使用することが好ましい。このようなポリエチレンの極限粘度［η］は５以上であることが好ましく、より好ましくは８以上、さらに好ましくは１０以上である。極限粘度が低すぎると、所望とする強度２０ｃＮ／ｄｔｅｘを超えるような高強度繊維が得られないことがある。一方、ポリエチレンの極限粘度［η］は３５以下であることが好ましく、より好ましくは３０以下、さらに好ましくは２５以下である。極限粘度が高すぎると、加工性が低下して繊維化が困難になることがある。
【００２０】
本発明における超高分子量ポリエチレンとは、その繰り返し単位が実質的にエチレンであることを特徴とし、少量の他のモノマー、例えばα−オレフィン、アクリル酸及びその誘導体、メタクリル酸及びその誘導体、ビニルシラン及びその誘導体などとの共重合体であってもよいし、これら共重合物どうし、あるいはエチレン単独ポリマーとの共重合体、さらには他のα−オレフィン等のホモポリマーとのブレンド体であってもよい。特にプロピレン、ブテンー１などのαオレフィンとの共重合体を用いることにより、短鎖あるいは長鎖の分岐をある程度含有させることは、繊維を製造する上で、特に紡糸・延伸において、製糸上の安定性を付与し得るため、より好ましい。しかしながら、エチレン以外の含有量が増えすぎると却って延伸の阻害要因となるため、高強度・高弾性率繊維を得る観点からは、αオレフィン等の他のモノマーは、モノマー単位で０．２ｍｏｌ％以下、好ましくは０．１ｍｏｌ％以下であることが望ましい。もちろんエチレン単独のホモポリマーであってもよい。
【００２１】
本発明の推奨する製造方法においては、このような高分子量のポリエチレンをデカリン・テトラリン等の揮発性の有機溶剤を用いて溶解することが好ましい。常温で固体または非揮発性の溶剤では、紡糸での生産性が非常に悪くなる傾向にある。揮発性溶媒を用いると、紡糸の初期段階において紡糸口金から吐出後のゲル糸表面に存在する溶媒が若干蒸発するが、この時の溶媒の蒸発に伴う蒸発潜熱による冷却効果により、製糸状態が安定するものと推定される。溶解する際の濃度は３０ｗｔ％以下が好ましく、より好ましくは２０ｗｔ％以下である。原料超高分子量ポリエチレンの極限粘度［η］に応じて最適な濃度が選択される。さらに、紡糸段階において、紡糸口金温度を、ポリエチレンの融点より３０℃以上、用いた溶媒の沸点以下とすることが好ましい。ポリエチレンの融点近傍の温度領域では、ポリマーの粘度が高すぎるため、素早い速度で引き取ることが困難となる。また、用いる溶媒の沸点より高い温度では、紡糸口金を出た直後に溶媒が沸騰するため、紡糸口金直下で糸切れが頻繁に発生することがあるため好ましくない。
【００２２】
本発明の推奨する、均一な繊維を製造する方法における重要な因子について記載する。
その第１は、ノズル下でオリフィスから吐出された吐出溶液の各々に対して独立に、予め整流された高温の不活性ガスを供給することである。この時、供給する不活性ガスの速度は、１ｍ／ｓ以内が好ましい。速度が大きすぎると、溶媒の蒸発速度が速くなり、糸断面方向に不均一な構造ができることがある。さらには、繊維が破断してしまう可能性もある。また、この時の不活性ガスの温度は、ノズルの温度に対してプラスマイナス１０℃の範囲が好ましく、更に好ましくは、プラスマイナス５℃の範囲である。各々の吐出糸状に対して独立に不活性ガスを供給することにより、各々の糸状の冷却状態が均一となり、均一な構造を持つ未延伸糸が得られる。この均一な構造を持つ未延伸糸を均一に延伸することにより、所望の均一な高強度ポリエチレン繊維を得ることが可能となる。
【００２３】
第２の因子は、紡糸口金から吐出した吐出ゲル糸状を急激、かつ均一に冷却すること、及び冷却媒体とゲル糸状の冷却速度差を制御することである。その冷却速度は、１０００℃／ｓ以上が好ましく、さらに好ましくは３０００℃／ｓ以上である。また、速度差に関しては、速度差の積分値（口金から吐出後の時間で積分）、即ち累積速度差が３０ｍ／ｍｉｎ以下であることが好ましい。さらに好ましくは、１５ｍ／ｍｉｎ以下である。以上によって、均一性に優れる未延伸糸を得ることができる。ここで、累積速度差は次式： 
累積速度差＝∫（糸状の速度−糸状引き取り方向の冷却媒体の速度）
に基づいて計算し得る。
【００２４】
このように、急激にかつ均一に冷却することにより、繊維断面方向が均一な未延伸糸を製造することが可能となる。吐出糸状の冷却速度が遅くなると、繊維の内部構造に不均一な状態が発生する傾向にある。また、マルチフィラメントの場合、各フィラメントの冷却状態が異なるとフィラメント間での不均一性が増加する。また、引き取り糸状と冷却媒体の速度差が大きいと、引き取り糸状と冷却媒体の間で摩擦力が働くことにより十分な紡糸速度で引き取ることが困難となる。
このような冷却速度を得るためには、冷却媒体として熱伝達係数の大きい液体を用いることが推奨される。なかでも、使用する溶媒と非相溶である液体が好ましい。例えば、簡便さから水が推奨される。
【００２５】
第３は、紡糸口金から吐出した吐出ゲル糸状が冷却媒体と接触するまでに走行する気体媒質空間を部材で覆うことである。該気体媒質空間を外部空間から遮蔽しない場合、外部空間の温度や風速の変動により、該気体媒質空間において、該吐出ゲル糸状の冷却速度や該吐出ゲル糸状からの溶媒蒸発速度がモノフィラメント毎に変動し、モノフィラメント間の構造が不均一になる。さらには、モノフィラメントが破断してしまう可能性がある。部材の材質として断熱構造を有していることが推奨される。該吐出ゲル糸状の様子を視認できる様に、例えば耐熱ガラスが推奨される。該吐出ゲル糸状の様子を視認する必要がない場合は、実質的に真空な部分を介した二重構造を有する金属製の部材を用いてもよい。
【００２６】
冷却媒体として液体を用いる場合、液面変動を１ｍｍ以下にすることが重要である。液面変動が１ｍｍを越えると、モノフィラメントの長手方向及びモノフィラメント間における該気体媒質空間の通過時間の変動が顕著になり、モノフィラメントの構造不均一が長手方向、及びフィラメント間で顕著になることがある。特に液面変動が酷い場合、該気体媒質空間においてモノフィラメントが破断する。
【００２７】
冷却媒体として溶媒と非相溶で、且つ、溶媒よりも比重が大きい液体を用いる場合、該気体媒質中を通過する間に該吐出ゲル糸状から揮発した溶媒が液化し、経時的に冷却媒体上層に累積する。該累積溶媒を該ゲル糸状が冷却媒体に突入する部位より連続的に除去する必要がある。該累積溶媒を除去しない場合、該ゲル糸状突入部位に累積する溶媒層の厚みが経時的に増加し、該ゲル糸状同士の融着が生じる。該ゲル糸状同士の融着が酷い場合、糸物性が著しく低下する。
【００２８】
また、累積速度差を小さくする為には、以下のような手法が考えられるが、本発明はそれに限定されるものではない。例えば、円筒状バスの中心に漏斗を取り付け、液体とゲル糸を同時に引き取ったり、滝の様に落下している液体にゲル糸を沿わして同時に引き取ったりする方法が推奨される。このような方法を用いることで、静止している液体を用いてゲル糸を冷却した場合と比較し、累積速度差を小さくすることが可能である。
【００２９】
得られた未延伸糸をさらに加熱し、溶媒を除去しながら数倍に、場合により多段で、延伸することにより、前述の内部構造の均一性に優れた高強度ポリエチレン繊維を製造し得る。この時、延伸時の繊維の変形速度は、重要なパラメータとして挙げられる。繊維の変形速度があまりにも速いと、十分な延伸倍率へ到達する前に繊維の破断が生じてしまうため好ましくない。また、繊維の変形速度があまりにも遅いと、延伸中に分子鎖が緩和してしまい、延伸により繊維は細くなるものの高い物性の繊維が得られないため好ましくない。従って、好ましい変形速度は０．００５ｓ-1以上０．５ｓ-1以下である。さらに好ましくは、０．０１ｓ-1以上０．１ｓ-1以下である。変形速度は、繊維の延伸倍率、延伸速度及びオーブンの加熱区間長さから計算可能である。つまり、変形速度は、
変形速度（ｓ-1）＝（１―１／延伸倍率）延伸速度／加熱区間の長さ
で示される。
また、所望の強度の繊維を得るためには、繊維の延伸倍率は１０倍以上、好ましくは１２倍以上、さらに好ましくは１５倍以上が推奨される。
【００３０】
本発明に係る高強度ポリエチレン繊維において、モノクリニック由来の結晶サイズは、９ｎｍ以下であることが望ましく、さらに望ましくは８ｎｍ以下であり、特に望ましくは７ｎｍ以下である。結晶サイズが大きすぎると、繊維を変形させたとき、モノクリニック由来の微結晶とオルソロンビック由来の微結晶の間で応力集中が生じ、破壊の起点となる可能性がある。
【００３１】
本発明に係る高強度ポリエチレン繊維において、オルソロンビック結晶（２００）と（０２０）回折面由来の結晶サイズの比は、０．８以上１．２以下であることが望ましい。ここで、オルソロンビック結晶（２００）と（０２０）回折面由来の結晶サイズの比とは、（２００）面に垂直方向の結晶サイズと（０２０）面に垂直方向の結晶サイズの比を意味する。さらに望ましくは０．８５以上１．１５以下、特に望ましくは０．９以上１．１以下である。結晶サイズ比が小さすぎる場合、もしくは結晶サイズ比が大きすぎる場合、結晶の形を考えたとき、１つの軸方向に選択的に成長した形態となる。このため、繊維を変形させたときに、周りに存在する微結晶同士で衝突が生じ、応力集中や構造破壊を生じる可能性がある。
【００３２】
本発明に係る高強度ポリエチレン繊維において、応力ラマンシフトファクターは−５．０ｃｍ−１／（ｃＮ／ｄＴｅｘ）以上であることが望ましく、さらに望ましくは−４．５ｃｍ−１／（ｃＮ／ｄＴｅｘ）以上であり、特に望ましくは−４．０ｃｍ−１／（ｃＮ／ｄＴｅｘ）以上である。応力ラマンシフトファクターが小さい場合には、応力集中に起因する応力分布の存在が示唆される。
【００３３】
本発明に係る高強度ポリエチレン繊維において、平均強度は２０ｃＮ／ｄＴｅｘ以上であることが望ましく、さらに望ましくは２２ｃＮ／ｄＴｅｘ以上であり、特に望ましくは２４ｃＮ／ｄＴｅｘ以上である。平均強度が小さすぎる場合、応用製品を作成したとき、製品としての強度が不足する可能性があり望ましくない。
【００３４】
本発明における高強度ポリエチレン繊維を構成するモノフィラメントの結節強度の保持率は、４０％以上であることが望ましく、さらに望ましくは４３％以上であり、特に望ましくは４５％以上である。結節強度の保持率が小さすぎる場合、応用製品としての繊維強化複合材料を作成するときに、工程通過中に糸がダメージを受ける可能性がある。
【００３５】
本発明における高強度ポリエチレン繊維を構成するモノフィラメントの単糸強度のばらつきを示すＣＶは２５％以下であることが望ましく、さらに望ましくは２３％以下であり、特に望ましくは２１％以下である。単糸強度のばらつきを示すＣＶが大きすぎる場合、応用製品としての繊維強化複合材料を作成したときに、製品としての強度のばらつきが生じる場合がある。
【００３６】
本発明における高強度ポリエチレン繊維を構成するモノフィラメントの破断伸度は、２．５％以上６．０％以下であることが望ましく、さらに望ましくは３．０％以上５．５％以下であり、特に望ましくは３．５％以上５．０％以下である。破断伸度が小さすぎる場合、製造時の工程通過中に、繊維の単糸が切れることによる操業性の低下を招くことがある。破断伸度が大きすぎる場合、製品として使用したときに永久変形の影響が無視できなくことがある。
【００３７】
本発明における高強度ポリエチレン繊維を構成するモノフィラメントの単糸繊度は、１０ｄＴｅｘ以下であることが望ましく、さらに望ましくは８ｄＴｅｘ以下であり、特に望ましくは６ｄＴｅｘ以下である。単糸繊度が大きいすぎると、繊維製造過程において所望の力学物性まで製品性能を高めることが困難となる場合がある。単糸繊度は小さいことが好ましいが、細すぎると毛羽が立ち易くなるため、０．１ｄＴｅｘ以上が望ましい。
【００３８】
本発明における高強度ポリエチレン繊維の融点は、１４５℃以上であることが望ましく、さらに望ましくは１４８℃以上である。繊維の融点が、１４５℃以上であると、加温を必要とする工程において、より高い温度に繊維が耐えることが出来るため、処理の省力化の観点から望ましい。
【００３９】
本発明の繊維強化複合材料に使用される強化繊維の形状については、短繊維強化複合材料、長繊維強化複合材料のいずれでもよいが、長繊維強化複合材料が繊維強化複合材料に高強度を付与し得る点では望ましい。
【００４０】
また、本発明の繊維強化複合材料における繊維強化形態としては、一方向強化複合材料、織物強化複合材料、不織布強化複合材料、シートワインディング強化複合材料パイプ、フィラメントワインディング複合材料パイプ等のいずれであってもよい。
【００４１】
また、本発明の繊維強化複合材料における繊維体積率(Vf)は、好適には10%以上90%以下の範囲であり、より好適には30%以上85%以下である。繊維体積率が低すぎると繊維強化複合材料において繊維の物性が発現せず、高すぎると繊維間への樹脂の含浸性が悪くなる。
【００４２】
さらに、本発明の繊維強化複合材料における強化繊維として、前記のポリエチレン繊維を単独で使用し得るが、これと他の繊維を混合してもよい。混合し得る繊維としては、ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール(PBO)繊維、ポリパラフェニレンベンズチアゾール繊維、アラミド繊維、ポリアリレート繊維などの有機繊維、ガラス繊維、炭素繊維、アルミナ繊維、ジルコニア、チタニア、シリカ、シリコンナイトライト等の無機繊維が挙げられる。前記のポリエチレン繊維と上記他繊維との体積混合率は、100:0〜10：90の範囲内であることが好ましく、100:0〜20：80の範囲内であることがより好ましい。
【００４３】
また、本発明の繊維強化複合材料におけるマトリクス樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ウレタン樹脂、ウレタンアクリレート樹脂、フェノール樹脂等、当業者に既知の樹脂が使用できる。また、マトリクス樹脂中に金属、セラミックスなどの粉末を混入することも可能である。
【実施例】
【００４４】
以下、本発明の有効性を、実施例等を挙げて説明するが、本発明はこれらに限定されない。なお、以下の実施例等における物性の評価方法は以下の通りである。
【００４５】
（マルチフィラメントの強度・伸度・弾性率）
オリエンティック社製「テンシロン」を用い、試料長２００ｍｍ（チャック間長さ）、伸長速度１００％／分の条件で、歪−応力曲線を雰囲気温度２０℃、相対湿度６５％の条件下で測定した。破断点での応力と伸びから強度（ｃＮ／ｄＴｅｘ）、伸度（％）を求め、曲線の原点付近の最大勾配を与える接線から弾性率（ｃＮ／ｄＴｅｘ）を計算して求めた。なお、各値は１０回の測定値の平均値を使用した。
【００４６】
（単繊維の強度等）
フィラメント（単繊維）の強度、弾性率の測定に際し、測定対象である１本のマルチフィラメントから無作為に１０本の単糸（フィラメント）を抜き取ってサンプルとした。フィラメントの構成本数が、１０本に満たない場合は、すべての単糸（フィラメント）を測定対象とした。
単繊維約２ｍを各々取り出し、該繊維１ｍを使用して重さを測定し、１００００ｍに換算して繊度（ｄＴｅｘ）とした。この単糸繊維１ｍの長さの測定時、単糸繊度の約１／１０の荷重を掛けて定長のサンプルを作成した。残りの部分を使用して、繊維の強度と同じ方法で強度を測定した。ＣＶは以下の計算式：
ＣＶ＝単糸強度の標準偏差／単糸強度の平均値×１００
で計算される。
【００４７】
（単繊維の結節強度保持率）
フィラメント（単繊維）の結節強度保持率の測定に際し、測定対象の１本のマルチフィラメントから無作為に１０本の単糸（フィラメント）を抜き取りサンプルとした。フィラメントの構成本数が、１０本に満たない場合は、すべての単糸（フィラメント）を測定対象とした。
単繊維約２ｍを各々取り出し、該繊維１ｍを使用して重さを測定し、１００００ｍに換算して繊度（ｄＴｅｘ）とした。この単糸繊維１ｍの長さの測定時、単糸繊度の約１／１０の荷重を掛けて定長のサンプルを作成した。さらに該繊維の残りの部分を使用して、単繊維の真中に結び目を作成した後、「マルチフィラメントの強度・伸度・弾性率」に記載の方法と同様の方法で引っ張り試験を実施した。この時、結び目の作り方は、ＪＩＳ  Ｌ１０１３に記載されている図３に準じて行った。尚、結び目の方向は常に同じとし、図３のｂとした。結節強度保持率は、下記式：
結節強度保持率＝単糸結節強度の平均値／単糸強度の平均値×１００
によって求めた。
【００４８】
（極限粘度）
ウベローデ型毛細粘度管を用い、１３５℃のデカリン中で種々の希薄溶液の比粘度を測定し、その粘度を濃度に対してプロットし、最小２乗近似で得られる直線の原点への外挿点から、極限粘度を決定した。
測定に際し、サンプルを約５ｍｍ長の長さに分割または切断し、ポリマーに対して１ｗｔ％の酸化防止剤（商標名「ヨシノックスＢＨＴ」吉富製薬製）を添加し、１３５℃で４時間攪拌溶解して、測定溶液を調製した。
【００４９】
（融点）
測定は、示差走査熱量計としてパーキンエルマー社製「ＤＳＣ７型」を用いて行った。予め５ｍｍ以下に裁断したサンプルを、アルミパンに約５ｍｇ充填封入し、同様の空のアルミパンをリファレンスとして、１０℃／分の昇温速度で室温から２００℃まで上昇させ、その吸熱ピークを求めた。得られた曲線の最も低温側に現れる融解ピークのピークトップの温度を融点とした。
【００５０】
（ラマン散乱測定）
下記の方法に従い、ラマン散乱スペクトルの測定を行った。ラマン測定装置（分光器）として、レニショー社のシステム１０００を用いた。光源としてヘリウム−ネオンレーザー（波長６３３ｎｍ）を用い、偏光方向に繊維軸が平行になるように繊維を設置して測定した。
ヤーンから単繊維（モノフィラメント）を分繊し、矩形（縦５０ｍｍ横１０ｍｍ）の穴が空いたボール紙の穴の中心線上に、長軸が繊維軸と一致するように貼り、両端をエポキシ系接着剤（アラルダイト）で止めて２日間以上放置した。その後、マイクロメーターで長さが調節できる治具に該繊維を取り付け、単繊維を保持するボール紙を注意深く切り取った後、所定の荷重を繊維に印加し、該ラマン散乱装置の顕微鏡ステージにのせ、ラマンスペクトルを測定した。このとき、繊維に働く応力と歪を同時に測定した。ラマンの測定は、Ｓｔａｔｉｃ  Ｍｏｄｅにて、測定範囲８５０ｃｍ-1から１３５０ｃｍ-1について、１ピクセルあたりの分解能を１ｃｍ-1以下としてデータを収集した。解析に用いたピークとしては、Ｃ−Ｃ骨格結合の対称伸縮モードに帰属される１１２８ｃｍ-1のバンドを採用した。
バンド重心位置と線幅（バンド重心を中心としたプロファイルの標準偏差、２次モーメントの平方根）を正確に求めるために、該プロファイルを２つのガウス関数の合成として近似することで、うまくカーブフィットできることが分かった。歪みをかけると２つのガウス関数のピーク位置が一致せず、それらの距離が遠ざかることが判明した。この様な場合、本発明に於いてはバンド位置をピークプロファイルの頂点とは考えず、２つのガウスピークの重心位置でもってバンドピーク位置と定義した。定義を次式（重心位置、＜ｘ＞）：
【００５１】
＜ｘ＞＝∫ｘ ｆ（ｘ） ｄｘ／∫ｆ（ｘ） ｄｘ
ｆ（ｘ）＝ｆ1（ｘ−ａ）＋ｆ2（ｘ−ｂ）
（式中、ｆiはガウス関数を表す。）
に示す。バンド重心位置＜ｘ＞と繊維にかかる応力をプロットしたグラフを作成し、得られたプロットの最小二乗法を用いた原点を通る近似曲線の勾配を、応力ラマンシフトファクターと定義した。
【００５２】
（結晶サイズ及び配向の評価）
結晶サイズおよび配向の評価は、Ｘ線回折法を用いて行った。Ｘ線ソースとしては、大型放射光施設ＳＰｒｉｎｇ８をＸ線源とし、ＢＬ２４ＸＵハッチを使用した。使用するＸ線のエネルギーは、１０ｋｅＶ（λ＝１．２３９８Å）であった。アンジュレーターを通して取り出したＸ線は、モノクロメーター（シリコン結晶の（１１１）面）を通して単色化した後、位相ゾーンプレートを用いてサンプル位置で収束するようにセットした。焦点の大きさは、縦横とも径が３μｍ以下となるように調整した。サンプル繊維は、ＸＹＺステージ上に、繊維軸が水平になるように載せる。別に取り付けたトムソン散乱検出器を用いて検出しながらステージを微動せしめ、トムソン散乱強度を測定し、強度が最大になった点を繊維の中心と判定した。Ｘ線強度は非常に強いため、サンプルの露光時間が長すぎるとサンプルにダメージが入る。そこで、Ｘ線回折測定時の露光時間は２分以内とした。この測定条件にて、繊維のスキン部から中心部にかけて実質的に等間隔な５点以上の部位にビームを当て、それぞれの場所についてのX線回折図形を測定した。Ｘ線回折図形は、フジ製イメージングプレートを用いて記録した。データの読み出しは、フジ製ミクロルミノグラフィーを用いて実施した。記録された画像データは、パソコンに転送して、赤道方向および方位角方向のデータを切り出した後、線幅を評価した。結晶サイズ（ＡＣＳ）は、赤道方向の回折プロファイルの半値幅βから、次の式（III）：
【００５３】
ＡＣＳ＝０．９λ／βｃｏｓθ      （III）
（式中、λは使用したＸ線の波長、２θは回折角である。）
に示すシェラーの式を用いて算出した。尚、回折ピークの同定はBunnら(Trans Faraday Soc., 35, 482 (1939)) に従って行った。結晶サイズとしては、５点以上について測定・評価して得た平均値を採用した。CVは、下記式：
【００５４】
CV＝結晶サイズの標準偏差／結晶サイズの平均値×１００
を用いて算出した。
【００５５】
配向角ＯＡとしては、得られた２次元回折図形のそれぞれについて、方位角方向に走査して求めたプロファイルの半値幅を採用した。５点以上について測定・評価して得た平均値を配向角として採用した。CVは次式：
CV＝配向角の標準偏差／配向角の平均値×１００
を用いて算出した。
【００５６】
（モノクリニック結晶サイズの評価方法）
結晶サイズは、Ｘ線回折法を用いて測定した。測定に用いた装置は、リガク製リント２５００である。Ｘ線源として、銅対陰極を選択した。運転出力は４０ｋＶ２００ｍＡであった。コリメーターは０．５ｍｍとし、繊維を繊維試料台に取り付け、赤道方向および子午線方向にカウンターを走査して、Ｘ線回折強度分布を測定した。この時、受光スリットとしては、縦制限横制限とも１／２°を選択した。結晶サイズ（ＡＣＳ）は、回折プロファイルの半値幅βから、次の式（IV）：
【００５７】
ＡＣＳ＝０．９λ／β0ｃｏｓθ          （IV）
ただし、β0=(β2 −βs)0.5
（式中、λは使用したＸ線の波長、２θは回折角、βsは標準サンプルを用いて測定したX線ビームそのものの半値幅である。）
に示すシェラーの式を用いて算出した。
【００５８】
モノクリニックの結晶サイズは、モノクリニック（０１０）由来の回折点の線幅から、シェラー式を用いてＡＣＳを計算することにより求めた。尚、回折ピークの同定はSetoら(Jap. J. Appl. Phys., 7, 31 (1968))に従った。
オルソロンビック結晶サイズの比は、（２００）回折面由来の結晶サイズを（０２０）回折面由来の結晶サイズで除して求めた。
【００５９】
（繊維強化複合材料評価試験片の作製方法）
繊維強化複合材料は、長繊維を一方向に束ね、エポキシ樹脂を含浸して、200mmx200mmx1mm厚み及び5mm厚みに成形して得た。なお、エポキシ樹脂として、エピコート（登録商標）827（油化シェルエポキシ（株）製）/HN5500（油化シェルエポキシ（株）製）/BMI-12（日立化成工業（株）製）を100/85/1重量比で混合したものを用いた。硬化条件は、120℃、12時間とした。なお、繊維体積率は55%とした。成形して得た1mm厚の板材から、繊維方向に10mm幅x200mm長の試験片を15本切り出した。また、5mm厚みの板材から、50mmx50mmの板材を16枚切り出した。
【００６０】
（繊維強化複合材料の引張試験方法）
切り出した厚み1mmの繊維強化複合材料の両端をチャックで挟み、テンシロンを用いて引張試験を行った。チャック間距離は50mm、クロスヘッドスピードは0.5mm/minとした。
【００６１】
（繊維強化複合材料の急冷に対する耐クラック試験方法）
切り出した厚み5mmの繊維強化複合材料を液体窒素に浸漬し、クラック発生の有無を、目視観察及び可視光反射スペクトルの450nm波長の反射率変化より評価した。
【００６２】
（実施例１〜３）
極限粘度２１．０ｄｌ／ｇの超高分子量ポリエチレンとデカヒドロナフタレンを重量比８：９２で混合しスラリー状液体を形成させた。該物質を混合及び搬送部を備えた２軸スクリュー押出し機で溶解し、得られた透明な均一物質を円状に配列したホール数３０個、直径０．８ｍｍのオリフィスから１．８ｇ／ｍｉｎで押出した。該押出し溶解物質を長さ１０ｍｍのエアギャップを介して、定常流の水で満たされた円筒状の流管（厚さ５ｍｍの耐熱ガラスで覆い外部空間より遮蔽）を通過させることにより、液面変動を０．５mm以下に抑え、且つ、液面に累積するデカヒドロナフタレンを該押出し溶解物質が水面に突入する部位より連続的に除去しながら均一に冷却し、該押出し溶解物質中の溶媒を該押出し溶解物質から除去することなしに紡糸速度６０ｍ／ｍｉｎでゲル糸状を引き取った。この時、繊維の冷却速度は、９６６７℃／ｓで累積速度差は５ｍ／ｍｉｎであった。ついで、該ゲル繊維を巻き取ること無く窒素加熱オーブン中、３倍の延伸比で延伸し延伸糸を巻き取った。ついで、該繊維を１４９℃で最大６．５倍の延伸倍率で延伸を行い種々の延伸倍率の延伸糸を得た。
得られたポリエチレン繊維の諸物性を表１に示した。
【００６３】
（実施例４、５）
極限粘度が１９．６の超高分子量ポリエチレンポリマーを１０ｗｔ％およびデカヒドロナフタレン９０ｗｔ％のスラリー状の混合物を分散しながら２３０℃の温度に設定したスクリュー型の混練り機で溶解し、１７７℃に設定した直径０．６ｍｍを４００ホール有する口金に軽量ポンプにて単孔吐出量１．２ｇ／分で供給した。各々のノズル直下に独立に設置したカラー状のクエンチ設備にて、０．１ｍ／ｓの窒素ガスを整流に気をつけ、できるだけ吐出される糸条に各々に均等に当たるようにして繊維の表面のデカリンを極微量蒸発させ、さらに窒素雰囲気のエアギャップを通したこと以外は実施例１と同様にしてポリエチレン繊維を作製した。尚、２段目の延伸倍率は、４．５及び６．０倍とした。この時、クエンチに用いた窒素温度は、１７８℃に制御した。また、エアギャップに関しては、温度制御を行わなかった。
得られた繊維の物性値を表１に示す。非常に均一性に優れ、高い強度を有していることが判明した。
【００６４】
（比較例１）
極限粘度が１９．６の超高分子量ポリエチレンを１０ｗｔ％およびデカヒドロナフタレン９０ｗｔ％のスラリー状の混合物を分散しながら２３０℃の温度に設定したスクリュー型の混練り機で溶解し、１７５℃に設定した直径０．６ｍｍを４００ホール有する口金に軽量ポンプにて単孔吐出量１．６ｇ／分で供給した。ノズル直下に設置したスリット状の気体供給オリフィスにて１．２ｍ／ｓの高速度で１００℃に調整した窒素ガスを整流に気をつけ、できるだけ糸条に均等に当たるようにして繊維の表面のデカリンを積極的に蒸発させ、さらに１１５℃に設定された窒素流にて繊維に残るデカリンを蒸発させ、ノズル下流に設置されたネルソン状のローラーにて８０ｍ／分の速度で引き取らせた。この時、クエンチ区間の長さは１．０ｍであり、繊維の冷却速度は、１００℃／ｓ、累積速度差は８０ｍ／ｍｉｎであった。引き続き、得られた繊維を１２５℃の加熱オーブン下で４．０倍に延伸した、引き続きこの繊維を１４９℃に設置した加熱オーブン中にて４．１倍で延伸した。途中破断することなく均一な繊維が得ることができた。得られた繊維の物性値を表１に示した。
【００６５】
（比較例２）
オリフィス直下から１０ｍｍの位置から、５０℃、０．５ｍ／ｓの窒素風を整流に注意しながら出来るだけ糸状に均一にあててゲル糸を得たこと以外は実施例と同様にして、延伸糸を得た。この時の繊維の冷却速度は、２０８℃／ｓ、累積速度差は８０ｍ／ｍｉｎであった。
【００６６】
（比較例３）
極限粘度が１０．６の超高分子量ポリマーの主成分ポリマー（Ｃ）を１５ｗｔ％およびパラフィンワックス８５ｗｔ％のスラリー状の混合物を分散しながら２３０℃の温度に設定したスクリュー型の混練り機で溶解し、１９０℃に設定した直径１．０ｍｍを４００ホール有する口金に軽量ポンプにて単孔吐出量２．０ｇ／分で供給した。エアギャップを３０ｍｍとして１５℃のｎ−ヘキサンを満たした紡糸浴に浸漬した。浸析した繊維をネルソン状のローラーで５０ｍ／分の速度で引き取った。この時の繊維の冷却速度は、４８６１℃／ｓ、累積速度差は５０ｍ／ｍｉｎであった。引き続き、得られた繊維を１２５℃の加熱オーブン下で３．０倍に延伸した、さらにこの繊維を１４９℃に設置した加熱オーブン中にて３倍に延伸した後、もう一度１．５倍で延伸した。途中破断することなく均一な繊維が得ることができた。得られた繊維の物性値を表１に示す。
【００６７】
（比較例４）
比較例１と同じ条件で作成、巻き取った延伸前の繊維を３日間エタノール中に浸漬して糸中に残留したデカリンを取り除いた後、２日間風乾してキセロゲル繊維を作成した。さらに、該キセロゲル繊維を１２５℃の加熱オーブン中で４．０倍に延伸した。引き続きこの繊維を１５５℃に設定した加熱オーブン中にて４．３倍で延伸した。途中破断することなく均一な繊維を得ることができた。
【００６８】
次に、各実施例及び各比較例に従って得た繊維を用い、前記の「繊維強化複合材料評価試験片の作製方法」に基づき繊維強化複合材料を得た。
得られた各繊維強化複合材料の特性を表２にまとめる。
【００６９】
【表１】
2006342443.tif 000002
【００７０】
【表２】
2006342443.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明に係る高強度ポリエチレン繊維は、高強度・高弾性率且つ繊維の内部構造が均一であり、これを使用した製品中には性能低下部分が生じず、均一に高い性能を有する。従って、従来のポリエチレン繊維強化複合材料に比較し、高い引張強度を有する繊維強化複合材料を得ることが出来る。更に、急激な温度変化に対し耐クラック性を有する繊維強化複合材料を得ることができる。