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あいち産業科学技術総合センター

研究報告 2018

研究論文

芯鞘型複合繊維を使用した立体形状を有する FRP の開発
山 内 宏 城 *1 、 福 田 ゆ か *1 、 馬 場 元 太 * 2 、 坪 内 正 志 *2 、 大 西 功 二 * 2

Development of FRP Using Sheath-core Conjugated Fiber
Hiroki YAMAUCHI *1 , Yuka FUKUTA *1 , Genta BABA * 2 , Masashi TSUBOUCHI *2
and Koji ONISHI *2Owari Textile Research Center *1 Maruman-sangyou CO.,Ltd. *2
高融点の芯部と低融点の鞘部から成る熱可塑性の芯鞘型複合繊維を使用して、ニットを基材とした立体形 状 を 有 す る FRP の 製 造 技 術 を 検 討 し た 。 板 状 成 形 品 に お い て 、 編 組 織 や 編 密 度 の 違 い が FRP の 物 性 に及ぼす影響を確認した。芯鞘型複合繊維編地を熱プレスで立体形状に成形することで、柔軟性と保形性を両立させながら、通気性に優れたシートクッションを作製することができた。インレイの技法により両面編組織中に一般のポリエステル糸を挿入することで、圧縮時の触感は特に柔らかくなった。

1. はじめに

FRP のプラスチック母材となり、芯部(内部)はニット形織物や編物、組紐などのテキスタイル製品を基材と状を維持した繊維強化材となる。また、メッシュ状とすした繊維強化プラスチック(FRP)であるテキスタイルコることで成形品に通気性を付与することも可能である。

ンポジットが注目され、その利活用に向けた取り組みが本研究では、FRP の基材となるニットの編組織や編密各所で進められている。テキスタイルコンポジットはテ度の違いが FRP の物性に及ぼす影響を板状成形品におキスタイルが持つ優れた機能を付加できることや、自動いて確認した。次に、立体形状を有する FRP を作製し、化に適している、賦形性に優れるなどの利点があり、柔軟性と保形性を両立させながら、通気性を有するニッ

FRP の生産性や性能向上が期待される 1)2)。

ト基材 FRP のシートクッションへの利用を検討した。

当センターではテキスタイルコンポジットのうち、2. 実験方法編物(ニット)を基材とした FRP の開発に取り組んできた
3)4) 。ニットは編目構造により伸縮性に富み、織物など2.1 芯鞘型複合繊維の編成に比べて賦形性に優れている。無縫製横編機のような高芯 鞘 型 複 合 繊 維 に は ユ ニ チ カ ( 株 ) 製 の MELSET®

性能編機を用いることで編組織設計の幅も広がってきて560T48(以下、芯鞘糸)を用いた。芯鞘糸を無縫製横編おり、目的の形状に合わせてニット基材を作製可能であ機 MACH2S 12G((株)島精機製作所製)で編成した。編組る。当センターでは、これまでに炭素繊維強化プラスチ織はパール編と両面編とし、ニット糸には芯鞘糸 2 本をッ ク (CFRP)に お い て、 立 体 形 状を 有 す る ニッ ト 基 材引き揃えで用いた。両面編組織では、芯鞘糸の間に一般FRP の作製に成功している 5)。

糸(以下、挿入糸)を挿入した編組織についても編成した。

近年では、高強度や軽量性などの優れた特性を持つ挿入糸には 333dtex のポリエステルマルチフィラメント

FRP の実用化への取り組みが進んでいる。しかし、繊糸 2 本を引き揃えで用いた。

維の剛性により成形品に柔軟性を付与することが難しい

2.2 熱プレスによる FRP の成形ことや、繊維の取り扱いに注意が必要といった課題もあ2.2.1 板状成形品

る。マルチマテリアル化が進む中、軽量・柔軟で取り扱い性に優れる材料へのニーズも考えられる。
そこで、本研究では熱可塑性の芯鞘型複合繊維に着目し、軽量で一定の強度を持ちながら、柔軟で易加工性成形には、熱プレス機((株)東洋精機製作所製)を使用した 。加熱温 度 180℃で 1 分 間保持した後、加圧力5MPa、保持時間 5 分で成形した。
2.2.2 立体成形品のニット基材 FRP の開発に取り組んだ。高融点の芯部成形には、恒温槽 DNE810(ヤマト科学(株)製)と熱プと低融点の鞘部から成る芯鞘型複合繊維を編成し、融点レス機 880×880(横井工業(株)製)を使用した。編成した差を利用して加熱することで、鞘部(外部)は溶融して芯鞘糸を恒温槽内に加熱温度 200℃で 5 分間保持した後、*1 尾張繊維技術センター

素材開発室*2 丸満産業株式会社

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熱プレス機で金型温度 100℃、加圧力 30kN、保持時間減することで FRP の柔軟性を向上させることを狙いと5 分で成形した。

した。

2.3 成形品の性能評価
2.3.1 板状成形品
破裂強さ、曲げ反発性、通気性を評価した。
破裂強さは精密万能試験機 AG-10kNIS((株)島津製作所製)を用い、JIS L 1096 B 法(定速伸長形法)に従って評価した。

パール編

両面編

曲げ反発性は、ガーレ―剛軟度試験機 GAS-10((株)大栄科学精器製作所製)を用いて JIS L 1096 A 法(ガーレ法)に従い評価した。但し、試料サイズは試料長 89mm、試料幅 25mm とした。
通気性はフラジール型通気度試験機 AP-360SM((株)大栄科学精器製作所製)を用いて、JIS L 1096 A 法(フラ両面編 (インレイ編 )ジール形法)に準じて評価した。但し、試料サイズは直図2

径約 80mm とした。
2.3.2 立体成形品

熱プレス後のニット

3.2 編組織とループ長の検討

圧縮特性、通気性を評価した。圧縮特性は圧縮試験機

板状に成形した FRP について、編組織やループ長のKES-G5(カトーテック(株)製)を用い、円形圧縮子面積違いが FRP の物性に及ぼす影響を確認した。ループ長2cm2 、 圧 縮 変 形 速 度 0.02mm/sec 、 最 大 圧 縮 荷 重と破裂強さの関係を図 3 に示す。どの編組織においても、100gf/cm2 で評価した。通気性は通気性試験機 KES-F8-

ループ長が短くなることで破裂強さは向上した。ニット

AP1(カトーテック(株)製)を用い、通気抵抗で評価した。

はループ長を変更することにより、編密度を調整可能である。ループ長が短くなれば編組織は高密度となり、成3. 実験結果及び考察
3.1 ニット基材 FRP の作製

形時に繊維同士が密に溶着されるため、破裂強さが向上したと考えられる。また、両面編組織に挿入糸を挿入す

芯鞘糸を無縫製横編機で編成したニットを図 1 に示す。

ることによる破裂強さの大きな低下はなかった。

挿入糸を挿入した両面編組織では、タックで 2 つのゴム破裂強さ(N)編組織中に挿入糸を止めている。

パール編

両面編
ループ長 (mm):パール編

図3:両面編:両面編 (インレイ編 )ループ長と破裂強さ

ループ長と曲げ反発性の関係を図 4 に示す。どの編組
両面編 (インレイ編 )図1

熱プレス前のニット織においても、ループ長が短くなることでウェール方向、コース方向のどちらについても曲げ反発性は向上した。
破裂強さと同様、ループ長が短くなることで編組織が高熱プレスを用いて、編成した芯鞘糸を成形した結果を密度となった結果と考えられる。両面編組織はコース方

図 2 に示す。挿入糸を挿入した両面編組織では、挿入糸向よりウェール方向の曲げ反発性が大きくなり、挿入糸は加熱成形時に溶融せず、結果、芯鞘糸同士の溶着を低を挿入することでその差は大きくなった。挿入糸は、表58

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目と裏目がコース方向に連続する 2 つのゴム編組織中にループ長と通気性の関係を図 5 に示す。通気性には成タックで止められており、ウェール方向よりもコース方形品の単位面積当たりの空隙の数や大きさが影響してい向の曲げ反発性に寄与するものと考えたが、そのようなると考えられる。編組織が高密度となれば繊維間の空隙結果とはならなかった。挿入糸のタックループが、ウェ部が減少し、結果として成形品の通気性も低下する傾向

ール方向の曲げ反発性の向上に寄与している可能性が考にあると考えたが、そのような傾向は確認されなかった。

えられる。

また、両面編組織中に挿入糸を挿入することで通気性が低下したが、これは挿入糸が編組織中の空隙部を埋めた結果によるものと考えられる。

曲げ反発性(mN)

3.3 シートクッションの作製
芯鞘型複合繊維編地を基材とした FRP の利点である柔軟性や通気性を活かしながら、実用化に向けた検証を行うためにシートクッション形状で立体成形品を試作した。
試作用に作製した金型を用いて、編成した芯鞘糸を熱プレスで成形した。シートクッションの構成を図 6 に示す。ニット基材のループ長はパール編組織で 8.0mm、ループ長 (mm)
:両面編:パール編:両面編 (インレイ編 )挿入糸を挿入した両面編組織で 10.5mm とした。クッシ
ョン材は図 6 に示す基本構造を連続して配列したものとした。成形した結果(クッション材)を図 7 に示す。成形したクッション材と表皮材を図 6 のように組み合わせて縁取りテープと共に縫製し、シートクッション(図 8)を曲げ反発性(mN)作製した。
表皮材

基本構造
クッション材

ループ長 (mm):パール編

図4:両面編:両面編 (インレイ編 )単位：mm

ループ長と曲げ反発性(上 :ウェール方向、下 :コース方向 )35
Æ20

通気量(cm3/cm2・s)

5050

Æ3550

図6396410416450

図5:両面編:両面編 (インレイ編 )ループ長と通気性157.5シートクッションの構成と断面構造

ループ長 (mm)
:パール編

16

図7

成形したクッション材

59
作製したシートクッションについて、市販のウレタン表1製シートクッション(以下、市販品)を比較品とした物性

シートクッションの通気性評価を行った。図 9 に圧縮特性の測定結果を示す。試作項目

パール編

両面編(インレイ編)

市販品

品は市販品と比較して圧縮かたさが柔らかく、触感はソ

通気抵抗値(Pa・s/cm)

0.026

0.064

25.1

フトであり、挿入糸を挿入した両面編組織ではその傾向が特に大きかった。試作品では圧縮時に変曲点(パール4. 結び編組織 2.6mm、挿入糸を挿入した両面編組織 3.8mm)が見られたが、これはクッション材の基本構造の形状が二本研究では、熱可塑性の芯鞘型複合繊維を用いて立体段になっていることが寄与しているものと推察する。ま形状を有するニット基材 FRP の製造技術を検討した。

た、挿入糸を挿入した両面編組織ではヒステリシスが大板状成形品において、ニットの編組織や編密度の違いきく、圧縮荷重を除いても元の位置までは回復しなかっが FRP の物性に及ぼす影響を確認した。芯鞘型複合繊た。これは編組織の寄与が大きいと考えられる。耐久性

維をパール編、挿入糸を挿入した両面編の両組織で編成能が懸念されるため、検証を進める。

し、熱プレスで立体形状に成形することで、柔軟性と保表 1 に通気性の測定結果を示す。試作品はどちらも市形性を両立させながら、通気性に優れたシートクッショ販品と比較して通気抵抗が小さく、通気性が格段に優れンを作製することができた。特に、挿入糸を挿入した両ていることが分かった。

面編組織のニットで作製したシートクッションでは、圧縮に対する触感が柔らかくなった。
芯鞘型複合繊維ニットを基材とした FRP は、軽量、柔軟で易加工な成形品の製造に資することができる。ニットの編組織設計や編成条件、成形加工法とその条件などを引き続き検討し、本技術の実用化への検証を進める。

パール編

圧縮荷重(gf/cm2)

図8

インレイ編

付記

作製したシートクッション

本研究の一部は、丸満産業(株)が(公財)科学技術交流

100

パール編

80

財団の平成 28 年度育成試験の助成を受けて実施し、当センターが技術支援を行った内容である。

6040
20

文献
5.0

4.0

3.0

2.0

1.00.0圧縮荷重(gf/cm2)

厚さ (mm)100602) 濱田泰似, 仲井朝美, 杉本健一: 繊維と工業, 60(6),両面編

8078(2004)（インレイ編）3) 茶谷悦司, 福田ゆか, 池口達治: あいち産業科学技術

40

総合センター研究報告, 1, 90(2012)204) 田中利幸: あいち産業科学技術総合センター研究報
5.0

4.0

3.0

2.0

1.00.0厚さ (mm)
圧縮荷重(gf/cm2)

1) 飯塚健治: 染色研究, 55(1), 8-15(2011)1005) 田中利幸, 堀公子, 坂崎克秋, 佐々木敏哉, 佐々木哲

市販品

80

告, 3, 88(2014)

哉: あいち産業科学技術総合センター研究報告, 5,60138(2016)

40
20
5.0

4.0

3.0

2.0

1.00.0厚さ (mm)
図9

シートクッションの圧縮特性