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愛知県産業技術研究所 研究報告2010●───────────────────────────────────────────────

研究論文

撚糸による炭素繊維の保護方法の開発
安 田 篤 司 ＊ 1、 福 田 ゆ か ＊ 1、 太 田 幸 一 ＊ ２ 、 佐 々 木 敏 哉 ＊ 3、 佐 々 木 哲 哉 ＊ 3

Development of the Protection Method of the Carbon Fiber by the Thread
Twisting
Atsushi YASUDA *1 ,Yuka FUKUDA *1 ,Kouichi OHTA *2 ,Toshiya SASAKI *3 and Tetsuya SASAKI *3Owari Textile Research Center, AITEC * 1 , Mikawa Textile Research Center, AITEC * 2 ,MEISEI KNIT Ltd * 3
炭素繊維を編成する際、発生する毛羽・フライ・粉塵を防ぐため、炭素繊維を撚糸によりカバリングして、編成時での炭素繊維の折損を防ぐことを検討した。その結果、スパン糸をカバリングした場合では、編成時に折損を防ぐことができなかった。フィラメントをカバリングした場合では、倦縮のある糸をカバリングすることで、編成時に折損を防ぐことができ、倦縮のないフィラメントでもカバリングが移動しないよう熱融着させることで、編成時に折損を防ぐことができることを明らかにした。

１．はじめに

表1

炭素繊維は、破断伸びが小さく、曲げや摩擦に弱いた

カバリング糸に用いた試料

素材

形状

番手（フィラメント本数)

ポリプロピレン

スパン糸

３０／１

この毛羽・フライ・粉塵等がモーターや、電気設備に侵〃フィラメント糸１９０D（２０)

入するとショートする可能性があり、編機の故障だけでポリブチレンテレ〃

７５D（２４)

ウーリー加工糸３００D（４８)め、横編機での編成時に繊維が折損し、毛羽・フライ・粉塵等が頻発する。しかも繊維自体に導電性があるため、なく火災が発生するおそれがある

1)。また、炭素繊維はフタレート

黒色のため、毛羽・フライ・粉塵等が他の生産品に付着ポリエチレンテレ

すると、汚れとなり商品価値を下げ、ひいてはその工場フタレートの信頼性も下げることにつながる。そのため、炭素繊維製品を生産するのに、専用の区画を設け、専用の生産機を必要としていた。

2.2 撚糸方法
炭素繊維を撚糸技術により完全に被覆するため、カバ

ここでは、編成中に毛羽・フライ・粉塵等が発生しなリング糸の撚糸技術を利用した。

いよう、炭素繊維をあらかじめ保護する手法について検カバリング糸とは芯となる糸に他の糸を巻き付ける討をした。具体的には、炭素繊維を、撚糸技術を用いてように撚糸した糸で、撚数を多くすることで、完全に被他の繊維で被覆し、編成中での炭素繊維の折損を防ぐこ覆することができる。また、芯となる炭素繊維は強い撚とを検討した。

りがかかると簡単に切れてしまうので、撚糸により撚りがかからないよう中空スピンドルを用いた一工程意匠撚

２．実験方法糸機（オゼキテクノ製：トライスピン）を用いた。

2.1 試料

2.3 カバリング糸の評価

炭素繊維を撚糸技術により完全に被覆するため、カバリング糸の撚糸技術を利用した。

炭素繊維の保護状態を評価するのに、カバリング糸を、蛭田式抱合力試験機を用いて摩擦し、炭素繊維が破断す使用した糸の素材・形状及び番手を表１に示す。なお、るまでの摩擦回数により評価した。抱合力試験機は、一炭素繊維は 600D で構成繊維本数が 1000 本のものを用定の初荷重で摩擦子に糸をかけ、60rpm 回転数で摩擦子いた。

が回転し、糸が破断するまでの、摩擦子の回転回数で、糸の製織性を評価する試験機であるが、今回、カバリン＊

1 尾張繊維技術センター

開発技術室

＊

2 三河繊維技術センター

加工技術室

＊

3 有限会社名西ニット

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グ糸を直接摩擦して性能評価を行うのに用いた。
また、KES-FB2 純曲げ試験機を用いて糸の曲げ剛性80%を測定した。試験機にカバリング糸 3 本を 5mm 間隔でス取り付け、曲率 2.5cm-1 まで、変形速度 0.5cm-1/sec で曲パげ変形を与え、この時の曲げモーメントを計測した。糸ンの曲げ剛性は、曲率 0.5 と 1.5 の間のヒステリシス曲線

糸の傾斜から計算した。

60%

40%

さらに、7G の試験用丸編機で、実際にニットを編成

4650 回／m(2325 回／m２段)
3490 回／m(1745 回／m２段)
2320 回／m(1160 回／m２段)

し、正常に編めるかどうか調べるとともに、編成したニットにおいて炭素繊維の破断の有無を調べることで評価
フした。

60%

ィ

3360 回／m(1280 回／m２段)

ラ３．結果・考察

メ40%

ン

3.1 カバリングに必要な撚数
カバリング糸で完全に被覆するためには必要な撚数は、芯糸の長さをカバリング糸の直径で割ることで算出した。

2200 回／m(1100 回／m２段)

ト糸

20%

カバリング糸の直径は、糸の番手から織物密度を計算す

1120 回／m(560 回／m２段)

る方法である、「Ashenhurst の理論密度 2)」で導入され

図１

撚数と糸の側面る「直径数」から求めた。
「直径数」は１インチ（25.4mm）に並べることができる糸の本数を示しており、糸の番手から計算する。
「直径数」を用いた糸の直径の計算式を示

3.2 スパン糸
ポリプロピレンスパン糸でカバリングした糸について、抱合力試験の結果を図２に示す。カバリングすることにす。

より、摩擦による強度はあがっているが、実際に試験用糸の直径(mm)＝25.4／ K√840N（１）

K：素材による係数、N：英式綿番手丸編機で編んだ結果、炭素繊維が折損して表面に出ている部分が観察できた（図３）。蛭田式抱合力試験による評価と合わせて検討した結果、破断するまでの摩擦回数「Ashenhurst の理論密度」では糸の断面は円形として計算しているが、実際の糸の断面はつぶれた形をとるが７０回程度の耐久性では編成に耐えられないことが分かった。

ため、計算結果より少ない撚数で完全に被覆することが（初荷重：１６５ｇ）できる。そのため、計算に撚数の 80%、60%、40%、20%覆している状態でのもっとも少ない撚数を選択した。PP
スパン糸・ポリプロピレンフィラメント糸の側面の外観を図１に示す。
糸の側面の様子により、スパン糸では 60%の撚数 3490回/m、フィラメントでは 40%の撚数 2200 回/m が望ましいことが分かった。実際には意匠撚糸機の制限により２破断するまでの摩擦回数（回）の撚数で実際に撚糸し、被覆の状況を比較し、完全に被80706050403020100
スパン糸カバリング

炭素繊維本の糸を用いて、スパン糸で S1745 回/m を２段、フィラメント糸で S1100 回/m を２段でカバリングした。なお、ポリブチレンテレフタレートフィラメント、ポリエチレンテレフタレートは４０％で計算し、それぞれ1787.5 回/m の S 撚を２段、1730 回/m を SZ のたすき掛けで撚糸した。

図２

スパン糸の抱合力

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3.3 フィラメント糸・ウーリー加工糸
ポリプロピレンフィラメント、ポリブチレンテレフタレートフィラメント、ポリエチレンテレフタレートウー
リー加工糸でカバリングした糸について、抱合力試験の結果を図６に示す。また、試験用丸編機での編成結果を図７に示す。

成時の摩擦や曲げにより被覆したスパン糸が移動して炭素繊維が露出し、破断すると考えられる。そこで、カバリング糸を加熱処理し、カバリング糸表面をわずかに融着させて、被覆糸を固定する方法を検討した。
200℃の長さ 3ｍのヒーターに糸速を一定（2m/min,4m/min, 6m/min, 8m/min, 30m/min, 45m/min）にして通したカバリング糸を作製し、その抱合力を測定した。

図６ポリエチレンテレフ
タレートウーリー加工糸

カバリングされた炭素繊維が折損する原因として、編400
350
300
250
200
150
100500ポリブチレンテレフ
タレートフィラメント

スパン糸カバリングの編成試験結果

ポリプロピレンフィラメント

図３

破断までの摩擦回数（初荷重：１６５ｇ）

フィラメントカバリング糸の抱合力（初荷重：１６５ｇ）

図４

ポリブチレンテレポリエチレンテ

ィラメント

フタレートフィラ

レフタレートウメントーリー加工糸維in

ポリプロピレンフ

図７

フィラメント糸カバリング糸の編成結果

炭素繊

in/mm
45in/mm/m

30in/m8min/m6min
4m

理2m処
未/m6005004003002001000熱

破断するまでの摩擦回数（回）

その結果を図４に示す。

糸速度と破断するまでの摩擦回数

図より、糸速が遅い程、抱合力が高くなるが、極端に遅いと抱合力が落ちることが分かった。そこで、この中の３点について、試験用丸編機で編成した。その結果を図５に示す。

図７より、ポリプロピレンフィラメントについては、炭素繊維の折損が見られたが、ポリブチレンテレフタレートフィラメント、ポリエチレンテレフタレートウーリー加工糸については、炭素繊維の折損は見られなかった。
この原因については次のように考えられる。
ポリプロピレンフィラメント、ポリブチレンテレフタ

45m/min8m/min6m/min

レートフィラメント、ポリエステルウーリー加工糸の外観を図８に示す。

図５

加熱処理糸の編成結果

ポリプロピレンフ

ポリブチレンテレ

ポリエチレンテレィラメント

フタレートフィラ

フタレートウーリ

メントー加工糸図より、試験用丸編機による編成試験で編むことはできるものの、炭素繊維の破断が多く見られることが分かる。これは、スパン糸の場合、加熱処理で表面が融着しても、編み針で曲げられる時に融着部分が剥離して炭素繊維が露出し、破断したためと考えられる。

図８フィラメントの外観

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ーリー加工糸は、倦縮したフィラメントで構成されている。倦縮があるため高密度でカバリングした際、糸が接触する部分では交絡していると考えられる。そのため、糸が移動し難くなり、編成による炭素繊維の折損を防ぐことができたと考えられる。

２タレートフィラメントやポリエチレンテレフタレートウ-4ラメントで構成しているのに対し、ポリブチレンテレフ

曲げ剛性10 N・m ／m

図より、ポリプロピレンフィラメントは直線状のフィ

また、ポリプロピレンフィラメントのような直線状の0.0350.030.0250.020.0150.010.0050190

フィラメントしか入手できない場合、直線状のフィラメントでも炭素繊維の折損を防ぐことができるかどうか検図１１200210220230
加熱処理温度（℃）

240

糸速度 30m/min での加熱処理温度と曲げ剛性討した。炭素繊維の折損の原因は、スパン糸の時と同様にカバリング糸が動くためと考えられるので、熱融着に図より、加熱条件が上がるにつれて曲げ剛性が徐々によるカバリング糸の固定について検討した。３ｍのヒー上がり、230℃で急激に上がることがわかる。このこと

ターで糸速を 30m/min として、ヒーター温度を 200℃～により、230℃での組織崩れは糸が硬すぎるために起こ

230℃で４段階に変えた試料を作製し、抱合力試験を行ったと考えられる。

った。その結果を図９に示す。

４．まとめ

破断するまでの摩擦回数(回）

初荷重；150ｇ

炭素繊維を、撚糸技術を用いて被覆し、編成中での炭200素繊維の折損を防ぐことを検討し、以下の知見を得た。

150・スパン糸をカバリングした糸については炭素繊維を保100護できず、編成時に炭素繊維の折損が発生する。

50・ウーリー加工糸のような捲縮を有するフィラメントでカバリングした場合、加熱処理を行わなくても編成可能

0

図９２００℃ ２１０℃ ２２０℃ ２３０℃

加熱処理温度と抱合力の関係である。
・ポリプロピレンのような直線的なフィラメントをカバリングした場合、加熱処理で摩擦・曲げに対して撚りが図より、220℃までは温度が上がるについて抱合力が上がり、220℃以降では抱合力が下がることが分かる。
この糸が編成可能かどうか確認するため、試験用丸編機で編成試験を行った。その結果を図１０に示す。

動かないようにすることで編成可能であるが、曲げ剛性が高くなると、編組織の崩れが発生する。
今回は、丸編機での平編についての検討を行った。製品を作製する際、目移し等、糸に負担のかかる編み方についても検討する必要があり、引き続き検討する予定で

２００℃

２２０℃

２３０℃ある。

付記
本研究は、経済産業省
図１０

加熱処理糸の編成試験結果

図より、200℃でわずかに炭素繊維の折損が見られ、

平成 21 年度戦略的基盤技術高度化支援事業により行った。

文献

230℃で組織崩れが見られた。この原因としては次のよ

1) 炭素繊維協会:炭素繊維の安全な取扱いうに考えられる。200℃で炭素繊維の破断が起きたのは、

2) 服部安紀:テキスタイル＆ファッション , 11, 459 (1994)

熱融着が弱く、抱合力が低いことから、効果がなかったと考えられる。230℃で組織崩れを起こした原因として、糸の曲げ剛性が影響していると考えられる。糸の曲げ剛性を測定した結果を図１１に示す。