JP2016172380A

JP2016172380A - コア材、構造体

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Publication number: JP2016172380A
Application number: JP2015053453A
Authority: JP
Inventors: 田中　正幸; Masayuki Tanaka; 正幸田中; 貴洋寺田; Takahiro Terada; 直哉速水; Naoya Hayamizu; 育生植松; Ikuo Uematsu
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2015-03-17
Filing date: 2015-03-17
Publication date: 2016-09-29
Anticipated expiration: 2035-03-17
Also published as: JP6062472B2; WO2016147947A1

Abstract

【課題】繊維を用いたコア材に関し、その強度の向上を図る。
【解決手段】本実施形態に係るコア材は、繊維により構成されるコア材であって、前記コア材内に設けられる芯材を備え、前記芯材は、複数の梁部がラティス状に接続された構成である。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、繊維を用いたコア材、並びに、このコア材を含む構造体に関する。

従来より、繊維を用いたコア材が考えられている。この種のコア材を構成する繊維としては、例えば特許文献１に開示されているような高分子材料からなる微細な繊維が考えられる。しかしながら、繊維を用いたコア材は、その構造上、強度が弱いという課題がある。

特開２００２−２４９９６６号公報

本実施形態は、繊維を用いたコア材に関し、その強度の向上を図ることができるコア材、並びに、このコア材を構成する構造体を提供する。

本実施形態に係るコア材は、繊維により構成されるコア材であって、前記コア材内に芯材を備える。前記芯材は、複数の梁部がラティス状に接続された構成である。

本実施形態に係る構造体の構成例を示す断面図芯材の構成例を概略的に示す図芯材ブロックの構成例を示す斜視図芯材の平面図芯材ブロックの変形例を示す斜視図梁部の断面形状の変形例を示す図構造体の変形例を示す断面図（その１）構造体の変形例を示す断面図（その２）構造体の変形例を示す断面図（その３）芯材の変形例を概略的に示す図

以下、一実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に例示する構造体１０は、その主体部を構成するコア材１１を表面形成材１２内に収容した構成である。コア材１１は、繊維１３と芯材１４を備える。表面形成材１２は、構造体１０の表面部を構成する。この場合、繊維１３は、不織布状の繊維シートを構成している。そして、構造体１０は、複数層の繊維１３と複数層の芯材１４を備える。そして、構造体１０は、複数層の繊維１３と複数層の芯材１４とを１層ずつ交互に積層した構成となっている。

表面形成材１２は、金属材料、有機材料、無機材料の何れか、または、その組み合わせからなるシート材で構成されている。この場合、表面形成材１２は、繊維１３および芯材１４からなるコア材１１を収容可能な袋状に構成されている。表面形成材１２内において、芯材１４は繊維１３により覆われる。なお、表面形成材１２は、コア材１１の全体を覆うのではなく、コア材１１の一部を覆う構成としてもよい。

繊維１３は、ランダムに絡み合った樹脂繊維で形成されている。この場合、繊維１３は、エレクトロスピニング法で成形されている。エレクトロスピニング法で生成された繊維１３は、外径が０．１ｎｍ〜１０μｍ程度となる細い繊維となり、且つ、長さが外径の例えば１０００倍以上となる長い繊維となる。また、エレクトロスピニング法で生成された繊維１３は、全体的に直線状ではなく、ランダムに湾曲した縮れ形状をなす。そのため、繊維同士の絡み合いが多くなる。

この場合、繊維１３は、ガラスよりも密度の小さな有機系のポリマーで形成されている。繊維１３をガラスよりも密度の小さなポリマーで形成することにより繊維１３の軽量化を図ることができる。繊維１３は、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリオキシメチレン、ポリアミドイミド、ポリイミド、ポリサルファン、ポリエーテルサルファン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、変性ポリフェニレンエーテル、シンジオタクチックポリスチレン、液晶ポリマー、ユリア樹脂、不飽和ポリエステル、ポリフェノール、メラミン樹脂、エポキシ樹脂やこれらを含む共重合体などから選択される１種類、または２種類以上のポリマーの混紡によって形成することができる。

繊維１３をエレクトロスピニング法で形成する場合、上記ポリマーを溶液化する。溶媒としては、例えば、イソプロパノール、エチレングリコール、シクロヘキサノン、ジメチルホルムアミド、アセトン、酢酸エチル、ジメチルアセトアミド、Ｎ−メチル−２−ピロリドン、ヘキサン、トルエン、キシレン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、酢酸ブチル、テトラヒドロフラン、ジオキサン、ピリジンなどの揮発性の有機溶剤や水を用いることができる。また、溶媒としては上記溶媒より選ばれる一種でもよく、また、複数種類が混在してもよい。なお、本実施形態に適用可能な溶媒は、上記溶媒に限定されるものではない。上記溶媒は、あくまでも例示である。

繊維１３をエレクトロスピニング法で形成する場合、繊維同士の絡み合いを多くすることができるから、紡糸すると同時に、不織布状の繊維シートを形成することが可能である。また、繊維１３をエレクトロスピニング法で形成することによりマイクロオーダからナノオーダの繊維径を得ることができるから、１枚あたりの繊維シートの厚みを非常に薄くすることが可能である。

なお、繊維１３の繊維径は約５μｍ以下とすることが好ましく、さらに好ましくは１μｍ以下、つまりナノオーダの繊維径とすることが好ましい。また、繊維１３は、例えばケイ素酸化物、金属の水酸化物、炭酸塩、硫酸塩、ケイ酸塩など各種の無機フィラーを添加してもよい。添加する無機フィラーとしては、例えば、ウォラスナイト、チタン酸カリウム、ゾノトライト、石膏繊維、アルミニウムポレート、ＭＯＳ（塩基性硫酸マグネシウム）、アラミド繊維、炭素繊維、ガラス繊維、タルク、マイカ、ガラスフレークなどが考えられる。

図２に例示するように、芯材１４は、複数の梁部２１が三次元格子状に接続されて多数の孔部を形成する構造、いわゆるラティス構造を有する。芯材１４は、例えばアクリル系の樹脂材料で構成されるものであり、大気圧に耐え得る強度を有する。なお、芯材１４は、例えば、金属材料や無機材料で構成してもよい。

この芯材１４は、図３に例示する芯材ブロック２２を一単位として、これら芯材ブロック２２を空間的に一体的に接続した構成であり、全体として板状をなす部材となっている。図２に例示するように、このように板状に構成される芯材１４には、その板厚方向の両端に積層面１４ａが形成される。構造体１０は、このような板状の芯材１４に形成される積層面１４ａに、繊維シートとして構成されている繊維１３が積層された構成となっている。

図３に例示するように、芯材ブロック２２は、その中心に設けられる共通部２２ａから８本の梁部２１が突出した形状となっている。梁部２１は、その長手方向に直交する断面が円形状となっている。そして、各梁部２１間の間隔、換言すれば隣り合う２つの梁部２１がなす角度は、何れも同じ大きさとなっている。このように構成される芯材１４において、梁部２１は、何れも芯材１４の積層面１４ａの法線方向Ｎに対して傾いている。芯材１４の積層面１４ａに対する繊維１３の積層方向は、当該積層面１４ａの法線方向Ｎに一致する。従って、法線方向Ｎに対して傾いた状態となっている梁部２１は、何れも、繊維１３の積層方向には延びておらず、積層方向に対して傾いた状態となっている。

また、芯材１４は、梁部２１間に孔部を形成しており、この孔部の寸法Ｄａが１．０ｍｍ以上となっている。また、図４に例示すように、板状の芯材１４の８つの隅部１４ｂは、何れも円弧状となっている。芯材１４の隅部１４ｂを円弧状にすることで、当該芯材１４の隅部１４ｂが表面形成材１２に与える力を緩和することができる。従って、表面形成材１２により構造体１０全体の構造をより安定して保持することができる。

図５は、芯材１４を構成する芯材ブロックの変形例を示している。即ち、この変形例に係る芯材ブロック３２は、その中心に設けられる共通部３２ａから８本の梁部３１が突出した形状となっている。これら梁部３１は、その長手方向に直交する断面がアルファベットの「Ｈ」状となる形状である。このような断面Ｈ状の構造は、断面二次モーメントが高く、梁部３１の曲げに対する強度が向上する。

さらに、図６に提示するように、芯材１４を構成する梁部としては、例えば、長手方向に直交する断面がアルファベットの「Ｈ」状となる梁部３１のほか、長手方向に直交する断面が楕円状となる梁部４１、長手方向に直交する断面が菱形状となる梁部５１、長手方向に直交する断面が三角形状となる梁部６１など、種々の断面形状を有する梁部が考えられる。何れの梁部３１，４１，５１，６１の断面も、繊維シートである繊維１３の積層方向に沿う寸法Ｄｂが当該積層方向に直交する方向に沿う寸法Ｄｃよりも長くなっている。

例えば、コア材１１を収容した表面形成材１２内を減圧する際には、繊維１３がその積層方向に沿って圧縮される傾向が強く、従って、芯材１４にも繊維１３の積層方向に沿う圧縮力が加わりやすい。そのため、梁部３１，４１，５１，６１の断面を、積層方向に沿う寸法Ｄｂの方が寸法Ｄｃよりも長くなるように構成することで、積層方向に加わる圧縮力に対する梁部３１，４１，５１，６１の強度、ひいては芯材１４の強度を向上することができる。

なお、何れの梁部３１，４１，５１，６１の断面も、繊維１３の積層方向に直交する方向に沿う寸法であって、且つ、断面の重心Ｐを通る部位の寸法Ｄｄが０．１ｍｍ以上とすることが好ましい。即ち、梁部３１，４１，５１，６１の少なくとも一部を０．１ｍｍ以上とすることで、梁部３１，４１，５１，６１の強度が弱まり過ぎてしまうことを回避することができる。

本実施形態によれば、繊維１３により構成されるコア材１１に関し、そのコア材１１内に、いわゆるラティス構造を有する芯材１４を設けた。このようラティス構造を有する芯材１４を備えたことにより、コア材１１全体の強度の向上を図ることができ、ひいては、そのコア材１１を含む構造体１０全体の強度の向上を図ることができる。

次に、構造体１０全体の構成に係る変形例について説明する。図７に例示する構造体２０は、繊維１３と芯材１４とを１層ずつ交互に積層する構成ではなく、構造体２０の板厚方向の中央に芯材１４を配置し、その芯材１４の両積層面１４ａに、それぞれ複数層の繊維１３を積層した構成である。この構成によっても、ラティス構造を有する芯材１４により、コア材、ひいては構造体２０全体の強度の向上を図ることができる。また、表面形成材１２と板厚方向中央の芯材１４との間に多数の繊維１３が介在しているので、芯材１４の外形により表面形成材１２の表面に凹凸が現れてしまうことを抑えることができる。

また、図８に例示する構造体３０は、粗さが異なる複数種類の芯材３４Ａ，３４Ｂを備える構成である。この場合、芯材３４Ｂを構成する単位ブロックのサイズは、芯材３４Ａを構成する単位ブロックのサイズよりも小さくなっている。従って、芯材３４Ｂの梁部間に形成される孔部は、芯材３４Ａに形成される孔部よりも小さく、また、芯材３４Ｂの孔部は、芯材３４Ａの孔部よりも多くなっている。換言すれば、芯材３４Ｂは芯材３４Ａよりも細かいラティス構造となっており、逆に、芯材３４Ａは芯材３４Ｂよりも粗いラティス構造となっている。

そして、この場合、構造体３０の板厚方向の中央に、比較的粗いラティス構造の芯材３４Ａを配置し、その芯材３４Ａと表面形成材１２との間に、比較的細かいラティス構造の芯材３４Ｂを配置している。なお、芯材３４Ａ，３４Ｂ間および芯材３４Ｂと表面形成材１２との間には、１層以上の繊維１３が介在されている。この構成によっても、芯材３４Ａ，３４Ｂにより、コア材、ひいては構造体３０全体の強度の向上を図ることができる。また、比較的細かいラティス構造の芯材３４Ｂを、比較的粗いラティス構造の芯材３Ａよりも外側、つまり表面形成材１２側に配置している。そのため、比較的粗いラティス構造の芯材３４Ａに起因する凹凸が表面に現れにくく、従って、表面形成材１２の表面に凹凸が現れてしまうことを抑えることができる。

また、図９に例示する構造体４０は、板状ではなく円筒状の構造体である。この構造体４０は、円筒袋状の表面形成材１２内に、円筒状に構成された繊維シートからなる繊維１３および円筒状の芯材４４を収容している。この芯材４４は、複数の梁部がラティス状に接続されたいわゆるラティス構造を有している。そして、構造体４０は、複数層の繊維１３と複数層の芯材４４とを１層ずつ交互に積層した構成となっている。この構成によっても、芯材４４により、コア材、ひいては構造体４０全体の強度の向上を図ることができる。

本実施形態に係るコア材は、繊維により構成されるコア材であって、その内部に芯材を備える。この芯材は、複数の梁部がラティス状に接続された構成である。この構成によれば、繊維を用いたコア材に関し、その強度の向上を図ることができる。また、このコア材を備える構造体によれば、その強度の向上を図ることができる。

本実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。本実施形態およびその変形は、発明の範囲および要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば図１０に示すように、芯材５３は、複数の梁部５１をジグザグ状に接続した構造であってもよい。即ち、上述したラティス構造を有する芯材１４を板厚方向の中央で分割した構造としてもよい。また、芯材の材質は適宜変更して実施することができる。また、芯材の形状は、いわゆるラティス構造あるいはラティス構造の一部を有する構造であれば、適宜変更して実施することができる。

また、繊維は、樹脂繊維ではなく、ガラス繊維であってもよいし、有機物を含む材料からなるファイバであってもよい。繊維を、有機物を含むファイバで構成する場合、その有機物は生体由来の有機物であってもよい。また、繊維は、板状の芯材１４の６面全てを覆うように設けてもよい。また、構造体は、コア材１１を収容した表面形成材１２内を減圧したものであってもよい。

本実施形態に係る構造体は、様々な用途に用いることができ、例えば、人工関節、フィルタ、枕、貴重品用梱包材、ベッドなどに使用することができる。また、例えば自動車、新幹線、飛行機に搭載されるシートや、チャイルドシートなどといったシート類にも使用することができる。本実施形態に係る構造体を、例えば人工関節に使用する場合には、構造体は、湿潤のための空間を設けるための部材として好適である。また、本実施形態に係る構造体は、空気中で使用できるほか、液体中でも使用できる。また、相互に環境が異なるものの間にセパレータとして使用することも可能である。

図面中、１０，２０，３０，４０は構造体、１１はコア材、１２，４１は表面形成材、１３，４３は繊維、１４，３４Ａ，３４Ｂ，４４は芯材、２１，３１，４１，５１，６１は梁部を示す。

本実施形態に係るコア材は、芯材と繊維とを含むコア材であって、前記繊維内に前記芯材を備える。前記芯材は、複数の梁部がラティス状に接続された構成である。

さらに、図６に提示するように、芯材１４を構成する梁部としては、例えば、長手方向に直交する断面がアルファベットの「Ｈ」状となる梁部３１のほか、長手方向に直交する断面が楕円状となる梁部４１、長手方向に直交する断面が菱形状となる梁部５１、長手方向に直交する断面が三角形状となる梁部６１など、種々の断面形状を有する梁部が考えられる。何れの梁部３１，４１，５１，６１の断面も、繊維シートである繊維１３の積層方向に対し傾斜する方向に沿う寸法Ｄｂが当該積層方向に直交する方向に沿う寸法Ｄｃよりも長くなっている。

例えば、コア材１１を収容した表面形成材１２内を減圧する際には、繊維１３がその積層方向に沿って圧縮される傾向が強く、従って、芯材１４にも繊維１３の積層方向に沿う圧縮力が加わりやすい。そのため、梁部３１，４１，５１，６１の断面を、積層方向に対し傾斜する方向に沿う寸法Ｄｂの方が寸法Ｄｃよりも長くなるように構成することで、積層方向に加わる圧縮力に対する梁部３１，４１，５１，６１の強度、ひいては芯材１４の強度を向上することができる。

Claims

繊維により構成されるコア材であって、
前記コア材内に芯材を備え、
前記芯材は、複数の梁部がラティス状に接続された構成であるコア材。
前記梁部は、前記芯材の法線方向に対して傾いている請求項１に記載のコア材。
前記芯材は、全体として板状をなし、
前記繊維は、繊維シートを構成し、
前記芯材に前記繊維シートが芯材の法線方向に積層されており、
前記梁部の断面は、前記繊維シートの積層方向に沿う寸法が当該積層方向に直交する方向に沿う寸法よりも長い請求項１または２に記載のコア材。
前記梁部の断面は、前記繊維シートの積層方向に直交する方向に沿う寸法であって、且つ、前記断面の重心を通る部位の寸法が０．１ｍｍ以上である請求項１から３の何れか１項に記載のコア材。
前記芯材は、前記梁部間に形成される孔部を有しており、この孔部の寸法が１．０ｍｍ以上である請求項１から４の何れか１項に記載のコア材。
前記芯材の隅部は円弧状となっている請求項１から５の何れか１項に記載のコア材。
前記芯材を複数備え、
各芯材を構成する前記梁部の長さまたは太さが異なっている請求項１から６の何れか１項に記載のコア材。
請求項１から７の何れか１項に記載のコア材を表面形成材内に収容した構造体。