JP3976895B2

JP3976895B2 - 異形繊維

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Publication number: JP3976895B2
Application number: JP19628198A
Authority: JP
Inventors: 増男矢吹; 全布坂本
Original assignee: Taisei Corp; Hagiwara Industries Inc
Current assignee: Taisei Corp; Hagiwara Industries Inc
Priority date: 1998-07-10
Filing date: 1998-07-10
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2018-07-10
Also published as: US6177195B1; JP2000027026A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱可塑性樹脂から紡糸する繊維において、並列したフィラメントを基本的な要素とした特定の形状に特徴を有する異形繊維であって、特にその異形繊維を切断した短繊維を土木用または建築用資材としてのコンクリートやモルタルなど水硬性物質に配合し、施工性や補強性を向上させ、セメント成形品の引張強度、曲げ強度、耐衝撃性、耐亀裂性等を改良するためのセメント強化繊維として有効な異形繊維に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
異形断面や表面起伏を有する合成繊維は、多様な分野でそれぞれの目的により使用されている。例えば、人工芝用のパイル糸としては、表面の平滑なモノフィラメントやフラットヤーンは押曲回復性が悪く表面光沢が強くて天然芝と比較して著しい違和感を与えるため、断面構造が異形構造を有するパイル糸(実公昭51-3244号公報、実公昭52-31825号公報、実公昭54-40647号公報、実開昭59-76569号公報など)が開示されている。またラミネートシートとして、表面に溝状起伏を有する延伸ヤーンで織布を織り、溝状起伏の空隙にラミネート樹脂を侵入させて強固な熱融着を得ようとしたシート状基材(特開平3-231836号公報)や、表面起伏の多いマルチフィラメントや毛羽のあるスプリットヤーンを用いた基材により、粘着剤との絡みを向上して接着力を高めた粘着シート、裏打ちラテックスとの絡みを向上して強固に一体化したタフテッド製品など、合成繊維の異形断面構造や表面起伏形状を利用した試みは多い。
【０００３】
そして、このような異形繊維は短く切断し、堆積させてからボンディングを行いフェルトや不織布とすることで、柔軟性を持たせたり、熱融着による接着力を高めたり、繊維抜けを抑制するなどの効果を期待して、短繊維としても利用されている。このような異形短繊維の用途のなかで、コンクリートやモルタルなど水硬性物質に配合して使用されるセメント強化用繊維は注目されつつある。以下にその背景について説明する。
【０００４】
従来よりコンクリートやモルタルを用いたセメント成形品、または建築物の外壁、トンネルの内壁、傾斜法面などのセメント構造物が構築されているが、これらは成形体としては比較的脆性で、引張強度、曲げ耐力、曲げタフネスなどの物性が充分でないと亀裂が入り、その後に破壊状態となったり、水漏れや剥離落下事故などが生じる危険性がある等、安全管理上の問題点が指摘されている。そこで、セメント成形体の多くは鉄筋での補強がなされているが、鉄筋の運搬や組み上げなど施工の上で材料費や人件費の負担が増加することが課題となり、低廉な繊維材料である鋼繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、炭素繊維、合成繊維などをコンクリートに適量配合してを補強することがなされている。
【０００５】
鋼繊維は、強度がありヤング率も高くセメントとの馴染みも良好であるが、鋼繊維の比重が7.8と重いために材料の運搬や混入作業が困難であり、施工時に周囲に飛散、落下した鋼繊維の踏み抜きによる怪我の恐れも大きく、また発錆による補強効果の低下や外観上の問題が存在している。ガラス繊維は、耐アルカリガラスとしても耐久性に問題が残り、またセメントとの混練時に繊維が折損し易く、また繊維同士の絡み合いが大きくファイバーボールとして残り易いので特殊な混練機が必要である。アラミド繊維や炭素繊維は高価であることが欠点として挙げられる。その点、ポリビニルアルコール系やポリプロピレン系樹脂に代表される合成繊維は、低廉で軽量、高強力を有し取扱性は優れているものの、セメントとの馴染みが良くないためセメント成形体の強度斑が発生し易く、また短繊維として単純形状であると曲げ応力に対して繊維が容易に抜けることにおいてその補強効果は充分満足するものではない。
【０００６】
そこでセメント強化用として合成繊維の欠点を改良する目的で、短繊維の形状を改善することにより、硬化したセメントからの繊維抜けを減少させて充分な補強効果を発現させる方法が多く開示されている。例えば、平均厚さ0.2ないし１mmのエンボス加工されたポリオレフィン延伸テープからなる短繊維(特公昭58-18343号公報)、合成樹脂の溶融紡糸の引き取り速度を変化させて紡糸に凹凸を付与し延伸した短繊維(特公昭61-301号公報)、合成樹脂をさめ肌又はメルトフラクチャーを生じる条件下、実施態様として２種以上の樹脂を完全混合しないで押し出す紡糸法、溶融押出時の加熱温度を充分に上げない紡糸法、原料樹脂の一部にゲル化を起こさせる紡糸法、押出機の樹脂吐出量を周期的に変動させる紡糸法などにより、繊維表面に略螺旋状突起を形成した短繊維(特公昭62-10459号公報、特公昭64-10459号公報)、ポリプロピレンフィルムの割裂繊維からなる短繊維(特公平5-87460号公報、特開平4-59644号公報）などである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このような異形繊維および異形短繊維の製造技術はいずれも充分なものではなく、繊維の表面、断面を不規則に変化させる方法は連続生産で安定的な品質を得難いもので、また均一な紡糸、巻取りが困難で生産性に劣り、さらには押出や延伸における温度設定などの生産条件が厳しく、設備的に特殊であったり過剰な負荷がかかるなど、製造面から多くの欠点が指摘されている。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するために鋭意検討の結果、熱可塑性樹脂からなり連続生産での安定品質を満足し、低廉に製造可能な特定形状を有する異形長繊維および異形短繊維を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決する手段】
本発明の第一は、熱可塑性樹脂から紡糸したフィラメントの複数本が並列した並列糸であり、これら並列糸相互が糸長方向に１〜 30mm間隔でフィラメントの押潰付形による拡幅部分の熱接着で複数の連結部を形成して一体化した長繊維体からなる異形繊維であることを要旨とする。
【００１０】
本発明の第二は、前記長繊維体からなる異形繊維を繊維長５〜 100mm に短く切断して複数の連結部を有する並列糸のまま短繊維化した異形短繊維からなる異形繊維であることを要旨とする。
【００１１】
そして、本発明の第三は、前記異形短繊維の好適な用途として、セメント強化用繊維として用いるもので、より具体的態様としては、熱可塑性樹脂から紡糸した単糸繊度500〜5,000drのフィラメントが２〜５本の並列糸からなり、糸長方向に１〜30mm間隔でフィラメントの押潰付形による拡幅部分の熱接着で複数の連結部を形成して一体化した総繊度2,000〜12,000drの繊維体であり、該繊維体を繊維長５〜100mmに切断して連結部を有する並列糸のまま短繊維化した異形短繊維であり、さらには前記熱可塑性樹脂がポリプロピレン系樹脂であり、アイソタクチックペンタッド率0.95以上で、かつメルトフローレートが0.1〜50g/10minである異形繊維である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の異形繊維となる熱可塑性樹脂としては、紡糸可能な樹脂であれば特に制限されるものではなく、例えば直鎖状低密度ポリエチレン、中密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン−１、ポリ−４−メチルペンテン−１、エチレン−酢酸ビニル共重合体、エチレン−アクリル酸エチル共重合体、無水マレイン酸変性ポリオレフィン、エチレン−プロピレン共重合体等のポリオレフィン系樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリエステル、ポリアミド、ポリビニルアルコ−ル等を挙げることができる。そしてこれら熱可塑性樹脂には、繊維としての使用目的により酸化防止剤、滑剤、紫外線吸収剤、帯電防止剤、無機充填剤、有機充填剤、架橋剤、発泡剤、核剤等の各種添加剤を配合してもよい。
【００１３】
これら熱可塑性樹脂から成形する本発明の異形繊維はその形状に特徴があるもので、その形態の一例として、図１には最も基本的な２本のフィラメント並列からなる異形繊維１を示している。第一の特徴は複数本のフィラメント２が並列していることで、第二の特徴は隣接するフィラメント２は部分的に結接した連結部３により、一体化した一条の繊維体となったものである。そして複数本で並列したフィラメント２が容易に単離しないように適宜間隔で結接することで、この並列糸と連結部がもたらす表面積の拡大と繊維表面の凹凸により、様々な用途に使用できる異形繊維となるのである。例えば、この異形繊維を人工芝のパイル糸として使用すれば繊維表面での光の乱反射が起って光沢を抑え、天然芝に近い外観を呈するものとなり、また異形繊維からなる編織布は、被覆接着するラミネート樹脂やラテックスなどとの馴染みが良好で強固に接合できることなどである。さらには、この図面では個々のフィラメント２は間隔をもって配列しているため連結部３以外の糸間には間隙部４が存在しているため、この異形繊維を高密度に打ち込んだ編織布は高強力を有し、かつ間隙部４の存在が通気孔の役目を果たすことになり、適度な通気性を要求されるフィルターや農業用被覆材などに使用することもできる。
【００１４】
以下に、本発明の異形繊維の製造方法について説明を加えるが、本発明の要旨は異形繊維の特定形状にあるから、これに限定されるものではない。
【００１５】
先ず、前述の熱可塑性樹脂また必要に応じて添加剤を押出機に投入して、加熱溶融状態で複数のノズルから押し出し、冷却した後に熱ロール式、熱板式、熱風オーブン式などの熱延伸機により約３〜15倍に縦一軸延伸を行い、さらに弛緩処理を行って、剛性が高く、高強力で伸びの低い並列糸を紡糸する。
【００１６】
この並列糸は複数本のフィラメント２が並んだ状態であればよく、完全に分離さらに間隙を有している必要はなく、単純形状の糸よりも起伏があるものとして隣接するフィラメントの一部が接着した連糸のものも包含している。そのために、複数のノズルは各ノズル孔がそれぞれ離反して並列に配置されたものでも、隣接するノズル孔の一部が結合していても良い。しかし、仮に延伸前の糸の状態として隣接するフィラメントが接着した連糸であっても、厚みの薄い部分のみでの接着であるので、その後の熱延伸が縦方向に高延伸するため配向が付与され縦方向に割れやすくなり、さらには後述する連結部を形成するための付形など外力が加わる工程により、単糸フィラメントに裂かれて分離する。複数の並列したノズルでは、特別な位置関係や形状にしない限りこのような状態は容易に再現できるのである。個々のノズル形状としては、円形や楕円形に限られず、三角形、四角形等の多角形、Ｙ形、星形等の異形断面形状であってもよい。
【００１７】
次に、並列糸は部分的に連結部３を形成して、複数本のフィラメントを一条の繊維体として取り扱えるようにする。ここで連結部３は、他の部材として接着剤やバインダーなどを塗布し乾燥させる方法により形成することも考えられるが、加工工程が繁雑で生産速度が上がらないなど実現性に乏しく、好適には表面に凹凸が彫込まれたバーやプレート、ロールなどを押付けあるいは挟付けによる加熱押圧で付形して、フィラメントの押潰付形による拡幅部分が熱接着して連結部３を形成する方法である。これはフィラメント２が熱可塑性樹脂であるために利用できる技術であって、特にエンボスロールを使用した付形は、高速で安定的に連結部３を形成できる点から有効といえる。この連結部は並列糸の単離を抑制すると共に、繊維表面に起伏を形成することにもなる。つまり並列糸自体は繊維の幅方向に対する起伏をもたらすことに対して、連結部３は繊維の長さ方向に起伏をもたらすのである。
【００１８】
このような繊維体からなる異形繊維１は、そのままの状態で、あるいは捲縮加工や仮撚加工を施して、パイル繊維や編織用繊維として使用可能であるが、ロールカッター式や押切カッター式などの切断方法によって繊維長を短く切断して短繊維化することもできる。この異形短繊維は、繊維ウエブとしてフェルトや不織布の材料としても使用できるが、特にセメント強化用繊維として有効なものである。以下に、セメント強化用繊維として、本発明の異形短繊維について説明を加える。
【００１９】
本発明の異形短繊維をセメント強化用繊維とする場合、用いられる熱可塑性樹脂は、加熱による溶融成形ができるものとして前述例示の樹脂などが使用できるが、高結晶、高剛性であり成形性が容易な点から、特にポリプロピレン系樹脂が好ましい。
【００２０】
ここで、ポリプロピレン系樹脂とは、プロピレン単独重合体、エチレン−プロピレンブロック共重合体あるいはランダム共重合体などの公知のポリプロピレン共重合体またはそれらの混合物であって、これらなかでも高強度、耐熱性を要求されるセメント強化用としてはプロピレン単独重合体が望ましく、特にアイソタクチックペンタッド率0.95以上のものが好適に採用される。アイソタクチックペンタッド率とは、A.Zambelli等によってMacromolecules 6 925(1973) に発表された、¹³Ｃ−ＮＭＲを使用して測定されるポリプロピレン分子内のペンタッド単位でのアイソタクチック分率を意味するもので、この数値が高いほど結晶化度が高くなり、その結果、成形体の剛性と耐熱性が向上したものとなる。また、樹脂の溶融流動特性からメルトフローレート（MFR）は0.1〜50g/10min.、好ましくは１〜40g/10min.、さらに好ましくは５〜30g/10min.の範囲から選択するのがよい。
【００２１】
異形短繊維は、セメント強化用に用いるに際して、並列糸を構成する個々のフィラメントが繊度500〜5,000drであることが好ましい。これは、一般的にセメント強化用繊維が期待する補強効果の点で繊維初期弾性率が150〜700kg/mm²であることが好適とされる見地から繊維形状に対応させ、またフィラメントの紡糸性やセメント中の分散性を考慮して設定されるものである。
【００２２】
そして、連結部の間隔は１〜30mmの範囲であることが好適とされる。即ち、１mm未満の間隔では並列糸としての効果が薄れたテープ状となってしまい、コンクリート中での均一分散が困難なものとなってしまうし、一方30mm以上の間隔では短繊維となった際に結接力が低くフィラメントの単離が生じ易く、セメント補強効果、特に繊維の引き抜きに対しての効果に劣ったものとなるのである。
【００２３】
異形短繊維は、フィラメントが並列したもの、少なくとも２本以上で構成されるが、並列本数の上限としては概ね５本といえる。これは前述した単糸のフィラメント繊度との関わりが大きく、低繊度フィラメントを多く並列としても初期弾性が低く、表面起伏の拡大の効果性に乏しく、高繊度フィラメントでは生産性に劣り、セメント配合に際しての分散性悪化など取扱性が悪いことによる。そして、並列糸の総繊度としては2,000〜12,000drのものが好ましい。即ち、総繊度2,000drより小さいものはセメント強化用繊維としての取扱性が悪く、総繊度12,000drを超えたものはセメントに配合して使用する際にセメント中で繊維塊を作って分散不良となり易く、そのためセメント成形品の補強効果が充分に発現しないなど問題となるのである。しかし、他の用途までもこれら条件に限定するものではない。
【００２４】
ここで、その繊維長は５〜100mmが好ましく、15〜80mmとした異形短繊維がより好ましい。つまり、繊維長が５mm未満ではセメントに配合された際にセメントからの抜けが生じ易く、100mmを越えると分散性が不良となり易く好ましくない。さらに、この繊維長の範囲であると、短繊維の大部分が複数の連結を有する並列糸のまま存在するので、セメント強化用繊維として好適なものとなる。
【００２５】
本発明の異形繊維とするにあたっては、成形した繊維体の切断前または切断後に種々の処理を施してもよい。例えば、繊維表面を界面活性剤、分散剤、カップリング剤等で処理してもよいし、またはコロナ放電処理、紫外線照射、電子線照射等により表面活性化または架橋化等の処理を行ってもよい。そして異形短繊維は、強化繊維材としてポルトランドセメント、白色ポルトランドセメント、アルミナセメント、石膏、石灰等の水硬性物質に配合して、土木用や建築用資材として使用される。
【００２６】
【実施例】
実施例１〜７
ポリプロピレン樹脂（アイソタクチッドペンタッド率0.96，MFR=5.0g/10min.、Tm=163℃)100重量部に対して、グレー系顔料１重量部、紫外線吸収剤２重量部を配合して押出機に投入し、２個のノズル孔が並列に位置するリップを有するダイスから押し出し、冷却した後に熱風オーブン式延伸機により9.2倍に縦一軸延伸し、弛緩処理を施すことにより、単糸繊度3,200drの偏平モノフィラメント２本からなる総繊度6,400drの並列糸を得た。並列糸はそのままインラインで送られ、横筋入りの金属ロールで加熱押圧を行うエンボス加工による付形工程に導入され、付形による拡幅部分が熱融着して連結部となり、次いでポリオキシアルキレンアルキルフェニルエーテルリン酸エステル(ＨＬＢ＝９）50重量部およびポリオキシアルキレン脂肪酸エステル(ＨＬＢ＝１２)50重量部を混合した界面活性剤水溶液中に並列糸を浸漬し乾燥させることで表面処理を行った後、ロータリーカッタによる切断工程によって繊維長30mmとして、実施例１の異形短繊維を製造した。実施例１の繊維の顕微鏡写真を図２(×10倍)、図３(×50倍)、図４(×100倍)に示すが、並列するモノフィラメントは連結部を除いて幅約0.35mm、長さ約２mmの間隙部が形成されていることが確認されるものであった。
【００２７】
同様の原材料および製造方法により、モノフィラメントの繊度や並列数、繊維長を変更して製造される短繊維を実施例２〜７とし、また比較例として、通常のモノフィラメント形状のポリプロピレン繊維、ビニロン繊維、鋼繊維を選び評価するものとして、それぞれの仕様を表１にまとめて示す。
【００２８】
【表１】

【００２９】
実施例および比較例の異形短繊維をセメント強化用繊維として評価するにあたり、早強ポルトランドセメント100部、標準粗さの砂220部、砕石110部、水道水60部の割合で混合し、回転ドラムミキサーで約２分間混練を行った後に、ミキサーを回転しながら前述の短繊維を容積比で１％加えて、さらに１分間混練し、型に流し込んで硬化させて各種供試体を作成した。この供試体は土木学会基準「鋼繊維補強コンクリートの圧縮強度および圧縮タフネス試験方法」(JSCE G551-1983)、並びに土木学会基準「鋼繊維補強コンクリートの曲げ強度および曲げタフネス試験方法」(JSCE G552-1983)、JIS-A1132、JIS-A1106に準じて評価し、結果をまとめて表２及び３に示す。表２は実施例１で作成した短繊維のスペックを基本として、繊維の太さ、繊維の長さなどの違いによるコンクリート補強効果の相対比較を示したもので、表３には本発明の範囲に含まれる実施例２〜７において、繊度や繊維長、並列数などが、セメントの物性に影響を与えることの検証のためにまとめたものである。
【００３０】
【表２】

【００３１】
【表３】

【００３２】
表２の結果より、実施例１は比較例１,３に挙げた従来形状の合成樹脂繊維より格段に優れたセメント補強効果が認められ、本発明の特定形状がもたらす有効性を確認することができると共に、その効果は比較例２の鋼繊維に迫る高いレベルであった。また表３の結果より、各実施例において繊維長は長く、総繊度は大きい短繊維の方が補強効果に優れている傾向が見受けられる。しかし、実使用においてはセメントとの均一分散が困難で、またパイプ搬送での抵抗が大きいなど不都合を来すこともあり、セメント成形体の目的用途、施工法などに応じて適宜選択する必要がある。そして各実施例の測定値からは、様々な仕様において本発明に係る短繊維はセメント成形体の物性値を大きく向上させることが実証できるものであった。
【００３３】
実施例８
高密度ポリエチレン樹脂を原料として押出機に投入して、３個のノズル孔が並列に位置するリップを有するダイスから押し出し、冷却した後に熱風オーブン式延伸法により7.5倍に縦一軸延伸し、弛緩処理を施すことにより、単糸繊度800drの偏平モノフィラメント３本からなる総繊度2,400drの並列糸となった。並列糸はそのままインラインで送られ、横筋入りの金属ロールで加熱押圧を行うエンボス加工による付形工程に導入され、付形による拡幅部分が熱融着して10mm間隔の連結部となった異形繊維を製造した。実施例８の異形繊維を経緯糸に用いて、打込密度15×15本/インチで平織り組織に織成した基材により、塗装時の塗料飛散防止用ネットとして使用したところ、異形繊維の表面の起伏が繊維の表面積を拡大して、ミストの付着性を向上し、通常のモノフィラメントを使用したネットより20％以上のミスト捕集効果が認められるものであった。
【００３４】
実施例９
ナイロン６系樹脂100重量部に対して、グリーン系顔料を２重量部配合した原料を用い、その他実施例８と同様に３本並列糸からなる異形繊維を製造した。実施例９の異形繊維は３本を仮撚してカットパイルとしてタフテッド基布に植毛し、裏面にラテックス処理を施して人工芝生を製造した。この人工芝生は、タフテッド基布の裏面に位置するパイル糸の根元でラテックスとの馴染みがよく、強固に接合一体化したものであり、また人工芝生を屋外に敷設したところ、踏圧による復元性に優れ、人工的な光沢が抑えられて外観的にも好ましい人工芝生であることが確認された。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明してきたように、本発明の異形繊維は、複数本のフィラメントの並列糸が繊維長さ方向に所定間隔をもって連結部で結接している特定の形状を呈しているもので、製造面からも熱可塑性樹脂から紡糸したフィラメントの並列糸を基本構成としているため容易であり、かつ、連続生産での安定品質を維持して低廉に製造可能なものとして有効である。また、用途面においても、異形繊維の形状から表面に形成される起伏やフィラメント間の間隙部によって、繊維の表面積が拡大しているので、ラミネート樹脂やラテックスとの馴染みがよく、強固に接着することができ、さらには異形繊維の有する間隙部が通気孔として作用する使い方も可能で、多様な製品形態に利用できる繊維となる。
【００３６】
特に、この異形繊維を切断して得られる異形短繊維をセメント強化用繊維として使用すると、その取扱性の面では、多用される鋼繊維に比較して材料の比重が軽いために運搬、投入作業が容易となり、セメントに対して同一容積比で配合する際には繊維重量が少なくなるので経済的である。また、セメント強化の面では、単純形状の繊維より表面に多くの凹凸を有しており、この凹凸がコンクリート等への物理的結合を著しく向上させて材料分離を防ぎ、硬化後の繊維の引き抜きが抑制でき、鋼繊維と同程度の補強効果が期待できる。さらには、鋼繊維のようにはね返りにより落下した繊維の踏み抜きによる怪我の恐れが少なく、錆が発生しないのでコンクリートの美観を損なうことがない等、セメント強化用繊維として総合的に極めて有効なものとなるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の異形繊維形状を模式的に示すもので、２本並列糸からなる繊維の平面図である。
【図２】実施例１で作成した２本並列糸からなる異形短繊維の顕微鏡写真(×10)である。
【図３】実施例１で作成した２本並列糸からなる異形短繊維の顕微鏡写真(×50)である。
【図４】実施例１で作成した２本並列糸からなる異形短繊維の顕微鏡写真(×100)である。
【符号の説明】
１異形繊維
２フィラメント
３連結部
４間隙部

Claims

熱可塑性樹脂から紡糸したフィラメントの複数本の並列糸であり、これら並列糸相互が糸長方向に１〜 30mm間隔でフィラメントの押潰付形による拡幅部分の熱接着で複数の連結部を形成して一体化した長繊維体からなることを特徴とする異形繊維。
請求項１記載の長繊維体からなる異形繊維を繊維長５〜 100mm に切断して複数の連結部を有する並列糸のまま短繊維化した異形短繊維からなることを特徴とする異形繊維。
熱可塑性樹脂から紡糸した単糸繊度500〜5,000drのフィラメントが２〜５本の並列糸からなり、糸長方向に１〜30mm間隔でフィラメントの押潰付形による拡幅部分の熱接着で複数の連結部を形成して一体化した総繊度2,000〜12,000drの繊維体であり、該繊維体を繊維長５〜100mmに切断して連結部を有する並列糸のまま短繊維化した異形短繊維を、セメント強化用繊維としてなることを特徴する異形繊維。