WO2020184697A1 - 繊維強化複合材料及びその製造方法 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a fiber-reinforced composite material containing a non-woven fabric containing bagworm silk thread as a reinforcing fiber, and a method for producing the same.
- Fiber-reinforced composite materials which are composites of reinforcing fibers and base materials, are lightweight, as represented by carbon fiber reinforced plastics (CFRP: Carbon Fiber-Reinforced Plastics) and glass fiber reinforced plastics (GFRP: Glass Fiber-Reinforced Plastics). Moreover, it is a material having high strength and elasticity. Such high strength and elastic modulus are largely based on the mechanical properties of reinforcing fibers such as carbon fiber, glass fiber, and aramid fiber. For example, it is known that carbon fiber has about 10 times the mechanical properties of iron in the specific strength obtained by dividing the strength by the mass of the material (Non-Patent Document 1). Due to these mechanical properties, fiber-reinforced composite materials are used in various fields such as sports / leisure products, automobiles, houses, buildings, and aircraft as alternative materials to metals.
- CFRP Carbon Fiber-Reinforced Plastics
- GFRP Glass Fiber-Reinforced Plastics
- next-generation reinforcing fiber an attempt is made to solve this problem by using a fiber having elongation properties in addition to high strength and elastic modulus as a fiber-reinforced composite material.
- a spider-derived yarn (often referred to herein as "spider yarn"), which has extremely high toughness and stretchability, is currently attracting attention as its next-generation reinforcing fiber (non-patented).
- Document 2 a spider-derived yarn (often referred to herein as "spider yarn"), which has extremely high toughness and stretchability, is currently attracting attention as its next-generation reinforcing fiber (non-patented).
- Bagworm is a general term for moth larvae belonging to the Lepidoptera family Psychidae, but the silk thread spit out by this insect has a good balance of strength and elongation, and is better than silkworm silk thread and spider silk thread. It has excellent mechanical properties.
- the bagworm silk thread of Eumeta minuscula has an elastic modulus 3.5 times that of silkworm silk thread and 2.5 times that of Nephila clavata spider silk thread (Non-Patent Documents 4 and 5).
- the present inventors have clarified that the bagworm silk thread of Eumeta japonica also has similar mechanical properties when compared with the silkworm silk thread and the spider silk derived from Araneus spider (Patent Document 3).
- the elastic modulus was about 5 times that of silkworm silk thread and more than 3 times that of spider silk thread.
- the breaking strength was more than 3 times that of silkworm silk thread, about 2 times that of spider silk, and the breaking elongation was 1.3 times or more that of silkworm silk thread, which was almost comparable to that of spider silk.
- the toughness is more than 4 times that of silkworm silk thread and 1.7 times or more that of spider silk, and it has been clarified that it shows the highest level of toughness among natural fibers.
- the elastic modulus is improved as compared with the case of the polymer matrix alone, and when long fiber Minomushi silk thread is used, it is a solution problem of CFRP and GFRP. We were able to significantly improve the problem of low elongation at break.
- bagworms can be bred in large quantities like silkworms, and have the advantage of being easier to manage than silkworms.
- silkworms feed only on the fresh leaves (mulberry leaves) of the species belonging to the genus Morus, so the breeding area and breeding time depend on the mulberry leaf supply area and the mulberry leaf opening period.
- Mulberry is broad-eating and has low specificity for prey leaves, so leaves of various tree species can be fed. Therefore, the bait leaves are easily available and can be bred in any area.
- the leaves of evergreen trees can also be used as bait leaves, so that the bait leaves can be supplied throughout the year.
- bagworms are smaller in body size than silkworms and can be easily bred in large numbers, so they can be bred in large numbers even in a small breeding space. Therefore, the breeding cost can be significantly reduced.
- bagworm silk thread can be directly collected from bagworm, it is not always necessary to have a special production facility for the production and maintenance of the genetically modified product.
- the number of production steps can be reduced. Therefore, bagworm silk thread can solve not only the problem of mass production but also the problem of production cost which has not been solved by spider silk.
- the present inventors have succeeded in developing a fiber-reinforced composite material having high strength, elastic modulus, and elongation properties not found in conventional products by using bagworm silk thread as a reinforcing fiber (Japanese Patent Application No. 2017). -170648).
- the strength and elastic modulus of the fiber-reinforced composite material are isotropic, the range of application as the fiber-reinforced composite material can be further expanded.
- an object of the present invention is to develop and provide a fiber-reinforced composite material containing silk thread of Minomushi as a reinforcing fiber and having isotropic properties in elastic modulus and strength.
- the strength and elasticity of the non-woven fabric containing the long-fiber Minomushi silk thread and having a random fiber orientation are used as the reinforcing fibers.
- the present invention is based on the above research results and provides the following inventions.
- the fiber-reinforced composite material of the present invention it is possible to provide a fiber-reinforced composite material having high strength, elastic modulus, and elongation, and having their physical properties isotropic.
- the first aspect of the present invention is a fiber reinforced composite material.
- the fiber-reinforced composite material of the present invention is characterized by using a non-woven fabric containing bagworm silk thread as a reinforcing fiber base material. According to the present invention, it is possible to provide a fiber-reinforced composite material having high strength and elastic modulus, and elongation characteristics not found in conventional CFRP and GFRP, and their physical properties are isotropic.
- the fiber-reinforced composite material refers to two or more different materials, that is, materials in which the reinforcing fibers and the base material are integrally combined in a separated state without being fused with each other.
- reinforcing fiber means a fiber base material in a fiber-reinforced composite material.
- a reinforcing fiber is a reinforcing material that imparts strength to a fiber-reinforced composite material, but in the present specification, it refers to a reinforcing material that imparts at least one of strength, elastic modulus, and elongation to a fiber-reinforced composite material. ..
- the "base material” is also referred to as a "matrix” and refers to a supporting base material in a fiber-reinforced composite material.
- the base material is usually the side to which strength is imparted in the fiber-reinforced composite material.
- the base material can be a reinforcing material that imparts strength to the reinforcing fibers as a filler for filling between the reinforcing fibers. That is, in the fiber-reinforced composite material of the present invention, each constituent material enhances each other's advantages and / or complements each other's drawbacks. Thereby, a fiber-reinforced composite material having new properties not found in the original material can be obtained.
- polymer matrix refers to a base material composed of an organic polymer and / or an inorganic polymer.
- bagworm silk thread refers to a protein thread spit out by insect larvae and adults for the purpose of nesting, moving, fixing, cocooning, feeding, etc.
- the "silkworm silk thread” that silkworms spit out during cocooning is a typical silk thread.
- bagworm silk thread is a silk thread spit out by the bagworm, but more specifically, a bagworm silk thread for scaffolding (referred to as “scaffold silk thread” in the present specification) and a bagworm silk thread for nesting (this specification). In the book, it is written as "bagworm thread").
- the "scaffolding silk thread” is a silk thread that the bagworm spits out prior to its movement, and has a function as a scaffolding to prevent it from falling from branches, leaves, etc. during the movement.
- the "nest silk thread” is a silk thread that constitutes a nest, and is spit out in order to spell leaf pieces and branch pieces and to make the inner wall of the nest, which is a living area, a comfortable environment.
- scaffolding silk is thicker and mechanically tougher than nest silk.
- Silk yarn includes single fiber, spitting fiber, silk spinning, and aggregated fiber.
- the "single fiber” is a filament (monofilament) yarn of the smallest unit constituting a silk yarn, and refers to a fiber component such as fibroin protein obtained by removing a coating component such as sericin protein from a spitting fiber described later. Single fibers are usually obtained by scouring the spit fibers.
- Sppitting fiber refers to a silk thread in a state of being spit out by an insect.
- bagworm spit fibers are composed of difilaments in which a set of two single fibers are bound by a coating component.
- “Silk spinning” refers to spun yarn obtained by spinning short-fiber silk yarn described later.
- the “aggregate fiber” is a fiber composed of a plurality of silk fiber bundles, and is also called a multifilament.
- the aggregated fibers herein are composed of single fibers, spit fibers, silk spun fibers, or a combination thereof.
- the aggregated fibers of the present specification are composed only of silk threads derived from the same species such as evergreen bagworm silk thread, silkworm silk thread and silkworm silk thread, or multiple kinds of silk threads of different origins such as evergreen bagworm silk thread and spider silk thread. Also includes mixed fibers composed of.
- the aggregated fiber includes not only twisted fiber but also untwisted fiber.
- Non-woven fabric refers to a sheet formed by entwining fibers without weaving them.
- the shape of the non-woven fabric itself is not limited, and may be any shape such as cloth-like, paper-like, cotton-like, and leather-like.
- JIS Japanese Industrial Standards
- non-woven fabrics are "fiber sheets, webs or bats in which the fibers are unidirectionally or randomly oriented and by confounding and / or fusion and / or adhesion. It is defined as "bonded fibers, except for paper, non-woven fabrics, knitted fabrics, tufts and astringent felts.”
- the non-woven fabric used in the present invention also conforms to the definition.
- felt is also included in the non-woven fabric as an exception.
- isotropic means that the physical properties do not depend on the direction.
- the fiber-reinforced composite material has a planar shape such as a sheet, it means that it exhibits the same strength, elastic modulus, and elongation in any direction on the planar surface.
- the fiber-reinforced composite material has a three-dimensional shape, it means that it exhibits the same strength, elastic modulus, and elongation in any direction in the three-dimensional space.
- isotropic means having an isotropic property.
- anisotropic the fact that the physical properties depend on the direction is called “anisotropic", and having such properties is called “anisotropic”.
- the fiber-reinforced composite material when the physical properties in an arbitrary direction on a plane and the physical properties in a direction orthogonal to the direction are different, the fiber-reinforced composite material is said to be anisotropic.
- the fiber-reinforced composite material of the present invention contains reinforcing fibers and a polymer matrix as essential components.
- each component will be described.
- the fiber-reinforced composite material of the present invention contains a non-woven fabric as an essential constituent fiber as a reinforcing fiber. In addition to the non-woven fabric, one or more other fibers different from each other can be included as selective constituent fibers.
- non-woven fabric is characterized by containing bagworm silk thread, and the non-woven fabric itself can be one aspect of the present invention.
- each constituent fiber will be described.
- Nonwoven Fabric Nonwoven fabric is an essential constituent fiber as a reinforcing fiber in the fiber-reinforced composite material of the present invention.
- the greatest feature of the present invention is that this non-woven fabric contains bagworm silk thread.
- Bagworm silk thread is a silk thread spit out by bagworms.
- Bagworm is a general term for moth larvae belonging to the order Lepidoptera and Psychidae, as described above. Moths of the bagworm family are distributed all over the world, but all larvae (bagworms) spell natural materials such as leaf pieces and branch pieces with silk thread spit out by themselves throughout the entire larval stage and live in the nest that wears them. doing.
- the nest is bag-shaped and can wrap the whole body, and has a spindle-shaped, cylindrical, conical or other shape. Bagworms usually hide in this nest, always behave with the nest during feeding and movement, and pupation is also performed in the nest in principle.
- the type of bagworm from which the bagworm silk thread used for the non-woven fabric is derived does not matter.
- the bagworm family includes Acanthopsyche, Anatolopsyche, Bacotia, Bambalina, Canephora, Chalioides, Dahlica, Diplodoma, Eumeta, Eumasia, Kozhantshikovia, Mahasena, Nipponopsyche, Paranarychia, Proutia, Psyche, Pteroma, Siederia, Triglo.
- the types of bagworms include Eumeta japonica, Eumeta minuscula, and Nipponopsyche fuscescens.
- the age of the larva is from the first instar to the last instar. Also, it does not matter whether it is male or female.
- a large bagworm is preferable.
- larger species are preferable. Therefore, from the viewpoint of obtaining thicker and longer bagworm silk thread, Eumeta varieum and Eumeta varieum are suitable species as bagworms used in the present invention.
- the last-instar larva is preferable, and the larger female is preferable.
- the bagworm silk thread used for the non-woven fabric may be either scaffold silk thread or nest silk thread, or may be a mixture of both.
- the length of the bagworm silk thread used for the non-woven fabric does not matter. It may be either short fiber (short fiber silk thread), long fiber (long fiber silk thread), or a combination thereof. However, it is preferable to include long fibers in order to achieve the isotropic strength, elastic modulus, and elongation, which are the objects of the present invention. That is, only long fibers or a combination of long fibers and short fibers is preferable.
- short fiber means that the length of the major axis is 1.0 mm or more and less than 1 m, 1.5 mm or more and less than 80 cm, 2 mm or more and less than 60 cm, 2.5 mm or more and less than 50 cm, 3 mm or more and less than 40 cm, 3.5 mm or more and less than 30 cm. , 4 mm or more and less than 20 cm, 4.5 mm or more and less than 10 cm, and 5.0 mm or more and less than 5 cm.
- Specific examples of short fibers include spit fiber fragments of less than 1 m derived from scaffold silk thread and nest silk thread, and single fiber fragments obtained by scouring them.
- long fiber means a fiber having a fiber length of 1 m or more, 2 m or more, preferably 3 m or more, more preferably 4 m or more, 5 m or more, 6 m or more, 7 m or more, 8 m or more, 9 m or more, or 10 m or more.
- This fiber length may be a long spun of short fibers such as silk spinning, but it may be a continuous fiber length, that is, a filament yarn length such as a single fiber or a spit fiber. It is preferable to have.
- the method for producing a non-woven fabric used as a reinforcing fiber in the fiber-reinforced composite material of the present invention is not particularly limited.
- the short fibers and / or long fibers of the bagworm silk thread may be used as a material and produced by a known method.
- a general method for producing a non-woven fabric includes a fleece forming step of accumulating fibers and a fiber bonding step of binding the accumulated fibers.
- a dry method, a wet method, a spunbond method, a melt blown method, a flash spinning method and the like are known, but any method may be used.
- the dry method is a method in which fibers are oriented in a certain direction or randomly by an air flow or the like to form a fiber accumulation layer.
- the wet method is a method in which short fibers are dispersed in a liquid and squeezed up with a net to form a fiber accumulation layer.
- the spunbond method, the melt blown method, and the flash spinning method are all direct-spinning manufacturing methods, in which the molten raw material is discharged from a nozzle to be spun and accumulated in a sheet shape.
- fleece formation is also possible by the manufacturing method because the recombinant bagworm silk thread protein can be operated in a liquid state.
- the thermal bond method is a method in which a fleece mixed with low melting point heat-sealed fibers is thermocompression bonded to bond the fibers to each other.
- the chemical bond method is a method in which a fleece is impregnated or sprayed with an emulsion-based adhesive resin, and then heated and dried to bond the intersections of fibers.
- the needle punching method is a method in which fibers are entangled by repeatedly piercing a fleece with a needle that moves up and down at high speed.
- the water flow entanglement method is a method of injecting a high-pressure water flow into a fleece in a columnar shape to entangle the fibers.
- a non-woven fabric can be manufactured by a thread collection method peculiar to bagworm.
- the simplest method for producing a non-woven fabric made of bagworm silk thread is to obtain it from a bagworm nest.
- the bagworm nest itself is composed of a non-woven fabric because the short fibers of the bagworm silk thread are entwined with each other. Therefore, a non-woven fabric made of bagworm silk thread can be obtained by cutting open a bagworm nest and spreading it in a plane and removing leaves and twigs of the nest material.
- impurities can always be mixed in the non-woven fabric obtained by this method.
- the presence of such impurities can cause deterioration in quality and physical properties of the fiber-reinforced composite material, and may offset the advantages of using bagworm silk thread as the reinforcing fiber, so that it is originally preferable. Absent.
- a non-woven fabric made of bagworm silk thread can be produced by using the thread collection method disclosed in Japanese Patent Application No. 2018-078522.
- one or more bagworms are placed on a solvent-soluble base material or a heat-flexible base material, and scaffold silk threads are spit on the surface of those base materials until a thin film can be formed.
- the base material itself is dissolved in a solvent that does not damage, modify, or dissolve the silk thread, or the silk thread is heated and melted at a temperature at which it is not damaged, heat-modified, or melted, and is spit out with the base material component.
- a non-woven fabric made of a thin film of the scaffold silk thread can be obtained.
- the solvent-soluble base material used in this method includes a water-soluble base material (water-soluble material) composed of a substance soluble in water or an aqueous solution, and a low-polarity solvent composed of a substance soluble in a low-polarity solvent.
- water-soluble base material water-soluble material
- low-polarity solvent composed of a substance soluble in a low-polarity solvent.
- soluble substrates All substrates are in a dry environment, that is, under standard conditions (atmospheric pressure conditions at 15 ° C to 25 ° C) and humidity of 50% or less, preferably 40% or less, 30% or less, 20% or less, or 10% or less. It is solid in the environment.
- water-soluble substrates include gelatin, starch, pullulan and the like
- low-polarity solvent-soluble substrates include polystyrene, vinyl acetate, cellulose acetate, acrylic resin, and polycarbonate.
- the heat-flexible base material is a base material that is in a solid state in the standard state and can be easily melted by heating to become a liquid state.
- the melting point of the heat-flexible substrate may be lower than the temperature at which the bagworm silk thread is damaged, heat-denatured, or melted.
- the melting point may be at least 260 ° C., but in order to reduce the heating cost and not to expose the bagworm silk thread to an unnecessarily high temperature, for example, The range of 40 ° C to 100 ° C, 45 ° C to 98 ° C, 50 ° C to 95 ° C, 55 ° C to 90 ° C, 60 ° C to 85 ° C, 65 ° C to 80 ° C, or 70 ° C to 75 ° C is appropriate.
- the bagworm silk thread to be collected is different from the scaffold silk thread and the nest silk thread, the conditions such as the base material component, the solvent, and the melting temperature are basically the same as those of the above-mentioned Japanese Patent Application No. 2018-078522.
- a non-woven fabric made of bagworm silk thread by the thread collection method disclosed in Japanese Patent Application No. 2018-158762.
- one or more bagworms are placed on a substrate and scaffold silk threads are spit on the surface of the substrate until a thin film can be formed.
- a non-woven fabric made of a thin film of scaffolding silk thread can be obtained by separating the base material and the bagworm silk thread by spraying or applying a wetting liquid to the bagworm silk thread spit on the surface of the base material.
- the wettable powder used in this method is a pure substance or mixture having a melting point of less than 20 ° C. and a boiling point of 30 ° C. or higher and 300 ° C. or lower under atmospheric pressure, and exhibits a liquid state at least 20 ° C. or higher and lower than 30 ° C.
- a pure substance or mixture that does not damage, modify, or dissolve the fibroin protein, which is the fiber component of the silk thread For example, ethanol, aqueous solution, organic solvent and the like are applicable.
- the non-woven fabric in the present invention may be composed of one or more kinds of bagworm silk threads.
- it may be composed only of bagworm silk thread derived from Eumeta varieum, or may be composed of two types of bagworm silk thread derived from Eumeta varieum and Eumeta varieum.
- the method for producing a non-woven fabric composed of a plurality of types of bagworm silk threads may be basically the same as the method for producing a non-woven fabric composed of one type of bagworm silk thread.
- each of the bagworm of Eumeta varieum and the bagworm of Eumeta varieum can be produced by spitting on the same substrate.
- the silk thread of Minomushi has almost the same physical properties as described above regardless of the species, but depending on the species, silk thread having a particularly high elastic modulus, silk thread having a high breaking strength, silk thread having a high toughness, etc. So there can be differences in their characteristics.
- the bagworm silk threads of those species can be combined to enhance each other's strengths and complement each other's weaknesses.
- the non-woven fabric in the present invention may further contain one or more other fibers different from the bagworm silk thread as long as the effects of the present invention are not impaired.
- organic fibers or inorganic fibers can be mentioned.
- Organic fibers include natural vegetable fibers such as cotton and linen containing cellulose as the main component, silk thread obtained from domestic silkworms such as silkworms or insects such as wild silkworms that are larvae of Saturniidae moths, and spider silk.
- Examples include natural animal fibers and chemically synthesized fibers such as aramid, polyamide (including nylon), polyester, polyethylene, acrylic and rayon.
- the inorganic fiber include carbon fiber, glass fiber, metal fiber (stainless steel, titanium, copper, aluminum, nickel, iron, tungsten, molybdenum, etc.) and amorphous fiber (ceramic fiber, rock wool, etc.).
- bagworm silk thread and other fibers By combining bagworm silk thread and other fibers to make a non-woven fabric, a synergistic effect can be obtained between the fibers.
- carbon fiber and glass fiber boast extremely high strength and elastic modulus, but have low toughness and brittleness due to lack of elongation property.
- bagworm silk thread has high strength and elastic modulus, but is inferior to that of carbon fiber and glass fiber.
- bagworm silk thread has elongation properties that carbon fiber and glass fiber do not have. Therefore, by combining bagworm silk thread with carbon fiber and / or glass fiber to form a non-woven fabric, it is possible to utilize the advantages of both and complement each other's disadvantages.
- a fiber-reinforced composite material having extremely high strength and elastic modulus and having elongation properties can be produced.
- the content of the bagworm silk thread in the reinforcing fiber when used in the fiber-reinforced composite material is not limited.
- mass fraction 1% by mass or more, 3% by mass or more, 5% by mass or more, 8% by mass or more, 10% by mass or more, 15% by mass or more, 20% by mass or more, 25% by mass or more, 30% by mass.
- 35% by mass or more 40% by mass or more, 45% by mass or more, 50% by mass or more, 55% by mass or more, 60% by mass or more, 65% by mass or more, 70% by mass or more, 75% by mass or more, 80% by mass It may be 85% by mass or more, 90% by mass or more, 92% by mass or more, 95% by mass or more, 97% by mass or more, 98% by mass or more, or 99% by mass or more.
- the reinforcing fibers constituting the fiber-reinforced composite material of the present invention may include one or more other fibers different from the non-woven fabric as selective constituent fibers.
- the composition of fibers other than the non-woven fabric that can be used as the reinforcing fiber is basically the same as that of the fibers constituting the non-woven fabric. That is, in addition to short fibers and / or long fibers of one or more kinds of Minomushi silk threads, organic fibers such as vegetable natural fibers, animal natural fibers and chemically synthesized fibers, and / or carbon fibers, glass fibers and metal fibers. And inorganic fibers such as amorphous fibers can be included. These fibers may have any shape other than the non-woven fabric in the fiber-reinforced composite material. For example, in addition to a simple string shape (thread shape), a woven fabric, a knitted fabric, a sheet shape such as paper, or a combination thereof can be mentioned.
- the content of the other fibers in the reinforcing fibers is not limited.
- the non-woven fabric is the main reinforcing fiber component, it is preferable that the content of the non-woven fabric is higher in principle.
- the content of other fibers is 1% by mass or less, 3% by mass or less, 5% by mass or less, 8% by mass or less, 10% by mass or less, 15% by mass or less, 20% by mass or less, 25 by mass. It is preferably mass% or less, 30 mass% or less, 35 mass% or less, 40 mass% or less, 45 mass% or less, and less than 50 mass%.
- the polymer matrix refers to a base material composed of an organic polymer and / or an inorganic polymer, and the polymer matrix used in the fiber-reinforced composite material of the present invention is an organic polymer and an inorganic high molecular weight. Means one or both of macromolecules.
- the organic polymer referred to here includes a natural polymer and a synthetic polymer.
- the natural polymer is a polymer that exists in nature, and corresponds to, for example, proteins, polysaccharides, and natural resins.
- proteins include glue (including collagen and gelatin).
- polysaccharides include starch, cellulose, mannan, agar and the like.
- specific examples of the natural resin include lacquer, rosin, latex (natural rubber), shellac and the like.
- the synthetic polymer is a polymer obtained by linking monomers by a degenerate reaction or an addition polymerization reaction, and examples thereof include synthetic resins and synthetic rubbers.
- Synthetic resin is also called plastic.
- the synthetic resin used as the polymer matrix in the fiber-reinforced composite material of the present invention may be a thermosetting resin, a thermoplastic resin, or a combination thereof.
- the thermosetting resin include epoxy resin, unsaturated polyester resin, vinyl ester resin, and phenol resin.
- the thermoplastic resin include polyethylene, polypropylene, polyester, polystyrene, polyvinyl chloride, methacrylic resin, fluororesin, polycarbonate, polyurethane, aromatic polyetherketone resin, polyphenylene sulfide resin and the like.
- Examples of synthetic rubber include butadiene rubber, chloroprene rubber, styrene butadiene rubber, isoprene rubber, ethylene propylene rubber, nitrile rubber, silicone rubber, acrylic rubber, fluororubber, and urethane rubber.
- the compounding ratio of the reinforcing fiber and the polymer matrix in the fiber-reinforced composite material of the present invention is not particularly limited. Usually, it may be blended in a ratio that can be imparted to the polymer matrix as the base material according to the characteristics of the target reinforcing fiber such as high strength, high elastic modulus and elongation.
- a blending ratio capable of imparting elongation, which is a characteristic of bagworm silk thread, to the polymer matrix is preferable.
- the mass fraction of the silk thread of Minomushi to the total dry mass of the fiber-reinforced composite material is 0.5% by mass to 50% by mass, 0.8% by mass to 40% by mass, 1% by mass to 35% by mass, and 1.5% by mass to 30%. It is mass%, 2 mass% to 28 mass%, or 3 mass% to 25 mass%.
- the structure of the fiber-reinforced composite material of the present invention is not particularly limited.
- a prepreg in which a non-woven fabric, which is a main reinforcing fiber, is impregnated with a liquid polymer matrix, and a state in which a plurality of prepregs and the like are laminated so that the orientation of the reinforcing fibers is different and integrated as a structure can be mentioned.
- reinforcing fibers other than the non-woven fabric may be dispersed in the polymer matrix layer and / or on the surface thereof.
- the above-mentioned prepreg is originally an intermediate material of the fiber-reinforced composite material, but is included in the fiber-reinforced composite material in the present specification.
- the fiber-reinforced composite material of the present invention has a well-balanced strength, elastic modulus, and elongation that are not found in conventional CFRP and GFRP, and has high values by including a non-woven fabric containing silk thread as a reinforcing fiber. It is possible to provide a fiber-reinforced composite material which is isotropic in physical properties.
- the fiber-reinforced composite material of the present invention can be used in various fields including applications of conventional fiber-reinforced composite materials.
- sports / leisure golf shafts, rackets, fishing rods, bicycle parts, etc.
- houses tubs, septic tanks, etc.
- civil engineering construction civil engineering construction
- lightweight building materials lightweight building materials
- walls floor reinforcement materials
- truss structural materials etc.
- transportation equipment Automobiles, ships, airplanes, helicopters, high-pressure hydrogen tanks, etc.
- industrial equipment housings, home appliances, printed boards, wind power generation blades, etc.
- space-related rockets, artificial satellites, etc.
- the fiber-reinforced composite material of the present invention has, in addition to high strength and elastic modulus, properties of "elongation” and “toughness” that conventional fiber-reinforced composite materials such as CFRP and GFRP do not have. Since the physical properties are isotropic, it is suitable for use in the field of materials that require elongation in addition to strength and elastic modulus.
- the reinforcing fiber to be used is only minomushi silk thread, or animal fiber such as minomushi silk thread and silkworm silk thread
- the polymer matrix is a natural organic polymer such as collagen or gelatin, a fiber-reinforced composite material having high biocompatibility. It becomes. Therefore, it can be used in the medical field as a tissue regeneration base material, a blood vessel regeneration base material, and the like.
- non-woven fabric containing the silk thread of the worm of the present invention includes medical materials (masks, wound dressings, adhesion-preventing films, artificial skin, etc.), filters, industrial materials (wall cloth, decorative materials, etc.), esthetic materials (pack materials, etc.). Can be used for.
- a second aspect of the present invention is a method for producing a fiber-reinforced composite material.
- the method of the present invention is the method for producing and / or molding the fiber-reinforced composite material according to the first aspect. According to the production method of the present invention, a fiber-reinforced composite material containing bagworm silk thread can be easily produced and molded.
- the method for producing a fiber-reinforced composite material of the present invention conforms to the conventional method for producing a fiber-reinforced composite, except that silk thread of Minomushi is used for the reinforcing fiber.
- silk thread of Minomushi is used for the reinforcing fiber.
- the production method usually used for CFRP or GFRP can be used as it is.
- Various manufacturing methods are known, but an appropriate method may be selected according to the purpose such as application and shape.
- a non-woven fabric of reinforcing fibers containing silk thread of Minomushi, or a woven fabric, knitted fabric, paper or the like selected as reinforcing fibers may be impregnated with an appropriate polymer matrix.
- the polymer matrix is a thermosetting resin, it becomes a semi-cured prepreg in which polymerization is not completed.
- the polymer matrix is a natural polymer such as a thermoplastic resin or collagen, the cured prepreg is polymerized.
- the main molding methods are sheet winding molding method, press molding method, autoclave molding method, RTM (Resin Transfer Molding) molding method, VaRTM (Vacuum Resin Transfer Molding) molding method, SMC (Sheet Molding Compound). Examples thereof include a molding method, a vacuum bag molding method, a hand lay-up molding method, and a fiber placement molding method.
- the “sheet winding molding method” is a molding method in which a prepreg is wound around a rotating mold (mandrel) while being impregnated with a polymer matrix, and decentered after curing.
- the "press molding method” is a method in which a compound or prepreg is placed in a mold and pressurized and heated for molding.
- the “autoclave molding method” is a method in which prepregs are laminated in a mold, covered with a bag, vacuum-removed from air and volatile substances existing in the autoclave, and pressurized and heated for molding.
- the "RTM molding method” is also called a resin injection molding method, in which a thermosetting resin melted in a closed system in which a reinforcing fiber preform is placed in a mold is introduced under low pressure, heat-cured, and then demolded. Is.
- the "VaRTM molding method” is a type of RTM method in which a sealed system in which reinforcing fibers are laminated is evacuated, a thermosetting resin is introduced, and the mold is removed after heat curing.
- the "SMC molding method” is a method of laminating and molding a sheet-like material composed of reinforcing fibers and a polymer matrix.
- the “vacuum back molding method” is a method in which a laminate sealed with a sealed film is evacuated and compression molded by atmospheric pressure.
- the "hand lay-up molding method” is a method in which prepregs are manually laminated on a molding die and cured.
- the "fiber placement molding method” is a method in which a tow impregnated with a tape-shaped prepreg or a polymer matrix is laminated on various three-dimensional molds and cured. Specific methods of these molding methods are all known methods in the field of fiber-reinforced composite materials, and they may be referred to.
- the manufacturing process of the method for producing a fiber-reinforced composite material of the present invention includes a contact step as an essential step, and optionally includes a molding step, a curing step, and a mold removal step.
- a contact step as an essential step
- a molding step as an essential step
- a curing step as an essential step
- a mold removal step
- the "contact step” is a step of bringing the reinforcing fibers into contact with the polymer matrix.
- the contact method is not particularly limited as long as both components can be in direct contact with each other.
- the reinforcing fibers may be dispersed, immersed, or impregnated in the dissolved liquid polymer matrix, or the fiber bundles or sheets of the reinforcing fibers may be sandwiched between the sheets of the polymer matrix as in the SMC molding method.
- the above-mentioned prepreg is a sheet composed of reinforcing fibers impregnated with a polymer matrix, and the process is composed of only a contact process.
- the "molding step” refers to a step of molding a reinforcing fiber and / or a polymer matrix, which are constituents of a fiber-reinforced composite material, into a desired shape. This step is a selection step and is executed according to various manufacturing methods.
- a mold such as a mold is used, and molding is performed according to the mold. If necessary, reinforcing fibers and prepregs can be laminated and molded.
- the order of the molding process and the above-mentioned contact process differs depending on the manufacturing method and is not limited.
- the molding step is performed after the contact step.
- a contact step is performed after the molding step in order to introduce the polymer matrix into the mold after molding the preform of the reinforcing fiber with the mold. It may be done according to each manufacturing method.
- the “curing step” refers to a step of promoting and / or completing the polymerization reaction of the polymer matrix after the step. This step cures the polymer matrix and completes the fiber reinforced composite material.
- the curing step may include a heating step and / or a cooling step.
- the "heating step” is a step of promoting and / or completing the polymerization reaction by heating the polymer matrix. This is performed when a thermosetting resin is used for the polymer matrix.
- the polymer matrix is a thermoplastic resin or a natural polymer, the polymerization is released by heating and softened or melted on the contrary, so that this step can correspond to the contacting step or the molding step.
- the heating temperature is not particularly limited. Although it depends on the type of polymer matrix used, it is usually performed in the range of 20 ° C to 250 ° C, 23 ° C to 200 ° C, 25 ° C to 180 ° C, 27 ° C to 150 ° C, or 30 ° C to 120 ° C. .. Further, the heating time is related to the heating temperature, and generally, the lower the temperature, the longer the time, and the higher the temperature, the shorter the heating time. Usually, it may be performed in the range of 0.5 hours to 48 hours, 1 hour to 42 hours, 1.5 hours to 36 hours, 2 hours to 30 hours, 2.5 hours to 24 hours, or 3 hours to 18 hours.
- the "cooling step” is a step of cooling the heated polymer matrix or curing it by cooling.
- a thermosetting resin is used for the polymer matrix
- it is executed when the fiber-reinforced composite material for which the thermosetting reaction has been completed is cooled in the heating step.
- a thermoplastic resin or a natural polymer is used for the polymer matrix, the polymerization reaction is promoted and / or completed by cooling, and the fiber-reinforced composite material is completed by curing the polymer matrix.
- the cooling temperature is not limited. Although it depends on the type of polymer matrix used, it is usually 260 ° C or lower, 200 ° C or lower, 180 ° C or lower, 150 ° C or lower, 120 ° C or lower, 100 ° C or lower, 90 ° C or lower, 80 ° C or lower, 70 ° C or lower, 60 °C or less, 50 °C or less, 40 °C or less, 35 °C or less, 30 °C or less, 27 °C or less, 25 °C or less, 23 °C or less, 20 °C or less, 18 °C or less, 15 °C or less, or 10 °C or less Just do it.
- the lower limit temperature is not particularly limited, but usually, it may be about 4 ° C, 0 ° C, -10 ° C, -15 ° C, or -20 ° C.
- the cooling time may be in the range of 0.1 hour to 1 hour, 0.2 hour to 0.9 hour, 0.3 hour to 0.8 hour, 0.4 hour to 0.7 hour, or 0.5 hour to 0.6 hour.
- the “demolding step” is a step of removing the fiber-reinforced composite material after the curing step from the mold. Specifically, in this step, the completed fiber-reinforced composite material is extracted from the mold and mandrel used in the molding step.
- the demolding method may follow a method known in the art.
- Example 1 Manufacture of fiber-reinforced composite material containing non-woven fabric of bagworm silk thread and its physical properties> (Purpose) A fiber-reinforced composite material containing a non-woven fabric of bagworm silk thread as a reinforcing fiber is produced, and its physical properties are verified.
- the non-woven fabric of bagworm silk thread was obtained by the following method. About 50 bagworms were released in a cubic breeding cage with a height of about 20 cm and bred for 7 days.
- the upper top plate of the breeding cage is made of acrylic and can be attached and detached. Since bagworms have the property of moving upward, they stay behind the cage top plate for a long time. As a result, a plurality of bagworms continue to spit out randomly on the back of the top plate, and after 7 days, a silk thread sheet is formed in which bagworm silk threads (scaffolding silk threads) are deposited. After spraying 70% ethanol on this silk thread sheet, it was carefully peeled from the top plate to obtain a non-woven fabric derived from bagworm silk thread (bagworm silk non-woven fabric: BSNF).
- bagworm silk non-woven fabric bagworm silk non-woven fabric: BSNF
- Ethylene-vinylacetate copolymer (EVA) resin was used for the polymer matrix.
- Adhesive resin for hot guns (Tayo Denki Sangyo Co., Ltd.) was used as the EVA resin.
- a circular mold with a diameter of about 80 mm made of a 0.5 mm thick silicone rubber sheet was made, EVA resin was placed in the mold, and then pressure pressed at 100 ° C and about 2 MPa. Then, two EVA resin sheets were prepared.
- a laminated body (approximately 30 mm in length and width) consisting of 10 layers of non-woven fabric (BSNF) of bagworm silk thread as reinforcing fibers is sandwiched between EVA resin sheets, and pressed at about 2 MPa with two hot plates heated to 100 ° C. Pressed. It was cooled to obtain a fiber-reinforced composite material (hereinafter referred to as "BSNF / EVA composite material”) film having a thickness of about 270 ⁇ m composed of BSNF and EVA resin.
- EVA resin a single EVA resin film of the same thickness
- strip-shaped test pieces having a width of about 1.5 mm and a length of about 20 mm were cut out from each of the films and used for a mechanical test.
- an arbitrary direction of the non-woven fabric was defined as the 0 ° direction, and the test piece was cut out along the 0 ° direction.
- the test pieces were similarly cut out along the angles of 30 °, 60 °, and 90 ° (cutout angles) clockwise with respect to the direction of 0 °.
- four types of test pieces with different cutting angles from the film were obtained every 30 °.
- the mass fraction of the reinforcing fiber with respect to the total mass of the test piece was calculated as the fiber content (mass%: wt%).
- “elastic modulus” means the initial elastic modulus. This corresponds to the relationship in which the force and the amount of deformation are proportional to each other when the sample is pulled, that is, the constant of proportionality in the deformation region that satisfies Hooke's law, and is given as the slope of the initial gradient of the stress-strain curve.
- maximum strength means the maximum stress immediately before breaking. In general, the larger the value, the stronger the stress that can be withstood.
- strain means the elongation at break, which is the elongation until the sample breaks. Generally, the larger the value, the better the growth.
- the strain (break elongation) of the BSNF / EVA composite material showed a value of about 40% for all the measured cut-out angle test pieces. This result suggests that the problem of low elongation at break when carbon fiber or glass fiber is used as the fiber-reinforced composite material can be remarkably improved by using the non-woven fabric of Minomushi silk thread.
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Abstract
強化繊維としてミノムシ絹糸を含み、かつ弾性率及び強度において等方性を有する繊維強化複合材料を開発し、提供することを課題とする。 ミノムシ絹糸を包含する不織布を強化繊維として含む繊維強化複合材料を提供する。
Description
本発明は、強化繊維としてミノムシ絹糸を含有する不織布を含む繊維強化複合材料、及びその製造方法に関する。
強化繊維と母材を複合化した繊維強化複合材料は、炭素繊維強化プラスチック(CFRP:Carbon Fiber-Reinforced Plastics)やガラス繊維強化プラスチック(GFRP:Glass Fiber-Reinforced Plastics)に代表されるように、軽量、かつ高い強度と弾性率を有した材料である。このような高い強度と弾性率は、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の強化繊維の力学的性質に基づくところが大きい。例えば、強度を素材の質量で割った比強度において、炭素繊維は、鉄の約10倍の力学的特性を有することが知られている(非特許文献1)。このような力学的性質から、繊維強化複合材料は、金属に替わる材料として、スポーツ・レジャー用品、自動車、住宅、建築物、航空機に至る様々な分野で利用されている。
しかし、繊維強化複合材料で使用される従来の強化繊維は、いずれも「伸びない」という共通の性質を有している。この性質は、繊維強化複合材料において、「脆さ」や強化繊維と母材の界面における「剥離」の主要な原因となっていた。特に母材が柔軟な性質を有する場合に、繊維強化複合材料内での強化繊維との剥離が深刻な問題であった。
そこで、次世代強化繊維として、高い強度と弾性率に加え、伸びの性質を有する繊維を繊維強化複合材料に利用することで、この問題を解決する試みがなされている。例えば、タフネスが非常に高く、かつ伸びの性質を有するクモ由来の糸(本明細書では、しばしば「クモ糸」と表記する)が、現在、その次世代強化繊維として注目されている(非特許文献2)。
しかし、クモ糸を強化繊維として実際に利用する場合、量産性と生産コストの面で解決すべき課題も多い。例えば、クモはカイコのような大量飼育が困難な上に、クモから直接的に大量採糸することができない。そのためクモ糸の量産は容易ではなく、結果、生産コストが高くなるという問題がある。クモ糸の大量生産の課題は、大腸菌やカイコを用いた遺伝子組換え技術により、現在、その解決が図られている(特許文献1及び非特許文献3)。ところが、この方法は新たな問題を伴う。クモ糸の生産に使用する大腸菌やカイコは遺伝子組換え体であるため、所定の設備を備えた施設内でしか培養や飼育ができない。それ故、事業レベルの量を生産するには、大規模な生産施設が必要となる。また、その維持管理費も膨大となってしまう。さらに、大腸菌より得られるクモ糸タンパク質は液状であるため、繊維変換するには製造工程数の増加が不可避である。したがって、クモ糸を強化繊維として使用する場合、量産問題を解決できても生産コストの問題は未解決のままである。
そのような技術背景の中、本発明者らは、クモ糸に代えて、ミノムシ(Basket worm, alias "bag worm")が吐糸する絹糸(本明細書では、しばしば「ミノムシ絹糸」と表記する)を強化繊維に使用した繊維強化複合材料を製造する技術を開発した(特許文献2)。
ミノムシは、チョウ目(Lepidoptera)ミノガ科(Psychidae)に属する蛾の幼虫の総称であるが、この虫の吐糸する絹糸は、強度と伸びをバランスよく兼ね備えており、カイコ絹糸やクモ糸よりも力学的に優れた特性をもつ。例えば、チャミノガ(Eumeta minuscula)のミノムシ絹糸であれば、弾性率に関してカイコ絹糸の3.5倍、またジョロウグモ(Nephila clavata)のクモ糸の2.5倍にも及ぶ(非特許文献4及び5)。さらに、本発明者らは、オオミノガ(Eumeta japonica)のミノムシ絹糸もカイコ絹糸やオニグモ由来のクモ糸と比較したときに同様の力学特性を有することを明らかにした(特許文献3)。例えば、弾性率はカイコ絹糸の約5倍、またクモ糸の3倍以上であった。さらに、破断強度はカイコ絹糸の3倍以上、またクモ糸の約2倍、そして破断伸度は、カイコ絹糸の1.3倍以上、またクモ糸にほぼ匹敵する値であった。特にタフネスはカイコ絹糸の4倍以上、またクモ糸の1.7倍以上に及び、天然繊維の中でも最高レベルのタフネスさを示すことが明らかとなっている。実際、ミノムシ絹糸を強化繊維に用いた繊維強化複合材料では、弾性率が高分子マトリクス単体のときよりも向上し、また長繊維のミノムシ絹糸を用いた場合には、CFRPやGFRPの解決課題であった低破断伸びの問題を著しく改善することができた。
さらに、ミノムシは、カイコと同様に大量飼育が可能であり、カイコよりも飼育管理が容易という利点もある。例えば、カイコは、原則としてクワ属(Morus)に属する種の生葉(クワ葉)のみを食餌とするため、飼育地域や飼育時期はクワ葉の供給地やクワの開葉期に左右されるが、ミノムシは広食性で、餌葉に対する特異性が低いため、様々な樹種の葉を食餌とすることができる。したがって、餌葉の入手が容易であり、飼育地域を選ばない。また、落葉樹のクワと異なり常緑樹の葉も餌葉に利用できるため、年間を通して餌葉の供給が可能となる。さらに、ミノムシはカイコよりも体サイズが小さく多頭飼育も容易なため、狭い飼育スペースでも大量飼育が可能である。それ故に、飼育コストを大幅に抑制することができる。加えて、ミノムシ絹糸はミノムシからの直接採糸が可能なため、遺伝子組換え体の作製やその維持管理のための特別な生産施設は必ずしも必要ではない。また、繊維変換する必要が無いため、生産工程数も少なくて済む。したがって、ミノムシ絹糸は、量産問題のみならず、クモ糸で未解決であった生産コストの課題も解決し得る。
平松徹, よくわかる炭素繊維コンポジット入門, 日刊工業新聞社 2015, 第一章.
Mathijsen D., 2016, Reinforced Plastics, 60: 38-44.
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大崎茂芳, 2002, 繊維学会誌(繊維と工業), 58: 74-78
Gosline J. M. et al., 1999, J. Exp. Biol. 202, 3295-3303
本発明者らは、ミノムシ絹糸を強化繊維に用いることで、高い強度と弾性率、及び従来の製品にはなかった伸びの性質を有する繊維強化複合材料を開発することに成功した(特願2017-170648)。一方で、繊維強化複合材料の強度及び弾性率が等方性を有していれば、繊維強化複合材料としての適用範囲は、さらに広がり得る。
そこで、本発明は、強化繊維としてミノムシ絹糸を含み、かつ弾性率及び強度において等方性を有する繊維強化複合材料を開発し、提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明者らが鋭意研究を重ねた結果、ミノムシ絹糸、特に長繊維のミノムシ絹糸を含み、かつ繊維配向がランダムな不織布を強化繊維に用いることで、強度、弾性率、及び伸びが等方的な繊維強化複合材料を製造することに成功した。本発明は、上記研究結果に基づくものであり、以下の発明を提供する。
(1)ミノムシ絹糸を包含する不織布。
(2)高分子マトリクス、及びミノムシ絹糸を包含する不織布を含む繊維強化複合材料。
(3)前記ミノムシ絹糸が長繊維絹糸を含む、(2)に記載の繊維強化複合材料。
(4)前記不織布がミノムシ絹糸以外の有機繊維、無機繊維、又はその組み合わせを含む、(2)又は(3)に記載の繊維強化複合材料。
(5)前記有機繊維がカイコ絹糸及び/又はクモ糸である、(4)に記載の繊維強化複合材料。
(6)前記高分子マトリクスが樹脂、膠、デンプン、寒天、又はその組み合わせである、(2)~(5)のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
(7)繊維強化複合材料におけるミノムシ絹糸の質量分率が0.5質量%~50質量%である、(2)~(6)のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
本明細書は本願の優先権の基礎となる日本国特許出願番号2019-046521号の開示内容を包含する。
(1)ミノムシ絹糸を包含する不織布。
(2)高分子マトリクス、及びミノムシ絹糸を包含する不織布を含む繊維強化複合材料。
(3)前記ミノムシ絹糸が長繊維絹糸を含む、(2)に記載の繊維強化複合材料。
(4)前記不織布がミノムシ絹糸以外の有機繊維、無機繊維、又はその組み合わせを含む、(2)又は(3)に記載の繊維強化複合材料。
(5)前記有機繊維がカイコ絹糸及び/又はクモ糸である、(4)に記載の繊維強化複合材料。
(6)前記高分子マトリクスが樹脂、膠、デンプン、寒天、又はその組み合わせである、(2)~(5)のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
(7)繊維強化複合材料におけるミノムシ絹糸の質量分率が0.5質量%~50質量%である、(2)~(6)のいずれかに記載の繊維強化複合材料。
本明細書は本願の優先権の基礎となる日本国特許出願番号2019-046521号の開示内容を包含する。
本発明の繊維強化複合材料によれば、高い強度と弾性率、及び伸びの性質を有し、かつそれらの物性が等方的な繊維強化複合材料を提供することができる。
1.繊維強化複合材料
1-1.概要
本発明の第1の態様は、繊維強化複合材料である。本発明の繊維強化複合材料は、ミノムシ絹糸を含む不織布を強化繊維基材として用いることを特徴とする。本発明によれば、高い強度と弾性率、及び従来のCFRPやGFRPにはなかった伸びの特性を有し、かつそれらの物性が等方的な繊維強化複合材料を提供することができる。
1-1.概要
本発明の第1の態様は、繊維強化複合材料である。本発明の繊維強化複合材料は、ミノムシ絹糸を含む不織布を強化繊維基材として用いることを特徴とする。本発明によれば、高い強度と弾性率、及び従来のCFRPやGFRPにはなかった伸びの特性を有し、かつそれらの物性が等方的な繊維強化複合材料を提供することができる。
1-2.定義
本明細書で頻用する用語を以下で定義する。
「繊維強化複合材料」とは、2種類以上の異なる素材、すなわち強化繊維と母材が互いに融合することなく、分離した状態で一体的に組み合わさった材料をいう。
本明細書で頻用する用語を以下で定義する。
「繊維強化複合材料」とは、2種類以上の異なる素材、すなわち強化繊維と母材が互いに融合することなく、分離した状態で一体的に組み合わさった材料をいう。
本明細書において「強化繊維」とは、繊維強化複合材料における繊維基材をいう。一般的に強化繊維は、繊維強化複合材料に強度を付与する強化材であるが、本明細書では、繊維強化複合材料に強度、弾性率、及び伸びの少なくとも一以上を付与する強化材をいう。
本明細書において「母材」とは、「マトリクス」とも言われ、繊維強化複合材料における支持基材をいう。母材は、繊維強化複合材料において、通常、強度を付与される側となる。しかし、本明細書の強化繊維は、強化繊維自体が強化剤となるだけでなく、母材もまた強化繊維間を充填する充填材として強化繊維に強度を付与する強化材になり得る。つまり、本発明の繊維強化複合材料では、各構成素材がそれぞれの利点を高め合い、及び/又は欠点を相互に補完し合う。それによって、元の素材にはなかった新たな特性を有した繊維強化複合材料を得ることができる。
本明細書において「高分子マトリクス」とは、有機高分子及び/又は無機高分子からなる母材をいう。
本明細書で「絹糸」とは、昆虫の幼虫や成虫が営巣、移動、固定、営繭、餌捕獲等の目的で吐糸するタンパク質製の糸をいう。カイコが営繭時に吐糸する「カイコ絹糸」は、代表的な絹糸である。ただし、本明細書で単に絹糸と記載した場合には、特に断りがない限りミノムシ絹糸を意味するものとする。ミノムシ絹糸は、前述のように、ミノムシが吐糸する絹糸であるが、より具体的には、足場用ミノムシ絹糸(本明細書では「足場絹糸」と表記する)と巣用ミノムシ絹糸(本明細書では「巣絹糸」と表記する)が存在する。「足場絹糸」とは、ミノムシが移動に先立ち吐糸する絹糸で、移動の際に枝や葉等から落下するのを防ぐための足場としての機能を有する。また、「巣絹糸」とは、巣を構成する絹糸で、葉片や枝片を綴るためや、居住区である巣内壁を快適な環境にするために吐糸される。一般に、巣絹糸よりも足場絹糸の方が太く、力学的に強靭である。
絹糸には、単繊維、吐糸繊維、絹紡糸、及び集合繊維が包含される。「単繊維」とは、絹糸を構成する最小単位のフィラメント(モノフィラメント)糸であって、後述する吐糸繊維からセリシンタンパク質等の被覆成分を除去して得られるフィブロインタンパク質等の繊維成分をいう。単繊維は、通常、吐糸繊維に精練処理を行うことによって得られる。「吐糸繊維」とは、昆虫が吐糸した状態の絹糸をいう。例えば、ミノムシの吐糸繊維は、単繊維2本1組が被覆成分で結合したジフィラメントで構成されている。「絹紡糸」とは、後述する短繊維の絹糸を紡いで得られるスパン糸をいう。「集合繊維」とは、複数の絹糸繊維束で構成された繊維で、マルチフィラメントとも呼ばれる。本明細書の集合繊維は、単繊維、吐糸繊維、絹紡糸、又はそれらの組み合わせで構成される。本明細書の集合繊維は、ミノムシ絹糸のみのように同一生物種由来の絹糸のみで構成されたものや、ミノムシ絹糸とカイコ絹糸、又はミノムシ絹糸とクモ糸のように由来の異なる複数種の絹糸で構成された混合繊維も包含する。なお、集合繊維は、加撚繊維だけでなく、無撚繊維も包含する。
「不織布」とは、繊維を織らずに絡ませてシート状に成形したものをいう。不織布自体の形状は、限定されず、布状、紙状、綿状、革(レザー)状等、いずれの形状であってもよい。日本工業規格(JIS)L0222の不織布用語によれば、不織布は「繊維シート、ウェブ又はバットで、繊維が一方向又はランダムに配向しており、交絡、及び/又は融着、及び/又は接着によって繊維間が結合されたもの。ただし、紙、織物、編物、タフト及び縮じゅう(絨)フェルトを除く。」と定義されている。本発明に使用する不織布も原則としてその定義に準ずる。ただし、本明細書では、例外的にフェルトも不織布に包含するものとする。
本明細書で「等方的」とは、物性が方向に依存しないことをいう。例えば、繊維強化複合材料がシートのような平面形状の場合であれば、平面上のいずれの方向に対しても、同等の強度、弾性率、及び伸びを示すことをいう。繊維強化複合材料が立体形状の場合であれば、立体空間上のいずれの方向に対しても、同等の強度、弾性率、及び伸びを示すことをいう。また、本明細書で「等方性」とは、等方的な性質を有していることをいう。一方、物性が方向に依存することを「異方的」といい、そのような性質を有していることを「異方性」という。例えば、シート状の繊維強化複合材料において、平面上の任意方向の物性とその方向に直交する方向の物性とが異なる場合、その繊維強化複合材料は異方的であるという。
1-3.構成
1-3-1.構成成分
本発明の繊維強化複合材料は、強化繊維、及び高分子マトリクスを必須の構成成分として含む。以下、各構成成分について説明をする。
(1)強化繊維
本発明の繊維強化複合材料は、強化繊維として不織布を必須の構成繊維として含む。また、不織布以外にも異なる一以上の他の繊維を選択的な構成繊維として含むことができる。
1-3-1.構成成分
本発明の繊維強化複合材料は、強化繊維、及び高分子マトリクスを必須の構成成分として含む。以下、各構成成分について説明をする。
(1)強化繊維
本発明の繊維強化複合材料は、強化繊維として不織布を必須の構成繊維として含む。また、不織布以外にも異なる一以上の他の繊維を選択的な構成繊維として含むことができる。
さらに、前記不織布は、ミノムシ絹糸を含むことを特徴とし、その不織布自体が本発明の一態様となり得る。以下、各構成繊維について説明をする。
(1-1)不織布
不織布は、本発明の繊維強化複合材料における強化繊維として必須の構成繊維である。本発明では、この不織布がミノムシ絹糸を包含することを最大の特徴とする。
不織布は、本発明の繊維強化複合材料における強化繊維として必須の構成繊維である。本発明では、この不織布がミノムシ絹糸を包含することを最大の特徴とする。
ミノムシ絹糸は、ミノムシが吐糸する絹糸である。ミノムシとは、前述のようにチョウ目(Lepidoptera)ミノガ科(Psychidae)に属する蛾の幼虫の総称をいう。ミノガ科の蛾は世界中に分布するが、いずれの幼虫(ミノムシ)も全幼虫期を通して、自ら吐糸した絹糸で葉片や枝片等の自然素材を綴り、それらを纏った巣の中で生活している。巣は全身を包むことのできる袋状で、紡錘形、円筒形、円錐形等の形態をなす。ミノムシは、通常、この巣の中に潜伏しており、摂食時や移動時も常に巣と共に行動し、蛹化も原則として巣の中で行われる。
不織布に使用するミノムシ絹糸の由来するミノガの種類は問わない。例えば、ミノガ科には、Acanthopsyche、Anatolopsyche、Bacotia、Bambalina、Canephora、Chalioides、Dahlica、Diplodoma、Eumeta、Eumasia、Kozhantshikovia、Mahasena、Nipponopsyche、Paranarychia、Proutia、Psyche、Pteroma、Siederia、Striglocyrbasia、Taleporia、Theriodopteryx、Trigonodoma等の属が存在するが、いずれの属に属する種であってもよい。ミノガの種類の具体例として、オオミノガ(Eumeta japonica)、チャミノガ(Eumeta minuscula)、及びシバミノガ(Nipponopsyche fuscescens)が挙げられる。また、幼虫(ミノムシ)の齢は、初齢から終齢のいずれも対象となる。また、雌雄も問わない。ただし、より太く長いミノムシ絹糸を得る目的であれば、大型のミノムシである方が好ましい。例えば、ミノガ科内では大型種ほど好ましい。したがって、より太く長いミノムシ絹糸を得る観点から、オオミノガ及びチャミノガは、本発明で使用するミノムシとして好適な種である。さらに、同種内であれば終齢幼虫ほど好ましく、さらに大型となる雌の方が好ましい。
不織布に使用するミノムシ絹糸は、足場絹糸と巣絹糸のいずれであってもよく、両者の混合物であってもよい。
不織布に使用するミノムシ絹糸の長さは問わない。短繊維(短繊維絹糸)、長繊維(長繊維絹糸)、又はその組み合わせのいずれであってもよい。ただし、本願発明の目的である強度、弾性率、及び伸びの等方性を達成するには長繊維を含むことが好ましい。すなわち、長繊維のみ、又は長繊維と短繊維の組み合わせが好ましい。
本明細書で「短繊維」とは、長軸の長さが1.0mm以上1m未満、1.5mm以上80cm未満、2mm以上60cm未満、2.5mm以上50cm未満、3mm以上40cm未満、3.5mm以上30cm未満、4mm以上20cm未満、4.5mm以上10cm未満、及び5.0mm以上5cm未満の絹糸をいう。短繊維の具体例として、足場絹糸や巣絹糸由来の1m未満の吐糸繊維断片や、それらを精練して得られる単繊維断片が挙げられる。
本明細書で「長繊維」とは、繊維長が1m以上、2m以上、好ましくは3m以上、より好ましくは4m以上、5m以上、6m以上、7m以上、8m以上、9m以上、又は10m以上の絹糸をいう。この繊維長は、絹紡糸のように短繊維を紡いで長くしたものであってもよいが、連続した繊維の長さで、すなわち、単繊維や吐糸繊維のようなフィラメント糸の長さであることが好ましい。ところで、カイコの場合、営繭は連続吐糸によって行われるため、繭を精練し、操糸すれば、フィラメント糸の長繊維絹糸を得ることが比較的容易である。しかし、ミノムシの場合、幼虫期の居住区である巣の中でそのまま蛹化するため、カイコのように蛹化前に営繭行動を行わない。また、ミノムシの巣は、原則として初齢時から成長に伴い増設されるため、巣には新旧の絹糸が混在している。加えて、ミノムシの巣の長軸における一方の末端には、ミノムシ頭部及び胸部の一部を露出させて、移動や摂食をするための開口部が存在し、他方の末端にも糞等を排泄するための排泄孔が存在する。つまり、常に2つの孔が存在するため、絹糸が巣内で寸断され、不連続になっている。このように、ミノムシの巣自体が、比較的短い絹糸が絡まり合って構成されている。それ故に、通常の方法では巣からフィラメント糸の長繊維絹糸を得ることができない。このように、ミノムシ絹糸の場合、ミノムシ特有の生態により1m以上のフィラメント糸を得ることが、従来、技術的に不可能とされてきた。本発明者らは、特開2018-197415に開示した方法等を用いてこの問題点を解決することに成功している。
本発明の繊維強化複合材料において強化繊維として使用する不織布の製造方法は特に限定はしない。前記ミノムシ絹糸の短繊維及び/又は長繊維を材料に、公知の方法で製造してもよい。
一般的な不織布の製造方法は、繊維を集積させるフリース形成工程と集積した繊維を結合させる繊維結合工程を含む。
フリース形成工程には、例えば、乾式法、湿式法、スパンボンド法、メルトブローン法、フラッシュ紡糸法等が知られているが、いずれの方法を用いてもよい。乾式法は、空気流等で繊維を一定方向に又はランダムに配向して、繊維集積層を形成する方法である。湿式法は、短繊維を液体中に分散させて網で漉き上げて、繊維集積層を形成する方法である。スパンボンド法、メルトブローン法、及びフラッシュ紡糸法は、いずれも紡糸直結型の製法で、溶融した原料をノズルから吐出して紡糸すると共にシート状に集積する方法である。一般に化学繊維に適用される製法であるが、組換えミノムシ絹糸タンパク質であれば液体状態での操作が可能なため、当該製法によりフリース形成も可能である。
繊維結合工程には、サーマルボンド法、ケミカルボンド法、ニードルパンチ法、水流絡合法等が知られているが、いずれの方法を用いてもよい。サーマルボンド法は、低融点の熱融着繊維を混合したフリースを熱圧着して繊維どうしを接着させる方法である。ケミカルボンド法は、フリースにエマルジョン系の接着樹脂を含浸又は噴霧した後、加熱、乾燥させて繊維の交点を接着する方法である。ニードルパンチ法は、高速で上下するニードルでフリースを繰り返し突き刺して繊維を絡ませる方法である。水流絡合法は、フリースに高圧の水流を柱状に噴射して繊維を絡ませる方法である。
また、ミノムシ絹糸の場合、ミノムシ特有の採糸方法によって、不織布を製造することもできる。例えば、ミノムシ絹糸からなる不織布の最も単純な製造方法は、ミノムシの巣から得る方法である。前述のように、ミノムシの巣はミノムシ絹糸の短繊維が絡み合ってできているため巣そのものが不織布として構成されている。したがって、ミノムシの巣を切り開いて平面状に広げ、巣素材の葉や小枝を除去することによって、ミノムシ絹糸からなる不織布を得ることができる。ただし、ミノムシ絹糸から巣素材等を完全に除去することは、ほとんど不可能なため、この方法で得られる不織布には必ず夾雑物が混入し得る。強化繊維において、このような夾雑物の存在は、繊維強化複合材料の品質低下や物性低下の原因にもなり得、ミノムシ絹糸を強化繊維として使用する長所を相殺しかねないため、本来は好ましくはない。
他にも、限定はしないが、例えば、特願2018-078522に開示した採糸方法を用いて、ミノムシ絹糸からなる不織布を製造することができる。この方法では、1頭又は複数頭のミノムシを溶媒可溶性基材又は熱易融性基材上に配置して、それらの基材表面上に足場絹糸を薄膜が形成し得るまで吐糸させる。その後、ミノムシ絹糸を損傷、変性、又は溶解しない溶媒で基材自体を溶解して、又はミノムシ絹糸が損傷、熱変性、又は溶融しない温度で加熱して溶融して、基材成分と吐糸された足場絹糸を分離することによって足場絹糸の薄膜からなる不織布を得ることができる。
この方法で使用する溶媒可溶性基材には、水や水溶液に可溶な物質で構成される水溶性基材(水可溶性素材)や、低極性溶媒に可溶な物質で構成される低極性溶媒可溶性基材が挙げられる。いずれの基材も乾燥環境下、すなわち標準状態(15℃~25℃で大気圧条件)で、かつ湿度50%以下、好ましくは40%以下、30%以下、20%以下、又は10%以下の環境下では固体である。水溶性基材の例としては、ゼラチン、デンプン、及びプルラン等が挙げられ、また低極性溶媒可溶性基材の例としては、ポリスチレン、酢酸ビニル、酢酸セルロース、アクリル樹脂、及びポリカーボネートが挙げられる。
また、熱易融性基材は、標準状態では固体状態で、加熱によって容易に溶融して液体状態となり得る基材である。熱易融性基材の融点は、ミノムシ絹糸が損傷、熱変性、又は溶融する温度よりも低ければよい。ミノムシ絹糸は、260℃を超えると熱分解しはじめることから、融点は、少なくとも260℃以下であればよいが、加熱コストを低減し、ミノムシ絹糸を必要以上高温に晒さないためには、例えば、40℃~100℃、45℃~98℃、50℃~95℃、55℃~90℃、60℃~85℃、65℃~80℃、又は70℃~75℃の範囲が適当である。
また、特願2017-251904に開示した採糸方法を用いて、ミノムシ絹糸からなる不織布を得ることもできる。この方法は、巣から取り出した裸の状態のミノムシに巣素材を与えると、自らの保護と保温のためにその巣素材を用いて速やかに営巣行動を開始するというミノムシの習性を利用した方法で、裸ミノムシに溶媒可溶性物質又は熱易融性物質を巣素材として与えて営巣させた後に、巣素材を、ミノムシ絹糸を損傷、変性、又は溶解しない溶媒で溶解する、又はミノムシ絹糸が損傷、熱変性、又は溶融しない温度で加熱して溶融し、溶解した巣素材とミノムシ絹糸を分離することで残った巣絹糸を不織布として得る方法である。前述の特願2018-078522とは、採糸するミノムシ絹糸が足場絹糸と巣絹糸の相違はあるものの基材成分や溶媒、溶融温度等の条件は、基本的に同じである。
さらに、特願2018-158762に開示した採糸方法で、ミノムシ絹糸からなる不織布を得ることもできる。この方法では、1頭又は複数頭のミノムシを基材上に配置して、それらの基材表面上に足場絹糸を薄膜が形成し得るまで吐糸させる。その後、基材表面に吐糸されたミノムシ絹糸に湿潤液を噴霧又は塗布することによって基材と前記ミノムシ絹糸を分離することによって、足場絹糸の薄膜からなる不織布を得ることができる。
この方法で使用する湿潤液は大気圧下において20℃未満に融点を、及び30℃以上300℃以下に沸点を有する純物質又は混合物で、少なくとも20℃以上30℃未満では液体状態を呈し、かつミノムシ絹糸の繊維成分であるフィブロインタンパク質を損傷、変性、又は溶解しない純物質又は混合物である。例えば、エタノール、水溶液、又は有機溶媒等が該当する。
上記3出願に記載の採糸方法によれば、枯葉や枯枝等の巣素材の夾雑物の混入が一切ない純粋なミノムシ絹糸からなる不織布を得ることができる。したがって、繊維強化複合材料の品質低下や物性低下を生じさせることなく、ミノムシ絹糸の強化繊維として長所のみを繊維強化複合材料付与することができる。
本発明における不織布は、1種又は複数種のミノムシ絹糸から構成されていてもよい。例えば、オオミノガ由来のミノムシ絹糸のみで構成されていてもよいし、オオミノガとチャミノガ由来の2種類のミノムシ絹糸で構成されていてもよい。複数種のミノムシ絹糸で構成される不織布の製造方法も基本的には1種のミノムシ絹糸で構成される不織布の製造方法と同じでよい。例えば、オオミノガのミノムシとチャミノガのミノムシのそれぞれを同一基板上に吐糸させて製造することができる。ミノムシ絹糸は、いずれの種由来であっても前述の物性を概ね共通して有しているが、種によっては弾性率が特に高い絹糸、破断強度が高い絹糸、又はタフネスさが高い絹糸等のようにその特徴に差は存在し得る。種間で物性が異なる場合、それらの種のミノムシ絹糸を組み合わせることで、互いの長所を高め合い、短所を補完し合うことができる。
また、本発明における不織布は、本発明の効果を妨げない範囲内で、ミノムシ絹糸とは異なる一以上の他の繊維をさらに含むこともできる。例えば、有機繊維、又は無機繊維が挙げられる。有機繊維には、セルロースを主成分とする綿や麻等の植物性天然繊維、カイコ等の家蚕又はヤママユガ科(Saturniidae)の蛾の幼虫である野蚕等の昆虫から得られる絹糸、及びクモ糸等の動物性天然繊維、及びアラミド、ポリアミド(ナイロンを含む)、ポリエステル、ポリエチレン、アクリル、レーヨン等の化学合成繊維が挙げられる。無機繊維には、炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維(ステンレス、チタン、銅、アルミニウム、ニッケル、鉄、タングステン、モリブデン等)、及び非晶質繊維(セラミックファイバー、ロックウール等)が挙げられる。
ミノムシ絹糸と他の繊維を組み合わせて不織布化することで、繊維どうしによる相乗効果を得ることができる。例えば、炭素繊維やガラス繊維は、極めて高い強度と弾性率を誇るが、伸びの性質がないため靱性が低く脆い。一方、ミノムシ絹糸は高い強度及び弾性率を有するが、炭素繊維やガラス繊維のそれには及ばない。しかし、ミノムシ絹糸は、炭素繊維やガラス繊維にはない伸びの性質を有する。そこで、ミノムシ絹糸と炭素繊維及び/又はガラス繊維とを組み合わせて不織布化することで、両者の長所を活かし、かつ欠点を補完し合うことが可能となる。ミノムシ絹糸と炭素繊維及び/又はガラス繊維とを組み合わせた不織布を強化繊維として用いることにより強度と弾性率が極めて高く、かつ伸びの性質を有する繊維強化複合材料を製造することができる。
本発明の不織布が、ミノムシ絹糸に加えて異なる他の繊維を含む場合、繊維強化複合材料に用いる際の強化繊維中のミノムシ絹糸の含有率は限定しない。例えば、質量分率で、1質量%以上、3質量%以上、5質量%以上、8質量%以上、10質量%以上、15質量%以上、20質量%以上、25質量%以上、30質量%以上、35質量%以上、40質量%以上、45質量%以上、50質量%以上、55質量%以上、60質量%以上、65質量%以上、70質量%以上、75質量%以上、80質量%以上、85質量%以上、90質量%以上、92質量%以上、95質量%以上、97質量%以上、98質量%以上、又は99質量%以上であればよい。
(1-2)他の繊維
本発明の繊維強化複合材料を構成する強化繊維には、前記不織布の他にも異なる一以上の他の繊維を選択的な構成繊維として含むことができる。
本発明の繊維強化複合材料を構成する強化繊維には、前記不織布の他にも異なる一以上の他の繊維を選択的な構成繊維として含むことができる。
強化繊維として使用し得る不織布以外の繊維の構成については、基本的に前記不織布を構成する繊維のそれに準ずる。すなわち、1種又は複数種のミノムシ絹糸の短繊維及び/又は長繊維の他、植物性天然繊維、動物性天然繊維及び化学合成繊維等の有機繊維、及び/又は炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維及び非晶質繊維等の無機繊維を含むことができる。これらの繊維は、繊維強化複合材料中で、不織布以外のいずれの形状であってもよい。例えば、単なる紐状(糸状)の他、織物、編物、又は紙のようなシート状、又はその組み合わせが挙げられる。
本発明の繊維強化複合材料を構成する強化繊維が、不織布に加えて異なる一以上の他の繊維を含む場合、強化繊維中の当該他の繊維の含有率は限定しない。ただし、本発明の繊維強化複合材料では、不織布が主要な強化繊維成分であることから、原則として不織布の含有率の方が高いことが好ましい。例えば、他の繊維の含有量が、質量分率で1質量%以下、3質量%以下、5質量%以下、8質量%以下、10質量%以下、15質量%以下、20質量%以下、25質量%以下、30質量%以下、35質量%以下、40質量%以下、45質量%以下、50質量%未満であることが好ましい。
(2)高分子マトリクス
高分子マトリクスは、有機高分子及び/又は無機高分子からなる母材をいうところ、本発明の繊維強化複合材料に使用する高分子マトリクスは、有機高分子、及び無機高分子のいずれか、又は両方を意味する。ここでいう有機高分子には、天然高分子と合成高分子が含まれる。
高分子マトリクスは、有機高分子及び/又は無機高分子からなる母材をいうところ、本発明の繊維強化複合材料に使用する高分子マトリクスは、有機高分子、及び無機高分子のいずれか、又は両方を意味する。ここでいう有機高分子には、天然高分子と合成高分子が含まれる。
天然高分子は、自然界に存在する高分子で、例えば、タンパク質、多糖類、天然樹脂が該当する。タンパク質の具体例としては、膠(コラーゲン、ゼラチンを含む)が挙げられる。また、多糖類の具体例としては、デンプン、セルロース、マンナン、寒天等が挙げられる。さらに、天然樹脂の具体例としては、漆、ロジン、ラテックス(天然ゴム)、セラック等が挙げられる。
合成高分子は、モノマーを縮重反応や付加重合反応によって連結して得られる高分子で、例えば、合成樹脂、合成ゴム等が挙げられる。
合成樹脂は、プラスチックとも呼ばれる。本発明の繊維強化複合材料において高分子マトリクスとして使用する合成樹脂は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、又はそれらの組み合わせのいずれであってもよい。熱硬化性樹脂には、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、フェノール樹脂等が挙げられる。また、熱可塑性樹脂には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、メタクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリカーボネート、ポリウレタン、芳香族ポリエーテルケトン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂等が挙げられる。
合成ゴムには、ブタジエンゴム、クロロプレンゴム、スチレンブタジエンゴム、イソプレンゴム、エチレンプロピレンゴム、ニトリルゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム、フッ素ゴム、ウレタンゴム等が挙げられる。
(3)成分比
本発明の繊維強化複合材料における強化繊維と高分子マトリクスの配合比率は、特に限定しない。通常は、目標とする強化繊維の特性である高強度、高弾性率や伸び等に応じて、母材である高分子マトリクスに付与できる比率で配合すればよい。本発明の繊維強化複合材料では、高強度、高弾性率に加えて、ミノムシ絹糸の特性である伸びを高分子マトリクスに付与できる配合比率が好ましい。具体的には、繊維強化複合材料の全乾燥質量に対するミノムシ絹糸の質量分率が0.5質量%~50質量%、0.8質量%~40質量%、1質量%~35質量%、1.5質量%~30質量%、2質量%~28質量%、又は3質量%~25質量%である。
本発明の繊維強化複合材料における強化繊維と高分子マトリクスの配合比率は、特に限定しない。通常は、目標とする強化繊維の特性である高強度、高弾性率や伸び等に応じて、母材である高分子マトリクスに付与できる比率で配合すればよい。本発明の繊維強化複合材料では、高強度、高弾性率に加えて、ミノムシ絹糸の特性である伸びを高分子マトリクスに付与できる配合比率が好ましい。具体的には、繊維強化複合材料の全乾燥質量に対するミノムシ絹糸の質量分率が0.5質量%~50質量%、0.8質量%~40質量%、1質量%~35質量%、1.5質量%~30質量%、2質量%~28質量%、又は3質量%~25質量%である。
1-3-2.構造
本発明の繊維強化複合材料の構造、すなわち繊維強化複合材料における強化繊維と高分子マトリクスの配置は特に限定しない。例えば、主要な強化繊維である不織布に液状の高分子マトリクスを含浸させたプリプレグ、そして強化繊維の配向が異なるように複数のプリプレグ等を積層し、構造物として一体化した状態等が挙げられる。また、上記構造に加えて、不織布以外の強化繊維が高分子マトリクス層内及び/又はその表面に分散した状態であってもよい。なお、前述のプリプレグは、本来、繊維強化複合材料の中間材料であるが、本明細書では繊維強化複合材料に包含する。
本発明の繊維強化複合材料の構造、すなわち繊維強化複合材料における強化繊維と高分子マトリクスの配置は特に限定しない。例えば、主要な強化繊維である不織布に液状の高分子マトリクスを含浸させたプリプレグ、そして強化繊維の配向が異なるように複数のプリプレグ等を積層し、構造物として一体化した状態等が挙げられる。また、上記構造に加えて、不織布以外の強化繊維が高分子マトリクス層内及び/又はその表面に分散した状態であってもよい。なお、前述のプリプレグは、本来、繊維強化複合材料の中間材料であるが、本明細書では繊維強化複合材料に包含する。
1-4.効果
本発明の繊維強化複合材料は、強化繊維としてミノムシ絹糸を含む不織布を包含することで、従来のCFRPやGFRPでは見られない、強度、弾性率、及び伸びをバランス良く、高い値で有しており、かつそれらの物性が等方的な繊維強化複合材料を提供することができる。
本発明の繊維強化複合材料は、強化繊維としてミノムシ絹糸を含む不織布を包含することで、従来のCFRPやGFRPでは見られない、強度、弾性率、及び伸びをバランス良く、高い値で有しており、かつそれらの物性が等方的な繊維強化複合材料を提供することができる。
1-5.用途
本発明の繊維強化複合材料は、従来の繊維強化複合材料の用途をはじめとする様々な分野で利用することができる。例えば、スポーツ・レジャー(ゴルフシャフト、ラケット、釣竿、自転車部品等)、住宅(浴槽、浄化槽等)、土木建築(耐震補強材、軽量建材、壁、床補強材、トラス構造材等)、輸送機器(自動車、船、飛行機、ヘリコプター、高圧水素タンク等)、工業機材(筐体、家電部品、プリント基板、風力発電羽根等)、宇宙関連(ロケット、人工衛星等)が挙げられる。特に本発明の繊維強化複合材料は、高い強度と弾性率に加えて、従来のCFRPやGFRP等の繊維強化複合材料にはない「伸び」及び「タフネス性」の特性を有し、さらにそれらの物性が等方性を示すことから、強度、弾性率に加えて、伸びを必要とする材料分野での使用が好適である。
本発明の繊維強化複合材料は、従来の繊維強化複合材料の用途をはじめとする様々な分野で利用することができる。例えば、スポーツ・レジャー(ゴルフシャフト、ラケット、釣竿、自転車部品等)、住宅(浴槽、浄化槽等)、土木建築(耐震補強材、軽量建材、壁、床補強材、トラス構造材等)、輸送機器(自動車、船、飛行機、ヘリコプター、高圧水素タンク等)、工業機材(筐体、家電部品、プリント基板、風力発電羽根等)、宇宙関連(ロケット、人工衛星等)が挙げられる。特に本発明の繊維強化複合材料は、高い強度と弾性率に加えて、従来のCFRPやGFRP等の繊維強化複合材料にはない「伸び」及び「タフネス性」の特性を有し、さらにそれらの物性が等方性を示すことから、強度、弾性率に加えて、伸びを必要とする材料分野での使用が好適である。
また、使用する強化繊維をミノムシ絹糸のみ、又はミノムシ絹糸及びカイコ絹糸等の動物性繊維として、高分子マトリクスをコラーゲン、ゼラチン等の天然有機高分子とした場合、生体親和性の高い繊維強化複合材料となる。それ故に、組織再生基材や血管再生基材等として医療分野でも利用することができる。
さらに、本発明のミノムシ絹糸を含む不織布は、医療素材(マスク、創傷被覆材、癒着防止膜、人工皮膚等)、フィルター、工業材料(壁クロスや装飾材料等)、エステ材料(パック材等)に利用することができる。
2.繊維強化複合材料製造方法
2-1.概要
本発明の第2の態様は、繊維強化複合材料の製造方法である。本発明の方法は、第1態様に記載の繊維強化複合材料の製造及び/又は成形方法である。本発明の製造方法によれば、ミノムシ絹糸を含む繊維強化複合材料を容易に製造、及び成形することができる。
2-1.概要
本発明の第2の態様は、繊維強化複合材料の製造方法である。本発明の方法は、第1態様に記載の繊維強化複合材料の製造及び/又は成形方法である。本発明の製造方法によれば、ミノムシ絹糸を含む繊維強化複合材料を容易に製造、及び成形することができる。
2-2.方法
本発明の繊維強化複合材料の製造方法は、強化繊維にミノムシ絹糸を用いることを除けば、基本製法は従来の繊維強化複合体の製造方法に準ずる。例えば、長繊維ミノムシ絹糸を強化繊維として用いる場合には、通常、CFRPやGFRPで使用される製造方法をそのまま利用することができる。製造方法には様々な方法が知られているが、用途や形状等の目的に応じて適切な方法を選択すればよい。
本発明の繊維強化複合材料の製造方法は、強化繊維にミノムシ絹糸を用いることを除けば、基本製法は従来の繊維強化複合体の製造方法に準ずる。例えば、長繊維ミノムシ絹糸を強化繊維として用いる場合には、通常、CFRPやGFRPで使用される製造方法をそのまま利用することができる。製造方法には様々な方法が知られているが、用途や形状等の目的に応じて適切な方法を選択すればよい。
例えば、プリプレグの製造方法は、ミノムシ絹糸を含む強化繊維の不織布、又はそれに加えて強化繊維として選択される織物、編物、紙等に適当な高分子マトリクスを含浸させればよい。高分子マトリクスが熱硬化性樹脂の場合、重合が未完了の半硬化プリプレグとなる。一方、高分子マトリクスが熱可塑性樹脂やコラーゲン等の天然高分子の場合、重合が完了した硬化プリプレグとなる。
また、主な成形法として、シートワインディング(Sheet winding)成形法、プレス成形法、オートクレーブ成形法、RTM(Resin Transfer Molding)成形法、VaRTM(Vacuum Resin Transfer Molding)成形法、SMC(Sheet Molding Compound)成形法、真空バック(Vacuum bag)成形法、ハンドレイアップ(Hand lay-up)成形法、及びファイバープレースメント(Fiber placement)成形法等が挙げられる。
「シートワインディング成形法」は、高分子マトリクスを含浸させながら回転する金型(マンドレル)にプリプレグを巻き付け、硬化後に脱芯する成形法である。「プレス成形法」は、コンパウンドやプリプレグを型に入れて加圧及び加熱して成形する方法である。「オートクレーブ成形法」は、プリプレグを型に積層した後、バッグで覆い、オートクレーブ内に存在する空気や揮発性物質を真空除去し、加圧及び加熱して成形する方法である。「RTM成形法」は、樹脂注入成形法ともよばれ、型の中に強化繊維のプリフォームを配置した密閉系に溶融した熱硬化性樹脂を低圧下で導入し、加熱硬化後、脱型する方法である。「VaRTM成形法」は、RTM法の一種で、強化繊維を積層した密閉系を真空化し、熱硬化性樹脂を導入し、加熱硬化後、脱型する方法である。「SMC成形法」は、強化繊維と高分子マトリクスで構成されるシート状材料を積層して成形する方法である。「真空バック成形法」は、密閉されたフィルムでシールされた積層物を真空にすることで大気圧により圧縮成型する方法である。「ハンドレイアップ成形法」は、プリプレグを成形型に手作業で積層して、硬化成形する方法である。そして、「ファイバープレースメント成形法」とは、テープ状に加工したプリプレグや高分子マトリクスを含浸したトウを様々な三次元形状の型に積層し、硬化成形する方法である。これらの成形法の具体的な方法は、いずれも繊維強化複合材料の分野で公知の方法であり、それを参考にすればよい。
2-3.製造工程
本発明の繊維強化複合材料の製造方法の製造工程は、接触工程を必須工程として含み、必要に応じて成形工程、硬化工程、及び脱型工程を含む。以下、各工程を具体的に説明する。
本発明の繊維強化複合材料の製造方法の製造工程は、接触工程を必須工程として含み、必要に応じて成形工程、硬化工程、及び脱型工程を含む。以下、各工程を具体的に説明する。
(1)接触工程
「接触工程」とは、強化繊維と高分子マトリクスを接触させる工程である。両成分が直接接触できれば接触方法は特に限定されない。溶解した液状の高分子マトリクスに強化繊維を分散、浸漬、又は含浸してもよいし、SMC成形法のように強化繊維の繊維束又はシートを高分子マトリクスのシート間に挟み込んでもよい。
「接触工程」とは、強化繊維と高分子マトリクスを接触させる工程である。両成分が直接接触できれば接触方法は特に限定されない。溶解した液状の高分子マトリクスに強化繊維を分散、浸漬、又は含浸してもよいし、SMC成形法のように強化繊維の繊維束又はシートを高分子マトリクスのシート間に挟み込んでもよい。
前述のプリプレグは、強化繊維で構成されるシートに高分子マトリクスを含浸させたものであり、その工程は、接触工程のみで構成される。
(2)成形工程
「成形工程」は、繊維強化複合材料の構成成分である強化繊維及び/又は高分子マトリクスを所望の形状に成形する工程をいう。本工程は選択工程であり、各種製法に応じて実行される。
「成形工程」は、繊維強化複合材料の構成成分である強化繊維及び/又は高分子マトリクスを所望の形状に成形する工程をいう。本工程は選択工程であり、各種製法に応じて実行される。
本工程では、金型等の型を利用し、その型に合わせて成形を行う。必要に応じて強化繊維やプリプレグを積層して成形することもできる。成形工程と前述の接触工程の順番は、製法によって異なり限定しない。例えば、前述のフィラメントワインディング成形法、シートワインディング成形法、プレス成形法、オートクレーブ成形法、ハンドレイアップ成形法、ファイバープレースメント成形法等は、接触工程後に成形工程が行われる。一方、RTM成形法やVaRTM成形法は、金型で強化繊維のプリフォームを成形後、高分子マトリクスを金型内に導入するため成形工程後に接触工程が行われる。それぞれの製法に応じて行えばよい。
(3)硬化工程
「硬化工程」は、前記工程後に高分子マトリクスの重合反応を促進及び/又は完了させる工程をいう。本工程により高分子マトリクスが硬化し、繊維強化複合材料が完成する。硬化工程は、加熱ステップ及び/又は冷却ステップを含み得る。
「硬化工程」は、前記工程後に高分子マトリクスの重合反応を促進及び/又は完了させる工程をいう。本工程により高分子マトリクスが硬化し、繊維強化複合材料が完成する。硬化工程は、加熱ステップ及び/又は冷却ステップを含み得る。
「加熱ステップ」は、高分子マトリクスを加熱することによって重合反応を促進及び/又は完了させるステップである。高分子マトリクスに熱硬化性樹脂を使用する場合に実行される。一方、高分子マトリクスが熱可塑性樹脂や天然高分子の場合には、加熱により重合が解除されて逆に軟化又は溶解することから、本ステップは前記接触工程や成形工程に該当し得る。
加熱温度は、特に限定されない。使用する高分子マトリクスの種類によって異なるが、通常は、20℃~250℃、23℃~200℃、25℃~180℃、27℃~150℃、又は30℃~120℃の範囲で行えばよい。また加熱時間は、加熱温度に関連し、一般に温度が低いほど時間は長くなり、高いほど短くなる。通常は0.5時間~48時間、1時間~42時間、1.5時間~36時間、2時間~30時間、2.5時間~24時間、又は3時間~18時間の範囲で行えばよい。
「冷却ステップ」は、加熱した高分子マトリクスを冷却する、又は冷却により硬化させるステップである。高分子マトリクスに熱硬化性樹脂を使用した場合、加熱ステップで熱硬化反応が完了した繊維強化複合材料を冷却する際に実行される。また、高分子マトリクスに熱可塑性樹脂や天然高分子を使用した場合には、冷却により重合反応が促進及び/又は完了し、高分子マトリクスの硬化により繊維強化複合材料が完成する。
冷却温度も限定はしない。使用する高分子マトリクスの種類によって異なるが、通常は、260℃以下、200℃以下、180℃以下、150℃以下、120℃以下、100℃以下、90℃以下、80℃以下、70℃以下、60℃以下、50℃以下、40℃以下、35℃以下、30℃以下、27℃以下、25℃以下、23℃以下、20℃以下、18℃以下、15℃以下、又は10℃以下で行えばよい。下限温度は特に限定はしないが、通常は、4℃、0℃、-10℃、-15℃、又は-20℃程度で良い。また冷却時間は、0.1時間~1時間、0.2時間~0.9時間、0.3時間~0.8時間、0.4時間~0.7時間、又は0.5時間~0.6時間の範囲で行えばよい。
(4)脱型工程
「脱型工程」は、前記硬化工程後の繊維強化複合材料を型から外す工程である。具体的には、本工程で、成形工程時に使用した金型やマンドレルから完成した繊維強化複合材料を抜き出す。脱型方法は、当該分野で公知の方法に従えばよい。
「脱型工程」は、前記硬化工程後の繊維強化複合材料を型から外す工程である。具体的には、本工程で、成形工程時に使用した金型やマンドレルから完成した繊維強化複合材料を抜き出す。脱型方法は、当該分野で公知の方法に従えばよい。
<実施例1:ミノムシ絹糸の不織布を含む繊維強化複合材料の製造とその物性>
(目的)
ミノムシ絹糸の不織布を強化繊維として含む繊維強化複合材料を作製し、その物性を検証する。
(目的)
ミノムシ絹糸の不織布を強化繊維として含む繊維強化複合材料を作製し、その物性を検証する。
(方法)
ミノムシは、茨城県つくば市内の果樹農園で採集したオオミノガの幼虫(ミノ長10~15mm)を使用した。
ミノムシは、茨城県つくば市内の果樹農園で採集したオオミノガの幼虫(ミノ長10~15mm)を使用した。
ミノムシ絹糸の不織布は、以下の方法で得た。約50匹のミノムシを縦横高さ約20cmの立方型飼育ケージの中に放ち、7日間飼育した。飼育ケージの上部天板はアクリル製で、着脱が可能となっている。ミノムシは上方に移動する性質を有することから、ケージ天板裏での滞在時間が長くなる。結果として、複数のミノムシが天板裏で無秩序に吐糸し続け、7日後にはミノムシ絹糸(足場絹糸)が堆積してなる絹糸シートが形成される。この絹糸シートに70%エタノールを噴霧した後、天板から慎重に剥離して、ミノムシ絹糸由来の不織布(bag worm silk non-woven fabric: BSNF)を得た。
高分子マトリクスにはエチレン・酢酸ビニル共重合体(ethylene-vinylacetate copolymer: EVA)樹脂を用いた。
EVA樹脂にはホットガン用接着樹脂(太洋電器産業(株))を用いた。金型の代用として、0.5mm厚のシリコンゴムシートで作製した直径約80mmの円形状の型枠を作製し、EVA樹脂を型枠内に配置した後、100℃、約2MPaにて加圧プレスしてEVA樹脂シートを2枚作製した。
次に、EVA樹脂シート間に、強化繊維としてミノムシ絹糸の不織布(BSNF)10層からなる積層体(縦横約30mm)を挟み、100℃に加熱した二枚の熱板で約2MPaにて加圧プレスした。それを冷却し、BSNFとEVA樹脂からなる約270μm厚の繊維強化複合材料(以下、「BSNF/EVA複合材料」と表記する)フィルムを得た。また、同時にBSNFを含まず、EVAシート2枚のみを加圧プレスした同等厚さのEVA樹脂単体(以下、「EVA樹脂」と表記する)フィルムも陰性対照用として作製した。
続いて、前記各フィルムから幅:約1.5mm、長さ:約20mmの短冊状試験片を切り出し、力学試験に供した。前記試験片を切り出す際に、先ず、不織布の任意の方向を0°方向と定義し、0°方向に沿って試験片を切り出した。次いで、0°の方向に対し、時計回りに30°、60°、90°の角度(切出角)に沿って、同様にそれぞれ試験片を切り出した。最終的には、30°毎にフィルムからの切出角が異なる4種類の試験片を得た。また、その試験片の総質量に対する強化繊維の質量分率を繊維含有率(質量%:wt%)として算出した。
(結果1)
BSNF/EVA複合材料の各試験片における総質量に対する強化繊維の質量分率は4.3wt%であった。
BSNF/EVA複合材料とEVA樹脂の前記各試験片についての力学試験の結果をそれぞれ表1及び表2に示す。また、0°方向で切り出した試験片の応力ひずみ曲線を図1に示す。
BSNF/EVA複合材料の各試験片における総質量に対する強化繊維の質量分率は4.3wt%であった。
BSNF/EVA複合材料とEVA樹脂の前記各試験片についての力学試験の結果をそれぞれ表1及び表2に示す。また、0°方向で切り出した試験片の応力ひずみ曲線を図1に示す。
表1及び表2において、「弾性率」は、初期弾性率を意味する。これは、試料を引っ張った際に、力と変形量が比例する関係、すなわちフックの法則を満たす変形域での比例定数に相当し、応力ひずみ曲線の初期勾配の傾きとして与えられる。一般に数値が大きいほど引張り応力に対する変形が小さく、硬い性質であることを意味する。また、「最大強度」は、破断に至る直前の最大応力をいう。一般に数値が大きいほど強い応力に耐えられることを意味する。さらに、「ひずみ」は、破断伸度を意味し、これは試料が破断するまでの伸びをいう。一般に数値が大きいほどよく伸びることを意味する。
(結果2)
EVA樹脂、及びBSNF/EVA複合材料共に、試験片の切出し角による弾性率と最大強度の力学特性上の違い、すなわち異方性は、ほとんど認められなかった。また、BSNF/EVA複合材料の弾性率及び最大強度は、全ての切出し角の試験片において、EVA樹脂のそれと比較して約2倍高い値を示した。これは、BSNF/EVA複合材料がEVA樹脂よりも硬く、強いことを示している。これらの結果から、ミノムシ絹糸の不織布を強化繊維に用いることで、EVA樹脂に硬さ(高弾性率)と強さ(高強度)を、等方的に付与できることが確認された。
EVA樹脂、及びBSNF/EVA複合材料共に、試験片の切出し角による弾性率と最大強度の力学特性上の違い、すなわち異方性は、ほとんど認められなかった。また、BSNF/EVA複合材料の弾性率及び最大強度は、全ての切出し角の試験片において、EVA樹脂のそれと比較して約2倍高い値を示した。これは、BSNF/EVA複合材料がEVA樹脂よりも硬く、強いことを示している。これらの結果から、ミノムシ絹糸の不織布を強化繊維に用いることで、EVA樹脂に硬さ(高弾性率)と強さ(高強度)を、等方的に付与できることが確認された。
さらに、BSNF/EVA複合材料のひずみ(破断伸び)は、測定した全ての切出し角の試験片で約40%の値を示した。この結果は、繊維強化複合材料で炭素繊維やガラス繊維を用いたときの低破断伸びの問題が、ミノムシ絹糸の不織布を用いれば、著しく改善可能なことを示唆している。
すなわち、ミノムシ絹糸の不織布を約4wt%という僅かな含有率で、繊維強化複合材料に包含させることによって、高分子マトリクスの強度及び弾性率等の力学特性を等方的かつ飛躍的に向上させながら、繊維強化複合材料としては非常に高い約40%の伸び率を付与できることが明らかとなった。
本明細書で引用した全ての刊行物、特許及び特許出願はそのまま引用により本明細書に組み入れられるものとする。
本明細書で引用した全ての刊行物、特許及び特許出願はそのまま引用により本明細書に組み入れられるものとする。
Claims (7)
- ミノムシ絹糸を包含する不織布。
- 高分子マトリクス、及びミノムシ絹糸を包含する不織布を含む繊維強化複合材料。
- 前記ミノムシ絹糸が長繊維絹糸を含む、請求項2に記載の繊維強化複合材料。
- 前記不織布がミノムシ絹糸以外の有機繊維、無機繊維、又はその組み合わせを含む、請求項2又は3に記載の繊維強化複合材料。
- 前記有機繊維がカイコ絹糸及び/又はクモ糸である、請求項4に記載の繊維強化複合材料。
- 前記高分子マトリクスが樹脂、膠、デンプン、寒天、又はその組み合わせである、請求項2~5のいずれか一項に記載の繊維強化複合材料。
- 繊維強化複合材料におけるミノムシ絹糸の質量分率が0.5質量%~50質量%である、請求項2~6のいずれか一項に記載の繊維強化複合材料。
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