JP4301611B2

JP4301611B2 - 超弾性繊維材料

Info

Publication number: JP4301611B2
Application number: JP34447698A
Authority: JP
Inventors: 潤松田; 一浩岩本
Original assignee: Nippon Seisen Co Ltd
Current assignee: Nippon Seisen Co Ltd
Priority date: 1998-12-03
Filing date: 1998-12-03
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2018-12-03
Also published as: JP2000170040A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規な機能を持つ超弾性繊維材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大きな弾性域を具え、見掛け上の降伏点を越える歪を付加しても除荷することによりほぼ元の形状に回復するという超弾性特性を有する例えばＮｉＴｉ系合金、ＣｕＺｕ系合金等のいわゆる金属間化合物である超弾性材料は、従来ではステンレス鋼繊維などの一般的な金属繊維材料が用いられてきた金属フィルタ、金属織物などとして（例えば特開昭６０−５９０３６号公報、特開昭６０−５８２２０号公報など）、又例えば特開昭５２−６９５９７号が開示する除電ブラシ用の導電性繊維などとして、その特性を生かした利用が図られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような超弾性特性を有する線材、繊維材料を製造する場合には、従来、張力を加えて真直性を与えつつ形状記憶熱処理を行う方法が広く採用され、またこのような処理方法として、例えばばね、カテーテルガイドワイヤなどの比較的太くかつ真直な形状の線材を生産性よく形成するという観点から連続熱処理法が採用されてきた。
【０００４】
しかしながら、この方法による形状記憶熱処理は、前記のように直線形状での熱処理となり、特に線径が数μｍ〜８００μｍ程度の繊維フィラメントからなるトウ、繊維材料において材料自体に予め非直線の形状を付与することは極めて困難となる。
【０００５】
そのため、超弾性繊維材料を用いた例えば織物製品、フェルト、フィルタ製品などの製品において繊維フィラメントの分布密度を小さくし製品に弾力性、柔軟性などを与え、かつ立体的な空孔形状を形成することも困難であり、超弾性繊維材料の超弾性としての機能を十分に発揮しうる製品を得難いものとしている。
【０００６】
他方、形状記憶熱処理された繊維材料に対して、その後の加工、例えば曲げ、波付け加工によってその形状を変化させるには、超弾性材料は前記したように高い形状回復特性を持っていることから、そのような加工を施したとしても繊維の形状を実質的に変化させることは困難である。
【０００７】
本発明者らは、鋭意研究を進めた結果、超弾性繊維の製造段階で行う形状記憶熱処理時に所定の処理を施しておくことによって、高い弾性回復特性を持つ超弾性繊維材料において、例えばその長手方向に沿って不規則なカール形状や湾曲形状を必要に応じて形成しうる超弾性繊維材料の提供を目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、横断面面積から算出される換算繊維径が５〜３００μｍの繊維フィラメントの集束された複数本の束からなる超弾性繊維材料であって、
該超弾性繊維材料は、少なくともその軸芯方向とは異なる方向の別向きの応力を付加しながら所定張力を加えて形状記憶熱処理することにより見掛け上は直線状態を具えるとともに、
破断にまでは至らない塑性変形域での引張応力を加えかつ除荷したときには、前記引張応力を付加する前の繊維状態とは実質的に異なる他の形状に変形した変形繊維状態をなし、かつ変形繊維状態の弾性特性が、少なくとも８０％以上の形状回復率となる機能を有するものであることを特徴とする超弾性繊維材料横断面面積から算出される換算繊維径が５〜３００μｍの繊維フィラメントの単一又は集束された複数本からなる超弾性繊維材料であって、該繊維材料は、破断にまでは至らない塑性変形域での引張応力を加えかつ除荷したときには、前記引張応力を付加する前の繊維状態とは実質的に異なる他の形状に変形することができ、
かつ他の形状における弾性特性が、少なくとも８０％以上の形状回復率となる機能を有するものであることを特徴とする。
【０００９】
また請求項２の発明は、前記超弾性繊維材料は、変形繊維状態とすることにより、その束内における前記繊維の分布密度が小となることを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、前記超弾性繊維材料が、バニシ加工されていない粗雑な外表面の繊維フィラメントからなり、かつ横断面の実周囲長さが該繊維の換算繊維径により求まる周囲長さの１．０５〜５倍となる断面非円形形状に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
前記請求項４の発明は、前記変形繊維状態の形状が、長手方向に螺旋をなす螺旋形状であることを特徴としている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
超弾性繊維材料は、換算繊維径が５〜３００μｍの超弾性特性を有する繊維材料であって、破断にまでは至らない塑性変形域での引張応力を加えた後これを除荷したときに、前記引張応力を付加する前の形状である基本形状とは実質的に異なる他の形状となり、この他の形状の超弾性繊維材料を、本明細書において（変形繊維状態の形状の超弾性繊維材料という。
【００１３】
他の形状としては、繊維の長手方向に螺旋にのびる螺旋状、又は波状、小曲り状、カール状などの他、これらを混在させたような不規則な形状に形成されたものも含む。該他の形状は超弾性繊維材料として有している基本形状（例えば通常直線状に形状記憶処理がされる）とは異なる形状を含む。他の形状が基本形状と異なるか否かは、例えば繊維を投影した時の曲がりのピッチ、振幅の大小などを比較することができ、また他の形状が、例えば繊維材料の長手方向全体を通じて連続させても、断続させてもよい。また変形形状、変形程度が異なる部分を混在させたものとすることができる。
【００１４】
前記超弾性繊維材料として、例えば複数の繊維フィラメントを集合させたトウに前記他の形状を発生させた場合には、各繊維はその束内で不規則な自由形状が付与されることから、トウ全体としては繊維の分布密度を小さくなり伸縮性を発揮できる。
【００１５】
従って、例えば伸縮性にすぐれた超弾性材料からなる織物製品を得ようとする場合には、超弾性の繊維フィラメント、それらのトウに所定の引張応力を付加して前記他の形状を発現させた繊維材料を用いて製織加工することによって得ることができる。しかも、各繊維材料の他の形状を選択し、繊維密度を小さくすることによって、加工後の製品には高い弾力性と小さい目開き特性がもたらされることとなる。
【００１６】
また、この方法以外にも、例えば前記基本形状の超弾性繊維材料をそのまま用いて一旦織物などに成形し、その成形品に必要な引張り応力をその全体又は部分的範囲に加えることによって、前記他の形状の製品をうることも可能である。
【００１７】
図１は、基本形状の部分２と他の形状の部分３とを有する超弾性繊維材料１を示している。また図２の下段の図のように全体を他の形状の部分とすることもできる。なお、上段の図は下段の繊維材料の基本形状における形態を示す。
【００１８】
このような他の形状の超弾性繊維材料１により、例えばフェルト製品等を製造する場合においては、例えば予め長さ３０mm程度の長さに切断して超弾性材料の短繊維として、これをランダムに堆積させ、又はカード機に供給しフェルト成形することができる。これにより、繊維の他の形状部分による三次元的な立体配向によって各空隙精度、柔軟性、弾力性、からまり強度を高めることができる。また必要に応じてバインダー等によって結合させ一体的な剛性、又は可撓性の不織布製品とすることもできる。
【００１９】
なおこのような製品は、例えば除電ブラシとして用いうる。除電ブラシについては、例えば特開昭５３−１３５９７号公報、特開昭５７−１９９９８号公報などが開示するように、テープ状の支持体間に除電体を等間隔に挟持している。除電体として、前記他の形状を出現させた束状の繊維材料を用いることにより、ブラシ先端側での各繊維の広がりを大きくすることができ、被除電品に接触する繊維間隔が小さくなってより効率的な除電効果が得られる。
【００２０】
超弾性繊維材料としては、例えば通常の形状記憶合金、超弾性合金として用いられるＮｉＴｉ合金、ＣｕＺｕ合金、又はその一部を他の次の元素で置換させてなる公知の材料を採用でき、例えば、繊維フィラメントの繊維フィラメントの複数本を集束した繊維束、トウとして形成される。後者の繊維束に関して、予め集束した繊維束を得る方法としては、例えば超弾性繊維となる素材の複数本を各々隔離しながら全体を外装材で包んで得た複合線材をダイス引抜きする、いわゆる集束伸線加工による方法（特開昭６３−２０３２１２号）が採用できる。
【００２１】
特にこの集束伸線法による繊維材料の場合には、繊維生産性を高めるとともに、図３，４に示す如く、バニシ加工されていない粗な外表面と、断面非円形の不規則形状の繊維フィラメントを得ることができる。
【００２２】
このような粗な形状の繊維フィラメントにおいて、横断面における全周の実周囲長さを換算繊維径による周囲長さ（換算繊維径×π）の１．０５〜５倍程度の起伏形状とした場合には、前記他の形状を発現させやすくまた各繊維同士の絡まり強度も大きくできる利点があるが、通常１．０５〜２．５倍程度とするのがよい。
【００２３】
ここで換算繊維径とは横断面面積からその横断面面積を有する真円の直径として換算したその直径値をいう。
【００２４】
超弾性繊維材料として、換算繊維径を２〜８００μｍの太さとする。これは８００μｍを越える程太くしたものでは、繊維自身の剛性によって他の形状の発現を困難にし、あるいは引張応力の付加の為の設備を必要とすることとなり、また用途が限られることとなる。
【００２５】
２μｍ未満のような微細繊維とするときにも、使用する繊維材料が難加工材で細線化困難であることから、通常の加工では達成困難であり、好ましい線径範囲としては５〜３００μｍ、より好ましくは２０〜１００μｍとする。
【００２６】
前記したこの繊維材料には、破断にまでは至らない塑性変形域での引張応力を付加・除荷させる。破断にまでは至らない塑性変形域での引張応力とは、図５に示すような、例えばその材料の引張破断試験の結果を縦軸に荷重を横軸に歪を示す荷重ー歪曲線とした線図から求めることができる。
【００２７】
通常、超弾性金属材料の前記曲線は、荷重の付加に伴い歪が比例的に増加する比例域Ａ、見掛け上の降伏域で歪が増加しても荷重が変わらないプラトー域Ｂ、永久変形を起こす塑性域Ｃを経て破断点Ｄに達するという過程を経るが、少なくともプラトー域Ｂまでの歪に対してはこれを除荷することによってほぼ元の形状に回復する。なおこのプラトー域Ｂは、例えば５％〜１０％程度の歪の領域と言われている。
【００２８】
破断にまでは至らない塑性変形域での引張応力を加えるとは、超弾性繊維材料の全体もしくはその一部に所定の破断にまでは至らない塑性変形域での引張応力、即ちプラトー域Ｂを越え、かつ破断にまでは至らない程度の引張応力を加えることをいう。この引張荷重を付加することによって、該材料が有していた初期の例えば直線状である基本形状から伸長した伸長形状を呈するとともに、除荷することにより、前記基本形状、伸長形状とは異なる前記他の形状を発現させる。
【００２９】
なお、この引張応力を付加した後には除荷する。このような引張応力の付加、除荷は、適宜繰返し行うこともできる。このような付加、除荷によって、繊維が当初有していた基本形状とは異なる前記他の形状に変化する。またその変形程度は、引張力を大とするか、繰り返し回数を増すことにより変形が大きくなる傾向を示した。
【００３０】
また、前記他の形状において、少なくとも８０％以上の形状回復特性を具備している。したがって、これは基本形状における場合と同様であり、従って、基本形状、他の形状のいずれの状態（変形繊維状態の形状の超弾性繊維材料）でも弾性材料として十分に使用することができ、使用者は自在に選択できる。ここで形状回復特性は、材料が有するＡ５点温度（オーステナイト変態終了温度）以上の温度域での値をいい、８０％以上とはこの温度域での値をいう。
【００３１】
さらに、このような超弾性繊維材料をの製造するには、超弾性の繊維フィラメントの集束された複数本の束に、少なくともその軸芯方向とは異なる方向に曲げ、捻りなどの別向きの応力を付加し、もしくは付加しながら所定張力を加えて形状記憶熱処理させる。ここで前記応力が付加される超弾性の繊維フィラメントとは、未だ超弾性機能までは有しない繊維フィラメントである。
【００３２】
またこの他の形状を出現させる為の手段としては、例えば上下一対の歯型間に挟みながら形成した凹凸を生じさせる別向きの応力を付加することができる。このように付与された凹凸形状は、熱処理時の全体的な張力によって軽減されほぼ直線状態となる。
【００３３】
形状記憶熱処理は、通常の超弾性線材などと同様に、例えば温度３５０〜５００℃程度の連続炉で行われるが、例えば繊維フィラメントを所定の型にセットしバッチ方式で熱処理することもできる。しかしこのような処理は、熱膨張や繊維形状などの観点から満足しがたいときには、連続ストランド方式も用いうる。
【００３４】
またこの連続ストランド方式による場合、超弾性の素材繊維には所定張力を加え、ほぼ直線状で加熱されることとなるがこのとき、前記のように引張力とは異なる方向の例えば曲げ、又は捻りなどの別向きの応力を加える。
【００３５】
なお直線状態の繊維材料に前記の引張応力を付加することにより他の形状に変化させる理由は解明されてはいないが、この熱処理時の張力によって前記別向きの応力の影響を見掛け上抑圧し、その後に付加される塑性変形域での大きな変形により記憶された本来の形状が多少であれ、蘇生するものと推測される。
【００３６】
したがって、別向きの応力を付加することで得られる形状と記憶熱処理後の引張り応力によって発生する前記他の形状とは、必ずしもその大きさや状態までも同一なものとして再現されるものではなく、その為、設計時にはその条件などについて調整しておくことが望まれる。
【００３７】
実験例として、例えば前記繊維材料として複数本の繊維トウを用い、また形状記憶熱処理前に該トウに捩りを与えて加熱したものでは、見掛け上は直線状態を持ちながらも、一旦これを大きな力で数回引張ったことによって、個々の繊維は大きな螺旋形状に変化され、各繊維の分布密度が小さいトウとすることができた。
【００３８】
【実施例】
図２の上段の図は、１９本の換算繊維径２５μｍの繊維フィラメントからなる超弾性繊維材料を１回／インチのねじりを与えながら直線状に記憶熱処理したままの超弾性繊維フィラメントのトウを示している。また下段の図は、このトウを数回、破断にまでは至らない塑性変形域で８０〜９０kg／mm² の引張応力を加えた後に生じた他の形状を発現した状態を示し、全体的に螺旋状の形状に変化していることが解る。なお図３はこの繊維の表面状態を示す１００倍の拡大図、図４は、断面形状の４００倍拡大図である。
【００３９】
図６は、本発明にかかる超弾性の繊維フィラメントの束に、軸芯方向とは異なる捻れの別向きの応力を付加して形状記憶熱処理させた超弾性繊維材料に、５％歪を与えた引張試験の結果であり、温度４０゜Ｃ、２５゜Ｃ、１０゜Ｃ、０゜Ｃ、及び−１０゜Ｃの場合を（ａ−１）、（ｂ−１）、（ｃ−１）、（ｄ−１）、（ｅ−１）で示している。各温度においてプラトー部が見られ、回復率約８０〜８９％を有している。一方、これを引張って他の形状とした場合を（ａ−２）、（ｂ−２）、（ｃ−２）、（ｄ−２）、（ｅ−２）に示している。他の形状の場合には、プラトー部は見られず、加工硬化型のように荷重とともに歪が増加する状態を示した。したがって、このいずれの状態の繊維も弾性材料としての特性を備えたものである。また他の形状における弾性特性は−１０゜Ｃの場合を除いて基本形状の場合よりも高い８０％以上の形状回復率となる機能を有し、またこれらの図から、他の形状のものでは基本形状の場合と比較して降伏点が大して低下していないことも特徴事項といえる。
【００４０】
このようにして得られる繊維材料は、見かけ上は真直状態にあるものの前記方法で引張荷重を加えることによって、隠れていた他の形状、すなわち螺旋形や波型形状を出現させることができることから、従来から使用されている例えばステンレス鋼繊維に変えて、糸、織布、編布、ロープ、フェルト、さらには他の繊維などと複合させることができる。
【００４１】
【発明の効果】
このように超弾性繊維材料は、単に繊維の軸芯方向からの引張り応力を付加することによって他の形状に変化させることができ、しかもその状態でも高い回復率を備えている為に、極めて容易に処理することができるとともに、従来では達成できなかった繊維の分布密度を小さくすることができる。
【００４２】
なお、これを使用する場合には他の形状まで発現させない状態でも可能であり、その選択は自由に行うことができる。
【００４３】
また形状記憶熱処理時に付加する別向きの応力によって発現させることができることから、容易に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】超弾性繊維材料の一形態を例示する平面図である。
【図２】超弾性繊維材料の他の形態を例示する拡大平面図である。
【図３】集束伸線法による超弾性繊維材料を例示する平面図である。
【図４】その断面図である。
【図５】超弾性繊維材料の荷重ー伸び線図である。
【図６】５％の歪の回復特性を比較した線図である。
【符号の説明】
２基本形状の部分
３他の形状の部分

Claims

横断面面積から算出される換算繊維径が５〜３００μｍの繊維フィラメントの集束された複数本の束からなる超弾性繊維材料であって、
該超弾性繊維材料は、少なくともその軸芯方向とは異なる方向の別向きの応力を付加しながら所定張力を加えて形状記憶熱処理することにより見掛け上は直線状態を具えるとともに、
破断にまでは至らない塑性変形域での引張応力を加えかつ除荷したときには、前記引張応力を付加する前の繊維状態とは実質的に異なる他の形状に変形した変形繊維状態をなし、かつ変形繊維状態の弾性特性が、少なくとも８０％以上の形状回復率となる機能を有するものであることを特徴とする超弾性繊維材料。
前記超弾性繊維材料は、変形繊維状態とすることにより、その束内における前記繊維の分布密度が小となることを特徴とする請求項１に記載の超弾性繊維材料。
前記超弾性繊維材料は、バニシ加工されていない粗雑な外表面の繊維フィラメントからなり、かつ横断面の実周囲長さが該繊維の換算繊維径により求まる周囲長さの１．０５〜５倍となる断面非円形形状に形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の超弾性繊維材料。
前記変形繊維状態の形状は、長手方向に螺旋をなす螺旋形状であることを特徴とする請求項２又は３に記載の超弾性繊維材料。