JP6944112B2 - フィラメント、構造体及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、フィラメント、構造体及びその製造方法に関する。

特許文献１には、使用温度付近にガラス転移温度を設定したウレタンエラストマーを用いた形状記憶成形体が開示されている。形状記憶成形体の例として、ギブス等が挙げられている。

特開平５−３２０３６６号公報

特許文献１では、ウレタンエラストマー自体をギブスの材料として用いているので、他の材料を用いることができない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、任意の材料の被着体に形状記憶特性を発揮させることを可能にするフィラメントを提供するものである。

本発明によれば、線状の芯材と、前記芯材を被覆する被覆層を備える、フィラメントであって、前記芯材は、形状記憶材料で形成され、前記被覆層は、前記芯材とは異なる材料で形成される、フィラメントが提供される。

本発明者は、被着体の形状を変化させるための賦形パターンを、形状記憶材料で形成されたフィラメントを用いて形成することによって、任意の材料の被着体に形状記憶特性を発揮させることができることに気づいた。一方、形状記憶材料と被着体の溶着性が良好でない場合には、フィラメントを被着体に溶着させることが容易ではないという課題に気づいた。そして、形状記憶材料で形成された芯材が被覆層で被覆された構成のフィラメントを用いれば、被着体との溶着性に優れた材料を被覆層の材料として選択することによって、任意の材料の被着体とフィラメントの溶着性を良好にすることができることに気づき、本発明の完成に到った。本発明のフィラメントを用いて、被着体の形状を変化させるための賦形パターンを被着体に形成することによって、任意の被着体に形状記憶特性を発揮させることが可能になる。

以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は互いに組み合わせ可能である。

好ましくは、前記記載のフィラメントであって、前記芯材の材料が形状記憶ポリマーであり、前記被覆層の材料が熱可塑性樹脂である、フィラメントである。

好ましくは、被着体と、前記被着体の形状を変化させるための賦形パターンを備える、構造体であって、前記賦形パターンは、前記記載のフィラメントによって形成され、前記フィラメントの被覆層が前記被着体に溶着されている、構造体である。
好ましくは、前記記載の構造体であって、前記被覆層の材料は、前記芯材の材料よりも前記被着体に溶着されやすい材料である、構造体である。
好ましくは、前記記載の構造体であって、前記被着体の表面の材料のＳＰ値をＳＰｂａｓｅ、前記被覆層の材料のＳＰ値をＳＰｃｏｖｅｒ、前記芯材の材料のＳＰ値をＳＰｃｏｒｅとし、ΔＳＰｃｏｖｅｒとΔＳＰｃｏｒｅを式（１）〜（２）で定義すると、式（３）の関係が成り立つ、構造体である。
ΔＳＰｃｏｖｅｒ＝｜ＳＰｃｏｖｅｒ−ＳＰｂａｓｅ｜ （１）
ΔＳＰｃｏｒｅ＝｜ＳＰｃｏｒｅ−ＳＰｂａｓｅ｜ （２）
ΔＳＰｃｏｖｅｒ＜ΔＳＰｃｏｒｅ （３）
好ましくは、前記記載の構造体であって、式（４）の関係が成り立つ、構造体である。
ΔＳＰｃｏｖｅｒ≦１．３ （４）

好ましくは、熱溶融方式の３Ｄプリンタを用いた構造体の製造方法であって、被着体の形状を変化させるための賦形パターンを形成する賦形パターン形成工程を備え、前記賦形パターン形成工程では、被覆層が芯材を被覆するように前記被覆層及び前記芯材をヘッドから溶融押し出しし、前記被覆層を前記被着体に溶着させることによって前記賦形パターンを形成し、前記芯材は、形状記憶ポリマーで形成され、前記被覆層は、前記芯材とは異なる熱可塑性樹脂で形成される、方法である。
好ましくは、前記記載の方法であって、前記賦形パターン形成工程では、前記記載のフィラメントを前記ヘッドに挿入し、前記被覆層が前記芯材を被覆した状態で前記フィラメントを前記ヘッドから溶融押し出しする、方法である。

本発明の一実施形態のフィラメント１を示す斜視図である。 本発明の一実施形態の構造体５の製造工程を示す斜視図である。 本発明の一実施形態の構造体５を示し、賦形パターン６が原形状である状態を示す斜視図である。 図３の構造体５の賦形パターン６の端面近傍の拡大図である。 図５Ａ〜図５Ｂは、図４の変形例である。 本発明の一実施形態の構造体５を示し、賦形パターン６が二次形状である状態を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。また、各特徴について独立して発明が成立する。

１．フィラメント１の構成及び製造方法
図１に示すように、本発明の一実施形態のフィラメント１は、線状の芯材２と、芯材２を被覆する被覆層３を備える。芯材２が線状であるために、フィラメント１も線状になっている。

芯材２は、形状記憶材料で形成される。形状記憶材料は、形状記憶特性を有する材料であり、合金、ポリマーなどで構成される。形状記憶特性とは、所定の回復温度以上に加熱することによって弾性によって原形状に復帰する特性を有する。回復温度は、材料ごとに定まる温度であり、例えば０〜１００℃であり、好ましくは、２５〜８０℃であり、具体的には例えば、０、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、１００℃であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

形状記憶材料が形状記憶合金である場合、回復温度は、変態点である。形状記憶合金は、変態点未満の温度で原形状から二次形状に変化させると、変態点未満では二次形状が維持され、形状記憶合金を変態点以上に加熱すると弾性によって原形状に復帰する。原形状は、例えば、形状記憶合金を所望の形状に固定した状態で熱処理（例：４００〜５００℃での熱処理）を行うことによって設定することができる。形状記憶合金としては、ＮｉＴｉ合金が例示される。

形状記憶材料が形状記憶ポリマーである場合、回復温度は、ガラス転移温度（Ｔｇ）である。形状記憶ポリマーは、Ｔｇ以上の温度で外力を加えて二次形状に賦形し、外力を維持したままＴｇ未満の温度に冷却すると、二次形状が固定される。Ｔｇ未満の温度では、外力を取り除いても原形状に復帰しない。一方、二次形状が付された形状記憶ポリマーをＴｇ以上の温度に加熱し、外力を加えない状態にすると、弾性によって原形状に復帰する。原形状は、例えば形状記憶ポリマーを溶融させて所望の形状に成形することによって設定することができる。形状記憶ポリマーとしては、ゴム弾性を有するポリマーが挙げられ、例えば、ポリノルボルネン、トランスポリイソプレン、スチレン−ブタジエン共重合体、ポリウレタンなどが挙げられる。

被覆層３は、芯材２とは異なる材料で形成される。被覆層３の材料は、特に限定されないが、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン、ＰＥＴなどのポリエステル、ポリウレタンなどが挙げられる。

被覆層３の材料として、フィラメント１を溶着させる被着体４（図２を参照）との親和性が高い材料が好ましい。この場合、芯材２の材料に関わらず、フィラメント１を被着体４に溶着させることができる。例えば、被着体４がＰＥＴで形成され、芯材２がポリウレタンである場合、被覆層３の材料として、ＰＥＴを選択する。この場合、被着体４と被覆層３の溶着性が極めて良好になる。

フィラメント１の直径は、例えば０．５〜３ｍｍであり、好ましくは、１．７５〜３ｍｍであり、具体的には例えば、０．５、１、１．５、１．７５、２、２．５、３ｍｍであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。フィラメント１の半径をＲｆｉｌとし、芯材２の半径をＲｃｏｒｅとすると、Ｒｃｏｒｅ／Ｒｆｉｌは、０．６〜０．９９が好ましく、０．８〜０．９５がさらに好ましく、具体的には例えば、０．６、０．６５、０．７、０．７５、０．８、０．８５、０．９、０．９２、０．９５、０．９９であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

フィラメント１は、芯材２の材料と被覆層３の材料を多層押出することによって形成することができる。

２．構造体５の構成及び製造方法
図２〜図６に示すように、本発明の一実施形態の構造体５は、被着体４と、被着体４の形状を変化させるための賦形パターン６を備える。賦形パターン６は、上記のフィラメント１によって形成されており、フィラメント１の被覆層３が被着体４に溶着されている。

被覆層３の材料は、芯材２の材料よりも被着体４に溶着されやすい材料である。このような材料で芯材２を被覆することによって被着体４へのフィラメント１の溶着性が向上する。

また、ハンセン溶解度パラメータ（以下、ＳＰ値）で表現すれば、被着体４の表面の材料のＳＰ値をＳＰｂａｓｅ、被覆層３の材料のＳＰ値をＳＰｃｏｖｅｒ、芯材２の材料のＳＰ値をＳＰｃｏｒｅとし、ΔＳＰｃｏｖｅｒとΔＳＰｃｏｒｅを式（１）〜（２）で定義すると、式（３）の関係が成り立つことが好ましい。つまり、被着体４と被覆層３のＳＰ値の差の絶対値が、被着体４と芯材２のＳＰ値の差の絶対値よりも小さいことが好ましい。

このような材料で芯材２を被覆することによって被着体４へのフィラメント１の溶着性が向上する。ΔＳＰｃｏｒｅ−ΔＳＰｃｏｖｅｒの値は、０．１以上が好ましく、例えば０．１〜１０であり、具体的には例えば、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０であり、ここで例示した数値の何れか１つの値以上、又は２つの間の範囲内であってもよい。

ΔＳＰｃｏｖｅｒ＝｜ＳＰｃｏｖｅｒ−ＳＰｂａｓｅ｜ （１）
ΔＳＰｃｏｒｅ＝｜ＳＰｃｏｒｅ−ＳＰｂａｓｅ｜ （２）
ΔＳＰｃｏｖｅｒ＜ΔＳＰｃｏｒｅ （３）

さらに、式（４）の関係が成り立つことが好ましい。つまり、被着体４と被覆層３のＳＰ値の差の絶対値が１．３以下であることが好ましい。この場合、被覆層３が被着体４に強固に溶着される。ΔＳＰｃｏｖｅｒは、１．０以下が好ましく、０．５以下がさらに好ましく、具体的には例えば、０、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１、１．１、１．２、１．３であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。被着体４の表面と被覆層３は、同じ材料で形成されることが好ましい。
ΔＳＰｃｏｖｅｒ≦１．３ （４）

賦形パターン６の形成方法は、特に限定されず、形状記憶材料の種類に応じて適切な方法が適宜選択される。例えば、芯材２の材料が形状記憶ポリマーであり、被覆層３の材料が熱可塑性樹脂である場合には、賦形パターン６は、熱溶融方式の３Ｄプリンタを用いて形成することができる。一例では、図２に示すように、フィラメント１をヘッド７に挿入し、フィラメント１を被覆層３が芯材２を被覆した状態でヘッド７から溶融押し出しし、被覆層３を被着体４に溶着させることによって賦形パターン６を形成することができる。この方法によれば、賦形パターン６を容易に形成することが可能である。ヘッド７に挿入するフィラメント１の半径をＲｂｅｆｏｒｅ、ヘッド７から押し出されたフィラメント１の半径をＲａｆｔｅｒとすると、Ｒａｆｔｅｒ／Ｒｂｅｆｏｒｅは、０．１〜１が好ましく、具体的には例えば、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。賦形パターン６の精度を高めるには、Ｒａｆｔｅｒを小さくすることが好ましいが、Ｒａｆｔｅｒを小さくすると、その分だけ被覆層３が薄くなって被着体４への溶着性が悪化する。Ｒａｆｔｅｒは、例えば０．１〜０．５ｍｍであり、具体的には例えば、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５ｍｍであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

ヘッド７の先端と被着体４の間の距離は、例えば０．１〜１ｍｍであり、具体的には例えば、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１ｍｍであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

賦形パターン６は、１本のフィラメント１で構成してもよいが、図３〜図４に示すように、複数（ここでは５本）のフィラメント１を幅方向に溶着して構成してもよい。複数のフィラメント１は、被覆層３で互いに溶着されるので、溶着強度が高い。賦形パターン６を構成するフィラメント１の幅方向の本数は、例えば、１〜３０本であり、具体的には例えば、１、５、１０、１５、２０、２５、３０本であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

また、図３〜図４では、１層のフィラメント１で賦形パターン６を構成しているが、図５に示すように、複数層のフィラメント１で賦形パターン６を構成してもよい。複数層のフィラメント１は、図５Ａに示すように、下層の２本の芯材２の間に、その上の層の芯材２が配置されるように構成してもよく、図５Ｂに示すように、下層の芯材２の上に、その上の層の芯材２が配置されるように構成してもよい。賦形パターン６を構成するフィラメント１の層数数は、例えば、１〜３０層であり、具体的には例えば、１、３、５、１０、１５、２０、２５、３０層であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

本実施形態では、被着体４は、織布、不織布、フィルムなどのシート状である。被着体４の材料は、特に限定されないが、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン、ＰＥＴなどのポリエステル、ポリウレタン、フッ素樹脂などが挙げられる。被着体４は、綿、麻、絹、羊毛などの天然繊維で形成されていてもよい。

賦形パターン６は、被着体４の片面にのみ設けてもよく、両面に設けてもよい。被着体４の表面積全体に対する、賦形パターン６が溶着されている領域の面積の割合は、１〜８０％が好ましく、１０〜５０％が好ましく、具体的には例えば、１、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０％であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。

３．構造体５の使用方法
ここで、芯材２の材料が形状記憶ポリマー（Ｔｇ：５５℃）である場合を例に挙げて、構造体５の使用方法について説明する。

図２〜図３に示すように、被着体４を平坦にした状態で直線状の賦形パターン６を形成すると、図３の状態で原形状となる。賦形パターン６がＴｇ未満の温度である状態では、形状記憶ポリマーの弾性率が大きい（変形しにくい）ので、賦形パターン６が容易には変形せず、被着体４の形状が平坦のまま維持される。

次に、賦形パターン６を加熱してＴｇ以上の温度にすると、形状記憶ポリマーの弾性率が大幅に低減されて賦形パターン６を自由に変形させて二次形状にすることができるようになる。例えば、図６に示すように、賦形パターン６を波板状に変形させ、その形状を維持したまま賦形パターン６をＴｇ未満の温度にまで冷却すると、その形状が維持される。賦形パターン６は被着体４に溶着されているので、被着体４の形状も波板状になる。

次に、賦形パターン６を加熱してＴｇ以上の温度にして、外力を加えないでいると、賦形パターン６が弾性によって原形状（直線形状）に復帰して、図３の状態になり、被着体４も平坦な状態に復帰する。

このように、構造体５では、形状記憶特性を有する賦形パターン６が被着体４に溶着されているので、被着体４にも形状記憶特性を発揮させることができる。

本実施形態では、被着体４を平坦にする状態が賦形パターン６の原形状になっているが、被着体４を筒状や折れ曲がり形状などの立体形状にする状態を賦形パターン６の原形状にしてもよい。また、本実施形態では、賦形パターン６は、直線状であるが、曲線状、ジグザグ形状、格子形状などの任意の形状にすることができる。

構造体５の具体例としては、例えば、衣服、テント、ヨットの帆、シートの座面、シューズなどの物品が挙げられる。ユーザーが既製品の形状に満足できない場合には、これらの物品を自分の好みに合わせて変形させることができる。そして、自分好みの形状が不要になったときには、これらの物品を回復温度以上の温度に加熱するだけで、元の形状に戻すことができる。

４．その他実施形態
・上記実施形態では、フィラメント１をヘッド７に挿入して、賦形パターン形成を行ったが、フィラメント１を用いずに、芯材２の材料と、被覆層３の材料を別々に溶融してヘッド７内で合流させ、被覆層３が芯材２を被覆するように被覆層３及び芯材２をヘッド７から溶融押し出ししてフィラメント１と同様の多層構造を形成するようにしてもよい。この場合、芯材２の材料と被覆層３の材料は、それぞれ、線状であってもよく、ペレット状などの別の形態であってもよい。
・芯材２には、セルロースナノファイバーなどのフィラーを配合してもよい。

１ ：フィラメント
２ ：芯材
３ ：被覆層
４ ：被着体
５ ：構造体
６ ：賦形パターン
７ ：ヘッド

Claims (8)

1. 線状の芯材と、前記芯材を被覆する被覆層を備える、フィラメントであって、
   前記芯材は、全体が形状記憶材料で形成され、
   前記被覆層は、前記芯材とは異なる材料で形成され、
   前記フィラメントは、直径が０．５〜３ｍｍである、フィラメント。
2. 請求項１に記載のフィラメントであって、
   前記芯材の材料が形状記憶ポリマーであり、
   前記被覆層の材料が熱可塑性樹脂である、フィラメント。
3. 被着体と、前記被着体の形状を変化させるための賦形パターンを備える、構造体であって、
   前記賦形パターンは、フィラメントによって形成され、
   前記フィラメントは、線状の芯材と、前記芯材を被覆する被覆層を備え、
   前記芯材は、形状記憶材料で形成され、
   前記被覆層は、前記芯材とは異なる材料で形成され、
   前記フィラメントの被覆層が前記被着体に溶着されている、構造体。
4. 請求項３に記載の構造体であって、
   前記被覆層の材料は、前記芯材の材料よりも前記被着体に溶着されやすい材料である、構造体。
5. 請求項３又は請求項４に記載の構造体であって、
   前記被着体の表面の材料のＳＰ値をＳＰｂａｓｅ、前記被覆層の材料のＳＰ値をＳＰｃｏｖｅｒ、前記芯材の材料のＳＰ値をＳＰｃｏｒｅとし、
   ΔＳＰｃｏｖｅｒとΔＳＰｃｏｒｅを式（１）〜（２）で定義すると、式（３）の関係が成り立つ、構造体。
   ΔＳＰｃｏｖｅｒ＝｜ＳＰｃｏｖｅｒ−ＳＰｂａｓｅ｜ （１）
   ΔＳＰｃｏｒｅ＝｜ＳＰｃｏｒｅ−ＳＰｂａｓｅ｜ （２）
   ΔＳＰｃｏｖｅｒ＜ΔＳＰｃｏｒｅ （３）
6. 請求項５に記載の構造体であって、
   式（４）の関係が成り立つ、構造体。
   ΔＳＰｃｏｖｅｒ≦１．３ （４）
7. 熱溶融方式の３Ｄプリンタを用いた構造体の製造方法であって、
   被着体の形状を変化させるための賦形パターンを形成する賦形パターン形成工程を備え、
   前記賦形パターン形成工程では、被覆層が芯材を被覆するように前記被覆層及び前記芯材をヘッドから溶融押し出しし、前記被覆層を前記被着体に溶着させることによって前記賦形パターンを形成し、
   前記芯材は、形状記憶ポリマーで形成され、
   前記被覆層は、前記芯材とは異なる熱可塑性樹脂で形成される、方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、
   前記賦形パターン形成工程では、請求項２に記載のフィラメントを前記ヘッドに挿入し、前記被覆層が前記芯材を被覆した状態で前記フィラメントを前記ヘッドから溶融押し出しする、方法。

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