群 馬 県 立 産 業 技 術 センター研 究 報 告 （2008）

絹繊維/PBS 複合材料の力学特性に及ぼす

繊維表面処理と繊維含有率の効果

宋 東烈・吉井 圭＊・荻原慎二＊＊

Effect of Fiber Surface Treatments and Fiber Contents on Mechanical Properties of

Silk/PBS Composites

Dong-Yeul SONG, Kei Yoshii and Shinji Ogihara 種々の表面処理を施した絹繊維を強化材とし、マトリックスに生分解性樹脂であるPBS

を用いた一方向強化複合材料を作製、引張試験を行って、その力学的特性を調べた。また、

単一繊維複合材料のプルアウト試験を行い、界面強度を評価し、複合材料の力学的特性と

の関係を検討した。

キーワード：射出成型絹／PBS 複合材料、絹繊維表面処理、力学的特性 Single fiber yarn (diameter of about 50-70μm) bundled with filaments of about 12μm diameter,

pull out specimen was fabricated using different surface-treated silk fibers and

biodegradable PBS(Polybutylene succinate) plastic, and interfacial strength between silk

fiber and PBS matrix was evaluated using pull out specimens. Three types of surface treatments

were the untreatment, the limited removal(the content of about 45%) of sericin covered on

the silk fiber(fibrous) and the“ensui processing”of silk fiber. Injection molded silk

short fibers reinforced PBS composites were fabricated using both silk fiber and PBS pellets,

and its mechanical properties were investigated and characterized with regard to the surface

treatment and content of fiber using these molded specimens. As a result, it is revealed

that the mechanical properties of composites have a close relation with the change of the

interfacial strength and the content of fiber.

Keywords: Injection Molded Silk/PBS Composites, Silk Fiber Surface Treatment, Mechanical Properties

１ まえがき

汎用プラスチックは軽量・高強度などの特性を

有することから様々な分野に用いられている。し 研究開発係 ＊繊維工業試験場

＊＊東京理科大学

かし、使用後の処理において、環境への負荷が大

きいことやそのことが生態系の破壊にも繋がるこ

とが問題視されている。そこで、廃棄後に自然界

の微生物によって最終的に水と炭酸ガスに分解さ

れる生分解性プラスチックが開発され注目されて

いる１，２）。しかし、汎用プラスチックに比べ力学

的特性が劣るため、繊維強化複合材料としてその

欠点を補う。樹脂の生分解性を損なわない強化法

として強化材の繊維に天然繊維を利用し生分解性

複合材料とすることが知られている。中でも繊維

に絹繊維を使用すると、絹繊維の破断伸びが大き

い特徴を活かし、高靭性・高強度を有する複合材

料となることが期待される３）。本研究では、種々

の表面処理を施した絹繊維を強化材とし、マトリ

ックスに生分解性樹脂であるポリブチレンサクシ

ネート(PBS)を用いて、単繊維プルアウト試験を行

い、繊維表面処理と繊維／樹脂界面せん断強度の

関係を調べた。また、同じ繊維表面処理を施した

一方向絹繊維強化複合材料（以降、SF/PBS と表記）

や射出成型絹短繊維強化複合材料（以降、SFS/PBS

と表記）を作製し、その力学的特性に及ぼす繊維

表面処理や繊維含有量の影響を検討することを目

的とする。

２ 実験方法

試験片材料には PBS であるビオノーレ（(株)昭

和高分子）と 3種類の異なる表面処理を施した絹

繊維（単一絹繊維の直径 50-70μm で、本研究では

単一繊維を 7-8 本束ねた繊維束を用い、単繊維（生

糸）と称する）を用いた。未処理の絹繊維を SF-1、

セリシン（繭糸を構成するフィブロイン周りを覆

う粘り気のある蛋白質のこと）を 46%除去した絹

繊維を SF-2、エンスイ加工と呼ばれるセリシン定

着加工を施した絹繊維を SF-3 とする。プルアウト

試験片は絹繊を 2枚の PBS 樹脂フィルム間におい

てホットプレス成形により作製し用意した。

SF/PBS は、試験片寸法に対して繊維体積含有率が

10%、20%、30%となるように繊維を数えて含有させ、

各繊維につき製作した。SFS/PBS については、予

め連続の絹繊維を少量のパラフィンで固着させ、

樹脂と同様にペレット化（長さ 5-7mm）して 10%、

15%、20%の繊維重量含有率で PBS 樹脂ペレットと

混合し射出成型機を用いて試験片を作製した。成

型条件は金型温度 40℃、ノズル温度 140℃、シン

リンダー温度 115-135℃、金型内の試料の冷却時

間は 30秒とした。プルアウト試験や引張試験とも

に、負荷速度 0.5mm/min の室温下で行った（PBS

樹脂単体については、10mm/min とした）。ひずみ

は試験片中央部に貼り付けたひずみゲージで測定

した。衝撃試験はノッチ入れ試験片を用いてアイ

ゾット衝撃試験機で行った。また、表面処理によ

る破壊特性の違いを把握するために引張試験後の

破断面を走査型電子顕微鏡で観察した。

３ 実験結果と考察

図１にSF/PBSの体積含有率30%における応力－

ひずみ曲線に及ぼす繊維表面処理の影響を示す。

SF-2/PBS が最も引張強度が高く、SF-3/PBS が最も

破断ひずみが高いことがわかる。つまり、未処理

の絹繊維からセリシンを46%取り除くとSF/PBSの

引張強度は未処理の絹繊維を使用した場合より向

上するが、破断ひずみはそれほど向上しない、エ

ンスイ加工を施すと引張強度･破断ひずみ共に向

図 1 SF/PBS の応力－ひずみ曲線

図２ プルアウト試験結果

0

20

40

60

80

100

120

140

0 2 4 6 8 10

Stre

ss (M

Pa)

Longitudinal strain (%)

PBS 単体SF-1/PBS(Vf:30%)SF-2/PBS(Vf:30%)SF-3/PBS(Vf:30%)

PBS 単体SF-1/PBS(Vf:30%)SF-2/PBS(Vf:30%)SF-3/PBS(Vf:30%)

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

SF-1:未処理SF-2:セリシン 46% 除去SF-3:エンスイ加工

Inte

rfac

ial s

hear

stre

ngth

τ(M

Pa)

SF-1/PBS

SF-2/PBS

SF-3/PBS

3.22MPa

4.21MPa

3.48MPa

上することがわかった。図２にプルアウト試験に

より算出した界面せん断強度を示す。SF-1 と SF-2

を比較すると、セリシン－PBS の界面よりフィブ

ロイン－PBS の界面せん断強度の方が高いことが

示唆される。図１、２より SF-1 と SF-3 を比較す

ると、繊維－樹脂の界面せん断強度はあまり変わ

らないが、絹繊維にエンスイ加工を施すことによ

り複合材料の破断ひずみは大きく向上している。

a) SF-1/PBS

b) SF-2/PBS

c) SF-3/PBS

図３ SF/PBS 試験片の破断面観察結果例

図３は各試験片の引張試験後の破断面の様子を

示す。未処理の絹繊維を用いた SF-1／PBS の場合

は、繊維と樹脂の間がはがれていて繊維と樹脂の

接着性が悪いことがわかる。また、繊維が引き抜

けた跡の穴が多くみられ繊維引き抜けの数が多く、

引き抜け長さが長いことが特徴的である。この結

果から絹繊維と PBS の界面強度は弱いことが考え

られる。セリシンを４６％除去した SF-2／PBS の

破面を見ると、繊維と樹脂の接着性が良いことが

わかる。また、引き抜け長さは未処理のものに比

べて短いことがわかる。このことから SF-2／PBS

の界面強度は高いことが考えられる。一方、SF-3

／PBS の場合は、繊維の引き抜けはほとんど見ら

れない。また、引き抜きが起こっている場所での

引き抜け長さが非常に短い。よって、絹繊維にエ

ンスイ加工を施すことにより繊維と樹脂の界面の

はく離進展を抑制していると考えられる。

表１に PBS 樹脂と射出成型複合材料（SFS-1、

SFS-2／PBS）のアイゾット衝撃値を示す。射出成

型複合材料の衝撃値は樹脂単体と比較して 3倍以

上高い値を示した。これは破断伸びが大きい絹繊

維を充填することによる補強効果が得られたとい

える。また、繊維含有率の増加とともに衝撃値も

200μm200μm200μm

200μm200μm200μm

50μm50μm

50μm50μm

50μm50μm

50μm50μm200μm200μm200μm

高い。一方、繊維含有率２０％において、セリシ

ンを４６％除去した絹繊維を用いた射出成型複合

材料試験片（SFS-2／PBS）の衝撃値が未処理絹繊

維を用いた試験片（SFS-1／PBS）と比べ高いこと

がわかる。これは、複合材料の衝撃破壊特性が繊

維／樹脂界面の応力伝達能力に依存し、界面せん

断強度が高い SFS-2／PBS の方が衝撃破壊抵抗も

大きいことを示唆する。

表１ アイゾット衝撃値

４ まとめ

本研究では、PBS と数種の表面処理を行った絹

繊維を用いてプルアウト試験、一方向絹繊維強化

複合材料の引張試験、射出成型複合材料試験片の

衝撃試験を行うことで、繊維表面処理、繊維含有

率による力学的特性への影響を評価し、以下の結

言を得た。

１）試験片を作製しプルアウト試験を行った結果、

セリシンを４６％除去した絹繊維と PBS との界面

せん断強度が最も高いことが明らかとなった。ま

た、同じ条件下において、一方向絹繊維強化 PBS

複合材料を作製し、引張試験を行った結果、引張

強度とプルアウト試験から得られた界面せん断強

度において傾向が良い一致を示した。

２）射出成型ランダム配向絹短繊維強化複合材料

を作製し、アイゾット衝撃試験を行った結果、樹

脂単体と比べ、衝撃強度が大きく向上することが

明らかになった。また、繊維／樹脂界面せん断強

度が高いほど衝撃値も高くなることがわかった。

さらに、繊維含有率の増加に従って衝撃強度も高

くなることを確認した。

３）本研究により、繊維／樹脂間の界面特性制御

により十分に強化効率が得られた複合材料の作製

が可能であることが示された。さらに成型プロセ

スを最適化することにより破断ひずみが１０％以

上の生分解性複合材料が得られることが十分期待

できる。これは、従来の複合材料にはない特性で

あり、新規用途が見込まれるものであり、実用化

の可能性は高いと考えられる。

文 献

1) 土肥義治: 生分解性プラスチックのおはなし, 日本規格協会、1991

2) 海老原熊雄: 高性能分子系複合材料, 財団法人

高分子社、1989. 3) G. Bogoeva et al: Natural Fiber

Eco-Composites, Polymer Composites、Vol. 28、(2003) 59-63.

Fiber Content(wt%) 0 10 15 20 10 15 20

5.34 16.12 17.50 16.12 11.28 15.22 22.126.08 12.56 17.04 16.12 13.00 13.44 15.686.44 14.78 13.44 21.18 10.00 16.12 19.34

5.95 14.48 15.99 17.80 11.42 14.92 19.00

PBS SFS-1/PBS SFS-2/PBS

Izod impact Strength(KJ/m2)

Average value (KJ/m2)

Fiber Content(wt%) 0 10 15 20 10 15 20

5.34 16.12 17.50 16.12 11.28 15.22 22.126.08 12.56 17.04 16.12 13.00 13.44 15.686.44 14.78 13.44 21.18 10.00 16.12 19.34

5.95 14.48 15.99 17.80 11.42 14.92 19.00

PBS SFS-1/PBS SFS-2/PBS

Izod impact Strength(KJ/m2)

Average value (KJ/m2)