5・1 緒言
第 4 章まででは，キンク損傷が引張強度の低下にどのような影響を及ぼすか について明らかにした．ここでは，紫外線照射がPBO繊維の引張強度に与える 影響について検討を行う．PBO 繊維等の発色団を持つ高分子は，紫外線光を吸 収すると大気中の酸素を繊維内部に吸収する自動酸化と呼ばれる化学反応が起 こることで，強度変化や着色の原因となる 1)．現在，PBO 繊維の耐光性につい て，紫外線による引張強度や疲労強度などの機械的特性への影響に関する研究 が多数報告されている2), 3)．しかし，キンク損傷の生じたPBO 繊維についての 紫外線照射の影響について報告した論文はほとんどなく，明らかにされるに至 っていない．緒論に前述したようにPBO繊維は製造時に僅かながらキンク損傷 が発生すること，使用環境下においてキンク損傷が生じることから，キンク損 傷を持つ繊維の耐光性について明らかにする必要がある．
そこで，本章では，PBO 繊維に異なる条件でキンク損傷を発生させた後，紫 外線を照射し単繊維引張試験を行い，キンク損傷と紫外線照射による複合損傷 がPBO繊維の引張強度に与える影響について評価した．ここで，本論文ではキ ンク損傷導入後に紫外線照射を行ったが，これは，前述したように，繊維製造 時にキンク損傷が発生することから損傷の導入は上記の順とした．また，紫外 線照射による引張強度に及ぼす酸素の影響を化学的に評価するために，EPMA
（Electron Probe Micro Analyzer）を用いて元素分析を行った．
5・2 供試材料
供試材料は2・2 供試材料と同様であるためここでは省略する．
- 74 -
5・3 単繊維引張試験
5・3・1 単繊維引張試験片作製方法および単繊維引張試験方法
キンク損傷の導入方法，単繊維引張試験片作製方法および試験方法は第 3 章 と同様であるためここでは省略する．
5・3・2 紫外線照射方法
紫外線照射には紫外線ランプ型照射装置（紫外線波長 : 365 nm）を使用した．
紫外線照射は繊維束の状態で行い，放射照度は8 W/m2の3条件とし，紫外線照
射時間は0，1，10 hの3条件とし，大気中で行った．また，繊維への紫外線の
照射は繊維束の状態で行ったが，個々の繊維に均一に紫外線が照射できるよう に繊維束を帯状に広げ，さらに繊維束上下面の照射時間が等しくなるように，
一定時間経過後，繊維束を裏返す操作を行った．また，酸素の影響を調査する ため窒素雰囲気中での紫外線照射を行った．窒素雰囲気の照射環境は図5-1に示 す環境槽を用いた．図5-1(a)は実際の環境槽の写真を，(b)は環境槽の模式図を示 している．環境槽の上部よりフロート式流量計（RK-1650，KOFLOC）を通して 窒素を導入し，環境槽の下部より排気した．装置内の酸素濃度の測定には図5-2 に示す酸素濃度計（MC-7GL，飯島電子工業）を用いた．装置内に高純度窒素（純
度 99.999%以上）を導入し，酸素濃度が 1ppm 以下になったことを確認した後，
繊維を装置内に入れ照射を開始した．紫外線照射中は空気の進入を防ぐため，
窒素を流したまま装置内の酸素濃度を1ppm以下に保った状態で行った．
- 75 -
Fig. 5-1 State of the environmental cistern of the nitrogen atmosphere.
(b) Schematic view (a) Photography
N2
N2
Air Flow meter
Oxygen detector Ultraviolet lamp
UV Fiber
Sensor Black-out film
- 76 -
5・3・3 引張試験結果および考察
第3章，第4章においてPBO繊維のキンク損傷による引張強度の低下の割合 を評価するために残存強度比を定義した．本章においても引張強度の評価にこ の残存強度比を用いた．また，本章で得られたデータは第 4 章同様，キンク損 傷密度がばらついているため，平均キンク損傷密度相当の残存強度比に換算し た．換算方法は4・4・1 ワイブル統計解析結果と同様であるため省略する．
得られた平均キンク損傷密度相当の残存強度比をワイブル確率紙上にプロッ トしたグラフを図 5-3～5-5 に示す．縦軸は累積確率，横軸は残存強度比を示し ている．図5-3～5-5はそれぞれ1，10 h，窒素中10 hの紫外線照射を受けたPBO 繊維のデータであり，◇，▽，○，△，□はそれぞれループ直径∞，5.0，2.5，
1.25，0.65 mmのデータである．図中の実線はそれぞれのデータを2母数ワイブ
ル分布関数で近似したものである．いずれのデータも 2 母数ワイブル分布関数 で直線近似できるため，2母数ワイブル分布に従うことが分かる．また，表 5-1 にワイブル解析より得られたそれぞれの尺度母数と形状母数を示す．
図 5-6 にワイブル解析で得られたそれぞれのループ直径における尺度母数と キンク損傷密度の関係を示す．◇，▽，○，△，□はそれぞれループ直径∞，
Fig. 5-2 Oxygen detector.
- 77 - 0.5
1.0 2.0 3.0 50.0 90.0 99.0 99.9
Cumulative probability Pi , ％
Residual strength ratio 5.0
95.0 80.070.0 60.0 40.0 30.0 20.0 10.0
0 0.5 1.0
Diam eter of fiber loops
◇ ∞
▽ 5.0 m m
○ 2.5 m m
△ 1.25 m m
□ 0.65 m m 2.0
Fig. 5-3 Weibull plots of residual strength ratio for each diameter of fiber loops (irradiation time: 1 h).
0.5 1.0 2.0 3.0 50.0 90.0 99.0 99.9
Cumulative probability Pi , ％
Residual strength ratio 5.0
95.0 80.070.0 60.0 40.0 30.0 20.0 10.0
0 0.5 1.0
Diam eter of fiber loops
◇ ∞
▽ 5.0 m m
○ 2.5 m m
△ 1.25 m m
□ 0.65 m m 2.0
Fig. 5-4 Weibull plots of residual strength ratio for each diameter of fiber loops (irradiation time: 10 h).
- 78 - 0.5
1.0 2.0 3.0 50.0 90.0 99.0 99.9
Cumulative probability Pi , ％
Residual strength ratio 5.0
95.0 80.070.0 60.0 40.0 30.0 20.0 10.0
0 0.5 1.0
Diam eter of fiber loops
◇ ∞
▽ 5.0 m m
○ 2.5 m m
△ 1.25 m m
□ 0.65 m m 2.0
Fig. 5-5 Weibull plots of residual strength ratio for each diameter of fiber loops (irradiation time: 10 h-N).
Ultraviolet
irradiation time, h
Diameter of fiber loops, mm
Shape parameter m
Scale parameter Rb
1 h
∞ 15.28 0.99
5.0 16.61 0.97
2.5 16.01 0.96
1.25 11.99 0.94
0.65 17.44 0.86
10 h
∞ 13.16 0.91
5.0 11.05 0.88
2.5 12.70 0.84
1.25 12.51 0.79
0.65 11.87 0.74
10 h (Under nitrogen
atmosphere)
∞ 13.21 0.99
5.0 14.74 0.98
2.5 16.87 0.95
1.25 13.39 0.93
0.65 13.21 0.92
Table 5-1 Shape and scale parameters of for each diameter of fiber loops.
- 79 -
5.0，2.5，1.25，0.65 mm のときの尺度母数を示しており，キンク損傷密度の値
はそれぞれのループ直径における平均キンク損傷密度を示している．白抜き，
赤塗，黒塗はそれぞれ照射時間大気中0，1，10 hのデータである．また，実線 は前章で得られたキンク損傷による強度低下を表す近似線であり，それぞれの 破線は1，10 hのキンク損傷密度0の時のプロットを通るように実線を平行移動 したものである．図中の矢印は仮定した紫外線による強度低下分と実験で得ら れたデータの差を表している．図5-6より，照射時間1 hは，ループ直径1.25 mm までは紫外線照射による残存強度比への影響が少ないことから，繊維の破壊が キンク損傷支配型の破壊であることが分かる．また，ループ直径0.65 mmでは，
キンク損傷による強度低下よりも残存強度比の低下が大きいため，キンク損傷 密度が多くなると紫外線照射の影響を受けるといえる．一方，照射時間10 hは，
残存強度比が破線上もしくは破線よりも下に位置していることから，繊維の破 壊が紫外線照射支配型の破壊であることが分かる．また，キンク損傷密度が多 い繊維は紫外線照射の影響をより受けやすい傾向であるといえる．
図 5-7 にワイブル解析で得られたそれぞれのループ直径における尺度母数と キンク損傷密度の関係を示す．◇，▽，○，△，□はそれぞれループ直径∞，
5.0，2.5，1.25，0.65 mm のときの尺度母数を示しており，キンク損傷密度の値
はそれぞれのループ直径における平均キンク損傷密度を示している．白抜き，
黒塗，2重プロットはそれぞれ照射時間大気中0，10 h，窒素中10 hのデータで ある．また，実線は前章で得られたキンク損傷による強度低下を表す近似線で あり，破線は◆を通るように実線を平行移動したものである．図5-7より，大気 中は紫外線照射によって強度低下しているのに対し，窒素中ではキンク損傷密 度に関係なく紫外線照射による残存強度比への影響が少ないことが分かる．
- 80 - 0.7
0.8 0.9 1
Kink band density n/100, μm Scale parameter of residual strength ratio
RbDiam eter of fiber loops
∞ 5.0 m m 2.5 m m 1.25 m m 0.65 m m
0 h 10 h 10 h-N Irradiation tim e
18 1.3
0 5 10
0.7 0.8 0.9 1
Kink band density n/100, μm Scale parameter of residual strength ratio
RbDiam eter of fiber loops
∞ 5.0 m m 2.5 m m 1.25 m m 0.65 m m
0 h 1 h 10 h Irradiation tim e 1.3
0 5 10 18
Fig. 5-6 Relation between residual strength ratio and kink band density.
Fig. 5-7 Relation between residual strength ratio and kink band density.
- 81 -
5・4 EPMA 観察
5・3節で，キンク損傷と紫外線照射の複合損傷を受けたPBO繊維の引張強度 は紫外線照射時間が長いほど強度低下が大きくなることを明らかにした．また，
窒素雰囲気中においては紫外線照射の影響が少ないことを明らかにした．この ことより，キンク損傷と紫外線照射の複合損傷を受けたPBO繊維の引張強度の 低下において酸素が影響していると考えられる．そこで，化学的分析を行うた め，EPMAによる元素分析を行った．
5・4・1 EPMA（Electron Probe MicroAnalyser）
EPMA は試料に加速した電子線を照射し放出された二次電子，反射電子，特 性 X 線などのスペクトルに注目し，試料の構成元素の検出を行い各構成元素の 比率や分布などを分析する方法である．本研究で用いた電子線マイクロアナラ イザ（JXA-8200D，日本電子データム株式会社）を図5-8に示す．EPMAは分析 領域が微小であり，元素の定性分析・定量分析や元素の分布を示すカラーマッ プと呼ばれる面分析を行うことができる．また分析方法が SEM（Scanning
Electron Microscope）と同様であるため，SEMとしての機能も兼ね備えており，
元素分析と電子顕微鏡による観察を同時に行うことができる．図 5-9 に EPMA の原理図を示す．図のように電子銃から放出された電子線はコンデンサーレン ズや対物レンズ絞りを調整することで細く絞り試料の観察部に収束させる．電 子線を照射した試料から放出された二次電子，反射電子，特性 X 線のスペクト ルを検出器によって電子データとして取り込み分析を行う．得られた二次電子 からは試料表面の形態観察を，反射電子からは組成像や凹凸像観察を，特性 X 線からは点分析や面分析の元素分析を行うことができる．EPMA 観察を行うた めには電子線が試料表面に帯電することを防ぐために，高分子などの導電性材 料でない場合はスパッタ処理などにより試料表面にメッキ処理を施す必要があ る．本研究では，ION-SPUTTER（E-1010，日立）を用いてスパッタ処理を行っ た．