圧 縮 過 程 にお け る織 物 表 面 の接 触 状 態 の変 化*
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(2) 繊維 機 械 学 会 誌. 46. 板 との間 の真 の圧 力,す なわ ち,接 触表面 の応 力 は. こ と が で き る.下 加 圧 板(6)は 円 形(表 面 積2cm2)で. 圧 力Pよ. あ り,接 触 面 内 で 均 一 な応 力 を 得 る た め,ボ. り大 きい ことが容 易 に予想 で きる.. 単一 の繊維 が圧縮 され る場 合,繊 維 と加 圧板 との. ョ イ ン ト方 式 で 加 圧 板 を支 え た.観. 接 触表 面状態 の変化 につ いて は,透 明 ガ ラス板 を加. 脂 板(上. 圧 板 と して,光 を繊 維 に透過 して,繊 維横(繊 維軸. した 場 合,光. 加 圧 板)の. ールジ. 測 用 ア ク リル 樹. 面 に平 行 に 光 源(8)か ら光 を 入 射. 線 は上 加 圧 板 の 表 面 に 平 行 な 方 向 しか. に直交 す る)方 向 か ら各 圧 力下 で の繊 維 と加圧 板 と. 透 過 で き な い た め,暗. の 接触 表 面 を観 測 す る こ とが で きる3).し か しなが. した 顕 微 鏡(5)で 観 測 す る と,サ. ら,織 物 の場 合 に は,光 は織 物 内 を均 一 に透過 す る こ とが で きな いた め,表 面毛 羽 や繊維 の移 動状況 は. と接 触 し た 繊 維 の 部 分 の み が 見 え る.天 秤(1)の 一 端 で 分 銅 を 乗 せ る と,他 の 一 端 の 下 加 圧 板 は 下 方 か ら. 観 測す るこ とが で き るが,織 物 と加圧 板 との接触 表. サ ン プ ル を 加 圧 す る.そ れ ゆ え,上 加 圧 板 の 下 部 表. 面 を観 測す る こ とはで きな か った4).. 面 とサ ン プ ル の繊 維 との 接 触 数 お よ び 接 触 面 積 な ど. 本 研究 で は,織 物 の圧 縮特 性 を よ り正 確 に測定 す. 室 内 で 上 か ら板 に垂 直 に 設 置 ンプ ル(2)の上 加 圧 板. を観 測 す る こ と が で き る.. るため,ま た,す で に提案 した圧縮 過程3段 階分 割. 装 置 に は,変 位 セ ンサ ー(10)を 設 置 し,加 圧 力 と同. 仮説1)の正 当性 を証 明 す るた め,各 圧力 下 で の接 触. 時 に,圧. 表面 の状態 形 態変 化 を観測 し,接 触 表面 積 と接触 表. 立 体 光 学 顕 微 鏡SM‑10を. 面応 力が いか に変 化 す るか を検 討 す る.. ク リー プ す る の を 極 力 お さ え る た め に,高 感 度 フ ィ. 2.実. ル ムASA1600を. 験. 2.1実. か っ た.ま. 験 装 置 お よ び方 法. 実 験 原 理 を 参 考 に して,図1の. 実 験 装 置 を 試 作 した.上. 用 い た。 測 定 中 に繊 維 が. 測 と 撮 影 は 恒 温 恒 湿 室(20± で 行 っ た.. 料. よ うな 実 験 に は,織. 加 圧 板(3)は ア ク リル樹 脂 板. で 作 成 した も の で あ る.上. た,観. 2.2試. コ ン社 製. 用 いて撮 影 の露 出時 間 の短 縮 を は. 0.3℃,65±3%RH)内. 本 実 験 で は透 明 ア ク リル 樹 脂 板 の 光 学 特 性 を 利 用 し,Ward3)の. 縮 変 位 も測 定 し た.観 測 に は,ニ. り密 度 の比 較 的 粗 い,反. 白 い4種 類 の サ ンプ ル を選 ん だ.サ. 加 圧 板 の 上 に あ る三 つ の. 表1に. 調 節 ね じ(7)で板 と サ ン プ ル と の 初 期 距 離 を 調 節 す る. 射率 の高 い. ンプ ル の組 成 を. 示 す.. 2.3デ. ー タの 算 出 方 法. 各圧 力下 で撮 影 した下加 圧板 とサ ンプル との接触 表 面 の写真 を半透 明方 眼紙 ヘ トレース して,接 触繊 維 数(Ns),接. 3.結 3.1接. 触 繊維 の面 積(As)を. 求 め た.. 果 お よび考察 触 表 面 状 態 の変 化. サ ンプル1(ポ. リエ ステル織物)の い くつか の圧. 力 にお け る接 触表 面状 態の写 真 を図2に 例示 した. 写真 の 明 るい部分 は上加 圧板 と接 触 した繊維 の部 分 で あ る.写 真 よ り,繊 維 のわず かな一 部分 しか加 圧 Table. Fig.. 1. Schematic ment. diagram. of compression. experi-. T192. 1. Details. of Fabric. Samples.
(3) 47. (論 文 集)Vol.48,No.8(1995). Fig.. 2. Fabric surface photographs of sample contacting with upper comressing plate various pressure. 1 at. 変 形 を 順 次 に受 け る と考 え られ る.繊 維 ― 繊 維 間 の 力 学 接 合 要 素 と して は 固 着 状 態,す. べ り状 態,お. び 口 開 き状 態 の3種. 維 集 合 体 の圧 縮. 類 が あ る が,繊. よ. 特 性 を 解 析 す る場 合 に は 固 着 とす べ り状 態 を 考 慮 す れ ば 良 い と考 え られ る.す べ り状 態 で は繊 維 ― 繊 維 間 で す べ りや す く,圧 縮 力 の増 加 に 伴 い,接. 触表 面. 繊 維 本 数 の 増 加 が 大 き く,固 着 状 態 で は繊 維 間 の す き 間 へ の移 動 が 起 こ りに く く,接 触 数 の 増 加 が少 な い と思 わ れ る.こ. の こ とか ら,図3よ. 態 は,主 にP<50gf/cm2の Fig. 3. Relationship tacting fiber. between the number (Ns) and pressure (P). of con-. P>50gf/cm2に. (gf/cm2)の. 増 加 に伴 い,接. た,圧. して お り,た て 糸,よ. 触繊. 範 囲 で 急 激 に増 え る こ. しか も加 撚 糸 か らな る た め,布(繊 造 が 緊 密 で,繊. り,接 触 表 面 繊 維 本 数 の 変 化 が い ず れ の サ. ン プ ル で もP=50gf/cm2前. 後 で異 な る こ とが分 か. 中 に 入 る.他 方,下. 細 い 糸 を使 用. ン プ ル1は. 太 く,. 維 集 合 体)の. 構. 維 が 移 動 しに く い こ と に よ る と考 え. られ る.. 物 が 圧 縮 さ れ る と き,表 面 の繊 維 は下 層 の. 繊 維 と の 摩 擦 力 を 克 服 して,繊. ンプル. こ糸 と も無 撚 で あ る た め,繊. 維 が 移 動 しや す い の に対 して,サ. とが 分 か っ た.. っ た.織. 一 番 多 く,サ. 1が 一 番 少 な い 。 これ は サ ン プ ル3は. 加 圧 板 に 接 触 した 繊 維 の 示 す.接. 階 の 境 界 はP=50gf/. サ ンプ ル に よ る 違 い を 比 較 す る と,同 一 圧 力 下 で. 触 した 部 分 が 増 え る こ. 圧 力 に よ る変 化 を 図3に. 維 数 は 圧 力1〜50gf/cm2の. 図3よ. 階 と第3段. cm2付 近 に位 置 して い る と推 測 さ れ る.. 力P. と が 分 か っ た.. 本 数(Ns)の. 範 囲 に 固 着 状 態 は,主 に. の接 触 繊 維 本 数 は サ ン プル3が. 接 触 繊 維 本 数 の 変 化:上. べ り状. 対 応 して い る と 考 え られ る.す な わ. ち,圧 縮 の 第2段 板 に接 触 して い な い こ と が 分 か っ た.ま. り,す. 3.2接. 触 面 積 お よ び接 触応 力 の 変 化. 維 と繊 維 との 隙 間 の. 圧縮過程 で 織物 と加 圧板 との接 触面 積 を精密 に測. 層 の 繊 維 は相 対 的 に 表 層 に 浮 か. び 出 て く る.こ の と き繊 維 は 曲 げ,ね. 定 す るの は非 常 に困難 であ る.本 実験 の場 合,上 加. じ り,横 圧 縮. T193.
(4) 48. 繊 維 機 械 学 会 誌. 圧 板 と 接 触 した 繊 維 は透 明,あ. るい は半 透 明 な の. で,接 触 点 に お け る 光 の散 乱 の た め に,写. P<1gf/cm2)で. 真 の明 る. は布 表 面 の毛 羽,突 出 繊 維 の 曲 げ 変. 形 を 生 じ る が,図4(b)よ. り,曲. げたわ みの領 域で は. い部 分 が 実 際 の接 触 面 積 よ りや や 大 き い こ と が 懸 念. この 接 触 面 積 の変 化 が 少 な い こ とが 分 か っ た.サ. さ れ る.そ. プ ル1で. れ に よ る誤 差 を 極 力 少 な くす る た め,本. 研 究 で は,接. 触 面 積 を 求 め る と き に,写. 真 の もっと. は圧 力Pを1〜50gf/cm2に. 触 面 積 比As/Aは0.19%か. ン. 増 や す と,接. ら2.13%ま. で,急. 激に. も 明 る い 部 分 を 方 眼 紙 ヘ ト レ ー ス して 接 触 面 積As. 増 加 した.こ. (布 と上 加 圧 板 と の 接 触 面 積,cm2)を. り を 生 じ,加 圧 板 と接 触 した 繊 維 の 量 が 急 激 に 増 え. 求 め る よ う心. が け た.. れ は 圧 縮 の 第2段. る た め で あ る.圧. 写 真 よ り求 め た 接 触 面 積 比As/A(A,測 cm2)と. 圧 力Pと. サ ンプ ル に つ い て も,約50gf/cm2以. cm2),接. 定 面 積,. の 関 係 を 図4(a)に 示 す.い. ず れの. 圧 縮 変 位xと. す.As/Aの. 変 化 は圧 縮 力P,あ. 上 になると. 変 換 して,接. <1,=1〜50,>50gf/cm2)で. 触 面積. 良 く対 応 して お り,3段. 階. れ ら. 階 に極 めて. 階 分 割 仮 説1)の正 当 性 を 示 唆. す る もの と考 え られ る.. る い は 圧 縮 変 位xの と して,サ. で,. 圧 縮 変 形 を 生 じて い る こ と を 意 味 して い る.こ. の 関 係 と して 図4(b)に 示. 加 して い る.例. 1を あ げ る と,図4(b)の. ら2.62%ま れ は圧 縮 の 第3段. の 結 果 は著 者 らが 提 案 した 圧 縮 過 程3段. 比As/Aと. 増 加 と と もに,増. 触 面 積 比As/Aは2.13%か. に 相 当 し,繊 維 間 の 間 隔 が 減 少 し,繊 維 自体 が 横 の. 小 さ くな って い る. 図4(a)の 横 軸 を 圧 縮 変 位xに. 維 間 にす べ. 力 を さ ら に 増 す と(P>50gf/. ゆ る や か な 勾 配 で 増 大 し た.こ. 下 の 圧 力 で は,. 面 積 比 の 増 加 が 大 き い が,50gf/cm2以. 階 で,繊. 布 を 圧 縮 す る 圧 力Pは. ンプル. これ ま で 便 宜 上 加 圧 板 の. 単 位 面 積 当 た りの 力(gf/cm2)で. よ う に,三 つ の 圧 力 範 囲(P. こ の 圧 力Pは. 接触 表面 積 の増加 率. 定 義 して き た が,. 実 際 の 接触 部 位 にか か る圧 力 で はな. い と 考 え ら れ る.接. 触 表 面 に 実 際 に 作 用 す る圧 力. が 異 な る.こ の 三 つ の 圧 力 範 囲 を布 の圧 縮 過 程 の 三. (あ る い は 応 力)を. 接 触 圧 力 と 呼 ぶ こ と に し てq. つ の 段 階 に対 応 させ て 考 え て み る.第1段. (gf/cm2)で. 階(圧. 力. 表 す と,qとPと. の 関 係 は 下 式 に な る.. (1) (2) Pの 増 加 に 伴 う接 触 圧 力qの た 圧 縮 変 位xの は常 にAよ. 変 化 を 図5(a)に,ま. 増 加 に伴 う変 化 を 図5(b)に 示 す.As. り小 さ い た め,(3)式. き い.Asは. 圧 縮 変 位xの. 率 は異 な る が,三. よ りqは. つ の 段 階 で 単 調 に 増 加 す る.. 各 サ ン プ ル の 接 触 面 積 比As/Aと い ず れ もPの. 接 触 力qの. し て い る.4種. の 試 料 の 中 で サ ン プ ル3は. cm2で. あ った .接. も 触. も っ と も 小 さ く1.18,17.61と65.45gf/. あ っ た.一. 方,サ. ン プ ル1は. 接 触 面 積 比As/. も っ と も小 さ く0.19,2.13と2.62%で. 接 触 応 力qは gf/cm2で. 各境界. お け る接 触 面 積 比As/Aは. っ と も大 き く0.85,2.84と3.82%で. Aは. 値は. 増 加 に 伴 い三 つ の 勾配 を もって増 加. (1,50,250gf/cm2)に. 応 力qは. 、Pよ り大. 増 加 に伴 い,そ れ ぞ れ 変 化. も っ と も大 き く5.26,23.47と95.42. あ っ た.こ. 織 物 の 構 造,材. あ り,. れ は接 触 面 積 比 や 接 触 応 力 が. 料 と 関 連 が あ る こ と を示 して い る.. こ の接 触 面 積 の 測 定 は 圧 縮 状 態 の 圧 力 分 布 を 解 析 す る こ と,お. よ び,布. 表 面 の接 触 状 態 形 態 の 変 化 と. 圧 縮 手 触 り(風 合 い)と. Fig. 4. Relationship between the ratio of contacting area (As/A) and pressure (P) ; (a), that and displacement (x) ; (b). 義 が あ り,よ. る と考 え られ る.. T194. の 関 係 を 解 明 す る こ と に意. り詳 細 な 布 圧 縮 特 性 の解 析 に 応 用 で き.
(5) 49. (論 文 集)Vol.48,No.8(1995). 4.結. 論. 本 研 究 で は,織. 物 に 対 して,各. 圧 力 下で の接触 表. 面 の状 態 形 態 変 化 を 観 測 し,接 触 表 面 と表 面 応 力 が い か に 変 化 す る か を 検 討 し た結 果,次. の結論 が 得 ら. れ た. 1)加. 圧 板 と接 触 す る 繊 維 数 の 増 加 は 圧 力Pの. 増 加 に 伴 い,P=0〜50gf/cm2の く,P>50gf/cm2で gf/cm2を. 範 囲 で は大 き. は少 な い こ と か ら,P=50. 圧 縮 の 第2と. 第3段. 階 の境界 とみ な. す こ と が で き る. 2)布. と加 圧 板 と の 接 触 面 積 は 圧 力Pの. 増加 に. 伴 い,増 加 傾 向 の 異 な る 三 つ の 段 階 を 経 る.こ れ は布 圧 縮 過 程 の 筆 者 らの3段. 階 分 割 仮 説1)に. よ く対 応 して い る.P<1,P=1〜50,P>50gf/ cm2の 三 つ の 圧 力 範 囲 が お の お の 圧 縮 の 第1, 第2,第3段. 階 と推 定 した.. 3)接. 触 表 面 応 力qは. 文. 献. 1) 松平 光 男,秦. 虹;繊. 圧 力Pよ. 機 誌(論. り極 め て 大 き い.. 文 集),46,T226(1993). 2) C. M. van Wyk ; J. Text. Inst., 37, T285 (1946) 3) I. M. Ward ; "Mechanical Properties of Solid Polymers 2 nd ed.," p. 262, John Wiley & Sons, New York, USA. Fig. 5. Relationship between the actual pressure (q) and pressure (P) ; (a), that and displacement (x) ; (b). (1983) 4) M. Matudaira, H. Qin ; Proceedings Research Conference p. 115 (1994). T195. of 23nd Fuji Textile.
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