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マルチセル構造を有する天然繊維の引張負荷による回転現象: ケナフ繊維による確認実験と理論考察

机译:多单元结构天然纤维拉伸载荷的旋转现象:红麻纤维的确认实验和理论考虑

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摘要

昨今,環境負荷低減の観点から,亜麻,大麻,ジュート,ケナフなどの植物系天然繊維が複合材料の強化材として多々用いられるようになった.このような複合材料は,一方向単層板や射出成形品として幅広い実用化が期待されている.一般に,植物系天然繊維は単繊維ではなく,多くの素繊維細胞(以下,セルと略記する)が集まって構成された繊維束状構造体である.セル内にはセルロースミクロフィブリル(Cellulose microfibrils,以下CMFと略記する)と呼ばれるセルロースの集合体がセルの軸周にらせん状に配向する.CMFのらせん配向角度(以下,CMF角と略記する)は,天然繊維の強度•剛性を左右する重要なパラメータであり,実験的解析的にCMF角の役割が明らかにされている.このような生体由来内部構造と機械的性質の関係について,従来はセル1本から成る天然繊維(以下,シングルセル繊維と記す)に基づいて論じられてきたが,最近では上述の多数のセルから成る天然繊維(以下,マルチセル繊維と記す)を対象とした議論も展開されている.%The purpose of this study is to confirm a rotation phenomenon around the fiber axis of a kenaf fiber, a representative multi-cell type fiber, during tensile loading, and clarify the rotation mechanism through 3D finite element analysis. The degree of rotation was quantified by measuring rotation angle during the tensile test of a single fiber, by giving a free mechanical condition perpendicular to the tensile direction. Results showed that, although many fiber specimens did not rotate during tensile loading, the rotation was confirmed for approximately one fourth of all the specimens. Young's moduli of the rotation identified specimens are almost the same level as non-rotating fibers, while these fibers indicated a slight decrease in strength, as compared with non-rotating fibers. The coordinates transformation matrix simulating a spatial spiral structure of cellulose microfibrils (CMF) was constructed, and applied for 3D finite element analysis. The calculation results show that rotation occurs in one-cell and seven-cell finite element models, but the magnitude of rotation is much smaller in the seven-cell model. Furthermore, a cell twisted finite element model was carried out to simulate a small-scale disorder in the multi-cell orientation structure, which was observed on the kenaf fiber surface. Finally, it is estimated from the calculation results that rotation occurs only for the fiber in which the mechanical balance between CMF spiral structure and multi-cells' intertwist is not enough.
机译:近年来,从减轻环境负荷的观点出发,亚麻,大麻,黄麻,洋麻等植物性天然纤维被广泛用作复合材料的增强材料。作为注射成型品,有望得到广泛的实际应用,一般而言,植物性天然纤维不是单纤维,而是由许多基本纤维单元(以下简称为单元)构成的纤维束状结构。在细胞内,称为细胞微纤丝的纤维素聚集体(以下简称为CMF)围绕细胞轴呈螺旋状取向,CMF螺旋取向角(以下简称为CMF角)。 )是影响天然纤维强度和刚度的重要参数,并且已通过实验和分析阐明了CMF角的作用。已经基于由一个细胞组成的天然纤维(以下称为单细胞纤维)进行了讨论,但是最近,针对以上述由大量细胞组成的天然纤维(以下称为多细胞纤维)进行了讨论。 %这项研究的目的是确定在拉伸载荷过程中围绕洋麻纤维(代表多胞型纤维)的纤维轴的旋转现象,并通过3D有限元分析阐明旋转机理。通过在单根纤维的拉伸试验中测量旋转角度并给出垂直于拉伸方向的自由机械条件来量化旋转度,结果尽管许多纤维试样在拉伸载荷过程中没有旋转,但可以确认旋转对于旋转识别标本的杨氏模量几乎与非旋转纤维的水平相同,而与非旋转纤维相比,这些纤维的强度略有下降。构造了纤维素微纤维的空间螺旋结构,并将其应用于3D有限元分析。计算结果表明,旋转发生在一个单元和七个单元的有限元模型中,但是旋转的幅度在七个单元中要小得多-单元格模型,通过单元扭曲有限元模型模拟了在红麻纤维表面观察到的多单元取向结构中的小尺度无序现象。最后,从计算结果估计旋转仅对于其中CMF螺旋结构和多单元缠绕之间的机械平衡不足的光纤会发生这种情况。

著录项

  • 来源
    《繊維学会誌》 |2014年第10期|240-247|共8页
  • 作者单位

    山口大学 機械工学科;

    山口大学大学院 理工学研究科;

  • 收录信息
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 jpn
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