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第61回 : 「テキスタイルの機械的特性」

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第61回 : 「テキスタイルの機械的特性」

2024/02/01

今回から新シリーズ「テキスタイルの特性を学ぼう」が始まります。アパレル製品にとって、テキスタイルはなくてはなりません。

2024.2.1

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はじめに
　今回から新シリーズ「テキスタイルの特性を学ぼう」が始まります。
　アパレル製品にとって、テキスタイルはなくてはなりません。衣料は人々のくらしに欠かせないものであり、装飾性(ファッション)、保護性能、さらに社会における文化的表現を実現する大きな要素がテキスタイルなのです。
1. テキスタイルとは？
  　テキスタイル(textile)とは、一般的には織物や編物(ニット)のことです。テキスタイルとよく似た言葉にファブリック(fabric)やクロス(cloth)がありますが、現在では大きな違いはなく、ほぼ同義語と理解してください。また、皆さんがお仕事をされる中でしばしば「テキスタイル開発」や「製品開発」等の言葉が交わされると思いますが、「テキスタイル開発」は、欲しい生地を素材メーカーとともに開発し調達することであり、「製品開発」はパターンや縫製仕様、材料の組み合わせを工夫することです。また衣料品の「機能開発」は通常、このテキスタイル機能開発と製品機能開発が複合して行われています。
2. テキスタイルの物性
  
  図1　人間と衣料
  　アパレル製品の商品開発では、「衣料品とは人間が着用するもの」であることを前提に、テキスタイル(生地)の物性をしっかり把握することが大切です。これらを踏まえて、テキスタイルの物性を製品開発設計に反映してください。
  　たとえば、同じ織物でも綿・毛・絹・ポリエステル・ナイロンをはじめ、各種混紡織物があります。また同じ綿織物でも多くの素材があります。これらの諸物性は、繊維組成・糸種・度目(密度)などで大きく異なります。それぞれの物性的特性による消費性能の違いを理解したうえで、商品開発や品質管理を行うことが大切です。
  　さて、テキスタイルの物性の要素には、①機械的特性、②外観特性、③生理的特性、④寸法安定特性、⑤衛生機能、⑥風合いなどがありますが、今回は「テキスタイルの機械的特性」を取り上げます。

テキスタイルの機械的特性
　表1に、テキスタイルの機械的特性をまとめています。これらの物性は、そのテキスタイルの糸使い、織編構造、染色仕上げ加工などで決定され、それぞれ着用時のパフォーマンスや洗濯などのメンテナンスに大きく影響を与えています。また、表1の具体的な評価・試験方法は「アパレル散歩道　第44回」の2.3.1 品質基準をご覧ください。

表1　テキスタイルの機械的特性
	項目	期待される主な性能	適用
1	引張強さ	代表的な初期強度、強度劣化を評価する性能	主に織物に適用
2	引裂強さ	織物のせん断方向の裂け(かぎ裂き)を評価する性能	主に織物と経編生地に適用
3	破裂強さ	ニットの全方向の引張強さ、耐久性を評価する性能	主にニットに適用
4	摩耗強さ	着用時の摩擦による劣化を評価する性能	織物、ニットに適用
5	伸縮性	着用時の動きに対する追従性などの快適性を評価する性能	ニットと伸縮織物に適用

アパレル製品は、着用や洗濯時の引張り、摩擦、屈曲や圧縮などの機械的作用、また着用や洗濯時の紫外線、水分の作用、洗剤や漂白剤などの化学的作用で劣化します¹⁾。
初期強度はもちろん、初期強度の代用特性として、品質管理では次の管理項目が運用されています。
　織物…引張強さ、引裂強さ
　ニット…破裂強さ
　(用途により摩耗強さも管理項目とされる)

引張強さ
　皆さんはシャツなどを着脱した時に、思いがけず生地が破れたことはありませんか。またスポーツの最中に、ユニフォームが破れたことはありませんか。
　衣料品は着用や洗濯時の引張りやねじりなどによって破れることがあります。引張強さは、特に織物の初期強度や劣化の程度を知る方法のひとつとして活用されています。また、引張試験は、テキスタイルの評価だけでなく、縫い糸やファスナー、接着・縫製などに関わる製品の評価にも幅広く応用されています。

(1) 引張強さ試験
　引張強さ試験では、生地(主に織物)を引張った時に破断する強度を評価しています。テキスタイルの引張強さ試験には、JIS L 1096「織物及び編物の生地試験方法」の A 法(ストリップ法)、B 法(グラブ法)がありますが、最近ではA法が主流になっています。ストリップ法は、織物や編物(ニット)で採用され、織糸を抜いたり、はさみでカットして所定の試料幅を作っています。試験結果は、たて方向・よこ方向ともに、切断時の強さ:N(kgf)、伸び率(％) で標記されます。また、結果は温湿度に影響される可能性もあり、標準状態で試験されることが望ましく、試験環境の温湿度も併記されます。

図2　引張強さ試験のメカニズム

(2) 各種素材の引張強さ

図3　各種繊維の荷重-伸長率曲線²⁾

　図3は各種繊維の引張試験による荷重-伸長率曲線(S-Sカーブ)です。
　繊維の集合体である織物の引張強さも、図3の繊維の物性を基本的には踏襲しています。図3によると、左右の縦軸はともに単位太さ当たりの荷重を示し、横軸は破断時の伸び率を示しています。これによると、ポリエステル・ナイロン・アクリルなどの合繊は比較的高強度と高伸度を示し、亜麻、綿などの植物性天然繊維は比較的高強度ですが低伸度を示しています。これに対して、天然繊維の羊毛や再生繊維のレーヨンや半合成繊維のアセテートなどは低強度、高伸度を示しています。(表2参照)

表2　各種繊維の引張特性
繊維の種類	破断強度	破断伸度
合成繊維(ポリエステル、ナイロン、アクリルなど) 天然繊維(絹)	大きい	大きい
天然繊維(亜麻、綿、絹など)	大きい	小さい
天然繊維(羊毛)　再生繊維(レーヨン) 半合成繊維(アセテート)　など	小さい	小さい

～絹ってすごいね～
絹繊維・絹織物は、図3や表2で分かるように、引張り破断強さ、破断伸度に優れています。天然素材でありながら、素晴らしい物性を示しています。まさに数千年の歴史に耐えた素材です。

　さて、例えば、ポリエステル/レーヨンの交織生地で、糸使いが下記ⒶとⒷの織物2素材の織物の引張強さを比較すると、
　Ⓐ織物　(経糸/レーヨン、緯糸/ポリエステル)
　Ⓑ織物　(経糸/ポリエステル、緯糸/レーヨン)
織物の引張強さが、引張方向の糸強度×糸本数でほぼ計算できると想定して、たて方向の引張強さは、明らかにⒷ＞Ⓐとなり、よこ方向はその逆となることが予想されます。引張方向、ここでは経糸のポリエステルとレーヨンの強度差が織物の強さにそのまま反映されることになります。

～ポリエステルとナイロンの引張特性を比較すると～
図3で、ポリエステルとナイロンのカーブを比較すると、破断強さに大きな差はありませんが、荷重-伸長率曲線のグラフの最初の立ち上がり(赤矢印)を見ると、カーブの立ち上がりは、ポリエステルがナイロンより急になっていることが分かります(注1)。
このことは、ポリエステルはナイロンに比べて、伸びにくく剛直な性質であることを示しています。織物は繊維と糸の集合体のため、糸の性質が生地に大きく反映されます。
注1: この立ち上がりカーブの傾きは、ヤング率と呼ばれ、変形のしにくさの目安になっています。

引裂強さ
　皆さんは、運動中などに織物製ウインドブレーカーのポケットが、木の枝など突起物に引掛かって、ポケットの縫い目などから生地がさっと裂けた経験はないでしょうか。この引裂現象は、主に薄地織物や樹脂コーティング織物に発生しやすいと言われています。
　それでは引裂強さの評価方法から紹介します。

(1) 引裂試験について
　引裂強さは、JIS L 1096「織物及び編物の生地試験方法」のA法(シングルタング法)、D法(ペンジュラム法)で規定されていますが、衣料用では、エルメンドルフ形引裂試験機によるD法が多く使用されています。図4の手による引裂動作を試験機器で正確に定量化していると理解してください。
　この試験法は、図5のような生地のせん断のしやすさを評価するもので、この試験方法は、引張強さと共に、衣料用織物の強度基準に必須の管理項目となっています。
　試験結果は、たて方向、よこ方向ともに、N(ニュートン:荷重の単位)で表記されます。一般のアパレルメーカーでは、品質管理基準として主に10Nで運用しているようですが、薄地織物では「7～8N」としているケースもあります。また、試験結果の「たて」とは、経糸を切断した時の荷重で、「よこ」は、緯糸を切断した時の荷重と定義されています。

図4　手による引裂動作

図5 引裂きのメカニズム3)と試験機外観
(2) 引裂強さと引張強さ
　織物素材で、引張強さが大きいからといって引裂強さも大きいとは限りません。またその逆も同様です。なぜなら、前述のように「引張り」と「引裂き」では破断メカニズムが異なるためです。
　引張強さは、糸の長さ方向の引張りが破断の要因になるのに対して、引裂強さは糸の長さ方向に対して直角に働くせん断が破断の要因になります。引裂きは、ちょうど紙を破るようなイメージです。したがって、ポリエステルタフタなど引張強さが強靭で全く問題のない織物素材でも、糸使いや仕上げ加工によっては引裂強さが小さい素材が結構あります。引裂強さは、合成繊維であっても、織物の組織糸の自由度が低くなると、一気に強度が低下することがあります。その原因は、樹脂コーティング加工や熱ローラーによるカレンダー加工などによって生地がペーパーライクになり、引裂強さが低下するためです。また、経糸がポリエステル糸、緯糸がレーヨン糸の交織織物では、そもそも緯糸のレーヨン糸の強度が小さいため、「よこ」の引裂強さが小さいことが予想されます。また、一部の経編素材の中には、編み終わり方向から引裂かれやすい素材もありますので、まず事前にハンドテストで確認してください。

破裂強さ
　破裂強さは、ニット素材の強度や耐久性の目安として、広く品質管理項目に採用されています。まず、破裂強さの評価方法から紹介します。

(1) 破裂試験について
　破裂強さの試験方法は、JIS L 1096 A法(ミューレン形法)で規定されています。図6-2のように、油圧で生地の裏から突き上げられたゴム膜が、被せた生地を破損する際の圧力を測定します。試験結果は、kPa(キロパスカル:圧力単位)で示されます。引張強さが一方向だけに外力が作用するのに対して、破裂試験は、たて方向、よこ方向、バイアス方向など全方向に同時に引張る作用への抵抗力を表します。

図6-1　破裂試験機　　図6-2　破裂部(拡大)

(2) 破裂強さの運用
　破裂強さは、ニットのように伸びやすく引張変形が大きいテキスタイルに適用され、現状ニット生地の品質基準に多く採用されています。衣料品の一般的な管理値では、400kPa以上と言われていますが、ニットインナーやニットシャツなどの薄地ニットでは300～400kPa、ジャージなど厚地ニットで400～500kPaとされています。また特に強度が求められる特殊な衣料(スポーツウエアや作業服など)では、それ以上の基準値が必要になるケースもありますので、用途を考慮して品質基準を設定してください。

摩耗強さ
　衣料を着用していると、擦れやすいひじ部やひざ部が破損し穴が開いたり、またブルゾン袖口のシャーリングの凸部分が擦れて破れたりすることがあります。また、ソックスでは、シューズの裏面との摩耗により穴が開くことがあります。いずれも、テキスタイルの摩耗耐久性と摩擦体との相性が関連します。以下に摩耗強さの評価方法を紹介します。

(1) 摩耗試験について
　摩耗強さは、着用時の摩擦による耐久性を評価する試験です。JIS L 1096では、ユニバーサル形法、マーチンデール形法、ユニホーム形法などが規定され、用途によって使い分けられています。(表3.参照)

表3　摩耗強さ試験方法
試験法	説明
ユニバーサル形法　A-1法(平面法)	一般衣料用生地試料を平面的に摩耗して、穴が開くまでの摩耗回数を測定する
ユニバーサル形法　A-3法(折目法)	折り目部分が、摩擦により破損するまでの回数を測定する例) ドレスシャツの袖口、スラックスの裾や折り目などの評価
マーチンデール形法　E法	毛織物などの摩耗強さを評価する例) ウールスラックスの内股ずれなどの評価
ユニホーム形法　F-1法(スチールブレード法)	靴下のかかとなどの摩耗強さの評価に使用される
ユニホーム形法　F-2法(研磨紙法)	ニット製品のひざ、ひじなどの摩耗強さの評価に使用される例)　野球ユニフォームなどの評価

(2) 摩耗強さの運用
　全ての衣料に摩耗強さが求められるわけではありません。衣料の用途と設計仕様によっては、摩耗による破損が発生し、品質事故に至るリスクがあるため注意が必要です。
　筆者が品管担当の現役当時に、野球ユニフォームのスライディングによるひざ部の穴あき破損を経験しました。もちろん一般的なスラックスやジーンズでも誤って転んでひざに穴があくケースもありますが、野球のスライディングは日常の練習動作のひとつです。このことから、われわれは消費者の衣料に対する期待値の大きさや違いをよく理解しておくことが必要です。摩耗現象がよく発生する用途の衣料や仕様などでは、摩耗強さは大切な管理項目のひとつになるでしょう。

伸縮性
　冒頭の1.2で、「衣料品とは人間が着用するもの」と説明しました。人間は日常生活の中で、歩いたり座ったりします。時にはハードな運動や作業をすることもあります。ここで生じる課題のひとつに、「身体運動による皮膚伸縮への衣服の対応」があります。以下に、運動による皮膚の伸びについて改めて説明します。

(1) 運動による皮膚の伸び
　人体は、骨格・関節・筋肉・皮膚で構成されています。筋肉が縮むことで関節が稼働し、その結果皮膚も伸びたり縮んだりします　(「アパレル散歩道　第28回」を参照)。
　人間は衣服を着用して歩く、走る、かがむ、座るなどの動作をするため、衣服がその運動やパフォーマンスを妨げてはなりません。
皆さんも、

しゃがむと背中のシャツの裾が出た
のぼり階段でスラックスが突っ張って上がりつらい
しゃがむとスラックス内股の縫い糸がプチっと切れた
ひじが突っ張る
座るとウエストが苦しい

などの経験をしたことがあるのではないでしょうか。
　これらは動作による皮膚の伸びによって生じる問題です。表4に皮膚の伸びの例を紹介していますが、特に垂直方向でより伸びていることが分かります。このため、スリムなデザインの場合には、これらの課題を解消して、より運動パフォーマンスを向上させる衣料の開発が必要になります。

表4　皮膚の伸びの例
部位	動作	水平方向(%)	垂直方向(%)
ひざ	腰を掛ける曲げる	21	41
ひざ	腰を掛ける曲げる	29	49
ひじ	曲げる	24	50
臀部	腰を掛ける曲げる	42	39
臀部	腰を掛ける曲げる	41	45

(2) テキスタイルと伸縮について
　皮膚の伸びに対する衣料品設計の対策には、表5のように、①テキスタイルの工夫、②ウエアのゆとり、③ウエアや生地の滑りが考えられます。今回のアパレル散歩道テーマが「テキスタイルの機械的特性」であることから、①テキスタイルの工夫がまさにこれに該当します。

表5　皮膚の伸びに対する衣料品設計の対策
対策の要素	具体的対策
①テキスタイルのストレッチ化	生地組織・糸種・染色仕上げ加工を工夫するニット素材の採用(ポリウレタン糸交編を含む) 合繊加工糸、ポリウレタン混用糸(CSY)の混用による伸縮性向上柔軟加工(シリコン系など)による伸縮性向上接着縫製仕様による縫い目部の伸縮性向上など
②ウエアのゆとり量	パターン(型紙)を工夫する立体裁断の採用立体手法(ダーツ、スリット、プリーツなど)の採用伸びの大きい部位(後身頃など)のパターンを大きくするサイズのゆとり化など
③生地の滑り	生地の表面摩擦抵抗を工夫するウエアと皮膚の滑り摩擦抵抗を減らす外衣と中衣、中衣と下着の滑り摩擦抵抗を減らすなど

テキスタイルのストレッチ化＋ゆとりや立体裁断＋生地の滑り

(3) 織物の伸縮性

図7　織物の各方向の荷重-伸長曲線⁴⁾

　図7は、一般織物の各方向別の荷重-伸長曲線です。
　通常、一般織物の伸縮性はニットと比べるとわずかなものですが、織物は製織時に経糸を強く引張って緯糸を打ち込むため、たて方向の伸びは、よこ方向に比べて小さい傾向があります。45°のバイアス方向は、予想通り、たて方向・よこ方向よりも伸びは大きくなります。
　織物衣料の設計で特定部位の伸びが必要な場合、型紙のマーキングをバイアスに設定することもあります。
　また、織物の経糸か緯糸、あるいはその両方に、合繊加工糸やポリウレタンコアヤーンを用いると、ワンウエイストレッチ織物やツーウエイストレッチ織物になるでしょう。最近では、シルエットのスリム化も相まって、紳士服をはじめ多くの服種の衣料にも、ストレッチ織物が採用されています。

(参考資料)
1)「せんいの基礎知識」: 繊維社,P243図5.2 引用
2)「繊維製品の基礎知識(第1部)」: 日本衣料管理協会,P18 引用
3)「せんいの基礎知識」: 繊維社,P244 図5.3 引用
4)「せんいの基礎知識」: 繊維社,P243 図5.1 引用