KR20190091457A - 섬유 강화 수지재 및 적층체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적층체의 인성을 향상시키는 것으로, 섬유 강화 수지재는 수지 중에 섬유 재료를 포함하고, 섬유 재료는 고강성 섬유(14) 및 피브로인 섬유(24)를 포함하며, 적층체(30)는 복수의 섬유 강화 수지층(32)을 적층하고 접합하여 형성되고, 섬유 강화 수지층(32-1)은 수지(12) 중에 고강성 섬유(14)를 포함하며, 섬유 강화 수지층(32-2)은 수지(22) 중에 피브로인 섬유(24)를 포함한다.
Description
본 발명은 고강성 섬유와 피브로인 섬유를 포함하는 섬유 강화 수지재, 적층체 및 섬유 강화 수지 피복체에 관한 것이다.
종래부터 유리 섬유 등을 플라스틱 재료 중에 혼입시켜 강도를 향상시킨 섬유 강화 플라스틱(FRP)이 널리 보급되어 있고, 섬유로서 탄소 섬유를 사용하는 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)도 알려져 있다.
탄소 섬유 강화 플라스틱의 판재를 형성하는 경우, 예를 들어 탄소 섬유에 용액 형태의 수지를 함침하여 반건조하고 프리프레그라는 시트 형상의 중간 제품을 이용하여, 이를 소정 매수 적층한 후, 가열 등에 의하여 수지를 경화시켜 성형한다. 이에 의해, 탄소 섬유 강화 플라스틱으로 이루어진 각종 형상의 적층체가 제작된다. 이와 같은 적층체는 경량이고 강도가 있으므로, 항공기, 차량, 건축 재료, 스포츠용품 등 각종 분야에서 이용되고 있다. 특허 문헌 4에는 탄소 섬유 프리프레그를 적층한 적층체에 의해 구성한 골프 샤프트가 개시되어 있다.
또한, 특허 문헌 1 ~ 특허 문헌 3에는 피브로인 섬유에 대하여 기재되어 있다.
여기에서, 적층체에는 각종의 용도가 있어 그 강도, 변형량 등에 대한 요구가 다른데, 일반적으로는 보다 강도도 있고 변형량도 크며 에너지 흡수 능력이 높은 것이 요망되고 있다. 또한, 탄소 섬유 강화 플라스틱은 강도가 높으므로, 적층체에 있어서 변형량이 커지면 층간 박리가 발생하기 쉽다.
본 발명은 수지 중에 섬유 재료를 포함하는 섬유 강화 수지재로서, 상기 섬유 재료는 고강성 섬유 및 피브로인 섬유를 포함한다.
또한, 상기 고강성 섬유가 초기 탄성률 30 ㎬ 이상의 섬유인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 수지 중에 섬유 재료를 포함하는 섬유 강화 수지층이 적층 접합된 적층체로서, 상기 섬유 재료는 고강성 섬유 및 피브로인 섬유를 포함한다.
또한, 상기 고강성 섬유가 아라미드 섬유, PBO 섬유, 유리 섬유, 및 탄소 섬유 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 고강성 섬유가 탄소 섬유인 것이 바람직하다.
또한, 상기 섬유 강화 수지층은 수지 중에 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 강화 수지층과, 수지 중에 피브로인 섬유를 포함하는 피브로인 섬유 강화 수지층을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 섬유 강화 수지층은 수지 중에 탄소 섬유 및 피브로인 섬유가 혼재하고 있는 섬유 강화 수지층을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 하중의 입력에 의해 변형되는 기재와, 상술한 어느 하나에 기재된 적층체를 포함하는 섬유 강화 수지 피복체로서, 주로 피브로인 섬유를 사용한 피브로인 섬유 강화 수지층이 상기 기재와 인접하도록 적층되어 있다.
또한, 상기 기재측에서 멀어짐에 따라서 피브로인 섬유 강화 수지층의 비율이 작아지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 피브로인 섬유는 천연형 거미줄 단백질에 유래 또는 유사한 단백질로 이루어진 섬유인 것이 바람직하다.
또한, 상기 피브로인 섬유가 견인 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 적층체의 충격 에너지 흡수 능력을 향상시킬 수 있다. 층간 박리의 발생을 억제할 수 있다.
도 1은 섬유 강화 수지 프리프레그 및 적층체의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 샘플의 구성을 도시한 모식도이다.
도 3은 층간 전단 시험 및 3점 굽힘 시험의 개요를 도시한 도면이다.
도 4는 층간 전단 시험에서의 변위량과 하중의 관계를 도시한 도면이다.
도 5는 층간 전단 시험에서의 단면의 사진이다.
도 6은 3점 굽힘 시험에서의 변위량과 하중의 관계를 도시한 도면이다.
도 7은 3점 굽힘 시험에서의 최대 하중을 도시한 도면이다.
도 8은 3점 굽힘 시험에서의 변위량을 도시한 도면이다.
도 9는 하나의 샘플의 3점 굽힘 시험에서의 파괴 에너지(흡수 에너지)를 도시한 도면이다.
도 10은 3점 굽힘 시험에서의 파괴 에너지를 도시한 도면이다.
도 11은 섬유 강화 수지 피복체의 구성을 도시한 도면이다.
도 12는 샘플 1의 단면의 사진이다.
도 13은 샘플 2의 단면의 사진이다.
도 14는 샘플 3의 단면의 사진이다.
도 15는 샘플 4의 단면의 사진이다.
도 16은 샘플 5의 단면의 사진이다.
도 17은 샘플 6의 단면의 사진이다.
도 18은 샘플 7의 단면의 사진이다.
도 19는 샘플 8의 단면의 사진이다.
도 20은 샘플 9의 단면의 사진이다.
도 21은 층간 박리 위치의 발생 비율을 나타낸 그래프이다.
도 22는 거미줄 피브로인 섬유를 제조하기 위한 방사 장치의 일례를 도시한 개략도이다.
도 23은 샘플의 구성을 도시한 모식도이다.
도 24는 3점 굽힘 시험에서의 파괴 에너지를 도시한 도면이다.
도 2는 샘플의 구성을 도시한 모식도이다.
도 3은 층간 전단 시험 및 3점 굽힘 시험의 개요를 도시한 도면이다.
도 4는 층간 전단 시험에서의 변위량과 하중의 관계를 도시한 도면이다.
도 5는 층간 전단 시험에서의 단면의 사진이다.
도 6은 3점 굽힘 시험에서의 변위량과 하중의 관계를 도시한 도면이다.
도 7은 3점 굽힘 시험에서의 최대 하중을 도시한 도면이다.
도 8은 3점 굽힘 시험에서의 변위량을 도시한 도면이다.
도 9는 하나의 샘플의 3점 굽힘 시험에서의 파괴 에너지(흡수 에너지)를 도시한 도면이다.
도 10은 3점 굽힘 시험에서의 파괴 에너지를 도시한 도면이다.
도 11은 섬유 강화 수지 피복체의 구성을 도시한 도면이다.
도 12는 샘플 1의 단면의 사진이다.
도 13은 샘플 2의 단면의 사진이다.
도 14는 샘플 3의 단면의 사진이다.
도 15는 샘플 4의 단면의 사진이다.
도 16은 샘플 5의 단면의 사진이다.
도 17은 샘플 6의 단면의 사진이다.
도 18은 샘플 7의 단면의 사진이다.
도 19는 샘플 8의 단면의 사진이다.
도 20은 샘플 9의 단면의 사진이다.
도 21은 층간 박리 위치의 발생 비율을 나타낸 그래프이다.
도 22는 거미줄 피브로인 섬유를 제조하기 위한 방사 장치의 일례를 도시한 개략도이다.
도 23은 샘플의 구성을 도시한 모식도이다.
도 24는 3점 굽힘 시험에서의 파괴 에너지를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대해서, 도면에 기초하여 설명한다. 또한, 본 발명은 여기에 기재되는 실시 형태에 한정되는 것은 아니다.
「적층체」
도 1에 본 실시 형태에 관한 섬유 강화 수지재의 한 형태인 적층체(30)를 도시한다. 도 1의 (A)에는 탄소 섬유 강화 수지 프리프레그(10)를 나타내고 있고, 수지(12) 중에 탄소 섬유 등으로 이루어진 고강성 섬유(14)(섬유 소재)를 함유하게 하고 있다. 고강성 섬유(14)는 반드시 정렬할 필요는 없지만, 이 도면의 예에서는 모든 고강성 섬유(14)가 동일한 방향으로 나열되어 있다. 섬유의 방향을 정돈함으로써, 섬유의 길이 방향에서의 굽힘 강도, 인장 강도 등이 커진다. 도면에서는 보기 쉬워지도록 섬유를 크게 묘사하고 있다. 실제로는 다수의 섬유가 함유된다.
여기에서, 고강성 섬유(14)는 아라미드 섬유, PBO 섬유, 유리 섬유, 및 탄소 섬유 중 적어도 하나로 하는 것이 바람직하다. 특히, 고강성 섬유(14)는 초기 탄성률이 30 ㎬ 이상의 섬유인 것이 바람직하다. 상술한 아라미드 섬유, PBO 섬유, 유리 섬유, 및 탄소 섬유는 초기 탄성률이 30 ㎬ 이상의 섬유이다.
도 1의 (B)에는 피브로인 섬유 강화 수지 프리프레그(20)를 도시하고 있고, 수지(22) 중에 피브로인 섬유(24)(섬유 소재)를 함유시키고 있다. 이 예에서는 피브로인 섬유(24)는 동일한 방향으로 나열되어 있다.
도 1의 (C)에는 혼합 섬유 강화 수지 프리프레그(26)를 도시하고 있고, 수지(28) 중에 고강성 섬유(14) 및 피브로인 섬유(24)를 함유시키고 있다. 이 예에서는 고강성 섬유(14) 및 피브로인 섬유(24)는 동일한 방향으로 나열되어 있다. 또한, 내측에 고강성 섬유(14)가 위치하고, 표면측에 피브로인 섬유(24)가 위치하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 균일하게 혼합되어 있어도 되고 두 섬유의 함유 비율은 어떠한 것이어도 된다. 도 1의 (C)에 도시한 바와 같이 표면측에 많은 피브로인 섬유(24)를 배치함으로써, 굽힘에 대한 강도를 효과적으로 크게 할 수 있다.
도 1의 (D)에는 섬유 강화 수지층(32)으로서, 탄소 섬유 강화 수지 프리프레그(10)로 형성되는 탄소 섬유 강화 수지층(32-1)과, 피브로인 섬유 강화 수지 프리프레그(20)로 형성되고 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)을 복수 적층 접합하여 얻어진 적층체(30)를 도시하고 있다. 어떤 섬유 강화 수지층(32)을 탄소 섬유 강화 수지층(32-1), 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)으로 할지, 어떤 비율을 크게 할지는, 용도 등에 따라 선택할 수 있다. 또한, 혼합 섬유 강화 수지 프리프레그(26)를 적당히 배치해도 되고, 모두 혼합 섬유 강화 수지 프리프레그(26)로 해도 된다.
여기에서, 고강성 섬유(14)는 시판되고 있는 각종의 것을 채용할 수 있다. 또한, 피브로인 섬유(24)로서는 실크, 거미줄 등이 널리 알려져 있지만 벌, 도롱이 벌레 등이 산출하는 섬유이어도 되고, 특허 문헌 1 ~ 특허 문헌 3에 기재되어 있는 바와 같은 인공의 피브로인 섬유이어도 된다. 즉, 피브로인 섬유(24)로서는 섬유상의 단백질로, 고강성 섬유(14)보다 작지만 어느 정도의 강도가 있음과 동시에, 고강성 섬유(14)보다 유연한 것(하중에 대한 변형량이 큰 것)을 채용할 수 있다.
특히, 견사에 비하여 거미줄은 강도, 변형량 모두 커져 있다. 따라서, 거미줄이나, 인공의 거미줄 등의 거미줄 피브로인 섬유가 특히 바람직한 것으로 생각된다.
또한, 수지(12, 22)에 대해서는 열경화성 수지인 에폭시 수지가 바람직하지만, 폴리에스테르나, 이들의 혼합 수지 등이어도 된다. 또한, 열가소성 수지도 사용 가능하다.
이와 같이, 본 실시 형태에 관한 적층체(30)에서는 탄소 섬유 강화 수지층(32-1)과 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)을 적층 접합하여 형성하고 있다. 통상은 탄소 섬유 강화 수지 프리프레그(10)와, 피브로인 섬유 강화 수지 프리프레그(20)를 적층하고, 가열 경화시켜 적층체(30)를 형성한다.
적층체(30)에서 탄소 섬유 강화 수지층(32-1)은 고강성 섬유(14)를 포함하고 있고, 강도가 크다. 즉, 하중의 입력에 대한 변형량이 비교적 적지만, 큰 하중에도 견딜 수 있다. 한편, 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)은 피브로인 섬유(24)를 포함하고 있고, 탄소 섬유 강화 수지층(32-1)에 비하여 견딜 수 있는 하중은 작지만, 하중에 대한 변형량이 크다.
그리고, 탄소 섬유 강화 수지층(32-1)과, 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2) 양쪽을 적층 접합하여 얻어진 적층체(30)는 탄소 섬유 강화 수지층(32-1)만의 적층체에 비하여, 견딜 수 있는 최대 하중은 작지만, 비교적 큰 하중에 견딜 수 있고, 또한 그 때의 변형량이 크다. 따라서, 적층체(30)에 있어서는, 탄소 섬유 강화 수지층(32-1)만을 사용한 적층체에 비하여 충격 등의 흡수 능력이 향상되어 있다.
적층체(30)를 제작하는 경우에는, 우선 고강성 섬유(14)를 액상의 수지(12) 중에 함침시키고, 반경화시켜 판상의 탄소 섬유 강화 수지 프리프레그(10)를 제작한다. 또한, 피브로인 섬유(24)를 액상의 수지(22) 중에 함침시키고, 반경화시켜 판상의 피브로인 섬유 강화 수지 프리프레그(20)를 제작한다.
고강성 섬유(14)를 포함하는 탄소 섬유 강화 수지 프리프레그(10)와, 피브로인 섬유(24)를 포함하는 피브로인 섬유 강화 수지 프리프레그(20)를 적절히 적층하여 적층체(30)를 형성한다. 적층체(30)는 그대로이면 판상이지만, 각종 형상으로 성형할 수 있고, 예를 들어 둥글림으로써 둥근 봉 형상으로 할 수도 있다.
또한, 상술한 예에서는 고강성 섬유(14)를 포함하는 탄소 섬유 강화 수지 프리프레그(10)와, 피브로인 섬유(24)를 포함하는 피브로인 섬유 강화 수지 프리프레그(20)를 별도로 제작했지만, 고강성 섬유와 피브로인 섬유 양쪽을 포함하는 혼합 섬유 강화 수지 프리프레그(26)를 적층 접합하여 적층체(30)를 형성해도 된다. 즉, 고강성 섬유(14)를 포함하는 탄소 섬유 강화 수지 프리프레그(10)에, 다른 섬유 예를 들어, 피브로인 섬유를 혼재시켜도 되고, 또한 피브로인 섬유(24)를 포함하는 피브로인 섬유 강화 수지 프리프레그(20)에, 다른 섬유, 예를 들어 고강성 섬유를 혼재시켜도 된다. 또한, 한쪽 섬유만을 포함하는 프리프레그, 양쪽 섬유를 포함하는 프리프레그의 쌍방을 제작하고, 이를 적절하게 조합하여 적층해도 된다. 또한, 각 섬유는 단섬유이어도 되고 장섬유이어도 된다. 적층체(30)를 필라멘트 와인딩 성형에 의해 형성해도 된다.
(거미줄 피브로인 섬유)
상술한 바와 같이, 피브로인 섬유로서는 거미줄 피브로인 섬유가 특히 바람직하다. 그래서, 이 거미줄 피브로인 섬유에 대해 설명한다.
거미줄 피브로인은 천연 거미줄 단백질, 및 천연 거미줄 단백질에 유래하는 폴리펩티드(인공 거미줄 단백질)로 이루어진 군에서 선택되는 거미줄 폴리펩티드를 함유하고 있어도 된다.
천연 거미줄 단백질로서는, 예를 들어 대토사관 드래그라인 단백질, 횡사 단백질, 및 소병상선 단백질을 들 수 있다. 대토사관 드래그라인은 결정 영역과 비결정(amorphous) 영역(무정형 영역이라고도 함)으로 이루어진 반복 영역을 가지므로, 높은 응력과 신축성을 함께 갖는다. 거미줄의 횡사는, 결정 영역을 갖지 않고, 비결정 영역으로 이루어진 반복 영역을 갖는다는 특징을 갖는다. 횡사는 대토사관 드래그라인에 비하면, 응력은 떨어지지만 높은 신축성을 갖는다.
대토사관 드래그라인 단백질은 거미줄의 대병상선에서 생성되고, 인성이 우수하다는 특징을 갖는다. 대토사관 드래그라인 단백질로서는, 예를 들어 미국 무당 거미(Nephila clavipes)에 유래하는 대병상선 스피드로인(spidroin) MaSp1 및 MaSp2, 및 아라네우스 디아데마투스(Araneus diadematus, 유럽정원거미)에 유래하는 ADF3 및 ADF4를 들 수 있다. ADF3는 아라네우스 디아데마투스의 2 가지 주요한 드래그라인 단백질 중 하나이다. 천연 거미줄 단백질에 유래하는 폴리펩티드는, 이들 드래그라인 단백질에 유래하는 폴리펩티드이어도 된다. ADF3에 유래하는 폴리펩티드는 비교적 합성하기 쉽고, 또한 강신도 및 인성의 점에서 우수한 특성을 갖는다.
횡사 단백질은 거미의 편모상 샘(flagelliform gland)에서 생성된다. 횡사 단백질로서는, 예를 들어 미국 무당 거미(Nephila clavipes)에 유래하는 편모상 실크 단백질(flagelliform silk protein)을 들 수 있다.
천연 거미줄 단백질에 유래하는 폴리펩티드는 재조합 거미줄 단백질이어도 된다. 재조합 거미줄 단백질로서는 천연 타입 거미줄 단백질의 변이체, 유사체 또는 유도체 등을 들 수 있다. 이와 같은 폴리펩티드의 바람직한 일례는, 대토사관 드래그라인 단백질의 재조합 거미줄 단백질(「대토사관 드래그라인 단백질에 유래하는 폴리펩티드」라고도 함)이다.
피브로인 형태의 단백질인 대토사관 드래그라인 유래의 단백질로서는, 예를 들어 식 1: [(A)n 모티프-REP]m으로 표시되는 도메인 서열을 포함하는 단백질을 들 수 있다. 여기에서, 식 1 중, (A)n 모티프는 알라닌 잔기를 주로 하는 아미노산 서열을 나타내고, n은 2 ~ 20, 바람직하게는 4 ~ 20, 보다 바람직하게는 8 ~ 20, 더욱 바람직하게는 10 ~ 20, 보다 더 바람직하게는 4 ~ 16, 보다 더 바람직하게는 8 ~ 16, 특히 바람직하게는 10 ~ 16의 정수이어도 된다. 또한, (A)n 모티프 중의 전체 아미노산 잔기수에 대한 알라닌 잔기수의 비율은 40 % 이상이면 되고, 60 % 이상인 것이 바람직하며, 70 % 이상인 것이 보다 바람직하고, 80 % 이상인 것이 더욱 바람직하며, 90 % 이상인 것이 보다 더 바람직하고, 100 %(알라닌 잔기만으로 구성되는 것을 의미함)이어도 된다. REP는 2 ~ 200 아미노산 잔기로 구성되는 아미노산 서열을 나타낸다. m은 2 ~ 300의 정수를 나타낸다. 복수 존재하는 (A)n 모티프는 서로 동일한 아미노산 서열이어도 되고, 다른 아미노산 서열이어도 된다. 복수 존재하는 REP는 서로 동일한 아미노산 서열이어도 되고, 다른 아미노산 서열이어도 된다. 대토사관 드래그라인 유래의 단백질의 구체예로서는, 서열 번호 1 및 서열 번호 2로 표시되는 아미노산 서열을 포함하는 단백질을 들 수 있다.
횡사 단백질에 유래하는 단백질로서는, 예를 들어 식 2 : [REP2]o로 표시되는 도메인 서열을 포함하는 단백질(여기에서, 식 2 중, REP2는 Gly-Pro-Gly-Gly-X로 구성되는 아미노산 서열을 나타내고, X는 알라닌(Ala), 세린(Ser), 타이로신(Tyr) 및 발린(Val)으로 이루어진 군에서 선택되는 하나의 아미노산을 나타낸다. o는 8 ~ 300의 정수를 나타냄)을 들 수 있다. 구체적으로는 서열 번호 3으로 표시되는 아미노산 서열을 포함하는 단백질을 들 수 있다. 서열 번호 3으로 표시되는 아미노산 서열은 NCBI 데이터베이스로부터 입수한 미국 무당 거미의 편모상 실크 단백질의 부분적인 서열(NCBI 액세션 번호: AAF36090, GI: 7106224)의 리피트 부분 및 모티프에 해당하는 N 말단으로부터 1220번째 잔기부터 1659번째 잔기까지의 아미노산 서열(PR1 서열로 기재함)과, NCBI 데이터베이스로부터 입수한 미국 무당 거미의 편모상 실크 단백질의 부분 서열(NCBI 액세션 번호: AAC38847, GI: 2833649)의 C 말단으로부터 816번째 잔기부터 907번째 잔기까지의 C 말단 아미노산 서열을 결합하고, 결합된 서열의 N 말단에 서열 번호 4로 표시되는 아미노산 서열(태그 서열 및 힌지 서열)이 부가된 것이다.
거미줄 피브로인으로 이루어진 섬유, 즉 거미줄 피브로인 섬유에 주성분으로서 포함되는 단백질은, 예를 들어 상기 단백질을 코딩하는 핵산 서열과, 상기 핵산 서열에 작동 가능하게 연결된 1 또는 복수의 조절 서열을 갖는 발현 벡터로 형질 전환된 숙주에 의해, 상기 핵산을 발현시킴으로써 생산할 수 있다.
거미줄 피브로인 섬유에 주성분으로서 포함되는 단백질을 코딩하는 핵산의 제조 방법은, 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 천연의 구조 단백질을 코딩하는 유전자를 이용하여, 폴리메라아제(polymerase) 연쇄 반응(PCR) 등으로 증폭하여 클로닝하는 방법, 또는 화학적으로 합성하는 방법에 의해, 상기 핵산을 제조할 수 있다. 핵산의 화학적인 합성 방법도 특별히 제한되지 않고, 예를 들면 NCBI의 웹 데이터베이스 등에 의해 입수한 구조 단백질의 아미노산 서열 정보를 기초로, AKTA oligopilot plus 10/100(GE 헬스케어·재팬 가부시키가이샤) 등으로 자동 합성한 올리고뉴클레오타이드(oligonucleotide)를 PCR 등으로 연결하는 방법에 의해 유전자를 화학적으로 합성할 수 있다. 이 때, 단백질의 정제 및/또는 확인을 용이하게 하기 위해, 상기의 아미노산 서열의 N 말단에 개시 코돈 및 His10 태그로 이루어진 아미노산 서열을 부가한 아미노산 서열로 이루어진 단백질을 코딩하는 핵산을 합성해도 된다.
조절 서열은 숙주에서의 재조합 단백질의 발현을 제어하는 서열(예를 들어, 프로모터, 인핸서, 리보솜 결합 서열, 전사 종결 서열 등)이고, 숙주의 종류에 따라 적절히 선택할 수 있다. 프로모터로서, 숙주의 종류에 따라서 적절히 선택할 수 있다. 프로모터로서 숙주 세포 중에서 기능하고, 목적으로 하는 단백질의 발현 유도 가능한 유도성 프로모터를 사용해도 된다. 유도성 프로모터는 유도 물질(발현 유도제)의 존재, 리프레서(repressor) 분자의 비존재, 또는 온도, 침투압 또는 pH 값의 상승 또는 저하 등의 물리적 요인에 의해, 전사를 제어할 수 있는 프로모터이다.
발현 벡터의 종류는 플라스미드 벡터, 바이러스 벡터, 코스미드 벡터(cosmid vector), 포스미드 벡터(fosmid vector), 인공 염색체 벡터 등, 숙주의 종류에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 발현 벡터로서는 숙주 세포에서 자립 복제가 가능, 또는 숙주의 염색체 중으로의 편성이 가능하고, 목적으로 하는 단백질을 코딩하는 핵산을 전사할 수 있는 위치에 프로모터를 함유하고 있는 것이 바람직하게 사용된다.
숙주로서 원핵 생물, 및 효모, 사상 진균, 곤충 세포, 동물 세포 및 식물 세포 등의 진핵 생물 모두 바람직하게 사용할 수 있다.
원핵 생물의 숙주의 바람직한 예로서, 에쉐리히아(escherichia)속, 브레비바실러스(brevibacillus)속, 세라티아속, 바실러스속, 마이크로박테리움속, 브레비박테리움속, 코리네박테리움속 및 슈도모나스속 등에 속하는 세균을 들 수 있다. 에쉐리히아속에 속하는 미생물로서, 예를 들어 에쉐리히아 콜라이 등을 들 수 있다. 브레비바실러스속에 속하는 미생물로서, 예를 들면 브레비바실러스 아그리(brevibacillus agri) 등을 들 수 있다. 세라티아속에 속하는 미생물로서, 예를 들면 세라티아 리퀘파시엔스(Serratia liquefacience) 등을 들 수 있다. 바실러스속에 속하는 미생물로서, 예를 들면 바실러스 섭틸리스(Bacillus subtilis) 등을 들 수 있다. 마이크로박테리움속에 속하는 미생물로서, 예를 들면 마이크로박테리움 암모니아필룸(Microbacterium a㎜oniaphilum) 등을 들 수 있다. 브레비박테리움속에 속하는 미생물로서, 예를 들어 브레비박테리움 디바리카툼(divaricatum) 등을 들 수 있다. 코리네박테리움속에 속하는 미생물로서, 예를 들면 코리네박테리움 암모니아제네스(Corynebacterium a㎜oniagenes) 등을 들 수 있다. 슈도모나스(Pseudomonas)속에 속하는 미생물로서, 예를 들면 슈도모나스 푸티다(Pseudomonas putida) 등을 들 수 있다.
원핵 생물을 숙주로 하는 경우, 목적 단백질을 코딩하는 핵산을 도입하는 벡터로서는, 예를 들어 pBTrp2(베링거만하임사제), pGEX(Pharmacia사제), pUC18, pBluescriptII, pSupex, pET22b, pCold, pUB110, pNCO2(일본 공개특허 제2002-238569호 공보) 등을 들 수 있다.
진핵 생물의 숙주로서는, 예를 들면 효모 및 사상 진균(곰팡이 등)을 들 수 있다. 효모로서는, 예를 들면 사카로마이세스(Saccharomyces)속, 피키아(Pichia)속, 스키조사카로마이세스(Schizosaccharomyces)속 등에 속하는 효모를 들 수 있다. 사상 진균으로서는, 예를 들어 아스퍼질러스(Aspergillus)속, 페니실리움(Penicillium)속, 트리코데르마(Trichoderma)속 등에 속하는 사상 진균을 들 수 있다.
진핵 생물을 숙주로 하는 경우, 목적 단백질을 코딩하는 핵산을 도입하는 벡터로서는, 예를 들어 YEP13(ATCC37115), YEp24(ATCC37051) 등을 들 수 있다. 상기 숙주 세포에 대한 발현 벡터의 도입 방법으로서는, 상기 숙주 세포로 DNA를 도입하는 방법이면 모두 사용할 수 있다. 예를 들면, 칼슘 이온을 이용하는 방법[Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 69,2110 (1972)], 일렉트로포레이션법, 스페로플라스트(spheroplast)법, 프로토플라스트법, 아세트산 리튬법, 컴피턴트법 등을 들 수 있다.
발현 벡터로 형질 전환된 숙주에 의한 핵산의 발현 방법으로서는, 직접 발현 외에, 몰레큘러 클로닝(molecular cloning) 제 2 판에 기재되어 있는 방법 등에 준하여 분비 생산, 융합 단백질 발현 등을 실시할 수 있다.
단백질은 예를 들어, 발현 벡터로 형질 전환된 숙주를 배양 배지 중에서 배양하고, 배양 배지 중에 상기 단백질을 생성 축적시켜, 상기 배양 배지로부터 채취함으로써 제조할 수 있다. 숙주를 배양 배지 중에서 배양하는 방법은 숙주의 배양에 통상 사용되는 방법에 따라 실시할 수 있다.
숙주가 대장균 등의 원핵 생물 또는 효모 등의 진핵 생물인 경우, 배양 배지로서 숙주가 자화(資化)할 수 있는 탄소원, 질소원 및 무기 염류 등을 함유하고, 숙주의 배양을 효율적으로 실시할 수 있는 배지이면 천연 배지, 합성 배지 중 어느 것을 사용해도 좋다.
탄소원으로서는 상기 형질 전환 미생물이 자화할 수 있는 것이면 되고, 예를 들어 글루코스, 프룩토스, 수크로스 및 이들을 함유하는 당밀, 전분 및 전분 가수 분해물 등의 탄수화물, 아세트산 및 프로피온산 등의 유기산, 및 에탄올 및 프로판올 등의 알코올류를 사용할 수 있다. 질소원으로서는, 예를 들면 암모니아, 염화암모늄, 황산 암모늄, 아세트산 암모늄 및 인산 암모늄 등의 무기산 또는 유기산의 암모늄염, 그 밖의 함질소 화합물, 및 펩톤, 고기 엑기스, 효모 엑기스, 콘 스팁 리쿼(corn steep liquor), 카제인 가수 분해물, 대두박 및 대두박 가수 분해물, 각종 발효균체 및 그 소화물을 사용할 수 있다. 무기 염류로는, 예를 들면 인산 제1 칼륨, 인산 제2 칼륨, 인산 마그네슘, 황산 마그네슘, 염화나트륨, 황산 제1 철, 황산 망간, 황산 구리 및 탄산 칼슘을 사용할 수 있다.
대장균 등의 원핵 생물 또는 효모 등의 진핵 생물의 배양은, 예를 들면 진탕 배양 또는 심부 통기 교반 배양 등의 호기적 조건하에서 실시할 수 있다. 배양 온도는, 예를 들어 15 ~ 40 ℃이다. 배양 시간은, 통상 16 시간 ~ 7 일간이다. 배양중의 배양 배지의 pH는 3.0 ~ 9.0으로 유지하는 것이 바람직하다. 배양 배지의 pH의 조정은 무기산, 유기산, 알칼리 용액, 요소, 탄산 칼슘 및 암모니아 등을 사용하여 실시할 수 있다.
또한, 배양 중 필요에 따라 암피실린 및 테트라사이클린 등의 항생 물질을 배양 배지에 첨가해도 된다. 프로모터로서 유도성의 프로모터를 이용한 발현 벡터로 형질 전환된 미생물을 배양할 때에는, 필요에 따라 인듀서를 배지에 첨가해도 된다. 예를 들면, lac 프로모터를 이용한 발현 벡터로 형질 전환된 미생물을 배양할 때에는 이소프로필-β-D-티오갈락토피라노사이드 등을, trp 프로모터를 이용한 발현 벡터로 형질 전환된 미생물을 배양할 때에는 인돌 아크릴산 등을 배지에 첨가해도 된다.
발현시킨 단백질의 단리, 정제는 통상 사용되고 있는 방법으로 실시할 수 있다. 예를 들어, 상기 단백질이 세포 내에 용해 상태로 발현된 경우에는 배양 종료 후, 숙주 세포를 원심 분리에 의해 회수하고, 수계 완충액에 현탁한 후, 초음파 파쇄기, 프렌치프레스, 맨턴 가울린(Manton Gaulin) 호모지나이저 및 다이노밀 등에 의해 숙주 세포를 파쇄하여, 무세포 추출액을 얻는다. 상기 무세포 추출액을 원심 분리함으로써 얻어지는 상청으로부터, 단백질의 단리 정제에 통상 사용되고 있는 방법, 즉 용매 추출법, 황산 암모늄 등에 의한 염석법, 탈염법, 유기 용매에 의한 침전법, 디에틸아미노에틸(DEAE)-세파로스, DIAION HPA-75(미츠비시 가세이사 제조) 등의 레진을 사용한 음이온 교환 크로마토그래피법, S-Sepharose FF(Pharmacia사 제조) 등의 레진을 사용한 양이온 교환 크로마토그래피법, 부틸세파로스, 페닐세파로스 등의 레진을 사용한 소수성 크로마토그래피법, 분자체를 이용한 겔 여과법, 어피니티 크로마토그래피법, 크로마토포커싱법, 등전점 전기영동 등의 전기영동법 등의 방법을 단독으로 또는 조합해서 사용하여, 정제 표품을 얻을 수 있다.
또한, 단백질이 세포 내에 불용체를 형성하여 발현한 경우에는, 동일하게 숙주 세포를 회수한 후, 파쇄하고, 원심 분리를 실시함으로써, 침전 획분으로서 단백질의 불용체를 회수한다. 회수한 단백질의 불용체는 단백질 변성제로 가용화할 수 있다. 상기 조작 후, 상기와 동일한 단리 정제법에 의해 단백질의 정제 표품을 얻을 수 있다. 상기 단백질이 세포 밖으로 분비된 경우에는, 배양 상청으로부터 상기 단백질을 회수할 수 있다. 즉, 배양물을 원심 분리 등의 수법에 의해 처리함으로써 배양 상청을 취득하고, 그 배양 상청으로부터, 상기와 동일한 단리 정제법을 사용함으로써 정제 표품을 얻을 수 있다.
거미줄 피브로인 섬유는 상술한 단백질을 방사한 것이다. 거미줄 피브로인 섬유는 천연 거미줄 단백질에 유래하는 폴리펩티드(인공 거미줄 단백질)을 방사한 것이 바람직하다. 거미줄 피브로인 섬유는 공지의 방사 방법에 의해 제조할 수 있다. 즉, 예를 들어, 거미줄 피브로인 섬유를 제조할 때에는, 우선 상술한 방법에 준하여 제조한 거미줄 피브로인을 디메틸설폭시드(DMSO), N, N-디메틸포름아미드(DMF), 또는 헥사플루오로이소프로판올(HFIP) 등의 용매에, 용해 촉진제로서의 무기염과 함께 첨가하고, 용해하여 도프액을 제작한다. 이어서, 이 도프액을 이용하여 습식 방사, 건식 방사 또는 건습식 방사 등의 공지의 방사 방법에 의해 방사하고, 목적으로 하는 거미줄 피브로인 섬유를 얻을 수 있다.
도 22는 거미줄 피브로인 섬유를 제조하기 위한 방사 장치의 일례를 도시한 개략도이다. 도 22에 도시한 방사 장치(60)는 건습식 방사용의 방사 장치의 일례이고, 압출 장치(1), 응고 장치(2), 세정 장치(3), 및 건조 장치(4)를 상류측부터 차례로 구비하고 있다.
압출 장치(1)는 저장조(7)를 갖고 있고, 여기에 도프액(방사 원액)(6)이 저류된다. 응고 장치(2)는 응고 욕조(70)를 갖고 있고, 여기에 응고액(61)(예를 들어, 메탄올)이 저류된다. 도프액(6)은 저장조(7)의 하단부에 부착된 기어 펌프(8)에 의해, 응고액(61)과의 사이에 에어 갭(69)을 형성하여 설치된 노즐(9)로부터 압출된다. 압출된 도프액(6)은 에어 갭(69)을 거쳐 응고액(61) 내에 공급된다. 응고액(61) 내에서 도프액(6)으로부터 용매가 제거되어 단백질이 응고된다. 응고된 단백질은 세정 장치(3)의 세정 욕조(71)에 인도되어 세정 욕조(71) 내의 세정액(62)에 의해 세정된 후, 세정 욕조(71)내에 설치된 제1 닙 롤러(63)와 제2 닙 롤러(64)에 의해 건조 장치(4)로 보내어진다. 이 때, 예를 들어, 제2 닙 롤러(64)의 회전 속도를 제1 닙 롤러(63)의 회전 속도보다 빠르게 설정하면, 회전 속도비에 따른 배율로 연신된 거미줄 피브로인 섬유(76)가 얻어진다. 세정액(62) 중에서 연신 된 거미줄 피브로인 섬유는 세정 욕조(71) 내를 이탈하고 나서, 건조 장치(4) 내를 통과할 때 건조되고, 그 후 와인더로 권취된다. 이와 같이 하여, 거미줄 피브로인 섬유가 방사 장치(60)에 의해, 최종적으로 와인더에 권취된 권회물(5)로서 얻어진다. 또한, "68a" ~ "68g"는 실 가이드이다. 또한, 건조 장치(4)는 주위를 둘러싸는 케이스(67)와, 히터(72)로 구성되어 있고, 히터(72)로부터의 열에 의해 거미줄 피브로인 섬유가 건조된다.
응고액(61)으로서는 탈용매할 수 있는 용액이면 되고, 예를 들어 메탄올, 에탄올 및 2-프로판올 등의 탄소수 1 ~ 탄소수 5의 저급 알코올, 및 아세톤 등을 들 수 있다. 응고액(61)은 적당히 물을 포함하고 있어도 된다. 응고액(61)의 온도는 0 ~ 30 ℃인 것이 바람직하다. 응고된 단백질이 응고액(61) 중을 통과하는 거리(실질적으로는 실 가이드(68a)로부터 실 가이드(68b)까지의 거리)는 탈용매가 효율적으로 실시할 수 있는 길이가 있으면 되고, 예를 들면 200 ~ 500 ㎜이다. 응고액(61) 중에서의 체류 시간은, 예를 들어 0.01 ~ 3 분이어도 되고, 0.05 ~ 0.15 분인 것이 바람직하다. 또한, 응고액(61) 중에서 연신(전연신)을 해도 된다.
또한, 거미줄 피브로인 섬유를 얻을 때 세정 욕조(71) 내에서 실시되는 연신은 온수 중, 온수에 유기 용제 등을 가한 용액 중 등에서 실시하는, 소위 습열 연신이어도 된다. 이 습열 연신의 온도로서는 예를 들어 50 ~ 90 ℃이어도 되고, 75 ~ 85 ℃가 바람직하다. 습열 연신에서는 미연신사(또는 전연신사)를, 예를 들면 1 배 ~ 10 배 연신할 수 있고, 2 ~ 8 배 연신하는 것이 바람직하다.
최종적인 연신 배율은 그 하한값이 미연신사(또는 전연신사)에 대해 바람직하게는 1 배 초과, 2 배 이상, 3 배 이상, 4 배 이상, 5 배 이상, 6 배 이상, 7 배 이상, 8 배 이상, 9 배 이상 중 어느 하나이고, 상한값이 바람직하게는 40 배 이하, 30 배 이하, 20 배 이하, 15 배 이하, 14 배 이하, 13 배 이하, 12 배 이하, 11 배 이하, 10 배 이하이다.
〔거미줄 피브로인 섬유의 제조〕
다음에, 거미줄 피브로인 섬유의 구체적인 제조 방법의 일례에 대해서 설명한다.
<(1) 거미줄 피브로인(PRT799)의 제조>
(거미줄 피브로인을 코딩하는 유전자의 합성 및 발현 벡터의 구축)
서열 번호 2로 표시되는 아미노산 서열을 갖는 개변 거미줄 피브로인 (PRT799)을 설계하였다.
서열 번호 2로 표시되는 아미노산 서열은 서열 번호 1로 표시되는 아미노산 서열 중에 존재하는 20 개의 도메인 서열의 영역(단, 상기 영역의 C 말단측의 수 아미노산 잔기가 치환되어 있음)을 4 회 반복한 서열의 C 말단에 His 태그가 부가된 아미노산 서열에 대하여, N 말단에 서열 번호 4로 표시되는 아미노산 서열(His 태그를 포함함)을 부가한 것이다.
다음에, PRT799를 코딩하는 핵산을 합성하였다. 상기 핵산에는 5’ 말단에 NdeI 사이트 및 종지 코돈 하류에 EcoRI 사이트를 부가하였다. 상기 핵산을 클로닝 벡터(pUC118)에 클로닝하였다. 그 후, 동핵산을 NdeI 및 EcoRI로 제한 효소 처리하여 잘라 낸 후, 단백질 발현 벡터 pET-22b(+)로 재조합하여 발현 벡터를 얻었다.
PRT799를 코딩하는 핵산을 포함하는 pET22b(+) 발현 벡터로, 대장균 BLR (DE3)을 형질 전환하였다. 상기 형질 전환 대장균을, 암피실린을 포함하는 2 mL의 LB 배지에서 15 시간 배양하였다. 상기 배양액을, 암피실린을 포함하는 100 mL의 시드 배양용 배지(표 1)에 OD600이 0.005가 되도록 첨가하였다. 배양액 온도를 30 ℃로 유지하고, OD600가 5가 될 때까지 플라스크 배양을 실시하여(약 15 시간), 시드 배양액을 얻었다.
상기 시드 배양액을 500 mL의 생산 배지(하기 표 2)를 첨가한 자 퍼멘터(jar fermenter)에 OD600이 0.05가 되도록 첨가하였다. 배양액 온도를 37 ℃로 유지하고, pH6.9로 일정하게 제어하여 배양하였다. 또한, 배양액 중의 용존 산소 농도를, 용존 산소 포화 농도의 20 %로 유지하도록 하였다.
생산 배지 중의 글루코스가 완전히 소비된 직후에, 피드액(글루코스 455 g/1L, Yeast Extract 120 g/1L)을 1 mL/분의 속도로 첨가하였다. 배양액 온도를 37 ℃로 유지하고, pH 6.9로 일정하게 제어하여 배양하였다. 또한 배양액 중의 용존 산소 농도를 용존 산소 포화 농도의 20 %로 유지하도록 하고, 20 시간 배양을 실시하였다. 그 후, 1 M의 이소프로필-β-티오갈락토피라노시드(IPTG)를 배양액에 대하여 종농도 1 mM가 되도록 첨가하고, PRT799를 발현 유도시켰다. IPTG 첨가 후 20 시간 경과한 시점에서, 배양액을 원심 분리하여 균체를 회수하였다. IPTG 첨가 전과 IPTG 첨가 후의 배양액으로부터 조제한 균체를 사용하여 SDS-PAGE를 실시하고, IPTG 첨가에 의존한 PRT799에 상당하는 사이즈의 밴드의 출현에 의해, PRT799의 발현을 확인하였다.
(PRT799의 정제)
IPTG를 첨가하고 나서 2 시간 후에 회수한 균체를 20 mM Tris-HCl buffer (pH7.4)로 세정하였다. 세정 후의 균체를 약 1 mM의 PMSF를 포함하는 20 mM Tris-HCl 완충액(pH 7.4)에 현탁시키고, 고압 호모지나이저(GEA Niro Soavi사)로 세포를 파쇄하였다. 파쇄된 세포를 원심 분리하여 침전물을 얻었다. 얻어진 침전물을, 고순도가 될 때까지 20 mM Tris-HCl 완충액(pH 7.4)으로 세정하였다. 세정 후의 침전물을 100 mg/mL의 농도가 되도록 8 M 구아니딘 완충액(8 M 구아니딘 염산염, 10 mM 인산 이수소나트륨, 20 mM NaCl, 1 mM Tris-HCl, pH 7.0)으로 현탁하고, 60 ℃ 에서 30 분간, 교반기에서 교반하여 용해시켰다. 용해 후 투석 튜브(산코준야쿠 가부시키가이샤제의 셀룰로스 튜브 36/32)를 사용하여 물로 투석을 실시하였다. 투석 후에 얻어진 백색의 응집 단백질(PRT799)을 원심 분리에 의해 회수하고, 동결 건조기로 수분을 제거하여, 동결 건조 분말을 회수하였다.
얻어진 동결 건조 분말에서의 PRT799의 정제도는 분말의 폴리아크릴아미드 겔 전기 영동의 결과를 Totallab(nonlinear dynamics ltd.)를 사용하여 화상 해석함으로써 확인하였다. 그 결과, PRT799의 정제도는 약 85 %였다.
<(2) 거미줄 피브로인 섬유의 제조> (도프액의 조제)
디메틸설폭시드(DMSO)에, 상술한 거미줄 피브로인(PRT799)을 농도 24 질량%가 되도록 첨가한 후, 용해 촉진제로서 LiCl을 농도 4.0 질량% 첨가하고, 그 후 쉐이커를 사용하여 3 시간 용해시켰다. 그 후, 먼지와 거품을 제거하고, 도프액으로 하였다. 도프액의 용액 점도는 90 ℃에서 5000 cP(센티포아즈)였다.
(방사)
상기와 같이 하여 얻어진 도프액과 도 22에 도시된 방사 장치(60)를 이용하여 공지의 건습식 방사를 실시하고, 거미줄 피브로인의 모노 필라멘트를 얻었다. 또한, 여기에서는 건습식 방사를 하기의 조건으로 실시하였다.
응고액(메탄올)의 온도: 2 ℃
건조 온도: 80 ℃
에어 갭 길이: 5 ㎜
[실시예 1-1]
상기 실시 형태에 관한 적층체(30)와, 비교예로서 탄소 섬유만을 사용한 적층체, 피브로인 섬유만을 사용한 적층체의 샘플을 제작하여 성능을 평가하였다.
<샘플>
(섬유)
탄소 섬유로서는 시판의 것을 사용하였다. 또한, 피브로인 섬유로서는 견사를 사용하였다.
(프리프레그)
섬유를 다수 평행으로 당겨 가지런히 하고, 에폭시 수지에 함침시켜, 한 방향의 섬유를 함유하는 판상의 프리프레그를 형성하였다. 섬유의 함유율은 65 중량%로 하였다.
(적층체)
프리프레그를 10 매 적층하고, 130도로 가열하여 열 경화시켜 적층체를 형성하였다. 적층체(30)의 섬유 강화 수지층(32)의 한 층의 두께는 0.2 ㎜, 총 2 ㎜의 두께가 되었다. 각 층의 섬유의 방향은 모두 동일 방향으로 하였다. 층간 전단 시험을 위한 샘플은 20 ㎜(섬유 방향) × 10 ㎜, 3 점 굽힘 시험을 위한 샘플은 100 ㎜(섬유 방향) × 15 ㎜로 하였다.
도 2에는 각 샘플의 구성을 도시하고 있다. U-FIB100은 피브로인 섬유의 프리프레그만을 10 매 적층한 비교예, U-CF100은 탄소 섬유의 프리프레그만을 10 매 적층한 비교예, U-HB802는 탄소 섬유의 프리프레그가 80 %(피브로인 섬유의 층이 아래부터 1, 9 층째)의 실시예, U-HB702는 탄소 섬유의 프리프레그가 70 %(피브로인 섬유의 층이 아래부터 1, 2, 9 층째)의 실시예, U-HB602는 탄소 섬유의 프리프레그가 60 %의 실시예이고, U-HB602-1은 피브로인 섬유의 층이 아래부터 1, 2, 3, 9 층째, U-HB602-2는 피브로인 섬유의 층이 아래부터 1, 2, 8, 9 층째로 하였다.
<물성 평가 시험>
물성 평가 시험으로서 「층간 전단 시험」과, 「3점 굽힘 시험」을 실시하였다.
「층간 전단 시험」은 JIS K 7057(섬유 강화 플라스틱 - 숏빔법에 의한 외관의 층간 전단 강도를 구하는 법)에 따라 실시하여, 도 3(A)에 도시한 바와 같이, 샘플의 양단을 억압하고, 중앙 부근으로부터 압자를 1 ㎜/sec의 속도로 샘플에 억압 접촉시켜 하중 - 변위량을 조사하고, 또한 단면 사진에 의해 층간 전단 상태를 관찰하였다.
「3점 굽힘 시험」은 JIS K7074(탄소 섬유 강화 플라스틱의 굽힘 시험 방법)에 의해 실시하여, 도 3(B)에 도시한 바와 같이 샘플의 양단을 억압하고, 중앙 부근으로부터 압자를 5 ㎜/sec의 속도로 샘플에 억압 접촉시켜 하중 - 변위량을 조사하였다.
<층간 전단 시험 결과>
도 4에, 층간 전단 시험에서의, 각 샘플의 변위량과 하중의 관계가 나타나 있다. 이와 같이, 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)이 증가함에 따라서 변위량에 대한 하중이 작아진다.
도 5에 각 샘플의 단면 사진을 나타낸다. 이와 같이, 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)을 추가함으로써, 층간 박리를 감소시킬 수 있다. 특히, 층간 박리는 탄소 섬유 강화 수지층(32-1)끼리의 층간에 발생하고 있고, 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)과 탄소 섬유 강화 수지층(32-1) 사이나, 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)끼리의 층간에서는 층간 박리가 별로 발생하고 있지 않다. 따라서, 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)이 층간 박리에 유효한 것을 알 수 있다.
<3점 굽힘 시험 결과>
도 6에, 3점 굽힘 시험에서의 각 샘플의 변위량과 하중의 관계가 나타나 있다. 최대 변위량이 파단시의 변위량이다. 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)만으로 이루어진 FIB100에서는 파단되지 않았다.
이와 같이, 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)이 증가함에 따라 변위량에 대한 하중이 작아지지만, 최대 변위량이 커진다.
도 7에는 각 샘플에 대하여 파단시의 하중인, 최대 하중을 나타내고 있다. 이와 같이, 탄소 섬유 강화 수지층(32-1)만으로 이루어진 CF100이 최대 하중이 크고, 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)만으로 이루어진 FIB100이 최대 하중이 가장 작다. 또한, 최대 변위량에 대해서는 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)을 설치함으로써 크게 변화되고, 변위량이 커지는 것을 알 수 있었다. 또한, FIB100은 이 시험에서는 파단되지 않았으므로, 변위 18 ㎜까지의 데이터로 하고 있다.
도 8에는 각 샘플에 대하여, 파단시의 변위인, 최대 변위를 나타내고 있다. 이와 같이, 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)의 비율이 커짐에 따라, 최대 변위량이 커진다.
도 9에, HB802에서의, 파괴 에너지(흡수 에너지)를 나타낸다. 이와 같이, 파괴 에너지는 파단까지의 변위와 하중에 의해 결정되는 부분의 면적에 해당한다.
도 10에는 이와 같이 하여 구한 각 샘플의 파괴 에너지(흡수 에너지)를 나타낸다. 이와 같이, HB802,702,602 중 어느 것에 있어서도 파괴 에너지(흡수 에너지)는 CF100에 비하여 커져 있다. 이에 의해, 피브로인 섬유를 사용함으로써, 적층체(30)에 의해 흡수 가능한 에너지를 증가시킬 수 있는 것을 알 수 있다. 즉, 인성이 커진다.
상술한 예에서는 피브로인 섬유로서 견사를 사용했지만, 이에 의해 강도, 최대 변위 등의 성능이 좋은, 거미줄 등을 사용함으로써, 보다 향상된 성능이 얻어지는 것을 알 수 있었다.
[실시예 1-2]
<샘플>
피브로인 섬유로서는 상술한 제조 방법에 의해 제조한 거미줄 피브로인 섬유를 사용한 예를 추가하였다. 그 밖에는 실시예 1-1과 동일하다.
적층체(30)로서 도 23의 구성의 것을 사용하였다. 도 2에 나타낸 샘플 이외에 피브로인 섬유의 층이 아래부터 1, 2, 10 층째에 배치되어 있는 271(실시예)에 대하여 시험을 실시하였다.
<평가 시험 방법>
상술한 실시예 1-1과 동일하게 하여 실시하였다.
(3점 굽힘 시험 결과)
3점 굽힘 시험 결과를 도 24에 나타낸다. 이와 같이, 거미줄 피브로인 섬유를 이용한 실시예 271에서는, 다른 모두를 상회하는 파괴 에너지가 크다. 이로부터 거미줄 피브로인 섬유를 사용함으로써, 적층체(30)에 의해 흡수 가능한 에너지를 증가시킬 수 있는 것을 알 수 있었다.
「섬유 강화 수지 피복체」
다음에, 상술한 적층체(30)를 기재상에 피복한 섬유 강화 수지 피복체에 대하여 설명한다. 도 11은 본 실시 형태에 관한 섬유 강화 수지 피복체(50)의 구성을 나타내고 있다. 섬유 강화 수지 피복체(50)는 적층체(30)가 기재(40) 상에 배치되어 형성된다.
기재(40)는 예를 들어 알루미늄이나, 알루미늄 합금이 사용된다. 알루미늄을 포함하는 금속은 비교적 경량이지만, 강도가 비교적 작게 인가되는 힘에 의해 변형되기 쉽다. 그래서, 기재(40)를 섬유 강화 수지층(32)으로 이루어진 적층체(30)로 보강함으로써, 전체적으로 경량이며, 굽힘 강도가 큰 섬유 강화 수지 피복체(50)를 얻을 수 있다.
여기에서, 섬유 강화 수지층(32)에 대하여, 탄소 섬유 강화 수지층(32-1), 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)을 어떻게 배치하는지, 또한 어떤 비율을 크게 하는지에 따라, 적층체(30)의 성능은 변화된다.
본 실시 형태에서는 적층체(30)가 기재(40)의 표면상에 배치된다. 따라서, 기재(40)의 변형 등의 영향에 따라 적층체(30)에 응력이 발생한다. 그리고, 적층체(30)의 층간에서의 응력이 그 내구력을 상회한 경우에는, 층간 박리가 발생한다. 이 때, 각 층의 물성에 의해 층간의 응력이 다른 것이 된다. 탄소 섬유 강화 수지층(32-1)은 강도는 크지만, 그만큼 변형량은 작고, 층간 응력에 의해 층간 박리가 발생할 가능성이 높다. 한편, 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)은 인접층의 변형에 추종하여 변형되지만, 이 변형을 인접층이 받아들일 수 있는지가 문제가 된다. 예를 들어, 기재(40)가 크게 변형된 경우에, 이에 인접하여 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)을 배치하면, 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)은 기재(40)의 변화에 추종하여 변형되어, 층간 박리를 발생하기 어렵다. 한편, 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)에 인접하여 탄소 섬유 강화 수지층(32-1)이 있던 경우에는, 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)과 탄소 섬유 강화 수지층(32-1) 사이에서 층간 박리가 발생하기 쉬워진다.
그래서, 본 실시 형태에서는 가장 변형이 큰 기재(40)에 인접하는 적층체(30)의 층으로서, 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)을 채용한다. 또한, 탄소 섬유 강화 수지층(32-1)끼리의 층간 박리를 방지하기 위해, 기재(40)로부터 떨어진 측에서도 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)을 배치한다.
이와 같은 구성에 의해, 기재(40)의 변형에 의해서도 적층체(30)에서의 층간 박리를 억제하여 기재(40)를 보호하는 것이 가능해진다.
예를 들어, 탄소 섬유 강화 수지층(32-1)과 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)을 교대로 배치하거나, 기재(40)측에서 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)을 약간 많게 배치하는 것이 바람직하다.
본 실시 형태에 관한 섬유 강화 수지 피복체(50)에서는, 적층체(30)에 탄소 섬유 강화 수지층(32-1)과 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)을 적층 접합하여 형성하고 있다. 적층체(30)에서 탄소 섬유 강화 수지층(32-1)은 고강성 섬유(14)를 포함하고 있고, 강도가 크다. 즉, 하중에 대한 변형량이 비교적 적지만, 큰 하중에도 견딜 수 있다. 한편, 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)은 피브로인 섬유(24)를 포함하고 있고, 탄소 섬유 강화 수지층(32-1)에 비하여, 견딜 수 있는 하중은 작지만, 하중에 대한 변형량이 크다.
그리고, 탄소 섬유 강화 수지층(32-1)과, 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2) 양쪽을 적층 접합하여 얻어진 적층체(30)는, 탄소 섬유 강화 수지층(32-1) 만의 적층체(30)에 비하여, 견딜 수 있는 최대 하중은 작지만, 비교적 큰 하중에 견딜 수 있고 또한 그 때의 변형량이 크다. 따라서, 적층체(30)에 있어서는 탄소 섬유 강화 수지층(32-1)만을 사용한 적층체(30)에 비하여, 충격 등의 흡수 능력이 향상되고 있다. 그래서, 기재(40)의 변형에 따라 적층체(30)가 변형되었을 때 층간 박리 등이 발생하기 어렵게 되어 있다.
또한, 기재(40)에 인접하는 층에 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)을 배치함으로써, 기재(40)의 큰 변형에 추종하여 층간 박리의 발생을 억제한다. 또한, 기재(40)에 가까운 측에 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)을 약간 많게 배치함으로써, 적층체(30) 전체로서의 층간 박리의 발생을 억제하고 있다.
[실시예 2]
상기 실시 형태에 관한, 기재(40)에 인접하는 층에 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)을 이용한 섬유 강화 수지 피복체(50)와, 비교예로서 기재(40)에 인접하는 층에 탄소 섬유 강화 수지층(32-1)을 배치한 섬유 강화 수지 피복체(50)의 샘플을 제작하고 성능을 평가하였다. 또한, 이 실험에서는 기재(40)는 생략하고, 기재(40)측에 힘을 인가함으로써 기재(40)의 변형을 모의하였다.
<샘플>
(적층체)
적층체(30)에 대해서는, 상술한 실시예 1-1, 1-2와 동일한 것을 채용하였다.
실험 샘플은 다음의 9 종류로 하였다. CF는 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 강화 수지층(32-1), FIB는 피브로인 섬유를 포함하는 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)을 의미한다. 또한, UD는 섬유가 한 방향으로 정돈되어 있는 것을 의미하고 있다. 그리고, 어떤 샘플도 적층체(30)에 대해서, 섬유 강화 수지 프리프레그를 10 매 이용하고 있고, CF90은 탄소 섬유 강화 수지 프리프레그(10)가 9 매, 피브로인 섬유 강화 수지 프리프레그(20)가 1 매를 의미한다. 그리고, 동일한 비율로도 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)의 배치 위치가 다른 것을 준비하였다. FIB 위치는 기재(40)측으로부터의 층 위치이다.
샘플 1 (UDCF90): CF 90 %, FIB 10 % FIB 위치 (1)
샘플 2 (UDCF90): CF 90 %, FIB 10 % FIB 위치 (6)
샘플 3 (UDCF90): CF 90 %, FIB 10 % FIB 위치 (9)
샘플 4 (UDCF70): CF 70 %, FIB 30 % FIB 위치 (5-7)
샘플 5 (UDCF70): CF 70 %, FIB 30 % FIB 위치 (2,6,9)
샘플 6 (UDCF70): CF 70 %, FIB 30 % FIB 위치 (1,9,10)
샘플 7 (UDCF50): CF 50 %, FIB 50 % FIB 위치 (1,3,5,7,9)
샘플 8 (UDCF50): CF 50 %, FIB 50 % FIB 위치 (1-5)
샘플 9 (UDCF50): CF 50 %, FIB 50 % FIB 위치 (3-7)
<물성 평가 시험>
물성 평가 시험으로서 「층간 전단 시험」을 실시하였다. 이 「층간 전단 시험」은 JIS K 7057(섬유 강화 플라스틱 - 숏빔법에 의한 외관의 층간 전단 강도를 구하는 법)에 따라 실시하고, 도 3의 (A)에 도시한 바와 같이, 샘플의 양단을 억압하고, 중앙 부근으로부터 압자를 1 ㎜/sec의 속도로 샘플에 억압 접촉시켜, 하중 - 변위량을 조사하고, 또한 단면 사진에 의해 층간 전단 상태를 관찰하였다.
<층간 전단 시험 결과>
도 12 ~ 도 20에 층간 전단 시험에서의, 각 샘플의 단면 사진을 나타낸다.
도 12의 샘플 1에서는 11 개소의 층간 박리 개소가 검출되었다. 층간 박리 개소 모두는 CF 사이였다.
도 13의 샘플 2에서는 7 개소의 층간 박리 개소가 검출되었다. 층간 박리 개소의 CF 사이 6, CF-FIB 사이 1 개소였다.
도 14의 샘플 3에서는 7 개소의 층간 박리 개소가 검출되었다. 층간 박리 개소의 CF 사이 6, CF-FIB 사이 1 개소이고, 샘플 2와 동일한 결과였다.
도 15의 샘플 4에서는 8 개소의 층간 박리 부분이 검출되었다. 층간 박리 개소의 CF 사이 7, FIB 사이 1 개소였다.
도 16의 샘플 5에서는 11 개소의 층간 박리 개소가 검출되었다. 층간 박리 개소의 CF 사이 8, CF-FIB 사이 3 개소이며, 샘플 2와 동일한 결과였다.
도 17의 샘플 6에서는 10 개소의 층간 박리 부분이 검출되었다. 층간 박리 개소 모두는 CF 사이였다.
도 18의 샘플 7에서는 5 개소의 층간 박리 개소가 검출되었다. 층간 박리 개소의 CF 사이 3, CF-FIB 사이 2 개소이고, 샘플 2와 동일한 결과였다.
도 19의 샘플 8에서는 5 개소의 층간 박리 부분이 검출되었다. 층간 박리 개소 모두는 CF 사이였다.
도 20의 샘플 9에서는 7 개소의 층간 박리 개소가 검출되었다. 층간 박리 개소의 CF 사이 5, CF-FIB 사이 2 개소이고, 샘플 2와 동일한 결과였다.
이를 종합하면 도 21에 도시한 바와 같이, 층간 박리는 CF 사이에서 61/70 (87 %), CF-FIB 사이에서 8/70(12 %), FIB 사이에서 1/70(1 %)로 검출되었다.
이와 같이, 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)(FIB)을 추가함으로써, 층간 박리를 감소시킬 수 있다. 특히, 층간 박리는 탄소 섬유 강화 수지층(32-1)끼리의 층간(CF 사이)에 발생하고 있고, 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)과 탄소 섬유 강화 수지층(32-1)의 사이(CF-FIB)나, 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)끼리의 층간(FIB 사이)에서는 층간 박리는 별로 발생하고 있지 않다. 따라서, 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)이 층간 박리에 유효한 것을 알 수 있다.
또한, 샘플 7, 8에서는 층간 박리의 발생 개소가 5 개소에서 다른 것과 비교하여 적어져 있다. 이로부터, 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)(FIB)을 비교적 많은 듯하게 채용하고, 또한 기재(40)측에 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)을 배치함으로써 층간 박리의 발생을 효과적으로 방지할 수 있는 것이 확인되었다.
특히, 피브로인 섬유 강화 수지층(32-2)을 기재측에 설치함으로써, 층간 박리가 일어나는 개소를 기재로부터 떨어진 위치로 할 수 있다. 따라서, 가령 층간 박리가 발생해도, 섬유 강화 수지 피복체(50)로서의 강도는, 기재에 가까운 위치에 층간 박리가 발생한 경우보다 높게 유지할 수 있다.
10: 탄소 섬유 강화 수지 프리프레그
12, 22: 수지 14: 고강성 섬유
20: 피브로인 섬유 강화 수지 프리프레그
24: 피브로인 섬유 30: 적층체
32: 섬유 강화 수지층 32-1: 탄소 섬유 강화 수지층
32-2: 피브로인 섬유 강화 수지층 40: 기재
50: 섬유 강화 수지 피복체
12, 22: 수지 14: 고강성 섬유
20: 피브로인 섬유 강화 수지 프리프레그
24: 피브로인 섬유 30: 적층체
32: 섬유 강화 수지층 32-1: 탄소 섬유 강화 수지층
32-2: 피브로인 섬유 강화 수지층 40: 기재
50: 섬유 강화 수지 피복체
SEQUENCE LISTING
<110> Spiber Inc.
KOJIMA INDUSTRIES CORPORATION
<120> Fiber reinforced resin material and Laminate
<130> 17PS014JP1
<160> 4
<170> PatentIn version 3.5.1
<210> 1
<211> 601
<212> PRT
<213> Artificial Sequence
<220>
<223> PRT410
<400> 1
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Gly Pro Gly Gln Tyr Gly Pro Gly Gln Gln Gly Pro Ser Ala Ser Ala
165 170 175
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405 410 415
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500 505 510
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530 535 540
Ala Ser Ala Ala Ala Ala Ala Gly Gln Tyr Gly Ser Gly Pro Gly Gln
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580 585 590
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595 600
<210> 2
<211> 2375
<212> PRT
<213> Artificial Sequence
<220>
<223> PRT799
<400> 2
Met His His His His His His Ser Ser Gly Ser Ser Gly Pro Gly Gln
1 5 10 15
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20 25 30
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50 55 60
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Ser Ser Val Asp Lys Leu Ala Ala Ala Leu Glu His His His His
2360 2365 2370
His His
2375
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<211> 559
<212> PRT
<213> Artificial Sequence
<220>
<223> Recombinant spider silk protein Flag_92_short2
<400> 3
Met His His His His His His His His His His Ser Ser Gly Ser Ser
1 5 10 15
Leu Glu Val Leu Phe Gln Gly Pro Gly Ala Gly Gly Ser Gly Pro Gly
20 25 30
Gly Ala Gly Pro Gly Gly Val Gly Pro Gly Gly Ser Gly Pro Gly Gly
35 40 45
Val Gly Pro Gly Gly Ser Gly Pro Gly Gly Val Gly Pro Gly Gly Ser
50 55 60
Gly Pro Gly Gly Val Gly Pro Gly Gly Ala Gly Gly Pro Tyr Gly Pro
65 70 75 80
Gly Gly Ser Gly Pro Gly Gly Ala Gly Gly Ala Gly Gly Pro Gly Gly
85 90 95
Ala Tyr Gly Pro Gly Gly Ser Tyr Gly Pro Gly Gly Ser Gly Gly Pro
100 105 110
Gly Gly Ala Gly Gly Pro Tyr Gly Pro Gly Gly Glu Gly Pro Gly Gly
115 120 125
Ala Gly Gly Pro Tyr Gly Pro Gly Gly Ala Gly Gly Pro Tyr Gly Pro
130 135 140
Gly Gly Ala Gly Gly Pro Tyr Gly Pro Gly Gly Glu Gly Gly Pro Tyr
145 150 155 160
Gly Pro Gly Gly Ser Tyr Gly Pro Gly Gly Ala Gly Gly Pro Tyr Gly
165 170 175
Pro Gly Gly Pro Tyr Gly Pro Gly Gly Glu Gly Pro Gly Gly Ala Gly
180 185 190
Gly Pro Tyr Gly Pro Gly Gly Val Gly Pro Gly Gly Gly Gly Pro Gly
195 200 205
Gly Tyr Gly Pro Gly Gly Ala Gly Pro Gly Gly Tyr Gly Pro Gly Gly
210 215 220
Ser Gly Pro Gly Gly Tyr Gly Pro Gly Gly Ser Gly Pro Gly Gly Tyr
225 230 235 240
Gly Pro Gly Gly Ser Gly Pro Gly Gly Tyr Gly Pro Gly Gly Ser Gly
245 250 255
Pro Gly Gly Tyr Gly Pro Gly Gly Ser Gly Pro Gly Gly Ser Gly Pro
260 265 270
Gly Gly Tyr Gly Pro Gly Gly Ser Gly Pro Gly Gly Ser Gly Pro Gly
275 280 285
Gly Tyr Gly Pro Gly Gly Ser Gly Pro Gly Gly Tyr Gly Pro Gly Gly
290 295 300
Ser Gly Pro Gly Gly Ser Gly Pro Gly Gly Tyr Gly Pro Gly Gly Ser
305 310 315 320
Gly Pro Gly Gly Ser Gly Pro Gly Gly Tyr Gly Pro Gly Gly Ser Gly
325 330 335
Pro Gly Gly Phe Gly Pro Gly Gly Phe Gly Pro Gly Gly Ser Gly Pro
340 345 350
Gly Gly Tyr Gly Pro Gly Gly Ser Gly Pro Gly Gly Ala Gly Pro Gly
355 360 365
Gly Val Gly Pro Gly Gly Phe Gly Pro Gly Gly Ala Gly Pro Gly Gly
370 375 380
Ala Gly Pro Gly Gly Ala Gly Pro Gly Gly Ala Gly Pro Gly Gly Ala
385 390 395 400
Gly Pro Gly Gly Ala Gly Pro Gly Gly Ala Gly Pro Gly Gly Ala Gly
405 410 415
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420 425 430
Gly Gly Ala Gly Gly Ser Gly Gly Thr Thr Ile Ile Glu Asp Leu Asp
435 440 445
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485 490 495
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<400> 4
Met His His His His His His Ser Ser Gly Ser Ser
1 5 10
Claims (11)
- 수지 중에 섬유 재료를 포함하는 섬유 강화 수지재로,
상기 섬유 재료는 고강성 섬유 및 피브로인 섬유를 포함하는, 섬유 강화 수지재. - 제 1 항에 있어서,
상기 고강성 섬유가 초기 탄성률 30 ㎬ 이상의 섬유인, 섬유 강화 수지재. - 수지 중에 섬유 재료를 포함하는 섬유 강화 수지층이 적층 접합된 적층체로,
상기 섬유 재료는 고강성 섬유 및 피브로인 섬유를 포함하는, 적층체. - 제 3 항에 있어서,
상기 고강성 섬유가 아라미드 섬유, PBO 섬유, 유리 섬유, 및 탄소 섬유 중 적어도 하나를 포함하는, 적층체. - 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 고강성 섬유가 탄소 섬유인, 적층체. - 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 섬유 강화 수지층은
수지 중에 탄소 섬유를 포함하는 탄소 섬유 강화 수지층, 및
수지 중에 피브로인 섬유를 포함하는 피브로인 섬유 강화 수지층,
을 포함하는, 적층체. - 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 섬유 강화 수지층은
수지 중에 탄소 섬유 및 피브로인 섬유가 혼재하고 있는 섬유 강화 수지층을 포함하는, 적층체. - 하중의 입력에 의해 변형되는 기재, 및
제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 적층체를 포함하는 섬유 강화 수지 피복체로,
주로 피브로인 섬유를 이용한 피브로인 섬유 강화 수지층이 상기 기재와 인접하도록 적층되어 있는, 섬유 강화 수지 피복체. - 제 8 항에 있어서,
상기 기재측으로부터 멀어짐에 따라 피브로인 섬유 강화 수지층의 비율이 작아지는, 섬유 강화 수지 피복체. - 상기 피브로인 섬유는 천연형 거미줄 단백질에 유래 또는 유사한 단백질로 이루어진 섬유인,
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 섬유 강화 수지재, 또는 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 적층체, 또는 제 8 항 또는 제 9 항에 기재된 섬유 강화 수지 피복체. - 상기 피브로인 섬유가 실크인,
제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 섬유 강화 수지재, 또는 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 적층체, 또는 제 8 항 또는 제 9 항에 기재된 섬유 강화 수지 피복체.
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