背景技术
通常,钢制容器被用来作为高压气体的储存罐。然而,由于该种储存罐由钢材料制得,所以很重而不易移动和运输。
例如,在使用由钢制得的储存罐作为使用气体燃料的交通工具的燃料储存罐的场合,为了减轻交通工具的重量以降低燃料消耗,甚至想要减轻其燃料储存罐的重量。或者,即使在气体储存罐的场合,例如用于消防队员或者潜水呼吸器的携带于肩部的空气罐,为了减轻人的负担,人们也想要使该罐的重量轻。
在上面提到的情况下,作为高压气体储存罐,使用通过将纤维增强塑料环绕着树脂或者金属衬里缠绕来代替常用的钢罐。该种使用纤维增强塑料的高压存储罐能成功地在维持相对于充入在罐中的高压气体的强度的同时减轻罐的重量。
同时,由钢制得的容器已被使用作飞轮的转子等。储存能量通常与通过由强度除以密度得到的比强度成正比。将钢的性能和炭纤维增强的塑料的性能加以比较,其结果示于下表中。
表1
材料 |
强度(MPa) |
密度(kg/m<sup>3</sup>) |
比强度 |
钢 |
500 |
7800 |
0.064 |
炭纤维增强塑料 |
3000 |
1500 |
2.0 |
与由炭纤维增强塑料制得的转子相比,由钢制得的转子的能量储存性能大约是由炭纤维增强塑料制得的转子的能量储存性能的1/30。尤其是在将由钢制的转子用于如交通工具等移动产品的场合,因其大尺寸和大重量而不方便。因此,现在使用如炭纤维等增强纤维的纤维增强塑料材料开始用于转子。
钢制管已较早被用于石油运输管。由于原油包括硫化氢和碳酸,因此原油运输管必须具有耐腐蚀性。此外,由于取决于不同场合石油可能在压力高至50~100atm时喷出,运输管必须具有机械耐久性。
虽然通常钢制管不贵,但在耐腐蚀性和机械耐久性方面具有问题,因此,需要各种抗腐蚀处理和为了养护腐蚀部分的工作。因此,使用如炭纤维等增强纤维的纤维增强塑料现在也开始应用在石油运输管上。
在使用该种纤维增强塑料生产各种成形产品的步骤中作为缠绕增强纤维的典型方法,单丝缠绕方法(此后称为FW法)是一个例子。该方法是通过将连续增强纤维绕着铁芯或者塑料轴瓦卷绕,将树脂涂布在纤维上,然后固化树脂制得成形体。
该种FW法中的一般的纤维给料方式包括如图1所示的方式(此后称为“拉取方式”),其中线轴纵向放置,以纵向拉取方式从其内侧或者外侧供给纤维,以及如图2所示的方式(此后称为“线轴架方式”),在该线轴架方式中,线轴横向放置且通过线轴架支撑,给以预定的向后拉力,边旋转线轴边供给纤维。
在这些给料方式的拉取方式中,使用中的纤维终端可以预先连结于下一个纤维的始端,这使得在替换纤维时可以不中断生产,从而使得连续生产成为可能而提高了生产率。相反,以纵向拉取方式供给纤维时,不可否认地会引起纤维的捻合。该种捻合引起增强纤维强度和成形压力罐的强度的降低,引起了罐中气体的填充压力需要保持较低这一问题。
为了解决这些问题,披露了一种使用玻璃纤维作为增强纤维以纵向拉取方式供给玻璃纤维束生产纤维增强塑料成形体的方法,例如,日本专利申请公告(JP-B)No.1-33342。根据该公告,将粗纱卷绕成圆柱状且使得该纤维以每一旋转长度捻合1次的速率进行捻合而形成卷绕体,该粗纱是通过将多股玻璃纤维排列成相互平行而制得的。从该卷绕体,粗纱以相对于捻合方向相反的方向拉取,拉出的粗纱浸入到液体热固性树脂中,从而通过单丝卷绕方法制得玻璃纤维增强塑料成形体。
因此,如该公告中所述,由于在开发生产玻璃纤维增强塑料成形体的技术的当时,所使用的玻璃纤维束不需要具有上面提到的该种高强度,纤维束的组成纤维在数量上较少和粗纱具有圆形截面,因而即使在一些捻合施加于玻璃纤维束而引起塑料成形体强度下降也不会造成障碍。
然而,为了提高生产率,与当开发出上面提到的用于生产玻璃纤维增强塑料成形体时相比,近年来炭纤维已常用来作为增强纤维,以及构成增强纤维束的单纤维数量大体上增加至几万个。在制成前述卷绕体之前,将该种组成纤维数较多的纤维束偏平化。即使仍保留有一些捻合,捻合部分或者以在丝带折曲时得到的相同形式被折曲,或者在捻合部分被挤压使得其变窄,因此在组成纤维中产生了剪切力以极端的降低纤维增强塑料成形体所需的强度。
同时,在线轴架方式中,在进线时纤维未被捻合,因此线轴架方式具有气体填充压力能够提高这一优点。但是,在另一方面,使用的纤维终端不能预先连结到下一要使用的纤维的始端。为了更换纱线,生产必须暂时中断,导致了生产率的降低。
为了解决上面提到的问题,本发明的目的之一是提供一种不需降低生产效率来生产且具有高强度的纤维增强塑料成形体。
发明内容
为了实现该目的,本发明涉及以纵向拉取方式从增强纤维卷绕体供给增强纤维束生产的纤维增强塑料成形体,该塑料成形体本质上具有这样的一种结构,在该结构中用来以纵向拉取方式供给且绕着增强纤维卷绕体卷绕的增强纤维束由10000股或者更多股组成纤维构成,且该增强纤维束相对于以纵向拉取方式供给纤维束时给定的捻合方向相反的方向被捻合,捻合数几乎与以纵向拉取方式供给纤维束时给定的捻合数相同且在塑料成形体中得到的增强纤维束的捻合数基本上为零。
在生产本发明的纤维增强塑料成形体中,首先制备用来以纵向拉取方式供给增强纤维的增强纤维卷绕体。绕着该卷绕体卷绕的增强纤维束的组成纤维数为10000股或者更多。如果组成纤维数象这样增加,当具有圆形截面的该纤维束就此用于下面的步骤加工时,难于得到具有所要求厚度的纤维增强塑料成形体。此外,如果组成纤维数增加,难以保持圆形截面且纤维束易于必然地具有椭圆截面。如果以该种方式将纤维束的截面偏平化,即使在仅有一点点捻合施加于纤维束的情况下,组成纤维也在捻合部分以较宽的范围折曲,这使得生产后的纤维增强塑料成形体的强度局部大幅度降低。
因此,在使用具有前面提到的具有较大组成纤维数的增强纤维束时,供给后的纤维束,尤其是以纵向拉取方式甚至必须不能有一点捻合。因此,在本发明中使用的增强纤维束的卷绕体是用纤维束以这样的方式卷绕的:其中纤维束以相对于以纵向拉取方式供给纤维束时必然给出的捻合方向相反的方向,而捻合数与以纵向拉取方式供给纤维束时必然给出的捻合数相同。施加于该卷绕体的捻合数优选在范围0.1~2(转/圈),更优选范围0.5~1.5(转/圈)。需要重点提及的是,施加于该卷绕体的捻合方向和以拉取方式供给纤维束时给出的捻合方向是相反的。施加于卷绕体的捻合方向是相对于纤维方向的顺时针方向的S方向,或相对于纤维方向逆时针方向的Z方向的任意一种。
以纵向拉取方式从该增强纤维卷绕体供给增强纤维束,再在纤维束上涂布树脂。然后,将经涂布的纤维束绕着金属或者树脂衬里卷绕,之后固化树脂以制得如压力罐等纤维增强塑料成形体。
依照本发明,如前面所提到的,以与供给纤维束时必然施加的捻合方向相反的方向预先向纤维束施加捻合,以拉取方式从增强纤维卷绕体中供给纤维束。因此,通过这种供给,将捻合以相对于以前给定的捻合的方向相反的方向施加于纤维束,使得具有先前给定的捻合的纤维束在供给时解捻合,因此,增强纤维束以基本上非捻合的状态被供给。在以该种方式得到的本发明纤维增强塑料成形体中,塑料成形体所包含的增强纤维束的捻合数基本上为零。因此,由于该增强纤维的特性被充分地实现,成形体最终具有高强度。
本发明中,以拉取方式从与供给纤维束时必然给定的捻合方向相反的方向预先捻合的增强纤维卷绕体中供给纤维束。通过控制预先给定于卷绕体的捻合数以及当供给纤维束时必然给定的捻合数,理论上可能使包含于成形体中的增强纤维束的捻合数为零。然而,实际上,存在制得的成形体所包含的增强纤维束被施加有一些捻合的情形。本发明的成形体中含有的增强纤维束的捻合数优选在范围0~1(转/米)。
该范围的上限是本发明实际制得的成形体的增强纤维束中观察到的最大捻合数。此外,该范围的下限是存在于通过前面提到的以横向拉取方式中供给生产制得的成形体所含有的增强纤维束的捻合数的上限。虽然本发明的成形体含有的增强纤维束的捻合数大于通过以横向拉取方式供给而制得的成形体含有的增强纤维束的捻合数,但可以充分地显示增强纤维的特征,而且如果捻合数落在上面的范围内,则制得的成形体所得到的强度也与通过以横向拉取方式供给制得的成形体所得到的强度相同。
此外,由于如上面提到的是以纵向拉取方式(拉取方式)供给增强纤维束,增强纤维卷绕体的终端连结于下一个增强纤维卷绕体的始端,以使得即使在换纱线时也可以连续生产而不需中断或者将生产设备减速。因此,可以高效率地生产本发明的纤维增强塑料成形体。
作为测量给予前述增强纤维卷绕体的增强纤维束的捻合数的一种方法,将卷绕体固定于线轴架或其类似物上,测量当以能够防止在供给纤维时发生捻合的方法将纤维束拉出10圈所对应的长度时在纤维中产生的捻合数5次,计算平均值表示为捻合数。
此外,本发明中,从上述增强纤维卷绕体中供给的增强纤维束的宽度W优选为4.0(mm)或者更宽,更优选为6.0(mm)或者更宽。在本发明中,从增强纤维卷绕体供给的增强纤维束的截面形状优选尽可能平,不仅因为纤维束可以容易地均匀浸入到树脂中还因为容易得到具有所需要厚度的纤维增强塑料成形体。如果增强纤维束的宽度W具体地小于4.0(mm),增强纤维束的厚度相对增加,使得不能够均匀浸渍树脂,因此难以得到具有较薄厚度的纤维增强塑料成形体。
本发明中使用的增强纤维的材料没有特别限制,可以使用炭纤维,玻璃纤维,芳族聚酰胺纤维等。尤其是依照本发明的权利要求2中,上述增强纤维的特征在于其拉伸强度为4.0GPa或者更高且弹性模量为220GPa或者更高。使用具有上述拉伸强度和弹性模量的纤维使得能得到在强度性能上优异的纤维增强塑料成形体。此外,对于所供给的增强纤维的数目没有特别限制,可以使用一股或者多股纤维。此外,可以使用多种类型的增强纤维。
具体实施方式
以下结合具体实施例和比较例解释本发明的优选的实施方式。
(实施例1)
制备线轴,该线轴是预先以1(转/圈)的捻合以相对于纤维行进方向的顺时针方向施加于纤维束,通过将由24000股组成纤维制得的炭纤维束(Pyrofile TRH50-ALA-24K,三菱丽阳株式会社制造,纤维宽度:6.07mm,纤维厚度0.18mm)绕具有直径76.2mm的轴芯卷绕得到的。将轴芯的纸管撕开从线轴中移走,通过使用四轴控制的单丝卷绕机从线轴的内部拉出纤维束,使得只能以纵向拉取方式(拉取方式)供给纤维束。在此时所供给的纤维的数目是5股。当以此处的拉取方式供给时,有意将大约1(转/圈)的捻合以相对于纤维方向的逆时针施加给纤维束。预先测量每一个线轴的捻合数5次,发现其平均在0.9~1.2(转/圈)。
将具有300mm的直径φ、长度为800mm平均厚度为4mm的铝制衬里固定在单丝卷绕机器中。将炭纤维束涂上环氧树脂(#700B,三菱丽阳株式会社制造),然后以大约为12mm的平板厚度卷绕成要求的层压结构。将纤维卷绕的衬里放置于固化炉中150℃固化3小时,然后冷却至环境温度保持3小时制得由炭纤维增强塑料制得的罐。该罐中含有的增强纤维的捻合数的理论平均值为0.15(转/米),该值几乎为零。
(比较例1-1)
通过通常方法以不施加任何捻合卷绕炭纤维束(Pyrofile TRH50-ALA-24K,三菱丽阳株式会社制造)制得线轴,并将其设定于四轴控制单丝卷绕机器中,以线轴架方式供给纤维。此时所供给的纤维数目为5股。如实施例1的相同方式,将具有300mm的直径φ、长度为800mm平均厚度为4mm的铝制衬里固定在单丝卷绕机器中。将炭纤维束涂上环氧树脂(#700B,三菱丽阳株式会社制造),卷绕和固化以得到由炭纤维增强塑料制得的罐。没有捻合施加于制得的罐中所包含的增强纤维上。
(比较例1-2)
从通过以常用方法使用与上述实施例1中所使用的相同的单丝卷绕机、以不施加任何捻合、将炭纤维束(Pyrofile TRH50-ALA-24K,三菱丽阳株式会社制造)绕着具有76.2mm直径的轴芯卷绕制得的线轴,移走轴芯的纸制管。将线轴放置于基底上,在以所称的拉取方式供给纤维束,其中纤维束从线轴的内部拉出。如实施例1,此时所供给的纤维数目为5股。此外,如实施例1的相同方式,将具有300mm的直径φ、长度为800mm平均厚度为4mm的铝制衬里固定在单丝卷绕机器中。将炭纤维束涂上环氧树脂(#700B,三菱丽阳株式会社制造),卷绕和固化以得到由炭纤维增强塑料制得的罐。包含于罐中的增强纤维束的捻合数的理论平均值为2.7(转/米)。
将上述实施例1和比较例1-1以及1-2的炭纤维增强塑料罐分别置于水压破坏试验机中。将每一个实施例的三个罐破裂以测试破裂压力,得到如下结果:
实施例1:116.3MPa
比较例1-1:118.1MPa
比较例1-2:86.2MPa
与以拉取方式供给时必然给定的方向相反的方向而给定的捻合、通过在拉取方式中使用线轴架供给制得的实施例1中的罐具有和通过在线轴架方式供给制得的比较例1-1的罐相同的破裂压力,且与比较例1-1的罐相比,强度的减少百分率最多在2%左右。原因是当预先施加的捻合被以拉取方式供给时所必然施加的捻合所解捻合,增强纤维束绕着衬里以基本上无捻合的状态卷绕,以及施加于包含在所制得的罐中的增强纤维上的捻合数小至基本上为零的0.15(转/米)。因此,增强纤维的强度可以充分地显示出来以得到一个高强度的罐。
相反,清楚表明,与比较例1-1的罐相比,通过以拉取方式中从常用的线轴架且没有施加捻合来供给而制得的比较例1-2的罐在强度上降低了大约27%。这是因为由于纤维束以拉取方式供给,增强纤维束以捻合的状态绕衬里卷绕。施加在包含于所制得的罐中的增强纤维束的捻合数大至2.9(转/米),不能充分地显示增强纤维的强度,引起强度的下降。
(实施例2)
制备线轴,该线轴是预先以1(转/圈)的捻合以相对于纤维行进方向的顺时针方向施加于纤维束,通过将炭纤维束(Pyrofile TRH50-ALA-24K,三菱丽阳株式会社制造)绕具有直径76.2mm的轴芯卷绕得到的。将轴芯的纸管撕开从线轴中移走,通过使用三轴控制的以纵向拉取方式(拉取方式)供给的单丝卷绕机从线轴内部拉出纤维束。在此时所供给的纤维的数目是5股。当以此处的拉取方式供给时,有意将大约1(转/圈)的捻合以相对于纤维方向的逆时针施加给纤维束。预先测量每一个线轴的捻合数5次,发现其是平均在0.9~1.2(转/圈)。
将具有300mm的直径φ以及长度为100mm的钢制心轴固定在单丝卷绕机中。将炭纤维束涂上环氧树脂(#700B,三菱丽阳株式会社制造),然后绕该心轴以大约为50mm的平板厚度以仅外周卷绕的结构卷绕。将纤维束卷绕的衬里放置于固化炉中150℃固化3小时,然后冷却至环境温度保持3小时制得由炭纤维增强塑料制得的转子。该转子中含有的增强纤维束的捻合数的理论平均值为几乎为零的0.06(转/米)。
(比较例2-1)
以常用方法且不施加任何捻合,将通过卷绕与使用在实施例2中的相同炭纤维束(PyrofileTRH50-ALA-24K,三菱丽阳株式会社制造)制得的线轴设置到三轴控制单丝卷绕机中以线轴架方式供给纤维。
在此时所供给的纤维的数目是5股。与实施例1的相同方式,将具有300mm的直径φ以及长度为100mm的钢制心轴固定在单丝卷绕机中。将炭纤维束涂上环氧树脂(#700B,三菱丽阳株式会社制造),以与实施例2相同的方式绕该心轴卷绕和固化,以得到由炭纤维增强塑料制得的转子。制得的转子中含有的增强纤维束没有施加捻合。
(比较例2-2)
通过以常用方法使用与上述实施例2中所使用的相同的单丝卷绕机、以不施加任何捻合、从将炭纤维束(Pyrofile TRH50-ALA-24K,三菱丽阳株式会社制造)绕具有76.2mm直径的轴芯卷绕制得的线轴,移走轴芯的纸制管。将线轴放置于基底上,以所称的拉取方式供给纤维束,其中纤维束从线轴的内部拉出。如实施例2,此时所供给的纤维数目为5股。此外,如实施例2的相同方式,将具有300mm的直径φ和长度为100mm的钢制心轴固定在单丝卷绕机器中。将炭纤维束涂上环氧树脂(#700B,三菱丽阳株式会社制造),以与实施例2相同的方式绕心轴卷绕和固化树脂以得到由炭纤维增强塑料制得的转子。包含于所制得的转子中的增强纤维束的捻合数的理论平均值为3.1(转/圈)。
将具有轴的铝制套筒连接在每一个转子上,然后分别将转子放置到涡轮转动破裂试验机中。通过离心力将每一个例子的转子破裂以测定破裂压力,得到的测试结果如下:
实施例2:116×103rpm
比较例2-1:118×103rpm
比较例2-2:86×103rpm
清楚表明,与通过在线轴架方式中不施加捻合供给增强纤维束而制得的比较例2-1相比,通过以拉取方式从通常的线轴供给而制得的比较例2-2的转子在强度上降低了大约27%。
这是因为,当以拉取方式供给增强纤维时纤维束被必然地施加了捻合,且增强纤维束在被施加捻合的条件下绕心轴卷绕,所以在所制得的转子中,不能充分地显示增强纤维的强度特征。
相反,当与比较例2-1的转子相比,通过以拉取方式从预先施加有与以拉取方式供给时必然施加的捻合方向相反的方向的捻合的线轴架供给增强纤维束而制得的本发明的转子在强度上仅降低了2%,因此本发明的转子具有充分的强度。这是因为由于使用了具有预先以相反的方向施加捻合的线轴架,使得捻合可以以与预先施加的捻合相反的方向施加,所以以前的捻合被解捻合,如果以拉取方式供给增强纤维,增强纤维束绕心轴以基本上无捻合的状态卷绕。因此,由于增强纤维束的强度性能被充分地显示出来,所制得的转子具有与通过在线轴架方式中供给而制得的比较例2-1的转子相同的高速转动性能。
(实施例3)
制备线轴,该线轴是预先以1(转/圈)的捻合以相对于纤维行进方向的顺时针方向施加于纤维束,通过将炭纤维束(Pyrofile TRH50-ALA-24K,三菱丽阳株式会社制造)绕具有直径76.2mm的轴芯卷绕得到的。将轴芯的纸管撕开从线轴中移走,通过使用三轴控制的单丝卷绕机从线轴中拉出纤维束,以纵向拉取方式(拉取方式)供给纤维束。在此时所供给的纤维的数目是5股。当在此处的拉取方式中供给时,有意将大约1(转/圈)的捻合以相对于纤维方向的逆时针施加给纤维束。预先测量每一个线轴的捻合数5次,发现其是平均在0.9~1.2(转/圈)。
将具有100mm的直径φ、长度为5,000mm,平均厚度为4mm的钢制心轴固定在单丝卷绕机器中。将炭纤维束涂上环氧树脂(#700B,三菱丽阳株式会社制造),然后以大约为5mm的平板厚度以角度±60度~±45度斜向绕该心轴卷绕。将纤维卷绕的衬里放置于固化炉中150℃固化3小时,然后冷却至环境温度保持3小时制得由炭纤维增强塑料制得的石油输送管。该制得的管中所含有的增强纤维束的捻合数为几乎为零的0.11(转/米)。
(比较例3-1)
以常用方法且不施加任何捻合,将通过卷绕与使用在实施例3中的相同炭纤维束(PyrofileTRH50-ALA-24K,三菱丽阳株式会社制造)而制得的线轴固定在3轴控制单丝卷绕机中,以线轴架方式供给纤维。在此时所供给的纤维的数目是5股。与实施例3的相同方式,将具有100mm直径φ以及长度为5,000mm的钢制心轴设置于单丝卷绕机中。将炭纤维束涂上环氧树脂(#700B,三菱丽阳株式会社制造),以与实施例3相同的条件固化树脂,以得到由炭纤维增强塑料制得的石油输送管。制得的管中所含有的增强纤维束没有被施加捻合。
(比较例3-2)
在撕开和移走轴芯的纸管后,将通过以常用方法且不施加任何捻合、绕具有76.2mm直径的轴芯卷绕实施例3使用的炭纤维束(Pyrofile TRH50-ALA-24K,三菱丽阳株式会社制造)而制得的线轴放置于基底上,然后以所称的拉取方式向线轴供给纤维束,其中纤维束从线轴的内部拉出,以成形石油运输管。在此时所供给的纤维的数目是5股。与实施例3的相同方式,将具有100mm直径φ以及长度为5,000mm的钢制心轴固定在单丝卷绕机中。将炭纤维束涂上环氧树脂(#700B,三菱丽阳株式会社制造),以与实施例3相同的条件固化树脂,以得到由炭纤维增强塑料制得的石油输送管。制得的管中含有的增强纤维束所施加的捻合数为3.4(转/米)。
将这些石油运输管放置于水压破坏试验机中。通过内部压力将每一个例子的三个管破裂以测试破裂压力,得到的测试结果如下:
实施例:51MPa
比较例2-1:51MPa
比较例2-2:37MPa
清楚表明,与通过以线轴架方式不施加捻合供给增强纤维束而制得的比较例3-1相比,通过以拉取方式从通常的线轴(预先没有施加捻合的线轴)供给纤维束而制得的比较例3-2的石油运输管在强度上降低了大约27%。比较例3-2的石油运输管的强度降低的原因是,当以拉取方式供给增强纤维时纤维束被必然地施加有捻合,且增强纤维束在捻合施加于纤维束的条件下绕心轴卷绕,所以不能充分地显示增强纤维的强度特性。
相反,当与比较例3-1的石油运输管相比,通过以拉取方式从与以拉取方式供给时必然施加的捻合方向相反的方向预先施加有捻合的线轴架供给增强纤维束而制得的本发明的石油运输管在强度上没有判别出减少,而具有充分的强度。这是因为由于使用了具有预先以相反的方向施加捻合的线轴架,使得以前的捻合可以被以拉取方式供给增强纤维束时施加的捻合解捻合,因此增强纤维束绕心轴以基本上无捻合的状态卷绕。因此,由于显示了增强纤维的强度特性,所制得的管具有与通过在线轴架方式中供给增强纤维束而制得的比较例3-1的管相同的耐腐蚀性和机械耐久性。
除了上述的实施例1-3,使用相同的炭纤维束(Pyrofile TRH50-ALA-24K,三菱丽阳株式会社制造),在除了多样地改变纤维束的宽度W之外其他与实施例1的相同的条件下制得由炭纤维增强塑料的罐。所制得的罐中含有的增强纤维的捻合数在所有的例子中都几乎为零。然而,当纤维束的宽度小于4.0(mm)时,树脂不能均匀地浸渍且观察到强度的降低。也清楚表明,当纤维束的宽度超过4.0(mm)时,能获得必要的强度,此外当宽度超过6.0(mm)时,能得到充分的强度。
如上面解释的那样,依照本发明的纤维增强塑料成形制品是通过以拉取方式供给纤维而制得的,因此有优异的生产率。此外,即使增强纤维是以拉取方式供给的,增强纤维也是在基本上无捻合的状态被供给,因此由于充分的显示了增强纤维的强度特性,所制得的成形制品具有高的强度。