JP2000263653A

JP2000263653A - 繊維強化複合材料製管状体

Info

Publication number: JP2000263653A
Application number: JP11076670A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Takemura; 振一竹村; Yoshiho Hayata; 喜穂早田; Hideyuki Ono; 秀幸大野; Yoichi Kitagawa; 洋一北川
Original assignee: Nippon Graphite Fiber Corp; Nippon Mitsubishi Oil Corp; Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Graphite Fiber Corp; Nippon Steel Corp; Eneos Corp
Priority date: 1999-03-19
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 2000-09-26

Abstract

(57)【要約】【課題】軽量で高く優れたねじり強度を有する繊維強
化複合材料製管状体を提供する。【解決手段】引張弾性率が５〜１６０ＧＰａ、圧縮破
断ひずみが１〜５％、繊維の密度が１．５〜１．９ｇ／
ｃｍ³ である低弾性率炭素繊維が、管状体の長手軸方向
に対して＋３５゜〜＋５５゜および−３５゜〜−５５゜
の配向角で配置されていることを特徴とする繊維強化複
合材料製管状体。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は繊維強化複合材料製
管状体に関し、特にスポーツ分野ではゴルフシャフト、
テニスラケットのシャフト、野球のバット、バドミント
ンラケットのシャフト、スキーストック、釣り竿など、
また産業分野では自動車のプロペラシャフト、フィルム
製造機・印刷機械用ロール、フィルムもしくは織り物の
まきとりに使用するエアーシャフト、航空機用部品の修
理・搬送のためのスリング治具、自動車・自転車用フレ
ーム部品などの用途に好適な繊維強化複合材料製管状体
に関する。

【０００２】

【従来の技術】繊維強化複合材料（ＦＲＰ）はスポーツ
・レジャー、各種産業分野などで様々な用途で広く使用
されている。ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維な
どを使用した多くの繊維強化複合材料のなかでも、炭素
繊維強化複合材料（ＣＦＲＰ）は、軽量で高い剛性が必
要とされる用途に多く使用されている。例えばスポーツ
・レジャー分野ではゴルフシャフト、テニスやバドミン
トンのラケット、釣り竿、スキー板などに、また産業分
野では印刷機械・フィルム製造機械用ロール、自動車の
プロペラシャフトなどに多く使用されている。

【０００３】ゴルフクラブにおいては近年のゴルフヘッ
ドの大型化にともない、シャフトの軽量化が進んでお
り、ゴルフクラブメーカー、シャフトメーカー各社はい
かにシャフトを軽量化するか研究開発を進めている。し
かしシャフトの軽量化は強度の低下を招くことになるた
め、シャフトが十分な強度を持たない場合には打球時の
衝撃により折損事故が起きる恐れがある。特にねじり強
度が低いシャフトはスイートスポットをはずして打った
場合に生じるねじり応力のため、シャフトがねじり破壊
を起こしてしまう恐れがあるが、軽量で高いねじり強度
を有するシャフトはほとんど得られていなかった。

【０００４】また、バドミントンラケットにおいては、
打球時のシャトルの方向安定性を高めるためシャフトに
高いねじり剛性を与えることが重要であるとともに、軽
量であることも重要な要素のひとつである。しかし、必
要な強度を維持するためにシャフトの十分な軽量化が行
われてきたとは言えなかった。

【０００５】さらに、自動車のプロペラシャフトにおい
ては従来の金属製からＦＲＰ化が進んできているが、大
きなねじりトルクを伝達するために優れたねじり強度を
有することに加えて、軽量であることも重要であるが、
これまでのＦＲＰ製プロペラシャフトでは十分な軽量化
がなされているとは言えなかった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、これ
ら従来の課題を解消し、軽量で高く優れたねじり強度を
有する繊維強化複合材料製管状体を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明は、引張
弾性率が５〜１６０ＧＰａ、圧縮破断ひずみが１〜５
％、繊維の密度が１．５〜１．９ｇ／ｃｍ³ である低弾
性率炭素繊維が、管状体の長手軸方向に対して＋３５゜
〜＋５５゜および−３５゜〜−５５゜の配向角で配置さ
れていることを特徴とする繊維強化複合材料製管状体に
関する。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の内容を詳細に説明
する。本発明で用いられる低弾性率炭素繊維としては、
繊維の引張弾性率が５〜１６０ＧＰａ、好ましくは５〜
１５０ＧＰａ、より好ましくは５〜１２０ＧＰａの炭素
繊維を用いることができる。

【０００９】該炭素繊維の引張弾性率がこの１６０ＧＰ
ａより高い場合には、該繊維の圧縮破断ひずみも同時に
低下してしまい易く、本発明の繊維強化複合材料製管状
体に十分なねじり強度を持たせることができない場合が
あるため好ましくない。

【００１０】本発明で用いられる低弾性率炭素繊維とし
ては、圧縮破断ひずみが１〜５％、好ましくは１．５〜
５％、より好ましくは、１．７〜５％の炭素繊維を用い
ることができる。圧縮破断ひずみが１％よりも低い場合
には、得られる繊維強化複合材料製管状体に十分なねじ
り強度を持たせることができないため好ましくない。

【００１１】また、前記炭素繊維の密度が１．９ｇ／ｃ
ｍ³ よりも高い場合には、得られる成形物の重量の増加
を招くため好ましくない。

【００１２】このような物性値を有する低弾性率炭素繊
維であれば、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ
系炭素繊維などいずれの炭素繊維も用いることができ
る。

【００１３】本発明の管状体は、かかる物性の低弾性率
炭素繊維が、繊維強化複合材料製管状体の長手軸方向に
対して＋３５゜〜＋５５゜および−３５゜〜−５５゜の
配向角で配置した管状体である。

【００１４】該炭素繊維を積層して該繊維強化複合材料
製管状体を製造する際には、通常、前記炭素繊維にマト
リックス樹脂を含浸させたプリプレグの形にして炭素繊
維を積層する。

【００１５】該プリプレグとしては、クロスプリプレグ
あるいは一方向プリプレグを使用することができるが、
炭素繊維の配向角を制御しやすい一方向プリプレグが好
ましく用いられる。

【００１６】該プリプレグに使用されるマトリックス樹
脂としてはエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フ
ェノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂、ユ
リア樹脂、メラミン樹脂等から選ばれる熱硬化性樹脂を
用いることができ、好ましくはエポキシ樹脂を用いるこ
とができる。これらのプリプレグの強化繊維目付は通
常、３０〜３００ｇ／ｍ² 、好ましくは５０〜２５０ｇ
／ｍ² の範囲に設定することができる。プリプレグの強
化繊維目付が３００ｇ／ｍ² より大きい場合には、シャ
フト（管状体）設計時におけるシャフトの重量・剛性に
関する自由度が制限されるうえ、繊維強化複合材料製管
状体製造時におけるプリプレグのマンドレル等への巻き
付け性も劣る等の弊害が生じやすいため好ましくない。

【００１７】本発明では、かかる物性の低弾性率炭素繊
維を使用したプリプレグを、管状体の長手軸方向に対し
て該低弾性率炭素繊維が＋３５゜〜＋５５゜および−３
５゜〜−５５゜の配向角で配置するように裁断し、裁断
したものをマンドレルなどに前記配向角で巻き付けて積
層、硬化することができる。

【００１８】低弾性率炭素繊維を用いた層を他の層と区
別するために、本発明ではこの層を低弾性率層と称する
ことにする。

【００１９】低弾性率層は、繊維が管状体の長手軸方向
に対して＋３５゜〜＋５５゜および−３５゜〜−５５゜
の配向角となるように低弾性率層用炭素繊維プリプレグ
をそれぞれ裁断し、裁断して得られたこれら正負の低弾
性率層プリプレグを貼り合わせてマンドレルに前記配向
角で巻き付け、正負一組の低弾性率層として積層して形
成することができる。これら正負のプリプレグを貼り合
わせる場合、マンドレルの半周分に相当する距離ほど一
方を他方からずらして重ねた後、正負一組のプリプレグ
をマンドレルなどに巻きつけて積層することで低弾性率
層を形成できる。

【００２０】正負一組の低弾性率層の積層数は通常、１
〜１０層（正の低弾性率層１〜１０層、負の低弾性率層
１〜１０層ということ）、好ましくは２〜８層とするこ
とができる。また、正の低弾性率層または負の低弾性率
層を１層ごとまたは複数層ごとに交互に積層することが
できる。また、正の低弾性率層と負の低弾性率層の積層
数は互いに異なっていてもよい。本発明で言う積層数と
は、層が平均して何層積層しているか、即ち管状体の軸
の回りを何回巻回しているかを意味する。

【００２１】低弾性率層は管状体の長手方向全体に渡っ
て積層することもできるし、特にねじり強度を高めたい
箇所に部分的に積層することもできる。また低弾性率層
を管状体の長手方向全体に渡って積層する場合において
も、ねじり強度を高めたい箇所の低弾性率層の積層数
を、それ以外の箇所よりも増やすなど、管状体の長手方
向における低弾性率層の積層数を規則的、あるいは不規
則的に変化させることもできる。

【００２２】また、本発明における繊維強化複合材料製
管状体は、さらに斜交層とストレート層の少なくとも２
種類の積層部分を加えて構成されることができる。

【００２３】斜交層に用いるプリプレグとしては、クロ
スプリプレグおよび一方向プリプレグを使用することが
できるが、繊維配向角を制御しやすいため一方向プリプ
レグが好ましく用いられる。該プリプレグに使用される
強化繊維としては、引張弾性率が２００〜１０００ＧＰ
ａ、好ましくは４００〜１０００ＧＰａのものを用いる
ことができる。

【００２４】このような強化繊維としては、金属繊維、
炭化珪素繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、チタン酸カ
リウム繊維、炭素繊維等が挙げられ、軽量でかつ高引張
弾性率であることから好ましくは炭素繊維が用いられ
る。

【００２５】本発明におけるストレート層に用いるプリ
プレグとしては一方向プリプレグを好ましく使用するこ
とができる。該ストレート層に用いるプリプレグに使用
される強化繊維としては通常、引張弾性率が２００〜６
００ＧＰａの強化繊維を用いることができる。

【００２６】このような強化繊維としては、金属繊維、
炭化珪素繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、チタン酸カ
リウム繊維、炭素繊維等が挙げられ、軽量でかつ高引張
弾性率であることから好ましくは炭素繊維が用いられ
る。

【００２７】前記斜交層およびストレート層にそれぞれ
用いられるプリプレグに使用されるマトリックス樹脂と
しては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェ
ノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂、ユリ
ア樹脂、メラミン樹脂等から選ばれる熱硬化性樹脂が用
いられ、好ましくはエポキシ樹脂が用いられる。これら
のプリプレグとしては強化繊維目付が通常、３０〜３０
０ｇ／ｍ² 、好ましくは５０〜２５０ｇ／ｍ² の範囲の
ものを用いることができる。

【００２８】プリプレグの強化繊維目付がこの範囲より
大きい場合には、シャフト設計時における自由度が制限
されるうえ、繊維強化複合材料製管状体製造時における
プリプレグのマンドレルへの巻き付け性も劣る等の弊害
が生じやすいため好ましくない。

【００２９】本発明における斜交層は、正の斜交層と負
の斜交層を一組としている。通常、正負の斜交層は互い
に交互に積層される。正の斜交層は、強化繊維の配向方
向が管状体の軸方向に対して、＋１５゜〜＋７５゜、好
ましくは＋２５゜〜＋６５゜、より好ましくは＋３５゜
〜＋５５゜になるようにプリプレグをマンドレルなどに
巻きつけて積層することで形成できる。

【００３０】負の斜交層は、その強化繊維が正の斜交層
の強化繊維と交差するように配向した層であり、管状体
の軸方向に対して強化繊維が、−１５゜〜−７５゜、好
ましくは−２５゜〜−６５゜、より好ましくは−３５゜
〜−５５゜になるようにプリプレグをマンドレルなどに
巻きつけて積層することで形成できる。

【００３１】正負一組の斜交層の積層数は、通常１〜１
０層、好ましくは２〜８層とすることができる。正の斜
交層、負の斜交層を別々として考えると、斜交層の積層
数は通常、２〜２０層、好ましくは４〜１６層とするこ
とができる。また、正の斜交層または負の斜交層を１層
ごとまたは複数層ごとに交互に積層することができる。
また、正の斜交層と負の斜交層の積層数は互いに異なっ
ていてもよい。

【００３２】本発明におけるストレート層は、強化繊維
の配向方向が管状体の軸方向に対して通常、０゜〜±１
０゜になるようにプリプレグをマンドレルなどに巻きつ
けて積層することで形成できる。ストレート層の積層数
は通常、１〜１０層、好ましくは２〜８層とすることが
できる。

【００３３】本発明における繊維強化複合材料製管状体
では、斜交層を内側に、ストレート層を外側に積層する
ことが好ましいが、これに限定されるものではない。

【００３４】本発明の低弾性率層は管状体の他の層に対
していずれの位置にも積層することができるが、斜交層
の外側、斜交層の内側などに配置することができ、例え
ば、（外側）ストレート層／低弾性率層／斜交層（内
側）、（外側）低弾性率層／斜交層／ストレート層（内
側）、（外側）ストレート層／斜交層／低弾性率層（内
側）、（外側）斜交層／低弾性率層／ストレート層（内
側）、（外側）低弾性率層／ストレート層／斜交層（内
側）、（外側）斜交層／ストレート層／低弾性率層（内
側）などのように配置することができる。

【００３５】

【実施例】以下に実施例を示すが、本発明はこれらによ
り限定されるものではない。

【００３６】低弾性率層用低弾性率炭素繊維として、日
本グラファイトファイバー（株）製ＸＮ−０５（引張弾
性率は４９ＧＰａ、圧縮破断ひずみ２．９％、密度１．
６５ｇ／ｃｍ³ ）を使用し、これにエポキシ樹脂を含浸
させて得られる一方向炭素繊維プリプレグＥ０５２６Ａ
−０５Ｎ（商品名、炭素繊維目付は５５ｇ／ｍ² 、樹脂
含有量は４０重量％）を使用した。

【００３７】低弾性率炭素繊維と組み合わされるストレ
ート層用の強化繊維として、東レ（株）製炭素繊維Ｔ７
００Ｓ（引張弾性率は２３０ＧＰａ、圧縮破断ひずみ
１．４％、密度は１．８ｇ／ｃｍ³ ）を使用し、これに
エポキシ樹脂を含浸させて得られる、一方向炭素繊維プ
リプレグＰ３０５５Ｓ−１２（商品名、炭素繊維目付は
１２５ｇ／ｍ² 、樹脂含有量は２５重量％）を使用し
た。

【００３８】低弾性率炭素繊維と組み合わされる斜交層
用の強化繊維として東レ（株）製炭素繊維Ｍ４０Ｊ（引
張弾性率は３７７ＧＰａ、圧縮破断ひずみ０．７％、密
度は１．７７ｇ／ｃｍ³ ）を使用し、これにエポキシ樹
脂を含浸させて得られる一方向炭素繊維プリプレグＰ９
０５５Ｆ−１３（商品名、炭素繊維目付は１２５ｇ／ｍ
² 、樹脂含有量は２５重量％）を使用した。

【００３９】実施例１下記の各プリプレグを長さ１２００ｍｍに切り出し、直
径１０ｍｍ、長さ１５００ｍｍのマンドレルに巻き付け
て内側から斜交層、低弾性率層、ストレート層の順にそ
れぞれ形成した。

【００４０】斜交層は、正負の斜交層用プリプレグをマ
ンドレルの半周分に相当する距離ほど一方を他方からず
らして重ねて一組として、炭素繊維がマンドレルの長手
軸方向に対して±４５°の配向角となるようにマンドレ
ルに巻きつけて組で２層、正負合計４層積層して形成し
た。

【００４１】低弾性率層は、正負の低弾性率層用プリプ
レグを、マンドレルの半周分に相当する距離ほど一方を
他方からずらして重ねて一組として、炭素繊維がマンド
レルの長手軸方向に対して±４５°の配向角となるよう
に斜交層に巻きつけて、組で１層、正負合計２層積層し
て形成した。

【００４２】ストレート層は、炭素繊維がマンドレルの
長手軸方向に平行になるようにストレート層用プリプレ
グを低弾性率層に巻きつけて、均一に３層積層して形成
した。

【００４３】各層を積層して得られた積層体に離型テー
プをストレート層の上から巻き付け、この積層体を１３
０℃、１時間の条件下で硬化させた後にマンドレルを引
き抜きテーパのない複合材料製管状体を得た。

【００４４】該管状体を４５０ｍｍの長さに切り出し両
端に金属製タブを接着してねじり試験を行った。スパン
長さは３５０ｍｍであった。表１に示すようにこのよう
にして得られた管状体は軽量で優れたねじり物性を有し
ていた。

【００４５】比較例１低弾性率層を積層しなかった以外は実施例１と同様にし
て管状体を得た。表１に示すようにこのようにして得ら
れた管状体は軽量であったがねじり物性は劣っていた。

【００４６】比較例２低弾性率層を積層せず、斜交層を組で３層積層した以外
は実施例１と同様にして管状体を得た。表１に示すよう
にこのようにして得られた管状体は重量が大きく、ねじ
り物性は劣っていた。

【００４７】比較例３東レ製炭素繊維Ｔ７００Ｓ（引張弾性率２３０ＧＰａ、
圧縮破断ひずみ１．４％、密度１．８ｇ／ｃｍ³）にエ
ポキシ樹脂を含浸させて得られる一方向炭素繊維プリプ
レグ（炭素繊維目付５５ｇ／ｍ²、樹脂含有量３７ｗｔ
％）を低弾性率層として使用した以外は、実施例１と同
様にして管状体を得た。表１に示すようにこのようにし
て得られた管状体は軽量であったが、ねじり物性は劣っ
ていた。

【００４８】実施例２下記の各プリプレグを積層数が一定になるように台形状
に長さ１２４５ｍｍに切り出し、細径側外径３．７５ｍ
ｍ、太径側外径１３．５ｍｍ、長さ１５００ｍｍ、テー
パ６．５／１０００のマンドレルに巻き付けて内側から
斜交層、低弾性率層、ストレート層の順にそれぞれ形成
した。

【００４９】斜交層は、正負の斜交層用プリプレグＭ４
０Ｊ（炭素繊維目付１２５ｇ／ｍ²、樹脂含有量２５重
量％）をマンドレルの半周分に相当する距離ほど一方を
他方からずらして重ねて一組として、炭素繊維がマンド
レルの長手軸方向に対して±４５°の配向角となるよう
にマンドレルに巻きつけて細径側端部より２８３ｍｍの
位置から太径側に向かって組で２層、正負合計４層積層
して形成した。

【００５０】低弾性率層は、正負の低弾性率層用プリプ
レグＸＮ−０５（炭素繊維目付５５ｇ／ｍ²、樹脂含有
量４０重量％）をマンドレルの半周分に相当する距離ほ
ど一方を他方からずらして重ねて一組として、炭素繊維
がマンドレルの長手軸方向に対して±４５°の配向角と
なるように斜交層に巻きつけて組で１層、正負合計２層
積層して形成した。

【００５１】ストレート層は、炭素繊維がマンドレルの
長手軸方向に平行に配向するようにストレート層用プリ
プレグＴ７００Ｓ（炭素繊維目付１２５ｇ／ｍ²、樹脂
含有量２５重量％）を低弾性率層に巻きつけて均一に４
層積層して形成した。

【００５２】さらに外径合わせのための第２ストレート
層（Ｐ３０５２Ｓ−１２）は、細径側端部で３層、細径
側端部から１５０ｍｍの位置で０層となるように三角形
に切り出したプリプレグを前記ストレート層に巻きつけ
て積層して形成した。

【００５３】各層を積層して得られた積層体に離型テー
プを第２ストレート層の上から巻き付け、この積層体を
１３０℃、１時間の条件下で硬化させた後にマンドレル
を引き抜きテーパのある複合材料製管状体を得た。

【００５４】細径側、太径側それぞれの端部から５０ｍ
ｍの長さ部分を切り落として該テーパ付き管状体を１１
４５ｍｍの長さに切り出し、両端に金属製タブを接着し
てねじり試験を行った。スパン長さは１０５５ｍｍであ
った。該管状体は細径側内径５．９ｍｍ並びに外径８．
５ｍｍ、太径側内径１３．４ｍｍ並びに外径１５．３ｍ
ｍであった。

【００５５】表２に示すようにこのようにして得られた
管状体は軽量で優れたねじり物性を有していた。

【００５６】比較例４低弾性率層を積層せず、マンドレル細径側端部より３２
２ｍｍのところから太径側に向かって斜交層プリプレ
グ、ストレート層プリプレグ、第２ストレート層プリプ
レグの順に巻き付けて積層した以外は実施例２と同様に
して管状体を得た。表２に示すようにこのようにして得
られた管状体は軽量であったがねじり物性は劣ってい
た。

【００５７】比較例５低弾性率層を積層せず、斜交層を組で２．５層積層し、
マンドレル細径側端部より２９０ｍｍのところから太径
側に向かって斜交層プリプレグ、ストレート層プリプレ
グ、第２ストレート層プリプレグの順に巻き付けて積層
した以外は実施例２と同様にして管状体を得た。表２に
示すようにこのようにして得られた管状体は、ねじり物
性が劣っていた。

【００５８】比較例６東レ製炭素繊維Ｔ７００Ｓ（引張弾性率２３０ＧＰａ、
圧縮破断ひずみ１．４％、密度１．８ｇ／ｃｍ³）にエ
ポキシ樹脂を含浸させて得られる一方向炭素繊維プリプ
レグ（炭素繊維目付５５ｇ／ｍ²、樹脂含有量３７ｗｔ
％）を低弾性率層として使用し、マンドレル細径側端部
より２８７ｍｍのところから太径側に向かって前記プリ
プレグを巻き付けた以外は実施例２と同様にして管状体
を得た。表２に示すようにねじり物性は劣っていた。

【００５９】

【表１】

【００６０】

【表２】

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によって軽
量でねじり破断トルク並びにねじり破断角度が大きく、
高いねじり強度を有する繊維強化複合材料製管状体を提
供することができた。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ａ６３Ｃ 11/22 Ｆ１６Ｃ 13/00 ＡＦ１６Ｃ 13/00 Ａ０１Ｋ 87/00 ６３０Ａ // Ｂ２９Ｋ 105:08 307:04 Ｂ２９Ｌ 23:00 31:52 (72)発明者竹村振一神奈川県横浜市中区千鳥町８番地日本石油株式会社中央技術研究所内 (72)発明者早田喜穂神奈川県横浜市中区千鳥町８番地日本石油株式会社中央技術研究所内 (72)発明者大野秀幸東京都新宿区西新宿３−５−１日本グラファイトファイバー株式会社内 (72)発明者北川洋一東京都千代田区大手町２−６−３新日本製鐵株式会社新素材事業部内Ｆターム(参考） 2B019 AB03 AB14 AB37 2C002 AA05 CS03 MM02 3J103 AA02 FA19 FA30 GA02 GA52 GA54 HA03 HA19 HA41 4F205 AA36 AA39 AD02 AD12 AD16 AG08 AH59 HA02 HA23 HA37 HA45 HB01 HC02 HC17 HK04 HK05 HL02 HL14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】引張弾性率が５〜１６０ＧＰａ、圧縮破
断ひずみが１〜５％、繊維の密度が１．５〜１．９ｇ／
ｃｍ³ である低弾性率炭素繊維が、管状体の長手軸方向
に対して＋３５゜〜＋５５゜および−３５゜〜−５５゜
の配向角で配置されていることを特徴とする繊維強化複
合材料製管状体。