JP2002011798A - 管状複合材料及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】品位に優れ、高度の強度特性を発現する管状複
合材料の製造方法を提供すること。 【解決手段】一方のプリプレグに対して他方のプリプレ
グを重ね合わせ、芯棒に捲回せしめて管状体とする工程
を含む、管状複合材料の製造方法であって、捲き上げ部
の長さと、捲き始め部の長さとの差を所定の範囲とする
管状複合材料の製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、管状複合材料の製
造方法に関するものである。さらに詳しくは、偏肉等の
不均一構造がなく、捻り応力及び円筒径方向の耐圧縮応
力に優れ、ゴルフクラブ用シャフト、バドミントンラケ
ット用シャフト、釣竿、スキーポール等の各種レジャー
用品やドライブシャフト、ロール等の一般産業部材に好
適に用いられる、プリプレグを利用した管状複合材料の
製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種強度特性に優れる強化繊維を使用し
た管状複合材料は、ゴルフクラブ用シャフト、バドミン
トンラケット用シャフト、釣竿、スキーポール等の各種
レジャー用品やドライブシャフト、ロール等の一般産業
部材等、多様な用途に使用されている。

【０００３】かかる管状複合材料は、捻り力に対する耐
力、即ち、捻り強さ、及び、円筒径方向の耐圧縮応力、
即ち、圧壊強さを高めるため、管状体の中心軸に対する
強化繊維の捲回角を２０〜９０°とした、いわゆるアン
グル層を有する。

【０００４】管状複合材料の製造には、プリプレグを所
定の形状に切り出し、金属製の芯棒等に捲回して成形す
るシートワインド法が汎用されている。シートワインド
法は、強化繊維の配向や含有率の調節が容易で設計の自
由度が高いこと、表面が平滑で高品位の管状体が得られ
ること、ボイドレス成形が容易であること等の特長があ
る。

【０００５】シートワインド法において、例えば管状体
の中心軸に対して右ねじと左ねじの関係にあるような２
方向の同一捲き数のアングル層を有する管状複合材料を
得るために、作業効率化等の観点から、概略、次に示す
ような方法が適用される。 （１）プリプレグを、一辺の長さがほぼ等長となるよう
に、長方形形状に２枚切り出す。 （２）一方のプリプレグの上に他方のプリプレグを辺々
平行になるように重ね合わせる。 （３）重ねたプリプレグを芯棒に捲回して管状体を作成
し、加熱して硬化させる。

【０００６】しかしながら、かかる方法では、プリプレ
グを捲き始める部分と捲き上げる部分において段差が大
きくなり、また強化繊維が切断されることにより強化繊
維の屈曲等が生じるため、得られる管状複合材料の強度
特性が低下することがあった。

【０００７】これに対して、特開平１０−１５１６９０
公報には、芯棒の断面周長の半分のズレを生じさせるよ
うにして２枚のプリプレグを重ね合わせ、芯棒に捲回す
ることにより、段差を小さくする管状複合材料の製造方
法が開示されている。

【０００８】ところが、本技術によっても、管状体を加
熱して硬化せしめて得られる管状複合材料に偏肉等の不
均一構造が生じ、最終製品であるゴルフクラブシャフト
や釣り竿等が、品位に劣ったものとなったり、捻り強さ
や圧壊強さの強度特性が不充分となる等の問題は依然と
して解消されていなかった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、品位に優
れ、高度の強度特性を発現する管状複合材料の製造方法
を提供せんとするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記した目的
を解決するため、次の構成を有する。即ち、一方のプリ
プレグに対して他方のプリプレグを重ね合わせ、芯棒に
捲回して管状体とする工程を含む、管状複合材料の製造
方法であって、前記芯棒の中心軸と直交する直線上にお
ける前記一方のプリプレグが他方のプリプレグと重なり
合わない捲き上げ部の長さａと、前記直線と同一の直線
上における前記他方のプリプレグが前記一方のプリプレ
グと重なり合わない捲き始め部の長さｂとの差ａ−ｂを
次式（１）の範囲とする管状複合材料の製造方法であ
る。

【００１１】 ０．５×π×｛（ｎ−１）×ｔ_A＋ｎ×ｔ_B）｝≦ａ−ｂ≦１．５×π×｛（ｎ −１）×ｔ_A＋ｎ×ｔ_B）｝ …（１） ここで、π：円周率 ｎ：プリプレグの捲回数 ｔ_A：一方のプリプレグの厚み ｔ_B：他方のプリプレグの厚みである。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明は、一方のプリプレグに対
して他方のプリプレグを重ね合わせ、芯棒に捲回して管
状体とする工程を含む、管状複合材料の製造方法であ
る。

【００１３】本発明においては、前記芯棒の中心軸と直
交する直線上における前記一方のプリプレグが前記他方
のプリプレグと重なり合わない捲き上げ部の長さ（以
下、単に「捲き上げ部の長さ」と略記）ａと、前記直線
と同一の直線上における前記他方のプリプレグが前記一
方のプリプレグと重なり合わない捲き始め部の長さ（以
下、単に「捲き始め部の長さ」と略記）ｂとの差ａ−ｂ
を次式（１）の範囲とすることが必要であり、好ましく
は次式（２）の範囲とするのが良い。

【００１４】 ０．５×π×｛（ｎ−１）×ｔ_A＋ｎ×ｔ_B）｝≦ａ−ｂ≦１．５×π×｛（ｎ −１）×ｔ_A＋ｎ×ｔ_B）｝ …（１） ０．７５×π×｛（ｎ−１）×ｔ_A＋ｎ×ｔ_B）｝≦ａ−ｂ≦１．２５×π×｛ （ｎ−１）×ｔ_A＋ｎ×ｔ_B）｝ …（２） ここで、π：円周率 ｎ：プリプレグの捲回数 ｔ_A：一方のプリプレグの厚み ｔ_B：他方のプリプレグの厚み ここで、「捲回数」とは、芯棒にプリプレグを巻き付け
る周回数をいい、小数点以下を切り捨てた整数とする。
例えば、１．５周巻き付けた場合は捲回数を１とする。
また、プリプレグの厚みは次式で計算される値である。

【００１５】プリプレグ厚み（ｍｍ）＝｛強化繊維目付
（ｇ／ｍ²）／強化繊維密度（ｇ／ｃｍ³）＋樹脂目付
（ｇ／ｍ²）／樹脂密度（ｇ／ｃｍ³）｝／１０００ 尚、無機粒子や熱可塑性樹脂粒子等の添加材を樹脂組成
物に配合する場合は、目付及び密度は、配合後のものを
用いる。

【００１６】上式（１）の範囲から外れると、管状体に
偏肉等の不均一構造が生じ、得られる管状複合材料の品
位や回転安定性が損なわれたり、捻り強さや圧壊強さ等
の強度特性が低下することがある。

【００１７】本発明においては、前記一方のプリプレグ
と前記他方のプリプレグの少なくとも一方のプリプレグ
が、強化繊維が同方向に引き揃えられた一方向プリプレ
グであり、かつ捲回角が２０〜９０°、好ましくは３０
〜９０゜の範囲にあるアングル層となるのが好ましい。
かかる範囲から外れると、得られる管状複合材料におい
て、捻り強さや圧壊強さが低下することがある。

【００１８】ここに「アングル層」とは、管状体の中心
軸に対する強化繊維の捲回角が実質的に０°以外となる
層をいい、また「捲回角」とは、管状体の中心軸と一方
向プリプレグ中の強化繊維がなす角度をいう。

【００１９】本発明においては、前記一方のプリプレグ
の厚みｔ_Aと前記他方のプリプレグの厚みｔ_Bの比ｔ_A／
ｔ_Bが、０．０５〜２０の範囲にあるのが良い。

【００２０】かかる範囲から外れると、捲回する際、重
ね合わせたプリプレグが剥がれたり、捲きムラが生じる
ことがある。また、得られる管状複合材料に不均一構造
やボイドが生じ、その結果、品位が損なわれたり、強度
特性が低下することがある。かかる観点から、ｔ_A／ｔ_B
は、好ましくは０．１〜１０、より好ましくは０．５〜
２の範囲にあるのが良い。

【００２１】本発明において、得られる管状体は、その
中心軸に対する強化繊維の捲回角が０゜〜１０°、好ま
しくは０゜〜５°の範囲にあるプリプレグにより形成さ
れる、いわゆるストレート層を含んでいるのが好まし
い。かかる範囲から外れると、得られる管状複合材料に
おいて、管状体の曲げ応力に対する強度を高めるのが困
難となることがある。

【００２２】本発明においては、重ね合わせたプリプレ
グを芯棒に捲回する際に、捲き上げ部の長さａは、次式
（３）、好ましくは次式（４）の範囲とするのが良い。
下式（３）の範囲から外れると、管状体に偏肉等の不均
一構造が生じ、得られる管状複合材料の品位が損なわれ
たり、捻り強さや圧壊強さ等の強度特性が低下すること
がある。

【００２３】 π×ｄ／８≦ａ≦７×π×ｄ／８（ｄ：芯棒の直径） …（３） π×ｄ／４≦ａ≦３×π×ｄ／４（ 同上 ） …（４） 本発明において、プリプレグは、その繊維含有率が４０
〜８５体積％、好ましくは５５〜８０体積％であるのが
良い。かかる範囲から外れると、管状体の成形性や得ら
れる管状複合材料の強度特性が低下することがある。

【００２４】本発明において、プリプレグに用いる強化
繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維（例え
ば、アルミナ繊維、ボロン繊維等）、炭化珪素繊維、及
び有機繊維（例えば、ポリアミド繊維、ポリエステル繊
維、ポリイミド繊維等）からなる群から選ばれる、少な
くとも１種の強化繊維が好ましく用いられる。中でも、
より軽量かつ高い耐久性を備える成形品を得るために、
炭素繊維が好ましく用いられる。

【００２５】炭素繊維においては、軽量かつ高強度のレ
ジャー用品、一般産業部材を製造するために、少量の材
料で十分な製品の剛性を発現させ得る、高弾性率炭素繊
維を用いるのが好ましい。具体的には、ポリアクリトニ
トリル系炭素繊維（以下、ＰＡＮ系炭素繊維と略記）、
ピッチ系炭素繊維等が挙げられ、その引張弾性率は、２
００〜８００ＧＰａ、好ましくは２２０〜８００ＧＰａ
であるものが好ましい。

【００２６】本発明において、プリプレグのマトリック
ス樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビニ
ルエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、
ポリカーボネート樹脂など各種の熱硬化性樹脂及び熱可
塑性樹脂を使用するのが好ましい。中でも、成形が容易
で物性に優れたエポキシ樹脂が好ましい。さらに、エポ
キシ樹脂の中でも、耐熱性、剛性、耐ボイド性及び強化
繊維との接着性強化の観点から、ビスフェノールＡ型エ
ポキシ樹脂及びビスフェノールＦ型エポキシ樹脂の少な
くとも１種のエポキシ樹脂が好適に使用できる。

【００２７】なお、エポキシ樹脂の硬化剤としては耐熱
性及び強化繊維との接着性の観点からジシアンジアミ
ド、ジアミノジフェニルスルホン、イミダゾール類を用
いるのが好ましい。

【００２８】本発明においては、上述したアングル層や
ストレート層の他に様々な方向の強化繊維を含む層を配
することによって、得られる管状複合材料に多様な性能
を発現させることができる。例えば、曲げ応力に対する
剛性や強度を発現させるためには捲回角が１０°以内の
強化繊維を含むストレート層を増やせば良く、側方から
の耐圧縮力を高めるには捲回角が７５〜９０°の範囲の
強化繊維を含むアングル層を増やせば良い。

【００２９】本発明において、得られる管状複合材料の
繊維含有率は、強度特性を考慮して適宜決定することが
できるが、通常３０〜８０体積％、好ましくは５０〜８
０体積％の範囲とするのが良い。

【００３０】

【実施例】以下実施例により本発明をさらに詳細に説明
するが、本発明は実施例に示す態様に限定されるもので
はない。 ＜偏肉度＞測定する管状体を３°の傾斜をつけたＪＩＳ
Ｒ３２０２規格のフロート板ガラス上に設置して静か
に手を離し、管状体がガラス板を転がり始めた位置から
停止した位置までの距離を求め、距離が１００ｃｍを越
えるのものは「偏肉なし」、１００ｃｍを下回るものは
「偏肉あり」として編肉度を評価した。 （実施例１）炭素繊維とエポキシ樹脂からなる一方向プ
リプレグ（プリプレグ目付：１６５ｇ／ｍ² 、厚み：
０．１１３ｍｍ、繊維含有率：７６重量％、強化繊維の
引張弾性率：２９４ＧＰａ）を、縦７００ｍｍ×横１０
５ｍｍ、縦７００ｍｍ×横１０３ｍｍの長方形形状にそ
れぞれ切り出し、捲き上げ部の長さが１８ｍｍ、捲き始
め部の長さが１６ｍｍとなるように、辺々平行にして重
ねて貼り合わせた。

【００３１】次に、重ねたプリプレグを、離型処理した
外径１０ｍｍ、長さ１４００ｍｍのステンレス製の芯棒
に、強化繊維の方向と管状体の中心軸のなす角度が４５
°になるように、かつ、強化繊維の方向が互いに９０゜
に交差するように、図１に示すようにして芯棒の周囲に
３周捲回して管状体を作成した。

【００３２】次いで、別の一方向プリプレグを縦１００
０ｍｍ×横１１２ｍｍの長方形形状に１枚切り出し、繊
維の方向が管状体の中心軸と強化繊維がなす角度が０°
になるように、上記した管状体の上から捲回した。

【００３３】さらに、その上からラッピングテープを捲
回した後、加熱オーブン中で温度１３０℃で２時間加熱
して、プリプレグを硬化させた。この後、芯棒を抜き取
り、ラッピングテープを除去して管状複合材料を得た。

【００３４】得られた管状複合材料の横断面を研磨し、
光学顕微鏡で観察したところ、捲き始め部及び捲き上げ
部の捲付角（管状体の中心からみた場合の、各部分を円
弧と見立てたときの角度）は共に１８０°であった。

【００３５】このとき、式（１）の下限値は０．８８で
あり、上限値は２．６６であった。

【００３６】この管状複合材料を、ゲージ長３００ｍｍ
で捻り試験した所、捻り強さ（破壊時のトルクと回転角
の積）は２６６０Ｎ・ｍ・ｄｅｇであった。

【００３７】さらに、この管状複合材料について、偏肉
度を評価したところ、「偏肉なし」であった。 （比較例１）重ねて芯棒に捲回するプリプレグの大きさ
を縦７００ｍｍ×横１０３ｍｍの長方形形状とし、捲き
上げ部の長さを１６ｍｍ、捲き始め部の長さを１６ｍｍ
となるようにした以外は実施例１と同様にして管状複合
材料を得た。

【００３８】この管状複合材料の横断面を研磨し、光学
顕微鏡で観察したところ、捲き始め部の捲付角は１８０
°であり、捲き上げ部の捲付角は１６６°であった。

【００３９】この管状複合材料を、ゲージ長３００ｍｍ
で捻り試験した所、捻り強さ（破壊時のトルクと回転角
の積）は２１００Ｎ・ｍ・ｄｅｇであった。

【００４０】さらに、この管状複合材料について、偏肉
度を評価したところ、「偏肉あり」であった。

【００４１】

【発明の効果】本発明によるプリプレグの製造方法によ
れば、品位に優れ、高度の捻り強さ、圧壊強さ等の強度
特性を有する管状複合材料が得られる。

【００４２】本発明により得られる管状複合材料は、ゴ
ルフクラブ用シャフト、バドミントンラケット用シャフ
ト、釣竿、スキーポール等の各種レジャー用具や、ドラ
イブシャフト、ロール等の高い強度特性が要求される一
般産業部材に好適に用いられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による管状複合材料の製造方法の一例を
示す図である。

【図２】本発明の製造方法により得られる管状複合材料
の断面の一形態を示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 野口 健一 愛媛県伊予郡松前町大字筒井1515番地 東 レ株式会社愛媛工場内 Ｆターム(参考） 4F205 AD02 AD03 AD04 AD05 AD16 AG08 HA02 HA33 HA35 HA45 HB01 HC12 HC15 HC16 HC17 HC18 HL02 HL12 HL14

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一方のプリプレグに対して他方のプリプレ
   グを重ね合わせ、芯棒に捲回して管状体とする工程を含
   む、管状複合材料の製造方法であって、前記芯棒の中心
   軸と直交する直線上における前記一方のプリプレグが他
   方のプリプレグと重なり合わない捲き上げ部の長さａ
   と、前記直線と同一の直線上における前記他方のプリプ
   レグが前記一方のプリプレグと重なり合わない捲き始め
   部の長さｂとの差ａ−ｂを次式（１）の範囲とする管状
   複合材料の製造方法。 ０．５×π×｛（ｎ−１）×ｔ_A＋ｎ×ｔ_B）｝≦ａ−ｂ≦１．５×π×｛（ｎ −１）×ｔ_A＋ｎ×ｔ_B）｝ …（１） ここで、π：円周率 ｎ：プリプレグの捲回数 ｔ_A：一方のプリプレグの厚み ｔ_B：他方のプリプレグの厚み
2. 【請求項２】前記一方のプリプレグと前記他方のプリプ
   レグのいずれもが、強化繊維が同方向に引き揃えられた
   一方向プリプレグであり、それらプリプレグの内、少な
   くとも一方のプリプレグが、前記管状体の中心軸に対す
   る強化繊維の捲回角が２０〜９０°の範囲にあるアング
   ル層となる請求項１記載の管状複合材料の製造方法。
3. 【請求項３】前記一方のプリプレグの厚みｔ_Aと前記他
   方のプリプレグの厚みｔ_Bの比ｔ_A／ｔ_Bが０．０５〜２
   ０の範囲にある請求項１又は２記載の管状複合材料の製
   造方法。
4. 【請求項４】前記プリプレグに使用される強化繊維が、
   ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、炭化珪素繊維、及び
   有機繊維からなる群から選ばれる少なくとも１種の強化
   繊維である請求項１〜３のいずれかに記載の管状複合材
   料の製造方法。
5. 【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載の方法によ
   り製造される管状複合材料。