JP2002192623A - 管状体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 成形不良を防止して、炭素繊維に熱硬化性合
成樹脂を含浸したプリプレグによって本体層が形成され
る、軽量かつ高強度な管状体を提供する。 【解決手段】 シート状プリプレグを巻装して加圧加熱
して形成され、熱硬化性合成樹脂をマトリックスとし、
略長手方向に指向するように引揃えられた炭素繊維ＴＳ
を主体として強化され、前記合成樹脂の平均量が概ね１
０ｗｔ％〜２０ｗｔ％の範囲内である本体層を有し、前
記シート状プリプレグの重合した端部位置近傍は樹脂溜
りが排除されて前記炭素繊維と熱硬化性合成樹脂の混合
からなるよう構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主として一方向に引揃
えた炭素繊維に熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグを
巻装し、加圧加熱処理して形成する管状体に関する。従
って、釣竿の竿管やゴルフクラブのシャフト等に利用可
能である。

【０００２】

【従来の技術】釣竿は長時間保持するため、また、その
操作性向上の観点から軽量化が要求され、更に魚による
強い引き等による大きな曲げ力を受けるために強度の向
上をも求められる。また、ゴルフクラブも軽く、かつ、
高強度な特性が求められる。このように釣竿やゴルフク
ラブのシャフト等は、軽量かつ高強度という相反する性
能の両立を要求される。このため従来から、炭素繊維等
の高強度であって軽量な繊維を使用し、これにエポキシ
樹脂等の合成樹脂を含浸させたプリプレグを形成し、こ
のプリプレグを巻装し、加圧加熱処理して軽量かつ高強
度な管状体を形成している。

【０００３】この場合、プリプレグにおける樹脂の重量
百分率は一般に３５％から４０％であることが特公平２
−４４４９２号公報に開示されている。また、この公報
に係る発明は、芯金に対するなじみ性や各層の密着性等
の観点から竿管の最内層の第１プリプレグの樹脂含浸量
とその外側層の本体層用の第２プリプレグの樹脂含浸量
との関係を規定したものであり、最内層のそれを外側層
より多くして５０％以下とし、外側層のそれを３３％以
下とすることが開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】然しながら、上記公報
に開示の樹脂量では繊維に対する量が多過ぎ、重いと共
に、全体として樹脂量が多いために、層間剥離やクラッ
クの発生し易い樹脂層や樹脂溜り（繊維が存在しないか
極端に少ない部分）が形成されることが本出願人による
顕微鏡写真撮影によって観察されている。また、成形中
において樹脂流動が生じ、これに伴って繊維も移動し易
く、繊維の蛇行や偏寄が生じ、強度低下や曲りが発生し
易い。

【０００５】特に、本体層用プリプレグの樹脂量が２５
ｗｔ％程度を越えるものでは、それを巻回した後テープ
によって緊締して加熱成形すると、緊締条件によっては
成形中にプリプレグ素材の円周方向のずれが生じ、成形
不良が多く発生する。かといって、少ない樹脂量を平均
的に含浸したプリプレグにすれば巻回層の境界における
密着性が悪くなり、この境界にボイドが生じ、特に芯金
の長手方向に指向した繊維のプリプレグ巻回層の境界で
はそのボイドは長手方向に連続し易く、剥離による強度
低下の原因となる。

【０００６】依って本発明は、成形不良を防止して、炭
素繊維に熱硬化性合成樹脂を含浸したプリプレグによっ
て本体層が形成される、軽量かつ高強度な管状体の提供
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的に鑑みて本発明
は、請求項１において、シート状プリプレグを巻装して
加圧加熱して形成され、熱硬化性合成樹脂をマトリック
スとし、略長手方向に指向するように引揃えられた炭素
繊維を主体として強化され、前記合成樹脂の平均量が概
ね１０ｗｔ％〜２０ｗｔ％の範囲内である本体層を有
し、前記シート状プリプレグの重合した端部位置近傍は
樹脂溜りが排除されて前記炭素繊維と熱硬化性合成樹脂
の混合からなるよう形成されたことを特徴とする管状体
を提供する。ここでｗｔ％は、繊維と樹脂との総重量に
対する重量百分率を示す。

【０００８】請求項１に対応して、シート状プリプレグ
が巻回されて形成された管状体の場合、シート状プリプ
レグの重合端部付近に樹脂溜りが生じ易く、管状体が大
きく曲げられたり圧縮変形させられると、一般にその重
合端部の樹脂溜り部からクラックが生じるが、ここでは
本体層の合成樹脂量が概ね１０ｗｔ％〜２０ｗｔ％の範
囲内であるため、余剰の合成樹脂は無く、樹脂溜りの発
生が防止されてクラック発生が抑止され、強度が向上す
ると共に軽量である。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図面に示す実
施の形態例に基づき、更に詳細に説明する。図１は本発
明に係る積層状の管状体１０の部分断面図である。この
管状体１０は一方向に向くように引揃えられた炭素繊維
の束にエポキシ樹脂を含浸させたシート状のプリプレグ
を、炭素繊維の方向が管状体１０の略長手方向に向くよ
うに適数回巻装し、それを加圧加熱処理した本体層１２
を有している。エポキシ樹脂は熱硬化性合成樹脂として
の一例であって、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂等
であってもよい。

【００１０】上記本体層１２の内側と外側には、本体層
１２よりも薄い層である補強層１４と補強層１６とがそ
れぞれ形成されている。この各補強層１４，１６は主と
して一方向に向くように引揃えられた炭素繊維束にエポ
キシ樹脂を含浸させたプリプレグを、その繊維の主たる
方向が管状体１０の略円周方向を向くように巻装し、上
記本体層１２と一緒に加圧加熱の処理をして硬化させ、
管状体１０を形成している。本体層１２の炭素繊維の方
向は管状体の長手方向であるが、この方向に交差する方
向、例えば上記の円周方向の繊維を主体とする補強層
を、長手方向指向の巻回層間に混在させてもよい。

【００１１】こうしたシート状プリプレグの成形は、例
えば引揃えられた炭素繊維ＴＳの束の一面側に熱硬化性
合成樹脂のフィルムを沿わせて扱くようにするか、或い
は炭素繊維束の両面側に熱硬化性合成樹脂フィルムを沿
わせて一対のローラー間に挿入して押圧することによっ
てなされるが、前者の場合は、プリプレグ単一の断面を
模式的に示している図２における（ａ）のようになり、
後者では（ｂ）のようになる。即ち、（ａ）は熱硬化性
合成樹脂としてのエポキシ樹脂が相対的に多くて、その
樹脂含浸状態で加熱硬化させればボイドの発生が防止で
きる量の樹脂量リッチ領域ＲＡが一面側に存在し、他面
側には樹脂量が少なく、その樹脂含浸状態のまま加熱硬
化させればボイドが発生する量の樹脂量プアー領域ＰＡ
となり、その間が両者の中間樹脂量領域ＭＡとなり、一
方、（ｂ）は樹脂量リッチ領域ＲＡが両面側にきて、真
ん中が樹脂量プアー領域ＰＡとなり、それらの間が樹脂
量中間領域ＭＡであることを示している。

【００１２】図示の如く、樹脂量プアー領域ＰＡの炭素
繊維ＴＳの配列形態は、主として三角形配置であり、樹
脂量リッチ領域ＲＡの炭素繊維配列形態は、主として四
角形配置である。繊維の断面形状が円形であって同一の
大きさであれば、三角形配置では樹脂量は最少量とな
り、四角形配置ではより多く含浸できる。本発明ではこ
うして形成されるプリプレグの合成樹脂の平均含浸量を
概ね１０ｗｔ％〜２０ｗｔ％の範囲内の値としており、
従来に比較して相当少なく構成している。このことが後
述の樹脂溜り発生防止等の効果を生む。

【００１３】境界を挟む隣接巻回層の内、少なくとも一
側の層が樹脂量リッチ領域ＲＡを当該境界に対面させる
ような向きでシート状プリプレグを適数回巻回して、加
圧加熱後に本体層１２になる本体層対応層を形成し、こ
の層の内外の補強層１４，１６に対応する層と共に、加
圧しつつ加熱硬化処理して管状体１０を形成する。この
各補強層のうち、内側の補強層１４の樹脂量は本体層１
２と同程度に設定してよく、また、外側の補強層１６で
は、緊締テープによって加圧する場合においては、該緊
締テープと補強層１６との間にテープ重合による空気溜
りが残存するので、これを排出させるために本体層１２
よりも多めに樹脂を含浸させておく。なお、補強層はそ
の補強の必要性から内外の一方だけの形態もある他、本
体層１２内の各巻回層間に配設する形態もある。

【００１４】上記の様にして形成した本体層の対応層で
は樹脂量が少なく、各巻回層の境界の密着性不良が心配
されるところであるが、本発明では各巻回層内において
樹脂量に不均一さを設けており、境界には少なくとも一
側の層がリッチ領域ＲＡを対面させているため密着性が
確保できる。また、加圧加熱成形時にリッチ領域ＲＡか
らプアー領域ＰＡに対して樹脂の移動が生ずる他、多少
の小さなボイドが残ることは問題にならない。更には、
外側の補強層１６の対応層では樹脂量が多目であるが、
この層は薄いこともあって樹脂の絶対量が少なく、緊締
テープによる空気溜りの排除に使用されて殆ど本体層対
応層内部までは移動できず、隣接接触領域に浸透する程
度である。内側補強層１４の樹脂量を多めにする場合も
薄い層であるため絶対的な樹脂量が少なく、隣接接触領
域に浸透する程度である。また、補強層が本体層内の巻
回層間に配設された場合も同じである。このように本発
明では樹脂の量が適量であり、繊維のずれ、蛇行、偏寄
が生じることが防止され、更には軽量でしかも巻回層境
界の密着性をよくし、成形不良が発生し難く、管状体の
比強度が向上する。

【００１５】この他、以下に説明する樹脂溜りＪの防止
にも効果がある。即ち、図３は従来の樹脂量を有するプ
リプレグを巻回して形成した管状体の加圧加熱硬化後の
断面を模式的に示す図であり、内側の補強層１４’と、
本体層１２’と、外側の補強層１６’とからなり、本体
層１２’は内側の第１シート状プリプレグから形成され
た層１２Ａと、外側の第２シート状プリプレグから形成
された層１２Ｂとを有している。こうした場合、各シー
ト状プリプレグの巻回開始端部と巻回終了端部は重合し
ており、こうした重合端部領域では、従来から樹脂溜り
Ｊが生じ易く、ここから剥離することが多かった。この
重合端部領域を拡大図示したものが図４であり、樹脂溜
りＪには繊維ＴＳは殆ど無く、熱硬化性合成樹脂が大部
分を専有している。

【００１６】図４に対応させて、本発明に係る樹脂量を
有するシート状プリプレグを用いて形成した本体層の重
合端部領域は図５に示す様に樹脂溜りは無く、炭素繊維
ＴＳが適切に分散する。このように本発明によれば、樹
脂溜りの発生が防止されて管状体の強度が向上する。

【００１７】また、図２のように厚さ方向に合成樹脂比
率の偏在したプリプレグを使用して管状体を加熱形成す
れば、その比率は変化するにしても各巻回層を加熱硬化
させた各巻回形成層内の厚さ方向においては合成樹脂比
率の偏在状態が残る。例えば、図１のＡ部拡大図の図６
に示すように、本体層１２を構成する各巻回形成層の夫
々の一側がリッチ領域ＲＡ、他側がプアー領域ＰＡとい
う樹脂比率の偏在した状態の３つの層がリッチ領域とプ
アー領域が隣接状態となるように、プリプレグ状態で向
きを揃えて重ね合せれば、各層境界の密着力が向上し、
均一な樹脂比率の場合よりも全体として樹脂量が低減で
き、軽量化が達成できる。従って、比強度も向上する。
この実施例の内外の補強層１４，１６の樹脂比率は、各
層内においては略均一であり、本体層１２のリッチ領域
ＲＡの樹脂比率と同程度以上に設定しており、本体層１
２との境界も樹脂不足を生じることは防止されて密着成
形性がよく、また、補強層は薄く設定しており、樹脂の
絶対量は少なく、管状体全体としての軽量化に反しな
い。

【００１８】図１の他の形態例のＡ部拡大図を示す図７
では、本体層１２を２層で構成し、互いにリッチ領域Ｒ
Ａを対面させて構成している。この実施例も各補強層１
４，１６は樹脂比率を各層内においては略均一としてお
り、本体層１２のリッチ領域ＲＡの樹脂比率と同程度以
上に設定している。従って、本体層１２との境界におい
ても樹脂不足が防止され、密着成形性がよく、また、補
強層は薄く設定しており、樹脂の絶対量は少なく、管状
体全体としての軽量化に反しない。

【００１９】何れかの表面に補強層を設けていない場合
に、本体層のその表面側は樹脂比率を多くする。こうす
ると、略長手方向に指向した炭素繊維が保護され、傷つ
きが防止されて耐久性の高い管状体となる。本体層が一
層で形成される場合は、内外の補強層の樹脂比率が同程
度の場合には、本体層の樹脂比率の高い側を外側の補強
層に隣接させ、緊締テープの加圧による樹脂流れによっ
て表面の空気を押し出す作用を補助する。内外の補強層
の樹脂比率が異なる場合には、本体層の樹脂比率の高い
側を樹脂比率の小さい補強層に隣接させ、この比率の小
さい補強層に樹脂を補給する。

【００２０】補強層の強化繊維は、略長手方向に指向し
た本体層の主たる強化繊維（炭素繊維）と交差し、通常
は略円周方向に指向させており、この補強層と本体層と
の界面は繊維が大きく交差しているため、成形時にボイ
ドが発生し易い。このため、樹脂比率の高い側をこの境
界側に対面させるよう構成し、この界面からの剥離や破
損を防止しつつ、軽量化を達成することが好ましい。

【００２１】特に釣竿竿管やゴルフクラブのシャフトに
要求される材料の曲げ強度につき実験確認した結果を以
下に示す。内径１０ｍｍ、長さ６００ｍｍの管状試験体
の４点曲げ（支点間隔が５００ｍｍ、荷重間隔１５０ｍ
ｍ）の曲げ強度を測定した。従来品として、一方向に引
揃えた炭素繊維にエポキシ樹脂を２５ｗｔ％とした本体
層プリプレグに、この繊維方向と直交する方向に引揃え
た炭素繊維にエポキシ樹脂を４０ｗｔ％とした裏打ち補
強プリプレグ（本体層プリプレグの約１／５の厚さ）を
重ねて４重に巻回して形成した。本発明品としては本体
層プリプレグを樹脂量２０ｗｔ％とし、裏打ち等は上記
の通りである。

【００２２】夫々４本ずつ成形した試験体の肉厚は僅か
に異なるが、肉厚（ｍｍ）、自重（ｇｗ）、破断荷重
（ｋｇｗ）、比強度（ｋｇｗ／ｇｗ）を対比して示す。 ＮＯ． 肉厚 自重 破断荷重 比強度 従来品 １ ０．６３ ２０．１３ ７３．８ ３．６７ ２ ０．６４ ２０．２１ ７５．２ ３．７２ ３ ０．６４ ２０．３１ ７０．６ ３．４８ ４ ０．６４ ２０．２２ ７１．６ ３．５４ 平均値 ０．６４ ２０．２２ ７２．８ ３．６０ 発明品 １ ０．５８ １９．０４ ７３．５ ３．８６ ２ ０．５９ １９．０８ ７７．０ ４．０４ ３ ０．５９ １９．２４ ７５．８ ３．９４ ４ ０．５９ １９．１２ ７３．５ ３．８５ 平均値 ０．５９ １９．１２ ７５．０ ３．９２

【００２３】以上の実験結果から分るように発明品は従
来品よりも比強度が向上している。即ち、軽量で強度が
強く、扱い易い。本発明に係る管状体の製造方法におい
て、留意すべき点は、加熱の際には急には硬化温度まで
上昇させないで、硬化温度以下である樹脂の軟化温度で
予熱し、この温度に保持して全体をなじませることが好
ましい。更に、従来よりも樹脂量が少ないため、従来の
成形時よりも加圧力を高くして繊維間の接着性を向上さ
せることが好ましい。

【００２４】本発明に係る図１の形態例の管状体１０の
本体層１２は衝撃強度には必ずしも充分な強度を有しな
いため、その最外層である補強層１６の外側か、或い
は、本体層１２の直接外側に、振動吸収性の良い熱可塑
性樹脂の層を形成してもよい。この樹脂層の例として、
ポリアミド繊維を既述のプリプレグを巻回した層の上に
巻回し、この状態で既述の硬化のための熱処理を行う
と、その温度によっては巻回ポリアミド繊維が軟化して
層状に形成される。この軟化は不完全であってもよい。
こうすればゴルフクラブのシャフト等においては特に耐
久性が増す。

【００２５】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明に
よれば、成形不良を防止して、炭素繊維に熱硬化性合成
樹脂を含浸したプリプレグによって本体層が形成され
る、軽量かつ高強度な管状体の提供が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明に係る管状体の部分断面図であ
る。

【図２】図２は管状体を形成するプリプレグの２種類の
断面を示す図である。

【図３】図３は従来の管状体の横断面の模式図である。

【図４】図４は図３に対応する重合端部拡大図である。

【図５】図５は本発明に係る管状体本体層の重合端部拡
大図である。

【図６】図６は図１のＡ部形態例の拡大図である。

【図７】図７は図１のＡ部の他の形態例の拡大図であ
る。

【符号の説明】

１０ 管状体 １２ 本体層 １４，１６ 補強層

───────────────────────────────────────────────────── 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） // Ｂ２９Ｌ 9:00 Ｂ２９Ｃ 67/14 Ｃ 23:00 Ａ０１Ｋ 87/00 ６３０Ｃ Ｃ０８Ｌ 101:00 ６３０Ａ Ｂ２９Ｃ 67/14 Ｇ Ｒ (72)発明者 内藤 秀行 東京都東久留米市前沢３丁目14番16号ダイ ワ精工株式会社内 Ｆターム(参考） 2B019 AB03 AB12 AB22 2C002 AA05 CS03 MM02 PP01 SS03 4F072 AA07 AB10 AD13 AD23 AD37 AG03 4F205 AA36 AA39 AC03 AD08 AD16 AG03 AG08 AH02 HA14 HA29 HA33 HA35 HA45 HB02 HC17 HL04 HL17 HT13 HT22 HT25

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シート状プリプレグを巻装して加圧加熱
   して形成され、熱硬化性合成樹脂をマトリックスとし、
   略長手方向に指向するように引揃えられた炭素繊維を主
   体として強化され、前記合成樹脂の平均量が概ね１０ｗ
   ｔ％〜２０ｗｔ％の範囲内である本体層を有し、 前記シート状プリプレグの重合した端部位置近傍は樹脂
   溜りが排除されて前記炭素繊維と熱硬化性合成樹脂の混
   合からなるよう形成されたことを特徴とする管状体。