JP2004066637A - Ｆｒｐ製容器の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来の方法でしばしば発生した、外層側の巻き付け時の強化繊維の張力を下げすぎることで外層の強化繊維が内層から絞り出された樹脂により横方向に蛇行し、実際には強度利用率を下げることなく、高性能なＦＲＰ製容器を得るために好適なＦＲＰ製容器の製造方法を提供する。
【解決手段】樹脂を含浸した強化繊維束をライナー上に巻き付けて、ライナー上にＦＲＰ中間体層を形成し、そのＦＲＰ中間体を硬化するＦＲＰ製容器の製造方法において、ＦＲＰ中間体の質量Ｒ２（ｋｇ）と巻き付け中にＦＲＰ中間体から除去された樹脂の質量Ｒ１（ｋｇ）がＲ１／Ｒ２≦０．０５を満足するＦＲＰ製容器の製造方法である。
【選択図】 なし
【解決手段】樹脂を含浸した強化繊維束をライナー上に巻き付けて、ライナー上にＦＲＰ中間体層を形成し、そのＦＲＰ中間体を硬化するＦＲＰ製容器の製造方法において、ＦＲＰ中間体の質量Ｒ２（ｋｇ）と巻き付け中にＦＲＰ中間体から除去された樹脂の質量Ｒ１（ｋｇ）がＲ１／Ｒ２≦０．０５を満足するＦＲＰ製容器の製造方法である。
【選択図】 なし
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高性能なＦＲＰ（本明細書において、単にＦＲＰという。）製容器の製造方法に関する。
なお、圧力容器等に用いるＦＲＰ製容器において、その内容物の物性によって、内層に樹脂製ライナーや金属製ライナーを用いる。本明細書においては、特に断らない限り、内層の樹脂製ライナーや金属製ライナーとＦＲＰからなる部分を含めて、ＦＲＰ製容器という。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高圧ガスの貯蔵容器として鋼鉄製の容器が用いられている。しかしながら、この鋼鉄製の貯蔵容器は、その材質が鋼鉄製であるがため重量が大きく、移動や輸送等に労力を費やすものであった。
【０００３】
例えば、気体燃料を用いる自動車の燃料貯蔵容器として鋼鉄製のものを用いる場合には、燃料消費量を減らすべく車体重量を小さくするために、燃料貯蔵容器の重量をも軽量化することが求められている。また、スキューバダイビングのエア容器等の人間が担ぐような用途のガス貯蔵容器でも、人間への負担を減らすために容器の軽量化が求められている。
【０００４】
そこで、高圧ガスの貯蔵容器として、従来の鋼鉄製のものに替えて、樹脂や金属製のライナーに繊維強化樹脂を巻き付けて補強したＦＲＰ製容器が用いられるようになっている。このＦＲＰ製容器は、ガスの高い充填圧力を維持しつつ軽量化がなされたものである。
【０００５】
このＦＲＰ製容器を製造する工程において、強化繊維を巻き付けるための代表的な方法としては、フィラメントワインディング法（以下、ＦＷ法という。）がある。この方法は、樹脂を含浸した連続強化繊維を鉄芯、樹脂製ライナーまたは金属製ライナーに巻き付け、その後、樹脂を硬化することによりＦＲＰ製容器を製造する方法である。
【０００６】
これらＦＷ法によるＦＲＰ製容器の製造は、容易に製品を製造できる反面、例えば破裂圧力が６５ＭＰａを超える高圧の圧力容器のような円筒形状のものを製造すると強化繊維の強度の発現率が低くなる傾向があり、必要以上に強化繊維を厚く巻く必要があった。
【０００７】
そのため、特開昭５６−３４４２５号公報には、巻き付け時の繊維への樹脂含有容積率を２５〜８０体積％の範囲に管理することで高強度化を図っている方法が記載されている。しかしながら、実際には、巻き付け体での樹脂の巻き絞りにより樹脂が流れ出して、外径が小さくなり巻きつけ長さに比して強化繊維長が余ってしまい強化繊維が蛇行することが抑えられず強度が低下し、工程前の強化繊維への樹脂含有率だけの管理では強度が必ずしも理論的なレベルまで向上しなかった。
【０００８】
また、特開２００２−０４６９３７号公報には、巻き付け時の強化繊維の張力を内層よりも外層の方を低くすることで、上述したような樹脂の巻き絞りによる強度低下を抑制することが開示されている。しかしながら、実際には強化繊維と樹脂の比率も考慮する必要があることから、必ずしも外層側の巻き付け時の強化繊維の張力を内層側のそれよりも小さくしても実効は上がらず、外層側の巻き付け時の強化繊維の張力を下げすぎることで外層の強化繊維が内層から絞り出された樹脂により横方向に蛇行し、実際には強度利用率を下げることがしばしば発生した。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した問題を解決するためになされたものであり、高性能なＦＲＰ製容器を得るために好適なＦＲＰ製容器の製造方法を提供することを目的としている。
【００１０】
かかる目的を達成すべく種々検討した結果、強度低下を抑制し、必要以上に強化繊維を巻き付けることなく軽量で高性能なＦＲＰ製容器の製造方法を発明するに至った。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、樹脂を含浸した強化繊維束をライナー上に巻き付けて、ライナー上にＦＲＰ中間体層を形成し、そのＦＲＰ中間体を硬化するＦＲＰ製容器の製造方法において、ＦＲＰ中間体の質量Ｒ２（ｋｇ）と巻き付け中にＦＲＰ中間体から除去された樹脂の質量Ｒ１（ｋｇ）が、以下の式（１）を満足するＦＲＰ製容器の製造方法を要旨とする。
Ｒ１／Ｒ２≦０．０５・・・（１）
【００１２】
【発明の実施形態】
本発明のＦＲＰ製容器の製造方法においては、従来行なわれているように樹脂を含浸した強化繊維束をライナー上に巻き付けて、ライナー上にＦＲＰ中間体層を形成し、そのＦＲＰ中間体を硬化する。
【００１３】
（強化繊維束）
本発明のＦＲＰ製容器の製造方法に用いる強化繊維としては、炭素繊維やアラミド繊維，ガラス繊維やＰＢＯ繊維等が挙げられるが、特に規定はしない。特に強化繊維として、ＪＩＳ Ｒ ７６０１に準拠したストランド強度が４０００ＭＰａ以上の強化繊維を用いることが高充填圧と軽量性を併せ持たせる点から好ましい。
【００１４】
（マトリックス樹脂）
本発明のＦＲＰ製容器の製造方法に用いる樹脂としては、特に限定はしないが、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂等が挙げられる。強化繊維との接着性からエポキシ樹脂が最も好ましいものとして挙げられる。本発明の製造方法に用いる樹脂として、強化繊維に含浸する樹脂として、５０℃での粘度が１０ポイズ以上の樹脂を用いることがＦＷ工程中に高い張力を繊維に与えることができる点、巻きつけ後の成形体の取り扱い性が容易である点から好ましい。
【００１５】
（ＦＲＰ中間体層）
本発明のＦＲＰ製容器の製造方法において、形成されるＦＲＰ中間体は、その異方性材料としての特質を生かすため層構造を形成する。本発明においては、その層構造の構成は特に限定しないが、容器の内側から周方向／軸方向／周方向に強化繊維が配向している層構成とするのが強度発現および外観の点で好ましい。各層の厚みは容器の用途、内容物の種類、大きさ等によって自由に選択することができる。
【００１６】
（ライナー）
本発明のＦＲＰ製容器の製造方法に用いるライナーは、用途によって樹脂製、金属製を選んで用いることができる。樹脂製ライナーとしては、高密度ポリエチレン等の熱可塑性樹脂を回転成形やブロー成形にて容器形状に賦形されたものに、金属製の口金をつけているものが一般的である。又、金属製のライナーは、アルミニウム合金製や鋼鉄製等からできているパイプ形状や板形状からスピニング加工等により容器形状に賦形したあとで、口金形状を付与して得られる．
【００１７】
（強化繊維の樹脂含有率）
強化繊維に含浸する樹脂の量、すなわち、樹脂含有率は、下限値として１５質量％以上が好ましく、２０質量％以上がより好ましい。また上限値としては、４０質量％以下が好ましく、３５質量％以下がより好ましい。これらは、高い強度利用率を発現させる点から好ましい。
【００１８】
強化繊維に樹脂を含浸する方法としては、ドラムに一定厚みの樹脂をのせて、その上に繊維を接触させて樹脂をつけたあと、ローラー等により樹脂を内部に含浸させる方法（以下、ドラム方式）、樹脂の浴に繊維を漬けた後、バーやガイド等により不要な樹脂を殺ぎ落とす方法（ディップ方式）、ディスペンサーのようなもので定量的に樹脂を送液して塗布する方法（ディスペンサー方式）等が挙げられるが特に限定しない。強化繊維に余分な樹脂を与えず目標量に正確に管理して塗布する方法としては、ドラム方式やディスペンサー方式の方法が特に好ましい。
【００１９】
（ＦＷ法）
本発明で用いるＦＷ機は従来公知のものでよく。ただ１本の強化繊維束を芯金または芯金に固定したライナーに巻き付けることができるものであっても、複数本の強化繊維束を同時に巻き付けられるものであってもかまわない。
【００２０】
（ＦＲＰ中間体から除去された樹脂）
本発明のＦＲＰ製容器の製造方法では、ＦＲＰ中間体の質量Ｒ２（ｋｇ）と巻き付け中にＦＲＰ中間体から除去された樹脂の質量Ｒ１（ｋｇ）が、以下の式（１）を満足することが必要である。
Ｒ１／Ｒ２≦０．０５・・・（１）
すなわち、Ｒ１／Ｒ２を０．０５以下に抑えることにより強化繊維の強度利用率の高い強化複合材料製容器を得ることを可能にしたものである。
本発明において、Ｒ１およびＲ２は、それぞれ以下のようにして測定される値である。
【００２１】
（Ｒ１の測定方法）
本発明では、巻き付け中にＦＲＰ中間体から除去された樹脂の質量Ｒ１（ｋｇ）（例えば、ライナー上から自然落下により排除された樹脂、スクレーパー等の除去具を用いてマンドレル上の樹脂を除去したりした樹脂等）は、ＦＲＰ中間体の巻付け開始から巻き付け終了までに除去される樹脂をためその総量を天秤等により測定し得られた値である。
【００２２】
（Ｒ２の測定方法）
ＦＲＰ中間体層の形成前に、予めライナーの質量Ｍを測定する。次に中間体の巻き付け後に、ライナー＋ＦＲＰ中間体の質量Ｔの測定を行い、Ｒ２は次式で算出する。
Ｒ２＝Ｔ−Ｍ
ただし、この質量測定の過程で自然落下等により除去された樹脂は、上記Ｒ１に含めるものとする。
【００２３】
（硬化直後の容器中の繊維強化樹脂層の質量Ｒ３）
本発明のＦＲＰ製容器の製造方法では、更に
ＦＲＰ中間体の質量Ｒ２（ｋｇ）と、そのＦＲＰ中間体を硬化して得られるＦＲＰの質量Ｒ３（ｋｇ）とを強化繊維と樹脂の保持性、ＦＷ工程中の樹脂量等を調整して、以下の式（２）の範囲に制御することが好ましい。これによって得られるＦＲＰ製容器は、強化繊維を巻き付けた後の樹脂の絞り出しによって生じる強化繊維の蛇行を防ぐことができる。
０．００１≦（Ｒ２−Ｒ３）／Ｒ２≦０．０５・・・（２）
ここでＦＲＰ中間体を硬化して得られるＦＲＰの質量Ｒ３（ｋｇ）とは、成形後表面の研磨等の後処理を行う前の容器であり、硬化直後の成形体に含まれる繊維強化樹脂の質量Ｒ３は、以下の方法によって測定したものである。
【００２４】
（Ｒ３の測定方法）
硬化工程を終了した直後に、得られたＦＲＰ製容器を、ライナーを含んだ状態で質量Ｔ２を測定し、次式にてＲ３を算出する。
Ｒ３＝Ｔ２−Ｍ
もし、不要な樹脂硬化物、即ち、ＦＲＰから垂れ下がった樹脂のみの硬化物やＦＲＰ表面にできた樹脂のみの硬化物がある場合はそれを排除して得られるＦＲＰ製容器の質量を測定する。
【００２５】
（強化繊維の巻き付け張力）
本発明の製造方法では、強化繊維が蛇行しやすい容器の周方向に巻く際に、以下の式を満足する張力Ｔｘ（Ｎ／ｍｍ２）をかけることが強化繊維の蛇行を防ぐ上で好ましい。強化繊維を周方向に巻きつける際には、強化繊維の単位断面積当たり２０Ｎ／ｍｍ２以上とすることが繊維配向を乱さず並べる点で好ましい。
０．７≦Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］≦１．３
Ｔ１≧ ２０
Ｔｘ≧２０・・・（４）
Ｔｘ（Ｎ／ｍｍ２）及びＴ１（Ｎ／ｍｍ２）は、それぞれ、半径ｒｘ（ｍｍ）の位置での強化繊維束にかける張力、及び、円周巻き層の巻き始め位置（半径ｒ１（ｍｍ））での強化繊維束にかける張力である。又、Ｖｆ（体積％）は、半径ｒ１〜ｒｘまでにある繊維強化樹脂の繊維含有率である。ただし、円周巻き層の巻き始め位置（半径ｒ１（ｍｍ））ではＶｆ＝９０〜５０体積％間の任意の値を選択する。特になければ、巻きつけようとするＶｆを入れると良い。］
【００２６】
【実施例】
以下、本発明の実施形態について具体的な実施例及び比較例を挙げて説明する。
＜強化繊維１＞
強化繊維１として、三菱レイヨン株式会社製炭素繊維ＴＲ５０Ｓ ＡＬＡ １２Ｌを用意した。この炭素繊維は、単繊維直径 ７μｍ、フィラメント数１２０００本でストランド強度４９８０ＭＰａ、同弾性率 ２３８ＧＰａ（ＪＩＳ Ｒ７６０１準拠、含浸樹脂：三菱レイヨン株式会社製エポキシ樹脂＃８ＮＢ）を有するものである。
【００２７】
＜強化繊維２＞
強化繊維２として、三菱レイヨン株式会社製炭素繊維ＴＲＨ５０ １２Ｌを用意した。この炭素繊維は、単繊維直径 ７μｍ、フィラメント数１２０００本でストランド強度 ４９００ＭＰａ、同弾性率 ２５５ＧＰａ（ＪＩＳ Ｒ ７６０１準拠、含浸樹脂：三菱レイヨン株式会社製エポキシ樹脂＃８ＮＢ）を有するものである。
【００２８】
＜樹脂１＞
強化繊維に含浸する樹脂１として三菱レイヨン株式会社製＃７００Ｂを用意した。
【００２９】
＜樹脂２＞
強化繊維に含浸する樹脂１として三菱レイヨン株式会社製＃７１０Ｂを用意した。
【００３０】
＜トウプリプレグ１＞
１本のトウからなるプリプレグとして、Ｎｅｗｐｏｒｔ Ａｄｈｅｓｉｖｅｓａｎｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｉｎｃ．製ＷＤＥ−３Ｄ−１（ＴＲＨ５０ １２Ｌ）を用意した。このトウプリプレグは、三菱レイヨン株式会社製炭素繊維ＴＲＨ５０ １２Ｌに、予めエポキシ樹脂（５０℃で約３０ポイズ）を含浸したもので、幅約３．５ｍｍ、樹脂含有率 約２８質量％の形状を有する。用いられた炭素繊維は、単繊維直径 ７μｍ、フィラメント数１２０００本でストランド強度５０８０ＭＰａ、同弾性率 ２５５ＧＰａ（ＪＩＳ Ｒ ７６０１準拠：含浸樹脂はトウプリプレグに含浸したエポキシ樹脂）を有するものである。
【００３１】
＜トウプリプレグ２＞
Ｎｅｗｐｏｒｔ Ａｄｈｅｓｉｖｅｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｉｎｃ．製ＷＤＥ−３Ｄ−１（ＴＲ５０Ｓ １２Ｌ）を用意した。このトウプリプレグは、三菱レイヨン株式会社製炭素繊維ＴＲ５０Ｓ １２Ｌに、予めエポキシ樹脂（５０℃で約３０ポイズ）を含浸したもので、幅約３．５ｍｍ、樹脂含有率 約２８質量％の形状を有する。用いられた炭素繊維は、単繊維直径７μｍ、フィラメント数１２０００本でストランド強度５０１０ＭＰａ、同弾性率 ２３８ＧＰａ（ＪＩＳ Ｒ ７６０１準拠：含浸樹脂はトウプリプレグに含浸したエポキシ樹脂）を有するものである。
【００３２】
＜ライナー＞
ライナーとして、容器容量９リットルのアルミニウム製ライナー（全長５４０ｍｍ、直胴部長さ４１５ｍｍ、その外径は１６３ｍｍφ、肉厚直胴部中央で３ｍｍを用意した。
【００３３】
＜破壊圧力の測定方法＞
三菱レイヨン社製水圧破壊試験機にＦＲＰ製容器をセットし、昇圧速度１．４ＭＰａ以下で水圧を負荷して破裂したときの破裂圧力を測定した。破壊圧力は容器３個の測定値の平均値で示した。
【００３４】
（実施例１）
Ｅｎｔｅｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｃｈｉｎｅｓ，Ｉｎｃ社製フィラメントワインディング機を用いて、強化繊維１に樹脂１を樹脂含有率が約３０質量％となるよう含浸しながら、強化繊維束１本をライナーの周方向に強化繊維断面積当たりの張力６５Ｎ／ｍｍ２（Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］＝１、Ｖｆ＝６２体積％、ｒ１＝８１．５ｍｍ、ｒｘ＝８３．１ｍｍ、Ｔ１＝７０Ｎ／ｍｍ２）で巻きつけ、約１．６ｍｍ厚の繊維強化樹脂層を形成した。
【００３５】
次にその上から、同様に樹脂を含浸した強化繊維１本をライナーの軸方向に強化繊維断面積当たりの張力３２．５Ｎ／ｍｍ２で巻きつけ（強化繊維の配向角度：約１３度）、約２．０ｍｍ厚の繊維強化樹脂層を形成した。
【００３６】
更にその上から、同様に樹脂を含浸した強化繊維１本をライナーの周方向に強化繊維断面積当たりの張力６５Ｎ／ｍｍ２（Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］＝１．０３３、Ｖｆ＝６２体積％、ｒ１＝８１．５ｍｍ、ｒｘ＝８６．５ｍｍ、Ｔ１＝７０Ｎ／ｍｍ２）で巻きつけ、１．４ｍｍ厚の繊維強化樹脂層を形成し、ライナー上に繊維強化樹脂層を形成した中間体を得た。この中間体の直胴部の中央部で繊維強化樹脂層の厚みを測定したところ、約５．０ｍｍであった。
【００３７】
Ｒ１＝１３ｇ、Ｒ２＝２２７８．５ｇであった。式（２）で計算されるＲ１／Ｒ２は０．００５７であった。
【００３８】
ライナー上に形成した繊維強化樹脂を硬化炉に入れ、炉内の温度を室温から１３５℃まで１℃／分で昇温した。繊維強化樹脂の表面温度が１３５℃に到達したことを確認した後１時間放置した。その後、炉内温度を１℃／分で６０℃まで降温し、繊維強化樹脂成形体を取り出した。更に室温まで自然冷却し、ＦＲＰ製容器を得た。
硬化直後の成形体に含まれる繊維強化樹脂の質量Ｒ３は２２６６．２ｇであった。式（３）で計算される（Ｒ２−Ｒ３）／Ｒ２は０．００５４であった。又、最終的に得られたＦＲＰ製容器の強化繊維の体積含有率で約６２体積％であった。容器の破壊水圧は１１１．３ＭＰａであった。
【００３９】
（比較例１）
強化繊維１に樹脂１を樹脂含有率が約３５質量％となるよう含浸しながら巻きつけ、余分な樹脂量を除去するほかは、実施例１と同様に操作してライナー上に繊維強化樹脂層を形成した中間体を得た。この中間体の直胴部の中央部で繊維強化樹脂層の厚みを測定したところ、約５．０ｍｍであった。
Ｒ１＝１２７ｇ、Ｒ２＝２３３８ｇであった。式（２）で計算されるＲ１／Ｒ２は０．０５４であった。
【００４０】
その後実施例１と同様に加熱成形し、ＦＲＰ製容器を得た。
Ｒ３＝２２９３ｇであった。式（２）で計算される（Ｒ２−Ｒ３）／Ｒ２は０．０１９であった。又、最終的に得られたＦＲＰ製容器の強化繊維の体積含有率で約６１．４体積％であった。容器の破壊水圧は９８．１ＭＰａであった。
【００４１】
（実施例２）
強化繊維１に樹脂２を樹脂含有率が約３３質量％となるよう含浸しながら巻きつけるほかは実施例１と同様に操作してライナー上に繊維強化樹脂層を形成した中間体を得た。この中間体の直胴部の中央部で繊維強化樹脂層の厚みを測定したところ、約５．１ｍｍであった。
Ｒ１＝８ｇ、Ｒ２＝２３８２ｇであった。式（２）で計算されるＲ１／Ｒ２は０．００３であった。
【００４２】
その後、昇温速度を１℃／分から２℃／分に変更したほかは実施例１と同様に加熱成形し、ＦＲＰ製容器を得た。
Ｒ３は２２６０ｇであった。式（２）で計算される（Ｒ２−Ｒ３）／Ｒ２は０．０５１であった。又、最終的に得られたＦＲＰ製容器の強化繊維の体積含有率で約６２．６体積％であった。容器の破壊水圧は１０１．２ＭＰａであった。
【００４３】
（実施例３）
ライナーの周方向に強化繊維を巻きつける層のうち外層側の強化繊維束の巻きつけ張力を強化繊維断面積当たり１７．５Ｎ／ｍｍ２（Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］＝１、Ｖｆ＝０．６２、ｒ１＝８１．３ｍｍ、ｒｘ＝８６．５ｍｍ、Ｔ１＝１９．５Ｎ／ｍｍ２）とするほかは実施例１と同様に操作してライナー上に繊維強化樹脂層を形成した中間体を得た。この中間体の直胴部の中央部で繊維強化樹脂層の厚みを測定したところ、約５．０ｍｍであった。
Ｒ１＝約３ｇ、Ｒ２＝２２８６ｇであった。式（２）で計算されるＲ１／Ｒ２は０．００１であった。
【００４４】
その後は、実施例１と同様に加熱成形し、ＦＲＰ製容器を得た。
Ｒ３は２２６０ｇであった。式（２）で計算される（Ｒ２−Ｒ３）／Ｒ２は０．０１１であった。又、最終的に得られたＦＲＰ製容器の強化繊維の体積含有率で約６２．６体積％であった。容器の破壊水圧は１０４．５ＭＰａであった。
【００４５】
（実施例４）
Ｅｎｔｅｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｃｈｉｎｅｓ，Ｉｎｃ社製フィラメントワインディング機を用いて、樹脂を含浸した強化繊維束として上記トウプリプレグ１本をライナーの周方向に強化繊維断面積当たりの張力８８．１Ｎ／ｍｍ２（Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］＝１、Ｖｆ＝０．６３、ｒ１＝８１．５ｍｍ、ｒｘ＝８３．１ｍｍ、Ｔ１＝９２．７Ｎ／ｍｍ２）で巻きつけ、１．６ｍｍ厚の繊維強化樹脂層を形成した。
次にその上から、同様に樹脂を含浸した強化繊維１本をライナーの軸方向に強化繊維断面積当たりの張力８８．１Ｎ／ｍｍ２で巻きつけ（強化繊維の配向角度：約１３度）、２．０ｍｍ厚の繊維強化樹脂層を形成した。
更にその上から、同様に樹脂を含浸した強化繊維１本をライナーの周方向に強化繊維断面積当たりの張力８８．１Ｎ／ｍｍ２（Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］＝１．０４１、Ｖｆ＝６３体積％、ｒ１＝８１．５ｍｍ、ｒｘ＝８６．５ｍｍ、Ｔ１＝９２．７Ｎ／ｍｍ２）で巻きつけ、１．４ｍｍ厚の繊維強化樹脂層を形成し、ライナー上に繊維強化樹脂層を形成した中間体を得た。この中間体の直胴部の中央部で繊維強化樹脂層の厚みを測定したところ、約５ｍｍであった。
【００４６】
Ｒ１＝約０ｇ、Ｒ２＝２２７８ｇであった。式（２）で計算されるＲ１／Ｒ２は０であった。
【００４７】
ライナー上に形成した繊維強化樹脂を硬化炉に入れ、炉内の温度を室温から１３５℃まで１℃／分で昇温した。繊維強化樹脂の表面温度が１３５℃に到達したことを確認した後１．５時間放置した。その後、炉内温度を１℃／分で６０℃まで降温し、繊維強化樹脂成形体を取り出した。更に室温まで自然冷却し、ＦＲＰ製容器を得た。
Ｒ３は２２６５ｇであった。式（３）で計算される（Ｒ２−Ｒ３）／Ｒ２は０．００６であった。又、最終的に得られたＦＲＰ製容器の強化繊維の体積含有率で約６２．４体積％であった。容器の破壊水圧は１１８．３ＭＰａであった。
【００４８】
（実施例５）
ライナーの周方向にトウプリプレグを巻きつける層のうち内層側のトウプリプレグの巻きつけ張力を強化繊維断面積当たり６１．７Ｎ／ｍｍ２（Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］＝０．７、Ｖｆ＝６３体積％、ｒ１＝８１．５ｍｍ、ｒｘ＝８３．１ｍｍ、Ｔ１＝９２．７Ｎ／ｍｍ２）とするほかは、実施例２と同様に操作してライナー上に繊維強化樹脂層を形成した中間体を得た。この中間体の直胴部の中央部で繊維強化樹脂層の厚みを測定したところ、約５ｍｍであった。
Ｒ１＝約０ｇ、Ｒ２＝２２７２ｇであった。式（２）で計算されるＲ１／Ｒ２は０であった。
その後は、実施例２と同様に加熱成形し、ＦＲＰ製容器を得た。
Ｒ３は２２５９ｇであった。式（３）で計算される（Ｒ２−Ｒ３）／Ｒ２は約０．６％であった。又、最終的に得られたＦＲＰ製容器の強化繊維の体積含有率で約６２．４体積％であった。容器の破壊水圧は１１８．６ＭＰａであった。
【００４９】
（実施例６）
ライナーの周方向にトウプリプレグを巻きつける層のうち外層側のトウプリプレグの巻きつけ張力を強化繊維断面積当たり１１０Ｎ／ｍｍ２（Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］＝１．３、Ｖｆ＝６３体積％、ｒ１＝８１．５ｍｍ、ｒｘ＝８６．５ｍｍ、Ｔ１＝９２．７Ｎ／ｍｍ２）とするほかは、実施例２と同様に操作してライナー上に繊維強化樹脂層を形成した中間体を得た。この中間体の直胴部の中央部で繊維強化樹脂層の厚みを測定したところ、約５ｍｍであった。
Ｒ１＝約０ｇ、Ｒ２＝２２６９ｇであった。式（２）で計算されるＲ１／Ｒ２は０であった。その後は、実施例２と同様に加熱成形し、ＦＲＰ製容器を得た。
Ｒ３は２２６１ｇであった。式（３）で計算される（Ｒ２−Ｒ３）／Ｒ２は約０．００４％であった。又、最終的に得られたＦＲＰ製容器の強化繊維の体積含有率で約６２．４体積％であった。容器の破壊水圧は１１６．１ＭＰａであった。
【００５０】
（実施例７）
トウプリプレグの巻きつけ張力を
内側周方向巻き付け層 ２１．０Ｎ／ｍｍ２（Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］＝１、Ｖｆ＝６３体積％、ｒ１＝８１．５ｍｍ、ｒｘ＝８３．１ｍｍ、Ｔ１＝２２．１Ｎ／ｍｍ２）
周方向巻き付け層 ２１．０Ｎ／ｍｍ２
外側の周方向巻き付け層 １４．１Ｎ／ｍｍ２（Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］＝０．７、Ｖｆ＝６３体積％，ｒ１＝８１．５ｍｍ、ｒｘ＝８６．５ｍｍ、Ｔ１＝２２．１Ｎ／ｍｍ２）としたほかは、実施例２と同様に操作してライナー上に繊維強化樹脂層を形成した中間体を得た。この中間体の直胴部の中央部で繊維強化樹脂層の厚みを測定したところ、約５ｍｍであった。
【００５１】
Ｒ１＝約０ｇ、Ｒ２＝２２７１ｇであった。式（２）で計算されるＲ１／Ｒ２は０であった。
【００５２】
その後は、実施例２と同様に加熱成形し、ＦＲＰ製容器を得た。
Ｒ３は２２６０ｇであった。式（３）で計算される（Ｒ２−Ｒ３）／Ｒ２は約０．００５であった。又、最終的に得られたＦＲＰ製容器の強化繊維の体積含有率で約６２．６体積％であった。容器の破壊水圧は１０８．９ＭＰａであった。
【００５３】
（実施例８）
トウプリプレグの巻きつけ張力を
内側周方向巻き付け層 １８．１Ｎ／ｍｍ２（Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］＝１、Ｖｆ＝６３体積％、ｒ１＝８１．５ｍｍ、ｒｘ＝８３．１ｍｍ、Ｔ１＝１９．０Ｎ／ｍｍ２）
周方向巻き付け層 １８．１Ｎ／ｍｍ２
外側の周方向巻き付け層 １７．４Ｎ／ｍｍ２（Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］＝１，Ｖｆ＝６３体積％，ｒ１＝８１．５ｍｍ、ｒｘ＝８６．５ｍｍ、Ｔ１＝１９．０Ｎ／ｍｍ２）
としたほかは、実施例２と同様に操作してライナー上に繊維強化樹脂層を形成した中間体を得た。この中間体の直胴部の中央部で繊維強化樹脂層の厚みを測定したところ、約５ｍｍであった。
【００５４】
Ｒ１＝約０ｇ、Ｒ２＝２２７５ｇであった。式（２）で計算されるＲ１／Ｒ２は０であった。その後は、実施例２と同様に加熱成形し、ＦＲＰ製容器を得た。
Ｒ３＝２２５６ｇであった。式（３）で計算される（Ｒ２−Ｒ３）／Ｒ２は約０．００８であった。又、最終的に得られたＦＲＰ製容器の強化繊維の体積含有率で約６２．７体積％であった。容器の破壊水圧は１０５．２ＭＰａであった
【００５５】
【表１】
【００５６】
【発明の効果】
従来の方法でしばしば発生した、外層側の巻き付け時の強化繊維の張力を下げすぎることで外層の強化繊維が内層から絞り出された樹脂により横方向に蛇行し、実際には強度利用率を下げることなく、高性能なＦＲＰ製容器を得るために好適なＦＲＰ製容器の製造方法を提供するものである。
【発明の属する技術分野】
本発明は、高性能なＦＲＰ（本明細書において、単にＦＲＰという。）製容器の製造方法に関する。
なお、圧力容器等に用いるＦＲＰ製容器において、その内容物の物性によって、内層に樹脂製ライナーや金属製ライナーを用いる。本明細書においては、特に断らない限り、内層の樹脂製ライナーや金属製ライナーとＦＲＰからなる部分を含めて、ＦＲＰ製容器という。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高圧ガスの貯蔵容器として鋼鉄製の容器が用いられている。しかしながら、この鋼鉄製の貯蔵容器は、その材質が鋼鉄製であるがため重量が大きく、移動や輸送等に労力を費やすものであった。
【０００３】
例えば、気体燃料を用いる自動車の燃料貯蔵容器として鋼鉄製のものを用いる場合には、燃料消費量を減らすべく車体重量を小さくするために、燃料貯蔵容器の重量をも軽量化することが求められている。また、スキューバダイビングのエア容器等の人間が担ぐような用途のガス貯蔵容器でも、人間への負担を減らすために容器の軽量化が求められている。
【０００４】
そこで、高圧ガスの貯蔵容器として、従来の鋼鉄製のものに替えて、樹脂や金属製のライナーに繊維強化樹脂を巻き付けて補強したＦＲＰ製容器が用いられるようになっている。このＦＲＰ製容器は、ガスの高い充填圧力を維持しつつ軽量化がなされたものである。
【０００５】
このＦＲＰ製容器を製造する工程において、強化繊維を巻き付けるための代表的な方法としては、フィラメントワインディング法（以下、ＦＷ法という。）がある。この方法は、樹脂を含浸した連続強化繊維を鉄芯、樹脂製ライナーまたは金属製ライナーに巻き付け、その後、樹脂を硬化することによりＦＲＰ製容器を製造する方法である。
【０００６】
これらＦＷ法によるＦＲＰ製容器の製造は、容易に製品を製造できる反面、例えば破裂圧力が６５ＭＰａを超える高圧の圧力容器のような円筒形状のものを製造すると強化繊維の強度の発現率が低くなる傾向があり、必要以上に強化繊維を厚く巻く必要があった。
【０００７】
そのため、特開昭５６−３４４２５号公報には、巻き付け時の繊維への樹脂含有容積率を２５〜８０体積％の範囲に管理することで高強度化を図っている方法が記載されている。しかしながら、実際には、巻き付け体での樹脂の巻き絞りにより樹脂が流れ出して、外径が小さくなり巻きつけ長さに比して強化繊維長が余ってしまい強化繊維が蛇行することが抑えられず強度が低下し、工程前の強化繊維への樹脂含有率だけの管理では強度が必ずしも理論的なレベルまで向上しなかった。
【０００８】
また、特開２００２−０４６９３７号公報には、巻き付け時の強化繊維の張力を内層よりも外層の方を低くすることで、上述したような樹脂の巻き絞りによる強度低下を抑制することが開示されている。しかしながら、実際には強化繊維と樹脂の比率も考慮する必要があることから、必ずしも外層側の巻き付け時の強化繊維の張力を内層側のそれよりも小さくしても実効は上がらず、外層側の巻き付け時の強化繊維の張力を下げすぎることで外層の強化繊維が内層から絞り出された樹脂により横方向に蛇行し、実際には強度利用率を下げることがしばしば発生した。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した問題を解決するためになされたものであり、高性能なＦＲＰ製容器を得るために好適なＦＲＰ製容器の製造方法を提供することを目的としている。
【００１０】
かかる目的を達成すべく種々検討した結果、強度低下を抑制し、必要以上に強化繊維を巻き付けることなく軽量で高性能なＦＲＰ製容器の製造方法を発明するに至った。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明は、樹脂を含浸した強化繊維束をライナー上に巻き付けて、ライナー上にＦＲＰ中間体層を形成し、そのＦＲＰ中間体を硬化するＦＲＰ製容器の製造方法において、ＦＲＰ中間体の質量Ｒ２（ｋｇ）と巻き付け中にＦＲＰ中間体から除去された樹脂の質量Ｒ１（ｋｇ）が、以下の式（１）を満足するＦＲＰ製容器の製造方法を要旨とする。
Ｒ１／Ｒ２≦０．０５・・・（１）
【００１２】
【発明の実施形態】
本発明のＦＲＰ製容器の製造方法においては、従来行なわれているように樹脂を含浸した強化繊維束をライナー上に巻き付けて、ライナー上にＦＲＰ中間体層を形成し、そのＦＲＰ中間体を硬化する。
【００１３】
（強化繊維束）
本発明のＦＲＰ製容器の製造方法に用いる強化繊維としては、炭素繊維やアラミド繊維，ガラス繊維やＰＢＯ繊維等が挙げられるが、特に規定はしない。特に強化繊維として、ＪＩＳ Ｒ ７６０１に準拠したストランド強度が４０００ＭＰａ以上の強化繊維を用いることが高充填圧と軽量性を併せ持たせる点から好ましい。
【００１４】
（マトリックス樹脂）
本発明のＦＲＰ製容器の製造方法に用いる樹脂としては、特に限定はしないが、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂等が挙げられる。強化繊維との接着性からエポキシ樹脂が最も好ましいものとして挙げられる。本発明の製造方法に用いる樹脂として、強化繊維に含浸する樹脂として、５０℃での粘度が１０ポイズ以上の樹脂を用いることがＦＷ工程中に高い張力を繊維に与えることができる点、巻きつけ後の成形体の取り扱い性が容易である点から好ましい。
【００１５】
（ＦＲＰ中間体層）
本発明のＦＲＰ製容器の製造方法において、形成されるＦＲＰ中間体は、その異方性材料としての特質を生かすため層構造を形成する。本発明においては、その層構造の構成は特に限定しないが、容器の内側から周方向／軸方向／周方向に強化繊維が配向している層構成とするのが強度発現および外観の点で好ましい。各層の厚みは容器の用途、内容物の種類、大きさ等によって自由に選択することができる。
【００１６】
（ライナー）
本発明のＦＲＰ製容器の製造方法に用いるライナーは、用途によって樹脂製、金属製を選んで用いることができる。樹脂製ライナーとしては、高密度ポリエチレン等の熱可塑性樹脂を回転成形やブロー成形にて容器形状に賦形されたものに、金属製の口金をつけているものが一般的である。又、金属製のライナーは、アルミニウム合金製や鋼鉄製等からできているパイプ形状や板形状からスピニング加工等により容器形状に賦形したあとで、口金形状を付与して得られる．
【００１７】
（強化繊維の樹脂含有率）
強化繊維に含浸する樹脂の量、すなわち、樹脂含有率は、下限値として１５質量％以上が好ましく、２０質量％以上がより好ましい。また上限値としては、４０質量％以下が好ましく、３５質量％以下がより好ましい。これらは、高い強度利用率を発現させる点から好ましい。
【００１８】
強化繊維に樹脂を含浸する方法としては、ドラムに一定厚みの樹脂をのせて、その上に繊維を接触させて樹脂をつけたあと、ローラー等により樹脂を内部に含浸させる方法（以下、ドラム方式）、樹脂の浴に繊維を漬けた後、バーやガイド等により不要な樹脂を殺ぎ落とす方法（ディップ方式）、ディスペンサーのようなもので定量的に樹脂を送液して塗布する方法（ディスペンサー方式）等が挙げられるが特に限定しない。強化繊維に余分な樹脂を与えず目標量に正確に管理して塗布する方法としては、ドラム方式やディスペンサー方式の方法が特に好ましい。
【００１９】
（ＦＷ法）
本発明で用いるＦＷ機は従来公知のものでよく。ただ１本の強化繊維束を芯金または芯金に固定したライナーに巻き付けることができるものであっても、複数本の強化繊維束を同時に巻き付けられるものであってもかまわない。
【００２０】
（ＦＲＰ中間体から除去された樹脂）
本発明のＦＲＰ製容器の製造方法では、ＦＲＰ中間体の質量Ｒ２（ｋｇ）と巻き付け中にＦＲＰ中間体から除去された樹脂の質量Ｒ１（ｋｇ）が、以下の式（１）を満足することが必要である。
Ｒ１／Ｒ２≦０．０５・・・（１）
すなわち、Ｒ１／Ｒ２を０．０５以下に抑えることにより強化繊維の強度利用率の高い強化複合材料製容器を得ることを可能にしたものである。
本発明において、Ｒ１およびＲ２は、それぞれ以下のようにして測定される値である。
【００２１】
（Ｒ１の測定方法）
本発明では、巻き付け中にＦＲＰ中間体から除去された樹脂の質量Ｒ１（ｋｇ）（例えば、ライナー上から自然落下により排除された樹脂、スクレーパー等の除去具を用いてマンドレル上の樹脂を除去したりした樹脂等）は、ＦＲＰ中間体の巻付け開始から巻き付け終了までに除去される樹脂をためその総量を天秤等により測定し得られた値である。
【００２２】
（Ｒ２の測定方法）
ＦＲＰ中間体層の形成前に、予めライナーの質量Ｍを測定する。次に中間体の巻き付け後に、ライナー＋ＦＲＰ中間体の質量Ｔの測定を行い、Ｒ２は次式で算出する。
Ｒ２＝Ｔ−Ｍ
ただし、この質量測定の過程で自然落下等により除去された樹脂は、上記Ｒ１に含めるものとする。
【００２３】
（硬化直後の容器中の繊維強化樹脂層の質量Ｒ３）
本発明のＦＲＰ製容器の製造方法では、更に
ＦＲＰ中間体の質量Ｒ２（ｋｇ）と、そのＦＲＰ中間体を硬化して得られるＦＲＰの質量Ｒ３（ｋｇ）とを強化繊維と樹脂の保持性、ＦＷ工程中の樹脂量等を調整して、以下の式（２）の範囲に制御することが好ましい。これによって得られるＦＲＰ製容器は、強化繊維を巻き付けた後の樹脂の絞り出しによって生じる強化繊維の蛇行を防ぐことができる。
０．００１≦（Ｒ２−Ｒ３）／Ｒ２≦０．０５・・・（２）
ここでＦＲＰ中間体を硬化して得られるＦＲＰの質量Ｒ３（ｋｇ）とは、成形後表面の研磨等の後処理を行う前の容器であり、硬化直後の成形体に含まれる繊維強化樹脂の質量Ｒ３は、以下の方法によって測定したものである。
【００２４】
（Ｒ３の測定方法）
硬化工程を終了した直後に、得られたＦＲＰ製容器を、ライナーを含んだ状態で質量Ｔ２を測定し、次式にてＲ３を算出する。
Ｒ３＝Ｔ２−Ｍ
もし、不要な樹脂硬化物、即ち、ＦＲＰから垂れ下がった樹脂のみの硬化物やＦＲＰ表面にできた樹脂のみの硬化物がある場合はそれを排除して得られるＦＲＰ製容器の質量を測定する。
【００２５】
（強化繊維の巻き付け張力）
本発明の製造方法では、強化繊維が蛇行しやすい容器の周方向に巻く際に、以下の式を満足する張力Ｔｘ（Ｎ／ｍｍ２）をかけることが強化繊維の蛇行を防ぐ上で好ましい。強化繊維を周方向に巻きつける際には、強化繊維の単位断面積当たり２０Ｎ／ｍｍ２以上とすることが繊維配向を乱さず並べる点で好ましい。
０．７≦Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］≦１．３
Ｔ１≧ ２０
Ｔｘ≧２０・・・（４）
Ｔｘ（Ｎ／ｍｍ２）及びＴ１（Ｎ／ｍｍ２）は、それぞれ、半径ｒｘ（ｍｍ）の位置での強化繊維束にかける張力、及び、円周巻き層の巻き始め位置（半径ｒ１（ｍｍ））での強化繊維束にかける張力である。又、Ｖｆ（体積％）は、半径ｒ１〜ｒｘまでにある繊維強化樹脂の繊維含有率である。ただし、円周巻き層の巻き始め位置（半径ｒ１（ｍｍ））ではＶｆ＝９０〜５０体積％間の任意の値を選択する。特になければ、巻きつけようとするＶｆを入れると良い。］
【００２６】
【実施例】
以下、本発明の実施形態について具体的な実施例及び比較例を挙げて説明する。
＜強化繊維１＞
強化繊維１として、三菱レイヨン株式会社製炭素繊維ＴＲ５０Ｓ ＡＬＡ １２Ｌを用意した。この炭素繊維は、単繊維直径 ７μｍ、フィラメント数１２０００本でストランド強度４９８０ＭＰａ、同弾性率 ２３８ＧＰａ（ＪＩＳ Ｒ７６０１準拠、含浸樹脂：三菱レイヨン株式会社製エポキシ樹脂＃８ＮＢ）を有するものである。
【００２７】
＜強化繊維２＞
強化繊維２として、三菱レイヨン株式会社製炭素繊維ＴＲＨ５０ １２Ｌを用意した。この炭素繊維は、単繊維直径 ７μｍ、フィラメント数１２０００本でストランド強度 ４９００ＭＰａ、同弾性率 ２５５ＧＰａ（ＪＩＳ Ｒ ７６０１準拠、含浸樹脂：三菱レイヨン株式会社製エポキシ樹脂＃８ＮＢ）を有するものである。
【００２８】
＜樹脂１＞
強化繊維に含浸する樹脂１として三菱レイヨン株式会社製＃７００Ｂを用意した。
【００２９】
＜樹脂２＞
強化繊維に含浸する樹脂１として三菱レイヨン株式会社製＃７１０Ｂを用意した。
【００３０】
＜トウプリプレグ１＞
１本のトウからなるプリプレグとして、Ｎｅｗｐｏｒｔ Ａｄｈｅｓｉｖｅｓａｎｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｉｎｃ．製ＷＤＥ−３Ｄ−１（ＴＲＨ５０ １２Ｌ）を用意した。このトウプリプレグは、三菱レイヨン株式会社製炭素繊維ＴＲＨ５０ １２Ｌに、予めエポキシ樹脂（５０℃で約３０ポイズ）を含浸したもので、幅約３．５ｍｍ、樹脂含有率 約２８質量％の形状を有する。用いられた炭素繊維は、単繊維直径 ７μｍ、フィラメント数１２０００本でストランド強度５０８０ＭＰａ、同弾性率 ２５５ＧＰａ（ＪＩＳ Ｒ ７６０１準拠：含浸樹脂はトウプリプレグに含浸したエポキシ樹脂）を有するものである。
【００３１】
＜トウプリプレグ２＞
Ｎｅｗｐｏｒｔ Ａｄｈｅｓｉｖｅｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｉｎｃ．製ＷＤＥ−３Ｄ−１（ＴＲ５０Ｓ １２Ｌ）を用意した。このトウプリプレグは、三菱レイヨン株式会社製炭素繊維ＴＲ５０Ｓ １２Ｌに、予めエポキシ樹脂（５０℃で約３０ポイズ）を含浸したもので、幅約３．５ｍｍ、樹脂含有率 約２８質量％の形状を有する。用いられた炭素繊維は、単繊維直径７μｍ、フィラメント数１２０００本でストランド強度５０１０ＭＰａ、同弾性率 ２３８ＧＰａ（ＪＩＳ Ｒ ７６０１準拠：含浸樹脂はトウプリプレグに含浸したエポキシ樹脂）を有するものである。
【００３２】
＜ライナー＞
ライナーとして、容器容量９リットルのアルミニウム製ライナー（全長５４０ｍｍ、直胴部長さ４１５ｍｍ、その外径は１６３ｍｍφ、肉厚直胴部中央で３ｍｍを用意した。
【００３３】
＜破壊圧力の測定方法＞
三菱レイヨン社製水圧破壊試験機にＦＲＰ製容器をセットし、昇圧速度１．４ＭＰａ以下で水圧を負荷して破裂したときの破裂圧力を測定した。破壊圧力は容器３個の測定値の平均値で示した。
【００３４】
（実施例１）
Ｅｎｔｅｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｃｈｉｎｅｓ，Ｉｎｃ社製フィラメントワインディング機を用いて、強化繊維１に樹脂１を樹脂含有率が約３０質量％となるよう含浸しながら、強化繊維束１本をライナーの周方向に強化繊維断面積当たりの張力６５Ｎ／ｍｍ２（Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］＝１、Ｖｆ＝６２体積％、ｒ１＝８１．５ｍｍ、ｒｘ＝８３．１ｍｍ、Ｔ１＝７０Ｎ／ｍｍ２）で巻きつけ、約１．６ｍｍ厚の繊維強化樹脂層を形成した。
【００３５】
次にその上から、同様に樹脂を含浸した強化繊維１本をライナーの軸方向に強化繊維断面積当たりの張力３２．５Ｎ／ｍｍ２で巻きつけ（強化繊維の配向角度：約１３度）、約２．０ｍｍ厚の繊維強化樹脂層を形成した。
【００３６】
更にその上から、同様に樹脂を含浸した強化繊維１本をライナーの周方向に強化繊維断面積当たりの張力６５Ｎ／ｍｍ２（Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］＝１．０３３、Ｖｆ＝６２体積％、ｒ１＝８１．５ｍｍ、ｒｘ＝８６．５ｍｍ、Ｔ１＝７０Ｎ／ｍｍ２）で巻きつけ、１．４ｍｍ厚の繊維強化樹脂層を形成し、ライナー上に繊維強化樹脂層を形成した中間体を得た。この中間体の直胴部の中央部で繊維強化樹脂層の厚みを測定したところ、約５．０ｍｍであった。
【００３７】
Ｒ１＝１３ｇ、Ｒ２＝２２７８．５ｇであった。式（２）で計算されるＲ１／Ｒ２は０．００５７であった。
【００３８】
ライナー上に形成した繊維強化樹脂を硬化炉に入れ、炉内の温度を室温から１３５℃まで１℃／分で昇温した。繊維強化樹脂の表面温度が１３５℃に到達したことを確認した後１時間放置した。その後、炉内温度を１℃／分で６０℃まで降温し、繊維強化樹脂成形体を取り出した。更に室温まで自然冷却し、ＦＲＰ製容器を得た。
硬化直後の成形体に含まれる繊維強化樹脂の質量Ｒ３は２２６６．２ｇであった。式（３）で計算される（Ｒ２−Ｒ３）／Ｒ２は０．００５４であった。又、最終的に得られたＦＲＰ製容器の強化繊維の体積含有率で約６２体積％であった。容器の破壊水圧は１１１．３ＭＰａであった。
【００３９】
（比較例１）
強化繊維１に樹脂１を樹脂含有率が約３５質量％となるよう含浸しながら巻きつけ、余分な樹脂量を除去するほかは、実施例１と同様に操作してライナー上に繊維強化樹脂層を形成した中間体を得た。この中間体の直胴部の中央部で繊維強化樹脂層の厚みを測定したところ、約５．０ｍｍであった。
Ｒ１＝１２７ｇ、Ｒ２＝２３３８ｇであった。式（２）で計算されるＲ１／Ｒ２は０．０５４であった。
【００４０】
その後実施例１と同様に加熱成形し、ＦＲＰ製容器を得た。
Ｒ３＝２２９３ｇであった。式（２）で計算される（Ｒ２−Ｒ３）／Ｒ２は０．０１９であった。又、最終的に得られたＦＲＰ製容器の強化繊維の体積含有率で約６１．４体積％であった。容器の破壊水圧は９８．１ＭＰａであった。
【００４１】
（実施例２）
強化繊維１に樹脂２を樹脂含有率が約３３質量％となるよう含浸しながら巻きつけるほかは実施例１と同様に操作してライナー上に繊維強化樹脂層を形成した中間体を得た。この中間体の直胴部の中央部で繊維強化樹脂層の厚みを測定したところ、約５．１ｍｍであった。
Ｒ１＝８ｇ、Ｒ２＝２３８２ｇであった。式（２）で計算されるＲ１／Ｒ２は０．００３であった。
【００４２】
その後、昇温速度を１℃／分から２℃／分に変更したほかは実施例１と同様に加熱成形し、ＦＲＰ製容器を得た。
Ｒ３は２２６０ｇであった。式（２）で計算される（Ｒ２−Ｒ３）／Ｒ２は０．０５１であった。又、最終的に得られたＦＲＰ製容器の強化繊維の体積含有率で約６２．６体積％であった。容器の破壊水圧は１０１．２ＭＰａであった。
【００４３】
（実施例３）
ライナーの周方向に強化繊維を巻きつける層のうち外層側の強化繊維束の巻きつけ張力を強化繊維断面積当たり１７．５Ｎ／ｍｍ２（Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］＝１、Ｖｆ＝０．６２、ｒ１＝８１．３ｍｍ、ｒｘ＝８６．５ｍｍ、Ｔ１＝１９．５Ｎ／ｍｍ２）とするほかは実施例１と同様に操作してライナー上に繊維強化樹脂層を形成した中間体を得た。この中間体の直胴部の中央部で繊維強化樹脂層の厚みを測定したところ、約５．０ｍｍであった。
Ｒ１＝約３ｇ、Ｒ２＝２２８６ｇであった。式（２）で計算されるＲ１／Ｒ２は０．００１であった。
【００４４】
その後は、実施例１と同様に加熱成形し、ＦＲＰ製容器を得た。
Ｒ３は２２６０ｇであった。式（２）で計算される（Ｒ２−Ｒ３）／Ｒ２は０．０１１であった。又、最終的に得られたＦＲＰ製容器の強化繊維の体積含有率で約６２．６体積％であった。容器の破壊水圧は１０４．５ＭＰａであった。
【００４５】
（実施例４）
Ｅｎｔｅｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｃｈｉｎｅｓ，Ｉｎｃ社製フィラメントワインディング機を用いて、樹脂を含浸した強化繊維束として上記トウプリプレグ１本をライナーの周方向に強化繊維断面積当たりの張力８８．１Ｎ／ｍｍ２（Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］＝１、Ｖｆ＝０．６３、ｒ１＝８１．５ｍｍ、ｒｘ＝８３．１ｍｍ、Ｔ１＝９２．７Ｎ／ｍｍ２）で巻きつけ、１．６ｍｍ厚の繊維強化樹脂層を形成した。
次にその上から、同様に樹脂を含浸した強化繊維１本をライナーの軸方向に強化繊維断面積当たりの張力８８．１Ｎ／ｍｍ２で巻きつけ（強化繊維の配向角度：約１３度）、２．０ｍｍ厚の繊維強化樹脂層を形成した。
更にその上から、同様に樹脂を含浸した強化繊維１本をライナーの周方向に強化繊維断面積当たりの張力８８．１Ｎ／ｍｍ２（Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］＝１．０４１、Ｖｆ＝６３体積％、ｒ１＝８１．５ｍｍ、ｒｘ＝８６．５ｍｍ、Ｔ１＝９２．７Ｎ／ｍｍ２）で巻きつけ、１．４ｍｍ厚の繊維強化樹脂層を形成し、ライナー上に繊維強化樹脂層を形成した中間体を得た。この中間体の直胴部の中央部で繊維強化樹脂層の厚みを測定したところ、約５ｍｍであった。
【００４６】
Ｒ１＝約０ｇ、Ｒ２＝２２７８ｇであった。式（２）で計算されるＲ１／Ｒ２は０であった。
【００４７】
ライナー上に形成した繊維強化樹脂を硬化炉に入れ、炉内の温度を室温から１３５℃まで１℃／分で昇温した。繊維強化樹脂の表面温度が１３５℃に到達したことを確認した後１．５時間放置した。その後、炉内温度を１℃／分で６０℃まで降温し、繊維強化樹脂成形体を取り出した。更に室温まで自然冷却し、ＦＲＰ製容器を得た。
Ｒ３は２２６５ｇであった。式（３）で計算される（Ｒ２−Ｒ３）／Ｒ２は０．００６であった。又、最終的に得られたＦＲＰ製容器の強化繊維の体積含有率で約６２．４体積％であった。容器の破壊水圧は１１８．３ＭＰａであった。
【００４８】
（実施例５）
ライナーの周方向にトウプリプレグを巻きつける層のうち内層側のトウプリプレグの巻きつけ張力を強化繊維断面積当たり６１．７Ｎ／ｍｍ２（Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］＝０．７、Ｖｆ＝６３体積％、ｒ１＝８１．５ｍｍ、ｒｘ＝８３．１ｍｍ、Ｔ１＝９２．７Ｎ／ｍｍ２）とするほかは、実施例２と同様に操作してライナー上に繊維強化樹脂層を形成した中間体を得た。この中間体の直胴部の中央部で繊維強化樹脂層の厚みを測定したところ、約５ｍｍであった。
Ｒ１＝約０ｇ、Ｒ２＝２２７２ｇであった。式（２）で計算されるＲ１／Ｒ２は０であった。
その後は、実施例２と同様に加熱成形し、ＦＲＰ製容器を得た。
Ｒ３は２２５９ｇであった。式（３）で計算される（Ｒ２−Ｒ３）／Ｒ２は約０．６％であった。又、最終的に得られたＦＲＰ製容器の強化繊維の体積含有率で約６２．４体積％であった。容器の破壊水圧は１１８．６ＭＰａであった。
【００４９】
（実施例６）
ライナーの周方向にトウプリプレグを巻きつける層のうち外層側のトウプリプレグの巻きつけ張力を強化繊維断面積当たり１１０Ｎ／ｍｍ２（Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］＝１．３、Ｖｆ＝６３体積％、ｒ１＝８１．５ｍｍ、ｒｘ＝８６．５ｍｍ、Ｔ１＝９２．７Ｎ／ｍｍ２）とするほかは、実施例２と同様に操作してライナー上に繊維強化樹脂層を形成した中間体を得た。この中間体の直胴部の中央部で繊維強化樹脂層の厚みを測定したところ、約５ｍｍであった。
Ｒ１＝約０ｇ、Ｒ２＝２２６９ｇであった。式（２）で計算されるＲ１／Ｒ２は０であった。その後は、実施例２と同様に加熱成形し、ＦＲＰ製容器を得た。
Ｒ３は２２６１ｇであった。式（３）で計算される（Ｒ２−Ｒ３）／Ｒ２は約０．００４％であった。又、最終的に得られたＦＲＰ製容器の強化繊維の体積含有率で約６２．４体積％であった。容器の破壊水圧は１１６．１ＭＰａであった。
【００５０】
（実施例７）
トウプリプレグの巻きつけ張力を
内側周方向巻き付け層 ２１．０Ｎ／ｍｍ２（Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］＝１、Ｖｆ＝６３体積％、ｒ１＝８１．５ｍｍ、ｒｘ＝８３．１ｍｍ、Ｔ１＝２２．１Ｎ／ｍｍ２）
周方向巻き付け層 ２１．０Ｎ／ｍｍ２
外側の周方向巻き付け層 １４．１Ｎ／ｍｍ２（Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］＝０．７、Ｖｆ＝６３体積％，ｒ１＝８１．５ｍｍ、ｒｘ＝８６．５ｍｍ、Ｔ１＝２２．１Ｎ／ｍｍ２）としたほかは、実施例２と同様に操作してライナー上に繊維強化樹脂層を形成した中間体を得た。この中間体の直胴部の中央部で繊維強化樹脂層の厚みを測定したところ、約５ｍｍであった。
【００５１】
Ｒ１＝約０ｇ、Ｒ２＝２２７１ｇであった。式（２）で計算されるＲ１／Ｒ２は０であった。
【００５２】
その後は、実施例２と同様に加熱成形し、ＦＲＰ製容器を得た。
Ｒ３は２２６０ｇであった。式（３）で計算される（Ｒ２−Ｒ３）／Ｒ２は約０．００５であった。又、最終的に得られたＦＲＰ製容器の強化繊維の体積含有率で約６２．６体積％であった。容器の破壊水圧は１０８．９ＭＰａであった。
【００５３】
（実施例８）
トウプリプレグの巻きつけ張力を
内側周方向巻き付け層 １８．１Ｎ／ｍｍ２（Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］＝１、Ｖｆ＝６３体積％、ｒ１＝８１．５ｍｍ、ｒｘ＝８３．１ｍｍ、Ｔ１＝１９．０Ｎ／ｍｍ２）
周方向巻き付け層 １８．１Ｎ／ｍｍ２
外側の周方向巻き付け層 １７．４Ｎ／ｍｍ２（Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］＝１，Ｖｆ＝６３体積％，ｒ１＝８１．５ｍｍ、ｒｘ＝８６．５ｍｍ、Ｔ１＝１９．０Ｎ／ｍｍ２）
としたほかは、実施例２と同様に操作してライナー上に繊維強化樹脂層を形成した中間体を得た。この中間体の直胴部の中央部で繊維強化樹脂層の厚みを測定したところ、約５ｍｍであった。
【００５４】
Ｒ１＝約０ｇ、Ｒ２＝２２７５ｇであった。式（２）で計算されるＲ１／Ｒ２は０であった。その後は、実施例２と同様に加熱成形し、ＦＲＰ製容器を得た。
Ｒ３＝２２５６ｇであった。式（３）で計算される（Ｒ２−Ｒ３）／Ｒ２は約０．００８であった。又、最終的に得られたＦＲＰ製容器の強化繊維の体積含有率で約６２．７体積％であった。容器の破壊水圧は１０５．２ＭＰａであった
【００５５】
【表１】
【発明の効果】
従来の方法でしばしば発生した、外層側の巻き付け時の強化繊維の張力を下げすぎることで外層の強化繊維が内層から絞り出された樹脂により横方向に蛇行し、実際には強度利用率を下げることなく、高性能なＦＲＰ製容器を得るために好適なＦＲＰ製容器の製造方法を提供するものである。
Claims (5)
- 樹脂を含浸した強化繊維束をライナー上に巻き付けて、ライナー上にＦＲＰ中間体層を形成し、そのＦＲＰ中間体を硬化するＦＲＰ製容器の製造方法において、ＦＲＰ中間体の質量Ｒ２（ｋｇ）と巻き付け中にＦＲＰ中間体から除去された樹脂の質量Ｒ１（ｋｇ）が式（１）を満足するＦＲＰ製容器の製造方法。
Ｒ１／Ｒ２≦０．０５・・・（１） - ＦＲＰ中間体の質量Ｒ２（ｋｇ）と、そのＦＲＰ中間体を硬化して得られるＦＲＰの質量Ｒ３（ｋｇ）とが式（２）を満足する請求項１記載のＦＲＰ製容器の製造方法。
０．００１≦（Ｒ２−Ｒ３）／Ｒ２≦０．０５・・・（２） - 請求項１又は２項記載のＦＲＰ製容器の製造方法において、含浸した強化繊維束を容器の円周方向に巻く際の張力Ｔｘ（Ｎ／ｍｍ２）が式（３）を満足するＦＲＰ製容器の製造方法。
０．７≦Ｔｘ／［（Ｖｆ／６５）×（ｒ１／ｒｘ）×Ｔ１］≦１．３
Ｔ１≧ ２０
Ｔｘ≧２０・・・（３）
Ｔｘ（Ｎ／ｍｍ２）及びＴ１（Ｎ／ｍｍ２）は、それぞれ、半径ｒｘ（ｍｍ）の位置での強化繊維束にかける張力、及び、円周巻き層の巻き始め位置（半径ｒ１（ｍｍ））での強化繊維束にかける張力である。又、Ｖｆ（体積％）は、半径ｒ１〜ｒｘまでにある繊維強化樹脂の繊維含有率である。ただし、円周巻き層の巻き始め位置（半径ｒ１（ｍｍ））ではＶｆ＝９０〜５０体積％間の任意の値を選択する。 - ＪＩＳ Ｒ ７６０１に準拠したストランド強度が４０００ＭＰａ以上の強化繊維を強化繊維として用いる請求項１〜３のいずれか１項記載のＦＲＰ製容器の製造方法。
- 強化繊維に含浸する樹脂として、５０℃での粘度が１０ポイズ以上の樹脂を用いる請求項１〜４のいずれか１項記載のＦＲＰ製容器の製造方法。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7566376B2 (en) * | 2003-10-01 | 2009-07-28 | Fuji Jukogyo Kabushiki Kaisha | Pressure container manufacturing method |
| WO2017110919A1 (ja) * | 2015-12-25 | 2017-06-29 | 東レ株式会社 | エポキシ樹脂組成物、繊維強化複合材料、成形品および圧力容器 |
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-
2002
- 2002-08-06 JP JP2002229172A patent/JP2004066637A/ja active Pending
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