JP2005271279A

JP2005271279A - テーパー付中空管の製造方法

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Publication number: JP2005271279A
Application number: JP2004084866A
Authority: JP
Inventors: Shusuke Sanai; 秀輔佐内; Hiroyuki Tatsuta; 浩之龍田; Atsushi Kawakami; 敦河上
Original assignee: Toho Tenax Co Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】テーパー形状に起因して生じるプリプレグの繊維配向角度のずれによって引き起こされる反りを軽減するテーパー付中空管の製造方法を提供する。
【解決手段】上底１２及び下底１４に対して垂直な側辺１０を有する台形であって、強化繊維の繊維軸方向が、（Ａ）側辺と平行、（Ｂ）側辺の対辺１６に平行、（Ｃ）側辺に対して＋４５°、及び（Ｄ）側辺に対して−４５°である４枚の略同一形状のプリプレグを、テーパー形状のマンドレルの側面上に、上底１２側をマンドレルの小径側に向けると共に側辺１０がマンドレルの側面をなす母線と平行になるように巻き付けてテーパー付筒状未硬化プリプレグ成形体を形成した後、加熱により前記成形体を硬化させるテーパー付中空管の製造方法。プリプレグ（Ａ）と（Ｂ）との間、プリプレグ（Ｃ）と（Ｄ）との間で巻き始め位置をそれぞれ半周違えることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化樹脂複合材料からなるテーパー付中空管の製造方法に関する。詳細には、ストレート層に、強化繊維の繊維軸方向がマンドレルの芯軸に対して巻き始めが０°の一方向プリプレグと巻き終わりが０°の一方向プリプレグとを組み合わせて使用することにより中空管の反りを軽減するテーパー付中空管の製造方法に関する。

熱硬化性樹脂を用いた繊維強化樹脂複合材料は、軽量で高い剛性を有しており、ゴルフシャフト、釣り竿、テニスラケット等のスポーツ用品、自動車、航空機等の材料に用いられている。

繊維強化樹脂複合材料からなる中空管を製造する方法としては、一般にフィラメントワインディング法やプリプレグを使用する成形法が用いられている。

フィラメントワインディング法は、熱硬化性樹脂を含浸させた強化繊維束をマンドレルに巻き付け、加熱により樹脂を硬化させた後マンドレルを引き抜くことにより中空管を製造する方法である。一方、プリプレグを使用する方法は、一方向に引き揃えた強化繊維シートに熱硬化性樹脂を含浸させて半硬化したプリプレグを、マンドレルに巻き付けて管状に形成した後加熱して樹脂を硬化させる方法である。プリプレグを使用して中空管を製造する方法は、フィラメントワインディング法に比較して、ねじれ剛性や曲げ剛性が比較的に自由に設計できるため、ゴルフシャフト等のスポーツ用品の製造に広く用いられている。

一般に、一方向プリプレグから得た繊維強化樹脂複合材料は、強化繊維の繊維軸方向と繊維軸に垂直方向の２方向間で、熱収縮率や、引張強度、弾性率等の力学的性質が異なる異方性を有していることが知られている。

一方向プリプレグを使用して製造した中空管においては、その芯軸に対して強化繊維の繊維軸方向が対称でない場合には、プリプレグの異方性に起因する応力が打ち消されず、加熱硬化後に反りが生じることとなる。

形状が大径から漸次小径に変化するテーパー形状の中空管を製造する場合には、一方向プリプレグを一端側からマンドレルに巻き付けていくと、徐々にマンドレルの芯軸に対する強化繊維の角度が変化していき、巻きはじめの部分と巻き終わりの部分では、強化繊維の繊維軸方向が異なることとなる。この強化繊維の繊維軸方向のずれは、結果として中空管の反りの原因となっている。

テーパー形状の中空管の反りを低減する方法として、例えば、一方向プリプレグの強化繊維の繊維軸方向とマンドレルの芯軸とのなす角度をαとした場合に、＋α／−α／−α／＋α、又は−α／＋α／＋α／−αとなるように一方向プリプレグを積層することにより中空管の反りを抑制する方法がある（特許文献１）。
特開平１１−３４７１６４号公報（特許請求の範囲）

プリプレグを用いて製造する中空管は、通常、中空管のねじり剛性、ねじり角度を高めるため、中空管の芯軸に対しておよそ±４５°方向を強化するアングル層と、曲げ強度を高めるため芯軸方向（０°方向）を強化するストレート層の２層が形成される。上記文献記載の方法は、アングル層については強化繊維の配向が考慮されているものの、ストレート層については巻き始めの配向が０°方向のプリプレグを使用しているのみである。しかしながら、ストレート層を形成するプリプレグにおいても、場合によっては巻きはじめと巻き終わりの強化繊維の配向角度のずれは無視できないものとなり、中空管に反りが生じることとなる。従って、本発明の目的は、テーパー形状に起因して生じるプリプレグの繊維配向角度のずれによって引き起こされる中空管の反りを軽減するテーパー付中空管の製造方法を提供することにある。

本発明者は鋭意研究の結果、ストレート層に使用するプリプレグとして、従来使用している巻きはじめが０°のプリプレグに加えて、巻き終わりが０°になるプリプレグを組み合わせて使用することにより、中空管の反りが軽減できることを見出し本発明を完成するに到った。

上記課題を解決する本発明は、以下に記載するものである。

〔１〕上底及び下底に対して垂直な側辺を有する台形であって、強化繊維の繊維軸方向が、（Ａ）側辺と平行、及び（Ｂ）側辺の対辺に平行である２枚の略同一形状のプリプレグを、テーパー形状のマンドレルの側面上に、上底側をマンドレルの小径側に向けると共に側辺がマンドレルの側面をなす母線と平行になるように巻き付けてテーパー付筒状未硬化プリプレグ成形体を形成した後、加熱により前記成形体を硬化させることを特徴とするテーパー付中空管の製造方法。

〔２〕テーパー付筒状未硬化プリプレグ成形体において、プリプレグの対辺がマンドレルの母線と平行に形成されたものである〔１〕に記載のテーパー付中空管の製造方法。

〔３〕プリプレグ（Ａ）と（Ｂ）との間でそれぞれ巻き始めの位置を半周違えてマンドレルに巻き付けることによりテーパー付筒状未硬化プリプレグ成形体を形成する〔１〕に記載のテーパー付中空管の製造方法。

〔４〕上底及び下底に対して垂直な側辺を有する台形であって、強化繊維の繊維軸方向が、（Ａ）側辺と平行、（Ｂ）側辺の対辺に平行、（Ｃ）側辺に対して＋４５°、及び（Ｄ）側辺に対して−４５°である４枚の略同一形状のプリプレグを、テーパー形状のマンドレルの側面上に、上底側をマンドレルの小径側に向けると共に側辺がマンドレルの側面をなす母線と平行になるように巻き付けてテーパー付筒状未硬化プリプレグ成形体を形成した後、加熱により前記成形体を硬化させることを特徴とするテーパー付中空管の製造方法。

〔５〕テーパー付筒状未硬化プリプレグ成形体において、プリプレグの対辺がマンドレルの母線と平行に形成されたものである〔４〕に記載のテーパー付中空管の製造方法。

〔６〕プリプレグ（Ａ）と（Ｂ）との間、プリプレグ（Ｃ）と（Ｄ）との間でそれぞれ巻き始めの位置を半周違えてマンドレルに巻き付けることによりテーパー付筒状未硬化プリプレグ成形体を形成する〔４〕に記載のテーパー付中空管の製造方法。

〔７〕プリプレグ（Ｃ）と（Ｄ）とを半周違えて同時にマンドレルに巻き付けてマンドレルの側面上に交互に積層した後、プリプレグ（Ａ）と（Ｂ）とを巻き始めの位置を互いに半周違えてプリプレグ（Ｃ）及び（Ｄ）上に巻き付けることによりテーパー付筒状未硬化プリプレグ成形体を形成する〔４〕に記載のテーパー付中空管の製造方法。

本発明によれば、中空管のストレート層に、テーパー形状に起因する繊維配向角度のずれによって生じる中空管を変形させる応力を打ち消し合う２枚のプリプレグを組み合わせて使用することにより、反りを抑えたテーパー付中空管が製造できる。

以下、本発明のテーパー付中空管の製造方法について図面を参照して説明する。

まず、テーパー付マンドレルに巻き付ける４枚の未硬化プリプレグを準備する。本発明で使用するプリプレグの一例を図１（i）〜（iv）に示す。プリプレグ１〜４はいずれも同じ形状の一方向プリプレグである。プリプレグ１〜４は、１の辺（側辺）１０が２つの底１２、１４に対する垂線をなす台形である。本発明においては、台形の２つの底のうち、短い方を上底、長い方を下底と定義する。側辺１０と対をなす辺（対辺）１６と下底１４のなす内角θは、プリプレグをマンドレルの側面に沿って巻き付けたときに巻き終わりの対辺１６が、マンドレルの芯軸と同一平面上になる角度である。

プリプレグ１、２の強化繊維の繊維軸方向は、側辺１０に対してそれぞれ＋４５°、−４５°である。一方、プリプレグ３の強化繊維の繊維軸方向は、側辺１０に対して０°、即ち平行である。プリプレグ４については、強化繊維の繊維軸方向が対辺１６に平行となっている。

プリプレグ１〜４としては、一方向に引き揃えた炭素繊維シートにエポキシ樹脂を含浸させたものが例示できる。

次いで、大径から漸次小径に変化するテーパー形状のマンドレルの側面上に上記４枚の未硬化プリプレグ１〜４を巻き付けることにより積層し、テーパー付筒状未硬化プリプレグ成形体を形成する。テーパー付筒状未硬化プリプレグ成形体の概略断面図を図２に示す。

テーパー付筒状未硬化プリプレグ成形体２０の積層構成としては、成形体の内周から外周へ向かって、プリプレグ１及び２が交互に３層ずつ積層したアングル層２４、プリプレグ３が３層積層したストレート層２６、プリプレグ４が３層積層したストレート層２８となっている。プリプレグ１〜４は、図２に示す断面図において、マンドレル２２の芯軸Ｏを中心にして、それぞれ０°、１８０°、９０°、−９０°方向に相当する１ｘ、２ｘ、３ｘ、４ｘから左回りに巻き付けられている。また、プリプレグ１〜４の巻き終わりの位置１ｙ、２ｙ、３ｙ、４ｙは、それぞれ巻き始めの位置１ｘ、２ｘ、３ｘ、４ｘと略同じ方向となっている。

プリプレグ１及び２をマンドレル２２に巻き付けた状態を示す側面図を図３に示す。

アングル層２４は、プリプレグ１及び２をマンドレル２２の側面上に半周違えて同時に巻き付け交互に積層することにより形成する。

プリプレグ１は、側辺１０側から巻きはじめ、対辺１６側が巻き終わりとなっている。プリプレグ１の巻きはじめにおいては、上底１２側をマンドレル２２の小径側先端３０に向けて、プリプレグ１の側辺１０をマンドレルの側面を形成する母線３２に一致させ位置決めを行う。プリプレグ１は、巻き終わりの対辺１６についても母線３２上になるように形成されている。プリプレグ２については、マンドレルの芯軸を中心に母線３２を１８０°回転した位置（図２における１８０°の位置）からプリプレグ１と同様にしてマンドレルに巻き付ける。

アングル層２４を積層後、ストレート層２６の積層を行う。ストレート層２６については、プリプレグ３をアングル層２４上に、図２に示す９０°の位置に存在する母線上に側辺をプリプレグ１及び２と同様にして位置決めし、アングル層２４上に巻き付け形成する。更に、プリプレグ３が形成するストレート層２６上に、プリプレグ４を同様にして図２に示す−９０°の位置から巻き付けることにより、テーパー付筒状未硬化プリプレグ成形体２０を形成する。

その後、テーパー付筒状未硬化プリプレグ成形体２０をマンドレル２２と共に加熱し、硬化させる。加熱温度は８０〜２００℃程度とすることが好ましい。テーパー付筒状未硬化プリプレグ成形体２０が硬化した後、内部のマンドレル２２を引き抜き、必要により積層が完全でない両端部を切断し、テーパー形状の中空管を得る。

なお、上記説明においては、マンドレル２２の側面上に、プリプレグ１〜４を３層ずつ積層してある。プリプレグの積層数は、アングル層を形成するプリプレグ１と２同士が同じ積層数であって、ストレート層を形成するプリプレグ３と４の積層数の差が２層以内、好ましくは１層以内であれば所望の積層数とすることが可能である。また、巻き始めの位置１ｘ〜４ｘ、巻き終わりの位置１ｙ〜４ｙについても、それぞれプリプレグ１と２、３と４同士がマンドレル２２の芯軸Ｏを中心にして１８０°異なっていればいずれの位置としてもよい。

プリプレグ１〜４の形状は、上記の側辺と対辺の関係を有する、即ち所定の角度をなす２つの辺を有する形状であれば台形に限定することなく任意の形状とすることができる。かかる形状としては、扇形を挙げることができる。また、アングル層を形成するプリプレグ１と２、ストレート層を形成するプリプレグ３と４とが略同一形状であれば、プリプレグ１〜４の全てが同一の形状でなくてもよい。

中空管の用途によって高いねじり剛性が要求されない場合には、プリプレグ３と４のみを使用してストレート層のみからなる中空管としてもよい。更に、本発明の効果を妨げない範囲内で、上記４枚のプリプレグ以外のプリプレグを使用してもよい。

プリプレグに用いる強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、金属繊維等の通常のプリプレグに用いる強化繊維が使用できるが、軽量であることから炭素繊維を用いることが好ましい。炭素繊維としては、ピッチ系、液晶系、レーヨン系、アクリロニトリル系等の何れの炭素繊維も使用できるが、アクリロニトリル系炭素繊維が生産性やコストや性能の点で好ましい。炭素繊維の繊度、強度等の特性も特に制限が無く、従来のものが何れも使用できる。

プリプレグに用いる熱硬化性樹脂としては、通常のプレプリグ製造に用いる熱硬化性樹脂が使用できる。具体的には、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコン樹脂、マレイミド樹脂、シアン酸エステル樹脂、マレイミド樹脂とシアン酸エステル樹脂を予備重合した樹脂等を挙げることができる。本発明においては、中でも耐熱性、弾性率に優れたエポキシ樹脂を用いることが好ましい。

実施例１及び比較例１
一方向プリプレグ（東邦テナックス社製、Ｑ−Ｕ１１Ｈ１２８０）を切断し、表１に示す長さの底及び辺を有し、強化繊維が表２に示すように配向した台形形状の一方向プリプレグａ〜ｄを用意した。テーパー付マンドレル（テーパー比７．７／１０００）の側面上に、最初にプリプレグａ及びｂを、上底側をマンドレルの小径側に向け、側辺をマンドレルの母線に一致させて位置決めし、側辺側から同一方向に３層ずつ巻き付けた。その後プリプレグｃ、ｄの順に同様にして３層ずつ巻き付け積層した。なお、プリプレグａ及びｂ、ｃ及びｄは、互いに巻き始めの位置が半周異なるように積層した。

プリプレグをマンドレルに巻き付けた状態で、１３０℃中２時間加熱して硬化させ、マンドレルを引き抜いてテーパー付中空管を得た。得られた中空管の形状は、小径側の外径０．７５ｃｍ、大径側の外径１．６０ｃｍ、長さ１１８ｃｍであった。中空管の最大変位（反り）の値を強化繊維の配向と併せて表２に示す。

（ｉ）〜（iv）は、それぞれ本発明に使用するプリプレグの一例を示す平面図である。テーパー付筒状未硬化プリプレグ成形体の一例を示す概略断面図である。マンドレルに２枚のプリプレグを巻き付けた状態を示す側面図である。

符号の説明

１、２、３、４一方向プリプレグ
１ｘ、２ｘ、３ｘ、４ｘ巻き始め位置
１ｙ、２ｙ、３ｙ、４ｙ巻き終わり位置
１０側辺
１２上底
１４下底
１６対辺
２０テーパー付筒状未硬化プリプレグ成形体
２２マンドレル
２４アングル層
２６、２８ストレート層
３０マンドレル先端
３２母線
Ｏ芯軸

Claims

上底及び下底に対して垂直な側辺を有する台形であって、強化繊維の繊維軸方向が、（Ａ）側辺と平行、及び（Ｂ）側辺の対辺に平行である２枚の略同一形状のプリプレグを、テーパー形状のマンドレルの側面上に、上底側をマンドレルの小径側に向けると共に側辺がマンドレルの側面をなす母線と平行になるように巻き付けてテーパー付筒状未硬化プリプレグ成形体を形成した後、加熱により前記成形体を硬化させることを特徴とするテーパー付中空管の製造方法。
テーパー付筒状未硬化プリプレグ成形体において、プリプレグの対辺がマンドレルの母線と平行に形成されたものである請求項１に記載のテーパー付中空管の製造方法。
プリプレグ（Ａ）と（Ｂ）との間でそれぞれ巻き始めの位置を半周違えてマンドレルに巻き付けることによりテーパー付筒状未硬化プリプレグ成形体を形成する請求項１に記載のテーパー付中空管の製造方法。
上底及び下底に対して垂直な側辺を有する台形であって、強化繊維の繊維軸方向が、（Ａ）側辺と平行、（Ｂ）側辺の対辺に平行、（Ｃ）側辺に対して＋４５°、及び（Ｄ）側辺に対して−４５°である４枚の略同一形状のプリプレグを、テーパー形状のマンドレルの側面上に、上底側をマンドレルの小径側に向けると共に側辺がマンドレルの側面をなす母線と平行になるように巻き付けてテーパー付筒状未硬化プリプレグ成形体を形成した後、加熱により前記成形体を硬化させることを特徴とするテーパー付中空管の製造方法。
テーパー付筒状未硬化プリプレグ成形体において、プリプレグの対辺がマンドレルの母線と平行に形成されたものである請求項４に記載のテーパー付中空管の製造方法。
プリプレグ（Ａ）と（Ｂ）との間、プリプレグ（Ｃ）と（Ｄ）との間でそれぞれ巻き始めの位置を半周違えてマンドレルに巻き付けることによりテーパー付筒状未硬化プリプレグ成形体を形成する請求項４に記載のテーパー付中空管の製造方法。
プリプレグ（Ｃ）と（Ｄ）とを半周違えて同時にマンドレルに巻き付けてマンドレルの側面上に交互に積層した後、プリプレグ（Ａ）と（Ｂ）とを巻き始めの位置を互いに半周違えてプリプレグ（Ｃ）及び（Ｄ）上に巻き付けることによりテーパー付筒状未硬化プリプレグ成形体を形成する請求項４に記載のテーパー付中空管の製造方法。