JP2006150851A

JP2006150851A - 繊維強化積層体

Info

Publication number: JP2006150851A
Application number: JP2004347446A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Suzuki; 浩之鈴木
Original assignee: Daiwa Seiko Co Ltd
Current assignee: Globeride Inc
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2006-06-15

Abstract

【課題】強度のバラツキの小さい、安定した品質の繊維強化積層体を提供すること。
【解決手段】強化繊維に合成樹脂を含浸した複数の繊維強化プリプレグを巻回して形成した繊維強化積層体であって、前記複数の繊維強化プリプレグの少なくとも１つに含まれる合成樹脂に、０．１μｍ以下の直径を有する球殻構造物質を混入したことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化積層体に係り、特に、強度のバラツキの小さい、安定した品質の繊維強化積層体に関する。

従来、ゴルフクラブ用シャフト等の管状体に適用される繊維強化積層体は、ガラス繊維や炭素繊維等の強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸して形成したプリプレグをマンドレルに巻回し、加熱硬化することにより形成される。

このような繊維強化積層体は、補強繊維がシャフトの長手方向に対して３５〜５５°となるように傾斜させて貼り合せたプリプレグを積層してなるアングル層と、補強繊維がシャフトの長手方向に対して±２０°以下に配向したプリプレグを積層してなるストレート層とからなる二層構造が基本構造となっている（例えば、特許文献１参照）。

プリプレグの繊維角度は、シャフトの軸線と平行に近づくほど、シャフトの曲げ剛性が大きくなり、シャフト軸線との傾斜角度が大きくなるほどシャフトの捩れ剛性が大きくなり、シャフト軸線との傾斜角度が±４５°近辺でシャフトの捩れ剛性が最大となる。即ち、アングル層のプリプレグは、主として捩れ剛性に寄与し、ストレート層のプリプレグは、主として曲げ剛性に寄与する。

また、シャフトを形成する際には、各層を構成するプリプレグの繊維の弾性率、合成樹脂の含浸量、及び強化繊維の目付等を調整することにより、所望の特性を得ている。

しかし、層間における強化繊維の配向方向、太さ、及び硬度の相違による界面の状態や合成樹脂の含浸状態によって、強度にバラツキが生じてしまう。強度のバラツキが大きくなると、ねらった特性が設定しにくく、安定した品質を得ることが出来ないという問題がある。
特開２０００−２６３６５３号公報

本発明は、このような事情の下になされ、強度のバラツキの小さい、安定した品質の繊維強化積層体を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、強化繊維に合成樹脂を含浸した複数の繊維強化プリプレグを巻回して形成した繊維強化積層体であって、前記複数の繊維強化プリプレグの少なくとも１つに含まれる合成樹脂に、０．１μｍ以下の直径を有する球殻構造物質を混入したことを特徴とする繊維強化積層体を提供する。

以上のように構成される繊維強化積層体は、複数の繊維強化プリプレグの少なくとも１つに含まれる合成樹脂に、０．１μｍ以下の直径を有する球殻構造物質を混入しているので、強度のバラツキが少なく、安定した品質を有する。

０．１μｍを越える直径を有する球殻構造物質を混入したのでは、上記効果を得ることが困難となる。

０．１μｍ以下の直径を有する球殻構造物質としては、フラーレン類を挙げることが出来る。このような材料を用いることにより、上述と同様に、強度の安定化を図ることが可能であるとともに、極めて軽量で、かつ高い比強度を有する繊維強化積層体を得ることが出来る。

球殻構造物質が混入された合成樹脂を含む繊維強化プリプレグの合成樹脂の含浸量は、他の繊維強化プリプレグの合成樹脂の含浸量よりも少ないことが好ましい。そうすることにより、混入プリプレグ層内で球殻構造物質が均一になり易く、強度が向上するという効果が得られる。また、逆に他の繊維強化プリプレグの合成樹脂の含浸量よりも多いと、層間へ物質が分散し易く、層間の強度を向上させることができる。

また、球殻構造物質が混入された合成樹脂を含む繊維強化プリプレグは、他の繊維強化プリプレグよりも低い弾性を有するものとすることが好ましい。そうすることにより、剛性差を大きくすることがなく、バラツキを少なくするという効果が得られる。この場合、球殻構造物質が混入された合成樹脂を含む繊維強化プリプレグをガラス繊維強化プリプレグとし、他の繊維強化プリプレグをカーボン繊維強化プリプレグとすることが出来る。

本発明によると、複数の繊維強化プリプレグの少なくとも１つに含まれる合成樹脂に、０．１μｍ以下の直径を有する球殻構造物質を混入しているので、強度のバラツキが少なく、所望の安定した特性・品質を有する繊維強化積層体を得ることが出来る。

特に、強度を変化させることなく強度のバラツキを抑制することが出来るので、設計自由度が高く、重量あるいは剛性調整を容易に行うことが可能である。

このような繊維強化積層体は、釣竿、ゴルフクラブ、その他のスポーツ用品に好適に応用することが可能である。

以下、発明を実施するための最良の形態を示し、本発明についてより詳細に説明する。本発明の一実施形態に係る繊維強化積層体は、複数の繊維強化プリプレグの少なくとも１つに含まれる合成樹脂に、０．１μｍ以下の直径を有する球殻構造物質を混入したことを特徴とする。

繊維強化プリプレグに含まれる合成樹脂に混入される球殻構造物質は、０．１μｍ以下の直径を有するものである。球殻構造物質の直径が０．１μｍを超える場合には、自在に屈曲することが困難となり、従って、強化繊維を折り曲げたり傷つけたりすることがあり、本発明の目的を達成することが困難となる。

０．１μｍ以下の直径を有する球殻構造物質として、フラーレン類を好適に用いることができる。フラーレン類とは、多数の炭素原子のみからなる球状の分子の総称であるが、一般には、２０個以上の炭素原子を有し、その炭素原子が、これに隣接する３つの炭素原子と結合した中空球殻構造を有する分子を言う。その直径は、例えば０．７ｎｍ程度である。フラーレン類のうちのフラーレン６０は、６０個の炭素原子が結合した５角形と６角形からなる多面体構造を有する。

フラーレン６０のほかに、炭素原子数が７０、７６、７８、８２、８４、９０、９６の多面体構造を有するフラーレンが見出されている。炭素原子数が１００を越えるフラーレンは、ジャイアントフラーレンと呼ばれている。また、その形状を生かして、分子構造内の空洞に窒素原始、希ガス、金属原始等を収容するナノカプセルとして用いることも出来る。

本発明の一実施形態では、繊維強化プリプレグの合成樹脂に、粒径０．１μｍ以下のナノ粒子のみが分散されているのが好ましいが、粒径が０．１μｍを越えるマクロ粒子を含んでいてもよい。

繊維強化プリプレグの合成樹脂への０．１μｍ以下の直径を有する球殻構造物質の混入量は、１〜３．０重量％であるのが好ましい。混入量が１重量％未満では、球殻構造物質の合成樹脂に対する占有率が低すぎるために効果が小さく、多すぎると分散不均一となり、強度のバラツキの原因となる。

直径の異なる複数種類の球殻構造物質を用いることも可能である。即ち、同一位置に複数種類の球殻構造物質を混入してもよく、或いは、異なる直径ごとに混入位置を変えてもよい。

本発明に使用される強化繊維としては、カーボン繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、金属繊維、合成樹脂繊維等を用いることが出来る。また、強化繊維は、直径の１０倍以上の長さを有する長繊維であることが望ましく、ＵＤ、織布、不織布のいずれを用いることも出来る。或いは、マット状のものを用いることも可能である。或る程度、サイズを大きくして使用する方が、効率よく強化作用を発揮することが出来るとともに、強化繊維の混合比率を大きくすることが出来る。

本発明に使用される合成樹脂としては、ポリエステル樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることが出来る。

球殻構造物質が混入された合成樹脂を含む繊維強化プリプレグの合成樹脂の含浸量は、他の繊維強化プリプレグの合成樹脂の含浸量よりも少なくすることが出来る。そうすることにより、混入プリプレグ層内で球殻構造物質が均一になり易く、強度が向上するという効果が得られる。また、逆に他の繊維強化プリプレグの合成樹脂の含浸量よりも多いと、層間へ物質が分散し易く、層間の強度を向上させることができる。

また、球殻構造物質が混入された合成樹脂を含む繊維強化プリプレグは、他の繊維強化プリプレグよりも低い弾性を有するものとすることが出来る。そうすることにより、剛性差を大きくすることがなく、バラツキを少なくするという効果が得られる。この場合、球殻構造物質が混入された合成樹脂を含む繊維強化プリプレグをガラス繊維強化プリプレグとし、他の繊維強化プリプレグをカーボン繊維強化プリプレグとすることが出来る。

以下、図面を参照して、本発明の具体例について説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る積層体の具体例として、強化繊維としてカーボン繊維を用いた管状体（φ７ｍｍのストレートパイプ）の部分断面を示す。図１に示すように、管状体１０は、内周側から順に、管状体１０の軸線に対して±４５°傾斜する方向に強化繊維を引き揃えて形成された２層の斜向繊維層１１、周方向に強化繊維を引き揃えて形成された１層の周方向繊維層１２、及び軸方向に強化繊維を引き揃えて形成された４層の軸方向繊維層１３を配置して構成されている。

それぞれの層の弾性率、樹脂含浸量、目付量、フラーレン混入量を下記表１に示す

図２は、本発明の一実施形態に係る積層体の他の具体例として、強化繊維としてガラス繊維とカーボン繊維を用いた管状体（φ７ｍｍのストレートパイプ）の部分断面を示す。図２に示すように、管状体２０は、内周側から順に、管状体２０の軸線に対して±４５°傾斜する方向に強化繊維（ガラス繊維）を引き揃えて形成された２層の斜向繊維層２１、周方向に強化繊維（カーボン繊維）を引き揃えて形成された１層の周方向繊維層２２、及び軸方向に強化繊維（カーボン繊維）を引き揃えて形成された４層の軸方向繊維層２３を配置して構成されている。

それぞれの層の弾性率、樹脂含浸量、目付量、フラーレン混入量を下記表２に示す。

以上説明した、フラーレン含有カーボン繊維を用いた管状体１０，及びフラーレン含有ガラス繊維を用いた管状体２０について、３点曲げ強度試験による強度を測定した。なお、３点曲げ強度試験とは、３００ｍｍ離間した２つの支点上に管状体試料を載置し、その支点間の中点に荷重を加え、破壊される直前の荷重を測定し、強度とする試験である。管状体１０について２０本、管状体２０について１８本の試料の強度を測定した。

管状体１０の比較例として、フラーレンを含有しないカーボン繊維を用いた管状体の２０本、及びフラーレンを含有しないガラス繊維を用いた管状体の１８本について、強度を測定した。

それらの結果を下記表３に示す。

上記表３から、フラーレン含有カーボン繊維を用いた管状体及びフラーレン含有ガラス繊維を用いた管状体は、いずれもフラーレンを含有しないカーボン繊維を用いた管状体及びフラーレンを含有しないガラス繊維を用いた管状体よりも、明らかに低い標準偏差を示し、強度のバラツキが少ないことがわかる。

以上説明した管状体１０，２０は、強化繊維に合成樹脂を含浸した複数のプリプレグシートを芯金に巻回することで形成される。

以下、様々なプリプレグシートの配置例に係る実施例について説明する。
実施例１
本実施例は、強化繊維の配向方向を肉厚方向に変化させたバランスの良好なシャフトを得るためのプリプレグシートの配置例を示す。

図３に示すように、芯金３０に対して長さが約１２００ｍｍの領域に、各プリプレグシートが巻回される。芯金３０の先端領域には、補強層となるプリプレグシート３１が巻回され、順にシャフトの全長にわたって、プリプレグシート３２，３３，３４，３５，３６が巻回される。また、最も外層側の先端領域に、最外側の補強層となる補強用プリプレグシート３７が巻回される。

先端領域において補強層を形成するプリプレグシート３１は、カーボン繊維を軸方向に引揃えたものである。また、プリプレグシート３２は、カーボン繊維を周方向に引揃えたものである。更に、プリプレグシート３３は、カーボン繊維を軸方向に対して互いに交差する斜方向に引揃えて重ね合わせた斜向プリプレグシートである。

プリプレグシート３４は、フラーレンを混入したカーボン繊維を軸方向に引揃えたものである。また、プリプレグシート３５は、プリプレグシート３２と同様、カーボン繊維を周方向に引揃えたものである。更に、プリプレグシート３６は、プリプレグシート３４と同様、フラーレンを混入したカーボン繊維を軸方向に引揃えたものである。

最後に、プリプレグシート３７は、カーボン繊維を軸方向に引揃えた、補強層となる補強用プリプレグシートである。

以上のようなプリプレグシートの配置では、強化繊維の配向方向を肉厚方向に変化させているため、バランスの良好なシャフトを得ることができる。また、プリプレグシート３４,３６は、フラーレンを混入したカーボン繊維を用いているため、強度のばらつきが少なく、安定した特性のシャフトを得ることができる。

実施例２
本実施例は、重量調整層を形成するために、低弾性で高比重のガラス繊維を用いたプリプレグシートを配置した例を示す。

図４に示すように、芯金４０には、プリプレグシート４１，４２,４３，４４，４５，４６が巻回される。これらのプリプレグシートのうち、プリプレグシート４１は、カーボン繊維を軸方向に対して互いに交差する斜方向に引揃えて重ね合わせた斜向プリプレグシートであり、プリプレグシート４２は、カーボン繊維を軸方向に引揃えたものであり、プリプレグシート４３は、カーボン繊維を周方向に引揃えたものである。

プリプレグシート４４は、重量調整層を形成するためのもので、フラーレンを混入した、低弾性で高比重のガラス繊維を用いたプリプレグシートである。また、プリプレグシート４５は、カーボン繊維を軸方向に引揃えたものであり、プリプレグシート４６は、カーボン繊維を軸方向に引揃えた、補強層となる補強用プリプレグシートである。

以上のようなプリプレグシートの配置では、重量調整層を形成するために、フラーレンを混入した低弾性で高比重のガラス繊維を用いたプリプレグシートを配置しているため、大きく物性が変化しても、バラツキのない安定した特性のシャフトを得ることができる。

実施例３
本実施例は、補強層用プリプレグシートに、フラーレン混入カーボン繊維を用いた配置例を示す。

図５に示すように、芯金５０には、プリプレグシート５１，５２,５３，５４，５５，５６,５７,５８が巻回される。これらのプリプレグシートのうち、プリプレグシート５１は、カーボン繊維を軸方向に対して互いに交差する斜方向に引揃えて重ね合わせた斜向プリプレグシートであり、プリプレグシート５２は、カーボン繊維を軸方向に対して互いに交差する斜方向に引揃えて重ね合わせた斜向プリプレグシートであって、補強層を形成するものである。

プリプレグシート５３は、カーボン繊維を軸方向に引揃えたものであり、プリプレグシート５４は、カーボン繊維を周方向に引揃えたものである。プリプレグシート５５,５６は、先端領域および後端領域に巻回される補強用プリプレグシートであって、その長さおよび巻回数を調節することにより、先端領域および後端領域における管状体の剛性を所要の大きさに調節することができる。これらプリプレグシート５５,５６の強化繊維は、フラーレンを混入したカーボン繊維である。

また、プリプレグシート５７は、カーボン繊維を軸方向に引揃えたものであり、プリプレグシート５８は、カーボン繊維を軸方向に引揃えた、補強層となる補強用プリプレグシートである。

以上のようなプリプレグシートの配置では、補強層を形成するためにフラーレンを混入したカーボン繊維を用いたプリプレグシートを配置しているため、強度のバラツキの少ない安定した特性のシャフトを得ることができる。

本発明の一実施形態に係る管状体の一部を示す断面図。本発明の他の実施形態に係る管状体の一部を示す断面図。本発明の一実施例に係るプリプレグシートの配置図。本発明の他の実施例に係るプリプレグシートの配置図。本発明の更に他の実施例に係るプリプレグシートの配置図。

符号の説明

１０,２０・・・管状体、１１,２１・・・斜向繊維層、１２,２２・・・周方向繊維層、１３,２３・・・軸方向繊維層、３０，４０，５０…芯金、３１，３７，４６，５２，５６…補強用プリプレグシート、３２，３３，３５，４１，４２，４３，４５，５１，５４，５７…プリプレグシート、３４，３６…フラーレン混入プリプレグシート、４４…フラーレン混入重量調整用プリプレグシート、５５，５８…フラーレン混入補強用プリプレグシート。

Claims

強化繊維に合成樹脂を含浸した複数の繊維強化プリプレグを巻回して形成した繊維強化積層体であって、前記複数の繊維強化プリプレグの少なくとも１つに含まれる合成樹脂に、０．１μｍ以下の直径を有する球殻構造物質を混入したことを特徴とする繊維強化積層体。
前記球殻構造物質は、フラーレン類であることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化積層体。
前記球殻構造物質が混入された合成樹脂を含む繊維強化プリプレグの合成樹脂の含浸量は、他の繊維強化プリプレグの合成樹脂の含浸量よりも少ないことを特徴とする請求項１又は２に記載の繊維強化積層体。
前記球殻構造物質が混入された合成樹脂を含む繊維強化プリプレグは、他の繊維強化プリプレグよりも低い弾性を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化積層体。
前記球殻構造物質が混入された合成樹脂を含む繊維強化プリプレグはガラス繊維強化プリプレグであり、他の繊維強化プリプレグはカーボン繊維強化プリプレグであることを特徴とする請求項４に記載の繊維強化積層体。