JP2009083129A - 繊維強化樹脂製中空体 - Google Patents

Abstract

【課題】高い接合強度で２つの部材が接合された、繊維強化樹脂製中空体を提供する。
【解決手段】平板状の繊維強化樹脂製の第１の部材２０と、第１の部材２０と接合して中空体を形成したとき、該第１の部材の平板から立ち上がる壁体を形成する側板部３１、３２を有する繊維強化樹脂製の第２の部材３０とが、接合した繊維強化樹脂製中空体であって、第１の部材２０は、平板本体２１と、平板本体２１の片面に凸条２２、２３を備え、第２の部材３０と接合した際に、該凸条の外側面２４、２５が、第２の部材の壁体の内側面３４、３５と密着するように傾斜しており、第２の部材３０は、壁体の内側面３４、３５が第１の部材２０の平板から遠ざかるにつれて内側に傾斜しており、第１の部材の凸条の外側面２４、２５と、第２の部材の内側面３４、３５とが接着剤４１を介して接合されている繊維強化樹脂製中空体１０。
【選択図】図２

Description

本発明は、構造材などに使用される繊維強化樹脂製の中空体に関する。

従来、軽量性と高強度・高剛性が要求される構造体の材料として、繊維強化樹脂製の中空体が利用されている。例えば、ロボットアーム、遮断機バーはその好例である。

繊維強化樹脂製中空体としては、特許文献１に、２つのＬ字型部材を接着剤で接合する中空ドアの製造方法が示されている。しかし、この中空体では、互いの部材を直接接合している接合面が、両Ｌ字型部材の端部のみに限定されている。繊維強化樹脂製中空体は軽量かつ高強度であることを目的とした構造体であるので、中空体を形成させる部材はできるだけ薄くすることが要求される。したがって、特許文献１の技術では、部材を薄くするほど接合面が小さくなるため、高い接合強度が得られない。

そこで、中空体を形成する際の接合面を広くする手段が必要である。例えば、長尺の底板部と、底板部の幅方向の両側に該底板部の長手方向に沿って、底板部から垂直に立ち上がった側板部が設けられた第１の部材と、第１の部材の内側に密着する、同形状の一回り小さな第２の部材とを、逆向きに嵌め込み、接着剤で接合して中空体を得ることが考えられる。このような中空体では、互いの部材の側板部の面を接合面として利用できるため、部材を薄くしても接合面が減少しないので、高い接合強度が期待される。

しかし、この場合には、接合面に塗布された接着剤が、互いの部材によって削ぎ落とされてしまうことが問題となる。これは、２つの部材の接合面の全面を、同時に接触させられないためである。つまり、初めに接合面の端同士を接触させ、その後に互いの部材を嵌め込んでいかなければならないため、互いの部材により接合面に塗布した接着剤が削ぎ落とされてしまう。したがって、このような方法では広い接合面が設けられたとしても、高い接合強度が期待できない。
特開２００４−３３９７７８号公報

そこで、本発明は、高い接合強度で２つの部材が接合された、繊維強化樹脂製中空体を提供する。

上記の課題を解決するため、本発明は、平板状の繊維強化樹脂製の第１の部材と、第１の部材と接合して中空体を形成したとき、該第１の部材の平板から立ち上がる壁体を有する繊維強化樹脂製の第２の部材とが、接合した繊維強化樹脂製中空体であって、第１の部材は、平板本体と、平板本体の片面に凸条を１つ以上備え、該凸条の外側面が、第２の部材と接合した際に、第２の部材の壁体の内側面と密着するように傾斜しており、第２の部材は、壁体の内側面が第１の部材の平板から遠ざかるにつれて内側に傾斜しており、第１の部材の凸条の外側面と、第２の部材の内側面とが接着剤を介して接合されている繊維強化樹脂製中空体を提供する。

本発明によれば、高い接合強度で２つの部材が接合された、繊維強化樹脂製中空体が提供できる。

以下、図１及び図２に基づいて、本発明の繊維強化樹脂製中空体（以下、中空体と略すことがある。）の一実施形態について詳細に説明する。

繊維強化樹脂製中空体１０は、第１の部材２０と、第２の部材３０とが接着剤４１を介して接合されている。
第１の部材２０は、長尺の平板本体２１と、平板本体２１の幅方向の両側に該平板本体の長手方向に沿って設けられた断面三角状の凸条２２、２３とからなる。また、凸条の外側面２４、２５は、それぞれ傾斜している。凸条の外側面２４、２５と、平板本体２１の垂直方向とがなす角度α_１、β_１は、それぞれ３°〜６０°であるのが好ましく、５°〜１５°であるのが更に好ましい。傾斜角度α_１及びβ_１が３°以上であれば、互いの部材を接合する際の接着剤の削ぎ落としを防ぎ易い。また、傾斜角度α_１及びβ_１が６０°以下であれば、十分な中空空間を有する中空体が形成し易い。

第２の部材３０は、第１の部材２０と接合して中空体を形成したときに、中空体１０の壁体を形成する長尺の側板部３１、３２、及び前記側板部３１と側板部３２との間に設けられた長尺の底板部３３を有する。本実施形態例の中空体１０では、底板部３３は、第１の部材２０の平板本体２１と平行な底板部３３ａと、該底板部３３ａの幅方向の両端部に、底板部３３ｂが側板部３１、３２側へと傾斜するように設けられている。
側板部３１、３２は、第１の部材２０と接合した際、第１の部材の平板本体２１から遠ざかるにつれて内側に傾斜するように設けられる。したがって、内側面３４と内側面３５も同様に傾斜している。内側面３４、３５の傾斜角度、すなわち、内側面３４、３５と、内底面３６（底板部３３ａの内側面）の垂直方向とがなす角度α_２、β_２は、それぞれα_１、β_１と同等である。したがって、第１の部材２０の凸条の外側面２４に内側面３４が密着でき、第１の部材２０の凸条の外側面２５に内側面３５が密着できるようになっている。

上記の中空体１０の製造例について説明する。
まず、強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグを用意する。次に、平板本体２１成型用の金型内に、プリプレグを一層又は複数積層して配置する。それとともに、凸条２２、２３を形成する部分にシートモールディングコンパウンド（ＳＭＣ）等の成型材料を配置する。そして、これらを圧縮成形法により成形して、凸条２２、２３を有する第１の部材２０を得る。

また、第２の部材３０成型用の金型内に、プリプレグを一層又は複数積層して配置し、バギングした後にオートクレーブ成形する。または別の方法として、圧縮成形用の金型内にプリプレグを一層又は複数積層して配置した後に型締めして圧縮成形することにより、第２の部材３０を得ることができる。

強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、炭化珪素繊維、高強度ポリエチレン、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール（ＰＢＯ）繊維、ナイロン繊維、ステンレススチール繊維等が挙げられ、なかでも軽量で剛性が高いことから炭素繊維が望ましい。また、補強繊維としては、長繊維及び短繊維が挙げられ、なかでも剛性の点から長繊維が望ましい。長繊維の形態としては、一方向に揃えられたもの、長繊維からなる織物などが挙げられる。

また、熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、マレイミド樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。補強繊維として炭素繊維を用いる場合は、炭素繊維との接着性の点からエポキシ樹脂やビニルエステル樹脂が望ましい。エポキシ樹脂組成としてエポキシ樹脂成分、硬化剤成分以外に、エラストマー成分を含有することが更に好ましい。エラストマー成分としてCarboxy-Terminated Butadiene Acrylonitrile Copolymer（ＣＴＢＮ）などが挙げられる。

次いで、第１の部材２０の、凸条の外側面２４、２５、及び平板本体の幅方向の端部の面２６、２７に接着剤４１を塗布し、第２の部材３０と接合して繊維強化樹脂製中空体１０を得る。
ここで、接着剤４１としては、例えば、２液型エポキシ接着剤、２液型ウレタン接着剤、ゴム強化メチルメタクリレート、１液型エポキシ接着剤を用いることができる。１液型接着剤の例としてはスリーエム社製、製品名；スコッチウエルド２２１４等が挙げられる。

または、予めフィルム状に成形された接着剤を用いることができる。フィルム形態の接着剤は、均一の厚みを有するので、厚み斑が生じ難く、所定の接合圧で接合することにより、安定な接合強度を得ることができる。
フィルム形態の接着剤を構成する樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、アクリル樹脂などが挙げられ、接合強度の点でエポキシ樹脂が好ましい。エポキシ樹脂組成としてエポキシ樹脂成分、硬化剤成分、およびエラストマー成分を含有することが更に好ましい。エラストマー成分としてはＣＴＢＮなどが挙げられる。

また、フィルム形態の接着剤を、不織布又は織布からなる基材を含む構成とすれば、フィルム形態の接着剤の取り扱い性や接着剤保持性が向上するので好ましい。更に、硬化後の接着剤４１に応力が負荷された場合に、微小な亀裂が発生しても、亀裂の進展を抑えることができるので、接着剤４１の強度を向上させることができる。
接着剤４１に用いられる不織布及び織布の材料としては、ポリエステル繊維、ナイロン繊維、アラミド繊維、アクリル繊維、ガラス繊維などが使用できるが、これに限定するものではない。

以上説明した中空体１０では、第１の部材の凸条の外側面２４、２５及び第２の部材の内側面３４、３５はそれぞれ傾斜している。そのため、第１の部材２０と第２の部材３０とを接合する際、第１の部材の凸条の外側面２４、２５は、全ての面を同時に第２の部材３０に接触させることができる。したがって、塗布した接着剤４１が、互いの部材によって削ぎ落とされない。
また、中空体１０は、互いの部材を接合するための接合面として、第１の部材２０の凸条の外側面と第２の部材の壁体の内側面を利用している。そのため、第１の部材と第２の部材を薄く設計したとしても、接合面を広くできる。したがって、高い接合強度で互いの部材が接合された繊維強化樹脂製中空体が製造できる。

次に、本発明の繊維強化樹脂製中空体の他の実施形態例について、図３及び図４に基づいて詳細に説明する。

繊維強化樹脂製中空体５０は、第１の部材６０と、第２の部材７０とが接着剤４１を介して接合されたものである。
第１の部材６０は、長尺の平板本体６１と、平板本体６１の幅方向の両側に該平板本体の長手方向に沿って設けられた断面三角状の凸条６２、６３とからなる。また、凸条の外側面６４、６５は、それぞれ傾斜している。凸条の外側面６４、６５と、平板本体６１の垂直方向とがなす角度α_３、β_３は、１５°〜６０°の範囲であるのが望ましい。傾斜角度α_３、β_３が上記の範囲内であれば、接着剤の削ぎ落としを防ぎ易く、充分な中空空間を有する中空体が形成し易い。

第２の部材７０は、中空体の壁体を形成する長尺の側板部７１、７２からなる。側板部７１、７２の内側面７３、７４は、第１の部材の平板本体６１の垂直方向の直線５１を基準として、α_４、β_４の角度で傾斜している。傾斜角度α_４、β_４は、それぞれα_３、β_３と同等である。したがって、第１の部材６０の凸条の外側面６４に内側面７３が密着でき、第１の部材６０の凸条の外側面６５に内側面７４が密着できるようになっている。
中空体５０の製造方法及び材料については、中空体１０の場合と同じものをそのまま用いることができる。

中空体５０についても、第１の部材６０と第２の部材７０とを接合する際、第１の部材の凸条の外側面６４、６５は、全ての面を同時に第２の部材７０に接触させることができる。そのため、塗布した接着剤が、互いの部材によって削ぎ落とされることがなく、部材を薄く設計しても接合面を広くできるので、高い接合強度で互いの部材が接合される。

尚、本発明の繊維強化樹脂製中空体は上述したものに限られない。例えば、中空体１０の第２の部材３０の底板部３３（図１および図２を参照。）は、第１の部材２０の平板本体２１に平行な底板部３３ａのみからなっていてもよい。また、図５及び図６に示すように、中空体を形成する第２の部材は、内側面が傾斜していれば、壁体自体が傾斜していなくともよい。

繊維強化樹脂製中空体１１０は、第１の部材１２０と、第２の部材１３０とが接着剤４１を介して接合されている。
第１の部材１２０は、長尺の平板本体１２１と、平板本体１２１に該平板本体の長手方向に沿って設けられた断面三角状の凸条１２２、１２３とからなる。凸条の外側面１２４、１２５は、それぞれ傾斜している。凸条の外側面１２４、１２５と、平板本体１２１の垂直方向とがなす角度α_５、β_５は、中空体１０の場合と同様に、それぞれ３°〜６０°であるのが好ましく、５°〜１５°であるのが更に好ましい。

第２の部材１３０は、長尺の底板部１３３と、該底板部１３３に、中空体１１０の壁体を形成する長尺の側板部１３１、１３２が設けられている。また、内側面１３４と内側面１３５は、第１の部材１２０と接合した際、第１の部材の平板本体１２１から遠ざかるにつれて内側に傾斜するように設けられる。内側面１３４、１３５の傾斜角度、すなわち、内側面１３４、１３５と、内底面１３６の垂直方向とがなす角度はα_６、β_６は、α_５、β_５とほぼ同等である。したがって、第１の部材１２０の凸条の外側面１２４に内側面１３４が密着でき、第１の部材１２０の凸条の外側面１２５に内側面１３５が密着できるようになっている。一方、第２の部材の側板部１３１、１３２の外側面１３７、１３８は傾斜していない。

以上のような中空体１１０は、側板部１３１、１３２の外側面１３７、１３８が傾斜していないこと以外は、中空体１０と同様の特徴を有している。したがって、両部材を接合する際に、接着剤が削ぎ落とされることがなく、高い強度で互いの部材を接合できる。

また、本発明の中空体は、第１の部材の凸条が２つでなくともよく、例えば、第１の部材の平板に凸条を１つだけ設けて、中空体を形成させてもよい。
また、平板に設ける凸条の位置は、図示例のような、平板の端縁部に限定されない。例えば、図１に示した第１の部材よりも幅の広い平板本体を有する部材を用い、その平板本体の幅方向の中央付近に該平板本体の長手方向に沿って凸条を設け、その位置に第２の部材を接合させることにより、平板の中央部分にのみ中空体を形成させてもよい。

以下に、本発明の実施例を具体的に示し、詳細に説明する。尚、本発明は以下に記載された事項によって限定されるものではない。

実施例１
まず、フィラメント数が３０００本の炭素繊維束を平織で製織した炭素繊維織布にエポキシ樹脂を含浸してプリプレグ（ａ）を調製した。また、一方向に引き揃えられた炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸して一方向プリプレグ（ｂ）と、ＣＦ（炭素繊維）−ＳＭＣを調製した。

次いで、第１の部材２０成型用の金型を用意し、これに、１層のプリプレグ（ａ）、５層の一方向プリプレグ（ｂ）を積層した。プリプレグを積層後、凸条２２、２３を形成する位置にＣＦ−ＳＭＣ（ｃ）を配置し、型締めした後に、圧縮成形して繊維強化樹脂製の第１の部材２０を得た。第１の部材２０は、平板本体２１と、平板本体２１に該平板本体の長手方向に沿って設けられた断面三角状の凸条２２、２３とからなる。凸条の外側面２４、２５は、それぞれ傾斜している。凸条の外側面２４、２５と、平板本体２１の垂直方向とがなす角度α_１、β_１は、それぞれα_１が１０°、β_１が４０°である。

また、第１の部材２０の場合と同様の２種類のプリプレグを調製した。
次いで、第２の部材３０成型用の金型を用意し、これに、１層のプリプレグ（ａ）、５層の一方向プリプレグ（ｂ）を積層した後、バギングし、オートクレーブ内で加熱、加圧して（８０℃６０分間に続き、１３０℃９０分間（０．４ＭＰａ））、繊維強化樹脂製の第２の部材３０を得た。側板部３１、３２は、第１の部材２０と接合した際、第１の部材の平板本体２１から遠ざかるにつれて内側に傾斜するように設け、内側面３４と内側面３５を傾斜させた。内側面３４、３５の傾斜角度、すなわち、内側面３４、３５と内底面３６の垂直方向とがなす角度は、α_２が１０°、β_２が４０°である。したがって、第１の部材２０の凸条の外側面２４に内側面３４が密着でき、第１の部材２０の凸条の外側面２５に内側面３５が密着できるようになっている。

次に、第１の部材２０の凸条の外側面２４、２５及び平板本体の幅方向の端部の面２６、２７に、接着剤４１としてハンツマン・アドバンスド・マテリアルズ社製アラルダイトＡＷ１０６（主剤）と同社製ハードナーＨＶ９５３Ｕ（硬化剤）とを１００：６０で混合したものを塗布し、第２の部材３０と接合して繊維強化樹脂製中空体１０を得た。
この繊維強化樹脂製中空体１０は、非常に高い接合強度で両部材が接合されていた。

本発明の繊維強化樹脂製中空体の一実施形態例を示す斜視図である。 図１の線Ａ−Ａで切断した断面図である。 本発明の繊維強化樹脂製中空体の他の実施形態の一例を示す斜視図である。 図３の線Ｂ−Ｂで切断した断面図である。 本発明の繊維強化樹脂製中空体の他の実施形態の一例を示す斜視図である。 図５の線Ｃ−Ｃで切断した断面図である。

符号の説明

１０ 繊維強化樹脂製中空体
２０ 第１の部材
２１ 平板本体
２２、２３ 凸条
２４、２５ 凸条の外側面
３０ 第２の部材
３１、３２ 壁体を形成する側板部
３４、３５ 壁体の内側面
４１ 接着剤
５０ 繊維強化樹脂製中空体
６０ 第１の部材
６１ 平板本体
６２、６３ 凸条
６４、６５ 凸条の外側面
７０ 第２の部材
７１、７２ 壁体を形成する側板部
７３、７４ 壁体の内側面
１１０ 繊維強化樹脂製中空体
１２０ 第１の部材
１２１ 平板本体
１２２、１２３ 凸条
１２４、１２５ 凸条の外側面
１３０ 第２の部材
１３１、１３２ 壁体を形成する側板部
１３４、１３５ 壁体の内側面

Claims (1)

1. 平板状の繊維強化樹脂製の第１の部材と、第１の部材と接合して中空体を形成したとき、該第１の部材の平板から立ち上がる壁体を有する繊維強化樹脂製の第２の部材とが、接合した繊維強化樹脂製中空体であって、
   第１の部材は、平板本体と、平板本体の片面に凸条を１つ以上備え、該凸条の外側面が、第２の部材と接合した際に、第２の部材の壁体の内側面と密着するように傾斜しており、
   第２の部材は、壁体の内側面が第１の部材の平板から遠ざかるにつれて内側に傾斜しており、
   第１の部材の凸条の外側面と、第２の部材の内側面とが接着剤を介して接合されている繊維強化樹脂製中空体。

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