JP2009154476A

JP2009154476A - 繊維集積ロッドと、その製造方法

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Publication number: JP2009154476A
Application number: JP2007337448A
Authority: JP
Inventors: Masato Kobayashi; 理人小林
Original assignee: NIPPON KANSEN KOGYO KK
Current assignee: NIPPON KANSEN KOGYO KK
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2009-07-16
Anticipated expiration: 2027-12-27
Also published as: JP5231011B2

Abstract

【課題】軸、フレーム等の素材として使用可能な繊維集積ロッドを提供する。
【解決手段】カーボン繊維束３に塗布した樹脂４が硬化する前に、カーボン繊維束３の多数条３ｂを張力を加えて集合させて縦繊維部１ａを形成し、次に縦繊維部１ａの外周にこれを被覆するように前記繊維束３をこれに張力を付与した状態で螺旋状に巻き付けることにより螺旋状部１ｂを形成する処理を、２回以上実施する。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維を集積し樹脂で棒状に結合させた繊維集積ロッドと、その製造方法に関する。

繊維集積ロッドは、炭素素材等からなるカーボン繊維束を集積してプラスチック等の樹脂で硬化させたものである。使用される繊維としては、カーボン素材からなる繊維のほか、アラミド繊維、ケプラー繊維又はダイニーマ繊維の単一組成或いはこれらのいずれか又はいくつかを主として含む複合組成が利用される。

このような繊維集積ロッドとして、特許文献１に示すように多数のカーボン繊維からなるカーボン繊維束の多数条を並列に配置された縦繊維部と、カーボン繊維束を前記縦繊維部の外周に螺旋状に巻き付けた状態の螺旋状部とからなる構造を有し、且つ、前記カーボン繊維束のそれぞれが樹脂で結合されたものが知られている。

このカーボン繊維集積ロッドは、まずカーボン繊維束の外周に樹脂を塗布し、樹脂が硬化する前に、カーボン繊維束に張力を加えながら、適当な間隔を置いて配設された一対の係止片間に張力を加えて掛け回すことにより縦繊維部を形成する。次に縦繊維部の外周を被覆するように外周にカーボン繊維束を、張力を付与した状態で螺旋状に巻き付けることにより螺旋状部を形成する。この後、樹脂が硬化するまで保持し、樹脂が硬化した後に一対の係止片間における張り状態を解放することにより製造される。

また、特許文献２によれば、異形鉄筋と同様なコンクリート付着性を持たせるために、螺旋状部の外周にさらに、紐状片を巻くものが開示されている。
特開２００３−２２５９５０号公報特開２００３−３２８４９９号公報

繊維集積ロッドは、繊維により非常に高い引張強度を有している。例えば、カーボン繊維においては、２０００ＭＰａ〜２５００ＭＰａ（２００００ｋｇ／ｃｍ^２〜２５０００ｋｇ／ｃｍ^２）を持つ。しかしながら、一方で、圧縮強度は低いという特性を持ち、一般構造用圧延鋼材（ＳＳ４００）と同様な利用はできないものとされていた。

通常、カーボン繊維束は引張りには強靭な耐性を有するが、圧縮せん断には脆く、そのような用途には適さないものと考えられていた。本発明者らは、螺旋状に巻かれたカーボン集積ロッドについて、直径１７．５８ｍｍのカーボン繊維集積ロッドを作製し、圧縮力を付与して圧縮強度試験を実施したところ、その結果値は概略２６４．０ＭＰａであった。これは一般構造用圧延鋼材（ＳＳ４００、４００ＭＰａ）の圧縮強度には到達しないものの、樹脂自体の強度よりも強化されており、一般構造用圧延鋼材（ＳＳ４００）と同様な用途の道が期待される。

また、一般構造用圧延鋼材（ＳＳ４００）の素材としての実用化の検討途中において、発明者らは、別の課題に遭遇した。

図６は、上記試験に掛かるカーボン繊維集積ロッドの中心線方向の任意位置の断面構造を顕微鏡で５００倍にした状態を図示したものである。図６Ａの断面においては、カーボン繊維束３の間に樹脂４が充填されているが、カーボン繊維束３の間隔が不均一であり粗密部が存在することも確認された。特にＺの領域については、カーボン繊維束３の密度が低くなっている。一方、図６Ｂのように樹脂の空洞を有する断面も観察された。図６Ｂにおいて、カーボン繊維束３の間に存在する黒くなった部分ｅ１が空洞であって、散点状に存在している。

これは、螺旋状部による張力がカーボン繊維集積ロッド内部に分散して、カーボン繊維束３の密度の不均一性を発生させ、また、縦繊維部に残留する空気を締め出すことが困難になり、空洞や密度の不均一を生じさせているものと推測される。螺旋状部の張力を大きくすれば、縦繊維部の余分な樹脂や残留空気を絞り出すことができる可能性もあるが、締め付ける張力を大きくすればするほど、製造装置が大型化しかつ複雑化するものとなる。

樹脂はカーボン繊維束３の相互間を接着する接着剤として機能するものであり、接着剤は薄い方が接着力は強力である。また、空洞があるとそこに応力が集中して破壊が始まることになる。

本発明の目的は、カーボン繊維束の間隔を密状にさせるとともに空洞の発生を抑制して強度を安定化させることにより、信頼して機械素材として使用できるものとした集積ロッドを実現させることである。

上記目的を達成するため、本発明に係る繊維集積ロッドは、繊維束の多数条をそれぞれの長さ方向が並列して密状配置された第１層の縦繊維部と、前記第１層の縦繊維部の外周に繊維束を螺旋状に巻き付けた状態の第１層の螺旋状部と、前記第１層の螺旋状部の外周に繊維束の多数条をそれぞれの長さ方向が並列して密状配置された第２層の縦繊維部と、前記第２層の縦繊維部の外周に繊維束を螺旋状に巻き付けた状態の第２層の螺旋状部と、繊維束間を充填した硬化樹脂からなる。

また、本発明に係る繊維集積ロッドの製造方法は、繊維束に樹脂を塗布し、前記繊維束の多数条をロッドの長さ方向に張力を加えて並列に配置して第１層の縦繊維部を形成し、縦繊維部の外周にこれを被覆するように前記繊維束を張力の付与された状態で螺旋状に巻き付けて第１層の螺旋状部を形成し、前記繊維束の多数条を螺旋状部の外周であって、第１層の縦繊維部のロッドの長さ方向に張力を加えて並列に配置して第２層の縦繊維部を形成し、前記第２層の縦繊維部の外周であって、前記繊維束を張力の付与された状態で螺旋状に巻き付けることにより第２層の螺旋状部を形成し、前記樹脂を硬化させることを特徴とする。

本発明に係る繊維集積ロッドによれば、繊維集積ロッドの各層の縦繊維部の繊維束が螺旋状部の螺旋状の繊維束により外周を効果的に圧縮されて締結されるため、繊維集積ロッド自体が圧縮せん断に対して強化されたものとなる。

また、本発明に係る繊維集積ロッドの製造方法によれば、各層の縦繊維部に残留した空気が余分な樹脂とともに効果的に絞り出され、カーボン繊維束の間隔を密とさせるとともに繊維集積ロッドの製造中にその組織中に空洞が発生するのを効果的に抑止することができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
以下の説明において、カーボン繊維を例として説明するが、炭素素材からなる繊維のほか、アラミド繊維、ケプラー繊維又はダイニーマ繊維の単一組成或いはこれらのいずれか又はいくつかを主として含む複合組成からなる繊維による集積ロッドについても同様である。

図１は上記カーボン繊維集積ロッドを示す説明図、図２は上記カーボン繊維集積ロッドの断面図である。これら図１及び図２に示すように、本実施例に係るカーボン繊維集積ロッド１００は縦繊維部１ａと螺旋状部１ｂからなる層１が、半径方向へ２層以上の複数層（図示例では３層）に形成されている。このさい、各層の縦繊維部１ａはカーボン繊維束３の多数条をそれぞれの条が並行となるように密状に配置される。また、螺旋状部１ｂはカーボン繊維束３を縦繊維部１ａのカーボン繊維束３群の外周に張力をかけて螺旋状に且つ、各螺旋ピッチごとの条３ａの相互が略接する程度の密状に巻き付けられた状態とされる。

縦繊維部１ａ及び螺旋状部１ｂにおけるカーボン繊維束３の相互は樹脂４で一体状に結合された状態となっており、またカーボン繊維集積ロッド１００の自由状態下で、縦繊維部１ａ及び螺旋状部１ｂの双方の各カーボン繊維束３、或いは螺旋状部１ｂのみのカーボン繊維束３が、自身をその中心軸方向へ短縮させようとする応力を保有するものとなされている。

カーボン繊維集積ロッド１００の各部の詳細は次のとおりである。
即ち、カーボン繊維束３は、例えば、長いカーボン繊維（径数ミクロン）を多数程度（数万本）束ねたものであって、断面積0.5ｍｍ^２程度の帯状のものである。

樹脂４として、例えば硬化状態での引張強度が例えば、５００ｋｇｆ／ｃｍ^２〜１０００ｋｇｆ／ｃｍ^２程度となる熱硬化性樹脂を使用する。この熱硬化性樹脂は常温（２０℃〜３０℃）では１２時間〜７２時間経過後に硬化し、加熱（６０℃〜７０℃）においては１〜２時間で硬化させることができる。加熱により硬化させる場合は、カーボン繊維束３に直接電流を流してジュール加熱させる方法や、電気炉内で加熱する方法などを採用することができる。

樹脂４が硬化する前にカーボン繊維束３に張力を加えることにより、縦繊維部１ａのカーボン繊維束３を構成しているカーボン繊維束３間の相対的な緩みやずれ変形、さらには、これらのバラツキを是正するものである。

また、最も中心側に位置した第１層をなす層１において、螺旋状部１ｂの螺旋状のカーボン繊維束３は縦繊維部１ａの多数条からなる直状のカーボン繊維束３群の外周を矢印ａ１で示すようにその中心ｂ０へ向け圧縮するように作用する。さらに、第１層よりも半径方向外側に位置した第２層をなす層においては、螺旋状部１ｂの螺旋状のカーボン繊維束３は縦繊維部１ａの多数条からなる直状のカーボン繊維束３群の外周を矢印ａ２で示すようにその中心ｂ０へ向け圧縮するように作用して、縦繊維部１ａの余分な樹脂と残留空気を絞り出す。また第２層よりも半径方向外側に位置した第３層においても、同様に、カーボン繊維束３の間隔を密とさせるととも残留空気を絞り出すものである。

半径方向外側に順に第４層、第５層とさらに層を付加していくと、１つの層が増えるごとに、その増加した層の螺旋状部１ｂのカーボン繊維束３は同じ層の縦繊維部１ａのカーボン繊維束３群をその中心ｂ０へ向け圧縮し、カーボン繊維束３の間隔を密とさせるととも余分な樹脂と残留空気を絞り出すものとなる。

したがって、カーボン繊維集積ロッド１００を構成した全ての縦繊維部１ａのカーボン繊維束３は各層ごとに分割された状態でその対応する層の螺旋状部のカーボン繊維束３に前記中心ｂ０へ向かう圧縮力が付与される。このように、カーボン繊維集積ロッド１００の各層の縦繊維部１ａはその間隔を密状にされ、かつ残留空気を、夫々、別々の螺旋状部１ｂにより締め出すため、螺旋状部１ｂへかける張力は大きなものである必要はない。

また、これにより、各層において縦繊維部の結束が高められることになり、製品としてのカーボン繊維集積ロッド１００に圧縮せん断に対する強化につながるものである。

次に本実施例に係るカーボン繊維集積ロッド１００の製造方法について説明する。

図３は製造方法を実施するための製造装置を示す図、図４は製造装置の一部を示す図、図５は製造装置の作動の様子を示す説明図である。

製造装置２００は、支持回転機構部５と、繊維束供給掛架機構部６とを備えており、各部の詳細は次のとおりである。

支持回転機構部５は、基礎面部７の上面に左右一対の軸支持台８ａ、８ｂを左右方向ｃ１の一定間隔を開けて配置すると共に、両軸支持台８ａ、８ｂにそれぞれ回動軸９を左右方向ｃ１に対向させて取り付け、各回動軸９に回転体１０を介して鈎状の係止片１１を取り付ける一方、各軸支持台８ａ、８ｂの近傍位置に駆動モータ１２を固設し、各駆動モータ１２の出力軸とその対応する回動軸９とを適宜な伝動機構を介して連動連結した構成とされている。

係止片１１は図４に示すように一方側の回転体１０から他方側の回転体１０へ向けて張り出した状態に固設されているもので、回転体１０の周面に片持ち状に固定された支持板１３と、該支持板１３の回転軸９側の面に垂直状に形成された係止ピン部１４とを備えている。係止ピン部１４は下側規制フランジ１５、上側規制フランジ１６、円筒状係止ピン部材１７、ピン固定ボルト１８からなっている。ピン固定ボルト１８は上側規制フランジ１６の中心孔、円筒状係止ピン部材１７の内孔、及び、下側規制フランジ１５の中心孔にこの順に挿通され下端ネジ部を支持板１３に螺着されている。

繊維束供給掛架機構部６は、ｃ１方向左右に繊維束供給部１９を送りながらカーボン繊維束３を供給するものである。繊維束供給部１９は、箱形ケーシング１９ａを備えると共に、該箱形ケーシング１９ａ内に外方へ供給すべきカーボン繊維束３を保持した繊維束保持部２０、外方へ繰り出されるカーボン繊維束３に張力を付与する張力付与部２１、該張力付与部２１で張力を付与されたカーボン繊維束３に樹脂４を塗布する樹脂塗布部２２、及び、該樹脂塗布部２２で樹脂４を塗布されたカーボン繊維束３を箱形ケーシング１９ａの外方へ繰り出す繊維束繰り出し部２３が形成されている。

樹脂塗布部２２は樹脂４を収容した樹脂槽にカーボン繊維束３を浸漬させて、カーボン繊維束３の外周の全体に樹脂４を塗布するものとなされている。

繊維束繰り出し部２３は、箱形ケーシング１９ａの前面部に、前方へ片持ち状に張り出された案内筒部材２４をこれの基端部の前後方向ｃ２の中心線の廻りへ回動自在に取り付けると共に、図５に示すように案内筒部材２４の先部に上下向きの支軸２５を介して案内溝車２６を回転自在に取り付け、箱形ケーシング１９ａ内から外方へ引き出されたカーボン繊維束３が案内溝車２６に案内されて円滑に繰り出されるようになされている。

上記のような製造装置２００を準備した後、次のように実施する。
繊維束供給部６から繰り出されたカーボン繊維束３の先端を速乾性の樹脂４で一方の係止片１１に結合させた後、両係止片１１、１１間で繊維束供給部６をｃ１方向に左右に移動させ、樹脂４の塗布されたカーボン繊維束３を所望の張力を加えながら所要数の条３ｂの得られるように平行状に掛け回す。その終了時に該掛け回し状態を維持させるためにカーボン繊維束３の掛け回し範囲の終了位置を速乾性の樹脂４で係止片１１に止着させ、該止着位置よりも後側で切断させる。こうして両係止片１１、１１間にカーボン繊維束３の多数条３ｂがそれぞれの中心軸を直状且つ平行となるように配置された状態の縦繊維部１ａが形成される。

次に繊維束供給部６から樹脂４を塗布したカーボン繊維束３を繰り出させ、これの先端を速乾性の樹脂４で縦繊維部１ａのカーボン繊維束３群の外周の一端（例えば左端）に止着させた後、駆動モータ１２、１２を回転させて両係止片１１、１１を矢印方向ｄ１へ同期回転させると同時に繊維束供給部６を前記一端の反対側端へ向けゆっくり移動させる。これにより繊維束供給部６から繰り出されるカーボン繊維束３は例えば縦繊維部１ａのカーボン繊維束３と同じ張力或いはこれとは異なる張力を付与されつつ、縦繊維部１ａのカーボン繊維束３の外周の全体に螺旋状に巻き付けられ該外周を被覆（ラッピング）した状態の螺旋状部１ｂが形成される。該螺旋状部１ｂのカーボン繊維束３はその各螺旋ピッチごとの条３ａの相互が略接する程度の密状に巻くのがよいのであり、またその張力は１１、１１間に掛け回された条３ｂのそれと同一となされる。こうして、縦繊維部１ａと螺旋状部１ｂからなる第１層の層１が形成される。

次に第２層を螺旋状部１ｂの外周上に形成させる。
繊維束供給部６から繰り出されたカーボン繊維束３の先端を速乾性の樹脂４で一方の係止片１１に結合させた後、繊維束供給部６を制御装置により自動的に移動させることにより、両係止片１１、１１間に樹脂４の塗布されたカーボン繊維束３を、第１層の縦繊維部１ａと同じ張力を加えながら所要回数だけ平行状に掛け回す。この状態を維持させるため掛け回し終了位置を速乾性の樹脂４で適当箇所に止着させ、該止着位置よりも後側で切断させる。

また先と同様に、繊維束供給部６から樹脂４を塗布したカーボン繊維束３を繰り出させ、これの先端を速乾性の樹脂４で縦繊維部１ａのカーボン繊維束３群の外周の一端（例えば左端）に止着させた後、駆動モータ１２、１２を回転させて両係止片１１、１１を矢印方向ｄ１へ同期回転させると同時に繊維束供給部６を前記一端の反対端へ向け送り移動させる。これにより繊維束供給部６から繰り出されるカーボン繊維束３は例えば縦繊維部１ａのカーボン繊維束３と同じ張力或いはこれとは異なる張力を付与されつつ、縦繊維部１ａのカーボン繊維束３の外周の全体に螺旋状に巻き付ける。この際の巻き付け張力により、局所的に存在していた第２層の縦繊維部１ａのカーボン繊維束３は、第１層の外周に均一に配置される状態となる。このようにして、第２層の螺旋状部１ｂが形成される。

以後は必要に応じて、第２層の場合に準じて第３層、第４層、・・・、第ｎ層と任意数の層を重ねることができる。これによりカーボン繊維集積ロッドが形成される。

尚、樹脂４を熱硬化させる際には、第１層形成当初から、カーボン繊維束３に電流を流すものであり、常温で硬化させる際には、適当時間放置して樹脂４を硬化させる。該硬化の後、両係止片１１の間隔を狭めて、カーボン繊維集積ロッド１００を取り外す。

層数が増えれば、各層の螺旋状部形成における張力は小さいものでよく、製造装置の張力付与能力の範囲内に、カーボン繊維束の間隔を密とさせるとともに余分な樹脂と残留空気を絞り出すのに必要な張力が納まるように層の数が決められる。上記実施例においては、層数を３層とし、直径を１／３ずつ同様に増やして行くように設定したが、内周、外周において各層の径の加減を変更しても良い。また、何本のカーボン繊維束３を重ね合わせれば所望の厚さになるかは、予め求められるものである。

以上の実施例はカーボン繊維束からなる繊維束３を積層させた形態について説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、カーボン繊維に代えてアラミド繊維、ケプラー繊維或いはダイニーマ繊維の何れであっても、カーボン繊維の場合におけると同様な利点が得られるのである。

この結果、カーボン繊維束の間の接着が強化されるとともに空洞に起因した応力集中が解消され、繊維集積ロッドの圧縮強度が安定化する。特に、繊維としてカーボン繊維を使用したときは、繊維集積ロッドを一般構造用圧延鋼材などと略同等な圧縮強度を有し、且つ、鋼材よりも大きな引張強度を有するものとすることができる。

本実施例に係るカーボン繊維集積ロッドを示す説明図である。上記カーボン繊維集積ロッドの断面図である。カーボン繊維集積ロッドの製造装置を示す図である。上記製造装置の一部を示す図である。上記製造装置の作動の様子を示す説明図である。カーボン繊維集積ロッドの断面を拡大した図である。

符号の説明

１層
１ａ縦繊維部
１ｂ螺旋状部
３カーボン繊維束
３ａカーボン繊維束の条
３ｂカーボン繊維束の条
４樹脂
１１係止片
１００カーボン繊維集積ロッド

Claims

繊維集積ロッドにおいて、
繊維束の多数条をロッドの長さ方向に並列して密状配置された第１層の縦繊維部と、
前記第１層の縦繊維部の外周に繊維束を螺旋状に巻き付けた状態の第１層の螺旋状部と、
前記第１層の螺旋状部の外周に繊維束の多数条をロッドの長さ方向に並列して密状配置された第２層の縦繊維部と、
前記第２層の縦繊維部の外周に繊維束を螺旋状に巻き付けた状態の第２層の螺旋状部と、
繊維束間を充填した硬化樹脂からなることを特徴とする繊維集積ロッド。
請求項１記載の繊維集積ロッドにおいて、さらに前記第２層の螺旋状部の外周に繊維束の多数条をロッドの長さ方向に並列して密状配置された第３層の縦繊維部と、前記第３層の縦繊維部の外周に繊維束を螺旋状に巻き付けた状態の第３層の螺旋状部とを有することを特徴とする繊維集積ロッド。
請求項１記載の繊維集積ロッドにおいて、その自由状態下で、前記縦繊維部及び又は螺旋状部の双方の各繊維束、或いは螺旋状部の繊維束が、自身をその中心軸方向へ短縮方向に内部応力を保有するものとなされていることを特徴とする繊維集積ロッド。
繊維集積ロッドの製造方法において、
繊維束に樹脂を塗布し、
前記繊維束の多数条をロッドの長さ方向に張力を加えて並列に配置して第１層の縦繊維部を形成し、
前記第１層の縦繊維部の外周にこれを被覆するように前記繊維束を張力の付与された状態で螺旋状に巻き付けて第１層の螺旋状部を形成し、
前記繊維束の多数条を前記第１層の螺旋状部の外周であって、第１層の縦繊維部のロッドの長さ方向に張力を加えて並列に配置して第２層の縦繊維部を形成し、
前記第２層の縦繊維部の外周に、前記繊維束を張力の付与された状態で螺旋状に巻き付けることにより第２層の螺旋状部を形成し、
前記樹脂を硬化させることを特徴とする繊維集積ロッドの製造方法。
繊維束に樹脂を塗布し、
前記繊維束に長さ方向の張力を加えながら、所定の間隔で設けられた係止片の間に掛け回し、
前記係止片間に掛け回された繊維束に対し、前記樹脂が塗布された繊維束を張力の付与された状態で螺旋状に巻き付け、
前記樹脂が塗布された繊維束を長さ方向の張力を加えながら、再度前記係止片間に掛け回し、
前記係止片間に掛け回された繊維束に対し、樹脂が塗布された前記繊維束を張力の付与された状態で再度螺旋状に巻き付け、
前記樹脂を硬化させることを特徴とする繊維集積ロッドの製造方法。