JP2010006050A

JP2010006050A - Ｆｒｐ製パネル、およびそれを用いた航空機用コンテナ

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Publication number: JP2010006050A
Application number: JP2009045552A
Authority: JP
Inventors: Yoshito Kuroda; 義人黒田; Yukitane Kimoto; 幸胤木本; Hirohide Wada; 博英和田
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2008-05-27
Filing date: 2009-02-27
Publication date: 2010-01-14
Anticipated expiration: 2029-02-27
Also published as: JP5430176B2

Abstract

【課題】軽量かつ高強度で、リサイクル性にも優れたＦＲＰ製パネルおよびそれを用いた航空機用コンテナを提供する。
【解決手段】ベース層と、該ベース層の片面もしくは両面にスキン層を有するＦＲＰ製パネル２であって、前記ＦＲＰは、実質的にガラス繊維を有しておらず、前記ベース層は、炭素繊維からなる炭素繊維布帛を含んでおり、前記スキン層は、破断伸度が前記炭素繊維の５倍以上１５倍以下で、かつ、引張弾性率が前記炭素繊維の２０分の１以下である合成繊維からなる合成繊維布帛を含むことを特徴とするＦＲＰ製パネル、およびそれを用いた航空機用コンテナ１である。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰ）製パネル、およびそれを用いた航空機用コンテナに関する。

近年、省エネルギーや環境負荷軽減に対する要求が益々高まっており、たとえば輸送機器においては、部材の軽量化が不可避となっている。とくに、輸送機器の中でも軽量化の効果が高い航空機においては、軽量かつ高強度なＦＲＰが様々な部位に使用されており、貨物や乗客の荷物等を運ぶための航空機用コンテナについても、ＦＲＰの使用が提案されている。

例えば、特許文献１、２ではＦＲＰ製のパネルが考案されており、強化繊維としてガラス繊維や芳香族ポリアミド繊維、炭素繊維を用いることが提案されている。しかしながら、ガラス繊維はリサイクルが困難であり、環境負荷を軽減できないという問題点がある。また、芳香族ポリアミドは密度が低く軽量化には適するものの、破断伸度が高く、かつ弾性率も高いため、コンテナの搬入や搬送の際にフォークリフトのフォークが誤って突き刺さると、パネルを貫通せずに、パネルを支持しているフレームが曲がってしまう。フレームが曲がると、補修コストが高くなったり、フレームを廃棄したりしなければならないという問題が生じる。

炭素繊維は、破断伸度、弾性率の観点からＦＲＰ製パネルに適しているが、所定の強度や剛性を達成するための厚みとするために、たとえば織物の形態の炭素繊維布帛を少なくとも２枚は積層する必要があり、炭素繊維の使用量が増えるために重量が増えてしまうとともに、コストも高くなってしまうという問題がある。

特許文献３では、繊維クロスの片面又は両面に樹脂層（フィルム層）を設けた可撓性、さらには可視性を有するプラスチックシートが提案されているが、可撓性を有するパネルは剛性が低すぎて、たとえば飛行中に上下左右方向への加速度が発生した場合に、荷物がパネルを介して機体内壁にぶつかってしまう危険がある。さらに、パネルが可視性を有することは、空港等で航空機用コンテナが直射日光を浴びた際に日光を透過し内容物が腐敗しやすくなるので、防疫上好ましくない。

特開平７−２５７６８３号公報特開平９−３２８１９０号公報特開２００７−１８６２２８号公報

本発明は、このような問題に対処し、軽量かつフォークリフトのフォークが突き刺さった場合の補修費用を削減できるのみならず、リサイクル性にも優れたＦＲＰ製パネルおよびそれを用いた航空機用コンテナを提供することをその課題とする。

上記課題を達成するための本発明は、下記（１）〜（１１）のいずれかの構成を特徴とするものである。

（１）ベース層と、該ベース層の少なくとも片面にスキン層を有するＦＲＰ製パネルであって、前記ＦＲＰは、実質的にガラス繊維を有しておらず、前記ベース層は、炭素繊維からなる炭素繊維布帛を含んでおり、前記スキン層は、破断伸度が前記炭素繊維の５倍以上１５倍以下で、かつ、引張弾性率が前記炭素繊維の２０分の１以下である合成繊維からなる合成繊維布帛を含むことを特徴とするＦＲＰ製パネル。

（２）前記ベース層の両面に前記スキン層を有する、前記（１）に記載のＦＲＰ製パネル。

（３）前記合成繊維が、脂肪族ポリアミド繊維またはポリエステル繊維である、前記（１）または（２）に記載のＦＲＰ製パネル。

（４）前記合成繊維が、仮撚糸、タスラン加工糸、紡績糸の少なくとも１種を含んでいる、前記（１）〜（３）のいずれかに記載のＦＲＰ製パネル。

（５）前記スキン層の最外層が不織布を含む層である、前記（１）〜（４）のいずれかに記載のＦＲＰ製パネル。

（６）前記スキン層の最内層が不織布を含む層である、前記（１）〜（５）のいずれかに記載のＦＲＰ製パネル。

（７）前記スキン層がメッシュと不織布を重ねた形態の布帛を含む、前記（６）に記載のＦＲＰ製パネル。

（８）前記メッシュと不織布を重ねた形態の布帛が、不織布が前記ベース層と当接するように配置されている、前記（７）に記載のＦＲＰ製パネル。

（９）前記炭素繊維布帛が扁平糸織物である、前記（１）〜（８）のいずれかに記載のＦＲＰ製パネル。

（１０）前記合成繊維布帛の糸束の幅が、前記炭素繊維布帛の糸束の幅よりも小さい、請求項１〜９のいずれかに記載のＦＲＰ製パネル。

（１１）前記（１）〜（１０）のいずれかに記載のＦＲＰ製パネルを用いた航空機用コンテナ。

本発明のＦＲＰ製パネルおよびそれを用いた航空機用コンテナによれば、主としてＦＲＰ製パネルのベース層に炭素繊維を用いているため炭素繊維使用量が少ないにも関わらず、フォークリフトのフォークが突き刺さった時の貫通強度が高いことから、軽量低コストであり、かつパネルの補修回数を削減することが可能となる。

また、本発明のＦＲＰ製パネルを用いた航空機用コンテナは、フレームに永久変形が発生する前にパネルが破断するために、フレームの補修回数も大幅に削減することが可能であり、メンテナンス性に優れた航空機用コンテナを得ることができる。

さらに、本発明のＦＲＰ製パネルおよびそれを用いた航空機用コンテナは、実質的にガラス繊維を有していないため、リサイクル性にも優れている。

本発明の一実施形態を示す航空機用コンテナの概略図である。本発明の一実施形態を示すＦＲＰ製パネルの概略断面図である。本発明におけるＦＲＰ製パネルの断面形状の一例である。本発明におけるＦＲＰ製パネルの断面形状の一例である。

以下、本発明の最良の実施形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、航空機用コンテナ１（以下、コンテナと略記）の概略図であり、図２は、本発明のＦＲＰ製パネル２の概略断面図である。

コンテナ１は、ＦＲＰ製パネル２からなる側板３、天井４、床板５およびアルミニウム合金製フレーム６を有している。コンテナ１は、フォークリフト運搬時に、フォークで持ち上げやすいようにフォーク挿入口を備えたパレット７を有していてもよい。フレーム６は、アルミニウム合金の代替として、軽量化の観点からＦＲＰ製とすることが別態様として好ましい。天井４は、コンテナ１を段積みした時に、上に積まれたコンテナ１の下面と擦れ合い、擦り傷が発生しやすいので、アルミニウム合金などの金属製とすることが好ましい。同様に、床板５は、コンテナ１をフォークリフトで運搬する時にフォークが接触するため、アルミニウム合金などの金属製とすることが好ましい。

ＦＲＰ製パネル２の断面形状としては、図３や図４に示す形状が例示できる。すなわち、図３は、平面形状であり、図４は、凹凸形状である。ＦＲＰ製パネル２の剛性が不足している場合、図４に例示するように凹凸に形成すると剛性が向上する。

ＦＲＰ製パネル２は、ベース層８と、該ベース層８の少なくとも片面にスキン層９を有している。なお、図２は、ベース層８の両面にスキン層９を有している態様を示している。該ベース層８の両面にスキン層９を有していると、ＦＲＰ製パネル２の反りが低減するので好ましい。ＦＲＰ製パネル２は、実質的にガラス繊維を有しておらず、前記ベース層８は、炭素繊維からなる炭素繊維布帛を含んでおり、前記スキン層９は、破断伸度が前記炭素繊維の５倍以上１５倍以下で、かつ、引張弾性率が前記炭素繊維の２０分の１以下である合成繊維からなる合成繊維布帛を含んでいる。

本発明におけるＦＲＰ製パネル２は、炭素繊維や合成繊維などの強化繊維と、マトリクス樹脂とを含むものである。また、ＦＲＰ製パネル２が実質的にガラス繊維を有していないとは、ガラス繊維の含有量が、廃棄する際の環境負荷が実質的にないと考えられる０．５質量％以下であることをいう。

本発明に用いられる炭素繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維等の少なくとも１種を用いることができるが、ＦＲＰ製パネル２の補修頻度を低減するために、破断伸度がより高いＰＡＮ系炭素繊維を用いることが好ましい。ＰＡＮ系炭素繊維は、高強度の炭化糸と高弾性の黒鉛化糸に分けることができるが、高強度な炭化糸を用いることがより好ましい。なお、かかる炭素繊維は、主としてＦＲＰ製パネル２のベース層８に用いる。炭素繊維は、繊維直交方向からの負荷（せん断力）に対する強度が低いため、ベース層８の片面もしくは両面にスキン層９を有することで、たとえばＦＲＰ製パネル２にフォークが突き刺さった瞬間、スキン層９がクッション材のような役割を果たしせん断力が緩和される。なお、本発明のＦＲＰ製パネル２を用いたコンテナ１においては、コンテナ１の外側からはフォークの突き刺しが、内側からは積載物の衝突があるためベース層８の両面にスキン層９を有することが好ましい。こうすることで、炭素繊維使用量が少ないにも関わらず、フォークリフトのフォークが突き刺さった時の貫通強度が高いＦＲＰ製パネル２が得られ、軽量、低コストでありながら、パネルの補修回数を削減することが可能になる。このような観点から、ＦＲＰ製パネル２のベース層８に用いられる繊維（マトリクス樹脂中に繊維が含まれている場合は、その繊維も含む）の９０質量％以上は炭素繊維であることが望ましく、９５質量％以上が炭素繊維であることがさらに望ましい。

本発明のＦＲＰ製パネル２のベース層８は、上記炭素繊維からなる炭素繊維布帛を有してなるが、かかる炭素繊維布帛としては、平織や綾織、繻子織等の織物や組物、マット等を用いることができる。好適な破断伸度を実現させる観点から、クリンプが小さく炭素繊維の体積含有量が高い扁平糸を用いた織物が好ましい。扁平糸とは、一般的に炭素繊維の糸束の幅／糸束の厚みの比が２０以上のものをいう。

本発明のＦＲＰ製パネル２のスキン層８に用いられる合成繊維としては、脂肪族ポリアミド繊維、ポリエステル繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、アクリル繊維、ビニロン繊維等を例示できるが、マトリクス樹脂との接着性の観点から、脂肪族ポリアミド繊維が好ましい。また、コンテナ１が屋外で使用される際などに、水濡れしたり乾燥したりすることによって合成繊維が膨潤と乾燥を繰り返し、合成繊維とマトリクス樹脂との界面に剥離を生じると、該隙間を通して例えば降雨時に雨漏りするため、かかる観点から、低吸水性のポリエステル繊維を用いることも好ましい。

かかる合成繊維の破断伸度が上記炭素繊維の５倍未満の場合、例えば、フォークリフトのフォークが突き刺さった瞬間に生じる初期歪みに耐えることができず、容易に破断してしまう。また、合成繊維の破断伸度が炭素繊維の１５倍よりも大きいと、スキン層９がＦＲＰ製パネル２の強度を保持してしまい、フォークがＦＲＰ製パネル２を貫通しないため、ＦＲＰ製パネル２を支持しているフレーム６が歪んでしまう。さらに、かかる合成繊維の引張弾性率が上記炭素繊維の２０分の１よりも大きいと、ＦＲＰ製パネル２の曲げ剛性が向上し、変形しにくくなるため、ＦＲＰ製パネル２を支持しているフレーム６が歪んでしまう。このような観点から、ＦＲＰ製パネル２のスキン層に用いられる繊維（マトリクス樹脂中に繊維が含まれている場合は、その繊維も含む）の９０質量％以上は上記合成繊維であることが望ましく、９５質量％以上が上記合成繊維であることがさらに望ましい。

合成繊維の糸束は、成形時にマトリクス樹脂を含浸させやすいように撚りが少ないことが好ましく、１ｍあたり５００回転以下の撚りであることが好ましい。５００回転を超えると、単糸間にマトリクス樹脂が含浸しにくくなり、合成繊維布帛とマトリクス樹脂との接着性が低下してしまう。また、マトリクス樹脂とのアンカー効果を得ることができるように、仮撚糸、タスラン加工糸、紡績糸の少なくとも１種を含んでいることが好ましい。

本発明のＦＲＰ製パネル２のスキン層９は、上記合成繊維からなる合成繊維布帛を含んでなるが、かかる合成繊維布帛としては、平織や綾織、繻子織等の織物や組物、メッシュ、不織布等を例示できる。

降雨時の雨漏り等の際、コンテナ１内への水の浸入を防止するために、ＦＲＰ製パネル２の表面においてマトリクス樹脂が部分的に抜け落ちることなく確実に保持されるように、スキン層９の最外層が不織布を含む層であることが好ましい。

また、ベース層８とスキン層９との層間剥離強度を向上させる観点から、スキン層９の最内層が不織布を含む層であること、すなわちベース層８とスキン層９との間に不織布を含んでいることが好ましい。

メッシュと不織布を重ねた形態の布帛は、成形時に取り扱いやすく、かつ、マトリクス樹脂を含浸させやすいため好ましい。さらに、不織布がベース層８と当接することが、ベース層８とスキン層９との層間強度を向上させるため好ましい。

一般に合成繊維は製造の際に油剤等が付与されており、マトリクス樹脂との接着性を低下させるので、油剤等を除去するための晒し加工が施された合成繊維布帛を用いることが好ましい。雨漏りの原因となるピンホールの発生を抑制する観点から、合成繊維布帛の糸束の幅が、炭素繊維布帛の糸束間の隙間量よりも小さいことが好ましい。

マトリクス樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂や、ＡＢＳ樹脂、ナイロン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリオフィレン樹脂等の熱可塑性樹脂が例示できる。航空機用コンテナは航空機に積載されるため、難燃性の高いマトリクス樹脂、例えば、フェノール樹脂や、難燃性のエポキシ樹脂やビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂であることが好ましい。また、マトリクス樹脂は、必要に応じてこれらのうち２種以上用いても良く、また、本発明の目的を損なわない限り、マトリクス樹脂中に、界面活性剤、内部離型剤、色素、難燃剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、強化繊維を含めても良い。

耐候性や意匠性を向上させるために、ＦＲＰ製パネル２の表面に塗料層やゲルコート層が形成されていてもよい。塗料としては、フェノール樹脂塗料、エポキシ樹脂塗料、ポリウレタン樹脂塗料、シリコン樹脂塗料、アクリル樹脂塗料、フッ素樹脂塗料などが例示できる。ゲルコートとしては、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、ポリエステル樹脂などが例示できる。

スキン層９がベース層８の両面にあるとき、それぞれのスキン層９ａおよび９ｂの構成（合成繊維の種類、布帛構造、マトリクス樹脂の種類、層厚みなど）は異なっていてもよい。

本発明のＦＲＰ製パネル２は、炭素繊維布帛や合成繊維布帛のプリプレグを積層してオートクレーブ成形する方法や、プレス成形する方法のほか、炭素繊維布帛や合成繊維布帛のプリフォーム等を用いてレジントランスファーモールディング法や、ハンドレイアップ法で成形する方法など、通常のＦＲＰの成形方法を用いて製作することができる。

以下、本発明の具体的実施形態を、実施例を用いて説明する。但し、本発明が、実施例に記載の態様に限定されるものではない。なお、各物性の評価は、以下の通りに行った。
［破断伸度および引張弾性率］
炭素繊維の破断伸度および引張弾性率は、ＪＩＳＲ７６０８−１９９５に記載の方法による引張試験に従い求めた。合成繊維の破断伸度および引張弾性率は、ＪＩＳＬ１０１３−１９９５に記載の方法による引張試験に従い求めた。
［糸束の幅、厚み］
（株）キーエンス製デジタルマイクロスコープ（ＶＨＸ−１００）で布帛の断面を観察し、糸束の幅および厚みを測定して求めた。なお、倍率は５０倍で観察した。
（実施例１）
ＦＲＰ製パネルのベース層の炭素繊維布帛として、炭素繊維「東レ（株）製“トレカ”Ｔ７００Ｓ」の扁平糸（糸束の幅＝５．０ｍｍ、糸束の厚み＝０．１ｍｍ、糸束の幅／糸束の厚みの比＝５０）からなる平織物を用い、スキン層の合成繊維布帛として、脂肪族ポリアミド繊維「東レ（株）製“東レナイロン”Ａ０１０」（糸束の幅＝０．２ｍｍ）からなる平織物を用いた。タテ糸は生糸、ヨコ糸はタスラン加工糸とした。各繊維の破断伸度および引張弾性率を表１に示す。本実施例において、スキン層の脂肪族ポリアミド繊維の破断伸度は炭素繊維の約９倍、引張弾性率は炭素繊維の約４７分の１（０．０２１倍）であった。

マトリクス樹脂としては、ビニルエステル樹脂「昭和高分子（株）製“リポキシ”Ｒ−８０２」を用いた。

ＦＲＰ製パネルは、ハンドレイアップ法で製作した。すなわち、脂肪族ポリアミド繊維平織物、炭素繊維平織物、脂肪族ポリアミド繊維平織物の順に積層し、マトリクス樹脂を含浸、硬化させて製作した。

得られたＦＲＰ製パネルを所定の形状に切断し、比較例と同様のフレームに取り付けてコンテナを製作した。ＦＲＰ製パネルにピンホールの発生はなく、雨漏りもなかった。

本ＦＲＰ製パネルを用いたコンテナの重量は９５ｋｇとなり、比較例に示した従来のアルミニウム合金製パネルを用いたコンテナに比べて、２５ｋｇ軽量化することができた。

さらに、フォークリフトのフォークが突き刺さったときの貫通強度は１５０ｋｇとなり、比較例に比べて２．５倍の強度となった。このとき、フレームの変形は発生しなかった。したがって、補修回数を大幅に削減することが可能なコンテナを得ることができた。
（実施例２）
実施例１において、スキン層の合成繊維布帛として、ポリエステル繊維「東レ（株）製東レ“テトロン”Ｃ２０１」（糸束の幅＝０．８ｍｍ）からなる平織物を用いた。タテ糸およびヨコ糸は仮撚糸とした。繊維の破断伸度および引張弾性率を表１に示す。さらに、スキン層の最外層の合成繊維布帛として、ポリプロピレン繊維不織布「ＭＫＶプラテック(株)製“パオパオ”」を用いた。本実施例において、スキン層のポリエステル繊維の破断伸度は炭素繊維の約９．５倍、引張弾性率は炭素繊維の約２１分の１（０．０４７倍）であった。

ＦＲＰ製パネルは、レジトランスファーモールディング法で製作した。すなわち、ポリプロピレン繊維不織布、ポリエステル繊維平織物、炭素繊維平織物、ポリエステル繊維平織物、ポリプロピレン繊維不織布の順に積層し、マトリクス樹脂を含浸、硬化させて製作した。

得られたＦＲＰ製パネルを所定の形状に切断し、比較例と同様のフレームに取り付けてコンテナを製作した。ＦＲＰ製パネルにピンホールの発生はなく、雨漏りもなかった。ポリエステル繊維を使用したため実施例１に比べて吸水による膨潤乾燥を抑制でき、優れた耐候性を有するＦＲＰ製パネルを得た。

本ＦＲＰ製パネルを用いたコンテナの重量は１００ｋｇとなり、比較例に示した従来のアルミニウム合金製パネルを用いたコンテナに比べて、２０ｋｇ軽量化することができた。

さらに、フォークリフトのフォークが突き刺さったときの貫通強度は１４０ｋｇとなり、比較例に比べて２．３倍の強度となった。このとき、フレームの変形は発生しなかった。したがって、補修回数を大幅に削減することが可能なコンテナを得ることができた。
（比較例）
従来の航空機用コンテナと同様に、アルミニウム合金Ａ５０５２−Ｔ６製パネルおよびフレームを用いて、ＬＤ−３Ｆ型の航空機用コンテナを製作した。重量は１２０ｋｇであった。
フォークリフトのフォークが突き刺さったときの貫通強度は次のようにして求めた。すなわち、コンテナ内に重りを順次積載していき、フォークリフトを２ｋｍ／ｈで走行させて、フォークをコンテナの側板に突き刺し、貫通したときの重りの総量を貫通強度とした。従来のアルミニウム合金製パネルを用いたコンテナの貫通強度は６０ｋｇであった。
（参考例）
ベース層およびスキン層の布帛として、芳香族ポリアミド繊維「帝人テクノプロダクツ（株）製“テクノーラ”Ｔ−２４０」（破断伸度および引張弾性率を表１に示す。）からなる平織物を用いたＦＲＰ製パネルを、比較例および実施例と同様のフレームに取り付けた場合、コンテナの重量は１００ｋｇと推定され、比較例に比べて２０ｋｇ軽量化することができるものの、フォークリフトのフォークが突き刺さるとフレームが曲がってしまい、補修コストが高くなったり、フレームを廃棄したりしなければならなくなる。

本発明のＦＲＰ製パネルは、航空機用コンテナに限らず、鉄道、トラック、又は船舶で輸送するコンテナなどにも応用することができ、また、その応用範囲がこれらに限られることはない。

１航空機用コンテナ
２ＦＲＰ製パネル
３側板
４天井
５床板
６フレーム
７パレット
８ベース層
９スキン層

Claims

ベース層と、該ベース層の少なくとも片面にスキン層を有するＦＲＰ製パネルであって、前記ＦＲＰは、実質的にガラス繊維を有しておらず、前記ベース層は、炭素繊維からなる炭素繊維布帛を含んでおり、前記スキン層は、破断伸度が前記炭素繊維の５倍以上１５倍以下で、かつ、引張弾性率が前記炭素繊維の２０分の１以下である合成繊維からなる合成繊維布帛を含むことを特徴とするＦＲＰ製パネル。
前記ベース層の両面に前記スキン層を有する、請求項１に記載のＦＲＰ製パネル。
前記合成繊維が、脂肪族ポリアミド繊維またはポリエステル繊維である、請求項１または２に記載のＦＲＰ製パネル。
前記合成繊維が、仮撚糸、タスラン加工糸、紡績糸の少なくとも１種を含んでいる、請求項１〜３のいずれかに記載のＦＲＰ製パネル。
前記スキン層の最外層が不織布を含む層である、請求項１〜４のいずれかに記載のＦＲＰ製パネル。
前記スキン層の最内層が不織布を含む層である、請求項１〜５のいずれかに記載のＦＲＰ製パネル。
前記スキン層がメッシュと不織布を重ねた形態の布帛を含む、請求項６に記載のＦＲＰ製パネル。
前記メッシュと不織布を重ねた形態の布帛が、不織布が前記ベース層と当接するように配置されている、請求項７に記載のＦＲＰ製パネル。
前記炭素繊維布帛が扁平糸織物である、請求項１〜８のいずれかに記載のＦＲＰ製パネル。
前記合成繊維布帛の糸束の幅が、前記炭素繊維布帛の糸束の幅よりも小さい、請求項１〜９のいずれかに記載のＦＲＰ製パネル。
請求項１〜１０のいずれかに記載のＦＲＰ製パネルを用いた航空機用コンテナ。