JP2012528746A - 繊維強化樹脂ボルトおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

繊維強化樹脂（ＦＲＰ）ボルトおよびこれを製造するための方法が開示される。ＦＲＰボルトは、電気絶縁、耐腐食性、断熱、非磁性を有するボルトを必要とする産業分野に用いて好適である。前記ＦＲＰボルトの製造方法は、ボルトの軸方向に沿って一方向に引揃えられた第１の強化繊維および前記第１の強化繊維に含浸された合成樹脂を含む芯材の表面の周縁に、第２の強化繊維および前記第２の強化繊維に含浸された熱硬化性樹脂を含むプリプレグを巻回するステップと、前記プリプレグを熱硬化させて繊維強化樹脂丸棒を製造するステップと、前記繊維強化樹脂丸棒の表面にネジ山を形成するステップと、を含む。

Description

本発明は、繊維強化樹脂ボルトおよびその製造方法に関する。繊維強化樹脂ボルトは、電気絶縁、耐腐食性、断熱、非磁性などを必要とする産業分野に用いて好適である。

繊維強化樹脂（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ：ＦＲＰ）は、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維などの強化繊維にエポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂などの合成樹脂を含浸させて製造される。繊維強化樹脂は、一般に、電気絶縁、断熱、非磁性を必要とする各種の分野で用いられ、且つ、土木および建築分野において構造用補強材として用いられている。さらに、繊維強化樹脂は、物体を固定するボルトまたはナットなどの物品を製造するのに用いられる。

図３および図４は、従来の方法によるＦＲＰボルトの製造工程を示す図である。図３に示すように、従来の方法においては、長繊維状の強化繊維１２を平行に送りつつ、長繊維状の強化繊維１２を合成樹脂液に含浸させ、熱成形ダイ２０でこれを引拔成形する。引拔成形されて合成樹脂に含浸された繊維は、硬化されてＦＲＰ丸棒１４を形成する。硬化された丸棒１４を、切断器２２を用いて、所要の長さに切断する。次に、図４の（Ａ）に示すように、ネジ切断装置であるバイト２４でＦＲＰ丸棒１４の表面を切削してＦＲＰボルト１６のネジ山を製造する。製造されたＦＲＰボルト１６の縦方向断面図である図４の（Ｂ）に示すように、製造されたＦＲＰボルト１６はボルト１６の軸方向に沿って一方向に引揃えられる長繊維１２を有する。このため、ＦＲＰボルト１６のネジ山が外力によって損傷され易く、且つ、ＦＲＰボルト１６は強い力が働く構造物の連結には不向きである。換言すれば、ＦＲＰの丸棒１４の表面を切削加工してＦＲＰボルト１６のネジ山を形成することにより、ネジ山の強化長繊維１２が切断されて、長繊維１２の機械的な強度が低下し、しかも、ＦＲＰボルト１６の引張強さも低下する。

一方、ＦＲＰボルトのネジ山の強度を高めるために、芯材とこれを覆うネジ山の形成材料を異ならせ、モールドを用いてネジ山を成形する方法が、特開平７−２７９９３３号公報に開示されている。しかしながら、同方法は、モールドに樹脂を含浸して硬化させる過程が複雑であるため、ボルトの生産性の面で好ましくない。また、第１のモールドを用いて、熱可塑性樹脂を含浸させた強化繊維材料からなる丸棒を成形するステップおよび第２のモールドを用いて、丸棒をネジ山付きボルトに成形するステップを含む方法が、特開平６−１１４８５９号公報に開示されている。しかしながら、同方法は、熱可塑性材料から作製された成形プリホームを必要とし、このプリホームが再加工される必要がある。このため、同方法は、生産性の面では好ましくない。なお、モールド工程を用いてＦＲＰボルトのネジ山を形成するために、ボルトの種類およびサイズ別にモールドを備えることを余儀なくされるため、生産コストが高くつき、しかも、生産性が低下する。

本発明の目的は、高強度ネジ山を有する繊維強化樹脂ボルトを提供することである。
本発明の他の目的は、優れた生産性で良質の繊維強化樹脂ボルトを製造することのできる方法を提供することである。

前記目的を達成するために、本発明は、芯材の表面にプリプレグを巻回するステップ（ここで、前記芯材は、ボルトの軸方向に沿って一方向に引揃えられた第１の強化繊維および前記第１の強化繊維に含浸された合成樹脂を含み、前記プリプレグは、第２の強化繊維および前記第２の強化繊維に含浸された熱硬化性樹脂を含む）と、前記プリプレグを熱硬化させて繊維強化樹脂丸棒を製造するステップと、前記繊維強化樹脂丸棒の表面にネジ山を形成するステップと、を含む繊維強化樹脂ボルトの製造方法を提供する。
また、本発明は、ボルトの軸方向に沿って一方向に引揃えられた第１の強化繊維および前記第１の強化繊維に含浸された合成樹脂を含む芯材と、前記芯材を囲繞しており、第２の強化繊維および前記第２の強化繊維に含浸された熱硬化性樹脂を含む硬化されたプリプレグ層と、を備え、ネジ山が硬化されたプリプレグ層の外表面に形成される繊維強化樹脂ボルトを提供する。

本発明による繊維強化樹脂（ＦＲＰ）ボルトにおいては、ネジ山が第２の強化繊維を有する硬化されたプリプレグ層の上に形成される。硬化されたプリプレグ層は、芯材の周縁をプリプレグにより少なくとも１回囲繞することにより形成される。このため、たとえ第２の強化繊維がネジ山の形成によって部分的に切断または損傷されても、ネジ山の周方向に向かう第２の強化繊維が残留する。残留する強化繊維は、ネジ山の強度を増大させる。なお、本発明のＦＲＰボルトにおいて、芯材と硬化されたプリプレグ層とが強固に貼り合わせられてＦＲＰボルトの引張強さを増大させる。

本発明の一実施形態によるＦＲＰボルトの製造方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態によるＦＲＰボルトの縦断面図（Ａ）および横断面図（Ｂ）である。 従来の技術によるＦＲＰボルトの製造工程を示す図である。 従来の技術によるＦＲＰボルトの製造工程を示す図である。

本発明のより一層完璧な理解および多くの利点は、下記の詳細な説明から一層明らかになる。

図１は、本発明の一実施形態によるＦＲＰボルトの製造方法を示す図である。図１に示すように、本発明の一実施形態によりＦＲＰボルトを製造する方法は、芯材３４の表面にプリプレグ４４を巻回するステップを含む（図１のＡを参照）。芯材３４は、ボルトの軸方向に沿って一方向に引揃えられた第１の強化繊維３２および前記第１の強化繊維３２に含浸された合成樹脂を含む。プリプレグ４４は、第２の強化繊維４２および前記第２の強化繊維４２に含浸された熱硬化性樹脂を含む。好ましくは、図１に示すように、芯材３４は丸棒状を呈し、プリプレグ４４はシート状を呈する。芯材３４の周縁にプリプレグ４４を少なくとも１回転以上、好ましくは、２〜５０回転、さらに好ましくは、１０〜４０回転巻回して、ネジ山を巻回されたプリプレグ層の上に形成する。次に、巻回されたプリプレグ４４が熱硬化されて繊維強化樹脂丸棒５４を形成する。好ましくは、熱硬化は、熱収縮フィルム５２をプリプレグ４４の周縁に巻回し、且つ、熱収縮フィルム５２およびプリプレグ４４を加熱することにより行われる（図１のＢを参照）。熱硬化によって、芯材３４とプリプレグ４４の層とが強固に貼り合わせられる。次に、バイトなどの切削具６２で、繊維強化樹脂丸棒５４の表面にネジ山を形成して本発明のＦＲＰボルト６４を製造する（図１のＣを参照）。

前記芯材３４において、第１の強化繊維３２は合成樹脂を強化させるのに用いられ、第１の強化繊維３２の例としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、これらの混合物などが挙げられる。第１の強化繊維３２は、製造されたＦＲＰボルト６４の用途または要求特性に応じて選ばれる。前記芯材３４は、主としてＦＲＰボルト６４の曲げ抵抗性を増大させる。このため、好ましい第１の強化繊維３２は、短繊維またはモノフィラメントよりは長繊維であり、芯材３４およびＦＲＰボルト６４の方向に沿って一方向に引揃えられる。仮に、短繊維またはモノフィラメントが第１の強化繊維３２として用いられれば、満足のいくＦＲＰボルト６４の機械的な強度が得られない虞がある。このため、さらに好ましい第１の強化繊維３２は、芯材３４の方向に沿って連続して広がる長繊維である。第１の強化繊維３２を含浸するための合成樹脂の例としては、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、これらの混合物などが挙げられる。前記芯材３４における第１の強化繊維３２の体積含量（Ｖｆ）は、芯材３４の全体積に基づいて、好ましくは、１０〜９０％であり、さらに好ましくは、３０〜８０％であり、最も好ましくは、４５〜６０％の範囲である。前記第１の強化繊維３２の体積含量（Ｖｆ）が前記範囲を下回ると、満足のいくＦＲＰボルト６４の曲げ抵抗性が得られない虞がある。前記第１の強化繊維３２の体積含量（Ｖｆ）が前記範囲を上回ると、芯材３４が正常に製造されず、且つ、第１の強化繊維３２の間に気孔（ボイド）が生じてしまい、芯材３４の機械的な強度を低下させる。前記芯材３４は、第１の強化繊維３２および樹脂を一緒に引拔成形して製造することができる。例えば、芯材３４は、直径１〜５０ｍｍ、好ましくは、直径３〜２０ｍｍの丸棒または円柱状を呈してもよい。なお、必要に応じて、プリプレグ４４を巻回する前に、芯材３４の表面を研磨および洗浄してもよい。

前記プリプレグ４４に用いられる第２の強化繊維４２も、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、これらの混合物などからなっていてもよい。第２の強化繊維４２の形状は、長繊維から製織（平織、朱子織など）された織物、一方向に引揃えられた長繊維、多方向、すなわち、無作為に引揃えられた短繊維またはモノフィラメントシート、短繊維またはモノフィラメント不織布、これらの混合物などよりなる群から選ばれても良い。この場合、短繊維またはモノフィラメントの長さは、一般に、１〜１００ｍｍであり、好ましくは、２〜５０ｍｍである。ＦＲＰボルト６４を生産するための作業性および生産性を考慮するとき、さらに好ましい第２の強化繊維４２は、織物または不織布の形状を有する。平織構造に製織された強化繊維４２が第２の強化繊維４２として用いられる場合、前記芯材３４の方向と平織構造に製織された強化繊維４２内の繊維との間の角度は、０〜９０°であり、例えば、１０°〜８０°、さらに好ましくは、３０〜６０°である。例えば、図１に示すように、（９０°の角度で直交する）横方向と縦方向に向かう織物状の強化繊維４２の長繊維が芯材の周縁に平行に巻回されれば、芯材３４と強化繊維４２内の繊維との間の角度は０および９０°である。一方、（９０°の角度で直交する）横方向と縦方向に向かう織物状の強化繊維４２の長繊維が芯材の周縁に４５°の角度で巻回されれば、芯材３４と強化繊維４２内の繊維との間の角度は、４５°および−４５°である。ＦＲＰボルト６４の強度を増大させるために、角度は、好ましくは、０°および９０°である。

前記プリプレグ４４において第２の強化繊維４２に含浸される熱硬化性樹脂として、前記芯材３４に用いて好適な合成樹脂が使用可能である。熱硬化性樹脂の具体例としては、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、これらの混合物などが挙げられる。熱硬化性樹脂は、８０〜２５０℃の温度で１２０分以内に硬化されることが好ましい。プリプレグ４４および芯材３４用の樹脂として、他の樹脂が使用可能である。しかしながら、プリプレグ４４および芯材３４用の樹脂として、同じ種類の樹脂が用いられれば、芯材とプリプレグ４４との間の貼合強度が高くなる。

前記熱硬化性プリプレグ４４において、第２の強化繊維４２の体積含量（Ｖｆ）は、プリプレグ４４の総体積含量に基づいて、好ましくは、１０〜９０％であり、さらに好ましくは、３０〜８０％であり、最も好ましくは、４５〜６０％である（この場合、樹脂の体積含量は、４０〜４５％であることが最も好ましい）。前記第２の強化繊維４２の体積含量（Ｖｆ）が上述した範囲を下回ると、ネジ山の強度が不十分になる虞がある。前記第２の強化繊維４２の体積含量（Ｖｆ）が上述した範囲を上回ると、プリプレグ４４内の樹脂の含量が不十分になる結果、芯材３４にプリプレグ４４を巻回する作業が適切に行われず、その結果、ＦＲＰボルト６４の品質が低下する虞がある。前記熱硬化性プリプレグ４４において、第２の強化繊維４２の目付は、５〜５００ｇ／ｍ^２の範囲であることが好ましい。前記プリプレグ４４は、シート状を呈してもよい、シートの厚さは、通常、０．０２〜２．５ｍｍであることが好ましい。プリプレグ４４の芯材３４の周縁への巻回数は、形成されるネジ山の高さによって決められ、好ましくは、巻回数は、２〜５０回転である。

前記芯材３４に巻回されたプリプレグ４４を熱硬化させるために、芯材３４およびプリプレグ４４はプリプレグ４４の直径よりも小径を有するモールドに挿入され、圧力および熱を熱硬化のためのモールド内のプリプレグ４４に加えることができる。しかしながら、この場合、プリプレグ４４の各タイプ、サイズまたは直径に合わせて多数のモールドが用意されなければならず、これは、生産コストの増大および生産性の低下につながる。このため、本発明においては、熱硬化過程のために、熱収縮フィルム５２が用いられることが好ましい。具体的に、熱収縮フィルム５２をプリプレグ４４の周縁に巻回し、熱および圧力を、例えば、オーブンで、熱収縮フィルム５２、プリプレグ４４および芯材３４に加えて、繊維強化樹脂丸棒５４を製造する。従来の熱収縮フィルムが本発明において使用可能である。熱収縮フィルム５２は、ポリプロピレン、ポリエステルなどから製作されてもよく、前記熱収縮フィルム５２の収縮率は、前記プリプレグ４４が一定のサイズに硬化されるように、前記芯材３４およびプリプレグ４４の物性に応じて適切に調節可能である。プリプレグ４４は、伝統的に釣竿、ゴルフシャフトなどの丸棒を製造するのに用いられ、大量の丸棒を製造する上で好適である。

次に、ネジ山を繊維強化樹脂丸棒５４の表面上、より具体的に、硬化されたプリプレグ４４の上に形成してＦＲＰボルト６４を製造する。ネジ山は、ネジ山を切削するバイトなどの従来の切断具６２で形成することができる。ネジ山の加工に際しては、ネジ山の底部が芯材３４内よりは、硬化されたプリプレグ層４４内に形成されることが好ましい。さらに好ましくは、ネジ山の底部と芯材３４との間の距離、すなわち、加工されずに残留するプリプレグ４４の最小厚さが０．１ｍｍ以上、好ましくは、０．５ｍｍ以上、具体的に、０．５〜５ｍｍであることが好ましい。ネジ山の底部と芯材３４との間の距離が０．１ｍｍ以下であれば、ネジ山を形成するプリプレグ４４は芯材３４から引き剥がされて、ネジ山の引張強さが低下する虞がある。

図２は、本発明の一実施形態によるＦＲＰボルトの縦断面図（Ａ）および横断面図（Ｂ）を示す。図２に示すように、本発明によるＦＲＰボルト６４は、多層構造を有するものであり、多層構造は、ボルトの軸に沿って一方向に引揃えられた第１の強化繊維３２および前記第１の強化繊維３２に含浸された合成樹脂を含む芯材３４、および前記芯材３４を囲繞しており、第２の強化繊維および前記第２の強化繊維に含浸された熱硬化性樹脂を含む硬化されたプリプレグ４４を含み、ここで、ネジ山は、硬化されたプリプレグ４４の外周面の上に形成される。必要に応じて、熱収縮フィルム５２が、図１のＣに示すように、前記ネジ山が形成されていないプリプレグ４４の周縁に巻回されていてもよい。本発明のＦＲＰボルトにおいて、ネジ山はプリプレグ４４の上に形成され、プリプレグ４４は芯材３４に強固に貼り付けられてネジ山の強さを増大させる。

以下、実施例および比較例を挙げて本発明を詳述する。下記の実施例は本発明を例示するためのものであり、本発明の範囲が下記の実施例によって限定されることはない。

［実施例１］ＦＲＰボルトの製造
丸棒（芯材）の軸に沿って一方向に引揃えられる、ガラス繊維とガラス繊維に含浸されるエポキシ樹脂を有する直径８ｍｍの丸棒（芯材）を引拔成形法で製作した。平織構造に製織された、ガラス繊維と前記ガラス繊維に含浸されたエポキシ樹脂を有する厚さ０．１３ｍｍの織物プリプレグを丸棒（芯材）の周縁に巻回した。織物プリプレグの繊維と丸棒の軸との間の角度は、０°および９０°であった。次に、幅１５ｍｍ、厚さ３０ミクロンのポリプロピレン熱収縮フィルムに３ｋｇｆの引張り力を与え、ピッチ１．５ｍｍで、前記織物プリプレグの周縁に巻回した。巻回されたプリプレグを１２５℃において６０分間硬化させて、直径１３ｍｍのＦＲＰ丸棒を製作した。切削具を用いて、硬化されたプリプレグを切削してネジ山を形成した（ピッチ：１．５、Ｍ１２）。ネジ山の深さは、ネジ山の底部と芯材との間の距離が１．２ｍｍになるように制御した。

［実施例２］ＦＲＰボルトの製造
丸棒（芯材）の軸に沿って一方向に引揃えられた、ガラス繊維とガラス繊維に含浸されるエポキシ樹脂を有する直径８ｍｍの丸棒（芯材）を引拔成形法で製作した。平織構造に製織された、ガラス繊維と前記ガラス繊維に含浸されたエポキシ樹脂を有する厚さ０．１３ｍｍの織物プリプレグを丸棒（芯材）の周縁に巻回した。織物プリプレグの繊維と丸棒の軸との間の角度は４５°および−４５°であった。次に、幅１５ｍｍ、厚さ３０ミクロンのポリプロピレン熱収縮フィルムに３ｋｇｆの引張り力を与え、ピッチ１．５ｍｍで、前記織物プリプレグの周縁に巻回した。巻回されたプリプレグを１２５℃において６０分間硬化させて、直径１３ｍｍのＦＲＰ丸棒を製作した。切削具を用いて、硬化されたプリプレグを切削してネジ山を形成した（ピッチ：１．５、Ｍ１２）。ネジ山の深さは、ネジ山の底部と芯材との間の距離が１．２ｍｍになるように制御した。

［比較例］ＦＲＰボルトの製造
丸棒の軸に沿って一方向に引揃えられたガラス繊維とガラス繊維に含浸されるエポキシ樹脂を有する直径１３ｍｍのＦＲＰ丸棒を引拔成形法で製作した。切削具を用いて、ＦＲＰ丸棒を切削してネジ山を形成した。ネジ山は、実施例１および２のＦＲＰボルトと同じサイズに形成された（ピッチ：１．５、Ｍ１２）。

前記実施例および比較例に従い製造されたボルトの引張強さを評価するために、長さ１６０ｍｍのＦＲＰボルトの各端部にそれぞれ高さ９．８ｍｍの鉄ナットを締め付けた。材料試験機に取り付けて２．５４ｍｍ／分の速度でＦＲＰボルトに引張強さを加え、ＦＲＰボルトのネジ山が支持する引張強さを測定し、その結果を下記表１に示す。

前記表１から、プリプレグ層の上にネジ山を形成すれば、ネジ山の強度が向上して、ＦＲＰボルトの引張強さが画期的に向上する。また、プリプレグの強化繊維方向が０°および９０°である場合（実施例１）に、ＦＲＰボルトの引張強さは、強化繊維方向が４５°および−４５°である実施例２のＦＲＰボルトよりも優れている。なお、ＦＲＰボルトの強化繊維方向が０°および９０°である場合（実施例１）に、プリプレグの切断工程が一層容易に行われる。

本願は、２００９年６月３日付けで出願された大韓民国特許出願第１０−２００９−００４８８７９号公報の優先権の利益を請求する。大韓民国特許出願のあらゆる開示内容は、本願に参照として取り込まれる。

Claims (9)

1. ボルトの軸方向に沿って一方向に引揃えられた第１の強化繊維および前記第１の強化繊維に含浸された合成樹脂を含む芯材の表面に、第２の強化繊維および前記第２の強化繊維に含浸された熱硬化性樹脂を含むプリプレグを巻回するステップと、
   前記プリプレグを熱硬化させて繊維強化樹脂丸棒を製造するステップと、
   前記繊維強化樹脂丸棒の表面にネジ山を形成するステップと、
   を含む繊維強化樹脂ボルトの製造方法。
2. 前記第１の強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維およびこれらの混合物よりなる群から選ばれ、前記第１の強化繊維の体積含量は、芯材の全体体積に基づいて、１０〜９０％のものである、請求項１に記載の繊維強化樹脂ボルトの製造方法。
3. 第２の強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維およびこれらの混合物よりなる群から選ばれ、前記第２の強化繊維の形状は、長繊維から製織された織物、一方向に引揃えられた長繊維、多方向に引揃えられた短繊維またはモノフィラメントシート、短繊維またはモノフィラメント不織布およびこれらの混合物よりなる群から選ばれるものである、請求項１に記載の繊維強化樹脂ボルトの製造方法。
4. 前記熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂およびこれらの混合物よりなる群から選ばれ、第２の強化繊維の体積含量は、前記プリプレグの全体体積に基づいて、１０〜９０％のものである、請求項１に記載の繊維強化樹脂ボルトの製造方法。
5. 前記プリプレグの熱硬化ステップは、前記プリプレグの周縁に熱収縮フィルムを巻回し、前記熱収縮フィルムおよび前記プリプレグを加熱して行われるものである、請求項１に記載の繊維強化樹脂ボルトの製造方法。
6. 前記プリプレグの熱硬化ステップは、前記芯材および前記プリプレグを前記プリプレグの直径よりも小径を有するモールドに挿入し、熱および圧力を前記モールド内のプリプレグに印加して行われるものである、請求項１に記載の繊維強化樹脂ボルトの製造方法。
7. ボルトの軸方向に沿って一方向に引揃えられた第１の強化繊維および前記第１の強化繊維に含浸された合成樹脂を含む芯材と、
   前記芯材を囲繞しており、第２の強化繊維および前記第２の強化繊維に含浸された熱硬化性樹脂を含む硬化されたプリプレグ層と、
   を備え、
   ネジ山が硬化されたプリプレグ層の外表面に形成される、繊維強化樹脂ボルト。
8. 前記第１の強化繊維は、前記芯材の方向に沿って連続して延びた長繊維である、請求項７に記載の繊維強化樹脂ボルト。
9. 前記ネジ山の底部と前記芯材との間の距離は、０．１ｍｍ以上である、請求項７に記載の繊維強化樹脂ボルト。

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