JP2018161830A - 繊維補強木材 - Google Patents

Abstract

【課題】曲げ方向だけではなく、特に軸方向の圧縮力に対して補強効果が発現する繊維補強木材とその製造方法を提供する。【解決手段】主に長さ方向に強化繊維が配置された板状の繊維樹脂複合材２と木材１とからなる構造材が中心部を構成し、さらにその中心部の構造材の周回方向に強化繊維３が巻き付けられ、樹脂で固定されている繊維補強木材。および、主に長さ方向に強化繊維が配置された板状の繊維樹脂複合材２と木材１とを積層し、その周囲に強化繊維プリプレグ３を巻き付け、プリプレグを固化することによる繊維補強木材の製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は強化繊維によって補強された木材に関し、さらに詳しくは繊維樹脂複合材によって補強された繊維補強木材に関する。

従来、単一木材や、木材の繊維方向を平行に接着剤をもちいて張り合わせた木質集成材は、建築物における壁材、あるいは柱、梁のような骨組材として広く用いられている。

ところが、これらの集成材を大型建築物や構造物に用いる場合、集成材の剛性や強度を高くする必要があり、集成材の厚みを大きくしなければならなかった。そしてその結果、建築物や構造物の天井が低くなったり、過剰な厚み設計が必要になるという問題があった。

このような課題を解決すべく、剛性と強度の高い強化繊維を、接着剤を介して接着した強化単一木材や強化集成材を用いることが提案されている。例えば特許文献１では、接着剤を含浸した繊維を、積層する木質材の表面に配設して接合させることにより、曲げ強度及び曲げ弾性率を向上させた集成材を製造している。しかしこの手法では、特に長軸方向に圧縮力がかかると繊維と木材とが容易に剥離し、十分な圧縮に対する補強効果を得ることができなかった。また、特許文献２では木質系積層体の木目を集成材の長手方向に合わせて、曲げ応力に優れた集成材を得ている。しかしこの手法も、軸方向の圧縮に対しては容易に剥離するという、同じ問題を有していた。

特許文献３では、樹脂を含浸した炭素繊維プリプレグシートに木質系シートを配置した炭素繊維強化木材を得ている。しかし曲げ強度と曲げ剛性を向上させているものの、軸方向の圧縮力に対しての補強効果は、それほど向上していなかった。

特開平３−２３０９０４号公報 特開昭５３−１０８１８２号公報 特開平９−２５４３１９号公報

本発明は、曲げ方向だけではなく、特に軸方向の圧縮力に対して補強効果が発現する、繊維補強木材を提供することにある。

本発明の繊維補強木材は、主に長さ方向に強化繊維が配置された板状の繊維樹脂複合材と木材とからなる構造材が中心部を構成し、さらにその中心部の構造材の周回方向に強化繊維が巻き付けられ、樹脂で固定されていることを特徴とする。

さらには、繊維樹脂複合材の厚さが１ｍｍ以上であって、木材と接触する面の８０％以上の面積を占めていることや、繊維樹脂複合材が２枚以上配置されていること、繊維樹脂複合材が木材の内部に配置されていることが好ましい。

また、幅方向と厚さ方向の比が５以内であることや、強化繊維が炭素繊維、芳香族ポリアミド繊維、ガラス繊維、バサルト繊維の群の中から選ばれるいずれかであることが好ましい。

もう一つの本発明の繊維補強木材の製造方法は、主に長さ方向に強化繊維が配置された板状の繊維樹脂複合材と木材とを積層し、その周囲に強化繊維プリプレグを巻き付け、プリプレグを固化することを特徴とする。

さらには、繊維樹脂複合材の厚さが１ｍｍ以上であって、木材と接触する面の８０％以上の面積を占めていることや、強化繊維プリプレグの積層後の厚さが０．１〜２ｍｍの範囲であることが好ましい。

本発明によれば、曲げ方向だけではなく、特に軸方向の圧縮力に対して補強効果が発現する、繊維補強木材が提供される。

本発明の繊維補強木材の模式図（実施例１） 木材のみからなる木質集成材の模式図（比較例１） 内部のみに強化繊維が存在する繊維補強木材の模式図（比較例２） 表面のみに強化繊維が存在する繊維補強木材の模式図（比較例１）

本発明の繊維補強木材は、主に長さ方向に強化繊維が配置された板状の繊維樹脂複合材と、木材とからなる構造材が中心部を構成するものであり、さらにその中心部の構造材の周回方向に強化繊維が巻き付けられて存在し、樹脂で固定されているものである。

そしてこの本発明の繊維補強木材の中心部は、繊維樹脂複合材と木材とからなる構造材であるが、繊維樹脂複合体は板状のものであって、主に長さ方向に強化繊維が配置された繊維樹脂複合材料である。ここで板状とは縦横方向が厚さ方向よりも大きいことを意味し、好ましくは厚さが０．５ｍｍ以上、さらには１〜１０ｍｍの厚さであることが好ましい。また主に長さ方向に強化繊維が配置されたとは、長さ方向に直交する幅方向や、角度を有する斜め方向の繊維よりも、長さ方向の繊維が多いことを意味する。

またこの繊維樹脂複合材は木材の断面の一面を覆っていることが好ましく、その接触する面の８０％以上、特に好ましくは全面を覆っていることが好ましい。さらに板状の繊維樹脂複合材の使用枚数としては複数枚であることが好ましい。

言い換えると、この繊維樹脂複合材と木材とからなる構造材としては、板状の繊維複合材と木材とが積層したものであることが好ましく、木材が外側に、そして繊維樹脂複合材が内部に積層したものであることがさらに好ましい。特には３枚の木材の間に２枚の繊維樹脂複合材が配置されていることが好ましく、さらには両方の外側から３０％以内の深さの位置に繊維樹脂複合材が配置されていることが好ましい。また、２枚の繊維樹脂複合材が、中心部から等しい位置に対称に配置されていることが好ましい。

そしてこの本発明で用いられる板状の繊維樹脂複合材は、強化繊維と樹脂とからなるものであるが、より具体的には、熱硬化性や熱可塑性の樹脂と、補強用の繊維とからなる複合材であることが好ましい。

ここで繊維樹脂複合材に用いられる補強用の強化繊維としては、木材の補強に適した強度を有する、種々の汎用的な強化繊維を用いることができる。さらには、その強化繊維の融点またはガラス転移温度としては、２００℃以上である有機繊維または無機繊維であることが好ましい。そのような繊維をもちいた本発明の繊維補強木材は、火災時においても強度低下が起こりにくい材料となる。

補強用の強化繊維としては、具体的には例えば、炭素繊維、芳香族ポリアミド繊維（アラミド繊維）、ポリアリレート繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサザール繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維、ポリイミド繊維、四フッ化エチレン繊維、ガラス繊維などであることが好ましい。特には補強用繊維（強化繊維）としては炭素繊維、芳香族ポリアミド繊維、ガラス繊維、バサルト繊維の群の中から選ばれるいずれかであることが好ましい。また、これらの強化繊維はそれらの単独または２種類以上を複合して用いてもよい。

そしてこのような繊維の中でも、本発明においては炭素繊維を繊維として用いることが好ましい。中でもポリアクリロニトリル系繊維を焼成して得られるアクリルニトリル系の炭素繊維であることが最も好ましい。さらに、引張り強度が２５００〜７０００ＭＰａであること、弾性率が１５０〜７００ＧＰａである炭素繊維であることが好ましい。

また用いる補強用の強化繊維は、その繊維直径としては７〜１３μｍであることが好ましく、さらには繊維束であることが好ましい。繊維束としては、構成本数が１０００本（１Ｋ）以上、特には１２０００本（１２Ｋ）以上であることが好ましい。上限としては３０００００本（３０Ｋ）以下であることが好ましい。

本発明の繊維補強木材においては、このような強化繊維は樹脂や木材とともに構造材を構成し、この板状の繊維樹脂複合材料は主に長さ方向に強化繊維が配置されたものである。先の述べたように主に長さ方向に強化繊維が配置されたとは、長さ方向に直交する幅方向や、角度を有する斜め方向の繊維よりも、長さ方向の繊維が多いことを意味し、さらには５０％以上の繊維が長さ方向に配置されていることが、特には９０％以上の繊維が長さ方向に配置されていることが好ましい。例えばより具体的には、繊維樹脂複合材における繊維の存在形態としては、一方向に繊維を引き揃えたＵＤ基材やその２方向以上の組合せ、織物など様々な形態も採用可能であって、必要とする強度に応じて設計することができる。但し実際の性能とコストとのバランスを加味した場合、一方向に引き揃えたＵＤ基材として用いることが特に好ましい。特にはＵＤ基材としては、引張強度や引張弾性率が高く、かつ耐熱性が高い炭素繊維を一方向に引き揃えたＵＤ基材を用いることが好ましい。

そして繊維樹脂複合材として繊維と共に用いられる樹脂としては、一般的に繊維補強複合材料のマトリックス樹脂となるものであれば特に制限はないが、特には熱硬化性樹脂であることが好ましい。熱硬化性樹脂の例としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂などを好ましくは挙げることができる。中でも物性のバランスの観点からはビニルエステル樹脂であることが好ましい。そして最終的に複合材を木材と接着する際にはフェノール樹脂計の接着剤を用いることが好ましい。

また複合体にもちいられる繊維は連続繊維であることが好ましい。そのような繊維形態を用いることによって、繊維による補強効果を、より効果的に発揮することが可能となる。さらに本発明で用いる複合材中の繊維と樹脂の体積分率としては４０／６０〜６０／４０の範囲であることが好ましい。

そして本発明の繊維補強木材では、その中心部に木材と繊維樹脂複合材からなる構造材が存在するが、その構造材中の各成分の存在比率としては、木材の重量に対して繊維樹脂複合材が、２から５０重量％の範囲で存在することが好ましい。

樹脂繊維複合材としては上記のものが、木材としては、スギ、ヒノキ、カラマツ、ベイマツ、トウヒ等の建築物に用いられる公知の木材や、ナラ、キリ、ケヤキ、カエデ、トチ、ホオ、サクラ、チーク、ラワン、スピナールなどの合板などに用いられる公知の木材がいずれも使用できる。また木材としては木材成分を主とするものであれば若干の他の成分を含む木質材料であっても良い。

本発明の繊維補強木材は、上記のような板状の繊維樹脂複合材と木材とからなる構造材が、その中心部を構成するのであるが、さらにその中心部の構造材の周回方向に強化繊維が巻き付けられて存在し、樹脂で固定されているものであることが必要である。

強化繊維としては先に板状の繊維樹脂複合材で用いたものと同様の繊維を用いることができ、同じ繊維であっても異なっていても良い。ただし、構造材の周回方向に強化繊維が存在するために、繊維としては長繊維であることが、さらに材質としては炭素繊維、芳香族ポリアミド繊維、ガラス繊維、バサルト繊維の群の中から選ばれた長繊維であることが特に好ましい。

このような強化繊維は、本発明では樹脂で固定されるのであるが、固定するために使用する樹脂としては先に繊維樹脂複合材料に用いられたものと同様なものを使用することができる。さらには熱硬化性樹脂であることが、特にはエポキシ樹脂であることが好ましい。

またこの最外層の強化繊維と樹脂の厚さとしては、最終的に０．１〜２ｍｍの厚さであることが好ましい。そして構造材を周回している樹脂と繊維とからなる最外層においては、強化繊維の存在比率が４０体積％以上であることが、特には５０〜６５体積％を占めることが好ましい。

上記のような強化繊維と樹脂と木材とから構成される本発明の繊維補強木材は、幅方向と厚さ方向に対し、長さ方向が長いことが好ましい。幅方向と厚さ方向の短い方に対し、長さ方向が１０倍以上の長さを有することが、さらには２０から１０００倍の範囲にあることが好ましい。また幅方向と長さ方向の比としては５以内であることが好ましい。

そしてもう一つの本発明の繊維補強木材の製造方法は、主に長さ方向に強化繊維が配置された板状の繊維樹脂複合材と木材とを積層し、その周囲を強化繊維プリプレグを巻き付け、次いでプリプレグを固化する製造方法である。

ここで本発明の製造方法に用いられる強化繊維や、繊維樹脂複合材料中の樹脂としては上記の繊維強化木材に用いられたものと同様なものを使用することができる。

また積層される繊維樹脂複合材の厚さとしては、０．５ｍｍ以上、さらには１〜１０ｍｍの厚さであることが好ましい。またこの繊維樹脂複合材は木材の断面の一面を覆っていることが好ましく、その接触する面の８０％以上、特に好ましくは全面を覆っていることが好ましい。

そして強化繊維プリプレグの巻き付けかたとしては、複数回まきつけたものであることが好ましく、最終的な強化繊維プリプレグの厚さとしては、０．１〜２ｍｍの範囲であることが好ましい。そして構造材を周回している最外層においては、強化繊維の存在比率が４０体積％以上であることが、特には５０〜６５体積％を占めることが好ましい。

またこの強化繊維プリプレグとしては、強化繊維に炭素繊維を用いたものであることが好ましく、単糸の太さとしては７〜１３μｍの範囲であることが好ましい。特には強化繊維が一方向に配向されたＵＤシートであることが好ましく、構成繊維は繊維束の状態で存在していることが、その繊維束の構成本数としては、１２Ｋ以上であることが好ましい。好ましく用いられる炭素繊維プリプレグとしては、市販の東邦テナックス株式会社製の「ＳＴＳ２４ｋ」、「ＵＴＳ１２ｋ」、「ＵＴＳ２４ｋ」、「ＩＭＳ２４ｋ」などを挙げることができる。プリプレグを固化する方法としては、加熱加圧処理することが好ましい。

そして本発明の繊維補強木材は、上記のようなもう一つの本発明の繊維補強木材の製造方法によって得られるものであり、中心部の構造材に存在する繊維樹脂複合材と、最外部に配置され構造材を周回する強化繊維とが、効果的に木材を補強し、特に軸方向の圧縮力に対する大きな補強効果が得られる繊維補強木材となった。

このような本発明の繊維補強木材は、通常の木材および集成材として使用される用途に適用でき、さらには、学校、体育館、講堂、各種室内球技場やドームなどの大型建築物、３階以上の住宅、木橋の骨材として好適に用いられる。

以下、本発明を実施例によりさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。

［実施例１］
厚み３０ｍｍ、幅４０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの木材の両面に、厚み２ｍｍ、幅４０厚、長１５０ｍｍの板状の炭素繊維強化複合材料（繊維樹脂複合材）をイソシアネート系接着剤を用いて、補強した。炭素繊維強化複合材料は炭素繊維が１２０００本（１２Ｋ）集合した繊維束が、一方向に、木材の長さ方向に沿うように配置されたものであった。炭素繊維強化複合材料に用いた樹脂はエポキシ系の熱硬化型樹脂であった。

さらに木材を挟んだ２枚の炭素繊維複合材料のさらに外側に、厚さ１０ｍｍ、幅４０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの木材２枚を、イソシアネート系接着剤を用いて接着し、繊維複合材２枚と木材３枚とから構成される構造材とした。

その後、この構造材に対し、厚み０．２５ｍｍのエポキシ樹脂含浸炭素繊維シート（強化繊維プリプレグ）を、構造材の長手方向に対して、繊維配向が９０°となるように、３周巻きつけた。エポキシ樹脂含浸炭素繊維シートは、炭素繊維が１２０００本（１２Ｋ）集合した繊維束が一方向に配置されたものであった。

その後、全体を１５０℃のプレス機で圧縮加熱することにより、樹脂含浸炭素繊維シートを硬化させ、繊維補強木材とした。

得られた繊維補強木材を、万能試験機（株式会社エー・アンド・デイ社製、「テンシロンＲＦＴ２４１０」）を用いて、長さ方向の圧縮強度を測定したところ、その破断強度は、４９ＭＰａとの高いものであった。そしてその破壊形態は、端部から徐々に破壊が進行し、中心部の繊維樹脂複合材の全体の破壊と同調し、端部から徐々には破壊される安定性の高い破壊形態であった。

［比較例１］
強化繊維や繊維樹脂複合材を用いずに、厚み３０ｍｍ、幅４０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの木材の両面に、厚さ１０ｍｍ、幅４０ｍｍ、長さ１５０ｍｍの木材２枚を、実施例１と同様にイソシアネート系接着剤を用いて接着し、集成材（木質材料）を得た。実施例１と同様に長さ方向の圧縮強度を測定したところ、その破断強度は、３８ＭＰａに過ぎなかった。なお、その破壊形態は端部から徐々に破壊されていた。

［比較例２］
構造材の周囲をエポキシ樹脂含浸炭素繊維シート（強化繊維プリプレグ）で補強しなかった以外は、実施例１と同様にして、繊維補強木材を得た。すなわち実施例１の中心部の構造材のみからなる繊維補強木材とした。実施例１と同様に長さ方向の圧縮強度を測定したところ、その破断強度は、４０ＭＰａであった。その破壊形態は構造材を構成する繊維樹脂複合材と木材の界面で剥離が進行し、一か所において曲げ破壊が進行したものであった。

［比較例３］
中心部の構造材としては比較例１の集成材を用い、その強化繊維を含有しない構造材の周囲を、実施例１と同様にエポキシ樹脂含浸炭素繊維シート（強化繊維プリプレグ）で補強して、繊維補強木材を得た。すなわち周辺部のみにを強化繊維によって補強された繊維補強木材とした。実施例１と同様に長さ方向の圧縮強度を測定したところ、その破断強度は、４２ＭＰａと比較的高いものであった。しかしその破壊形態は、当初は徐々に破壊が進んだものの、突然全体が圧縮破壊されるという安定感に劣るものであった。

１ 木材
２ 繊維樹脂複合材
３ 強化繊維プリプレグ

Claims (9)

1. 主に長さ方向に強化繊維が配置された板状の繊維樹脂複合材と木材とからなる構造材が中心部を構成し、さらにその中心部の構造材の周回方向に強化繊維が巻き付けられ、樹脂で固定されていることを特徴とする繊維補強木材。
2. 繊維樹脂複合材の厚さが１ｍｍ以上であって、木材と接触する面の８０％以上の面積を占めている請求項１記載の繊維補強木材。
3. 繊維樹脂複合材が２枚以上配置されている請求項１または２記載の繊維補強木材。
4. 繊維樹脂複合材が木材の内部に配置されている請求項１〜３のいずれか１項記載の繊維補強木材。
5. 幅方向と厚さ方向の比が５以内である請求項１〜４のいずれか１項記載の繊維補強木材。
6. 強化繊維が炭素繊維、芳香族ポリアミド繊維、ガラス繊維、バサルト繊維の群の中から選ばれるいずれかである請求項１〜５のいずれか１項記載の繊維補強木材。
7. 主に長さ方向に強化繊維が配置された板状の繊維樹脂複合材と木材とを積層し、その周囲に強化繊維プリプレグを巻き付け、プリプレグを固化することを特徴とする繊維補強木材の製造方法。
8. 繊維樹脂複合材の厚さが１ｍｍ以上であって、木材と接触する面の８０％以上の面積を占めている請求項７記載の繊維樹脂補強木材の製造方法。
9. 強化繊維プリプレグの積層後の厚さが０．１〜２ｍｍの範囲である請求項７または８記載の繊維樹脂補強木材の製造方法。
   

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