JP2020031936A - 繊維強化プラスチック成形物及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】アングル層の強度に優れた繊維強化プラスチック成形物の提供。【解決手段】管状体２００は、長手方向を有する繊維強化プラスチック成形物の一例である。この管状体２００は、繊維強化プラスチック層を含んでいる。前記繊維強化プラスチック層は、前記長手方向に対して傾斜して配向した斜行繊維を含むアングル層を有している。前記アングル層が、螺旋状に延在するテープ状プリプレグＴＰ１により形成されたテープ層を有している。テープ状プリプレグＴＰ１は、その延在方向に平行な連続繊維を含んでいる。この連続繊維が、前記斜行繊維を構成している。この繊維強化プラスチック成形物は、例えば、ゴルフクラブシャフトであってもよい。【選択図】図１

Description

本開示は、繊維強化プラスチック成形物及びその製造方法に関する。

繊維強化プラスチック成形物の製造方法として、シートワインディング法が知られている。このシートワインディング法では、プリプレグシートが巻回される。このシートワインディング法では、シートの巻き終わり縁部が起き上がる現象（起き上がり）が生じる。アングルシートは、繊維が長手方向に沿っていないため、起き上がりが生じやすい。特開２００２−６５１９４号公報は、アングルシートの「起き上がり」を防止するために、このアングルシートの外側に巻き付けられたプリプレグテープを開示する。

特開２００２−６５１９４号公報

アングルシートを巻き付けてアングル層を形成する場合、シートの継ぎ目が必須的に生じる。この継ぎ目は、軸方向の全体に亘って存在する。この継ぎ目は、破壊の起点となりうる。また、当該継ぎ目では、繊維が切断されている。この繊維の切れ目が破壊の起点となりうる。

本開示の目的は、アングル層の強度に優れた繊維強化プラスチック成形物の提供にある。

ある側面において、繊維強化プラスチック成形物は、長手方向を有する。この繊維強化プラスチック成形物は、繊維強化プラスチック層を含んでいてもよい。前記繊維強化プラスチック層が、前記長手方向に対して傾斜して配向した斜行繊維を含むアングル層を有していてもよい。前記アングル層が、螺旋状に延在するテープ状プリプレグにより形成されたテープ層を有していてもよい。前記テープ状プリプレグが、その延在方向に平行な連続繊維を含んでいてもよい。この連続繊維が前記斜行繊維を構成していてもよい。

他の側面において、繊維強化プラスチック成形物の製造方法は、マンドレルを含むベース部材に、張力を付与しながらテープ状プリプレグを螺旋状に巻回する巻回工程と、前記巻回工程の後になされ、前記テープ状プリプレグに含まれるマトリクス樹脂が固化した状態で前記マンドレルを抜き取るマンドレル抜き取り工程とを含んでいてもよい。前記巻回工程では、前記張力によりテープ幅を調整しながら前記テープ状プリプレグが巻回されてもよい。

他の側面において、繊維強化プラスチック成形物の製造方法は、マンドレルを含むベース部材に、張力を付与しながらテープ状プリプレグを螺旋状に巻回する巻回工程と、前記巻回工程の後になされ、前記テープ状プリプレグに含まれるマトリクス樹脂が固化した状態で前記マンドレルを抜き取るマンドレル抜き取り工程とを含んでいてもよい。前記巻回工程では、前記マトリクス樹脂の粘度が、前記張力によりテープ幅が変化しうる粘度とされていてもよい。

アングル層の強度に優れた繊維強化プラスチック成形物が提供されうる。

図１は、繊維強化プラスチック成形物の製造方法の一例を示す概略図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、テープ幅の調整について説明するための図である。 図３は、実施例１から３の積層構成を示す展開図である。 図４は、比較例１の積層構成を示す展開図である。 図５は、ねじり破壊エネルギーの測定方法を示す概略図である。

以下、適宜図面が参照されつつ、好ましい実施形態に基づいて本開示が詳細に説明される。

本開示の繊維強化プラスチック成形物は、長手方向を有する。例えば、この繊維強化プラスチック成形物は、管状体である。この管状体は、外径が変化していてもよく、外径が一定であってもよい。この管状体は、内径が変化していてもよく、内径が一定であってもよい。管状体の中心線が直線である場合、この中心線の方向が長手方向である。

この管状体の具体例として、ゴルフクラブのシャフト、釣竿、テニスラケットのフレーム、ドライブシャフト等が挙げられる。管状体以外であってもよい。

図１は、管状体２００の製造方法の一例を説明するための工程図である。

なお、以下において「内側」とは、管状体の半径方向における内側を意味し、「外側」とは、管状体の半径方向における外側を意味する。本願において、「軸方向」とは、管状体の軸方向を意味する。

管状体２００は、１又は２以上の繊維強化樹脂層を備えた積層体である。管状体２００は中空構造を有する。

管状体２００の製造では、テープ状プリプレグＴＰ１が用いられる。

テープ状プリプレグＴＰ１は、繊維とマトリクス樹脂とを含むテープである。テープ状プリプレグＴＰ１は、例えば、プリプレグから切り出される。典型的なテープ状プリプレグＴＰ１は、プリプレグを所定の幅でカットすることで得られる。

テープ状プリプレグＴＰ１では、その長手方向に沿って、繊維が配向している。ＵＤプリプレグから作製されたテープ状プリプレグでは、一方向に揃えられた繊維の方向が、テープ状プリプレグの長手方向に一致している。

市販されているプリプレグを切断するだけで、テープ状プリプレグＴＰ１が作製されうる。プリプレグと同様に、繊維種類、厚み、繊維弾性率、繊維目付、プリプレグ目付、樹脂含有率等が異なる多種のテープ状プリプレグＴＰ１が市販されている。テープ状プリプレグＴＰ１は、規定された厚みを有している。プリプレグと同様に、テープ状プリプレグＴＰ１は、厚みの精度に優れる。テープ状プリプレグＴＰ１は、厚みの均一性に優れる。

プリプレグは、プリプレグシートとも称される。プリプレグは、繊維に樹脂を含浸させたシート状の材料である。含浸されている樹脂は、マトリクス樹脂とも称される。マトリクス樹脂は、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂が好ましく、熱硬化性樹脂がより好ましい。

プリプレグにおける繊維の形態は、限定されない。典型的なプリプレグは、ＵＤプリプレグである。ＵＤとは、ユニディレクションの略である。ＵＤプリプレグでは、繊維が実質的に一方向に配向している。ＵＤプリプレグ以外のプリプレグとして、例えば、繊維が編まれているプリプレグが知られている。テープ状プリプレグＴＰ１の材料としてのプリプレグは、ＵＤプリプレグが好ましい。

多くの種類のプリプレグが市販されている。プリプレグの品種によって、繊維の種類、厚み、繊維弾性率、繊維目付、プリプレグ目付、樹脂含有率等が異なる。これらのプリプレグを用いることで、多くの種類のテープ状プリプレグＴＰ１が作製されうる。

プリプレグ及びテープ状プリプレグＴＰ１に用いられる繊維として、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維及び炭化ケイ素繊維が例示される。これらの繊維の２種以上が併用されてもよい。成形体の強度の観点から、炭素繊維が好ましい。

炭素繊維として、ＰＡＮ系、ピッチ系及びレーヨン系の炭素繊維が例示される。引張強度の観点から、ＰＡＮ系の炭素繊維が好ましい。炭素繊維の形態としては、前駆体繊維に撚りをかけて焼成して得られる炭素繊維（いわゆる有撚糸）、その有撚糸の撚りを解いた炭素繊維（いわゆる解撚糸）、前駆体繊維に実質的に撚りをかけずに熱処理を行う無撚糸などが挙げられる。炭素繊維は、黒鉛繊維を含んでいてもよい。

成形品の強度及び剛性の観点から、成形品に含まれる繊維の引張弾性率は、１０ｔ／ｍｍ^２以上が好ましく、２３．５ｔ／ｍｍ^２以上がより好ましく、７０ｔ／ｍｍ^２以下が好ましく、５０ｔ／ｍｍ^２以下がより好ましい。この引張弾性率は、ＪＩＳ Ｒ ７６０１：１９８６「炭素繊維試験方法」に準拠して測定される。

アングル層の強度の観点から、テープ状プリプレグＴＰ１に含まれる繊維の引張弾性率は、１０ｔ／ｍｍ^２以上が好ましく、２３．５ｔ／ｍｍ^２以上がより好ましく、７０ｔ／ｍｍ^２以下が好ましく、５０ｔ／ｍｍ^２以下がより好ましい。

軽量化と強度とのバランスの観点から、成形品における繊維の含有率は、６５質量％以上が好ましく、７０質量％以上がより好ましく、８５質量％以下が好ましく、８０質量％以下がより好ましい。同様の理由で、テープ状プリプレグＴＰ１における繊維の含有率は、６５質量％以上が好ましく、７０質量％以上がより好ましく、８５質量％以下が好ましく、８０質量％以下がより好ましい。

テープ状プリプレグＴＰ１のマトリクス樹脂を構成する樹脂組成物として、エポキシ樹脂組成物が好ましい。エポキシ樹脂組成物の基材樹脂は、エポキシ樹脂である。このエポキシ樹脂組成物に含有されるエポキシ樹脂成分は、分子内に２個のエポキシ基を有するエポキシ樹脂が好ましい。換言すれば、このエポキシ樹脂成分は、２官能のエポキシ樹脂を含有するのが好ましい。２官能のエポキシ樹脂の具体例として、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂およびその水素添加物、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂およびその水素添加物、ビスフェノールＳ型エポキシ樹脂、テトラブロモビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂等のビスフェノール型エポキシ樹脂等が挙げられる。ビスフェノール型エポキシ樹脂は、単独で用いられても良く、２種以上を混合して用いられても良い。エポキシ樹脂組成物は、硬化剤を含有することが好ましい。典型的な硬化剤として、ジシアンジアミドが挙げられる。この硬化剤には、硬化活性を高めるための硬化助剤を組み合わせることができる。硬化助剤としては、尿素に結合する水素の少なくとも１つが、炭化水素基で置換された尿素誘導体が好ましい。エポキシ樹脂組成物は、さらに、オリゴマー、高分子化合物、有機粒子、無機粒子等を含んでいてもよい。

このようなテープ状プリプレグＴＰ１で、管状体２００のアングル層が形成される。

管状体２００の製造では、巻回工程がなされる。図１が示すように、この巻回工程では、マンドレル１００を含むベース部材１０２に、テープ状プリプレグＴＰ１が螺旋状に巻回される。ベース部材とは、マンドレル１００又はマンドレル１００に他の層が巻回されたものを意味する。ベース部材に巻回された他の層は、テープ状プリプレグＴＰ１によって形成されるアングル層よりも内側の層である。図１の実施形態では、ベース部材１０２は、マンドレル１００である。

なお、管状体２００（繊維強化プラスチック成形物）は、テープ状プリプレグＴＰ１で形成されたアングル層以外のアングル層を有していても良い。強度及び軽量化の観点から、管状体２００（繊維強化プラスチック成形物）のアングル層が、テープ状プリプレグＴＰ１で形成されたアングル層のみであるのが好ましい。

巻回工程において、巻回テープ状プリプレグＴＰ１には、張力Ｆが付与される。張力Ｆが付与されつつ、テープ状プリプレグＴＰ１は巻回される。この巻回工程は、自動機械により実施されてもよいし、人間の手によって実施されてもよい。

この巻回工程では、テープ状プリプレグＴＰ１が巻回された後、必要に応じて、他の層が巻回される。この他の層は、テープ状プリプレグＴＰ１よりも外側の層を構成する。

この巻回工程の後、好ましくは、テープラッピング工程及び加熱工程がなされる。テープラッピングにより、管状体内のボイドが除去されうる。加熱工程により、熱硬化性樹脂が硬化する。更に、マンドレル抜き取り工程がなされる。このマンドレル抜き取り工程では、前記テープ状プリプレグに含まれるマトリクス樹脂が固化した状態で、マンドレル１００が抜き取られる。更に、必要に応じて、テープラッピング除去工程がなされる。更に表面研磨工程がなされてもよい。このようにして、管状体２００が得られる。

螺旋状に巻回されたテープ状プリプレグＴＰ１は、全体として１つの円筒状の層を形成している。前述の通り、テープ状プリプレグＴＰ１に含まれる繊維は、テープ状プリプレグＴＰ１の長手方向に沿って配置されている。よって、この繊維は、テープ状プリプレグＴＰ１と同様に、螺旋状に配置されている。この繊維は、管状体２００の長手方向（軸方向）に対して傾斜している。

このテープ状プリプレグＴＰ１によって形成された層が、管状体２００におけるアングル層である。アングル層に含まれる繊維の角度（絶対値）は、長手方向（軸方向）に対して、２０°以上が好ましく、３０°以上がより好ましく、４０°以上が更に好ましい。アングル層に含まれる繊維の角度（絶対値）は、長手方向（軸方向）に対して、７０°以下が好ましく、６０°以下がより好ましく、５０°以下が更に好ましい。

図２（ａ）及び図２（ｂ）は、巻回工程におけるテープ幅Ｗの調整方法を示している。

巻回工程では、張力Ｆによりテープ幅Ｗを調整しながら、テープ状プリプレグＴＰ１が巻回される。テープ幅Ｗとは、テープ状プリプレグＴＰ１の幅である。

巻回工程において、テープ状プリプレグＴＰ１のマトリクス樹脂は、固化していない。このため、テープ状プリプレグＴＰ１のテープ幅Ｗは、変化しうる状態にある。巻回工程において、テープ幅Ｗは、張力Ｆによって変化しうる。張力Ｆが大きくなると、テープ状プリプレグＴＰ１に含まれる繊維同士が寄り集まろうとする。このため、張力Ｆが増加すると、テープ幅Ｗが減少する。テープ状プリプレグＴＰ１のマトリクス樹脂は、張力Ｆによってテープ幅Ｗが変化しうる状態にある。

この巻回工程では、張力Ｆによりテープ幅Ｗが調整されうる。張力Ｆが大きいほど、テープ幅Ｗが小さくなる。図２（ａ）が示すように、張力Ｆがより小さな張力Ｆ１であるとき、より大きなテープ幅Ｗ１が達成されうる。図２（ｂ）が示すように、張力Ｆがより大きな張力Ｆ２であるとき、より小さなテープ幅Ｗ２が達成されうる。張力Ｆを大きくすることでテープ幅Ｗが小さくされうる。また、張力Ｆを小さくすることでテープ幅Ｗが大きくされうる。

マトリクス樹脂の粘度は、張力Ｆによりテープ幅Ｗが調整されうるような粘度とされる。粘度が高すぎると、張力Ｆを変えてもテープ幅Ｗが変化しない。テープ幅Ｗの調整性の観点から、テープ状プリプレグＴＰ１のマトリクス樹脂の粘度は、低いのが好ましい。巻回工程において、巻き付け箇所Ｍ１におけるマトリクス樹脂の粘度は、１．０×１０^５Ｐａ・ｓ以下が好ましく、１０００Ｐａ・ｓ以下がより好ましく、１００Ｐａ・ｓ以下が更に好ましい。この粘度が過小であると、粘着性が過剰となって、テープ状プリプレグＴＰ１の取り扱い性が低下しうる。また、この粘度が過小であると、テープ幅Ｗが変動しすぎて、テープ幅Ｗの調整精度が低下しうる。これらの観点から、巻き付け箇所Ｍ１におけるマトリクス樹脂の粘度は、５Ｐａ・ｓ以上が好ましく、８Ｐａ・ｓ以上がより好ましく、１０Ｐａ・ｓ以上が更に好ましい。

テープ幅Ｗの調整性の観点から、巻き付け箇所Ｍ１において、テープ状プリプレグＴＰ１のマトリクス樹脂は、以下の状態にあるのが好ましい。当該マトリクス樹脂が熱可塑性樹脂の場合、この樹脂の温度は、ガラス転移温度以上であるのが好ましく、分解開始温度以下（更には分解開始温度未満）であるのが好ましい。当該マトリクス樹脂が熱硬化性樹脂の場合、この樹脂はＢステージにあるのが好ましい。Ｂステージの樹脂とは、硬化反応の中間段階にある熱硬化性樹脂である。Ａステージでは、テープ状プリプレグＴＰ１の取り扱い性が低下する。Ｃステージでは、熱硬化性樹脂が完全に硬化しているため、ベース部材への巻き付けが困難である。なお、Ａステージ、Ｂステージ及びＣステージは、ＪＩＳ Ｋ ６９００−１９９４（ＩＳＯ ４７２：１９８８）に規定されている。巻回時のテープ状プリプレグＴＰ１の取り扱い性の観点から、テープ状プリプレグＴＰ１のマトリクス樹脂の基材樹脂は、熱硬化性樹脂であるのが好ましく、エポキシ樹脂であるのがより好ましい。

なお、巻き付け箇所Ｍ１とは、前記巻回工程におけるテープ状プリプレグＴＰ１上の位置であって、前記ベース部材１０２に接触している部分と接触していない部分との境界の位置を意味する。換言すれば、巻き付け箇所Ｍ１は、巻き付けが開始された位置である。ベース部材１０２が円筒である場合、巻き付け箇所Ｍ１は、軸方向に沿った線状部分である。

テープ幅Ｗの調整性の観点から、巻回工程では、テープ状プリプレグＴＰ１を加熱しながら巻回するのが好ましい。この加熱により、上述の好ましい粘度が達成されうる。言い換えれば、好ましい粘度となるように加熱がなされるのが好ましい。加熱は、巻き付け箇所Ｍ１においてなされるのが好ましい。テープ幅Ｗの調整が可能となるように、加熱される領域が選択される。

図１、図２（ａ）及び図２（ｂ）において符号ＨＴで示されているのは、ヒーター（加熱装置）である。少なくとも巻き付け箇所Ｍ１が加熱されるのが好ましい。好ましいヒーターＨＴとして、赤外線ヒーターが挙げられる。

特に、マトリクス樹脂が熱硬化性樹脂の場合に、この加熱がなされるのが好ましい。この加熱により、上述した好ましい粘度が達成されうる。

このような方法で製造された管状体２００は、繊維強化プラスチック成形物の一例である。この管状体２００は、次のような構成を有する。

管状体２００は、繊維強化プラスチック層を含んでおり、この繊維強化プラスチック層が、管状体２００の長手方向に対して傾斜して配向した斜行繊維を含むアングル層を有している。このアングル層が、螺旋状に延在するテープ状プリプレグＴＰ１により形成されたテープ層である。

テープ状プリプレグＴＰ１は、その延在方向に平行な連続繊維を含んでいる。この連続繊維が斜行繊維を構成している。テープ状プリプレグＴＰ１を管状体２００の長手方向に対して傾斜させることで、テープ状プリプレグＴＰ１に含まれる繊維も当該長手方向に対して傾斜する。斜行繊維の角度（絶対値）は、長手方向（軸方向）に対して、２０°以上が好ましく、３０°以上がより好ましく、４０°以上が更に好ましい。斜行繊維の角度（絶対値）は、長手方向（軸方向）に対して、７０°以下が好ましく、６０°以下がより好ましく、５０°以下が更に好ましい。

テープ状プリプレグＴＰ１は、マトリクス樹脂と前記連続繊維とを含んでいる。前記テープ層の形成において、前記テープ状プリプレグは、前記マトリクス樹脂が固化していない状態で、張力Ｆによりテープ幅Ｗを調整しながら巻回されている。

図２（ａ）の拡大部には、テープ層１１０の断面図が示されている。図２（ｂ）の拡大部には、テープ層１２０の断面図が示されている。テープ層１１０及びテープ層１２０は、同じテープ状プリプレグＴＰ１から形成されている。それにもかかわらず、テープ層１１０とテープ層１２０とは相違している。テープ層１１０では、テープ縁部１１２が、隣接するテープ縁部１１４に重なっている。すなわち、テープ層１１０は、オーバーラップを有する。一方、テープ層１２０では、テープ縁部１１２が、隣接するテープ縁部１１４に重なっていない。すなわち、テープ層１２０では、テープ状プリプレグＴＰ１は、オーバーラップの無い状態で螺旋状に巻回されている。

更に、テープ層１２０では、テープ縁部１１２が、隣接するテープ縁部１１４に突き合わされている。すなわち、テープ層１２０において、テープ状プリプレグＴＰ１は、実質的に隙間の無い状態で螺旋状に巻回されている。なお本願において、「実質的に隙間のない状態とは、隙間が０．２ｍｍ以下であることを意味し、より好ましくは、０．１ｍｍ以下、更に好ましくは０．０５ｍｍ以下である。隙間が完全に無くてもよい。

図２（ａ）で示されるテープ層１１０では、前記オーバーラップの存在に起因して、空間Ｒ１が形成される。加熱工程で、この空間Ｒ１には樹脂が流れ込み、樹脂だまりが形成される。この樹脂だまりは、炭素繊維を含まないため、弱い。樹脂だまりは、破壊の起点となりうる。樹脂だまりは、成形物の強度を低下させる。

図２（ｂ）で示されるテープ層１２０では、前記オーバーラップの不存在に起因して、樹脂だまりが形成されない。このため、成形物の強度が高まる。

隙間なくテープ状プリプレグＴＰ１を巻回するのは難しい。テープ幅Ｗに対応させて巻き付け角度を調整したとしても、巻き付け角度が微妙にズレると、オーバーラップが生じる。また、マンドレル１００にテーパーが存在する場合、巻き付け角度が不可避的に変化するため、隙間なくテープ状プリプレグＴＰ１を巻回するのは難しい。

上記実施形態では、張力Ｆによりテープ幅Ｗを調整することができるので、実質的に隙間なくテープ状プリプレグＴＰ１を巻回することができる。したがって、樹脂だまりの形成が抑制され、強度の高いアングル層が形成されうる。加えて、このアングル層には、シートワインディング法に見られるようなシートの継ぎ目がない。更に、このアングル層では、繊維が切れずに連続している。したがって、このアングル層は、強度に優れる。このアングル層は、成形物の強度、特に捻れ強度を高める。

本実施形態は、フィラメントワインディング法と比べて、次のような効果を有する。

フィラメントワインディング法では、トウプリプレグが用いられる。このトウプリプレグは、テープ状プリプレグＴＰ１に比較して、断面形状が円形に近く、且つ、断面形状の精度が低い。このため、高い精度で前記隙間を調整することが困難である。また、円形に近い断面形状に起因して、樹脂だまりが形成されやすい。

また、常温において、トウプリプレグは、その樹脂粘度が低く、ベタベタしている。したがって、トウプリプレグは、テープ状プリプレグＴＰ１と比べて、取り扱い性及び作業性に劣る。テープ状プリプレグＴＰ１は、取り扱い性及び作業性に優れる。好ましくは、テープ状プリプレグＴＰ１のマトリクス樹脂の粘度は、２０℃で、１００００Ｐａ・ｓ以上２０００００Ｐａ・ｓ以下である。

テープ状プリプレグＴＰ１では、加熱されている箇所だけ局所的に粘度を下げることができ、加熱されていない箇所では高い粘度を維持できる。このため、テープ幅Ｗの調整性と取り扱い性との両立が可能である。

以下、実施例によって本開示の効果が明らかにされるが、この実施例の記載に基づいて本開示が限定的に解釈されるべきではない。

[実施例１]
図３は、実施例１の管状体の積層構成を示す展開図である。この実施例１では、第１シートＳ１から第８シートＳ８までの、８つのプリプレグシートが用いられた。第１シートＳ１及び第２シートＳ２は、テープ状プリプレグＴＰ１とされた。第３シートＳ３から第８シートＳ８までは、通常のシートワインディング法で用いられる四角形のプリプレグシートとされた。この四角形の４つの辺のすべてで、繊維が切断されている。

各シートには、以下のプリプレグが用いられた。シートＳ１及びシートＳ２は、下記のプリプレグを、炭素繊維に沿ってテープ状にカットすることで得た。
・第１シートＳ１：８０５Ｓ−３（東レ社製）
・第２シートＳ２：８０５Ｓ−３（東レ社製）
・第３シートＳ３：ＴＲ３５０Ｃ−１５０Ｓ（三菱レイヨン社製）
・第４シートＳ４：ＴＲ３５０Ｃ−１００Ｓ（三菱レイヨン社製）
・第５シートＳ５：８０５Ｓ−３（東レ社製）
・第６シートＳ６：ＴＲ３５０Ｃ−１００Ｓ（三菱レイヨン社製）
・第７シートＳ７：８０５Ｓ−３（東レ社製）
・第８シートＳ８：ＴＲ３５０Ｃ−１００Ｓ（三菱レイヨン社製）

第１シートＳ１及び第２シートＳ２は、アングル層である。シートＳ１の繊維とシートＳ２の繊維とは、互いに逆方向に傾斜している。第３シートＳ３は、ストレート層である。ストレート層では、繊維が軸方向に沿って配向しており、繊維角度は軸方向に対して０°である。第４シートＳ４もストレート層である。第５シートＳ５はフープ層である。フープ層では、繊維が軸方向に直角であり、繊維角度は軸方向に対して９０°である。第６シートＳ６はストレート層である。第７シートＳ７はフープ層である。第８シートＳ８はストレート層である。

外径が一定のマンドレル１００が用意された。このマンドレル１００を治具にセットし、このマンドレル１００を回転させながら、シートＳ１（テープ状プリプレグ）をマンドレル１００に螺旋状に巻き付けた。手で張力Ｆを調整しながら、巻き付けを行った。図１に示されるように、巻き付け箇所Ｍ１をヒーターＨＴで加熱しながらシートＳ１を巻き付けた。ヒーターＨＴとして、ヘリウス社製の短波長赤外線ヒーター「ＺＫＢ６００／８０Ｇ」が用いられた。シートＳ１（テープ）の延在方向は、マンドレル１００の軸方向に対して＋４５°であった。したがって、シートＳ１に含まれる繊維ＣＦも、マンドレル１００の軸方向に対して＋４５°に配向した。次に、シートＳ１と同様にして、シートＳ２（テープ状プリプレグ）を螺旋状に巻き付けた。シートＳ２（テープ）の延在方向は、マンドレル１００の軸方向に対して−４５°であった。したがって、シートＳ２に含まれる繊維ＣＦも、マンドレル１００の軸方向に対して−４５°に配向した。続いて、通常のシートワインディング法で、シートＳ３からシートＳ８を順次巻回した。

巻回工程が終了した後、ラッピングテープを巻き付け、オーブンで１３０°の温度で２時間加熱した。その後、マンドレルを引き抜き、ラッピングテープを除去して、実施例１の管状体を得た。管状体の長さは、４００ｍｍであった。

実施例１の巻回工程では、巻き付け箇所Ｍ１におけるシートＳ１及びシートＳ２のマトリクス樹脂の粘度は、１０Ｐａ・ｓであった。

[実施例２]
ヒーターＨＴによる加熱の度合いを調整して、巻き付け箇所Ｍ１におけるシートＳ１及びシートＳ２のマトリクス樹脂の粘度が５Ｐａ・ｓとされた他は実施例１と同様にして、実施例２の管状体を得た。

[実施例３]
ヒーターＨＴによる加熱の度合いを調整して、巻き付け箇所Ｍ１におけるシートＳ１及びシートＳ２のマトリクス樹脂の粘度が１０００００Ｐａ・ｓとされた他は実施例１と同様にして、実施例３の管状体を得た。

[比較例１]
図４は、比較例１の管状体の積層構成を示す展開図である。この比較例１でも、第１シートＳ１から第８シートＳ８までの、８つのプリプレグシートが用いられた。各シートの品番は、実施例１−３と同じとされた。各シートの重量も、実施例１−３と同じとされた。ただし、第１シートＳ１及び第２シートＳ２は、テープ状とはされなかった。すなわち、第１シートＳ１及び第２シートＳ２は、通常のシートワインディング法で用いられる四角形のプリプレグシートとされた。この四角形のシートの４つの辺の全てで、繊維が切断されている。繊維の配向は、実施例１から３と同様に、シートＳ１が＋４５°であり、シートＳ２が−４５°とされた。その他は実施例１と同様にして、比較例１の管状体を得た。

[評価方法]
得られた管状体のねじり破壊エネルギーを、以下の方法で評価した。

［ねじり破壊エネルギー］
図５は、ねじり破壊エネルギーの測定方法を示す。試験器として、日本フェイウィック社製のゴルフシャフトねじり破壊試験器「ＴＴ９５０１」を用いた。管状体２００の一端部が、長さ５０ｍｍに亘って、治具Ｇ１に固定された。管状体２００の他端部が、長さ５０ｍｍに亘って、治具Ｇ２に固定された。治具Ｇ１と治具Ｇ２との間の距離（スパン）は、３００ｍｍとされた。治具Ｇ２を治具Ｇ１に対して１１０（ｄｅｇ／ｓｅｃ）の回転速度で回転させ、ねじり破壊が生じたときの変形角度θ（ｄｅｇｒｅｅ）及びトルクＴ（Ｎ・ｍ）が測定された。ねじり破壊エネルギー（Ｎｍ・ｄｅｇ）は、θ×Ｔにより算出される。

実施例１から３及び比較例１のねじり破壊エネルギーは、以下の通りであった。これらの値は、比較例１に対する比率で示されている。
・実施例１：１．３１
・実施例２：１．１７
・実施例３：１．０８
・比較例１：１．００

実施例１から３において、シートＳ１及びＳ２を巻回する工程では、張力Ｆを調整することで、オーバーラップを無くし且つテープ縁部同士の隙間をできるだけ無くすように努めた。しかし、マトリクス樹脂の粘度によってテープ幅Ｗの調整性に差があったため、実施例１から３の間で、ねじり破壊エネルギーに差が生じた。これに対して、比較例１では、アングルシートＳ１、Ｓ２にシートの継ぎ目があり、当該継ぎ目において繊維が切断されているため、ねじり破壊エネルギーが実施例１〜３よりも低かった。

以上の評価結果からも、本開示の優位性は明らかである。

上述の実施形態に関して、以下の付記を開示する。
［付記１］
長手方向を有する繊維強化プラスチック成形物であって、
繊維強化プラスチック層を含んでおり、
前記繊維強化プラスチック層が、前記長手方向に対して傾斜して配向した斜行繊維を含むアングル層を有しており、
前記アングル層が、螺旋状に延在するテープ状プリプレグにより形成されたテープ層を有しており、
前記テープ状プリプレグが、その延在方向に平行な連続繊維を含んでおり、この連続繊維が前記斜行繊維を構成している繊維強化プラスチック成形物。
［付記２］
前記テープ状プリプレグが、マトリクス樹脂と前記連続繊維とを含んでおり、
前記テープ層の形成において、前記テープ状プリプレグは、前記マトリクス樹脂が固化していない状態で、張力によりテープ幅を調整しながら巻回されている付記１に記載の繊維強化プラスチック成形物。
［付記３］
前記テープ層において、前記テープ状プリプレグは、オーバーラップの無い状態で螺旋状に巻回されている付記２に記載の繊維強化プラスチック成形物。
［付記４］
前記テープ層において、前記テープ状プリプレグは、実質的に隙間の無い状態で螺旋状に巻回されている付記３に記載の繊維強化プラスチック成形物。
［付記５］
前記マトリクス樹脂の基材樹脂がエポキシ樹脂である付記１から４のいずれか１項に記載の繊維強化プラスチック成形物。
［付記６］
前記繊維強化プラスチック層に含まれる繊維が、炭素繊維である付記１から５のいずれか１項に記載の繊維強化プラスチック成形物。
［付記７］
ゴルフクラブシャフトである付記１から６のいずれか１項に記載の繊維強化プラスチック成形物。
［付記８］
マンドレルを含むベース部材に、張力を付与しながらテープ状プリプレグを螺旋状に巻回する巻回工程と、
前記巻回工程の後になされ、前記テープ状プリプレグに含まれるマトリクス樹脂が固化した状態で前記マンドレルを抜き取るマンドレル抜き取り工程とを含んでおり、
前記巻回工程では、前記張力によりテープ幅を調整しながら前記テープ状プリプレグが巻回される繊維強化プラスチック成形物の製造方法。
［付記９］
前記巻回工程において、巻き付け箇所における前記マトリクス樹脂の粘度が５Ｐａ・ｓ以上１．０×１０^５Ｐａ・ｓ以下である付記８に記載の製造方法。
［付記１０］
前記巻回工程において、前記テープ状プリプレグが加熱されつつ巻回される付記８又は９に記載の製造方法。
［付記１１］
マンドレルを含むベース部材に、張力を付与しながらテープ状プリプレグを螺旋状に巻回する巻回工程と、
前記巻回工程の後になされ、前記テープ状プリプレグに含まれるマトリクス樹脂が固化した状態で前記マンドレルを抜き取るマンドレル抜き取り工程とを含んでおり、
前記巻回工程では、前記マトリクス樹脂の粘度が、前記張力によりテープ幅が変化しうる粘度とされている繊維強化プラスチック成形物の製造方法。

本開示は、管状体をはじめとして、あらゆる繊維強化プラスチック成形物に適用されうる。

１００・・・マンドレル
１０２・・・ベース部材
２００・・・管状体（繊維強化プラスチック成形物）
ＴＰ１・・・テープ状プリプレグ
ＨＴ・・・ヒーター
Ｗ・・・テープ幅
Ｓ１〜Ｓ８・・・プリプレグシート

Claims (11)

1. 長手方向を有する繊維強化プラスチック成形物であって、
   繊維強化プラスチック層を含んでおり、
   前記繊維強化プラスチック層が、前記長手方向に対して傾斜して配向した斜行繊維を含むアングル層を有しており、
   前記アングル層が、螺旋状に延在するテープ状プリプレグにより形成されたテープ層を有しており、
   前記テープ状プリプレグが、その延在方向に平行な連続繊維を含んでおり、この連続繊維が前記斜行繊維を構成している繊維強化プラスチック成形物。
2. 前記テープ状プリプレグが、マトリクス樹脂と前記連続繊維とを含んでおり、
   前記テープ層の形成において、前記テープ状プリプレグは、前記マトリクス樹脂が固化していない状態で、張力によりテープ幅を調整しながら巻回されている請求項１に記載の繊維強化プラスチック成形物。
3. 前記テープ層において、前記テープ状プリプレグは、オーバーラップの無い状態で螺旋状に巻回されている請求項２に記載の繊維強化プラスチック成形物。
4. 前記テープ層において、前記テープ状プリプレグは、実質的に隙間の無い状態で螺旋状に巻回されている請求項３に記載の繊維強化プラスチック成形物。
5. 前記マトリクス樹脂の基材樹脂がエポキシ樹脂である請求項１から４のいずれか１項に記載の繊維強化プラスチック成形物。
6. 前記繊維強化プラスチック層に含まれる繊維が、炭素繊維である請求項１から５のいずれか１項に記載の繊維強化プラスチック成形物。
7. ゴルフクラブシャフトである請求項１から６のいずれか１項に記載の繊維強化プラスチック成形物。
8. マンドレルを含むベース部材に、張力を付与しながらテープ状プリプレグを螺旋状に巻回する巻回工程と、
   前記巻回工程の後になされ、前記テープ状プリプレグに含まれるマトリクス樹脂が固化した状態で前記マンドレルを抜き取るマンドレル抜き取り工程とを含んでおり、
   前記巻回工程では、前記張力によりテープ幅を調整しながら前記テープ状プリプレグが巻回される繊維強化プラスチック成形物の製造方法。
9. 前記巻回工程において、巻き付け箇所における前記マトリクス樹脂の粘度が５Ｐａ・ｓ以上１．０×１０^５Ｐａ・ｓ以下である請求項８に記載の製造方法。
10. 前記巻回工程において、前記テープ状プリプレグが加熱されつつ巻回される請求項８又は９に記載の製造方法。
11. マンドレルを含むベース部材に、張力を付与しながらテープ状プリプレグを螺旋状に巻回する巻回工程と、
    前記巻回工程の後になされ、前記テープ状プリプレグに含まれるマトリクス樹脂が固化した状態で前記マンドレルを抜き取るマンドレル抜き取り工程とを含んでおり、
    前記巻回工程では、前記マトリクス樹脂の粘度が、前記張力によりテープ幅が変化しうる粘度とされている繊維強化プラスチック成形物の製造方法。

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