JP2021123821A - 高強度繊維複合線材および高強度繊維複合ケーブルならびに高強度繊維複合ケーブルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱されたときに熱可塑性樹脂が繊維束から分離したり，脱落したり，むらが生じたりせず，繊維束に含浸させ続けることができるようにする。【解決手段】炭素繊維複合線材10は，複数本の炭素繊維11の束に熱可塑性樹脂12を含浸させた炭素繊維複合線材の表面に，さらに別の熱可塑性樹脂13を被覆した構造を備えている。被覆された熱可塑性樹脂13のビカット軟化温度は，含浸された熱可塑性樹脂12のビカット軟化温度よりも１０℃以上高い。炭素繊維複合線材10を熱可塑性樹脂12のビカット軟化温度を超えかつ熱可塑性樹脂13のビカット軟化温度よりも低い温度に加熱することで，熱可塑性樹脂13によって炭素繊維複合線材10を覆い続けつつ，含浸された熱可塑性樹脂12を軟化させることができる。【選択図】図４

Description

この発明は高強度繊維複合線材および高強度繊維複合ケーブルならびに高強度繊維複合ケーブルの製造方法に関する。

複数本の炭素繊維を束ねた繊維束に熱可塑性樹脂を含浸させた炭素繊維複合線材が提案されている（特許文献１）。一般に熱硬化性樹脂を硬化するための加熱時間に比べて熱可塑性樹脂を硬化するための冷却時間の方が短く，熱可塑性樹脂を用いることで炭素繊維複合線材の製造に係るコストダウンを図ることができる。

特開２０１３−２６１７１号公報

熱可塑性樹脂を用いた炭素繊維複合線材は，加熱をすることで柔らかくすることができ，柔らかくした状態の複数本の炭素繊維複合線材を撚り合わせることによって，複数本の炭素繊維複合線材を撚り合わせたケーブルを作成することができる。

図５は複数本の炭素繊維31を束ねた炭素繊維束に熱可塑性樹脂32を含浸させた炭素繊維複合線材30の横断面を模式的に示すもので，撚り合わせのために加熱した状態を示している。図６は図５に示す炭素繊維複合線材30の縦断面を模式的に示している。分かりやすくするために，図５および図６において炭素繊維31の直径がかなり強調して描かれている。

撚り合わせのために炭素繊維束を加熱すると，炭素繊維束に含浸されている熱可塑性樹脂32は軟化しかつ溶融する。撚り合わせのために加熱をした後に炭素繊維束を屈曲させると，応力によって熱可塑性樹脂32が分離，凝集または脱落したり，層厚にむらが生じたりすると，炭素繊維束の表面に剥き出しの炭素繊維31（熱可塑性樹脂32によって被覆されなくなった，または被覆が薄くなった炭素繊維31）が発現することがある。そのような状態の炭素繊維束を撚り合わせたケーブルでは表面に位置する炭素繊維31に断線33（毛羽立ち）が発生しやすい。炭素繊維31の断線33はケーブルの強度を低下させる。

図７は複数本の炭素繊維41を束ねた炭素繊維束に熱可塑性樹脂42を含浸させ，さらにその表面に熱可塑性樹脂43を被覆した炭素繊維複合線材40の横断面を模式的に示すもので，撚り合わせのために加熱した状態を示している。図８は図７に示す炭素繊維複合線材40の表面を模式的に示している。

炭素繊維束に含浸された熱可塑性樹脂42を柔らかくするために炭素繊維複合線材40を加熱すると，当然に表面の熱可塑性樹脂43も加熱される。表面の熱可塑性樹脂43が軟化することで炭素繊維束が剥き出しになる箇所が発現すると，やはり炭素繊維束を撚り合わせたときに表面に断線44が発生してしまうことがある。

この発明は，撚り合わせのために加熱されたときに熱可塑性樹脂が繊維束から分離したり，脱落したり，むらが生じたりせず，繊維束に熱可塑性樹脂を含浸させ続けることができるようにすることを目的とする。

この発明による高強度繊維複合線材は，複数本の長尺の高強度繊維を束ねた高強度繊維束に第１の熱可塑性樹脂を含浸させた高強度繊維複合線材の表面に，さらに第２の熱可塑性樹脂が被覆された構造を備え，上記第２の熱可塑性樹脂のビカット軟化温度が上記第１の熱可塑性樹脂のビカット軟化温度よりも１０℃以上高いことを特徴とする。高強度繊維は，炭素繊維，ガラス繊維，ボロン繊維，アラミド繊維，ポリエチレン繊維，ＰＢＯ（poly-p-phenylenebenzobisoxazole ）繊維，その他の繊維（合成繊維）を含む。これらの繊維は非常に細く，高強度かつ低伸度であり，複数本の高強度繊維を束にして熱可塑性樹脂を含浸することでワイヤロープと同等の高い引っ張り強度を発揮する。

この発明によると，高強度繊維複合線材を構成する高強度繊維束に含浸された第１の熱可塑性樹脂（含浸樹脂）のビカット軟化温度よりも高いビカット軟化温度を持つ第２の熱可塑性樹脂（被覆樹脂）が表面（外層）に設けられている。第１の熱可塑性樹脂のビカット軟化温度を超えかつ第２の熱可塑性樹脂のビカット軟化温度よりも低い温度に高強度繊維複合線材を加熱することによって，第１の熱可塑性樹脂を軟化させつつ，軟化した第１の熱可塑性樹脂が含浸された高強度繊維束を第２の熱可塑性樹脂によって被覆し続けることができる。すなわち，第１の熱可塑性樹脂を第２の熱可塑性樹脂によって常に覆った状態で複数本の上記高強度繊維複合線材を撚り合わせることができるので，複数本の高強度繊維複合線材を撚り合わせることによってつくられる高強度繊維複合ケーブルにおいて表面に剥き出しの高強度繊維（第１の熱可塑性樹脂によって被覆されなくなったまたは被覆が薄くなった高強度繊維）は発現せず，高強度繊維の断線を効果的に防止することができる。

好ましくは，上記第２の熱可塑性樹脂が0.05mm以上の厚さを持つ。高強度複合線材を撚り合わせるときに高強度繊維が表面に露出する危険を少なくすることができる。

一実施態様では，繊維体積含有率が30％以上85％未満である。単位断面積あたりの強度の低下を少なくすることができる。

この発明は，高強度繊維複合ケーブルの製造方法も提供する。この発明による高強度繊維複合ケーブルの製造方法は，複数本の長尺の高強度繊維の束に第１の熱可塑性樹脂を含浸させたものに，上記第１の熱可塑性樹脂のビカット軟化温度よりも１０℃以上高いビカット軟化温度を有する第２の熱可塑性樹脂を被覆した高強度繊維複合線材を用意し，複数本の上記高強度繊維複合線材を，上記第１の熱可塑性樹脂のビカット軟化温度を超えかつ上記第２の熱可塑性樹脂のビカット軟化温度よりも低い温度に加熱し，加熱された複数本の上記高強度繊維複合線材を撚り合わせるものである。高強度繊維の断線が効果的に防止され，断線のない高強度繊維複合ケーブルを製造することができる。高強度繊維ケーブルは，たとえば動索用ロープとして用いることができる。

炭素繊維複合ケーブル用撚り線機を概略的に示す。 炭素繊維複合線材の横断面を模式的に示している。 炭素繊維複合線材の一部破断縦断面を模式的に示している。 含浸樹脂および被覆樹脂のそれぞれについての温度−硬度特性グラフを示す。 従来の炭素繊維複合線材の横断面図である。 図５に示す炭素繊維複合線材の縦断面図である。 他の従来の炭素繊維複合線材の横断面図である。 図７に示す炭素繊維複合線材の正面図である。

図１は撚り線機を概略的に示している。図２は撚り線機によって撚り合わされる炭素繊維複合線材10の横断面を模式的に示している。図３は炭素繊維複合線材10を構成する被覆樹脂13の一部を破断して示す炭素繊維複合線材10の縦断面図である。図２および図３において，分かりやすくするために，炭素繊維11の直径がかなり強調して描かれている。

繰出しボビン（図示略）から繰出された７本の炭素繊維複合線材10が，回転ディスク１にあけられた複数個の挿通孔（図示略）に通された後，加熱撚り合わせダイ２に集められる。回転ディスク１には，その中央に１つの挿通孔があけられ，かつ外周部分には互いに間隔をあけて６つの挿通孔があけられており，そのそれぞれに１本ずつの炭素繊維複合線材10が通される。回転ディスク１が回転すると，中心に配置される１本の炭素繊維複合線材10と，その周囲に撚り合わされる６本の炭素繊維複合線材10とを備えるケーブル（炭素繊維複合ケーブル）20が作られる。

図２および図３を参照して，炭素繊維複合線材10は，断面円形に束ねられた多数本たとえば数万本の長尺の炭素繊維11の束に熱可塑性樹脂12を含浸させたものの表面（外層）に，さらに別の熱可塑性樹脂13を被覆したものである。炭素繊維11のそれぞれは非常に細く，たとえば５μｍ〜７μｍの直径を持つ。多数本の炭素繊維11は長手方向にストレートに伸ばされていてもよいし捻じりが加えられていてもよい。炭素繊維複合線材10は，炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）（Carbon Fiber Reinforced Plastics）製または炭素繊維複合材（Carbon Fiber Composite）製のものと言うことができる。

炭素繊維11の束に含浸される熱可塑性樹脂12と，表面（外層）に被覆される熱可塑性樹脂13とを明確に区別するために，熱可塑性樹脂12を以下「含浸樹脂12」と呼び，熱可塑性樹脂13を以下「被覆樹脂13」と呼ぶ。

図１を参照して，加熱撚り合わせダイ２において６本の炭素繊維複合線材10が集められ，ここで１本の炭素繊維複合線材10の周りに６本の炭素繊維複合線材10がらせん状に撚り合わされて炭素繊維複合ケーブル20が形成される。加熱撚り合わせダイ２は熱源３を備え，加熱撚り合わせダイ２を通過するときに７本の炭素繊維複合線材10（炭素繊維複合ケーブル20）はその周囲から均一に加熱される。熱源３には，たとえばコイルを備える誘導加熱方式の温度制御可能なものが用いられる。

図４は，含浸樹脂12および被覆樹脂13のそれぞれについての温度と硬度との関係（温度−硬度特性）を示すグラフである。横軸は右にいくほど高温であることを，縦軸は上にいくほど高硬度であることを，それぞれ示している。

熱可塑性樹脂には急速に軟化を開始する温度が存在し，急速に軟化を開始する温度は特に「ビカット軟化温度」と呼ばれる。この実施例では，ＪＩＳ Ｋ ７２０６（ＩＳＯ３０６）に準拠して，Ｂ５０法（昇温速度：５０℃／ｈ，荷重：５０Ｎ）において押込み圧子が試験片に１ｍｍ浸入するときの温度を「ビカット軟化温度」と定義する。

図４において，実線12Ａは含浸樹脂12の温度−硬度特性グラフを，破線13Ａは被覆樹脂13の温度−硬度特性グラフを，それぞれ示している。

含浸樹脂12の温度−硬度特性グラフ12Ａと被覆樹脂13の温度−硬度特性グラフ13Ａとを対比して，含浸樹脂12が急激に軟化する温度（ビカット軟化温度12Ｂ）よりも被覆樹脂13が急激に軟化する温度（ビカット軟化温度13Ｂ）は１０℃以上高い。加熱撚り合わせダイ２において，ビカット軟化温度12Ｂを超え，かつビカット軟化温度13Ｂよりも低い温度範囲内の温度に炭素繊維複合線材10（炭素繊維複合ケーブル20）を加熱することで，含浸樹脂12を軟化させつつ，含浸樹脂12が含浸された炭素繊維束を被覆樹脂13によって被覆し続けることができる。加熱撚り合わせダイ２において炭素繊維複合線材10が加熱されて撚り合わされるときに，炭素繊維束の全体に含浸樹脂12が含浸され続け，かつ被覆樹脂13によって表面が保護されるので，炭素繊維11の断線が発生する可能性はないまたは低い。

加熱撚り合わせダイ２において炭素繊維複合線材10はその周囲から加熱されるので，外層の被覆樹脂13が先に加熱され，その熱が伝導することで内部の含浸樹脂12が加熱される。このため，あるタイミングにおいて被覆樹脂13の温度の方が含浸樹脂12の温度よりも高い状態になる可能性がある。しかしながら，１０℃以上のビカット軟化温度差を有する含浸樹脂12と被覆樹脂13の組合せが選択されるので，含浸樹脂12と被覆樹脂13との間にたとえ温度差が生じたとしても，含浸樹脂12と被覆樹脂13の両方が，それぞれのビカット軟化温度12Ｂ，13Ｂを超える温度に加熱されることを効果的に防止することができる。

図４の温度−硬度特性グラフ12Ａ，13Ａを参照して，含浸樹脂12は融点12Ｃにおいて，被覆樹脂13は融点13Ｃにおいて，それぞれ液体になり始める。含浸樹脂12の融点12Ｃを超える温度に含浸樹脂12が加熱されると，液状化した含浸樹脂12が炭素繊維11の束から脱落する可能性が生じる。加熱撚り合わせダイ２の温度は含浸樹脂12の融点12Ｃを超えない温度に制御するのが好ましい。

なお，常温時においては，含浸樹脂12の硬度の方が被覆樹脂13の硬度よりも高くてもよい。昇温したときに含浸樹脂12の方が先に柔らかくなればよく，常温時の硬度に特に制限はない。

被覆樹脂13はたとえば 0.05mm以上，好ましくは0.1mm以上の厚さで被覆される。もっとも，被覆樹脂13を厚くしすぎると，炭素繊維複合線材10の単位断面積あたりの強度が低下することになるので，好ましくは，炭素繊維複合線材10の全体積に占める炭素繊維11の体積割合（繊維体積含有率）Ｖfは30％以上85％未満とされる。

加熱撚り合わせダイ２の長さを調整することによって，走行する炭素繊維複合線材10を，ビカット軟化温度12Ｂを超えかつビカット軟化温度13Ｂよりも低い温度範囲に昇温させることができる。もちろん，加熱撚り合わせダイ２よりも上流工程（たとえば繰出しボビンと回転ディスク１の間，回転ディスク１と加熱撚り合わせダイ２の間）にも加熱装置（図示略）を設置し，加熱撚り合わせダイ２に到達する前に，７本の炭素繊維複合線材10のそれぞれを，含浸樹脂12のビカット軟化温度12Ｂに近い温度にまで予備加熱してもよい。これによって，加熱撚り合わせダイ２に到達したときに，ビカット軟化温度12Ｂを超えかつビカット軟化温度13Ｂよりも低い温度に７本の炭素繊維複合線材10を即座に昇温させることができ，加熱撚り合わせダイ２の長さを短くすることができる。

炭素繊維複合線材10を加熱撚り合わせダイ２において撚り合わせるときに，外層の被覆樹脂13の硬度が高すぎると，炭素繊維複合線材10を撚り合わせづらくなる可能性が生じる。その場合には，加熱撚り合わせダイ２において，７本の炭素繊維複合線材10を被覆樹脂13のビカット軟化温度13Ｂに近い温度にまで加熱するとよい。被覆樹脂13の硬度が高すぎる状態を回避することができ，７本の炭素繊維複合線材10のそれぞれに適度な可撓性を持たせることができる。

表１は１０℃以上のビカット軟化温度差を有する２種類の熱可塑性樹脂の組合せ例を示している。低いビカット軟化温度を有する熱可塑性樹脂が含浸樹脂12に，高いビカット還化温度を有する熱可塑性樹脂が被覆樹脂13に，それぞれ用いられる。なお，同種の熱可塑性樹脂であっても，グレードの違いによって１０℃以上のビカット軟化温度差を有していれば，それらの組合せも採用することができる。たとえば表１に示す「ポリプロピレン・グレードＹ」と「ポリプロピレン・グレードＸ」の組合せは，同種の熱可塑性樹脂であるが，約２０℃のビカット軟化温度差を持つ組合せである。ポリプロピレン・グレードＹを含浸樹脂12に，ポリプロピレン・グレードＸを被覆樹脂13に，それぞれ採用することができる。組み合わされる２つの熱可塑性樹脂は，結晶性プラスチック同士であってもよく，非晶性プラスチック同士であってもよい。結晶性プラスチックと非晶性プラスチックの組合せであってもよい。

ビカット軟化温度は，熱可塑性樹脂に粉体やガラス繊維などの添加物を添加することでも高くすることができる。このため，全く同一の熱可塑性樹脂であっても，添加物が添加されていない熱可塑性樹脂を含浸樹脂12として，添加物入りの同一の熱可塑性樹脂を被覆樹脂13として，それぞれ用いることもできる。

参考までに説明しておくと，たとえばＡＢＳ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合）（ビカット軟化温度：約１００℃）とポリエチレン（ビカット軟化温度：約１００℃）の組合せは，ビカット軟化温度差がほとんどないので，これらの組合せは含浸樹脂12および被覆樹脂13として採用することには適さない。

炭素繊維複合線材10を製造するときには，初めに炭素繊維11の束に含浸樹脂12を含浸させて硬化させ，その後にその表面（表層）に被覆樹脂13を被覆することになる。被覆樹脂13を被覆するとき，被覆樹脂13はその融点を超える温度にまで加熱され溶融状態とされる。含浸樹脂12のビカット軟化温度12Ｂは被覆樹脂13の融点13Ｃよりも確実に低く，被覆樹脂13を被覆するときに含浸樹脂12は軟化する。しかしながら，被覆樹脂13を被覆するときは，含浸樹脂12が含浸された炭素繊維11の束は直線状に引っ張られるだけであるので，撚り合わせのときのような応力が加わらず，したがって炭素繊維複合線材10を製造するとき（被覆樹脂13を被覆するとき）に，含浸樹脂12が分離，凝集または脱落することはない。

１ 回転ディスク
２ 加熱撚り合わせダイ
３ 熱源
10 炭素繊維複合線材
11 炭素繊維
12 含浸樹脂（第１の熱可塑性樹脂）
13 被覆樹脂（第２の熱可塑性樹脂）
20 炭素繊維複合ケーブル

Claims (6)

1. 複数本の長尺の高強度繊維を束ねた高強度繊維束に第１の熱可塑性樹脂を含浸させた高強度繊維複合線材の表面に，さらに第２の熱可塑性樹脂が被覆された構造を備え，
   上記第２の熱可塑性樹脂のビカット軟化温度が上記第１の熱可塑性樹脂のビカット軟化温度よりも１０℃以上高いことを特徴とする，
   高強度繊維複合線材。
2. 上記高強度繊維が炭素繊維，ガラス繊維，ボロン繊維，アラミド繊維，ポリエチレン繊維またはＰＢＯ繊維である，請求項１に記載の高強度繊維複合線材。
3. 上記第２の熱可塑性樹脂が0.05mm以上の厚さを持つ，請求項１または２に記載の高強度繊維複合線材。
4. 繊維体積含有率が30％以上85％未満である，請求項１から３のいずれか一項に記載の高強度繊維複合線材。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の高強度繊維複合線材が複数本撚り合わされている，
   高強度繊維複合ケーブル。
6. 複数本の長尺の高強度繊維の束に第１の熱可塑性樹脂を含浸させたものに，上記第１の熱可塑性樹脂のビカット軟化温度よりも１０℃以上高いビカット軟化温度の第２の熱可塑性樹脂を被覆した高強度繊維複合線材を用意し，
   複数本の上記高強度繊維複合線材を，上記第１の熱可塑性樹脂のビカット軟化温度を超えかつ上記第２の熱可塑性樹脂のビカット軟化温度よりも低い温度に加熱し，
   加熱された複数本の上記高強度繊維複合線材を撚り合わせる，
   高強度繊維複合ケーブルの製造方法。

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