JP2022127119A - 繊維強化プラスチック製ロッド及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンクリートに対する付着力を高めるとともに、製造コストを削減する。【解決手段】樹脂を含浸した連続長繊維束２の表面に、螺旋巻き繊維３が喰い込んだ状態で長手方向に間隔を空けた螺旋状に巻回されており、前記螺旋巻き繊維３、３間が相対的に膨出する凸部４を形成する。凸部４がロッド本体を構成する連続長繊維束２によって形成されるため、凸部４がロッド本体と分離することなく、コンクリートに対する付着力に優れるようになる。また、凸部４を形成するための切削加工を行わないため、資材のロスなどがなく、製造コストが削減できる。【選択図】図１

Description

本発明は、コンクリート等に埋設して補強筋として使用する繊維強化プラスチック製ロッド及びその製造方法に関する。

従来より、鉄筋やＰＣ鋼線の代わりに繊維強化プラスチック製ロッドをコンクリートの補強筋として用いることが知られている。このような繊維強化プラスチック製ロッドでは、コンクリートとの付着性を向上させ、ロッドの引抜強度を高めるため、表面に凹凸が設けられている。

繊維強化プラスチック製ロッドの表面に凹凸を形成する技術として、例えば、下記特許文献１には、長繊維がロッドの長手方向に引き揃えられた繊維強化プラスチック製ロッドの表面に螺旋溝を穿設すると、表面側の長繊維が分断され、ネジ山部分の強度が低下するという従来技術の課題を解決するため、表面を捲縮繊維ストランドで被覆した繊維構造体を樹脂の補強繊維として使用し、引抜成形により得られたロッド表面に螺旋溝を穿設することが開示されている。

また、下記特許文献２～５には、芯材の表面に繊維束を螺旋状に巻き付けて、この螺旋状に巻き付けられた繊維束により凸条を形成した繊維強化プラスチック製ロッドが開示されている。

実開平３－６８４２８号公報 特開２００８－２７４６６７号公報 特公平７－１８２０６号公報 特開平８－１９９７３３号公報 特開平３－２１８８１７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の表面に螺旋溝を穿設する方法では、従来と同様に、ロッド表面に螺旋溝を穿設することによって捲縮繊維ストランドからなる層の繊維が分断されるため、依然としてネジ山部分の強度が低下する問題があった。また、切削により螺旋溝を形成した場合には、高価な繊維素材の切削によるロスが生じ、製造コストが増加する問題があった。

また、上記特許文献２～５に記載されるように、芯材の表面に巻き付けられた繊維束によって凸条を形成た場合には、凸条を形成する繊維束が、芯材の表面に対して、殆ど樹脂の接合力のみによって接合しているので、繊維強化プラスチック製ロッドに引張応力が作用したとき、凸条が芯材から分離するおそれがあり、コンクリートに対する充分な付着強度が得られないという懸念があった。

そこで本発明の主たる課題は、コンクリートに対する付着力を高めるとともに、製造コストを削減した繊維強化プラスチック製ロッド及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために請求項１に係る本発明として、樹脂を含浸した連続長繊維束の表面に、螺旋巻き繊維が喰い込んだ状態で長手方向に間隔を空けた螺旋状に巻回されており、前記螺旋巻き繊維間が相対的に膨出する凸部を形成していることを特徴とする繊維強化プラスチック製ロッドが提供される。

上記請求項１記載の発明では、樹脂を含浸した連続長繊維束の表面に、螺旋巻き繊維が喰い込んだ状態で長手方向に間隔を空けた螺旋状に巻回されており、前記螺旋巻き繊維間が相対的に膨出する凸部を形成しているため、表面に螺旋状に巻回した繊維束によって凸条を形成した従来のものなどと比較して、凸部がロッド本体を構成する連続長繊維束によって形成されるので、凸部がロッド本体と分離することがなく、コンクリートに対する付着力に優れるようになる。また、凸部を形成するための切削加工を行っていないため、資材のロスなどがなく、製造コストが削減できる。

請求項２に係る本発明として、前記繊維強化プラスチック製ロッドは、長手方向に配向された連続長繊維束の芯繊維と、前記芯繊維の表面に配設され、長手方向に配向された連続長繊維束の外周繊維とからなる請求項１記載の繊維強化プラスチック製ロッドが提供される。

上記請求項２記載の発明では、ロッドが、芯繊維と、その表面の外周繊維とからなる２層構造となっているため、後述するように、芯繊維と外周繊維とで、含浸する樹脂量や繊維の種類などを変化させることができる。

請求項３に係る本発明として、前記外周繊維は、前記芯繊維と比較して相対的に多くの樹脂を含浸している請求項２記載の繊維強化プラスチック製ロッドが提供される。

上記請求項３記載の発明では、ロッドが芯繊維と外周繊維とからなる場合において、外周繊維に含浸する樹脂量を多くしている。これによって、より多くの樹脂を含浸した外周繊維の表面に、螺旋巻き繊維を喰い込ませて螺旋状に巻回したとき、前記螺旋巻き繊維間がより顕著に外側に膨出するようになるため、ロッドのコンクリートに対する付着力を更に高めることができる。

請求項４に係る本発明として、前記芯繊維は、前記外周繊維と比較して相対的に高弾性の繊維からなる請求項２、３いずれかに記載の繊維強化プラスチック製ロッドが提供される。

上記請求項４記載の発明では、ロッドが芯繊維と外周繊維とからなる場合において、芯繊維としてより高弾性の繊維を用いている。これによって、主にロッドの引張強度に寄与する芯繊維として高弾性繊維を使用する一方で、外周繊維としてこれより低弾性の安価な繊維を使用することで、ロッドの資材コストが低減できる。

請求項５に係る本発明として、前記外周繊維は、炭素繊維、バサルト繊維及びガラス繊維の群から選択される少なくとも１つの繊維からなる請求項２～４いずれかに記載の繊維強化プラスチック製ロッドが提供される。

上記請求項５記載の発明では、外周繊維として、中弾性の炭素繊維、バサルト繊維、ガラス繊維などを用いることにより、ロッドの資材コストを抑えることができる。

請求項６に係る本発明として、樹脂を含浸させた連続長繊維束を長手方向に配向し、未硬化の前記連続長繊維束の表面に、螺旋巻き繊維を喰い込ませた状態で長手方向に間隔を空けた螺旋状に巻回することにより、前記螺旋巻き繊維間に相対的に膨出する凸部を形成した後、硬化成形することを特徴とする繊維強化プラスチック製ロッドの製造方法が提供される。

上記請求項６記載の発明では、連続長繊維束に含浸させた樹脂が未硬化の状態で、この連続長繊維束の表面に螺旋巻き繊維を喰い込ませた状態で長手方向に間隔を空けた螺旋状に巻回することにより、螺旋巻き繊維間に相対的に膨出する凸部を形成した後、硬化成形している。このため、凸部がしっかりと形成でき、コンクリートに対する付着力を確実に高めることができる。

以上詳説のとおり本発明によれば、コンクリートに対する付着力が高まるとともに、製造コストが削減できるようになる。

本発明に係る繊維強化プラスチック製ロッド１の正面図である。 その横断面図（図１のII－II線矢視図）である。 繊維強化プラスチック製ロッド１の製造ラインを示す概略構成図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳述する。

本発明に係る繊維強化プラスチック製ロッド１は、図１に示されるように、樹脂を含浸した連続長繊維束２の表面に、螺旋巻き繊維３が喰い込んだ状態で長手方向に間隔を空けた螺旋状に巻回されており、前記螺旋巻き繊維３、３間が相対的に膨出する凸部４を形成している。

すなわち、前記螺旋巻き繊維３を巻回した部分は、連続長繊維束２が絞り込まれて相対的に窪む凹部を形成し、前記螺旋巻き繊維３以外の部分は、前記螺旋巻き繊維３を巻回した部分と比較して相対的に膨出する凸部４を形成している。換言すると、前記螺旋巻き繊維３は、連続長繊維束２に完全に喰い込んだ状態で配置され、長手方向に間隔を空けて配置された螺旋巻き繊維３、３間に形成される凸部４の頂部より窪んでおり、この凸部４の頂部より外側に膨出することがない。

前記連続長繊維束２は、炭素繊維、バサルト繊維、ガラス繊維及び合成繊維の群から選択される少なくとも１つの繊維によって形成される。前記合成繊維としては、ポリビニルアルコール系繊維、ポリエステル系繊維、アラミド系繊維、アクリル系繊維、ポリオレフィン系繊維及びポリアミド系繊維の群から選択される少なくとも１つの繊維を用いることができる。繊維の太さは特に限定されず、一般に用いられている繊度のものを使用できる。

本発明に係る繊維強化プラスチック製ロッド１は、図２に示されるように、長手方向に配向された連続長繊維束の芯繊維５と、前記芯繊維５の表面に配設され、長手方向に配向された連続長繊維束の外周繊維６とからなる、多層構造の中実ロッドであるのが好ましい。このように、ロッド本体を構成する連続長繊維束２を芯繊維５と外周繊維６とで構成することで、芯繊維５と外周繊維６とで、含浸する樹脂量や繊維の種類などを任意に変化させることができる。また、前記外周繊維６は、２層以上で構成してもよく、各層で、含浸する樹脂量や繊維の種類などを変化させてもよい。

前記芯繊維５は、主にロッド１の引張強度に寄与する繊維であるため、前記外周繊維６と比較して相対的に高弾性の繊維で構成するのがよい。このような高弾性の繊維としては、繊維強化プラスチックとした場合に弾性率が１００kN／mm²以上となる炭素繊維を用いるのが特に好ましい。

また、前記外周繊維６としては、コンクリートに対する付着強度を高めること、ロッドの資材コストを低減することなどの観点から、中弾性以下の炭素繊維、バサルト繊維及びガラス繊維の群から選択される少なくとも１つの繊維を用いるのがよい。

前記芯繊維５及び外周繊維６は、組み合わせを変えることで、所望の要求性能に合わせたロッドを製作することができるようになる。例えば、芯繊維５として高弾性の炭素繊維を用い、外周繊維６としてバサルト繊維を用いることにより、前記バサルト繊維が非磁性体であり電気抵抗性が非常に高いことから、前記外周繊維６によって高電圧環境下においても通電することがない一方で、前記芯繊維５によって強度特性は高弾性炭素繊維と同等のロッドを製造することができる。

前記連続長繊維束２は、芯繊維５及び外周繊維６のいずれもが、ロッド１の略長手方向に沿って配向されている。ロッド１の長手方向とは、ロッド１の軸方向と一致する方向である。

前記連続長繊維束２に含浸させる樹脂としては、従来より公知のものを適宜使用することができ、例えば、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、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂、ナイロン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリフェニルスルホン樹脂、ポリイミド樹脂などの熱可塑性樹脂を挙げることができる。これらのうち、エポキシ樹脂が特に好ましい。

前記樹脂を連続長繊維束２に含浸させるには、常用の方法を用いることができ、例えば、液状化した樹脂の樹脂槽中に連続長繊維束２を浸漬させる方法、連続長繊維束２に液状化した樹脂をスプレーなどで塗布する方法などを挙げることができる。

前記連続長繊維束２に含浸させる樹脂量は、外周繊維６の方が芯繊維５と比較して相対的に多くするのが好ましい。具体的には、芯繊維５の樹脂含有率は１５～３５重量％とするのがよく、外周繊維６の樹脂含有率は２０～４０重量％とするのがよい。このように外周繊維６により多くの樹脂を含浸させて絞り代を予め設けておくことにより、外周繊維６の表面に前記螺旋巻き繊維３が明確に喰い込んだ状態で配置されるとともに、この螺旋巻き繊維３、３間がより顕著に外側に膨出するようになる。

前記螺旋巻き繊維３を構成する素材の種類は特に限定されないが、細くて強い繊維を用いるのがよく、例えば、炭素繊維、バサルト繊維、ガラス繊維及び合成繊維の群から選択される少なくとも１つの繊維によって形成される。前記合成繊維としては、ポリビニルアルコール系繊維、ポリエステル系繊維、アラミド系繊維、アクリル系繊維、ポリオレフィン系繊維及びポリアミド系繊維の群から選択される少なくとも１つの繊維を用いることができる。

前記螺旋巻き繊維３は、前記連続長繊維束２の表面に、ロッド１の軸方向に対して６０～８５°の角度で巻き締めることにより、連続長繊維束２の表面に螺旋状の凹部を形成する。未硬化樹脂を含浸した連続長繊維束２の表面を前記螺旋巻き繊維３で締め込むことにより、螺旋巻き繊維３が連続長繊維束２に喰い込んだ状態で周面に巻き付けられる。螺旋巻き繊維３によって連続長繊維束２を巻き締めることにより、連続長繊維束２に含浸された未硬化樹脂が表面に滲出するとともに、螺旋巻き繊維３に浸透し、その後硬化して、螺旋巻き繊維３が連続長繊維束２と一体化する。連続長繊維束２の表面に前記螺旋巻き繊維３が長手方向に間隔を空けた螺旋状に巻回されることにより、前記螺旋巻き繊維３の部分が相対的に窪む凹部を形成するとともに、長手方向に離隔する螺旋巻き繊維３、３間が相対的に膨出する凸部４を形成する。

ロッド１の長手方向に対して前記螺旋巻き繊維３、３間の間隔Ｐは、５～３０ｍｍ程度とするのがよい。この間隔Ｐが５ｍｍより小さいと、螺旋巻き繊維３、３間によって形成される凸部４が充分な高さで形成されにくく、コンクリートとの付着性が低下する。また、前記間隔Ｐが３０ｍｍより大きくても同様に、螺旋巻き繊維３、３間の凸部４が充分な高さで形成されにくく、コンクリートとの付着性が低下する。

また、前記凸部４の高さＨは、コンクリートとの付着性を確保するため、１ｍｍ以上、好ましくは１～１０ｍｍで形成するのがよい。前記凸部４の高さＨとは、図１に示されるように、螺旋巻き繊維３の上面から、螺旋巻き繊維３、３間の外側に膨出する部分の頂部までの高さをいう。この凸部４の高さＨは、螺旋巻き繊維３で巻き締める際の螺旋巻き繊維３にかかる張力や、連続長繊維束２に含浸させる樹脂量などによって適宜調整することができる。

以上の構成からなる繊維強化プラスチック製ロッド１では、凸部４がロッド本体を構成する連続長繊維束２によって形成されるため、凸部４がロッド本体と分離することがなく、コンクリートに対する付着力に優れるようになる。すなわち、連続長繊維束２の表面に螺旋巻き繊維３を巻き締めることによって、螺旋状の凹部を形成するとともに、前記螺旋巻き繊維３、３間が相対的に膨出する凸部４を形成しており、前記凸部４が、ロッド本体を構成する芯材の表面に付加された繊維束などによって形成されるのではなく、連続長繊維束２自体によって形成されるため、ロッドに引張力が作用したとき、この引張力がロッド本体を構成する連続長繊維束２に直接作用する結果、ロッド本体を構成する芯繊維の周面に繊維束によって凸部が形成された従来のものと比較して格段に大きな引抜強度が得られるようになる。

また、前記凸部４を形成するのに切削加工を行っていないため、資材のロスなどがなく、製造コストが削減できる。

次に、前記繊維強化プラスチック製ロッド１の製造方法について、図３に基づいて説明する。図示しない複数のボビンから繰り出された連続長繊維を、図示しない樹脂槽内に導入して樹脂を含浸した後、図３に示されるように、ダイス１０によって連続長繊維に付着した過剰の樹脂を除去するとともに、複数の連続長繊維を結束装置１１によって長手方向に配向した連続長繊維束２に束ねる。

外周繊維６を構成する連続長繊維は、芯繊維５を構成する連続長繊維と比較して相対的に多くの樹脂が付着するように、前記ダイス１０にて繊維に付着する樹脂量が調整される。

前記結束装置１１によって束ねられた連続長繊維束２は、付着した樹脂が未硬化の状態で、該連続長繊維束２の表面に、ボビン１２から繰り出された螺旋巻き繊維３が喰い込んだ状態で長手方向に間隔を空けた螺旋状に巻回される。具体的には、前記螺旋巻き繊維３が巻き取られたボビン１２が、長手方向に沿って一定の速度で移動する連続長繊維束２に対して、半径方向に一定の離隔距離を保持しつつ周方向に回転しながら、一定の張力に保持された螺旋巻き繊維３を繰り出すことにより、前記螺旋巻き繊維３が連続長繊維束２に喰い込んだ状態で長手方向に間隔を空けた螺旋状に巻き付けられる。これによって、螺旋巻き繊維３、３間に相対的に膨出する凸部４が形成される。

前記凸部４が形成された連続長繊維束２は、その状態のまま、熱処理装置１３において熱処理が行われ、硬化成形される。

しかる後、カッター装置１４によって所定の長さに切断され、繊維強化プラスチック製ロッド１が完成する。

なお、図３において、符号１５は引抜装置であり、一般にローラ装置などが用いられる。

前記熱処理装置１３において、連続長繊維束２を曲線的に引き抜きながら硬化成形することによって、表面に凹凸が設けられた曲線状のロッドを製作することも可能となる。切削加工により表面に凹凸を形成する従来の方法では、曲線状に硬化成形されたロッドに切削加工を施すことができず、表面に凹凸が設けられた曲線状のロッドを製作することができなかったが、本発明では、上述の方法によりこのようなロッドも製造可能となる。

１…繊維強化プラスチック製ロッド、２…連続長繊維束、３…螺旋巻き繊維、４…凸部、５…芯繊維、６…外周繊維、１０…ダイス、１１…結束装置、１２…ボビン、１３…熱処理装置、１４…カッター装置、１５…引抜装置

Claims (6)

1. 樹脂を含浸した連続長繊維束の表面に、螺旋巻き繊維が喰い込んだ状態で長手方向に間隔を空けた螺旋状に巻回されており、前記螺旋巻き繊維間が相対的に膨出する凸部を形成していることを特徴とする繊維強化プラスチック製ロッド。
2. 前記繊維強化プラスチック製ロッドは、長手方向に配向された連続長繊維束の芯繊維と、前記芯繊維の表面に配設され、長手方向に配向された連続長繊維束の外周繊維とからなる請求項１記載の繊維強化プラスチック製ロッド。
3. 前記外周繊維は、前記芯繊維と比較して相対的に多くの樹脂を含浸している請求項２記載の繊維強化プラスチック製ロッド。
4. 前記芯繊維は、前記外周繊維と比較して相対的に高弾性の繊維からなる請求項２、３いずれかに記載の繊維強化プラスチック製ロッド。
5. 前記外周繊維は、炭素繊維、バサルト繊維及びガラス繊維の群から選択される少なくとも１つの繊維からなる請求項２～４いずれかに記載の繊維強化プラスチック製ロッド。
6. 樹脂を含浸させた連続長繊維束を長手方向に配向し、未硬化の前記連続長繊維束の表面に、螺旋巻き繊維を喰い込ませた状態で長手方向に間隔を空けた螺旋状に巻回することにより、前記螺旋巻き繊維間に相対的に膨出する凸部を形成した後、硬化成形することを特徴とする繊維強化プラスチック製ロッドの製造方法。

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