JP2527392B2 - 天然繊維強化複合パイプ製軽車輛用フレ―ム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、天然繊維強化複合パイ
プよりなる軽車輛用フレーム、例えば自転車用フレーム
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】炭素繊維等の化学繊維を主体とした繊維
強化複合材料によるパイプは、金属（例えば鉄やアルミ
ニウム）製のパイプの代わりに、軽車輛用フレームにも
幅広く使用されている。軽車輛用金属製フレームは、金
属製のパイプと継ぎ手とを溶接やろう付，接着剤による
接合等の方法で作成されている。

【０００３】また軽車輛用炭素繊維パイプ製フレーム
は、炭素繊維と合成樹脂とを複合化した複合材料をパイ
プ状にして、炭素繊維強化複合パイプを製造し、このパ
イプと金属製及び強化プラスチック製の継ぎ手とを接着
剤により接合することで作成されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の金属製パイ
プを使用した軽車輛用フレームは、重量が重く、人力を
動力源とする場合、操作が困難であるほか、加速性能や
登坂能力に劣るなどの問題点がある。またバッテリー等
の軽動力源を有する場合においても、動力が短時間で消
耗するなどの問題点が生じる。

【０００５】また炭素繊維等の化学繊維を主体とした繊
維強化複合材料よりなる軽車輛用フレームは、化学繊維
と合成樹脂との接着界面に化学的反応がなくて、物理的
なアンカー効果による接合が行われているだけであり、
化学的な結合に関しては、明確な理論がない。また化学
繊維自体の伸びがごく小量であることから、衝撃時に炭
素繊維と合成樹脂との接着界面での層間剥離が起きて、
耐衝撃性の脆さや合成樹脂の脆性破断等の問題があり、
走行時の耐衝撃性に対する安全性に欠ける。

【０００６】さらに炭素繊維は、硬い材料であるため、
路面からの振動が直接人体に伝わって、乗り心地の面で
難点がある。本発明は、前記の問題点に鑑み提案するも
のであり、その目的とするところは軽量でかつ耐衝撃性
を向上できる天然繊維強化複合パイプ製軽車輛用フレー
ムを提供しようとする点にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の天然繊維強化複合パイプ製軽車輛用フレ
ームは、請求項１に記載したように熱硬化性プラスチッ
クス等のマトリックスと、天然繊維より作成された紙糸
との複合材料をパイプ状に硬化、成形したことを特徴と
している。

【０００８】また本発明の天然繊維強化複合パイプ製軽
車輛用フレームは、請求項２に記載したように紙糸に、
天然繊維と化学繊維を混合して得た混合物を使用してい
る。また本発明の天然繊維強化複合パイプ製軽車輛用フ
レームは、請求項３に記載したように熱硬化合成樹脂に
２液性の常温硬化合成樹脂を使用している。

【０００９】

【作用】本発明の天然繊維強化複合パイプ製軽車輛用フ
レームは前記のように熱硬化性プラスチックス等のマト
リックスと、天然繊維より作成された紙系との複合材料
をパイプ状に硬化、成形している。その際、同複合材料
を芯材に巻き付けて、パイプ状に硬化、成形する。そし
てこのパイプと金属製及び強化プラスチックス製等の継
ぎ手とを接合して、フレームにする。

【００１０】なお上記天然繊維強化複合パイプの製造時
には、天然繊維（または天然繊維と化学繊維との混合
物）より作成された紙糸をフィラメントワインディング
装置にセットし、同装置内で熱硬化合成樹脂に含浸し、
次いで同複合材料に適度な張力を与え、次いで同複合材
料を金属製の芯材に巻き付け、次いで同複合材料と芯材
とを熱硬化合成樹脂の硬化温度まで加熱して、同熱硬化
剛性樹脂を硬化させ、次いで同芯材を脱芯して、成形品
を取り出す。

【００１１】前記熱硬化合成樹脂には、２液性の常温硬
化合成樹脂を使用してもよい。その場合、硬化時間を短
縮するため、常温硬化合成樹脂を適切な硬化温度まで加
熱して同様に成形する。なお常温硬化合成樹脂は、大半
が加熱しても支障はないし、加熱すると温度に比例して
成形時間が短縮する傾向を示す。

【００１２】

【実施例】次に本発明の天然繊維強化複合パイプ製軽車
輛用フレームを図１〜図４に示す一実施例により説明す
る。先ず天然繊維より作成される紙糸については、 （１）原料繊維 本発明でフレームの補強材として使用する紙糸の主原料
は、パルプ化植物繊維である。植物繊維としては、木類
靱皮繊維、麻類靱皮繊維および葉繊維から選ばれる。こ
の他に少量の木材パルプ、あるいは製紙用として公知の
合成繊維や合成パルプが混合使用される。

【００１３】木類靱皮繊維には、こうぞ、みつまた、が
んび、桑などの繊維がある。これらの原木から剥ぎとっ
た樹皮を、アルカリ等の薬液で蒸煮して、パルプ化繊維
を製造する。麻類靱皮繊維には、亜麻、苧麻、大麻、ジ
ュート、ケナフ等の繊維がある。これらの茎から醗酵な
どの方法で繊維束を分離し、アルカリなどの薬液で蒸煮
して、パルプ化繊維を製造する。

【００１４】葉繊維はマニラ麻やサイザル麻の葉から葉
肉を取除き、残った葉脈などの繊維をアルカリなどの薬
液で蒸煮して、パルプ化繊維を製造する。これらの靱皮
繊維や葉繊維からのパルプ技術については、紙パルプ技
術協会編『クラフトパルプ・非木材パルプ』昭和４２年
３月: 紙パルプ技術協会発行: に詳しく記載されてい
る。

【００１５】製紙用として公知の合成繊維には、レーヨ
ン、ビニロン、ポリエステル、ナイロン、アクリル、ア
ラミド等の有機繊維および、ガラス繊維、炭素繊維等の
無機繊維がある。これらのうち、有機繊維は、繊度０．
１〜５デニール、長さ３〜１３ｍｍであって、水となじ
みがよく、水に分散を可能にする仕上げ剤が付着したも
のである。無機繊維は、繊維径３〜１３μｍ、長さ３〜
１３ｍｍのものが好適である。

【００１６】合成パルプは、ポリマーを溶解状態または
溶融状態から強い力を加えながら固体化させて、細いフ
ィブリル状にしたもので、ポリオレフィンパルプやアラ
ミドパルプが市販されている。 パルプ化例（ａ） 靱皮繊維として、風乾白皮みつまたを一夜水に浸した後
に、平釜に投入し、１５％の苛性ソーダおよび１５倍の
水を加えて加熱し、１．５時間煮沸する。これを脱液・
水洗し、ビーターで分散させてから、次亜塩素酸ソーダ
で漂白し、水洗後に除塵機を通し、脱水して、ウエット
パルプシートを得た。

【００１７】パルプ化例（ｂ） 葉繊維として、マニラ麻を１５％の苛性ソーダおよび水
と、地球形の蒸解釜に入れ、圧力５．５ｋｇ／ｃｍ² の
加圧下で６時間蒸気加熱して、パルプ化する。これを脱
液，水洗いし、次亜塩素酸ソーダで漂白し、水洗後に除
塵機を通し、脱水して、ウエットパルプシートを得た。 （２）抄紙 上記のようにして得られるパルプ化植物繊維は、水に分
散されて、ビーターやリファイナーを用いて所望の叩解
度に叩解される。

【００１８】また所望により異種パルプ化植物繊維が混
合されたり、合成パルプや合成繊維が混合される。ある
いは湿潤協力向上剤等の添加薬品が混合される。これら
の混合は、パルパー、ビーター、配合ポーチャーの中で
適宜行われる。次いでこのように配合されたスラリーを
抄紙機に流送し、乾燥坪量が１０〜１００ｇ／ｍ² の範
囲で抄紙、乾燥された巻きとられる。抄紙機は、長網、
短網、傾斜ワイヤー形、円網等の各種の形式が使用でき
る。中でも円網抄紙機は、繊維が縦方向に配向するの
で、細長く紙糸にスリットした後の強度が高くなる利点
がある。また抄紙の際にドクター刃を用いてクレープ処
理した紙は、嵩高になり、樹脂の含浸性が向上する。 （３）スリット 上記の巻きとられた紙をマイクロスリッターにかけて、
所望の幅の細いテープ状にスリットし、紙糸にして、ボ
ビンに巻きとる。マイクロスリッターとしてはシャーカ
ット方式のスリッターが最適である。

【００１９】紙糸にスリットされる原紙の厚さおよび幅
は、複合材料の品質設計に応じて可能な範囲で設定され
る。厚さは上記の範囲から、また幅は０．３〜２０ｍｍ
が糸材として好ましい。 （４）より（撚り） 筒形複合材料を製造するフィラメントワインディング工
程において、紙糸の樹脂含浸と、含浸後の走行やワイン
ディングを安定に行わせるために、紙糸により（撚り）
を加えるのが好ましい。ねん糸は、通常のねん糸機を用
いて、速度を若干低く設定することによって問題なく製
造できる。適切なより数は、紙糸の厚さや太さによって
異なるが、通常の衣料用糸並みか或いは低く設定するこ
とにより、樹脂含浸性や走行性、作業性に良い結果が得
られた。

【００２０】

【表１】

【００２１】紙糸例（ａ） みつまたウエットパルプシートを水に分散し、その絶乾
重量の１％の湿潤強力向上剤を添加したスラリーを調製
した。これに少量の粘剤を用いて円網抄紙機により抄紙
した。得られたみつまた紙の特性は表１の例１の通りで
あった。この紙を幅２ｍｍにスリットし、４００Ｔ／ｍ
のよりを加えて、みつまた紙糸を作製した。

【００２２】紙糸例（ｂ） 表１の例１のみつまたウエットパルプシートの代わりに
マニラ麻ウエットパルプシートを用いて同様に抄紙し
た。得られたマニラ紙の特性は、表１の例２の通りであ
る。更に表１の例１と同様にスリットおよび、より加工
してマニラ紙糸を得た。

【００２３】紙糸例（ｃ） 表１の例２に使用したマニラ麻ウエットパルプシートに
径７μｍ、長さ６ｍｍのＰＡＮ系炭素繊維を、乾燥重量
比９：１になるように混合し、湿潤強力向上剤を添加し
て、表１の例１と同様に抄紙した。得られた炭素繊維混
抄紙の特性を表１の例３に示した。

【００２４】さらに表１の例１と同様にスリットおよ
び、より加工して混抄紙糸を得た。炭素繊維は著しく剛
性が大で、また接着性もあまり高くないので、紙特性や
紙糸強度に原糸特性は十分には反映されない結果を示し
た。ただし樹脂の浸透は良く、複合材料の補強材として
は繊維特性の効果が認められる。上記の方法より作製さ
れた紙糸をフィラメントワインディング装置の原料送出
部にセットして、紙糸に紙糸の有する引張強度限度内に
て目的に応じて適度に張力をかけ、次いで装置内に樹脂
層を通過させて、熱硬化合成樹脂と体積含有率が適量に
なるように冶具をセットしながら含浸させ、次いで同複
合材料を同装置の回転部にセットした図１に示す金属製
のφ１８ｍｍの芯材１に、予めコンピューターに入力し
た繊維の積層角度４５°、積層数１５層、芯材回転速度
１５ｍ／分等の条件で自動的に巻き付ける。この状態を
図２に示した。図２（ａ）が複合材料２の巻き始め、図
２（ｂ）が中間折り返し、図２（ｃ）が複合材料２の巻
き終わりの状態を示している。

【００２５】次いで巻き付けられた同複合材料２と芯材
１とを回転型の加熱炉において、８０℃の温度で２時間
加熱して、同複合材料２を硬化させて、自然冷却させ、
次いで芯材１を脱芯して、成形品（天然繊維強化複合パ
イプ製軽車輛用フレーム）を取り出す。図３の３が自転
車に適用した場合のフレームである。上記のようにフィ
ラメントワインディング装置内で天然繊維を熱硬化性合
成樹脂に含浸させて、金属製の芯材１に巻き付けるが、
同複合材料２の巻き付けを完了するまでに熱硬化合成樹
脂が天然繊維の中に十分に浸透するため、繊維と樹脂と
の結合が強固になる。さらに同複合材料を加熱炉で熱硬
化性合成樹脂の硬化温度まで加熱するが、加熱の初期段
階では、熱硬化性合成樹脂が流動性を帯びるため、さら
に十分に樹脂が繊維中へ浸透し、天然繊維の水酸基と熱
硬化合成樹脂の水素基とが積極的に反応して、化学的結
合がより強靱になり、複合パイプの曲げ強度が強靱なも
のとなった。

【００２６】図４は、複合パイプの曲げ剛性を測定した
結果を示す。複合パイプの曲げ試験より求められる曲げ
弾性率は、複合パイプの片端を固定して、固定端より約
５ｍｍの部分に１８０度対称に２枚の歪ゲージを張り付
け固定端より２００ｍｍの部分に荷重をかけたときの歪
量から求められる。このとき、積層角度４５度におい
て、体積含有率６０％（換算値）のときの複合パイプの
曲げ弾性率は、約１１，６００ＭＰａである。これらの
パイプをアルミニウム製の継ぎ手等と接着剤による接合
とにより組み立て、フレーム構造にする。

【００２７】

【発明の効果】本発明の天然繊維強化複合パイプ製軽車
輛フレームは前記のようにプラスチックス等のマトリッ
クスと天然繊維（または天然繊維と化学繊維の混合物）
とにより作成された紙糸との複合材料を例えばフィラメ
ントワインディング装置を使用して、芯材に巻き付け
て、同複合材料をパイプ状に硬化、成形し、これを金属
製及び強化プラスチック製の継ぎ手等と接着剤による接
合とにより接合して天然繊維強化複合パイプ使用フレー
ムとする。このフレームの主体となる天然繊維強化複合
パイプは、プラスチックス等のマトリックスが天然繊維
へ十分に浸透し、層間剥離が起こり難くなるため、軽車
輛フレーム、例えば自転車や車椅子などのフレームに使
用した場合、衝突時に衝撃をやわらげ、人体への危害を
最小限にとどめる働きをする。

【００２８】また天然繊維（または天然繊維と化学繊維
との混合物）から作成された紙糸は、糸の密度が高く、
繊維の絡み合っている強度も強いため、紙糸単体の強度
も強く、複合パイプの引張試験などの強度試験時の破断
の形態が破損しても、破断に至らないなど、化学繊維単
体の場合とかなり異なっている。それに加え、天然繊維
（または天然繊維と化学繊維との混合物）から作成され
た紙糸は、適度に撚糸を行うことにより、糸の密度が高
くなり、さらに伸びが生じることから、弾力性が強くな
るため、糸自身の強度を上昇させることもできる。また
フィラメントワインディング技術は繊維が始めから終わ
りまで連続しており、通常よく使われているシート状の
繊維（プリプレグ）を芯材に巻き付けて成形する場合に
比べて紙糸は、シートに較べて密度が高く、繊維をたく
さん製品に入れることができるため、より軽量で、パイ
プの剛性が高くなる。以上の事からこれらの天然繊維強
化複合パイプ製軽車輛フレームは、金属製及び炭素繊維
強化プラスチック製のパイプから作成されたフレームよ
りも軽量で、耐衝撃性が良く且つ乗り心地も改善され
る。

【００２９】特に天然繊維にミツマタ等の靱皮繊維や葉
繊維を使用し、合成樹脂に熱硬化性合成樹脂を使用し
て、フィラメントワインディング装置内の樹脂層で互い
に含浸させ、次いで同複合材料を装置の回転部に取り付
けた金属製の芯材に巻き付けて、巻き付けられた同複合
材料と芯材を加熱炉で熱硬化製樹脂の硬化温度まで加熱
して、硬化させ、次いで芯材を脱芯して、成形品を取り
出す場合には、前記効果の外に次の効果が達成される。
即ち、加熱のはじめの段階では、熱硬化性合成樹脂が流
動性を帯びており、天然繊維の水酸基と熱硬化性合成樹
脂の水素基とが積極的に反応して化学的結合が強靱にな
った。そのため、天然繊維強化複合パイプの耐衝撃性が
向上し、柔軟性が高まる等の効果がある。

【００３０】さらに破損時においても、繊維と樹脂との
密着性が高いため、脆性的な破損形態を示さず、人体へ
の危害を及ぼす危険性が少ないという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の天然繊維強化複合パイプ製軽車輛フレ
ームの製造に使用する芯材を示す斜視図である。

【図２】フィラメントワインディング装置での複合材料
の芯材に対する巻付け状態を示す説明図である。

【図３】本発明の天然繊維強化複合パイプ製軽車輛フレ
ームの一実施例を示す側面図である。

【図４】複合パイプの曲げ剛性の測定結果を示す説明図
である。

【符号の説明】 １ 芯材 ２ 複合材料 ３ 天然繊維強化複合パイプ製軽車輛フレームのパイ
プ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小川 宏隆 愛知県名古屋市天白区市塩釜口１丁目 501番地 名城大学 理工学部 交通機 械学科内 (72)発明者 鈴村 暁男 東京都目黒区大岡山２丁目12番１号 東 京工業大学 工学部 生産機械工学科内 (72)発明者 遠藤 明太郎 岐阜県美濃市前野422番地 大福製紙株 式会社内 (72)発明者 西宇 雅道 岐阜県美濃市前野422番地 大福製紙株 式会社内 (72)発明者 境田 賢次 東京都港区高輪３丁目25番23号 京急第 ２ビル 旭エンジニアリング株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−21434（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−289783（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−76779（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−28573（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−92285（ＪＰ，Ａ)

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱硬化性プラスチックス等のマトリック
   スと、天然繊維より作成された紙糸との複合材料をパイ
   プ状に硬化、成形したことを特徴とする天然繊維強化複
   合パイプ製軽車輛用フレーム。
2. 【請求項２】 前記紙糸に、天然繊維と化学繊維を混合
   して得た混合物を使用することを特徴とした請求項１記
   載の天然繊維強化複合パイプ製軽車輛用フレーム。
3. 【請求項３】 前記熱硬化合成樹脂に２液性の常温硬化
   合成樹脂を使用することを特徴とした請求項１記載の天
   然繊維強化複合パイプ製軽車輛用フレーム。