JP3328736B2 - 三次元一体の強化構造部材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＦＲＰ等で知られる
強化樹脂板の如き強化構造部材に係り、詳しくは三軸、
三次元一体構造をもち、剛性、剥離強度、引裂強度の改
善されたＦＲＰ、強化セラミック板、コンクリート板な
どの強化構造部材に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）は機械
的強度に優れた部材として広く各分野で用いられている
が、一般的にはガラス繊維を基材として不飽和ポリエス
テルで硬化形成されており、近時、熱可塑性樹脂の利用
によるＥＲＴＰも開発が進められている。

【０００３】そして、上記不飽和ポリエステル樹脂以外
にもエポキシ樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂、ジア
リルフタレート樹脂、硬化型アクリル樹脂、ケイ素樹脂
等の熱硬化性樹脂が用いられ、大型の製品を比較的簡単
な装置と、安価な型材で成形できることから、家電製
品、建設分野、熱交換器、モーターボート、ヨット、コ
ンテナ類、浄化タンクを始め、自動車のボディやスポー
ツカーなど、広汎な分野で生産に利用されている。

【０００４】ところで、上記従来のＦＲＰ等において用
いられる基材は主として前述のガラス繊維であり、この
ガラス繊維は紐状のロービングやチョップドストランド
ヤーン、マットあるいはクロス、プリプレグの形態で用
いられ、特に三次元構造体の作成に際しては、クロス、
プリプレグを積層することによって積層化が行われてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、ＦＲＰの強
度は繊維の状態によって変わり、成形加工法による面が
あるとは言っても繊維含有率が最も重要な要素であり、
繊維含有率を高めることはＦＲＰの強度の向上につなが
ることになるが、上述のガラス繊維の場合、最も含有率
の多いクロスで６０〜７０％、少ないチョップドストラ
ンドでは精々、１０〜２０％にすぎない状況である。ま
た、近時、セラミックスの利用が研究され、炭素繊維の
基材への使用が考えられているが、これも繊維含有率は
６０〜７０％が精一杯の状態である。

【０００６】一方、三次元構造体を作成するプリプレグ
等の積層化では積層により一応、所要の三次元構造は得
られるにしても、各層間は夫々、別層として分離された
状態にあるため製品における層間剥離強度が劣り、これ
は特に限界温度下で著しく、その実用範囲に制約を免れ
なかった。

【０００７】本発明は上述の如き実状に鑑み、これに対
応すべく、特に特殊なダブルラッセル機の利用による三
軸、三次元一体の経編地基材を見出すことにより、ＦＲ
Ｐ等の強化構造部材における層間剥離強度、寸法安定性
と共に強力、引裂強度、剛性などを向上させ、かつ限界
温度下におけるそれら各物性の安定性を高めることを目
的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】即ち、上記目的に適合す
るため本発明は特に三軸、三次元一体構造の経編地を強
化材として使用することを基本とする。ここで、三軸、
三次元一体構造とは、少なくとも所要間隔を隔てて編成
された前後夫々並列された多数の鎖編目列及び該編目列
に直交して挿入された緯糸よりなるＸ−Ｙ二軸平面の両
基布が該両基布間をＺ軸方向に連結する連結糸により一
体編成によって結接され、所要の厚みに構成されている
構造である。

【０００９】本発明は上記の如き強化材を使用する点に
先ず基本的な特徴を有している。具体的には各請求項に
記載する通りであり、請求項１は基本構成として前後夫
々列をなして長さ方向にのびる並列された多数の鎖編目
列に夫々多数フィラメントを集束したロービングを緯糸
として、該緯糸を適宜挿入して並列鎖編目列と緯糸より
なる前後基布を夫々編成すると共に、該前後基布の前記
鎖編目列間を多数の連結糸により互いに連結して三軸、
三次元一体構造の構造体を形成し、該構造体を強化材と
して所要の形状に型成し、マトリックスにより硬化形成
せしめてなり、かつ、構造体中における繊維含有率が９
０％以上である構成を特徴とする。

【００１０】請求項２は、上記基本構成の前後基布使用
の変形とし糸置連結部分を一部除去して該部に中空部を
形成し、型材を挿入して所要の形状に型成し、マトリッ
クスにより硬化形成せしめて型材を外し中空品となした
構成である。

【００１１】

【００１２】

【００１３】

【００１４】

【作用】本発明強化構造部材は、前述の如く前後の基布
及び連結糸が一体に編成された編地を強化材とするもの
であり、マトリックスにより硬化成形されたときは従来
の三次元構造体の如く単なる積層化によるものと異な
り、一体構造として層間剥離強度を格段に向上させ、し
かも緯糸としてロービング等を用いるときは、強度、引
裂強度、剛性をも高め、寸法安定性を良好とすると共
に、常温使用はもとより、限界（絶対）温度下において
も物性に変化を来すこともない。なお、本発明強化構造
部材は強化材が編地によるため長さ、巾及び形状は自由
であり、広汎な分野の製品に対応可能である。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、更に添付図面を参照し、本
発明の実施の態様を説明する。

【００１６】図１は本発明に係る強化構造部材に用いら
れる強化材の１例を示し、図において１、２は前後２列
をなして夫々長さ方向に編成されて延びる鎖編目列３
と、該鎖編目列３に対し緯方向に挿入された多数フィラ
メントを集束したロービングからなる緯糸４によって編
成され、形成された前後の基布であり、５は上記前後の
基布１，２における相対する鎖編目列３の対向するルー
プ間で交互にジグザグに係合して該両鎖編目列３を結接
連結する連結糸で、これら鎖編目列３編成とロービング
からなる緯糸挿入と連結糸５による基布連結は特殊な緯
糸挿入装置付ダブルラッセル機を利用することによって
一体に編成され、大量的に本発明強化構造部材の強化材
を構成している。なお、ここで前後基布は図１において
は前後夫々１層であるが、前，中，後にわたる複数層で
あってもよい。

【００１７】即ち、上記ダブルラッセル機において、前
側のニードル列と、後側のニードル列で夫々鎖編みを行
って前後の鎖編目列３、３を編成しつつ適宜、緯方向に
緯糸４を挿入して夫々前後に鎖編目列３と緯糸４により
前後の基布１、２を形成する一方、前後の上記鎖編目列
３間において適宜ジグザグ位置の鎖編目を連結糸５によ
り結接連結することにより前後の基布１、２が連結糸５
により一体に結接連結された経編地が得られる。

【００１８】この経編地はＸ−Ｙ軸方向の平面的基布１
及び２と、両基布１、２を連結するＺ軸方向の連結糸５
による三軸構成を有して、三次元一体の構造を形成して
いる。そして、この編地はその編成具合によって基布間
の厚みや、巾、長さを適宜、調整が可能であり、任意に
コントロールできる有利さを有している。

【００１９】なお、上記前後の基布１、２と連結糸５よ
りなる強化材において、編成時、鎖編目列形成糸と、挿
入緯糸４及び連結糸５に用いられる糸素材は、用途、目
的などによって適宜、選択されるが、綿などの天然繊維
の外、ガラス繊維、ロックウール、炭素繊維、ウイス
カ、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維、ジルコニア繊維な
どの無機繊維もしくはセラミック繊維、ナイロン、アラ
ミド、ポリエステル、ポリアクリル系合成繊維などの有
機繊維が用いられ、特にセラミックス強化構造部材を作
製する場合はセラミック繊維を用いることが効果的であ
る。特にセラミック繊維は従来、編地編成は困難とさ
れ，、殆ど使用されていなかったが、本発明ではこれを
覆しセラミック構造体の作成に使用される。

【００２０】また、上記各糸素材は一種に限らず、複数
の組み合わせも可能であるが、とりわけ、緯糸４につい
ては素材は長繊維フィラメントであることが好ましく、
しかも、これを適宜本数引き揃え集束してロービング形
態で挿入、使用することが好適である。特に強度の飛躍
的向上のためには緯糸を多層配向することも有効であ
る。糸の太さとしては単糸当り径２０μ〜７０μ程度の
ものが一般に使用される。一方、強化材の三次元一体構
造を構成するＺ軸方向の厚みは１ｍｍ〜２００ｍｍ程度
まで適宜、作成することが可能であり、利用目的に応じ
て調整する。

【００２１】かくして、上述の如く構成された立体的経
編地よりなる三軸、三次元構造の強化材は、これをマト
リックスに含浸することにより図２の如くマトリックス
７を結合材として硬化され、所要の強化構造部材に作ら
れる。なお、強化材はマトリックス含浸に先立って所定
の形態に型成される。マトリックス７はエポキシ樹脂、
フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエス
テル樹脂、エポキシアクリレート樹脂、フラン樹脂な
ど、熱硬化性樹脂が一般的であるが、目的により近時注
目されている熱可塑性樹脂、例えばポリアミド、ポリカ
ーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＡＢＳ、
塩化ビニル樹脂であってもよく、更に天然、合成ゴムな
どのゴムあるいはコンクリート成形の場合にはコンクリ
ートをマトリックスとして用いてもよい。

【００２２】殊に、セラミックス構造体型成の場合にお
いてセラミック繊維を用いて構成した三次元一体構造の
強化材を所要の形状として含浸硬化させるときは、セラ
ミック溶液としてＡｌ₂ Ｏ₃ 溶液やＳｉＯ₂ 溶液その
他、使用可能なセラミック溶液が使用されるが、セラミ
ック溶液は焼成が必要であり、従って含浸後、焼成して
硬化せしめる。焼成は通常、既知の電気炉、プラズマを
利用する。加熱温度、焼成温度などは使用する成分によ
り定まり、必らずしも一定ではなく、夫々に応じ、適合
した温度が適用される。樹脂又はセラミック溶液などに
よるマトリックス含浸量は強化材をなす経編地強化材に
もよるが、本発明における繊維素材等と、樹脂又はセラ
ミックスなどの各量は前者の占める割合が９０％以上に
も及び、強化構造部材としての強度の向上に顕著な効果
があることが認められている。

【００２３】以上の説明は、特に図１に示す如き中実体
の単純な強化材を用いた場合であるが、三次元構造部材
の軽量化を図るためには強化材を中空構造の強化材とす
ることが効果的である。

【００２４】図３はかかる中空構造強化材の構成を示し
ており、基布の構成及び緯糸ならびに連結糸などは前述
したのと同様であるが、連結糸５による連結部の一部が
除去されて該部に中空部６を形成せしめている。この中
空部６の形成は、経編編成時において、その部分の連結
糸の使用を止めてもよく、また、編成後、該部の連結糸
を除去するようにしてもよい。そして、このように中空
部６が形成された強化材に対しては成形にあたり中空部
に適宜、型材を挿入して任意の形状になし、爾後、含
浸、硬化成形を行い、その後型材を外すことによって中
空部６を有する強化構造部材が得られる。なお、図１と
同符号は同一部分を示す。このような中空部６を有する
強化材を用いた強化構造部材は中実のものに比較し、遙
かに軽量であり、取扱い面において極めて好適である。

【００２５】以上、述べて来た強化構造部材は図示の如
き単純な形状であるが、該強化材は繊維状素材による経
編地であるため、巾、厚さ、長さが自由に設定され、形
状も亦、任意の形状に形成が容易である。従って、得よ
うとする製品形態に対応し、上記強化材をその形態に合
わせて予め所要の形としてマトリックス含浸により硬化
成型せしめることができる。

【００２６】成型方法としては、ＲＴＭ成型、ＲＩＭ成
型、スタンバブル、引き抜きなどで対応が可能であり、
また射出、ブロー、圧縮、真空の各成形手段も利用する
ことができ、得ようとする製品に応じて選択採用可能で
ある。

【００２７】かくして得られる製品は建築、建設分野や
搬送、車両、航空機、家電、宇宙、精密部品、船舶、半
導体、熱交換などの各分野に広くまたがり、頗るその範
囲は広汎である。また、機能性高分子分野の製品、集積
回路にも随時、利用することができる。

【００２８】

【発明の効果】本発明は以上のように両面の基布と、該
両基布を連結する連結糸をもって一体に編成してなる三
軸、三次元一体構造の経編地を強化材として所要の形状
となし、マトリックスにより硬化形成したものであり、
従来のガラス繊維などの短繊維、長繊維あるいはマット
などの平面生地を強化材としたものに比較し、三軸、三
次元の立体的編地であるため、樹脂またはセラミックマ
トリックス中に占める繊維の量が極めて大となり、従来
のものが精々、繊維含有率６０〜７０％であったのに対
し、９０％あるいはそれ以上を示すことができ、強化構
造部材として強度を大巾に向上せしめる顕著な効果を奏
する。しかも、本発明における上記強化材は三軸、三次
元一体構造であるため、従来の積層による三次元構造体
に比し層間剥離強度が格段に勝れて、硬化、成形後の製
品の強度、引裂度、寸法安定性などの物性を著しく高め
る外、三次元による立体化で剛性をも向上させ、従来の
厚みを有する三次元構造体を凌駕する構造体として頗る
効果的である。また、強化材を中空構造体とするとき
は、頗る軽量となり、利用目的に対応して実用性を増大
する。殊に、本発明では経編地であるため生産能率が大
であり、その編組織により多孔質の強化部材や多孔質セ
ラミックスの生産も可能となり、水の浄化は勿論、その
用途、目的に適合した各種製品を作成することができる
効用を有する。なお、セラミック繊維とセラミック溶液
の組み合わせにより、従来の樹脂硬化では使用し得なか
った高熱水の浄化を始め高熱対応製品を容易に作成でき
る実効を有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明強化構造部材に用いる強化材の１例を示
す部分斜視図である。

【図２】図１に示す強化材を用いた強化構造部材の図１
のＡ−Ａ線に沿う部分断面図である。

【図３】本発明強化構造部材に用いる中空強化材の例を
示す部分斜視図である。

【符号の説明】

１、２ 基布 ３ 鎖編目列 ４ 緯糸 ５ 連結糸 ６ 中空部 ７ マトリックス

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】前後に夫々列をなして長さ方向に延びる並
   列された多数の鎖編目列に夫々多数フィラメントを集束
   したロービングを緯糸として、該緯糸を適宜挿入して並
   列鎖編目列と緯糸よりなる前後基布を夫々編成すると共
   に、該前後基布の前記鎖編目列間を多数の連結糸により
   互いに連結して三軸、三次元一体構造の構造体を形成
   し、該構造体を強化材として所要の形状に型成し、マト
   リックスにより硬化形成してなり、かつ、該構造体にお
   ける繊維含有率が９０％以上であることを特徴とする三
   次元一体の強化構造部材。
2. 【請求項２】前後夫々列をなして長さ方向に延びる並列
   された多数の鎖編目列に夫々多数フィラメントを集束し
   たロービングを緯糸として、該緯糸を適宜挿入して並列
   鎖編目列と緯糸よりなる前後の基布を編成すると共に、
   該両基布の鎖編目列間を多数の連結糸により互いに連結
   して三軸、三次元一体構造の構造体を形成し、連結糸に
   よる連結部分を一部除去し、該部に中空部を形成して型
   材を挿入し、これを強化材として所要の形状に型成し、
   マトリックスにより硬化形成せしめ、型材を外してなる
   ことを特徴とする三次元一体の中空強化構造部材。