JP3935275B2 - 合成まくらぎ及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鉄道用のまくらぎに関し、特に母材樹脂をその長手方向に沿って延在する長繊維により強化してなる繊維強化樹脂により形成された合成まくらぎ及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道用のまくらぎには、木材やコンクリートが従来から広く用いられてきた。しかしながら、木製まくらぎは腐食や損傷に弱く、しかも吸水によって物性が低下するなどの難点があり、耐久性にも劣るという問題があるばかりでなく、資源不足による供給安定性、基礎物性値等の品質安定性にも問題があった。コンクリート製まくらぎは丈夫であり、資材の入手も容易であるが、その重量に問題がある。また、防振性や防音性、電気絶縁性も木製のものに比較して劣っている。
【０００３】
一方、例えば実公昭６１−２３０４２号公報に開示されているように、硬質発泡ウレタン樹脂などを母材樹脂として、これを長手方向に延在する長繊維で強化した複合材料を用いた所謂合成まくらぎが提案されている。また、特開平５−１３８７９７号公報には、合成まくらぎに於いて、中心部に比較してその上下層で強化繊維の密度を高くし、強度を向上することにより全体の強化繊維の含有量を減らし、軽量化したものが開示されている。このような合成まくらぎは、上記コンクリート性のものよりも軽量であり、かつその強度等、物性も高いことから新規なまくらぎとして注目されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように合成まくらぎは繊維強化しているが、例えば母材樹脂としての硬質ウレタン樹脂は、熱硬化樹脂であるが、硬化前の粘度が一般的には１０００ｃｐｓ以上、原料費削減等を理由に無機充填剤を添加すると２０００ｃｐｓ以上と高く、しかもウレタン樹脂が繊維間に浸透し易くするためのガラス繊維の集束剤は一般にはないことから、ガラス繊維にウレタン樹脂を加えるのみでは繊維間に樹脂が行き渡らず、即ち繊維同士がバインドされず、その強度を確保できない。そこで、従来は、例えば、ガラス繊維にウレタン樹脂をふりかけた後、例えば揉み板により揉む等何らかの機械的な処理を施してガラス繊維にウレタンを含浸させ成形していたが、工程が煩雑になるばかりでなく、一般にウレタン樹脂の発泡、硬化の速度は早いことから、このような機械的な含浸処理を施しても短時間に確実にウレタン樹脂が繊維間に浸透するとは限らず、その品質に問題を生じる虞があった。また、ガラス繊維にウレタン樹脂を含浸させる含浸装置は、その都度ウレタン樹脂が硬化することから洗浄する必要があり、その作業も煩雑になる。
【０００５】
また、比較的粘度が低くガラス繊維に浸含し易い例えば不飽和ポリエステル樹脂を用いてまくらぎを作ることも考えられるが、このような樹脂は一般に高価であり、まくらぎとして使用するのは現実的ではない。
【０００６】
本発明は、上記したような従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、まくらぎの強度等の物性を改善すると共に軽量化し、しかも製造容易性をも向上し、更に経済性を持つことを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するべく、本発明では、母材樹脂をその長手方向に沿って延在する長繊維により強化してなる繊維強化樹脂の合成まくらぎを、まず液状で母材樹脂よりも強化繊維に浸透し易いバインダ樹脂により複数の強化繊維の束を形成し、この強化繊維の束を、硬化前の高粘度の母材樹脂中に分散させて成形して得るようにした。これにより、母材樹脂の粘度が高く、かつ性質上強化繊維に含浸し難くても強化繊維のバインドはバインダ樹脂により確実に行われ、比較的大径の強化繊維の束同士間に母材樹脂が行き渡れば良いことから、全体の結合力が向上する。
【０００８】
ここで、母材樹脂は例えば硬質発泡ウレタン樹脂からなり、バインダ樹脂は不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリスレチン樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂及び尿素樹脂のいずれかからなり、これらを単体または混合したものからなる。
【０００９】
また、樹脂の粘度について、硬質ウレタンは、配合時の粘度が５００ｃｐｓ程度と低いものもあるが、まくらぎとして満足な物性が得られない。物性を満足させようとすると、粘度が１０００ｃｐａ以上となってしまう。しかしこれでは、ガラスに対する含浸性も良くないことは前項でも述べた通りである。
【００１０】
本願発明による強化繊維の束を成形するにあたって、ガラス繊維へこれらバインダ樹脂を良好に含浸させるために鋭意検討した結果、成形時のバインダ樹脂の原料粘度が８００ｃｐｓ以下好ましくは５００ｃｐｓ以下であれば、液が良好に行き渡ることがわかった。また粘度が２０ｃｐｓ以下のものは実質的にガラス繊維に付着するほど樹脂が着かず、実用的な強化繊維の束が作れないこともわかった。
【００１１】
従って、バインダ樹脂に不飽和ポリエステルを使用した場合、元の樹脂粘度が１５００ｃｐｓのものでも、これにスチレン等のビニルモノマーを添加することにより、この原料系の粘度を８００ｃｐｓ以下に調整することにより、良好に成形することができるようになる。そして一旦含浸させてしまえば、その後は加熱することにより短時間に硬化させることができる。
【００１２】
また、例えば、原料の粘度が他のものより比較的高いエポキシ樹脂の場合は、２−エチルヘキシルグルシジルエーテル等の反応性希釈剤を加えるなどして粘度を下げて使用すると、良好に成形することができる。
【００１３】
尚、強化繊維はガラス長繊維からなると良い。また、強化繊維に対するバインダ樹脂の配合比を５重量％乃至４０重量％の範囲とし、かつ母材樹脂に対する強化繊維の束の配合比を３０重量％乃至６５重量％の範囲とすると良く、強化繊維に対するバインダ樹脂の配合比が５重量％未満では強化繊維同士がバインドされず、その強度が低下する。また、母材樹脂に対する強化繊維の束の配合比が３０重量％未満では母材樹脂に対する強化繊維の量が少なすぎてその強度が低下する。更に母材樹脂に対する強化繊維の束の配合比が６５重量％を越えると重さが増し、コストも高騰するばかりでなく束同士のバインドも不完全になる。また、釘の打ち込み抵抗力も増す。加えて強化繊維に対するバインダ樹脂の配合比が４０重量％を越えると、母材樹脂に対する強化繊維の束の配合比を６５重量％よりも多くしないと適切な母材樹脂に対する強化繊維の量とならず、結果、上記同様に重量化し、コストも高騰するばかりでなく束同士のバインドも不完全になる。
【００１４】
また、強化繊維の束の母材樹脂に対する密度を当該まくらぎの中心部に比較して上下で高くすることで、母材樹脂に対する強化繊維の束の配合比、即ち母材樹脂に対する強化繊維の配合比を減らすことができ、軽量化できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明が適用された合成まくらぎ及びその製造方法の好適な実施形態について添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１６】
図１は本発明が適用された合成まくらぎの斜視図であり、図２（ａ）はそのＩＩ−ＩＩ線について見た拡大断面図である。この合成まくらぎは母材樹脂を硬質発泡ウレタン樹脂１とし、その内部に長手方向に延在するように強化繊維の束２が分散している。この強化繊維の束２は、図３に模式的に示すように、ガラス長繊維からなる多数のフィラメント３をバインダ樹脂としての不飽和ポリエステル樹脂４でバインドし、円柱状にしたものであり、その直径は２ｍｍ程度である。
【００１７】
ここで、まくらぎはその左右両端近傍に取り付けられる図示されないレールからの荷重、即ち、輪重を受けるものであるから、まくらぎに曲げ荷重が作用する。従ってまくらぎの上下方向中心部は、上下部分に比較して加わる曲げ応力が最も小さいため、その強度をあまり要求されない。この点を考慮して硬質発泡ウレタン樹脂１内に於ける強化繊維の束２の密度が、当該合成まくらぎの中心部に比較してその上下で高くなるように強化繊維の束２を分散させている。これにより、釘の打ち込み抵抗率を減らすこともでき、釘が打ち込み易くなっている。尚、実際には図２（ｂ）に示すように強化繊維の束２を均一に分散させても良い。
【００１８】
次に、上記まくらぎの製造工程について図４及び図５を参照して説明する。
【００１９】
まず、強化繊維の束２を製造する。ボビン等の供給装置１１からガラス長繊維のロービングを引き出し、ガイド部材１２に設けられた所定のガイド孔を通して不飽和ポリエステル樹脂で満たされた合成樹脂含浸槽１３に引き込み、不飽和ポリエステル樹脂をガラス長繊維の各フィラメント間に含浸させる。そして、ガイド部材１４に設けられた所定のガイド孔を通すことにより、ガラス長繊維に対する不飽和ポリエステル樹脂４の配合比を５重量％〜４０重量％の所定の比、好ましくは１０重量％〜２０重量％程度となるようにその付着量を調整するべくしごく。次に、不飽和ポリエステル樹脂を含浸したガラス長繊維の束を乾燥炉１５に通し、不飽和ポリエステル樹脂を硬化させ、搬送装置１６を介して不飽和ポリエステル樹脂が硬化して線状をなす強化繊維の束を切断装置１７にて所定の長さに切断する。上記工程を連続して行い、強化繊維の束２を連続成形する。
【００２０】
次に、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すように、形成された強化繊維の束２を所定量成形型の下型２１に入れ、硬質ウレタン樹脂を注入機２３により一部注入する。そしてまた強化繊維の束２を所定量成形型の下型２１に入れ、硬質ウレタン樹脂を一部注入する。この作業を数回繰り返し、ガラス長繊維の束２の密度が中心部に比較してその上下で高くなるように調整し、上型２２を閉じて硬質ウレタン樹脂を硬化させ、まくらぎを成形する。ここで、硬化前の硬質ウレタン樹脂の粘度が高いことから、上記したように硬質ウレタン樹脂を一部注入後にガラス長繊維の束２を型に入れても沈まず、何回かに分けてガラス長繊維の束２と硬質ウレタン樹脂とを交互に下型２１に入れることにより、ガラス長繊維の束２の密度を調整できる。また、まくらぎの成形は押し出しなどによる連続成形も可能であるが、その厚みから型内で或る程度の冷却・硬化時間を必要とする。上型開放状態で原料を注入するオープンモールドによるバッチ処理でもあまり成形時間に差を生じず、このオープンモールドによる成形の方が連続成形する場合に比較してまくらぎの変形を抑制できる。
【００２１】
本実施形態では、上記したようにまくらぎの上下方向中心部分の強度があまり要求されないことから硬質発泡ウレタン樹脂１内に於ける強化繊維の束２の密度が、当該合成まくらぎの中心部に比較してその上下で高くなるように強化繊維の束２を分散させ、まくらぎの軽量化を図ったが、まくらぎの成形時に中子を入れてその中心部を空洞化したり、高発泡のウレタン樹脂または他の軽量かつ安価な材料を充填すれば一層軽量化が可能となる。
【００２２】
【実施例】
上記方法により下記の条件で合成まくらぎのサンプルを製造し、その物性値を測定した。下記にその結果と合成まくらぎの規格とを示す。
【００２３】
条件
サンプルサイズ：幅２３ｃｍ×厚さ１４ｃｍ×長さ２２０ｃｍ
全体に対する硬質ウレタン樹脂の配合比：５０重量％
全体に対するガラス長繊維の配合比：４０重量％
上面から４．５ｃｍまでのガラス長繊維配合比の平均：５７重量％
下面から４．５ｃｍまでのガラス長繊維配合比の平均：５３重量％
中心部５ｃｍのガラス長繊維配合比の平均：１３重量％
バインダ樹脂：不飽和ポリエステル樹脂
ガラス長繊維に対するバインダ樹脂の配合比：２５重量％
全体に対するバインダ樹脂の配合比：１０重量％
ガラス長繊維の束の直径：約２ｍｍ
ガラス長繊維の直径：約１７μｍ
ガラス長繊維の束の中のガラス長繊維の数：約７５００本
【００２４】
【表１】

【００２５】
【発明の効果】
上記した説明により明らかなように、本発明による合成まくらぎ及びその製造方法によれば、母材樹脂をその長手方向に沿って延在する長繊維により強化してなる繊維強化樹脂の合成まくらぎを、液状で母材樹脂よりも強化繊維に浸透し易いバインダ樹脂により複数の強化繊維の束を形成し、この強化繊維の束を、硬化前の母材樹脂中に分散させて成形・硬化させることにより、母材樹脂の粘度が高く、かつ性質上強化繊維に含浸し難くても強化繊維のバインドはバインダ樹脂により確実に行われ、比較的大径の強化繊維の束同士間に母材樹脂が行き渡りさえすれば、全体の結合力が向上することから、強化繊維に無理に母材樹脂を含浸させるのに比較してその製造が容易になり、かつ強度等の物性が向上し、同じ強度であれば軽量化できる。また、強化繊維の束の母材樹脂に対する密度を当該まくらぎの中心部に比較して上下で高くすることで、母材樹脂に対する強化繊維の束の配合比、即ち母材樹脂に対する強化繊維の配合比を減らすことができ、軽量化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用された合成まくらぎの斜視図。
【図２】（ａ）は図１のＩＩ−ＩＩ線について見た拡大断面図、（ｂ）は本発明の別の実施形態を示す（ａ）と同様な図。
【図３】図２の拡大図。
【図４】強化繊維の束の製造工程を示す図。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、本発明が適用されたまくらぎの製造工程を示す図。
【符号の説明】
１ 硬質発泡ウレタン樹脂（母材樹脂）
２ 強化繊維の束
３ ガラス長繊維（強化繊維）
４ 不飽和ポリエステル樹脂（バインダ樹脂）
１１ 繊維供給装置
１２ ガイド部材
１３ 合成樹脂含浸槽
１４ ガイド部材
１５ 乾燥炉
１６ 搬送装置
１７ 切断装置
２１ 下型
２２ 上型
２３ 注入機

Claims (10)

1. 母材樹脂をその長手方向に沿って延在する長繊維により強化してなる繊維強化樹脂により形成された合成まくらぎであって、
   前記母材樹脂よりも強化繊維同士を結合し易いバインダ樹脂により複数の前記強化繊維が束ねられ、
   前記強化繊維の束が、前記母材樹脂に分散していることを特徴とする合成まくらぎ。
2. 前記母材樹脂が硬質発泡ウレタン樹脂からなることを特徴とする請求項１に記載の合成まくらぎ。
3. 前記バインダ樹脂が不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリスレチン樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂及び尿素樹脂のいずれかからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の合成まくらぎ。
4. 前記強化繊維がガラス長繊維からなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の合成まくらぎ。
5. 前記強化繊維に対する前記バインダ樹脂の配合比が５重量％乃至４０重量％の範囲となっており、かつ前記母材樹脂に対する前記強化繊維の束の配合比が３０重量％乃至６５重量％の範囲となっていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の合成まくらぎ。
6. 前記強化繊維の束の前記母材樹脂に対する密度が当該まくらぎの中心部に比較して上下で高くなっていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の合成まくらぎ。
7. 母材樹脂をその長手方向に沿って延在する長繊維により強化してなる繊維強化樹脂により形成された合成まくらぎの製造方法であって、
   前記母材樹脂よりも強化繊維同士を結合し易いバインダ樹脂により複数の前記強化繊維の束を形成し、
   前記強化繊維の束を、前記母材樹脂中に分散させて成型することを特徴とする合成まくらぎの製造方法。
8. 所定量の前記強化繊維に前記バインダ樹脂を含浸後、硬化前に所定の隙間を通すことにより強化繊維に対するバインダ樹脂の配合比が５重量％乃至４０重量％の範囲となるように調整することを特徴とする請求項７に記載の合成まくらぎの製造方法。
9. 前記母材樹脂及び前記バインダ樹脂が熱硬化性樹脂からなり、
   前記バインダ樹脂の熱硬化前の粘度が前記母材樹脂の熱硬化前の粘度よりも低くなるように調整されていることを特徴とする請求項７または請求項８に記載の合成まくらぎの製造方法。
10. 前記バインダ樹脂の熱硬化前の粘度が２０ｃｐｓ乃至８００ｃｐｓの範囲に調整されていることを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれかに記載の合成まくらぎの製造方法。

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