JP4108179B2 - 繊維強化プラスチック製サンドイッチボードの評価方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、繊維強化プラスチック製(以下、FRP製という。)サンドイッチボードに関する。更に詳細には、十分な耐食性を有し、信頼性の高い機械的強度を実現したFRP製サンドイッチボードに関する。
【0002】
【従来の技術】
FRP製サンドイッチボードは、その軽量性と低コスト性から有用な構造であり、軽量、高強度な構造を必要とする車両、航空機等には特に好適に使用されている。
【0003】
このような構造で最も重要なのは、表面材と芯材との接着の信頼性であり、この接着の信頼性がFRP製サンドイッチボードの耐久性等に大きく影響する。事実上、FRP製サンドイッチボードの製造時に表面材と芯材はいくらかの剥離部、接着強度不足部等の欠陥部分を有し、100%完全な構造を得ることは不可能である。ガラス繊維強化プラスチックを表面材に用い、塗装が無く、表面材が透明である場合では、表面材と芯材の剥離は目視でも確認出来るため、検査は比較的容易である。しかしながら、炭素繊維強化プラスチック、アラミド繊維強化プラスチック等の複合材料を用いた場合、及びガラス繊維強化プラスチックでも着色樹脂、表面コートを用いた場合には、材料が不透明であり、表面材と芯材との界面を目視で確認出来ない問題点があった。
【0004】
実際に全く欠陥の無いFRP製サンドイッチボードを得ることは非常に難しいことから、実用上耐久性に支障の無い欠陥レベルを規定し、支障のある欠陥部分を非破壊的に評価し、欠陥のあるFRP製サンドイッチボードを除くことが求められているが、従来、このような信頼性の高いFRP製サンドイッチボードは知られていない。
【0005】
【発明が解決しょうとする課題】
本発明は、性能に有害な表面材と芯材との界面の欠陥部分を非破壊的に検出、除去した信頼性の高く、耐久性に優れたFRP製サンドイッチボードを提供するものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明の要旨は、芯材層と、炭素繊維強化材に樹脂を含浸した表面材層と、チョップドストランドマットに耐食性樹脂を含浸した耐食性樹脂層と、これらの外側にあり、サーフェーシングマットに耐食性樹脂を含浸した保護材層を有する繊維強化プラスチック製サンドイッチボードの評価方法であって、非破壊試験法により、欠陥部分の個々の面積がサンドイッチボードの面積の2.6%未満であり、且つ欠陥部分の面積合計がサンドイッチボードの面積の50%未満であるかを測定することを特徴とする繊維強化プラスチック製サンドイッチボードの評価方法にある。
【0007】
本発明において、発明者らは、耐久性能としてFRP製サンドイッチボードの曲げ疲労強度を用いれば実用時の耐久性と良く対応することを見い出した。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明のFRP製サンドイッチボードを構成する芯材層としては、比重が小さく軽量の、望ましくは機械的強度の高い、硬質樹脂発泡体、気泡を散在させた繊維綿体、又は木材などが挙げられる。
【0009】
硬質樹脂発泡体しては、好適には、降伏(破断)点強度で表して、圧縮、引張、曲げ及び剪断がそれぞれ、1.5kg/cm2 、3.5kg/cm2 、4.0kg/cm2 、及び2.0kg/cm2 以上の機械的強度を有し、見かけ密度70kg/m3 以下の硬質樹脂発泡体が用いることができる。例えば、鐘淵化学工業社製の塩化ビニル発泡体、商品名クレゲセル(登録商標)H100やH75が好適に使用できる。
【0010】
ここで、気泡を散在させた繊維綿体とは、気体を閉じ込めたカプセル又はバルーンを繊維綿中に散在させたもので、軽量かつ一応の機械的強度を備えた材料である。このような材料としては、例えば、日本ユピカ社製の商品名:ユピカマット又はランター社製の商品名:コアマットIIのようにポリエステル繊維綿にマイクロカプセルを入れたもの、又はGPP社製の商品名:スペアマットのようにガラス繊維綿にマイクロバルーンを入れたもの等が好適に使用できる。
【0011】
本発明のFRP製サンドイッチボードにおいて、炭素繊維強化材に樹脂を含浸した表面材層は、炭素繊維に樹脂を含浸し、樹脂を硬化したものである。その強化形態としては、炭素繊維を一方向に引き揃えたもの、炭素繊維を製織しクロス材としたもの、炭素繊維をステッチしたロービングクロス、炭素繊維に接着剤を用いてマット状に仕上げたコンティニュアスストランドマット、炭素繊維を5〜50mm程度に切断した短繊維を無定方向に分散してチョップドストランドマット等が用いることができる
【0012】
本発明の表面材層に用いる樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂、フェノール樹脂等の既知の樹脂を用いることができる。本発明では、通常、後述する耐食性樹脂層と同じ樹脂を表面材層に用いる。これにより耐食性が向上する。
【0013】
本発明のFRP製サンドイッチボードにおいては、表面材層の外側表面に、チョップドストランドマットに耐食性樹脂を含浸した耐食性樹脂層を設けることが必要である。
【0014】
ここで、チョップドストランドマットとは、強化繊維を5〜50mm程度に切断した短繊維を無定方向に均一に分散させ、接着剤にて接着させた薄いマットを意味する。
【0015】
本発明で耐食性樹脂層に含浸する耐食性樹脂としては、本発明のFRP製サンドイッチボードが接触する流体等に対して所定の耐食性を有する樹脂、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂、フェノール樹脂等の既知の樹脂を挙げることができる。
【0016】
本発明においては、耐食性樹脂層の外側表面に、サーフェーシングマットに上述の耐食性樹脂を含浸した保護材層を形成することが必要である。
【0017】
サーフェーシングマットは、表面材層の外側表面に樹脂リッチな層を設けるために使用されるマット等の不織布であり、旭ファイバーグラス社製グラスロン等が好適に用いられる。
【0018】
本発明において、芯材層、表面材層、耐食性樹脂層及び保護層を積層して、FRP製サンドイッチボードとする成型方法、或いは接着方法について、特に限定するものではないが、本発明のFRP製サンドイッチボードが特徴とする高信頼性を奏するためには、非破壊試験により求めた欠陥部分の個々の面積がサンドイッチボードの面積の5%未満、好ましくは3%未満、より好ましくは2.6%未満であり、且つ欠陥部分の面積合計がサンドイッチボードの面積の50%未満、好ましくは40%未満、より好ましくは25%未満であることが耐久性に優れ、信頼性の高いFRP製サンドイッチボードとする上で必要である。本発明で欠陥部分というのは、FRP製サンドイッチボードの芯材層と表面材層の間の剥離部、接着強度不足部等をいう
【0019】
本発明のFRP製サンドイッチボードの非破壊試験法としては、FRP製サンドイッチボード中の欠陥部分の面積を測定することができればよく、特に限定はしないが、従来から公知のX線法、レーザホログラフィー法、アコースチックエミッション法、超音波法、又はタッピング法等を用いることができる。
【0020】
その中でもFRP製サンドイッチボードを軽く打撃してその反発係数の差により表面材層と芯材層の界面特性を特定し、健全な部分と不健全な部分を差別化するタッピング法、又は、FRP製サンドイッチボードに超音波をあて、欠陥部分からの反射により表面材層と芯材層の界面特性を特定し、健全な部分と不健全な部分を差別化する超音波法が、多くのケースにおいて有効且つ実用的であり特に好ましい。
【0021】
所望の板厚で非破壊試験によって欠陥部分の面積を正確に測定するには、前もって、同じ板厚のFRP製サンドイッチボードの成形時に芯材層と表面材層との間に任意の大きさの油含浸紙又はプラスチックフィルムを挟み込み人工的に欠陥部分を入れた供試体を用い、測定条件を調整しておくことが肝要である。
【0022】
非破壊試験を行うピッチが有害な剥離寸法以下のピッチであれば、より信頼性高く繊維強化プラスチック製サンドイッチボードの評価を行うことができるので好ましい。
【0023】
本発明の好適な実施態様としては、芯材層と、FRPからなる表面材層とが、繊維マットに樹脂を含浸させてなる接着層を介して接着、積層してなることが挙げられる。この接着剤層は力学特性の異なる芯材層と表面材層を強固に接着するために挿入するもので、芯材層と表面材層間の接着性が良好な場合は必ずしも必要ではない。ここで、繊維マットとしては上記のコンティニュアスストランドマットやチョップドストランドマットが好適に用いられる。ただし、繊維マットを構成する繊維は強化繊維のように高強度高弾性率の強化繊維である必要はない。接着層を構成する樹脂としては、芯材層と表面材層を強固に接着するものであればよく特に限定しないが、一般に表面材層と同じ樹脂であることが接着性の向上に役立つ。
【0024】
【実施例】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。
(材料)
FRP製サンドイッチボードの各層に使用する樹脂以外の材料を表1に示した。実施例において各材料は略号をもって呼ぶことにする。
【0025】
【表1】
【0026】
(樹脂組成)
昭和高分子社製リポキシ#802ビニルエステル樹脂100重量部、ナフテン酸コバルト1重量部、日本化薬社製過酸化物、商品名カヤック328Eを配合した樹脂を用意した。
【0027】
(非破壊試験の評価)
FOの上下面に用意した樹脂を含浸しながらMを積層した。その上から所望の厚みになるようにCに用意した樹脂を含浸しながら積層し、次に樹脂を含浸しながらMを積層し、更にSに用意した樹脂を含浸しながら、S/M/C/M/FO/M/C/M/Sからなる積層構成とした。
この積層物を25℃で5時間放置して硬化し、保護材層、耐食性樹脂層及び表面材(S/M/C/M)の厚さ4mm、全厚み30mmのFRP製サンドイッチボードを得た。
【0028】
上記の積層の途中で、MとFOの間に100、150、200、250mmφに切った厚み0.1mmの油含浸紙を挿入しておき、剥離直径100、150、200、250mmφの人工剥離をいれたモデルFRP製サンドイッチボードを作製した。
【0029】
また、Cの積層枚数を4、6、8、10、及び12枚に変更し、表面材(S/M/C/M)厚さ6、8、10、12、14mmのFRP製サンドイッチボードをそれぞれ得た。
【0030】
(1)タッピング法
上記の様にして製作したFRP製サンドイッチボードをタッピング非破壊試験装置(三井造船社製WOODPECKER WP−631)を用いてタッピングピッチ20mmで測定した。その結果を表2に示した。この評価結果よりタッピング法での表面材厚さに応じた剥離に対する感度が判明した。すなわち、表面材厚さ8mm以下であれば有害である200mmφの大きさの剥離が検出できることが判明した。
【0031】
【表2】
【0032】
(2)超音波法
上記の様にして製作したFRP製サンドイッチボードを超音波非破壊試験装置(NDT system社製 QUANTUM QBT−2+)を用いてピッチ20mmで測定した。
その結果を表3に示した。この評価結果より超音波法での表面材厚さに応じた剥離に対する感度が判明した。すなわち、表面材厚さ12mm以下であれば有害である200mmφの大きさの剥離が検出できることが判明した。
【0033】
【表3】
【0034】
(実施例)
1000×1200mmのFOを用意し、その上に40mmφに切った厚み0.1mmの油含浸紙を重ならないように478枚ランダムに配置し、その上からCに用意した樹脂を含浸しながら積層し、さらに樹脂を含浸しながらMを積層した。FOの逆の面には油含浸紙を配置せず樹脂を含浸しながらM、C、M及びSを順に積層し、S/M/C/M/FO/M/C/M/Sからなる積層構成とした。
【0035】
この積層物を25℃で5時間放置して硬化し、保護材層、耐食性樹脂層及び表面材(S/M/C/M)厚さ3mm、全厚み30mm、剥離大きさ40mmφ、剥離部面積比が50%のFRP製サンドイッチボードを得た。
【0036】
このFRP製サンドイッチボードを100×1200mmの曲げ疲労試験片に切り分けた後、すべての試験片に対して、スパン/板厚=30で片振り3点曲げにより疲労試験を実施した。応力−繰り返し回数試験の結果(最高値及び最低値)を図1に示した。
【0037】
FOとMの間にランダムに配置する油含浸紙の大きさ(40、100、及び200mmφ)と配置する枚数を変化し、上記のようにFRP製サンドイッチボードを成形して、剥離大きさ−剥離部面積比が、それぞれ40mmφ−10%、100mmφ−10%、100mmφ−50%、200mmφ−10%、及び200mmφ−50%のFRP製サンドイッチボードを得た。更に油含浸紙を配置しないFRP製サンドイッチボードを成形した。これらのFRP製サンドイッチボードに対して上記と同様にして3点曲げにより疲労試験を実施し、応力−繰り返し回数試験の結果(最高値及び最低値)を図1に併せて示した。
【0038】
この結果からFRP製サンドイッチボードの疲労強度の低下は、非破壊試験により求めた欠陥部分の個々の面積がサンドイッチボードの面積の2.6%の200mmφ、且つ欠陥部分の面積合計がサンドイッチボードの面積の50%以上となると急激に低下することが判明した。
【0039】
【発明の効果】
本発明のFRP製サンドイッチボードの評価方法によれば、性能に有害な表面材と芯材との界面の剥離を非破壊的に検出、除外しているので、信頼性の高く、耐久性に優れたFRP製サンドイッチボードとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 FRP製サンドイッチボードの曲げ疲労試験の応力−繰り返し回数を示したグラフである。
Claims (4)
- 芯材層と、炭素繊維強化材に樹脂を含浸した表面材層と、チョップドストランドマットに耐食性樹脂を含浸した耐食性樹脂層と、これらの外側にあり、サーフェーシングマットに耐食性樹脂を含浸した保護材層を有する繊維強化プラスチック製サンドイッチボードの評価方法であって、非破壊試験法により、欠陥部分の個々の面積がサンドイッチボードの面積の2.6%未満であり、且つ欠陥部分の面積合計がサンドイッチボードの面積の50%未満であるかを測定することを特徴とする繊維強化プラスチック製サンドイッチボードの評価方法。
- 上記芯材層と表面材層とが、繊維マットに樹脂を含浸させてなる接着層を介して接着、積層してなることを特徴とする請求項1記載の繊維強化プラスチック製サンドイッチボードの評価方法。
- 上記非破壊試験法が、タッピングによる繊維強化プラスチック製サンドイッチボード表面の局所的な反発係数の差異により上記欠陥部分を知る試験法であることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の繊維強化プラスチック製サンドイッチボードの評価方法。
- 上記非破壊試験法が、各層からの超音波の反射の差異により上記欠陥部分を知る試験法であることを特徴とする請求項1又は請求項2項記載の繊維強化プラスチック製サンドイッチボードの評価方法。
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