JP4302220B2

JP4302220B2 - 管状体

Info

Publication number: JP4302220B2
Application number: JP00121099A
Authority: JP
Inventors: 宗樹岡田
Original assignee: Shimano Inc
Current assignee: Shimano Inc
Priority date: 1999-01-06
Filing date: 1999-01-06
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2019-01-06
Also published as: JP2000198154A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、釣竿、ゴルフクラブのシャフト、自転車のフレーム、スキーストック等に使用される管状体、詳しくは、炭素繊維の引き揃えシートに合成樹脂を含浸させたプリプレグが巻回されて構成される管状体に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の管状体としては、例えば、特開平７−６８６５１号公報に示す如く、内面層、中間層、外面層が炭素繊維と樹脂とで管状に形成されてなると共に、内面層及び外面層は、ＰＡＮ系炭素繊維に樹脂を含浸させたプリプレグが巻回されてなり、中間層は、ピッチ系炭素繊維に樹脂を含浸させたプリプレグが巻回されてなる層を備えてなるものがある。
このような管状体は、ピッチ系炭素繊維とＰＡＮ系炭素繊維のそれぞれの欠点を補い合って、ピッチ系炭素繊維の高い剛性とＰＡＮ系炭素繊維の高い強度を合わせ持つという利点を有するものである。
【０００３】
即ち、ＰＡＮ系炭素繊維のみでは、機械的強度は高くなるものの、弾性率が低くなりすぎて、管状体全体として曲がりやすく張りのないものとなり、ピッチ系炭素繊維のみでは、剛性は高くなるものの、機械的強度の点で脆いものとなるが、上記構成により、管状体全体としては、機械的強度においてはピッチ系炭素繊維の影響を抑えてＰＡＮ系炭素繊維の機械的強度を発現させて、亀裂の発生等を抑えて強度の高いものに維持しながら、しかも、ピッチ系炭素繊維によって高剛性という特性を維持するというものである。
【０００４】
ところで、このような管状体は、その用途によっては、取扱いの容易さを向上すべく、軽量のものが要望されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、管状体の軽量化を図るべく、巻回するプリプレグの樹脂含浸量を減少させると、補強繊維同士の接着が不十分となって、部分的に強度の低下、バラツキが発生して折れやすいものとなる。
従って、上記構成において、ＰＡＮ系炭素繊維を用いたプリプレグには、強度低下防止と軽量化という相反する性能のバランスを取るべく、通常は、樹脂含浸量が３５〜４０重量％のもの、特に軽量化が重視されるものであっても、２５重量％程度のものが使用されているのが現状である。
また、一般に、ピッチ系炭素繊維を用いたプリプレグの場合には、樹脂含浸量を少なくすると、強度が安定せず、管状体全体として強度低下が著しいものとなる。
【０００６】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、樹脂含浸量を減少させて軽量化されるとともに、軽量化の割に強度低下の少ない管状体を提供することを課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上記課題に鑑みて鋭意検討した結果、ピッチ系炭素繊維に樹脂を含浸させたプリプレグが、ＰＡＮ系炭素繊維に樹脂を含浸させたプリプレグに挟まれてなる構成においては、ピッチ系炭素繊維に樹脂を含浸させたプリプレグの樹脂含浸量が２３重量％以上であれば、著しい強度低下を抑えられること、及び前記構成においては、ＰＡＮ系炭素繊維に樹脂を含浸させたプリプレグの樹脂含浸量が１５〜２３重量％のものは、樹脂含浸量が２５重量％のものと比較して強度低下がほとんど発現されないことを見出して本発明を完成するに至った。
【０００８】
即ち、本発明にかかる管状体は、内面層Ａ、中間層Ｂ、外面層Ｃが炭素繊維と樹脂とを有して管状に形成されてなると共に、内面層Ａ及び外面層Ｃは、それぞれＰＡＮ系炭素繊維１に樹脂を含浸させたプリプレグ５、６、８、９が巻回されてなり、中間層Ｂは、ピッチ系炭素繊維２に樹脂を含浸させたプリプレグ７が巻回されてなる層を備えてなる管状体において、
前記ピッチ系炭素繊維２に樹脂を含浸させたプリプレグ７の樹脂含浸量が２３重量％以上であり、前記内面層Ａ及び前記外面層Ｃを構成する前記ＰＡＮ系炭素繊維１に樹脂を含浸させたプリプレグ５、６、８、９の少なくとも一つは、樹脂含浸量が１５〜２３重量％であり、各プリプレグ５、６、７、８が、巻回前は互いに摺動移動自在に重ね合わされた状態とされ、巻回時に互いに圧着されながらマンドレル４に巻回されて成形されてなることを特徴とする。
【０００９】
上記構成からなる管状体にあっては、前記ピッチ系炭素繊維２に樹脂を含浸させたプリプレグ７の樹脂含浸量を２３重量％以上とすることにより、著しい強度低下が防止されたものとなる。
しかも、前記内面層Ａ及び前記外面層Ｃを構成するＰＡＮ系炭素繊維１に樹脂を含浸させたプリプレグ５、６、８、９の少なくとも一つを、樹脂含浸量が１５〜２３重量％とすることにより、かかるプリプレグの樹脂含浸量を２５重量％としたものと比較して、強度の低下がほとんどなく、軽量化の図られた管状体となるのである。
【００１０】
また、本発明にかかる管状体にあっては、請求項２記載の如く、前記ピッチ系炭素繊維２に樹脂を含浸させたプリプレグ７の樹脂含浸量が２５〜７０重量％であるもの、好ましくは、請求項３記載の如く、２５〜４０重量％であるものであってもよい。
樹脂含浸量を２５重量％以上とすることにより、中間層Ｂでは、ピッチ系炭素繊維２を接着するための樹脂量が確保されて、著しい強度低下のない管状体となる。
しかも、７０重量％以下とすることにより、管状体が撓った際、管状体内部において繊維とマトリックス樹脂とが相対的にずれることが防止され、大撓りした場合でも、外見上破損していない状態で元の状態（例えば、真直な状態）にまで戻らないという現象、即ち塑性変形して元に戻らない現象を発現する虞も少ない管状体となるのである。
特に、４０重量％以下とすることにより、軽量化が図られると共に、ピッチ系炭素繊維の特性が生かされて、張りのある管状体となるのである。
【００１１】
さらに、請求項４記載の如く、前記ピッチ系炭素繊維２に樹脂を含浸させたプリプレグ７が、ピッチ系炭素繊維２が軸芯方向Ｓ２に指向するように巻回されてなるものであってもよい。
ピッチ系炭素繊維２を軸芯方向Ｓ２に指向させることにより、高弾性というピッチ系炭素繊維２の特性を生かして、伸びや撓りの少ない、張りのある管状体となるのである。
【００１２】
また、本発明にかかる管状体にあっては、請求項５記載の如く、前記内面層Ａが、複数の層から構成されてなり、該複数の層の内の少なくとも一層は、ＰＡＮ系炭素繊維１が周方向Ｓ１に指向してなるものであってもよい。
かかる構成を採用することにより、高強度というＰＡＮ系炭素繊維１の特性を生かして、押圧力や圧縮力を受けやすい内面層Ａが強化され、圧縮潰れや変形が防止された管状体となるのである。
【００１３】
さらに、本発明にかかる管状体にあっては、請求項６記載の如く、前記ＰＡＮ系炭素繊維１に樹脂を含浸させたプリプレグ５、６、８、９の内、樹脂含浸量が１５〜２３重量％のプリプレグは、ＰＡＮ系炭素繊維１が軸芯方向Ｓ２に指向するように巻回されてなるものが好ましい。
このように構成することで、撓りの少ない、張りのある管状体となるのである。
【００１４】
本発明において、ＰＡＮ系炭素繊維１とは、ポリアクリロニトリルファイバーを焼成して形成したものを意味し、ピッチ系炭素繊維２とは、石油、石炭のタールを焼成して形成したものを意味する。
通常、ＰＡＮ系炭素繊維１としては、弾性率が１５〜６０トン／ｍｍ²で、引っ張り強度が４００ｋｇ／ｍｍ²以上のものを使用し、ピッチ系炭素繊維２としては、弾性率が４０〜９５トン／ｍｍ²で、引っ張り強度が２４０〜４００以下のものを使用することが好ましい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明にかかる管状体の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１６】
本実施形態の管状体は、基本的には、図１、図２に示す如く、複数のプリプレグ５、６、７、８、９がマンドレル４に巻回されて成型され、内面層Ａ、中間層Ｂ、外面層Ｃを備えた積層状の管状体である。
【００１７】
図１において、５は、弾性率が３０〜４０トン／ｍｍ²のＰＡＮ系炭素繊維１に、マトリックス用の樹脂としてエポキシ樹脂３を含浸させてなる樹脂含浸量が２５〜４５重量％で厚さが０．０１〜０．１ｍｍの範囲内の値を成すシート状のプリプレグであり、該プリプレグ５は、前記ＰＡＮ系炭素繊維１が概ね管状体の周方向Ｓ１に指向するようにマンドレル４に巻回されて内面層Ａの最も内側の層Ａ１を構成するものである。
また、６は弾性率が３０〜５０トン／ｍｍ²のＰＡＮ系炭素繊維１にエポキシ樹脂３を含浸させたシート状のプリプレグで、該プリプレグ６は、樹脂含浸量が２０重量％で、厚さが０．０５〜０．２ｍｍの値を成すものである。
そして、前記プリプレグ６は、前記ＰＡＮ系炭素繊維１が管状体の概ね軸芯方向Ｓ２に指向するようにマンドレル４に巻回されて、内面層Ａの内側から２番目の層Ａ２を構成するものである。
【００１８】
さらに、７は、弾性率が５０〜９０トン／ｍｍ²のピッチ系炭素繊維２に、エポキシ樹脂３を含浸させたシート状のプリプレグであり、該プリプレグ７は、樹脂含浸量が２５重量％、厚さが０．１〜０．２ｍｍの値を成すものである。
そして、前記ピッチ系炭素繊維２が管状体の概ね軸芯方向Ｓ２に指向するようにマンドレル４に巻回されて、中間層Ｂを構成する。
また、８はＰＡＮ系炭素繊維１にエポキシ樹脂３を含浸させたシート状のプリプレグで、該プリプレグ８は、樹脂含浸量が２０重量％で厚さが０．０５〜０．２ｍｍの値を成すものである。
そして、前記プリプレグ８は、前記ＰＡＮ系炭素繊維１が管状体の概ね軸芯方向Ｓ２に指向するようにマンドレル４に巻回されて、外面層Ｃの外側から２番目の層Ｃ１を構成する。
【００１９】
これらの各プリプレグ５、６、７、８は、巻回始端が揃う如く、予め重ねられてマンドレル４に巻回されたものである。
尚、巻回前は、各プリプレグ５、６、７、８は、互いに圧着することなく、互いに摺動移動自在にソフトに重ね合わせた状態とし、巻回時に互いに圧着しながら巻回するものである。
このように巻回することで、相互に前もって圧着したものを巻回する場合の如く、互いの圧着部分が無理に摺動移動させられて、しわ状となって空気が入り込むことによりボイドが発生し、該ボイドの発生によって管状体が弱体化するという問題が解消され、各巻回層間の全体に亘って隙間のほとんどない、理想的な密着状態となるのである。
【００２０】
また、図２において、９は外面層Ｃの最も外側の層Ｃ２を構成するテープ状のプリプレグであって、例えば、弾性率が３０〜４０トン／ｍｍ²のＰＡＮ系炭素繊維１が３０００本からなるトウを、トウ１本当たり０．５〜１０ｍｍの幅に引き揃えて、樹脂含浸量が２５〜４５重量％となるようにエポキシ樹脂３を含浸させてなる、ＰＡＮ係炭素繊維１が一方向に指向したシート状のプリプレグを、前記ＰＡＮ系炭素繊維１の指向方向に沿って５ｍｍ幅に細裂したスリットテープである。
このスリットテープ９は、上述の如くマンドレル４にシート状のプリプレグが圧着巻回されたものの上から、前記スリットテープ９の両側が突き合わされて面一となる状態で、ＰＡＮ系炭素繊維１が概ね周方向Ｓ１に指向する様に、螺旋状に巻回されている。
【００２１】
そして、このように各プリプレグ５、６、７、８、９が巻回されたものは、図示しないが、成型用のポリエステルテープ、ポリプロピレンテープ、ナイロンテープ、又はそれらの複合されたテープ等の成型用テープを適宜圧力調整しながら巻回した後、焼成して、本実施形態の管状体となるのである。
【００２２】
このように成型された管状体は、図３（イ）、（ロ）に示す如く、二層からなる内面層Ａと外面層Ｃ、一層のみからなる中間層Ｂを備えた５層構造の管状体であり、前記内面層Ａは、ＰＡＮ系炭素繊維１が周方向Ｓ１に指向する最も内側の層Ａ１とＰＡＮ系炭素繊維１が軸芯方向に指向する内側から２番目の層Ａ２とで構成され、前記中間層Ｂは、中央にピッチ系炭素繊維２が軸芯方向Ｓ２に指向する層で構成され、前記外面層Ｃは、ＰＡＮ系炭素繊維１が周方向Ｓ１に指向する最も外側の層Ｃ２とＰＡＮ系炭素繊維１が軸芯方向に指向する外側から２番目の層Ｃ１とで構成されてなる。
【００２３】
このように構成された管状体は、必要に応じて塗装が施されて、釣竿、スキーのストック、ゴルフクラブのシャフト等になるのである。
【００２４】
尚、本実施形態の管状体は、上記の如く構成されてなるので、以下の利点を有するものである。
即ち、本実施形態においては、ピッチ系炭素繊維２が軸芯方向Ｓ２に指向した中間層ＢとＰＡＮ系炭素繊維１が軸芯方向Ｓ２に指向した層Ａ２、Ｃ１とを備えて構成されるので、ピッチ系炭素繊維２の層Ｂにより高弾性で張りのある管状体になると共に、繊維の指向方向が軸芯方向Ｓ２であるＰＡＮ系炭素繊維１の層Ａ２、Ｃ１により、撓りや軸芯方向Ｓ２の伸びに対して強度が補強されて、高強度な管状体となるのである。
しかも、前記ピッチ系炭素繊維２が軸芯方向Ｓ２に指向した層Ｂは、ＰＡＮ系炭素繊維１が軸芯方向Ｓ２に指向した層Ａ２、Ｃ１によって内側と外側から挟まれているので、ピッチ系炭素繊維２の層Ｂは、内側の層と外側の層との対称軸となり、撓る方向によって強度変化の少ないバランスのとれた管状体となるのである。
【００２５】
さらに、内面層Ａの最も内側の層Ａ１と外面層Ｃの最も外側の層Ｃ２は、ＰＡＮ系炭素繊維１によって構成されると共に、繊維の指向方向が周方向Ｓ１であるので、管状体が撓った場合等のように、断面を楕円形に押しつぶされるような変形を受ける場合でも、圧縮力及び引っ張り力を受けやすい最も内側の層Ａ１と最も外側の層Ｃ２は、指向方向が周方向Ｓ１のＰＡＮ系炭素繊維１によって、圧縮潰れや変形が防止されることになる。
またさらに、樹脂含浸量の少ない層（樹脂含浸量が２０重量％の層）（Ａ２、Ｃ１）によって軽量化が図られると共に、かかる層が表面に表れないので、表面割れの虞も少ない管状体となるのである。
【００２６】
また、本実施形態において、ピッチ系炭素繊維２の層Ｂは、管状体の内面から外面までの略中央に位置されてなるので、ピッチ系炭素繊維２による撓りに対する脆さの影響がほとんど解消された管状体となるのである。
即ち、上述の如く、管状体が撓って、断面が楕円形に押し潰されるような変形を受ける場合、内面が圧縮力を受ける部分では、外面は引っ張り力を受け、内面が引っ張り力を受ける部分では、外面は圧縮力を受けることになるが、いずれの部分においても、ピッチ系炭素繊維２の層Ｂは、管状体の内面から外面までの略中央に位置されているため、撓りによる圧縮や引っ張りをほとんど受けず、撓りに対する脆さが最小限に抑えられることになるのである。
【００２７】
また、本実施形態においては、ピッチ系炭素繊維２に樹脂を含浸させたプリプレグ７の樹脂含浸量が２５重量％であるので、著しい強度低下が防止されるとともに、大きく撓った場合でも、繊維と樹脂とが相対的にずれることが防止されて、塑性変形して元に戻らないという現象を発現する虞も非常に少ない管状体となるのである。
【００２８】
尚、上記本実施形態の管状体は、上記構成からなり、上述の如き利点を有するものであったが、本発明にかかる管状体は、上記実施形態に限定されるものではなく、適宜設計変更可能である。
【００２９】
例えば、上記実施形態においては、ＰＡＮ系炭素繊維に樹脂を含浸させたプリプレグであって、内面層Ａの内側から２番目の層Ａ２を構成するプリプレグ６及び外面層Ｃの外側から２番目を構成するプリプレグ８を、樹脂含浸量が２０重量％とするものであったが、本発明においては、内面層Ａを構成するプリプレグ５、６及び外面層Ｃを構成するプリプレグ８、９のいずれか一つを、樹脂含浸量が１５〜２３重量％とするものであってもよいのである。
但し、前記プリプレグ５、６、８、９の２つ以上を、樹脂含浸量が１５〜２３重量％とするものは、いずれか一つの場合に比して、効果的に軽量化が図られた管状体となるのである。
【００３０】
また、上記実施形態においては、外面層Ｃの最も外側の層Ｃ２は、前記スリットテープ９が巻回されて構成されたが、本発明にかかる管状体の最も外側の層Ｃ２は、スリットテープ９が巻回されてなる層を備えてなるものに限定されず、図４に示す如く、スリットテープ９を用いずにシート状のプリプレグが巻回されてなるものであっても本発明の意図する範囲内である。
かかる構成を採用することにより、成型時、スリットテープ９の多数回にわたる巻回作業を省略でき、全体として製造工程を簡略化することができる。
尚、外面層Ｃにシート状のプリプレグを巻回する場合、ＰＡＮ系炭素繊維１が周方向Ｓ１に指向する様に巻回してもよく、軸芯方向Ｓ２に指向する様に巻回してもよく、又、軸芯方向Ｓ２に対して角度がつくように巻回してもよいのである。
【００３１】
さらに、上記実施形態において、中間層Ｂは一層に形成されたが、本発明の管状体は、中間層Ｂが一層のものに限定されるものではなく、二層でも、三層以上であってもよいのである。
中間層Ｂが複数層ある場合、少なくとも一層は、ピッチ系炭素繊維２に樹脂を含浸させたプリプレグ７が巻回されてなる層であれば、他の層は、ピッチ系炭素繊維２に樹脂を含浸させたプリプレグが巻回されてなる層であっても、ＰＡＮ系炭素繊維１に樹脂を含浸させたプリプレグが巻回されてなる層であっても、又、ガラス繊維等の他の繊維に樹脂を含浸させたプリプレグが巻回されてなる層であっても本発明の意図する範囲内である。
この場合、前記他の層を構成するプリプレグは、繊維方向が周方向Ｓ１に指向する様に巻回してもよく、軸芯方向Ｓ２に指向する様に巻回してもよく、又、軸芯方向Ｓ２に対して角度がつくように巻回してもよいのである。
【００３２】
また、外面層Ｃ、内面層Ａは、それぞれ二層によって構成されたが、本発明においては、外面層Ｃ、内面層Ａは、かかる構成に限定されるものではなく、一層であっても、三層以上であっても本発明の意図する範囲内である。外面層Ｃ又は内面層を一層とする場合、かかる一層の炭素繊維は、軸芯方向Ｓ２に指向するものであっても、周方向Ｓ１に指向するものでも、軸芯方向に対して角度がつく方向に指向するものであっても良いのである。
但し、圧縮潰れや、変形防止の観点から、炭素繊維の指向方向は、周方向Ｓ１であることが好ましい。
【００３３】
尚、上記実施形態においては、樹脂としてエポキシ樹脂３を用いたが、本発明において、樹脂は、エポキシ樹脂３に限定されるものではなく、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂等であってもよいのである。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明にかかる管状体にあっては、前記ピッチ系炭素繊維に樹脂を含浸させたプリプレグの樹脂含浸量を２３重量％以上とすることにより、著しい強度低下が防止されたものとなり、しかも、内面層及び外面層を構成するＰＡＮ系炭素繊維に樹脂を含浸させたプリプレグの少なくとも一つを、樹脂含浸量を１５〜２３重量％とすることにより、樹脂含浸量を２５重量％としたものと比較して、軽量化が図られると共に、軽量化の割に強度低下のほとんどない管状体となるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施形態の管状体の製造状態で、シート状のプリプレグを巻回する状態を示す斜視図。
【図２】同実施形態の管状体の製造状態で、テープ状のプリプレグ（スリットテープ）を巻回する状態を示す斜視図。
【図３】（イ）は、同実施形態の管状体で、破断部Ｄを含む側面図。
（ロ）は、（イ）に示す破断部Ｄの拡大図。
【図４】多実施形態の管状体の製造状態、シート状のプリプレグを巻回する状態を示す斜視図。
【符号の説明】
１・・・ＰＡＮ系炭素繊維、２・・・ピッチ系炭素繊維、５、６、７、８・・・プリプレグ、９・・・プリプレグ（スリットテープ）
Ｓ１・・・周方向、Ｓ２・・・軸芯方向
Ａ・・・内面層、Ｂ・・・ピッチ系炭素繊維が軸芯方向に指向した層（中間層）、Ｃ・・・外面層

Claims

内面層（Ａ）、中間層（Ｂ）、外面層（Ｃ）が炭素繊維と樹脂とを有して管状に形成されてなると共に、内面層（Ａ）及び外面層（Ｃ）は、それぞれＰＡＮ系炭素繊維（１）に樹脂を含浸させたプリプレグ（５、６、８、９）が巻回されてなり、中間層（Ｂ）は、ピッチ系炭素繊維（２）に樹脂を含浸させたプリプレグ（７）が巻回されてなる層を備えてなる管状体において、
前記ピッチ系炭素繊維（２）に樹脂を含浸させたプリプレグ（７）の樹脂含浸量が２３重量％以上であり、前記内面層（Ａ）及び外面層（Ｃ）を構成するＰＡＮ系炭素繊維（１）に樹脂を含浸させたプリプレグ（５、６、８、９）の少なくとも一つは、樹脂含浸量が１５〜２３重量％であり、各プリプレグ（５、６、７、８）が、巻回前は互いに摺動移動自在に重ね合わされた状態とされ、巻回時に互いに圧着されながらマンドレル（４）に巻回されて成形されてなることを特徴とする管状体。
前記ピッチ系炭素繊維（２）に樹脂を含浸させたプリプレグ（７）の樹脂含浸量が２５〜７０重量％である請求項１記載の管状体。
前記ピッチ系炭素繊維（２）に樹脂を含浸させたプリプレグ（７）の樹脂含浸量が２５〜４０重量％である請求項１記載の管状体。
前記ピッチ系炭素繊維（２）に樹脂を含浸させたプリプレグは、ピッチ系炭素繊維（２）が軸芯方向（Ｓ２）に指向するように巻回されてなる請求項１乃至３記載の管状体。
前記内面層（Ａ）は、複数の層から構成されてなり、該複数の層の内の少なくとも一層は、ＰＡＮ系炭素繊維（１）が周方向（Ｓ１）に指向してなる請求項１乃至４記載の管状体。
前記ＰＡＮ系炭素繊維（１）に樹脂を含浸させたプリプレグ（５、６、８、９）の内、樹脂含浸量が１５〜２３重量％のプリプレグは、ＰＡＮ系炭素繊維（１）が軸芯方向（Ｓ２）に指向するように巻回されてなる請求項１乃至５記載の管状体。