JP4667069B2 - 炭素繊維シート - Google Patents

Description

本発明は、繊維強化プラスチックを使用して、例えば橋梁や高架道路などの構築物の補強をするに際し、樹脂含浸性を向上させ、補強現場で施工性良く補強を行なうことのできる炭素繊維シートに関するものである。又、本発明の炭素繊維シートは、構築物の補強の他に、小型ボート、容器、その他種々の繊維強化プラスチック製品の製造にも好適に使用することができる。

近年、橋梁や高架道路などの橋脚を繊維強化プラスチックにより補強することが行なわれている。特許文献１及び特許文献２などに記載されるように、補強現場で施工性良く補強を行なうことができ且つ補強強度も向上した構築物の補強のための強化繊維シートが提案されている。図４及び図５にこの強化繊維シート１の概略を示す。

つまり、強化繊維シート１は、接着剤層が設けられた支持体２と、接着剤層を介して支持体２上に一方向に配列して接着された強化繊維ｆからなる強化繊維層３とを有する。また、特許文献３には、一方向に配列する強化繊維ｆに撚りをかけたものを使用し得ることを開示している。

これら強化繊維シート１は、橋梁や高架道路などの補強現場で強化繊維層３にマトリクス樹脂を含浸させて、硬化させ、橋梁や高架道路などの補強に使用される。

この強化繊維シート１上の強化繊維層３へのマトリクス樹脂の含浸は、補強箇所にマトリクス樹脂を塗布し、その上から強化繊維シート１を貼り付け、ローラーなどで押し付けることによりシート下面からマトリクス樹脂を強化繊維層３に含浸させることが行なわれている。

また、よりマトリクス樹脂の強化繊維層３への含浸性を良くするために、強化繊維シート１の支持体２を樹脂透過性とすることが好ましい。樹脂透過性としては、図示するように、例えば、糸条、即ち、縦糸５及び横糸６の間隔（通常、ｗ１＝ｗ２）が１〜５０ｍｍとされる格子状のメッシュ状支持体を使用すれば、強化繊維ｆを好適に保持し、取扱い性に優れていると共に、支持体２側からのマトリクス樹脂の含浸性に優れ、従って、補強現場での施工性が良い。
特開平３−２２２７３４号公報 特開平３−２２４９０１号公報 特開平５−３１８３９号公報

しかしながら、上記特許文献１、２に記載の強化繊維シート１について更に研究実験を進めたところ、強化繊維シート１への樹脂含浸作業に多くの時間を必要とすることが分かった。

つまり、図６に示すように、従来の強化繊維シート１は、一方向に配列された強化繊維ｆにて形成される強化繊維層３を有する構成とされ、特に、強化繊維ｆとして炭素繊維を使用するものとすると、強化繊維層３の繊維目付は、通常、３０〜１０００ｇ／ｍ^２、好ましくは、５０〜８００ｇ／ｍ^２とされる。又、炭素繊維としては、平均径７μｍの単繊維（炭素繊維モノフィラメント）ｆを６０００〜２４０００本収束した炭素繊維ストランド、即ち、単繊維束Ｆを一方向に引き揃えて使用される。

一般に、撚りを入れていない単繊維束Ｆの繊維幅（ｗ）は、フィラメント数が２４０００本のストランドで４〜７ｍｍ、厚さ（ｔ）が０．５ｍｍ程度とされる。従って、一方向に単繊維束Ｆが引き揃えられた炭素繊維シート１では、図６に示すように、例えば、炭素繊維目付が５００ｇ／ｍ^２の場合、強化繊維層３にて１本当たり３．２ｍｍピッチで単繊維束Ｆを並べることとなるため、単繊維束Ｆは、幅（△ｗ）＝１〜４ｍｍ程度づつ重なることとなる。つまり、強化繊維層３は、単繊維束Ｆ、即ち、強化繊維ｆが一部重なりながら密に配置された状態となる。このことが、炭素繊維シート１への樹脂含浸が悪くなる原因の一つとなっている。

従って、炭素繊維シート１において、施工性をより向上するために、炭素繊維シート１に対する樹脂含浸性の更なる改善が希求されるところである。

そこで、本発明者らは、樹脂含浸性について検討したところ、炭素繊維シートの樹脂含浸性を良くするためには、繊維に付着させているサイズ剤を０．１％〜０．５％（炭素繊維の重量に対するサイズ剤の重量の割合）に抑えることが有効である、ことが分かった。

一方で、サイズ剤を０．５％以下などに抑えると、繊維の収束性が低下するため、シート製造時などに毛羽の発生が多くなり、シート使用時の性能や外観、及び、シートの取り扱い性が著しく悪くなる、といった問題点があることも分かった。

そこで、本発明者らは、上記問題点を解決するために多くの研究実験を行った結果、特許文献３に記載するように、炭素繊維ストランドに撚りを入れることに着眼し、特に、サイズ剤０．１〜０．５％の炭素繊維ストランドに撚りを入れることにより、繊維幅を少なくして繊維の重なりをなくし得ることを見出した。更に、このようにサイズ剤０．１〜０．５％の炭素繊維ストランドに、特定の条件下にて撚りを入れた場合には、撚りを入れることで毛羽の生成を抑え、しかも、施工性や外観の良い炭素繊維シートを製造し得ることを見出した。勿論、サイズ剤が０．６％以上の炭素繊維ストランドであっても、撚りを入れることで繊維幅を少なくすることができる。

本発明は、斯かる本発明者らの新規な知見に基づきなされたものである。

このように、本発明の目的は、毛羽の生成を抑え、外観が良く、樹脂含浸性に優れ、施工性を向上させることのできる炭素繊維シートを提供することである。

上記目的は本発明に係る炭素繊維シートにて達成される。要約すれば、本発明は、６０００〜２４０００本の炭素繊維モノフィラメントを収束した炭素繊維ストランドに１ｍ当たり５回から３０回の撚りをかけることにより作製された単撚繊維束か、又は、６０００〜２４０００本の炭素繊維モノフィラメントを収束した炭素繊維ストランドを複数本合わせて１ｍ当たり５回から３０回の撚りをかけることにより作製された合撚繊維束を、重ならないように一方向に配列し、前記各単撚繊維束又は前記各合撚繊維束は、互いに固定用繊維材にて固定し、繊維目付が５０〜８００ｇ／ｍ²であることを特徴とする炭素繊維シートである。本発明の一実施態様によれば、前記各単撚繊維束又は前記各合撚繊維束の間には、０〜２ｍｍの空隙（ｇ）が形成される。

本発明の他の実施態様によると、前記合撚繊維束は、２〜５本の単繊維束を合撚して形成される。

本発明の他の実施態様によると、前記固定用繊維材は、前記各単撚繊維束又は前記各合撚繊維束の長手方向に対して垂直方向に前記各単撚繊維束又は前記各合撚繊維束を編み付ける横糸である。又、他の実施態様によると、前記横糸は、ガラス繊維或いは有機繊維から成る糸条である。

本発明の他の実施態様によると、前記固定用繊維材は、シート状に引き揃えた前記各単撚繊維束又は前記各合撚繊維束の片側面、又は、両面に配置され、接着されたメッシュ状支持体シートである。又、他の実施態様によると、前記メッシュ状支持体シートは、ガラス繊維から成る糸条を１軸、２軸或いは３軸に配向して形成し、前記糸条表面に被覆された樹脂によりシート状に引き揃えた前記各単撚繊維束又は前記各合撚繊維束に接着される。

本発明の炭素繊維シートによれば、毛羽の生成を抑え、外観が良く、樹脂含浸性に優れ、施工性を向上させることが可能である。

以下、本発明に係る炭素繊維シートを図面に則して更に詳しく説明する。

実施例１
先ず、図１を参照して、本発明の強化繊維として炭素繊維を使用した炭素繊維シート１０について説明する。

図１に、本発明の炭素繊維シート１０の一実施例を示す。本実施例において、炭素繊維シート１０は、撚りをかけた炭素繊維ストランド（本願明細書では、撚りをかけた炭素繊維ストランドを「単撚繊維束」という。）１１を一方向に引き揃え、各単撚繊維束１１を互いに固定用繊維材１３にて固定して、シート状に形成される。炭素繊維ストランドＦは、多数本の炭素繊維フィラメントｆを収束して形成される。また、各単撚繊維束１１の間には、空隙ｇが形成されている。

更に説明すると、図４〜図６を参照して上述したように、従来、炭素繊維ｆを一方向に引き揃えて作製される炭素繊維シート１の繊維目付は、通常、３０〜１０００ｇ／ｍ^２とされ、また、炭素繊維としては、平均径７μｍの単繊維（炭素繊維モノフィラメント）ｆを６０００〜２４０００本収束した単繊維束（炭素繊維ストランド）Ｆを一方向に引き揃えて使用していた。

このような従来構成の各炭素繊維シート１は、例えば、繊維目付が４５０ｇ／ｍ^２にて、炭素繊維ストランドＦは、幅（ｗ）が４ｍｍ、厚さ（ｔ）が０．５ｍｍ程度に潰され、図６に示すように、炭素繊維シート１は、炭素繊維ｆが一部重なりながら密に配置された状態となる。

これに対して、本実施例によれば、図１及び図２（ａ）に示すように、炭素繊維シート１０の炭素繊維としては、撚りをかけた炭素繊維ストランドＦ、即ち、単撚繊維束１１が使用される。又、炭素繊維ストランドＦのサイズ剤は、本実施例では、０．２％とした。しかし、本発明にて、炭素繊維ストランドＦのサイズ剤の量は、これに限定されるものではない。

つまり、本実施例によれば、炭素繊維として平均径７μｍの炭素繊維モノフィラメントｆを６０００〜２４０００本収束した炭素繊維ストランドＦを使用し、更に、この炭素繊維ストランドＦは、１ｍ当たり５回から３０回の撚りがかけられ、単撚繊維束１１とされる。撚り回数が５回未満であれば、炭素繊維ストランドＦを収束する力が弱く、ストランドＦが細くなりにくい。また、３０回を越えれば、炭素繊維ストランドＦが巻き締めにより硬くなり、樹脂の含浸性が悪くなる。

炭素繊維ストランドＦに撚りを入れた場合でも性能的に問題ないことを確認する実験を行った。

炭素繊維として平均径７μｍの高強度炭素繊維モノフィラメントｆを２４０００本収束した炭素繊維ストランドＦ（サイズ剤０．２％）を使用し、撚りの回数を、撚りなし、３、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０回／ｍで確認した。

その結果、炭素繊維ストランドＦの引張強度は、撚りなし〜２５回／ｍでは強度低下は見られず、３５回／ｍ以上で強度低下が見られた。

一方、炭素繊維ストランドＦの幅（ｗ）は、撚りなし、及び、３回／ｍ未満では繊維収束力が弱く、期待されたほど細くすることはできなかったが、５回／ｍ以上では収束が十分できて炭素繊維ストランドが細くまとまった状態になった。

以上より総合すると、炭素繊維ストランドは、繊維の撚り回数は、５〜３０回／ｍの範囲が適しており、中でも、５〜２５回が最も良好であった。

これによって、単撚繊維束１１が一方向に引き揃えられたときに、潰されないか、或いは、潰される程度がきわめて少なく、単撚繊維束１１は、断面直径（ｄ）が１〜３ｍｍの略円形或いは楕円形の断面形状を維持することができる。そのために、本実施例によれば、単繊維束１１の幅（ｗ）が、図６に示す撚りをかける前の幅（ｗ）に比べ、約半分程度となる。

つまり、一方向に配列された単撚繊維束１１にて形成される炭素繊維シート１０は、その繊維目付が、通常の３０〜１０００ｇ／ｍ^２とされる場合には、各単撚繊維束１１、１１の間に、図１及び図２に示すように、空隙（ｇ）＝０〜２ｍｍ、好ましくは０．２〜１ｍｍが形成され、繊維の重なりはなくなった。

従って、樹脂含浸時に、マトリクス樹脂が単撚繊維束１１、１１間を通過することを容易とし、強化繊維とマトリクス樹脂との接触面積を増加させることにより、強化繊維束の内部への樹脂含浸性を改善することができる。

炭素繊維シート１０の繊維目付は、上述のように、３０〜１０００ｇ／ｍ^２とされるが、繊維目付が３０ｇ／ｍ^２より小さい場合には炭素繊維の補強効果が少なくなり、また、目開き（ｇ）が過大となる。又、繊維目付が１０００ｇ／ｍ^２を越えるとシートの厚さ（ｔ）（図２（ａ）が大となり、樹脂含浸が悪く、実用的でなくなる。好ましくは、繊維目付は、５０〜８００ｇ／ｍ^２とされる。

上述のように、単撚繊維束１１が一方向に引き揃えられた炭素繊維シート１０において、各単撚繊維束１１は、互いに空隙（ｇ）＝０〜２ｍｍ、好ましくは０．２〜１ｍｍだけ近接離間して、固定用繊維材１３にて固定される。

このようにして形成された炭素繊維シート１０の長さ（Ｌ）及び幅（Ｗ）は、補強される構造物の寸法、形状に応じて適宜決定されるが、取り扱い上の問題から、一般には、全幅（Ｗ）は、１００〜５００ｍｍとされる。また、長さ（Ｌ）は、１００ｍ以上のものも製造し得るが、使用時においては、適宜切断して使用される。

又、各単撚繊維束１１を固定用繊維材１３にて固定する方法としては、図１に示すように、例えば、固定用繊維材１３として横糸を使用し、一方向に配列された複数本の単撚繊維束１１を、単撚繊維束１１に対して直交して一定の間隔（Ｐ）にて打ち込み、編み付ける方法を採用し得る。横糸１３の打ち込み間隔（Ｐ）は、特に制限されないが、作製された繊維強化シート１０の取り扱い性を考慮して、通常１〜１５ｍｍ間隔の範囲で選定される。

このとき、横糸１３は、例えば直径２〜５０μｍのガラス繊維或いは有機繊維を複数本束ねた糸条とされる。又、有機繊維としては、ポリエステル、ナイロン、ビニロンなどが好適に使用される。

各単撚繊維束１１を一方向に引き揃えてシート状に固定する他の方法としては、図３に示すように、固定用繊維材１３としてメッシュ状支持体シートを使用することができる。

つまり、一方向に引き揃えたシート形態とされる複数本の単撚繊維束１１の片側面、又は、両面を、例えば直径２〜５０μｍのガラス繊維或いは有機繊維にて作製したメッシュ状の支持体シート１３により支持した構成とすることもできる。

この場合には、例えば、２軸構成とされるメッシュ状支持体シート１３を構成する縦糸１４及び横糸１５の表面に低融点タイプの熱可塑性樹脂を予め含浸させておき、メッシュ状支持体シート１３を各単撚繊維束１１の片面或いは両面に積層して加熱加圧し、メッシュ状支持体シート１３の縦糸１４及び横糸１５の部分をシート形態とされた複数本の単撚繊維束１１に溶着する。

メッシュ状支持体シート１３は、２軸構成のほかに、ガラス繊維を３軸に配向して形成したり、或いは、ガラス繊維を単撚繊維束１１に対して直交する横糸１５のみを配置した、所謂、１軸に配向して形成して前記シート状に引き揃えた複数本の単撚繊維束１１に接着することもできる。

又、上記固定用繊維材１３の糸条としては、例えばガラス繊維を芯部に有し、低融点の熱融着性樹脂をその周囲に配したような二重構造の複合繊維も又好ましく用いられる。

炭素繊維シート１０は、撚りをかけた炭素繊維ストランドＦ、即ち、単撚繊維束１１を一方向に引き揃えて作製するものとしたが、別法では、図２（ｂ）に示すように、撚りをかけない状態の炭素繊維ストランド（単繊維束）Ｆを複数本、例えば、２〜５本を合わせて、図２（ｂ）では３本合わせた全体の繊維束に撚りをかけたもの（本明細書では、「合撚繊維束」という。）１２を、上記単撚繊維束１１の代わりに使用することも可能である。

つまり、この場合にも、上述のように、炭素繊維として平均径７μｍの炭素繊維モノフィラメントを６０００〜２４０００本収束した炭素繊維ストランド、即ち、単繊維束Ｆを使用し、この単繊維束Ｆを２〜５本合体し、１ｍ当たり５回から３０回の撚りをかける。撚り回数が５回未満であれば、炭素繊維ストランドＦを収束する力が弱く、ストランドＦが細くなりにくい。また、３０回を越えれば、炭素繊維ストランドＦが巻き締めにより硬くなり、樹脂の含浸性がやりにくくなる。

これによって、合撚繊維束１２は、断面直径（ｄ）が２〜４ｍｍの略円形或いは楕円形の断面形状となり、合撚繊維束１２の幅（ｗ）は、撚りをかける前、即ち、図６に示す幅（ｗ）が約半分以下となる。

この実施例においても、炭素繊維シート１０は、図１に示す単撚繊維束１１に代えて、上記合撚繊維束１２を一方向に引き揃え、各合撚繊維束１２を互いに固定用繊維材３にてシート状に固定される。また、この場合にも、上述のように、合撚撚繊維束１２が一方向に引き揃えられた炭素繊維シート１０において、各合撚繊維束１２の間には、空隙（ｇ）＝０〜２ｍｍ、好ましくは０．２〜１ｍｍが形成され、繊維の重なりはなくなった。

従って、この実施例の炭素繊維シート１０においても、一方向に配列された合撚繊維束１１にて形成される炭素繊維シート１０は、その繊維目付が、通常の３０〜１０００ｇ／ｍ^２とされる場合には、各合撚繊維束１２、１２の間に、図１及び図２に示すように、空隙（ｇ）＝０〜２ｍｍ、好ましくは０．２〜１ｍｍが形成される。

従って、樹脂含浸時に、マトリクス樹脂が合撚繊維束１２、１２間を通過することを容易とし、強化繊維とマトリクス樹脂との接触面積を増加させることにより、強化繊維束の内部への樹脂含浸性を改善することができる。

性能試験
図３を参照して説明した炭素繊維シート１０を作製した。

炭素繊維として平均径７μｍの単繊維（炭素繊維モノフィラメント）ｆを、収束本数２４０００本収束したＰＡＮ系炭素繊維ストランド（単繊維束）Ｆを用いた。このストランドＦは、１ｍ当たり１５回撚りをかけて、単撚繊維束１１とした。炭素繊維ストランドＦのサイズ剤は、０．２％であった。

炭素繊維シート１０にて、単撚繊維束１１を繊維目付が４５０ｇ／ｍ^２となるように引き揃えてシート状に配列した。このシート状とされる単繊維束１１の片面に、メッシュ状支持体シート１３を接着した。

このようにして作製した炭素繊維シート１０は、幅（Ｗ）が２００ｍｍ、長さ（Ｌ）が１００ｍであった。各単撚繊維束１１間の間隙（ｇ）は、０〜０．２ｍｍであった。

比較例として、炭素繊維に撚りをかけないストランド（単繊維束）Ｆを使用した点でのみ異なり、他は全く同じ材料、構成、寸法の、図４〜図６に示す炭素繊維シート１を作製した。

次に、上記本実施例の炭素繊維シート１０及び比較例の炭素繊維シート１を使用してコンクリート梁を補強した。本実施例の炭素繊維シート１０を使用した場合には、樹脂含浸作業が約１時間で終了し、炭素繊維シート１の貼着面に、何らボイドを発生することもなく、コンクリート梁に極めて良好に接着することができた。

一方、比較例である従来の構成の炭素繊維シート１では、約１．５時間を必要とした。

本発明に従った炭素繊維シートの一実施例を示す斜視図である。 図２（ａ）は、本発明に従った炭素繊維シートの一部を拡大した斜視図であり、図２（ｂ）は、合撚繊維束の一部を示す斜視図である。 本発明に従った炭素繊維シートの他の実施例を示す斜視図である。 従来の強化繊維シートの一例を示す斜視図である。 従来の強化繊維シートの構造を説明する分解斜視図である。 従来の強化繊維シートの一例を示す斜視図である。

符号の説明

１０ 炭素繊維シート
１１ 単撚繊維束
１２ 合撚繊維束
１３ 固定用繊維材

Claims (7)

1. ６０００〜２４０００本の炭素繊維モノフィラメントを収束した炭素繊維ストランドに１ｍ当たり５回から３０回の撚りをかけることにより作製された単撚繊維束か、又は、６０００〜２４０００本の炭素繊維モノフィラメントを収束した炭素繊維ストランドを複数本合わせて１ｍ当たり５回から３０回の撚りをかけることにより作製された合撚繊維束を、重ならないように一方向に配列し、前記各単撚繊維束又は前記各合撚繊維束は、互いに固定用繊維材にて固定し、繊維目付が５０〜８００ｇ／ｍ²であることを特徴とする炭素繊維シート。
2. 前記各単撚繊維束又は前記各合撚繊維束の間には、０〜２ｍｍの空隙（ｇ）が形成されることを特徴とする請求項１の炭素繊維シート。
3. 前記合撚繊維束は、２〜５本の単繊維束を合撚して形成されることを特徴とする請求項１又は２の炭素繊維シート。
4. 前記固定用繊維材は、前記各単撚繊維束又は前記各合撚繊維束の長手方向に対して垂直方向に前記各単撚繊維束又は前記各合撚繊維束を編み付ける横糸であることを特徴とする請求項１、２又は３の炭素繊維シート。
5. 前記横糸は、ガラス繊維或いは有機繊維から成る糸条であることを特徴とする請求項４の炭素繊維シート。
6. 前記固定用繊維材は、一方向に配列した前記各単撚繊維束又は前記各合撚繊維束の片側面、又は、両面に配置され、接着されたメッシュ状支持体シートであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの項に記載の炭素繊維シート。
7. 前記メッシュ状支持体シートは、ガラス繊維から成る糸条を１軸、２軸或いは３軸に配向して形成し、前記糸条表面に被覆された樹脂により前記各単撚繊維束又は前記各合撚繊維束に接着されることを特徴とする請求項６の炭素繊維シート。

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