JP5247738B2 - 金属ハイブリッドプリプレグの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、扁平形状金属線を用いた金属ハイブリッドプリプレグの製造方法に関するものである。

近年、炭素繊維や各種の強化繊維を用いたプリプレグが種々の技術分野にて広く使用されており、スポーツレジャー用品の製造に関しても軽量で且つ機械的強度も高いという理由から多く利用されており、極めて良好な成果を納めている。しかしながら、従来のプリプレグは、更に強度及び弾性率の点で、或いは使用時の感触の点で改良が望まれている。また、美観的に金属光沢を有することが好まれることも多い。

このような要望に応えるため、プリプレグの強化繊維と異種繊維との併用、例えば炭素プリプレグに、ボロン繊維、チタン繊維、アモルファス繊維、ステンレススチール繊維、ガラス繊維、各種有機繊維などを併用したハイブリッドプリプレグが提案されている。

例えば、繊維径５〜３０μmの強化繊維に、繊維径５０〜５００μmの異種繊維を強化繊維と同一方向に所定間隔で配列してなるハイブリッドプリプレグは、薄物でありながら機械的強度が向上し、感触も改善されている（特開平３−１９９００９号公報）。また、加工製品の破損防止等のため、引り張り強度、圧縮強度、弾性率、粘り等の機械的特性の向上させた箔状エキスパンドメタル層の少なくとも一側に、強化繊維の中にマトリクッス樹脂が含浸された繊維強化複合材樹脂層又は強化繊維を有さない樹脂層が配置されたプリプレグが提案されている（特開平５−８２２４号公報）。これらのハイブリッドプリプレグの製造方法としては、ドラムワインダーを用いて行われるのが一般的である（特開平３−１９９００９号公報）。特開平２−１９３６８６号公報では、スチールシャフトと同じような撓みの感覚を与えるため、金属繊維及びカーボン繊維のプリプレグを使用したゴルフシャフトを提案している。また、特開平６−２２５６６８号公報では、耐食性、光輝性を改良するため、シート状のチタン材を強化繊維とした管状体を提案している。

特開平３−１９９００９号公報 特開平５−８２２４号公報 特開平２−１９３６８６号公報 特開平６−２２５６６８号公報 特開平３−６５３２８号公報 特開平６−２６９５２２号公報

スポーツレジャー用品においては、更なる薄物化や軽量化が望まれているが、これら従来のハイブリッドプリプレグでは、機械的特性を損なわず薄物、軽量化することが困難であった。また、ハイブリッドプリプレグの製造方法において、金属線ボビンに常に一定のブレーキをかけることにより、ドラムワインダーに巻き付ける金属線に一定の張力をかけていたが、金属線ボビンの巻き状態によって金属線にかかる張力がばらつき、張力を一定に維持することが困難であった。そこで、本発明は強度、美観が優れ、使用時の感触が優れるプリプレグ製品を提供すること及びこのような製品を与えることのできる金属ハイブリッドプリプレグを提供することを目的とする。また、金属線のピッチ配列の乱れ、金属線自体の折れ・切れといった不具合が発生が少ない金属ハイブリッドプリプレグの製造方法を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、繊維径が５〜３０μmである強化繊維を使用したプリプレグをベース層とし、該ベース層の表面側に、金属線を０．１〜１００mm間隔に配列するようにドラムワインディングで巻き付ける際、金属線の張力を検出し、検出した張力により巻き出しボビンのブレーキを制御し、金属線の張力を４０〜４００gf／ストランドの範囲で一定に保つこと、及び更にその上に繊維径が５〜３０μmである強化繊維を使用したプリプレグを透明カバー層として貼り合わせること、並びにベース層の強化繊維及び／又は透明カバー層の強化繊維の繊維径を、金属線の厚みの０．１〜０．５倍とすることを特徴とする金属ハイブリッドプリプレグの製造方法である。ここで、上記金属線は、厚さ５〜１００μm、幅０．１〜１００mm、幅と厚さの比率２〜１００である金属線又は箔（扁平形状金属線）である。

また、本発明は、繊維径が５〜３０μmである強化繊維を使用したプリプレグをベース層とし、該ベース層の表面側に、厚さ５〜１００μm、幅０．１〜１００mm、幅と厚さの比率２〜１００である金属線又は箔を０．１〜１００mm間隔にて配列し、更にその上に繊維径が５〜３０μmである強化繊維を使用したプリプレグを透明カバー層として貼り合わせてなる金属ハイブリッドプリプレグを製造する方法において、ベース層の表面側に、金属線を一定間隔で配列するようにドラムワインディングで巻き付ける際、金属線の張力を検出し、検出した張力により巻き出しボビンのブレーキを制御し、金属線の張力を４０〜４００gf／ストランドの範囲で一定に保つことを特徴とする金属ハイブリッドプリプレグの製造方法である。ここで、ベース層の強化繊維及び／又は透明カバー層の強化繊維の繊維径が、金属線又は箔の厚みの０．１〜０．５倍であることが好ましく、金属線又は箔が、丸型形状金属線を圧延加工若しくは引き抜き加工又は金属箔を打抜き加工したものであることが好ましい。

本発明に係る金属ハイブリッドプリプレグの製造方法は、従来のハイブリッドプリプレグに比べて機械的特性及び使用時の感触を損なうことなく、且つ薄物化されたプリプレグを有利に製造できる。また、この金属ハイブリッドプリプレグを使用した釣り竿、ゴルフシャフト、ラケット等の加工製品は、優れた機械的特性を有し、薄物且つ軽量に仕上がり、使用時の感触も向上する。

金属ハイブリッドプリプレグの構成を示す断面図である。 本発明の金属ハイブリッドプリプレグの製造方法を説明する斜視図である。 金属ハイブリッドプリプレグを用いた管体製品の断面図である。

図１は、本発明の製造方法で製造される金属ハイブリッドプリプレグの層構造を示す断面図である。金属ハイブリッドプリプレグ１は、繊維径５〜３０μmの強化繊維を使用したプリプレグをベース層２とし、ベース層２の表面側に、厚さ５〜１００μm、幅０．１〜１００mm、幅と厚さの比率２〜１００の金属線３（金属線と箔を使い分けて使用しない限り、金属線は箔を含む意味で使用される）を一定間隔で配列し、更に繊維径５〜３０μmの強化繊維を使用したプリプレグをカバー層４とし、これらを貼り合わせて構成されている。このような構成の金属ハイブリッドプリプレグは、繊維径５０〜５００μmの金属繊維を用いた従来のハイブリッドプリプレグと比較すると、金属線３の厚さが薄くしかも幅が広いことから、より薄物化することが可能となり、且つ強化繊維との密着性が向上し、機械的特性を損なうことがない。

ベース層２に用いるプリプレグとしては、一方向プリプレグ、織物プリプレグ、ヤーンプリプレグ、マットプリプレグなどが挙げられるが、好ましくは一方向プリプレグ又は織物プリプレグである。カバー層４に用いるプリプレグとしては、一方向プリプレグ、織物プリプレグ、ヤーンプリプレグ、マットプリプレグなどが挙げられるが、好ましくは織物プリプレグであり、透明であることがよい。また、プリプレグの製造方法は、ウェット法でもよいしドライ法でもよい。
プリプレグに用いる強化繊維としては、例えば炭素繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、ガラス繊維、炭化珪素繊維、窒化珪素繊維等の無機繊維や、アラミド繊維、ポリアリレート繊維、ポリエステル繊維、ポリエチレン繊維等の有機繊維や、チタン繊維、アモルファス繊維、ステンレススチール繊維等の金属繊維などから選択される１種又は２種以上が挙げられるが、ベース層のプリプレグ用としては炭素繊維が優れる。この強化繊維は、一方向に整列して配置してもよいし、クロス（織布）として用いてもよい。薄物プリプレグを得るため、この強化繊繊は、繊維径が５〜３０μm、好ましくは６〜１５μmであることがよい。透明なプリプレグとするためには、ガラス繊維、アラミド繊維などが使用されるが、カバー層のプリプレグ用としてはガラス繊維が優れる。

プリプレグに用いるマトリックス樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂などの１種又は２種以上が挙げられるが、エポキシ樹脂が優れる。マトリックス樹脂には、硬化温度が５０〜２００℃となるように硬化剤やその他の付与剤、例えば可撓性付与剤などを配合してもよい。

マトリックス樹脂の好ましい例を挙げると、例えばビスフェノールＡ、Ｆ、Ｓ系エポキシ樹脂、ノボラック系エポキシ樹脂、臭素化ビスフェノールＡ系エポキシ樹脂等のグリシジルエーテル系エポキシ樹脂や、環式脂肪族エポキシ樹脂や、グリシジルエステル系エポキシ樹脂や、グリシジルアミン系エポキシ樹脂、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン、トリグリシジル−ｐ−アミノフェノールや、複素環式エポキシ樹脂や、その他のエポキシ樹脂などの１種又は２種以上が挙げられ、より好ましくはビスフェノールＡ、Ｆ、Ｓ系エポキシ樹脂、グリシジルアミン系エポキシ樹脂が挙げられる。また、硬化剤としては、例えばジシアンジアミド（ＤＩＣＩ）、ジアミノジフェニルスルフォン（ＤＤＳ）、ジアミノジフェニルメタン（ＤＤＭ）等のアミン系硬化剤や、例えばヘキサヒドロ無水フタル酸（ＨＨＰＡ）、メチルヘキサヒドロ無水フタル酸（ＭＨＨＰＡ）等の酸無水物系硬化剤などの１種又は２種以上が挙げられ、好ましくはアミン系硬化剤がよい。

本発明の製造方法では、厚さ５〜１００μm、幅０．１〜１００mm、幅と厚さの比率が２〜１００の金属線又は箔を用いる。幅と厚さの比率が２より小さいと、ハイブリッドプリプレグの機械的特性の改善と薄物化が達成できない。好ましくは、厚さ３０〜８０μm、幅０．４〜４mm、幅と厚さの比率５〜８０である。

この偏平形状の金属線は、例えば丸型形状金属線を圧延加工又は引き抜き加工することにより製造することができる。このような金属線としては、例えばステンレススチール製、高強度スチール製、チタン製、アモルファス合金製などから選択される１種又は２種以上が挙げられるが、鉄合金製又はチタン製が耐食性、強度向上効果やその金属光沢などの点で有利である。また、美観を向上させるために表面処理して光沢付与処理することも有利である。

金属箔は、所定の厚みの金属箔を切断したり、打抜いたりすることにより得られるものであり、前記の厚みと幅を有する。ここで、打抜いた場合は細長のスリット、好ましくは０．１〜１００mm幅のスリットを形成するようにしたものであってもよい。打抜き金型の形状を変化させて切断面を波型などとして、美観を向上させることもできる。金属箔の材質としては、金属線と同様なものが使用される。

プリプレグよりなるベース層２の表面側に、ドラムワインディングにより偏平形状の金属線３を巻き付け一定間隔で配列する。金属線３は、間隔が０．１〜１００mm、プリプレグの強化繊維と略同一又は略直交方向に配向させることがよい。すなわち、ベース層の強化繊維に対して好ましくは略同一方向に配向させるとよく、透明カバー層の強化繊維（ガラスクロス）に対して好ましくは略同一方向及び略直交方向に配向させるとよい。間隔が狭すぎるとベース層とカバー層間の接着強度が低下し、広すぎると強度の向上が不十分となるだけでなく、美観的にも劣るものとなるので、好ましくは、０．５〜１０mm程度の間隔とすることがよい。

ドラムワインディングで金属線の張力を一定に保つのに、従来法では巻き出しボビンに一定のブレーキをかけていたが、本発明ではテンションコントロール方式を採用した。テンションコントロール方式についてに図２より説明する。

巻き出しボビン１１から偏平形状の金属線１２を引き出し、ドラム１３に巻き取る。テンションコントロール方式とは、金属線１２にかかる張力を検出器１４で検出し、張力がかかりすぎると巻き出しボビン１１のブレーキ１５を弱くし、逆に張力が弱くなるとブレーキ１５を強くし、金属線の張力を４０〜４００gf／ストランドの範囲で一定に保つように、巻き出しボビン１１のブレーキ１５に強弱をつけることによって金属線の張力を一定に保つ方式である。

このテンションコントロール方式によって、巻き出しボビンの巻き状態に左右されず、金属線ピッチ配列に乱れが生じることがなく、外観が優れた金属ハイブリッドプリプレグを製造することが可能となった。また、本発明で用いる扁平形状金属線は、切れ、伸び、折れなどが起こりやすいが、テンションコントロール方式では、金属ハイブリッドプリプレグの製造において異常な張力が金属線にかからないので非常に効果的である。なお、金属箔も線状であれば、同様にしてベース層上に配列させることが可能である。

ところで、ベース層及び／又は透明カバー層と金属線又は箔との密着性を向上させるために、ベース層及び／又は透明カバー層の強化繊維の繊維径は、金属線又は箔の厚みの０．１〜０．５倍にすることが好ましい。

このようにして、ベース層２の表面側に金属線３をドラムワインディング等の手段で巻き付け、一定間隔で配列したのち、更にプリプレグよりなるカバー層４を設け、これらを圧着することによって、金属ハイブリッドプリプレグを製造することができる。

本発明の製造方法で得られる金属ハイブリッドプリプレグは、機械的特性を損なうことなく薄物且つ軽量に仕上がり、釣り竿、ゴルフシャフト、ラケット等の加工製品に用いるプリプレグとして好適である。この場合、カバー層が外側となるように巻付ければ、金属線等の金属光沢が美観を高める。

図３は、釣り竿、ゴルフシャフトやテニスラケット、バトミントンラケット等のラケット類のハンドルのような管体製品の断面図である。管体製品２１は、少なくとも１層のプリプレグ層を有する内層２２と、内層２２の外側に金属ハイブリッドプリプレグを、そのカバー層が外側になるように巻付けてなる外層２３とからなり、これらが圧着され、一体形成されたものである。外層２３の表面Ａは透明であるので、金属ハイブリッドプリプレグの金属線が外部から視認可能となっている。また、管体製品２１の内層２２と外層２３の厚さ比率、及びその軸方向に対する外層２３に含まれる金属線等の長手方向の角度を、その用途に応じて変えることが好ましい。軸方向に対する金属線の長手方向の角度は、管体製品２１の製造工程で、内層２２となるプリプレグに対し、外層２３となる金属ハイブリッドプリプレグを所定角度でスパイラル状に巻き付けることにより変えることができる。

金属ハイブリッドプリプレグを使用した釣り竿においては、外層／内層の厚さ比率が５０／５０〜１０／９０、好ましくは２０／８０〜１０／９０であり、金属線の長手方向が製品軸方向に対し０〜±９０度、好ましくは０〜±１０度、±８０〜±９０度であることがよい。ゴルフシャフトにおいては、外層と内層の厚さ比率が２０／８０〜４／９６、好ましくは１５／８５〜５／９５であり、金属線の長手方向が製品軸方向に対し±１０〜±９０度、好ましくは±１０〜±２０度、±８０〜±９０度であることがよい。また、ラケットにおいては、外層と内層の厚さ比率が２０／８０〜４／９６、好ましくは１５／８５〜５／９５であり、金属線の長手方向が軸方向に対し０〜±９０度、好ましくは０〜±１０度、±８０〜±９０度であることがよい。

実施例１
２５g／m²のガラスクロス（繊維径１３μm）にエポキシ樹脂を塗布して、カバー層プリプレグとする。ガラスクロス含有量は４０wt％である。これにPEフィルムをセパレータとしてPEフィルムがドラムに接するように巻き取る。図２これを図２に示したようにして、チタン製、厚さ３０μm、幅１．０mmの金属繊維（弾性率９８GPa、引張強度９８０MPa) をドラムワインデイング法により巻付けた。間隔は２．５mmとし、方向はドラム軸に対しほぼ９０°方向とした。この際、張力を測定し、その結果をブレーキシステムにフィードバックして、張力を１３０gf／ストランドとした。次に、これをローラで加圧し、金属繊維とカバー層プリプレグを圧着した。これをローラから外し、繊維径７μmの一方向エポキシ樹脂プリプレグ（ＣＦ分６０wt％）を金属繊維側と繊維の方向が金属繊維とほぼ同方向となるように貼り合わせ、圧着したのちPEフィルムを剥がし、厚み１１０μmの金属ハイブリッドプリプレグを得た。

実施例２（参考例）
所定の外径を有する芯金に離型剤を塗布後、カーボン繊維プリプレグを三層巻付けて内層とし、その外側に上記金属ハイブリッドプリプレグを所定形状に裁断して、巻付けて外層とした。プリプレグの繊維の軸に対する方向は適宜ずらし、前記金属繊維の軸に対する方向は８０°とした。長さ２m、先端部の内径１．０mm、手元部の内径１５mmで、内層の厚み０．４mm、外層の厚み０．１mmの釣り竿を得た。この釣り竿は外観が優れ、使用感触も良好であった。

実施例３（参考例）
実施例２と同様にして、長さ１１００mm、先端部の内径５mm、手元部の内径１５５mmで、内層の厚み１．２mm、外層の厚み０．１mmのゴルフシャフトを得た。

実施例４（参考例）
また、実施例２と同様にして、内径２８mm、外径３０mmで、内層の厚み０．９mm、外層の厚み０．１mmのテニスラケットのハンドルを得た。これは外観が優れ、感触も良好であった。

１ ： 金属ハイブリッドプリプレグ、２ ： ベース層、３，１２ ： 金属線、４ ： カバー層、１４ ： 検出器、１５ ： ブレーキ、２２ ： 内層、２３ ： 外層

Claims (2)

1. 繊維径が５〜３０μmである強化繊維を使用したプリプレグをベース層とし、該ベース層の表面側に、厚さ５〜１００μm、幅０．１〜１００mm、幅と厚さの比率２〜１００である金属線を０．１〜１００mm間隔に配列するようにドラムワインディングで巻き付ける際、金属線の張力を検出し、検出した張力により巻き出しボビンのブレーキを制御し、金属線の張力を４０〜４００gf／ストランドの範囲で一定に保つこと、及び更にその上に繊維径が５〜３０μmである強化繊維を使用したプリプレグを透明カバー層として貼り合わせること、並びにベース層の強化繊維及び／又は透明カバー層の強化繊維の繊維径を、金属線の厚みの０．１〜０．５倍でとすることを特徴とする金属ハイブリッドプリプレグの製造方法。
2. 金属線が、丸型形状金属線を圧延加工若しくは引き抜き加工又は金属箔を打抜き加工したものである請求項１に記載の金属ハイブリッドプリプレグの製造方法。

Images