JP5582777B2 - 耐食層を有する管状繊維強化複合材料 - Google Patents

Description

本発明は一般産業用途に適した管状繊維強化複合材料に関するものである。

さらに詳細には、例えば石油井戸や水井戸の汲み上げ用パイプやケーシング用パイプ、温泉汲み上げ用パイプやケーシング用パイプ、ラインパイプ、下水道配管、トラス構造体用のパイプ、風車支柱用のパイプ、化学薬品タンク、水槽、高圧燃料タンクなど一般産業用部材に適した管状繊維強化複合材料に関するものである。

強化繊維とマトリックス樹脂からなる管状繊維強化複合材料は、優れた機械強度特性と耐食性を有することから、腐食性の強い環境で、鉄鋼に替わる材料として近年普及が進んでいる。特に、管内壁面に耐食層を有する管状繊維強化複合材料は、管内壁面の耐食性を向上させることができるため、石油井戸や水井戸や温泉の汲み上げ用パイプや下水道配管および化学薬品タンクなどで重要な用途として用いられている。

管状繊維強化複合材料の製造には、各種の方式が用いられるが、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させたロービングもしくはシートを鉄芯に巻き付けて加熱硬化させるフィラメントワインディング法およびシートワインディング法や、管状の型に織物状の強化繊維を貼りつけてマトリックス樹脂をローラーを用いて含浸させるハンドレイアップ法などが広く用いられている。

前記製造方法により製造される管状繊維強化複合材料に、特開２００５−１５５９７０号公報や特開平１１−３００８７２号公報に開示されているような、強化基材に不織布や短繊維を用いた耐食層を、特公昭６１−２９２５４号公報に見られるような製造方法により管内壁面に耐食層を設けるようにし、耐食層を有する管状繊維強化複合材料が製造されている。

前記製造方法により製造された耐食層を有する管状繊維強化複合材料は、管内壁面の近傍にまで強化繊維が存在するので、内壁面にピンホールやクラックがある場合に、水や油や化学薬品がこのピンホールやクラックを通って、管壁内の強化繊維材料を伝って浸透し、強化繊維とマトリックス樹脂との界面接着強度を劣化させ、管の機械強度特性を著しく低下させるだけではなく、管内から内溶液が漏れ出すという問題がある。

そこで、特開平６−９９５５２号公報に開示されているような、耐食層の強化繊維とマトリックス樹脂の濡れ性を向上させ、耐食層のピンホールやクラックの発生を抑制した製造方法が提案されている。

特開２００５−１５５９７０号公報 特開平１１−３００８７２号公報 特公昭６１−２９２５４号公報 特開平６−９９５５２号公報

しかしながら、前記製造方法により製造された管状繊維強化複合材料においても、耐食層内の強化基材が不織布および短繊維で構成されている場合、管の周方向と垂直方向に配した強化繊維が存在するため、管内壁面に内圧が作用した時に、設計耐圧強度以下の圧力においても強化繊維とマトリックス樹脂の界面で破壊し、クラックが発生する問題がある。

また、耐食層内の強化基材に、織構造をなした強化基材を用いた場合、樹脂含浸性が悪化することから、ピンホールが発生しやすく、上記（０００６）の問題が発生する。

さらに、従来の管状繊維強化複合材料の一般的な製造方法であるフィラメントワインディング法では、特公昭６１−２９２５４号公報および特開平６−９９５５２号公報に開示されているように、耐食層の樹脂を強圧して脱泡した後に樹脂を半硬化させ、その後に強化層側を巻き付けて成形するため、生産工程が多く、非常に生産効率が悪いという問題点がある。

以上の理由から、本発明は耐食層のピンホールやクラックの発生を抑え、管状繊維強化複合材料の耐食性能と耐圧力性能とを向上させることと、かつ生産効率の高い製造方法を可能とする管状繊維強化複合材料を提供するものである。

本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。すなわち、強化繊維およびマトリックス樹脂を共に含み繊維体積含有率が３０％以上である強化層と、
この強化層より管の内面側で、マトリックス樹脂と、繊維体積含有率が３０％以下の強化繊維を含むか、または強化繊維を含まない耐食層と、
強化層と耐食層との境界面に設けられて、管状体の周方向に沿って巻き付けられる強化繊維を有し、内圧作用時に耐食層のクラック発生を防止し、耐圧性能を向上させる強化繊維層を具備したものである。

請求項１に係る発明によれば、強化層と耐食層の境界面に、管の周方向に巻き付けた強化繊維からなる強化基材を配することによって、内圧作用時の耐食層のクラック発生を抑制し、管状繊維強化複合材料が本来持つ強度を十分に発現させることが出来、耐圧性能を向上させることが可能といえる。また、耐食層のクラックの発生を抑制させることから、強化層内に薬品などが浸透しないため、管状繊維強化複合材料の耐食性能も向上させることが可能といえる。

また、耐食層に強化基材を設けなくとも、かつ境界面に強化層とは異なる強化基材を設けなくとも、強化層の強化基材の構成により、耐食層のクラックの発生を抑制し、耐圧性能を向上させることができる。ゆえに、本発明によると、従来の方法に比べて、大幅に生産工程を減らすことができるだけではなく、管状繊維強化複合材料が本来持つ強度を十分に発現させることが出来るため、管の肉厚を減らすコストダウンも可能である。

実施例１記載の管状繊維強化複合材料の断面図である。 実施例３記載の管状繊維強化複合材料の断面図である。 比較例３記載の管状繊維強化複合材料の断面図である。

本発明で用いられる強化繊維としては、具体的にはガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維などの有機もしくは無機繊維を使用することができる。また、マトリックス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、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂や、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリプロピレン樹脂、ABS樹脂、ポリカーボネート樹脂などの熱可塑性樹脂を使用することができる。中でも、常温で流動性が有り、粘度が低く耐食性能が高い不飽和ポリエステル樹脂およびビニルエステル樹脂が好ましく、また、強化繊維には、一般的にかかる樹脂との接着性が高いガラス繊維を用いることが好ましい。

これらのマトリックス樹脂には、必要に応じて適宜、硬化剤および促進剤、可塑剤等樹脂改質剤を混入して使用しても良い。ただし、これらの樹脂の種類や硬化剤および促進剤、樹脂改質剤の使用の有無は特に限定されるものではない。

強化層とは、かかる強化繊維とマトリックス樹脂から構成され、繊維体積含有率が３０％以上であることを特徴とし、主として管状繊維強化複合材料の機械強度特性を確保する層のことである。また、用いる強化繊維は単一および2種類以上を混合しても構わない。

耐食層とは、かかる強化繊維とマトリックス樹脂から構成され、繊維体積含有率が３０％以下であることを特徴とし、強化層より管の内面側に設けられ、主として管状繊維強化複合材料の耐食性を確保する層のことである。また、用いる強化繊維は単一および２種類以上を混合しても構わない。

強化層と耐食層に用いられるマトリックス樹脂は、同一でも異なるものでも良い。

強化層と耐食層の境界面とは、強化層の管内壁面に最も近い層、もしくは耐食層の管外壁面に最も近い層のことを指す。

強化層に用いられる強化基材の形態としては、ロービングを引きそろえた一方向強化基材、平織、朱子織、綾織、多軸挿入織物など直交異方性を有する織物、および不織布、チョップドストランドマット、サーフェイシングマットなどが適用できる。特に、強化層には直交異方性を有する織物状の強化基材を用いることが好ましい。より好ましくは、ロービングのクリンプが無く繊維の強度を十分に発現でき、かつ繊維の配向を０°〜９０°まで自由に変化させることができ、多角度の繊維の層を一体化させ、成形時の積層工程の省略化が可能な多軸挿入織物を用いることである。

強化層に用いられる強化基材は、管体の耐圧性能および軸方向の強度を向上させるために、管体の周方向および軸方向に沿って配列していることが好ましい。ここで、強化基材の目付重量が管体の周方向と軸方向で１：１〜４：１および１：１〜１：４の範囲で構成されることがより好ましい。

耐食層に用いられる強化基材の形態としては、上記（００２３）と同様であるが、強化繊維と樹脂との含浸性が良い不織布およびチョップドストランドマット、サーフェイシングマットを用いることが好ましい。また、耐食層内に強化繊維を含まず、マトリックス樹脂のみで耐食層を構成することが、ピンホールの発生を抑制することから、より好ましい形態である。

強化層厚みは、特に限定はされないが、２．０〜１０．０ｍｍ程度が一般的である。また、耐食層厚みは、特に限定されないが０．２〜５．０ｍｍ程度が好ましい。特に、１．０〜２．０ｍｍがより好ましい。

本発明は、かかる強化層と耐食層の境界面に、管状体の周方向に沿った強化繊維を設けることによって成り立つ。

管状繊維強化複合材料に内圧が作用した時に、繊維体積含有率の低い耐食層側からクラックが発生し、管状繊維強化複合材料内の薬品などの内容液が強化層側に浸透し、強化繊維とマトリックス樹脂との界面接着強度を劣化させ、管の機械強度特性を著しく低下させるだけではなく、管内から内溶液が漏れ出すこともある。特に、耐食層の強化基材にチョップドストランドマットや不織布やサーフェイシングマットなど強化繊維がランダムに配向している強化基材を用いた場合、耐食層内に管状体の軸方向に配向している強化繊維が存在するため、強化繊維の直行方向の強度が著しく低下するという繊維強化複合材料の欠点から、管状体の軸方向に配向している強化繊維が起点となりクラックが発生し、管状繊維強化複合材料の持つ強度を十分に生かせず、必要以上に強化繊維を増やしたり肉厚を増やしたりしなければならない。

特に、強化層と耐食層では繊維含有率に差があるため、それぞれの層の剛性が異なり、一般的に強化層の方が剛性は高く、強化層側に応力集中することが考えられる。さらに、管状体に内圧作用時は、管内面側に応力が集中する。すなわち、耐食層において、強化層と耐食層の境界面で最も応力が集中するため、境界面からクラックが発生する。

そこで、本発明は、強化層と耐食層の境界面に、管状体の周方向に沿った強化繊維を設けることによって耐食層のクラック発生を抑制させることである。

強化層と耐食層の境界面に設ける強化繊維は、強化層および耐食層で用いる強化基材と同一でも異なるものでも構わない。好ましくは、ロービングを引き揃えた一方向強化繊維からなる強化基材およびそれに相当する構成の織物を用いることである。

本発明は従来の成形方法であるフィラメントワインディング法やシートワインディング法にも適用可能であるが、遠心成形法により製造することがより好ましい。

遠心成形法とは、円筒の金型の周方向に沿って強化基材を這わせ、その後樹脂を注入し、遠心力によって強化基材に樹脂を含浸させ、常温もしくは加熱硬化により樹脂を硬化させ、硬化後に金型から抜き取り成形する方法である。

すなわち、遠心成形法によると、遠心力により強化基材は管の周方向に均一に張力が作用し、かつ遠心力による樹脂の脱泡効果のため、強化基材に十分に樹脂を含浸させることができ、ピンホールの発生が抑制される。また、強化基材が管の周方向に、均一に張力が作用されることから、強化繊維に張力が作用した状態で樹脂が硬化するため、繊維強化複合材料の周方向の引張強度が向上し、管状繊維強化複合材料の耐圧性能を飛躍的に向上させることが可能である。

また、遠心成形法によると、マトリックス樹脂の投入量を調整することによって、管体内面側に樹脂リッチ層を設けることが出来、強化繊維を全く含まない耐食層を形成することが可能である。また、耐食層厚みは、樹脂量の調整により自由に変えることができる。

遠心成形法では、所定の長さおよび幅に切断した強化基材を巻取り、円筒金型に挿入した後に強化基材を巻き解し、遠心力により強化基材を展開させる。例えば、所定の幅の織物状の強化基材を長さ１０ｍで切断し、巻取り、巻き解し、マトリックス樹脂を注入することによって、長さ１０ｍの管状繊維強化複合材料を成型することができる。強化基材の積層数、すなわち管状繊維強化複合材料の肉厚は、強化基材の幅を調整することによって自由に変えることが可能である。よって、従来のフィラメントワインディング法やシートワインディング法に比べて、非常に生産速度が速く、コストダウンが可能な成形方法と言える。

本発明は、かかる構成および製造方法によって、耐食層のピンホールやクラックの発生を抑え、管状繊維強化複合材料の耐食性能と耐圧力性能とを向上させ、かつ生産効率の高い製造方法を可能とする管状繊維強化複合材料を提供するものである。

以下、本発明を実施例により詳細に説明する。各部位に用いる強化基材およびマトリックス樹脂を次のように選び、遠心成形法により、管状繊維強化複合材料を次のように製造した。
＜強化基材＞
強化層：目付重量１３００ｇ／ｍ２のガラス繊維平織物５層、繊維体積含有率３５％
耐食層：繊維体積含有率０％（強化繊維無し）
境界面：目付重量８００ｇ／ｍ２のガラス繊維一方向強化基材１層
＜マトリックス樹脂＞
強化層：ビニルエステル樹脂
耐食層：ビニルエステル樹脂

強化層と耐食層の境界面にガラス繊維一方向強化基材が設けられるように、マンドレルにガラス繊維一方向強化基材を１層となるように巻き付け、その後ガラス繊維平織物を５層となるように巻き付けた。

強化基材を巻き付けたマンドレルを円筒の金型に挿入し、巻き解した後に金型を回転させ、遠心力にて強化基材を展開した。その後、硬化剤を混ぜたビニルエステル樹脂を金型内に注入し、金型を回転し、遠心力にてマトリックス樹脂を強化基材へ浸透させた。

その後、金型温度５０℃にて６０分間硬化させた。硬化後、金型から製品を抜き取り、管状繊維強化複合材料を得た。製品の寸法は外径７７ｍｍ、内径６０ｍｍとした。また、強化層厚みは６．５ｍｍ、耐食層厚みは２．０ｍｍとした。

本実施例は図１のような構成となる。

各部位に用いる強化基材およびマトリックス樹脂を次のように選んだ。また、用いる強化繊維の品種および樹脂の品種は実施例１と同一のものとした。
＜強化基材＞
強化層：目付重量１３００ｇ／ｍ２のガラス繊維平織物５層、繊維体積含有率３５％
耐食層：目付重量３００ｇ／ｍ２のガラス繊維不織布１層、繊維体積含有率５％
境界面：目付重量８００ｇ／ｍ２のガラス繊維一方向強化基材１層
＜マトリックス樹脂＞
強化層：ビニルエステル樹脂
耐食層：ビニルエステル樹脂

構成は実施例１と同様とした。また、実施例１と同様に、遠心成形法により成形し、管状繊維強化複合材料を得た。製品の寸法は実施例１と同様に外径７７ｍｍ、内径６０ｍｍとした。また、強化層厚みは６．５ｍｍ、耐食層厚みは２．０ｍｍとした。

各部位に用いる強化基材およびマトリックス樹脂を次のように選んだ。また、用いる強化繊維の品種および樹脂の品種は実施例１と同一のものとした。
＜強化基材＞
強化層：目付重量１３００ｇ／ｍ２のガラス繊維０°／９０°多軸挿入織物５層、繊維体積含有率３５％
耐食層：繊維体積含有率０％（強化繊維無し）
境界面：特に強化基材を設置せず。
＜マトリックス樹脂＞
強化層：ビニルエステル樹脂
耐食層：ビニルエステル樹脂

本実施例は図２のような構成とした。本実施例では、図２に示すように、強化層の最内層側に管の周方向に沿った強化基材が配置されるように積層した。すなわち、境界面は強化層の強化基材の周方向強化繊維となる。

本実施例は実施例１と同様に、遠心成形法により成形し、管状繊維強化複合材料を得た。製品の寸法は実施例１と同様に外径７７ｍｍ、内径６０ｍｍとした。また、強化層厚みは６．５ｍｍ、耐食層厚みは２．０ｍｍとした。

比較例１

強化層および耐食層に用いる強化基材およびマトリックス樹脂は実施例１と同様とした。ただし、境界面には強化基材を配置しなかった。成形法および製品寸法は実施例１〜３と同様とした。

比較例２

強化層および耐食層に用いる強化基材およびマトリックス樹脂は実施例２と同様とした。ただし、境界面には強化基材を配置しなかった。成形法および製品寸法は実施例１〜３と同様とした。

比較例３

強化層および耐食層に用いる強化基材およびマトリックス樹脂は実施例３と同様とした。ただし、図３に示すように、強化層の強化基材を実施例３とは反転させて積層した。すなわち、境界面が軸方向強化繊維となるようにした。成形法および製品寸法は実施例１〜３と同様とした。

実施例１〜３および比較例１〜３で得られた管状繊維強化複合材料の耐圧力性能評価試験を実施して比較した。耐圧力性能評価試験はＪＩＳ−Ｋ７０１３に準拠し、短期間静水圧試験法により評価した。

表１に短期間静水圧試験結果を示す。表１に示す「理論破壊圧力」とは、強化繊維の強度と積層数および肉厚から計算した理論値のことを示す。また、表１に示す「破裂」とは、強化繊維が破断し水が管状繊維強化複合材料から噴出す破壊であり、「漏れ」とは耐食層にクラックが入り、繊維が破断する前に管状繊維強化複合材料から水が漏れ出す破壊のことである。

表１に示すように、実施例１〜３はいずれも破裂による破壊であり、理論値とも良好な一致を示す結果が得られた。一方、比較例１〜３はいずれも漏れによる破壊であり、理論値を大きく下回る結果となった。

A：強化層
B：強化基材軸方向強化繊維
C：強化基材周方向強化繊維
D：強化層と耐食層の境界面
E：耐食層

Claims (6)

1. 強化繊維およびマトリックス樹脂を共に含み繊維体積含有率が３０％以上である強化層と、
   この強化層より管の内面側で、マトリックス樹脂と、繊維体積含有率が３０％以下の強化繊維を含むか、または強化繊維を含まない耐食層と、
   強化層と耐食層との境界面に設けられて、管状体の周方向に沿って巻き付けられる強化繊維を有し、内圧作用時に耐食層のクラック発生を防止し、耐圧性能を向上させる強化繊維層を具備した
   ことを特徴とする管状繊維強化複合材料。
2. 強化層は、配向方向が管状体の周方向および軸方向に沿う強化繊維からなる強化基材と、マトリックス樹脂が熱硬化性樹脂からなり、
   強化層の内面で管状体の周方向に巻き付けられた強化繊維を、境界面の強化繊維層とした
   ことを特徴とする請求項１記載の管状繊維強化複合材料。
3. 強化繊維層は、周方向に巻き付けられた強化繊維のみからなる
   ことを特徴とする請求項１記載の管状繊維強化複合材料。
4. 強化層は、織構造の強化繊維からなる強化基材を含み、
   強化基材の目付重量が管状態の周方向：軸方向が１：１〜４：１および１：１〜１：４の範囲で構成される
   ことを特徴とする請求項１記載の管状繊維強化複合材料。
5. 耐食層は、厚みが１．０〜５．０ｍｍに形成されるとともに、マトリックス樹脂中の繊維体積含有率が０％である
   ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の管状繊維強化複合材料。
6. 遠心成型法による管状体の製造に使用される
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の管状繊維強化複合材料。

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