JP6625729B2 - 繊維強化樹脂中空体およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は繊維強化樹脂中空体およびその製造方法に関する。

熱硬化性樹脂を含む繊維強化樹脂中空体は、流体輸送分野、建築分野、自動車分野などの様々な分野で使用されている。繊維強化樹脂中空体は、特に自動車分野において今後、金属材料に代わる材料として期待されている。

そのような繊維強化樹脂中空体として、特許文献１において、自動車の装備品を取り付けるためのレインフォースメント（矩形パイプ）が開示されている。このような技術において、軸方向（長手方向）に平行に強化繊維を配向させた軸方向繊維層を用いると、竹が繊維方向に沿って裂けるような破壊挙動を示すため、軸方向だけでなく、周方向にも、強度を向上させることが求められていた。

特開平８−２８２３３３号公報

本発明の発明者等は、繊維強化樹脂中空体において、軸方向繊維層とともに、周方向に平行に強化繊維を配向させた周方向繊維層を用いても、十分に高い強度は得られないことを見出した。詳しくは、例えば図６において軸方向に対し垂直な断面模式図に示すように、軸方向繊維層１０１の内側および外側の両側に周方向繊維層１０２および１０３を形成しても、十分に高い強度は得られなかった。このような技術においては、図６に示すように、隣接する繊維層は互いに端部１０２ａ、１０３ａの端面で突き合っている状態にあるため、このような端部が起点となって、比較的容易に破壊されるものと考えられる。

本発明は、十分に高い強度を有する繊維強化樹脂中空体およびその製造方法を提供することを目的とする。

ここに開示する技術は、繊維強化樹脂中空体であって、
該中空体の軸方向に対して平行に配向する強化繊維と該強化繊維に含浸された硬化性樹脂とを含む軸方向繊維層と、
該軸方向繊維層の内側または外側の少なくとも一方の側に積層され、該軸方向繊維層とは配向方向が異なる強化繊維と該強化繊維に含浸された硬化性樹脂とを含む非軸方向繊維層と、
前記中空体の最内表面に配置され、該軸方向繊維層とは配向方向が異なる強化繊維と該強化繊維に含浸された硬化性樹脂とを含む非軸方向繊維層と、を有し、
前記中空体の軸方向に垂直な断面形状は、矩形形状であり、
前記軸方向繊維層の内側または外側の少なくとも一方の側に積層された前記非軸方向繊維層が該中空体の周方向において端部同士で重なり合っており、
前記軸方向繊維層の内側または外側の少なくとも一方の側に積層された前記非軸方向繊維層における重なり部は、前記矩形形状の角部近傍に配置されており、
前記角部近傍は、前記中空体の軸方向に垂直な断面において角部の頂部と前記重なり部との距離が５ｍｍ以内をいうものであり、
前記中空体の最内表面に配置された前記非軸方向繊維層は、該中空体の周方向において分割されることなく、当該非軸方向繊維層自体の端部同士で互いに重なり合っており、
前記中空体の最内表面に配置された前記非軸方向繊維層における重なり部は、前記矩形形状の隣り合う前記角部の頂部間の辺部における前記角部近傍を除く部分に配置されている、繊維強化樹脂中空体に関する。

本開示技術の繊維強化樹脂中空体は、十分に高い強度を有する。

本開示技術の繊維強化樹脂中空体の一例における、軸方向に対する垂直な概略断面模式図を示す。 本開示技術の繊維強化樹脂中空体の一例における、軸方向に対する垂直な概略断面模式図を示す。 本開示技術の繊維強化樹脂中空体の一例における、軸方向に対する垂直な概略断面模式図を示す。 本開示技術の繊維強化樹脂中空体の一例における、軸方向に対する垂直な概略断面模式図を示す。 本開示技術の繊維強化樹脂中空体を製造するための、引抜成形法による製造装置の一例の概略構成図を示す。 従来技術における繊維強化樹脂中空体の、軸方向に対する垂直な概略断面模式図を示す。 実施例及び比較例の試験片を用いて行われた曲げ試験の方法を説明するための図である。 実施例及び比較例の試験片を用いて行われた曲げ試験の方法を説明するための図である。 実施例及び比較例の試験片を用いて行われた曲げ試験の方法を説明するための図である。 実施例及び比較例の試験片の形状及び寸法を示す図である。 実施例及び比較例の試験片に用いた材料を示す表である。 比較例１の試験片の構成を説明するための図である。 実施例１の試験片の構成を説明するための図である。 実施例２の試験片の構成を説明するための図である。 実施例３の試験片の構成を説明するための図である。 実施例１〜３及び比較例１の試験片の破壊荷重を示すグラフである。 実施例１〜３及び比較例１の試験片の曲げ弾性率を示すグラフである。

以下、本開示技術の実施態様を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施態様の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示技術、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

［繊維強化樹脂中空体］
本開示技術の繊維強化樹脂中空体を図面を用いて詳しく説明する。図面に示す各種の要素は、本開示技術の理解のために模式的に示したにすぎず、寸法比や外観などは実物と異なり得ることに留意されたい。尚、本明細書で直接的または間接的に用いる「上下方向」は、図中における上下方向に対応した方向に相当する。また特記しない限り、これらの図において、共通する符号は同じ部材、部位、寸法または領域を示すものとする。

本開示技術の繊維強化樹脂中空体（以下、単に「中空体」ということがある）は、長尺形状を有する硬化性樹脂の含浸体であり、すなわち強化繊維を含む繊維層および当該繊維層に含浸され硬化された硬化性樹脂を含み、中空形状を有する長尺状成形体である。本明細書中、中空体の長手方向を「軸方向」と呼ぶものとする。

（繊維層）
本開示技術の中空体において強化繊維を含む繊維層は、少なくとも軸方向繊維層を含み、当該軸方向繊維層の内側または外側の少なくとも一方の側に積層された非軸方向繊維層をさらに含む。例えば、図１に示す本開示技術の中空体１０は、軸方向繊維層１および該軸方向繊維層１の内側および外側の両側に非軸方向繊維層２，３を有しているが、軸方向繊維層１の内側または外側の少なくとも一方の側に非軸方向繊維層を有していればよい。中空体１０は、中空体強度の観点からは、好ましくは軸方向繊維層１の少なくとも内側、より好ましくは内側および外側の両側に非軸方向繊維層を有している。本明細書中、軸方向繊維層１の内側に積層された非軸方向繊維層は「内側非軸方向繊維層」と呼ぶことがあり、図１中、符号「２」で示す。軸方向繊維層１の外側に積層された非軸方向繊維層は「外側非軸方向繊維層」と呼ぶことがあり、図１中、符号「３」で示す。

軸方向繊維層１とは、中空体の軸方向（長手方向）に対して平行に配向する強化繊維を主として含む繊維層のことであり、本開示技術においては中空体の軸方向に対して平行に配向する強化繊維のみからなる繊維層が好ましい。このような好ましい軸方向繊維層は、厳密に、中空体の軸方向に対して平行に配向する強化繊維のみからならなければならないというわけではなく、含まれる強化繊維の９５質量％以上、好ましくは９８質量％以上が中空体の軸方向に対して略平行に配向していればよい。ここで、略平行とは、中空体の軸方向に対して±１０°の範囲内の方向も許容するという意味である。

軸方向繊維層１を構成する強化繊維は、従来から繊維強化プラスチックの分野で使用されているあらゆる繊維が使用可能であり、例えば、ガラス繊維、炭素繊維が挙げられる。軸方向繊維層１を構成する好ましい強化繊維はガラス繊維である。軸方向繊維層を構成する強化繊維のロービング（ガラス繊維の束）は通常、５００〜５０００ｔｅｘ（ｇ／１ｋｍ）を達成するような範囲であればよい。軸方向繊維層１は強化繊維以外の繊維を含むことを妨げるものではないが、含まれる繊維の９５質量％以上、好ましくは９８質量％以上が強化繊維であることが好ましい。

軸方向繊維層１は具体的には、例えば、ロービング（ガラス繊維の束）の層であってよく、当該軸方向繊維層を構成するガラス繊維の数は中空体の周方向において均一であることが好ましい。中空体の周方向とは、中空体のその軸方向に対して垂直な断面における周方向という意味である。

軸方向繊維層１の繊維量は、中空体に必要とされる強度および寸法に応じて決定されればよい。例えば、中空体を自動車のインストルメントパネルを支持および固定するための部材（寸法３〜１０ｃｍ×３〜１０ｃｍの角筒部材）として使用する場合、当該中空体１ｍ長あたりの軸方向繊維層１の繊維量は通常、５０〜１０００ｇ／ｍである。

非軸方向繊維層２，３は、軸方向繊維層１とは配向方向が異なる強化繊維を含む、あらゆる繊維層であってよい。軸方向繊維層１とは配向方向が異なるとは、当該非軸方向繊維層に含まれる強化繊維の配向方向が、軸方向繊維層１の強化繊維の配向方向に対して平行ではない特定の方向（例えば中空体の周方向）であるか、またはいかなる特定の方向にも限定されていない（例えばランダムな配向である）、という意味である。なお、ランダムな配向は不規則的にランダムな配向および規則的にランダムな配向を包含する。

非軸方向繊維層２，３を構成する強化繊維は、それぞれ独立して、軸方向繊維層１を構成する強化繊維と同様に、従来から繊維強化プラスチックの分野で使用されているあらゆる繊維が使用可能であり、例えば、ガラス繊維、炭素繊維が使用される。非軸方向繊維層２，３を構成する好ましい強化繊維はガラス繊維である。非軸方向繊維層２，３を構成する強化繊維の直径は、軸方向繊維層の強化繊維の直径と同様の範囲内である。非軸方向繊維層２，３は強化繊維以外の繊維を含むことを妨げるものではないが、含まれる繊維の９５質量％以上、好ましくは９８質量％以上が強化繊維であることが好ましい。

非軸方向繊維層２，３の目付量は、それぞれ独立して、中空体に必要とされる強度および寸法に応じて決定されればよい。例えば、中空体を自動車のインストルメントパネルを支持および固定するための部材（寸法３〜１０ｃｍ×３〜１０ｃｍの角筒部材）として使用する場合、当該中空体の非軸方向繊維層２，３の目付量はそれぞれ独立して、通常、１０〜１０００ｇ／ｍ^２であり、好ましくは１００〜５００ｇ／ｍ^２である。

軸方向繊維層の全強化繊維と非軸方向繊維層の全強化繊維との質量比率は通常、１００：２０〜１００：２００であり、中空体の強度の観点から好ましくは１００：３０〜１００：１５０であり、より好ましくは１００：５０〜１００：１２０である。非軸方向繊維層の全強化繊維とは、内側非軸方向繊維層２および外側非軸方向繊維層３の全強化繊維のことである。

非軸方向繊維層２，３は具体的には、それぞれ独立して、例えば、周方向繊維層、無配向繊維層、織物繊維層、組み物繊維層、および編物繊維層からなる群から選択されてよい。

周方向繊維層とは、中空体の周方向に対して平行に配向する強化繊維を含む繊維層のことであり、本開示技術においては中空体の周方向に対して平行に配向する強化繊維のみからなる繊維層が好ましい。このような好ましい周方向繊維層は、厳密に、中空体の周方向に対して平行に配向する強化繊維のみからならなければならないというわけではなく、含まれる強化繊維の９５質量％以上、好ましくは９８質量％以上が中空体の周方向に対して略平行に配向していればよい。ここで、略平行とは、中空体の周方向に対して±１０°の範囲内の方向も許容するという意味である。

周方向繊維層の具体例としては、例えば、いわゆるスダレ状強化繊維シートが好ましく使用される。スダレ状強化繊維シートとは、複数の強化繊維束（例えば強化繊維８〜１２０本／束の束）を一方向（例えば中空体の周方向）に対して平行かつ略等間隔に並べ、連結糸により各束を結束させつつ全束を当該一方向に対して垂直方向に連結させてなる、繊維シートのことである。連結糸は熱可塑性ポリマーからなる糸であっても、または強化繊維からなる糸であってもよい。周方向繊維層を構成する強化繊維のロービング（ガラス繊維の束）は通常、１００〜１０００ｔｅｘ（ｇ／１ｋｍ）を達成するような範囲であればよい。

無配向繊維層とは、いかなる特定の方向にも配向しない強化繊維（例えば不規則的にランダムに配向する強化繊維）を含む繊維層のことである。無配向繊維層としては、例えば、強化繊維の不織布層および強化繊維の周方向繊維含有不織布層が挙げられる。

不織布層としては、例えば、強化繊維のいわゆるチョップドストランドマットが好ましく使用される。強化繊維のチョップドストランドマットとは、繊維長６〜６６ｍｍに切断した強化繊維をバインダー樹脂で結合させた不織布層であってもよい。強化繊維の周方向繊維含有不織布層の不織布層としてのチョップドストランドマットは、上記スダレ状強化繊維シートに対して、切断した強化繊維をランダムに縫いつけることによって、形成されていてもよい。バインダーは通常、熱可塑性ポリマーを含む。

周方向繊維含有不織布層は、上記した強化繊維の不織布層に対して中空体の周方向に平行に配向する複数の強化繊維束（周方向繊維束）（例えば強化繊維８〜１２０本／束の束）を略等間隔に結合させた複合繊維層であってもよい。周方向繊維含有不織布層はまた、上記スダレ状強化繊維シートに対して、繊維長６〜６６ｍｍに切断した強化繊維をランダムに縫いつけることによって、固定させた複合繊維層であってもよい。周方向繊維含有不織布層としては、例えば、チョップドストランドマットスダレが好ましく使用される。チョップドストランドマットスダレとは、上記したスダレ状強化繊維シートに対して、繊維長６〜６６ｍｍに切断した強化繊維をランダムに縫い付けた複合マットのことである。縫い付け糸は熱可塑性ポリマーからなる糸であっても、または強化繊維からなる糸であってもよい。不織布層の全強化繊維と周方向繊維としての全強化繊維との質量比率は通常、１００：２０〜１００：２００であり、中空体の強度の観点から好ましくは１００：３０〜１００：１５０であり、より好ましくは１００：５０〜１００：１２０である。

織物繊維層は織組織を構成する強化繊維を含むあらゆる繊維層であってよく、織組織としては例えば、平織、綾織、朱子織、二重織等が挙げられる。織物繊維層の強化繊維は規則的にランダムに配向している。

組み物繊維層は組み物組織を構成する強化繊維を含むあらゆる繊維層であってよい。組み物繊維層の強化繊維は規則的にランダムに配向している。

編物繊維層は編物組織を構成する強化繊維を含むあらゆる繊維層であってよく、編物組織としては例えば、ニット編等が挙げられる。編物繊維層の強化繊維は規則的にランダムに配向している。

本開示技術においては、非軸方向繊維層が周方向において端部同士で重なり合っている。すなわち、図１に示すように、中空体の軸方向に対する垂直断面（以下、単に「垂直断面」ということがある）において、非軸方向繊維層（２，３）における端部の継ぎ目で、一方の端部の上に他方の端部が乗り上げた状態となり、重なり部４ａ、４ｂが形成される。重なり部は中空体の軸方向において連続的に形成されている。これにより、中空体が十分に高い強度を得ることができる。端部において重なり部が形成されないと、当該端部が起点となって、比較的容易に破壊される。

非軸方向繊維層は、図１における内側非軸方向繊維層２のように、中空体の周方向において分割されることなく、当該繊維層自体の端部同士で互いに重なり合って、重なり部４ａが形成されてもよい。図１において内側非軸方向繊維層２は、当該繊維層２自体の端部同士で互いに重なり合って、周方向において１つの重なり部４ａが形成されている。

非軸方向繊維層はまた、図１における外側非軸方向繊維層３のように、中空体の周方向において２以上の繊維層に分割されて、当該２以上の繊維層のうち隣接する繊維層が周方向において端部同士で互いに重なり合って、重なり部４ｂが形成されてもよい。図１において外側非軸方向繊維層３は、中空体の周方向において４つの繊維層に分割されて、当該４つの繊維層のうち隣接する繊維層が周方向において端部同士で互いに重なり合って、周方向において合計４つの重なり部４ｂが形成されている。

中空体１０は、図１に示す垂直断面において、正方形状を有しているが、中空形状を有する限りこれに限定されるものではない。中空体１０の垂直断面形状の具体例としては、例えば、矩形形状、円形状、楕円形状、五角形状以上の多角形状、およびこれらの複合形状等が挙げられる。矩形形状は、正方形状および長方形状等のあらゆる四角形状を包含する概念で用いるものとする。中空体の自動車用途においては、各種部材の取り付け容易性の観点から、矩形形状、特に正方形状が好ましい。

重なり部の形成位置は特に限定されない。

中空体が垂直断面において、例えば、矩形形状または多角形状を有する場合、意匠性の向上の観点から、非軸方向繊維層３は、これらの形状が有する角部近傍において端部同士で重なり合っていることが好ましい。これらの形状において角部は、重なりが目立ちにくいためである。このため、中空体が矩形形状または多角形状を有する場合には、同様の観点から、非軸方向繊維層は、図１における外側非軸方向繊維層３のように、中空体の周方向において２以上の繊維層（特に２〜４の繊維層）に角部近傍で分割されることが好ましい。その結果として、当該２以上（特に２〜４）の繊維層のうち隣接する繊維層が周方向において角部近傍で端部同士で互いに重なり合い、重なり部４ｂが角部近傍で形成される。なお、角部近傍とは、垂直断面において角部の頂部と重なり部との距離が５ｍｍ以内という意味であり、例えば図１の重なり部４ｂのように、当該距離は０ｍｍであることが好ましい。

内側非軸方向繊維層２、特に中空体の最内表面を構成する非軸方向繊維層は、中空体の中空部の搬送利用の観点から、中空体の周方向において分割されることなく、当該繊維層２自体の端部同士で互いに重なり合っていることが好ましい。

垂直断面における重なり部の重なり幅ｔは、本開示技術の効果が得られる限り特に限定されず、例えば、中空体の寸法をｄとしたとき、通常は０．０１×ｄ〜０．５×ｄであり、好ましくは０．１×ｄ〜０．２×ｄである。中空体の寸法ｄは、中空体が矩形形状を有するとき、垂直断面における全外周長／４のことである。中空体が円形状を有するとき、中空体の寸法ｄは垂直断面における外径のことである。中空体が楕円形状を有するとき、中空体の寸法ｄは垂直断面における外周の（長径＋短径）／２のことである。中空体が多角形状を有するとき、中空体の寸法ｄは当該形状を同面積の円と見なしたときの外径のことである。

本開示技術においては、非軸方向繊維層の全ての端部において、重なり部が形成されなければならないというわけではなく、垂直断面における少なくとも１箇所において、上記したように、非軸方向繊維層が周方向において端部同士で重なり合っていればよい。中空体強度のさらなる向上の観点から、中空体の垂直断面の全ての端部において重なり部が形成されていることが好ましい。

中空体１０において、後述する曲げ試験により得られた破壊荷重（Ｎ）の値（平均値）は、中空体１０の各層の材料割合等により変動するものであり、特に限定されるものではないが、十分な高い強度を備える観点から、好ましくは８０００Ｎ以上３００００Ｎ以下、より好ましくは９０００Ｎ以上２００００Ｎ以下、特に好ましくは１００００Ｎ以上１５０００Ｎ以下である。

中空体１０において、後述する曲げ試験により得られた曲げ弾性率（ＧＰａ）の値（平均値）は、中空体１０の各層の材料割合等により変動するものであり、特に限定されるものではないが、良好な加工性を備える観点から、好ましくは１８ＧＰａ以上５０ＧＰａ以下、より好ましくは２４．５ＧＰａ以上４０ＧＰａ以下、特に好ましくは２５ＧＰａ以上３０ＧＰａ以下である。

なお、上述の破壊荷重及び曲げ弾性率の値は、破壊荷重の値が上記範囲内であることが望ましいが、より好ましくは、高い強度を有しつつ良好な加工性を有する中空体１０を得る観点から、両者の値が上記範囲内に含まれることが望ましい。

（図２の実施態様）
以下、本開示技術に係る他の実施態様について詳述する。なお、これらの実施態様の説明において、図１の実施態様と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

図１において、非軸方向繊維層２，３（内側非軸方向繊維層２および外側非軸方向繊維層３）はそれぞれ１種類の繊維層から構成されているが、それぞれ独立して、図２に示すように２種類以上の繊維層から構成されていてもよい。すなわち、非軸方向繊維層２，３はそれぞれ独立して、例えば、上記した周方向繊維層、無配向繊維層、織物繊維層、組み物繊維層、および編物繊維層からなる群から選択される２種以上の繊維層を含んでもよい。この場合、軸方向繊維層の全強化繊維と全ての非軸方向繊維層の全強化繊維との質量比率が上記範囲内であればよい。図２の中空体は、内側非軸方向繊維層２および外側非軸方向繊維層３の両方の非軸方向繊維層が２種類以上の繊維層から構成されているが、片方の非軸方向繊維層のみが２種類以上の繊維層から構成されていてもよい。

図２の中空体１０ａは、特記しない限り、図１の中空体と同様である。例えば、図２の中空体１０ａは、内側非軸方向繊維層２および外側非軸方向繊維層３の両方の非軸方向繊維層が２種類以上の繊維層から構成されていること以外、図１の中空体と同様である。詳しくは、図２に示す中空体１０ａは、矩形形状の垂直断面を有し、軸方向繊維層１、当該軸方向繊維層１の内側に積層された第１内側非軸方向繊維層２１ａおよび第２内側非軸方向繊維層２２ａ、および当該軸方向繊維層１の外側に積層された第１外側非軸方向繊維層３１ａおよび第２外側非軸方向繊維層３２ａを有している。図２において、軸方向繊維層１は前記した軸方向繊維層１と同様である。第１内側非軸方向繊維層２１ａ、第２内側非軸方向繊維層２２ａ、第１外側非軸方向繊維層３１ａおよび第２外側非軸方向繊維層３２ａはそれぞれ独立して、前記した非軸方向繊維層２，３と同様の範囲内から選択されればよい。

非軸方向繊維層が２種以上の繊維層を含む場合においても、非軸方向繊維層の全ての端部において、重なり部が形成されなければならないというわけではなく、垂直断面における少なくとも１箇所において、非軸方向繊維層が周方向において端部同士で重なり合っていればよい。特に非軸方向繊維層が２種以上の繊維層を含む場合、各繊維層ごとに少なくとも１箇所において、当該非軸方向繊維層が周方向において端部同士で重なり合っていることが好ましい。中空体強度のさらなる向上の観点から、中空体の垂直断面の全ての端部において重なり部が形成されていることが好ましい。非軸方向繊維層を構成する各繊維層における重なり部の形成位置、重なり幅ｔ、分割の形態および中空体の垂直断面形状等は、特記しない限り、非軸方向繊維層が１種類の繊維層から構成されている前記場合と同様である。

例えば、第１内側非軸方向繊維層２１ａ、第１外側非軸方向繊維層３１ａおよび第２外側非軸方向繊維層３２ａはそれぞれ周方向において端部同士で重なり合っていることが好ましいが、中空体強度のさらなる向上の観点からは、図２に示すように、中空体の周方向において角部近傍で４つの繊維層に分割されることがより好ましい。その結果として、第１内側非軸方向繊維層２１ａ、第１外側非軸方向繊維層３１ａおよび第２外側非軸方向繊維層３２ａはそれぞれ、当該４つの繊維層のうち隣接する繊維層が周方向において端部同士で互いに重なり合い、４つの重なり部４ｂは角部近傍で形成される。内側非軸方向繊維層の最内層、すなわち第２内側非軸方向繊維層２２ａも周方向において端部同士で重なり合っていることが好ましいが、中空体の中空部の搬送利用の観点から、図２に示すように、中空体の周方向において分割されることなく、当該繊維層２２ａ自体の端部同士で互いに重なり合っていることがより好ましい。

非軸方向繊維層が２種以上の繊維層を含む場合、非軸方向繊維層（内側非軸方向繊維層２または外側非軸方向繊維層３の少なくとも一方、好ましくは両方）は、中空体強度のさらなる向上の観点から、１以上の周方向繊維層および１以上の無配向繊維層を含むことが好ましい。これにより、無配向繊維層と隣接する周方向繊維層の強化繊維が周方向に対して平行に配向し易くなり、中空体強度がさらに向上するためである。例えば、図２に示すように、非軸方向繊維層２，３はそれぞれ、１以上の周方向繊維層および１以上の無配向繊維層を含むことが好ましい。

非軸方向繊維層が１以上の周方向繊維層および１以上の無配向繊維層を含む場合、中空体１０の最表面、すなわち最外表面及び最内表面には、無配向繊維層及び周配向繊維層のいずれが配置されてもよい。なお、外観の意匠性を向上させる観点から、無配向繊維層が中空体の最表面に配置されていることが好ましい。このとき最表面の無配向繊維層は周方向繊維層と隣接していることが好ましい。最表面に無配向繊維層を配置させることで、金型から周方向繊維層への直接的な影響が緩和され、当該無配向繊維層と隣接する周方向繊維層において強化繊維が周方向に対して平行により一層配向し易くなり、中空体の外観における意匠性が向上する。ここに、無配向繊維層が中空体の最表面に配置されているとは、無配向繊維層が内側非軸方向繊維層２において中空体の最内表面に配置されている、または外側非軸方向繊維層３において中空体の最外表面に配置されている、という意味である。例えば、図２に示すように、第１内側非軸方向繊維層２１ａおよび第１外側非軸方向繊維層３１ａが周方向繊維層であり、第２内側非軸方向繊維層２２ａおよび第２外側非軸方向繊維層３２ａが無配向繊維層、特に周方向繊維含有不織布層であることが好ましい。また例えば、後述する図３の好ましい実施態様において、第４内側非軸方向繊維層２４ｂが無配向繊維層、特に周方向繊維含有不織布層であることが好ましい。また例えば、後述する図４の好ましい実施態様において、第４外側非軸方向繊維層３４ｃが無配向繊維層、特に周方向繊維含有不織布層であることが好ましい。なお、中空体における繊維層の配置は、硬化性樹脂が存在しないものと仮定したときの配置である。

特に無配向繊維層として周方向繊維含有不織布層が中空体の最表面に配置される場合、当該周方向繊維含有不織布層の不織布層が中空体の最表面に配置されていることが好ましい。すなわち、当該周方向繊維含有不織布層は、内側非軸方向繊維層２においては不織布層が中空体の最内表面に配置されるように使用されることがさらに好ましく、外側非軸方向繊維層３においては不織布層が中空体の最外表面に配置されるように使用されることがさらに好ましい。隣接する周方向繊維層において強化繊維が周方向に対して平行により一層配向し易くなり、中空体の外観における意匠性が向上するためである。例えば、図２において、第２内側非軸方向繊維層２２ａとしての周方向繊維含有不織布層は、その不織布層が中空体の最内表面に配置されるように使用されることが好ましい。第２外側非軸方向繊維層３２ａとしての周方向繊維含有不織布層は、その不織布層が中空体の最外表面に配置されるように使用されることが好ましい。また例えば、後述する図３の好ましい実施態様において、第４内側非軸方向繊維層２４ｂとしての周方向繊維含有不織布層は、不織布層が中空体の最内表面に配置されるように使用されることが好ましい。また例えば、後述する図４の好ましい実施態様において、第４外側非軸方向繊維層３４ｃとしての周方向繊維含有不織布層は、不織布層が中空体の最外表面に配置されるように使用されることが好ましい。

無配向繊維層として周方向繊維含有不織布層が中空体の最表面以外のところに配置される場合、当該周方向繊維含有不織布層はその不織布層が軸方向繊維層１側を向くように使用されてもよいし、または軸方向繊維層１側とは反対側を向くように使用されてもよい。

また無配向繊維層は２層以上、連続して配置されてもよい。

非軸方向繊維層に周方向繊維層が２層以上で含まれる場合、周方向繊維層は２層以上、連続して配置されてもよいし、またはそれらの間に無配向繊維層が配置されてもよい。

非軸方向繊維層が１以上の周方向繊維層および１以上の無配向繊維層を含む場合、軸方向繊維層の全強化繊維と周方向繊維層の全強化繊維との質量比率は通常、１００：１〜１００：１００であり、中空体の強度の観点から好ましくは１００：１０〜１００：１００、より好ましくは１００：２０〜１００：８０、さらに好ましくは１００：３０〜１００：７０である。周方向繊維層の全強化繊維とは、中空体を構成する全ての周方向繊維層に含まれる全強化繊維のことであり、無配向繊維層として周方向繊維含有不織布層を用いる場合は当該周方向繊維含有不織布層に含まれる周配向繊維を構成する強化繊維も含む。

同様の場合、軸方向繊維層の全強化繊維と無配向繊維層の全強化繊維との質量比率は通常、１００：１０〜１００：１００であり、中空体の強度の観点から好ましくは１００：１０〜１００：７０、より好ましくは１００：２０〜１００：５０である。無配向繊維層の全強化繊維とは、中空体を構成する全ての無配向繊維層に含まれる全強化繊維のことであり、無配向繊維層として周方向繊維含有不織布層を用いる場合は、当該周方向繊維含有不織布層に含まれる不織布層を構成する強化繊維を含むが、当該周方向繊維含有不織布層の周配向繊維を構成する強化繊維は含まない。

非軸方向繊維層が２種以上の繊維層を含む場合の別の実施態様を図３および図４に示す。中空体強度のさらなる向上の観点からは、前述の図２の実施態様および後述の図３の実施態様が好ましく、図２の実施態様がより好ましい。

（図３の実施態様）
図３に示す中空体１０ｂは、矩形形状の垂直断面を有し、軸方向繊維層１、当該軸方向繊維層１の内側に積層された第１内側非軸方向繊維層２１ｂ、第２内側非軸方向繊維層２２ｂ、第３内側非軸方向繊維層２３ｂおよび第４内側非軸方向繊維層２４ｂを有している。図３において、軸方向繊維層１は前記した軸方向繊維層１と同様である。第１内側非軸方向繊維層２１ｂ、第２内側非軸方向繊維層２２ｂ、第３内側非軸方向繊維層２３ｂおよび第４内側非軸方向繊維層２４ｂはそれぞれ独立して、前記した非軸方向繊維層２，３と同様の範囲内から選択されればよい。

本実施態様において、第２内側非軸方向繊維層２２ｂおよび第３内側非軸方向繊維層２３ｂは、それぞれ独立して、好ましくは周方向繊維層である。

第１内側非軸方向繊維層２１ｂは、特に限定されず、例えば無配向繊維層、特に周方向繊維含有不織布層、である。

第４内側非軸方向繊維層２４ｂは好ましくは無配向繊維層、特に周方向繊維含有不織布層、である。

第１内側非軸方向繊維層２１ｂとしての周方向繊維含有不織布層は、不織布層が第２内側非軸方向繊維層２２ｂと接触するように使用されてもよいし、または不織布層が軸方向繊維層１と接触するように使用されてもよい。第４内側非軸方向繊維層２４ｂとしての周方向繊維含有不織布層は、第３内側非軸方向繊維層２３ｂとしての周方向繊維層の配向の観点から、不織布層が中空体の最内表面に配置されるように使用されることが好ましい。

本実施態様においても、垂直断面における少なくとも１箇所において、非軸方向繊維層が周方向において端部同士で重なり合っていればよいが、中空体強度のさらなる向上の観点から、第１内側非軸方向繊維層２１ｂ、第２内側非軸方向繊維層２２ｂおよび第３内側非軸方向繊維層２３ｂはそれぞれ、図３に示すように、中空体の周方向において角部近傍で４つの繊維層に分割されることが好ましい。その結果として、第１内側非軸方向繊維層２１ｂ、第２内側非軸方向繊維層２２ｂおよび第３内側非軸方向繊維層２３ｂはそれぞれ、当該４つの繊維層のうち隣接する繊維層が周方向において端部同士で互いに重なり合い、４つの重なり部４ｂは角部近傍で形成されることが好ましい。

本実施態様においては、中空体の中空部の搬送利用の観点から、第４内側非軸方向繊維層２４ｂは、中空体の周方向において分割されることなく、当該繊維層２４ｂ自体の端部同士で互いに重なり合っていることが好ましい。

（図４の実施態様）
図４に示す中空体１０ｃは、矩形形状の垂直断面を有し、軸方向繊維層１、当該軸方向繊維層１の外側に積層された第１外側非軸方向繊維層３１ｃ、第２外側非軸方向繊維層３２ｃ、第３外側非軸方向繊維層３３ｃおよび第４外側非軸方向繊維層３４ｃを有している。図４において、軸方向繊維層１は前記した軸方向繊維層１と同様である。第１外側非軸方向繊維層３１ｃ、第２外側非軸方向繊維層３２ｃ、第３外側非軸方向繊維層３３ｃおよび第４外側非軸方向繊維層３４ｃはそれぞれ独立して、前記した非軸方向繊維層２，３と同様の範囲内から選択されればよい。

本実施態様において、第２外側非軸方向繊維層３２ｃおよび第３外側非軸方向繊維層３３ｃは、それぞれ独立して、好ましくは周方向繊維層である。

第１外側非軸方向繊維層３１は、特に限定されず、例えば無配向繊維層、特に周方向繊維含有不織布層、である。

第４外側非軸方向繊維層３４ｃは好ましくは無配向繊維層、特に周方向繊維含有不織布層、である。

第１外側非軸方向繊維層３１ｃとしての周方向繊維含有不織布層は、不織布層が第２外側非軸方向繊維層３２ｃと接触するように使用されてもよいし、または不織布層が軸方向繊維層１と接触するように使用されてもよい。第４外側非軸方向繊維層３４ｃとしての周方向繊維含有不織布層は、第３外側非軸方向繊維層３３ｃとしての周方向繊維層の配向の観点から、不織布層が中空体の最外表面に配置されるように使用されることが好ましい。

本実施態様においても、垂直断面における少なくとも１箇所において、非軸方向繊維層が周方向において端部同士で重なり合っていればよいが、中空体強度のさらなる向上の観点から、第１外側非軸方向繊維層３１ｃ、第２外側非軸方向繊維層３２ｃ、第３外側非軸方向繊維層３３ｃおよび第４外側非軸方向繊維層３４ｃはそれぞれ、図４に示すように、中空体の周方向において角部近傍で４つの繊維層に分割されることが好ましい。その結果として、第１外側非軸方向繊維層３１ｃ、第２外側非軸方向繊維層３２ｃ、第３外側非軸方向繊維層３３ｃおよび第４外側非軸方向繊維層３４ｃはそれぞれ、当該４つの繊維層のうち隣接する繊維層が周方向において端部同士で互いに重なり合い、４つの重なり部４ｂは角部近傍で形成されることが好ましい。
（その他の材料）
本開示技術の中空体は上記した繊維層とともに、当該繊維層に含浸された硬化性樹脂を含む。硬化性樹脂としては、従来から繊維強化樹脂中空体に使用される、あらゆる硬化性樹脂が使用可能である。硬化性樹脂の具体例として、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。

硬化性樹脂には、いわゆる触媒、離形剤、顔料、低収縮剤、シランカップリング剤等の添加剤を含有させて使用される。
（寸法）
本開示技術の中空体はいかなる厚みを有していてよく、用途に応じて適宜、決定されればよい。本開示技術の中空体は、例えば、１〜２０ｍｍ、特に１〜１０ｍｍ、好ましくは１〜３ｍｍの厚みを有する。中空体の厚みとは、中空体の肉厚のことである。

本開示技術の中空体はいかなる外周長を有していてよく、用途に応じて適宜、決定されればよい。本開示技術の中空体は、例えば、１２５〜３００ｍｍの外周長を有する。中空体の外周長とは、垂直断面における中空体の外周長のことである。中空体の垂直断面形状が矩形形状であるときの一辺の長さおよび円形状であるときの直径は特に限定されず、例えば４５〜７５ｍｍである。

［繊維強化樹脂中空体の製造方法］
本開示技術の繊維強化樹脂中空体は引抜成形法により製造することができる。引抜成形法においては、詳しくは図５に示すように、まず軸方向繊維層１を構成する強化繊維５１に硬化性樹脂５０を含浸させる。次いで、硬化性樹脂が含浸した強化繊維５１に、内側非軸方向繊維層２を構成する繊維シート（繊維層）５２を合流させ、さらに外側非軸方向繊維層３を構成する繊維シート５３を合流させる。繊維シート５２の数は内側非軸方向繊維層２を構成する繊維層の種類および分割数に応じて適宜、調整されればよい。繊維シート５３の数は外側非軸方向繊維層３を構成する繊維層の種類および分割数に応じて適宜、調整されればよい。その後、これらの繊維および繊維シートを、垂直断面において所定の層構成となるように配置させながら、ガイド５４により誘導し、強化繊維５１に含浸されている硬化性樹脂をさらに繊維シート５２および繊維シート５３にも含浸させ、金型５５の一端側から引き込む。このとき、繊維シート５２および５３は、周方向において端部同士で重なり合うように、ガイド５４により調整される。金型５５内では加熱により硬化性樹脂を十分に硬化させ、繊維強化樹脂中空体１０を得る。得られた繊維強化樹脂中空体１０は、金型５５から連続的に引取装置５６（例えば、ダブルグリッパー方式）により引き取り、切断機５７によって所定長さに切断する等、後加工する。

次に、具体的に実施した実施例について説明する。

（曲げ試験）
実施例及び比較例に係る繊維強化樹脂中空体の試験片に対し、以下の方法に従って、３点曲げ試験を行い、各試験片の破壊荷重及び曲げ弾性率を算出した。

具体的には、図７Ａに示すように、後述する長さ１４００ｍｍの試験片（繊維強化樹脂中空体）１０を支持ピッチｋ８００ｍｍにてコの字型受け台６１に設置した。そして、試験片１０の中央部に対し、包囲部材（コの字型治具）１１を介して試験治具６２により、クロスヘッドスピード２０ｍｍ／分にて、破壊するまで載荷した。そして、荷重が載荷された中央部の垂直移動量、すなわちクロスヘッドの垂直移動量、及び荷重値を測定した。そうして、これらの垂直移動量及び荷重値から各試験片の破壊荷重及び曲げ弾性率を算出した。なお、図７Ｂ及び図７Ｃは、図７ＡのそれぞれＢ−Ｂ断面及びＣ−Ｃ断面である。

包囲部材１１はスチール製であり、厚み（ｔ１＝ｔ２＝ｔ３）（図７Ｂ参照）は１０ｍｍ、包囲深さ（ｈ１＝ｈ２）（図７Ｂ参照）は３８．８ｍｍ、軸方向長さ（ｊ）（図７Ａ参照）は１００ｍｍであった。試験片１０と包囲部材１１とのボルト等による連結は行わなかった。

なお、曲げ試験は、同一構成の試験片４本のロットについて試験を行い、各ロットについて破壊荷重及び曲げ弾性率の算出値を得た後、各ロットについて得られた４つの算出値の平均値を、各試験片の破壊荷重及び曲げ弾性率の値とした。

（試験片）
上述の繊維強化樹脂中空体の製造方法に基づいて、実施例及び比較例の中空体の試験片を作製した。図８に、試験片の形状及び寸法を示す。なお、図８中の数値はｍｍ単位である。

また、図９に、実施例及び比較例の試験片に用いた材料を示す。

そして、表１、表２、図１０Ａ〜図１０Ｄ、図１１、図１２に、実施例１〜３及び比較例１の試験片Ｄ−１、Ｄ−２、Ｄ−３及びＤ−４の構成、並びに上記曲げ試験により得られた破壊荷重及び曲げ弾性率の結果を示す。

表２、図１１及び図１２に示すように、破壊荷重及び曲げ弾性率いずれの値においても、重なり部がない比較例１の試験片Ｄ−１に比べて、重なり部を形成した実施例１〜３の試験片Ｄ−２〜Ｄ−４の方が良好な値が得られた。

また、実施例１〜３の試験片Ｄ−２〜Ｄ−４の各値を比較すると、破壊荷重の値に関し、下部のみ重なり部を形成した実施例１の試験片Ｄ−２に対し、全ての端部同士において重なり部を形成した実施例２（Ｄ−３）及び実施例３（Ｄ−４）はさらに良好な結果となっている。そして、最内面の繊維層を１枚ものにした実施例３（Ｄ−４）は、最内面を４隅で重ね合せた実施例２（Ｄ−３）よりも結果が若干良好であった。なお、曲げ弾性率の値については、実施例１（Ｄ−２）及び実施例２（Ｄ−３）ではほとんど変わらず、実施例３（Ｄ−４）では、実施例１，２に比べて若干良好であった。

次に、図２〜図４に示す繊維強化樹脂中空体１０について、表３及び表４に示す構成で試験片を作成し、上記曲げ試験により、表４に示す破壊荷重及び曲げ弾性率の結果を得た。

表３中、複合層Ａは、図９の「ステッチ付スダレマット」１層からなり、マット層が表３中に記載した配置となるように構成されている。また、スダレ層Ａは、図９の「Ｓ２スダレ」１層からなる。そして、ロービング層Ａは、図９における「ロービング」からなる。なお、表４に示すように、実施例４〜６の試験片の材料割合は、表２に示す実施例１〜３及び比較例１の材料割合とは異なる。

実施例４の試験片は、軸方向繊維層の内側および外側の両側に非軸方向繊維層が配置された構成であり、実施例５，６の試験片は、軸方向繊維層の内側又は外側のいずれか一方に非軸方向繊維層が配置された構成である。破壊荷重及び弾性率のいずれの値も、実施例５，６の試験片に比べて、実施例４の試験片の方が良好な値が得られることが判った。

以上述べたように、本開示技術によれば、十分に強度の高い繊維強化樹脂中空体をもたらすことができる。

本開示技術の繊維強化樹脂中空体は、流体輸送分野、建築分野、自動車分野などの様々な分野で使用されている各種部材として有用である。本開示技術の繊維強化樹脂中空体は、特に自動車のインストルメントパネルを直接的または間接的に支持および固定するための部材として有用である。そのような部材として、例えば、自動車分野における、クロスカービーム、センターメンバー、ブレーキペダル後退防止ブラケット、カウルブラケット、ステアリングブラケットアッパーまたはステアリングブラケットロアーなどが挙げられる。

１：軸方向繊維層
２：非軸方向繊維層
３：非軸方向繊維層
４ａ：４ｂ：重なり部
１０：１０ａ：１０ｂ：１０ｃ：繊維強化樹脂中空体
２１ａ：２１ｂ：第１内側非軸方向繊維層
２２ａ：２２ｂ：第２内側非軸方向繊維層
２３ｂ：第３内側非軸方向繊維層
２４ｂ：第４内側非軸方向繊維層
３１ａ：３１ｃ：第１外側非軸方向繊維層
３２ａ：３２ｃ：第２外側非軸方向繊維層
３３ｃ：第３外側非軸方向繊維層
３４ｃ：第４外側非軸方向繊維層

Claims (15)

1. 繊維強化樹脂中空体であって、
   該中空体の軸方向に対して平行に配向する強化繊維と該強化繊維に含浸された硬化性樹脂とを含む軸方向繊維層と、
   該軸方向繊維層の内側または外側の少なくとも一方の側に積層され、該軸方向繊維層とは配向方向が異なる強化繊維と該強化繊維に含浸された硬化性樹脂とを含む非軸方向繊維層と、
   前記中空体の最内表面に配置され、該軸方向繊維層とは配向方向が異なる強化繊維と該強化繊維に含浸された硬化性樹脂とを含む非軸方向繊維層と、を有し、
   前記中空体の軸方向に垂直な断面形状は、矩形形状であり、
   前記軸方向繊維層の内側または外側の少なくとも一方の側に積層された前記非軸方向繊維層が該中空体の周方向において端部同士で重なり合っており、
   前記軸方向繊維層の内側または外側の少なくとも一方の側に積層された前記非軸方向繊維層における重なり部は、前記矩形形状の角部近傍に配置されており、
   前記角部近傍は、前記中空体の軸方向に垂直な断面において角部の頂部と前記重なり部との距離が５ｍｍ以内をいうものであり、
   前記中空体の最内表面に配置された前記非軸方向繊維層は、該中空体の周方向において分割されることなく、当該非軸方向繊維層自体の端部同士で互いに重なり合っており、
   前記中空体の最内表面に配置された前記非軸方向繊維層における重なり部は、前記矩形形状の隣り合う前記角部の頂部間の辺部における前記角部近傍を除く部分に配置されている、繊維強化樹脂中空体。
2. 前記非軸方向繊維層が、前記繊維強化樹脂中空体の周方向に対して平行に配向する強化繊維を含む周方向繊維層、特定の方向に配向しない強化繊維を含む無配向繊維層、織組織を構成する強化繊維を含む織物繊維層、組み物組織を構成する強化繊維を含む組み物繊維層、および編物組織を構成する強化繊維を含む編物繊維層からなる群から選択される１種以上の繊維層を含む、請求項１に記載の繊維強化樹脂中空体。
3. 前記軸方向繊維層の内側または外側の少なくとも一方の側に積層された前記非軸方向繊維層が前記軸方向繊維層の内側および外側の両側に積層されている、請求項１または２に記載の繊維強化樹脂中空体。
4. 前記軸方向繊維層の内側または外側の少なくとも一方の側に積層された前記非軸方向繊維層が周方向において２以上の層に分割されており、該２以上の層のうち隣接する層が周方向において端部同士で重なり合っている、請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化樹脂中空体。
5. 前記軸方向繊維層の全強化繊維と前記非軸方向繊維層の全強化繊維との質量比率が１００：２０〜１００：２００である、請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化樹脂中空体。
6. 前記非軸方向繊維層が１以上の周方向繊維層および１以上の無配向繊維層を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の繊維強化樹脂中空体。
7. 前記無配向繊維層が前記繊維強化樹脂中空体の少なくとも最表面に配置されている、請求項６に記載の繊維強化樹脂中空体。
8. 前記最表面の無配向繊維層が前記周方向繊維層と隣接して配置されている、請求項７に記載の繊維強化樹脂中空体。
9. 前記軸方向繊維層の全強化繊維と前記周方向繊維層の全強化繊維との質量比率が１００：１〜１００：１００であり、
   前記軸方向繊維層の全強化繊維と前記無配向繊維層の全強化繊維との質量比率が１００：１０〜１００：１００である、請求項６〜８のいずれかに記載の繊維強化樹脂中空体。
10. 前記繊維強化樹脂中空体が１〜２０ｍｍの厚みを有する、請求項１〜９のいずれかに記載の繊維強化樹脂中空体。
11. 前記繊維強化樹脂中空体が１２５〜３００ｍｍの外周長を有する、請求項１〜１０のいずれかに記載の繊維強化樹脂中空体。
12. 前記繊維強化樹脂中空体が自動車のインストルメントパネルを直接的または間接的に支持および固定するための部材である、請求項１〜１１のいずれかに記載の繊維強化樹脂中空体。
13. 前記部材がクロスカービームである、請求項１２に記載の繊維強化樹脂中空体。
14. 曲げ試験により得られた破壊荷重の値は８０００Ｎ以上３００００Ｎ以下である、請求項１〜１３のいずれかに記載の繊維強化樹脂中空体。
15. 請求項１〜１４のいずれかに記載の繊維強化樹脂中空体を引抜成形法により製造することを特徴とする、繊維強化樹脂中空体の製造方法。