JP6920671B2

JP6920671B2 - 樹脂管

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Publication number: JP6920671B2
Application number: JP2020115264A
Authority: JP
Inventors: 彰馬西野; 森本　隆志; 隆志森本; 英生峯; 一行原田; 雅史田中; 毅切通
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-02-01
Filing date: 2020-07-03
Publication date: 2021-08-18
Anticipated expiration: 2036-02-01
Also published as: JP2020168863A

Description

本発明は、熱可塑性多層繊維強化プラスチック等の樹脂からなる樹脂管およびその製造方法に関するものである。

従来のプラスチック管の製造方法としては、例えば射出成形或いは押し出し成形等で、目標の径及び長さに成形する方法が一般的である。しかしながら、これらの方法によって成形できる繊維強化樹脂は、不連続繊維（繊維長が短い）を用いた繊維強化樹脂であるため、強度が低いプラスチック管となっていた。

近年、より軽量且つ高強度なプラスチック管を得るために連続繊維を用いたプラスチック管の製造方法が開発されている。一般的に知られている方法としてはフィラメントワインディング法によるものがある。図１６はフィラメントワインディング法による製造方法を示す図である。

図１６において、樹脂槽５０にて樹脂を含浸した繊維基材５１が回転しているマンドレル５３にデリバリー５２を通して複数回巻きつけられ、所定の回数巻きつけた後、硬化されることによって目標の肉厚の管形状を得ている。しかしながら、上記の方法では設備投資が高いことや目標の厚みを得るために複数回巻きつけることが必要であり、生産性が低くコストが高いという課題があった。

上記の課題に対し、特許文献１に示すような方法が開発されている。図１７は特許文献１に記載されたシートワインディング法を示す図である。
図１７において、熱可塑性プリプレグ４１をローリングプレートを構成する上板１１と下板１２との間に配置された誘導体３２によってマンドレル３１に巻きつけて管を成形する。この方法において、プリプレグ４１を加熱手段２３を備える下板１２側で誘導体３２上に配して加熱・軟化させ、下板１２を移動させることによってマンドレル３１に巻きつけるとともに、約半周巻きつけたところで上板１１側の冷却手段１９によって強制冷却し、さらに半周回転したところで再び下板１２側の加熱手段２３によって加熱することによって溶着させ、所定の回数のワインディングを行った後に下板１２に設けられている第２の冷却手段３０によって最終的な冷却を行うようにしている。

特開平８−７２１５７号公報

しかしながら、前記従来の構成では、プリプレグ４１を最終形状（肉厚）まで複数回巻きつけることが必要であり、且つ、加熱による溶着と冷却による固化を繰り返す必要がある。また、成形時の加熱溶融温度はマトリックス樹脂が溶融し且つ強化繊維が溶融しない温度域で設定する必要があり、加熱と冷却を約半周ずつ繰り返しながら巻きつけるため、温度条件設定が困難であり生産性が低くコストが高い。さらに、管状構造体だけでは商品とならない場合が多く、管の両端や中央部等に後加工で機能形状（他の管との接合部等）を付与する必要があるが、容易にプラスチック管に機能形状を付与できないという課題を有している。

本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、樹脂管を容易に、生産性高く生産しながら、軽量化・高強度化することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の樹脂管の製造方法は、樹脂シートの端部間に隙間が形成されるように前記樹脂シートを管状に成形して管状構造体を形成する工程と、少なくとも前記隙間を含めて樹脂封止する工程とを有することを特徴とする。

また、本発明の樹脂管は、１または複数の樹脂シートからなり全ての前記樹脂シートが隙間を隔てて配置される管状の管状構造体と、少なくとも前記隙間を含めて前記管状構造体を樹脂封止する接合樹脂とを有することを特徴とする。

以上のように、樹脂シートを隙間を持たせて管状に成形し、少なくとも隙間部分に樹脂を封止して樹脂管を製造することにより、容易に、生産性高く、樹脂管を軽量化・高強度化することができる。

実施の形態１におけるプラスチック管の製造方法を工程ごとに例示し製造装置の構成例の主要部を概略的に示す図実施の形態１におけるプラスチック管の製造方法を工程ごとに例示し製造装置の構成例の主要部を概略的に示す図実施の形態１におけるプラスチック管の製造方法を工程ごとに例示し製造装置の構成例の主要部を概略的に示す図実施の形態１におけるプラスチック管の製造方法を工程ごとに例示し製造装置の構成例の主要部を概略的に示す図実施の形態２における熱可塑性多層繊維強化プラスチック管の軸方向断面を例示する図実施の形態２の熱可塑性多層繊維強化プラスチック管の製造装置における金型の構成例を示す図実施の形態３における熱可塑性多層繊維強化プラスチックシート半径方向合わせ面形状の例を列挙する図実施の形態４における熱可塑性多層繊維強化プラスチック管半径方向断面形状の例を列挙する図実施の形態５における熱可塑性多層繊維強化プラスチックシート軸方向合わせ面形状の例を列挙する図実施の形態６における熱可塑性多層繊維強化プラスチック管の軸方向両端機能形状断面の例を列挙する図実施の形態７における熱可塑性多層繊維強化プラスチック管の半径方向管断面形状の例を列挙する図実施の形態７における軸方向にテーパが施された管を製造する方法例を工程ごとに示す図実施の形態８における熱可塑性多層繊維強化プラスチック管を複数のシートで製造する例を工程ごとに示す図樹脂シートの隙間の有無による接合状態の違いを説明する図ポリオレフィン系熱可塑性多層繊維強化プラスチックシートの構成例を示す図一般的なフィラメントワインディング法を示す図特許文献１に記載されたシートワインディング法を示す図

本発明の熱可塑性多層繊維強化プラスチック等の樹脂からなる樹脂管の製造方法は、まず、材料となる樹脂ブランク等の樹脂シートが管状に成形される。このとき、樹脂シートの２つの端部は隙間を隔てて向かい合うように成形される。そして、隙間および必要に応じて隙間の周囲の管上に接合用の樹脂が供給され、樹脂が硬化されることにより、樹脂管を固定する。

以下本発明の実施の形態について、樹脂シートとして熱可塑性多層繊維強化シートを用いる場合を例に図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
まず、本発明において、成形された管状の樹脂シートに隙間が設けられる理由を説明する。図１４は樹脂シートの隙間の有無による接合状態の違いを説明する図であり、隙間を設けずに管状にされた樹脂シートと隙間を設けて管状に形成された樹脂シートとの樹脂接合構成を比較して説明する図である。９０１（図１４の（熱溶着））及び９０２（図１４の（射出接合））に示す構成では熱可塑性多層繊維強化シート（以下、シートと記載）の隙間を０ｍｍでセッティング設定（端面同士の接触）した接合を試みた。ここで、構成９０１は、つき合わせたシート端部を熱溶着による接合した場合、構成９０２はつき合わせたシート端部を射出接合による接合した場合を示し、いずれもシートの端部に隙間が形成されていない。結果として、構成９０１及び９０２のいずれにおいても、シート切断精度及びシートの熱膨張が原因で隙間０ｍｍでの接合は困難であった。また、構成９０１の熱溶着による接合ではシート内の繊維の溶融と崩れを抑制するために無押圧で接合する必要があり、そのために接合強度が不足する。構成９０２は接合断面の厚みＡによって接合強度を確保する構成であるため、Ａの厚みが５ｍｍ以下の場合強度不足となる。上記の経過を経て、本発明はシート合わせ面１１０間に隙間１１６を設け、且つ、シート合わせ面１１０と管半径方向外周面１１１の２面で接合する構成４０１とし（図１４の（本発明）、シート合わせ面１１０間の隙間１１６を含む金型内の半径方向接合用空間（後出の接合用空間１０９）に接合樹脂を射出することでシート合わせ面１１０とシート半径方向外周面１１１の２面とを接合樹脂と接合させる接合断面を持つことを特徴とする構成とした。

また、熱溶着接合した構成９０１の管と比較した結果、前述の合わせ面１１０に隙間１１６を設け、且つ、隙間１１６と管の周面とで樹脂接合した管は、シートの接合面に投入される熱量が著しく低下するため、合わせ面１１０での熱収縮が抑制されシートのソリが低減し、真円度の高い管を得られた。

なお、熱可塑性多層繊維強化プラスチックシートとして、ポリオレフィン系シートを用いた。図１５は熱可塑性多層繊維強化プラスチックシートを示す図である。シートは、コア層１を中心に上下に接着層２、強化繊維によるファブリック層である織物層３、マトリックス樹脂シートである表皮層４を所定の厚みまで積層された構造となっており、総厚みが１．２ｍｍのシートを７９ｍｍ×３０６ｍｍのサイズにカットしたブランク（後出のブランク１０２）を用いた。これを外径φ２７ｍｍの円筒形状の芯棒に巻きつけることで、
シート合わせ面の隙間は約５．８ｍｍとなる。また、例えば、金型内の接合用空間は外周側に２．０ｍｍを設けることができる。

この隙間及び接合用空間の設定に関して、シートの合わせ面には０．３ｍｍ以上、且つ周長の３０％以下の隙間を設け、金型側にはこのシートの隙間を中心として半径方向にシートの内縁或いは外縁から０．３ｍｍ以上５ｍｍ以下、円周方向には隙間を中心にシートの端面から片側１．５ｍｍ以上、且つ２０ｍｍ以内の空間、また、管形状の軸方向両端にもシートの軸方向端面から２ｍｍ以上の空間を設けることで、接合強度の高いプラスチック管を得られる。

接合用樹脂として、上記図１５に示すポリオレフィン系シートと同一のポリオレフィン系樹脂を用いることができる。シート及び接合用樹脂を同一にすることで、シート表面では一部溶融接合とアンカー効果による接合が生じ、より強固な接合強度を得られる。

図１〜図４は、本発明の実施の形態１における熱可塑性多層繊維強化プラスチック管の製造工程を示す図である。図１において、まず、熱可塑性多層繊維プラスチックシート１０１を所定の大きさに切出してブランク１０２とする（図１の工程ａ）。次に、上下板に加熱手段を有するプリヒート治具１０３がブランク１０２を６０℃で３０ｓｅｃ間挟み込み保持し予備加熱を行なう（図１の工程ｂ）。次に、予備加熱されたブランク１０２が、キャビティ１０６とスライドコア１０５と円筒形状の芯棒１０８とコア１０７によって構成される金型内に配置され、射出成形機の型閉じによりコア１０７に取り付けられたスライドコア１０５が可動しながらキャビティ１０６へと接近し、ブランク１０２が芯棒１０８に巻きつけられながら半径方向接合用空間１０９を有した状態で、且つ、シート合わせ面１１０間に隙間を有した状態で管状ブランク１０４が形成され、型閉じが完了する（図２の工程ｃ）。その後、キャビティ１０６及びスライドコア１０５に設けられたスプルー１１３を通って半径方向接合用空間１０９へ溶融した接合樹脂が射出され、管状ブランク１０４を接合及び一体化成形する（図３の工程ｄ）。冷却後にコア１０７を型開きすることでスライドコア１０５を解放するとともにランナー１１４を除去し、円筒形状の芯棒１０８を引き抜くことで合わせ面１１０に接合用空間を有する状態で管状に形成したプラスチックシートと接合用空間に接合樹脂１１７を成形して構成した管状に一体化成形された熱可塑性多層繊維強化プラスチック管１１５を取出す（図４の工程ｅ）。

かかる構成によれば、熱可塑性多層繊維強化プラスチックシートにより管を製造することにより、日本ポリプロ株式会社製のポリプロピレン（ＢＣ０３Ｂ）を射出成形で製造した管よりも同厚みにおいて、１．２倍の曲げ強度（ＪＩＳＫ６９１１−１９７９）を得た。また、シート合わせ面１１０間に隙間１１６を設けることにより、接合用空間へ接合樹脂を射出した際の熱膨張を無視できるため、正確な位置あわせが不要となり、容易に管状ブランク１０４の取付け精度及び成形条件に柔軟性が生まれ、高精度に軽量化・高強度化された樹脂管の生産性・歩留まりが向上する。

なお、本実施の形態において、予備加熱としてプリヒート治具１０３を設けたが、管状ブランク１０４が容易に変形可能な場合はプリヒート治具１０３が無くても良い。また、本実施の形態において、成形機の型閉じによりスライドコア１０５が可動し、円筒形状の芯棒１０８にブランク１０２が巻きつけられることで管形状を得た後に、接合用樹脂で接合したが、プリヒート治具１０３にてブランク１０２を予備加熱した後、別治具にてブランク１０２を予備曲げしたものを金型に取り付け、接合用樹脂で接合しても良い。また、半径方向接合用空間１０９は管状ブランク１０４の内周面１１２側に設けても良い。また、本実施の形態では強化繊維及びマトリックス樹脂シートともにポリオレフィン系を用いたが、連続繊維でファブリック層を構成可能な強化繊維及びシート状にして積層可能な樹脂等であれば素材の材質・種類は特に限定されない。また、本実施の形態ではポリオレフ
ィン系の強化繊維およびマトリックス樹脂シートで構成されたポリオレフィン系シートと同一のポリオレフィン系接合用樹脂を用いたが、その組合せは特に限定されず、異種系統の強化繊維及びシート同士を接合して管を製造しても良い。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２の熱可塑性多層繊維強化プラスチック管の軸方向断面形状を例示する図、図６は実施の形態２の熱可塑性多層繊維強化プラスチック管の製造装置における金型の構成例を示す図である。図５，図６において、図１〜図４と同じ構成要素については同じ符号を用い、説明を省略する。

実施の形態２で製造された樹脂管は、実施の形態１に示した熱可塑性多層繊維強化プラスチック管の両端部に任意の形状が付与された構成である。任意の形状は、たとえば一定の機能を有する機能形状であり、図６に示すような、半径方向接合用空間１０９と連続して、機能形状を樹脂成型するための軸方向接合用空間２０６が設けられた金型を用いて、接合樹脂と一体的に形成される。

図５，図６において、管状に一体化成形された熱可塑性多層繊維強化プラスチック管２１５の軸方向断面形状は、熱可塑性多層繊維強化プラスチック管２１５本体を構成する管状構造体２０１と付与された機能形状２０２によって構成されている。管状構造体２０１の端部に付与された機能形状２０２は、管状構造体２０１の軸方向端面２０３及び外周面２０４の２面に形成される。この際、金型の機能形状２０２の軸方向に対応する位置に設けられた軸方向接合用空間２０６の幅は２０．０ｍｍとし、半径方向の厚みは実施の形態１で設定した半径方向接合用空間１０９の厚み２．０ｍｍと一致させた。

かかる構成によれば、実施の形態１同様、管状ブランク端面及び内周或いは外周のいずれか最低２面を熱可塑性樹脂によって接合することで、管の強度を向上させることができる。また、成形一体化の際に機能形状２０２を同時に付与するため、後工程で別途機能形状を付与する工程を削減することができ、生産性が向上する。

なお、実施の形態２において、軸方向シート端面２０３の接合では管状構造体２０１の軸方向端面２０３及び軸方向内周面２０５の２面での接合でも良く、或いは３面全て（内周面、外周面、管状ブランク端面）を含んで接合しても良い。

（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３の熱可塑性多層繊維強化プラスチック管の半径方向シート端面形状の例を列挙する図である。

図７において、管状ブランク１０４の端面形状は滑らかなせん断面であるシート合わせ面１１０（例１）でなくてよく、例えば破断面３０１（例２）やテーパ面３０３（例４）であってもよく、形状は限定されない。また、ブランク切断時に故意にクリアランスを大きく設けバリ３０２を生じさせても良い（例３）。

かかる構成によれば、破断面を粗くすることでアンカー効果が発現され、テーパ面、バリを設けることで接合面積が増加し、接合強度が向上した。また、ブランク切出し時のシート端面形状に制限がないため、精密な切出しが不要になり比較的安価な方法でブランクを製作できる。

なお、上記実施の形態３において、軸方向シート端面を粗面にしても同様の効果が得られる。
（実施の形態４）
図８は、本発明の実施の形態４の熱可塑性多層繊維強化プラスチック管の半径方向シート接合断面形状の例を列挙する図である。

図８において、熱可塑性多層繊維強化プラスチック管の半径方向接合断面形状は、管状ブランク１０４の端面２０３と管状ブランク１０４の外周面２０４を接合した断面形状の構成４０１（例１）、或いは管状ブランク１０４の端面２０３と内周面２０５を接合した断面形状の構成４０２（例２）、または３面（内周面２０５、外周面２０４、管状ブランク１０４の端面２０３）すべてを含んで接合した断面形状の構成４０３（例３）でもよい。３面全てを含んで接合した断面形状の構成４０３の場合、構成４０４に示すように接合後の合わせ面状態は円周上に並んでいなくてもよい（例４）。

かかる構成によれば、管状ブランク１０４の端面２０３と管状ブランク１０４の内周或いは外周のいずれか最低２面またはそのすべてを含んで接合することで接合強度を確保することができ、また、管状ブランク１０４の端面２０３近傍のみ加熱されるため、繊維崩れなく外観品位、強度を保持した状態で製造が可能である。

（実施の形態５）
図９は、本発明の実施の形態５の熱可塑性多層繊維強化プラスチック管のシート合わせ面形状の例を列挙する図である。

図９において、熱可塑性多層繊維強化プラスチック管のシート合わせ面形状は直線５０１（例１）でなくてもよく、波形状５０２（例２）やアンダーカット形状５０３（例３）、或いは端面から所定の距離に穴をあけた穴あき形状５０４（例４）でもよい。また、所定の距離に穴をあけた穴あき形状５０４において穴は、ストレート穴５０５（例５）でなくてもよくテーパ穴５０６（例６）でもよい。

かかる構成によれば、シート合わせ面形状が直線５０１である場合よりも、波形状５０２やアンダーカット形状５０３等の方がシートの合わせ面の面積を増加し、熱可塑性多層繊維強化プラスチック管の接合強度を増加させることができる。また、アンダーカット形状５０３を設けることでさらに接合強度を向上させることができる。

なお、実施の形態５におけるシート合わせ面の形状は、軸方向シートの一方において形成してもよいが、軸方向シート両端において同様の構成にすることにより、より接合強度を向上させることができる。

（実施の形態６）
図１０は、本発明の実施の形態６の熱可塑性多層繊維強化プラスチック管の軸方向両端機能形状の例を列挙する図である。

図１０において、熱可塑性多層繊維強化プラスチック管２１５の軸方向の一端あるいは両端に形成される機能形状２０２は自由であり例えば、図５で示した熱可塑性多層繊維強化プラスチック管２１５の形状（例１）や、ツギテ形状のオス形状６０１・メス形状６０２（例２）、管の一端を塞いだ形状６０５（例３）、また、Ｌ字形状６０６（例４）やＴ字形状６０７（例５）等の機能形状を付加することができる。さらに、両端に限らず管の中央や或いは任意の位置に上記の機能形状６０８を付与しても良い（例６）。

かかる構成によれば、製造された管の使用形態に応じた機能形状を自由に、且つ、成形一体化と同時に付与することができるため、後工程での追加工が不要となり、また、様々な製品使用にフレキシブルに対応できる。

なお、ツギテ形状を構成するオス形状６０１・メス形状６０２においてストレートな嵌め合いに限らず、ネジ形状等にしてもよい。
（実施の形態７）
図１１は本発明の実施の形態７の熱可塑性多層繊維強化プラスチック管の断面形状の例を列挙する図、図１２は実施の形態７における軸方向にテーパが施された管を製造する方法例を工程ごとに示す図である。

図１１において、管断面形状は円形状の構成４０１（例１）に限らず、角形状７０１（例２）や楕円状７０２（例３）でもよく、管状に巻きつけられる形状であれば特に制限されない。また、図１２に示すように、ブランクを切出す際に台形ブランク７０３とし、テーパを設けた芯棒７０４に巻きつけた状態で台形ブランク７０３を接合することで、軸方向にテーパが施された管７０５を製造できる。
かかる構成によれば、円筒以外の管形状も製造可能であり、様々な製品使用にフレキシブルに対応できる。
（実施の形態８）
図１３は、本発明の実施の形態８の熱可塑性多層繊維強化プラスチック管の製造方法例を工程ごとに示す図である。

図１３において、熱可塑性多層繊維強化シートであるブランク８０２は１枚で構成されていなくてもよく、２枚のブランク８０２を熱可塑性樹脂８０３により接合し管形状８０１としてもよい。本構成により２枚のシートから熱可塑性多層繊維強化プラスチック管を製造する場合においても、前述した実施の形態１〜７の構成を用いることにより、同様の効果が得られる。

かかる構成によれば、複数のシート合わせ目で接合する際に管の半径方向断面に対して点或いは線対称の位置に合わせ面を設けることで、より真円度が向上する。さらに、ソリの抑制にも効果が得られる。

また、シートは２枚以上でもよく管形状を構成できる範囲であれば、枚数は特に制限されない。
なお、実施の形態１，２，３，４，５，６，７，８は同時に複数を組み合わせることができる。

本発明は、容易に、生産性高く生産できると共に、軽量化・高強度化することができ、熱可塑性多層繊維強化プラスチック等からなる樹脂管およびその製造方法等に有用である。

１０１多層繊維強化プラスチックシート
１０２ブランク
１０３プリヒート治具
１０４管状ブランク
１０５スライドコア
１０６キャビティ
１０７コア
１０８円筒形状の芯棒
１０９半径方向接合用空間
１１０シート合わせ面
１１１シート半径方向外周面
１１２熱可塑性多層繊維強化プラスチックシート半径方向内周面
１１３スプルー
１１４ランナー
１１５熱可塑性多層繊維強化プラスチック管
１１６隙間
１１７接合樹脂
２０１管状構造体

Claims

１または複数の樹脂シートからなり全ての前記樹脂シートが隙間を隔てて配置される管状の管状構造体と、
少なくとも前記隙間を含めて前記管状構造体を樹脂封止する接合樹脂と
を有し、
前記隙間は、前記樹脂シートの、端部同士、および端部と他の部分とが、厚み方向に重ならず、かつ前記樹脂シートの端部同士が前記隙間を介して周方向に対向し、前記隙間が厚み方向に貫通するとともに前記隙間が長手方向に延びる状態で設けられ、
前記接合樹脂が前記管状構造体の内周面および外周面の少なくとも一方の前記隙間に隣接する領域にも樹脂封止され、
前記隙間の端部を形成する前記樹脂シートの端面は、波形状、アンダーカット形状、または前記端面から任意の距離に穴が開けられた形状であることを特徴とする樹脂管。
１または複数の樹脂シートからなり全ての前記樹脂シートが隙間を隔てて配置される管状の管状構造体と、
少なくとも前記隙間を含めて前記管状構造体を樹脂封止する接合樹脂と
を有し、
前記隙間は、前記樹脂シートの、端部同士、および端部と他の部分とが、厚み方向に重ならず、かつ前記樹脂シートの端部同士が前記隙間を介して周方向に対向し、前記隙間が厚み方向に貫通するとともに前記隙間が長手方向に延びる状態で設けられ、
前記接合樹脂が前記管状構造体の内周面および外周面の少なくとも一方の前記隙間に隣接する領域にも樹脂封止され、
前記隙間の端部を形成する前記樹脂シートの端面は、バリを有する破断面であることを特徴とする樹脂管。