JP7134836B2 - 熱収縮チューブ付き複合強化棒及びその製造方法 - Google Patents
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Description
特許文献1をはじめとする従来の棒状体は、二次加工により曲げ加工しようとすると支障をきたすケースがある。炭素繊維糸には直径数ミクロンのフィラメントが用いられており、曲げ加工を行おうとすると、不具合を招く。前記棒状体中の炭素繊維は極度に伸び難い特性から、曲げ外側の炭素繊維長で曲げ半径が決まる。その内側に在る炭素繊維糸は、特許文献1のごとくねじっていても、曲げに伴う余剰長さ分が変形して棒状体7の形状を保てなくなる。
例えば、図6のように紙面垂直方向に走る支柱6に、所定温度にした棒状体7の曲げ加工部位74を当てて、その両側に下方向の外力を加えて曲げようとすると、図7のように変形してしまう場合がある。図7(イ)で、支柱6に近い最下側繊維糸814は、曲げに伴う糸長の余剰分がシワになって、支柱6から遠のく最上側繊維糸811の方へ近づく。さらには、曲げ加工部位74では、マトリックス樹脂9の下面側が上面側に近づいて扁平化し、芯材8はその上部の繊維糸81から下部の繊維糸81が剥離し、シワが発生する。図7(ロ)のごとく、曲げ半径を決める最上繊維糸811が中心ライン上に位置して、両外側に中心軸寄り繊維糸812、下側寄り繊維糸813、最下側繊維糸814と、最上繊維糸よりも下方の各炭素繊維糸が水平横方向に広がって、バラけてしまう外観不良を招く。棒状体を曲げた時の外周と内周との間に距離差が生じ、曲げ加工を行う軟化状態にあるマトリックス樹脂9中で、炭素繊維が剥離し、さらに行き場のなくなった炭素繊維があばれて変形を引き起こす。シワが発生し大きく変形してしまうと、外観品質の問題にとどまらず、構造体としての剛性を保つことができず、二次加工の恩恵を受けることができなくなる。
請求項5に記載の発明の要旨は、棒方向に強化繊維の各構成繊維糸を糸長方向に揃えて棒状に束ねた芯材を、熱可塑性樹脂又は現場重合型熱可塑エポキシ樹脂の溶融マトリックス樹脂に含浸させた後、硬化一体化させた複合強化棒を作製し、続いて、該複合強化棒を、その棒径よりも筒内径が大の筒状体にして且つ該複合強化棒よりも短尺の熱収縮チューブに挿通して、加熱により長さ方向よりも径方向に大きく収縮する該熱収縮チューブを前記複合強化棒の曲げ加工部位に配設するようにしたことを特徴とする熱収縮チューブ付き複合強化棒の製造方法にある。請求項6の発明たる熱収縮チューブ付き複合強化棒の製造方法は、請求項5で、複合強化棒を熱収縮チューブに挿通して、前記複合強化棒の曲げ加工部位に該熱収縮チューブを配設し、その後、熱を加えて、前記マトリックス樹脂の軟化点よりも低い温度で該熱収縮チューブを収縮させ、前記複合強化棒に密着保持させるようにしたことを特徴とする。請求項7の発明たる熱収縮チューブ付き複合強化棒の製造方法は、請求項5又は6で、芯材を炭素繊維のトウで形成し、且つ前記マトリックス樹脂を現場重合型熱可塑エポキシ樹脂としたことを特徴とする。
熱収縮チューブ付き複合強化棒は、複合強化棒1と熱収縮チューブ5とを具備する(図1,図2)。
複合強化棒1は、強化繊維の各構成繊維糸21を糸長方向に揃えて棒状に束ねた芯材2が、熱可塑性樹脂又は現場重合型熱可塑エポキシ樹脂のマトリックス樹脂3に埋設されて一体化している棒状体である。棒状になるよう、強化繊維の各構成繊維糸21が糸長方向に揃えて束ねられた芯材2を、熱可塑性樹脂又は現場重合型熱可塑エポキシ樹脂の液状マトリックス樹脂3Aに含浸、硬化させて、芯材2とマトリックス樹脂3とが一体化している。強化繊維とは、複合強化棒1の機械的強度を高めるためのマトリックス樹脂強化用の繊維をいう。例えば無機繊維としてガラス繊維,炭素繊維等があり、有機繊維としてはアラミド繊維等がある。
詳しくは、可撓性を有する熱収縮チューブ5は、そのチューブ内径51dを複合強化棒1の棒径1Dよりも若干大きめにして、該熱収縮チューブ5が複合強化棒1の曲げ加工部位14に遊嵌される。加温下又は加温した後の曲げ加工時に、曲げ加工部位14に係る複合強化棒1の周面1aを熱収縮チューブ5が包み込んだまま撓み且つ加温に伴う熱収縮により曲げ加工部位14に当接し、曲げ加工で発生する繊維剥離を抑制する。より好ましくは、加熱により前記マトリックス樹脂3の軟化点よりも低い温度で径方向に収縮する熱収縮チューブ5とする。加温により、マトリックス樹脂3の軟化点に達する前に複合強化棒1に係る曲げ加工部位14の周面14aに、熱収縮チューブ5が図2のごとく収縮,密着して、収縮力を伴って強化繊維の繊維剥離を効果的に抑制できるからである。
本実施形態は、複合強化棒1のマトリックス樹脂3として、再加熱してその二次成形開始可能温度が90~150℃ほどの現場重合型熱可塑エポキシ樹脂を用いる一方、熱収縮チューブ5に、株式会社オーム電機の「収縮チューブ 6.0K」、型番DZ-TR60/Kを用いる。熱収縮チューブ5の材質がポリオレフィンで、その収縮開始温度は、上記マトリックス樹脂3の二次成形開始温度よりも低い70℃になっている。
また、複合強化棒1に遊嵌され、その曲げ加工部位14にかぶさって配置された熱収縮チューブ5が、加熱により収縮して複合強化棒1に密着保持されている図2ごとくの、複合強化棒1に熱収縮チューブ5が一体の熱収縮チューブ付き複合強化棒とすることもできる。曲げ加工部位14の部分を加熱して、速やかに曲げ加工作業ができ、作業性を向上させ、使い勝手に優れた所望の熱収縮チューブ付き複合強化棒となる。
符号3aは複合強化棒1の樹脂マトリックス表面、符号5aは熱収縮チューブ5の外面、符号51Dは熱収縮チューブ5の当初外径、符号55Dは熱収縮チューブ5の熱収縮後の外径を示す。
熱収縮チューブ付き複合強化棒の製造方法は、例えば以下のようにして造られる。まず、(1)熱収縮チューブ付き複合強化棒で述べた前記複合強化棒1を、図5のようにして造る。クリールCRから強化繊維の各構成繊維糸21を糸長方向に揃えて棒状に束ねられた芯材2を引き出す。この芯材2に、熱可塑性樹脂又は現場重合型熱可塑エポキシ樹脂の液状マトリックス樹脂3Aを含浸させた後、棒状に硬化一体化させた複合強化棒1を作製する。
芯材2に係る各構成繊維糸21の繊維内部にマトリックス樹脂3を含浸させるべく、該マトリックス樹脂3を溶融温度以上に加熱し、溶融マトリックス樹脂(溶融母材)3Aの状態に保たれた槽4中に、芯材2を通過させる。そうして、芯材2に係る各構成繊維糸21の内部及び芯材2の表層部にマトリックス樹脂3が含浸、着層した後、該マトリックス樹脂3付き芯材2を金型T、後硬化炉Hに通して、強固な成形品の複合強化棒1とする。
続いて、複合強化棒1に挿通させた熱収縮チューブ5をずらしたり位置調整したりして、曲げ加工部位14の棒周面14aに熱収縮チューブ5を被せる(図1のイ)。この段階では、熱収縮チューブ5は複合強化棒1に遊嵌状態にあり、曲げ加工部位14に配設された該熱収縮チューブ5の位置を微調整できる。
次に、こうして得た熱収縮チューブ付き複合強化棒に曲げ加工を施す一加工方法を作用とともに説明する。
熱収縮チューブ5は前述した株式会社オーム電機の「収縮チューブ 6.0K」、型番DZ-TR60/Kを用い、チューブ内径が6mmφのものである。複合強化棒1は炭素繊維フィラメント糸のトウ2Aにして長繊維束の芯材2が、現場重合型熱可塑エポキシ樹脂の溶融樹脂槽4を通過して、長繊維束のフィラメント糸21間に溶融状態にある現場重合型熱可塑エポキシ樹脂が含浸し、硬化一体化している複合強化棒1とする(図5)。この複合強化棒1の棒径は約5mmφである。
ここでは、上記熱収縮チューブ5が上記複合強化棒1に僅かの隙間εを確保して遊嵌され、該複合強化棒1の曲げ加工部位14に熱収縮チューブ5を被せた図1ごとくの熱収縮チューブ付き複合強化棒を用いる。
さらにいえば、図3で複合強化棒1を矢印方向に曲げる際、ねじりながら曲げるとより好ましくなる。曲げ加工部位14における支柱6に近い構成繊維糸21と支柱6から離れた構成繊維糸21との距離を少なくできるからである。
かくして、芯材2の構成繊維糸21を剥離させることなく、曲げ等の二次成形加工が円滑に進み、外観品質や必要強度を確保した曲げ加工が完了する。曲げ加工後は、熱収縮チューブ5は付けたままでもよいが、刃具等で簡単に切れるので、曲げ加工部位14から該熱収縮チューブ5を取り外して外観向上を図ることもできる。
このように構成した熱収縮チューブ付き複合強化棒及びその製造方法によれば、マトリックス樹脂3に熱可塑性樹脂又は現場重合型熱可塑エポキシ樹脂を用いるので、棒状に成形された複合強化棒であっても、再度熱をかけて軟化させることができる。この軟化状態下で、曲げ加工等の二次成形が行えるので、幅広い分野で使用可能な汎用性の高い複合強化棒1になる。そして、棒状の複合強化棒1であると、一定断面の成形品にして成形容易で、且つ剛性が最も高い棒状方向に炭素繊維等の強化繊維の各構成繊維糸21を簡単に配設できるので、安価でしかも強固な複合強化棒1の成形品を得ることができる。
加えて、複合強化棒1の曲げ加工部位14に遊嵌配置された熱収縮チューブ5が、加熱によりマトリックス樹脂3の軟化点よりも低い温度で収縮すると、曲げ加工時には、複合強化棒1の曲げ加工周面14aに熱収縮チューブ5が収縮力を伴って密着するので、前記炭素繊維が曲げ力を受けてバラけて剥離するのを、より効果的に抑え込むことができる。熱収縮チューブ5を曲げ加工部位14に密着保持させることで、複合強化棒だけを用いていた従来法と比較して、表1からも明らかに曲げ加工部位14での外観品質を良好に保ち、さらに曲げ加工部位14での強度不足も解消している。
かくのごとく、本熱収縮チューブ付き複合強化棒及びその製造方法は、上述した種々の優れた効果を発揮し、極めて有益である。
1D 棒径
2 芯材
2A トウ
21 構成繊維糸(フィラメント糸)
3 樹脂マトリックス
5 熱収縮チューブ
51d 熱収縮チューブの当初の内径(当初の筒内径)
Claims (7)
- 強化繊維の各構成繊維糸を糸長方向に揃えて棒状に束ねた芯材が、熱可塑性樹脂又は現場重合型熱可塑エポキシ樹脂のマトリックス樹脂に埋設されて一体化している複合強化棒と、
該複合強化棒よりも短尺の筒状体で、且つその筒内径が前記複合強化棒の棒径よりも大にして、加熱により長さ方向よりも径方向に大きく収縮する熱収縮チューブと、を具備し、
該熱収縮チューブが、前記複合強化棒に遊嵌されて、該複合強化棒の曲げ加工部位に配設されるようにしたことを特徴とする熱収縮チューブ付き複合強化棒。 - 前記複合強化棒に遊嵌されてその曲げ加工部位に配置された前記熱収縮チューブが、加熱により前記マトリックス樹脂の軟化点よりも低い温度で収縮して前記複合強化棒に密着保持されている請求項1記載の熱収縮チューブ付き複合強化棒。
- 前記芯材が炭素繊維のトウで形成された請求項1又は2に記載の熱収縮チューブ付き複合強化棒。
- 前記マトリックス樹脂が現場重合型熱可塑エポキシ樹脂からなる請求項1乃至3のいずれか1項に記載の熱収縮チューブ付き複合強化棒。
- 棒方向に強化繊維の各構成繊維糸を糸長方向に揃えて棒状に束ねた芯材を、熱可塑性樹脂又は現場重合型熱可塑エポキシ樹脂の溶融マトリックス樹脂に含浸させた後、硬化一体化させた複合強化棒を作製し、続いて、該複合強化棒を、その棒径よりも筒内径が大の筒状体にして且つ該複合強化棒よりも短尺の熱収縮チューブに挿通して、加熱により長さ方向よりも径方向に大きく収縮する該熱収縮チューブを前記複合強化棒の曲げ加工部位に配設するようにしたことを特徴とする熱収縮チューブ付き複合強化棒の製造方法。
- 前記複合強化棒を熱収縮チューブに挿通して、前記複合強化棒の曲げ加工部位に該熱収縮チューブを配設し、その後、熱を加えて、前記マトリックス樹脂の軟化点よりも低い温度で該熱収縮チューブを収縮させ、前記複合強化棒に密着保持させるようにした請求項5記載の熱収縮チューブ付き複合強化棒の製造方法。
- 前記芯材を炭素繊維のトウで形成し、且つ前記マトリックス樹脂を現場重合型熱可塑エポキシ樹脂とした請求項5又は6に記載の熱収縮チューブ付き複合強化棒の製造方法。
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