JP7189651B2

JP7189651B2 - 成形体

Info

Publication number: JP7189651B2
Application number: JP2019040047A
Authority: JP
Inventors: 良輔成沢
Original assignee: Fukuvi Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Fukuvi Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 2019-03-05
Filing date: 2019-03-05
Publication date: 2022-12-14
Anticipated expiration: 2039-03-05
Also published as: JP2020144201A

Description

本発明は、成形体の改良、詳しくは、光や電気を流すための線状部材(光ファイバや電線)を他の成形体や測定機器に接続できる状態で内部に備えた成形体、及びその効率的な製造方法に関するものである。

近年、建築分野の構造材料として、内部の歪みを検知するセンサ用の光ファイバを挿入したものが知られているが、光ファイバが内部に挿入された構造材料に関しては、成形後の材料中に挿通孔を設けて光ファイバを挿入する方法を採用すると、挿通孔を設けた部分の強度低下を招き易いだけでなく歪みやひび割れに繋がる危険性がある。

そこで、従来においては、ＦＲＰ等から成る構造材料の成形時に光ファイバを挿入する技術も提案されているが(特許文献１・２参照)、これらの従来技術では、光ファイバの端部にフェルール等の端子部材を後から取り付ける際に、切削加工等によって成形後の構造材料の外縁部に光ファイバの端部を露出させる必要があった。

また上記従来技術において、構造材料の成形時に端子部材を取り付けた光ファイバを挿入する方法も考えられるが、その方法を採用すると構造材料中に埋め込んだ端子部材が構造材料と接合一体化してしまうことで端子部材を露出させることが困難になり、また構造材料の成形時に加熱圧縮を行うと端子部材が破損する虞れもあった。

一方、建築分野の構造材料としては、ＦＲＰ材料だけでなくセメント材料から成るものも一般的に広く知られており、このようなセメント材料から成る構造材料に屋内配線用の電線ケーブルを埋め込んで成形する技術も公知となっているが、電線ケーブルの端部に端子部材の取り付ける作業において上記光ファイバと同様の問題があった。

特許第６１５７１８６号公報特表平９－５１０２９３号公報

本発明は、上記問題に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、光や電気を流すための線状部材を他の成形体や測定機器に接続することができ、更に成形後に切削加工等を行って線状部材の端部を露出させる必要もなく、また成形時に端子部材の破損も生じ難い成形体、及びその効率的な製造方法を提供することにある。

本発明者が上記課題を解決するために採用した手段を添付図面を参照して説明すれば次のとおりである。

即ち、本発明は、合成樹脂材料またはＦＲＰ材料、セメント材料から成る成形体本体１の内部に、光または電気を流すための線状部材２と、この線状部材２を部分的に被覆する所定長さの筒状部材３と、この筒状部材３内において線状部材２に取着された端子部材４またはコネクタ部材とを埋設し、筒状部材の内径を、内側に配置される端子部材の外径よりも大きく、前記筒状部材の内部と前記端子部材の外周面との間には他の物体が介在していない状態となるように成形体を構成した点に特徴がある。

また上記筒状部材３については、成形体本体１の外縁部に端部が開口した状態で配置することで、端子部材４の接続を容易に行うことができる。一方、上記筒状部材３を成形体本体１の内部に全体が隠蔽された状態で配置すれば、成形体本体１を筒状部材３の位置で切断して使用できる。

また上記成形体本体１については、強化繊維材料の繊維間にマトリックス樹脂である熱硬化性樹脂を含浸・熱硬化させて成る繊維強化プラスチックから構成し、積層された異なる強化繊維層11・11の間に、線状部材２、筒状部材３及び端子部材４を挟み込むことで構造材料として好適に使用できる。

また上記線状部材２に光ファイバ、上記端子部材４にフェルールをそれぞれ使用することによって、成形体本体１の損傷モニタリングを行うためのセンサに利用できる。

また上記筒状部材３については、その内径を内側に配置された端子部材４の外径よりも大きくして、筒状部材３内に端子部材４を非接着状態で配置することにより、筒状部材３内で端子部材４同士の連結を行うことができる。

また上記筒状部材３については、その長さを端子部材４の長さよりも大きくして、筒状部材３の一方または両側の端部に中空部を密閉する封止材５を設けることで、成形体本体１の材料が中空部に入り込まないようにすることができる。

また上記筒状部材３については、成形体本体１内部の線状部材２に対して所定間隔で複数設けることによって、筒状部材３が配置された任意の位置で成形体本体１を切断して成形体本体１の長さを調節することができる。

本発明では、成形体内部に光を流すための線状部材を埋め込んでいるため、線状部材として光ファイバを単体で使用すれば、経年劣化や自然災害によって材料内部に歪みやひび割れが生じたとしてもセンサで検知することができる。また線状部材として、通信用の光ファイバケーブルや電力供給用の電線ケーブルを使用することもできる。

しかも、本発明では、線状部材に筒状部材と端子部材を設けて線状部材と一緒に成形体内部に埋め込んでいるため、線状部材を他の線状部材と接続したり、測定機器等に接続したりすることも可能となる。また筒状部材の内側に端子部材を配置することで、成形後の切削加工が不要となり、また成形時の端子部材の損傷も防止できる。

したがって、本発明により、従来よりも機能性に優れた構造材料として使用することができるだけでなく、製造工程の簡略化も図れる成形体を提供できることから、本発明の実用的利用価値は頗る高い。

本発明の第一実施形態の成形体を表す全体斜視図である。本発明の第一実施形態の成形体を表す断面説明図である。本発明の第一実施形態の成形体本体を説明するための説明図である。本発明の第一実施形態の成形体本体に使用する材料を表す説明図である。本発明の第一実施形態の筒状部材及び封止部材を表す拡大斜視図である。本発明の第一実施形態の成形体の製造方法を表す工程説明図である。

『第一実施形態』
本発明の第一実施形態について図１～図５に基づいて説明する。なお図中、符号１で指示するものは、成形体本体であり、符号２で指示するものは、線状部材である。また符号３で指示するものは、筒状部材であり、符号４で指示するものは、端子部材である。

「成形体の構成」
[１]成形体の基本構成について
まず本実施形態の成形体の基本構成について説明する。本実施形態では、図１及び図２に示すようにＦＲＰ材料から成形体本体１を構成すると共に、成形体本体１の内部に光を流すための線状部材２を埋設して構成している。また成形体本体１の内部には、線状部材２を部分的に被覆する所定長さの筒状部材３を配置して、この筒状部材３に線状部材２を挿通し、更に筒状部材３の内部には、線状部材２に取着した状態(固定しても固定しなくてもよい)で端子部材４を配置している。

これにより、上記成形体本体１の内部に線状部材２と一緒に端子部材４を埋設することができるだけでなく、筒状部材３で端子部材４を成形体本体１から隔離して両者を非接触状態とすることができるため、端子部材４を測定機器等に接続できる。また製造時において、成形体本体１が厚さ方向に加熱圧縮された場合でも筒状部材３によって端子部材４を保護できるため、端子部材４の損傷も防止できる。

また上記筒状部材３及び端子部材４については、図１及び図２に示すように成形体本体１の外縁部に端部が開口した状態で配置すれば端子部材４が露出した状態となるため、端子部材４を測定機器等に容易に接続できる。また図１及び図２に示すように、筒状部材３と端子部材４を成形体本体１の内部に全体が隠蔽された状態で配置すれば、成形体本体１を筒状部材３の位置で切断して使用することができる。

[２]成形体本体について
[2-1]成形体本体の材料
次に上記成形体の各構成要素について説明する。まず成形体本体１の材料に関しては、本実施形態では強化繊維材料の繊維間にマトリックス樹脂である熱硬化性樹脂を含浸・熱硬化させて成るＦＲＰ材料を使用している。また本実施形態では、図３及び図４に示すように複数の強化繊維層11・11…を積層一体化して成形体本体１を構成すると共に、異なる強化繊維層11・11の間に、線状部材２、筒状部材３及び端子部材４を挟み込んで成形体を構成している。これにより成形体を構造材料として好適に使用できる。

また本実施形態では、上記ＦＲＰ材料の強化繊維材材料として、連続繊維状の炭素繊維とガラス繊維を併用し、線状部材２の長さ方向と同じ方向に配列した強化繊維に炭素繊維を、また線状部材２の長さ方向と異なる向きに配列された連続繊維状の強化繊維にガラス繊維を使用している。これにより成形体の曲げ剛性を確保しつつコスト低減が図れる。

また本実施形態では、剛直な炭素繊維と樹脂含浸性に優れたガラス繊維を併用しているが、炭素繊維やガラス繊維以外の材料、例えばアラミド繊維などの他の強化繊維材料を使用することもできる。また強化繊維材料として炭素繊維のみまたはガラス繊維のみを単独で使用することもできる。またＦＲＰ材料としては、連続繊維以外の短繊維状の強化繊維材料を用いたＦＲＰ材料や、ＵＤシート片を用いた疑似等方性のＦＲＰ材料を使用することもできる。

[2-2]ＦＲＰ材料のマトリックス樹脂
また本実施形態では、上記ＦＲＰ材料のマトリックス樹脂に、ビニルエステル樹脂を使用しているが、その他の熱硬化性樹脂を使用することもでき、例えばエポキシ樹脂や不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、シアネートエステル樹脂、ポリイミド樹脂などを使用することもできる。またマトリックス樹脂には、ポリオレフィン系樹脂やポリアミド系樹脂などの熱可塑性樹脂を採用することもできる。

[2-3]ＦＲＰ材料の炭素繊維
また上記強化繊維材料に用いる炭素繊維としては、本実施形態では、フィラメント径が3～12μｍ(好ましくは5～7μｍ)の炭素繊維を5000～50000本(好ましくは12000～15000本)束ねて糸状(トウ)にした炭素繊維束を使用しているが、炭素繊維の本数は炭素繊維束の太さに応じて適宜変更することができる。また本実施形態では、ＰＡＮ系の炭素繊維を使用しているが、ピッチ系の炭素繊維を使用することもできる。

また上記炭素繊維としては、引張弾性率が200～1000GPaのものを好適に使用でき、好ましくは引張弾性率が280～1000GPaの中弾性率から超高弾性率タイプのもの、更に好ましくは引張弾性率が350～1000GPaの高弾性率から超高弾性率タイプのものを使用することができる。また異なる引張弾性率の炭素繊維を組み合わせて使用することもできる。

[2-4]強化繊維層における連続繊維の配向・配置
また上記強化繊維層11・11…の連続繊維の配向に関しては、本実施形態では、図４に示すように一方向の連続繊維を線状部材２の長さ方向と同じ方向(0°方向)に配列して0°繊維層を形成すると共に、この0°繊維層と直交する方向(90°方向)、及びそれらの中間の二方向(45°方向、-45°方向)にそれぞれ連続繊維を配列して、90°繊維層、45°繊維層および-45°繊維層を形成している。これにより曲げ方向による強度のバラツキを抑えられる。

また上記各方向の繊維層の配置については、本実施形態では、外側(線状部材２から遠い側)に0°繊維層、その内側(線状部材２から近い側)に45°繊維層、その内側に90°繊維層、その内側に-45°繊維層を配置している。これにより0°方向の連続繊維を成形体の表面側に配置することができるため、成形時における金型内での擦れによる強化繊維材料の毛羽立ちを最小限に抑えられる。なお繊維層の配置については、本実施形態の配置に限定されず適宜変更できる。

[2-5]繊維強化層に使用するシート材料
また本実施形態では、上記強化繊維層11・11…の材料として、図４に示すように0°繊維層、45°繊維層、90°繊維層および-45°繊維層から成る４層の積層シートをステッチ糸Ｓで縫着して一体化したものを使用しているが、連続繊維の繊維束を４方向に織って製織した４軸織物を使用することもできる。なおステッチ糸の素材に関しては、本実施形態ではポリエステル素材の糸を使用しているが、ポリアミド樹脂を被覆したガラス繊維等、他の素材から成る糸を使用することもできる。

[2-6]強化繊維材料の繊維体積含有率
また上記強化繊維材料の繊維体積含有率(Vf)については、繊維体積含有率が45％よりも小さいと連続繊維が均一に分散せず、成形体本体１の強度にバラツキが生じ易く、また金型に硬化したマトリックス樹脂が付着する等の成形不良も起こり易くなる。た繊維体積含有率が70％よりも大きいと、マトリックス樹脂の割合が少なくなって樹脂が繊維間に充分に含浸しないため成形体自体を製造することが難しくなる。そのため、強化繊維材料の繊維体積含有率は45％～70％(好ましくは50％～70％)となるようにするのが好ましい。

[３]成形体本体の材料の変更例
[3-1]合成樹脂材料
本実施形態では、成形体本体１の材料としてＦＲＰ材料をしているが、強化繊維材料を含まない合成樹脂材料(エラストマー材料を含む)を単体で使用することもできる。また合成樹脂材料としては、引抜成形やVaRTM成形が可能な熱硬化性樹脂（例えば、ビニルエステル樹脂やエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、シアネートエステル樹脂、ポリイミド樹脂など）だけでなく、押出成形が可能な熱可塑性樹脂（例えば、ポリオレフィン系樹脂やポリアミド系樹脂など）を採用することもできる。

[3-2]セメント材料
また上記成形体本体１の材料としては、構造材料として一般的に使用されるセメント材料を採用することもできる。その場合、セメント材料を所定形状に押出成形して成形体本体１を製造する際に、押出成形機に線状部材２、筒状部材３、及び端子部材４を挿入することで、これらを成形体本体１の内部に埋め込んだ状態で一体に成形できる。

[４]線状部材について
[4-1]光ファイバ
また上記線状部材２に関しては、本実施形態では光ファイバを使用することで、成形体本体１の内部亀裂等をチェックするための損傷モニタリングに利用できる。また光ファイバに関しては、本実施形態ではコアとクラッドから成る石英ファイバを使用しているが、プラスチック製光ファイバを使用することもできる。また光ファイバの本数については、成形体本体１の大きさや形状、用途に応じて複数本挿入することもできる。

[4-2]線状部材の変更例
また上記線状部材２に関しては、損傷モニタリング用の光ファイバだけでなく、データ通信用の光ファイバケーブルを使用することもでき、また用途に応じて電気を流すための電線(金属線)を使用することもできる。電線の具体例としては、建築構造物内に電力を供給するための配線ケーブルや建築構造物内でデータ通信を行うためのＬＡＮケーブルなどが挙げられる。

[５]筒状部材について
[5-1]筒状部材の材料
また上記筒状部材３の材料に関しては、本実施形態では硬質樹脂から成るパイプを使用しているが、軟質樹脂製あるいはエラストマー製のチューブを使用することもでき、また金属製のパイプやセラミック製のパイプを使用することもできる。なお筒状部材３の材料として熱可塑性樹脂や熱可塑性エラストマーを使用する場合には、溶融温度が成形体本体１の成形温度以上のものを使用することが望ましい。

[5-2]筒状部材の形状
また上記筒状部材３の形状に関しては、本実施形態では図５に示すように円筒型のものを使用しているが、断面形状が多角形や楕円形のものを使用することもできる。また筒状部材３の内径については、その内側に配置される端子部材４の外径よりも大きくして、筒状部材３内に端子部材４を非接着状態で配置することで、筒状部材３の内部で端子部材同士を連結することができる。また筒状部材３の長さについては、端部に封止材を付設できるように端子部材４の長さよりも大きくしている。

[5-3]筒状部材の配置
また本実施形態では、図１及び図２に示すように成形体本体１内部に全体が隠蔽される筒状部材３を一つだけ配置しているが、線状部材２に対して全体が隠蔽される筒状部材３を所定間隔で複数設ければ、任意の筒状部材３の位置で成形体本体１を切断して成形体の長さを調節することができる。

[６]端子部材について
[6-1]フェルール及び変更例
また上記端子部材４に関しては、本実施形態ではジルコニア製のフェルールを使用している。また本実施形態では、筒状部材３の中空部においてフェルールの外側に形成された隙間にスリーブを挿入して、このスリーブを介して筒状部材内のフェルールと他のフェルールを接続できるようにしている。これにより他の成形体や測定機器等に線状部材２を接続することが可能となる。また上記端子部材４に関しては、光ファイバケーブル用または電線用の種々の接続端子(コネクタ)を使用できる。

[７]筒状部材の封止材について
また本実施形態では、図２及び図５に示すように成形体本体１内に全体が隠蔽される筒状部材３の両端部、および成形体本体１の外縁部に一端部が開口した状態で配置される筒状部材３の他端部に封止材５を設けている。これにより成形体本体１の成形時にマトリックス樹脂が筒状部材３の中空部内に入り込むことを防止できる。なおこの効果は、成形体本体１の材料に合成樹脂材料やセメント材料を使用する場合も同様である。

また本実施形態では、上記封止材５としてマトリックス樹脂と同じ熱硬化性樹脂を使用しているが、マトリックス樹脂と異なる熱硬化性樹脂や溶融温度の高い熱可塑性樹脂、その他、ゴム系のシーリング材などを使用することもできる。またこの封止材によって筒状部材３を線状部材２に固定することもできる。

「成形体の製造方法」
[１]熱硬化性樹脂の含浸工程
次に上記成形体の製造方法について図６に基いて簡単に説明する。第一のステップとして、強化繊維材料である連続繊維を直交する２方向、及びそれらの中間の２方向に配列したシート群Ｆ・Ｆを複数セット用意し、これらのシート群Ｆ・Ｆを引取り機Ｈで引き取りながら液状の熱硬化性樹脂Ｒ中に浸漬する。なお図３においては、連続繊維シート群Ｆ・Ｆの数を２セットに省略して説明する。

[２]熱硬化性樹脂の硬化工程
その後、上記熱硬化性樹脂を含浸させたシート群Ｆ・Ｆを引き取りつつ、異なるシート群Ｆ・Ｆの間に線状部材２である光ファイバを挿入して、これらシート群Ｆ・Ｆと光ファイバを成形装置Ｍの加熱された金型内に導入し、引抜成形により光ファイバを挟み込んだ状態で複数セットのシート群Ｆ・Ｆを加熱圧縮して熱硬化性樹脂を硬化させる。これにより成形体本体２を連続的に成形することが可能となる。

[３]製造方法の変更例
また本実施形態では、上記のように引抜成形によって成形体本体１の製造を行っているが、成形体本体１の製造方法としては、熱硬化性樹脂であればVaRTM成形、熱可塑性樹脂やセメント材料であれば押出成形を採用することもできる。

１成形体本体
11 強化繊維層
２線状部材
３筒状部材
４端子部材
Ｓステッチ
Ｆシート群
Ｈ引取り機
Ｒ熱硬化性樹脂
Ｍ成形装置

Claims

合成樹脂材料またはＦＲＰ材料、セメント材料から成る成形体本体(１)の内部に、光または電気を流すための線状部材(２)と、この線状部材(２)を部分的に被覆する所定長さの筒状部材(３)と、この筒状部材(３)内において線状部材(２)に取着された端子部材(４)とが埋設され、
筒状部材の内径が、内側に配置される端子部材の外径よりも大きく、
前記筒状部材の内部と前記端子部材の外周面との間には他の物体が介在していないことを特徴とする成形体。
筒状部材(３)が成形体本体(１)の外縁部に端部が開口した状態で配置されていることを特徴とする請求項１記載の成形体。
筒状部材(３)が成形体本体(１)の内部に全体が隠蔽された状態で配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の成形体。
成形体本体(１)が、強化繊維材料の繊維間にマトリックス樹脂である熱硬化性樹脂を含浸・熱硬化させて成る繊維強化プラスチックから成り、積層された異なる強化繊維層(11)(11)の間に、線状部材(２)、筒状部材(３)及び端子部材(４)が挟み込まれていることを特徴とする請求項１～３に記載の成形体。
線状部材(２)に光ファイバが使用されると共に、端子部材(４)にフェルールが使用されていることを特徴とする請求項１～４の何れか一つに記載の成形体。
筒状部材(３)の長さが端子部材(４)の長さよりも大きく、筒状部材(３)の一方または両
側の端部に封止材(５)が設けられていることを特徴とする請求項１～５の何れか一つに記載の成形体。
成形体本体(１)内部の線状部材(２)に対して筒状部材(３)が所定間隔で複数設けられていることを特徴とする請求項１～６の何れか一つに記載の成形体。