JP7242061B2

JP7242061B2 - 繊維強化プラスチックの接合方法

Info

Publication number: JP7242061B2
Application number: JP2020011507A
Authority: JP
Inventors: 裕也高岩; 潔鵜澤; 勝彦布谷
Original assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Current assignee: Kanazawa Institute of Technology (KIT)
Priority date: 2020-01-28
Filing date: 2020-01-28
Publication date: 2023-03-20
Anticipated expiration: 2040-01-28
Also published as: JP2021116499A

Description

本発明は、繊維強化プラスチックの接合方法及び接合部構造に関し、特に繊維強化プラスチックから成るロッドとソケットを靭性を持たせて接合する繊維強化プラスチックの接合方法に関する。

炭素繊維複合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastics : CFRP）をロッドに成形してプレストレストコンクリート(Prestressed Concrete : PC)のプレテンション材に使用したり（特許文献1）、建築物の耐震補強材として使用したりする(特許文献2)ことが知られている。この場合、ロッドの末端を安定且つ強固に把持する必要があるため、把持用の中空部材（以下、「ソケット」という。）を取り付けることが多い。
ロッドとして複数本の素線を束ねたり撚り合わせたりして成る構造体を用いることがある。複数本の素線から成る構造体には1本の芯線の周囲を複数本の素線で取り囲んで撚り合わせたストランド構造体も含まれる。
CFRPのうち特に母材に熱可塑性樹脂を用いたものはCarbon Fiber Reinforced Thermo Plastics : CFRTPと呼ばれ、常温保管が可能、量産性に優れる、後加工が容易、リサイクルが可能、製造コストが比較的安いといった利点があることから今後様々な分野での利用が期待されている。

特許文献1には複数のCFRPの素線を撚り合わせて成る線条体の末端部分に、最末端に向かって拡径するくさびを固定し、このくさびをソケットの内部に固定する技術が開示されている。この技術ではくさびを固定する作業に手間がかかるという問題がある。
特許文献2にはソケットの中空部にCFRPのロッドを挿入して両者を接着剤で接合する技術が開示されている。この技術では接着剤がくさびの中空部の内周面全体に行き亘っているかどうか分かり辛く、接着不良が生じるおそれがある。
特許文献3及び4には熱可塑性樹脂から成るロッドの末端にソケットを挿入した状態で、ソケットをロッドに対して相対的に軸回りに回転させることでロッドとソケットとの接触面に摩擦熱を生じさせて両者を溶着する技術が開示されている。摩擦熱を利用してソケットをロッドに固定する方法は上記特許文献1及び2の技術と比較して実施が容易という利点がある。

特許第5913085号公報特開2017－201090号公報特開2001－301038号公報特表平6－508305号公報

しかし、上記特許文献1～4はいずれもCFRPから成るロッドにソケットを強固に固定するものであり、ロッドに引張荷重が作用して限界に至った時にロッド単体、ソケット単体又はロッドとソケットとが一体となって脆性破壊により一気に破断するという問題がある。
例えば建築分野の耐震補強においては地震による外力など不確定要素が多いため強度に安全率を乗じて設計値とするが、脆性破壊する部材を使用する場合は大きい安全率を見込む必要があった。このように脆性破壊という破壊形式は鋼材をベースに作成された設計基準に対しての適応が難しく、CFRPから成るロッドを耐震補強材として用いる場合には高強度というメリットを充分に活かすことができないという問題がある。また、このような問題はCFRPから成るロッドのみならず、繊維強化プラスチックから成るロッド全般に共通するものである。

本発明は、上記のような問題を考慮して、繊維強化プラスチックから成るロッドとソケットを靭性を持たせて接合する繊維強化プラスチックの接合方法を提供することを課題とする。

本発明の繊維強化プラスチックの接合方法は、繊維強化プラスチックから成るロッドと、繊維強化プラスチックから成り内部に中空部を備えるソケットを用いた繊維強化プラスチックの接合方法において、前記ロッドを前記中空部に挿入するステップと、加熱により前記ロッドの外面及び前記中空部の内面の温度をガラス転移点以上に上げると共に加圧により前記ロッドの外面に対して前記中空部の内面を押し付けることで前記ロッド及び前記中空部の縦断面形状を変化させるステップと、前記加圧を継続した状態で前記ロッドの外面及び前記中空部の内面の温度をガラス転移点未満に下げることで前記ロッド及び前記中空部の縦断面形状を変化させたまま固定するステップを少なくとも備えることを特徴とする。
また、前記ロッドが複数本の素線から成る構造体であることを特徴とする。
また、前記繊維強化プラスチックの材料としての強化繊維が炭素繊維、ガラス繊維及び樹脂繊維のうち少なくとも1種の繊維であることを特徴とする。
また、前記繊維強化プラスチックが熱可塑性樹脂を含むことを特徴とする。

本発明では加熱及び加圧によりロッド及び中空部の縦断面形状を変化させ、冷却により縦断面形状を固定する。ロッドに作用する引張荷重が一定値を超えるとロッドの縦断面形状が中空部の縦断面形状に合うように変形し始め、ロッドが中空部内を移動可能な状態になる。この際にロッドはソケットの内面との接触箇所に生じる摩擦抵抗と、ロッドの縦断面形状が中空部の縦断面形状に合うように変化する際に生じる抵抗に抗いながら移動することになる。つまり、ロッドは脆性破壊による破断に至ることなく、これら2つの抵抗に抗いながらソケット内をゆっくりと移動していくのでロッドとソケットの接合部構造に靭性を持たせることができる。
特に複数本の素線から成るロッドを使用する場合、加熱及び加圧によりロッドの縦断面形状が変化する際に素線間に介在する樹脂が移動する。したがって樹脂の硬度等の材質を変えることでロッドの縦断面形状の変化のし易さを調節し、上記靭性の程度を調節することができる。
樹脂に炭素繊維等の強化繊維を含有させることでロッド及びソケットの強度を高めることができる。
繊維強化プラスチックが熱可塑性樹脂を含むことにすれば加熱の際にロッド及び中空部の縦断面形状を変化させ易くなり、現場での施工性を向上させることができる。

ロッドの外形を示す斜視図(a)、ロッドの縦断面形状を示す図(b)、ロッドを複数本の素線で構成した場合の一例を示す縦断面図(c)及びストランド構造体を示す縦断面図(d) ソケットの外形を示す斜視図(a)、ロッドを中空部に挿入した状態を示す斜視図(b)、中空部の縦断面形状の例を示す図(c)、ソケットを複数の小片で構成した場合の一例を示す縦断面図(d)、ソケットの長手方向に沿った縦断面図(e)及び(f)、ロッドの端部をソケットから外部に露出させた状態を示す斜視図(g) 熱可塑性樹脂部材の接合方法を示す縦断面図(a)～(d) ロッド及びソケットの長手方向に沿った縦断面図(a)、長手方向の複数個所におけるロッド及びソケットの縦断面図(b)～(d) 引張荷重を作用させた場合にロッドがソケット内を移動する様子を示す長手方向に沿った縦断面図(a)～(d) 実施例1における金型内にロッド及びソケットを配置した状態を示す長手方向に沿った縦断面図(a)、加熱による各試験体の温度上昇と加熱時間の関係を示すグラフ(b)～(f) 各試験体の平面写真引張試験の結果を示すグラフ(a)及び挙動I・IIを説明するための図(b)及び(c) 引張試験終了後のロッド及びソケットの内部構造を示すX線CT画像引張試験終了後のロッド及びソケットの内部構造を示すX線CT画像引張試験終了後のロッド及びソケットの内部構造を示すデジタルマイクロスコープ画像実施例2におけるソケットの作製方法を示す表及び写真作製後の試験体を示す写真(a)及び(b) 試験方法を説明するためのグラフ(a)及び(b) 試験結果を示すグラフ及び表

本発明の繊維強化プラスチックの接合方法及び接合部構造について説明する。
繊維強化プラスチックの接合方法は少なくとも以下のステップ1～3を含む。
ステップ1：繊維強化プラスチックから成るロッドを繊維強化プラスチックから成るソケットの中空部に挿入する。
ステップ2：加熱によりロッドの外面及び中空部の内面の温度をガラス転移点以上に上げると共に加圧によりロッドの外面に対して中空部の内面を押し付けることでロッド及び中空部の縦断面形状を変化させる。
ステップ3：加圧を継続した状態でロッドの外面及び中空部の内面の温度をガラス転移点未満に下げることでロッド及び中空部の縦断面形状を変化させたまま固定する。

繊維強化プラスチックとは熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂と強化繊維を組み合わせることで強度を向上させたプラスチックを指す。
熱可塑性樹脂としては特に限定されないが、例えばポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリオレフィン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンスルフィドなどが好適に使用される。熱硬化性樹脂としては特に限定されないが、例えばエポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂，ＭＭＡ樹脂（メチルメタクリレート樹脂）、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂などが挙げられる。これら熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂を単独で又は二種以上を混合して使用すればよい。
強化繊維としては炭素繊維、ガラス繊維及び樹脂繊維が挙げられ、これらを単独で又は二種以上を混合して使用すればよい。熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂中の強化繊維の量は50～80質量％が好ましいが、用途や形態によって適宜変更すればよい。
熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂に強化繊維を含有させる場合には両者を溶融混練してもよいし、プリプレグに成形してよい。強化繊維は糸のまま使用してもよく、クロス加工やチョップ加工して使用してもよい。

図1(a)に示すようにロッド10は棒状の部材であり、その長さは特に限定されない。図1(b)に示すようにロッド10の縦断面形状も特に限定されず、円形、楕円形、多角形であってもよい。更に、ロッド10は熱可塑性樹脂又は熱可塑性樹脂に強化繊維を含有させたものから成る小径の素線11を複数本束ねた構造体や、撚り合わせた構造体(図1(c))であってもよい。また、1本の芯線12の周囲を複数本の素線11で取り囲んで撚り合わせたストランド構造体(図1(d))であってもよい。なお、本明細書において「ロッドの縦断面形状が円形」とは図1(c)及び(d)に示すような複数本の素線からなるロッドの場合には縦断面形状の重心位置から一定半径の円を描いた場合にロッドの表面を構成する各素線と当該円が接する関係にある場合をいう。
図2(a)に示すようにソケット20は中空部21を備えており、図2(b)に示すように中空部21にロッド10が挿入される。中空部21の縦断面形状はロッド10の縦断面形状に合わせて選択すればよく、図2(c)に示すように円形、楕円形、多角形であってもよい。ソケット20の断面形状の外形は円形に限定されず適宜選択すればよい。また、図2(d)に示すようにソケット20は複数の小片20a,20bに分割されていてもよい。この場合、複数の小片20a,20bを組み合わせた状態で中空部21が形成されればよい。また、小片20aと20bの周囲を強化繊維等の拘束具22で覆うことで中空部21が拡がらないようにしておくのが好ましい。図2(e)に示すように中空部21は両端部が開口していてもよく、図2(f)に示すように一方の端部だけが開口していてもよい。また、図2(g)に示すようにロッド10の端部10aがソケット20から外部に露出していてもよい。

図3(a)はステップ1でロッド10を中空部21に挿入した状態の断面図である。ソケット20は縦断面の外形が縦長の楕円形になっており、中空部21の形状が円形になっている。ロッド10として上記ストランドロッド構造体を使用しており、縦断面外形がほぼ円形になっている。各素線11の表面の一部とソケット20の内面とはほぼ点接触しているのが好ましいが、離れていてもよい。
図3(b)はステップ2で加熱によりロッド10の外面及び中空部21の内面の温度をガラス転移点以上に上げた状態を示している。ロッド10の外面と中空部21の内面はガラス転移点以上まで温度上昇させたことにより弾性変形可能なゴム状になっている。
図3(c)は同じくステップ2で加圧(図中の矢印100参照)によりロッド10の外面に対して中空部21の内面を上下方向から押し付けることでロッド10及び中空部21の縦断面形状を変化させた状態を示している。ソケット20の外形の縦断面が加圧によりほぼ円形に変形している。中空部21の縦断面形状は横長の楕円形に変化し、これに合わせてロッド10の縦断面形状も横長の楕円形に変化している。

ステップ2ではまず加熱を開始してロッド10の外面と中空部21の内面をガラス転移点以上に上げておき、加熱を継続して温度を維持した状態で加圧を行えばよい。しかし、加熱と加圧を同時に開始したり、或いはまず加圧を開始してその後加熱したりすることにしてもよい。加熱及び加圧の装置として周知のホットプレス機を使用すればよい。
図3(d)はステップ3で加圧を継続した状態でロッド10の外面及び中空部21の内面の温度をガラス転移点未満に下げた状態を示している。加圧を継続しながらガラス転移点未満まで温度降下させることでロッド10と中空部21の縦断面形状が楕円形のまま硬化して固定される。各素線11の表面の一部とソケット20の内面との点接触箇所Aにおいて溶着している場合があるが、溶着面積が小さいためこのままでは充分な付着強度を得られないおそれがある。
図4(a)はステップ3終了後のロッド10及びソケット20の長手方向の縦断面形状を示している。図4(b)は図4(a)の位置P1におけるロッド及びソケットの縦断面形状、同じく図4(c)は位置P2、図4(d)は位置P3の縦断面形状を示している。位置P1はステップ2での加圧の際に最も高圧になる箇所であり、ロッド10及びソケット20の楕円形の扁平率が最も高くなっている。

図5はロッド10の長手方向に引張荷重を作用させた際のロッド10の変形の程度を模式的に示す図である。
図5(a)に示す無荷重の状態から、図示しない治具でソケット20を固定した状態で図5(b)に示す矢印の方向に引張荷重を作用させると、ロッド10は矢印の方向に移動しようとするが、上述の通り各素線11の表面とソケット20の内面とが溶着しており界面接着力によるせん断抵抗が生じていることと、長手方向に沿ってロッド10の縦断面形状の扁平率が異なっていてロッド10が中空部21の内面に引っ掛かることが原因となってロッド10は移動できない。引張荷重が一定値を超えると各素線11の表面とソケット20の内面との溶着が解除され、図5(c)に示すように中空部21の縦断面形状に合うようにロッド10の縦断面形状が変化し始めてロッド10の移動が開始される。この際にロッド10には各素線11とソケット20の内面との接触箇所に生じる摩擦抵抗と、中空部21の縦断面形状に合うようにロッド10の縦断面形状が変化する際に生じる抵抗が生じており、これら2つの抵抗に抗いながら図5(d)に示すようにロッド10は矢印方向に移動していく。つまり、ロッド10は脆性破壊による破断に至ることなく、上記2つの抵抗に抗いながらソケット20内を移動していくのでロッド10とソケット20の接合部構造が靭性を有することになる。

本発明の繊維強化プラスチックの接合方法及び接合部構造の実施例1を示す。
[ロッド及びソケットの概要]
ロッドはCABKOMA CFRTP ストランドロッド NH6017N（株式会社小松マテーレ製，補強繊維：炭素繊維，母材：熱可塑性樹脂）を使用した。
ソケットはCABKOMA CFRTP KBチップ（株式会社小松マテーレ製，熱可塑性樹脂含侵CFトウ）を使用した。ソケットはプレス成型した板材から切出したものを使用した。ロッドとソケットが上手く溶着するようにソケットを縦長の楕円で切り出した。ロッドは断面の公称直径が6mmであるものの、複数本の素線を撚った撚り線であり、計測位置によって微妙に寸法が変化する。したがってソケットの楕円の平面中心に直径7.5mmの貫通孔を設けて中空部とした。

表1に成形条件と引張試験の結果を示す。試験体として1-1,1-2,2-1,2-2,2-3の6体を用意した。

[加熱及び加圧]
ソケット及びロッドの加熱・加圧は油圧式ホットプレス機を用いた。油圧式ホットプレス機に図6(a)に示すように直径20mm，長さが50mmの貫通孔を有するセパレートタイプの金型を設置し、ロッドの外面及び中空部の内面の温度がガラス転移点以上になるように加熱を行った。温度管理はロッドの外面に設置した熱電対200と、金型の表面に設置した熱電対201によりリアルタイムで測定した。

図6(b)のグラフに示すように試験体1-1では加熱開始後12分程度でロッドの外面及び中空部の内面が目標温度である120℃に到達し、そのタイミングで10kNの荷重をロッドの表面に上下から加えた。本実施例におけるロッド及びソケットのガラス転移点が約100℃であることから、120℃はガラス転移点以上であることが分かる。
目標温度到達直後、油圧プレスによる加圧を継続しながら、エアーで金型を冷却し始め、冷却開始から8分でガラス転移点未満である80℃になったタイミングで加圧を終了してロッド及びソケットを取り出した。加圧終了時の荷重を5kNとした。同様に行った試験体1-2,2-1,2-2,2-3の加熱及び加圧に関するグラフを図6(c)～(f)に示す。なお、試験体1-1と1-2はロッドの外面に熱電対200を設置したまま上記加熱及び加圧を行い、試験体2-1,2-2,2-3は加熱により目標温度120℃に達したタイミングで熱電対200を取りだした。
図7に引張試験終了後の試験体を示す。左から試験体1-1,1-2,2-1,2-2,2-3の順に配置してある。表1より金型から取り出した状態のロッドはいずれも横長の楕円形になっていることが分かる。

[万能試験機による引張試験]
引張試験は万能試験機を用いて行い、各試験体の自由端側を鋼管パイプ内に差し込み、セメント系の定着用膨張材で固定し、試験機のチャック部で固定した。試験方法はJIS A 1192に準拠した。載荷力は万能試験機に内蔵されているロードセルを用いて計測し、ロッドの頂部を計測して変位とした。
図8(a)のグラフから8,000～10,000Nの引張荷重で1mm程度の抜けが生じて荷重が低下するものの、その後は剛性を保持したままで最大強度まで上昇したことが分かる（挙動I）。最大荷重に到達してから後は変位が線形的に増加していくもののロッドに破断は生じず、脆性破壊は生じなかった。最大荷重以降は荷重が徐々に低下していく挙動を示す(挙動II)ことからロッドとソケットの接合部構造が靭性を有していることが分かる。

図8(a)の挙動Iの範囲では図8(b)に示すようにロッドの表面とソケットの内面とが溶着しており界面接着力によるせん断抵抗が生じており、挙動IIの範囲では図8(c)に示すようにロッドの表面とソケットの内面との接触箇所に生じる摩擦抵抗と、中空部の縦断面形状に合うようにロッドの縦断面形状が変化する際に生じる抵抗が生じている。
図9～図11は引張試験終了後のロッド及びソケットの内部構造を示すX線CT画像及びデジタルマイクロスコープ画像である。図10及び図11ではロッドが左方向に移動するように引張荷重を作用させた。図10のX線CT画像分析により、中空部の断面形状がソケット長さ方向の中央に近づくと、縦断面形状が変化して楕円形状となっており、ソケット長さ方向の両端側に近づくと円形状となっていることがわかる。図11はデジタルマイクロスコープ画像である。ソケット長さ方向の両端側に近いA、Dの位置はソケットとロッドに隙間が見受けられるが、B、C、E、Fの位置はソケットとロッドが接触していることが確認できる。以上のことから、加熱及び加圧箇所はロッド及びソケットの縦断面形状が変化していることが分かる。

本発明の繊維強化プラスチックの接合方法及び接合部構造の実施例2を示す。
[ロッド及びソケットの概要]
ロッドはCABKOMA CFRTP ストランドロッド NH6017N（株式会社小松マテーレ製，補強繊維：炭素繊維，母材：熱可塑性樹脂）を使用した。
ソケットは図12に示すようにCABKOMA CFRTP KBチップ KB-B46（小松マテーレ製，熱可塑性樹脂含侵CFトウ）を使用した。ソケットは上記チップをプレス成型した板材からウォータージェットで切出したものを使用した。高さ約28mm、幅約20mmの楕円形状にし、長さを約43mmにした。ロッドは断面の公称直径が6mmであるものの、複数本の素線を撚った撚り線であり、計測位置によって微妙に寸法が変化する。したがってソケットの楕円の平面中心に直径約7mmの貫通孔を設けて中空部とした。

表2に示す条件でNo.1～7の試験体を作製した。
具体的にはロッドの外面及び中空部の内面の温度120℃の状態で10kNの荷重を加え、荷重を加えたまま10分間冷却し、温度が約70～80℃まで降下したタイミングで金型から取り出した。
試験体No.1～7のロッドは図2(g)に示すように端部がソケットから外部に露出するタイプとした。試験体No.7のみ最大加熱温度到達後の冷却時に荷重をゼロ（除荷冷却）にした。
図13(a)は作製直後の試験体No.6（左）,No.7（右）であり、図13(b)は仕上げ後の試験体No.1～5である。

表3に各試験体の仕様および試験条件を示す。
実施例1の結果を鑑みて、表3に示す試験方法Aは図14(a)に示すように接着切れ後も引き続き載荷を継続する方法、試験方法Bは図14(b)に示すように接着切れ後、15kN（本検討で設定した目標荷重）まで一度載荷を行い、その後除荷をしても試験方法Aと比較して影響がないかを確認した。
試験結果を図15に示す。グラフの縦軸は荷重、横軸はロッドの抜出し変位を測定している。試験方法A、Bともに影響はほとんど見受けられず、最大荷重の平均値は18.9kNとなった。また、ソケット長さ50mmに対して、20%となる抜出し変位時における荷重が、No.7を除く全ての試験体において15kNとなることを確認した。その後も20mmまで試験を実施したが、急激な荷重低下は見受けられなかった。
また、試験体No.3はソケットに一部割れが生じていたが、最大荷重への影響は確認できなかった。ホットプレスして再度、成形することによる影響と推察する。加えて、加圧後ソケット高さが低い場合、高いものと比べてしっかり加圧がされており、最大荷重が高い結果となった。No.7の加圧後ソケット高さが最も高く、最大荷重が最も低い結果となった。

本発明は、繊維強化プラスチックから成るロッドとソケットを靭性を持たせて接合する繊維強化プラスチックの接合方法であり、産業上の利用可能性を有する。

A 点接触箇所
10 ロッド
10a ロッドの端部
11 素線
12 芯線
20 ソケット
20a.20b 小片
21 中空部
22 拘束具
100 加圧方向を示す矢印
200,201 熱電対

Claims

繊維強化プラスチックから成るロッドと、繊維強化プラスチックから成り内部に中空部を備えるソケットを用いた繊維強化プラスチックの接合方法において、
前記ロッドを前記中空部に挿入するステップと、
加熱により前記ロッドの外面及び前記中空部の内面の温度をガラス転移点以上に上げると共に加圧により前記ロッドの外面に対して前記中空部の内面を押し付けることで前記ロッド及び前記中空部の縦断面形状を変化させるステップと、
前記加圧を継続した状態で前記ロッドの外面及び前記中空部の内面の温度をガラス転移点未満に下げることで前記ロッド及び前記中空部の縦断面形状を変化させたまま固定するステップを少なくとも備えることを特徴とする繊維強化プラスチックの接合方法。
前記ロッドが複数本の素線から成る構造体であることを特徴とする請求項1に記載の繊維強化プラスチックの接合方法。
前記繊維強化プラスチックの材料としての強化繊維が炭素繊維、ガラス繊維及び樹脂繊維のうち少なくとも1種の繊維であることを特徴とする請求項1又は2に記載の繊維強化プラスチックの接合方法。
前記繊維強化プラスチックが熱可塑性樹脂を含むことを特徴とする請求項1～3のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチックの接合方法。