JPH0292625A - 繊維強化樹脂複合材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［ａ業上の利用分野］ 本発明は、土木、建築分野で使用される鉄筋、ｐｃ鋼線
、ＰＣ鋼棒あるいは吊橋用鋼線等の代用品として、或は
その他各種マトリックス中に補強用材料として埋め込ま
れる繊維強化樹脂複合材料に関し、特に鋼材に似た降伏
特性を持った複合材料に関するものである。

［従来の技術］ 最近、炭素１Ａｌｌ維やガラス繊維等の繊維を強化材と
して含有する繊維強化樹脂複合材料が注目を集め、例え
ば鉄筋、ｐｃＨ線、ｐｃ鋼棒等の代用として利用しよう
とする研究も盛んに行なわれている（特開昭６３−５５
１、同６３−５５２、同６３−４１５８等）。これらの
複合材料は、鉄・鋼材料の有する欠点（例えば高比重で
錆が発生し易いといった欠点）を克服するものであり、
特に腐食の著しい海浜地域における土木建築構造物や海
洋構造物等の補強材や吊橋用線材等として徐々にしの用
途を拡大している。

ところでこれらの複合材料はいずれも長繊維を強化材と
して用い、これを様々の樹脂に含浸させたものであり、
強化繊維としては炭素繊維（グラファイト繊維を含む二
以下同じ）やガラス繊維等の無機質繊維あるいは、アラ
ミド１Ａｌ！維等の各種有機繊維などが使用され、樹脂
としてはポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール
樹脂等の熱硬化性樹脂及びポリアミド樹脂、ポリオレフ
ィン系樹脂、ポリスチレン樹脂等の熱可塑性樹脂が例示
される。上記強化繊維のうち鉄・鋼材料に匹敵する強度
を有するのは炭素繊維であり、鉄・鋼製の線・棒材に代
わる複合材料用の強化繊維として炭素ｉａ維が多用され
ているのはこうした理由によるものである。ところが炭
素繊維強化樹脂複合材料は、破断に至る過程で鉄・鋼材
料に見られる様な降伏現象を示さず、破断限界に達する
と直ちに破断してしまう。そのため安全性に問題があり
、その優れた特徴（高強度、高弾性）が実用面で十分に
生かされているとはヨえない。

こうした欠点を改善するための手段として、■伸度の異
なる炭素繊維との複合（特開昭６３−５５２１号等）、
■伸び率の高いアラミド繊維とのハイブリッド化（特開
昭６３−４１５８号）等により鉄・鋼材に似た降伏現象
を与える方法が検討された。しかしこれらの方法では設
計通りの機械的特性を得るのが意外に煩雑且つ困難であ
るばかりでなく、炭素繊維が元々有している強度が犠牲
にされるという不利があり、それにもかかわらず炭素繊
維強化樹脂複合体の有する脆さが完全に解消される訳で
もない。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は上記の様な事情に着目してなされたものであっ
て、その目的は、炭素繊維強化樹脂複合材料の有する優
れた強度と弾性を確保しつつその降伏特性を改善し、強
力で鉄・鋼材料に似た降伏現象を示す様な複合材料を提
供しようとするものである。

［課題を解決するための手段］ 上記の課題を解決することのできた本発明に係る繊維強
化樹脂複合材料とは、平均長さが３０〜５００＋ｎｍの
炭素ｔＩａ維よりなる撚り合わせ又は交絡糸を強化材と
して含有するところに要旨を有するものである。

［作用］ 本発明者らは炭素繊維強化樹脂複合材料が非常に強力で
あるにもかかわらず脆弱である理由について色々検討し
た結果、次の様な考えに想到した。即ち従来の炭素繊維
強化樹脂複合材料は、いずれもその優れた強度と引張弾
性率を有効に生かすため、長尺の炭素繊Ｘ、１１を長手
方向に引き揃えた状態で樹脂に含浸させており、その結
果、引張り方向及び曲げ方向の力に対しては優れた強度
を発揮する。ところが炭素繊維の伸びは非常に小さいの
で、引き揃えた当該長尺炭素繊維群にかかる外力が当該
１ａ維群の破断限界に達するとそれらが一気に破断して
しまうため、瞬間的に破壊が生じるものと思われた。

そこで炭素繊維の強度や弾性等に悪影響を及ぼすことな
く、降伏特性を改善することのできる手段を開発しよう
として種々研究を重ねた結果、前述の如く平均長さが３
０〜５００ｏｏｎの炭素繊維よりなる撚り合わせ又は交
絡糸（以下、紡績糸ということがある）を使用すること
により、その目的が兄事に達成されることを知った。即
ち炭素繊維よりなる単繊維であれば前述の如く破断限界
に達した時点で当該繊維は一気に破断するが、短繊維の
集合体よりなる紡績糸であれば、当該紡績糸を含む複合
材料にかかる張力がある限界値を超えると短繊維間にず
れが生じ、複合材料全体としてあたかも鉄・鋼材料の降
伏現象に似た特性を示すものとなる。ここで炭素繊維の
平均長さが３０ｍｍ未満である場合は、当該短１ａ絶間
に十分な撚り合わせ及び交絡を与えることができず、複
合材料としての引張り特性や弾性が乏しくなるばかりで
なく、繊維長が短かすぎるため均質な紡績糸を得るのが
困難になる。一方平均長さが５００ｍｍを超える場合、
繊維間の絡み合いが多くなり過ぎるため紡績作業が困難
になり、しかも紡績糸の収束密度も高め難くなり、強度
はかえって低下傾向を示す様になる。しかしながら平均
長さが３０〜５ｏ。

ｍｍの炭素繊維を使用すると、炭素繊維に適度の撚りと
交絡を与えながら収束密度の高い紡績糸を容易に得るこ
とがでと、これを後述する様な樹脂と複合することによ
り、引張強さ、弾性及び降伏特性の共にすぐれた炭素繊
維強化複合材料を得ることができる。

上記の様な短！ａ維よりなる炭素繊維の撚り合わせまた
は交絡糸は、綿花等の天然１ａ維や合成！ａ維の紡績技
術と同様にして、或はこれを改良した方法によって容易
に得ることができ、この場合炭素繊維と共に少量のガラ
ス繊維や有機１ａ維を加えて混紡し、物性や紡績性を改
善することも有効である。

これらの炭素繊維と複合される樹脂としては、たとえば
エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹
脂、尿素樹脂、メラミン樹脂等の熱硬化性樹脂及びナイ
ロン等のポリアミド、ポリオレフィン、ポリスチレン、
ポリオキシメチレン、飽和ポリエステル等の熱硬化性樹
脂を挙げることができ、これらは用途や要求特性に応じ
て適当に選定すればよい。

複合材料中に占める炭素ｍｆ、ｌの含有率も、要求され
る強度特性その他の物性を加味して定めるべきであり一
律に規定することは適当でないが、複合材料としての特
性を有効に発揮させるうえで最も好ましい炭素繊維の含
有率は３０〜７０体積％、より好ましくは４０〜６０体
積％である。炭素繊維の含有率が３０体積％未満である
場合は、炭素繊維による強化効果が不十分になり、一方
７０体積％を超える場合は、樹脂量が不足気味となって
複合材料内に樹脂の未含浸部分が気孔欠陥として残り、
その部分に応力が集中する現象が現われ、強度面の信頼
性が低下する。

この様にして得られる本発明の炭素繊維強化樹脂複合材
料は、前述の如く炭素繊維の有する優れた引張強さ及び
弾性が有効に発揮されると共に、鉄・鋼に似た降伏特性
を示すものであり、鉄・鋼等に代わる軽量の線材、棒材
、板材等として巾広く活用することができ、特に鉄筋、
ＰＣ鋼線、ｐｃ鋼棒、吊橋用鋼線等の代用品として有用
である。尚この複合材料を鉄筋コンクリート等の鉄筋代
用品として使用する様な場合には、コンクリートとの接
触面積を増大して補強効果を高めるため、線・棒状複合
材料の外周に炭素繊維あるいは他の無機質繊維材もしく
は有機質繊維材を螺旋状もしくは網状に巻装することも
有効である。

［実施例］ 実施例１ 市販のポリアクリロニトリル系炭素繊維（直径ニアμｍ
、引張強度：　３００　ｋｇ／ｖｎ２、弾性率：２５　
ｋｇ／ｒｎｍ２）を平均長さ２００ｍｍにカットし、こ
の短繊維を紡績機にかけて直径が約８ｍｍのヤーンを得
た。このヤーンに溶融状態のナイロンを含浸し、直径約
８．５ｍｍの炭素繊維強化複合材料を得た。この複合材
料中に占める炭素繊維の体積含有率は５１％であり、比
重は１．４ｇ／ｃｍ３であった。

得られた複合材料の引張り試験結果は第１図に示す通り
であり、鉄・鋼材料に似た応力−歪曲線を示し、降伏応
力は約１００　ｋｇ／ｍｍ２を示した。

火族■ユ 実施例１と同様にして得た炭素繊維ヤーンにエポキシ樹
脂を含浸し、次いで１５０℃で硬化させることにより直
径約８．５ｍｍの炭素繊維強化樹脂複合材料を得た。こ
の複合材料中に占める炭素ｌａ維の体積含有率は５８％
であり、比重は１．４８ｇ／ｃｍ’であった。

この複合材料の引張り試験結果は第２図に示す通りであ
り、降伏応力は約１５０　ｋｇ／ｍｍ２を示し、鉄・鋼
材料に似た降伏現象が見られる。

比較例１ 実施例１に準拠して炭素繊維よりなる平均長さ２０ｍｍ
の短繊維を得た。この短繊維を紡績機にかけたところ、
絡み合い不足のためヤーンとするととができなかったの
で、これに５重量％のポリエステル短ｉａ維を混合して
混紡し、直径が約８＋ｎｍのヤーンを得た。このヤーン
に溶融状態のナイロンを含浸し、直径が約８．５ｍｍの
炭素繊維強化複合材料を得た（比重：　１．４４ｇ／ａ
ｍ３．炭素繊維の体積含有率：５５％）。

この複合材料の引張り試験結果は第３図に示す通りであ
り、鉄・鋼材料に似た降伏現象は示すものの、炭素繊維
同士の絡み合いが不十分であるため炭素繊維の有する引
張強度が有効に発揮されず、降伏応力は７０　ｋｇ／ｎ
＋＋＋＋２程度以下と劣悪である。

［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されており、適当な平均長さを
持った炭素繊維を撚り合わせ又は交絡してなる紡績糸を
強化材として樹脂と複合することにより、優れた引張強
さと弾性を備え且つ鉄・鋼材料に似た降伏特性を示す複
合材料を提供し得ることになった。そしてこの複合材料
は鉄・鋼材料に比べて＠量で且つ優れた耐食性を有して
いるので、海浜地域の建造物や海洋構造物あるいは融雪
剤として無機塩が使用される降雪地帯の各種建造物の補
強材、更には吊橋用張架材等は勿論のこと、各種マトリ
ックスとの複合用材料として幅広く活用することができ
る。本発明の複合材料は、応力の限界を超えた場合でも
一気に破断する様なことがなく、鉄・鋼材料に似た降伏
現象を示すので、構造物の設計面においても鉄・鋼材料
と同様の思想を適用することができ、安全率を見越した
適切な設計基準強度の設定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１〜３図は実施例で得た複合材料の引張り試験結果を
示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 平均長さが３０〜５００ｍｍの炭素繊維よりなる撚り合
   わせ又は交絡糸を強化材として含有することを特徴とす
   る繊維強化樹脂複合材料。