JPH04327925A - 繊維強化樹脂管状体 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は繊維強化樹脂管状体に関
するものであり、さらに詳しくは、釣竿やゴルフシャフ
トなどに用いる繊維強化樹脂管状体に関するものである
。

【０００２】

【従来の技術】繊維強化樹脂管状体は一般的にその管状
体の軸方向繊維と円周方向繊維で構成され、管状体に曲
げ変形が作用する際に生じる主な応力である引張り応力
と圧縮応力を各々の繊維軸方向で負担している。

【０００３】本管状体は、その優れた力学特性を利用し
、釣竿、ゴルフシャフト等に使用されている。近年、高
性能化、軽量化の極限性能を追求するためにますます薄
肉化が進み、したがって、補強繊維の高性能化、すなわ
ち、高強度化、高弾性率化、高圧縮強度化ならびに高接
着強度化が強く望まれている。

【０００４】観察によれば、曲げ変形を受ける管状体は
管半径ｒと肉厚ｔの比ｒ／ｔによってその優勢な破壊挙
動がことなってくる。すなわち、ｒ／ｔが大きい場合に
は、曲げ変形を受ける管状体はその屈曲度が大きくなる
に従って応力を受ける部分の円筒断面が偏平状に変形し
始め、変形が最も大きい部分において亀裂が発生し、こ
の亀裂によって管状体は一挙に全体破壊に至るように観
察される。そのためこの場合には、円周方向補強繊維の
特性がより重要である。一方、ｒ／ｔが小さい場合には
、前記の円筒断面の偏平化が小さく通常の曲げ破壊挙動
が優勢となるので、主として軸方向補強繊維の特性が重
要となってくる。

【０００５】したがって、特にｒ／ｔが大きい場合にお
いて、曲げ強度の大きい薄肉管状体を得る観点からは、
管状体断面の偏平化率を小さくするか、偏平化率の大き
い補強繊維を使用する必要がある。このことから円周方
向の補強繊維の特性向上が重要であり、円周方向の補強
繊維として中空繊維を使用する提案が特開昭５６−４９
２５３号公報によりなされている。しかしながら、本発
明者らが検討したところによると、中空繊維特性から見
て期待される程の効果が管状体特性として発揮されない
ことが分かった。管状体に形成され曲げ変形が加えられ
た時に繊維軸に直角な方向（９０゜方向）にも応力がか
かるため、樹脂と繊維との接着性が十分でないと繊維特
性が複合材特性として活かしきれないものと思われる。 また、補強繊維としての中空繊維の製造は高度な技術を
必要とするため製造コストが高くなるという問題もある
。

【０００６】一方、特にｒ／ｔが小さい場合において、
曲げ強度の大きい管状体を得る観点からは、一般的に軸
方向補強繊維として圧縮強度（曲げ強度）の高い繊維が
使用され、それによって管状体の曲げ強度を上げること
ができる。しかしながら、一般的に圧縮強度の高い繊維
とするためには繊維の弾性率を低下せざるを得ないので
比弾性率の低下によって管状体の軽量化が困難となる問
題がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、安価で軽量
な曲げ強度の高い薄肉の繊維強化樹脂管状体を提供する
ことを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために次の構成を有する。すなわち、軸方向補強繊
維と円周方向補強繊維からなる管状体であり、軸方向補
強繊維および／または円周方向補強繊維の少なくとも一
部が異形断面繊維であることを特徴とする繊維強化樹脂
管状体である。

【０００９】以下、本発明の繊維強化樹脂管状体につい
て詳細に説明する。

【００１０】本発明の繊維強化樹脂管状体においては、
強化繊維として、軸方向補強繊維、円周方向補強繊維の
いずれかまたはその両方の補強繊維の少なくとも一部に
異形断面繊維を用いるものである。異形断面繊維は丸断
面繊維に比べて単繊維の断面２次モーメントが大きく、
曲げに対する強度が高くなる特性を有し、しかも、繊維
表面積が大きいために樹脂との接着性が良好で、この繊
維特性を複合体特性に有効に反映させることができるた
めである。

【００１１】ここに使用される異形断面繊維は、断面２
次モーメントの方向性を小さくして曲げ強度を向上させ
、一方、所望の断面異形度を容易に得る観点から、単繊
維断面形状が３〜５葉の多葉形であるのが好ましい。 特に、単繊維の断面形状がほぼその中心を軸とした３〜
５回対称の形状であることが好ましい。

【００１２】また、曲げ強度および樹脂との接着性の向
上効果を大きくし、一方、多葉形の葉の形状を破損しに
くくする観点から、断面異形度を１．２〜３．０とする
のが好ましい。

【００１３】ここで、断面異形度とは、単繊維断面形状
の外接円半径と同断面形状の内接円半径との比をいう。

【００１４】補強繊維としては、ガラス繊維や炭素繊維
が使用されるが、比弾性率の高い炭素繊維が薄肉軽量化
効果が大きく、好ましい。

【００１５】また、弾性率を高く、軽量化効果を大きく
する観点から、補強繊維のうち、異形断面繊維の素材は
炭素繊維であることが好ましい。

【００１６】補強繊維を含浸するマトリックス樹脂とし
ては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化樹脂
、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ＡＢＳ樹脂など
の熱可塑性樹脂が使用できる。

【００１７】本発明の樹脂強化管状体を製造するための
方法の一例を挙げて説明すると、あらかじめ樹脂含浸し
た軸方向補強繊維の引揃えシートおよび円周方向補強繊
維の引揃えシートを、軸方向補強繊維が最外層になるよ
うに数層にわたりマンドレルないし芯金に捲着してその
表面をテープで緊縛し、熱硬化処理をした後にマンドレ
ルないし芯金を引抜き表面を研磨して形成する方法など
が挙げられる。

【００１８】このように複数層積層した繊維強化樹脂管
状体の断面は、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すとおりで
ある。すなわち、図１（ａ）は６層に積層した管状体で
あって、最外層の補強繊維が軸方向に配列されている例
、図１（ｂ）は３層に積層した管状体であって、最外層
の補強繊維が円周方向に配列されている例を示す。なお
、図中、１は軸方向の補強繊維、２は円周方向の補強繊
維を示す。

【００１９】以下、実施例により本発明をさらに詳細に
説明する。

【００２０】

【実施例】

（実施例１〜２、比較例１）管状体の円周方向補強繊維
として表１に示す３種類の炭素繊維（繊維Ａ、Ｂ、Ｃ）
を使用した。

【００２１】

【表１】

【００２２】また、軸方向補強繊維としては、炭素繊維
ストランド“トレカ”（登録商標）Ｔ３００Ｂ−３００
０−５０Ｂ（東レ（株）製）（以下、Ｔ３００）を使用
した。樹脂はプリプレグ用エポキシ樹脂組成物＃２５０
０（東レ（株）製）（以下、エポキシ樹脂）を使用した
。

【００２３】このエポキシ樹脂を離型紙の一面に均一な
厚みで、かつ、樹脂目付が１３ｇ／ｍ２　になるように
塗布された離型紙上に、繊維Ａ、Ｂ、Ｃを繊維目付が２
７．５ｇ／ｍ２　になるようにそれぞれ引き揃え、その
上から樹脂を塗布していない離型紙を重ね合わせ、これ
を１２０℃に加熱したプレスロールに通してストランド
の押し拡げとエポキシ樹脂の転移、含浸を行い、さらに
後で重ね合わせた離型紙をはぎ取ってそれぞれの炭素繊
維の一方向プリプレグを３種類作製した。

【００２４】Ｔ３００についても、樹脂目付を７０ｇ／
ｍ２　、繊維目付を１５０ｇ／ｍ２　とした以外は上記
と同じ方法でＴ３００のプリプレグを作製した。

【００２５】次に、繊維Ａ、Ｂ、ＣおよびＴ３００のプ
リプレグを裁断した後、Ｔ３００のプリプレグの上に繊
維Ａ、Ｂ、Ｃのプリプレグをそれぞれ繊維軸がＴ３００
の繊維軸と直交するように重ね合わせ、約９０℃に加熱
したプレスロールに通し貼着し、両面の離型紙を剥して
３種類の２層プリプレグシートを得た。

【００２６】次に、外周面にシリコーン系離型剤を塗布
した外径２０ｍｍのマンドレルに、上記３種類の２層プ
リプレグシートをＴ３００の繊維軸が軸方向となり、か
つ外層になるように３回巻き付けた。

【００２７】次に、マンドレルに巻き付けた２層プリプ
レグの上に、ポリエステルテープを約２．４ｋｇの力を
加えながら、かつ２ｍｍずつオーバーラップさせながら
螺旋状に巻き付けた後、約１３０℃の加熱炉内で約２時
間加熱してエポキシ樹脂を硬化させ、冷却の後、マンド
レルを引き抜き、表面のテープをはぎ取り、３種類の繊
維強化樹脂管状体を得て、これを長さ８２５ｍｍに切断
して４点曲げ破壊試験に供した。

【００２８】４点曲げ破壊試験はスパン間距離７５０ｍ
ｍ、圧子間距離２００ｍｍとして圧子点には圧壊防止の
ための補強をして測定した。ｎ＝１０の曲げ強度の平均
値を表２に示す。

【００２９】

【表２】

【００３０】表２から明かなように実施例１，２の場合
、円周方向補強繊維として異形断面繊維を使用すること
によって、太径薄肉丸筒の曲げ強度が比較例１に比して
向上していることが明白である。

【００３１】（実施例３〜４、比較例２）管状体の軸方
向補強繊維として前記表１に示す３種類の炭素繊維（繊
維Ａ、Ｂ、Ｃ）を使用した。

【００３２】また、円周方向補強繊維としては、炭素繊
維ストランド“トレカ”（登録商標）Ｔ３００Ｂ−３０
００−５０Ｂ（東レ（株）製）（以下、Ｔ３００）を使
用した。樹脂はプリプレグ用エポキシ樹脂組成物＃２５
００（東レ（株）製）（以下、エポキシ樹脂）を使用し
た。

【００３３】このエポキシ樹脂を離型紙の一面に均一な
厚みで、かつ、樹脂目付が７０ｇ／ｍ２　になるように
塗布された離型紙上に、繊維Ａ、Ｂ、Ｃを繊維目付が１
５０ｇ／ｍ２　になるようにそれぞれ引き揃え、その上
から樹脂を塗布していない離型紙を重ね合わせ、これを
１２０℃に加熱したプレスロールに通してストランドの
押し拡げとエポキシ樹脂の転移、含浸を行い、さらに後
で重ね合わせた離型紙をはぎ取ってそれぞれの炭素繊維
の一方向プリプレグを３種類作製した。

【００３４】Ｔ３００についても、樹脂目付を１３ｇ／
ｍ２　、繊維目付を２７．５ｇ／ｍ２　とした以外は上
記と同じ方法でＴ３００のプリプレグを作製した。

【００３５】次に、繊維Ａ、Ｂ、ＣおよびＴ３００のプ
リプレグを裁断した後、Ｔ３００のプリプレグの上に繊
維Ａ、Ｂ、Ｃのプリプレグをそれぞれ繊維軸がＴ３００
の繊維軸と直交するように重ね合わせ、約９０℃に加熱
したプレスロールに通し貼着し、両面の離型紙を剥して
３種類の２層プリプレグシートを得た。

【００３６】次に、外周面にシリコ−ン系離型剤を塗布
した外径６．３ｍｍのマンドレルに、上記３種類の２層
プリプレグシ−トをＴ３００の繊維軸が円周方向となり
、かつ内層になるように８回巻き付けた。

【００３７】次に、マンドレルに巻き付けた２層プリプ
レグの上に、実施例１，２で用いたポリエステルテ−プ
を実施例１，２と同様にして螺旋状に巻き付けた後、約
１３０℃の加熱炉内で約２時間加熱してエポキシ樹脂を
硬化させ、冷却後マンドレルを引き抜き、表面のテ−プ
をはぎ取り３種類の繊維強化プラスチック管状体を得て
、これを長さ４２５ｍｍに切断して４点曲げ破壊試験に
供した。４点曲げ破壊試験はスパン間距離３００ｍｍ、
圧子間距離１００ｍｍとして、圧子点には圧壊防止のた
めの補強をして測定した。

【００３８】４点曲げ破壊試験の結果を表３に示す。

【００３９】

【表３】

【００４０】表３から明かなように実施例３，４の場合
、軸方向補強繊維として異形断面補強繊維を使用するこ
とによって、丸筒の曲げ強度が比較例２のそれに対して
６〜１１％向上した。換言すれば軸方向補強繊維の使用
量を６〜１１％低減でき、管状体の重量をより軽くする
ことできる。

【００４１】（実施例５）表１の繊維Ａについて、樹脂
目付７０ｇ／ｍ２、繊維目付１５０ｇ／ｍ２　のプリプ
レグシート（イ）と樹脂目付１３ｇ／ｍ２　、繊維目付
２７．５ｇ／ｍ２　のプリプレグシート（ロ）とを作製
して、これらの繊維軸が直交するようにして２層プリプ
レグシートとした。（ロ）のプリプレグシートが内層に
なり、かつ繊維軸が管状体の円周方向になるように外径
２０ｍｍのマンドレルに３回まき付けて実施例１〜２と
同様に管状体を成形して４点曲げ破壊試験に供した。

【００４２】曲げ強度７６ｋｇ／ｍｍ２　の高い値が得
られ、補強繊維として軸方向と円周方向の両方に異形断
面繊維を使用することにより、太径薄肉丸筒の曲げ強度
がより一層向上した。

【００４３】

【発明の効果】本発明は、管状体に曲げ変形が加えられ
た時に生じる円筒断面の偏平化を防止するとともに、曲
げに対する剛性を増加することができるので、管状体の
曲げ強度を更に向上できると共に、その重量も軽量化で
きる優れた特徴を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の管状体の断面図であり、図１（ａ）は
６層に積層した管状体であって、最外層の補強繊維が軸
方向に配列されている例、図１（ｂ）は３層に積層した
管状体であって、最外層の補強繊維が円周方向に配列さ
れている例を示す。

【符号の説明】

１：軸方向の補強繊維 ２：円周方向の補強繊維

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】軸方向補強繊維と円周方向補強繊維からな
   る管状体であり、軸方向補強繊維および／または円周方
   向補強繊維の少なくとも一部が異形断面繊維であること
   を特徴とする繊維強化樹脂管状体。
2. 【請求項２】異形断面繊維の単繊維断面が３〜５葉の多
   葉形で、かつ断面異形度が１．２〜３．０の炭素繊維で
   あることを特徴とする請求項１の繊維強化樹脂管状体。