JPH05157184A - 天然繊維強化複合パイプ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 耐衝撃性の高い天然繊維強化複合パイプ及び
その製造方法を提供することを目的としている。 【構成】 天然繊維または天然繊維と化学繊維とを混合
して得た混合物よりなる紙糸をフィラメントワインデイ
ング装置にセットして、同装置内で熱硬化合成樹脂を含
浸し、次いでこの含浸した複合材料２を芯材１に巻き付
けて、パイプ状にし、次いでこれらの芯材１とパイプ状
複合材料２とを熱硬化合成樹脂の硬化温度まで加熱し
て、熱硬化合成樹脂を硬化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、天然繊維強化複合パイ
プ及びその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】炭素繊維等の化学繊維を主体とした繊維
強化複合材料によるパイプは、金属（例えば鉄やアルミ
ニウム）製パイプの代わりに、航空機部品、スポーツ・
レジャー用品、或いは一般産業分野の部品に幅広く使用
される傾向にある。従来、炭素繊維パイプは、炭素繊維
を合成樹脂に含浸して得た複合材料をパイプ状に成形す
ることにより製作している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】前記従来の炭素繊維等
の化学繊維を主体とした繊維強化複合材料は、化学繊維
と合成樹脂との接着界面に化学的反応がなくて、物理的
なアンカー効果により接合されているだけであり、化学
的な結合に関しては明確な理論がない。また化学繊維自
体の伸びがごく小量であることから、衝撃時に炭素繊維
と合成樹脂との接着界面での層間剥離が起きて、耐衝撃
性の脆さや合成樹脂の脆性破断等に問題があった。

【０００４】本発明は前記の問題点に鑑み提案するもの
であり、その目的とするところは、耐衝撃性を向上でき
る天然繊維強化複合パイプ及びその製造方法を提供しよ
うとする点にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の天然繊維強化複合パイプは、請求項１に
記載したようにプラスチックス等のマトリックスと、天
然繊維より作成された紙糸とによりなる複合材料をパイ
プ状に硬化、成形したことを特徴としている。また本発
明の前記天然繊維強化複合パイプは、請求項２に記載し
たように紙糸に、天然繊維と化学繊維とを混合して得た
混合物を使用している。

【０００６】また本発明の天然繊維強化複合パイプの製
造方法は、請求項３に記載したように天然繊維または天
然繊維と化学繊維とを混合して得た混合物よりなる紙糸
をフィラメントワインデイング装置にセットして、同装
置内で熱硬化合成樹脂を含浸し、次いでこの含浸した複
合材料を芯材に巻き付けて、パイプ状にし、次いでこれ
らの芯材とパイプ状複合材料とを熱硬化合成樹脂の硬化
温度まで加熱して、熱硬化合成樹脂を硬化させることを
特徴としている。

【０００７】また本発明の天然繊維強化複合パイプの製
造方法は、請求項４に記載したように熱硬化合成樹脂に
２液性の常温硬化合成樹脂を使用してもよい。また本発
明の天然繊維強化複合パイプの製造方法は、請求項５に
記載したように芯材に繊維強化プラスチック製パイプま
たは金属製パイプを使用して、同芯材を脱芯せず、芯材
とパイプ状複合材料とをそのまま成形品にするようにし
ている。

【０００８】

【作用】本発明の天然繊維強化複合パイプは前記のよう
にプラスチックス等のマトリックスと天然繊維（または
天然繊維と化学繊維の混合物）との複合材料を硬化、成
形しており、プラスチックス等のマトリックスが天然繊
維へ十分に浸透し、層間剥離が起こり難くなって、物理
的結合が強靱になった。それに加え、天然繊維自身が複
雑に絡み合いながら強度を保持しており、引張試験や曲
げ試験などの強度試験時の破断形態が、破損しても、破
断に至らないなど、化学繊維単体の場合とかなり異なっ
ている。

【０００９】また天然繊維と化学繊維との混合物は、化
学繊維単体における脆性的な破断形態が天然繊維を混合
することにより起きにくくする作用がある。特に天然繊
維にミツマタ等の靱皮繊維やマニラ麻繊維を使用し作成
された紙糸と、合成樹脂に熱硬化合成樹脂を使用して、
紙糸をフィラメントワインディング装置にセットして、
同装置内で熱硬化合成樹脂に含浸し、次いで同複合材料
に適度な張力を与え、次いで同複合材料を金属製の芯材
に巻きつけ、次いで同複合材料と芯材を熱硬化合成樹脂
の硬化温度まで加熱し、同熱硬化合成樹脂を硬化させ、
次いで同芯材を脱芯して、成形品を取り出す。

【００１０】

【実施例】次に本発明の天然繊維強化複合パイプ及びそ
の製造方法を図１〜図４に示す実施例により説明する。
先ず天然繊維より作成される紙糸について説明する。 （１）原料繊維 本発明の筒形複合材料の補強材として使用する紙糸の主
原料は、パルプ化植物繊維である。植物繊維としては、
木類靱皮繊維、麻類靱皮繊維および葉繊維から選ばれ
る。この他に少量の木材パルプ、あるいは製紙用として
公知の合成繊維や合成パルプが混合使用出来る。

【００１１】木類靱皮繊維には、こうぞ、みつまた、が
んぴ、桑などの繊維がある。これらの原木から剥ぎとっ
た樹皮を、アルカリ等の薬液で蒸煮して、パルプ化繊維
を製造する。麻類靱皮繊維には、亜麻、苧麻、大麻、ジ
ュート、ケナフ等の繊維がある。これらの茎から醗酵な
どの方法で繊維束を分離し、アルカリなどの薬液で蒸煮
して、パルプ化繊維を製造する。

【００１２】葉繊維は、マニラ麻やサイザル麻の葉から
葉肉を取除き、残った葉脈などの繊維をアルカリなどの
薬液で蒸煮してパルプ化繊維を製造する。これらの靱皮
繊維や葉繊維からのパルプ製造技術については、紙パル
プ技術協会編『クラフトパルプ・非木材パルプ』昭和４
２年３月：紙パルプ技術協会発行；に詳しく記載されて
いる。

【００１３】製紙用として公知の合成繊維には、レーヨ
ン、ビニロン、ポリエステル、ナイロン、アクリル、ア
ラミド等の有機繊維および、ガラス繊維、炭素繊維等の
無機繊維がある。これらのうち、有機繊維は、繊度０．
１〜５デニール、長さ３〜１３ｍｍであって、水となじ
みがよく、水に分散可能な仕上げ剤を付着したものであ
る。

【００１４】無機繊維は、繊維径３〜１３μｍ、長さ３
〜１３ｍｍのものが好適に使用できる。合成パルプは、
ポリマーを溶解状態または溶融状態から強い力を加えな
がら固体化させて細いフイブリル状にしたもので、ポリ
オレフインパルプやアラミドパルプが市販されている。

【００１５】パルプ化例（ａ） 靱皮繊維として、風乾白皮みつまたを一夜水に浸した後
に、平釜に投入し、１５％の苛性ソーダおよび１５倍の
水を加えて加熱し、１．５時間煮沸する。これを脱液・
水洗し、ビーターで分散させてから、次亜塩素酸ソーダ
で漂白し、水洗後に除塵機を通し、脱水してウエットパ
ルプシートを得た。

【００１６】パルプ化例（ｂ） 葉繊維として、マニラ麻を１５％の苛性ソーダおよび水
と、地球形の蒸解釜に入れ、圧力５．５ｋｇ／ｃｍ² の
加圧下で６時間蒸気加熱してパルプ化する。これを脱
液、水洗し、次亜塩素酸ソーダで漂白し、水洗後に除塵
機を通し、脱水してウエットパルプシートを得た。 （２）抄紙 上記のようにして得られるパルプ化植物繊維は、水に分
散されて、ビーターやリフアイナーを用いて所望の叩解
度に叩解される。

【００１７】また所望により異種パルプ化植物繊維が混
合されたり、合成パルプや合成繊維が混合される。ある
いは湿潤強力向上剤等の添加薬品が混合される。これら
の混合は、パルパー、ビーター、配合ポーチャーの中で
適宜行われる。次いでこのように配合されたスラリーを
抄紙機に流送し、乾燥秤量が１０〜１００ｇ／ｍ² の範
囲で抄紙、乾燥されて巻きとられる。抄紙機は、長網、
短網、傾斜ワイヤー形、円網等の各種の形式が使用でき
る。中でも円網抄紙機は、繊維が縦方向に配向するの
で、細長く紙糸にスリットした後の強度が高くなる利点
がある。また抄紙の際にドクター刃を用いてクレープ処
理した紙は、嵩高になり、樹脂の含浸性が向上する。 （３）スリット 上記の巻きとられた紙をマイクロスリッターにかけて、
所望の幅の細いテープ状にスリットし、紙糸にしてボビ
ンに巻きとる。マイクロスリッターとしてはシヤーカッ
ト方式のスリッターが最適である。

【００１８】紙糸にスリットされる原紙の厚さおよび幅
は、複合材料の品質設計に応じて可能な範囲で設定され
る。厚さは上記の範囲から、また幅は０．３〜２０ｍｍ
が糸材として好ましい。 （４）より（撚り） 筒形複合材料を製造するフィラメントワインディング工
程において、紙糸の樹脂含浸と、含浸後の走行やワイン
ディングを安定に行わせるために、紙糸により（撚り）
を加えるのが好ましい。ねん糸は、通常のねん糸機を用
いて、速度を若干低く設定することによって問題なく製
作できる。適切なより数は、紙糸の厚さや太さによって
異なるが、通常の衣料用糸よりは低く設定することによ
り、樹脂含浸性や走行性、作業性に良い結果が得られ
た。

【００１９】

【表１】

【００２０】紙糸例（ａ） みつまたウエットパルプシートを水に分散し、その絶乾
重量の１％の湿潤強力向上剤を添加したスラリーを調製
した。これに少量の粘剤を用いて円網抄紙機により抄紙
した。得られたみつまた紙の特性は、表１の例１の通り
であった。この紙を幅２ｍｍにスリットし、５００Ｔ／
ｍのよりを加えて、みつまた紙糸を作製した。

【００２１】紙糸例（ｂ） 表１の例１ののみつまたウエットパルプシートの代わり
に、マニラ麻ウエットパルプシートを用いて同様に抄紙
した。得られたマニラ紙の特性は表 例２．の通りであ
る。更に表１の例１と同様にスリットおよび、より加工
して、マニラ紙糸を得た。

【００２２】紙糸例（ｃ） 表１の例２に使用したマニラ麻ウエットパルプシート
に、径７μｍ、長さ６ｍｍのＰＡＮ系炭素繊維を、乾燥
重量比９：１になるように混合し、湿潤強力向上剤を添
加して例１．と同様に抄紙した。得られた炭素繊維混抄
紙の特性を表１の例３に記載した。さらに表１の例１と
同様にスリットおよび、より加工して、混抄紙糸を得
た。

【００２３】炭素繊維は著しく剛性が大で、また接着性
もあまり高くないので、紙特性や紙糸強度には原糸特性
は十分には反映されない結果を示した。ただし樹脂の浸
透は良く、複合材料の補強材として繊維特性の効果が認
められる。上記の方法より作成された紙糸をフィラメン
トワインディング装置の原料送出部にセットして、紙糸
に紙糸の有する引張強度限度内にて目的に応じて適度に
張力をかける。

【００２４】次いで装置内の樹脂層を通過させて、熱硬
化合成樹脂と体積含有率が適量になるように治具をセッ
トしながら含浸する。次いで同複合材料を同フィラメン
トワインディング装置の回転部にセットした図１に示す
金属製のφ１８ｍｍの芯材１に、予めコンピューターに
入力した繊維の積層角度４５°、積層数１５層、芯材回
転速度１５ｍ／分等の条件で、自動的に巻き付ける。こ
の状態を図２に示した。図２（ａ）が複合材料２の巻き
始め、図２（ｂ）が中間折り返し、図２（ｃ）が複合材
料２の巻き終わりの状態を示している。

【００２５】次いで巻き付けられた同複合材料２と芯材
１とを回転型の加熱炉において、８０℃の温度で２時
間、加熱して、同複合材料２の熱硬化合成樹脂を硬化さ
せて、自然冷却させ、次いで芯材１を脱芯して、成形品
（天然繊維強化複合パイプ）を取り出す。図３の３が成
形品で、図３は、この成形品３を自転車のフレームに適
用した場合を示している。

【００２６】上記のように複合材料２をフィラメントワ
インディング装置内で、熱硬化性合成樹脂に含浸させ
て、金属製の芯材１に巻き付けるが、同複合材料２の巻
き付けを完了するまでに熱硬化合成樹脂が天然繊維の中
に十分に浸透するため、繊維と樹脂との結合が強固にな
る。さらに同複合材料２を加熱炉で熱硬化性合成樹脂の
硬化温度まで加熱するが、加熱の初期段階では、熱硬化
性合成樹脂が流動性を帯びるため、さらに十分に樹脂が
繊維中へ浸透し、天然繊維の水酸基と熱硬化合成樹脂の
水素基とが積極的に反応して化学的結合がより強靱にな
り、複合パイプの曲げ強度は強靱なものとなった。

【００２７】図４は、複合パイプの曲げ剛性を測定した
結果を示している。複合パイプの曲げ試験より求められ
る曲げ弾性率は、複合パイプの片端を固定して、固定端
より約５ｍｍの部分に１８０度対象に２枚の歪ゲージを
張り付け、固定端より２００ｍｍの部分に荷重をかけた
ときの歪量から求められる。このとき、積層角度４５度
において、体積含有率６０％（換算値）のときの複合パ
イプの曲げ弾性率は約１１，６００ＭＰａである。これ
らのパイプより組み立てられた自転車フレームを図５に
示す。

【００２８】

【発明の効果】本発明の天然繊維強化複合パイプは前記
のようにプラスチックス等のマトリックスと、天然繊維
（または天然繊維と化学繊維との混合物）より作成され
た紙糸とによりなる複合材料をパイプ状に硬化、成形し
ており、次の効果を達成できる。即ち、 （１）プラスチックス等のマトリックスが天然繊維へ十
分に浸透し、層間剥離が起こり難くなり、そのため、自
転車や車椅子などにおいては、衝突時、衝撃をやわらげ
人体への危害を最小限にとどめる働きをする。天然繊維
（または天然繊維と化学繊維との混合物）から作成され
た紙糸は、糸の密度が高くて、繊維の絡み合っている強
度も強いため、紙糸単体の強度も強く、複合パイプの引
張試験などの強度試験時の破断の形態が破損しても、破
断にいたらないなど、化学繊維単体の場合とかなり異な
っている。 （２）それに加え、天然繊維（または天然繊維と化学繊
維との混合物）から作成された紙糸は、適度に撚糸を行
うことにより、糸の密度が高くなり、さらに伸びが生じ
ることから、弾力性が強くなる。そのため、フィラメン
トワインディングの作業性が向上する。

【００２９】また本発明の天然繊維強化複合パイプの製
造方法は、天然繊維または天然繊維と化学繊維とを混合
して得た混合物よりなる紙糸をフィラメントワインデイ
ング装置にセットして、同装置内で熱硬化合成樹脂を含
浸し、次いでこの含浸した複合材料を芯材に巻き付け
て、パイプ状にし、次いでこれらの芯材とパイプ状複合
材料とを熱硬化合成樹脂の硬化温度まで加熱して、パイ
プ状複合材料を硬化させるようにしており、次の効果を
達成できる。即ち、フィラメントワインディング装置に
より得られた複合材料は、繊維が始めから終わりまで連
続しており、通常よく使われているシート状の繊維（プ
リプレグ）を芯材に巻き付けて成形する方法に比べて、
紙糸の密度が高く、繊維をたくさん製品に入れることが
できる。そのため、より軽量で、パイプの剛性が高くな
る。また繊維をシート状にする必要がないため、成形時
間が短くなる上に、製作コストが低減する。

【００３０】特に天然繊維にミツマタを使用し、合成樹
脂に熱硬化性合成樹脂を使用して、フィラメントワイン
ディング装置内の樹脂層で互いに含浸、複合させ、次い
で同複合材料を装置の回転部に取り付けた金属製の芯材
に巻き付けて、巻き付けられた同複合材料と芯材を加熱
炉で熱硬化製樹脂の硬化温度まで加熱して硬化させ、次
いで芯材を脱芯して成形品を取り出す場合には、前記効
果の外に次の効果が達成される。即ち、加熱のはじめの
段階では、熱硬化性合成樹脂が流動性を帯びており、天
然繊維の水酸基と熱硬化性合成樹脂の水素基とが積極的
に反応して化学的結合が強靱になった。そのため、天然
繊維強化複合パイプの耐衝撃性を向上し、柔軟性を高め
る等の作用がある。さらに破損時においても、繊維と樹
脂との密着性が高いため、脆性的を破損形態を示さず、
人体へ危害を及ぼす危険性が少ないという効果がある。

【００３１】そして熱硬化合成樹脂に２液性の常温硬化
合成樹脂を使用した場合、硬化時間を短縮するため、常
温硬化合成樹脂を適切な硬化温度まで加熱して、同様に
成形する。その場合、常温硬化合成樹脂は、大半が加熱
されても支障はないし、加熱すると、温度に比例して成
形時間が短縮する傾向を示す。また前記芯材に、金属製
及び繊維強化プラスチック製のパイプを使用した場合、
大部分は芯材をパイプの一部として利用するため、芯材
を抜く行程を省略することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の天然繊維強化複合パイプの製造方法で
使用する芯材を示す斜視図である。

【図２】フィラメントワインディング装置内での複合材
料の芯材に対する巻付け状態を示す説明図である。

【図３】成形品（天然繊維強化複合パイプ）の使用例を
示す側面図である。

【図４】複合パイプの曲げ剛性の測定結果を示す説明図
である。

【符号の説明】

１ 芯材 ２ 複合材料 ３ 成形品（天然繊維強化複合パイプ）

フロントページの続き (72)発明者 小川 宏隆 愛知県名古屋市天白区市塩釜口１丁目501 番地 名城大学 理工学部 交通機械学科 内 (72)発明者 鈴村 暁男 東京都目黒区大岡山２丁目12番１号 東京 工業大学 工学部 生産機械工学科内 (72)発明者 遠藤 明太郎 岐阜県美濃市前野422番地 大福製紙株式 会社内 (72)発明者 西宇 雅道 岐阜県美濃市前野422番地 大福製紙株式 会社内 (72)発明者 境田 賢次 東京都港区高輪３丁目25番23号 京急第２ ビル 旭エンジニアリング株式会社内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラスチックス等のマトリックスと、天
   然繊維より作成された紙糸とによりなる複合材料をパイ
   プ状に硬化、成形したことを特徴とする天然繊維強化複
   合パイプ。
2. 【請求項２】 前記紙糸に、天然繊維と化学繊維を混合
   して得た混合物を使用することを特徴とした請求項１記
   載の天然繊維強化複合パイプ。
3. 【請求項３】 天然繊維または天然繊維と化学繊維とを
   混合して得た混合物よりなる紙糸をフィラメントワイン
   デイング装置にセットして、同装置内で熱硬化合成樹脂
   を含浸し、次いでこの含浸した複合材料を芯材に巻き付
   けて、パイプ状にし、次いでこれらの芯材とパイプ状複
   合材料とを熱硬化合成樹脂の硬化温度まで加熱して、熱
   硬化合成樹脂を硬化させることを特徴とした天然繊維強
   化複合パイプの製造方法。
4. 【請求項４】 前記熱硬化合成樹脂に２液性の常温硬化
   合成樹脂を使用することを特徴とした請求項３記載の天
   然繊維強化複合パイプの製造方法。
5. 【請求項５】 前記芯材に繊維強化プラスチック製パイ
   プまたは金属製パイプを使用して、同芯材を脱芯せず、
   芯材とパイプ状複合材料とをそのまま成形品にすること
   を特徴とした請求項３記載の天然繊維強化複合パイプの
   製造方法。