JPH05237971A - 積層パイプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 軽量にして強度、耐衝撃性および振動減衰性
にバランスのとれたパイプを提供することにある。 【構成】 有機繊維と樹脂よりなる複合材料からなる層
が金属パイプに積層一体化され、対数振動減衰率が０．
００３以上である積層パイプ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、有機繊維と樹脂よりな
る複合材料からなる層を金属パイプに設けてなる振動減
衰性に優れた積層パイプに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、金属パイプは、構造材料として幅
広く使用されてきており、特に軽量化が望まれる分野で
は鉄パイプの代わりに比重の軽いアルミニウムパイプや
合金製パイプが使用されている。近年さらなる軽量化の
要望があるためこの要望に応えて比重のより軽いプラス
チック材料によるパイプも開発されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、金属パイプで
は軽量化の点で不十分であるのみならず、構造材料とし
て使用した場合、振動減衰性が小さいために振動が人体
に伝達し易く、不快感等の負担を与えるという欠点を有
していた。一方、プラスチック材料によるパイプは、振
動減衰性の点では金属パイプより良いものの、構造材と
しての強度、剛性に劣ることが多く、このため強度、剛
性に優れたカーボン繊維、ガラス繊維などと樹脂を複合
一体化させた繊維強化プラスチック製のパイプも開発さ
れているが、耐衝撃性等の面で十分でないという問題が
あった。

【０００４】したがって、本発明の目的は、軽量にして
強度、耐衝撃性および振動減衰性にバランスのとれたパ
イプを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような上
記問題を解消した積層パイプを提供しようとするもので
ある。すなわち、本発明によれば上記目的は、有機繊維
と樹脂よりなる複合材料からなる層が金属パイプに積層
一体化され、対数振動減衰率が０．００３以上である積
層パイプによって達成される。

【０００６】本発明に用いられる複合材料は、補強材で
ある有機繊維とマトリックス樹脂とより成る。補強材と
しての有機繊維としては、全芳香族ポリエステル繊維
（以下ＡＦと略称することがある）、ポリビニルアルコ
ール繊維（以下ＶＦと略称することがある）、全芳香族
ポリアミド繊維などが挙げられ、全芳香族ポリエステル
繊維が好ましく用いられる。これらの有機繊維には、本
発明の目的を害しない範囲で無機繊維である炭素繊維
（以下ＣＦと略称することがある）、ガラス繊維（以下
ＧＦと略称することがある）等と複合して用いることも
できる。これらの繊維の形態としては、特に制限はない
が、ロービングを引き揃えたもの、長繊維を使用してい
る織布、単繊維及び長繊維の不織布等が挙げられる。ま
たマトリックス樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポ
リエステル樹脂、ビニルエステル樹脂などの熱硬化性樹
脂；ポリイミド樹脂、ポリエーテル・エーテルケトン、
ポリエーテルサルホンなどの熱可塑性樹脂を用いること
ができる。補強材としての繊維の使用割合は、繊維と樹
脂よりなる全複合材料に対して、繊維体積パーセントと
して２０〜７０ｖｏｌ％の範囲で用いられる。

【０００７】補強材としての繊維にマトリックス樹脂を
含浸一体化した複合材料からなる層と金属パイプとから
なる積層パイプにおいて、有機繊維を含有した複合材料
層は、軽量性・衝撃強度・振動減衰性等の向上に特徴を
有し、一方金属パイプは、強度・衝撃性・剛性・導電性
に特徴を有する。本発明の積層パイプで使用される全芳
香族ポリエステル繊維を構成する全芳香族ポリエステル
とは、芳香族ヒドロキシ酸、芳香族ジカルボン酸、芳香
族ジオールなどの２官能性の芳香族化合物を主たるモノ
マーとするポリエステルであり、その例として、ｐ−ヒ
ドロキシ安息香酸と６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸を
主たるモノマーとし、かつ溶融時異方性を示す全芳香族
共重合ポリエステルなどの液晶性全芳香族ポリエステル
が挙げられる。また、ポリビニルアルコール繊維を構成
するポリビニルアルコールの重合度は１５００以上であ
ることが好ましい。さらにまた全芳香族ポリアミド繊維
を構成する全芳香族ポリアミドは、芳香族ジアミンと芳
香族ジカルボン酸化合物を主たるモノマーとするポリア
ミドであり、ｐ−フェニレンテレフタルアミドなどがあ
る。有機繊維としては、特に制限はなく、上記有機繊維
が好ましく用いられ、通常引っ張りでの伸び率が２．０
％以上である。本発明の金属パイプとしては、鉄パイ
プ、アルミニウムパイプ、銅パイプ等が挙げられ、軽量
性の点でアルミニウムパイプが好ましく用いられる。本
発明の積層パイプにおいては、有機繊維と樹脂よりなる
複合材料からなる層と金属パイプとの間もしくは該複合
材料からなる層の外側にカーボン繊維、ガラス繊維等の
無機繊維と樹脂よりなる複合材料からなる層が介在して
もよく、介在した方が強度等の点では好ましい。

【０００８】本発明の積層パイプは、対数振動減衰率が
０．００３以上であることが必要である。対数振動減衰
率が０．００３未満である場合には、パイプの振動減衰
性能が不十分となり好ましくない。対数振動減衰率の値
が高い程パイプの振動減衰性が向上するので、重量等他
に制約のない限りパイプの対数振動減衰率は０．００５
以上であることが好ましく、０．０１０以上であること
がより好ましい。なおかかる対数振動減衰率は次の方法
によって求められた値である。積層パイプをその両端よ
り０．２２４（パイプ長さ比）に相当する部分をそれぞ
れ２００ｍｍの長さのタコ糸で吊し水平に保持する。こ
のパイプに一過性の振動を与え、その曲げ振動を検知す
る。検出方法としてはパイプ中心部より軸上１０ｍｍず
らした位置の真上に上下運動の加速度を測定できる加速
度計ピックアップを、その真下のパイプ位置に歪ゲージ
を軸方向向きにそれぞれ貼り付ける。歪ゲージからの信
号を、ブリッジボックスを介して動歪測定器に伝達し、
該動歪測定器で検知された伸縮振動の変位を記録計で波
形として記録する事により、その周波数を求める。ま
た、加速度ピックアップよりの信号は、振動計を通し、
記録計にてその加速度の変化を記録する。対数振動減衰
率は、加速度ピックアップより検出される加速度の変化
の傾きより求められる。すなわち傾きをＤ（ｄＢ／ｓｅ
ｃ）、振動周波数ｆｎ（Ｈｚ）、対数振動減衰率δとす
ると次式により求めることができる（騒音対策ハンドブ
ック：日本音響材料協会編；技報堂（１９７５年））。 δ＝π×Ｄ／（２７．２９×ｆｎ） （但し、πは円周率を表わす）

【０００９】本発明の積層パイプにおいて有機繊維を含
んだ層は、振動減衰性に主として寄与し、金属層は、剛
性などの機械的強度に寄与する。これらの効果を十分に
発現させるうえで、有機繊維を含んだ層は、０．１ｍｍ
以上、好ましくは０．３〜０．６ｍｍであることが望ま
しく、金属層の厚みも０．５ｍｍ以上、好ましくは０．
８〜３ｍｍであることが望ましい。積層パイプの振動減
衰性及び機械的強度の両方が特に良好となる点から金属
層の体積は、積層パイプ全体の１０〜９０ｖｏｌ％を占
めることが好ましく、積層パイプの３０〜７０ｖｏｌ％
を占めることがより好ましい。また、同様の観点から有
機繊維を含んだ層（以下層（イ）と称することがある）
の占める割合は、パイプ中の３〜９０ｖｏｌ％を占める
ことが好ましく、７〜７０ｖｏｌ％を占めることがより
好ましい。

【００１０】本発明の積層パイプでは、パイプの寸法；
層（イ）の配置及び厚み；ＡＦ及び／又はＶＦの形態及
び使用量；マトリックス樹脂の種類及び使用量等を適宜
選択することによって対数振動減衰率を０．００３以上
の値とすることができる。積層パイプの機械的強度を高
い水準に保持しながら対数振動減衰率を効果的に向上さ
せうる点において、積層構造における層（イ）の配置は
特に重要である。本発明の積層パイプでは、層（イ）の
少なくとも一層を内周近傍及び／又は外周近傍に位置さ
せることが、優れた振動減衰性と高い機械的強度とを両
立させるうえで好ましい。すなわち、積層パイプの内径
をＤｌ（ｍｍ）、Ｄｏ（ｍｍ）とするとき、層（イ）の
少なくとも一層が、式

【００１１】ｄｏ＜（３Ｄｉ＋Ｄｏ）／４

【００１２】を満足する外径ｄｏ（ｍｍ）を有するか、
又は

【００１３】ｄｉ＞（Ｄｉ＋３Ｄｏ）／４

【００１４】を満足する内径ｄｉ（ｍｍ）を有すること
が好ましい。層（イ）の少なくとも一層を積層パイプの
最内層及び／又は最外層として存在させる場合には、層
（イ）のパイプの対数振動減衰率の向上への寄与はとり
わけ大となる。またこの場合、露出した層（イ）の表面
に切削、研磨等の後加工を施す必要があれば、該露出し
た層（イ）を加工性の良好なＶＦとマトリックス樹脂か
らなる複合材で構成することが好ましい。

【００１５】本発明の積層パイプは、たわみ量が６０ｍ
ｍ以下、好ましくは５０ｍｍ以下であることが望まし
い。たわみ量は、パイプを支点間距離１，４００ｍｍと
してその中心に１０ｋｇの荷重を掛けた時のパイプ中心
部のたわみを測定することにより求めることができる。

【００１６】本発明のパイプは衝撃角度３０°以上、好
ましくは４０°以上、より好ましくは５０°以上である
ことが衝撃強度向上の点で望ましい。衝撃強度を測定す
る方法を以下に述べる。まず積層パイプを水平に支点間
距離（Ｓ）で固定する。また先端に６ｋｇの荷重を取付
けた金属棒（外径２２ｍｍ）の一端を回転できるように
固定する。次いで積層パイプの中心を前記金属棒の振り
上げ角度を変えて衝撃を加えることにより積層パイプの
破損状態を確認する。この場合の金属棒の回転固定部か
ら衝撃点までは８００ｍｍ、荷重部までの距離は１，１
００ｍｍとした。またパイプ長さ（Ｌ）と支点間距離
（Ｓ）は、以下の関係とした。

【００１７】積層パイプの長さ（Ｌ）＝（Ｄ１・Ｄ１−
Ｄ２・Ｄ２）・π

【００１８】支点間距離（Ｓ）＝２Ｌ／３

【００１９】（但し、Ｄ１は積層パイプの外径、Ｄ２は
積層パイプの内径、πは円周率を表す。）

【００２０】上記の方法により、パイプの破壊や変形の
見られる最小の角度を求め、その角度を衝撃角度とし
た。

【００２１】本発明の積層パイプは、複合材料製積層パ
イプの製法として公知の種々の製法により製造可能であ
る。例えば（１）一方向に引き揃えた繊維状補強材に樹
脂を含浸させた一方向プリプレグシート又は織布に樹脂
を含浸させたクロスプリプレグシートを用い、所望の繊
維配向度で金属パイプに積層巻き回し、更にその上に、
加熱収縮テープを巻き回した後加熱硬化することからな
るテープラッピング法；（２）繊維状補強材としてのロ
ービングを樹脂含浸させながら連続的に金属パイプに巻
きつけるか、又は上記一方向プリプレグシート若くはク
ロスプリプレグシートをテープ状に切断したものを連続
的に金属パイプに巻きつけ、更にその上に、加熱収縮テ
ープを巻き回した後、加熱硬化することからなるフィラ
メントワインディング法；（３）テープラッピング法と
フィラメントワインディング法とを組み合わせた方法等
により成形することが出来る。また、上記各種方法にお
いて、金属パイプの代わりにマンドレルを用いあらかじ
め複合材料層を形成し、これを金属パイプの外側又は内
側に積層してもよい。なお、必要に応じて、表面に切
削、研磨、塗装などの後加工を施してもよい。

【００２２】

【実施例】以下、本発明を実施例により具体的に説明す
る。

【００２３】実施例１ ＡＦとエポキシ樹脂からなる一方向引き揃えプリプレグ
（以下ＡＦ−ＵＤＰＰと記す）とアルミパイプを用いて
テープラッピング法により２層構造の積層パイプを製造
した。すなわち、ＡＦ−ＵＤＰＰとしてＶ１００００−
５１９４０Ｎ［新日鉄化学製；ＡＦ：ベクトラン（クラ
レ製）；繊維目付量：１００ｇ／ｍ²；樹脂含有率：４
０重量％］を用いローリングテーブルで外径２４ｍｍ、
肉厚１．０ｍｍのアルミパイプ上に４重となるように巻
き付けた。こうして得られたプリプレグが巻き付けられ
たアルミパイプにさらに加熱収縮テープをテープラッピ
ングマシンで巻き付けこれを加熱炉中で９０℃で３０分
間、さらに１３０℃で９０分間加熱することにより、硬
化させた。硬化反応後収縮テープを除去することによ
り、内径２２ｍｍ、肉厚１．４８ｍｍ、長さ１５００ｍ
ｍ、重量３６８ｇの２層構造の積層パイプを得た。積層
パイプ中、金属材料は６６ｖｏｌ％を占め、ＡＦは１９
ｖｏｌ％であった。また、積層パイプの対数振動減衰率
は０．０１４であり、たわみ量は１４ｍｍ、衝撃角度は
５０°であった。衝撃角度４０°ではパイプの損傷、Ａ
Ｆ層の剥離切断は見られなかった。

【００２４】実施例２ ＶＦとエポキシ樹脂からなる一方向引き揃えプリプレグ
（以下ＶＦ−ＵＤＰＰと記す）とＣＦとエポキシ樹脂か
らなる一方向引き揃えプリプレグ（以下ＣＦ−ＵＤＰＰ
と記す）とアルミパイプを用いて実施例１におけると同
様にして積層パイプを作製した。ＶＦ−ＵＤＰＰとして
は、平均重合度４０００のクラレ製ビニロンＴ−７９０
１−２のＶＦを繊維状補強材とする繊維目付量１００ｇ
／ｍ²、樹脂含有量３７重量％のプリプレグを用い、Ｃ
Ｆ−ＵＤＰＰとしてトレカ３０５３Ｓ（東レ製；繊維目
付量１２５ｇ／ｍ²；樹脂含有量３０重量％）を用い、
これらを４重、１重となるように内径２０．８ｍｍ、肉
厚１ｍｍのアルミパイプに順次巻き付けた以外は、実施
例１におけると同様にして内径２０．８ｍｍ、肉厚１．
６０ｍｍ、長さ１５００ｍｍ、重量３６５ｇの３層構造
の積層パイプを得た。得られた積層パイプにおけるＣＦ
含有層、ＶＦ含有層及びアルミ層の厚みは、各々０．１
２ｍｍ、０．４８ｍｍ及び１．００ｍｍであった。積層
パイプ中のアルミニウムは６１ｖｏｌ％、ＶＦは１８ｖ
ｏｌ％であった。また、積層パイプの対数振動減衰率は
０．０１０であり、たわみ量は１３ｍｍ、衝撃角度は４
０°であった。衝撃角度３０°ではパイプの損傷は見ら
れなかった。

【００２５】実施例３ 実施例１で用いたものと同じＡＦ−ＵＤＰＰを用い、ロ
ーリングテーブルでこれを４重になるように外径２１ｍ
ｍの芯金（マンドレル）に巻き付けた。これを実施例１
と同様な方法で収縮テープを巻き、硬化させた。硬化反
応後、芯金を脱型し、加熱収縮テープを除去し、内径２
１ｍｍ、肉厚０．４８ｍｍ、長さ１５００ｍｍ、重量５
６ｇのパイプ状物を得た。このパイプ状物を内径２２．
００、肉厚１．００ｍｍの鉄パイプに接着剤を使用し、
挿入貼り付けた。このパイプは内径２１．００ｍｍ、肉
厚１．５０ｍｍ、長さ１５００ｍｍ、重量９０１ｇの２
層構造の積層パイプを得た。得られた積層パイプにおけ
る積層パイプ中鉄は６８ｖｏｌ％、ＡＦは１７ｖｏｌ％
であった。また、積層パイプの対数振動減衰率は０．０
０７であり、たわみ量は７ｍｍ、衝撃角度は６０°であ
った。衝撃角度５０°ではパイプの損傷は見られなかっ
た。

【００２６】比較例１ 実施例１で用いたものと同じアルミパイプ（外径２４ｍ
ｍ、肉厚１．０ｍｍ、長さ１，５００ｍｍ、重量３０８
ｇ）の対数振動減衰率は０．００１であり、たわみ量は
１６ｍｍであった。また衝撃角度は５０°で、この時パ
イプの若干の曲がりが見られた。この結果から該パイプ
は振動減衰性に劣るものであることがわかる。

【００２７】比較例２ 実施例２のＣＦ−ＵＤＰＰと実施例１のアルミパイプを
用いて、ＣＦ−ＵＤＰＰ４層を外径２４．０ｍｍ、肉厚
１ｍｍのアルミパイプに巻き付け、実施例１におけると
同様にして内径２２．０ｍｍ、肉厚１．４６ｍｍ、長さ
１５００ｍｍ、重量３５２ｇの２層構造の積層パイプを
得た。積層パイプの対数振動減衰率は０．００２であ
り、たわみ量は１９ｍｍであった。また衝撃角度は２８
°で、この時ＣＦ層亀裂が見られた。この結果から該パ
イプは振動減衰性及び衝撃特性に劣るものであることが
わかる。

【００２８】比較例３ ＧＦとエポキシ樹脂からなる一方向引き揃えプリプレグ
（以下ＧＦ−ＵＤＰＰと記す）を用いてテープラッピン
グ法によりパイプ状物を製造した。。すなわち、ＧＦ−
ＵＤＰＰとしてＧＥ１７５００−５１９３３Ｎ（新日鉄
化学製：繊維目付量；１７５ｇ／ｍ²；樹脂含有量３６
重量％）を用いローリングテーブルでこれを１１重とな
るように外径２１ｍｍの芯金に巻き付けた。これを実施
例３と同様な方法でＧＦ複合材料のみのパイプを製造し
た。パイプ内径は２１ｍｍ、肉厚１．５９ｍｍ、長さ
１，５００ｍｍ、重量３２０ｇであった。得られたパイ
プの対数振動減衰率は、０．００２であり、たわみ量は
４３ｍｍであった。また衝撃角度は３０°で、この時パ
イプの破壊が見られた。この結果から該パイプは、振動
減衰性、衝撃特性に劣るものであることがわかる。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、軽
量化することができ、また強度、耐衝撃性および振動減
衰性にバランスのとれた積層パイプを提供することがで
きる。本発明の積層パイプは、このような特徴を有する
ことから、刈払機などの携帯機具などの管状部品として
有用である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 有機繊維と樹脂よりなる複合材料からな
   る層が金属パイプに積層一体化され、対数振動減衰率が
   ０．００３以上であることを特徴とする積層パイプ。
2. 【請求項２】 有機繊維が全芳香族ポリエステル繊維で
   ある請求項１記載の積層パイプ。
3. 【請求項３】 金属パイプが、アルミニウムパイプであ
   る請求項１又は２記載の積層パイプ。