JPH0625019B2 - 炭素繊維強化セメント用シート状成形中間体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、炭素繊維を強化材とし、セメント組成物をマ
トリックスとする硬化部材を製造するための炭素繊維強
化セメント用シート状成形中間体に関する。

本発明の中間体は、一方向に配向した連続炭素繊維が開
繊し炭素繊維のフィラメント間にセメントペーストが含
浸し、両面を低透湿又は非透湿性フィルムにて支持した
ものである。

用途としては、建築・土木分野にて使用され、特に建物
の外壁材、内壁材、床材、柱及び柱の補強、コンクリー
トの型枠、橋梁として利用できる。

また、この本発明の中間体は、工場生産が可能で、工場
生産された中間体は、低透湿又は非透湿性フィルムにて
支持されており、水分の蒸発を抑えた状態で保存され、
工場又は施工現場で使用される。

本発明の中間体の利用に際しては、従来のコンクリート
材料が、型枠に充填されて硬化・成形されるのと異な
り、低透湿又は非透湿性フィルムを剥離し、所定量、所
定方向に繊維軸が配向するように積層され、あるいは柱
のような芯体に巻き付けられて、セメントの水和反応に
よって硬化され、繊維強化セメント成形体として利用す
る事ができる。

〔従来技術とその問題点〕

近年、セメント組成物の補強材として、比強度、比弾性
率が高く、耐薬品性、耐蝕性が優れていることから炭素
繊維が注目を浴びている。しかし、これまでセメント組
成物を炭素繊維のみで補強する場合は、ほとんどが短繊
維を混入させて使用していた。短繊維を用いた場合、長
繊維を用いた場合に較べ、その強度、弾性率が寄与する
効果が小さく、また、混練上の問題から炭素繊維体積含
有割合はせいぜい 5％程度迄である。

長繊維を強化材とした場合、繊維体積含有率を高めるこ
とができる。そこで炭素繊維やアラミド繊維の長繊維を
用いてセメント組成物を補強する方法もあり、これらは
長繊維をエポキシ樹脂やビニルエステル樹脂等の有機合
成樹脂マトリックスで棒状又はロープ状等に成形し、鉄
筋の代わりに応用されつつある。

しかし、これらは、長繊維に含浸したマトリックスが有
機物であるため、耐火、耐熱性に乏しいという問題があ
る。

炭素繊維を強化材とし、セメント組成物をマトリックス
とした複合材料は、この耐火性、耐熱性に乏しいという
問題を解決することができる。

しかしながら、炭素繊維の長繊維を引き揃え、セメント
・水ペーストを含浸させたシート状成形中間体は、セメ
ント・水ペースト自体に粘着性がなく、しかも長繊維が
一方向に引き揃えられていることと相俟って、シート幅
方向の強度が低く、繊維間隔が広くなってしまう、いわ
ゆる目開きを生じ易く、取扱性が非常に悪いという問題
がある。

〔発明の目的〕

本発明は、上述のごとき問題がない炭素繊維強化セメン
トを得るため、炭素繊維を強化材とし、セメント組成物
をマトリックスとする取扱性に優れたシート状成形中間
体を提供するものである。

〔発明の構成及び作用〕

本発明は下記の通りである。

引き揃えられた複数本の一方向に配向した炭素繊維束に
セメント・水ペーストを含浸してなる炭素繊維強化セメ
ント用シート状成形中間体において、複数本の炭素繊維
束が該中間体の厚さ方向に交互配置に積層され、且つシ
ート面に沿って隣接する各炭素繊維束の中心を結ぶ線が
実質的にシート面と平行であり、且つ、両面を低透湿又
は非透湿性のフィルムで支持したことを特徴とする炭素
繊維強化セメント用シート状成形中間体。

炭素繊維を強化材とし、セメント組成物をマトリックス
とする本発明の成形中間体は、中間体中の炭素繊維が一
方向に配向した連続長繊維であり、採取の仕方により、
所定寸法にカットし又はロールに巻いた形で得ることが
できる。

この中間体は、炭素繊維束が該中間体の厚さ方向に複数
段交互配置されているため、シート状であるにもかかわ
らず、部分的に炭素繊維が存在せず空洞となるところ
の、いわゆる目開きがない。

この中間体を所定の寸法、形状に裁断し、必要に応じて
積層して後、中間体に含まれるセメント組成物水スラリ
ーの水和反応を進めることにより、炭素繊維強化セメン
ト成形物が得られる。中間体積層時に必要に応じて炭素
繊維の配向方向を変えることができるのは勿論である。

かくして得られる炭素繊維強化セメント組成物は、任意
の方向に強度、弾性率を向上させることが可能となり、
従来、コンクリート構造物の補強のために用いていた鉄
筋が不必要となる。このため、鉄筋の錆、腐食によるコ
ンクリートのひび割れの問題がなくなる。また、セメン
ト中のアルカリと或る種の骨材が反応してコンクリート
にひび割れを起すといわれる不都合なアルカリ骨材反応
の心配もない。

本発明の構成を図面により説明する。

第 1図は本発明の成形中間体の断面図である。第 1図に
おいては、 1は、低透湿又は非透湿性フィルムからなる
支持フィルム、すなわち、炭素繊維強化セメント用シー
ト状成形中間体の支持フィルムである。 2は、セメント
・水ペーストを含浸した炭素繊維束、すなわち、セメン
トペーストを含浸した炭素繊維束がシート状に集合した
成形中間体である。 2の炭素繊維束（成形中間体）はシ
ート面に沿って隣接する炭素繊維束の厚さ方向の中心を
結ぶ線が実質的にシート面と平行である複数段が交互配
置に積層されてなっており、第 1図においては、線 3、
4、 5、 6がそれぞれ、第 1、 2、 3、 4段目である。

この各段の炭素繊維束は、その幅方向の中心が互い違い
に位置している。

第 2図は本発明のシート状成形中間体を製造する方法の
概念図である。第 2図において、 7のクリールスタンド
から供給された炭素繊維束 8は、10の炭素繊維走行位置
規制（のための）溝ローラーで引き揃え整トウされ、13
のペースト浴に導かれる。

このペースト浴には炭素繊維束の走行方向に対して直角
に、10の溝ローラーに対応する複数の開繊バー11が配置
され、ここで開繊された炭素繊維のフィラメント間に14
のセメント・水ペーストが含浸する。更にペースト浴出
側には開繊バーと平行に12の方向転換バーが配置されて
いる。ここで11の炭素繊維束開繊バーの各々から誘導さ
れた、セメント・水ペーストを含浸した炭素繊維の薄い
シート状物は、重なり一体化したシート状になる。ペー
スト浴を出たシート状の炭素繊維束は、15のスクイズバ
ーで過剰のペーストを取り除かれた後、 1の支持フィル
ムを、17の支持フィルム密着ローラーで中間体の上下両
面に密着させ、18の引き取りローラーで引き取られる。
得られる中間体は所定長に切断して、又は紙管等に巻い
てロール状にて採取することができる。

第 3図は、炭素繊維走行位置規制溝ローラー配置の上方
からの投影図、すなわち、本発明のシート状成形中間体
における炭素繊維束の位置を決める溝ローラーの配置の
一例を示したものである。第 3図において、多段に配置
された溝ローラー10-1、10-2、10-3は、上から見下した
場合、隣り同志の溝ローラーの溝位置が互いにずれるよ
うに配置される。炭素繊維束 8は、このように規制され
た溝を通り、ペースト浴内の開繊バーに誘導され、引き
続いて方向転換バーで集合するが、この時、集合したシ
ート状炭素繊維束の厚さ方向の位置は互いにずれた状態
になり、目開きがない状態になる。

セメント・水ペースト浴に配置される炭素繊維開繊バー
は、固定バー又は自由に回転できるローラーが使用可能
であるが、開繊性が良く、炭素繊維の毛羽の巻き付きが
ない等の点から回転しない固定バーが好ましい。

また、セメンと・水ペーストを含浸した炭素繊維束は、
ペースト浴を出た後でピンガイドや溝ローラー等に接触
すると含浸ペーストの脱落、炭素繊維の毛羽発生による
トラブルを起し易い。従って、ペースト浴を出た後で炭
素繊維束の走行位置を規制して、炭素繊維強化セメント
成形中間体の炭素繊維目付を調整することは問題があ
る。中間体の炭素繊維目付を調整するためには、第 4図
（セメント・水ペースト浴の斜視図）に示すごとく、ペ
ースト浴内に複数本の開繊バーを設け、引き揃えた炭素
繊維束を各開繊バーへ導き、ペースト浴内で複数層重ね
る方法が好ましい。この方法によれば、炭素繊維走行位
置規制ローラーにより規制され、引き揃えたシート状の
炭素繊維束が開繊バー部では所定間隔毎に分散され充分
な開繊幅が保障され、ペーストの含浸も良くなる。

炭素繊維束の開繊を均一にするため、スラリー浴に入る
前の炭素繊維束の張力を一定にすることが好ましい。こ
のために、クリール部で 1錘毎に調整するか、又はクリ
ール部からスラリー浴間にダンサーローラーやニップロ
ーラーを配して調整することができる。

この炭素繊維強化セメント用シート状成形中間体の厚さ
は 0.2〜5mm の範囲が好ましい。この成形中間体は、非
常に柔らかい状態の材料であるため、 0.2mm未満の厚さ
では積層等の取扱時に目開きが発生し易く好ましくな
い。厚さが5mm 超になると積層作業時に成形中間体が支
持フィルムからずり落ちたりする問題が発生して好まし
くない。

また、成形中間体は、好ましくは、繊維目付が50〜500g
／m ^２であり、重量が 250〜10,000g ／m ^２である。

ここで使用される炭素繊維は連続繊維であれば特に制限
はなく、ＰＡＮ系、ピッチ系、セルロース系等のいずれ
でもよい。そして炭素繊維の含有率は 5〜30重量％の範
囲が好ましい。 5重量％未満であると、炭素繊維強化セ
メント成形物への機械的特性の寄与が小さく、またセメ
ントの硬化収縮に抗しきれずクラックが発生する場合が
あり好ましくない。30重量％超になると、成形中間体と
しての取扱性、例えば粘着性、積層時の密着性等が乏し
くなり好ましくない。

本発明におけるセメントとは、ポルトランドセメント、
高炉セメント、アルミナセメント若しくはこれらのセメ
ントのアルカリ分により水硬性を発揮する超微粉シリカ
との混合微粉体、又は、これらを主成分とする微粉体で
ある。セメント中の超微粉シリカの添加割合は30重量％
程度迄であり、これ以上になると混練水の増加などをも
たらすため好ましくない。上記セメントは所定量の水と
混練されペーストとなる。混練する時にペーストの流動
性を調整し、また、混練水を減少させることにより水和
反応後の炭素繊維強化セメント組成物の強度向上等のた
め高性能減水剤（ナフタレンスルホン酸／ホルムアルデ
ヒド縮合体のアルカリ及びアルカリ土類金属塩等）を添
加することもできる。

これらを混練したペーストの組成は、セメント 100重量
部に対して水が25〜70重量部で、好ましくは30〜50重量
部である。水が25重量部より少ないとペーストの流動性
が低下することにより炭素繊維束への含浸不良、積層時
の密着不良等が発生し易くなる。また、70重量部超にな
ると成形物の強度が低下して好ましくない。

高性能減水剤はセメント 100重量部に対して 0〜 5重量
部で、好ましくは 0〜 3重量部である。 5重量部超使用
するとペーストの流動性は良くなるが、セメント粒子が
分離し易くなり好ましくない。高性能減水剤は有機物で
あるが、添加量が極く少量であるため、この炭素繊維強
化セメントの特徴の 1つである耐火性を損うことはな
い。炭素繊維強化セメント用シート状成形中間体の支持
材は低透湿又は非透湿性のフィルムであり、合成樹脂フ
ィルム等が好適に使用される。

〔発明の効果〕

本発明の炭素繊維強化セメント用シート状成形中間体
は、炭素繊維束が交互に配置された状態のシートである
ため、シートとしての形態保持性が良く、繊維の平行度
が良く、目開きがなく、取扱性に優れ、素材として好適
であり、得られた成形物の機械的特性も優れている。特
に、この中間体を所定寸法に切断し、所定の炭素繊維維
配向に積層する際の取扱性に優れている。

〔実施例〕

実施例１ 第 4図に示すごとく、 5本の炭素繊維走行位置規制（の
ための）溝ローラー（溝ピッチ20mm）を配置した装置に
おいて、隣接する溝ローラーの溝位置が、炭素繊維束走
行方向に平行に10mmづつずれた位置になるように溝ロー
ラーをセットした。別に、セメントとして超微粉高炉系
セメント（平均粒径 4μｍ） 100重量部、シリカヒュー
ム（粒径 0.1〜 2μｍ）20重量部、高性能減水剤として
ナフタレンスルホン酸塩高縮合物 1重量部、水48重量部
を計量混練して調製したセメント・水ペーストを溝ロー
ラーに対応する 5列の開繊バーを有するペースト浴に入
れた。ここに12,000本のフィラメントからなる炭素繊維
束を溝ローラーを経由して導入し、開繊バーで炭素繊維
束を開繊させつつセメント・水ペーストを含浸させ、ペ
ースト浴後部の方向転換バーで各開繊バー毎の炭素繊維
シートを重ね合せ、更にペースト浴出側のスクイズバー
で過剰のペーストを除去した。

この時、スラリー浴入側の炭素繊維束には 200〜300mg
／d の張力がかかっており、各炭素繊維束は開繊バー部
で、幅が13〜20mmであった。続いて、セメント・水ペー
ストが含浸した炭素繊維シートの両面に支持材であるポ
リエチレンフィルムを供給密着させ、キャタピラー式引
き取り機で引き取り、炭素繊維を強化材とし、セメント
組成物をマトリックスとするシート状成形中間体を得
た。

この中間体は厚さが 1.4mmであり、炭素繊維目付が190g
／m ^２、重量が2900g ／m ^２、そして炭素繊維含有率が
7重量％であった。また、この中間体には目開きは存在
しなかった。

この中間体 3枚を炭素繊維の配向が一方向になるように
積層し、プレス成形機で1kg ／cm^２の圧力下、 230℃の
室温で24時間水和反応を進め、いわゆる一方向強化炭素
繊維セメント複合材の板を成形した。

続いて、この板を60℃の温水中に48時間浸漬養生した。

得られた成形板は、炭素繊維の配向の乱れや、層間のボ
イドもなく性状良好であった。そして板の厚さは 4.1mm
で、炭素繊維体積含有率は 7.9％であった。

この板の強度を、三点曲げ法（スパン／厚さ＝32）で強
度測定したところ、29.5kg／mm^２であり、優れた機械的
特性を有していた。

実施例２ 炭素繊維走行位置規制溝ローラー（溝ピッチ20mm） 1本
を用い、隣接する溝ローラーの位置が炭素繊維走行に平
行に5mm づつずれた位置になるように溝ローラーをセッ
トした。ペースト浴内の開繊バーが溝ローラーに対応し
て10列有する以外は、実施例１と同様にして炭素繊維を
強化材とし、セメント組成物をマトリックスとするシー
ト状成形中間体を得た。この中間体は、厚さが 2.2mmで
あり、炭素繊維目付が410g／m ^２、重量が 4,140g ／m
^２、そして炭素繊維含有率が11重量％であった。この中
間体には目開きは全く存在しなかった。

この中間体 2枚を実施例１と同様に積層、成形養生して
板を成形した。得られた成形板は、炭素繊維の乱れや、
層間のボイドもなく性状良好であった。この板の厚さは
3.9mmで、炭素繊維体積含有率は12％であり、三点曲げ
法で強度を測定したところ、40.8kg／mm^２で非常に優れ
た機械的特性を有していた。

【図面の簡単な説明】

第 1図は本発明のシート状成形中間体の繊維の軸方向に
対する９０゜方向の断面図、第 2図は本発明の成形中間
体を製造する方法の概念図、第 3図は炭素繊維走行位置
規制溝ローラー配置の上方からの投影図、そして第 4図
はセメント・水ペースト浴の斜視図である。第 1〜 4図
において符号は次の意味である。 1：支持フィルム、 2：セメント・水ペーストを含浸し
た炭素繊維束、 3、 4、 5、 6：シート状成形中間体の
シート面に沿って隣接する炭素繊維束の厚さ方向の中心
を結ぶ線、 7：クリールスタンド、 8：炭素繊維束、
9：ガイドローラー、10：炭素繊維走行位置規制溝ロー
ラー、11：開繊バー、12：方向転換バー、13：ペースト
浴、14：セメント・水ペースト、15：スクイズバー、1
6：支持フィルムアンワインダー、17：支持フィルム密
着ローラー、18：引き取りローラー

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】引き揃えられた複数本の一方向に配向した
   炭素繊維束にセメント・水ペーストを含浸してなる炭素
   繊維強化セメント用シート状成形中間体において、複数
   本の炭素繊維束が該中間体の厚さ方向に交互配置に積層
   され、且つシート面に沿って隣接する各炭素繊維束の中
   心を結ぶ線が実質的にシート面と平行であり、且つ、両
   面を低透湿又は非透湿性のフィルムで支持したことを特
   徴とする炭素繊維強化セメント用シート状成形中間体。
2. 【請求項２】厚さが 0.2〜 5mmである請求項（１）記載
   の炭素繊維強化セメント用シート状成形中間体。
3. 【請求項３】繊維目付が50〜500g／ｍ^２、中間体の重量
   が 250〜10,000 g／ｍ^２であり、且つ炭素繊維含有量が
   5〜30重量％である請求項（１）記載の炭素繊維強化セ
   メント用シート状成形中間体。