JPH0780256B2 - 複合材料梁桁材の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、繊維強化プラスチックス（以下、FRPとい
う）の梁桁材及びその製造方法、特にフィラメントワイ
ンデング法（以下FW法と略称）によって繊維ストランド
に樹脂を含浸させ、マンドレルに巻き上げる方法に関す
るものである。

［従来の技術及びその問題点］ 軽量且つ高強度の桁材として、繊維と樹脂からなる複合
材料の梁桁材は既に考案され、その製造方法は公知であ
る。

たとえば特公昭48−12483号，特公昭61−12781号各公報
には実質的には伝統的なプリプレグ法による複合材料の
梁桁材が、特開昭57−176232号，特開昭61−179731号各
公報及び第４回次世代産業基盤技術シンポジウム＝金属
・複合材料技術＝予稿集には所謂レジントランスファー
モールデング法（以下、RTM法と略称）による複合材料
の梁桁材が記されている。

これらの方法によるFRP製の桁材は、他の方法、たとえ
ばミルドファイバー等の短繊維を含む樹脂の射出成形等
の方法に比べて繊維含有率（以下V₁と略称）が高く、繊
維物性を良く活性はしているが、生産性等にも問題があ
り、殊に連続生産，自動化生産，大量生産等には必ずし
も適しているとは云えない。

これらの方法と同様にV₁が高く、繊維の物性を最大限に
活用出来る方法としてフィラメントワインデング法があ
るがパイプ・ボンベ等の種々の用途には用いられている
が梁桁材等構造材料としては管状物のみにほぼ限られて
いる。

本発明者は上記問題について種々検討をした結果、多様
な断面の桁材の製造に有効で且つ、生産性にも優れコス
ト的にも比較的有利な本発明方法を完成するに至った。

複合材料桁材は元来プリプレグ法で考えられた。つま
り、引き揃えた薄層の繊維列に熱硬化性の樹脂を浸透さ
せ、これを判硬化させて（Ｂステージと呼称される）繊
維を含んだ判硬化樹脂である中間体とし、所要の大き
さ、形状に切り取り、貼り合わせて構造材料の形状に
し、完全に硬化させて複合材料梁桁材とする。前記特公
昭48−12482号及び特公昭61−12781号の方法も実質的に
はこの方法である。この方法は手間が掛かり容易な製造
方法ではないので改善が考えられ、例えば所謂RTM法が
考えられている。この方法では予め繊維を所要の複合材
料梁桁材の形に為しておき、この繊維形成物に樹脂を浸
透させて樹脂成形物とする。一般に繊維形成物を金型に
収めて置き、熱硬化性樹脂を未硬化又は原料で圧入，浸
透させる。前記特開昭57−176232号及び特開昭61−1797
31号も実質的にはこの方法である。この方法でも補強繊
維成形物の組立てとこの構造体への樹脂の注入・浸透が
課題になっている。図１には第４図次世代産業基盤技術
シンポジウムにおける発表から樹脂含浸・反応・冷却・
取り出しのバランスを示す図を引用した。報告によれば
補強構造の生産性は極めて悪く、数m/時を越えておら
ず、樹脂の含浸もこの図が示すように極めて遅く、か
つ、繊維間に行き汎りにくく、現在の最先端の技術をも
ってしても梁桁材の最終成形工程すら実用工業化の水準
とは言い難い。

上記の問題を解決するために、本発明者は、FW法の利用
を考えた。

複合材料梁桁材をFW法で作ることは既に知られている。
FW法では管状の成形物が作られ、従ってこの方法で管状
の構造材料を作ることはしばしば考えられている。

本発明者はこれ等と異なり、フィラメントワインデング
技術を複合材料中間素材を作る手段として取り上げ、単
なる管状材料ではなく、Ｉ・Ｔビーム等を複合材料で合
理的に作る方法を検討し、本発明に至った。

［問題を解決するための手段］ 本発明は、 1. 樹脂を含浸した繊維状物をマンドレルに巻き上げ、
一方それと同時に又はそれに前後して引き揃えられた繊
維若しくは織物に樹脂が含浸されてなるシート状物をマ
ンドレルに巻きつけることにより、繊維と樹脂とからな
る中間成形物を形成し；その中間成形物を、その中の樹
脂を半ば硬化させたのちマンドレルから取りはずし；こ
れを目的の形状に形成し；この形状を維持しつつその中
に樹脂を更に硬化させることを特徴とする複合材料梁桁
材の製造方法， 2. 上記シート状物に含まれる繊維の伸長方向の少くと
も一つが、マンドレルの巻き上げ軸に対し45゜以下であ
る上記第１項記載の複合材料梁桁材の製造方法， 3. 上記繊維状物の巻き角度を60〜88゜とする上記第１
項記載の複合材料梁桁材の製造方法， 4. 上記目的の形状が、軸に直角に切断した断面におけ
る曲がり部の曲率半径が全て1mm以上である上記第１項
記載の複合材料梁桁材製造方法， 5. 上記中間成形物を目的の形状への変形し、その形状
を維持しつつその中の樹脂を硬化させる工程が、変形の
程度に応じて複数の回数繰り返されるところの上記第１
項記載の複合材料梁桁材の製造方法，及び 6. 一方の繊維状物をプルトル−ジョン法でマンドレル
に軸方向に沿わせて配置し、他方の繊維状物をマンドレ
ルの外側を回転するクリールスタンドから供給する上記
第１項記載の複合材料梁桁材の製造方法である。

本発明に用いられる樹脂及び繊維は必要に応じて定め
ら、その種類に特に限定は無い。目的に応じて炭素繊
維，ガラス繊維，アラミド繊維その他の補強繊維から選
ばれる。複数の繊維を併用することも出来る。樹脂は一
般には熱硬化性樹脂を用いる。然し、熱可塑性樹脂でも
良い。両者の混合でも可能である。熱硬化性樹脂の場
合、エポキシ樹脂，ポリエステル，ポリビニルエステ
ル，ポリイミド，その他が目的に応じて選ばれる。熱可
塑性樹脂の場合には溶媒に溶かして用いることも、この
溶媒をラクタム等の反応性溶媒とすることも出来るし、
エポキシ樹脂等のモノマー，オリゴマーとすることも出
来る。

次に、本発明では大別して中間成形物の製造と中間成形
物から梁桁材を製造する条件が重要となる。繊維と樹脂
の複合材料の中間成形物をFW法で作るに際して、最終製
品を念頭において中間成形物として如何なる性質を持た
せるかを考え、選ばれた繊維・樹脂の性能を十分発現さ
せるよう、どのように巻き上げるかは最も重要な課題で
ある。然しながらこのFW法製品を中間成形物として取扱
う場合、如何に上手にマンドレルから外すかも極めて重
要な課題である。中間成形物として取扱う場合には樹脂
の硬化は完了しておらず、従って粘着性と変形し易さは
付きまとって了う。マンドレルからの離脱に際してはあ
る種のポリエステル，テフロン（登録商標名）等をマン
ドレルに巻き付け、又はコーティングすることが好まし
い。然しながらこれだけでは問題は解決せず取り外しに
際して力を加えると変形して了う。この変形量を所定の
範囲に収めるには取り外し時の樹脂の粘度が重要な因子
であり、且つ、繊維方向が重要な問題である。このため
取り外し時の樹脂の粘度が少なくとも10³ポイズになる
ように半硬化させることが必要である。また取り外し時
の変形の主体は中間成形物の軸方向への“詰り”により
おこるため、全ての層の繊維が同一の巻き上げ角度で成
り立っていることは好ましくない。即ち、片や一方向に
引き揃えた繊維を好ましくはマンドレル軸に平行に、少
なくとも45゜以下の角度に巻き付けた層を含ませ、他を
それと異なるものとする。このマンドレル軸方向の繊維
は好ましくは一方向に引き揃えたシート状物であるが、
それ以外の類似効果のあるシート等、たとえば織物の一
つの繊維方向を採用しても良い。特にこの層は少くとも
マンドレルに一番近い最内層に用いることが好ましい。

このような製造方法の最も進んだものとしては所謂プル
トルージョン法により軸方向の繊維を供給し、マンドレ
ルに添わせる方法が考えられる。プルトルージョン法の
外側を回転するクリールスタンドから繊維を供給して巻
き上げるフィラメントワインデング法は既に開発されて
いるので、この方法が最も新しい方法に相当する。

かくして得られた中間成形物は製品の成形に合せて変形
させて硬化するが、Ｉ・Ｔビーム等を製造するに際して
は管状中間素材を圧しつぶす際、如何に実施するかも重
要な課題になる。樹脂の粘度，樹脂と繊維の比率等にも
よるが本発明者の検討結果によれば曲部の半径が、補強
繊維がガラス繊維，炭素繊維では1mm以上、アラミド繊
維の場合には0.5mm以上でないと最終製品の強度が著し
く低下してしまう。また、樹脂量は繊維の0.4倍以上、
樹脂粘度は10⁷ポイズ以下でなければ同様に強度が低下
してしまう。繊維巻き上げ方向については目的製品であ
る梁桁材の強度の点からも複数角度で巻き上げたものが
好ましく、この点からもマンドレル軸方向に近い角度の
繊維を別途加えることは好ましい。中間成形物のマンド
レルからの離脱も考慮すると取り外しのための力を加え
た際に僅かな歪みは必要であるのでフィラメントワイン
デングによる繊維の巻き上げ角度は60〜88゜とすること
が好ましい。

この変形に際して中間成形物の内部に新たに少量の樹脂
を加えることが出来るし、加えることが好ましい場合が
ある。中間成形物の樹脂の硬化が進み過ぎ、接着力を低
下させた時等である。また、この際、補強繊維を追加す
ることも出来るが当初の繊維方向の計画の際に適当に計
画出来れば基本的には必要としない。

［作用］ 上記方法においては、繊維と樹脂からなる良好な複合材
料梁桁材が安価に出来る。また、この方法の採用により
自動化と連続化に近い方法が採用できる。

即ち、従来のプリプレグ法のように素材の貼り合せも必
要ではなく、中間成形物の変形硬化で製品が作り得る
し、RTM法のように繊維補強構造を作ることも、この構
造に樹脂を押し込むことも必要ではない。つまり樹脂と
補強繊維を一体とした中間成形物を比較的容易に得、こ
の中間成形物を同様に容易に変形・硬化して製品に出来
る。図２にはこの中間成形物の変形の例をＩビーム化を
例として示してある。つまり本発明のFW法で巻き上げた
中間成形物（この場合は円筒状）は中央部を押しつぶし
て圧着し、次に上下に残った環状部を押しつぶしてＩ難
として樹脂を硬化させる。最初に中間成形物の中央部を
押しつぶす際に一方に片寄せ、環状部を一つしか残さな
ければＴビームとなる。同様にしてＬビーム他も出来
る。

また、本発明方法によればT,L,Iビーム以外の梁桁材も
製造可能である。例えばFW法で巻き上げた環状中間成形
物の中央部を圧着する際に予めプルトルージョン法等で
作って置いた丸棒を、環状部にあたる位置に挿入して置
けば、２本の丸棒を接続した構造材料が作れるし、環状
中間成形物を中央部で圧着したのみで硬化させれば、２
本のパイプを接続した構造材料が得られる。

即ち、本発明方法は工業的には生産性に優れ、且つ、多
様な構造材料の作り得る価値の高い方法である。

［実施例］ 以下、この発明の実施例を第２図に基づいて説明する。

第２図に基づく説明は既に行った。つまり、まず補強繊
維に樹脂を含浸して一方向に引き揃えてシート化する、
所謂ドラムワインデング法で作った。ついで、一般のFW
法の手法に従って樹脂と繊維が選ばれ、巻き上げ角度は
60〜88゜から選ばれる。FW法で巻き上げる層とドラムワ
インデングで作ったシートを巻き付ける層を重ねる。最
も簡単には最内層を一方向繊維シートを軸と平行に巻
き、その上にFW法で巻き付ける。何れにしても繊維に樹
脂を含浸させたものを、テフロン（登録商標名）コーテ
ング等を施したマンドレルに巻き上げ、所定の巻き上げ
完了したらそのまま半硬化する。所定の粘度、つまり10
³〜10⁷ポイズになっときマンドレルから外し、以下は図
２の通り、既に説明したように中央部を圧着し、残った
環状部を圧着し、硬化させる。

【図面の簡単な説明】

図１はRTMにおける作業時間のバランスを示すグラフで
ある。 図２は中間成形物変形法の手順の一例である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２９Ｃ 70/06 70/16 Ｂ２９Ｌ 31:10

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】樹脂を含浸した繊維状物をマンドレルに巻
   き上げ、一方それと同時に又はそれに前後して引き揃え
   られた繊維若しくは織物に樹脂が含浸されてなるシート
   状物をマンドレルに巻きつけることにより、繊維と樹脂
   とからなる中間成形物を形成し；その中間成形物を、そ
   の中の樹脂を半ば硬化させたのちマンドレルから取りは
   ずし；これを目的の形状に変形し；この形状を維持しつ
   つその中の樹脂を更に硬化させることを特徴とする複合
   材料梁桁材の製造方法。
2. 【請求項２】上記シート状物に含まれる繊維の伸長方向
   の少くとも一つが、マンドレルの巻き上げ軸に対し45゜
   以下である特許請求の範囲第１項記載の複合材料梁桁材
   の製造方法。
3. 【請求項３】上記繊維状物の巻き角度を60〜88゜とする
   特許請求の範囲第１項記載の複合材料梁桁材の製造方
   法。
4. 【請求項４】上記目的の形状が、軸に直角に切断した断
   面における曲がり部の曲率半径が全て1mm以上である特
   許請求の範囲第１項記載の複合材料梁桁材製造方法。
5. 【請求項５】上記中間成形物を目的の形状へ変形し、そ
   の形状を維持しつつその中の樹脂を硬化させる工程が、
   変形の程度に応じて複数の回数繰り返されるところの特
   許請求の範囲第１項記載の複合材料梁桁材の製造方法。
6. 【請求項６】一方の繊維状物をプルトル−ジョン法でマ
   ンドレルに軸方向に沿わせて配置し、他方の繊維状物を
   マンドレルの外側を回転するクリールスタンドから供給
   する特許請求の範囲第１項記載の複合材料梁桁材の製造
   方法。