JPS63252727A - 複合材料梁桁材の製造方法 - 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】 ［産業上の利用分野］ この発明は、繊維強化プラスチックスく以下、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
インゲング法（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、ｍ帷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６１−１２
７８１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
等の方法に化べて繊維含有率（以下Ｖ１と略称）が高く
、繊維物性を良く活用はしているが、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Ｖｌが高く、ｍｉ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１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
、これを半硬化させて（Ｂステージと呼称される）ｉｉ
ｉ帷を含んだ半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ｌ雑
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５７−１７６２３
２号及び特開昭６１−１７９７３１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ＴｒＬ／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
りにり＜、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変形し；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
【プる曲がり部の曲率半径が全て１＃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ー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１ｍ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ｗ８帷は必要に応じて定め
られ、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４Ｉ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
ポキシ樹脂等の七ツマ−、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彫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、どのように巻ぎ上げるかは最も重要な課題
である。

黙しながらこの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。中間成形物ど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ば好ましくない。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（プ
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ＩＮ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ＴＨＡＮ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ｌ！ｉ維、炭素繊維では１喘以上、アラミ
ド繊維の場合には０．５＃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面で巻き上
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１［の巻き上げ角度は６０〜８
８″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ｍｍ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。

［作用コ 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
例として示しである。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
型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
様にしてしビーム他も出来る。

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法で巻き上げた管状中
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
、管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、
所謂ドラムワインゲング法で作った。ついで、一般のＦ
Ｗ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１０３〜
１０ア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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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、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、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、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、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、一方の繊維状物をプルトルージヨン法でマンドレル
   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。