JPS63262233A - 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（以下、ＦＲＰと
いう）の梁桁材及びその製造方法、特にテープワインゲ
ング法（以下、Ｔ〜ｖ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
材料の梁桁イオは既に考案され、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号及び第４回次世代産業基盤技術
シン−ボジウムー金属・複合材料技術−子稿集には所謂
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ＦＲＰＩ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、ｖｌ　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言えない。

これらの方法と同様にＶｌ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１〜ワイデング法が
あるがパイプ・ボンベ等の種々の用途には用いられてい
るが梁桁相等構造材料としては管状物のみにほぼ限られ
ていた。本発明者は上記問題点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
も侵れロス１〜的にも比較的有利な方法を完成し既に出
願している。

複合材料梁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の原料を
浸透させ、これを半硬化させて（Ｂステージと呼称され
る＞ｉｕｔを含／Ｖだ半硬化樹脂である中間成形体とし
、所要の大きさ、形状に切り取り、張り合わせて構造材
料の形状にし、完全に硬化させて複合材料技術祠とする
。特公昭４８−１２４８２＠　、特公昭６１−１２７８
１号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
ばいわゆる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
に繊維形成物は金型に収めて置き、熱硬化性樹脂を未硬
化又は原料で圧入、浸透させる。

特開昭５７−１７６２３２号、特開昭６１−１７９７３
１　Ｎも実質的にはこの方法である。この方法でも補強
繊維形成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回次世代産業基盤技
術シンポジウムにおける発表から樹脂含浸・反応・冷却
・取りだしのバランスを承り図を引用した。即ら、現状
技術においてＲＴＭ法による桁材の製造は工業的に満足
される水準には至っていない。

本発明者はかかる現状に鑑み、所謂フィラメントワイン
ゲング法による複合材料梁桁材の製造方法を発明し、出
願している。しかしながらフィラメントワインデング法
の欠点としてエンドレスの長尺の製品を作ることは出来
ない。

［問題を解決するための手段］ 上記の問題を解決するために、本発明者は、ＴＷ法の利
用を考えた。

ＴＷ法では一般に軸を回しながらその回りに繊維ス１〜
ランド、又はテープを巻き上げるので、一工程で巻き上
げるか又はエンドレスに長尺製品を巻き上げようとする
と繊維の巻き上げ方向と角度は同一になってしまう。軸
の回りを繊維原料を回せばこのような自体は避けられる
が工程、装置としては複雑になってしまう。巻き上げ方
向と角度が一定の複合材料成形物は異方性が大きく、梁
桁何科としては一般には極めて使い難い。

本発明者はＴＷ法により得られる異方性の筒状の成形物
を、そのまま変形しながら異方性の問題にならない梁桁
材を作ることが出来ることに気付いて、Ｉ−Ｔビーム等
を複合材料で合理的に作る方法として、本発明を考案す
るに至った。

従って、本方法では人別して中間成形体の’１７ｍと中
間成形体からの梁桁材の製造が課題となる。

繊維と樹脂の複合材料の中間成形体をＴ〜ｖ法で作るに
際して、最終製品を念頭において中間成形体として如何
なる性質を持たせるかを考え、どのような繊維・樹脂を
選び、どのように巻き上げるかは最も重要な課題である
。しかしながらこのＴＷ法製品を中間成形体として取扱
い、如何にして梁桁材として異方性が問題にならない物
を作るかも重要な課題である。

検討してみるとＴＷ法で巻き上げた中間成形体は一定の
方向性を持ち、従って押しつぶして二面を貼合せれば実
質的に方向性が問題無くなることが判った。従ってＴＷ
法による管状の中間成形体を８ステージで変形して１．
Ｈ，Ｔ、Ｌ等に変形して梁桁材ビームとすればよいこと
になる。

中間成形体として取扱う場合、マンドレルから外さずに
取扱うこともしばしばなされるが本発明者は最終製品の
成形の際の便宜も考慮して外すことを考えた。マンドレ
ルを変形させることも出来るが繰り返し使用を考えると
離脱することが好ましい。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、又はコーテングすることが好ましい。しかし
なからこれた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しまう。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とが判った。取
り外し時の樹脂の粘度は少なくとも１０３ポイズ以上で
あることが好ましく、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く、取り外し時
の変形の主体は中間成形体の軸方向への“詰り″による
ことが判った。従って取り外しに際して軸方向に詰らな
いように別途繊維を配置すれば良いことになる。即ち、
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、少なくとも平行に近い角度に巻き付けた層を含ま
せる。好ましくは一方向に引き揃えたシート状物である
が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。特にこの層はマンドレルに一番
近い最内層にも用いることが好ましい。この内層を含ま
せることは成形後の梁桁材の物性を好ましいものにする
効果も合わせ持っている。

中間成形体の製品への成形に際し変形させて硬化するが
、■・Ｔビーム等を成形するに際して管状中間成形体を
押しつぶす際、如何に実施するかが重要な課題になる。

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。中
間成形体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
ィラメントワインゲングによる繊維の巻き上げ角度は４
５〜８８°とすることが好ましい。

この変形に際して中間成形体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。中間成形体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　　Ａ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合せも必要
ではなく、中間成形体の変形効果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体を比較的容易に得、この
中間成形体を同様に容易に変形・硬化して製品に出来る
。

図２にはこの中間成形体の変形の例をＨビ、−ム化を例
として示しである。つまりＴＷ法で巻き上げた中間成形
体（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Ｈ型として樹
脂を硬化させる。ヒンジになる部分を小さくとれば■型
になる。最初に中間成形体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。

樹脂及び補強繊維は必要に応じて定められ、特に限定は
無い。目的に応じて炭素！Ｉ＋維、ガラス繊維、アラミ
ドｌｌｉ維その他の補強！Ｉｉ雉から選ばれる。

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。しかし、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、ポリエステル、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。

［実施例コ 以下、この発明の実施例を第２図、第３図及び第４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マンドレルに巻
き上げる。この際、マンドレルと共に回転覆るクリール
スタンドから繊維を連続的に送りだしてマンドレルに添
わせても良い。この繊維の追加は必須ではない。この軸
方向の繊維を加える場合には繊維は樹脂を含浸ざ往るこ
とが好ましい。マンドレルはテフロン等のコーテングを
実施して置くか、最初に回転するマンドレルにポリエス
テル等のテープを巻き付ける。次いで、一般のＴＷ法の
手法に従って樹脂と繊維が選ばれ、樹脂を含浸した繊維
ストランドの巻き上げ角度は４５〜８８°から選ばれる
。ＴＷ法で巻き上げる層は軸方向の補強繊維があればそ
の上に巻き付ける。

必要がおればＴＷ法の層は重ねる。ＴＷ法の巻き上げ層
間に、必要ならば軸方向の繊維を補強する。

つまり、巻き付ける層を重ねる。最も管端にはＴＷ法で
巻き付けるのみである。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、所定の巻き上げが完了したらそのまま半
硬化する。所定の粘度、つまり１０３〜１０７ポイズに
なったときマンドレルから外し、以下は図３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４は本発明方法を工業的に実ｉする方法の例である。

上記の如くＴＷ法で作られた中間成形体（１）は圧着ロ
ーラー（２）で圧着され、圧着ヒーター（３）で接着し
、ガイド（４）を通りながら圧着ローラー（５）で圧着
され、圧着ヒーター（６）で接着する。必要があれば形
状維持のための補助器具で形状を保ちながら硬化炉で最
終的に硬化される。

写真１は補強繊維をテクノーラ繊維とし、樹脂をエポキ
シ樹脂とし、本発明方法で作ったＨビームの例である。

［効果］ この発明は以上のようなものであるから、ＦＲＰである
複合材料梁桁材が安価に容易に作られる。

特公昭６１−１２７８１号に示された方法のようにプリ
プレグを接着する煩わしさも無く、特開昭６１−１７９
７３号に示された方法のように繊維のみの組立てによる
梁桁材を作りこれに樹脂を浸透させると言う問題も無い
。極めて合理的に複合材料梁桁材が製造しｊｑる方法で
ある。連続化も極めて容易である。

また、本発明方法によればＨ，Ｌ、Ｉビーム以外の梁桁
材も製造可能である。

例えばＴＷ法で巻き上げた管状中間成形体の中央部を圧
着する際に予めプル１〜ルージヨン法等で作って置いた
丸棒を、環状部に必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、管状中間成形体を
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１ｑる価値の高い方法である。

【図面の簡単な説明】

図１はＲＴ’Ｍにおける作業時間のバランスを示すグラ
フであり、図２はＴＷ法による中間成形体の製造法の一
例であり、図３は中間成形体の変形手順の例であり、図
４は本発明を工業的に実施する場合の変形法の例である
。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）繊維ストランド、シート及び／又はテープに樹脂
   又はその前駆体を含浸し、それを連続して常に同じ方向
   にマンドレルに巻き上げて樹脂含浸した中間成形体を作
   り、該中間成形体中の樹脂を半ば硬化させた状態でマン
   ドレルから取りはずし、これを目的の構造材料の形状に
   変形し、その目的形状を維持しながら樹脂を更に硬化さ
   せることを特徴とする複合材料梁桁材の製造方法。
2. （２）上記中間成形体の形成が、繊維ストランドに樹脂
   又はその前駆体を含浸し、これを連続して常に同じ方向
   にマンドレルに巻き上げる工程と繊維を引き揃え若しく
   は織物となし樹脂と一体化してシート状にしてマンドレ
   ルに巻きつける工程とに組合せによりなされる特許請求
   の範囲第１項記載の複合材料梁桁材の製造方法。
3. （３）上記樹脂を含浸した繊維シートの繊維方向の一つ
   がマンドレルの巻き上げ軸に対する巻き上げ角度でほぼ
   ０°とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の複合
   材料梁桁材の製造方法。
4. （４）上記繊維ストランドの巻き角度を４５〜８８°と
   する特許請求の範囲第１項〜第３項記載のいずれかの複
   合材料梁桁材の製造方法。
5. （５）上記変形が、軸に直角に切断した断面における曲
   がり部の形状が全て半径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の製造方法。
6. （６）上記変形と更なる硬化とが変形の段階に合わせて
   逐次融着及び／又は硬化させることにより実施される特
   許請求の範囲第１項記載の複合材料梁桁材の製造方法。