JP2004202004A

JP2004202004A - 繊維強化樹脂製バット

Info

Publication number: JP2004202004A
Application number: JP2002375737A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Yamaguchi; 豊山口
Original assignee: Mizuno Technics Corp
Current assignee: Mizuno Technics Corp
Priority date: 2002-12-26
Filing date: 2002-12-26
Publication date: 2004-07-22

Abstract

【課題】実用上十分な強度を有し、且つ、反発性能に優れ、しかも、良好な打球感が発現できる繊維強化樹脂製バットを提供する。
【解決手段】マトリックス樹脂として、粘度が１００ｃｐｓのエポキシ樹脂を準備し、これに微細炭素繊維９として、平均繊維径が１５０ｎｍ、熱伝導率が１５℃の温度状態下で１５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の特性を示すカーボンナノファイバーを３質量％の割合で混入せしめたマトリックス樹脂素材を得た。又、補強繊維としてＰＡＮ系炭素繊維を準備し、繊維量（Ｖｆ）が５５％のプリプレグシートを得た。前記プリプレグシートをバット成形用に適宜裁断して、内圧成形用のチューブの周囲に巻回積層し、これを金型のバット形状としたキャビティ内に配置させた後に、前記チューブ内に圧縮空気を注入し加熱硬化させて繊維強化樹脂製バットを形成する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、野球やソフトボール等に使用されるバット（以下、単にバットと称する）に関するものであり、特に繊維強化樹脂から成形されるバットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、バットとしては、木製バット、金属製バット、繊維強化樹脂製（ＦＲＰ製とも称される）バット等が公知である。現在、アマチュアの野球、ソフトボールにおいては、金属製バットが主流となっているが、最近の傾向としては、繊維強化樹脂製バットを世界的に認可する動きが出てきている。又、繊維強化樹脂製バットは、軽量で、強度、剛性、耐衝撃性に優れ、しかも、必要な形状を得やすいといった設計上の自由度が大きいことから今後益々その市場性が高まる傾向にある。
【０００３】
通常、この種のバットは、図４に示すように、中空或いは、中実の芯材１１と、その周囲に配置される繊維強化樹脂製の外殻１２とから構成されている。又一般に、前記外殻１２は、炭素繊維やガラス繊維を主体とする補強繊維を適宜積層し、エポキシ樹脂やポリエステル樹脂等のマトリックス樹脂で硬化成形されている。
【０００４】
ところで、このような繊維強化樹脂製のバットは、所定の応力、あるいは歪が発生すると補強繊維の層間に介在するマトリックス樹脂の層が剪断破壊し、特に、圧縮方向の歪みが発生する打球部で破損が起き易いという問題がある。
そのため、従来では、バットとして必要な設計強度、特に、圧縮強度を得るために、圧縮方向の歪みが発生し易い打球部を構成する補強繊維の使用量を増加させ、外殻の肉厚を厚く設計する手段が一般に講じられている。又、前記打球部では、必要な圧縮強度を発現させるために、前記補強繊維をバットの長手方向軸に対して±４５〜９０°に配向させたバイアス層或いは、フープ層を多用している。
【０００５】
しかし、このような従来の繊維強化樹脂製バットでは、必要な圧縮強度を発現させることに伴って、必然的に引張り強度や曲げ強度をも向上させてしまい、この結果、バット自体の剛性が一段と高まり、バットの剛さが非常に剛くなる傾向にある。このような剛いバットは、力量のあるハードヒッターには適するものの、一般のプレーヤーには不向きで扱い難いものであった。又、打球部においては、バイアス層或いは、フープ層が多く積層されることから、ボール打撃時に補強繊維の層間で剪断破壊が生じ易い問題があった。
【０００６】
更に、必要な圧縮強度を得るために、使用する補強繊維の量を増加し、外殻の肉厚を厚く構成している分、バット自体の質量が増加してしまうという欠点もある。特に、近年では、スイング性が重視され、バットの軽量化が望まれるが、バットの軽量化を図りつつ、実用上十分な圧縮強度を発現させることは難しい問題となっている。
【０００７】
従来、このような問題を解決するための手段として、繊維強化樹脂製バットの外殻を形成している補強繊維とマトリックス樹脂において、該マトリックス樹脂に任意のウイスカを強化素材として添加せしめる方法が一般に公知となっている。又、前記ウイスカとしては、窒化ケイ素ウイスカや、炭化ケイ素ウイスカ、チタン酸カリウムウイスカ等が使用されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
かかる構成のバットによれば、ＦＲＰ外殻層において、補強繊維の層間に介在するマトリックス樹脂の層が前記ウイスカにより補強されるようになるため、補強繊維の層間剪断強度を大幅に向上させることができる。この結果、バット自体の剛性（剛さ）をあまり変えることなく、実用上十分な圧縮強度を発現させることができた。
【０００９】
しかし、このように従来より使用されているウイスカは、熱伝導率が低く放熱性に劣るという特性を有する。例えば、その代表例として、窒化ケイ素ウイスカの熱伝導率は、５〜３０℃（実際にバットが使用に供される温度）の状態下で２０〜３０Ｗ／（ｍ・Ｋ）、炭化ケイ素ウイスカは、１．２〜１．４Ｗ／（ｍ・Ｋ）、チタン酸カリウムウイスカは、５〜６Ｗ／（ｍ・Ｋ）程度と低く、これらのウイスカをマトリックス樹脂中に添加してバットを形成すると、バット自体の熱伝導率が低下し、ボール打撃時に生起する振動が熱エネルギーとして消費され難くなる。この結果、バットの振動減衰性が劣ってしまい、良好な打球感が得られ難くなるという問題があった。
【００１０】
又、通常、前記ウイスカは剛直な結晶体であり、これをマトリックス樹脂中に添加して用いると、硬化成形される樹脂の靭性が乏しくなり衝撃強度が劣ってしまうと共に、樹脂の弾力性が乏しくなる為、バットの反発性能が大幅に低下してしまうことが予測される。
【００１１】
そこで本発明は、このような従来の問題点に鑑み、バットとして実用上十分な強度を有し、且つ、反発性能に優れ、しかも、良好な打球感が発現できる繊維強化樹脂製バットを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は以下のような構成とした。
即ち、本発明の請求項１に係るバットは、補強繊維とマトリックス樹脂とで形成される繊維強化樹脂製バットであって、前記マトリックス樹脂に、炭素六角網面の結晶が円筒形に巻かれる単層構造或いは、多層構造を成し、その中心部に微細な中空部を有する結晶素材であって、平均繊維径が１０〜３００ｎｍの範囲内に設定される微細炭素繊維が混入されていることを特徴とするものである。
【００１３】
又、請求項２は、前記請求項１に係る繊維強化樹脂製バットであって、前記マトリックス樹脂の常温における粘度が、１００〜４００ｃｐｓの範囲内に設定されると共に、該マトリックス樹脂に前記微細炭素繊維が１質量％以上、１０質量％以下の割合で混入されていることを特徴とするものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施例を図面に基づき詳細に説明する。
図１は、本実施例の繊維強化樹脂製バットの外観説明図、図２は、図１のａ部領域における構成説明図を示す。
【００１５】
即ち、本実施例の繊維強化樹脂製バット１は、図１に示すように、ボールを打撃する円筒形状の打球部２と、該打球部２とグリップ部３とを連結するテーパー部４とから成っている。そして、その構成としては、図２に示すように、芯材５の周囲に、補強繊維とマトリックス樹脂とで形成される繊維強化樹脂製の外殻６を備えた管状構造を有している。
そして、本実施例の繊維強化樹脂製バット１では、前記外殻６を構成するマトリックス樹脂に、以下に説明する微細炭素繊維７を強化素材として混入している。
【００１６】
前記微細炭素繊維７は、例えば、気相成長法、アーク放電法、レーザーアブレーション法、プラズマ合成法等の方法によって生成され、炭素六角網面の結晶が円筒形に巻かれる単層構造或いは、多層構造を成し、その中心部に微細な中空部を有する結晶素材であって、ナノメートルオーダーの繊維径を有する非常に微細な炭素繊維素材から成る。かかる微細炭素繊維７としては、カーボンナノチューブ或いは、カーボンナノファイバー等が使用される。
【００１７】
この種の微細炭素繊維７は、軽量で比強度に優れる微細な繊維であり、これをマトリックス樹脂中に混入させた場合、前記微細炭素繊維７が前記マトリックス樹脂を補強するフィラーとしての役目を果たす。特に、補強繊維の層間に介在するマトリックス樹脂の層を効果的に補強できるため、補強繊維の層間剪断強度を著しく向上でき、この結果、圧縮強度を大幅に高めることができる。
【００１８】
又、前記微細炭素繊維７は、熱伝導率が他の公知素材と比較して極めて高く、繊維強化樹脂製バット１自体の熱伝導率を高めることができる。この結果、ボール打撃時に繊維強化樹脂製バット１に生起する振動が素早く熱エネルギーとして消費されるようになるため、振動減衰性が高まり、良好な打球感を得ることが可能となる。
【００１９】
更に、前記微細炭素繊維７は、優れた反発特性を有し、硬化成形される樹脂に適度な弾力性を与えるため、繊維強化樹脂製バット１自体の反発性能を大幅に向上させることができる。これは、前記微細炭素繊維７が、その中心部に微細な中空部を備えた結晶構造を有するためと推測される。
【００２０】
前記微細炭素繊維７は、その繊維径が小さいもの程、優れた補強効果を発現し、且つ熱伝導率が高くなる傾向にある。又、前記中空部の孔径が大きい程、優れた反発性能を発揮し、且つ衝撃強度を高めることができる。本実施例では、繊維強化樹脂製バット１に適したものとして、その平均繊維径は、１０〜３００ｎｍの範囲内、とりわけ２０〜２００ｎｍの範囲内に設定し、平均繊維長が２〜３０μｍ、とりわけ５〜２０μｍの範囲内にあるものが使用される。又、熱伝導率は、５〜３０℃（実際にバットが使用に供される温度）の状態下で１０００〜３０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の範囲内、とりわけ１５００〜２０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の範囲内にあるものが使用される。更に、前記中空部の孔径は、前記平均繊維径の１０〜６０％の範囲内、とりわけ３０〜５０％の範囲内にあるものが好適に使用される。
【００２１】
上記において、前記微細炭素繊維７の平均繊維径の上限値を３００ｎｍに設定したのは、前記繊維径がこれよりも大きくなると、マトリックス樹脂の層の補強効果を十分に発現できず、繊維強化樹脂製バット１として満足のできる圧縮強度を得ることができなくなると共に、熱伝導率が低くなり良好な振動減衰性を発現できなくなるからである。又、下限値を１０ｎｍに設定したのは、前記繊維径がこれよりも小さくなると、取扱い性が難しくなり、マトリックス樹脂中に斑なく均等に含有させることができず、繊維強化樹脂製バット１の品質にバラツキが生じる恐れがあるからである。
【００２２】
又、前記平均繊維長の上限値を３０μｍに設定したのは、前記平均繊維長がこれよりも大きくなると、マトリックス樹脂中に均等に含有させることが難しくなるからであり、又、下限値を２μｍに設定したのは、前記平均繊維長がこれよりも小さくなると、取扱いが難しくなるからである。
【００２３】
前記熱伝導率の上限値を３０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）に設定したのは、現在知り得る微細炭素繊維７において、前記平均繊維径の設定範囲の中で得ることのできる上限値がこの値であるからであり、又、下限値を１０００Ｗ／（ｍ・Ｋ）に設定したのは、熱伝導率がこれより小さくなると、繊維強化樹脂製バット１の振動減衰性が劣ってしまい、良好な打球感が発現できなくなるからである。
【００２４】
又、前記中空部の孔径の上限値を、上記のように前記平均繊維径の６０％に設定したのは、現在知り得る微細炭素繊維７の中で良好な品質を確保して生成し得ることのできる上限値がこの値であるからであり、又、下限値を１０％に設定したのは、これよりも小さいと良好な反発性能及び、衝撃強度を発現し難くなるからである。
【００２５】
更に、前記微細炭素繊維７は、常温での粘度が５０〜１０００ｃｐｓの範囲内に設定されたマトリックス樹脂中に１質量％以上、１０質量％以下、とりわけ３質量％以上、７質量％以下の割合で混入されることが好ましい。
前記微細炭素繊維７の使用量が１質量％よりも少ないと、マトリックス樹脂の層の補強効果が十分に発現できず、繊維強化樹脂製バット１として満足のできる圧縮強度を得ることができなくなると共に、振動減衰性及び、反発特性を十分に高めることができない。又、１０質量％よりも多いと、マトリックス樹脂中に均等に混入させ難くなるという問題が生じると共に、前記１０質量％を境として、これよりも多く微細炭素繊維７を使用しても繊維強化樹脂製バット１の圧縮強度、振動減衰性、反発特性等において良好な評価は得られなかった。
【００２６】
又、前記微細炭素繊維７をマトリックス樹脂中に混入すると、繊維強化樹脂製バット１の加熱硬化成形時に、前記マトリックス樹脂が金型の外に流れ出す量を抑制することができる。即ち、樹脂のフロー制御が行えるため、補強繊維への浸透性に優れた５０〜１０００ｃｐｓといった比較的低粘度のマトリックス樹脂を用いて繊維強化樹脂製バット１を成形することができる。これにより、補強繊維への樹脂の含浸性を高め、しかも、成形時に樹脂の流出が抑えられることから、成形後のバットにボイドやピンホール等が生じ難く、後工程で手直しを要しない成形品質に優れた繊維強化樹脂製バット１を得ることができる。種々実験を行った結果、前記マトリックス樹脂の粘度が、１０００ｃｐｓより高いと、補強繊維へマトリックス樹脂が含浸し難くなり、十分な設計強度が得られ難くなるという問題があり、又、５０ｃｐｓより低いと、フロー制御を十分に行うことが難しくなり、マトリックス樹脂が金型の外に多く流出し、成形後の後工程で手直しが必要となる。前記マトリックス樹脂の粘度は、とりわけ１００〜３００ｃｐｓが好ましい。
【００２７】
又更に、前記微細炭素繊維７は、その生成温度により繊維の表面状態が種々異なる。本実施例では、前記マトリックス樹脂とのぬれ性を考慮して、その比表面積が１１〜１５ｍ^２／ｇの範囲内にあるものが好適に使用される。
前記比表面積が１５ｍ^２／ｇよりも大きいと、マトリックス樹脂中に均等に混入させ難くなるという問題が生じ、又、前記比表面積が１１ｍ^２／ｇよりも小さいと、マトリックス樹脂とのぬれ性が悪くなり、補強効果が乏しくなる問題が生じる。
【００２８】
このような本実施例の繊維強化樹脂製バット１を製造するには、例えば、内圧成形用のチューブの周囲に、バット成形用の複数のプリプレグシートを積層し、これを金型のバット形状としたキャビティ内に配置した後に、前記チューブ内に圧縮空気を注入し加熱するといった繊維強化樹脂製バットの通常の製造法において、前記プリプレグシートを構成するマトリックス樹脂中に前記した微細炭素繊維を混入させて成形する手段が講じられる。
【００２９】
本実施例の繊維強化樹脂製バット１を構成する主たる補強繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、芳香族ポリアミド繊維等種々のものが使用できるが、強度や剛性、質量、コストの面からも炭素繊維が好適である。補強繊維の形態としては、一方向引き揃えの他、ロービング、マット、織物、編物、ブレード等種々の形態としたものが使用できる。又、マトリックス樹脂としては、エポキシ樹脂、ナイロン樹脂、ポリエステル樹脂等が使用できるが、強度、耐久性の点でエポキシ樹脂が好適である。
【００３０】
【実施例】
本発明の効果を確認するために、以下の実施例１、２と、比較例１、２の繊維強化樹脂製バットを用意した。
【００３１】
（実施例１）
マトリックス樹脂として、粘度が１００ｃｐｓのエポキシ樹脂を準備し、これに微細炭素繊維として、平均繊維径が１５０ｎｍ、平均繊維長が１５μｍ、アスペクト比（平均繊維長さ／平均繊維径）が１００であり、その比表面積が１３ｍ^２／ｇ、熱伝導率が１５℃の温度状態下で１５００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の特性を示すカーボンナノファイバー（昭和電工株式会社製：ＶＧＣＦ−焼成タイプ）を３質量％の割合で混入せしめたマトリックス樹脂素材を得た。又、補強繊維として繊維径７μｍのＰＡＮ系炭素繊維（東レ株式会社製：トレカＴ３００）を準備し、繊維量（Ｖｆ）が５５％のプリプレグシートを得た。
前記プリプレグシートをバット成形用に適宜裁断して、内圧成形用のチューブの周囲に巻回積層し、これを金型のバット形状としたキャビティ内に配置させた後に、前記チューブ内に圧縮空気を注入し加熱硬化させて繊維強化樹脂製バットを形成した。
【００３２】
上記のように硬化成形された繊維強化樹脂製バットは、ボイドやピンホール等が生じることがなく、成形品質に優れ、後工程での手直しを要することがなかった。
【００３３】
（実施例２）
実施例１で使用した微細炭素繊維に替え、平均繊維径が３０ｎｍ、平均繊維長が３０μｍ、アスペクト比（平均繊維長さ／平均繊維径）が１０００であり、熱伝導率が１５℃の温度状態下で１７００Ｗ／（ｍ・Ｋ）の特性を示すカーボンナノチューブ（ＣＮＲＩ社製）をマトリックス樹脂に５質量％の割合で混入せしめたプリプレグシートを用いて繊維強化樹脂製バットを形成した。
【００３４】
上記のように硬化成形された繊維強化樹脂製バットは、実施例１と同様、ボイドやピンホール等が生じることがなく、成形品質に優れ、後工程での手直しを要することがなかった。
【００３５】
（比較例１）
前記微細炭素繊維を省いたプリプレグシートを準備し、このプリプレグシートを使用して実施例１、２と同様な方法で繊維強化樹脂製バットを形成した。
【００３６】
尚、このバットの成形時、マトリックス樹脂が金型の外へ多く流出し、硬化成形された繊維強化樹脂製バットには、ボイドやピンホールが多く発生し、後工程でパテ込み等の多くの手直しを要した。
【００３７】
（比較例２）
実施例１で使用した微細炭素繊維に替え、平均繊維径が１．０μｍ、平均繊維長が５０μｍ、アスペクト比（平均繊維長さ／平均繊維径）が５０であり、熱伝導率が１５℃の温度状態下で５．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）の特性を示すチタン酸カリウムウイスカ（大塚化学株式会社製：ティスモＤ）を混入させたプリプレグシートを用いて繊維強化樹脂製バットを形成した。
【００３８】
これらの実施例１、２と、比較例１、２の繊維強化樹脂製バットについて、打球部における圧縮強度を測定した。この結果を以下の表１に示す。
【００３９】
【表１】

【００４０】
前記圧縮強度に関しては、バットの先端から１２５ｍｍの打球部２を幅５０ｍｍで切り出した円環状切片８を図３に示すように、支持具９上に固定し、加圧くさび１０を用いて破損に要する荷重を求めた。
【００４１】
又、上記試験に加え、シャルピー衝撃強度試験を行ったところ、前記微細炭素繊維を混入した実施例１、２の繊維強化樹脂製バットは、前記微細炭素繊維を混入しない比較例１の繊維強化樹脂製バットに比し、約４０％高い衝撃強度が得られた。
【００４２】
次に、実施例１、２と、比較例１、２の繊維強化樹脂製バットの反発特性及び、振動減衰性を確認するために実打試験を行った。この実打試験では、一般のアマチュアプレーヤーを対象にして、実際に、実施例１、２と、比較例１、２の繊維強化樹脂製バットでボールを打撃し、その際、プレーヤーが体感した打撃時のフィーリング（手に伝播される振動）や、反発性（飛び）等の評価を行った。この時の結果を以下の表２に示す。
【００４３】
【表２】

【００４４】
このような試験結果より、本実施例１、２の繊維強化樹脂製バットでは、比較例１、２の繊維強化樹脂製バットに比し、十分な圧縮強度が得られると共に、ボール打撃時の振動減衰性が高く、しかも、反発特性に優れたバットであることが確認できた。
【００４５】
【発明の効果】
以上のように、本発明では、補強繊維とマトリックス樹脂とで形成される繊維強化樹脂製バットにおいて、前記マトリックス樹脂に、炭素六角網面の結晶が円筒形に巻かれる単層構造或いは、多層構造を成し、その中心部に微細な中空部を有する結晶素材であって、平均繊維径が１０〜３００ｎｍの範囲内に設定される微細炭素繊維が混入されていることにより、補強繊維の層間に介在するマトリックス樹脂の層を効果的に補強できるため、補強繊維の層間剪断強度を著しく向上でき、この結果、圧縮強度を大幅に高めることができる。
【００４６】
そして、前記微細炭素繊維は、熱伝導率が極めて高く、繊維強化樹脂製バット自体の熱伝導率を高めることができる。この結果、ボール打撃時にバットに生起する振動が素早く熱エネルギーとして消費されるようになるため、振動減衰性が高まり、良好な打球感を得ることができる。
【００４７】
更に、前記微細炭素繊維は、優れた反発特性を有し、硬化成形される樹脂に適度な弾力性を与えるため、バット自体の反発性能を大幅に向上できる。
【００４８】
又、前記微細炭素繊維をマトリックス樹脂中に混入すると、繊維強化樹脂製バットの加熱硬化成形時に、前記マトリックス樹脂が金型の外に流れ出す量を抑制することができる。即ち、樹脂のフロー制御が行えるため、補強繊維への浸透性に優れた５０〜１０００ｃｐｓといった比較的低粘度のマトリックス樹脂を用いてバットを成形することができる。これにより、補強繊維への樹脂の含浸性を高め、しかも、成形時に樹脂の流出が抑えられることから、成形後の繊維強化樹脂製バットにボイドやピンホール等が生じ難く、後工程で手直しを要しない成形品質に優れたバットを得ることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施例の繊維強化樹脂製バットの外観説明図。
【図２】図１のａ部における構成説明図。
【図３】圧縮強度の試験方法を表す説明図。
【図４】従来の繊維強化樹脂製バットの構成説明図。
【符号の説明】
１繊維強化樹脂製バット
２打球部
３グリップ部
４テーパー部
５芯材
６外殻
７微細炭素繊維
８円環状切片
９支持具
１０加圧くさび
１１芯材
１２外殻

Claims

補強繊維とマトリックス樹脂とで形成される繊維強化樹脂製のバットにおいて、前記マトリックス樹脂に、炭素六角網面の結晶が円筒形に巻かれる単層構造或いは、多層構造を成し、その中心部に微細な中空部を有する結晶素材であって、平均繊維径が１０〜３００ｎｍの範囲内に設定される微細炭素繊維が混入されていることを特徴とする繊維強化樹脂製バット。
前記マトリックス樹脂の常温における粘度が、５０〜１０００ｃｐｓの範囲内に設定されると共に、該マトリックス樹脂に前記微細炭素繊維が１質量％以上、１０質量％以下の割合で混入されていることを特徴とする請求項１記載の繊維強化樹脂製バット。