JP2512467Y2 - 三次元補強材およびそれを用いた繊維強化複合材料 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この考案は、壁材、床材、柱材などの建材として用い
る繊維強化セメント等の繊維強化無機質複合材料を製造
するときの補強材として有用な三次元補強材およびそれ
を用いた繊維強化複合材料に関する。

（従来の技術） 各種の補強繊維、なかでも、炭素繊維は、比強度や比
弾性率等の力学的特性のみならず、耐蝕性にも優れてい
ることから、繊維強化セメント等の繊維強化無機質複合
材料における補強材として注目されている。

そのような、補強繊維からなる補強材としては、従
来、特開昭63-55146号公報に記載されているように、メ
ッシュ織物や、そのようなメッシュ織物に樹脂を含浸し
てなるものが知られている。これらは、いずれも、二次
元補強材である。

ところで、このような補強材を、繊維強化セメント等
の繊維強化無機質複合材料における補強材として使用す
るとき、補強効果を効果的に発現させようとすれば、当
然、補強繊維を、いわゆるマトリクスであるセメント等
の弱点である引張りの場に配置することになる。すなわ
ち、材料の表面にできるだけ近い位置に補強材を層状に
配置することになるが、従来の補強材は、いずれも二次
元補強材であるので、上記の位置に正しく配置するのが
なかなか難しい。また、二次元補強材であるために、材
料の厚み方向における補強は全くなされないことにな
り、そのため、曲げの応力が加わったときに剪断破壊を
起こしやすいという問題もある。

このような問題を改善するために、考案者らは、三次
元補強材を提案し、これを特願平1-341151号として出願
した。

この三次元補強材は、メッシュ織物を山形の溝を有す
る雄型と雌型の型内で賦型してたて糸を形成している補
助繊維糸条を波打たせ、全体を三次元構造にすることに
よって、よこ糸を形成している補強繊維糸条を材料の表
面近くの所定の位置に配置できるようにしたものであ
る。それゆえ、この三次元補強材においては、表面近く
に位置する補強繊維糸条の働きで材料表面の引張強度が
高くなるだけではなく、厚み方向の補強効果も発現され
て、曲げ応力に対する剪断破壊が有効に防止できる。

しかしながら、この三次元補強材は、よこ糸を形成し
ている補強繊維糸条の位置を正しく規制しながら、連続
的に工業生産することが困難であり、前記したメッシュ
織物を賦型するときに、補強繊維糸条の位置が表面の近
くの位置から上方または下方に少しずれることがあり、
厚み方向における補強繊維糸条の位置が不規則になりや
すい。

また、よこ糸を形成している補強繊維糸条は真直ぐに
配向しているので、この方向における曲げの力に対する
補強効果は大きいが、しかし、この補強繊維糸条と直交
している、たて糸を形成している補強繊維糸条は山形に
屈曲しているので、この方向における曲げの力に対する
補強効果は小さく、このような力が加わると容易に破壊
してしまうという問題がある。

（考案が解決しようとする課題） この考案の目的は、上記した従来の二次元補強材およ
び三次元補強材における欠点を解決し、複合材料の表面
および厚み方向における補強効果を大きく向上すること
ができる三次元補強材とそれを用いた繊維強化複合材料
を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、この考案においては、複
数本の、互いに並行し、かつ、波打つように屈曲しなが
ら延びている補強繊維糸条と、これら複数本の補強繊維
糸条と交差し、かつ、２本で１組をなす補強繊維糸条が
絡み織されて、前記したそれら複数本の補強繊維糸条を
互いに連結している複数本の連結用糸条とを有するとと
もに、少なくとも前記補強繊維糸条に撚りまたはカバー
リングが施され、かつ、固め剤が付与されているメッシ
ュ状三次元組織体の少なくとも一方の面に、補強繊維糸
条をたて糸およびよこ糸とした絡み織で、かつ、それら
たて糸およびよこ糸に撚りまたはカバーリングが施さ
れ、かつ、固め剤が付与されているメッシュ織物を一体
に配置してなることを特徴とする三次元補強材、ならび
に、前記した三次元補強材を有する繊維強化複合材料が
提供される。

この考案の三次元補強材は、メッシュ状三次元組織体
と、この組織体の少なくとも一方の面に、メッシュ織物
が一体に配置された構造になっている。

メッシュ状三次元組織体は、一方向に波打つように屈
曲しながら、互いに並行して配置されている、複数本の
補強繊維糸条と、これら補強繊維糸条と通常は直交配置
され、互いに並行し、かつ、上下方向にあって任意の間
隔をおいて対向し、補強繊維糸条同士を互いに連結して
いる複数本の連結用糸条とを有し、しかも、少なくとも
補強繊維糸条には固め剤が付与されて剛直性を備えてい
るものである。

ここで、補強繊維糸条は、たとえば、炭素繊維、ガラ
ス繊維、ポリアラミド繊維、シリコンカーバイド繊維、
アルミナ繊維、ビニロン繊維のような高強度、高弾性率
の繊維からなるマルチフィラメント糸のようなものであ
る。

これらのうち、補強効果が高く、かつ、耐食性にも優
れている炭素繊維からなるものが最も好ましい。そのよ
うな炭素繊維糸条としては、５〜50μｍ程度の太さの単
糸を3000〜500000本程度収束してなる糸条で、その引張
強度が250kg/mm²以上、引張弾性率が18000kg/mm²以上で
あるものを使用することが好ましい。

補強繊維糸条は、収束性を向上させるための撚りを有
している。撚りは、Ｓ方向またはＺ方向に10〜50回/m程
度の一方向撚りとしてもよく、上撚りと下撚りとを有す
る双糸としてもよい。双糸のときの撚り数は、補強繊維
糸条の太さによるが、下撚りを10〜150回/mとし、上撚
りを下撚り数の60〜80％にすると、撚りによるトルクが
バランスするようになるので好ましい。

また、この補強繊維糸条は、それと同一または異なる
繊維糸条によってカバーリングしてなるものであっても
よい。この、いわゆるカバーリンング糸条によるカバー
リングは、S/Zダブルカバーリングによることができ
る。カバーリング糸条は、被カバーリング糸条の三分の
一以下の太さであるのがよい。また、カバーリングの撚
り数は、10〜100回/m程度であるのがよい。

この補強繊維糸条は、たて方向またはよこ方向のいず
れか一方の方向に波打つように屈曲しながら配置されて
いるが、この波形は、山形（三角形）、台形、コの字形
（矩形）などの形状になっている。

これらの波形において、最頂部または最底部に位置す
る補強繊維糸条の部分に、後述するメッシュ織物が配置
され、メッシュ状三次元組織体と一体化される。このた
め、波形が山形に波打つ場合は、メッシュ織物は点接触
状態で一体化され、台形やコの字形の場合は、線接触状
態で一体化される。したがって、補強繊維糸条の波形が
台形やコの字形であるほうが山形の場合よりも接触面積
が大きくなり、メッシュ織物とメッシュ状三次元組織体
との一体化の状態は良好になる。

また、補強繊維糸条同士の間隔は、５〜150mm程度で
一定であることが好ましい。間隔が5mmより狭くなる
と、複合材料を製造するときに、マトリクス材料、とり
わけ骨材が入りにくくなって複合材料の均一性が損なわ
れたり、複合材料の破壊強度が低くなったりすることが
あり、また、150mmより広くなると、補強効果が低くな
ったり、複合材料に割れができたりすることがあるから
である。

補強繊維糸条と直交して配置される連結用糸条は、必
ずしも、補強効果を発揮しなくてもよく、補強繊維糸条
の配列を乱さないように、補強繊維糸条を互いに連結し
て保持するだけの働きをすればよい。しかし、連結用糸
条として、既に述べた補強繊維糸条を用いると、補強効
果が一層高くなるので好ましい。

この連結用糸条は、実質的に真直ぐで、任意の間隔を
おいて対向配置されていて、その配置された位置で、補
強繊維糸条が連架されることによって、これら補強繊維
糸条を互いに連結して、それらの配列を保持している。

このとき、連結用糸条として、補強繊維からなる糸条
を用い、その連結用糸条が、上述した波形の最頂部およ
び最底部に位置するようにすると、複合材料の表面にお
ける補強効果を高めることができて好ましい。

この連結用糸条同士の間隔は、補強繊維糸条の場合と
同じように、マトリクス材料が入りにくくならないよ
う、また、補強効果、特に剪断破壊に対する補強効果が
充分に得られるよう、５〜150mmの範囲の一定間隔にす
ることが好ましい。

連結用糸条で補強繊維糸条を連結する際には、補強繊
維糸条を２本１組の補強繊維糸条で形成し、連結用糸条
との間で絡み組織を形成するように交錯させると、糸条
同士の拘束力が一層増大する。

この考案で用いるメッシュ状三次元組織体は、少なく
とも補強繊維糸条に固め剤が含浸または被覆により付与
されて、全体は剛直になっている。連結用糸条も補強繊
維糸条にして、両者に固め剤を付与すると、一層剛直に
なるので好ましい。

固め剤としては、たとえば、エポキシ樹脂、不飽和ポ
リエステル樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂
や、ナイロン樹脂、飽和ポリエステル樹脂、ポリエーテ
ルエーテルケトン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹
脂などの熱可塑性樹脂が用いられる。

この考案に用いるメッシュ状三次元組織体は、たとえ
ば次のようにして製造することができる。

すなわち、たとえば、連結用糸条をよこ糸、補強繊維
糸条をたて糸とするメッシュ織物に、固め剤、たとえば
樹脂を含浸してプリプレグとしたのち、そのプリプレグ
を、たとえば並行する、山形、台形またはコの字形の溝
を有する雄型と雌型の型内に置き、加熱、加圧して賦型
することによって、メッシュ状三次元組織体にする。

このとき、補強繊維糸条が型の溝と直交するように、
プリプレグをセットすることによって、補強繊維糸条が
その溝の形で波打つ形状になる。

つぎに、この考案で用いるメッシュ織物は、補強繊維
糸条をたて糸およびよこ糸とした絡み織で、かつ、たて
糸およびよこ糸に固め剤を付与して剛直性を与えてなる
ものである。

このメッシュ織物に用いる補強繊維糸条は、メッシュ
状三次元組織体で用いるものと同じものでよい。また、
メッシュの大きさも、同様の理由で、５〜150mm程度で
あればよい。なお、たて糸とよこ糸とを目止め剤で接着
して目止めしておくと、固め剤を付与するまでの間、た
て糸やよこ糸の配列が乱れるのを防止することができる
ので好ましい。目止め剤は、ナイロン、共重合ナイロ
ン、ポリエステル、塩化ビニリデン、塩化ビニルのよう
な熱可塑性樹脂である。

たて糸およびよこ糸に含浸または被覆して付与する固
め剤も、メッシュ状三次元組織体の場合に使用したのと
同様の固め剤であればよい。

このメッシュ織物は、たて糸およびよこ糸が絡み組織
織されている。

この考案の三次元補強材は、たとえば、つぎのように
して製造することができる。

すなわち、まず、メッシュ状三次元組織体のプリプレ
グを用意する。また、別に、目止めされているメッシュ
織物に、固め剤、たとえば樹脂を含浸してなるプリプレ
グを用意する。そして、このプリプレグを、メッシュ状
三次元組織体のプリプレグの片面または両面に配置した
のち、全体を加熱して、メッシュ織物およびメッシュ状
三次元組織体のプリプレグを硬化すると同時に、メッシ
ュ状三次元組織体の糸条とメッシュ織物の糸条とを接着
して一体化する。

また、メッシュ状三次元組織体およびメッシュ織物の
各プリプレグを予め硬化したのち、両者を重ね合わせて
接着したり、両者の糸条をたとえば耐アルカリ繊維糸で
結ぶことによって一体化してもよい。

この考案の三次元補強材は、これを、たとえば、型枠
内に配置し、その上からスラリー状の無機質材料を流し
込むことによって繊維強化無機質複合材料を製造するこ
とができる。このとき、複合材料の表面近くの位置に
は、メッシュ織物の補強繊維糸条が配置され、同時に、
厚み方向には、メッシュ状三次元組織体の補強繊維糸条
が配置されるので、表面および厚み方向の補強が同時に
行なわれる。

なお、繊維強化無機質複合材料の、マトリクスを形成
する無機質材料としては、建材等において普通に使用さ
れている、ポルトランドセメントを結合材とするセメン
ト材料や、ケイ砂と消石灰、または、ケイ砂とセメント
とを結合材とするカルシュウム−シリカ系材料等を使用
することができる。もちろん、砂やじゃり等の骨材を併
用してもよい。

また、マトリクスを、たとえば、発泡ウレタンのよう
な発泡プラスチック、泡ガラス、発泡石こう、発泡セメ
ントなど、各種の有機質または無機質発泡体として形成
すると、軽量複合材料にすることができる。

さらに、たとえば、シラスバルーンのような無機質微
細中空発泡体やポリスチレンのバルーン、塩化ビニルの
バルーンのような有機質発泡中空粒体を、フィラーとし
て、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、塩
化ビニリデン樹脂、スチレン樹脂などの樹脂や、セメン
ト、モルタル、水硝子などの無機質材に配合してマトリ
クス材料として使用することにより、軽量で剪断強度も
大きい軽量複合材料にすることができる。

（実施態様） 第１図に示すこの考案の三次元補強材は、メッシュ状
三次元組織体１と、その上面および下面に接合されてい
るメッシュ織物２、２からなる。

このメッシュ状三次元組織体１においては、一定間隔
で互いに並行する連結用糸条３、３、……からなる糸条
群と、同じく一定間隔で互いに並行する連結用糸条４、
４、……からなるもう１個の糸条群が対向配置されてい
る。連結用糸条３、３、……は、任意の２本の連結用糸
条４、４、……のちょうど中間に位置している。

そして、これらの連結用糸条と直交する方向には、２
本の補強繊維糸条５、６が、波打つように屈曲しなが
ら、かつ、互いに絡みながら延びている。補強繊維糸条
５は、その最頂部で、連結用糸条３に連架されている。
また、補強繊維糸条６は、その最底部で、連結用糸条４
に連架されている。そのことによって、補強繊維糸条
５、６は約30°で折れ曲がって、三角形の山形をなして
一方向に延びている。また、補強繊維糸条５、６には樹
脂が含浸されて剛直になっていて、全体の形態は、メッ
シュ状三次元組織に保たれている。

なお、連結用糸条３、３、……および４、４、……に
よる補強繊維糸条５、６の連結は、第１図においては１
か所しか示されていないが、連結用糸条３、３、……お
よび４、４、……に沿って、すなわち、紙面に垂直な方
向において、任意の一定間隔で行われている。

このメッシュ状三次元組織体１の上面および下面に
は、メッシュ織物２、２が一体に接合されている。

メッシュ織物２、２においては、互いに並行する補強
繊維糸条７、７……をたて糸（またはよこ糸）とし、こ
れら補強繊維糸条７、７……と直交する方向には、２本
の補強繊維糸条８、９が互いに絡みながら延びてよこ糸
（またはたて糸）になっている。そして、補強繊維糸条
７、７……および補強繊維糸条８、９には、いずれも樹
脂が含浸されている。

第２図に示す態様の三次元補強材は、メッシュ状三次
元組織体１が、一定間隔で互いに並行する２本の連結用
糸条10、10が所望の間隔をおいて周期的に配置される糸
条群と、同様に２本の連結用糸条11、11が所望の間隔を
おいて周期的に配置される糸条群とで、補強繊維糸条1
2、13を連結して、これらの補強繊維糸条12、13の波打
ち形状が台形となるようにしたものである。

この場合には、メッシュ織物２、２との接触面積が、
第１図で示した三次元補強材の場合よりも広くなり、メ
ッシュ状三次元組織体１とメッシュ織物２、２との一体
化の状態は良好になる。

第３図に示す態様の三次元補強材は、メッシュ状三次
元組織体１が、一定間隔で互いに並行する連結用糸条1
4、14、……で形成される糸条群と、同様に連結用糸条1
5、15、……で形成される糸条群とで、補強繊維糸条1
6、17を連結して、これらの補強繊維糸条16、17の波打
ち形状がコの字形（矩形）となるようにしたものであ
る。

この場合には、メッシュ織物２、２との接触面積が第
２図で示した三次元補強材の場合よりもさらに広くな
り、メッシュ状三次元組織体１とメッシュ織物２、２と
の一体化の状態は一層良好になる。

第４図は、第１図で示した三次元補強材を使用した複
合材料の一部切欠斜視図である。

この複合材料では、この考案の三次元補強材と、コン
クリートのようなマトリクス材料18とが複合されてい
る。この複合材料の上面および下面のそれぞれの近傍に
は、メッシュ織物２、２が配置されている。これらのメ
ッシュ織物は、互いに直交する補強繊維糸条からなるの
で、材料表面の引張強度は高くなる。また、厚み方向に
は、補強繊維糸条５、６が山形に波打って配置されてい
るので、曲げ応力に対する剪断強度も高い。

（考案の効果） この考案の三次元構造体は、複数本の、互いに並行
し、かつ、波打つように屈曲しながら延びている補強繊
維糸条と、これら複数本の補強繊維糸条と交差し、か
つ、２本で１組をなす補強繊維糸条が絡み織されて、前
記したそれら複数本の補強繊維糸条を互いに連結してい
る複数本の連結用糸条とを有するとともに、少なくとも
前記補強繊維糸条に撚りまたはカバーリングが施され、
かつ、固め剤が付与されているメッシュ状三次元組織体
の少なくとも一方の面に、補強繊維糸条をたて糸および
よこ糸とした絡み織で、かつ、それらたて糸およびよこ
糸に撚りまたはカバーリングが施され、かつ、固め剤が
付与されているメッシュ織物を一体に配置してなるの
で、この三次元補強材とマトリクス材料とを複合して複
合材料にしたとき、複合材料の表面近傍には、常に、メ
ッシュ織物が配置されることになって、複合材料表面の
引張強度は非常に高くなる。また、厚み方向にもメッシ
ュ状三次元組織体の補強繊維糸条が波打った状態で配置
されるので、曲げ応力に対する剪断破壊を防止する効果
も大きい。

【図面の簡単な説明】 第１図から第３図は、それぞれ異なる態様のこの考案の
三次元補強材をしめす概略正面図、第４図は、第１図に
示した三次元補強材を使用した複合材料の一部切欠斜視
図である。 １……メッシュ状三次元組織体、２……メッシュ織物、
３、４、10、11、14、15……メッシュ状三次元組織体の
連結用糸条、５、６、12、13、16、17……メッシュ状三
次元組織体の補強繊維糸条、７、８、９……メッシュ織
物の補強繊維糸条、18……マトリクス材料。

───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｄ０３Ｄ 15/00 Ｄ０３Ｄ 15/00 Ｅ Ｄ０６Ｃ 29/00 Ｄ０６Ｃ 29/00 Ｚ Ｄ０６Ｍ 15/19 Ｄ０６Ｍ 15/19 (56)参考文献 特開 平２−38038（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−227426（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−176232（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−55146（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−119250（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−243547（ＪＰ，Ａ) 特公 昭39−14049（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (2)

(57)【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】複数本の、互いに並行し、かつ、波打つよ
   うに屈曲しながら延びている補強繊維糸条と、これら複
   数本の補強繊維糸条と交差し、かつ、２本で１組をなす
   補強繊維糸条が絡み織されて、前記したそれら複数本の
   補強繊維糸条を互いに連結している連結用糸条とを有す
   るとともに、少なくとも前記補強繊維糸条に撚りまたは
   カバーリングが施され、かつ、固め剤が付与されている
   メッシュ状三次元組織体の少なくとも一方の面に、補強
   繊維糸条をたて糸およびよこ糸とした絡み織で、かつ、
   それらたて糸およびよこ糸に撚りまたはカバーリングが
   施され、かつ、固め剤が付与されているメッシュ織物を
   一体に配置してなることを特徴とする三次元補強材。
2. 【請求項２】請求項１の三次元補強材を有する繊維強化
   複合材料。