JP2995826B2 - 三次元補強材 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、繊維強化樹脂材料、繊維強化炭素材料、
繊維強化金属材料、繊維強化無機質材料等の繊維強化複
合材料、特に、壁材や床材、柱材等の建材として使用す
る繊維強化セメント等の繊維強化無機質材料を製造する
ときに補強材として使用する三次元補強材に関する。

（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。

（発明が解決しようとする課題） この発明の目的は、従来の補強材の上述した問題点を
解決し、繊維強化無機質材料等の繊維強化複合材料にお
いて、補強繊維を材料の表面近くの所定の位置に容易か
つ正しく配置することができるばかりか、材料の厚み方
向においても補強効果を発現せしめることができる三次
元補強材を提供するにある。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、この発明は、複数個の、
互いに並行する補強繊維糸条からなる糸条群が５〜100m
mの間隔をおいて対向配置され、これら複数個の糸条群
間には別の補強繊維糸条が連架されてそれら複数個の糸
条群を５〜100mmの間隔をおいて連結しており、上記糸
条群連結用強化繊維糸条は、２本１組の糸条を形成し
て、糸条群形成用補強繊維糸条との間で、絡み組織を形
成しており、かつ、上記糸条群形成用および糸条群連結
用補強繊維糸条には固め剤が付与されていることを特徴
とする三次元補強材を提供する。

この発明の補強材は、複数個の、任意の間隔をおいて
対向配置された、互いに並行する補強繊維糸条からなる
糸条群を有する。糸条群は、理論的にはいくつあっても
よいが、通常は、２個である。

糸条群形成用補強繊維糸条は、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、ビニロン繊維等の高強度、高弾性率繊維から
なるマルチフィラメント糸のようなものである。使用目
的等に応じて選択すればよい。なかでも、補強効果が高
く、かつ、耐蝕性にも優れている炭素繊維からなるもの
であるのが最も好ましい。そのような炭素繊維糸条は、
５〜50μｍ程度の太さの単糸が3000〜100000本程度集ま
ってできている。また、炭素繊維糸条は、補強材がセグ
メントの補強に使用されるものである場合には、強度が
250kg/mm²以上で、引張弾性率が18000kg/mm²以上である
ものを使用するのが好ましい。

糸条群形成用補強繊維糸条は、収束性を向上させるた
めの撚りを有しているのが好ましい。撚りは、Ｓ方向ま
たはＺ方向に10〜50ターン/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子としてもよい。双
子のときの撚り数は、補強繊維糸条の太さによるが、下
撚りを10〜150ターン/mとし、上撚りを下撚り数の60〜8
0％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。

糸条群形成用補強繊維糸条は、また、上述した補強繊
維糸条を、それと同一または異なる補強繊維糸像によっ
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タ
ーン/m程度であるのがよい。

さて、互いに並行して糸条群を形成している補強繊維
糸条は、実質的に真直ぐで、応力が集中するような屈曲
をもたないが、その間隔は、用途等によるものの、５〜
100mmの範囲の一定間隔に設定される。間隔が5mm未満で
は、特に繊維強化無機質材料の製造にあったて、いわゆ
るマトリクス、とりわけ骨材等が入りにくくなって材料
の均質性が損なわれたり、材料の破壊強度が低くなった
りすることがある。一方、100mmを超えると、補強効果
が低くなったり、材料に割れができたりすることがあ
る。また、間隔を５〜100mmの範囲の一定間隔に選定す
ることは、材料が割れたときに割片の落下を防止できる
ようになるという意味でも好ましいことである。なお、
糸条群形成用補強繊維糸条は、糸条群間で配列位置が同
じになるように配置されていてもよく、千鳥状等、異な
る位置になるように配置されていてもよい。また、糸条
群に、その糸条群を構成している補強繊維糸条とで格子
を形成するように他の補強繊維糸条を配置すれば、補強
材の等方性が向上するようになる。

一方、糸条群同士の間隔は、通常、一定で、得たい繊
維強化無機質材料等の繊維強化複合材料の厚みに応じて
選定する。すなわち、繊維強化複合材料の表面近くに糸
条群形成用補強繊維糸条が位置するようにする。たとえ
ば、上述した建材として使用する繊維強化セメントにあ
っては、５〜100mm程度の一定間隔にする。

複数個の糸条群間に連架され、それら複数個の糸条群
を連結している補強繊維糸条は、上述した、糸条群を形
成している補強繊維糸条と同様の補強繊維糸条からなっ
ている。もっとも、太さや補強繊維の種類等は、用途等
に応じて任意に選ぶことができ、糸条群形成用補強繊維
糸条と同一である必要はない。なお、補強繊維糸条によ
る糸条群同士の連結は、糸条群を形成している補強繊維
糸条に沿って、任意の間隔で行われている。間隔は、や
はり、いわゆるマトリクスが入りにくくならないよう、
また、補強効果、特に剪断に対する補強効果が十分に得
られるよう、５〜100mmの範囲の一定間隔にする。

糸条群連結用補強繊維糸条は、糸条群を形成している
補強繊維糸条の配置によって、糸条群間で、山形（三角
形）や、コの字形（矩形）、波形等を形成しながら糸条
群同士を連結している。このとき、糸条群連結用補強繊
維糸条は、糸条群形成用補強繊維糸条と織物組織のよう
に交錯する。即ち、糸条群連結用補強繊維糸条を２本１
組の補強繊維糸条で形成し、糸条群形成用補強繊維糸条
との間で絡み組織を形成することにより、上記の交錯に
よる糸条同士の拘束力は大きなものとなる。

さて、この発明の補強材は、糸条群形成用補強繊維糸
条と糸条群連結用補強繊維糸条の双方に固め剤が付与さ
れ、その固め剤によって補強繊維糸条に剛直性が与えら
れて三次元構造を維持している。固め剤としては、セメ
ント、金属等を用いることもできるが、一般的には樹脂
を用いる。樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエ
ステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬貨性樹脂や、ナイ
ロン樹脂、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等の熱可塑
性樹脂を使用することができる。なお、補強繊維糸条に
対する固め剤の付与は、被覆または含浸によることがで
きる。

この発明の補強材は、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、補強繊維糸条を経糸および緯糸とするメッ
シュ織物に、固め剤、たとえば樹脂を含浸してプリプレ
グとした後、そのプリプレグを、たとえば並行する山形
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製造することができる。そうし
て、たとえば、経糸が糸条群を形成し、緯糸が糸条群同
士を連結する補強繊維糸条となる。

この発明の補強材は、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マトリクス材料を流し込
むことによって繊維強化複合材料を製造することができ
る。このとき、補強材の厚みを選定することで、糸条群
形成用補強繊維糸条を材料の表面近くの所定の位置に正
しく配置することができる。また、同時に、糸条群連結
用補強繊維糸条が材料の厚み方向に配置されるようにな
る。円筒状の型を使用し、その中に、補強材を、丸める
ようにして、かつ、糸条群形成用補強繊維糸条が型に長
手方向になるように配置すれば、円柱状の繊維強化無機
質材料を得ることができる。なお、繊維強化無機質材料
の、いわゆる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、ポリトラン
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、砂やじゃり等の骨剤を併用してもよい。

以上においては、補強材を、主として繊維強化無機質
材料に適用する場合について説明したが、他の複合材料
においても、いわゆるマトリクスの種類が変わるだけの
ことであるから、同様に適用することができる。

たとえば、マトリクス材料として、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を直接注
入すれば、軽量で、優れた補強効果を有する複合材料に
することもできる。

さらに、たとえば、シラスバルーン、シリカバルー
ン、パーライトのような無機質発応中空粒体や、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、これをウレタン樹
脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、塩化ビニル樹脂、
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注入することにより、計量
で、剪断強度よりも大きい複合材料にすることができ
る。

（実施態様） 第１図に示し補強材においては、一定間隔で互いに並
行する補強繊維糸条１、１、……からなる糸条群と、同
じく一定間隔で互いに並行する補強繊維糸条２、２、…
…からなるもう１個の糸条群とが、一定間隔で互いに対
向配置されている。補強繊維糸条１、１、……（２、
２、……）は、任意の２本の補強繊維糸条２、２、……
（１、１、……）のちょうど中間に位置している。そう
して、２個の糸条群は、それら両糸条群間に連架され
た、補強繊維糸条１、１、……および２、２、……と絡
む２本の補強繊維糸条３、４によって連結されている。
補強繊維糸条３、４は２個の糸条群間で山形をなしてい
る。また、補強繊維糸条１、１、……および２、２、…
…と補強繊維糸条３、４にはいずれも樹脂が含浸され、
三次元補強材としての形態が保たれている。なお、補強
繊維糸条３、４による糸条群Ａ、Ｂ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、補強繊維糸条
１、１、……および２、２、……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
いるものである。

第２図に示す態様の補強材は、一定間隔で互いに並行
する補強繊維糸条５、５、……で形成される糸条群と、
同様に補強繊維糸条６、６、……で形成される糸条群と
の間に、補強繊維糸条７、８をそれらが矩形を形成する
ように連架し、両糸条群を連結したものである。

第３図は、上記第１図に示した補強材を使用して、い
わゆるマトリクスである無機質材料９を補強してなる繊
維強化無機質材料を示すもので、糸条群を形成している
補強繊維糸条１、１、……および２、２、……が材料の
表面近くに正しく位置せしめられており、また、糸条群
連結用補強繊維糸条３、４が糸条群間で山形をなして材
料の厚み方向に延びていることがわかる。

（発明の効果） この発明の三次元補強材は、複数個の、互いに並行す
る補強繊維糸条からなる糸条群が５〜100mmの間隔をお
いて対向配置され、これら複数個の糸条群間には別の補
強繊維糸条が連架されてそれら複数個の糸条群を５〜10
0mmの間隔をおいて連結しており、上記糸条群連結用強
化繊維糸条は、２本１組の糸条を形成して、糸条群形成
用補強繊維糸条との間で、絡み組織を形成しており、か
つ、上記糸条群形成用および糸条群連結用補強繊維糸条
には固め剤が付与されているものであるから、その厚み
を選定することによって、補強繊維を、繊維強化無機質
材料等の繊維強化複合材料の、曲げ応力に対して最も効
果的に作用する表面近くの所定の位置に容易かつ正しく
配置することができるようになるばかりか、糸条群同士
を連結している補強繊維糸条によって、材料の厚み方向
における補強効果をも発現せしめることができ、また、
剪断破壊を防止することができるようになる。そのた
め、この発明の補強材によれば、極めて容易に、力学的
特性に優れた繊維強化無機質材料等の繊維強化複合材料
を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は、それぞれ異なる態様のこの発明
の三次元補強材を示す概略正面図、第３図は、上記第１
図に示した補強材を使用した繊維強化無機質材料を示す
概略一破断斜視図である。 1:糸条群形成用補強繊維糸条 2:糸条群形成用補強繊維糸条 3:糸条群連結用補強繊維糸条 4:糸条群連結用補強繊維糸条 5:糸条群形成用補強繊維糸条 6:糸条群形成用補強繊維糸条 7:糸条群連結用補強繊維糸条 8:糸条群連結用補強繊維糸条 9:無機質材料。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) D03D 1/00,15/02,19/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数個の、互いに並行する補強繊維糸条か
   らなる糸条群が５〜100mmの間隔において対向配置さ
   れ、これら複数個の糸条群間には別の補強繊維糸条が連
   架されてそれら複数個の糸条群を５〜100mmの間隔をお
   いて連結しており、上記糸条群連結用強化繊維糸条は、
   ２本１組の糸条を形成して、糸条群形成用補強繊維糸条
   との間で、絡み組織を形成しており、かつ、上記糸条群
   形成用および糸条群連結用補強繊維糸条には固め剤が付
   与されていることを特徴とする三次元補強材。
2. 【請求項２】請求項１の三次元補強材を含む繊維強化複
   合材料。
3. 【請求項３】請求項１の三次元補強材を含む繊維強化無
   機質材料。