JPH0764035B2 - 中実若しくは中空状の繊維強化プラスチツク - Google Patents

中実若しくは中空状の繊維強化プラスチツク

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JPH0764035B2
JPH0764035B2 JP61224195A JP22419586A JPH0764035B2 JP H0764035 B2 JPH0764035 B2 JP H0764035B2 JP 61224195 A JP61224195 A JP 61224195A JP 22419586 A JP22419586 A JP 22419586A JP H0764035 B2 JPH0764035 B2 JP H0764035B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は軽量で且つ衝撃吸収特性に優れた中実若しくは
中空状の繊維強化プラスチックに関するものである。
［従来の技術］ 無機繊維を補強材とした繊維強化プラスチックは、引張
特性，圧縮特性，曲げ特性が優れ且つ軽量であるために
一部の分野では金属に代る構造材として採用され始めて
いる。特に無機繊維の内でもカーボン繊維を補強材とし
た繊維強化プラスチックは金属材料に匹敵する上記特性
に加えて、繊維強化プラスチックの中でも特に軽量性に
優れ、航空機や宇宙空間飛行物体の分野における構造材
として急速な進歩をとげつつある。又最近では軽量スポ
ーツ用自転車，車椅子，ロボット等の用途にも需要が広
がりつつある。
しかるにカーボン繊維強化プラスチックは、この様に優
れた性質を有している反面、衝撃作用に対してもろく、
破損時に脆性破壊を起こし易く破片が飛び散るなどの欠
点がある。この理由の一つとしてカーボン繊維の伸度が
著しく低いということが挙げられ、他の理由としてマト
リックス側の原因、即ち耐熱性や耐薬品性が優れている
という特性から構造材繊維強化プラスチック用のマトリ
ックス材として汎用されているエポキシ系樹脂のもろさ
が挙げられる。これらの欠点を改善するために近年補強
繊維の面からは高強度で且つ伸度の高い改良カーボン繊
維が開発され、又マトリックス樹脂の面からはエポキシ
本来の物性を保持しつつ伸度の高い改良樹脂が盛んに開
発されている。しかしながらこうして改善されたカーボ
ン繊維およびマトリックス樹脂の組み合せにおいてさえ
要求靱性に応えるには未だほど遠く、又改善にも限度が
ある。
そこで最近では既存材料の効果的利用、即ちカーボン繊
維に衝撃性の高いアラミド繊維を複合化（ハイブリッド
化）した繊維強化プラスチックの開発が主流になりつつ
ある。
［発明が解決しようとする問題点］ 前記の如くアラミド繊維をハイブリッド化した強化プラ
スチックはカーボン繊維100％の繊維強化プラスチック
に比べて耐衝撃性は改善される。しかし要求靱性を付与
するためにはかなりの量のアラミド繊維を複合化する必
要があり繊維強化プラスチックとしての圧縮特性および
曲げ特性を犠牲にせざるを得ないのが現状である。又ア
ラミド繊維は標準状態での吸水率が3.5％と高く使用環
境下での吸水による経時的物性劣化も問題となってい
る。さらにアラミド繊維の比重は1.45と有機繊維の中で
も特に高く、できる限り軽量な繊維が望まれている状況
下では改善の余地がある。
本発明はこうした事情に着目してなされたものであっ
て、軽量で吸水率が低く且つ高度な耐衝撃性を有する繊
維を複合化することによって耐衝撃性が改良された軽量
で且つ吸水による経時劣化のない繊維強化プラスチック
を提供しようとするものである。
［問題点を解決するための手段］ しかして上記問題点を解決する本発明の構成は無機繊維
により強化されたプラスチック層を芯部に配し、高強化
ポリエチレンフィラメントにより強化されたプラスチッ
ク層を鞘部として構成される点に要旨を有するものであ
る。
［作用］ 本発明に用いる無機繊維としては、ガラス繊維，カーボ
ン繊維，ポロン繊維などが例示されるが高強力，高弾性
で且つ軽量性を兼ねそなえたカーボン繊維が特に好まし
い。
一方本発明に用いる高強力ポリオレフィンフィラメント
は無機繊維の有する物性とのバランスから考えて少なく
とも20g/デニール、好ましくは30g/デニール以上、より
好ましくは40g/デニール以上の引張強度と少なくとも50
0g/デニール、好ましくは800g/デニール以上、より好ま
しくは1000g/デニール以上の引張弾性率を有するものが
推奨される。又、該繊維の衝撃吸収エネルギーは少なく
とも40ジュール／デニール、好ましくは50ジュール／デ
ニール以上、より好ましくは60ジュール／デニール以上
であることが望まれる。尚40ジュール／デニール未満の
場合にあっては本発明の繊維強化プラスチックの耐衝撃
強度比が目標と考えられている３以上の値を達成できな
くなる。
本発明に用いる高強力ポリオレフィンフィラメントは前
記の物性を満足するものであればいずれでもよいが、特
に粘度平均分子量５×105以上の高分子量ポリエチレン
であると価格面および製糸の容易さの面で有利である。
本発明に用いる高強力ポリオレフィンフィラメントの単
糸デニールについては特に限定はないが好ましくは0.2
〜20d、更に好ましくは0.5〜10dとするのが良い。
尚高強度ポリオレフィンフィラメントの場合はマトリッ
クス樹脂との接着性があまり良くないことがあるので、
マトリックス樹脂との接着性を向上させる為に繊維表面
に無数の縦長の多条溝を付与することが推奨される。こ
の多条溝は溶剤を適当量含むポリオレフィンゲル糸を延
伸する際に、溶剤蒸発量を制御することにより付与する
ことができる。さらに、接着性向上の手段として、高分
子化合物と接着する以前に繊維表面をフッ素ガスで処理
するか、またはエポキシ基含有ポリオレフィン、カルボ
キシ基含有ポリオレフィン、塩素化ポリオレフィン等で
表面処理を行なうと接着性が極めて向上するので他の接
着性向上手段として推奨される。
他方本発明に用いるマトリックス樹脂は、145℃以下で
硬化又は脱溶媒により最終的に固化される樹脂であるば
特に限定されるものではない。例えばポリエーテル系ポ
リウレタン，ポリエステル系ポリウレタン，脂肪族炭化
水素系重合体，脂肪族炭化水素系共重合物あるいは不飽
和ポリエステル樹脂，ビニルエステル樹脂，エポキシ樹
脂，フェノール樹脂，ウレタンアクリレート樹脂等が挙
げられるが、目的とする耐衝撃性を有する繊維強化プラ
スチックを得るには靱性の改良された熱硬化性樹脂、特
にエポキシ系樹脂が好ましい。
本発明に係る繊維強化プラスチックの耐衝撃強度比は無
機繊維強化プラスチックの耐衝撃性に対する繊維強化プ
ラスチックの耐衝撃性の比で表わすことができ、好まし
い値は該強度比で３以上、殊に４以上であればよい。
本発明に係る繊維強化プラスチックは例えばカーボン繊
維にエポキシ樹脂を不浸し、半硬化した所謂プリプレグ
シートを積層して芯部となし、ついで高強度ポリオレフ
ィン（以下ポリエチレンで代表する）フィラメントを補
強繊維とした同プリプレグシートを芯部上に１層又は２
層以上積層して鞘部を構成し、ついで加熱成形すること
により複層構造に製造することができるが特にこの方法
に限定されるものではない。尚鞘部補強繊維として高強
力ポリエチレンフィラメントに他の繊維、例えば炭素繊
維，アラミド繊維，ガラス繊維等を混合使用してもよ
い。本発明の芯・鞘構造としては、中実芯・鞘構造およ
び中空芯・鞘構造等があり用途に応じて使い分けられ
る。又使用される強化繊維の形態はヤーン，ストラン
ド，一方向シート，織物（平織，朱子織，綾織等）など
があり、用途および成形法により使い分けられる。
［実施例］ 本発明の評価に用いた物性の測定法は下記の通りであ
る。
＜耐衝撃強度比＞ 耐衝撃強度はJIS K 7111−1987「硬質プラスチックのシ
ャルピー衝撃試験方法」に準じて測定した。
測定は下記の条件により行なった。
衝撃法 ：フラットワイズ衝撃 ハンマーの秤量:150kg・cm 持ち上げ角度 :150゜ 衝撃速度 :3.7m/秒 試験片 ：パイプ構成体，切欠きなし 試験片寸法 ：径10mmφ，肉厚1mm, 長さ50mm 支点間距離 :40mm 耐衝撃強度比は次式により求めた。
＜強伸度特性の測定法＞ JIS L−1013−1981「7.5引張強さ及び伸び率」に準じて
測定した。
＜衝撃吸収エネルギー＞ JIS L−1013−1981「7.8衝撃強さ」に準じて測定した。
実施例１ 粘度平均分子量が1.8×106の可撓性高分子鎖を有する超
高分子量ポリエチレンをデカリン（キシレンやパラフィ
ン等も使用可能である）に溶解して紡糸原液とした後、
該紡糸原液を紡糸装置内でポリエチレン溶液が固定しな
い濃度で紡糸口金から室温の大気中（水柱へ押し出すこ
ともある）に押し出して冷却しゲル状繊維を形成する。
このデカリンを含有するゲル状繊維を該ゲル状繊維が溶
断しない温度で、トータル30〜40倍の倍率で延伸し引張
強度35g/デニール，引張弾性率1350g/デニール，破断伸
度3.2％の引張特性を有する太さ150デニールの高強力ポ
リエチレンフィラメントを得た。該フィラメントを用い
て経緯34本／インチの織密度，目付45g/m2の平織を織製
した。ついで該織物を用いて下記の要領にて繊維強化プ
ラスチックパイプを作成した。即ち硬化温度120℃タイ
プのカーボン繊維に一方向プリプレグシートを内径8.0m
mφのマンドレルに積層し最外層に前記強強力ポリエチ
レンフィラメント織物のエポキシプレプリグを１回巻き
し、120℃で３時間硬化成形して肉厚1.05mm,直径10.1mm
φ，繊維体積含有率（Vf）60％の繊維強化プラスチック
パイプを作製した。カーボン繊維と高強力ポリエチレン
繊維との体積含有率比は90対10であった。
一方ブランクとして炭素繊維100％の強化プラスチック
パイプを同様の方法にて作製し、肉厚1.0mm,直径10.0mm
φ,Vf:60％のものを得た。規定の方法にて衝撃特性を測
定した結果耐衝撃強度比は2.8であった。
実施例２ 実施例１で得られた高強度ポリエチレン繊維織物のプリ
プレグシート（エポキシ樹脂）を前記カーボン繊維プリ
プレグ巻き層の最外層に２回巻きし、120℃で３時間硬
化成形して肉厚1.1mm,直径10.2mmφ,Vf:60％の繊維強化
プラスチックパイプを作製した。カーボン繊維と高強力
ポリエチレン繊維との体積含有率比は80対20であった。
規定の方法にて衝撃特性を測定した結果、耐衝撃強度比
は4.0であった。
比較例１ ケブラー49（デュポン社製）195デニールを使った市販
平織物（デュポン品番120）を用い、実施例１と同様の
方法にて高強力ポリエチレン繊維織物プリプレグの代り
に該ケブラー49織物プリプレグを最外層に１回巻きし、
120℃で３時間硬化成形して肉厚1.05mm,直径10.1mmφ,V
f:60％の強化プラスチックパイプを作製した。カーボン
繊維とケブラー49との体積含有率比は89対11であり、耐
衝撃強度比は2.1であった。
比較例２ 比較例１と同様な方法でパイプを作製するに際し、該ケ
ブラー49織物プリプレグを最外層に２回巻きし、120℃
で３時間硬化成形し肉厚1.1mm,直径10.2mmφ,Vf:60％の
繊維強化プラスチックパイプを作製した。カーボン繊維
とケブラー49との体積含有率比は78対22であり、耐衝撃
強度比は3.0であった。
比較例３ 粘度平均分子量が4.5万のポリエチレンを実施例１と同
様な方法で製糸し引張強度19g/デニール，引張弾性率48
0g/デニール，破断伸度6.2％の引張特性を有する太さ15
0デニールのポリエチレンフィラメントを得た。該フィ
ラメントを用いて実施例１と同様の方法で織製しついで
カーボン繊維との繊維強化プラスチックパイプを作製し
た。肉厚1.05mm,直径10.1mmφ，繊維体積含有率（Vf）6
0％、カーボン繊維とポリエチレン繊維との体積含有率
が90:10のパイプが得られた。耐衝撃強度比は1.8であっ
た。
比較例４ 実施例１で得られた高強力ポリエチレンフィラメントを
用いて、硬化温度120℃タイプの一方向プリプレグシー
ト（エポキシ樹脂）を作製した。該プリプレグシートを
内径8.0mmφのマンドレルに積層し最外層に実施例１で
得られた高強力ポリエチレンフィラメント織物のエポキ
シプリプレグを１回巻きし、120℃で３時間硬化成形し
て肉厚1.05mm,直径10.1mmφ繊維体積含有率（Vf）60％
の複合化繊維強化プラスチックパイプを作製した。規定
の方法にて衝撃特性を測定した結果耐衝撃強度比は3.5
であった。
実施例１〜2,比較例１〜４の結果をまとめると第１表の
通りである。
第１表から明らかなように、カーボン繊維の強化プラス
チックパイプの耐衝撃製を改善する効果に関して本発明
の高強化ポリエチレンフィラメントは、比較例１〜２の
ケブラー49の場合に比べて小さな使用量で達成できるこ
とがわかる。
即ち本発明の体積含有率（A/B）90/10の耐衝撃強度は比
較例２の（A/B）78/22のそれにほぼ匹敵する。又巻き数
を２倍にすることによる耐衝撃強度比の増加割合に関し
ては本発明（実施例１〜２）は比較例１〜２に比べて大
きいことがわかる。本発明の要件を満さないポリエチレ
ン繊維を使用した比較例３の場合、同じ体積含有率の本
発明（実施例１）に比べて耐衝撃強度比は著しく劣り、
本発明の効果は明白である。又比較例４の高強度ポリエ
チレンフィラメント単独の繊維強化プラスチックパイプ
の耐衝撃強度比は実施例１又は２に比べて必ずしも高い
値を得られなかった。又曲げ，圧縮性はカーボン繊維10
0％強化プラスチックパイプに比べて著しく劣ってい
た。
［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されており、アラミド繊維をカ
ーボン繊維に複合化した強化プラスチックに比べて本発
明の繊維強化プラスチックは耐衝撃性が著しく改善さ
れ、軽量で且つ吸水率の低いものであった。
───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｂ２９Ｋ 105:08 Ｂ２９Ｌ 23:00

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】無機繊維により強化されたプラスチック層
    を芯部に配し、高強力ポリオレフィンフィラメントによ
    り強化されたプラスチック層を鞘部として配したもので
    あることを特徴とする中実若しくは中空状の繊維強化プ
    ラスチック。
  2. 【請求項２】無機繊維がカーボン繊維からなる特許請求
    の範囲第１項に記載の中実若しくは中空状の繊維強化プ
    ラスチック。
  3. 【請求項３】高強力ポリオレフィンフィラメントの引張
    強度が20g/デニール以上，引張弾性率が500g/デニール
    以上の高強力ポリエチレンである特許請求の範囲第１項
    又は第２項記載の中実若しくは中空状の繊維強化プラス
    チック。
  4. 【請求項４】高強化ポリエチレンフィラメントの衝撃吸
    収エネルギーが少なくとも40×10-5ジュール／デニール
    である特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかに記
    載の中実若しくは中空状の繊維強化プラスチック。
  5. 【請求項５】芯部が中空である特許請求の範囲第１項乃
    至第４項のいずれかに記載の中実若しくは中空状の繊維
    強化プラスチック。
JP61224195A 1986-09-22 1986-09-22 中実若しくは中空状の繊維強化プラスチツク Expired - Lifetime JPH0764035B2 (ja)

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