(57)【要約】【課題】フィブロイン繊維を用いた場合において、脆性破壊を起こすことなく良好な衝撃吸収特性を得ることができる衝撃吸収部材を提供する。【解決手段】衝撃吸収部材は、棒状の衝撃吸収基材と、上記衝撃吸収基材に巻き付けられ、フィブロイン繊維を含む繊維強化複合材料からなる補強部材と、上記衝撃吸収基材および上記補強部材の間に配置され、上記衝撃吸収基材に対して上記補強部材の一部または全部を非接触にさせる介在部材と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状の衝撃吸収基材と、
前記衝撃吸収基材に巻き付けられ、フィブロイン繊維を含む繊維強化複合材料からなる補強部材と、
前記衝撃吸収基材および前記補強部材の間に配置され、前記衝撃吸収基材に対して前記補強部材の一部または全部を非接触にさせる介在部材と、を備える衝撃吸収部材。
【請求項２】
前記フィブロイン繊維がシルクである、請求項１に記載の衝撃吸収部材。
【請求項３】
前記衝撃吸収基材がパイプ状である、請求項１または２に記載の衝撃吸収部材。
【請求項４】
前記介在部材が、前記衝撃吸収基材の外周面上に巻き付けられたポリ塩化ビニリデンフィルムである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の衝撃吸収部材。
【請求項５】
前記衝撃吸収基材が金属製である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の衝撃吸収部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、衝撃吸収部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
衝撃吸収部材として、たとえば特許文献１に記載された車両用エネルギ吸収部材およびそれを用いたドアガードビームが知られている。このエネルギ吸収部材は、アルミニウム等の金属製の管状部材と、ＣＦＲＰ等の繊維強化複合材料から構成されるシート状部材とを備える。シート状部材は、管状部材の車内側の外周面に接着層を介して貼り付けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２１３３１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
衝撃吸収部材は、靭性を有することが望ましい。そこで本発明者らは、衝撃吸収部材の靭性を向上させるべく、繊維強化複合材料に用いられる繊維として、フィブロイン繊維を用いることを検討した。しかし、フィブロイン繊維を用いた場合に、金属製の衝撃吸収基材が脆性破壊を起こしてしまい、衝撃吸収部材としての必要な性能を得られなかった。
【０００５】
本発明は、フィブロイン繊維を用いた場合において、脆性破壊を起こすことなく良好な衝撃吸収特性を得ることができる衝撃吸収部材を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、以下の［１］〜［５］を提供する。
［１］  棒状の衝撃吸収基材と、上記衝撃吸収基材に巻き付けられ、フィブロイン繊維を含む繊維強化複合材料からなる補強部材と、上記衝撃吸収基材および上記補強部材の間に配置され、上記衝撃吸収基材に対して上記補強部材の一部または全部を非接触にさせる介在部材と、を備える衝撃吸収部材。
［２］  上記フィブロイン繊維がシルクである、［１］に記載の衝撃吸収部材。
［３］  上記衝撃吸収基材がパイプ状である、［１］または［２］に記載の衝撃吸収部材。
［４］  上記介在部材が、上記衝撃吸収基材の外周面上に巻き付けられたポリ塩化ビニリデンフィルムである、［１］〜［３］のいずれか一項に記載の衝撃吸収部材。
［５］  上記衝撃吸収基材が金属製である、［１］〜［４］のいずれか一項に記載の衝撃吸収部材。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、フィブロイン繊維が用いられた衝撃吸収部材において、脆性破壊を起こすことなく良好な衝撃吸収特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態に係る衝撃吸収部材を示す図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ切断線に沿った断面図である。
【図３】図３（ａ）、図３（ｂ）、および図３（ｃ）は、実施例１に係る衝撃吸収部材の作製手順を示す図である。
【図４】実施例２に係る衝撃吸収部材の作製手順を示す図である。
【図５】図５（ａ）は実施例１に係る衝撃吸収部材の断面図、図５（ｂ）は介在部材が設けられない部分における、実施例２に係る衝撃吸収部材の断面図である。
【図６】衝撃試験に用いた試験装置を示す図である。
【図７】実施例１，２および比較例における衝撃試験の結果を示す図である。
【図８】実施例１における試験結果を示す写真である。
【図９】図９（ａ）および図９（ｂ）は、実施例１における衝撃吸収部材に衝撃が加わった際の変形状態を模式的に示す図である。
【図１０】比較例における試験結果を示す写真である。
【図１１】図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、比較例における衝撃吸収部材に衝撃が加わった際の変形状態を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の好適な実施形態について説明する。ただし、本発明は下記実施形態に何ら限定されるものではない。
【００１０】
［衝撃吸収部材］
本実施形態に係る衝撃吸収部材は、棒状の衝撃吸収基材と、衝撃吸収基材に巻き付けられた補強部材と、衝撃吸収基材および補強部材の間に配置された介在部材とを備える。補強部材は、フィブロイン繊維を含む繊維強化複合材料からなる。介在部材は、衝撃吸収基材に対して、補強部材の一部または全部を非接触にさせる。
【００１１】
図１に示されるように、長尺の衝撃吸収部材１は、たとえば、自動車用インパクトビームとして、自動車に取り付けられる部材である。衝撃吸収部材１は、たとえば自動車等の移動体に組み込まれて、優れた衝撃吸収特性を発揮し得る。衝撃吸収部材１の本体をなす衝撃吸収基材２は、所定の方向に長く延びる部材である。本明細書において「棒状」とは、ある方向に長く延びることを意味しており、その長さ又は直径は、あらゆる値になり得る。すなわち、「棒状」との語が、衝撃吸収基材の長さの下限値または上限値を限定的に解釈させることはない。「棒状」との語が、衝撃吸収基材の直径の下限値または上限値を限定的に解釈させることはない。衝撃吸収基材２の長さは、少なくとも衝撃吸収基材２の太さ（直径）よりも大きい。また「棒状」との語は、軸方向に垂直な断面の形状を限定するものでもない。衝撃吸収基材２の断面形状は、円形であってもよいし、楕円形であってもよいし、矩形または多角形であってもよい。衝撃吸収基材２の断面の形状および大きさは、長さ方向に一定であってもよいし、長さ方向に変化してもよい。
【００１２】
図１および図２に示されるように、衝撃吸収基材２は、たとえば円形のパイプ状（すなわち円筒状）である。衝撃吸収基材２は中空の部材である。衝撃吸収基材２の内部に、リブ等が形成されてよい。衝撃吸収基材２は中実の部材であってもよい。衝撃吸収基材２は、好ましくは金属製である。衝撃吸収基材２は、アルミニウム製であってもよく、アルミニウム合金製であってもよい。衝撃吸収基材２は、たとえば、鉄、チタン、銅、マグネシウム等からなってもよい。衝撃吸収基材２は、ステンレスを含むこれらの合金からなってもよい。なお、衝撃吸収基材２は、金属以外の材料からなってもよい。衝撃吸収基材２は、たとえば、繊維強化樹脂等の樹脂製であってもよい。繊維強化樹脂には、ガラス繊維強化樹脂または炭素繊維強化樹脂等の、公知のあらゆる樹脂が含まれ得る。
【００１３】
補強部材３は、たとえばシート状の部材であり、衝撃吸収基材２の外周側に巻き付けられている（積層されている）。補強部材３は、衝撃吸収基材２の形状に応じた形状を呈する。すなわち、衝撃吸収基材２が円形のパイプ状である場合、補強部材３も円筒状である。補強部材３の内面は、たとえば介在部材４の表面に密着している。補強部材３の内面の全面が、介在部材４の表面に密着していてもよい。補強部材３の内面の一部のみが、介在部材４の表面に密着していてもよい。この場合に、補強部材３の内面の他の部分は、何にも接触していなくてもよいし、介在部材４以外の部材に接触していてもよい。たとえば、介在部材４が衝撃吸収基材２の全周に設けられているのではなく、一部にのみ設けられている場合に、補強部材３の内面の他の部分が、衝撃吸収基材２の外周面に密着（接触）していてもよい。
【００１４】
補強部材３は、介在部材４に対して接着（接合）されていないことが好ましい。補強部材３の一部が衝撃吸収基材２に接着（接合）されていてもよい。その場合において、衝撃吸収基材２が破壊する前に接触面が剥がれる程度に、補強部材３が衝撃吸収基材２に接着（接合）していることが好ましい。
【００１５】
補強部材３は、フィブロイン繊維を含む強化繊維と、マトリックス樹脂とを含む繊維強化複合材料からなる。補強部材３が含有する強化繊維のＶｆ（繊維体積含有率）は、４０％〜７０％であってもよい。フィブロイン繊維の繊維長は特に限定されない。フィブロイン繊維は、いわゆる長繊維（例えば繊維長５０ｍｍを超える繊維）であってもよく、短繊維（例えば繊維長５０ｍｍ以下の繊維）であってもよく、連続繊維であってもよい。フィブロイン繊維は、短繊維であることが好ましい。
【００１６】
フィブロイン繊維は、単独で使用されてもよく、又は他の繊維と組み合わされて使用されてもよい。他の繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリエステル繊維等が挙げられる。他の繊維と組み合わせて使用する場合には、フィブロイン繊維を含む強化繊維の全量を基準として、フィブロイン繊維の含有量は、好ましくは５０質量％以上であり、より好ましくは８０質量％以上であり、更に好ましくは９０質量％以上である。
【００１７】
補強部材３に用いられるフィブロイン繊維は、好ましくは、シルクである。補強部材３に用いられるフィブロイン繊維が他のフィブロイン繊維であってもよい。フィブロイン繊維が、天然クモ糸フィブロイン繊維等の天然フィブロイン繊維、または天然フィブロインに由来する改変フィブロイン繊維であってもよい。改変フィブロインは、改変絹（シルク）フィブロイン（カイコが産生する絹タンパク質のアミノ酸配列を改変したもの）であってもよく、改変クモ糸フィブロイン（クモ類が産生するスパイダーシルクタンパク質のアミノ酸配列を改変したもの）であってもよい。クモ糸フィブロイン繊維として、たとえば、国際公開第２０１８／１１６９７９号に開示されたものを用いることができる。
【００１８】
シルク（絹）は、カイコガ（Ｂｏｍｂｙｘ  ｍｏｒｉ）の幼虫である蚕の作る繭から得られる繊維（繭糸）である。繭糸は２本のフィブロインがニカワ質（セリシン）で覆われる形で１本になっている。フィブロインは多数のフィブリルで構成され、フィブロインの外側は４層のセリシンで覆われ、１本の繭糸が構成されている。絹フィブロインは、天然若しくは家蚕の繭、又は中古若しくは廃棄のシルク生地を原料とし、フィブロインを覆うセリシン、及びその他の脂肪分等を除去して精製したものである。
【００１９】
補強部材３に用いられるマトリックス樹脂としては、たとえば、熱硬化性樹脂が用いられる。マトリックス樹脂としては、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル、フェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、ポリウレタン等が挙げられる。
【００２０】
繊維強化複合材料を製造する方法としては、公知の方法を利用することができる。繊維強化複合材料を製造する方法は、特に限定されない。
【００２１】
介在部材４は、衝撃吸収基材２に対して、補強部材３の一部または全部を非接触にさせる非接触手段である。介在部材４は、補強部材３の一部または全部を衝撃吸収基材２に対して非接触にさせることができれば、どのような構成のものであってもよい。「非接触」とは、部材と部材が直接に接触しない状態をいう。介在部材４は、衝撃吸収基材２および補強部材３の間に介在するスペーサのようなものである。介在部材４は、いわば、衝撃吸収基材２に対する補強部材３の密着を阻害する密着阻害層を形成する。介在部材４は、所定の厚みを有する。
【００２２】
介在部材４は、たとえばシート状の部材であり、衝撃吸収基材２の外周面上に巻き付けられている（積層されている）。介在部材４は、たとえば帯状の部材であってもよく、衝撃吸収基材２の外周面上に巻き付けられている。介在部材４は、衝撃吸収基材２の外周面に接触している。介在部材４は、衝撃吸収基材２に対して、接着（接合）されていてもよいが、接着（接合）されていなくてもよい。介在部材４の役割は補強部材３を衝撃吸収基材２に（少なくとも補強部材３の一部において）直接接触させないことであるので、介在部材４が衝撃吸収基材２および補強部材３の間に常に配置されていることが必要である。
【００２３】
介在部材４は、ポリ塩化ビニリデンフィルムであることが好ましい。介在部材４は、ウレタンフィルムであってもよい。介在部材４は、高伸度エポキシ樹脂フィルムであってもよい。
【００２４】
衝撃吸収基材２に面する補強部材３の内面の面接のうち、衝撃吸収基材２に接触する面積の割合は、０％（完全な非接触）であってもよく、１〜１０％であってもよく、５〜２０％であってもよい。補強部材３の内面の面接のうち衝撃吸収基材２に接触する面積の割合は、１０％以上であってもよく、２０％以上であってもよい。補強部材３の内面の面接のうち衝撃吸収基材２に接触する面積の割合は、６０％以下であることが好ましく、５０％以下であることがより好ましく、４５％以下であることが更により好ましい。
【００２５】
衝撃吸収部材１は、衝撃吸収基材２の外周面上に介在部材４を巻き付け（積層し）、さらに介在部材４の外周面上に、フィブロイン繊維プリプレグを１または複数層巻き付け（積層して）、その後、マトリックス樹脂の硬化に適切な温度（たとえば８０℃程度）の雰囲気下に所定時間（たとえば１２時間）置くことにより、製造される。フィブロイン繊維プリプレグは、たとえばシートワインディング法を用いて巻き付けられる。
【００２６】
なお、衝撃吸収部材１は、補強部材３のさらに外周側に巻き付けられた補強部材保持材を備えてもよい。補強部材保持材は、たとえばフィラメントワインディング法を用いて巻き付けられる。
【００２７】
本実施形態の衝撃吸収部材１では補強部材３の少なくとも一部が衝撃吸収基材２に直接に接触していないため、外部から衝撃吸収部材１に衝撃が加わった場合に、衝撃吸収基材２の変形（展延性）が阻害されにくい。従来は、補強部材にフィブロイン繊維を用いた場合、衝撃吸収基材が脆性破壊を起こしてしまう可能性があったが、本実施形態では、衝撃吸収基材は展延性を発揮して脆性破壊を起こしにくくなっており、衝撃吸収部材としての必要な性能を得ることができる。
［試験例］
【００２８】
（実施例１，２）
以下の実施例１，２を作製した。実施例１，２では、上述した衝撃吸収基材２、介在部材４、および補強部材３に加え、補強部材３の外周側に補強部材保持材６を設けた。
【００２９】
＜衝撃吸収基材２＞
アルミニウムパイプ（材質  Ａ６０６３、長さ５０ｃｍ、板厚１ｍｍ、外径３０ｍｍ）
＜補強部材３（フィブロイン繊維プリプレグ）＞
繊維：絹糸（２１中４本片、参考ＵＲＬ  https://www.kinu.net/wakaba05.html）
樹脂：熱硬化性エポキシ樹脂
Ｖｆ：６０％
板厚：０．２５ｍｍ/ｐｌｙ
＜介在部材４＞
サランラップ（登録商標）
材質：ポリ塩化ビニリデン
膜厚：０．１１ｍｍ/ｐｌｙ
＜補強部材保持材６＞
繊維：炭素繊維（フィラメント数  １２Ｋ）
樹脂：熱硬化性エポキシ樹脂
【００３０】
これらの材料を用いて、実施例１では、図３（ａ）に示されるように、衝撃吸収基材２の外周面上に、介在部材４を積層した。介在部材４を設けた長さＬ１は２００ｍｍである。次に図３（ｂ）に示されるように、衝撃吸収基材２の外周側に補強部材３を巻き付けた。具体的には、長さＬ２が３６０ｍｍとなるよう、シートワインディング法を用いてフィブロイン繊維プリプレグを１０ｐｌｙ積層した。実施例１の衝撃吸収部材１Ａでは、介在部材４の設置により、補強部材３が衝撃吸収基材２に（少なくともＬ１：２００ｍｍの範囲において、まったく）触れないようになっている（図５（ａ）参照）。さらに図３（ｃ）に示されるように、その外周に、フィラメントワインディング法を用いて、補強部材保持材６を周方向に巻き付け、１ｐｌｙ積層した。なお、「ｐｌｙ」とは、積層枚数を意味する。これらを積層後、８０℃の雰囲気下で１２時間置き、樹脂を硬化させた。実施例１においては、介在部材４が巻き付けられた領域（長さＬ１の範囲）において、衝撃吸収基材２に対する補強部材３の接触割合は、０％であった。
【００３１】
また実施例２では、図４に示されるように、介在部材４を、実施例１のように衝撃吸収基材２の外周全体ではなく、その中央付近に長さ５ｃｍで積層して中央部ｗ１を形成し、その中央部から衝撃吸収基材２の両端に向かって１．５ｃｍずつの間隔および長さで、「層なし」の部分ｄと「層あり」の部分ｗ２を交互に設けた。その他、補強部材３および補強部材保持材６は、前記実施例１と同様に取り付けた。介在部材４は、長さＬ１の範囲において、５５％の領域に巻き付けられている。実施例２の衝撃吸収部材１Ｂでは、介在部材４の部分的な設置により、補強部材３の一部が介在部材４の間に入り込み、衝撃吸収基材２の外周面に触れている（図５（ｂ）参照）。この場合、衝撃吸収基材２に対する補強部材３の接触割合は、４０％未満であった。
【００３２】
実施例２のように、衝撃吸収基材２の一部分で介在部材４を多めに（長いに領域にわたって、または高い巻付け率で）巻き付け、衝撃吸収基材２の他の部分で介在部材４を少なめに（短い領域にわたって、または低い巻付け率で）巻き付けてもよい。この場合の巻付け率とは、衝撃吸収基材２の軸方向の所定の長さ（基準となる長さ）に対する、介在部材が巻き付けられた領域の長さの比である。
【００３３】
比較例では、衝撃吸収基材２の外周面上に、直接、長さが３６０ｍｍとなるよう、シートワインディング法を用いてフィブロイン繊維プリプレグを１０ｐｌｙ積層した。その他、補強部材保持材６は、前記実施例１と同様に取り付けた。すなわち、比較例は、介在部材４が設けられない点においてのみ、実施例１と異なっている。
【００３４】
以上のように作製した実施例１，２、および比較例について、衝撃試験を行った。試験条件を以下に示す。
試験方法：歩行者保護試験  膝部
試験装置：衝撃試験機（保土ヶ谷技研工業（株）製。図６参照）
インパクタの重量２２．１２ｋｇ
衝撃付与条件
初速度：２０ｋｍ/ｈ
雰囲気温度：２５℃
【００３５】
図６を参照して試験装置１００の概要を説明すると、定盤１０１上に立設された複数の治具１０２に対し、実施例１，２、および比較例に係るサンプル１１０を固定した。養生テープを用いてサンプル１１０を固定した。このサンプル１１０に対面する位置に設置された衝撃試験機は、ケーシング１２１内を往復動するピストン部１２２ａおよびロッド部１２２ｂを有する往復動部材１２２と、往復動部材１２２のロッド部１２２ｂの先端に固定されたインパクタ１２３とを備える。ケーシング１２１のシリンダ部１２１ａに圧縮空気を供給することにより、インパクタ１２３をサンプル１１０の中央部に衝突させた。インパクタ１２３には加速度センサ１２４が内蔵されている。この試験装置１００では、荷重（ｋＮ）およびストローク（ｍｍ）を計測可能になっている。
【００３６】
図７に示されるように、実施例１および実施例２の両方において、衝撃吸収基材２の脆性破壊は生じなかった。図８は、実施例１の試験結果を示す写真である。補強部材保持材６および補強部材３が破断したものの、衝撃吸収基材２は折れ曲がったのみであり、破断していない。これは、図９（ａ）および図９（ｂ）に示されるように、介在部材４の設置により、補強部材３が衝撃吸収基材２に対して滑るように延び（図９（ａ）中の矢印参照）、その結果として、アルミニウム製である衝撃吸収基材２の展延性が阻害されることがなく、その展延性が発揮されたものと推察される。このように、実施例１，２の両方において、脆性破壊を起こすことなく、十分な靭性（タフネス）を得ることができ、良好な衝撃吸収特性を得ることができた。
【００３７】
実施例１において得られた靭性は、２５７Ｊであった。実施例２において得られた靭性は、２６７Ｊであった。
【００３８】
図７に示されるように、比較例においては、衝撃吸収基材２の脆性破壊が生じた。図７中の矢印で示す部分は、衝撃吸収基材２が破断した点を示している。図１０は、比較例の試験結果を示す写真である。補強部材保持材６および補強部材３のみならず、衝撃吸収基材２もが破断している。このように、本来展延性の高いアルミニウムが脆性破壊をしてしまい、衝撃吸収部材として必要な性能を得られなかった。図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示されるように、補強部材３が衝撃吸収基材２に対して密着してしまい、その結果として、アルミニウム製である衝撃吸収基材２の展延性が阻害され、破断に至ったものと推察される。
【符号の説明】
【００３９】
１…衝撃吸収部材、２…衝撃吸収基材、３…補強部材、４…介在部材、補強部材保持材。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2020020394.tif 000010
【図９】
2020020394.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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