(57)【要約】【課題】中空部材が変形しにくく、かつ強化用繊維と中空部材とを強固に融着し得る繊維強化中空部材の製造方法を提供する。【解決手段】本発明の繊維強化中空部材の製造方法は、第１熱可塑性樹脂を含む中空部材を強化用繊維によって強化したものであって、中空部材の外表面に、強化用繊維を巻きつける工程（Ａ）と、強化用繊維の外表面に、加熱により体積が膨張する膨張部材を巻きつける工程（Ｂ）と、膨張部材の外表面に、加熱装置を巻きつける工程（Ｃ）と、加熱装置によって膨張部材及び中空部材を加熱することにより、中空部材の内表面及びその近傍を第１熱可塑性樹脂の融点未満の温度に保ちながら、加熱装置によって中空部材の外表面及びその近傍を第１熱可塑性樹脂の融点以上の温度に昇温し、膨張部材を膨張させて強化用繊維を中空部材に押圧する工程（Ｄ）と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１熱可塑性樹脂を含む中空部材を強化用繊維によって強化した繊維強化中空部材の製造方法であって、
前記中空部材の外表面に、前記強化用繊維を巻きつける工程（Ａ）と、
前記強化用繊維の外表面に、加熱により体積が膨張する膨張部材を巻きつける工程（Ｂ）と、
前記膨張部材の外表面に、加熱装置を巻きつける工程（Ｃ）と、
前記加熱装置によって前記膨張部材及び前記中空部材を加熱することにより、前記中空部材の外表面及びその近傍を前記第１熱可塑性樹脂の融点以上の温度に昇温し、前記膨張部材を膨張させて前記強化用繊維を前記中空部材に押圧する工程（Ｄ）と、を含み、
前記工程（Ｄ）は、前記中空部材の内表面及びその近傍を前記第１熱可塑性樹脂の融点未満の温度に保ちながら行うことを特徴とする繊維強化中空部材の製造方法。
【請求項２】
前記強化用繊維は、第２熱可塑性樹脂を複合させたものである請求項１に記載の繊維強化中空部材の製造方法。
【請求項３】
前記加熱装置は、高周波誘導加熱装置である請求項１又は２に記載の繊維強化中空部材の製造方法。
【請求項４】
前記工程（Ｄ）は、前記中空部材の内部に冷却媒体を通過させた状態で行う請求項１〜３のいずれか一項に記載の繊維強化中空部材の製造方法。
【請求項５】
前記第２熱可塑性樹脂は、前記第１熱可塑性樹脂と同一の構造単位を含む請求項２〜４のいずれか一項に記載の繊維強化中空部材の製造方法。
【請求項６】
前記工程（Ｄ）において、前記中空部材の内表面及びその近傍の温度は、前記第１熱可塑性樹脂の融点よりも３０℃以上低い請求項１〜５のいずれか一項に記載の繊維強化中空部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化中空部材の製造方法に関し、より詳しくは、強化用繊維で中空部材を強化するときに中空部材が変形しにくい繊維強化中空部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱硬化性樹脂等からなる母材（マトリックス）を炭素繊維で強化した炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：carbon-fiber-reinforced plastic）は、強度が高く、かつ軽量であるため、ゴルフクラブのシャフトや釣竿等のスポーツ用途で実用化され、１９９０年代から航空機や自動車の用途に使用されている（例えば特許文献１参照）。母材を構成する熱硬化性樹脂は、強化用繊維と一体化しやすく、母材と強化用繊維とを強固に結合させやすいという利点がある。
【０００３】
しかし、熱硬化性樹脂を母材に用いたＣＦＲＰは、リサイクルしにくかったり、二次加工しにくかったり、という欠点がある。
【０００４】
上記欠点を補うために、母材の熱硬化性樹脂を熱可塑性樹脂に代える技術が注目されている。母材として熱可塑性樹脂を用いることにより、リサイクル及び二次加工を容易に行うことができる。
【０００５】
しかし、熱可塑性樹脂は、強化用繊維に馴染みにくく、つまり強化用繊維に融着されにくいため、母材が熱硬化性樹脂のＣＦＲＰよりも強度が低いことが課題であった。
【０００６】
かかる強度不足を改善するため、例えば特許文献２では、熱可塑性樹脂を複合した強化用繊維を、熱可塑性樹脂の融点以上の温度まで加熱して熱可塑性樹脂を一旦液状に溶融させた状態で母材に押し付けることにより、母材と強化用繊維とを融着させて一体化している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−０５９３００号公報
【特許文献２】特開２０１２−１３６６５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２に開示される方法により、繊維強化樹脂材料の強度を高めることができるが、熱可塑性樹脂の融点以上に加熱するときに、母材自体も同時に高温となるため、その状態で押圧すると母材が変形しやすかった。特に、母材が中空部材であると、強化用繊維を中空部材に押し付けるときに、中空部材が変形しやすかった。
【０００９】
本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、その目的は、強化用繊維で中空部材を強化するときに中空部材を変形させずに、強化用繊維と中空部材とを強固に融着させる繊維強化中空部材の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者らは、上記中空部材の変形を軽減するために、中空部材の加熱温度及び強化用繊維の押圧力のバランスをとることを検討したが、加熱温度又は押圧力が低いと、強化用繊維と中空部材との融着が進みにくくなって十分な強度を得ることができず、他方、加熱温度又は押圧力が高いと、中空部材が変形したため、両者のバランスを図ることは困難であった。そこで、本発明者らは、従来の加熱方法及び加圧方法を見直し、中空部材の外表面のみを溶融させつつ、中空部材の内表面及びその近傍を低温に保つという独自の加熱法を採用することにより、中空部材を変形させずに高強度の繊維強化中空部材を作製し得ることを見出し、以下に示す本発明を完成した。
【００１１】
［１］本発明の繊維強化中空部材の製造方法は、第１熱可塑性樹脂を含む中空部材を強化用繊維によって強化するものであって、前記中空部材の外表面に、前記強化用繊維を巻きつける工程（Ａ）と、強化用繊維の外表面に、加熱により体積が膨張する膨張部材を巻きつける工程（Ｂ）と、膨張部材の外表面に、加熱装置を巻きつける工程（Ｃ）と、加熱装置によって前記膨張部材及び前記中空部材を加熱することにより、前記中空部材の外表面及びその近傍を前記第１熱可塑性樹脂の融点以上の温度に昇温し、前記膨張部材を膨張させて前記強化用繊維を前記中空部材に押圧する工程（Ｄ）と、を含み、前記工程（Ｄ）は、中空部材の内表面及びその近傍を前記第１熱可塑性樹脂の融点未満の温度に保ちながら行うことを特徴とする。
［２］強化用繊維は、第２熱可塑性樹脂を複合させたものであることが好ましい。
［３］加熱装置は、高周波誘導加熱装置であることが好ましい。
［４］工程（Ｄ）は中空部材の内部に冷却媒体を通過させた状態で行うことが好ましい。
［５］第２熱可塑性樹脂は、前記第１熱可塑性樹脂と同一の構造単位を含むことが好ましい。
［６］工程（Ｄ）において、前記中空部材の内表面及びその近傍の温度は、前記第１熱可塑性樹脂の融点よりも３０℃以上低いことが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の繊維強化中空部材の製造方法は、強化用繊維で中空部材を強化するときに中空部材が変形しにくく、かつ強化用繊維と中空部材とを強固に融着し得るという優れた効果を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の繊維強化中空部材を作製する工程の一部を示す模式図である。
【図２】実施例１の繊維強化中空部材を作製するときの、加熱装置、並びに中空部材の内表面及び外表面の温度の時間変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の繊維強化中空部材の製造方法は、第１熱可塑性樹脂を含む中空部材を強化用繊維によって強化するものである。図１は、本発明の繊維強化中空部材の製造方法の製造工程中の一例を示す概略図である。本発明は、図１に示されるように、中空部材１０の外表面に強化用繊維１１を巻きつける工程（Ａ）と、強化用繊維１１の外表面に、加熱により体積が膨張する膨張部材１２を巻きつける工程（Ｂ）と、膨張部材１２の外表面に、加熱装置１３を巻きつける工程（Ｃ）と、加熱装置１３によって膨張部材１２及び中空部材１０を加熱することにより、中空部材１０の外表面及びその近傍を第１熱可塑性樹脂の融点以上の温度に昇温し、膨張部材１２を膨張させて強化用繊維１１を中空部材１０に押圧する工程（Ｄ）とを含み、工程（Ｄ）は、中空部材１０の内表面及びその近傍を第１熱可塑性樹脂の融点未満の温度に保ちながら行うことを特徴とする。以下に、工程（Ａ）〜工程（Ｄ）を説明する。
【００１５】
＜工程（Ａ）＞
まず、図１に示されるように、中空部材１０の外表面に強化用繊維１１を巻きつける。強化用繊維１１が中空部材１０の外表面に接するように巻きつけられていれば、その巻きつけ強度は特に限定されない。以下に、中空部材１０及び強化用繊維１１を説明する。
【００１６】
（中空部材）
中空部材１０は、内部に気体又は液体を通過させる空間を有する構造であれば、その形状は特に制限されず、例えばパイプ管のような直線形状、エルボ管のような屈曲形状、チーズ管又は十字管のような分岐形状等が挙げられる。
【００１７】
中空部材１０は、第１熱可塑性樹脂を含むものであり、好ましくは第１熱可塑性樹脂を主要構成成分として含む。ここで、「主要構成成分」とは、中空部材を構成する全樹脂成分中、第１熱可塑性樹脂が５０重量％以上、好ましくは６０重量％以上、より好ましくは７０重量％以上占めることを意味する。
【００１８】
第１熱可塑性樹脂としては特に限定されないが、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂、塩化ビニル樹脂が挙げられる。
【００１９】
中空部材１０の肉厚は、後述する工程（Ｄ）において、外表面及びその近傍を高温にし、内表面近傍の領域を低温に維持するという温度分布を厚み方向に有し得る程度の肉厚であれば特に限定されない。
【００２０】
（強化用繊維）
強化用繊維１１は、中空部材１０を構成する樹脂よりも強度が高く、かつ溶融状態の樹脂を含浸し得る空隙を有するものであれば特に限定されず、例えば、ガラス繊維、カーボン繊維、アラミド繊維等の繊維、ガラスクロス、カーボンクロス、ケブラークロスなどの編織物、不織布、チョップドストランドマット、繊維ステッチ材、強化繊維編織物と綿状材のサンドウィッチ構造材等が挙げられる。
【００２１】
強化用繊維１１の肉厚は、中空部材と一体となったときに中空部材を強化する性能を発揮する程度であれば特に限定されない。
【００２２】
強化用繊維１１は、強化用繊維単体であってもよいし、強化用繊維に対して第２熱可塑性樹脂を複合させたものであってもよい。繊維強化後の強度を高めるという観点から、強化用繊維１１は、第２熱可塑性樹脂を複合させたものであることが好ましい。ここで、複合とは、強化用繊維１１の構成中に第２熱可塑性樹脂を含むか、又は第２熱可塑性樹脂中に強化用繊維を含むことを意味する。後述する加熱装置１３による加熱時に、中空部材を構成する第１熱可塑性樹脂とともに強化用繊維に含まれる第２熱可塑性樹脂を溶融させることができ、強化用繊維１１と中空部材１０との融着をより強固なものとすることができるからである。
【００２３】
第２熱可塑性樹脂は、上記第１熱可塑性樹脂で挙げられた樹脂と同様のものを用いることができる。また、第２熱可塑性樹脂は、第１熱可塑性樹脂と同一の樹脂であってもよいし、異なる樹脂であってもよい。なお、後述する加熱装置で、第１熱可塑性樹脂の融点以上の温度に加熱するときに、第２熱可塑性樹脂も同時に溶融することが好ましいため、第２熱可塑性樹脂の融点が第１熱可塑性樹脂の融点よりも低いことがより好ましく、さらに好ましくは、第２熱可塑性樹脂が第１熱可塑性樹脂と同一の構造単位を含むことである。同一の構成単位を含む熱可塑性樹脂は、融点が近似しているため、同一の温度で溶融しやすく、しかも互いが相溶して凝固し得るため、より強固な繊維強化中空部材を得ることができる。
【００２４】
＜工程（Ｂ）＞
強化用繊維１１の外表面に、加熱により体積が膨張する膨張部材１２を巻きつける。膨張部材１２が強化用繊維１１の外表面に接するように巻きつけられていれば、その巻きつけ強度は特に限定されない。以下に、膨張部材１２を説明する。
【００２５】
（膨張部材）
膨張部材１２は、加熱によって体積が膨張したときに、強化用繊維１１を中空部材１０に押し付ける機能を発揮するものであれば特に限定されず、例えば線膨張係数が２０×１０-6／℃以上３０×１０-6／℃以下のシリコンシート、シリコンゴムシート等が挙げられる。このような膨張部材を用いることにより、加熱したときの強化用繊維の中空部材に対する押圧が最適となり、強化用繊維と中空部材とを融着させやすい。
【００２６】
＜工程（Ｃ）＞
膨張部材１２の外表面に加熱装置１３を巻きつける。加熱装置１３が膨張部材１２の外表面に接するように巻きつけられていれば、その巻きつけ強度は特に限定されない。以下に、加熱装置１３を説明する。
【００２７】
（加熱装置）
加熱装置１３は、それ自体が熱を発することにより、膨張部材１２及び中空部材１０に熱を伝導させるものである。この加熱装置１３から発せられる熱により、膨張部材１２を膨張させて、膨張した膨張部材１２が強化用繊維１１を中空部材１０に押し付ける。同時に加熱装置１３は、中空部材１０の外表面の近傍領域の温度を第１熱可塑性樹脂の融点以上に昇温し、中空部材１０の外表面の近傍領域の第１熱可塑性樹脂を溶融させる。つまり、溶融状態の第１熱可塑性樹脂である中空部材１０の外表面の近傍領域に、強化用繊維１１を押し付けることにより、強化用繊維と中空部材１０とが一体化される。
【００２８】
中空部材１０の変形を防止するという観点から、中空部材１０の内表面及びその近傍は、第１熱可塑性樹脂の融点未満の温度に保つように加熱することが好ましい。このため、上記加熱装置１３は、中空部材の外表面及びその近傍のみを急峻に加熱し、その熱が中空部材の内表面及びその近傍に伝導しないように加熱できることが好ましい。このような加熱を実行し得るために、加熱装置１３は、例えば熱源ヒーター、高周波誘導加熱装置、熱風照射による加熱等が挙げられる。中でも、加熱装置１３は、加熱効率の高い高周波誘導加熱装置がより好ましい。
【００２９】
＜工程（Ｄ）＞
加熱装置１３によって膨張部材１２及び中空部材１０を加熱することにより、中空部材１０の外表面及びその近傍を第１熱可塑性樹脂の融点以上の温度に昇温するとともに、膨張部材１２を膨張させて強化用繊維１１を中空部材１０に押圧する。このようにして中空部材１０の外表面及びその近傍の第１熱可塑性樹脂のみを溶融させ、その溶融部分に強化用繊維１１を押圧することにより、中空部材１０と強化用繊維１１とが一体化される。本工程の間、中空部材１０の内表面及びその近傍を第１熱可塑性樹脂の融点未満の温度に維持することが好ましい。これにより、中空部材１０を変形させることなく、中空部材１０と強化用繊維１１の一体化が可能となる。
【００３０】
ここで、「内表面及びその近傍」とは、中空部材の内表面から中空部材の肉厚の１０％の厚み領域を意味し、「外表面及びその近傍」とは、中空部材１０の外表面から中空部材の肉厚の１０％の厚み領域を意味する。
【００３１】
本工程（Ｄ）は、中空部材１０の内部に冷却媒体を通過させた状態で行ってもよい。冷却媒体を通過させることにより、中空部材の内表面及びその近傍の温度を低温に保ちやすくなるため、中空部材１０の変形も生じにくくなる。ここで、冷却媒体とは、液体の場合は水を用いるのが一般的と考えられるが、水のみに限られず、イソプロピルアルコール等のアルコール系溶媒、メチルイソブチルケトン、ジメチルケトン等のケトン系溶媒等も用いてもよい。気体の場合は、空気、窒素ガス、アルゴンガス等を用いてもよい。
【００３２】
本工程（Ｄ）において、中空部材の内表面及びその近傍の温度は、第１熱可塑性樹脂の融点よりも３０℃以上低いことが好ましく、４０℃以上低いことがより好ましく、さらに好ましくは５０℃以上低いことである。このように内表面及びその近傍と外表面及びその近傍の温度との温度差を設けることにより、中空部材の変形を抑止し、かつ中空部材と強化用繊維とを融着させやすい。
【実施例】
【００３３】
以下、本発明の繊維強化中空部材の製造方法を、実施例に基づいて説明する。なお、本発明は、これら実施例のみに限定されるものではない。
【００３４】
＜実施例１＞
工程（Ａ）：強化用繊維を巻きつける工程
まず、外径６．３ｃｍ、肉厚０．５８ｃｍの円筒形状のポリエチレン樹脂からなるパイプ（中空部材１０）を準備した。このパイプの外表面に、０．０３ｃｍの肉厚のガラス繊維からなる強化用繊維１１を巻きつけた。なお、ポリエチレン樹脂の融点は、１１０℃〜１１５℃であった。かかる融点は、熱電対によって測定した。
【００３５】
工程（Ｂ）：膨張部材を巻きつける工程
次に、ガラス繊維の外表面に、膨張部材１２として０．１５ｃｍの肉厚のシリコンゴムシートを巻きつけた。かかるシリコンゴムシートの線膨張係数は、２５×１０-6／℃であった。
【００３６】
工程（Ｃ）：加熱装置を巻きつける工程
次に、シリコンゴムシートの外表面に、加熱装置１３として高周波誘導加熱装置（最大出力７ｋＷ）を巻きつけた。
【００３７】
工程（Ｄ）：強化用繊維を中空部材に押圧する工程
加熱装置１３の出力を６ｋＷ として、加熱を開始してから３０分後までの、金型表面、中空部材の外表面、及び中空部材の内表面の温度の時間変化を熱電対で測定し、その結果を図２のグラフに示した。図２は、加熱装置によって加熱を開始してからの各部位の温度の時間変化であり、縦軸が温度（℃）、横軸が加熱を開始してからの時間（分）である。
【００３８】
図２に示されるように、中空部材の外表面及びその近傍を１２５℃まで加熱することにより、中空部材の外表面及びその近傍のポリエチレン樹脂を溶融させた。一方、中空部材の内表面及びその近傍は、ポリエチレン樹脂の融点を超えないように７５℃程度の加熱に留めた。このようにして中空部材の外表面及びその近傍のみのポリエチレン樹脂を溶融させながら、シリコンシートを加熱によって膨張させて、ガラス繊維を中空部材の外表面に押圧し、中空部材とガラス繊維とを強固に融着することにより、繊維強化中空部材を作製した。この繊維強化中空部材は、中空部材の内表面及びその近傍がポリエチレン樹脂の融点以下の温度に維持されていたため変形しなかった。
【００３９】
＜実施例２＞
実施例１に対し、ガラス繊維に６０ｗｔ％のポリエチレン樹脂（第２熱可塑性樹脂）を複合させたものを用いたことが異なる他は、実施例１と同様の方法によって、繊維強化中空部材を作製した。つまり、第１熱可塑性樹脂及び第２熱可塑性樹脂としていずれも、ポリエチレン樹脂を用いた。この繊維強化中空部材は、中空部材の内表面及びその近傍がポリエチレン樹脂の融点以下の温度に維持されていたため変形しなかった。
【００４０】
＜実施例３＞
実施例１に対し、中空部材の内部に水を通過させながら工程（Ｄ）を実施したことが異なる他は、実施例１と同様の方法によって、繊維強化中空部材を作製した。この繊維強化中空部材は、中空部材の内表面及びその近傍がポリエチレン樹脂の融点以下の温度に維持されていたため変形しなかった。
【００４１】
＜比較例１＞
実施例１に対し、加熱ヒーターによって強化用繊維及び中空部材を均一に加熱し、中空部材全体を１２０℃以上に加熱した状態で工程（Ｄ）を実施したことが異なる他は、実施例１と同様の方法によって、繊維強化中空部材を作製した。しかし、この繊維強化中空部材は、中空部材の内表面及びその近傍がポリエチレン樹脂の融点以上に昇温されていたため、中空部材の内部の形状が変形した。
【００４２】
＜比較例２＞
実施例１に対し、加熱ヒーターによって強化用繊維及び中空部材を加熱し、中空部材の全体を９０℃以上１０５℃以下（ポリエチレン樹脂の融点以下）に加熱した状態で工程（Ｄ）を実施したことが異なる他は、実施例１と同様の方法によって、繊維強化中空部材を作製した。この繊維強化中空部材は、変形が生じなかったが、中空部材と強化用繊維とが部分的に融着していないことが確認された。これは、中空部材及び強化用繊維の昇温不足によるものと考えられる。
【００４３】
＜考察＞
実施例１〜３で作製した繊維強化中空部材は、中空部材に変形が生じなかったのに対し、比較例１のそれは、中空部材に変形が生じた。この結果から、中空部材の外表面と内表面の温度を厳密に制御することにより、中空部材の変形を抑止できることが明らかとなり、本発明の効果が示された。
【符号の説明】
【００４４】
１０  中空部材
１１  強化用繊維
１２  膨張部材
１３  加熱装置
【図１】
2014094523.tif 000003
【図２】
2014094523.tif 000004