(57)【要約】【課題】耐熱性、強度及び騒音の低減効果に優れ、高負荷、高温条件下で使用される合成樹脂製歯車の歯部に好適な繊維強化樹脂複合体成形用の補強材及び該補強材を用いてなる繊維強化樹脂複合体並びにその製造方法を提供すること。【解決手段】熱分解開始温度が２８０℃以上、引張強度が３ｃＮ／ｄｔｅｘ以上で、且つ引張弾性率が４０〜２０００ｃＮ／ｄｔｅｘの範囲にある繊維を含む芯鞘型複合糸条から構成されている補強材を金型に配置した後、該金型に液状樹脂を注入して該補強材に含浸させ、しかる後に成形する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
補強材を樹脂で含浸してなる繊維強化樹脂複合体成形用の補強材であって、該補強材が、熱分解開始温度が２８０℃以上、引張強度が３ｃＮ／ｄｔｅｘ以上で、且つ引張弾性率が４０〜２０００ｃＮ／ｄｔｅｘの範囲にある繊維を含む芯鞘型複合糸条から構成されていることを特徴とする繊維強化樹脂複合体成形用の補強材。
【請求項２】
芯糸が長繊維糸条である請求項１記載の繊維強化樹脂複合体成形用の補強材。
【請求項３】
鞘糸が紡績糸である請求項１又は２記載の繊維強化樹脂複合体成形用の補強材。
【請求項４】
芯糸が、全芳香族ポリエステル繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、パラ型アラミド繊維からなる群から選ばれた少なくとも1種の繊維である請求項１、２又は３記載の繊維強化樹脂複合体成形用の補強材。
【請求項５】
鞘糸が、メタ型アラミド繊維及び／又はＰＰＳ繊維を含む請求項１〜４のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂複合体成形用の補強材。
【請求項６】
補強材を樹脂で含浸してなる繊維強化樹脂複合体であって、該補強材が、熱分解開始温度が２８０℃以上、引張強度が３ｃＮ／ｄｔｅｘ以上で、且つ引張弾性率が４０〜２０００ｃＮ／ｄｔｅｘの範囲にある繊維を含む芯鞘型複合糸条から構成されていることを特徴とする繊維強化樹脂複合体。
【請求項７】
熱分解開始温度が２８０℃以上、引張強度が３ｃＮ／ｄｔｅｘ以上で、且つ引張弾性率が４０〜２０００ｃＮ／ｄｔｅｘの範囲にある繊維を含む芯鞘型複合糸条から構成されている補強材を金型に配置した後、該金型に液状樹脂を注入して該補強材に含浸させ、しかる後に成形することを特徴とする繊維強化樹脂複合体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は繊維強化樹脂複合体成形用の補強材及び該補強材を用いてなる繊維強化樹脂複合体、並びに該繊維強化樹脂複合体の製造方法に関するものであり、さらに詳しくは、熱分解開始温度が２８０℃以上、引張強度が３ｃＮ／ｄｔｅｘ以上で、且つ引張弾性率が４０〜２０００ｃＮ／ｄｔｅｘの範囲にある繊維を含む芯鞘型複合糸条から構成されている補強材及び該補強材を用いてなる繊維強化樹脂複合体並びにその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、歯車の材料として、特に高負荷が必要な用途においては鋼等の金属材料が一般的であったが、歯車の噛み合い時に生ずる騒音の解消や軽量化などを目的として、最近、歯部に繊維強化樹脂複合体を用いたものが検討されている。
【０００３】
このような歯部成形用繊維強化樹脂複合体の補強材としては、例えば、特開２００２−２７３７２９号公報に示される如く、高強度、高弾性率の繊維が用いられているが、あまりにも高強度、高弾性率の繊維を用いると、歯部の切削加工がやり難くなるという問題があった。
【０００４】
このような問題を解決するため、特開２００１−２９５９１３号公報には、高強度繊維（パラ系アラミド繊維）と、該繊維より強度の低い有機繊維との混紡糸を用い、強度と歯部の切削性とを両立させた補強材が、また、特開平７−１１３４５８号公報には、高強度のパラ型芳香族ポリアミド繊維と切削加工性に優れたメタ型芳香族ポリアミド繊維とを混合させた不織布製の補強材が開示されているが、これらの補強材においては、高強度繊維とより強度の低い繊維とが短繊維状で均一に混合されているため、より高強度の補強材に対する要求に応えることができないという問題があった。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２７３７２９号公報
【特許文献２】特開２００１−２９５９１３号公報
【特許文献３】特開平７−１１３４５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、耐熱性、強度及び騒音の低減効果に優れ、高負荷、高温条件下で使用される合成樹脂製歯車の歯部に好適な繊維強化樹脂複合体成形用の補強材及び該補強材を用いてなる繊維強化樹脂複合体並びにそ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】
【０００７】
本発明者らは上記目的を達成するために鋭意検討した結果、芯鞘型複合糸条から補強材を構成させるとき、所望の繊維強化樹脂複合体が得られることを究明し、本発明に到達した。
【０００８】
かくして本発明によれば、（１）補強材を樹脂で含浸してなる繊維強化樹脂複合体成形用の補強材であって、該補強材が、熱分解開始温度が２８０℃以上、引張強度が３ｃＮ／ｄｔｅｘ以上で、且つ引張弾性率が４０〜２０００ｃＮ／ｄｔｅｘの範囲にある繊維を含む芯鞘型複合糸条から構成されていることを特徴とする繊維強化樹脂複合体成形用の補強材、（２）補強材を樹脂で含浸してなる繊維強化樹脂複合体であって、該補強材が、熱分解開始温度が２８０℃以上、引張強度が３ｃＮ／ｄｔｅｘ以上で、且つ引張弾性率が４０〜２０００ｃＮ／ｄｔｅｘの範囲にある繊維を含む芯鞘型複合糸条から構成されていることを特徴とする繊維強化樹脂複合体、（３）熱分解開始温度が２８０℃以上、引張強度が３ｃＮ／ｄｔｅｘ以上で、且つ引張弾性率が４０〜２０００ｃＮ／ｄｔｅｘの範囲にある繊維を含む芯鞘型複合糸条から構成されている補強材を金型に配置した後、該金型に液状樹脂を注入して該補強材に含浸させ、しかる後に成形することを特徴とする繊維強化樹脂複合体の製造方法が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、耐熱性、強度及び騒音の低減効果に優れた繊維強化樹脂複合体成形用の補強材が得られるので、高負荷、高温条件下で使用される合成樹脂製歯車等の用途に好適に使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明を詳細に説明する。本発明の補強材は、熱分解温度が２８０℃以上、引張強度が３ｃＮ／ｄｔｅｘ以上で、且つ引張弾性率が４０〜２０００ｃＮ／ｄｔｅｘの範囲にある繊維を含む芯鞘型複合糸条から構成されている。
【００１１】
つまり、繊維強化樹脂複合体の成形温度、および高温雰囲気下での長時間使用を考慮すると、繊維の熱分解温度は２８０℃以上であることが必須となる。
【００１２】
また、上記繊維の引張強度が３ｃＮ／ｄｔｅｘ未満の場合は、高速回転中の高負荷に耐えられず、繊維強化樹脂複合体が破損したり、充分な耐久性が得られなくなる。
【００１３】
さらに、上記繊維の弾性率が４０ｃＮ／ｄｔｅｘ未満の場合は、瞬間的な負荷がかかった際に変形してしまい、一方、該弾性率が２０００ｃＮ／ｄｔｅｘを越えると、騒音の低減効果が劣るので、上記繊維の引張弾性率は４０〜２０００ｃＮ／ｄｔｅｘの範囲にあることが必要である。このような弾性率を有する繊維を用いることにより歯車の噛み合い時に生じる騒音、または振動を顕著に減少させることができる。
【００１４】
本発明の補強材は、上記繊維を含む芯鞘型複合糸条から構成されていることが肝要である。ここで、芯鞘型複合糸条とは、比較的強度の高い繊維が主として芯部に、それよりも強度の低い繊維が主として鞘部に配されてなる複合糸条を言う。
【００１５】
上記複合糸条における芯糸は、実質的に直線状に配列していることが必要である。何故なら、芯糸が曲線状に配列していると、引張荷重が複合糸に掛かった場合、その曲線状の繊維が直線状に引き揃ってはじめて抗張力が働くことになるので、たとえ芯糸の弾性率が高くても複合糸条としてその機能が発揮されず、補強材の寸法安定性が失われることになるからである。ここで、実質的に直線状とは、構成単繊維本数の７０％以上が糸軸に対して４５°以下の角度で配列した状態をいう。
従って、本発明においては、上記芯糸が長繊維糸条であることが好ましい。
【００１６】
また、上記複合糸条における鞘糸は、芯糸との脱離を起こさないように、芯糸と部分的に交絡していることが好ましい。ここで、鞘糸が芯糸と部分的に交絡しているとは、複合糸条を２ｃｍ程度の長さに切断した場合、その芯糸を構成する単繊維を容易に引き抜くことができない状態をいう。この交絡は、芯糸と鞘糸とが共に長繊維で、部分的に交絡していても良いが、鞘糸が紡績糸、粗糸、牽切加工糸などのスパン状糸であり、紡績糸由来の毛羽により、芯糸と交絡していることがさらに好ましい。
【００１７】
複合糸条を構成する繊維として、短繊維を使用する場合の短繊維長は、１５〜９０ｍｍの範囲が好ましい。該短繊維長が１５ｍｍ未満の場合、開繊が困難となるばかりでなく、繊維の絡みが低下することから補強材の強力が低下し、繊維強化樹脂複合体の耐久性、耐衝撃性が低下することがある。一方、該短繊維長が９０ｍｍより長い場合、開繊する際の均一性が阻害されるため、補強材の強力のばらつきが大きくなるので好ましくない。また、複数の素材を混合する場合、公知の混合開繊機で開繊することもできる。
【００１８】
上記複合糸条の横断面における芯部分の占める比率は、２０％〜８０％であることが好ましい。該比率が２０％未満の場合は、複合糸条の強度に対する芯糸の寄与が少なくなり、一方、該比率が８０％を越える場合は歯部の切削加工が困難となる。
【００１９】
上記複合糸条に使用する繊維としては、全芳香族ポリエステル繊維（高強力ポリアリレート繊維を含む）、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維（以下ＰＢＯ繊維）、パラ型アラミド繊維、メタ型アラミド繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維（以下ＰＰＳ繊維）、ポリイミド繊維、或いは超高分子量ポリエチレン繊維等の耐熱性合成繊維が例示され、特に機械的強度が必要とされる場合は、カーボン繊維、ガラス繊維を用いることもできる。
【００２０】
また、これら繊維は１種に限定されるものではなく、２種以上を複合して使用することも可能であり、加工性を向上させるために、本発明の目的を損なわない範囲で、ポリエステル繊維を少量分散させてもよい。
【００２１】
上記繊維の単繊維繊度には特に制限はないが、好ましくは０.４〜５.０ｄｔｅｘである。該単繊維繊度が５.０ｄｔｅｘより大きいと繊維の剛直性が高くなり、補強材を製造する工程で均一な目付けとすることが困難になるばかりでなく、同一重量当たりの単繊維本数が少なくなって、樹脂補強効果が低下する場合がある。また、単位重量あたりの単繊維数が減少すれば繊維表面積が減少し、樹脂との接着性が阻害されるので、歯車の耐久性が低下することもある。
【００２２】
一方、該単繊維繊度が０.４ｄｔｅｘ未満の場合は、単繊維強力が低くなることから補強材の強力が低下し、繊維強化樹脂複合体の耐久性が低下することがある。また、補強材の製造工程で繊維の切断や交絡などが発生しやすくなって、生産性も低下するので好ましくない。
【００２３】
上記繊維の中でも、芯糸に配する繊維としては、芳香族ポリエステル繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、パラ型アラミド繊維などの、張強度が２０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上で、かつ引張弾性率が４５０〜１１００ｃＮ／ｄｔｅｘの範囲にある繊維が好ましく例示される。引張強度が２０ｃＮ／ｄｔｅｘ以上の繊維であれば、複合糸条の強度が充分なものとなり、また、引張弾性率が４５０〜１１００ｃＮ／ｄｔｅｘであれば、芯糸に瞬間的にかかる応力にも耐えることができ、騒音低減効果も充分である。
【００２４】
一方、鞘糸配する繊維としてはメタ型アラミド繊維、ＰＰＳ繊維などの、引張強度が３〜１０ｃＮ／ｄｔｅｘの範囲にある繊維が好ましい。
【００２５】
さらに、上記繊維には、補強材と樹脂との含浸性を向上させるために、種々の界面活性剤を付着させたり、また、元来繊維に付着している油剤や精練加工剤（いずれも界面活性剤を含んでいるもの）などを完全に洗浄せずに微量残存させることにより、樹脂との含浸性を向上させることもできる。
【００２６】
上記複合糸条は、編織布や不織布等任意の形態で補強材とすることができる。この際、例えば筒編地に編成した後、裏返しながら巻き込むことにより、ドーナツ状にしたものを補強材として用いれば、機械的強度が弱くなる繋ぎ目が存在しなくなるので、歯車の全周にわたって機械的強度を均一にできる。
【００２７】
尚、ドーナツ状とは筒編布の一端から裏返しながら、あるいは表返しながら巻き込んだ状態を指し、両端から裏返しながら、あるいは表返しながら巻き込み二重のドーナツ状に形成してもよく、また、裏返し、あるいは表返しに折って二重にした後、裏返しながら、あるいは表返しながら巻き込んでもよい。
【００２８】
また、補強材を継ぎ目の無い円筒状の不織布とし、裏返しながら、また表返しながら巻き込むことによりドーナツ状にしても構わないし、径の異なる円筒状不織布を複数枚重ねてもよい。さらに、通常の不織布をスリット状に裁断し、歯車のブッシュを中心に渦を描くように巻いてもよい。
【００２９】
上記編織布や不織布の目付けや厚みは歯車の径、或いは補強材への樹脂の含浸性、必要とされる機械的強度に応じて適宜設定すればよい。
【００３０】
本発明の繊維強化樹脂複合体を製造する方法には特に限定はなく、従来公知の方法が任意に採用できるが、例えば、上記複合糸条を筒編布或いは円筒状不織布とし、これらを裏返しながらドーナツ状に形成したものを１つ、あるいは複数個、金型に配置した後、該金型に液状樹脂を注入して該補強材に含浸させ成形する。
【００３１】
ここで、事前に金型を減圧状態にしたり、温度を上げておくことで、樹脂の補強材への含浸性がさらに向上する。また、上記筒編布或いは円筒状不織布に熱硬化性樹脂を含浸乾燥して半硬化状態とした後、これを金型に配置して成形してもよい。
【００３２】
また、特に歯車を成形する場合は一般に歯部を機械切削により構成するが、歯車型の金型成形によって構成してもよい。
【００３３】
不織布に含浸させる樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミノアミド樹脂、ＰＥＳ（ポリエーテルサルフォン）樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、ＣＰレジン（架橋ポリエステルアミド、架橋ポリアミノアミド）などの熱硬化性樹脂或いは熱可塑性樹脂が例示され、これらは１種、または１種以上の混合物にして利用することが可能である。
【実施例】
【００３４】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。なお、実施例中で用いた試験条件、測定法などは次の通りである。
【００３５】
（１）繊維の熱分解開始温度
熱分析装置（理学株式会社製ＴＡＳ−２００）を用いて測定した。
【００３６】
（２）繊維の引張強度
ＪＩＳ  Ｌ−１０１３に基づいて測定した。
【００３７】
（３）繊維の引張弾性率
ＪＩＳ  Ｌ−１０１３に基づいて測定した。
【００３８】
（４）繊維強化樹脂複合体の機械的強度
歯車を成形し、該歯車から一定寸法のテストピースを作製し、３．５ｍｍ径のピンゲージを２．５ｍｍ/ｍｉｎの速さで歯と歯の間に押し込み、歯が破壊されるときの押し込み強度を測定した。歯の破壊は歯元に亀裂が入ることにより起こった。
【００３９】
（５）繊維強化樹脂複合体の騒音
歯車を成形し、該歯車を鉄製歯車（材質：ＪＩＳ  Ｓ４５Ｃ）とかみ合わせて１３０℃の潤滑油中で回転させ、歯車同士がかみ合うときに生じる騒音を官能判定した。騒音が小さいものを○、大きいものを×として表した。
【００４０】
（６）繊維強化樹脂複合体の切削性
歯車を成形した後、歯部を形成させるために切削加工を行い、その切削加工部を顕微鏡により観察して判定した。判定基準は切削面が均一であるものを○、切削することが困難であったり、切削面の繊維がきれいに切断されずに、切削加工面に多本数ヒゲ状に飛び出しているものは×とした。
【００４１】
［実施例１］
１１０ｄｔｅｘのパラ型アラミド繊維（帝人テクノプロダクツ（株）：テクノーラ）を芯糸とし、該芯糸に対し、４０番手のメタ型アラミド繊維（帝人テクノプロダクツ（株）：コーネックス）を精紡工程にて被覆するコアスパン法により、２０番手の芯鞘型複合糸条を得た。
【００４２】
該複合糸条を筒編地にした後、この筒編地を一端から裏返しながら巻き込むことでドーナツ状に形成し、約２００℃に加温した金型に配置し、減圧下、ポリアミノアミド樹脂を注入して補強材に含浸し、含浸した樹脂を硬化させて繊維強化樹脂複合体を成形した。
【００４３】
次いで、該複合体を機械切削加工して歯部を成形し、繊維強化樹脂複合体製歯車を得た。
【００４４】
該歯車の製造に使用した繊維の熱分解開始温度、引張強度、引張弾性率を表１に、また、得られた繊維強化樹脂複合体歯車の機械的強度、騒音並びに歯車成形の際の切削性を表２に示す。
【００４５】
［実施例２］
実施例１において、芯糸として、１５６０ｄｔｅｘのパラ型アラミド繊維（帝人テクノプロダクツ（株）：テクノーラ）を牽切加工することにより得た、１１０ｄｔｅｘの牽切加工糸（帝人テクノプロダクツ（株）：ＧＴＮ）を使用した以外は実施例１と同様に実施した。
【００４６】
該歯車の製造に使用した繊維の熱分解開始温度、引張強度、引張弾性率を表１に、また、得られた繊維強化樹脂複合体歯車の機械的強度、騒音並びに歯車成形の際の切削性を表２に示す。
【００４７】
［実施例３］
実施例１において、芯糸として、１１０ｄｔｅｘの全芳香族ポリエステル繊維（クラレ（株）：ベクトラン）を使用した以外は実施例１と同様に実施した。
【００４８】
該歯車の製造に使用した繊維の熱分解開始温度、引張強度、引張弾性率を表１に、また、得られた繊維強化樹脂複合体歯車の機械的強度、騒音並びに歯車成形の際の切削性を表２に示す。
【００４９】
［実施例４］
実施例１において、芯糸として、１１０ｄｔｅｘのポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維（東洋紡（株）：ザイロン−ＨＭ）を使用した以外は実施例１と同様に実施した。
【００５０】
該歯車の製造に使用した繊維の熱分解開始温度、引張強度、引張弾性率を表１に、また、得られた繊維強化樹脂複合体歯車の機械的強度、騒音並びに歯車成形の際の切削性を表２に示す。
【００５１】
［実施例５］
実施例１において、鞘糸として、４０番手のＰＰＳ繊維紡績糸（東レ（株）：トルコン）を使用した以外は実施例１と同様に実施して繊維強化樹脂複合体製歯車を作製した。
【００５２】
該歯車の製造に使用した繊維の熱分解開始温度、引張強度、引張弾性率を表１に、また、得られた繊維強化樹脂複合体歯車の機械的強度、騒音並びに歯車成形の際の切削性を表２に示す。
【００５３】
［比較例１］
実施例１において、複合糸条として、単繊維繊度２．２ｄｔｅｘのメタ型アラミド短繊維（帝人テクノプロダクツ（株）：コーネックス）と、単繊維繊度１．７ｄｔｅｘのパラ型アラミド短繊維（帝人テクノプロダクツ（株）：テクノーラ）とを混紡してなる、２０番手の紡績糸を使用した以外は実施例１と同様に実施した。
【００５４】
該歯車の製造に使用した繊維の熱分解開始温度、引張強度、引張弾性率を表１に、また、得られた繊維強化樹脂複合体歯車の機械的強度、騒音並びに歯車成形の際の切削性を表２に示す。
【００５５】
［比較例２］
実施例１において、複合糸条に代えて、単繊維繊度２．２ｄｔｅｘのメタ型アラミド短繊維（帝人テクノプロダクツ（株）：コーネックス）の４０番手紡績糸双糸を使用した以外は実施例１と同様に実施した。
【００５６】
該歯車の製造に使用した繊維の熱分解開始温度、引張強度、引張弾性率を表１に、また、得られた繊維強化樹脂複合体歯車の機械的強度、騒音並びに歯車成形の際の切削性を表２に示す。
【００５７】
【表１】
2005199580.tif 000002
【００５８】
【表２】
2005199580.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明によれば、耐熱性、強度及び騒音の低減効果に優れた繊維強化樹脂複合体成形用の補強材が得られるので、高負荷、高温条件下で使用される合成樹脂製歯車等の用途に好適に使用することができる。