(57)【要約】【課題】より大きな伸び率が得られ、ＰＣ緊張材などの土木建築用の緊張材としてより高い効果が得られる炭素繊維合成樹脂複合素線の提供。【解決手段】熱可塑性合成樹脂材からなる芯線２の周囲に、マトリックス樹脂３を含浸させた炭素繊維収束材４を螺旋状に巻きつけ、マトリックス樹脂の硬化によって一体化させた線状をなし、前記トリックス樹脂には、溶剤溶融性を有し、非晶質で且つ他の合成樹脂材と相溶性、接着性及び／又は架橋性を有する熱可塑性合成樹脂材を使用し、芯線には、前記マトリックス樹脂と相溶性、接着性及び／又は架橋性を有する熱可塑性合成樹脂材を使用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性合成樹脂材からなる芯線の周囲に、マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維収束材を螺旋状に巻きつけ、該マトリックス樹脂の硬化によって前記芯線とその周囲の炭素繊維収束材とが一体化された線状をなし、
前記マトリックス樹脂は、溶剤溶融性を有し、非晶質で且つ他の合成樹脂材との相溶性、接着性及び／又は架橋性を有する熱可塑性合成樹脂材を使用し、
前記芯線には、前記マトリックス樹脂と相溶性、接着性及び／又は架橋性を有する熱可塑性合成樹脂材を使用した炭素繊維合成樹脂複合素線。
【請求項２】
多数の炭素繊維からなる炭素繊維収束材を溶剤によって溶融させたマトリックス樹脂内浸漬して通過させることによって該マトリックス樹脂を炭素繊維収束材の外周を被覆させるとともに前記炭素繊維間に浸透させる工程と、
該炭素繊維収束材を、平らな帯状に成型し、該帯状の両縁を順次重ね合わせた状態で、前記該マトリックス樹脂と相溶性、接着性及び／又は架橋性を有する熱可塑性合成樹脂材からなる芯線の周囲に螺旋状に巻き付ける巻き付け工程と、
該巻き付け工程後の線状材をダイスに通して外周面を整形する整形工程とを有する炭素繊維合成樹脂複合素線の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として橋梁や建築物の吊り材や引張り材やプレストレスト構造物用緊張材として使用する単線又は撚線の素材となる炭素繊維合成樹脂複合素線及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、プレストレスト構造物等に用いられる緊張材としては、ＰＣ鋼線や鋼線を複数撚り合わせたＰＣ鋼撚線(ストランド)が広く用いられている。
【０００３】
しかし、上述のＰＣ鋼線やＰＣ鋼撚線等は重量が嵩み、高所への設置作業等では作業効率が悪いという問題があった。
【０００４】
そこで、近年では緊張材としてＰＣ鋼線やＰＣ鋼撚線等に代えて重量の軽い炭素繊維線材（炭素繊維ストランド）を用いる試みが検討されているが、炭素繊維線材は十分な引張強さはあっても、伸び難いという性質があり、引張強さ以上の引張力が作用すると伸びることなく破断してしまい、安全性を考慮すると、緊張材として用いるには問題があった。
【０００５】
このような従来問題を解決せんとし、多数の炭素繊維を該各炭素繊維間に空隙を生じるように撚り合わせ、前記炭素繊維間内部空隙を合成樹脂材により埋めるとともに前記合成樹脂材で前記各炭素繊維を結合させた複数の前記炭素繊維線材を、各炭素繊維線材間に空隙が生じるように撚り合わせ、前記各炭素繊維線材間内部空隙を合成樹脂材により埋めるとともに、前記合成樹脂材で前記炭素繊維線材を結合させる方法が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１９０３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記特許文献１に示されている発明では、螺旋状に撚り合わされた炭素繊維間に、これらを結合して一体化させるための合成樹脂材を介在させるものであり、炭素繊維を、空隙を生じさせずに撚り合わせた場合に比べ長手方向へ伸びる余裕、言い換えれば伸び代があり、引張力が作用した際に、炭素繊維間空隙内の合成樹脂材及び炭素繊維線材間空隙内の合成樹脂材が半径方向に圧縮される分、炭素繊維が長手方向に向かって緊張され、炭素繊維線材及び炭素繊維ストランド全体が伸長できるようになることによって線材を緊張させた際の伸びが生じるとするものであるが、螺旋状の炭素繊維間に介在している合成樹脂材の量が少ないために、充分な伸びが得られないという問題があった。
【０００８】
本発明は、このような従来の問題に鑑み、より大きな伸び率が得られ、ＰＣ緊張材等の土木建築用の緊張材としてより高い効果が得られる炭素繊維合成樹脂複合素線及びその製造方法の提供を目的として成されたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の如き従来の問題を解決し、所期の目的を達成するための請求項１に記載の発明の特徴は、熱可塑性合成樹脂材からなる芯線の周囲に、マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維収束材を螺旋状に巻きつけ、該マトリックス樹脂の硬化によって前記芯線とその周囲の炭素繊維収束材とが一体化された線状をなし、前記マトリックス樹脂は、溶剤溶融性を有し、非晶質で且つ他の合成樹脂材と相溶性、接着性及び／又は架橋性、即ち、相溶性、接着性、架橋性の内の何れか１または複数の性質 (以下同じ)を有する熱可塑性合成樹脂材を使用し、前記芯線には、前記マトリックス樹脂と相溶性、接着性及び／又は架橋性を有する熱可塑性合成樹脂材を使用した炭素繊維合成樹脂複合素線にある。
【００１０】
請求項２に記載の発明の特徴は、多数の炭素繊維からなる炭素繊維収束材を溶剤によって溶融させたマトリックス樹脂内浸漬して通過させることによって該マトリックス樹脂を炭素繊維収束材の外周を被覆させるとともに前記炭素繊維間に浸透させる工程と、該炭素繊維収束材を、平らな帯状に成型し、該帯状の両縁を順次重ね合わせた状態で、前記該マトリックス樹脂と相溶性、接着性及び／又は架橋性を有する熱可塑性合成樹脂材からなる芯線の周囲に螺旋状に巻き付ける巻き付け工程と、該巻き付け工程後の線状材をダイスに通して外周面を整形する整形工程と有する炭素繊維合成樹脂複合素線の製造方法にある。
【発明の効果】
【００１１】
本発明における炭素繊維合成樹脂複合素線は、熱可塑性合成樹脂材からなる芯線の周囲に、マトリックス樹脂を含浸させた炭素繊維収束材を螺旋状に巻きつけ、該マトリックス樹脂の硬化によって前記芯線とその周囲の炭素繊維収束材とを一体化させた線状をなし、前記マトリックス樹脂は、溶剤溶融性を有し、非晶質で且つ他の合成樹脂材と相溶性、接着性及び／又は架橋性を有する熱可塑性合成樹脂材を使用し、前記芯線には、前記マトリックス樹脂と相溶性、接着性及び／又は架橋性を有する熱可塑性合成樹脂材を使用しているものであるため、張力が作用した時に、耐引張力を受け持つ炭素繊維が、芯線及び炭素繊維間のマトリックス樹脂を圧縮し、その結果全体に伸びが生じることとなり、炭素繊維が切断に至る以前により大きな伸びが得られる。
【００１２】
そして、この炭素繊維合成樹脂複合素線を複数本撚り合わせた際に、マトリックス樹脂の相溶性、接着性及び／又は架橋性によって、炭素繊維合成樹脂複合素線相互間を一体化させ、しかも伸び率の大きい単線を構成させることができ、さらに該単線を撚り合わせることによってストランドとすることもでき、従来、伸びが少ないことによって使用が困難であった炭素繊維合成樹脂複合線材とは異なり、ブレストレストコンクリート用の緊張材や、橋梁等の土木建築物に使用する吊り材、張弦梁の弦材など、従来のＰＣ緊張材のすべての分野において使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る炭素繊維合成樹脂複合素線の一例を拡大して示すもので、(ａ)は切断端面図、(ｂ)平面図である。
【図２】本発明に係る炭素繊維合成樹脂複合素線の製造におけるマトリッス樹脂含浸工程と、炭素繊維収束材成形工程示す断面図である。
【図３】同巻きつけ工程、整形工程、乾燥工程を示す側面図である。
【図４】図３中の巻きつけ工程の拡大断面図である。
【図５】本発明に係る炭素繊維合成樹脂複合素線を使用して製造した単線の炭素繊維合成樹脂複合単線の一例を示す断面図である。
【図６】図５に示す炭素繊維合成樹脂複合単線を使用したストランドを示す断面図である。
【図７】図５に示す炭素繊維合成樹脂複合単線に防護被覆を施した例を示す断面図である。
【図８】図６に示すストランドに防護被覆を施した例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明に係る炭素繊維合成樹脂複合素線及びその製造方法の実施の形態を図面について説明する。
【００１５】
図１は本発明の一実施例の炭素繊維合成樹脂複合素線を示している。この炭素繊維合成樹脂複合素線１は、熱可塑性合成樹脂材からなる芯線２の周囲に、マトリックス樹脂３を含浸させた炭素繊維収束材４を螺旋状に巻きつけ、該マトリックス樹脂の硬化によって前記芯線２とその周囲の炭素繊維収束材を構成している各炭素繊維５、及び炭素繊維５相互間を一体化させるとともに、最外面をマトリックス樹脂３にて被覆した線状をなしている。
【００１６】
前記マトリックス樹脂３は、溶剤溶融性を有し、非晶質で且つ他の合成樹脂材との相溶性、接着性及び／又は架橋性を有する熱可塑性合成樹脂材を使用し、前記芯線２には、前記マトリックス樹脂３と相溶性、接着性及び／又は架橋性を有する熱可塑性合成樹脂材を使用している。
【００１７】
心線１としては、一例として直径０．７ｍｍ程度の熱可塑性樹脂線材が使用され、炭素繊維収束材４としては、直径7〜１０μの炭素繊維５を１５，０００〜６０，０００本程度同一方向に向けて一纏めにしたもの（通称：トゥ）を使用している。
【００１８】
この例では、マトリックス樹脂３としては、ポリビニルブチラール、心線１としてはナイロンが使用されている。
【００１９】
この他、マトリックス樹脂としては、非晶性等の熱可塑性樹脂であるポリ塩化ビニル、メタクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネート、変性ポリエチレンテレフタレート、変性ポニフェニレンエーテル、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリアリレート、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミドが使用できる。
【００２０】
また、芯線としては、結晶性の熱可塑性合成樹脂であるポリエチレン、ポリプロピレン、４フッ化エチレン、ポリアミド、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、変性ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトンが使用できる。マトリックス樹脂と芯線樹脂との組み合わせは、相互に相溶性、接着性及び／又は架橋性を有する樹脂を組み合わせる。
【００２１】
芯線１に対する炭素繊維５、即ち炭素繊維収束材４の巻きつけ角度は、心線１の長さ方向に対する炭素繊維の角度αが、完成した線材の引張強度を決定づけるものであり、αは、小さければ引張強度は高く、線材としての柔軟性が少なくなり、大きければ引張強度は低下するが柔軟性は大きくなる。一般的には、２０度〜６０度であることが好ましい。
【００２２】
その理由は、２０度以下では、期待する伸びが得られにくくなるという理由で好ましくなく、６０度以上では、引張強度が著しく落ちるという理由で好ましくない。
【００２３】
マトリックス樹脂材料と芯線材料とは、同一の溶剤又は加熱によって相溶性又は接着性又は架橋性を有するものを組み合わせて使用する。
【００２４】
次に上述した炭素繊維合成樹脂複合素線１の製造方法の一例について説明する。この製造工程は、マトリックス樹脂３を炭素繊維収束材４内に含浸させるマトリッス樹脂含浸工程、マトリックス樹脂が含浸された炭素繊維収束材４をリボン状に成形する炭素繊維収束材成形工程、心線２に対し、マトリックス樹脂が含浸されてリボン状に成形された炭素繊維収束材４を螺旋状に巻きつける巻きつけ工程、炭素繊維収束材４が巻きつけられた状態の線材の外形を整える整形工程、成形された線材のマトリックス樹脂を乾燥により固化させる乾燥工程からなっている。
【００２５】
マトリックス樹脂含浸工程は、図２に示すように、炭素繊維収束材４が巻きつけられたリール１０から炭素繊維収束材４を順次引出、複数のガイドローラ１１，１１......にガイドさせ、マトリックス樹脂槽１２内に通す、マトリックス樹脂槽１２内には溶剤によって溶融させたマトリックス樹脂３を収容しておき、その中に炭素繊維収束材４を浸しながら移動させる。
【００２６】
このマトリックス樹脂含浸工程におけるマトリックス樹脂槽１２からの出口部分に、炭素繊維収束材成形工程を行う一対の成形ローラ１３，１３が備えられている。この成形ローラ１３，１３間を通すことによって炭素繊維収束材４が扱かれてリボン状に成形されるとともに、余分のマトリックス樹脂３が搾り取られ、マトリックス樹脂槽１２に戻されるようになっている。この成形ローラ１３，１３の間隔を調整することによってリボン状の厚さが調整される。
【００２７】
成形工程を経たリボン状の樹脂含浸炭素繊維収束材４ａは巻きつけ工程に送られ、ここで芯線２の外周に螺旋状に巻きつけられる。巻きつけ工程においては、図３、図４に示すように予巻き筒１５を使用する。この予巻き筒１５は、中心に芯線２を挿通させる両端が開口した円筒状の筒体からなり、その一端を回転装置によって回転駆動が与えられるように片持ち式に支持されている。
【００２８】
この予巻き筒１５の中心に、繰り出し側リール１６に巻きつけた芯線２を順次引き出させて挿通されており、後述する整形工程の成形ダイス１７及び乾燥機１８通して巻き取り側リール１９に巻き取られることによって、芯線２が予巻き筒１５内を所定の速度で移動するようになっている。なお、繰り出し側リール１６には芯線２が直線状になって移動するように負荷調整用のブレーキを備えており、巻き取り側リール１９による巻き取速度とブレーキの調整によって、芯線２に一定の張力を付与させて直線状を維持しつつ移動されるようになっている。
【００２９】
この予巻き筒１５を所定の速度で回転させ、マトリックス樹脂３が含浸されてリボン状に成形されたリボン状炭素繊維収束材４ａを所定巻き数だけ予め巻つけておく。この状態で、予巻き筒１５内に挿通されている芯線２の外周にリボン状炭素繊維収束材４ａの先端を巻きつけ、しかる後、芯線２を移動させるとともに、予巻き筒１５を回転させ、リボン状炭素繊維収束材４ａ巻き取りを継続させる。
【００３０】
これによって予巻き筒１５に巻きつけられているリボン状炭素繊維収束材４ａは、移動する芯線２の外周に螺旋状となって引き出され、心線２の外周に巻きつけられる。この時の予巻き筒１５を、リボン状炭素繊維収束材４ａが芯線４の外周側に引き出される分だけ予巻き筒１５に常時巻きつけられた状態が維持される速度に回転させる。これによって芯線２に対し、所定の角度でリボン状炭素繊維収束材４ａの巻きつけがなされる。
【００３１】
また、予巻きの巻き数、芯線４の移動による引出速度を調整することによって、心線４に対する螺旋状の巻きつけ角度αが調整される。
【００３２】
次いで、マトリックス樹脂３が含浸されたリボン状炭素繊維収束材４ａが外周に巻かれたマトリックス樹脂が固化前の状態の炭素繊維合成樹脂複合素線１を、図３に示すように整形工程の成形ダイス１７に通す。これによって余分のマトリックス樹脂３が扱き落とされ、炭素繊維合成樹脂複合素線１の外面が整形されるとともに、外径が決定される。本例では、整形後の炭素繊維合成樹脂複合素線１の直径を１．７ｍｍ程度としている。
【００３３】
成形された未固化の炭素繊維合成樹脂複合素線１を乾燥工程である乾燥機１８に通し、マトリックス樹脂３の溶剤を蒸散させることによって固化させた後、巻き取り側リール１９に巻き取る。
【００３４】
この炭素繊維合成樹脂複合素線１の使用に際しては、これを必要本数だけ撚り合わせ、マトリックス樹脂３が溶融する温度まで加熱することにより、図５に示すようにマトリックス樹脂３が相溶し、炭素繊維合成樹脂複合素線１間が互いに一体化した炭素繊維合成樹脂複合線材Ａが形成できる。その際に、使用する炭素繊維合成樹脂複合素線１の数を適宜選択することによって、必要な耐引張力の炭素繊維合成樹脂複合線材Ａが形成できる。
【００３５】
更に、炭素繊維合成樹脂複合線材Ａを複数本撚り合わせることによって図６に示すようなストランドＢとすることもできる。
【００３６】
更に、マトリックス樹脂３に、例えばポリビニルブチラール、ポリビニルアセタール等のような硬質の熱硬化性樹脂と相溶性を有する材料を使用することにより、図７、図８に示すように外周面に熱硬化性の硬質樹脂からなる保護層２０を一体化させた保護被覆付の炭素繊維合成樹脂複合線材Ａ１やストランドＢ１が製造できる。
【符号の説明】
【００３７】
１  炭素繊維合成樹脂複合素線
２  芯線
３  マトリックス樹脂
４  炭素繊維収束材
４ａ  樹脂含浸炭素繊維収束材
５  炭素繊維
１０  リール
１１  ガイドローラ
１２  マトリックス樹脂槽
１３  成形ローラ
１５  予巻き筒
１６  繰り出し側リール
１７  成形ダイス
１８  乾燥機
１９  巻き取り側リール
２０  保護層
Ａ，Ａ１ 炭素繊維合成樹脂複合線材
Ｂ，Ｂ１ ストランド
【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】
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