(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
まくらぎを構成する母材樹脂をまくらぎの長手方向に沿って延在する長繊維により強化した合成まくらぎであって、
上記母材樹脂を、ポリオール成分の平均官能基数が２．８〜４．０であり、ポリオール成分のＯＨ当量が９５〜１５０である硬質発泡ウレタン樹脂とすることにより、まくらぎのヒステリシスロス率を１５〜２３％としたことを特徴とする合成まくらぎ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、長繊維で強化した合成樹脂製の合成まくらぎに係り、特に、軽く強度が高いという繊維強化樹脂の特性を備え、しかも騒音および振動を抑制することができる合成まくらぎに関する。
【０００２】
【従来の技術】
鉄道用のまくらぎとしては、従来、木材やコンクリート製のものが広く用いられてきた。木材製のまくらぎでは、車両の通行時の騒音や振動が小さいという利点はあるが、雨水により腐り易いとともに損傷を受け易いなど耐久性に劣り、しかも、資源として限られているという欠点がある。一方、コンクリート製のまくらぎでは、丈夫で資源が多く入手し易いという利点はあるが、重く、しかも騒音および振動が大きいという欠点がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
近年では、木材やコンクリート製のものに代わるまくらぎとして、例えば硬質発泡ウレタン樹脂を母材とし、これを長繊維で強化した複合材料を用いた合成まくらぎが提案されている。この合成まくらぎは、軽く、しかも耐久性が高いという利点はあるものの、騒音や振動のレベルは期待に反して充分ではないことが判明している。このため、合成まくらぎにゴムなどの防振材を張り合わせて対応せざるを得ず、材料費や製作工数が増大するという問題があった。
したがって、本発明は、軽くしかも強度が高いことは勿論のこと、騒音および振動を抑制することができる合成まくらぎを提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、合成まくらぎの騒音と振動を抑制する機能としてヒステリシスロス率に着目した。合成まくらぎでは、両端を支持して中央部に荷重をかけて除荷すると、その撓み／荷重曲線は図１に示すようなヒステリシスループを描く。ヒステリシスロス率は、図１の三日月状の領域Ｓ１の面積を三角形状の領域Ｓ２の面積で除算して得た百分率である。本発明者等の検討によれば、ヒステリシスロス率が１５％以上であれば、騒音レベルが充分に低くしかも振動の減衰率も充分であることが判明した。一方、本発明者等が確認したヒステリシスロス率は２２．５％までであり、それを上回るヒステリシスロス率を有すると推定されるものについては、製造時（脱型時）に割れが発生して測定できなかった。したがって、得られるヒステリシスロス率の最大値は２３％と推定される。
【０００５】
本発明の合成まくらぎは、上記知見に基づいてなされたもので、まくらぎを構成する母材樹脂をまくらぎの長手方向に沿って延在する長繊維により強化した合成まくらぎであって、母材樹脂を、ポリオール成分の平均官能基数が２．８〜４．０であり、ポリオール成分のＯＨ当量が９５〜１５０である硬質発泡ウレタン樹脂とすることにより、まくらぎのヒステリシスロス率を１５〜２３％としたことを特徴としている。なお、本発明者等により騒音および振動レベルの低減が確認されたヒステリシスロス率の範囲は、１５．８〜２２．５％であり、この範囲であればより確実に効果が得られる。
【０００６】
上記のようなヒステリシスロス率を得るためには、母材樹脂を厳密に選定する必要がある。本発明者等の検討によれば、ヒステリシスロス率を１５％以上とするためには、硬質発泡ウレタン樹脂のポリオール成分の平均官能基数は４．０以下であることが必須である。また、ポリオール成分の平均官能基数が小さくなると減衰能が向上する一方、強度が低下するために製造時に割れが発生する。そのため、ポリオール成分の平均官能基数は２．８以上であることが必須である。なお、本発明者等の検討によれば、１５．８〜２２．５％のヒステリシスロス率を得るためのポリオール成分の平均官能基数の範囲は、２．９〜３．９である。
【０００７】
ここで、まくらぎとして使用に供されるためには、犬くぎを打ち込んで引き抜いたときの力（以下、「犬くぎ強度」という）が１５ＫＮ以上必要であるとされている。本発明者等の検討によれば、１５ＫＮ以上の犬くぎ強度を得ることができる硬質発泡ウレタン樹脂のポリオール成分のＯＨ当量は１５０以下である。また、ポリオール成分のＯＨ当量が９５を下回ると、製造時に割れが発生することが判明している。よって、ポリオール成分のＯＨ当量は９５〜１５０であることが必須であり、９６〜１５０であればさらに好適である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。
硬質発泡ポリウレタン樹脂は、ポリオール系原液と、イソシアネート系原液とを混合して撹拌し、これを長繊維を充填した型内に注入する。混合および撹拌された原液は、発熱・発泡反応を起こすので、気泡が抜けないように型を密閉する型締めを行う。そして、樹脂が硬化したら型を外して製品としての合成まくらぎを得る。
【０００９】
ポリオール系原液としては、蔗糖、ソルビトール、ペンタエリスリトール、芳香族アミン、グリセリン、トリメチロールプロパン、グリコール等を出発原料とし、これにエチレンオキサイド、プロピレンオキサイド等を付加重合させてなるポリエーテル系ポリオールに、水、気泡の大きさを制御するためのシリコン系界面活性剤、反応速度を制御するための反応触媒を混合したものを用いることができる。なお、強度や反応性を向上させるために、エチレングリコール等の助剤を必要に応じて添加することができる。また、充てん剤として珪砂を添加することもできる。また、イソシアネート系原液としては、クルードＭＤＩ等を用いることができる。
【００１０】
強化繊維としてはガラス長繊維が最も適しているが、その他、カーボン繊維、ＳｉＣ繊維、金属ウイスカ、セラミックスウイスカなども使用可能である。また、強化繊維は、予め所定本数を束ね、これを母材樹脂よりも粘度が低く繊維どうしの間に浸透し易いバインダ樹脂で固めて用いるのが良い。これにより、母材樹脂が繊維束どうしの間に充分に浸透し、繊維束どうしが結合されて所望の強度を得ることができる。なお、バインダ樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂などを用いることができる。また、強化繊維を結束する際のバインダ樹脂の粘度は、２０〜８００ｃｐｓ、望ましくは２０〜５００ｃｐｓが良い。強化繊維に対するバインダ樹脂の配合比は、４０〜５０重量％が望ましく、母材樹脂に対する強化繊維束の配合比は３０〜６５重量％が好適である。
【００１１】
強化繊維束の直径は２ｍｍ程度とされるが、その長手方向の複数箇所に半径方向へ突出する突起部を設けることが望ましい。強化繊維束は、型内に密に充填されるから、強化繊維束どうしが密着していると母材樹脂が強化繊維束どうしの間に浸透し難くなる。したがって、強化繊維束に突起部を設けることで、強化繊維束どうしの間に隙間を設けることができ、母材樹脂が浸透し易くなる。突起部は、強化繊維束を押圧して扁平にすることで最も容易に形成することができる。あるいは、強化繊維束の外周の一部に樹脂を付着させて硬化させることもできる。なお、突起部どうしの間隔は１００〜５００ｍｍが好適である。そして、繊維束を型内に密に充填した状態で母材樹脂を注入することにより、繊維強化された合成まくらぎを成形することができる。
なお、合成まくらぎの製造に際しては、モールドを用いて１本づつ製造するバッチ方式か、スチールコンベア上に長手方向に連続して成形する連続方式のいずれを用いることもできる。
【００１２】
【実施例】
以下、具体的な実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
１．合成まくらぎの作製
長さ：２．２ｍ、幅：０．２３ｍ、高さ：０．１４ｍのモールドを約５５℃に予熱し、このモールド内に長さ２．２ｍのガラス繊維束を２６６０本充填した。ガラス繊維束の線径は約２ｍｍとし、２５０ｍｍの間隔で線径の２．２倍の寸法を有する突起部を形成した。次いで、モールド内に種々の硬質発泡ウレタン液をガラス繊維束との重量比が１：１となるように注入した。その後、型締めおよび樹脂の硬化を行ない、モールドから取り出して実施例１〜３および比較例１〜３の合成まくらぎを作製した。使用した硬質発泡ウレタン液のポリオール成分の各種諸元を表１に、合成まくらぎの製造に用いた硬質発泡ウレタン液の配合割合と各種諸元とを表２に示す。
【００１３】
【表１】
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【００１４】
【表２】
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【００１５】
２．特性測定
（１）ヒステリシスロス率
長さ：２．２ｍ、幅：０．２３ｍ、高さ：０．１４ｍの製品サイズのものから、長手方向で長さ：１２０ｍｍ、幅：５０ｍｍ、高さ：１０ｍｍの試料を３つ切り出した。図２に示すように、試料を間隔が１００ｍｍの支点に均等に配置し、試料の中央部に毎分１ｍｍの平均速度で変形を与え、最大２００ｋｇの荷重をかけて撓み／荷重曲線を得た。この撓み／荷重曲線からヒステリシスロス率を算出した。
【００１６】
（２）音および振動
上記製品サイズのものを長さ１ｍに切断して試料１とし、図３および図４に示すように、試料１を無響室の床２に付設したバラスト３に上面を露出させて埋設した。試料１の上面に加速度ピックアップ（リオンＰＶ−８５）４を接着し、試料１の上面中央に高さ７００ｍｍから直径１インチの鋼球５を落下させた。そのときの重力加速度（Ｇ）を振動計（リオンＶＭ−８０）６で測定し、その測定値から対数減衰率を算出した。また、鋼球５が試料１に衝突したときに発生した音の大きさを騒音分析計（リオンＮＡ−２３）７で測定した。このときの鋼球５の落下点と騒音分析計のセンサとの距離は１０００ｍｍに設定した。
【００１７】
（３）犬くぎ強度
上記製品サイズのものから長手方向で長さ：７００ｍｍ、幅：２００ｍｍ、高さ：１４０ｍｍの試料を切り出して試料とし、これに直径１５ｍｍ、深さ１１０ｍｍの下穴を加工した。この下穴に、長さ１３０ｍｍの犬くぎ（JIS E 1108）をスパイキハンマにより首下２０ｍｍまで打ち込み、次いで、JIS Z 2101に準拠して引抜き力を測定した。
【００１８】
（４）評価
以上の測定結果を表２に併記した。また、ヒステリシスロス率と音の大きさおよび対数減衰率との関係を図５に、ヒステリシスロス率と各実施例におけるポリオール成分の平均官能基数との関係を図６に示した。図５に示すように、ヒステリシスロス率が１５％以上のときに音の大きさは８５ｄＢ以下となり、騒音は充分に低減される。また、ヒステリシスロス率が１５％以上になると、対数減衰率の増加の程度がやや急になることから、振動の抑制に効果的であることが判る。
【００１９】
図６によれば、ヒステリシスロス率を１５％以上にするためには、ポリオール成分の平均官能基数は４．０以下にする必要がある。一方、表２によれば、平均官能基数が２．９である実施例３では、ヒステリシスロス率が２２．５で最高値を示したが、平均官能基数が２．７である比較例３では、合成まくらぎを型から取り出す際に製品に割れが発生し、全ての測定が不可能となった。これにより、平均官能基数の許容できる最小値は、これら２つの値の中間の２．８であると推定される。
【００２０】
次に、表２によれば、ポリオール成分のＯＨ当量が９５〜１５０である実施例１〜３では、犬くぎ強度が合格の目安とされている１５ＫＮを大きく上回る１８ＫＮ以上である。これに対して、ＯＨ当量が１５８である比較例１では、犬くぎ強度が１４ＫＮであり、ＯＨ当量９４である比較例２では、強度が低いために製品を型から取り出す際に割れが発生した。このように、本発明の実施例では、強度が高く、しかも騒音および振動が抑制されることが確認された。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、母材樹脂を硬質発泡ウレタン樹脂とし、かつ、まくらぎのヒステリシスロス率を１５〜２３％としているから、軽くしかも強度が高いことは勿論のこと、騒音および振動を抑制することができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ヒステリシスロス率の算出方法を説明するための撓み／荷重曲線である。
【図２】  本発明の実施例においてヒステリシスロス率の測定方法を説明するための斜視図である。
【図３】  振動の測定方法を説明するための側面図である。
【図４】  音の測定方法を説明するための図３における矢印IV方向矢視である。
【図５】  本発明の実施例におけるヒステリシスロス率と音の大きさおよび対数減衰率との関係を示す線図である。
【図６】  本発明の実施例におけるヒステリシスロス率と平均官能基数との関係を示す線図である。
【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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