(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維が管状体の長手方向に対してほぼ直角である±７０°〜９０°で配向した強化繊維プリプレグを積層してなるフープ層、強化繊維が該管状体の長手方向に対してほぼ平行である０°〜±５°で配向した強化繊維プリプレグを積層してなるストレート層及び前記管状体の長手方向に対して０°〜±１５°で配向した炭素繊維を含む高圧縮破断ひずみ層を含み、該高圧縮破断ひずみ層の炭素繊維の配向方向に対する圧縮破断ひずみが１〜５％かつ該炭素繊維の繊維体積含有率を６０％として換算した炭素繊維の配向方向の圧縮弾性率が３〜１２０ＧＰａであることを特徴とする繊維強化複合材料製管状体。
【請求項２】
前記管状体がさらに斜交層を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化複合材料製管状体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繊維強化複合材料製管状体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
強化繊維複合材料からなる管状体は、ゴルフクラブシャフト、釣り竿など様々な用途に使用されている。
【０００３】
ゴルフクラブシャフトに関して、近年では軽量化の流れが一段と加速されている。軽量化はシャフトの曲げ破断強度の低下を招くことから、これまで優れた曲げ破断強度を有する軽量シャフトを製造することは困難だった。
【０００４】
釣り竿では穂先部分が柔軟性を有することが求められる。優れた柔軟性を得るためには穂先部分の肉厚を薄くする方法が有るが、同時に曲げ破断強度の低下を招くことになることから、これまで穂先部分において優れた曲げ破断強度と柔軟性を両立させた釣り竿を製造することは困難だった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、これら従来の課題を解消し、優れた曲げ破断強度、曲げ破断たわみ、衝撃吸収エネルギーを有する繊維強化複合材料製管状体を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の上記目的は、次に示す繊維強化複合材料製管状体によって達成される。すなわち本発明は、強化繊維が管状体の長手方向に対してほぼ直角である±７０°〜９０°で配向した強化繊維プリプレグを積層してなるフープ層、強化繊維が該管状体の長手方向に対してほぼ平行である０°〜±５°で配向した強化繊維プリプレグを積層してなるストレート層及び前記管状体の長手方向に対して０°〜±１５°で配向した炭素繊維を含む高圧縮破断ひずみ層を含み、該高圧縮破断ひずみ層の炭素繊維の配向方向に対する圧縮破断ひずみが１〜５％かつ該炭素繊維の繊維体積含有率を６０％として換算した炭素繊維の配向方向の圧縮弾性率が３〜１２０ＧＰａであることを特徴とする繊維強化複合材料製管状体に関するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の繊維強化複合材料製管状体は、強化繊維が管状体の長手方向（軸方向）に対してほぼ平行である０°〜±５°で配向している強化繊維プリプレグを積層してなるストレート層を有することができる。
【０００８】
ここで、本発明で言う積層数とはストレート層などの特定の層が平均して何層積層しているか、即ち管状体の軸の周りを何回巻回しているかを意味する。
前記管状体の用途、具体的にはゴルフシャフトなどの用途によっては、本発明の管状体は、強化繊維が該管状体の長手方向に対して±２０°〜±７０°で配向した強化繊維プリプレグが積層されることにより形成される斜交層を有することができる。
【０００９】
該斜交層には通常、強化繊維が前記管状体の長手方向に対して＋２０°〜＋７０°で配向した強化繊維プリプレグが積層されて形成される正の斜交層と、強化繊維が前記管状体の長手方向に対して−２０°〜−７０°で配向した強化繊維プリプレグが積層されて形成される負の斜交層の、正負の斜交層がある。
【００１０】
正の斜交層または負の斜交層を１層ごとまたは複数層ごとに交互に積層することができる。また、正の斜交層と負の斜交層の積層数は互いに異なっていてもよい。
【００１１】
前記管状体の他の用途、具体的には釣り竿などの用途によっては、本発明の管状体は、強化繊維が前記管状体の長手方向に対してほぼ直角である±７０°〜９０°で配向した強化繊維プリプレグが積層されることにより形成されるフープ層を有することもできる。
【００１２】
これら強化繊維プリプレグに使用される強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、セラミック繊維、ボロン繊維、金属繊維などを挙げることができるが、好ましくはピッチ系炭素繊維あるいはポリアクリロニトリル系炭素繊維を使用することができる。前記強化繊維プリプレグに使用されるマトリックス樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂などから選ばれる熱硬化性樹脂あるいは熱可塑性樹脂が挙げられ、好ましくはエポキシ樹脂が挙げられる。
【００１３】
これら強化繊維プリプレグに使用される炭素繊維として、前記炭素繊維を炭素繊維の配向方向に対する圧縮破断ひずみが０．０５％以上１．０％未満かつ前記炭素繊維の繊維体積含有率を６０％とした炭素繊維の配向方向の圧縮弾性率が１２５ＧＰａ〜６００ＧＰａである炭素繊維を用いることができる。
【００１４】
本発明はかかる構成の繊維強化複合材料製管状体において、圧縮破断ひずみが１．０〜５．０％かつ圧縮弾性率が３ＧＰａ〜１２０ＧＰａである炭素繊維を含むプリプレグを積層して高圧縮破断ひずみ層を形成することを特徴とするものである。
【００１５】
該高圧縮破断ひずみ層に使用される炭素繊維としては、圧縮破断ひずみが１〜５％、好ましくは１．５〜５％、より好ましくは１．７〜５％、最も好ましくは２〜５％の炭素繊維を用いることができる。
【００１６】
また、該高圧縮破断ひずみ層に使用される炭素繊維としては圧縮弾性率が３ＧＰａ〜１２０ＧＰａ、好ましくは３ＧＰａ〜１００ＧＰａの炭素繊維が望ましい。
【００１７】
また、該高圧縮破断ひずみ層に使用される炭素繊維としては、密度が１．９ｇ／ｃｍ3 未満、好ましくは１．８ｇ／ｃｍ3 未満の炭素繊維を用いることができる。密度がこの１．９ｇ／ｃｍ3 より大きい場合には、管状体の重量を増加させることになり好ましくない。
【００１８】
さらに、該高圧縮破断ひずみ層に使用される炭素繊維としては、ストランドのフィラメント数が２４０００本以下、好ましくは１２０００本以下、より好ましくは６０００本以下、最も好ましくは３０００本以下の炭素繊維を用いることができる。
【００１９】
ストランドのフィラメント数がこの２４０００本より大きい場合には、マトリックス樹脂を含浸させたプリプレグを製造するうえで、特に炭素繊維の目付が小さいプリプレグを製造する場合に目開きを生じやすくなるため好ましくない。
【００２０】
前記高圧縮破断ひずみ層に用いられる炭素繊維プリプレグに使用される炭素繊維としては、ピッチ系炭素繊維、ポリアクリロニトリル系炭素繊維のいずれも用いることができ、特にピッチ系炭素繊維が好ましい。また高圧縮破断ひずみ層に用いられる炭素繊維プリプレグに使用されるマトリックス樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、ポリウレタン樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂などから選ばれる熱硬化性樹脂あるいは熱可塑性樹脂が挙げられ、好ましくはエポキシ樹脂が挙げられる。
【００２１】
本発明においてプリプレグにおける強化繊維の目付には特に制限はないが、通常、２０〜３００ｇ／ｍ2 、好ましくは５０〜２００ｇ／ｍ2 の範囲のものが用いられる。強化繊維目付がこの３００ｇ／ｍ2 より大きいと管状体の設計時における自由度が制限されるため好ましくない。また、強化繊維目付がこの２０ｇ／ｍ2 より小さいと管状体の製造時にプリプレグに皺（しわ）が生じやすいため好ましくない。
【００２２】
前記高圧縮破断ひずみ層は、優れた曲げ破断強度を有する繊維強化複合材料製管状体を提供するため、炭素繊維が管状体の長手方向に対して０°〜±１５°、好ましくは管状体の長手方向に対してほぼ平行である０°〜±５°で配向した炭素繊維プリプレグが積層されることにより形成される。
【００２３】
前記高圧縮破断ひずみ層を形成するプリプレグは、本発明の繊維強化複合材料製管状体の肉厚方向においていずれの位置に積層してもよいが、好ましくは該管状体のより外側、より好ましくは該管状体の最外層となるように積層することができる。
【００２４】
また、該高圧縮破断ひずみ層を形成するプリプレグとしては、２つ以上に分けられた、それぞれが同一形状若しくは非同一形状のプリプレグを用いることができる。
【００２５】
前記高圧縮破断ひずみ層は、斜交層、ストレート層、フープ層のうちのいずれか１種、あるいは２種以上と組み合わせて使用することができる。前記管状体の半径方向における肉厚の前記高圧縮破断ひずみ層に対するその他の層、即ち斜交層、ストレート層、フープ層のうちのいずれか１種、あるいは２種以上と組み合わせてなる層の比率は、２０：１〜１：２０とすることができる。
【００２６】
本発明における強化繊維プリプレグとしては織物プリプレグ、一方向プリプレグを使用することができ、一方向プリプレグが好ましく用いられる。該一方向プリプレグは強化繊維を固定する目的で横糸を疎に通すこともできる。
【００２７】
本発明の管状成形体の高圧縮破断ひずみ層、斜交層、ストレート層、フープ層各層のＶｆは通常、４０〜９０ｖｏｌ％、好ましくは５０〜７５ｖｏｌ％とすることができる。
【００２８】
本発明では、強化繊維プリプレグにガラス繊維クロスを重ねて得られたものを巻き付けて管状体を形成し、管状体の圧潰強度を増すことができる。
本発明の繊維強化複合材料製管状体はテーパを有する管状体でもテーパを有さない軸に平行な管状体でも良い。
【００２９】
【実施例】
以下に実施例を示すが、本発明はこれにより限定されるものではない。
本発明における三点曲げ試験は、支点間距離３００ｍｍ、圧子径Ｒ７５ｍｍ、支点径Ｒ１２．５ｍｍ、試験速度５ｍｍ／ｍｉｎの条件のもとで行った。
【００３０】
また、本発明における衝撃試験は、米倉製作所製落錘型衝撃試験機（ＩＩＴＭ−１８型）を使用し、支点間距離３００ｍｍ、圧子径Ｒ７５ｍｍ  支点径Ｒ１２．５ｍｍ、落錘重量７６６ｇ、落下高さ１８００ｍｍ、衝突時落錘速度６．０ｍ／ｓｅｃの条件のもとで行った。
【００３１】
圧縮弾性率、圧縮破断ひずみは繊維強化複合材料の圧縮試験法ＡＳＴＭ  Ｄ３４１０に準拠して行い、圧縮荷重と試験片の断面積から計算される圧縮応力と圧縮試験片に貼り付けたひずみゲージから得られる圧縮ひずみとから圧縮弾性率を測定した。なお、本発明における圧縮弾性率の値はＶｆ６０％換算値である。また、圧縮破断ひずみはコンポジットの圧縮試験における実測値である。引張弾性率の値は、ＡＳＴＭ  Ｄ３０３９に準拠して測定して得られた値である。
【００３２】
実施例１
直径が６．０ｍｍ、長さが１２００ｍｍのマンドレルに、離型剤としてワックスを塗布した後、斜交層として東レ（株）製Ｐ３０５２Ｓ−１２（商品名、ポリアクリロニトリル系炭素繊維Ｔ７００Ｓ、引張弾性率２３０ＧＰａ、炭素繊維目付１２５ｇ／ｍ2 、エポキシ樹脂含有量３３ｗｔ％）のプリプレグを使用し、それぞれマンドレル上を３周するようにこのプリプレグを裁断して得られた正負２枚の斜交層プリプレグを、正負の斜交層プリプレグの炭素繊維がマンドレルの長手方向に対してそれぞれ＋４５°、−４５°で配向するように、マンドレルの半周分に相当する距離ほど一方を他方からずらして重ねた後、マンドレルに巻き付けた。
【００３３】
ストレート層として東レ（株）製Ｐ８０５５Ｓ−１２（商品名、ポリアクリロニトリル系炭素繊維Ｍ３０Ｓ、引張弾性率３００ＧＰａ、炭素繊維目付１２５ｇ／ｍ2 、エポキシ樹脂含有量２４ｗｔ％）のプリプレグを使用し、このプリプレグが斜交層上を４周するようにこのプリプレグを裁断して得られたストレート層プリプレグ（１枚）を、該プリプレグの強化繊維がマンドレルの長手方向と平行となるように斜交層の上に巻き付けた。
【００３４】
さらに高圧縮破断ひずみ層として日本グラファイトファイバー（株）製Ｅ０５２６Ａ−１０（商品名、ピッチ系炭素繊維ＸＮ−０５、引張弾性率５０ＧＰａ、炭素繊維目付１００ｇ／ｍ2 、エポキシ樹脂含有量３７ｗｔ％、圧縮破断ひずみ２．９％、圧縮弾性率３２ＧＰａ）のプリプレグを使用し、このプリプレグがストレート層上を３周するようにこのプリプレグを裁断して得られた高圧縮破断ひずみ層プリプレグ（１枚）を、このプリプレグの強化繊維がマンドレルの長手方向と平行となるように、ストレート層の上に巻き付けた。以上の積層（巻き付け）により得られた積層体にシュリンクテープを巻き付け、１３０℃に加熱し脱泡硬化した後、マンドレルを抜きパイプを得た。図１にマンドレルを抜き取る前の管状体の断面図を示す。図中、１はマンドレルの平面図を示し、２ａは正の斜交層プリプレグ、２ｂは負の斜交層プリプレグ、３はストレート層プリプレグ、４は高圧縮破断ひずみ層プリプレグそれぞれの平面図を示す。パイプの外径は９．０ｍｍだった。表１に、得られたパイプの三点曲げ物性および衝撃物性を示す。
【００３５】
表１に示すように、実施例１のパイプは優れた三点曲げ破断荷重（曲げ破断強度のこと）、三点曲げ破断たわみ、衝撃吸収エネルギーを有していた。
本実施例では、マンドレルに斜交層、ストレート層の順に積層しているが、ストレート層、斜交層の順に積層してもよい。
【００３６】
比較例１
高圧縮破断ひずみ層として東レ（株）製Ｐ３０５２Ｓ−１２（商品名、ポリアクリロニトリル系炭素繊維Ｔ７００Ｓ、引張弾性率２３０ＧＰａ、炭素繊維目付１２５ｇ／ｍ2 、エポキシ樹脂含有量３３ｗｔ％、圧縮破断ひずみ１．４％、圧縮弾性率１３０ＧＰａ）のプリプレグを使用した以外は、実施例１と同様にパイプを成形した。
【００３７】
表１に示すように、比較例１のパイプは、三点曲げ破断荷重、三点曲げ破断たわみ、衝撃吸収エネルギーが低く、劣っていた。
【００３８】
比較例２
高圧縮破断ひずみ層として新日鐵化学（株）製ＧＥ−１００（商品名、ガラス繊維強化プリプレグ、引張弾性率７３ＧＰａ、ガラス繊維目付１００ｇ／ｍ2 、エポキシ樹脂含有量３５ｗｔ％、圧縮破断ひずみ１．３％、圧縮弾性率４４ＧＰａ）のプリプレグを使用し、このプリプレグがストレート層上を４周するようにこのプリプレグを裁断して得られた高圧縮破断ひずみ層プリプレグを使用した以外は、実施例１と同様にパイプを成形した。
表１に示すように、比較例２のパイプは、三点曲げ破断荷重、三点曲げ破断たわみ、衝撃吸収エネルギーが低く、劣っていた。
【００３９】
実施例２
全長１２００ｍｍ、細径側直径６ｍｍ、太径側直径１３．２ｍｍのテーパを有するマンドレルに離型剤としてワックスを塗布した後、斜交層として東レ（株）製Ｐ３０５２Ｓ−１２（商品名、ポリアクリロニトリル系炭素繊維Ｔ７００Ｓ、引張弾性率２３０ＧＰａ、炭素繊維目付１２５ｇ／ｍ2 、エポキシ樹脂含有量３３ｗｔ％）のプリプレグを使用し、それぞれマンドレル上を２．５周するようにこのプリプレグを裁断して得られた２枚の正負の斜交層プリプレグを、正負の斜交層プリプレグの炭素繊維がマンドレルの長手方向に対してそれぞれ＋４５°、−４５°で配向するように、マンドレルの半周分に相当する距離ほど一方を他方からずらして重ねた後、マンドレルに巻き付けた。
【００４０】
ストレート層として東レ（株）製Ｐ８０５５Ｓ−１２（商品名、ポリアクリロニトリル系炭素繊維Ｍ３０Ｓ、引張弾性率３００ＧＰａ、炭素繊維目付１２５ｇ／ｍ2 、エポキシ樹脂含有量２４ｗｔ％）のプリプレグを使用し、このプリプレグが斜交層上を３周するようにこのプリプレグを裁断して得られたストレート層プリプレグ（１枚）を、該プリプレグの強化繊維がマンドレルの長手方向とほぼ平行になるように斜交層の上に巻き付けた。
【００４１】
さらに高圧縮破断ひずみ層として日本グラファイトファイバー（株）製Ｅ１５２６Ｃ−１０（商品名、ピッチ系炭素繊維ＸＮ−１５、引張弾性率１５０ＧＰａ、炭素繊維目付１００ｇ／ｍ2 、エポキシ樹脂含有量３３ｗｔ％、圧縮破断ひずみ１．８％、圧縮弾性率８５ＧＰａ）のプリプレグを使用し、このプリプレグがストレート層上を２周するようにこのプリプレグを裁断して、高圧縮破断ひずみ層プリプレグを得た。該プリプレグの強化繊維がマンドレルの長手方向とほぼ平行となるように高圧縮破断ひずみ層プリプレグ（１枚）をストレート層の上に巻き付けた。
【００４２】
以上の積層により得られた積層体にシュリンクテープを巻き付け、１３０℃に加熱し脱泡硬化した後、マンドレルを抜きシャフトを得た。図２にマンドレルを抜く前の管状体の断面図を示す。図中１はマンドレルの平面図を示し、２ａは正の斜交層プリプレグ、２ｂは負の斜交層プリプレグ、３はストレート層プリプレグ、ｅは高圧縮破断ひずみ層プリプレグそれぞれの平面図を示す。
【００４３】
シャフトの細径側端部での外径は８．２ｍｍ、太径側端部での外径は１５．５ｍｍだった。さらに該シャフトを細径側端部より４００ｍｍ、８００ｍｍ部分で切断し、直径が異なる長さ４００ｍｍの３種類の試験体を得た。３種類の試験体をそれぞれシャフトからの切り出し位置によって、細径部分、中央部分、太径部分とした。表２に、得られたシャフトの三点曲げ物性を示す。
表２に示すように、実施例２のシャフトは、細径部分、中央部分、太径部分のいずれにおいても優れた三点曲げ破断荷重を有していた。
【００４４】
比較例３
高圧縮破断ひずみ層として東レ（株）製Ｐ８０５５Ｓ−１２（商品名、ポリアクリロニトリル系炭素繊維Ｍ３０Ｓ、引張弾性率３００ＧＰａ、炭素繊維目付１２５ｇ／ｍ２、エポキシ樹脂含有量  ２４ｗｔ％、圧縮破断ひずみ０．９％、圧縮弾性率１７５ＧＰａ）のプリプレグを使用した以外は、実施例２と同様にシャフトを成形した。
【００４５】
表２に示すように、比較例３のシャフトは、細径部分、中央部分、太径部分のいずれにおいても三点曲げ破断荷重が低く、劣っていた。
【００４６】
【表１】
0003771360.tif 000002
【００４７】
【表２】
0003771360.tif 000003
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明により優れた曲げ破断強度、曲げ破断たわみ、衝撃吸収エネルギーを有する繊維強化複合材料製管状体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  マンドレルや各層に用いるプリプレグそれぞれの平面図および実施例１で製造した管状体の断面図である。
【図２】  マンドレルや各層に用いるプリプレグそれぞれの平面図および実施例２で製造した管状体の断面図である。
【符号の説明】
１：マンドレル、２ａ：正の斜交層プリプレグ、２ｂ：負の斜交層プリプレグ、３：ストレート層プリプレグ、４：高圧縮破断ひずみ層プリプレグ。
【図１】
0003771360.tif 000004
【図２】
0003771360.tif 000005