(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
組布に樹脂を含浸させてなるＦＲＰパイプの製造方法において、
前記組布は、軸方向が同一の複数の連続繊維束により成る層を当該軸方向が３つ以上異なるように重ね合わせて備え、当該連続繊維束のうち、重ね合わせ方向で最も外側の両層に含まれるものの軸方向は一の方向である構成からなり、
前記一の方向に沿って前記組布を金型を通して引き抜き、パイプ状にするステップを含むことを特徴とするＦＲＰパイプの製造方法。
【請求項２】
前記一の連続繊維束と軸方向が異なる他の連続繊維束の目付量が、前記一の方向の連続繊維束の目付量よりも大きいことを特徴とする請求項１記載のＦＲＰパイプの製造方法。
【請求項３】
前記組布は、前記一の連続繊維束の軸方向に対して、軸方向が３０°〜６０°傾いた連続繊維束と、−３０°〜−６０°傾いた連続繊維束と、７５°〜１０５°傾いた連続繊維束とを有し、
前記一の方向の連続繊維束の目付量を１とした場合に、前記３０°〜６０°傾いた連続繊維束の目付量、前記−３０°〜−６０°傾いた連続繊維束の目付量、及び前記７５°〜１０５°傾いた連続繊維束の目付量の合計が１．５以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のＦＲＰパイプの製造方法。
【請求項４】
前記金型を通して引き抜く前に、前記組布に対してニードリング処理を施し、且つ、前記引き抜きの前又は引き抜きと同時に、前記組布を溶融樹脂に含浸させることを特徴とする請求項１〜請求項３のうち何れか一項記載のＦＲＰパイプの製造方法。
【請求項５】
前記組布は、３軸組布又は４軸組布であり、且つ、前記組布にマット状の繊維基材を重ねて前記引き抜きを行うことを特徴とする請求項１〜請求項４のうち何れか一項記載のＦＲＰパイプの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastic：繊維強化プラスチック）橋の橋桁や液体輸送用パイプ等として利用されるＦＲＰパイプの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体輸送用パイプ等の各種土木構造物として、パイプ状のＦＲＰが利用されている。このようなＦＲＰパイプを製造する方法の一つとして、例えばフィラメントワインディング法が知られている。この方法は、連続繊維束等を予め触媒や硬化剤を混合した液状樹脂に含浸させながら芯金に巻き付け、所定の肉厚にした後に硬化させ、脱型し、ＦＲＰパイプを得るものである。ところが、フィラメントワインディング法でＦＲＰパイプを作製する場合、パイプの長さは芯金の長さ程度にしかすることができないという問題があった。
【０００３】
このようなパイプの長さが制限される問題を解消できる方法として、引抜き成形法が利用されている。この方法は、繊維強化材（連続繊維束、マット状の繊維基材等）を強度特性に合わせて構成し引き揃えて、引抜きながら、予め触媒や硬化剤を混合した液状樹脂に含浸させ、加熱した金型内を通しながら硬化させ、連続的にＦＲＰパイプを得るものである。この方法によれば、ＦＲＰパイプの長さが制限されることはなく、引抜いた長尺状の成形品をカッター等で切断し、ＦＲＰパイプの長さを自由に調整することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の引抜き方法には次のような問題があった。すなわち、組布は複数方向に軸が向いた連続繊維束で構成されているが、組布を金型内を引抜く際に、交叉する連続繊維束の位置がずれるいわゆる目ズレを起こすという問題があった。連続繊維束が目ズレを起こすと、ＦＲＰパイプを構成する連続繊維束の配向のバランスが崩れ、特に連続繊維束がずれて局所的に樹脂が多くなった部分は強度が弱く、その部分から破壊が進む可能性が高くなってしまう。
【０００５】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、引抜き成形時に組布の目ズレを抑制できるＦＲＰパイプの製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、組布に樹脂を含浸させてなるＦＲＰパイプの製造方法において、組布は、軸方向が同一の複数の連続繊維束により成る層を当該軸方向が３つ以上異なるように重ね合わせて備え、当該連続繊維束のうち、重ね合わせ方向で最も外側の両層に含まれるものの軸方向は一の方向である構成からなり、一の方向に沿って組布を金型を通して引き抜き、パイプ状にするステップを含むことを特徴とする。
【０００７】
本発明のＦＲＰパイプの製造方法では、複数方向の連続繊維束のうち一つの軸方向に沿って組布を引抜いているため、この連続繊維束を斜めにずらす方向に力がかからず、目ズレを起こしにくい。
【０００８】
また、本発明のＦＲＰパイプの製造方法において、前記一の連続繊維束と軸方向が異なる他の連続繊維束の目付量が、前記一の方向の連続繊維束の目付量よりも大きいことを特徴としてもよい。
【０００９】
この場合、得られたＦＲＰパイプの円周方向の連続繊維束の目付量が軸方向の連続繊維束の目付量よりも大きくなるため、パイプの周方向の強度を向上させることができる。このため、上記方法で得られたＦＲＰパイプを大きな内圧がかかる液体輸送用パイプとして利用しても、パイプの周方向に破壊が生じることを抑制できる。
【００１０】
また、本発明のＦＲＰパイプの製造方法において、組布は、一の連続繊維束の軸方向に対して、軸方向が３０°〜６０°傾いた連続繊維束と、−３０°〜−６０°傾いた連続繊維束と、７５°〜１０５°傾いた連続繊維束とを有し、一の方向の連続繊維束の目付量を１とした場合に、３０°〜６０°傾いた連続繊維束の目付量、−３０°〜−６０°傾いた連続繊維束の目付量、及び７５°〜１０５°傾いた連続繊維束の目付量の合計が１．５以上であることを特徴としてもよい。
【００１１】
本発明者らの有限要素法を用いた解析の結果、各連続繊維束の目付量の比率をこのような値に設定した場合に、ＦＲＰパイプが軸方向及び周方向の強度のバランスに優れたものとなることが判明した。有限要素法の数値解析においては、目的関数をＦＲＰパイプの強度とし、設計変数を連続繊維束の配向及び構成とし、目的関数であるＦＲＰパイプの強度が最大となるように数値実験を繰り返した。
【００１２】
また、本発明のＦＲＰパイプの製造方法において、上記の目付量が多い方向の連続繊維束は、目付量が小さな方向の連続繊維束よりもテックス番手が大きくなるようにしてもよい。このように、テックス番手を調整して目付量を増やすこともできる。
【００１３】
また、本発明のＦＲＰパイプの製造方法において、金型を通して引き抜く前に、組布に対してニードリング処理を施し、且つ、引き抜きの前に又は引き抜きと同時に、組布を溶融樹脂に含浸させることが好ましい。
【００１４】
ニードリング処理を施して開繊させることにより、樹脂含浸性が高まるとともに、組布の交点の密着性が向上して目ズレを防止することもできる。
【００１５】
また、本発明のＦＲＰパイプの製造方法において、組布は、３軸組布又は４軸組布であり、且つ、組布に例えばコンティニュアスストランドマット等のマット状の繊維基材を重ねて引き抜きを行うことが好ましい。
【００１６】
このようにマット状の繊維基材を組布に重ねることで、ＦＲＰパイプの外観品質及び強度を向上させることができる。
【００１７】
また、連続繊維束は、ガラス繊維、炭素繊維、アルミナ繊維、又はアラミド繊維等によって形成することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明に係るＦＲＰパイプの製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。尚、同一要素には同一符号を用いるものとし、重複する説明は省略する。
【００１９】
図１は、本実施形態のＦＲＰパイプを製造するための引抜き成形装置１０の概略構成図である。本実施形態では、ガラスの連続繊維で構成された４軸組布（４軸不織布ともいう）２０及び同じくガラス繊維で形成されたマット状の繊維基材であるコンティニュアスストランドマット３０を重ねたものを引抜いて、ＦＲＰパイプを製造する。コンティニュアスストランドマット３０は、ガラス連続繊維をランダムに且つ均一に分散させバインダーでマット状にしたものであり、４軸組布２０の表裏面を覆うように配される。
【００２０】
引抜き成形装置１０は、触媒や硬化剤を混合した溶融樹脂４２を収容した樹脂槽４０と、内部に円筒状の引抜き用の通路が形成された金型５０と、４軸組布２０及びコンティニュアスストランドマット３０を金型５０を通して引抜くプーラー６０と、パイプ状に形成されたＦＲＰを所望の長さにカットする切断機７０と、を備えている。
【００２１】
樹脂槽４０の上流側には、４軸組布２０の表裏面にコンティニュアスストランドマット３０を積層して樹脂槽４０に浸漬させるためのスリット部材４４が設けられている。但し、このスリット部材４４は必ずしも設ける必要はない。樹脂槽４０に滞留させる溶融樹脂４２としては、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メタアクリレート樹脂等の熱硬化性樹脂や、ナイロン樹脂、ポリプロピレン樹脂等の様々な熱可塑性樹脂を利用することができる。
【００２２】
樹脂槽４０の下流に位置する金型５０は、ＳＫＤやＳＣＭのダイス鋼で形成されており、上型５０ａと下型５０ｂを締結することで円筒状の通路が形成される。また、金型５０内を通過する成形品はヒータ５２によって加熱され、４軸組布２０等に含浸した樹脂が硬化する。金型５０の上流には、４軸組布２０及びコンティニュアスストランドマット３０の内部まで溶融樹脂４２を浸透させるとともに余剰の溶融樹脂４２を取り除き、且つ、４軸組布２０等を金型５０の通路に導入するための３つのローラからなるローラ群５４が設けられている。
【００２３】
プーラー６０は、金型を通過した成形品を回転するローラで上下から挟み込むいわゆるキャタピラ方式のものである。プーラー６０は、機械的、油圧的に往復動する２台のクランプで成形品を引抜くいわゆるクランプユニット方式としてもよい。切断機７０は、ブレードをモータＭの駆動力で回転させて、成形品を切断する。
【００２４】
次に、図２を参照して、４軸組布２０について説明する。４軸組布２０は、上から順に、ガラス連続繊維束としての経糸１１と、これに９０°傾いた緯糸１２と、経糸１１に対して−４５°傾いた斜交糸１３と、経糸１１に対して４５°傾いた斜交糸１４と、経糸１１に対して９０°傾いた緯糸１５と、経糸１１と平行な経糸１６と、を備えている。上下に重なり合う各糸は、樹脂によって接着されている。
【００２５】
尚、本実施形態では４軸組布２０を構成する各連続繊維束はガラス繊維によって形成されているが、この他、炭素繊維、アルミナ繊維、又はアラミド繊維等によって形成してもよい。
【００２６】
また、４軸組布２０は、金型５０内における引抜き方向が図２中の矢印Ａの方向となるように配されている。つまり、成形品は、経糸１１，１６の軸方向（言い換えれば長手方向）に沿って引抜かれることになる。
【００２７】
また、引抜き方向と異なる方向の糸、すなわち他の斜交糸１３，１４及び緯糸１２，１５の目付量は、経糸１１，１６の目付量よりも大きくなっている。具体的には、斜交糸１３，１４及び緯糸１２，１５のテックス番手（ストランド１０００ｍ当りの重量（ｇ））を大きくして、目付量を大きくしている。ここで、本発明でいう目付量とは、同じ方向を向いた連続繊維束の集合体（例えば経糸１１の集合体）の単位面積（１ｍ2）あたりの重量を意味する。４軸組布２０の構成を更に詳説すると、経糸１１，１６の目付量を１とした場合に、斜交糸１３，１４の目付量及び緯糸１２，１５の目付量の合計値が１．５以上となる関係にある。好ましくは、経糸１１，１６の目付量、斜交糸１３の目付量、斜交糸１４の目付量、経糸１２，１５の目付量は、１：１：１：２の関係にあるのがよい。
【００２８】
以上が、本実施形態で用いる引抜き成形装置１０及び４軸組布２０の構成である。次に、本実施形態のＦＲＰパイプの製造方法を説明する。
【００２９】
まず、プーラー６０を回転駆動させ、ドラム状に巻かれた４軸組布２０及びコンティニュアスストランドマット３０，３０を引き出す。その後、スリット部材４４でマット３０，３０が４軸組布２０の表裏面を覆うように重ねられ、樹脂槽４０内で溶融樹脂４２に含浸される。
【００３０】
樹脂槽４０を通過した４軸組布２０等は、ローラ群５４で圧接されて樹脂が内部まで浸透し、金型５０の円筒状の通路内に引き込まれる。この際、４軸組布２０とマット３０の積層体は、金型５０の通路に倣って円筒状に丸められながら引き抜かれる。また、金型５０の後段において、成形品はヒータ５２によって加熱され、含浸した溶融樹脂４２が硬化する。
【００３１】
ここで、上記のように、経糸１１，１６の軸方向に沿って４軸組布２０を引抜いているため、経糸１１，１６を斜めにずらす方向に力が加えられず、目ズレが起きにくい。このため、成形品の引抜き作業をスムースに行うことができる。
【００３２】
金型５０から引抜かれた長尺の成形品は切断機７０によって所望の長さに切断されて、目的のＦＲＰパイプ８０を得ることができる。
【００３３】
図３に、得られたＦＲＰパイプ８０の斜視図を示し、図４に、図３の領域Ｓの拡大図を示す。図３に示すように、ＦＲＰパイプ８０には４軸組布２０とコンティニュアスストランドマット３０のラップ部として強度を向上させるため、パイプ内側に平坦部８２が形成されている。また、図４に示すように、ＦＲＰパイプ８０は、外側から順に、マット３０、経糸１１の層、緯糸１２の層、斜交糸１３の層、斜交糸１４の層、緯糸１５の層、経糸１６の層、マット３０という積層構造となっている。このように溶融樹脂４２が含浸し易いコンティニュアスストランドマット３０を４軸組布２０に重ねることで、ＦＲＰパイプ８０の外観品質及び強度を向上させることができる。
【００３４】
ここで、本実施形態では、ＦＲＰパイプ８０の円周方向の各糸の目付量が軸方向の経糸１１，１６の目付量よりも大きくなっているため、ＦＲＰパイプ８０の周方向の強度は高いものになっている。このため、ＦＲＰパイプ８０を大きな内圧がかかる液体輸送用パイプ等として利用しても、ＦＲＰパイプ８０の周方向に破壊が生じることを抑制できる。
【００３５】
また、閉断面のパイプに内圧が作用した場合、周方向にかかる応力はパイプの軸方向にかかる応力の約２倍となる。上記のように、経糸１１，１６の目付量を１として、これに対して軸方向が各々−４５°，４５°傾いた斜交糸１３，１４の目付量及び経糸に対して９０°傾いた緯糸１２，１５の目付量の合計値が１．５以上の場合に、ＦＲＰパイプ８０の軸方向及び周方向の強度のバランスが優れたものとなる。このことは、本発明者らが有限要素法を用いた解析の結果、見出した事項である。好ましくは、経糸１１，１６の目付量、これに対して軸方向が−４５°傾いた斜交糸１３の目付量、経糸に対して４５°傾いた斜交糸１４の目付量、経糸に対して９０°傾いた緯糸１２，１５の目付量の比を、１：１：１：２の関係にするのがよい。
【００３６】
また、斜交糸１３、斜交糸１４、及び経糸１２，１５は、経糸１１，１６に対して必ずしも−４５、４５°、及び９０°傾いている必要はなく、各々−３０°〜−６０°、３０°〜６０°、及び７５°〜１０５°の傾きを有すれば同様の効果を得ることができる。
【００３７】
さらに、本実施形態において、金型５０を通して引抜く前に、組布２０にニードリング処理を施して開繊させてもよい。このようにニードリング処理を施して開繊処理させることにより、樹脂含浸性が高まるとともに、組布の交点の密着性が向上して目ズレを防止することもできる。
【００３８】
また、本実施形態によれば、次のような効果も得ることができる。すなわち、従来の引抜き成形方法には、引抜成形品の主構成品である連続繊維束は、引抜成形品の長手方向の強度への寄与が大きく、鋼材の１／４程度の比重量で鋼材と同等の強度を実現できるが、その一方で、引抜成形品の長手方向と直交する方向の強度は極端に弱いという欠点があった。これは、引抜成形品の長手方向に連続繊維が配向されていることが最大の要因であった。特に、閉断面の角パイプや円筒状パイプ等に内圧が作用した場合、発生する応力値は長手方向と直交する周方向の応力値が、長手方向の応力値の２倍になることが知られており、強く改善が望まれていた。
【００３９】
従来の引抜き成形方法では、このような問題を解決するために、連続繊維をランダムに且つ均一に分散させバインダでマット状にしたコンティニュアスストランドマットや、ストランドを短く切断してランダムに且つ均一に分散させバインダでマット状にしたチョップドストランドマットを連続繊維束と併用していた。しかしながら、このようなマット状の強化材を連続繊維束と併用しただけでは、引抜成形品の長手方向と直交する方向の強度は充分に向上させることができず、直交する方向のクラックを防止する程度の効果しか期待できなかった。
【００４０】
このため、従来は、引抜き成形法で得られたパイプの周方向に、更に、ガラス繊維を巻き付けるという２段階の作業を行うことで、長手方向と周方向の強度を向上させていた。ところが、このような２段階作業を実施する場合、引抜き成形装置に加えて巻き付け用の設備が必要となり、装置全体が大型化するという問題があった。加えて、基材の供給設備等の付帯的な設備もそれに伴い大掛かりになり、結果として多額の設備投資が必要となるとともに、通常の引抜き成形法のみと比較して成形の作業性が著しく低下するという問題があった。
【００４１】
これに対して、本実施形態では、３以上の方向に設けられた連続繊維のうち少なくとも２つ以上がパイプの長手方向に対して斜めの方向に配されることになるため、ガラス繊維の巻き付け作業を行うことなく、ＦＲＰパイプの周方向の強度を向上させることができる。また、ガラス繊維の巻き付け用の設備も不要となり、コストを大幅に削減することができる。
【００４２】
以上、本発明者らによってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、溶融樹脂の組布へ含浸させる工程は引き抜きの前でなく、金型に溶融樹脂を流し込む構成を採り、引き抜きと同時に行ってもよい。また、ＦＲＰパイプに用いる組布は、４軸組布に限られず、３軸組布などの３軸以上のものであればよい。
【００４３】
また、組布を引抜く型内の通路の断面形状を種々変更することで、ＦＲＰパイプを角筒形状等にしてもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＦＲＰパイプの製造方法によれば、複数方向の連続繊維束のうち一つの軸方向に沿って組布を引抜いているため、この連続繊維束を斜めにずらす方向に力が加えられず、目ズレを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＦＲＰパイプの製造方法で用いる引抜き成形装置を示す概略構成図である。
【図２】本発明で用いた組布（４軸組布）を示す平面図である。
【図３】得られたＦＲＰパイプを示す斜視図である。
【図４】図３に示す領域Ｓの拡大図である。
【符号の説明】
１０…引抜き成形装置、１１…経糸（０°）、１２…緯糸（９０°）、１３…斜交糸（−４５°）、１４…斜交糸（４５°）、１５…緯糸（９０°）、１６…経糸（０°）、２０…４軸組布（組布）、３０…コンティニュアスストランドマット（マット状の繊維基材）、４０…樹脂槽、４２…溶融樹脂、４４…スリット部材、５０…金型、５２…ヒータ、５４…ローラ群、６０…プーラー、７０…切断機、８０…ＦＲＰパイプ、Ａ…経糸の軸方向。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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