JPH0327931A - 中空複合材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は、機械的強度に優れ、かつ軽量な中空複合材に
関する。

発明の技術的背景 従来では、特に応力を強く受ける機械部品あるいは構造
材は、機械的強度および加工性に優れた金属で４ｆｌ！
威されることが多い。ところが近年では、装置全体ある
いは構造物全体の軽量化の要請等から、金属に比べて軽
量な合戊樹脂または繊維強化合成樹脂（　Ｐ　Ｐ　Ｐ）
で構成された各種機械部品および構造材が開発されてい
る。

たとえば特開昭５８−２８０２９号公報および特開昭５
８−９１９４０号公報には、ＦＲＰ製のコイル状バネが
開示されている。これら公報に開示されたＦＲＰ製のコ
イル状バネによれば、金属製のコイル状バネに比較して
大幅な軽量化が期待できる。

一方、各種機械部品あるいは構造材の軽量化をさらに図
るために、これら部品あるいは構造材の内部に、中空部
を形成する試みもなされている。

ところが、機械部品あるいは構造材などに中空部を形或
すると、その機械的強度が低下する虞がある。また、中
空部を有する機械部品あるいは構造材の戊形性は一般に
悪く、容易かつ低コストで製造することは困難である。

たとえば、中空部を有する機械部品としてのコイル状バ
ネを製造することは従来の技術では著しく困難である。

発明の目的 本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり
、機械部品あるいは構造材などの用途に好適に用いられ
、機械的強度に優れ、しかもきわめて軽量であり、製造
が容易な中空複合材を提供することを目的としている。

発明の概要 このような目的を達成するために、本発明に係る中空複
合材は、内部に中空部を有する内周層と、この内周層の
外周側に配置される外周層と、前記内周層と外周層との
間を充填するように配置される合戊樹脂で構成される中
間層とから成ることを特徴としている。

前記内周層は、中空部横断面形状を保持しつつ、変形可
能な構造を有する部材で構成されることが好ましい。ま
た前記外周層は高分子材料で構成された管体から成るこ
とが好ましい。

中間層はＦＲＰ製が好ましい。中間層をＦＲＰ製とした
場合には、得られる中空腹合材の機械的強度がさらに向
上し、本発明品を各種機械部品あるいは構造材などに特
に好適に用いることができる。

このような本発明によれば、外周層と内周層を型枠とし
て利用しているため、種々の形状に成形することが容易
であると共に、製造自体も容易である。特に内周層を、
中空部横断面形状を保持しつつ、変形可能な管体で構或
した場合には、中間層が硬化する前に、中空部を潰すこ
となく、全体をコイル形状に巻回することが可能なため
、高性能かつ軽量のコイル状バネを成形することが可能
である。

なお、本発明者らは先に高分子材料から成る外周層とノ
ルボルネン系ボリマーから成る芯体層で構成される複合
材を提案した（特願昭８３−１７７２９６号明細書）が
、この複合材に比し、本発明に係る中空複合材は、さら
に軽量化が可能になる。

発明の具体的説明 以下、本発明を図面に示す実施例を参照にしつつ、具体
的に説明する。

第１図は本発明に係る中空複合材の横断面図、第２図は
本発明の一実施例に係る中空複合材の斜視図、第３図は
本発明に係る中空複合材の製造方法の一例を示す要部断
面図、第４図は第２図に示す中空複合材の製造方法の一
例を示す斜視図である。

第１図に示すように、本発明に係る中空複合材１０は、
内部に中空部１１を有する内周層１２と、この内周層１
２の外周側に配置される外周層１４と、前記内周層１２
と外周層１４との間を充填するように配置される合成樹
脂で構成される中間層１６とから成る。

第１図に示す例では、外周層１２および内周層１４の横
断面は円形状にしてあるが、本発明はこれに限定されず
、三角、四角等の多角形状、または楕円形状等のあらゆ
る形状であっても良い。しかも、内周層１２と外周層１
４とは、必ずしも同様な横断面形状を有していなくとも
良い。

また、内周層１２および外周層１４は、同一軸芯を有す
る径の異なるパイプ、チューブ、ホースなど（以下、「
管体」という）で構成されることが好ましいが、管体以
外のものであっても良い。

なお管体は必ずしも長平方向に同一断面である必要はな
く、たとえば蛇腹状、あるいはスバイラル状の凹凸を有
する管体であっても良い。

次に、各層１２，１４．１６について個別に詳細に説明
する。

（内周層） 内周層１２は、中空部１１の横断面形状を保持しつつ、
変形可能な管体で構成されることが好ましい。中空複合
材１０の製造に際し、これを複雑な形状に成形する場合
に、中空部１１が潰れてしまうのを防止するためである
。ただし、得ようとする中空複合材１０が単純な形状で
あれば、内周層１２は必ずしも変形可能な材質で構成さ
れる必要はなく、あらゆる種類の材質で構成される。

中空部１１の横断面形状を保持しつつ、変形可能な管体
の例としては、スパイラル状の凹凸が内外周面に形威さ
れた波付フレキシブル管、スバイラル状に硬質塩化ビニ
ル線を巻いた形状に、軟質塩化ビニル等を複合したルー
ブホース、伸縮アルミニウムダクトホース等が例示され
る。このような管体の材質としては、後述の外周層と同
じ高分子材料であっても良いが、その他の例として、ア
ルミニウムなどの金属、またはＦＲＰなとの複合材が例
示される。

（外周層） 外周層１４は、中間層１６の硬化時において所定の形状
を保持できるものであればいずれでも良く、好ましくは
適度な弾力性を有する。弾力性を有することが好ましい
のは、複雑な形状の中空複合材を得るための戒形性が良
好になるためである。

弾力性を有する外周層１４を構成する高分子材料の具体
例として、天然ゴム、ポリブタジエンゴム、スチレンー
ブタジエンゴム、アクリ口ニトリルーブタジエンゴム、
アクリロニトリルーブタジエンゴムの水素化物、ブチル
ゴム、クロロブレンゴム、エチレンープロピレンゴム、
エチレンーブテン−１ゴム、エチレンーブロビレンージ
エンターボリマーゴム、アクリルゴム、エビクロルヒド
リンゴム、シリコンゴム、チオコールゴム、クロルスル
フォン化ポリエチレンなどのごときエラストマーの架橋
ボリマー；スチレンーブタジエンブロック共重合体、ス
チレンーイソプレンブロック共重合体、スチレンーイソ
プレンースチレンブロック共重合体、スチレンーブタジ
エンースチレンブロック共重合体、スチレンーイソブレ
ンースチレンーイソプレンースチレンブロック共重合体
、これらの水素化物、部分架橋したエチレンーブロビレ
ンゴムやエチレンープロピレンージエンターボリマーゴ
ムとポリエチレンやボリブロピレンとの混合物などのご
とき熱可塑性エラストマー；軟質ポリ塩化ビニル、軟質
エチレンー酢酸ビニルコボリマー、軟質ポリウレタンな
どのごとき軟質プラスチック；これらの発泡体などが例
示される。

これらは適宜混合して用いてもよい。

また、弾力性が必ずしも要求されない外周層１４を構成
する高分子材料の具体例として、ポリエチレン、ポリプ
ロピレン、ポリ塩化ビニル、ボリスチレン、ＡＢＳ樹脂
、エチレンー酢酸ビニルコボリマー　ポリウレタン、塩
素化ポリエチレン、架橋ポリエチレン、ポリエチレンテ
レフタレート、ナイロン６などのごとき各種熱可塑性樹
脂；エボキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、シリ
コン樹脂などのごとき熱硬化性樹脂などが例示される。

これらは適宜混合して用いてもよく、エラストマーとエ
ラストマー、熱可塑性樹脂と熱可塑性樹脂というような
同種のボリマー同士の混合物の他、エラストマーと熱可
塑性樹脂との混合物の形で用いることもできる。その具
体例として、たとえば上記熱可塑性エラストマーとポリ
エチレン、ポリプロピレン、ポリスチレンなどのごとき
炭化水素系熱可塑性樹脂との混合物などが例示される。

本発明では、外周層自体の戊形性や外周層と中間層との
間に空隙がない成形品を得るという観点からは、高分子
材料が可撓性を有するものであることが望ましく、この
点でエラストマーの架橋ボリマー、熱可塑性エラトマー
および軟質系熱可塑性樹脂が賞用される。

この外周層は上記のごとき高分子材料をベースとするも
のであれば、カーボンブラック、ガラスファイバーなど
のごとき所定の配合剤を含むものであってもよい。

（中間層） 中間層１６は、外周層１４と内周層１２との間で、これ
らを型として、硬化することのできる合成樹脂で形成さ
れる。かかる合成樹脂は液状の原料を型に供給し、その
場で硬化可能なものであり、その具体例として、たとえ
ばポリウレタン樹脂、エボキシ樹脂、ポリエステル樹脂
、ナイロン樹脂、ノルボルネン系モノマー（例えばノル
ボルネン、ジシクロペンタジエン、テトラシク口ドデセ
ン、トリシクロペンタジエン、これらの置換体など）の
開環重合体等が例示される。これらの合成樹脂は、繊維
補強されていることが好ましい。補強用の繊維１８とし
ては、ガラス繊維や炭素繊維を初めとする無機質繊維、
アラミド繊維等の有機繊維などが単独または組合わせて
用いられる。補強用の繊維は、第３図に示すように、内
周層１２の長平方向に対して、好ましくは２０〜８０度
、特に好ましくは４５度付近となるように編組あるいは
巻回されていることが望ましい。得られる中空複合材の
許容剪断応力を大きくするためである。

また中間層１６を構成する合成樹脂中には酸化防止剤、
可塑剤、充填剤、顔料、着色剤、耐衝撃性改良剤など種
々の添加剤を配合してもよい。

（製造方法） 次に、本発明に係る中空複合材の製造方法を、第３図に
示す実施例に基づき説明する。

第３図に示すように、まず内周層１２を構或するための
内周層用管体１２ａを準備し、この管体の外周に補強用
の繊維１８を編組あるいは巻回する。あるいは編組され
た繊維１８内に管体１２ａを通す。次に、繊維が外周に
位置する管体１２ａを、外周層１４を構成するための外
周層用管体１４ａ内に挿通する。

その後、中空部１１内に合成樹脂が流入するのを防止す
るために、内周層用管体１２ａの両開口端に栓体２０を
取付け、中間層１６となるべき空間２２に合成樹脂を充
填し硬化させれば、中間層１６が都合良く形成できる。

その際に、外周層用管体１４ａと内周層用管体１２ａと
の間の空間２２には補強用繊維１８が配置してあること
から、内周層１２と外周層１４とは略同芯状態を保持し
つつ、中間層１６の形戒が可能となる。

空間２２への合或樹脂の充填硬化前に、管体１２ａ，１
４ａを所望の形状に成形することも可能である。たとえ
ば、第４図に示すように、木枠２４等に、中間層形成前
の管体１２ａ，１４ａをコイル状に巻き付け、その後、
中間層形成用合成樹脂を硬化させ、木枠２４を取除けば
、第２図に示すようなコイル状バネ１０ａが得られる。

その際には、内周層用管体１２ａは、コイル状の変形に
よっても中空部横断面形状が変化しないフレキシブル管
等で構成されることが好ましい。また外周層用管体１４
ａは弾力性を有する高分子材料で構成されることが好ま
しい。このような場合には、コイル径Ｄが小さい場合で
も、中空部１１の潰れ等を引き起すことなく、高性能か
つ軽量のコイル状バネ１０ａを成形できる。バネ定数ｋ
はコイル径Ｄの三乗に反比例することから、バネ定数ｋ
を向上させるためには、コイル径Ｄを小さくすることが
重要である。また、コイル状バネを戊形する場合には、
補強用繊維１８は、内周層用管体１２Ｈの長手方向に対
して約４５度付近で傾斜するように編組または巻回され
ていることが好ましい。得られる線材の横弾性係数Ｇを
上げることができるからである。バネ定数ｋは弾性係数
Ｇに比例するからでもある。

（ 中間層を構成する合戒樹脂を繊維補強しない場合には、
中間層の形戊に際して、内周層の外周または外周層の内
周に複数のボス部を点在させるように形成する等して、
内周層用管体１２ａと外周層用管体１４ａとの間に中間
層形成用空間を形成する必要がある。

中間層１６を構成する合戊樹脂は原料が低粘度で成形し
やすいこと、高いガラス転移温度（Ｔｇ）を有する樹脂
が容易に得られること、耐水性や耐薬品性に優れること
などからノルボルネン系モノマーの開環重合体、特に１
００℃以上のＴｇを有する開環重合体が好ましいが、こ
の原料を用いる場合には、中間層の形成は次のようにし
て行なう。

外周層用管体１４ａと内周層用管体１２ａとの間の空間
２２における両端開口部に、それぞれ弁が装着されたゴ
ム栓を、締付具等で取付ける。

方の弁は、三方弁であり、反応原液供給管および不活性
ガス供給管と接続されている。他方の弁は、吐出管に接
続され、空間２２内部の気体等を適宜排出するようにな
っている。

まず、他方の弁を開くと共に、三方）弁によって不活性
ガス供給管内と空間２２内とを連通させ、空間２２内を
、たとえばＮ２等の不活性ガスで置換する。外周層用管
体１４ａを所定の温度、たとえば３０〜１５０℃で加熱
した後、予め調整したノルボルネン系モノマーを含む反
応原岐を、三方弁を開いて供給管を通して空間２２内に
供給する。

外周層用管体１４ａの材質が充分な耐熱性を有していな
いときには、外周層用管体１４ａの温度が過度に高くな
らないように空冷、水冷等の適当な手段で冷却すること
が好ましい。

外周層１４が可撓性を有する場合には、空間２２内部に
反応原岐を充填することにより、容積比率で約１〜３％
程度膨らませることが好ましい。

もちろん必要によりそれ以上膨らませてもよい。

反応原液の重合反応により、中間層は収縮するので、こ
の収縮に追隨して外周層１４が収縮し、所定の寸法を確
保すると共に、中間層１６と外周層１４との間に隙間が
生じないようにするためである。

反応原演の供給は、通常、ノルボルネン系モノマーを二
液に分けて別の容器に入れ、一方にはメタセシス触媒を
、他方には活性剤を添加し、二種類の安定な反応溶液を
まず調整し、この二種類の反応溶液を混合して、反応原
液供給管を通して空間２２内に供給することにより行う
。もちろん、必要に応じて三液以上に分けてもよい。ま
た反応原液の供給は、通常、二液の混合後速やかに行わ
れるが、ポットライフの長いものを用いる場合には注入
可能な粘度を保っている間に注入すればよい。その意味
で本発明の反応射出成形とは注形成形をも含むものであ
る。

また空間２２内に反応原液を供給する前工程では、外周
層用管体１４ａの内周面および内周層用管体１２ａの外
周面のいずれか、または双方に硬化型接着剤で構或され
る接着層を形成させ、外周層１４および内周層１２と中
間層１６の接着性を向上させることができる。

硬化型接着剤は架橋により溶剤不溶性となるものであれ
ばよく、その具体例としては、たとえば、フェノール系
（レゾルシノールを含む）、ユリア系、メラミン系、フ
ラン系、エボキシ系、不飽和ポリエステル系、イソシア
ネート系、アクリル系、シリコーン系、アクリル酸ジエ
ステル系などの接着剤が例示される。なかでもフェノー
ル系の接着剤が好ましい。接着層の形成は常法に従えば
よく、予め接着剤を塗布したのち、接着剤が溶剤を含む
場合には溶剤を除去し、かつ少なくとも部分的に架橋さ
せて接着層を形威しておくことが必要である。また接着
層は必ずしも内周面あるいは外周面全体に設ける必要は
なく、所望の部分に設けるだけでもよい。また、各補強
用繊維１８の外周を接着剤で被覆するようにしても良い
。

なお、中間補強材が外周層および内周層と中間層との接
着性をさほど要求していない場合や外周層および内周層
の材質が中間層との接着性に優れている場合には、必ず
しも接着層の形成を必要とするものではない。極性基を
もたないノルボルネン系モノマーから得られる中間層と
の接着性に優れた材質としては、ポリエチレン、ポリプ
ロピレン、ポリスチレンなどの炭化水素系熱可塑性樹脂
、スチレンーイソブレンースチレンブロック共重合体、
スチレンーブタジエンースチレンブロック共重合体、部
分架橋したエチレンープ口ピレンージエンターボリマー
とポリプロピレンとの混合物などのごとき熱可塑性エラ
ストマー、熱可塑性エラストマーと炭化水素系熱可塑性
樹脂との混合物などがある。

空間２２内に反応原液を供給すると、反応原液に含まれ
るノルボルネン系モノマーは、空間２２内で塊状重合反
応を生じて硬化し、ノルボルネン系モノマーの開環重合
体から成る中間層１６が外周層１４および内周層１２と
密着して一体に形成される。このようにして製造された
中空複合材の一例を第１，２図に示す。なお、塊状重合
は実質的であれば良く、メタセンス触媒の調製に伴う少
量の不活性溶剤が存在していてもかまわない。

（使用例） 本発明に係る中空複合材は、たとえば各種構造材あるい
は機械部品などに用いられる。構造材料として用いる具
体的な用途としては、たとえば、仮設テントのボール、
トラックの幌の支柱、ゴルフ練習用ネットの支柱、手摺
り、フェンス等がある。特に、外周層１４をゴム等の可
撓性材料で構成した場合には、表面が柔かく、暖かい感
じがすると共に、すべり難く、たとえば手摺り等として
用いて最適である。

また、本発明に係る中空複合材を機械部品として用いる
具体的な用途としては、プロペラシャフト、アーム、自
転車に代表されるフレーム、ステアリングホイール、ロ
ーラ（プラテンローラなどのＯＡ機器等のローラ含む）
、コイル状バネがある。

発明の効果 以上説明してきたように、本発明に係る中空複合材は、
中空部を有するため、著しく軽量となる。

また、中間層がＦＲＰ製である場合には、機械的強度に
も優れ、本発明品を各種機械部品あるいは構造材などに
特に好適に用いることができる。さらに、本発明によれ
ば、種々の形状に成形することが容易であると共に、製
造自体も容易である。

特に内周層を、中空部横断面形状を保持しつつ、変形可
能な管体で構成した場合には、中間層が硬化する前に、
中空部を潰すことなく、全体をコイル形状に巻回するこ
とが可能なため、高性能かつ軽量のコイル状バネを威形
することが可能である。

［実施例］ 以下にさらに具体的な実施例に基づき、本発明をさらに
具体的に説明するが、本発明はこれら実施例のみに限定
されるものではない。なお、部および％は、特に断わり
のない限り重量基準である。

実施例１ ガラスファイバー（日本電気硝子側製）を外径２　１　
ｍ＋＋＋φ、角度４５°、厚さ２ＩＩＩＩ１の円筒状に
左右両方から編み上げた紐を長さ４ｍに切り、一方の端
より、ポリエチレン製の波付きフレキシブル管（プラフ
レキＣＤ−１８、古河電気工業■製、外径２　１　ｍｍ
φ、内径１６＋ＩＩＩＩφ）を挿入し、この管の両端を
ゴム栓で封じた。

このガラスファイバーで被覆されたフレキシブル管の一
方の端にガイド用の針金を巻き付けて固定し、ガイド線
の一方を内径２５ｌｌＩＩｌφ、外径３５關φのオレフ
ィン系熱可塑性エラストマー（ミラストマ−　８０３０
Ｎ、三井石油化学工業■製、ショアー硬度８５）製の長
さ４．５ｍのパイプに入れて、他の一方より引き抜く方
法で、パイプ内にガラスファイバーで被覆されたフレキ
シブル管を挿入した。

このパイプの一方に二方コックをつけ、他の一方には三
方コックをつけた栓をはめ込んで固定した。三方コック
の一方をＮ２ガス管に接続し、もう一方を反応原液の注
入管に接続させた。

まずＮ２ガスを流入させてゴム管内をＮ２ガスで置換し
た後、このゴム管を７０℃の恒温ボ・ソクス中で加熱後
、コックを切り換え反応原液を注入する。完全に充填し
た後、二方コ・ソクを閉じて管内を０．１〜２．０ｋｇ
／ｃｄに加圧してから三方コックを閉じた。

なお、反応原液としては、ジシクロペンタジエン７０％
とシクロベンタジエン３量体（非対称型３量体約８０％
と対称型３量体約２０％の混合物）３０％から成る混合
物をモノマー或分とする下記組或のＡ液とＢ液を１：１
で混合して用いた。

Ａ液：モノマー フェノール系酸化防止剤（イルガノツクス２５９、チバ
ガイギー社製）（２％）ジエチルアルミニウムクロライ
ド（４０ミリモル濃度） ｎ−プロパノール（４４ミリモル濃度）四塩化ケイ素（
２０ミリモル濃度） Ｂ液：モノマー トリ（トリデシル）アンモニウムモリブテンド（１０ミ
リモル濃度） 次に、反応原液を充填したパイプを、予め準備した木枠
に巻きつけて固定した。反応原液は約６分で反応が終わ
り、固化した。

木枠をはずし、パイプの両端を水平に切断し、線径３５
ＩＩＩｍφ、コイル中心径１　７　０　ｍ＋ｅ、有効巻
数５本のスバイラルのコイル状バネを得た。

このバネを圧縮型の応力測定機で測定するとバネ常数１
．５ｋｇ／ＩＩＩｍであった。

実施例２ 実施例１のうち、ガラスファイバーはウレタン用に処理
されたものを使うこと、ゴム管内をＮ２ガスで置換する
ことが不要であること、注入する反応原液として硬質ポ
リウレタン樹脂（クインネート　９９９、日本ゼオン■
製）を用いたことおよび重合時間は約５分であること以
外は、実施例１と同様にして、中空複合材から戊るコイ
ル状バネを得た。

得られたバネのバネ常数は１．８ｋｇ／ｍｍであった。

実施例３ 内径２８＋ｎｍ，外径３　１　ｍｍのポリエチレン製管
の内側に内径２１ｍｍ，外径２　４　ｍ＋＊の管の表面
に高さ２開のボスを点在させたポリエチレン製の管を挿
入し、外管と内管の空隙にガラスファイバーを配置せず
に実施例１と同様の操作で反応原演を注入して中空複合
材から成るコイル状バネを成形した。

外周層、内周層および中間層の接着性はきわめて良好で
あった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る中空複合材の横断面図、第２図は
本発明の一実施例に係る中空複合材の斜視図、第３図は
本発明に係る中空複合材の製造方法の一例を示す要部断
面図、第４図は第２図に示す中空複合材の製造方法の一
例を示す斜視図である。 １０・・・中空複合材 １２・・・内周層 １８・・・繊維 １０ａ・・・コイル状バネ １４・・・外周層

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）内部に中空部を有する内周層と、この内周層の外周
   側に配置される外周層と、前記内周層と外周層との間を
   充填するように配置される合成樹脂で構成される中間層
   とから成る中空複合材。 ２）前記中間層を構成する合成樹脂は、繊維補強されて
   いる請求項第１項に記載の中空複合材。 ３）前記内周層が、中空部横断面形状を保持しつつ、変
   形可能な管体で構成される請求項第１項または第２項に
   記載の中空複合材。 ４）前記外周層は高分子材料で構成された管体から成る
   請求項第１項から第３項のいずれかに記載の中空複合材
   。