JPH0342242A - 軽量複合材料 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は引張特性、曲げ特性に優れ、さらに分裂破壊を
起しにくい軽量複合材料に関し、さらに詳細には、釣竿
、ゴルフシャフト、テニスラケット等のスポーツ用品並
びに自転車、車椅子、ロボット等の構造材として好適々
軽量複合材料に関するものである。

〔従来の技術〕

高強力炭素繊維（例えば、引張強度が２００ｋｙ　／　
ｔｌＩより大きい炭素繊維）を強化材とした複合材料は
軽量であり、引張特性及び曲げ特性が優れているため、
釣竿、ゴルフシャフト、テニスラケット等のスポーツ用
品に広く使用されている。又、最近では自転車、車椅子
、ロボット等の構造材として需要が広がりつつある。し
かしながら、該複合材料は脆性破壊を起しやすく、さら
に曲げ荷重負荷時に分裂破壊を起しやすいため、製品設
計時に安全率を大きく見積る必要がある。

他方、高強力・高弾性率の合成樹脂重合体繊維を強化材
とした複合材料は軽量であり、引張特性及び耐衝撃性に
優れており、又曲げ荷重負荷時にほとんど分裂破壊を起
さないため、製品設計時に安全率を大きく見積る必要が
ない。しかしながら、該複合材料は曲げ荷重負荷時に圧
縮力が作用する部分で局所的に破壊しやすいため、剛性
を必要とする用途への応用が制限される。

かかる欠点を回避するため、既存材料の効果的利用即ち
、高強力炭素繊維と高強力・高弾性率の合成樹脂重合体
繊維とのハイブリッド物を強化材とする複合材料が検討
されている。このような複合材料では、複合効果により
曲げ荷重負荷時にほとんど分裂破壊を起さない。しかし
ながら、曲げ特性に関する複合効果は未だ十分ではない
。即ち、ハイブリッド物強化複合材料の比曲げ強度は高
強力・高弾性率の合成樹脂重合体繊維強化複合材料の比
曲げ強度より大きくなるが、高強力炭素繊維強化複合材
料の比曲げ強度には及ばない。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明はこうした実情に鑑みてなされたものであり、そ
の目的は曲げ荷重負荷時に分裂破壊を起しにくい性能を
有し、複合効果により比曲げ強度が著しく向上した軽量
複合材料を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者等は前記目的を達成すべく鋭意検討した結果、
あるレベル以上の引張強度を有する合成樹脂繊維により
強化されたプラスチック材料を内層部又は芯部に配し、
あるレベル以下の引張強度を有する炭素繊維により強化
されたプラスチック材料を外層部又は鞘部、即ち曲げ荷
重負荷時に圧縮力が作用する部分に配することにより、
曲げ荷重負荷時での複合材料の分裂破壊が著しく抑制さ
れ、さらに比曲げ強度が著しく向上することを見出し本
発明に至った。

即ち、本発明は少なくとも１５ｇ／デニール以上の引張
強度を有する合成樹脂繊維（例えば特開昭６０−４５６
０７号公報等において本出願人が既に開示したポリエチ
レン繊維）により強化されたプラスチック材料の内層部
又は芯部と、２００ｋｌ？／ｍｍ２以下の引張強度を有
する炭素繊維により強化されたプラスチック材料の外層
部又は鞘部とを有することを特徴とする軽量複合材料で
ある。

なお好ましい実施態様では側繊維のハイブリッド割合は
０．１〜０．８である。ここでいうハイブリッド割合と
は軽量複合材料中の炭素繊維の体積（ＶＯ）と合成樹脂
繊維の体積（ＶＯ）によりｖｃ／ｖ０＋ｖｃと定義する
。例えば一方向強化複合材料では次の（１１式によって
ハイブリッド割合（Ｖｃ／Ｖｏ＋Ｖｃ）を算出する。

ａｃ：炭素繊維（マルチフィラメント）の仕込み本数（
本）ａｏ：合成樹脂重合体繊維（マルチフィラメント）
の仕込み本数（ホ）ｄｃ：炭素繊維（マルチフィラメン
ト）の繊度（デニール）ｄｏ二合威樹脂重合体繊維（マ
ルチフィラメント）の繊度（デニール）叱：無機繊維の
密度（ｇ／ｃ１ｇ） ρ。：合成樹脂重合体繊維の密度Ｃ９７ｃｄ＞〔作用〕 本発明の軽量複合材料では、内層部又は芯部が少なくと
も１５Ｉ／デニール、好ましくは３０Ｉ／デニール、更
に好ましくは４０Ｉ／デニール以上の引張強度を有する
合成樹脂繊維により強化されたプラスチックで構成され
ているため複合材料の高張力及び高比曲げ強度（複合材
料の曲げ特性評価メジャーの−っ：曲げ強度を密度で除
した値）が保障され、さらに破壊時における破片の飛散
が著しく抑制される。逆に、合成樹脂繊維の引張強度が
１５ｆｌ／デニール未満である場合、複合材料の高張力
及び高比曲げ強度が保障されない。又、外層部又は鞘部
が２００に９／ｍｍ２以下、好ましくは１５０ｋｇ／ｍ
ｍ２以下、更に好ましくは１００７Ｃ９／ｍｍ２以下の
炭素繊維で強化されたプラスチック材料で構成されてい
るため、曲げ荷重負荷時に圧縮力が作用する部分での塑
性変形を起し難く、さらに、比曲げ強度における複合効
果が著しく大きい。

即ち、合成樹脂繊維強化複合材料の比曲げ強度及び炭素
繊維強化複合材料の比曲げ強度に比べて本発明の複金材
料の比曲げ強度は著しく大きな値を示す。

逆に、炭素繊維の引張強度が２００に９／ｍｍ２より大
きい場合、比曲げ強度における複合効果がない。即ち、
合成樹脂繊維により強化されたプラスチック材料を内層
部又は芯部に配し、炭素繊維により強化されたプラスチ
ックを外層部又は鞘部に配した複合材料の比曲げ強度は
合成樹脂繊維強化複合材料の比曲げ強度より大きな値を
示すが、炭素繊維強化複合材料の比曲げ強度より小さな
値を示す。又、炭素繊維の引張強度が２００ｋｇ／ｍｍ
２以下であってち、炭素繊維により強化されたプラスチ
ックを内層部又は芯部に配し、合成樹脂繊維により強化
されたプラスチックを外層部又は鞘部に配した場合、曲
げ荷重負荷時に圧縮力が作用する部分での塑性変形を起
し易く、比曲げ強度における複合効果がほとんどない。

さらに、合成樹脂繊維と炭素繊維とを層状配列ではなく
混在させたハイブリッド物を強化材とした複合材料では
、曲げ荷重負荷時に圧縮力が作用する部分での塑性変形
抑制効果が小さく、さらに比曲げ強度における複合効果
が小さい。さらに、本発明の複合材料では、炭素繊維の
カットファイバーより連続繊維状の炭素繊維を用いた場
合、比曲げ強度における複合効果が大きい。

又、本発明の複合材料の比曲げ強度における複合効果を
著しく大きくさせるには、ハイブリラド割合（Ｃ／ｖ０
＋ｖｃ）が０．１〜０．８であることが好ましい。ハイ
ブリッド割合（Ｖ（／　Ｖ□＋　Ｖｃ　）が０１１未満
又は０．８より大きい場合、比曲げ強度における複合効
果が小さい。又、本発明の複合材料に用いる合成樹脂繊
維がポリエチレン繊維である場合、比曲げ強度の複合効
果が大きい。

なお、好ましくは、複合材料中での合成樹脂繊維と炭素
繊維との合計の含有率は２０〜８０容量％であり、また
炭素繊維強化プラスチツク材料での炭素繊維含有率は２
〜６４容ｆｆｌ　％　、合成樹脂繊維強化プラスチツク
材料での合成樹脂繊維含有率は７８〜１も容ｆ１％であ
るのが好ましい。

又、本発明で用いる合成樹脂繊維並びに炭素繊維の形態
はヤーン、ストランド、織物（平織、朱子織、綾織等）
などがあり、用途及び成形法に応じて使い分けることが
できる。

他方、本発明の複合材料のマ）　ＩＪソックス用いる樹
脂は合成樹脂繊維の融点より５℃以上低い温度で硬化又
は脱溶媒により最終的に固化する合成樹脂若しくは合成
樹脂繊維の融点より５℃以上低い融点を有する合成樹脂
が好ましい。

合成樹脂繊維の融点とマ）　ＩＪフック合成樹脂の硬化
又は最終固化温度との差若しくは合成樹脂繊維の融点と
マ）　ＩＪフック合成樹脂の融点との差が５℃以上であ
る場合、加熱、加圧して複合材料を得る際、合成樹脂繊
維の熱劣化による強度低下を抑制できるため、複合材料
の高比曲げ強度が保障される。逆に、合成樹脂繊維の融
点とマトリックス合成樹脂の硬化温度又は最終固化温度
との差若しくは合成樹脂繊維の融点とマトリックス合成
樹脂の融点との差が５℃未満の場合、並びに合成樹脂繊
維の融点よりマトリックス合成樹脂の硬化温度又は最終
固化温度若しくはマトリックス合成樹脂の融点が高い場
合、加熱、加圧して複合材料を得る際、合成樹脂繊維の
熱劣化による強度低下が大きいため、複合材料の高比曲
げ強度が保障されない。

しかして、本発明の複合材料のマトリックスとしてポリ
エーテル系ポリウレタン、ポリエステル系ポリウレタン
、脂肪族炭化水素系重合代脂肪族炭化水素系共重合体、
不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン、ア
クリレート樹脂等を用いれば高比曲げ強度を有し、脆性
破壊しにくい軽爪複合材料が得られる。

なお、本発明の複合材料の製造にあたっては、（１）予
め樹脂を含浸せしめた繊維シート材料を積層し、加熱、
加圧する方法、（２）内層または芯部に合成繊維材料を
、また外層または鞘部に炭素繊維材料をそれぞれ積層構
造または芯鞘構造状に配置した後に樹脂を含浸せしめて
がら加熱、加圧する方法等、適当な方法を採ることがで
きる。

以下、実施例に基づき本発明の詳細な説明するが本発明
はこれら特定の実施例に限定されるものではない。

〔実施例〕

実施例　Ｉ ＪＩＳ　Ｋ　６７６０に基づいて求めた密度が０．９６
Ｅｌｌｃｄであり、ＪＩＳ　Ｌ　１０１３に基づいて求
めた引張強度が３２ｇ／デニールであり、合計繊度が８
００デニールであり、示査走査熱量計を用いて昇温速度
１０℃／ｍｉｎで測定した融点が１４５℃であるポリエ
チレン繊維（マルチフィラメント）にビスフェノールＡ
型エポキシ樹脂（シェルケミカル■エビコー）８２７　
１００重量部に対し硬化剤としてトリエチレンテトラミ
ン１０重量部添加したエポキシ樹脂、密度１．１６Ｉｉ
／ｉ）を含浸させて合成樹脂繊維強化プラスチック材料
前駆体を得た。

他方、ＪＩＳＲ７６０１に基づいて求めた密度が１．６
５，１７／ｃ−ｊであり、引張強度が９０峠／ｍｍ２で
あり、合計繊度が２３０　ｔｅｘ　（２０７０デニール
）である炭素繊維（マルチフィラメント）に前記エポキ
シ樹脂を含浸させて炭素繊維強化プラスチツク材料前駆
体を得た。

両端開放の雄雌金型を用い、炭素繊維強化プラスチツク
材料前駆体と合成樹脂繊維強化プラスチツク材料前駆体
を層状に重ねて配Ｌ１室温、初期面圧２００に９／ｃｄ
の条件で硬化成形した後、１００℃、２時間の条件で７
フターキユアし、幅が７ｆｉ、厚みが２ｆｌであり、（
１）式で定義したハイブリッド割合（Ｖ（／　Ｖ０＋　
ＶＣ）が０．１であり、（２）式で定義した繊維体積含
有割合（ｖｆ）が０．５である複合材料を得た。

Ｂ：複合材料の幅（ロ） Ｄ：複合材料の厚み（α） ａｏ：合成樹脂繊維（マルチフィラメント）の仕込み本
数（本）ｄｏ：合成樹脂繊維（マルチフィラメント）の
繊度（デニール）ρ。：合成樹脂繊維の密度ＣＦ、／ｃ
ｄ）ａｏ：炭素繊維（マルチフィラメント）の仕込み本
数（本）ｄｏ：炭素繊維（マルチフィラメント）の繊度
（デニール）ρＣ：炭素繊維の密度Ｃ９／ｃｄ＞ かくして得た複合材料から長さ約６０ｆｉの試験片を切
出し、テンシロン型試験機を用いて支点間距離３２ｎ１
圧子半径５ｆｌｌ、支点半径２ｆｉ、炭素繊維強化プラ
スチツク層を圧子側に配した以外はＪＩＳ　Ｋ　７２０
３に基づき求めた曲げ強度の平均値（δ）は４２．３＃
／ｍｍ２であった。（３）式で定義した複合材料の密度
（ρ）を用いて（４）式で定義した複合材料の比曲げ強
度（δ）は３．９Ｘ１０＠ｍであった。又、曲げ破壊時
に試験片は分断されなかった。

ρ：複合材料の密度Ｃ９７ｃｄ’） ρ。：合成樹脂繊維の密度Ｕ／Ｃｄ） ρＣ：炭素繊維の密度Ｃ９／ｃｄ） ■ｆ：繊維体積含有割合日〔詳細は（２）幻ｖ０：合戒
樹脂繊維の体積（ｄ）〔詳細は（１）幻ｖ０：炭素繊維
の体積（ｄ）〔詳細は（１）式〕ρ δ：複合材料の比曲げ強度（ｃＷＬ） δ：複合材料の曲げ強度の平均値（ｋｇ／ｒｔｒｄ　）
ρ：複合材料の密度Ｃ９／、、ｌ）Ｃ詳細は（３）幻実
施例　２ 実施例１に記載した方法と同様の方法で成形し、幅が７
ｆｌｌかつ厚みが２ｎであり、（１）式で定義したハイ
ブリッド割合（ＶＣ／　ｖＯ＋　ＶＣ）が０．２であり
、（２）式で定義した繊維体積含有割合（ＶＱが０．５
の複合材料を得た。実施例１と同様の条件で求めた曲げ
強度の平均値（δ）は５４．１ｋｆｌ／ｍｍ２であり、
（３）　、　（４１式を用いて算出した比曲げ強度は４
．８Ｘ１０”ｃ！！Ｌであった。又、曲げ破壊時に試験
片は分断されなかった。

実施例　３ 実施例１と同様の方法で成形し、幅が７ｎかつ厚みが２
ｆｉであり、（１）式で定義したハイブリッド割合が０
．３であり、（２）式で定義した繊維体積含有割合（Ｖ
ｆ）が０．５の複合材料を得た。実施例１と同様の条件
で求めた曲げ強度の平均値（δ）は６４．３に９／ｍｍ
２であり、（３）　、　（４１式を用いて算出した比曲
げ強度は５．５Ｘ１０″αであった。

又、曲げ破壊時に試験片は分断されなかった。

実施例　４ 実施例１と同様の方法で成形し、幅が７１ｍかつ厚みが
２錦であり、（１）式で定義したハイブリッド割合が０
．５であり、（２）式で定義した繊維体積含有割合が０
．５である複合材料を得た。実施例１と同様の条件で求
めた曲げ強度の平均値（δ）は６１．４ｋｇ／ｍｍ２で
あり、（３）　、ｓ　（４１式を用いて算出した比曲げ
強度は５．０Ｘ１０°αであった。又、曲げ破壊時に試
験片は分断されなかった。

実施例　５ 実施例１と同様の方法で成形し、幅が７ｎかつ厚みが２
ｎであり、（１）式で定義したハイブリッド割合が０．
６であり、（２）式で定義した繊維体積含有割合が０．
５である複合材料を得た。実施例１と同様の条件で求め
た曲げ強度の平均値（δ）は５３．３ｋｇ／ｍｍ２であ
り、（３）　、　（４１式を用いて算出した比曲げ強度
は４．２　Ｘ　Ｉ　Ｑ”　ｃｍであった。又、曲げ破壊
時に試験片は分断されなかった。

従って、本発明の複合材料は、釣竿、ゴルフシャフト、
テニスラケット等のスポーツ用品並びに自転車、車椅子
、ロボット等の構造材として好適な軽量複合材料である
。

比較例　１ 実施例１に記載した合成樹脂繊維強化プラスチツク材料
前駆体のみを実施例１の条件で成形して幅が７ｎかつ厚
みが２ｆｌであり、（１）式で定義したハイブリッド割
合（ＶＣ／ｖ０＋ＶＣ）がＯであり、（２）式で定義し
た繊維含有割合（Ｖｆ）が０．５である複合材料を得た
。該複合材料から長さ約６０ｆｌの試験片を切出し、支
点間距離３２　ｍ、圧子半径５ｍ、支点半径２中の条件
以外はＪＩＳＫ７２０３に基づいて求めた曲げ強度の平
均値は２１．７に９／ｍｍ２であり、（３）　、　（４
）式により算出した比曲げ強度（δ）は２．０Ｘ１０’
ｃＷＬであった。又、曲げ破壊時に試験片は分断されな
かった。

次に、実施例１に記載した炭素繊維強化プラスチツク材
料前駆体のみを実施例１に記載した条件で成形して幅が
７ｎかつ厚みが２ｎであり、（１）式で定義したハイブ
リッド割合（Ｖｃ／　Ｖｏ＋　Ｖｃ　）が１であり、（
２）式で定義した繊維含有割合（Ｖｆ）が０．５である
複合材料を得た。該複合材料に対し前記の方法で求めた
曲げ強度の平均値（δ）は２６．５に９／ｍｍ２であり
、（３）　、　（４１式より算出した比曲げ強度（δ）
は１．９　Ｘ　１０°鋼であった。又、曲げ破壊時に試
験片は２〜３片に分断され周囲に飛故しｔ二。これに対
し前述の如く、本発明の複合材料は比曲げ強度における
複合効果が著しく大きく、曲げ荷重負荷時に分裂破壊を
起し難い。

比較例　２ 実施例４に記載した複合材料試験片に対し、合成樹脂繊
維強化プラスチツク材料を圧子側に配した以外は実施例
４に記載した条件で求めた曲げ強度の平均値（δ）は２
５．６ｋｇ／ｍｍ２であり、（３）　、　（４）式より
算出した比曲げ強度は２．１Ｘ１０゜αであった。又、
曲げ破壊時に試験片は分断されなかった。従って、曲げ
荷重負荷時に圧縮力が作用する部分に炭素繊維強化プラ
スチックを配する必要がある。

比較例　３ ＪＩＳ　Ｒ７６０１に基づいて求めた密度が１７，４１
／ｃｄであり、引張強度が３１０７Ｃｇ／ｍｍ２であり
、合計繊度が１９８　ｔｅｘ　（１７８２デニー／Ｉ／
）である炭素繊維（マルチフィラメント）を用いた以外
は実施例１に記載した条件で成形して幅が７ｎかつ厚み
が２ｎであり、（１）式で定義したハイブリッド割合（
Ｖｃ　／　ｖｏ　＋　Ｖｃ　）が０５であり、（２）式
で定義した繊維体積含有割合（Ｖｆ）が０．５である複
合材料を得た。該複合材料に対し、実施例１と同様の条
件で求めた曲げ強度の平均値（δ）は６２．５＃／ｍｍ
２であり、（３）　、　（４）より算出した比曲げ強度
は５．０Ｘ１０“のであった。又、曲げ破壊時に試験片
は分断されなかった。

次に、前記炭素繊維により強化されたプラスチック材料
前駆体のみを実施例１に記載した条件で成形し、幅が７
ｆｌかつ厚みが２ｆｌであり、ｆｌｊ式で定義したハイ
ブリッド割合（Ｖｃ／　Ｖｏ＋Ｖｃ　）が１であり、（
２）式で定義した繊維体積含有割合（Ｖｆ）が０．５で
ある複合材料を得た。該複合材料に対し、比較例１と同
様の条件で求めた曲げ強度の平均値（δ）は１０１．５
ｋｇ／ｍｍ２であり、（３）。

（４）式により算出した比曲げ強度（δ）は７．０Ｘ１
０＠αであった。又、曲げ破壊時に２〜３片に分断され
周囲に飛散した。従って、引張強度が２００ｋｇ／ｍｍ
２より大きい高強力炭素を用いた場合、比曲げ強度の増
加量は同一であるが、複合効果は示さない。

比較例　４ ＪＩＳ　Ｌ　１０１３に基づいて求めた密度が１．４４
ｇ／ｃｄであり、引張強度が２２Ｉ／デニールであり、
合計繊度が６０００デニーμであるアラミド繊維（マル
チフィラメント）を用いて比較例１に記載した方法と同
様の方法で成形じ、（１）式で定義したハイブリッド割
合が０であり、（２１式で定義した繊維体積含有割合が
０．５である複合材料を得た。該複合材料に対し、比較
例１に記載した方法により求めた曲げ強度の平均値（δ
）は４０．５に９／ｍｍ２であり、ｆ３）　、　（４１
式より算出した比曲げ強度は３．ｌＸ１０’ｃ／ｒＬで
あった。又、曲げ破壊時に試験片は分断されなかった。

次に、ポリエチレン繊維の代わりに前記アラミド繊維を
用いた以外は実施例１に記載した方法と同様の方法で成
形し、（１）式で定義したハイブリッド割合が０．５で
あり、（２）式で定義した繊維体積含有割合が０．５で
ある複合材料を得た。

即ち、実施例４の複合材料のポリエチレン繊維をアラミ
ド繊維に変更した複合材料を（Ｕた。該複合材料に対し
、実施例１に記載した方法により求めた曲げ強度の平均
値は７２．５に９／ｍｍ２であり、（３）　＊　（４）
式より算出した比曲げ強度は５４×１０°σであった。

又、曲げ破壊時に試験片は分断されなかった。ポリエチ
レン繊維と炭素繊維とを組み合わせた場合、比曲げ強度
における複合効果（比曲げ強度の増加量）は３．０Ｘ１
０″のであるのに対し、アラミド繊維と炭ＴＦ維を組み
合わせた場合、比曲げ強度における複合効果（比曲げ強
度の増加量）は２．３　Ｘ　１０’　ａｎであり、複合
効果を発現させる組合せとして炭素繊維とポリエチレン
繊維が好ましいと言える。

実施例１〜５、比較例１〜４の結果を第１表に示す。

〔発明の効果〕

本発明の複合材料はあるレベル以上の引張強度を有する
合成ｍ　ｎ’ｆｊ　Ｆ　紹：により強化されたプラスチ
ック利刺が内層部又は芯部に配され、炭Ｚ：繊維により
強化されたプラスチック材刺が外ｊｆｆ１部又は鞘部（
曲げ不：１重負荷時に圧縮力が作用する部分）に配され
ているため比曲げ強度の人ぎい経量複合ｔｊ判である。

また、本発明の複合材料の比曲げ強序は炭素繊維の引張
強度（こ依存しにくいため、従米は摺動材料等にしか使
用できなかった炭素繊？４Ｂ　（引張強度の小さい炭素
胡・維）を使用することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、１５ｇ／デニール以上の引張強度を有する合成樹脂
   繊維により強化されたプラスチック材料の内層部または
   芯部と、２００ｋｇ／ｍｍ＾２以下の引張強度を有する
   炭素繊維により強化されたプラスチック材料の外層部ま
   たは鞘部とを有することを特徴とする軽量複合材料。 ２、炭素繊維の体積（Ｖ＿Ｃ）と合成樹脂繊維の体積（
   Ｖ＿Ｏ）とを用いて定義したハイブリッド割合（Ｖ＿Ｃ
   ／Ｖ＿Ｃ＋Ｖ＿Ｏ）が０．１〜０．８である請求項１記
   載の複合材料。 ３、合成樹脂繊維がポリエチレン繊維である請求項１記
   載の複合材料。