JPH0568420B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 この発明は、炭素繊維とセメント微粉体等の水
硬性無機微粉体と水とを含み、最終的には炭素繊
維間が水硬性微粉体の水和物で結合された状態と
なる部材を構成するためのプリプレグ材に関す
る。 〔従来の技術〕 炭素繊維と水硬性無機微粉体と水を含む硬化体
は、水硬性無機微粉体の水和物をマトリツクスと
する製品（所謂モルタル、コンクリート）の強度
不足を、炭素繊維の有する引つ張り強度と弾性率
とを利用して補うために開発されたものであり、
従来は、前記硬化体を構成するために、炭素繊維
を水硬性無機材と水と骨材及び種々のセメント用
混和剤（材）又はこれらの一部に混ぜてなる組成
体を硬化させる手段があつた。 〔発明が解決しようとする問題点〕 しかしながら、前記の手段によると、炭素繊維
はその弾性率が高く屈曲に弱いため混練中に折れ
ることが多く、これを防止するためには、骨材と
して丸い形状のものを使用する。空気を入れる、
ポリマーを混入する、混練法を工夫する等の余分
な配慮が必要になるという問題点がある。この方
法によると炭素繊維の混入率の上限は体積比５％
程度である。またこれらの手段によると、水硬性
無機材の寸法について、例えば最大粒径が45μｍ
程度のセメントの使用が良い結果を与えるとか、
平均粒径30μｍの普通ポルトランドセメントに平
均粒径0.1μｍ程度の潜在水硬性無機材である超微
粒子シリカの少量添加が良い結果を与えるという
報告があるが、炭素繊維が屈曲に弱いことに対し
充分な配慮がなされておらず、水硬性無機材の硬
化体内における炭素繊維の直径性と均一な分散性
が確保されにくいため、炭素繊維の有する補強作
用が有効に働かないという問題点がある。また、
超微粒子シリカの添加は、セメント粒子間や繊維
とセメント粒子間の空〓を埋めることにより、繊
維と水硬物との付着力を高めるとしているが、超
微粒子シリカの反応はポゾラン反応であり、それ
によつて生成する水硬物の付着力はそれほど大き
くなり、また不充分である。 また、含浸法としては、ガラス繊維強化プラス
チツクの公知の成形方法であるハンドレイアツ
プ、フイラメントワインデイング、プルプレツシ
ング等と同様な方法が採用されているが、これら
の方法では、粒度に特別に留意することなく普通
のポルトランドセメント又はやや小さい粒径（平
均粒径20μｍ）のポルトランドセメントを使用
し、平均粒径0.1μｍの超微粒子シリカを含む種々
の混和材を添加しているため維炭素繊維の体積比
は10％前後までが限界であつた。そしてこの方法
では、炭素繊維は、一次元配向はされるものの、
炭素繊維の微視的な直線性と繊維１本１本の分散
が確保されにくいため、炭素繊維の有する補強作
用が有効に働かないという問題点がある。またこ
の手段は、セメント粒子が前記のように平均粒径
が大きく、また最大粒径が100μｍ程度のものが
含まれているため、炭素繊維の間にセメント粒子
が充分に回り込んでいないことが原因して、炭素
繊維とセメントとの結合が不充分になるという前
記と同様な問題点もある。 炭素繊維としてマツト、またはクロスを水硬性
無機材と水と種々のセメント用混和剤（材）とで
固める手段であるが、前記と同様の問題点があ
り、炭素繊維の体積比はせいぜい５％以下であつ
て、これにより構成される組成体の強度はそれほ
ど高くない。 この発明はこのような従来技術の問題点に着目
してなされたものであり、各炭素繊維間に水硬性
無機微粉体、特にセメント粒子が充分に回り込ん
で、炭素繊維間を水硬性無機微粉体の水和物によ
つて強固に連結させ、且つ多量の炭素繊維の含有
を可能にして、高強度の部材を形成することがで
き、さらに、硬化中途の状態を所定時間継続して
保つことにより目的の寸法、形状の形成する時ま
でその状態を維持できるようにすることを目的と
している。 〔問題点を解決するための手段〕 この発明の炭素繊維プリプレグ材は、炭素繊維
と水硬性無機微粉体と水とを含み、前記炭素繊維
は、一次元配向されてなる連続繊維で且つ含有量
が全体に対する体積比で５〜30％であつて分散さ
れており、また水硬性無機微粉体は、平均粒径が
炭素繊維の直径以下であり且つ前記一次元配向さ
れていずれもが同一方向に延びる各炭素繊維間に
前記水硬無機微粉体と水とを含むスラリーが介在
されてなるまだ固まらない組成体を、硬化中途の
状態で低透湿性又は非透湿性の支持体により支持
している。なお、保存期間は、セメント用凝結遅
延剤を添加することや低温保存することにより調
整することが可能である。 〔作用〕 連続炭素繊維は、組成体に体積比５％から30％
まで含まれていてその上限値が高いため、多量の
炭素繊維を含むことになるから、この組成体によ
り形成される部材は強度が増大する。５％未満の
場合は、水硬性無機微粉体硬化体の乾燥収縮が通
常のものより大きく、この収縮を拘束しきれない
ため硬化体内部にびびわれ等を生じ易く、期待さ
れる硬化が発揮されない。また水硬性無機微粉体
は、その平均粒径が連続炭素繊維の直径より小さ
いから、水硬性無機微粉体が各炭素繊維間に充分
に回り込み、この水硬性無機微粉体の水和物が各
炭素繊維間を確実に連結することになるため、こ
の意味からもこの配合物により形成される部材の
強度は、この発明によらない同種の炭素繊維を同
量含むものより増大する。なお、水硬性微粉体
は、ポルトランドセメント、アルミナセメント、
耐硫酸塩セメント、高炉セメントまたはこれらと
潜在水硬性を有する超微粒子シリカとの混合物の
微粉体またはこれらを主成分とする微粉体であ
る。また、高体積比で炭素繊維を一次元配向して
も、連続炭素繊維の微視的な直線性と繊維一本一
本の分散性が確保される。 また、連続炭素繊維は、その弾性率が高いため
屈曲に弱い性質を有している。本発明の製法の１
つである繊維束連続含浸法において、水硬性無機
微粉体スラリー中に粒径の大きたものが存在する
と、その部分で屈曲が起こり、かつ高体積比で炭
素繊維が存在する場合には、大きい粒子が動かす
のにより大きな力を必要とし、炭素繊維が折れる
ような力が作用する。炭素繊維束の１部の繊維が
折れると、折れた繊維が含浸装置のガイド類に付
いて次々と他の繊維を折り、しいては炭素繊維束
全体を切断してしまう。本発明のようにマトリツ
クスとなる水硬性無機微粉体スラリーの粒径を炭
素繊維の直径より小さく制限することにより、炭
素繊維束に水硬無機微粉体スラリーを始めて工業
的規模の速度で連続的に含浸することが可能とな
る。 さらにこの発明は、前記配合物を硬化中途の状
態で支持体により支持するものであり、支持体は
低透湿性又は非透湿性を備えているため、前記配
合物の水分発散を抑えて配合物の硬化を抑制する
から、前記配合物はプリプレグ状態が維持され
る。このため、その硬化に際して支持体を撤去す
れば、それまでの間はこの発明のプリプレグ材を
所定時間保存することができるし、前記硬化に際
してプリプレグ材を所定の形状、構造に積層、変
形等の工作を任意に行つて目的の硬化物を作るこ
とができる。 以下に、本発明のプリプレグ材について、表−
１のような成分と配合例を挙げて説明する。その
配合物は、硬化中途の状態にある。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明に用いられる炭
素繊維は配合物に体積比５％から30％まで含まれ
ていて、その上限値が高いため多量の連続炭素繊
維を含むことが可能であるから、この配合物によ
り形成される部材は強度が増大する。また水硬性
無機微粉体は、連続炭素繊維の直径より大きい粒
径のものが体積比30％以下であつて、多くが炭素
繊維の直径以下の粒径となり、平均粒径が炭素繊
維の直径以下となつているから、水硬性無機微粉
体が各連続炭素繊維間に充分に回り込み、この水
硬性無機微粉体が各炭素繊維間を確実に連結する
ことになるため、この意味からもこの発明に係る
配合物により形成される部材の強度が増大する。 特に、この発明において、炭素繊維を連続繊維
とするとともに、これを一次元配向することによ
り、各炭素繊維を同一方向に延ばした状態で分散
させているから、強度に方向性をもたせることが
でき、硬化物の用途に応じた連続炭素繊維の一次
元配向を可能にしている。また、水硬性無機微粉
体の平均粒径を前記のように極端に小さくしてい
ることは、前記粉体が炭素繊維を屈曲させること
を防止することになり、且つ炭素繊維相互の間隔
を小さくすることができるから、配合物の含有炭
素繊維量の増大と含浸法による連続生産を可能に
している。このことからも、この発明の配合物で
は、水硬性無機微粉体の粒径を特定したことが、
第１に微視的にみても直線性を確保しながら多量
の炭素繊維の含有を工業的な規模で可能とし、且
つ第２の炭素繊維間を水硬性無機微粉体の水和物
が強固で且つねばりのある状態で結合することを
実現させたものであり、これらの結果、この配合
物を硬化させることにより強度等の力学特性に優
れた部材を作ることができるという効果がある。 さらにこの発明によれば、配合物の硬化中途の
状態を所定時間継続して保つことにより目的の寸
法、形状に形成する時までその状態を維持するこ
とができるため、未硬化の配合物を工場生産し、
これを他の場所に輸送してから硬化させることも
可能となる。 〔実施例〕 表−１に示したセメントスラリー（母材混合
物）に、さらにセメント用凝結遅延剤（藤沢薬品
工業(株)のパリツクＴ）を超微粉末高炉系セメント
に対して１％重量添加調製した。ここに炭素繊維
束（6000フイラメント束、単繊維直径7μｍ）を
引張り張力20mg／ｄ、速度12ｍ／分にて連続的に
浸漬し、、ガイドバーでしぼつたのち、直径0.4ｍ
のドラム表面に拡幅しつつ平行にまき取り、ドラ
ム軸方向に切断し1200×500×0.8mmの一方向配向
セメントスラリー含浸シートとした。なお、超微
粉末高炉系セメント、シリカ質超微粉体としてそ
れぞれ日鐵セメント(株)の日鐵スーパーフアインと
ユニオン化成(株)のポゾミツクスＰを使用した。 このものは、炭素繊維間にセメントスラリーが
均一に含浸し、しかも繊維は、実質的に一方向に
配向し柔軟性を有していた。 このシートを、ポリエチレンシートにて挟み端
部をシールして−20℃にて冷凍した。 ７日間保存後室温にて解凍し、13枚を一方向に
積層して厚み10mmになるように加厚積層した。 この積層体をそのままの状態で水分が揮散しな
いようにポリエチレンシートで包み、20℃にして
24時間静置後50℃温水中に48時間浸漬し、さらに
１週間室内に静置し成形物とした。 この成形物の性能は表−２の通りであつた。比
較のため、セメントスラリー含浸直後のシートに
ついて同様の成形物を作り性能を測定した結果を
併せて表−２に示した。

【表】 以上の結果より、冷凍保存の前後において性能
上の変化がないことが判る。 更に比較のため、表−１における超微粉末高炉
系セメントに代えて平均粒径30μｍの普通ポルト
ランドセメントを用い、同様にして、炭素繊維束
に含浸することを試みたが、単繊維の折損に起因
した繊維束の切断が時々生じ、安定した含浸は困
難であつた。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１の実施例を示す断面
図、第２図は同第２の実施例を示す斜視図、第３
図は積層する状態の例を示す分解斜視図である。 １……配合物、２，３……支持体。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 炭素繊維と水硬性無機微粉体と水とを含み、
   前記炭素繊維は、一次元配向されてなる連続繊維
   で且つ含有量が全体に対する体積比で５〜30％で
   あつて分散されており、また水硬性無機微粉体
   は、平均粒径が炭素繊維の直径以下であり且つ前
   記一次元配向されていずれもが同一方向に延びる
   各炭素繊維間に前記水硬無機微粉体と水とを含む
   スラリーが介在されてなるまだ固まらない組成体
   を、硬化中途の状態で低透湿性又は非透湿性の支
   持体により支持した炭素繊維複合の水硬性プリプ
   レグ材。