JPH06226867A - 極低温繊維強化プラスチック材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 極低温で周方向に収縮しないか又は膨張する
素材を使用するためＨｅリークしない筒／底板構造が得
られ極低温での耐クラック性に優れた繊維強化プラスチ
ックを提供する。 【構成】 タテ糸に負膨張繊維をヨコ糸に正膨張繊維を
配した繊維構造体をタテ糸が成形体の軸に対して±４０
〜９０度の角度となる様に巻き樹脂と一体成形してなる
筒又は柱状の極低温用繊維強化プラスチック材。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は極低温の環境下で、各種
部材として使用される繊維強化プラスチック材に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、極低温の環境下で使用される部材
はステンレス、アルミ合金などの金属又は、ガラス繊維
からなる強化プラスチツク材（ＧＦＲＰ）から構成され
ている。一方極低温下での応用分野は多様であり、その
要求性能は分野ごとに異なっている。例えば医療用途で
のスキッド磁束計、ＭＲＩなどに応用する場合にはクラ
イオスタットとしては帯磁率、導電性、制振性、Ｈｅリ
ーク性など、また支持材としては寸法安定性、熱伝導な
どが重要である。またリニアモーターカー、宇宙航空な
どの輸送分野では軽量性が特に重要となるし、機械特
性、加工性などは全ての用途に必要である。これに対し
て金属は機械特性、加工性、Ｈｅリーク性などに対して
は大きな信頼性を持つ反面、熱伝導度が高く、特にアル
ミ合金はそれが著しい。そのため断熱支持材料はもとよ
り、クライオスタット又はデュアーの伝熱部には使用す
ることができない。加えて熱膨張率が高く、寸法安定性
も悪いという欠点もあり、支持部材への適用を更に困難
にしている。また導電性及び帯磁率が高く制振性が悪い
ため、スキッド磁束計では高いＳ／Ｎが得られないこ
と、ＭＲＩ、ＳＭＥＳその他の交流機器用クライオスタ
ットでは渦電流に伴う発熱により、Ｈｅ蒸発量を増大さ
せ、熱効率上及び経済上問題となる。更に輸送分野で
は、高速化、省エネルギーを目指して軽量化の要請は強
い。その点ではステンレスは極めて重く多くの展開を望
めない。その欠点を補うためアルミ合金が重用されてい
るが、繊維強化プラスチックに比べてまた可成重く熱伝
導率が極めて高いという欠点を有する。この様に多くの
欠点を持つ金属系材料が使用できない分野ではガラス繊
維からなる繊維強化プラスチックが用いられている。例
えば導電性、帯磁率、断熱性の点では金属系に比べて大
幅な改善がみられた。一方このＧＦＲＰにも種々の問題
点があり、多くの分野で、開発ができないのが現状であ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】極低温分野での主要な
応用として、クライオスタット又はデュアーがあるが、
この場合ＧＦＲＰは極低温下でのマイクロクラックに起
因するＨｅリークが避けられず、この点が金属製クライ
オスタットからＦＲＰへの代替が進まない最大の問題と
なっている。次に寸法安定性の問題がある。一般にマト
リクス樹脂及びガラス繊維は正膨張率を持つ材料であ
り、極低温〜室温にかけて大きな寸法変化を示すという
欠点がある。例えば１図に示す様なクライオスタットを
作る場合内筒であるＧＦＲＰのパイプ又は円柱はロービ
ング又は織物の巻き角度をいかなる角度にしても周方向
には収縮することとなる。ＧＦＲＰで作成した下底板の
内周部も同様に収縮するが円筒の収縮の方が大きいため
この接合面には室温から極低温に冷却するにつれて過大
な熱応力が生じクラックが発生する。このため、真空度
の低下又はＨｅリークが発生することとなる。本発明は
上記の様な問題点に鑑みてなされたものでその目的は、
極低温で周方向に収縮しないか又は膨張するため、Ｈｅ
リークしない筒／底板構造が得られ、耐クラック性に優
れた繊維強化プラスチックを提供するにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するために繊維強化プラスチックの繊維材料として
タテ糸に負膨張繊維、ヨコ糸に正膨張繊維を用いた繊維
構造体をタテ糸が成形体の軸に対して±４０〜９０度と
なる様に巻き樹脂と一体成形してなる筒又は柱状の極低
温用繊維強化プラスチックであることを特徴とする。

【０００５】本発明において用いられる負膨張（低温に
なるにつれて膨張する）繊維としては高強力、高弾性率
繊維であり、ポリエチレン、アラミド、ポリアリレート
（全芳香族ポリエステル）、ＰＢＺポリマー（ポリベン
ツビスオキサゾール、ポリベンツビスチアゾールなど）
及びカーボン等の繊維が挙げられる。これらの繊維はい
ずれも低温になるにつれて膨張するという特異な性質を
持つとともにガラス繊維に比べてはるかに低比重である
ため高強度、高弾性率であり且つ軽い補強繊維を得るこ
とができる。これらのうち最も良好な特性を示す高強度
ポリエチレン繊維が好ましい。このようなポリエチレン
繊維は例えば特開昭５５−１０７５０６号公報、特開昭
５６−１５４０８号公報に開示されたような製法を用い
て得ることができる。これに対して、正膨張繊維として
はポリエステル、ナイロン、ビニロン、低次配向ポリエ
チレン、ポリプロピレン、アクリル、塩化ビニル、フッ
化ビニル、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテル
エーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリアミ
ドイミド、ポリイミドなどの有機繊維、アルミナ、シリ
カ、ジルコニア、チタニア、シリコンカーバイド、シリ
コンナイトライトなどのセラミックス繊維及びアルミ、
銅、ステンレス等の金属繊維を挙げることができる。こ
れら負膨張及び正膨張繊維の熱膨張特性を図２に示す。

【０００６】上記繊維の形態としては縒糸、紡績糸等の
各種の糸で、平織、縒織、朱糸織、袋織、バスケット等
の公知の形態の織物が繊維構造体として利用できる。ま
たタテ糸及びヨコ糸の各々に直交する方向に第３の糸を
配した三次元織物を利用することもできる。第３の糸と
しては負膨張繊維を使用することが望ましい。また、多
くの特性をすべて満足させるためには２種以上の負膨張
繊維又は正膨張繊維を混合して使用することもできる。
また負膨張繊維と正膨張繊維を成形体中でタテ糸、ヨコ
糸に配する方法として各々の糸を用いてエポキシ樹脂な
どをマトリックスとし、一方向強化のプリプレグを作成
しておき、これをマンドレル上に例えば交互に巻回しな
がら積層することによっても繊維構造体を得ることがで
きる。

【０００７】ここで使用されるマトリックスとしては、
エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステ
ル樹脂、ウレタン樹脂、ウレタンアクリレート樹脂など
が使用できるが特に好ましいのは、エポキシ樹脂であ
る。これらのマトリックス樹脂はいずれも正膨張を示す
が、負膨張及び正膨張繊維よりなる織物又はプリプレグ
を巻回することにより成形した筒又は柱状の繊維強化プ
ラスチックは周方向に大きな負膨張率を持つことができ
る。従って、これと底板よりなる真空容器の接合部は低
温になるに従って密着構造とすることが可能となる。

【０００８】ＧＦＲＰを極低温容器（クライオスタッ
ト、デュアー）として使用する場合の最大の問題点は寒
剤（主としてＨｅ）リークの問題がある。本発明ではポ
リエチレン、アラミド、ポリアリレート、カーボンなど
の高強力、高弾性率で且つ負膨張率を有する有機繊維を
タテ糸に、正膨張繊維をヨコ糸にした織物又はプリプレ
グを用いて筒又は柱状の強化プラスチックを作成するこ
とにより極低温下でＨｅリークが生ずることのない、気
密性の高い部材を提供しようとするものである。ここで
通常使用されるマトリックス樹脂はいずれも正膨張を示
すが、負膨張及び正膨張繊維をタテ及びヨコ糸にした繊
維材料のうち負膨張を示す繊維の巻き角度を適当に選ん
で、巻回して成形した筒又は柱状の繊維強化プラスチッ
クは周方向に対して大きな負膨張率を示す。そしてその
値は繊維自身の持つ負膨張率よりはるかに高い値とな
る。配向角が成形体の軸方向に対して±４０度から９０
度が適当であるが望ましくは±４５度と９０度の間であ
る。角度が４０度未満では正膨張（低温になるに従い収
縮する）が大きくなる。一方、ＧＦＲＰの場合はガラス
繊維及びマトリックス樹脂とも正膨張であるので巻き角
度に無関係に、周方向には正膨張という通常の材料に見
られる特性しか得られない。これによりクライオスタッ
ト、デュアーなどＨｅ容器として使用した場合はＨｅリ
ーク性、真空保持性及び機械特性に優れたものを得るこ
とができる。

【０００９】成形法としては織物にマトリックス樹脂を
含浸しながらマンドレル上に巻き付けるシートワインデ
ィング法、織物又はフィラメントであらかじめプリプレ
グを作成した後巻きつけるシート又はテープワインディ
ング法などが挙げられる。上記複合材中の繊維とマトリ
ックス樹脂の混合比率は、繊維の体積分率（Ｖｆ）とし
て３５〜８５％が好ましく、より好ましいのは４０〜７
０％である。繊維のＶｆが３５％より少ないと繊維の補
強効果が発現せず、８５％を超えるとマトリックス樹脂
と含浸しにくくなり複合材料としての機械的特性が悪化
するため好ましくない。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例について第１図を参照
して説明する。１は外フランジを有するＧＦＲＰの外筒
であり、２は内フランジを有する有機繊維よりなるＦＲ
Ｐの内筒である。３は有機繊維又はガラスの織物よりな
るＦＲＰ積層板を下底板としたものである。下底板と
内、外筒は接着剤により接合されている。５はＧＦＲＰ
の積層板よりなるフタであり内筒及び外筒とはパッキン
グ９を用いて、ネジ７により接合されている。フタに
は、バルブ８の付いたＧＦＲＰのノズル６がネジ切り接
着剤で接合されている。本発明の有機繊維よりなる円筒
状ＦＲＰは内筒２であり、これの作成は以下の様に行っ
た。負膨張繊維としてはポリエチレン繊維（東洋紡ダイ
ニーマ、ＳＫ−６０、１２００ｄ）、アラミド繊維（日
本アラミド繊維、トワロンＨＭ、１９００ｄ）、ポリア
クリレート（クラレ、ベクトラン、１７５０ｄ）を、正
膨張繊維としては、ガラス繊維（日東紡、３１００ｄ）
を用いて各々負膨張繊維と正膨張繊維をタテ／ヨコ糸と
しその打込本数割合が６／４となる様にした３種類の織
物を作成した。各々の目付は２７０、３３０、３１５ｇ
／ｍ² であった。これを用いて、実施例１〜４、比較例
５〜７の合計７種類の円筒状繊維強化プラスチックをシ
ートワインディング法により作成した。マトリックスと
してはエポキシ樹脂を使用し以下の配合により、均一混
合し樹脂ドープを作成した。 エピコート−８２７（油化シエル） １００ エピキュアーＹＨ−３００（ 〃 ） ８０ ＥＭ１−２４ （ 〃 ） １ 次に各種繊維にエポキシ樹脂を含浸させながらマンドレ
ルに巻き付け円筒状とした。この時負膨張繊維は、円筒
の軸に対して９０度で巻いた。これに対して負膨張繊維
を４０度以上９０度未満の角度をつけて巻く試料はあら
かじめ、以下のエポキシ配合によりプリプレグを作成し
所定の角度に切り出したシートを作成してマンドレルに
巻いて円筒状とした。 エピコート −８２８（油化シエル） ３０ 〃 １５４（ 〃 ） ５０ 〃 １００４（ 〃 ） ２０ ＤＩＣＹ−７ （ 〃 ） ５ ＥＭＩ２４ （ 〃 ） １ 次にこれをマンドレル上に保持したまま１００℃×２ｈ
ｒ、その後１３０℃×３ｈｒにて硬化成形し繊維体積含
有率６５％、外径１００ｍｍ×長さ５００ｍｍ、肉厚５
ｍｍの成形体を得た。また下底板は、円筒と同じエポキ
シを使用し、各種繊維の織物に含浸積層し、プレス成形
により作成した。また内、外筒と下底板は接着剤により
接合した。作成した試料及び評価結果を表１に示す。

【００１１】

【表１】

【００１２】〔熱膨張率〕パイプにストレインゲージを
はり付けた後、液体Ｎ2 中に浸漬し円周方向の寸法変化
を測定した。 〔Ｈｅリーク性〕作成した各試料を図１の構成とした
後、ＲＴにてノズル６より室内を真空引きし到達真空度
を測定した。その後内、外筒と、下底板の接合部を中心
に外部よりＨｅガスを吹き付けてＨｅリーク量を測定し
た。次に真空引きした状態で装置の下半分を液体Ｎ2 に
３０分間浸漬し、真空度の低下の有無を調べた。しかる
後液体Ｎ2 中より引き上げ浸漬部の温度の上昇を最小限
に抑えるため手早くＲＴと同じ手順でＨｅリーク量を測
定した。

【００１３】

【発明の効果】本発明によると、極低温で周方向に収縮
しないか又は膨張するため、Ｈｅリークしない筒／板構
造が得られ、極低温での耐クラック性に優れた繊維強化
プラスチックを得ることを可能にした。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明における一用途であるクライオスタット
の正面図。

【図２】各種繊維の熱膨張特性を示す図。

【符号の説明】

１：外筒、 ２：円筒、 ３：下底板、 ４：フラン
ジ、５：フタ、 ６：ノズル、 ７：ネジ、 ８：バル
ブ、９：パッキング

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 樹脂と繊維を一体成形してなる極低温用
   の筒又は柱状の繊維強化プラスチック材であり繊維材料
   としてタテ糸に負膨張繊維を、ヨコ糸に正膨張繊維を配
   した繊維構造体をタテ糸が成形体の軸に対して±４０度
   〜９０度の角度となる様に巻き樹脂と一体成形してなる
   筒又は柱状の極低温用繊維強化プラスチック材。