JPH0733272B2

JPH0733272B2 - 繊維補強セメント複合材およびその成形物

Info

Publication number: JPH0733272B2
Application number: JP61226915A
Authority: JP
Inventors: 智勇榎; 泰雄坂口
Original assignee: 呉羽化学工業株式会社
Priority date: 1986-09-25
Filing date: 1986-09-25
Publication date: 1995-04-12
Anticipated expiration: 2010-04-12
Also published as: CA1273649A; EP0261971A1; US4781994A; DE3769902D1; EP0261971B1; JPS6385036A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の背景〕産業上の利用分野本発明は、ポリアリーレンチオエーテル繊維及び炭素繊
維を補強材として含むセメント複合材及びこれから得ら
れる成形物に関するものである。特に、本発明は、その
好ましい姿において、オートクレーブ養生可能な繊維補
強セメント複合材及びその硬化物からなる成形物に関す
るものである。

従来の技術モルタルセメントやコンクリートは、建材用壁材、屋根
材、各種配管用パイプ、パイル材等として用いるべき
板、パイプ、柱等の成形物としては曲げや衝撃に弱すぎ
るので、これ等の用途にはアスベスト繊維で補強して繊
維補強セメント複合材（の硬化物）として用いられてき
た。

繊維補強セメント複合材の特長としては、下記が挙げら
れる。

引張り、曲げ、衝撃強度の向上、たわみ性の向上、耐ひび割れ性の向上などしかし、近年アスベストの発癌性が見出され、その使用
は公害上大きな問題となってきた。そのため、アスベス
ト繊維の代替物としてガラス繊維を補強用繊維として用
いる試みがなされているが、ガラス繊維はアルカリ性で
あるセメントと反応を起して経時劣化し易いという欠点
があった。

また、セルロール、ポリオレフィン、ポリエステル、ポ
リアミド（ポリ芳香族アミドも含む）、ポリビニルアル
コール等の有機繊維を含む繊維補強セメント複合材も提
案されてきたが、耐アルカリ性又は耐熱性が不充分であ
り、経時劣化やオートクレーブ養生時の熱劣化の問題点
があった（「繊維と工業」41巻６月号14〜18頁記載
等）。

一方、耐熱性、耐アルカリ性という点から炭素繊維によ
る補強セメント複合材が近年開発されて来た（「日経ニ
ュー・マテリアル」1985年、11月号125〜130頁記載
等）。しかしながら、炭素繊維は引張り強度および曲げ
強度ならびに弾性率は充分大きいが、伸度および強靱性
が小さいために、成形物のたわみ性および耐衝撃強度の
向上効果は未だ不満足であった。

〔発明の概要〕

本発明者は以上の問題点を解決するため、アスベスト代
替物として各種の繊維を鋭意探索していたが、ポリアリ
ーレンチオエーテル繊維の耐アルカリ性、耐熱性、耐陥
性、経済性などを検討した結果、アスベスト代替の補強
繊維の有力な候補の一つであることが判った。即ち、ポ
リアリーレンチオエーテル繊維でセメントを補強するこ
とにより、成形物のたわみ性および耐衝撃性を大幅に改
良し、且寸法安定な成形物に必要なオートクレーブ養生
にも耐えられる繊維補強セメント複合物が得られること
が判った。

しかしながら、ポリアリーレンチオエーテル繊維は、繁
雑な延伸及び熱処理して得られる高弾性率タイプ（非常
にコスト高）のもの以外は、弾性率が通常マトリックス
成分（セメント成分）よりも高くないために、引張り強
度や曲げ強度の向上効果は多く期待できないが、ポリア
リーレンチオエーテル繊維と炭素繊維を適切な量比で組
合せて併用することにより、おどろくべきことに両者の
特長が相乗されてたわみ性および耐衝撃性の向上と同時
に引張り強度や曲げ強度も向上したオートクレーブ養生
可能の繊維補強セメント複合材が得られることが判っ
た。

すなわち、本発明による繊維補強セメント複合材は、下
記の（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）を含むこと、を特徴と
するものである。

（Ａ）セメント成分 100容積部（Ｂ）ポリアリーレンチオエーテル繊維 0.5〜20容積部（Ｃ）炭素繊維 0.5〜20容積部本発明は、またこの複合材の硬化物からなる成形物を提
供するものでもある。

本発明で組成比を示すときの「容積部」は、重量をそれ
ぞれの真比重で割り返した値を示す。

効果本発明に従って耐アルカリ性を有しかつ耐熱性の高いポ
リアリーレンチオエーテル繊維及び炭素繊維をセメント
の補強に使用することにより、すぐれた機械的性質をも
つと共に、経時劣化の少ない、且オートクレーブで養生
可能な複合材及びその成形物を得ることができ、また経
済的にもすぐれている。

〔発明の具体的説明〕

複合材原材料（１）マトリックス成分（セメント成分）（Ａ）本発明の繊維補強セメント複合材のマトリックス成分即
ちセメント成分の主材料は、水硬性セメント（Ａ）から
なる。水硬性セメントとしてはポルトランドセメント、
アルミナセメント、高炉セメント、フライアッシュセメ
ント、白色セメントなど（硅酸カルシウム等の水和反応
によって硬化する無機結合材を含む）があり、これらの
１種もしくは２種以上が用いられる。

また、マトリックス物性の調整、コストダウンのための
増量などの目的で、砂、小石、パーライト、バーミキュ
ライト、シラス、シラスバルーン、ケイ砂、フライアッ
シュ、石灰、スラッグ、炭酸カルシウム、クレイ、マイ
カ、ウォラストナイト、シリカなどの無機充填材をセメ
ント成分100容積部当り０〜90容積部の範囲、より好ま
しくは０〜50容積部の範囲、で混入して使用することが
できる。無機充填材を90容積部より多量に添加すると、
マトリックス相の強度が不足するおそれがあるので好ま
しくない。

（２）補強用繊維（Ｂ）本発明の繊維補強セメント複合材に使用する必須補強用
繊維は、ポリアリーレンチオエーテル繊維（PATE繊維と
略記する）であることが第一の特徴である。

PATE繊維はAr−Ｓ（Ar:アリーレン基）の繰返し単
位を有するポリマーからなる繊維である。その中でも、
アリーレン基としてパラフェニレン基のみからなるも
の、またはパラフェニレン基を主要構成要素とするポリ
マーからなる繊維が耐アルカリ性、耐熱性、経済性の点
から好ましい。パラフェニレン基以外のアリーレン基と
しては、m-フェニレン基アルキル置換フェニレン基（R:アルキル基、ｎは１〜４の整数）、p,p′‐ジフェ
ニレンケトン基 p,p′‐ジフェニレンスルフォン基 p,p′‐ビフェニレン基 p,p′‐ジフェニレンエーテル基ナフタレン基などを有するものが使用できる。

また、パラフェニレン基を有する繰返し単位 95モル％〜70モル％とメタフェニレン基を有する繰返し
単位５モル％〜30モル％をブロック状に鎖中に含むブロ
ック共重合体（たとえば特開昭61−14228号に記載のも
の）から作られた繊維は、セメントマトリックスとの密
着性に富んでいるので特に優れた成形物が得られ易い。

PATE繊維の性質は、一般に融点150〜400℃、好ましくは
200〜350℃、引張強度10〜200kg/mm²、好ましくは20〜1
00kg/mm²、伸度５％以上、好ましくは10％以上、引張り
弾性率100〜1200kg/mm²、好ましくは200〜1000kg/mm²、
の範囲のものが補強効果及び経済性の観点から適当であ
る。伸度が５％未満の繊維（弾性率が極端に高い繊維に
該当する）は、たわみ性の向上効果が不充分となるおそ
れがある。

PATE繊維の太さは、一般に直径0.5〜100μｍ、好ましく
は２〜30μｍ、の範囲が補強効果及び繊維分散性の点で
適当である。

補強用PATE繊維は短繊維であっても長繊維であっても、
あるいはマルチ系でもモノ糸であつても、差支えない。
繊維は、また、マット状、布状、不織布状のものであっ
てもよい。しかし、短繊維の場合は、長さが１〜50mm、
特に好ましくは３〜20mm、のものが補強効果、加工性の
点から好ましい。また、アスペクト比が10以上、特に好
ましくは20以上、のものが望ましい。10未満では補強効
果が低いので好ましくない。

PATE繊維のマトリックスへの混入量は、基本マトリック
ス成分（Ａ）100容積部当り0.5〜20容積部が好ましい。
１〜10容積部の範囲が特に好ましい。0.5容積部未満で
はたわみ、耐衝撃性向上効果が不充分である。また、20
容積部超過ではたわみ、耐衝撃性向上効果が概ね飽和し
てしまうので経済性からみて好ましくない。

（３）補強用繊維（Ｃ）本発明の繊維補強セメント複合材において、引張り強
度、曲げ強度等を向上させる目的で、PATE繊維と組合せ
て炭素繊維を併用するのが本発明の第二の特徴である。

炭素繊維は、ピッチ系のものであってもPAN系のもので
あっても、かまわない。経済性の観点からは、一般にピ
ッチ系のものが有利である。炭素繊維の太さは、一般に
直径0.5〜100μｍ、好ましくは２〜30μｍ、の範囲が引
張り強度および曲げ強度向上効果の点から適当である。

補強用炭素繊維は、短繊維でも長繊維であってもよい。
繊維は、また、マット状、布状、不織布状等でもよい。
短繊維の場合は、長さ１〜50mm、特に好ましくは３〜20
mm、のものが、補強効果及び加工性の観点から好まし
い。さらにまたアスペクト比が10以上、特に好ましくは
20以上、のものが望ましい。10未満では補強効果が低い
ので好ましくない。PATE繊維に組合せて炭素繊維を併用
する場合において、炭素繊維のセメント組成物への混入
量は、基本マトリックス成分のセメント成分（Ａ）100
容積部当り0.5〜20容積部が好ましい。１〜10容積部の
範囲が特に好ましい。但し、補強用繊維（Ｂ）（PATE繊
維の混入量との和は、25容積部以下であることが好まし
い。0.5容積部未満では、引張り強度および曲げ強度向
上効果が不充分である。また、20容積部超過では、また
はPATE繊維の混入量との和が25容積部を超過する場合に
は、成形が難かしくなって、ボイドが入り易いので、好
ましくない。

（４）その他の添加物 PATE繊維及び炭素繊維以外に、加工性、機械特性などを
若干補足する目的で、パルプ、木綿、麻、レーヨン、ポ
リビニルアルコール繊維、ナイロン繊維、アクリル繊
維、ポリエステル繊維、金属繊維などを少量添加するこ
ともできる。

また、優れた物性の成形物を作るためには、セメント、
補強用繊維及び必要に応じて加える無機充填材及び水和
反応に当然必要な水をできるだけ均一に混合、分散した
グリーンモールドを成形して、それを養生することが必
要であるが、これらの組成物を均一に混合するために
は、本発明の複合材の必須構成要素ではないけれども、
これらのものを均一に混合させる為の加工助剤を少量用
いることも有効である。混合、分散を助けるための加工
助剤としては、（イ）ポリビニルアルコール、セルロー
ス、アルキルエーテル、ポリアルキレンオキシド、ポリ
アルキレンオキドエーテル、ポリアクリルアミド、ポリ
ビニルピロリドンなどの水溶性高分子、（ロ）リグニン
スルフォン酸ソーダ、ナフタレンスルフォン酸ソーダ等
の有機スルフォン酸塩などが好適である。その使用量
は、セメント成分（Ａ）100重量部当り0.01〜５重量部
の範囲が好ましい。0.01重量部未満では効果が不充分で
あり、５重量部超過では養生中に崩壊をおこすおそれが
あって好ましくない。

本発明の繊維補強セメント複合材を水和硬化させるため
及びグリーンモールドの形状保持のために水は当然必要
であるが、その使用量は、セメント成分（Ａ）100重量
部当り５〜500重量部の範囲が形状保持、成形加工性の
点から好ましい。

本発明による成形物は、発泡したものであってもよい。
発泡剤としては、たとえばアルミニウム粉などを配合す
ることができる。

また、硬化速度を調節するための薬剤を配合することも
できる。

成形物の製造成形方法本発明の繊維補強セメント複合材を平板、波板、パイ
プ、柱などに賦形する成形方法としては、押出法、乾式
法、キャスティング法、抄造法など通常のセメント成形
方法が適用できる。

押出法でグリーンモールドを成形する場合は、先ず補強
用繊維、セメント、無機充填材、水（加工助剤含有）及
び必要に応じてその他の充填剤を均一混合してウエット
混合物とする。その際、水は同時に添加してもよく、あ
るいは水以外の組成物のドライ混合物に後から添加して
もよい。このウエット混合物を混練押出機にホッパーか
ら供給し、押出すことによって、グリーンモールドに成
形することができる。この方法は、特に補強用繊維とし
て短繊維を用いた場合に適する。別法として、補強用繊
維を除く組成物のウエット混合物を押出機にホッパーか
ら供給し、同時に補強用繊維は押出機の中間開口部（い
わゆるベント）から押出機内にほぼ定量的に食い込ませ
ながら送り込んで押出機内で切断し、均一混練して押出
して、グリーンモールドを成形する方法がある。この方
法で用いる押出機は、一軸スクリュー押出機よりも同方
向二軸混練押出機の方が食込量を定常化し易いので特に
好ましい。この方法は、PATE繊維及び炭素繊維が長繊
維、長尺物などに好適である。短繊維の場合は中間開口
部から定常的な供給は困難である。しかし、補助フィー
ダー等を利用すれば定常的供給が可能となるので短繊維
も使用することが可能である。

乾式法でグリーンモールドを成形する場合は、乾式で原
料セメント補強用繊維及び必要に応じてその他の充填材
を混合して、まず仮成形をし、然る後、必要な水を添加
して、グリーンモールドを得る。この方法は、補強用繊
維が短繊維である場合に適している。

キャスティング法でグリーンモールドを成形する場合
は、セメント、無機充填材、補強用繊維、水（加工用助
剤を含む）及び必要に応じてその他の充填材を均一混合
して型枠に圧入して、グリーンモールドを得る。この方
法は、短繊維に適する。補強用繊維が長繊維、マット、
布、不織布のような形状のものである場合は、セメント
成分、無機充填材、水（加工用助剤を含む）及び必要に
応じてその他の充填材を均一混合して成るウエット混合
物と、上記の形状の繊維補強物とをそれぞれ型枠内で層
状に交互に重ねて充填することによってグリーンモール
ドを成形することができる。

抄造法でグリーンモールドを成形する場合は、セメン
ト、無機充填材、補強用繊維、加工助剤を含む比較的多
量の水（セメント100重量部当り100〜500重量部の範囲
が好ましい）及び必要に応じてその他の充填材を均一に
混合してなるスラリーをスクリーン上に流し込んで過
脱水して成形物を得る。長繊維、マット、布、などで補
強する場合はキャスティング法と同様にスクリーン上で
マトリックス層と補強用繊維層とを交互に数層重ね合わ
せることによって成形することができる。

発泡体を得る場合には、適当な発泡剤（たとえばアルミ
ニウム粉）を使用する場合の外に、セメントスラリー中
に気泡を吹込みあるいは発泡液を添加混合して成形を行
なうことができる。

養生このようにして成形されたグリーンモールドは、常法に
より室温養生、オートクレーブ養生などによってセメン
トの水和反応を行なわせることによって、機械的強度
（特に曲げ強度）、耐熱性、耐久性の優れたコンクリー
ト複合材成形品などを得ることができる。特に厳しい寸
法安定性が要求される成形物、例えば建物外装用カーテ
ンウォール等には、オートクレーブ養生物が好ましい。
オートクレーブ養生は、通常、高圧缶を用い、被養生物
を高圧水蒸気下、約150〜200℃の温度で１〜50時間処理
して行なう。

用途このようにして得られた成形体は、建築用壁材、屋根
材、パイル材、各種配管用パイプ等に利用される。

実験例実験例１〜12 （１）使用原料セメント成分（Ａ）：早強ポルトランドセメント補強用繊維（Ｂ）： PATE繊維…ポリパラフェニレンチオエーテル繊維糸径22〜25μｍ、長さ6mm 密度1.37g/cm³、伸度20〜25％、引張弾性率600〜700kg/
mm² 補強用繊維（Ｃ）：炭素繊維:KCF＃C1045T（呉羽化学社）、糸径18μｍ、長さ4.5mm、密度1.65g/cm³、引張弾性率30
00kg/mm² その他の添加物：混和剤…メチルセルロース（２）成形方法補強用繊維、早強ポルトランドセメント及びメチルセル
ロース（セメント100gに対し0.63g）を予めドライブレ
ンドし、このブレンド物を５リットルのオムニミキサー
に供給し、最後に水（セメント100gに対し42g）を供給
して、10分間混練した。これを型枠に流し込み、160mmL
×40mmW×10mmHの板状に成形した。１日後、脱型し、オ
ートクレーブに移し、10気圧のスチームで180℃に加熱
して５時間養生した。養生物を室温に静置し、材令14日
で物性試験に供した。

（３）物性試験得られた成形サンプルにつき５トンテンシロン試験機を
用い、中央集中載荷法により、スパン＝10cm、クロスヘ
ッドスピード＝0.5mm/分で、曲げ応力〜たわみ曲線を記
録し、最大曲げ強度及びその時のたわみ（最大たわみ）
を求めた。また、上記成形サンプルを65mmL×12.5mmW×
10mmHに切削し、IZOD衝撃強度（ノッチなし）を室温で
測定した。結果を一括して表１に示した。

表１から判るように、炭素繊維単独で補強したものは、
最大たわみやIZOD衝撃強度の改良効果が低く、PATE繊維
単独で補強したものは最大曲げ強度の改良効果が低い。
しかし、PATE繊維と炭素繊維との併用で補強したもの
は、曲げ強度が大きく、同時に最大たわみおよびIZOD衝
撃強度も顕著に向上した。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】下記の（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）を含む
ことを特徴とする、繊維補強セメント複合材。（Ａ）セメント成分 100容積部（Ｂ）ポリアリーレンチオエーテル繊維 0.5〜20容積部（Ｃ）炭素繊維 0.5〜20容積部
【請求項２】ポリアリーレンチオエーテル繊維が繰り返し単位を主要構成要素とする重合体繊維である、
特許請求の範囲第１項記載の繊維補強セメント複合材。
【請求項３】下記の（Ａ）、（Ｂ）および（Ｃ）を含む
繊維補強コンクリート複合材の硬化物からなる成形品。（Ａ）セメント成分 100容積部（Ｂ）ポリアリーレンチオエーテル繊維 0.5〜20容積部（Ｃ）炭素繊維 0.5〜20容積部