JPH1120039A - 筒状体 - Google Patents

筒状体

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JPH1120039A
JPH1120039A JP9189020A JP18902097A JPH1120039A JP H1120039 A JPH1120039 A JP H1120039A JP 9189020 A JP9189020 A JP 9189020A JP 18902097 A JP18902097 A JP 18902097A JP H1120039 A JPH1120039 A JP H1120039A
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JP
Japan
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cylindrical body
coefficient
linear expansion
layer
fiber
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Pending
Application number
JP9189020A
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English (en)
Inventor
Shigeru Kawashima
茂 川嶋
Kazuo Oyori
和男 大依
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Toray Industries Inc
Original Assignee
Toray Industries Inc
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 FRP製筒状体と金属製部材との接合強度を
充分に確保し、ゴム加硫などの熱履歴を受けても接合強
度の低下が小さい部材を提供する。 【解決手段】 繊維強化プラスチック筒状体の内周面の
周方向の線膨張係数が8×10-6/℃〜15×10-6
℃の範囲にあることを特徴とする筒状体。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、軽量かつ高剛性を
有する筒状体に関し、とくに、フィルムや紙の製造、加
工設備や印刷機に用いるロールやコア、あるいはトラス
構造部材や駆動軸などに好適な筒状体に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、フィルムや紙の製造、加工装置や
印刷機に用いるロールやコア、あるいはトラス構造部材
や駆動軸などの筒状部材は、鉄やアルミ合金などの金属
製のものが多く用いられてきた。しかし最近、軽量で比
弾性率の高い繊維強化プラスチック(FRP)製の筒状
部材が用いられるようになってきた。これはFRPが有
する前記特性が、保守作業の軽減だけでなく、生産速度
の向上や製品品位の向上に効果があるためである。
【0003】FRP製の筒状部材は、通常その両端部に
金属製の部材を接合して用いる。この金属製の部材は、
ロールにおいてはベアリングを取り付けるために用い、
コアにおいては駆動装置との噛み合わせに用い、トラス
部材や駆動軸においては関連部品との接合等に用いる。
FRPと金属との接合としては、金属同士の場合のよう
に溶接は不可能であり、ピンやリベット、ネジなどによ
る接合強度も低いことから、接着接合が最も一般的であ
る。
【0004】一般にFRPと金属は線膨張係数が異なる
ので、上記のようなFRP製筒状部材と金属部材からな
る筒状体では十分な接着強度が得られないことが多かっ
た。具体的には、鉄の線膨張係数は11×10-6/℃で
あるのに対し、従来のFRP製筒状部材の周方向の線膨
張係数は、成形時に通常使用される鉄製のマンドレルか
ら引き抜きやすくするために、鉄の線膨張係数より小さ
い4〜7×10-6/℃に設定されていた。さらに、FR
Pの場合理論的に計算された周方向の線膨張係数から推
定したパイプの内径変化量に比べて実際のパイプ内径の
変化量は小さくなる傾向があった。これはFRPの線膨
張係数が一般に異方性であり、FRPの厚さ方向の線膨
張係数が周方向のそれに比べて大きいためであり、鉄製
軸体との線膨張係数の差を更に大きくしていた。このよ
うな筒状体および金属部材が高温にさらされた場合、す
なわち、ロールや駆動軸、トラス部材において、接着剤
を硬化させるために加熱した場合やゴム加硫、焼き付け
コーティングなどを施したとき、内側の金属部材が熱膨
張しFRP製筒状体を押し拡げることになる。このと
き、FRP製筒状体は、高温下(たとえば、120〜1
50℃)での厚み方向の弾性率が低いため簡単にクリー
プしてしまい、降温後本来の寸法に戻った金属とクリー
プして内径が大きくなったFRP製筒状体との間に引き
剥がしの残留応力が発生し、接着強度が低下するのであ
る。
【0005】これに対して特開平4−107309号公
報には、低熱膨張金属製の軸体を用いて線膨張係数の差
を小さくし、高温条件下での接着強度を高めることが提
案されている。しかしながら、低熱膨張金属は極めて高
価であり、一般産業用部品に用いることは困難である。
また、その線膨張係数は温度域により異なるため、FR
Pの線膨張係数と合致させることは難しかった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、従来
のFRP製筒状体の上述した問題点を解決し、金属部品
との十分な接着強度を確保でき、かつ、安価なFRP製
筒状体を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明に係る筒状体は、繊維強化プラスチック筒状
体の内周面の周方向の線膨張係数が8×10-6/℃〜1
5×10-6/℃の範囲にあることを特徴とするものから
なる。
【0008】また、本発明に係る筒状体は、繊維強化プ
ラスチック製筒状体において、補強繊維の配向角が軸方
向に対して±75°〜90°の範囲にある層を含み、か
つ、該層の厚さの総肉厚に対する比率と、前記層に使用
する補強繊維の弾性率と、体積繊維含有率との積である
周方向剛性係数が6〜25GPaの範囲にあることを特
徴とするものからなる。
【0009】さらに、本発明に係るロールは、繊維強化
プラスチック製筒状体において、補強繊維の配向角が軸
方向に対して±75°〜90°の範囲にある層を含み、
かつ、該層の厚さの総肉厚に対する比率と、前記層に使
用する補強繊維の弾性率と、体積繊維含有率との積であ
る周方向剛性係数が6〜25GPaの範囲にある筒状体
の両端に、スチール製の軸体を取り付けたことを特徴と
するものからなる。
【0010】このような筒状体においては、その内周面
の周方向の線膨張係数が8×10-6/℃〜15×10-6
/℃と、金属、とくにスチールの線膨張係数と同等、ま
たはそれに近い値に調整されるので、両者を接着する際
の熱膨張量に差がなくなるか、極めて小さくなり、高い
接着強度が得られる。
【0011】また、このような望ましいFRP製筒状体
内周面の周方向線膨張係数は、上記3つの特性値の積と
して表されるFRP製筒状体の周方向剛性に関する特性
を制御することによって達成され、それによって高い接
着強度が得られる。
【0012】したがって、FRP製筒状体側を最適な範
囲内の特性にすることによって、高価な低熱膨張金属製
の軸体を用いることなく、通常のスチール製軸体との高
い接着強度の達成が可能となり、所望のロール等が安価
に製造される。
【0013】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の望ましい実施の
形態について説明する。本発明においては、FRP製筒
状体の補強繊維としては、軽量で高剛性の筒状体が得ら
れるように主として炭素繊維を用いることが好ましい
が、他の補強繊維を用いてもよいし、2種類以上の補強
繊維を併用してもよい。軸方向に対して±75°〜90
°となる層に弾性率の異なる2種類以上の補強繊維を用
いる場合には、周方向剛性係数をそれぞれ別に計算し、
足し合わせればよい。
【0014】また、マトリックス樹脂としてはエポキシ
樹脂が好ましいが、コストや耐食性の点からフェノール
樹脂やビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等
を用いてもよい。
【0015】体積繊維含有率は、筒状体の性能を十分に
発揮させるためには含浸に支障の無い範囲で出来るだけ
高く設定する必要があり、45%〜70%の範囲に設定
することが好ましい。
【0016】積層構成については、ロールや長尺コア、
トラス部材など軸方向の強度や弾性率、固有振動数を重
視する必要のある場合には、軸方向に対して0°〜±2
0°の層を80%以上含有するとよい。駆動軸などトル
クが大きい場合には、±45°層も多くする必要があ
る。
【0017】軸方向に対して±75°〜90°の周方向
成分は、座屈強度や機械加工性の向上に必要であるが、
周方向の線膨張係数にも密接に関係している。つまり、
軸方向に対して±75°〜90°となる層の厚さの総肉
厚に対する比率、前記層に使用する補強繊維の弾性率、
および体積繊維含有率の3つが周方向の線膨張係数と密
接に関係し、これら3つの値の積である周方向剛性係数
が6〜25GPaの範囲にあるとき、FRP筒状体の内
周面の周方向の線膨張係数が8×10-6/℃〜15×1
-6/℃となることを見いだしたものである。また、こ
こでいう内周面の周方向の線膨張係数は、温度変化に伴
う筒状体内径の変化率であり、積層板理論から計算され
る値とは異なる。積層板理論から計算された周方向線膨
張係数は、筒状体の肉厚中心での平均径の変化率であ
り、筒状体内径の変化率はこの平均径の変化率に対して
大きく、筒状体外径の変化率はこの平均径の変化率に対
して小さくなる。これは、筒状体の厚さ方向の線膨張係
数が周方向のそれに比べて大きいことに起因する。
【0018】筒状体の両端に金属製の軸体を取り付ける
場合、その材質は強度や剛性、コストの点から炭素鋼あ
るいはクロムモリブデン鋼などの低合金鋼が最も好まし
い。軽量化や耐食性の点からアルミニウムやステンレス
鋼を用いる場合もあるが、これらの材料は線膨張係数が
19〜24×10-6/℃と大きいため、軸体外周の線膨
張係数が15×10-6/℃以下になるよう、焼き嵌めな
どにより炭素鋼あるいは低合金鋼と組み合わせて用いる
とよい。
【0019】このように、本発明のFRP製筒状体は、
その内径部で線膨張係数が炭素鋼や低合金鋼のそれとほ
ぼ等しいことから、加熱時に熱応力の発生が少なくクリ
ープ変形しないので、接合強度に優れ、信頼性の高い部
材が得られる。低膨張金属など特殊な材料も使用しない
ので安価で工業的に量産も可能である。
【0020】また、厚さ方向の線膨張係数が影響するこ
とから推定の難しい内径の線膨張係数の適用範囲を、F
RPの積層構成と補強繊維の弾性率、繊維含有率のみか
ら簡単に推定でき、かつ、制御できる。
【0021】
【実施例】以下、本発明を実施例および比較例に基づい
て具体的に説明する。 実施例1〜6、比較例1〜4 フィラメントワインディング法により、CFRP(炭素
繊維強化プラスチック)製筒状体を成形した。炭素繊維
を20本引き揃え、エポキシ樹脂に含浸しながら、直径
80mmのマンドレルに、その軸方向に対して±10°
と±80°の角度で交互に巻き付けた後、回転させなが
ら100℃で2時間、180℃で6時間加熱してエポキ
シ樹脂を硬化させた。硬化後にマンドレルを引き抜き、
旋盤で外径を98mm、内径80mm、長さ1000m
mに加工し、CFRP製筒状体を得た。このとき、炭素
繊維として、表1に示すように、弾性率は436GPa
または230GPa、±85°層の肉厚に対する比率は
0.05、0.1、0.15、0.2(比較例4では
0)、体積繊維含有率は55%、65%(比較例4では
0.60%)の各水準とした。この筒状体を150℃に
加熱して外径と内径を測定し、常温(20℃)での外
径、内径との差を調べ、周方向線膨張係数に換算した。
【0022】さらに、炭素鋼(S45C)で外径80m
m、厚さ10mm、長さ80mmのパイプを製作し、こ
れに一液性加熱硬化型エポキシ接着剤を塗ってCFRP
製筒状体に挿入し、120℃で3時間加熱硬化して接着
試験部材を製作した。この接着試験部材に150℃で8
時間の加熱処理を10回繰り返して行った後、万能試験
機で破壊試験を行った。これらの実施結果を表1にまと
めた。
【0023】この表1から周方向剛性係数と内周面の線
膨張係数とは密接な関係があることが判る。また、接着
試験破壊荷重は、CFRP製筒状体内周面の線膨張係数
がスチールの線膨張係数である11×10-6/℃に近い
ほど高く、8×10-6/℃未満になると低下し始める。
逆に15×10-6/℃を越える場合には、加熱したとき
にCFRP製筒状体が軸体よりも大きく膨張しすぎるた
め、CFRP製筒状体と軸体との間に剥離が生じ接着強
度は極端に低下した。
【0024】
【表1】
【0025】
【発明の効果】本発明の筒状体によれば、繊維強化プラ
スチック製の筒状体の内周面の周方向の線膨張係数が8
×10-6/℃〜15×10-6/℃の範囲にあり、炭素鋼
や低合金鋼の線膨張係数とほぼ等しいことから、従来の
FRPよりなるパイプとその内側に接合されるスチール
製部材との接着部に生じていた熱応力に起因するFRP
パイプのクリープによる接合劣化が解消され、接合強度
に優れ信頼性の高い部材が得られる。したがって、ゴム
被覆ロール等のゴム加硫などの熱履歴を受ける筒状部材
においても、高い接合強度が得られる。また、厚さ方向
の線膨張係数が影響することから推定の難しい内径の線
膨張係数の適用範囲を、周方向剛性係数から、簡単に推
定でき、かつ、所望の範囲に制御できる。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 繊維強化プラスチック筒状体の内周面の
    周方向の線膨張係数が8×10-6/℃〜15×10-6
    ℃の範囲にあることを特徴とする筒状体。
  2. 【請求項2】 繊維強化プラスチック製筒状体におい
    て、補強繊維の配向角が軸方向に対して±75°〜90
    °の範囲にある層を含み、かつ、該層の厚さの総肉厚に
    対する比率と、前記層に使用する補強繊維の弾性率と、
    体積繊維含有率との積である周方向剛性係数が6〜25
    GPaの範囲にあることを特徴とする筒状体。
  3. 【請求項3】 繊維強化プラスチック製筒状体におい
    て、補強繊維の配向角が軸方向に対して±75°〜90
    °の範囲にある層を含み、かつ、該層の厚さの総肉厚に
    対する比率と、前記層に使用する補強繊維の弾性率と、
    体積繊維含有率との積である周方向剛性係数が6〜25
    GPaの範囲にある筒状体の両端に、スチール製の軸体
    を取り付けたことを特徴とするロール。
JP9189020A 1997-06-30 1997-06-30 筒状体 Pending JPH1120039A (ja)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10002642A1 (de) * 2000-01-21 2001-08-16 Ticona Gmbh Metall- und Kunststoffverbund aus langfaserverstärkten Thermoplasten
CN110370686A (zh) * 2019-08-13 2019-10-25 核工业第八研究所 一种双复合材料增强环制作工艺
CN111336400A (zh) * 2020-03-09 2020-06-26 山东大学 一种高压储氢瓶的内胆及制备方法

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