特許 7096608 表面に樹脂リブ付き高強度炭素繊維複合材料のリブ材及びその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-28

(45)【発行日】2022-07-06

(54)【発明の名称】表面に樹脂リブ付き高強度炭素繊維複合材料のリブ材及びその製造方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 70/52 20060101AFI20220629BHJP

   B29C 70/20 20060101ALI20220629BHJP

   B29K 101/10 20060101ALN20220629BHJP

   B29K 105/08 20060101ALN20220629BHJP

【ＦＩ】

B29C70/52

B29C70/20

B29K101:10

B29K105:08

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020573389

(86)(22)【出願日】2019-06-29

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2021-10-21

(86)【国際出願番号】 CN2019093940

(87)【国際公開番号】W WO2020007252

(87)【国際公開日】2020-01-09

【審査請求日】2021-01-13

(31)【優先権主張番号】201810725391.1

(32)【優先日】2018-07-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(73)【特許権者】

【識別番号】520510276

【氏名又は名称】法▲爾▼▲勝▼泓昇集▲団▼有限公司

(74)【代理人】

【識別番号】110000659

【氏名又は名称】弁理士法人広江アソシエイツ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】▲劉▼礼▲華▼

(72)【発明者】

【氏名】朱元林

(72)【発明者】

【氏名】朱▲維▼▲軍▼

(72)【発明者】

【氏名】周佳▲チ▼

(72)【発明者】

【氏名】黄盛彬

【審査官】田代 吉成

(56)【参考文献】

【文献】特開平７－１５６２８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２９Ｃ ７０／５２

Ｂ２９Ｃ ７０／２０

Ｂ２９Ｋ １０１／１０

Ｂ２９Ｋ １０５／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

炭素繊維及びエポキシエステル樹脂からなるリブ材の表面に螺旋状のエポキシエステル樹脂リブが付与された高強度炭素繊維複合材料を製造する方法であって、
複数の炭素繊維束を糸棚から引き出し、炭素繊維束の数は必要に応じて製作するリブ材の直径に基づき調整し、繊維束の数によってリブ粗材に占める繊維体積含有量を７０％－７８％の範囲内に収めるように調整し、牽引速度は３００ｍｍ／ｍｉｎ－６００ｍｍ／ｍｉｎの範囲で調整し、張力制御器を用いて繊維の張力を制御し、張力は５．８８Ｎ－９．８０Ｎの範囲で調整するステップ１と、
炭素繊維束をエポキシエステル樹脂槽に牽引してエポキシエステル樹脂を含浸し、エポキシエステル樹脂槽から出して内径が２ｍｍ－１０ｍｍのプレフォーム金型に入れ、余分なエポキシエステル樹脂を押し出して所定サイズのリブ粗材を得るステップ２と、
リブ粗材を前向きに牽引すると同時に、リブ粗材に幅２ｍｍ－４ｍｍで厚さ０．５ｍｍ－１ｍｍのナイロンテープを巻き付け、巻き付け張力を制御し、リブ粗材をきつく締め付けることなくナイロンテープをリブ粗材表面に密着させるようにするステップ３と、
温度をそれぞれ１５０℃、１５０℃、１６０℃、１８０℃、１８０℃に設定した５つのオーブンに、表面にナイロンテープを巻き付けたリブ粗材を牽引して入れ、１番目のオーブンで予熱した後、リブ粗材内部のエポキシエステル樹脂が熱を受けて膨張し、流動性が非常に良くなり、リブ粗材内部からはみ出し始め、ナイロンテープ間の隙間を徐々に埋め、２番目のオーブンを経た後にエポキシエステル樹脂がゲル化し、３番目のオーブンを経た後、エポキシエステル樹脂が仮硬化し、最後の２つのオーブンを経る際に、本硬化過程を完成するステップ４と、
硬化過程完了後、リブ材表面のナイロンテープを巻き戻し、ナイロンテープの隙間のエポキシエステル樹脂が螺旋状樹脂リブを形成し、ナイロンテープが撤去された部位は螺旋状凹溝が形成されるステップ５と、
製作した樹脂リブ付きリブ材がウインチで巻線機に巻き取られるステップ６と、
を備えてなることを特徴とする、表面にエポキシエステル樹脂リブ付き高強度炭素繊維複合材料の製造方法。

【請求項2】

前記ステップ２において、質量配合比１０００：８６０：１３．６の樹脂基体、硬化剤および触媒で調製されるエポキシエステル樹脂を採用することを特徴とする、請求項１に記載の表面にエポキシエステル樹脂リブ付き高強度炭素繊維複合材料の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、建材技術分野に関し、さらに詳しくは表面に樹脂リブ付き高強度炭素繊維複合材料のリブ材、及び、表面に樹脂リブ付き高強度炭素繊維複合材料のリブ材の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

炭素繊維複合材料のリブ材は、軽量高強度、耐食、耐疲労、制振性能がよいなどの優れた性能を持ち、橋梁ケーブルのケーブル部品に使用され、橋梁のスパンと耐久性向上を図る技術動向の一つとなっている。しかし、一般的な光硬化炭素繊維複合材料のリブはアンカー固定が困難であるため、その応用普及化が制約される要因となっている。現在、国内外では、リブ材表面とアンカー固定材の間における機械的咬合力を増加させ、リブ材のアンカー効果を向上させることに向け、３種類の、表面にリブ付き炭素繊維複合材料のリブ材が開発された。

【0003】

そのうちの１種類目の方法は、まず引抜成形法により光硬化炭素繊維複合材料のリブ材を製造し、その表面に繊維束含浸エポキシエステル樹脂を巻き付け、エポキシエステル樹脂が硬化・固着してリブになる。同方法で製造したリブ付き繊維束は、光硬化リブ材との固着強度が低く、離脱しやすい上で、炭素繊維複合材料のリブ材の引張特性を十分に発揮することができない。

【0004】

２種類目の方法は、含浸済みエポキシエステル樹脂の未硬化のプレフォームのリブ材にＦ４テープを巻き付け、一緒に定型金型に入れて硬化させ、硬化後にＦ４テープを巻き戻し、リブ材表面に螺旋状の凹溝を形成する。同方法は、巻き付いたＦ４テープに起因する内部連続炭素繊維束リブ材の長手方向における配向のばらつきによるリブ材の引張強度と弾性率の大幅な低下と、Ｆ４テープが巻き付いた後、リブ材表面に凹凸が生じ、定型金型に入れて硬化する過程で摩擦力が非常に大きくなることによる金型詰まりの多発という２つの問題が存在する。試験の結果、同方法で生産されたリブ材の引張強度は２４００ＭＰａ程度、弾性率は１５０ＧＰａ程度であった。

【0005】

３種類目の方法は、機械法によりリブ材の表面を加工してねじ構造を形成することである。同方法は、リブ材表面の炭素繊維束を切断し、リブ材の引張強度や剛性に影響を与える上、或る程度で材料の無駄をも招く。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】（特になし）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明の目的は、上記の欠点を克服し、一発成形技術を採用してプロセスが簡便で金型詰まりが発生しにくいという利点を有する表面に樹脂リブ付き高強度炭素繊維複合材料のリブ材及びその製造方法を設計し、同製造方法により、表面に連続な螺旋状エポキシエステル樹脂リブを有し、アンカー固定しやすく、引張強度と弾性率が高いという特徴を有する表面にエポキシエステル樹脂リブ付き高強度炭素繊維複合材料のリブ材を製造することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

炭素繊維及びエポキシエステル樹脂基体を含む、表面に樹脂リブ付き高強度炭素繊維複合材料のリブ材であり、前記リブ材の表面に連続な螺旋状エポキシエステル樹脂リブが備えられ、樹脂リブは厚さ０．２ｍｍ－０．４ｍｍ、幅５ｍｍ－７ｍｍで、樹脂リブのピッチが２ｍｍ－４ｍｍの範囲内にある。

【0009】

表面に樹脂リブ付き高強度炭素繊維複合材料のリブ材の製造方法は、下記の通りである。即ち、
ステップ１：複数の炭素繊維束を糸棚から引き出し、炭素繊維束の数は必要に応じて製作したリブ材の直径に基づき調整し、繊維束の数によって繊維体積含有量を７０％－７８％の範囲内に収めるように調整し、牽引速度は３００ｍｍ／ｍｉｎ－６００ｍｍ／ｍｉｎの範囲で調整し、張力制御器を用いて繊維の張力を制御し、炭素繊維束の浸漬時の配向の真直度を確保するために、張力は５．８８Ｎ－９．８０Ｎの範囲で調整する。
ステップ２：炭素繊維束をエポキシエステル樹脂槽に牽引してエポキシエステル樹脂を含浸し、エポキシエステル樹脂槽から出してプレフォーム金型に入れ、余分なエポキシエステル樹脂を押し出して所定サイズのリブ粗材を得て、プレフォーム金型内径は２ｍｍ－１０ｍｍの範囲で調整し、エポキシエステル樹脂は、質量配合比１０００：８６０：１３．６の樹脂基体、硬化剤および触媒で調製される。
ステップ３：リブ粗材を前向きに牽引すると同時に、リブ粗材にナイロンテープをピッチ５ｍｍ－７ｍｍの範囲で巻き付け、巻き付け張力を制御し、リブ粗材をきつく締め付けることなく幅２ｍｍ－４ｍｍで厚さ０．５ｍｍ－１ｍｍのナイロンテープをリブ粗材表面に密着させるようにし、波動しないようにリブ粗材表面の炭素繊維束の配向の真直度を保つ。

【0010】

ステップ４：温度をそれぞれ１５０℃、１５０℃、１６０℃、１８０℃、１８０℃に設定した５つのオーブンに、表面にナイロンテープを巻き付けたリブ粗材を牽引して入れ、１番目のオーブンで予熱した後、リブ粗材内部のエポキシエステル樹脂が熱を受けて膨張し、流動性が非常に良くなり、リブ粗材内部からはみ出し始め、ナイロンテープ間の隙間を徐々に埋め、２番目のオーブンを経た後にエポキシエステル樹脂がゲル化し、３番目のオーブンを経た後、エポキシエステル樹脂が仮硬化し、最後の２つのオーブンを経る際に、本硬化過程を完成する。樹脂リブの厚さは予熱時間に左右され、１番目のオーブン長さを制御することにより、予熱時間を制御する。
ステップ５：硬化過程完了後、リブ材表面のナイロンテープを巻き戻し、ナイロンテープの隙間のエポキシエステル樹脂が螺旋状樹脂リブを形成し、ナイロンテープが撤去された部位は螺旋状凹溝が形成される。
ステップ６：製作した樹脂リブ付きリブ材はウインチで巻線機に巻き取られる。

【発明の効果】

【0011】

従来技術と比較すると、本発明の利点及び積極的な効果は以下の通りである。
１．リブ材表面の連続な螺旋状エポキシエステル樹脂リブが、リブ材中のエポキシエステル樹脂基体と一体成形し、両者間の接着強度が高く、離脱現象が起こりにくい。エポキシエステル樹脂固着型アンカー固定システムを用いてアンカー固定すると、エポキシエステル樹脂アンカー固定材とリブ材表面のエポキシエステル樹脂リブとの間に機械的な咬合力が形成され、アンカー効果が大幅に向上する。
２．本発明は成形過程において、ナイロンテープ巻き付きによる炭素繊維束への圧迫がなく、炭素繊維束の張力により、炭素繊維束はリブ材の長手方向に沿った真直度を保つ。従来の生産プロセスできつく巻き締めたナイロンテープによる巻き締め痕が残ってしまうこととは異なり、ナイロンテープによる表層炭素繊維の圧迫や炭素繊維の真直度に対する破壊という欠陥が改善された。このため、本発明の方法で製造するリブ材は、高強度・高弾性率の特徴を有する。試験の結果、本発明の方法で生産されたリブ材の引張強度は、３３００ＭＰａ程度、引張弾性率は１７０ＧＰａ程度と高い。
３．本発明の方法は一体成形で、プロセスが簡単であるという特徴がある。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明で開示する表面に樹脂リブ付き高強度炭素繊維複合材料のリブ材の構成模式図である。

【図2】本発明で開示する表面に樹脂リブ付き高強度炭素繊維複合材料のリブ材の製造方法のプロセスフロー図である。

【0013】

ここで、１は炭素繊維複合材料のリブ材、２は樹脂リブ。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
以下、本発明の実施形態の図面を合わせ、本発明の実施形態における技術的な解決手段を明確かつ完全に説明する。明らかなことに、記載された実施形態は、本発明の全ての実施形態ではなく、本発明の一部の実施形態であることは言うまでもない。本発明の実施形態に基づき、本分野の一般的な技術者が創造的な作業をしなかった前提で得られたいかなる他の実施形態も、本発明の精神、範囲及び内容に含まれると見なされるものとする。

【0015】

[実施形態１]
炭素繊維及びエポキシエステル樹脂基体を含む、表面に樹脂リブ付き高強度炭素繊維複合材料のリブ材であり、リブ材直径が７ｍｍで、その表面に連続な螺旋状エポキシエステル樹脂リブが備えられ、樹脂リブの厚さは０．２５ｍｍ、樹脂リブのピッチが２．４ｍｍである。

【0016】

表面に樹脂リブ付き高強度炭素繊維複合材料のリブ材の製造方法は下記のステップを含む。即ち、
ステップ１：６２本の炭素繊維束を牽引速度３５０ｍｍ／ｍｉｎで糸棚から引き出し、張力制御器で繊維の張力を６．８８Ｎに維持する。
ステップ２：炭素繊維束をエポキシエステル樹脂槽に牽引してエポキシエステル樹脂を含浸し、エポキシエステル樹脂槽から出してプレフォーム金型に入れ、余分なエポキシエステル樹脂を押し出し、プレフォーム金型内径が７ｍｍで、繊維体積含有量７２％で直径７ｍｍのリブ粗材が得られ、エポキシエステル樹脂は質量配合比１０００：８６０：１３．６の樹脂基体、硬化剤および触媒で調製される。
ステップ３：リブ粗材を前向きに牽引すると同時に、リブ粗材にナイロンテープをピッチ６．３ｍｍで巻き付け、巻き付け張力を制御し、リブ粗材をきつく締め付けることなく幅２．５ｍｍで厚さ０．７ｍｍのナイロンテープをリブ粗材表面に密着させるようにし、ナイロンテープからの圧迫を受けず、波動しないようにリブ粗材表面の炭素繊維束の配向の真直度を保つ。

【0017】

ステップ４：温度をそれぞれ１５０℃、１５０℃、１６０℃、１８０℃、１８０℃に設定した５つのオーブンに、表面にナイロンテープを巻き付けたリブ粗材を速度２５０－６００ｍｍ／ｍｉｎで牽引して入れ、１番目のオーブンで予熱した後、リブ粗材内部のエポキシエステル樹脂が熱を受けて膨張し、流動性が非常に良くなり、リブ粗材内部からはみ出し始め、ナイロンテープ間の隙間を徐々に埋め、２番目のオーブンを経た後にエポキシエステル樹脂がゲル化し、３番目のオーブンを経た後、エポキシエステル樹脂が仮硬化し、最後の２つのオーブンを経る際に、本硬化過程を完成する。樹脂リブの厚さは予熱時間に左右され、１番目のオーブン長さを制御することにより、予熱時間を制御する。本発明で開示する１番目のオーブンの長さが３－７ｍに設定され、多段加熱オーブンを採用してオーブンの実長さを調整してもよい。
ステップ５：硬化過程完了後、リブ材表面のナイロンテープを巻き戻し、ナイロンテープの隙間のエポキシエステル樹脂が螺旋状樹脂リブを形成し、ナイロンテープが撤去された部位は螺旋状凹溝が形成される。
ステップ６：引張強度３４３６ＭＰａ、引張弾性率１７１ＧＰａの樹脂リブ付きリブ材が製造され、ウインチで巻線機に巻き取られる。

【0018】

[実施形態２]
炭素繊維及びエポキシエステル樹脂基体を含む、表面に樹脂リブ付き高強度炭素繊維複合材料のリブ材であり、リブ材直径が５ｍｍで、その表面に連続な螺旋状エポキシエステル樹脂リブが備えられ、樹脂リブの厚さは０．２ｍｍ、樹脂リブのピッチが２ｍｍである。

【0019】

表面に樹脂リブ付き高強度炭素繊維複合材料のリブ材の製造方法は下記のステップを含む。即ち、
ステップ１：３２本の炭素繊維束を牽引速度4５０ｍｍ／ｍｉｎで糸棚から引き出し、張力制御器で繊維の張力を６．２Ｎに維持する。
ステップ２：炭素繊維束をエポキシエステル樹脂槽に牽引してエポキシエステル樹脂を含浸し、エポキシエステル樹脂槽から出してプレフォーム金型に入れ、余分なエポキシエステル樹脂を押し出し、プレフォーム金型内径が５ｍｍで、繊維体積含有量７５％で直径５ｍｍのリブ粗材が得られ、エポキシエステル樹脂は質量配合比１０００：８６０：１３．６の樹脂基体、硬化剤および触媒で調製される。
ステップ３：リブ粗材を前向きに牽引すると同時に、リブ粗材にナイロンテープをピッチ５．２ｍｍで巻き付け、巻き付け張力を制御し、リブ粗材をきつく締め付けることなく幅２ｍｍで厚さ０．５ｍｍのナイロンテープをリブ粗材表面に密着させるようにし、波動しないようにリブ粗材表面の炭素繊維束の配向の真直度を保つ。

【0020】

ステップ４：温度をそれぞれ１５０℃、１５０℃、１６０℃、１８０℃、１８０℃に設定した５つのオーブンに、表面にナイロンテープを巻き付けたリブ粗材を速度４００ｍｍ／ｍｉｎで牽引して入れ、１番目のオーブンで予熱した後、リブ粗材内部のエポキシエステル樹脂が熱を受けて膨張し、流動性が非常に良くなり、リブ粗材内部からはみ出し始め、ナイロンテープ間の隙間を徐々に埋め、２番目のオーブンを経た後にエポキシエステル樹脂がゲル化し、３番目のオーブンを経た後、エポキシエステル樹脂が仮硬化し、最後の２つのオーブンを経る際に、本硬化過程を完成する。本実施形態で１番目のオーブンは長さ４ｍとする。
ステップ５：硬化過程完了後、リブ材表面のナイロンテープを巻き戻し、ナイロンテープの隙間のエポキシエステル樹脂が螺旋状樹脂リブを形成し、ナイロンテープが撤去された部位は螺旋状凹溝が形成される。
ステップ６：引張強度３５６０ＭＰａ、引張弾性率１７４ＧＰａの樹脂リブ付きリブ材が製造され、ウインチで巻線機に巻き取られる。

【0021】

本発明の硬化剤は、ＭＤＡ、芳香族アミンから選ばれ、そのうち芳香族アミンはｍ－ＸＤＡを選択してもよく、そのＨＤＴ温度は１３０－１５０℃で、膨張係数は大きい。触媒は、アミン系アニオン触媒、塩化カルシウム、水酸化リチウム等を含む無機塩、無機塩基であってもよく、ただし、前述のものに限定されるものではない。

【0022】

以上に開示した本発明の好ましい実施形態は、単に本発明を分かりやすく説明するためのものに過ぎない。好ましい実施形態はすべての詳細を詳述したわけではなく、それにより本発明の権利範囲を制限することはできないものとする。勿論、本明細書内容の精神または基本的な特徴を逸脱することなく、種々の修正や変更が可能である。本明細書では、これらの実施形態を選択して具体的に説明するのは、本発明の原理と実応用をよりよく説明し、当業者が本発明をよく理解して利用できるようにするためである。本発明は、特許請求の範囲およびその全範囲と等価物によってのみ限定される。

【符号の説明】

【0023】

１ 炭素繊維複合材料のリブ材（基体）
２ 樹脂リブ

【図1】

【図2】