管状体
【課題】プリプレグシートの一方向に引き揃えられた強化繊維の配向に対して交差する方向の引張強度を向上させる。
【解決手段】一方向に引き揃えてシート状とした強化繊維である炭素繊維１３ａからなる強化繊維シート１３上に炭素繊維１３ａの配向に対して直交するガラス繊維１５が設けられる。ガラス繊維１５の向きを芯材２３の軸方向に対して交差させた状態でプリプレグシート１１が芯材２３に巻回される。このプリプレグシート１１は前記ガラス繊維１５が設けられているので、プリプレグシート１１はガラス繊維１５の配向と同方向に対する引張強度が向上する。
【解決手段】一方向に引き揃えてシート状とした強化繊維である炭素繊維１３ａからなる強化繊維シート１３上に炭素繊維１３ａの配向に対して直交するガラス繊維１５が設けられる。ガラス繊維１５の向きを芯材２３の軸方向に対して交差させた状態でプリプレグシート１１が芯材２３に巻回される。このプリプレグシート１１は前記ガラス繊維１５が設けられているので、プリプレグシート１１はガラス繊維１５の配向と同方向に対する引張強度が向上する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、強化繊維シートにマトリックス樹脂を含侵したプリプレグシートが離形される芯材の表面に巻回することで形成される管状体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、製紙、印刷機械の紙、フィルム等の搬送ロールや巻き取りロール等の工業用ロールとして用いられる管状体は、通常、フィルム等の搬送、巻き取りに伴って高速回転されるものであり、高速回転に耐え得る曲げ強度を備え、回転慣性が小さくなるように軽量であることが好ましい。
【０００３】
また、近年、フィルム等の大型化に伴い、工業用ロールの長尺化が進み、長尺の管状体が求められている。長尺の管状体は、その自重や巻き取られたフィルム等の重みで、撓みが生じ、巻き取られたフィルム等にしわが発生するという問題があった。
【０００４】
このような不具合を解消するため、金属製管体と比較して、軽量、高剛性、高強度等の特徴を有する繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製の管状体が使用されている。ＦＲＰ製の管状体は、強化繊維にマトリックス樹脂を含侵したプリプレグシートを離形される芯材の表面に巻回しすることで形成される。
【０００５】
ＦＰＲ製の管状体を上記工業用ロールとして使用する場合、表面を平滑にする必要があるため、表面に研削加工を施した後、金属メッキを施したものが提案されている。（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３２１１６３号公報
【０００７】
前記特許文献１に記載されたプリプレグシートは、強化繊維を一方向に引き揃えてシート状に形成し、その強化繊維シートにマトリックス樹脂を含浸しＢステージまで硬化させたものである。このプリプレグシートをその強化繊維の配向を芯材の軸方向に揃えた状態で、芯材に巻回することにより、管状体の軸方向と強化繊維の配向が同じ方向となる。
【０００８】
このように強化繊維が配向されると、管状体が巻き取られたフィルム等の重量により軸方向に対して直交する荷重を受けたとき、その荷重を強化繊維によって受けることができるので、管状体の撓みの発生を抑えることができる。
【０００９】
さらに、プリプレグシートをその強化繊維の配向が芯材の軸方向に対して傾斜するように交差する角度に、芯材に巻回し、積層化して、管状体の撓みのみならずねじれに対する強度を高め、管状体としての剛性の向上をはかることが可能となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、管状体を形成する際、特許文献１に記載されたプリプレグシートは芯材の表面と密着させるために、芯材の軸方向に対して直交方向にテンションを掛けた状態で巻回する場合がある。このとき、強化繊維の配向を芯材の軸方向に揃えた状態でプリプレグシートを巻回する場合、プリプレグシートに掛かるテンション方向は、強化繊維の配向に対して直交方向となる。
【００１１】
したがって、プリプレグシートは、前記のテンション方向に対しては、強化繊維による機械的強度が十分に発揮されず、機械的強度（特に、引張強度）が不足する。このため、テンションを掛けたプリプレグシートは、一部が破れたり、裂けたりすることがあり、芯材に対して巻回することが困難となり、プリプレグシートを芯材の表面に密着させることが難しい。
【００１２】
そこで、この発明の課題は、プリプレグシートの一方向に引き揃えられた強化繊維の配向に対して交差する方向の引張強度を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために、この発明は、強化繊維からなる強化繊維シートにマトリックス樹脂を含浸したプリプレグシートが離形される芯材に巻回されることで形成される管状体において、前記強化繊維シートが一方向に引き揃えてシート状とした炭素繊維からなり、前記プリプレグシートは、一方向に引き揃えられ、かつ前記炭素繊維の配向に対して交差するガラス繊維を備え、そのガラス繊維の配向を前記芯材の軸方向に対して交差させた状態で前記芯材に巻回される構成を採用したのである。
ここで、炭素繊維、ガラス繊維などの繊維とは、ＪＩＳに規定された糸、織物などの構成単位で、太さに比べて十分の長さをもつ、細くてたわみやすいものを意味する。
【００１４】
この構成によると、プリプレグシートは、これに炭素繊維の配向に対して交差するガラス繊維が設けられているので、ガラス繊維の配向と同方向に対する引張強度が向上する。引張強度が向上したプリプレグシートは、芯材の軸方向に対して交差する方向に、すなわち、ガラス繊維の配向と同方向にテンションを掛けながら芯材に巻回させることができる。したがって、上述した従来の管状体のプリプレグシートのように、芯材に巻回する際、その一部が破れることなく、芯金の表面に密着させることが可能となる。
【００１５】
前記強化繊維シートにガラス繊維が設けられた構成を採用する場合、前記ガラス繊維を強化繊維シートに設ける手段としては、強化繊維シートにガラス繊維を織り込むもの、あるいは、ガラス繊維を編み込むものなど、種々考えられるが、例えば、前記ガラス繊維が前記強化繊維シートに対して縫うことにより設けられた構成を採用することができる。また、炭素繊維をシート状に保形するために、ポリエステル繊維からなる編み糸を用いる場合、炭素繊維とともに、ガラス繊維も一体的に編み込むことにより、ガラス繊維が強化繊維シートに設けられた構成とすることができる。
【００１６】
ガラス繊維を備えたプリプレグシートにおいて、前記ガラス繊維が前記マトリックス樹脂を含浸した状態で前記プリプレグシートに設けられた構成を採用することができる。このようにすると、予め、炭素繊維からなる強化繊維シートにマトリックス樹脂を含浸させてプリプレグシートを形成しておくことができるので、従来のプリプレグシートを活用することができる。
【００１７】
これらの構成において、前記ガラス繊維が前記炭素繊維の配向に対して同方向に間隔をおいて複数箇所に設けられた構成を採用することができる。このようにすると、プリプレグシートは、炭素繊維の配向に対して同方向を幅方向とした場合、幅方向に間隔をおいてガラス繊維が複数箇所に設けられる。このため、より広い幅においてガラス繊維の配向と同方向に対する引張強度が高められ、芯材に巻回可能な幅を広幅にすることができ、より長尺の管状体を得ることが可能となる。
【００１８】
プリプレグシートの強化繊維に含浸するマトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂の場合、不飽和ポリエステル樹脂またはビニルエステル樹脂が好ましい。これらの樹脂は、マトリックス樹脂として一般的に適用されるエポキシ樹脂と比較して、強化繊維と樹脂との間における接着強度は劣るものの硬化速度が速く、短時間で管状体を成形することが可能であるためである。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、この発明は、プリプレグシートが一方向に引き揃えられたガラス繊維を備えているので、ガラス繊維の向きと同じ方向での引張強度が向上し、プリプレグシートをガラス繊維の向きが芯材の軸方向に対して交差する状態でテンションを掛けながら芯材に巻回可能となり、表面を平滑に仕上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態の管状体を示す斜視図
【図２】（ａ）同上のプリプレグシートを示す正面図、（ｂ）図２（ａ）でのＡ−Ａにおける断面図
【図３】同上の他の態様のプリプレグシートを示す正面図
【図４】（ａ）同上のプリプレグシートの変形例を示す正面図、（ｂ）図４（ａ）でのＢ−Ｂにおける断面図
【図５】同上の他の態様のプリプレグシートを示す正面図
【図６】同上のプリプレグシートの巻回装置を示す概略図
【図７】同上の管状体の平巻層を成形した状態を示す正面図
【図８】同上の管状体の螺旋巻層の成形過程を示す正面図
【図９】（ａ）第２実施形態のプリプレグシートを示す正面図、（ｂ）図９（ａ）でのＡ−Ａにおける断面図
【図１０】同上の他の態様のプリプレグシートを示す正面図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、この発明の第１実施形態を図１から図８に基づいて説明する。
この実施形態の管状体１０は、プリプレグシート１１を芯材の表面にテンションを掛けながら円筒状に複数層巻回し、加熱・加圧してプリプレグシート１１を硬化させ、芯材を抜き取る（脱型する）ことにより成形される（図１参照）。
【００２２】
プリプレグシート１１は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、強化繊維シート１３にマトリックス樹脂１４を含浸乾燥させ、Ｂステージまで硬化させたものを使用することができる。
【００２３】
プリプレグシート１１の基材となる強化繊維シート１３は、図２（ａ）に示すように、一方向に引き揃えられシート状とされた強化繊維としての炭素繊維１３ａが、その配向に対して直交方向にポリエステル繊維１３ｂにより編まれたものである。
【００２４】
ポリエステル繊維１３ｂからなる編み糸は、炭素繊維１３ａの配向に対して直交方向を長さ方向とした場合、強化繊維シート１３の全長にわたって設けられる。また、炭素繊維１３ａの配向を幅方向とした場合、その幅方向に間隔をおいて複数箇所に設けられている。
【００２５】
強化繊維シート１３の表面には、図２（ｂ）に示すように、一方向に引き揃えられ、かつ炭素繊維１３ａの配向に対して直交方向にガラス繊維１５が設けられる。このガラス繊維１５は強化繊維シート１３の表面に前記幅方向に間隔をおいて複数箇所に配列されている。なお、ガラス繊維１５は炭素繊維１３ａとともにポリエステル繊維１３ｂからなる編み糸により一体的に編みこまれ、その炭素繊維１３ａと一体化されている。
【００２６】
このガラス繊維１５は、炭素繊維１３ａの配向に対して交差する方向に配向させるものであればよいが、直交方向に配向させることで、プリプレグシート１１のうち、引張強度が最も低くなる前記直交方向における引張強度を向上させることが可能となる。
【００２７】
また、ガラス繊維１５が複数箇所に設けられると、プリプレグシート１１は、前記幅方向のより広い範囲においてそのガラス繊維１５の配向と同方向での引張強度が高められる。このため、芯材に巻回可能な幅を広幅とすることができ、より長尺の管状体１０を得ることが可能となる。
【００２８】
ここで、強化繊維シート１３の炭素繊維１３ａ、ポリエステル繊維１３ｂ及びガラス繊維１５の繊維とは、ＪＩＳに規定された糸、織物などの構成単位で、太さに比べて十分の長さをもつ、細くてたわみやすいものを意味する。
【００２９】
また、強化繊維シート１３の炭素繊維１３ａとしては、比重が小さく、比強度、比弾性率に優れたものが好適であり、その単繊維の繊度、フィラメント数および総繊度は、管状体の規格、用途、あるいは、管状体に要求される機械的強度等に基づいて設定される。
【００３０】
さらに、ガラス繊維１５はプリプレグシート１１を芯材に巻回する際、プリプレグシート１１に掛かるテンションに耐え得る引張強度を備えたものであれば、特に限定されないが、炭素繊維１３ａの平均厚みよりも小さいものが好ましい。この場合、ガラス繊維１５を設けた強化繊維シート１３表面の凹凸を小さくすることができる。
【００３１】
ガラス繊維１５が設けられた強化繊維シート１３にマトリックス樹脂１４が含浸乾燥され、Ｂステージまで硬化させることでプリプレグシート１１が製作される。
【００３２】
強化繊維シート１３に含浸させるマトリックス樹脂１４としては、熱硬化性樹脂が適用可能であるが、不飽和ポリエステル樹脂またはビニルエステル樹脂が好ましい。これらの樹脂は、マトリックス樹脂として一般的に適用されるエポキシ樹脂と比較して、強化繊維と樹脂との間における接着強度は劣るものの、硬化速度が速く、短時間で管状体を成形することが可能であるためである。
【００３３】
強化繊維シート１３においては、図３に示すように、シート状とされた炭素繊維１３ａが、その配向に対して交差する方向に傾斜するポリエステル繊維１３ｂにより編まれたものとすることができる。この場合、ガラス繊維１５は、その配向がポリエステル繊維１３ｂからなる編み糸と平行に設けられる。
【００３４】
ポリエステル繊維１３ｂの配向が強化繊維シート１３の長さ方向と同一方向である場合、この強化繊維シート１３からなるプリプレグシート１１は、後述するマンドレル２３に対して螺旋状に巻回される際、炭素繊維１３ａの配向がマンドレル２３の軸方向に沿って平行とされる（図８参照）。
【００３５】
この状態でプリプレグシート１１が巻回されると、成形する管状体１０は炭素繊維１３ａの配向がマンドレル２３の軸方向に沿って平行となるので、管軸方向に対する引張り強度を確保することができる。
【００３６】
前記強化繊維シート１３はこれを基材とするプリプレグシート１１が芯材に巻回される際にかかるテンションを受けることが可能な限り、適宜に変更することができる。一例として変形した強化繊維シート１３を基材とするプリプレグシート１１を図４（ａ）、（ｂ）に示す。なお、以下においては、前述した強化繊維シート１３の構成に対する相違点を中心に述べ、同一に考えられる構成に同符号を用いる。
【００３７】
この変形例での強化繊維シート１３は、ガラス繊維１５が縫うことにより設けられたものである。すなわち、ガラス繊維１５は炭素繊維１３ａの配向に対して直交する方向（ポリエステル繊維１３ｂの配向に対して平行）に縫われたものである。
【００３８】
縫われたガラス繊維１５は、強化繊維シート１３の前記幅方向に間隔をおいて複数箇所に設けられる（図４（ａ）参照）。なお、ガラス繊維１５の縫い目の長さ、縫い目の間隔は、管状体１０の規格、用途に応じて適宜設定される。
【００３９】
また、この変形例においても、強化繊維シート１３は、図５に示すように、シート状とされた炭素繊維１３ａが、その配向に対して交差する方向に傾斜するポリエステル繊維１３ｂにより編まれたものとすることができる。この場合も、図３に示す強化繊維シート１３と同様、ガラス繊維１５の配向がポリエステル繊維１３ｂからなる編み糸と平行に設けられる。この強化繊維シート１３からなるプリプレグシート１１は、後述するマンドレル２３に対して螺旋状に巻回される際、炭素繊維１３ａの配向がマンドレル２３の軸方向に沿って平行とされる（図８参照）。
【００４０】
この実施形態の管状体１０は、一般的にプリプレグシート１１をシートワインディング法により、芯材に巻回し、加熱後、その芯材を抜き取ることにより成形される。
図６にシートワインディング法において使用する装置の一例を示す。すなわち、シートワインディング装置２０は、図６に示すように、回転駆動される二つの支持ローラ２１、２２を備えており、芯材としてのマンドレル２３を二つの支持ローラ２１、２２の上に載せて回転させる。
【００４１】
この回転するマンドレル２３に、予め供給ローラ２４に巻き取られている図２（ａ）に示す強化繊維シート１３からなるプリプレグシート１１を供給し、そのプリプレグシート１１を押圧ローラ２５によりマンドレル２３の外周面に押し付ける。プリプレグシート１１は、炭素繊維１３ａの配向がマンドレル２３の軸方向に平行となる状態（ガラス繊維１５の配向がマンドレル２３の軸方向に対して直交方向となる状態）で供給される。
【００４２】
この状態のプリプレグシート１１は、マンドレル２３の表面に密着させるため、供給ローラ２４をガラス繊維１５の配向と同方向に引っ張ることによりその方向にテンションが掛けられる。このとき、プリプレグシート１１は、テンション方向に対してガラス繊維１５が設けられているので、引張強度が向上しており、マンドレル２３の表面に密着させた状態でマンドレル２３に巻回することが可能となる。
【００４３】
上記ワインディング法で、マンドレル２３に巻回されたプリプレグシート１１により、積層した平巻層３１が形成される（図７参照）。この後、図８に示すように、図３に示す強化繊維シート１３からなるプリプレグシート１１を、螺旋状（ヘリカル状ともいい、マンドレル２３の軸方向とプリプレグシート１１の炭素繊維１３ａが平行となる状態）に巻回して２層目の螺旋巻層３２が平巻層３１の外側に形成される。
【００４４】
この螺旋巻層３２の形成の際にも、プリプレグシート１１はガラス繊維の配向と同方向に引っ張ることによりその方向にテンションを掛けることが可能である。この後、所要の厚みとなるまで、平巻層３１と螺旋巻層３２とを交互に形成する。
【００４５】
さらに、プリプレグシート１１により平巻層３１、螺旋巻層３２が形成されたマンドレル２３に加熱処理を施し、その後、マンドレル２３を抜き取ることにより、図１に示す管状体１０が成形される。この管状体１０は、平巻層３１および螺旋巻層３２が形成されているが、例えば、内側に螺旋巻層３２、外側に平巻層３１を形成してもよい。また、平巻層３１と螺旋巻層３２とを交互に積層した３層以上の構造に形成してもよい。
【００４６】
なお、前記の平巻層３１の形成時においては、図４（ａ）に示す変形例での強化繊維シート１３からなるプリプレグシート１１を、螺旋巻層３２の形成時においては、図５に示す変形例での強化繊維シート１３からなるプリプレグシート１１をそれぞれ使用することもできる。
【００４７】
この発明の第２実施形態を図９（ａ）、（ｂ）、図１０に示す。
第２実施形態に係る管状体では、プリプレグシート１１に備えたガラス繊維１５は、強化繊維シート１３に設けられる代わりに、強化繊維シート１３にマトリックス樹脂１４を含浸させたプリプレグシート１１に設けられている。プリプレグシート１１に対してガラス繊維１５を設けた位置以外の構成は、前記第１実施形態と同様であり、第１実施形態の構成と同じ構成と考えられるものには、同じ符号を付してその説明を省略する。
【００４８】
この実施形態における強化繊維シート１３は、一方向に引き揃えられシート状とされた炭素繊維１３ａが、その炭素繊維１３ａの配向に対して直交する方向にポリエステル繊維１３ｂにより編まれたものであり、その強化繊維シート１３にマトリックス樹脂１４を含浸させてプリプレグシート１１が形成される。
【００４９】
プリプレグシート１１の表面には、図９（ｂ）に示すように、マトリックス樹脂、例えば、不飽和ポリエステル樹脂またはビニルエステル樹脂を含浸させた状態のガラス繊維１５が設けられている。
【００５０】
ガラス繊維１５は、一方向に引き揃えられ、かつ強化繊維シート１３の炭素繊維１３ａの配向に対して直交方向に設けられ、炭素繊維１３ａの配向と同方向（幅方向）において複数箇所に配列されている。
【００５１】
ガラス繊維１５がプリプレグシート１１に設けられることで、予め、炭素繊維１３ａからなる強化繊維シート１３にマトリックス樹脂１４を含浸させてプリプレグシート１１を形成しておくことができるので、従来のプリプレグシートを活用することができる。
【００５２】
また、この実施形態において、強化繊維シート１３は、図１０に示すように、シート状とされた炭素繊維１３ａが、その配向に対して交差する方向に傾斜するポリエステル繊維１３ｂにより編まれたものとすることができる。この場合、ガラス繊維１５は、その配向がポリエステル繊維１３ｂからなる編み糸と平行に設けられる。
【００５３】
ポリエステル繊維１３ｂの配向が強化繊維シート１３の長さ方向と同一方向である場合、前述の第１実施形態の場合と同様、マンドレル２３に対してプリプレグシート１１が螺旋状に巻回される際、炭素繊維１３ａの配向がマンドレル２３の軸方向に沿って平行とされる。
【００５４】
このように巻回すれば、炭素繊維１３ａの配向がマンドレル２３の幅方向に沿って平行となり、管状体１０の管軸方向に対する引張り強度を確保することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１０ 管状体
１１ プリプレグシート
１３ 強化繊維シート
１３ａ 炭素繊維
１３ｂ ポリエステル繊維
１４ マトリックス樹脂
１５ ガラス繊維
２０ シートワインディング装置
２１、２２ 支持ローラ
２３ マンドリル
２４ 供給ローラ
２５ 押圧ローラ
３１ 平巻層
３２ 螺旋巻層
【技術分野】
【０００１】
この発明は、強化繊維シートにマトリックス樹脂を含侵したプリプレグシートが離形される芯材の表面に巻回することで形成される管状体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、製紙、印刷機械の紙、フィルム等の搬送ロールや巻き取りロール等の工業用ロールとして用いられる管状体は、通常、フィルム等の搬送、巻き取りに伴って高速回転されるものであり、高速回転に耐え得る曲げ強度を備え、回転慣性が小さくなるように軽量であることが好ましい。
【０００３】
また、近年、フィルム等の大型化に伴い、工業用ロールの長尺化が進み、長尺の管状体が求められている。長尺の管状体は、その自重や巻き取られたフィルム等の重みで、撓みが生じ、巻き取られたフィルム等にしわが発生するという問題があった。
【０００４】
このような不具合を解消するため、金属製管体と比較して、軽量、高剛性、高強度等の特徴を有する繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製の管状体が使用されている。ＦＲＰ製の管状体は、強化繊維にマトリックス樹脂を含侵したプリプレグシートを離形される芯材の表面に巻回しすることで形成される。
【０００５】
ＦＰＲ製の管状体を上記工業用ロールとして使用する場合、表面を平滑にする必要があるため、表面に研削加工を施した後、金属メッキを施したものが提案されている。（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３２１１６３号公報
【０００７】
前記特許文献１に記載されたプリプレグシートは、強化繊維を一方向に引き揃えてシート状に形成し、その強化繊維シートにマトリックス樹脂を含浸しＢステージまで硬化させたものである。このプリプレグシートをその強化繊維の配向を芯材の軸方向に揃えた状態で、芯材に巻回することにより、管状体の軸方向と強化繊維の配向が同じ方向となる。
【０００８】
このように強化繊維が配向されると、管状体が巻き取られたフィルム等の重量により軸方向に対して直交する荷重を受けたとき、その荷重を強化繊維によって受けることができるので、管状体の撓みの発生を抑えることができる。
【０００９】
さらに、プリプレグシートをその強化繊維の配向が芯材の軸方向に対して傾斜するように交差する角度に、芯材に巻回し、積層化して、管状体の撓みのみならずねじれに対する強度を高め、管状体としての剛性の向上をはかることが可能となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、管状体を形成する際、特許文献１に記載されたプリプレグシートは芯材の表面と密着させるために、芯材の軸方向に対して直交方向にテンションを掛けた状態で巻回する場合がある。このとき、強化繊維の配向を芯材の軸方向に揃えた状態でプリプレグシートを巻回する場合、プリプレグシートに掛かるテンション方向は、強化繊維の配向に対して直交方向となる。
【００１１】
したがって、プリプレグシートは、前記のテンション方向に対しては、強化繊維による機械的強度が十分に発揮されず、機械的強度（特に、引張強度）が不足する。このため、テンションを掛けたプリプレグシートは、一部が破れたり、裂けたりすることがあり、芯材に対して巻回することが困難となり、プリプレグシートを芯材の表面に密着させることが難しい。
【００１２】
そこで、この発明の課題は、プリプレグシートの一方向に引き揃えられた強化繊維の配向に対して交差する方向の引張強度を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の課題を解決するために、この発明は、強化繊維からなる強化繊維シートにマトリックス樹脂を含浸したプリプレグシートが離形される芯材に巻回されることで形成される管状体において、前記強化繊維シートが一方向に引き揃えてシート状とした炭素繊維からなり、前記プリプレグシートは、一方向に引き揃えられ、かつ前記炭素繊維の配向に対して交差するガラス繊維を備え、そのガラス繊維の配向を前記芯材の軸方向に対して交差させた状態で前記芯材に巻回される構成を採用したのである。
ここで、炭素繊維、ガラス繊維などの繊維とは、ＪＩＳに規定された糸、織物などの構成単位で、太さに比べて十分の長さをもつ、細くてたわみやすいものを意味する。
【００１４】
この構成によると、プリプレグシートは、これに炭素繊維の配向に対して交差するガラス繊維が設けられているので、ガラス繊維の配向と同方向に対する引張強度が向上する。引張強度が向上したプリプレグシートは、芯材の軸方向に対して交差する方向に、すなわち、ガラス繊維の配向と同方向にテンションを掛けながら芯材に巻回させることができる。したがって、上述した従来の管状体のプリプレグシートのように、芯材に巻回する際、その一部が破れることなく、芯金の表面に密着させることが可能となる。
【００１５】
前記強化繊維シートにガラス繊維が設けられた構成を採用する場合、前記ガラス繊維を強化繊維シートに設ける手段としては、強化繊維シートにガラス繊維を織り込むもの、あるいは、ガラス繊維を編み込むものなど、種々考えられるが、例えば、前記ガラス繊維が前記強化繊維シートに対して縫うことにより設けられた構成を採用することができる。また、炭素繊維をシート状に保形するために、ポリエステル繊維からなる編み糸を用いる場合、炭素繊維とともに、ガラス繊維も一体的に編み込むことにより、ガラス繊維が強化繊維シートに設けられた構成とすることができる。
【００１６】
ガラス繊維を備えたプリプレグシートにおいて、前記ガラス繊維が前記マトリックス樹脂を含浸した状態で前記プリプレグシートに設けられた構成を採用することができる。このようにすると、予め、炭素繊維からなる強化繊維シートにマトリックス樹脂を含浸させてプリプレグシートを形成しておくことができるので、従来のプリプレグシートを活用することができる。
【００１７】
これらの構成において、前記ガラス繊維が前記炭素繊維の配向に対して同方向に間隔をおいて複数箇所に設けられた構成を採用することができる。このようにすると、プリプレグシートは、炭素繊維の配向に対して同方向を幅方向とした場合、幅方向に間隔をおいてガラス繊維が複数箇所に設けられる。このため、より広い幅においてガラス繊維の配向と同方向に対する引張強度が高められ、芯材に巻回可能な幅を広幅にすることができ、より長尺の管状体を得ることが可能となる。
【００１８】
プリプレグシートの強化繊維に含浸するマトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂の場合、不飽和ポリエステル樹脂またはビニルエステル樹脂が好ましい。これらの樹脂は、マトリックス樹脂として一般的に適用されるエポキシ樹脂と比較して、強化繊維と樹脂との間における接着強度は劣るものの硬化速度が速く、短時間で管状体を成形することが可能であるためである。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、この発明は、プリプレグシートが一方向に引き揃えられたガラス繊維を備えているので、ガラス繊維の向きと同じ方向での引張強度が向上し、プリプレグシートをガラス繊維の向きが芯材の軸方向に対して交差する状態でテンションを掛けながら芯材に巻回可能となり、表面を平滑に仕上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１実施形態の管状体を示す斜視図
【図２】（ａ）同上のプリプレグシートを示す正面図、（ｂ）図２（ａ）でのＡ−Ａにおける断面図
【図３】同上の他の態様のプリプレグシートを示す正面図
【図４】（ａ）同上のプリプレグシートの変形例を示す正面図、（ｂ）図４（ａ）でのＢ−Ｂにおける断面図
【図５】同上の他の態様のプリプレグシートを示す正面図
【図６】同上のプリプレグシートの巻回装置を示す概略図
【図７】同上の管状体の平巻層を成形した状態を示す正面図
【図８】同上の管状体の螺旋巻層の成形過程を示す正面図
【図９】（ａ）第２実施形態のプリプレグシートを示す正面図、（ｂ）図９（ａ）でのＡ−Ａにおける断面図
【図１０】同上の他の態様のプリプレグシートを示す正面図
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、この発明の第１実施形態を図１から図８に基づいて説明する。
この実施形態の管状体１０は、プリプレグシート１１を芯材の表面にテンションを掛けながら円筒状に複数層巻回し、加熱・加圧してプリプレグシート１１を硬化させ、芯材を抜き取る（脱型する）ことにより成形される（図１参照）。
【００２２】
プリプレグシート１１は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、強化繊維シート１３にマトリックス樹脂１４を含浸乾燥させ、Ｂステージまで硬化させたものを使用することができる。
【００２３】
プリプレグシート１１の基材となる強化繊維シート１３は、図２（ａ）に示すように、一方向に引き揃えられシート状とされた強化繊維としての炭素繊維１３ａが、その配向に対して直交方向にポリエステル繊維１３ｂにより編まれたものである。
【００２４】
ポリエステル繊維１３ｂからなる編み糸は、炭素繊維１３ａの配向に対して直交方向を長さ方向とした場合、強化繊維シート１３の全長にわたって設けられる。また、炭素繊維１３ａの配向を幅方向とした場合、その幅方向に間隔をおいて複数箇所に設けられている。
【００２５】
強化繊維シート１３の表面には、図２（ｂ）に示すように、一方向に引き揃えられ、かつ炭素繊維１３ａの配向に対して直交方向にガラス繊維１５が設けられる。このガラス繊維１５は強化繊維シート１３の表面に前記幅方向に間隔をおいて複数箇所に配列されている。なお、ガラス繊維１５は炭素繊維１３ａとともにポリエステル繊維１３ｂからなる編み糸により一体的に編みこまれ、その炭素繊維１３ａと一体化されている。
【００２６】
このガラス繊維１５は、炭素繊維１３ａの配向に対して交差する方向に配向させるものであればよいが、直交方向に配向させることで、プリプレグシート１１のうち、引張強度が最も低くなる前記直交方向における引張強度を向上させることが可能となる。
【００２７】
また、ガラス繊維１５が複数箇所に設けられると、プリプレグシート１１は、前記幅方向のより広い範囲においてそのガラス繊維１５の配向と同方向での引張強度が高められる。このため、芯材に巻回可能な幅を広幅とすることができ、より長尺の管状体１０を得ることが可能となる。
【００２８】
ここで、強化繊維シート１３の炭素繊維１３ａ、ポリエステル繊維１３ｂ及びガラス繊維１５の繊維とは、ＪＩＳに規定された糸、織物などの構成単位で、太さに比べて十分の長さをもつ、細くてたわみやすいものを意味する。
【００２９】
また、強化繊維シート１３の炭素繊維１３ａとしては、比重が小さく、比強度、比弾性率に優れたものが好適であり、その単繊維の繊度、フィラメント数および総繊度は、管状体の規格、用途、あるいは、管状体に要求される機械的強度等に基づいて設定される。
【００３０】
さらに、ガラス繊維１５はプリプレグシート１１を芯材に巻回する際、プリプレグシート１１に掛かるテンションに耐え得る引張強度を備えたものであれば、特に限定されないが、炭素繊維１３ａの平均厚みよりも小さいものが好ましい。この場合、ガラス繊維１５を設けた強化繊維シート１３表面の凹凸を小さくすることができる。
【００３１】
ガラス繊維１５が設けられた強化繊維シート１３にマトリックス樹脂１４が含浸乾燥され、Ｂステージまで硬化させることでプリプレグシート１１が製作される。
【００３２】
強化繊維シート１３に含浸させるマトリックス樹脂１４としては、熱硬化性樹脂が適用可能であるが、不飽和ポリエステル樹脂またはビニルエステル樹脂が好ましい。これらの樹脂は、マトリックス樹脂として一般的に適用されるエポキシ樹脂と比較して、強化繊維と樹脂との間における接着強度は劣るものの、硬化速度が速く、短時間で管状体を成形することが可能であるためである。
【００３３】
強化繊維シート１３においては、図３に示すように、シート状とされた炭素繊維１３ａが、その配向に対して交差する方向に傾斜するポリエステル繊維１３ｂにより編まれたものとすることができる。この場合、ガラス繊維１５は、その配向がポリエステル繊維１３ｂからなる編み糸と平行に設けられる。
【００３４】
ポリエステル繊維１３ｂの配向が強化繊維シート１３の長さ方向と同一方向である場合、この強化繊維シート１３からなるプリプレグシート１１は、後述するマンドレル２３に対して螺旋状に巻回される際、炭素繊維１３ａの配向がマンドレル２３の軸方向に沿って平行とされる（図８参照）。
【００３５】
この状態でプリプレグシート１１が巻回されると、成形する管状体１０は炭素繊維１３ａの配向がマンドレル２３の軸方向に沿って平行となるので、管軸方向に対する引張り強度を確保することができる。
【００３６】
前記強化繊維シート１３はこれを基材とするプリプレグシート１１が芯材に巻回される際にかかるテンションを受けることが可能な限り、適宜に変更することができる。一例として変形した強化繊維シート１３を基材とするプリプレグシート１１を図４（ａ）、（ｂ）に示す。なお、以下においては、前述した強化繊維シート１３の構成に対する相違点を中心に述べ、同一に考えられる構成に同符号を用いる。
【００３７】
この変形例での強化繊維シート１３は、ガラス繊維１５が縫うことにより設けられたものである。すなわち、ガラス繊維１５は炭素繊維１３ａの配向に対して直交する方向（ポリエステル繊維１３ｂの配向に対して平行）に縫われたものである。
【００３８】
縫われたガラス繊維１５は、強化繊維シート１３の前記幅方向に間隔をおいて複数箇所に設けられる（図４（ａ）参照）。なお、ガラス繊維１５の縫い目の長さ、縫い目の間隔は、管状体１０の規格、用途に応じて適宜設定される。
【００３９】
また、この変形例においても、強化繊維シート１３は、図５に示すように、シート状とされた炭素繊維１３ａが、その配向に対して交差する方向に傾斜するポリエステル繊維１３ｂにより編まれたものとすることができる。この場合も、図３に示す強化繊維シート１３と同様、ガラス繊維１５の配向がポリエステル繊維１３ｂからなる編み糸と平行に設けられる。この強化繊維シート１３からなるプリプレグシート１１は、後述するマンドレル２３に対して螺旋状に巻回される際、炭素繊維１３ａの配向がマンドレル２３の軸方向に沿って平行とされる（図８参照）。
【００４０】
この実施形態の管状体１０は、一般的にプリプレグシート１１をシートワインディング法により、芯材に巻回し、加熱後、その芯材を抜き取ることにより成形される。
図６にシートワインディング法において使用する装置の一例を示す。すなわち、シートワインディング装置２０は、図６に示すように、回転駆動される二つの支持ローラ２１、２２を備えており、芯材としてのマンドレル２３を二つの支持ローラ２１、２２の上に載せて回転させる。
【００４１】
この回転するマンドレル２３に、予め供給ローラ２４に巻き取られている図２（ａ）に示す強化繊維シート１３からなるプリプレグシート１１を供給し、そのプリプレグシート１１を押圧ローラ２５によりマンドレル２３の外周面に押し付ける。プリプレグシート１１は、炭素繊維１３ａの配向がマンドレル２３の軸方向に平行となる状態（ガラス繊維１５の配向がマンドレル２３の軸方向に対して直交方向となる状態）で供給される。
【００４２】
この状態のプリプレグシート１１は、マンドレル２３の表面に密着させるため、供給ローラ２４をガラス繊維１５の配向と同方向に引っ張ることによりその方向にテンションが掛けられる。このとき、プリプレグシート１１は、テンション方向に対してガラス繊維１５が設けられているので、引張強度が向上しており、マンドレル２３の表面に密着させた状態でマンドレル２３に巻回することが可能となる。
【００４３】
上記ワインディング法で、マンドレル２３に巻回されたプリプレグシート１１により、積層した平巻層３１が形成される（図７参照）。この後、図８に示すように、図３に示す強化繊維シート１３からなるプリプレグシート１１を、螺旋状（ヘリカル状ともいい、マンドレル２３の軸方向とプリプレグシート１１の炭素繊維１３ａが平行となる状態）に巻回して２層目の螺旋巻層３２が平巻層３１の外側に形成される。
【００４４】
この螺旋巻層３２の形成の際にも、プリプレグシート１１はガラス繊維の配向と同方向に引っ張ることによりその方向にテンションを掛けることが可能である。この後、所要の厚みとなるまで、平巻層３１と螺旋巻層３２とを交互に形成する。
【００４５】
さらに、プリプレグシート１１により平巻層３１、螺旋巻層３２が形成されたマンドレル２３に加熱処理を施し、その後、マンドレル２３を抜き取ることにより、図１に示す管状体１０が成形される。この管状体１０は、平巻層３１および螺旋巻層３２が形成されているが、例えば、内側に螺旋巻層３２、外側に平巻層３１を形成してもよい。また、平巻層３１と螺旋巻層３２とを交互に積層した３層以上の構造に形成してもよい。
【００４６】
なお、前記の平巻層３１の形成時においては、図４（ａ）に示す変形例での強化繊維シート１３からなるプリプレグシート１１を、螺旋巻層３２の形成時においては、図５に示す変形例での強化繊維シート１３からなるプリプレグシート１１をそれぞれ使用することもできる。
【００４７】
この発明の第２実施形態を図９（ａ）、（ｂ）、図１０に示す。
第２実施形態に係る管状体では、プリプレグシート１１に備えたガラス繊維１５は、強化繊維シート１３に設けられる代わりに、強化繊維シート１３にマトリックス樹脂１４を含浸させたプリプレグシート１１に設けられている。プリプレグシート１１に対してガラス繊維１５を設けた位置以外の構成は、前記第１実施形態と同様であり、第１実施形態の構成と同じ構成と考えられるものには、同じ符号を付してその説明を省略する。
【００４８】
この実施形態における強化繊維シート１３は、一方向に引き揃えられシート状とされた炭素繊維１３ａが、その炭素繊維１３ａの配向に対して直交する方向にポリエステル繊維１３ｂにより編まれたものであり、その強化繊維シート１３にマトリックス樹脂１４を含浸させてプリプレグシート１１が形成される。
【００４９】
プリプレグシート１１の表面には、図９（ｂ）に示すように、マトリックス樹脂、例えば、不飽和ポリエステル樹脂またはビニルエステル樹脂を含浸させた状態のガラス繊維１５が設けられている。
【００５０】
ガラス繊維１５は、一方向に引き揃えられ、かつ強化繊維シート１３の炭素繊維１３ａの配向に対して直交方向に設けられ、炭素繊維１３ａの配向と同方向（幅方向）において複数箇所に配列されている。
【００５１】
ガラス繊維１５がプリプレグシート１１に設けられることで、予め、炭素繊維１３ａからなる強化繊維シート１３にマトリックス樹脂１４を含浸させてプリプレグシート１１を形成しておくことができるので、従来のプリプレグシートを活用することができる。
【００５２】
また、この実施形態において、強化繊維シート１３は、図１０に示すように、シート状とされた炭素繊維１３ａが、その配向に対して交差する方向に傾斜するポリエステル繊維１３ｂにより編まれたものとすることができる。この場合、ガラス繊維１５は、その配向がポリエステル繊維１３ｂからなる編み糸と平行に設けられる。
【００５３】
ポリエステル繊維１３ｂの配向が強化繊維シート１３の長さ方向と同一方向である場合、前述の第１実施形態の場合と同様、マンドレル２３に対してプリプレグシート１１が螺旋状に巻回される際、炭素繊維１３ａの配向がマンドレル２３の軸方向に沿って平行とされる。
【００５４】
このように巻回すれば、炭素繊維１３ａの配向がマンドレル２３の幅方向に沿って平行となり、管状体１０の管軸方向に対する引張り強度を確保することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１０ 管状体
１１ プリプレグシート
１３ 強化繊維シート
１３ａ 炭素繊維
１３ｂ ポリエステル繊維
１４ マトリックス樹脂
１５ ガラス繊維
２０ シートワインディング装置
２１、２２ 支持ローラ
２３ マンドリル
２４ 供給ローラ
２５ 押圧ローラ
３１ 平巻層
３２ 螺旋巻層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維シートにマトリックス樹脂を含浸したプリプレグシートが離形される芯材に巻回されることで形成される管状体において、
前記強化繊維シートが一方向に引き揃えてシート状とした炭素繊維からなり、前記プリプレグシートは、一方向に引き揃えられ、かつ前記炭素繊維の配向に対して交差するガラス繊維を備え、そのガラス繊維の配向を前記芯材の軸方向に対して交差させた状態で前記芯材に巻回されることを特徴とする管状体。
【請求項２】
前記ガラス繊維が前記強化繊維シートに設けられたことを特徴とする請求項1に記載の管状体。
【請求項３】
前記ガラス繊維が前記強化繊維シートに対して編むことにより設けられたものであることを特徴とする請求項２に記載の管状体。
【請求項４】
前記ガラス繊維が前記マトリックス樹脂を含浸した状態で前記プリプレグシートに設けられたことを特徴とする請求項１に記載の管状体。
【請求項５】
前記ガラス繊維が前記炭素繊維の配向に対して同方向に間隔をおいて複数箇所に設けられたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の管状体。
【請求項６】
前記マトリックス樹脂が不飽和ポリエステル樹脂またはビニルエステル樹脂であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の管状体。
【請求項１】
強化繊維シートにマトリックス樹脂を含浸したプリプレグシートが離形される芯材に巻回されることで形成される管状体において、
前記強化繊維シートが一方向に引き揃えてシート状とした炭素繊維からなり、前記プリプレグシートは、一方向に引き揃えられ、かつ前記炭素繊維の配向に対して交差するガラス繊維を備え、そのガラス繊維の配向を前記芯材の軸方向に対して交差させた状態で前記芯材に巻回されることを特徴とする管状体。
【請求項２】
前記ガラス繊維が前記強化繊維シートに設けられたことを特徴とする請求項1に記載の管状体。
【請求項３】
前記ガラス繊維が前記強化繊維シートに対して編むことにより設けられたものであることを特徴とする請求項２に記載の管状体。
【請求項４】
前記ガラス繊維が前記マトリックス樹脂を含浸した状態で前記プリプレグシートに設けられたことを特徴とする請求項１に記載の管状体。
【請求項５】
前記ガラス繊維が前記炭素繊維の配向に対して同方向に間隔をおいて複数箇所に設けられたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の管状体。
【請求項６】
前記マトリックス樹脂が不飽和ポリエステル樹脂またはビニルエステル樹脂であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の管状体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１０−２１５３３８（Ｐ２０１０−２１５３３８Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６２９０４（Ｐ２００９−６２９０４）
【出願日】平成２１年３月１６日（２００９．３．１６）
【出願人】（０００１６４８８５）栗本化成工業株式会社 (32)
【出願人】（０００００１０９６）倉敷紡績株式会社 (296)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１６日（２００９．３．１６）
【出願人】（０００１６４８８５）栗本化成工業株式会社 (32)
【出願人】（０００００１０９６）倉敷紡績株式会社 (296)
【Ｆターム（参考）】
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