ＦＲＰ部材の製造方法
【課題】多層ＦＲＰ層中のマトリックス樹脂の含有量、繊維体積含有率をコントロールすることができるＦＲＰ部材の製造方法を提供する。
【解決手段】基材２０にフィラメントワインディング法を用いてマトリックス樹脂１２ａ、１２ｂ、１２ｃを含む繊維を巻き付けて多層ＦＲＰ層を形成し、前記多層ＦＲＰ層を加熱硬化させてＦＲＰ部材を製造するＦＲＰ部材の製造方法であって、前記多層ＦＲＰ層の単層毎又は複数層毎に、硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を用いる。
【解決手段】基材２０にフィラメントワインディング法を用いてマトリックス樹脂１２ａ、１２ｂ、１２ｃを含む繊維を巻き付けて多層ＦＲＰ層を形成し、前記多層ＦＲＰ層を加熱硬化させてＦＲＰ部材を製造するＦＲＰ部材の製造方法であって、前記多層ＦＲＰ層の単層毎又は複数層毎に、硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を用いる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィラメントワインディング法によるＦＲＰ部材の製造方法の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の車輌用プロペラシャフト、電気自動車等に搭載される圧力容器（ガスボンベ）等は、鉄等に比べて軽量性、強靭性に優れているＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）部材が用いられている。ＦＲＰ部材は、例えば、樹脂等の基材と、マトリックス樹脂を含む繊維の層であるＦＲＰ層（又は多層ＦＲＰ層）とを備える。
【０００３】
多層ＦＲＰ層を形成する方法としては、一般的にフィラメントワインディング法が知られている。フィラメントワインディング法とは、例えば、マトリックス樹脂を含浸した繊維を、円筒状の基材に巻き付けて、多層ＦＲＰ層を形成するものである。
【０００４】
ＦＲＰ部材は、フィラメントワインディング法を用いて多層ＦＲＰ層を形成し、多層ＦＲＰ層を加熱硬化させることによって得られる。
【０００５】
例えば、特許文献１、２には、円筒状のガスバリア性を有する基材に、フィラメントワインディング法を用いて、マトリックス樹脂を含浸した繊維を巻き付けて多層ＦＲＰ層を形成し、多層ＦＲＰ層を加熱硬化等させて、ガスボンベを製造する方法が提案されている。
【０００６】
しかし、特許文献１、２の製造方法では、多層ＦＲＰ層内のマトリックス樹脂は、同一種類のものが用いられている。そのため、多層ＦＲＰ層を加熱硬化させる際に低粘度化したマトリックス樹脂が、多層ＦＲＰ層から流れ出てしまう。特に、多層ＦＲＰ層の内層側（基材側）のマトリックス樹脂が、硬化する前に外層側（基材と反対側）に染み出し易くなってしまう。
【０００７】
そうすると、多層ＦＲＰ層全体のマトリックス樹脂の含有量が減少して、繊維体積含有率（Ｖｆ）が高くなり、得られるＦＲＰ部材の強度が低下してしまう。
【０００８】
通常、加熱硬化時に多層ＦＲＰ層の内層側のマトリックス樹脂が、外層側に染み出さないようにするために、基材にマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付ける張力（フィラメントワインディング張力：以下ＦＷ張力）等で調製することも可能である。しかしＦＷ張力等で調製すると、多層ＦＲＰ層全体がマトリックス樹脂リッチとなり、繊維体積含有率が低くなるため、ＦＲＰ部材の重量増加、品質低下、剛性低下、強度低下等が起こる場合がある。
【０００９】
このように、通常、フィラメントワインディング法では、多層ＦＲＰ層の各層のマトリックス樹脂の含有量、繊維体積含有率をコントロールすることができない。後述する湿式フィラメントワインディング法では特に困難である。また、多層ＦＲＰ層の各層のマトリックス樹脂の含有量、繊維体積含有率をコントロールして、多層ＦＲＰ層の内層側をマトリックス樹脂リッチとし（すなわち低い繊維体積含有率）、外層側を高い繊維体積含有率とすることは、ＦＲＰ部材の強度向上、軽量化、品質向上等を図る点で有効である。
【００１０】
【特許文献１】特開平８−２１６２７７号公報
【特許文献２】特開平８−２１９３９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、多層ＦＲＰ層の各層のマトリックス樹脂の含有量、繊維体積含有率をコントロールすることができるＦＲＰ部材の製造方法である。特に、多層ＦＲＰ層の内層側をマトリックス樹脂リッチとし、外層側を高い繊維体積含有率とすることができるＦＲＰ部材の製造方法である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、基材にフィラメントワインディング法を用いてマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付けて多層ＦＲＰ層を形成し、前記多層ＦＲＰ層を加熱硬化させてＦＲＰ部材を製造するＦＲＰ部材の製造方法であって、前記多層ＦＲＰ層の単層毎又は複数層毎に、硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を用いる。
【００１３】
また、本発明は、基材にフィラメントワインディング法を用いてマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付けて多層ＦＲＰ層を形成し、前記多層ＦＲＰ層を加熱硬化させてＦＲＰ部材を製造するＦＲＰ部材の製造方法であって、前記多層ＦＲＰ層の単層毎又は複数層毎に、硬化開始温度及び硬化開始時の粘度が異なるマトリックス樹脂を用いる。
【００１４】
また、前記ＦＲＰ部材の製造方法において、前記多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど、硬化開始温度の低いマトリックス樹脂を用いることが好ましい。
【００１５】
また、前記ＦＲＰ部材の製造方法において、前記多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど、硬化開始温度の高いマトリックス樹脂を用いることが好ましい。
【００１６】
また、前記ＦＲＰ部材の製造方法において、前記多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど、硬化開始時の粘度が低いマトリックス樹脂を用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、多層ＦＲＰ層の単層又は複数層毎に、硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を用いることによって、多層ＦＲＰ層の各層のマトリックス樹脂の含有量、繊維体積含有率をコントロールすることができるＦＲＰ部材の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００１９】
本実施形態に係るＦＲＰ部材の製造方法は、基材にフィラメントワインディング法を用いてマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付けて多層ＦＲＰ層を形成し、多層ＦＲＰ層を加熱硬化させてＦＲＰ部材を製造するものであって、多層ＦＲＰ層の単層又は複数層毎に、硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を用いる。
【００２０】
本実施形態に用いられるフィラメントワインディング法には、湿式フィラメントワインディング法、乾式フィラメントワインディング法等がある。
【００２１】
図１は、湿式フィラメントワインディング法による多層ＦＲＰ層の作製例を示す図である。本実施形態では、硬化開始温度の異なる３種類のマトリックス樹脂を用いたものを例として説明する。
【００２２】
図１に示すように、リール１４ａから繰り出された繊維１６が、樹脂浴槽１０ａ内のマトリックス樹脂１２ａに浸漬された後、ロール１８ａによって繊維１６内の余分なマトリックス樹脂１２ａが取り除かれる。その後、マトリックス樹脂１２ａが浸漬された繊維１６は、基材２０に巻き付けられ、単層又は複数層のＦＲＰ層が形成される。その後、上記同様に、マトリックス樹脂１２ｂが浸漬された繊維１６が、基材２０に、マトリックス樹脂１２ｃが浸漬された繊維１６が基材２０に順次巻き付けられ、単層又は複数層のＦＲＰ層が形成される。このようにして多層ＦＲＰ層が形成される。
【００２３】
一方、乾式フィラメントワインディング法よる多層ＦＲＰ層の作製は、例えば、繊維に、予め硬化開始温度の異なる樹脂Ａ，Ｂ，Ｃをそれぞれ含浸したもの（プリプレグＡ，Ｂ，Ｃ）が、順次基材に巻き付けられ、多層ＦＲＰ層が形成される。
【００２４】
次に、フィラメントワインディング法によるマトリックス樹脂含有の繊維（プリプレグも含む）の巻き付け方の例を説明する。図２（イ）は、フィラメントワインディング法におけるフープ巻きの一例を示す模式図であり、図２（ロ）は、フィラメントワインディング法におけるヘリカル巻きの一例を示す模式図である。図２（イ）に示すように、フープ巻きとは、基材２０の軸方向（矢印Ｘ）に対して略垂直にマトリックス樹脂含有の繊維１６を巻き付けるものである。また、図２（ロ）に示すように、ヘリカル巻きとは、基材２０の軸方向（矢印Ｘ）に沿って、マトリックス樹脂含有の繊維１６をらせん状に巻き付けるものである。上記フープ巻き、ヘリカル巻き等によって、基材２０にＦＲＰ層を形成することができるが、本実施形態の巻きつけ方としては、上記フープ巻き、ヘリカル巻きに限定されるものでない。
【００２５】
図３は、フィラメントワインディング法により作製した多層ＦＲＰ層の一部模式断面図である。図３に示すように、基材２０表面に形成されている多層ＦＲＰ層２２は、上記説明したフープ巻き、ヘリカル巻き等によって、ＦＲＰ層が複数層形成されたものである。本実施形態では、図３に示すように、ＦＲＰ層を６層（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ，２４ｅ，２４ｆ）形成したものを例として説明する。
【００２６】
多層ＦＲＰ層２２は、フープ巻き（以下Ｈｏと記す）、ヘリカル巻き（以下Ｈｅと記す）単独で形成されたものであっても、フープ巻き、ヘリカル巻きを組み合わせて形成されたものであってもよい。フープ巻き、ヘリカル巻きの組み合わせは、特に制限されるものではないが、例えば、多層ＦＲＰ層２２の内層側、すなわちＦＲＰ層２４ａから、Ｈｏ−Ｈｅ−Ｈｏ−Ｈｅ−Ｈｏ−Ｈｅや、Ｈｏ−Ｈｏ−Ｈｅ−Ｈｅ−Ｈｏ−Ｈｏや、Ｈｅ−Ｈｏ−Ｈｏ−Ｈｅ−Ｈｏ−Ｈｅ等が挙げられる。
【００２７】
次に、本実施形態に用いられるマトリックス樹脂について説明する。
【００２８】
マトリックス樹脂は、多層ＦＲＰ層の単層（例えば、図３に示す２４ａ）毎又は複数層（例えば、図３に示す２４ａ〜２４ｃ）毎に硬化開始温度の異なるものが用いられる。硬化開始温度の異なるものとして、多層ＦＲＰ層の単層毎又は複数層毎に使用されるマトリックス樹脂の硬化開始温度の差が、異なるものであればよいが、１０℃以上であるものが好ましい。例えば、硬化開始温度の異なる３種類のマトリックス樹脂を用いる場合、例えば、マトリックス樹脂Ａの硬化開始温度が８０℃であれば、マトリックス樹脂Ｂの硬化開始温度は、９０℃以上（又は７０℃以下）のものが好ましく、マトリックス樹脂Ｂの硬化開始温度が、９０℃（又は７０℃）であれば、マトリックス樹脂Ｃの硬化開始温度が、１００℃以上（又は６０℃以下）のものが好ましい。また、上記マトリックス樹脂Ａ，Ｂ，Ｃ（以下、単にＡ，Ｂ，Ｃ）を用いて、図３に示す多層ＦＲＰ層２２を形成する場合、その組み合わせとしては、例えば、多層ＦＲＰ層２２の内層側、すなわちＦＲＰ層２４ａから、Ａ−Ｂ−Ｃ−Ａ−Ｂ−Ｃ、Ａ−Ａ−Ｂ−Ｂ−Ｃ−Ｃ等が挙げられる。このように、多層ＦＲＰ層のうち、単層毎又は複数層毎に硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を用いることによって、多層ＦＲＰ層の各層のマトリックス樹脂含有量、繊維体積含有率を任意にコントロールすることができる。そのため、複雑な層構成を有する多層ＦＲＰ層を形成することができる。
【００２９】
ここで、繊維体積含有率とは、ＦＲＰ層の単位体積当たりの繊維が占める体積を表している。また、繊維体積含有率が高いと、ＦＲＰ層の単位体積当たりのマトリックス樹脂の量が少なく、繊維体積含有率が低いと、ＦＲＰ層の単位体積当たりのマトリックス樹脂の量が多くなる。
【００３０】
多層ＦＲＰ層の形成後、多層ＦＲＰ層を加熱硬化させることによって、ＦＲＰ部材が得られる。加熱条件は、多層ＦＲＰ層の厚さ、使用するマトリックス樹脂の種類等によって、適宜設定されるものであり、特に制限されるものではない。
【００３１】
図４は、マトリックス樹脂の硬化開始温度を説明するための図であり、マトリックス樹脂の昇温粘度曲線である。マトリックス樹脂の硬化開始温度とは、図４に示すマトリックス樹脂の昇温粘度曲線において、傾きがゼロから正（プラス）となる温度を言う。
【００３２】
また、マトリックス樹脂は、単層毎又は複数層毎に硬化開始温度が異なり、且つ硬化開始時の粘度も異なることが好ましい。硬化開始時の粘度の異なるものとして、単層毎又は複数層毎に使用されるマトリックス樹脂の硬化開始時の粘度の差が、異なるものであればよいが、１０Ｐａ・ｓ以上であることが好ましい。例えば、上記のマトリックス樹脂Ａ（硬化開始温度８０℃），Ｂ（硬化開始温度９０℃），Ｃ（硬化開始温度１００℃）であれば、例えば、マトリックス樹脂Ａの硬化開始時の粘度が３１０Ｐａ・ｓであれば、マトリックス樹脂Ｂの硬化開始時の粘度は、４００Ｐａ・ｓ以上のものが好ましく、マトリックス樹脂Ｂの硬化開始時の粘度が、４００Ｐａ・ｓであれば、マトリックス樹脂Ｃの硬化開始時の粘度が、４１０Ｐａ・ｓ以上のものが好ましい。
【００３３】
また、マトリックス樹脂の硬化開始時の粘度とは、図４に示すマトリックス樹脂の昇温粘度曲線において、上記説明した硬化開始温度時の粘度を言う。このように、硬化開始温度及び硬化開始時の粘度の異なるマトリックス樹脂を用いることによって、より効率的に、多層ＦＲＰ層の各層のマトリックス樹脂含有量、繊維体積含有率をコントロールすることができる。
【００３４】
図４に示すようなマトリックス樹脂の粘度曲線（又は硬化開始時の粘度）は、粘度測定装置（英弘精機社製、レオストレスＲＳ６００）によって、測定することができる。
【００３５】
また、多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど（図３に示す矢印Ｙ）硬化開始温度の低いマトリックス樹脂を用いて多層ＦＲＰ層を形成することが好ましい。外層に向かうほど（図３に示す矢印Ｙ）硬化開始温度の低いマトリックス樹脂を用いることによって、多層ＦＲＰ層の外層から、すなわち図３に示すＦＲＰ層２４ｆ内のマトリックス樹脂から硬化させることが可能となる。すなわち、先にマトリックス樹脂が硬化した外層（例えば、ＦＲＰ層２４ｆ）が壁となり、内層（例えば、ＦＲＰ層２４ａ）のマトリックス樹脂が、ＦＲＰ層外に染み出すことを抑制することができる。したがって、多層ＦＲＰ層内の内層側をマトリックス樹脂リッチ（すなわち低い繊維体積含有率）とし、外層側を高い繊維体積含有率とすることができるため、ＦＲＰ部材の強度向上、軽量化、品質等の点で有効である。
【００３６】
また、多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど（図３に示す矢印Ｙ）硬化開始温度の高いマトリックス樹脂を用いて多層ＦＲＰ層を形成することがより好ましい。外層に向かうほど硬化開始温度の高いマトリックス樹脂を用いることによって、内層側のマトリックス樹脂は、外層側に染み出す前に硬化するため、外層に向かうほど硬化開始温度の低いマトリックス樹脂を用いるより、多層ＦＲＰ層の内層側をマトリックス樹脂リッチとし、外層側を高い繊維体積含有率とすることができる。
【００３７】
また、多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど（図３の矢印Ｙ）硬化開始時の粘度が低いマトリックス樹脂を用いて多層ＦＲＰ層を形成することがより好ましい。多層ＦＲＰ層の外層に向かうほど硬化開始時の粘度の低いマトリックス樹脂を用いることによって、内層側のマトリックス樹脂は流れ難く、外層側のマトリックス樹脂は流れ易くなるため、多層ＦＲＰ層の内層側をマトリックス樹脂リッチとし、外層側を高い繊維体積含有率とすることができる。
【００３８】
本実施形態において、硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を多層ＦＲＰ層の単層毎又は複数層毎に用いるためには、使用するマトリックス樹脂の種類、分子構造、又は添加する硬化剤の種類を変えること等が必要である。
【００３９】
マトリックス樹脂の種類としては、フェノール樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。本実施形態では、例えば、上記樹脂等から硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を複数選択し、多層ＦＲＰ層の単層毎又は複数層毎に使用することができる。
【００４０】
また、マトリックス樹脂の分子構造としては、例えば、エポキシ樹脂の場合、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂等が挙げられる。本実施形態では、例えば、上記樹脂等から硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を複数選択し、多層ＦＲＰ層の単層毎又は複数層毎に使用することができる。
【００４１】
また、マトリックス樹脂に加える硬化剤としては、例えば、エチレンジアミン等の脂肪族アミン、ジエチレントリアミン等の脂肪族ポリアミン、メタフェニレンジアミンまたはジアミノジフェニルスルフォン等の芳香族アミン、ピペリジンまたはジアザピシクロウンデセン等の第一、第三アミン、メチルテトラヒドロ無水フタル酸等の酸無水物硬化剤等が挙げられる。本実施形態では、例えば、マトリックス樹脂の硬化開始温度を異ならせることができる硬化剤を複数選択し、多層ＦＲＰ層の単層毎又は複数層毎に使用することができる。
【００４２】
本実施形態に用いられる基材としては、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄等の金属材料、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂等の熱可塑性樹脂等が挙げられる。
【００４３】
本実施形態に用いられる繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、ポリエチレン繊維、スチール繊維、ザイロン繊維、ビニロン繊維等が挙げられる。また、本実施形態に用いられる繊維の繊維数（フィラメント）は、特に制限されるものではないが１０００〜５００００フィラメント、好ましくは３０００〜３００００フィラメントの範囲である。本実施形態に用いられる繊維の繊維数が、１０００フィラメントより低いと、繊維中に含まれるマトリックス樹脂の含有量が少なくなる場合があり、５００００フィラメントを超えると繊維が太くなり多層ＦＲＰ層を形成することが困難となる場合がある。特に高強度、高弾性率かつ軽量の点から炭素繊維が好ましい。
【００４４】
以上のように、本実施形態に係るＦＲＰ部材の製造方法は、多層ＦＲＰ層の単層又は複数層毎に、硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を用いることによって、多層ＦＲＰ層の各層のマトリックス樹脂の含有量、繊維体積含有率を任意にコントロールすることができる。また、多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど、硬化開始温度の低いマトリックス樹脂又は硬化開始温度の高いマトリックス樹脂を用いることによって、多層ＦＲＰ層の内層側をマトリックス樹脂リッチとし、外層側を高い繊維体積含有率とすることができるため、ＦＲＰ部材の強度向上、軽量化、品質向上等を図ることができる。
【００４５】
上記本実施形態に係るＦＲＰ部材の製造方法は、例えば、自動車等の車輌用プロペラシャフト等、車輌、消防、医療、レジャー用等に使用される空気、酸素、液化プロパンガス、液化天然ガス等の圧力容器（ガスボンベ）等の製造方法として使用することができる。
【実施例】
【００４６】
以下、実施例を挙げ、本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４７】
車輌用等に使用される圧力容器の製造方法を実施例として、以下説明する。
【００４８】
（実施例１）
＜圧力容器の製造に使用する各種材料＞
まず、圧力容器を構成する基材、すなわち、フィラメントワインディング法を用いてマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付ける基材について説明する。図５は、フィラメントワインディング法を用いてマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付ける基材の模式断面図である。基材２６は、口金部２８と、胴部３０と、ボス３２とを備える。
【００４９】
胴部３０は、ガス不透過性を有するものであればよく、胴部３０内の空洞部３４にガスが充填される。胴部３０は、例えば、上記説明した金属、樹脂等で形成される。
【００５０】
口金部２８は、空洞部３４内へガスを充填し、空洞部３４内からガスを取り出すノズルが取り付けられる。また、口金部２８、ボス３２は、フィラメントワインディング法を用いて基材２６にマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付ける際に、基材２６を回転させるための軸体として利用される。口金部２８、ボス３２は、強度の点で、上記説明した金属等で形成される。実施例１では、口金部２８、ボス３２をアルミ、又はＳＵＳで形成した。
【００５１】
次に、実施例１で使用したマトリックス樹脂について説明する。図６は、実施例１で使用したマトリックス樹脂の昇温粘度曲線を示す図である。昇温粘度曲線は、粘度測定装置（英弘精機社製、レオストレスＲＳ６００）により測定した。図６に示すような硬化開始温度の異なる３種類のマトリックス樹脂Ａ１，Ｂ１，Ｃ１を用いた。マトリックス樹脂Ａ１とは、エポキシ樹脂であり、図６の昇温粘度曲線から硬化開始温度は８５℃、硬化開始時の粘度は２１０Ｐａ・ｓであった。マトリックス樹脂Ｂ１とは、エポキシ樹脂であり、図６の昇温粘度曲線から硬化開始温度は９５℃、硬化開始時の粘度は３２０Ｐａ・ｓであった。マトリックス樹脂Ｃ１とは、エポキシ樹脂であり、図６の昇温粘度曲線から硬化開始温度は１５０℃、硬化開始時の粘度は４２０Ｐａ・ｓであった。
【００５２】
実施例１では、約２４０００フィラメントの炭素繊維を使用した。
【００５３】
＜多層ＦＲＰ層及びＦＲＰ部材の形成＞
多層ＦＲＰ層の形成には、図１に示すような湿式フィラメントワインディング法を用いた。また、実施例１では、多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど硬化開始温度の低いマトリックス樹脂を用いて多層ＦＲＰ層を形成した。以下具体的に説明する。
【００５４】
図１に示すリール１４ａから繰り出された繊維１６（上記説明した繊維）を、樹脂浴槽１０ａ内のマトリックス樹脂Ｃ１に浸漬させた後、ロール１８ａによって繊維１６内の余分なマトリックス樹脂Ｃ１を取り除いた。その後、マトリックス樹脂Ｃ１を浸漬させた繊維１６を、図５に示す基材２６にフープ巻きで巻き付け、ＦＲＰ層を２層形成した。その後、上記同様に、マトリックス樹脂Ｂ１を浸漬させた繊維１６を図５に示す基材２６にヘリカル巻きで、マトリックス樹脂Ａ１を浸漬させた繊維１６を図５に示す基材２６にフープ巻きで順次巻き付け、ＦＲＰ層をそれぞれ２層ずつ形成した。すなわち、計６層のＦＲＰ層を備えた多層ＦＲＰ層を形成した。
【００５５】
多層ＦＲＰ層の形成後、９０℃１時間、１００℃１時間、１１０℃１時間、１４０℃２時間で多層ＦＲＰ層を加熱硬化させ、ＦＲＰ部材としての圧力容器を得た。
【００５６】
図７は、圧力容器の模式断面図である。図８は、図７に示す点線枠ｒにおける圧力容器の拡大模式断面図である。実施例１では、図７及び図８に示すＦＲＰ部材１において、多層ＦＲＰ層３５のＦＲＰ層３６ａ，３６ｂには、マトリックス樹脂Ｃ１、ＦＲＰ層３６ｃ，３６ｄには、マトリックス樹脂Ｂ１、ＦＲＰ層３６ｅ，３６ｆには、マトリックス樹脂Ａ１を用いた。
【００５７】
このように、多層ＦＲＰ層３５のうち、外層に向かうほど硬化開始温度の低いマトリックス樹脂を用いることによって、多層ＦＲＰ層３５の外層（例えば、ＦＲＰ層３６ｅ，３６ｆ）から硬化させることが可能となり、内層（例えばＦＲＰ層３６ａ，３６ｂ）のマトリックス樹脂Ｃ１をＦＲＰ層外へ染み出すことを抑制することができた。その結果として、実施例１の圧力容器の多層ＦＲＰ層は、内層側（例えばＦＲＰ層３６ａ，３６ｂ）がマトリックス樹脂リッチ（すなわち低い繊維体積含有率）であり、外層側（例えば、ＦＲＰ層３６ｅ，３６ｆ）が高い繊維体積含有率であった。
【００５８】
（実施例２）
実施例２で使用したマトリックス樹脂について説明する。図９は、実施例２で使用したマトリックス樹脂の昇温粘度曲線を示す図である。図９に示すように、熱硬化開始温度の異なる３種類のマトリックス樹脂Ａ２，Ｂ２，Ｃ２を用いた。マトリックス樹脂Ａ２とは、エポキシ樹脂であり、図９の昇温粘度曲線から硬化開始温度は８０℃、硬化開始時の粘度は３８０Ｐａ・ｓであった。マトリックス樹脂Ｂ２とは、エポキシ樹脂であり、図９の昇温粘度曲線から硬化開始温度は９０℃、硬化開始時の粘度は３２０Ｐａ・ｓであった。マトリックス樹脂Ｃ２とは、エポキシ樹脂であり、図９の昇温粘度曲線から硬化開始温度は１００℃、硬化開始時の粘度は２００Ｐａ・ｓであった。また、基材、繊維については実施例１と同様のものを使用した。
【００５９】
＜多層ＦＲＰ層及びＦＲＰ部材の形成＞
多層ＦＲＰ層の形成には、図１に示すような湿式フィラメントワインディング法を用いた。また、実施例２では、多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど硬化開始温度の高いマトリックス樹脂を用いて多層ＦＲＰ層を形成した。以下具体的に説明する。
【００６０】
リール１４ａから繰り出された繊維１６（上記説明した繊維）を、樹脂浴槽１０ａ内のマトリックス樹脂Ａ２に浸漬させた後、ロール１８ａによって繊維１６内の余分なマトリックス樹脂Ａ２を取り除いた。その後、マトリックス樹脂Ａ２を浸漬させた繊維１６を、図５に示す基材２６にフープ巻きで巻き付け、ＦＲＰ層を２層形成した。その後、上記同様に、マトリックス樹脂Ｂ２を浸漬させた繊維１６を図５に示す基材２６にヘリカル巻きで、マトリックス樹脂Ｃ２を浸漬させた繊維１６を図５に示す基材２６にフープ巻きで順次巻き付け、ＦＲＰ層をそれぞれ２層ずつ形成した。すなわち、計６層のＦＲＰ層を備えた多層ＦＲＰ層を形成した。
【００６１】
多層ＦＲＰ層の形成後、８５℃１時間、９５℃１時間、１０５℃１時間、１３５℃２時間で多層ＦＲＰ層を加熱硬化させ、ＦＲＰ部材としての圧力容器を得た。
【００６２】
実施例２では、図７及び図８に示すＦＲＰ部材１において、多層ＦＲＰ層３５のＦＲＰ層３６ａ，３６ｂには、マトリックス樹脂Ａ２、ＦＲＰ層３６ｃ，３６ｄには、マトリックス樹脂Ｂ２、ＦＲＰ層３６ｅ，３６ｆには、マトリックス樹脂Ｃ２を用いた。
【００６３】
このように、多層ＦＲＰ層３５のうち、外層に向かうほど硬化開始温度の高いマトリックス樹脂を用いることによって、外層から硬化し内層側の樹脂の染み出しをおさえたため、内層（例えばＦＲＰ層３６ａ，３６ｂ）のマトリックス樹脂Ｃ１をＦＲＰ層外へ染み出すことを抑制することができた。その結果として、実施例２の圧力容器の多層ＦＲＰ層は、内層側（例えばＦＲＰ層３６ａ，３６ｂ）がマトリックス樹脂リッチであり、外層側（例えば、ＦＲＰ層３６ｅ，３６ｆ）が高い繊維体積含有率であった。
【００６４】
このように、多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど硬化開始温度の高い又は低いマトリックス樹脂を用いることによって、内層側をマトリックス樹脂リッチとし、外層側を高い繊維体積含有率とすることができた。特に、多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど硬化開始温度の低いマトリックス樹脂を用いることによって、内層側をマトリックス樹脂リッチとし、外層側を高い繊維体積含有率とすることができた。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】湿式フィラメントワインディング法による多層ＦＲＰ層の作製例を示す図である。
【図２】フィラメントワインディング法におけるフープ巻き及びヘリカル巻きの一例を示す模式図である。
【図３】フィラメントワインディング法により作製した多層ＦＲＰ層の一部模式断面図である。
【図４】マトリックス樹脂の硬化開始温度を説明するための図であり、マトリックス樹脂の昇温粘度曲線である。
【図５】フィラメントワインディング法を用いてマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付ける基材の模式断面図である。
【図６】実施例１で使用したマトリックス樹脂の昇温粘度曲線を示す図である。
【図７】圧力容器の模式断面図である。
【図８】図７に示す点線枠ｒにおける圧力容器の拡大模式断面図である。
【図９】実施例２で使用したマトリックス樹脂の昇温粘度曲線を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１ ＦＲＰ部材、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 樹脂浴槽、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ マトリックス樹脂、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ リール、１６ 繊維、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ ロール、２０，２６ 基材、２２，３５ 多層ＦＲＰ層、２４ａ〜２４ｆ，３６ａ〜３６ｆ ＦＲＰ層、２８ 口金部、３０ 胴部、３２ ボス、３４ 空洞部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フィラメントワインディング法によるＦＲＰ部材の製造方法の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の車輌用プロペラシャフト、電気自動車等に搭載される圧力容器（ガスボンベ）等は、鉄等に比べて軽量性、強靭性に優れているＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）部材が用いられている。ＦＲＰ部材は、例えば、樹脂等の基材と、マトリックス樹脂を含む繊維の層であるＦＲＰ層（又は多層ＦＲＰ層）とを備える。
【０００３】
多層ＦＲＰ層を形成する方法としては、一般的にフィラメントワインディング法が知られている。フィラメントワインディング法とは、例えば、マトリックス樹脂を含浸した繊維を、円筒状の基材に巻き付けて、多層ＦＲＰ層を形成するものである。
【０００４】
ＦＲＰ部材は、フィラメントワインディング法を用いて多層ＦＲＰ層を形成し、多層ＦＲＰ層を加熱硬化させることによって得られる。
【０００５】
例えば、特許文献１、２には、円筒状のガスバリア性を有する基材に、フィラメントワインディング法を用いて、マトリックス樹脂を含浸した繊維を巻き付けて多層ＦＲＰ層を形成し、多層ＦＲＰ層を加熱硬化等させて、ガスボンベを製造する方法が提案されている。
【０００６】
しかし、特許文献１、２の製造方法では、多層ＦＲＰ層内のマトリックス樹脂は、同一種類のものが用いられている。そのため、多層ＦＲＰ層を加熱硬化させる際に低粘度化したマトリックス樹脂が、多層ＦＲＰ層から流れ出てしまう。特に、多層ＦＲＰ層の内層側（基材側）のマトリックス樹脂が、硬化する前に外層側（基材と反対側）に染み出し易くなってしまう。
【０００７】
そうすると、多層ＦＲＰ層全体のマトリックス樹脂の含有量が減少して、繊維体積含有率（Ｖｆ）が高くなり、得られるＦＲＰ部材の強度が低下してしまう。
【０００８】
通常、加熱硬化時に多層ＦＲＰ層の内層側のマトリックス樹脂が、外層側に染み出さないようにするために、基材にマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付ける張力（フィラメントワインディング張力：以下ＦＷ張力）等で調製することも可能である。しかしＦＷ張力等で調製すると、多層ＦＲＰ層全体がマトリックス樹脂リッチとなり、繊維体積含有率が低くなるため、ＦＲＰ部材の重量増加、品質低下、剛性低下、強度低下等が起こる場合がある。
【０００９】
このように、通常、フィラメントワインディング法では、多層ＦＲＰ層の各層のマトリックス樹脂の含有量、繊維体積含有率をコントロールすることができない。後述する湿式フィラメントワインディング法では特に困難である。また、多層ＦＲＰ層の各層のマトリックス樹脂の含有量、繊維体積含有率をコントロールして、多層ＦＲＰ層の内層側をマトリックス樹脂リッチとし（すなわち低い繊維体積含有率）、外層側を高い繊維体積含有率とすることは、ＦＲＰ部材の強度向上、軽量化、品質向上等を図る点で有効である。
【００１０】
【特許文献１】特開平８−２１６２７７号公報
【特許文献２】特開平８−２１９３９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、多層ＦＲＰ層の各層のマトリックス樹脂の含有量、繊維体積含有率をコントロールすることができるＦＲＰ部材の製造方法である。特に、多層ＦＲＰ層の内層側をマトリックス樹脂リッチとし、外層側を高い繊維体積含有率とすることができるＦＲＰ部材の製造方法である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、基材にフィラメントワインディング法を用いてマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付けて多層ＦＲＰ層を形成し、前記多層ＦＲＰ層を加熱硬化させてＦＲＰ部材を製造するＦＲＰ部材の製造方法であって、前記多層ＦＲＰ層の単層毎又は複数層毎に、硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を用いる。
【００１３】
また、本発明は、基材にフィラメントワインディング法を用いてマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付けて多層ＦＲＰ層を形成し、前記多層ＦＲＰ層を加熱硬化させてＦＲＰ部材を製造するＦＲＰ部材の製造方法であって、前記多層ＦＲＰ層の単層毎又は複数層毎に、硬化開始温度及び硬化開始時の粘度が異なるマトリックス樹脂を用いる。
【００１４】
また、前記ＦＲＰ部材の製造方法において、前記多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど、硬化開始温度の低いマトリックス樹脂を用いることが好ましい。
【００１５】
また、前記ＦＲＰ部材の製造方法において、前記多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど、硬化開始温度の高いマトリックス樹脂を用いることが好ましい。
【００１６】
また、前記ＦＲＰ部材の製造方法において、前記多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど、硬化開始時の粘度が低いマトリックス樹脂を用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、多層ＦＲＰ層の単層又は複数層毎に、硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を用いることによって、多層ＦＲＰ層の各層のマトリックス樹脂の含有量、繊維体積含有率をコントロールすることができるＦＲＰ部材の製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
本発明の実施の形態について以下説明する。
【００１９】
本実施形態に係るＦＲＰ部材の製造方法は、基材にフィラメントワインディング法を用いてマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付けて多層ＦＲＰ層を形成し、多層ＦＲＰ層を加熱硬化させてＦＲＰ部材を製造するものであって、多層ＦＲＰ層の単層又は複数層毎に、硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を用いる。
【００２０】
本実施形態に用いられるフィラメントワインディング法には、湿式フィラメントワインディング法、乾式フィラメントワインディング法等がある。
【００２１】
図１は、湿式フィラメントワインディング法による多層ＦＲＰ層の作製例を示す図である。本実施形態では、硬化開始温度の異なる３種類のマトリックス樹脂を用いたものを例として説明する。
【００２２】
図１に示すように、リール１４ａから繰り出された繊維１６が、樹脂浴槽１０ａ内のマトリックス樹脂１２ａに浸漬された後、ロール１８ａによって繊維１６内の余分なマトリックス樹脂１２ａが取り除かれる。その後、マトリックス樹脂１２ａが浸漬された繊維１６は、基材２０に巻き付けられ、単層又は複数層のＦＲＰ層が形成される。その後、上記同様に、マトリックス樹脂１２ｂが浸漬された繊維１６が、基材２０に、マトリックス樹脂１２ｃが浸漬された繊維１６が基材２０に順次巻き付けられ、単層又は複数層のＦＲＰ層が形成される。このようにして多層ＦＲＰ層が形成される。
【００２３】
一方、乾式フィラメントワインディング法よる多層ＦＲＰ層の作製は、例えば、繊維に、予め硬化開始温度の異なる樹脂Ａ，Ｂ，Ｃをそれぞれ含浸したもの（プリプレグＡ，Ｂ，Ｃ）が、順次基材に巻き付けられ、多層ＦＲＰ層が形成される。
【００２４】
次に、フィラメントワインディング法によるマトリックス樹脂含有の繊維（プリプレグも含む）の巻き付け方の例を説明する。図２（イ）は、フィラメントワインディング法におけるフープ巻きの一例を示す模式図であり、図２（ロ）は、フィラメントワインディング法におけるヘリカル巻きの一例を示す模式図である。図２（イ）に示すように、フープ巻きとは、基材２０の軸方向（矢印Ｘ）に対して略垂直にマトリックス樹脂含有の繊維１６を巻き付けるものである。また、図２（ロ）に示すように、ヘリカル巻きとは、基材２０の軸方向（矢印Ｘ）に沿って、マトリックス樹脂含有の繊維１６をらせん状に巻き付けるものである。上記フープ巻き、ヘリカル巻き等によって、基材２０にＦＲＰ層を形成することができるが、本実施形態の巻きつけ方としては、上記フープ巻き、ヘリカル巻きに限定されるものでない。
【００２５】
図３は、フィラメントワインディング法により作製した多層ＦＲＰ層の一部模式断面図である。図３に示すように、基材２０表面に形成されている多層ＦＲＰ層２２は、上記説明したフープ巻き、ヘリカル巻き等によって、ＦＲＰ層が複数層形成されたものである。本実施形態では、図３に示すように、ＦＲＰ層を６層（２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ，２４ｅ，２４ｆ）形成したものを例として説明する。
【００２６】
多層ＦＲＰ層２２は、フープ巻き（以下Ｈｏと記す）、ヘリカル巻き（以下Ｈｅと記す）単独で形成されたものであっても、フープ巻き、ヘリカル巻きを組み合わせて形成されたものであってもよい。フープ巻き、ヘリカル巻きの組み合わせは、特に制限されるものではないが、例えば、多層ＦＲＰ層２２の内層側、すなわちＦＲＰ層２４ａから、Ｈｏ−Ｈｅ−Ｈｏ−Ｈｅ−Ｈｏ−Ｈｅや、Ｈｏ−Ｈｏ−Ｈｅ−Ｈｅ−Ｈｏ−Ｈｏや、Ｈｅ−Ｈｏ−Ｈｏ−Ｈｅ−Ｈｏ−Ｈｅ等が挙げられる。
【００２７】
次に、本実施形態に用いられるマトリックス樹脂について説明する。
【００２８】
マトリックス樹脂は、多層ＦＲＰ層の単層（例えば、図３に示す２４ａ）毎又は複数層（例えば、図３に示す２４ａ〜２４ｃ）毎に硬化開始温度の異なるものが用いられる。硬化開始温度の異なるものとして、多層ＦＲＰ層の単層毎又は複数層毎に使用されるマトリックス樹脂の硬化開始温度の差が、異なるものであればよいが、１０℃以上であるものが好ましい。例えば、硬化開始温度の異なる３種類のマトリックス樹脂を用いる場合、例えば、マトリックス樹脂Ａの硬化開始温度が８０℃であれば、マトリックス樹脂Ｂの硬化開始温度は、９０℃以上（又は７０℃以下）のものが好ましく、マトリックス樹脂Ｂの硬化開始温度が、９０℃（又は７０℃）であれば、マトリックス樹脂Ｃの硬化開始温度が、１００℃以上（又は６０℃以下）のものが好ましい。また、上記マトリックス樹脂Ａ，Ｂ，Ｃ（以下、単にＡ，Ｂ，Ｃ）を用いて、図３に示す多層ＦＲＰ層２２を形成する場合、その組み合わせとしては、例えば、多層ＦＲＰ層２２の内層側、すなわちＦＲＰ層２４ａから、Ａ−Ｂ−Ｃ−Ａ−Ｂ−Ｃ、Ａ−Ａ−Ｂ−Ｂ−Ｃ−Ｃ等が挙げられる。このように、多層ＦＲＰ層のうち、単層毎又は複数層毎に硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を用いることによって、多層ＦＲＰ層の各層のマトリックス樹脂含有量、繊維体積含有率を任意にコントロールすることができる。そのため、複雑な層構成を有する多層ＦＲＰ層を形成することができる。
【００２９】
ここで、繊維体積含有率とは、ＦＲＰ層の単位体積当たりの繊維が占める体積を表している。また、繊維体積含有率が高いと、ＦＲＰ層の単位体積当たりのマトリックス樹脂の量が少なく、繊維体積含有率が低いと、ＦＲＰ層の単位体積当たりのマトリックス樹脂の量が多くなる。
【００３０】
多層ＦＲＰ層の形成後、多層ＦＲＰ層を加熱硬化させることによって、ＦＲＰ部材が得られる。加熱条件は、多層ＦＲＰ層の厚さ、使用するマトリックス樹脂の種類等によって、適宜設定されるものであり、特に制限されるものではない。
【００３１】
図４は、マトリックス樹脂の硬化開始温度を説明するための図であり、マトリックス樹脂の昇温粘度曲線である。マトリックス樹脂の硬化開始温度とは、図４に示すマトリックス樹脂の昇温粘度曲線において、傾きがゼロから正（プラス）となる温度を言う。
【００３２】
また、マトリックス樹脂は、単層毎又は複数層毎に硬化開始温度が異なり、且つ硬化開始時の粘度も異なることが好ましい。硬化開始時の粘度の異なるものとして、単層毎又は複数層毎に使用されるマトリックス樹脂の硬化開始時の粘度の差が、異なるものであればよいが、１０Ｐａ・ｓ以上であることが好ましい。例えば、上記のマトリックス樹脂Ａ（硬化開始温度８０℃），Ｂ（硬化開始温度９０℃），Ｃ（硬化開始温度１００℃）であれば、例えば、マトリックス樹脂Ａの硬化開始時の粘度が３１０Ｐａ・ｓであれば、マトリックス樹脂Ｂの硬化開始時の粘度は、４００Ｐａ・ｓ以上のものが好ましく、マトリックス樹脂Ｂの硬化開始時の粘度が、４００Ｐａ・ｓであれば、マトリックス樹脂Ｃの硬化開始時の粘度が、４１０Ｐａ・ｓ以上のものが好ましい。
【００３３】
また、マトリックス樹脂の硬化開始時の粘度とは、図４に示すマトリックス樹脂の昇温粘度曲線において、上記説明した硬化開始温度時の粘度を言う。このように、硬化開始温度及び硬化開始時の粘度の異なるマトリックス樹脂を用いることによって、より効率的に、多層ＦＲＰ層の各層のマトリックス樹脂含有量、繊維体積含有率をコントロールすることができる。
【００３４】
図４に示すようなマトリックス樹脂の粘度曲線（又は硬化開始時の粘度）は、粘度測定装置（英弘精機社製、レオストレスＲＳ６００）によって、測定することができる。
【００３５】
また、多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど（図３に示す矢印Ｙ）硬化開始温度の低いマトリックス樹脂を用いて多層ＦＲＰ層を形成することが好ましい。外層に向かうほど（図３に示す矢印Ｙ）硬化開始温度の低いマトリックス樹脂を用いることによって、多層ＦＲＰ層の外層から、すなわち図３に示すＦＲＰ層２４ｆ内のマトリックス樹脂から硬化させることが可能となる。すなわち、先にマトリックス樹脂が硬化した外層（例えば、ＦＲＰ層２４ｆ）が壁となり、内層（例えば、ＦＲＰ層２４ａ）のマトリックス樹脂が、ＦＲＰ層外に染み出すことを抑制することができる。したがって、多層ＦＲＰ層内の内層側をマトリックス樹脂リッチ（すなわち低い繊維体積含有率）とし、外層側を高い繊維体積含有率とすることができるため、ＦＲＰ部材の強度向上、軽量化、品質等の点で有効である。
【００３６】
また、多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど（図３に示す矢印Ｙ）硬化開始温度の高いマトリックス樹脂を用いて多層ＦＲＰ層を形成することがより好ましい。外層に向かうほど硬化開始温度の高いマトリックス樹脂を用いることによって、内層側のマトリックス樹脂は、外層側に染み出す前に硬化するため、外層に向かうほど硬化開始温度の低いマトリックス樹脂を用いるより、多層ＦＲＰ層の内層側をマトリックス樹脂リッチとし、外層側を高い繊維体積含有率とすることができる。
【００３７】
また、多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど（図３の矢印Ｙ）硬化開始時の粘度が低いマトリックス樹脂を用いて多層ＦＲＰ層を形成することがより好ましい。多層ＦＲＰ層の外層に向かうほど硬化開始時の粘度の低いマトリックス樹脂を用いることによって、内層側のマトリックス樹脂は流れ難く、外層側のマトリックス樹脂は流れ易くなるため、多層ＦＲＰ層の内層側をマトリックス樹脂リッチとし、外層側を高い繊維体積含有率とすることができる。
【００３８】
本実施形態において、硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を多層ＦＲＰ層の単層毎又は複数層毎に用いるためには、使用するマトリックス樹脂の種類、分子構造、又は添加する硬化剤の種類を変えること等が必要である。
【００３９】
マトリックス樹脂の種類としては、フェノール樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。本実施形態では、例えば、上記樹脂等から硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を複数選択し、多層ＦＲＰ層の単層毎又は複数層毎に使用することができる。
【００４０】
また、マトリックス樹脂の分子構造としては、例えば、エポキシ樹脂の場合、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡＤ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂等が挙げられる。本実施形態では、例えば、上記樹脂等から硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を複数選択し、多層ＦＲＰ層の単層毎又は複数層毎に使用することができる。
【００４１】
また、マトリックス樹脂に加える硬化剤としては、例えば、エチレンジアミン等の脂肪族アミン、ジエチレントリアミン等の脂肪族ポリアミン、メタフェニレンジアミンまたはジアミノジフェニルスルフォン等の芳香族アミン、ピペリジンまたはジアザピシクロウンデセン等の第一、第三アミン、メチルテトラヒドロ無水フタル酸等の酸無水物硬化剤等が挙げられる。本実施形態では、例えば、マトリックス樹脂の硬化開始温度を異ならせることができる硬化剤を複数選択し、多層ＦＲＰ層の単層毎又は複数層毎に使用することができる。
【００４２】
本実施形態に用いられる基材としては、例えば、ステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、鉄等の金属材料、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂等の熱可塑性樹脂等が挙げられる。
【００４３】
本実施形態に用いられる繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、ポリエチレン繊維、スチール繊維、ザイロン繊維、ビニロン繊維等が挙げられる。また、本実施形態に用いられる繊維の繊維数（フィラメント）は、特に制限されるものではないが１０００〜５００００フィラメント、好ましくは３０００〜３００００フィラメントの範囲である。本実施形態に用いられる繊維の繊維数が、１０００フィラメントより低いと、繊維中に含まれるマトリックス樹脂の含有量が少なくなる場合があり、５００００フィラメントを超えると繊維が太くなり多層ＦＲＰ層を形成することが困難となる場合がある。特に高強度、高弾性率かつ軽量の点から炭素繊維が好ましい。
【００４４】
以上のように、本実施形態に係るＦＲＰ部材の製造方法は、多層ＦＲＰ層の単層又は複数層毎に、硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を用いることによって、多層ＦＲＰ層の各層のマトリックス樹脂の含有量、繊維体積含有率を任意にコントロールすることができる。また、多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど、硬化開始温度の低いマトリックス樹脂又は硬化開始温度の高いマトリックス樹脂を用いることによって、多層ＦＲＰ層の内層側をマトリックス樹脂リッチとし、外層側を高い繊維体積含有率とすることができるため、ＦＲＰ部材の強度向上、軽量化、品質向上等を図ることができる。
【００４５】
上記本実施形態に係るＦＲＰ部材の製造方法は、例えば、自動車等の車輌用プロペラシャフト等、車輌、消防、医療、レジャー用等に使用される空気、酸素、液化プロパンガス、液化天然ガス等の圧力容器（ガスボンベ）等の製造方法として使用することができる。
【実施例】
【００４６】
以下、実施例を挙げ、本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４７】
車輌用等に使用される圧力容器の製造方法を実施例として、以下説明する。
【００４８】
（実施例１）
＜圧力容器の製造に使用する各種材料＞
まず、圧力容器を構成する基材、すなわち、フィラメントワインディング法を用いてマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付ける基材について説明する。図５は、フィラメントワインディング法を用いてマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付ける基材の模式断面図である。基材２６は、口金部２８と、胴部３０と、ボス３２とを備える。
【００４９】
胴部３０は、ガス不透過性を有するものであればよく、胴部３０内の空洞部３４にガスが充填される。胴部３０は、例えば、上記説明した金属、樹脂等で形成される。
【００５０】
口金部２８は、空洞部３４内へガスを充填し、空洞部３４内からガスを取り出すノズルが取り付けられる。また、口金部２８、ボス３２は、フィラメントワインディング法を用いて基材２６にマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付ける際に、基材２６を回転させるための軸体として利用される。口金部２８、ボス３２は、強度の点で、上記説明した金属等で形成される。実施例１では、口金部２８、ボス３２をアルミ、又はＳＵＳで形成した。
【００５１】
次に、実施例１で使用したマトリックス樹脂について説明する。図６は、実施例１で使用したマトリックス樹脂の昇温粘度曲線を示す図である。昇温粘度曲線は、粘度測定装置（英弘精機社製、レオストレスＲＳ６００）により測定した。図６に示すような硬化開始温度の異なる３種類のマトリックス樹脂Ａ１，Ｂ１，Ｃ１を用いた。マトリックス樹脂Ａ１とは、エポキシ樹脂であり、図６の昇温粘度曲線から硬化開始温度は８５℃、硬化開始時の粘度は２１０Ｐａ・ｓであった。マトリックス樹脂Ｂ１とは、エポキシ樹脂であり、図６の昇温粘度曲線から硬化開始温度は９５℃、硬化開始時の粘度は３２０Ｐａ・ｓであった。マトリックス樹脂Ｃ１とは、エポキシ樹脂であり、図６の昇温粘度曲線から硬化開始温度は１５０℃、硬化開始時の粘度は４２０Ｐａ・ｓであった。
【００５２】
実施例１では、約２４０００フィラメントの炭素繊維を使用した。
【００５３】
＜多層ＦＲＰ層及びＦＲＰ部材の形成＞
多層ＦＲＰ層の形成には、図１に示すような湿式フィラメントワインディング法を用いた。また、実施例１では、多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど硬化開始温度の低いマトリックス樹脂を用いて多層ＦＲＰ層を形成した。以下具体的に説明する。
【００５４】
図１に示すリール１４ａから繰り出された繊維１６（上記説明した繊維）を、樹脂浴槽１０ａ内のマトリックス樹脂Ｃ１に浸漬させた後、ロール１８ａによって繊維１６内の余分なマトリックス樹脂Ｃ１を取り除いた。その後、マトリックス樹脂Ｃ１を浸漬させた繊維１６を、図５に示す基材２６にフープ巻きで巻き付け、ＦＲＰ層を２層形成した。その後、上記同様に、マトリックス樹脂Ｂ１を浸漬させた繊維１６を図５に示す基材２６にヘリカル巻きで、マトリックス樹脂Ａ１を浸漬させた繊維１６を図５に示す基材２６にフープ巻きで順次巻き付け、ＦＲＰ層をそれぞれ２層ずつ形成した。すなわち、計６層のＦＲＰ層を備えた多層ＦＲＰ層を形成した。
【００５５】
多層ＦＲＰ層の形成後、９０℃１時間、１００℃１時間、１１０℃１時間、１４０℃２時間で多層ＦＲＰ層を加熱硬化させ、ＦＲＰ部材としての圧力容器を得た。
【００５６】
図７は、圧力容器の模式断面図である。図８は、図７に示す点線枠ｒにおける圧力容器の拡大模式断面図である。実施例１では、図７及び図８に示すＦＲＰ部材１において、多層ＦＲＰ層３５のＦＲＰ層３６ａ，３６ｂには、マトリックス樹脂Ｃ１、ＦＲＰ層３６ｃ，３６ｄには、マトリックス樹脂Ｂ１、ＦＲＰ層３６ｅ，３６ｆには、マトリックス樹脂Ａ１を用いた。
【００５７】
このように、多層ＦＲＰ層３５のうち、外層に向かうほど硬化開始温度の低いマトリックス樹脂を用いることによって、多層ＦＲＰ層３５の外層（例えば、ＦＲＰ層３６ｅ，３６ｆ）から硬化させることが可能となり、内層（例えばＦＲＰ層３６ａ，３６ｂ）のマトリックス樹脂Ｃ１をＦＲＰ層外へ染み出すことを抑制することができた。その結果として、実施例１の圧力容器の多層ＦＲＰ層は、内層側（例えばＦＲＰ層３６ａ，３６ｂ）がマトリックス樹脂リッチ（すなわち低い繊維体積含有率）であり、外層側（例えば、ＦＲＰ層３６ｅ，３６ｆ）が高い繊維体積含有率であった。
【００５８】
（実施例２）
実施例２で使用したマトリックス樹脂について説明する。図９は、実施例２で使用したマトリックス樹脂の昇温粘度曲線を示す図である。図９に示すように、熱硬化開始温度の異なる３種類のマトリックス樹脂Ａ２，Ｂ２，Ｃ２を用いた。マトリックス樹脂Ａ２とは、エポキシ樹脂であり、図９の昇温粘度曲線から硬化開始温度は８０℃、硬化開始時の粘度は３８０Ｐａ・ｓであった。マトリックス樹脂Ｂ２とは、エポキシ樹脂であり、図９の昇温粘度曲線から硬化開始温度は９０℃、硬化開始時の粘度は３２０Ｐａ・ｓであった。マトリックス樹脂Ｃ２とは、エポキシ樹脂であり、図９の昇温粘度曲線から硬化開始温度は１００℃、硬化開始時の粘度は２００Ｐａ・ｓであった。また、基材、繊維については実施例１と同様のものを使用した。
【００５９】
＜多層ＦＲＰ層及びＦＲＰ部材の形成＞
多層ＦＲＰ層の形成には、図１に示すような湿式フィラメントワインディング法を用いた。また、実施例２では、多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど硬化開始温度の高いマトリックス樹脂を用いて多層ＦＲＰ層を形成した。以下具体的に説明する。
【００６０】
リール１４ａから繰り出された繊維１６（上記説明した繊維）を、樹脂浴槽１０ａ内のマトリックス樹脂Ａ２に浸漬させた後、ロール１８ａによって繊維１６内の余分なマトリックス樹脂Ａ２を取り除いた。その後、マトリックス樹脂Ａ２を浸漬させた繊維１６を、図５に示す基材２６にフープ巻きで巻き付け、ＦＲＰ層を２層形成した。その後、上記同様に、マトリックス樹脂Ｂ２を浸漬させた繊維１６を図５に示す基材２６にヘリカル巻きで、マトリックス樹脂Ｃ２を浸漬させた繊維１６を図５に示す基材２６にフープ巻きで順次巻き付け、ＦＲＰ層をそれぞれ２層ずつ形成した。すなわち、計６層のＦＲＰ層を備えた多層ＦＲＰ層を形成した。
【００６１】
多層ＦＲＰ層の形成後、８５℃１時間、９５℃１時間、１０５℃１時間、１３５℃２時間で多層ＦＲＰ層を加熱硬化させ、ＦＲＰ部材としての圧力容器を得た。
【００６２】
実施例２では、図７及び図８に示すＦＲＰ部材１において、多層ＦＲＰ層３５のＦＲＰ層３６ａ，３６ｂには、マトリックス樹脂Ａ２、ＦＲＰ層３６ｃ，３６ｄには、マトリックス樹脂Ｂ２、ＦＲＰ層３６ｅ，３６ｆには、マトリックス樹脂Ｃ２を用いた。
【００６３】
このように、多層ＦＲＰ層３５のうち、外層に向かうほど硬化開始温度の高いマトリックス樹脂を用いることによって、外層から硬化し内層側の樹脂の染み出しをおさえたため、内層（例えばＦＲＰ層３６ａ，３６ｂ）のマトリックス樹脂Ｃ１をＦＲＰ層外へ染み出すことを抑制することができた。その結果として、実施例２の圧力容器の多層ＦＲＰ層は、内層側（例えばＦＲＰ層３６ａ，３６ｂ）がマトリックス樹脂リッチであり、外層側（例えば、ＦＲＰ層３６ｅ，３６ｆ）が高い繊維体積含有率であった。
【００６４】
このように、多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど硬化開始温度の高い又は低いマトリックス樹脂を用いることによって、内層側をマトリックス樹脂リッチとし、外層側を高い繊維体積含有率とすることができた。特に、多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど硬化開始温度の低いマトリックス樹脂を用いることによって、内層側をマトリックス樹脂リッチとし、外層側を高い繊維体積含有率とすることができた。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】湿式フィラメントワインディング法による多層ＦＲＰ層の作製例を示す図である。
【図２】フィラメントワインディング法におけるフープ巻き及びヘリカル巻きの一例を示す模式図である。
【図３】フィラメントワインディング法により作製した多層ＦＲＰ層の一部模式断面図である。
【図４】マトリックス樹脂の硬化開始温度を説明するための図であり、マトリックス樹脂の昇温粘度曲線である。
【図５】フィラメントワインディング法を用いてマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付ける基材の模式断面図である。
【図６】実施例１で使用したマトリックス樹脂の昇温粘度曲線を示す図である。
【図７】圧力容器の模式断面図である。
【図８】図７に示す点線枠ｒにおける圧力容器の拡大模式断面図である。
【図９】実施例２で使用したマトリックス樹脂の昇温粘度曲線を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
１ ＦＲＰ部材、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 樹脂浴槽、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ マトリックス樹脂、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ リール、１６ 繊維、１８ａ，１８ｂ，１８ｃ ロール、２０，２６ 基材、２２，３５ 多層ＦＲＰ層、２４ａ〜２４ｆ，３６ａ〜３６ｆ ＦＲＰ層、２８ 口金部、３０ 胴部、３２ ボス、３４ 空洞部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材にフィラメントワインディング法を用いてマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付けて多層ＦＲＰ層を形成し、前記多層ＦＲＰ層を加熱硬化させてＦＲＰ部材を製造するＦＲＰ部材の製造方法であって、
前記多層ＦＲＰ層の単層毎又は複数層毎に、硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を用いること特徴とするＦＲＰ部材の製造方法。
【請求項２】
基材にフィラメントワインディング法を用いてマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付けて多層ＦＲＰ層を形成し、前記多層ＦＲＰ層を加熱硬化させてＦＲＰ部材を製造するＦＲＰ部材の製造方法であって、
前記多層ＦＲＰ層の単層毎又は複数層毎に、硬化開始温度及び硬化開始時の粘度が異なるマトリックス樹脂を用いることを特徴とするＦＲＰ部材の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載のＦＲＰ部材の製造方法であって、前記多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど、硬化開始温度の低いマトリックス樹脂を用いることを特徴とするＦＲＰ部材の製造方法。
【請求項４】
請求項１又は２記載のＦＲＰ部材の製造方法であって、前記多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど、硬化開始温度の高いマトリックス樹脂を用いることを特徴とするＦＲＰ部材の製造方法。
【請求項５】
請求項４又は５記載のＦＲＰ部材の製造方法であって、前記多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど、硬化開始時の粘度が低いマトリックス樹脂を用いることを特徴とするＦＲＰ部材の製造方法。
【請求項１】
基材にフィラメントワインディング法を用いてマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付けて多層ＦＲＰ層を形成し、前記多層ＦＲＰ層を加熱硬化させてＦＲＰ部材を製造するＦＲＰ部材の製造方法であって、
前記多層ＦＲＰ層の単層毎又は複数層毎に、硬化開始温度の異なるマトリックス樹脂を用いること特徴とするＦＲＰ部材の製造方法。
【請求項２】
基材にフィラメントワインディング法を用いてマトリックス樹脂を含む繊維を巻き付けて多層ＦＲＰ層を形成し、前記多層ＦＲＰ層を加熱硬化させてＦＲＰ部材を製造するＦＲＰ部材の製造方法であって、
前記多層ＦＲＰ層の単層毎又は複数層毎に、硬化開始温度及び硬化開始時の粘度が異なるマトリックス樹脂を用いることを特徴とするＦＲＰ部材の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載のＦＲＰ部材の製造方法であって、前記多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど、硬化開始温度の低いマトリックス樹脂を用いることを特徴とするＦＲＰ部材の製造方法。
【請求項４】
請求項１又は２記載のＦＲＰ部材の製造方法であって、前記多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど、硬化開始温度の高いマトリックス樹脂を用いることを特徴とするＦＲＰ部材の製造方法。
【請求項５】
請求項４又は５記載のＦＲＰ部材の製造方法であって、前記多層ＦＲＰ層のうち、外層に向かうほど、硬化開始時の粘度が低いマトリックス樹脂を用いることを特徴とするＦＲＰ部材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００８−１２６６１５（Ｐ２００８−１２６６１５Ａ）
【公開日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３１６９８５（Ｐ２００６−３１６９８５）
【出願日】平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月２４日（２００６．１１．２４）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]