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【発明の名称】 |
繊維強化複合材ホイル用エポキシ樹脂 |
| 【発明者】 |
【氏名】島田 政紀
【氏名】木村 浩巳
【氏名】長屋 重夫
【氏名】鹿島 直二 |
【課題】フィラメント・ワインディング法で使用される従来のエポキシ樹脂ではクラック等の発生により製造することができなかった、２０ｍｍ以上の肉厚品の成形が可能なエポキシ樹脂を提供する。また一般産業用途に必要とされる大型の炭素繊維強化複合材ホイルまたは高速回転フライホイル用ロータを提供する。
【解決手段】繊維強化複合材ホイルの製造において使用するエポキシ樹脂であって、ガラス転移点が４０℃以上１００℃以下であって、樹脂の破断歪みが３％以上の特性をもつことを特徴とする繊維強化複合材ホイル用エポキシ樹脂。またこれを使用した繊維強化複合材ホイルあるいは高速回転フライホイル用ロータとする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 繊維強化複合材ホイルの製造において使用するエポキシ樹脂であって、ガラス転移点が４０℃以上１００℃以下であり、樹脂の破断歪みが３％以上の特性をもつことを特徴とする繊維強化複合材ホイル用エポキシ樹脂。
【請求項２】 請求項１の繊維強化複合材ホイル用エポキシ樹脂を使用した繊維強化複合材ホイル。
【請求項３】 請求項１の繊維強化複合材ホイル用エポキシ樹脂を使用した２０ｍｍ以上の肉厚でクラックが発生しない繊維強化複合材ホイル。
【請求項４】 請求項１の繊維強化複合材ホイル用エポキシ樹脂を使用した高速回転フライホイル用ロータ。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、軽量で高強度、高弾性の繊維強化複合材が回転体として使用されつつある、遠心分離ロータ、フライホイル等の円筒回転体部材の一般産業分野における繊維強化複合材ホイルおよび繊維強化複合材ホイル用エポキシ樹脂に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】繊維強化複合材は、ガラス繊維、炭素繊維といった高性能繊維を繊維強化に用いることにより、軽量、高強度、耐腐食性などの優れた特性を発揮し、種々の分野への適用が行われている。その中でもパイプ形状などの軸対称物は、産業機器の各種ローラーやシャフト、各種アームやロータ、など様々な用途に用いられている。
【０００３】軸対称形状の繊維強化複合材の製造方法としては、フィラメント・ワインディング法、プリプレグ積層法、引き抜き成形方法などがある。これらの製造方法のうち、引き抜き成形法は生産性に優れるという特徴があるものの、繊維配向方向の自由度がなく特殊用途以外には用いられない。
【０００４】プリプレグ成形法はプリプレグと呼ばれるシート状の中間素材を芯金（マンドレル）に巻き付ける方法であり（軸対称物を成形する場合にはシート・ワインディング法とも呼ばれる）、繊維の方向を変えることができ、生産性が比較的高いという特徴がある。しかしながらプリプレグ積層方法は、肉厚が大きいものや、大型の管体を製造することは困難である。
【０００５】これに対してフィラメント・ワインディング法は、数百本乃至数万本の単繊維を合一した繊維束を、樹脂を含浸させながらマンドレルに巻きつける方法であり、繊維の配向方向を精密に制御することが可能な上、大型の成形物や肉厚の成形物が製造できるという特徴がある。
【０００６】プリプレグ成形方法では、成形厚みは５ｍｍ以下がほとんどであり、１０ｍｍまでの積層を実施すると、コスト的、時間的、品質的にフィラメント・ワインディング法に劣ることになる。
【０００７】しかしフィラメント・ワインディング法においても、従来のエポキシ樹脂を使用すると、成型厚みは５ｍｍ〜２０ｍｍ程度までがほとんどであり、３０ｍｍ近くなるとクラックの発生等が起こり、品質的に満足できるものを製造することは非常に困難であった。
【０００８】尚、フィラメント・ワインディング法で使用される樹脂は、繊維束に樹脂を含浸させながらマンドレルに繊維をまきつけることから、樹脂の粘度、ポットライフの制約を加味して一般的にガラス転移点１２０℃前後のものが一般的である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来のフィラメント・ワインディング法で使用されるエポキシ樹脂では、クラック等の発生により製造することができなかった、２０ｍｍ以上の肉厚品の成形が可能なエポキシ樹脂を提供し、一般産業用途に必要とされる大型の炭素繊維強化複合材ホイルを提供するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、ガラス転移点が４０℃以上１００℃以下であって、樹脂の破断歪みが３％以上の特性をもつエポキシ樹脂およびその樹脂を使用しフィラメント・ワインディング法で肉厚成形の大型の炭素繊維強化複合材ホイルまたはロータを製造することにある。
【００１１】
【発明の実施の形態】肉厚が２０ｍｍ以上、特に５０ｍｍ以上になると、クラックなしで繊維強化複合材ホイルを製造するには、ガラス転移点が４０℃以上１００℃以下であって、樹脂の破断歪みが３％以上の特性をもつエポキシ樹脂が必要となる。以下詳細に本発明のメカニズムを説明する。
【００１２】繊維強化エポキシ樹脂複合材が、クラックが発生するメカニズムとしては、繊維複合材の異方性が大きな因子となっており、繊維方向の強度に対し繊維垂直方向は１／１００程度の強度しかない。そこで、成形後の樹脂硬化で樹脂の硬化収縮と残留熱応力により高い応力が発生し、繊維垂直方向の弱い強度の点でクラックが発生してしまうことになる。
【００１３】薄い肉厚の時には、リングの内周と外周長さに差が少ないため樹脂の硬化収縮と残留熱応力は大きく発生しないが、径が大きくかつ肉厚が厚くなると内周と外周差が非常に大きくなることにより樹脂の硬化収縮と残留熱応力が大きくなる。
【００１４】本発明では、径が大きくかつ肉厚が厚くなり、内周と外周差が非常に大きくなっても、硬化時に割れずに成形できるエポキシ樹脂を提供し、一般産業用途に必要とされる大型の炭素繊維強化複合材ホイルを製造可能とする。
【００１５】本発明では、問題点を解決するための手段として樹脂の硬化収縮（線膨張係数）と残留熱応力の点と、割れ発生に直接かかわる繊維垂直方向強度、つまり樹脂の破壊について注目した。
【００１６】まず樹脂の硬化収縮（線膨張係数）と残留熱応力においては、残留熱応力を、σ＝Ｅ（弾性率）×線膨張率×（Ｔｇ−２０℃）とできる（Ｔｇ；ガラス転移点、以下Ｔｇと表示する）。樹脂はＴｇ以上ではゴム状態であり、温度変化によって熱応力は発生しないと考えられる。従って、硬化時の残留熱応力は、硬化温度からＴｇを経て室温まで下がる間の、Ｔｇから室温の温度差（ΔＴ）により発生するものと考えられる（硬化温度＞Ｔｇの場合）。これより線膨張率つまり樹脂の硬化収縮は、残留熱応力を現す因子である。そこで残留熱応力を小さく押さえるには線膨張率を小さくするか、Ｔｇを小さくすることによって残留熱応力を小さくおさえることができる。
【００１７】そこで本発明では、一般に１２０℃以上のＴｇをもつエポキシ樹脂にかわり、４０℃以上１００℃以下のＴｇをもつエポキシ樹脂を開発することにより、残留熱応力を押さえることにした。Ｔｇが４０℃より下になると残留熱応力は非常に小さくなるが、一般産業用途として使用するのに、４０℃付近では、樹脂がゴム状となり強度的に問題となる。また、１００℃以上だと現用のエポキシ樹脂とかわらず残留熱応力を下げることができない。
【００１８】好ましくは、一般産業用途で使用するために、４０℃付近でも強度が高く保持し、かつ厚みが非常に厚くなった時（５０ｍｍ以上）に残留熱応力を下げるために、５０℃以上９０℃以下のＴｇのエポキシ樹脂が良い。
【００１９】次に割れ発生に直接かかわる繊維垂直方向強度、つまり樹脂の破壊を考慮すると、樹脂の破断歪みが大きいものほど残留熱応力によって割れる可能性が低くなる。そこで本発明ではエポキシ樹脂の粘度、ポットライフも考慮して３％以上であれば、十分残留熱応力に耐えうる樹脂となることを見出した。破断歪みは大きければ大きいほど樹脂の破壊には有利であるが、粘度、ポットライフの点からも極端に高い樹脂は製造できない。
【００２０】
【実施例】以下、本発明を実施例によって更に具体的に説明する。本発明に使用する繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維のいずれでも良いが、特に繊維の異方性が強く、高弾性かつ高強度で高速の回転体に使用される炭素繊維において非常に有効である。この繊維を使用して本発明の樹脂を繊維に含浸した後、金属マンドレルに繊維を必要厚みに巻き付けるフィラメント・ワインディング法により成形する。その後、この成形体をオーブン中で硬化させ樹脂を硬化後、金属マンドレルを抜き製品リングとする。
【００２１】実施例１としてエポキシ樹脂ＥＰ１；Ｔｇ４７℃、実施例２としてエポキシ樹脂ＥＰ２；Ｔｇ８６℃、比較例としてエポキシ樹脂ＥＰ３；Ｔｇ１２０℃を用いた。
【００２２】以下表１にそれぞれの樹脂の各種特性値と破断歪み結果、熱応力結果を示す。
【表１】
表のように比較例は破断歪みは小さく、熱応力は大きくなっている。
【００２３】以下これらの樹脂を使用して、以下の同一条件でおのおの樹脂によるリング（筒状体）を製造し、クラックの状況を調べた。外径Φ４５０ｍｍ、幅７０ｍｍの金属マンドレルを準備して、おのおのの樹脂を含浸した弾性率３５３０ＭＰａの炭素繊維を肉厚７５ｍｍ巻き、外径Φ６００ｍｍのリング（筒状体）を成形した。この成形体を以下の条件で硬化した後、金属マンドレルより取り外し、側部断面を研磨してクラック発生の有無を確認した。
【００２４】実施例１；エポキシ樹脂ＥＰ１ ６０℃で４時間硬化実施例２；エポキシ樹脂ＥＰ２ ９０℃で１６時間硬化比較例１；エポキシ樹脂ＥＰ３ １３０℃で８時間硬化比較例２；エポキシ樹脂ＥＰ３ １３０℃で８時間硬化後１昼夜の徐冷却を実施【００２５】断面観察の結果は、以下のようになった。
実施例１；エポキシ樹脂ＥＰ１ 全く割れの発生なし実施例２；エポキシ樹脂ＥＰ２ 全く割れの発生なし比較例１；エポキシ樹脂ＥＰ３ 中央付近に大きな層間クラック比較例２；エポキシ樹脂ＥＰ３徐冷 上部１／３付近に小さなヘアークラック【００２６】ガラス転移点が４０℃以上１００℃以下であって、樹脂の破断歪みが３％以上の特性をもつエポキシ樹脂を使用の場合は、高速回転等の応力をかけても割れないリング（筒状体）を製造できたが、比較例の樹脂であると、除冷をして熱応力を緩和してもクラックをもたない製品の製造は困難であった。
【００２７】
【本発明の効果】本発明では、径が大きくかつ肉厚が厚くなり、内周と外周差が非常に大きくなっても硬化時に割れなく成形できるエポキシ樹脂を提供し、一般産業用途に必要とされる大型の炭素繊維強化複合材ホイルまたはロータを製造可能とした。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６６５５
【氏名又は名称】新日本製鐵株式会社
【識別番号】０００２１３２９７
【氏名又は名称】中部電力株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年５月３１日（２０００．５．３１） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１０７２５０
【弁理士】
【氏名又は名称】林 信之
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| 【公開番号】 |
特開２００１−３４２３２４（Ｐ２００１−３４２３２４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１２月１４日（２００１．１２．１４） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−１６１３３２（Ｐ２０００−１６１３３２） |
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