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JP3233618B2 - 複合材の吸湿方法 - Google Patents

複合材の吸湿方法

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JP3233618B2
JP3233618B2 JP21427499A JP21427499A JP3233618B2 JP 3233618 B2 JP3233618 B2 JP 3233618B2 JP 21427499 A JP21427499 A JP 21427499A JP 21427499 A JP21427499 A JP 21427499A JP 3233618 B2 JP3233618 B2 JP 3233618B2
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N17/00—Investigating resistance of materials to the weather, to corrosion, or to light
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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  • Processing And Handling Of Plastics And Other Materials For Molding In General (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、複合材の強度評定
試験を行うとき、実環境下で所定年数経過後の複合材と
同等の吸湿状態にする複合材の吸湿方法。
【０００２】
【従来の技術】航空機などの複合材構造は、所定の耐用
年数経過後に所定の強度を保証する必要があり、そのた
めに実環境下で所定年数、たとえば２５年経過後の複合
材と同等の複合材を再現して強度評定試験を行う必要が
ある。実環境下で所定年数経過した複合材と新しい複合
材とは吸湿状態が大きく異なり、複合材はこの吸湿状態
が強度に大きく影響を与える。したがって、複合材の強
度評定試験を行うには実環境下に置かれた複合材と同等
の吸湿状態にして試験を行う必要がある。
【０００３】このような高い吸湿状態の複合材を得るた
めに、従来は大気圧下で温度が７１℃、相対湿度が９５
％ＲＨ以上の高湿度環境下に複合材を数週間置き、実環
境下での複合材と総吸湿量が等しくなるようにしてい
た。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】複合材構造には、板厚
１０ｍｍ以上の厚肉部が存在し、通常この肉厚部が強度
評定部となる。近年、航空機などで用いられる複合材構
造の肉厚部の厚みが大きくなり、これにともなって実環
境下と同等の吸湿状態を得るために必要な吸湿期間が長
期化し、たとえば数十週間から１年にわたる吸湿期間を
必要とする場合がある。これによって開発期間が長期化
するといった問題を有し、短期間で吸湿可能な複合材の
吸湿方法が望まれている。
【０００５】また、実環境下に置かれた複合材と、短期
間で吸湿させた複合材とでは吸湿分布が異なるといった
問題もある。
【０００６】図４は、複合材の厚み方向に沿う吸湿分布
を示すグラフであり、ライン１は、実環境下で２５年経
過後の複合材の吸湿分布を示し、ライン２は、温度が７
１℃、相対湿度が９５％ＲＨの高湿度環境下で３６週間
吸湿させた複合材の吸湿分布を示すグラフである。なお
グラフの縦軸は最大吸湿率に対する吸湿率の割合であ
り、複合材の単位重量当たりの水分含有率を重量％で表
す。横軸は表面からの距離を示し、ここでは複合材の厚
みは２０ｍｍであり、横軸は表面から中央まで、すなわ
ち１０ｍｍまでを示してある。
【０００７】このグラフから、実環境下での複合材では
表面と中央部とでは吸湿率の差がそれほど大きくない
が、高湿度環境下で短期間で吸湿させた複合材では、表
面と中央部とでは吸湿率の差が大きくなっている。つま
り、短期間で吸湿させた複合材では正確に実環境下の複
合材の吸湿状態を再現できていない。したがって、板厚
が大きくなると、従来の吸湿方法で吸湿させた複合材で
は正確に強度評定を行うことができなくなるいといった
問題を有する。このような問題は、特に板厚が１０ｍｍ
以上の複合材で顕著に現われてくる。
【０００８】本発明の目的は、複合材の吸湿処理を短期
間で行うとともに、実環境下に置かれた複合材と吸湿分
布も等しくすることができる複合材の吸湿方法を提供す
ることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の本発明
は、複合材を高湿環境下で吸湿させて、実環境下で所定
年数経過後の複合材と同等の吸湿状態にする複合材の吸
湿方法において、複合材を高温、高湿かつ高圧の圧力容
器内で吸湿させることを特徴とする複合材の吸湿方法で
ある。
【００１０】本発明に従えば、高圧の圧力容器内で複合
材に吸湿させるので、従来の吸湿方法に比べて飛躍的に
吸湿期間を短縮させることができる。
【００１１】請求項２記載の本発明は、複合材のガラス
転移点以下の高温で吸湿させることを特徴とする。
【００１２】請求項３記載の本発明は、相対湿度が７０
％ＲＨ以上、１００％ＲＨ以下の高湿で吸湿させること
を特徴とする。
【００１３】請求項４記載の本発明は、複合材を高湿環
境下で吸湿させて、実環境下で所定年数経過後の複合材
と同等の吸湿状態にする複合材の吸湿方法において、複
合材のガラス転移点以下の高温で、相対湿度が７０％Ｒ
Ｈ以上、１００％ＲＨ以下の高湿で、かつ大気圧よりも
高い高圧の圧力容器内で吸湿させることを特徴とする複
合材の吸湿方法である。
【００１４】本発明に従えば、複合材のガラス転移点以
下の条件で高温、高湿かつ高圧とすることで、可及的に
吸湿期間を短縮することができる。
【００１５】請求項５記載の本発明は、前記圧力容器内
の温度、湿度および圧力の条件を、予め定めるタイムテ
ーブルに従って変化させ、複合材の厚み方向の吸湿分布
を、実環境下で所定年数経過後の複合材と同等にするこ
とを特徴とする。
【００１６】本発明に従えば、圧力容器内の温度、湿度
および圧力の条件を変化させることによって、所望の吸
湿分布とすることができ、これによって必要とする実環
境下で所定年数経過後の複合材と同等の吸湿分布を有す
る複合材を得ることができ、板厚の大きい複合材であっ
ても正確に強度評定を行うことができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の複合材の吸湿方
法の一実施形態について説明する。
【００１８】本実施形態で用いる複合材は、たとえば航
空機で用いられ、たとえばヘリコプタのロータハブに用
いられる樹脂系複合材料である。また本実施形態で想定
する樹脂系複合材料は繊維強化複合材料であり、樹脂は
たとえばエポキシ樹脂であり、強化繊維はたとえばガラ
ス繊維である。また、他の実施形態として複合材の樹脂
をポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂またはフェノー
ル樹脂であってもよく、また強化繊維としてカーボン繊
維、セラミック繊維またはアラミド繊維であってもよ
い。
【００１９】航空機に用いられる複合材は、実環境下で
所定年数経過後の複合材の吸湿状態と同等の吸湿状態と
した複合材を用いて曲げ試験や引っ張り試験などの強度
評定試験を行う必要がある。そのために複合材を短期間
で吸湿させる必要がある。
【００２０】図１は、各種環境下における複合材の吸湿
時間と吸湿率との関係を示すグラフである。図１におい
て横軸は吸湿時間（ｈ）であり、縦軸は吸湿率（％）で
ある。この試験では、板状の複数の試験片をそれぞれ圧
力容器に入れ、それぞれ所定の圧力条件に保ち、所定時
間経過後の重量を測定して吸湿率を求めたものである。
図１においてライン３は従来の吸湿方法と同じ環境条
件、すなわち圧力が大気圧、温度が７１℃、相対湿度が
９５％ＲＨの環境条件でのグラフであり、ライン４は、
絶対圧力が１４８５ｈＰａ、温度が１２０℃、相対湿度
が７５％ＲＨの環境条件でのグラフであり、ライン５
は、絶対圧力が２９５３ｈＰａ、温度が１３３℃、相対
湿度が１００％ＲＨの環境条件でのグラフであり、ライ
ン６は、絶対圧力が４８６２ｈＰａ、温度が１５１℃、
相対湿度が１００％ＲＨの環境条件でのグラフである。
【００２１】ライン３〜６を比較して判るように、温度
および圧力が大きくなるほど吸湿率が飛躍的に大きくな
ることが判る。すなわち、温度および圧力が高いほど短
期間で吸湿させることができる。
【００２２】また、ライン３とライン４とを比較して判
るように、相対湿度が低い場合であっても温度が高い場
合の方が吸湿しやすいことが判る。
【００２３】以上の実験結果より、複合材を高温高圧の
圧力容器内で吸湿させることにより、短期間で所定量吸
湿させることができる。なお、本実施形態で高圧とは１
４００ｈＰａ〜５０００ｈＰａの範囲に選ばれ、好まし
くは１４００ｈＰａ〜３０００ｈＰａの範囲とする。ま
た、複合材の樹脂としてエポキシ樹脂を用いる場合、高
温とはエポキシ樹脂のガラス転移点である約１４０℃を
超えない範囲に選ばれ、たとえば、５０〜１３０℃の範
囲に選ばれる。したがって、温度条件は複合材に応じて
適宜変更する。
【００２４】次に複合材の圧力分布について説明する。
【００２５】前述したように、圧力容器を用いて高圧環
境下で吸湿させることによって、実環境下で所定年数、
たとえば２５年経過した複合材と同等の吸湿量を有する
複合材を短期間で得ることができる。
【００２６】しかしながら従来の技術で述べたように、
複合材の板厚が大きくなると、吸湿量が同じであっても
厚み方向の吸湿分布に実環境下の複合材と差が生じる。
特に本実施形態で想定する複合材はヘリコプタのロータ
ハブに用いられ、２０〜４０ｍｍ程度の板厚を有し、吸
湿量を等しくしただけでは吸湿分布が大きく異なってし
まう。
【００２７】したがって、本発明ではこの吸湿分布も等
しくなるように圧力容器内の環境条件を予め定めるタイ
ムテーブルに従って変化させる。このタイムテーブル
は、所定の吸湿分布が得られるように以下の基礎方程式
（１）〜（５）を用い、コンピュータでシミュレーショ
ンを行って決定する。
【００２８】
【数１】
【００２９】
【数２】
【００３０】
【数３】
【００３１】
【数４】
【００３２】 Ａ ：定数 ｂ ：定数 Ｃ ：水分濃度 Ｄ ：水分拡散係数 Ｄ0：定数 Ｊ ：水分の流速 Ｍ ：吸湿率 Ｍe：飽和吸湿率 Ｍm：最大吸湿率 Ｔ ：絶対濃度 ｘ ：板厚方向の座標 φ ：相対湿度 ρc：複合材の密度 τ ：時間
【００３３】図２のライン７は、上記基礎方程式（１）
〜（５）に基づいて決定したタイムテーブルの一例にし
たがってコンピュータでシミュレーションし、吸湿分布
として表したグラフであり、ライン８は、実環境下で２
５年経過した複合材をコンピュータでシミュレーション
し、吸湿分布として表したグラフである。ここで用いた
タイムテーブルは、温度が８５℃、相対湿度が８０％Ｒ
Ｈ、圧力が大気圧の第１の環境条件で３６週間保持し、
次に温度が８５℃、相対湿度が７０％ＲＨ、圧力が大気
圧の第２の環境条件で８週間保持するものである。なお
このシミュレーションでは複合材の板厚は２０ｍｍと
し、グラフの横軸は表面から厚み方向に沿って中央、す
なわち１０ｍｍまでの距離を示し、縦軸は飽和状態を１
００％としたときの複合材の吸湿率を示す。
【００３４】図２から判るように、ライン７とライン８
とはほぼ等しく、実環境下の複合材の吸湿分布と、予め
定めるタイムテーブルに従って圧力容器内の環境条件を
変化させてで吸湿させた複合材と、吸湿分布がほぼ等し
くなる。このことは、従来の技術で示した図４のグラフ
と比較することによってより明瞭となる。
【００３５】したがって、圧力、温度および湿度の異な
る複数の環境条件と、各環境条件に対応する予め定める
時間とから成るタイムテーブルを予めシミュレーション
によって決定し、このタイムテーブルに基づいて複合材
を入れた圧力容器内の環境条件を変化させることによっ
て、実環境下の複合材とほぼ等しい吸湿状態を有する複
合材を得ることができる。
【００３６】図２のグラフにおいて、第１および第２環
境条件は大気圧で一定としているが、図１で説明したよ
うに、複合材は高圧環境下で短期間で吸湿することがで
きる。したがって、このことも考慮して環境条件を決定
することによって、短期間で希望する吸湿状態を有する
複合材を得ることができる。
【００３７】たとえば、圧力容器内の環境条件を最初は
高圧とし、希望する実環境下の複合材の吸湿量と同等、
もしくはそれ以上にまず吸湿させ、次に希望する吸湿分
布となるように環境条件を変化させる。つまり、最初の
段階で短時間で充分に吸湿させ、つぎの段階で吸湿分布
を調整する。最初の段階が終わったときには吸湿分布が
異なっており、表面側ではほぼ１００％近い吸湿率を有
し、中央部ではほとんど吸湿していない状態となってい
るが、次の段階で、表面側の吸湿率を下げ、内部の吸湿
率を上げるように環境条件を変化させる。したがってこ
の調整段階では必ずしも圧力は高圧とならず、大気圧以
下となる場合もある。
【００３８】上述した吸湿方法では、複数種類の環境条
件を段階的に変化させるタイムテーブルを作成したが、
本発明はこのような段階的不連続に変化させるタイムテ
ーブルに限らず、圧力や温度などの環境条件を連続的に
変化させるタイムテーブルであってもよい。
【００３９】図３は、最大吸湿率に対する飽和吸湿率の
割合と強度保持率との関係を示すグラフである。このグ
ラフから判るように、複合材の吸湿率と強度とは深い関
係があり、最大吸湿率に対する飽和吸湿率の割合が大き
いほど強度保持率が低下する。したがってこの図３のグ
ラフからも複合材の強度評価には吸湿状態を充分に考慮
する必要があることが判る。
【００４０】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、圧力容器
内で高圧環境下で吸湿させることにより、従来に比べて
短期間で所定の吸湿量まで吸湿させることができる。
【００４１】また本発明によれば、複合材のガラス転移
点以下の条件で高温、高湿かつ高圧とすることで、可及
的に吸湿期間を短縮することができる。
【００４２】また本発明によれば、圧力容器内の環境条
件を、予め定めるタイムテーブルに従って変化させるこ
とによって、実環境下の複合材と同等の吸湿分布を有す
る複合材を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】各種環境下における吸湿時間と吸湿率との関係
を示すグラフである。
【図２】実環境下で所定期間経過した複合材と、予め定
めるタイムテーブルに従って環境条件を変化させて吸湿
させた複合材の吸湿分布とを示すグラフである。
【図３】最大吸湿率に対する飽和吸湿率の割合と強度保
持率との関係を示すグラフである。
【図４】実環境下で所定期間経過した複合材と従来の吸
湿方法で吸湿させた複合材の吸湿分布とを示すグラフで
ある。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 33/00 G01N 1/28 G01N 3/00 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複合材を高湿環境下で吸湿させて、実環
    境下で所定年数経過後の複合材と同等の吸湿状態にする
    複合材の吸湿方法において、 複合材を高温、高湿かつ高圧の圧力容器内で吸湿させる
    ことを特徴とする複合材の吸湿方法。
  2. 【請求項２】 複合材のガラス転移点以下の高温で吸湿
    させることを特徴とする請求項１記載の吸湿方法。
  3. 【請求項３】 相対湿度が７０％ＲＨ以上、１００％Ｒ
    Ｈ以下の高湿で吸湿させることを特徴とする請求項１ま
    たは２記載の吸湿方法。
  4. 【請求項４】 複合材を高湿環境下で吸湿させて、実環
    境下で所定年数経過後の複合材と同等の吸湿状態にする
    複合材の吸湿方法において、 複合材のガラス転移点以下の高温で、相対湿度が７０％
    ＲＨ以上、１００％ＲＨ以下の高湿で、かつ大気圧より
    も高い高圧の圧力容器内で吸湿させることを特徴とする
    複合材の吸湿方法。
  5. 【請求項５】 前記圧力容器内の温度、湿度および圧力
    の条件を、予め定めるタイムテーブルに従って変化さ
    せ、複合材の厚み方向の吸湿分布を、実環境下で所定年
    数経過後の複合材と同等にすることを特徴とする請求項
    １〜４のいずれかに記載の複合材の吸湿方法。
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