JPS5951903B2 - ２層プリプレグシ−ト - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は２層プリプレグシートに関し、さらに詳しくは
、繊維強化樹脂の釣竿やゴルフシャフトなどの管状体を
成形する場合に好適な２層プリプレグシートに関する。

一方向性プリプレグシート （以下、ＵＤプリプレグと
いう）は、炭素繊維やガラス繊維などの補強繊維を一方
向に並列かつシート状に引き揃え、これに予備硬化状態
のエポキシ樹脂や不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化
性樹脂を含浸せしめたもので、繊維強化樹脂（以下、Ｆ
ＲＰという）の釣竿やゴルフシャフトなどの管状体を成
形する場合によく使われている。

上記ＵＤプリプレグを使用したＦＲＰ管状体の成形は、
一般に次のようにして行われている。

すなわち、まず、成形しようとする管状体の内径とほぼ
等しい外径をもつテーパー付マンドレルを用意し、その
外表面に離型剤を塗布した後、ＵＤプリプレグをその補
強繊維の繊維軸が所望の方向を向くように所望の回数巻
き付け、さらにその上に熱収縮性テープを螺旋状に巻き
付け、加熱して上記熱収縮性テープによる成形圧力を与
えながら樹脂を硬化せしめ、冷却した後マンドレルを引
き抜くことによつて成形している。成形後、仕上加工を
施す場合もある。ところで、釣竿においては、できるだ
け軽く、かつ曲げ強度が高いことが要求されている。

すなわち、釣人は、極めて長時間、場合によつては早朝
から夜中まで、しかも悪い足場の上で釣竿を操作し続け
る。そのため、釣人の疲労は大変なもので、たとえｌ０
ｇでも軽い釣竿が望まれている。また、釣人によつては
、幾種類もの釣竿を釣場に運び、釣場の状況や魚種に応
じて使い分けているが、そのような場合、釣竿１本あた
りの重量はたとえわずかであつても、全体の重量は無視
し得ないはど大きなものになつてしまう。一方、曲げ強
度の問題は、釣竿にかかる応力がほとんど曲げ応力であ
ることから極めて重視され、曲げ剛性が適度であること
とともに釣竿の生命とまでいわれてｌいる。しかも、や
つかいなことに、曲げ応力は、たびたび衝撃的に加わる
ばかりか、いつも同じ大きさ、同じ種類の魚を釣り上げ
るわけではなく、また川底の岩などに釣針をひつかける
ようなこともあるので一定していない。この曲げ強度は
、補ｉ強繊維の使用量を多くすれば向上するが、そうす
ると肉厚や外径が大きくなつて重量が増大するばかりか
、補強繊維は特殊な繊維であるために高価であるからコ
ストが上昇する。このように、釣竿においては、重量の
軽減と曲げ強度の向上という、相反する課題を同時に解
決することが要求されているのである。ゴルフシヤフト
においても、事情は全く同様である。

すなわち、シヤフトを軽くすることができればその分ヘ
ツドの重量を増大させることができ、ヘツドが重くなれ
ばそれだけ打球時の慣性モーメントが大きくなり、ボー
ルの初速度も大きくすることができてボールをより遠方
に飛ばすことができる。また、打球時にシヤフトに加わ
る曲げ応力は大変なものであるから、シヤフトはこれに
耐える大きな曲げ強度を有していなければならない。加
えて、ゴルフシヤフトには高い曲げ剛性が要求されてい
る。すなわち、ボールを目的とする方向、位置に正確に
飛ばすためには、クラブをスイングし、へツドがボール
に当る際のフエース面が安定していなければならないか
ら、曲げ剛性を高くしてスイング時のクラブの姿勢を安
定させる必要があるわけである。ところで、ＦＲＰは、
補強繊維の繊維軸方向には高い強度や剛性を発現するが
、これらの特性は、繊維軸方向から離れる（繊維軸方向
に対して角度をもつ）にしたがつて急激に低下するとい
う、極めて異方性の大きな材料である。

換言すれば、ＦＲＰ管状体の曲げ強度は、上述した方法
において、ＵＤプリプレグをその補強繊維の繊維軸がマ
ンドレルの長手方向になるように巻き付けること、つま
り、補強繊維をその繊維軸が管状体の長手方向になるよ
うに配置した場合に最も高くなるように思える。しかし
ながら、そうすると、曲げ応力が加わつた時に生ずる横
断面方向の圧縮変形に対する強度（以下、圧縮強度とい
う）が低くなり、管状体は簡単に折れ曲がつてしまう。
すなわち、曲げによる座屈のために、曲げ強度は決して
高くならない。かかる問題を解決するために、従来は、
たとえば特公昭５４−３６６２４号公報に記載されてい
るように、単位面積当りの補強繊維の使用量が同一であ
る２枚のＵＤプリプレグを用い、マンドレルに巻き付け
る際にこれら２枚のＵＤプリプレグをその補強繊維の繊
維軸が互に交差するように手積みによつて重ね合わせ、
いずれか一方のＵＤプリプレグの補強繊維の繊維軸がマ
ンドレルの長手方向になるように、換言すれば、他方の
ＵＤプリプレグの補強繊維がマンドレルの周方向を向く
ように巻き付けている。

すなわち、これは、管状体の周方向に補強繊維を配置す
ることによつて圧縮に対する補強効果を与え、上記座屈
を防止しようとするものである。しかしながら、そうす
ると、こんどは圧縮強度が必要以上に高くなつてしまう
。すなわち、管状体に曲げ応力が加わつた場合に生ずる
横断面方向の圧縮変形の程度は、そのとき生ずる長手方
向の曲げ変形の程度にくらべてかなり小さいので、それ
ほど大きな周方向補強対策は必要でない。一方、管状体
に、所望の、たとえば曲げ剛性を与えるためには、それ
に見合う量の補強繊維を長手方向に配置する必要がある
。しかるに、補強繊維の使用量が同一である２枚のＵＤ
プリプレグを重ね合わせて使用すると、周方向の補強繊
維量が多くなりすぎてしまい、圧縮強度がオーバースペ
ツクになつてしまうのである。このオーバースペツクは
、肉厚や外径を必要以上に大きくして管状体の重量を増
大させるばかりか、炭素繊維のごとき高価な補強繊維の
過度の使用によるコストの上昇を招くことにもなる。も
つとも、上述したような問題は、上記他方のＵＤプリプ
レグ、すなわち補強繊維の繊維軸がマンドレルの周方向
を向くように巻き付けられるＵＤプリプレグの巻き付け
長さを調整することによつてある程度解決できる。

しかしながら、上記巻き付け長さは、通常、管状体の肉
厚が一様になるように、マンドレルをちようど整数回巻
き回す長さに調整されるから、かかる操作のみで最適な
圧縮強度を得るのは極めて難しい。本発明の目的は、従
米技術の上記欠点を解決し、少ない補強繊維の使用量で
も高い曲げ強度が得られ、しかも肉厚や外径の増大、ひ
いては重量の増大を防止することができるばかりか、コ
ストの安いＦＲＰ管状体を成形することができる２層プ
リプレグシートを提供するにある。

上記目的を達成するための本発明は、２枚の、補強繊維
の一方向性プリプレグシートを、層状に、かつ前記補強
繊維の繊維軸を互に交差させて貼着してなり、かつ一方
の一方向性プリプレグシートの単位面積当たりの補強繊
維の使用量は、他方の一方向性プリプレグシートの単位
面積当たりの補強繊維の使用量の８０％以下である２層
プリプレグシートを特徴とするものである。

本発明の２層プリプレグシートの一実施態様を説明する
に、第１図（概略正面図）および第２図（概略側面図）
において、１は単位面積当りの補強繊維の使用量が多い
ほうのＵＤプリプレグ（以下、第１のＵＤプリプレグと
いう）であり、２はこの第１のＵＤプリプレグ１に貼着
された、単位面積当りの補強繊維の使用量が少ないほう
のＵＤプリプレグ（以下、第２のＵＤプリプレグという
）であつて、仝体として２層構造を形成している。

これら第１、第２のＵＤプリプレグ１，２は、炭素繊維
やガラス繊維、有機高弾性繊維などの高強度、高弾性繊
維のマルチフイラメントからなる補強繊維３を一方向に
並列かつシート状に引き揃えたものに、予備硬化状態の
エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フエノール樹
脂などの熱硬化性樹脂（図示せず）が含浸されているよ
うなものである。そして、上記第１、第２のＵＤプリプ
レグ１，２は、それら各ＵＤプリプレグの補強繊維の繊
維軸が互に直交するように貼着されている。なお、４は
２層プリプレグシートを担持している離型紙である。上
記において、第１のＵＤプリプレグは、補強繊維を、炭
素繊維の場合で５５〜５００ｇ／Ｍｚ、ガラス繊維の場
合で７０〜６５０ｇ／ｍ・、有機高弾性繊維の場合で３
５〜３２５ｇ／Ｍ２程度使用し、かつ樹脂の含有率が２
０〜６０重量％、好ましくは２５〜５０重量％であるよ
うなものである。

これに対して、第２のＵＤプリプレグは、単位面積当り
の補強繊維の使用量、つまり１ｍ２当りの補強繊維の使
用量が、上記第１のＵＤプリプレグのそれの８０％以下
、好ましくは５０％以下であり、かつ樹脂の含有率が３
０〜８０重量％、好ましくは３５〜６０重量％であるよ
うなものである。ここにおいて、第２のＵＤプリプレグ
の樹脂含有率は、第１のＵＤプリプレグのそれよりも少
し高いほうが好ましい。すなわち、第２のＵＤプリプレ
グの樹脂含有率が第１のＵＤプリプレグのそれと同一で
あると、補強繊維の使用量が少ない分だけ樹脂の絶対量
が少なくなり、第１のプリプレグとの貼着性が悪くなる
。上記実施態様において、第１、第２のＵＤプリプレグ
に使用している補強繊維は同じ種類のものであるのが好
ましく、しかも炭素繊維であるのが最も好ましい。

しかしながら、異なる種類の補強繊維の組み合せ、たと
えば、第１のＵＤプリプレグに炭素繊維を使用し、第２
のＵＤプリプレグにガラス繊維や有機高弾性繊維を使用
するようなこともできる。また、第１、第２のＵＤプリ
プレグは、上記実施態様に示したように、その補強繊維
の繊維軸が互に直交するように貼着されているのが最も
好ましいが、用途によつては、±２５度以上±９０度未
満になるようにするなど、いわゆる斜交させてあつても
よい。

本発明においては、互に貼着された第１、第２のＵＤプ
リプレグのうち、第２のＵＤプリプレグの単位面積当り
の補強繊維の使用量を第１のＵＤプリプレグのそれの８
０％以下、好ましくは５０％以下にする。

これは、ＦＲＰ管状体の長手方向に所望量の補強繊維を
配置したときに最適な周方向補強が行われ、圧縮強度が
オーバースペツクにならないようにするために極めて重
要である。第２のＵＤプリプレグの単位面積当りの補強
繊維の使用Ｉ量を第１のＵＤプリプレグのそれの何％以
下にするかは、２枚のＵＤプリプレグの補強繊維の繊維
軸の交差角度や、管状体の用途などによつて異なるもの
の、上述したように８０％以下であれば問題はない。本
発明の２層プリプレグシートは、い′ろいろな方法によ
つて製造することができるが、次のその好ましい一例を
示す。

すなわち、予備硬化状態の熱硬化性樹脂を塗布した離型
紙上に所望量の補強繊維のストランドを”一方向に並列
かつシート状に並べ、その上に離型紙を重ね合わせ、７
０〜１７０℃、好ましくは８０〜１５０℃に加熱したプ
レスロールに通し、１ｃｍ当り数キログラムの線圧を与
えてストランドの押し拡げと樹脂の転移、含浸を行い、
冷却した後、後で重ね合わせた離型紙を剥ぎ取り、第１
（７）ＵＤプリプレグ素材、つまり単位面積当りの補強
繊維の使用量が多いほうのＵＤプリプレグ素材を得る。

上記と全く同様にして、しかし補強繊維の使用量は少な
＜して、第２のＵＤプリプレグ素材、つ’まり単位面積
当りの補強繊維の使用量が少ないほうのＵＤプリプレグ
素材を得る。

次に、上記第１、第２のＵＤプリプレグ素材を、第１、
第２のＵＤプリプレグが互に対向するように、かつ双方
の補強繊維の繊維軸が任意の角度で互に交差するよう重
ね合わせ、５０〜１００℃に加熱したプレスロールに通
し、１ｃｍ当り数キログラムの線圧を与えて一体に貼着
した後、第２のＵＤプリプレグ側の離型紙を剥ぎ取る。

すると、第１のＵＤプリプレグ素材の離型紙によつて担
持された本発明の２層プリプレグシートが得られる。本
発明の２層プリプレグシートを使用したＦＲＰ管状体の
成形は、それをマンドレルに巻き付ける際に、第１のＵ
Ｄプリプレグの補強繊維の繊維軸がマンドレルの長手方
向になるようにするのみで、上述した従来の方法と全く
同様に行うことができる。

以上説明したように、本発明の２層プリプレグシートは
、単位面積当りの補強繊維の使用量が多いＵＤプリプレ
グ、つまり第１のＵＤプリプレグと、単位面積当りの補
強繊維の使用量が少ないＵＤプリプレグ、つまり第２の
ＵＤプリプレグとを、補強繊維の繊維軸が互に交差する
ように貼着してなるものであるからして、これを用いて
成形したＦＲＰ管状体は、補強繊維の使用量が少なくて
も曲げ強度が高く、しかも軽量で、コストが安い。

すなわち、第２のＵＤプリプレグの補強繊維の使用量を
第１のＵＤプリプレグのそれの８０％以下の適当な値に
選定しておくことにより、２層プリプレグシートを、マ
ンドレルに対し、第１のＵＤプリプレグの補強繊維の繊
維軸がマンドレルの長手方向を向くように、かつ長手方
向に所望量の補強繊維が配置されるように巻き付けた場
合に、第２のＵＤプリプレグの補強繊維によつて最適な
周方向補強効果が与えられる。つまり、座屈による曲げ
強度の低下を有効に防止することができる。しかも、周
方向の補強効果がオーバースペツクになるのを防止する
ことができるから、管状体の肉厚はより薄くなり、外径
もより小さくなつて重量の増大が防止される。また、補
強繊維の使用量が同一である２枚のＵＤプリプレグを成
形時に手積みにより重ね合わせてマンドレルに巻き付け
る場合にくらべて高価な補強繊維の使用量が少なくてす
み、管状体のコストが低減される。また、本発明の２層
プリプレグシートは、マンドレルに巻き付ける場合、単
位面積当りの補強繊維の使用量が少ない第２のＵＤプリ
プレグの補強繊維の繊維軸がマンドレルの周方向を向く
ことになるから、巻回方向におけるしなやかさが高く、
巻回作業が極めて容易で、補強繊維の配列の乱れもほと
んどない。さらに、２枚のＵＤプリプレグを手積みによ
つて重ね合わせてマンドレルに巻き付ける場合にくらべ
て、補強繊維の使用量が同じであつても曲げ強度が高く
、かつ製品間の特性のばらつきの少ないＦＲＰ管状体を
得ることができる。

すなわち、成形時に手積みによつて２枚のＵＤプリプレ
グを重ね合わせると、重ね合せ面間に空気を抱き込み、
その空気が成形時の圧力によつても十分に抜けきらずに
残り、管状体にボードを発生しやすいが、ボードが発生
するとその部分に応力が集中するので、管状体の曲げ強
度が低くなるばかりか、製品間の特性のばらつきが大き
くなる。また、重ね合せ面間に空気を抱き込むと、マン
ドレルに巻き付ける際に、特に内側のＵＤプリプレグに
皺ができ、補強繊維が曲げられてその部分にやはり応力
が集中することになる。この場合、ＦＲＰの強度は上述
したように補強繊維の配置に大きく依存しているから、
曲げ強度は低下し、また製品間の特性のばらつきも大き
くなる。しかしながら、本発明の２層プリプレグシート
を使用すれば、２枚のＵＤプリプレグがあらかじめ貼着
されていて、成形時に手積みによつて重ね合わせること
はないから、上述した問題を生ずる必配がほとんどない
〜

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の２層プリプレグシートの
一実施態様を示す概略図で、第１図は正面図、第２図は
側面図である。 １：第１のＵＤプリプレグ、２：第２のＵＤプリプレグ
、３：補強繊維、４：離型紙。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ ２枚の、補強繊維の一方向性プリプレグシートを、
   層状に、かつ前記補強繊維の繊維軸を互に交差させて貼
   着してなり、かつ一方の一方向性プリプレグシートの単
   位面積当たりの補強繊維の使用量は、他方の一方向性プ
   リプレグシートの単位面積当たりの補強繊維の使用量の
   ８０％以下であることを特徴とする２層プリプレグシー
   ト。