JP4067855B2

JP4067855B2 - 長手方向に曲げ強度が改善された繊維強化樹脂製板状物

Info

Publication number: JP4067855B2
Application number: JP2002102044A
Authority: JP
Inventors: 勝座古; 巌小宮
Original assignee: FUKUI FIBERTECH CO Ltd
Current assignee: FUKUI FIBERTECH CO Ltd
Priority date: 2002-04-04
Filing date: 2002-04-04
Publication date: 2008-03-26
Anticipated expiration: 2022-04-04
Also published as: JP2003291233A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、いわゆるＦＲＰと呼ばれる繊維強化樹脂製板状物に関し、特に、風力発電用の風車翼として好適に用いられる長手方向に曲げ強度が改善された繊維強化樹脂製板状物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、風力発電の風車翼やヘリコプターの回転翼、あるいは飛行機の主翼や尾翼などの固定翼には、繊維強化樹脂製板状物が用いられている。中でも、風車翼などの回転翼においては、遠心力と空気抵抗によって、翼の長手方向に大きな曲げ応力が発生する。
【０００３】
このため、翼の長手方向における曲げ強度を向上させたものが要求されている。例えば、特開昭６４−６３１３２号公報や特開平６−７４１４２号公報においては、翼の長手方向に多くの補強繊維を配列させ、補強繊維によって、長手方向の曲げ強度を向上させる方法が提案されている。しかしながら、補強繊維は、太くても数十デニール程度であり、長手方向の曲げ強度を飛躍的に向上させることは困難であった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明者は、長手方向に飛躍的に曲げ強度を向上させた繊維強化樹脂製板状物を得るべく、鋭意検討していたところ、繊維強化樹脂製板状物中に、さらにその長手方向に繊維強化樹脂棒を挿入するという方法に想到した。一般的に、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）は非常に各種強度の高いものであり、ＦＲＰを更に何らかの素材で強化しようという発想は生じないものである。しかし、本発明者は、このような常識に反して、ＦＲＰ中に更にＦＲＰを挿入するという、従来無かった発想を得たのである。そして、この発想を実現すべく研究を重ねたところ、繊維強化樹脂棒をある特定の補強繊維構造体で挟着すれば、容易に、繊維強化樹脂棒を挿入させることができ、長手方向に曲げ強度が改善された繊維強化樹脂製板状物が得られることを見出し、本発明に至ったのである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、所定の間隔を置いて、平行に且つ長手方向に配置された複数本の繊維強化樹脂棒を、その上面及び下面に配置した少なくとも二枚の補強繊維構造体で挟着した後、全体に樹脂を含浸させてなる繊維強化樹脂製板状物であり、該補強繊維構造体の少なくとも一枚は、全補強繊維が一定の方向に引き揃えられた層Ａと、全補強繊維が他の一定の方向に引き揃えられた層Ｂとの少なくとも二層が積層されてなるものであることを特徴とする長手方向に曲げ強度が改善された繊維強化樹脂製板状物に関するものである。
【０００６】
本発明で使用する繊維強化樹脂棒１は、従来公知のものが用いられる。繊維強化樹脂棒１の断面形状は任意でよく、例えば、円形、楕円形、四辺形、三角形などでよい。曲げ強度を向上させるのに、最も好ましいのは円形である。
【０００７】
繊維強化樹脂棒１は、従来公知の方法で製造される。例えば、ガラス繊維ローヴィングなどの補強繊維束に樹脂を含浸させ、それを樹脂が含浸されたガラス繊維マットに被覆し、その後、加熱成形金型内で成形及び樹脂を硬化させることによって、得ることができる（連続引抜成形法）。補強繊維としては、ガラス繊維の他、炭素繊維なども用いることができる。また、樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂やエポキシ樹脂などを用いることができる。補強繊維と樹脂の重量割合は、一般的には、補強繊維の重量割合の方が多く、補強繊維：樹脂＝６０〜９５：４０〜５、程度である。
【０００８】
補強繊維構造体２は、繊維強化樹脂棒１の上面及び下面に配置されて、繊維強化樹脂棒１を挟着するから、少なくとも二枚必要である。この二枚のうち少なくとも一枚は、全補強繊維が一定の方向に引き揃えられた層Ａと、全補強繊維が他の一定の方向に引き揃えられた層Ｂとの少なくとも二層が積層されてなるものである。このような補強繊維構造体２は、特に、ＬＩＢＡ社製の「ＣＯＰＣＥＮＴＲＡＭＡＸ３ＣＮＣ」なる装置（図３）や、マイヤー社製の「マルチアクシャルモデル１４０２４」なる装置で製造することができる。これらの装置を用いれば、一定の方向に配列した補強繊維層Ａと、他の一定の方向に配列した補強繊維層Ｂとが積層された補強繊維構造体２を容易に得ることができる。図３に記載した例では、四箇所から補強繊維が供給されており、長手方向に配列した補強繊維層と、幅方向の配列した補強繊維層と、長手方向に対して左４５°（＋４５°）の方向に配列した補強繊維層と、長手方向に対して右４５°（−４５°）の方向に配列した補強繊維層とが積層されてなる四層の補強繊維構造体２が得られている。なお、図３の装置で、補強繊維の供給箇所を増加させれば、さらに多層の補強繊維構造体も得られるし、補強繊維の供給箇所を減少させれば、二層又は三層の補強繊維構造体も得られる。このような補強繊維構造体２と併用しうる他の補強繊維構造体としては、従来公知のものが用いられる。例えば、補強繊維マットやチョップドストランドマット（所定長に切断された補強繊維を集積したもの）が用いられる。
【０００９】
本発明では、特に長手方向に曲げ強度を向上させようというものであるから、長手方向に配列した補強繊維層Ａと幅方向の配列した補強繊維層Ｂとを具備する補強繊維構造体２を用いるのが好ましい。補強繊維層Ａによって、長手方向の曲げ強度が若干なりとも向上するからである。また、補強繊維層Ａだけでは取り扱いにくいため、補強繊維層Ｂを積層し、両層Ａ，Ｂを縫い糸で縫製し、一体化する。縫製の態様は、どのようなものでもよいが、ラッセル編の鎖編糸を編成しながら、一体化してもよい。その他、ミシンによる縫製であってもよい。
【００１０】
また、長手方向の曲げ強度の向上は、繊維強化樹脂棒によって十分に達成しうるので、バイヤス方向の曲げ強度を若干なりとも向上させるため、長手方向に対して左４５°の方向に配列した補強繊維層Ａと長手方向に対して右４５°の方向に配列した補強繊維層Ｂとを具備する補強繊維構造体２を用いるのが好ましい。この両層Ａ，Ｂによって、両バイヤス方向の曲げ強度を若干なりとも向上させることができるのである。また、両層Ａ，Ｂを縫い糸によって縫製すれば、一体化され、取り扱いやすくなる。なお、図３に記載した例の如く、四層の補強繊維構造体とすれば、幅方向及び両バイヤス方向のいずれもがほぼ均等に、その曲げ強度が若干向上し、特に幅方向と両バイヤス方向とで、バランスのとれた曲げ強度となるので好ましい。
【００１１】
補強繊維構造体２を構成する補強繊維は、ガラス繊維や炭素繊維などが採用される。図３に示した装置で補強繊維構造体を得る場合は、一般的に、ガラス長繊維（ガラス繊維ストランド）や炭素長繊維（炭素繊維ストランド）を集束したローヴィングが用いられる。ガラス繊維などのデニールは任意であり、また、ローヴィングの重量も任意である。なお、併用される他の補強繊維構造体が補強繊維マットやチョップドストランドマットである場合、ガラス繊維や炭素繊維は、一般的に、適宜の長さに切断したものが用いられる。
【００１２】
準備された繊維強化樹脂棒１は、その複数本を用いて、図２（ｉ）に示したように、所定の間隔を置いて、補強繊維構造体２上に、平行に且つ長手方向に配置される。次に、図２（ii）に示したように、配置された複数本の繊維強化樹脂棒１，１・・・の上面に、補強繊維構造体２が配置される。この結果、配置された繊維強化樹脂棒１，１・・・の上面及び下面に、補強繊維構造体２，２が配置されることになる。上面及び下面に配置する補強繊維構造体２，２は、同種のものであっても、異種のものであっても良い。また、一般的に、上面及び下面には一枚づつ、すなわち、二枚の補強繊維構造体２，２が配置されるが、例えば、下面に二枚、上面に一枚というように、三枚以上の補強繊維構造体が配置されていても良い。ここで、一枚の補強繊維構造体とは、一枚物として取り扱えるという意味であり、図３で示した装置で製造される多層構造の補強繊維構造体で、層間が縫い糸によって一体化しているものは、全体として一枚という意味である。
【００１３】
次に、図２（iii）に示したように、平行に配置された繊維強化樹脂棒１，１間において、補強繊維構造体２，２を縫い糸３で縫製する。図２では、繊維強化樹脂棒１，１・・・間において、縫製箇所が一箇所であるが、例えば二箇所以上を縫い糸３で縫製してもよい。また、図２では、繊維強化樹脂棒１，１・・・間の中間位置で縫製した例を示したが、むしろ、繊維強化樹脂棒１の近傍の両側で縫製するほうが、補強繊維構造体２，２同士が密着しやすくなるため、好ましい。縫い糸３として、従来公知のものが採用されるが、耐熱性や強度の点から、ポリエステル糸を用いるのが好ましい。また、炭素繊維糸やガラス繊維糸を用いることも、好ましいことである。この場合の縫製の態様も任意であるが、例えば、ラッセル編の鎖編糸を編成しながら、あるいはミシンによる縫製で一体化すればよい。以上によって、繊維強化樹脂棒１，１・・・は補強繊維構造体２，２で挟着され、全体が一体化する。
【００１４】
繊維強化樹脂棒１，１・・・が補強繊維構造体２，２によって挟着された一体化物には、全体に樹脂を含浸させる。含浸方法は、従来公知の方法で行えばよく、例えば、樹脂浴に浸漬する方法や、樹脂を何度も塗布する方法などが採用される。この樹脂としても、繊維強化樹脂棒１に用いられている樹脂の場合と同様に、不飽和ポリエステル樹脂やエポキシ樹脂などを用いることができる。樹脂の含浸量も任意であるが、一体化物の重量を１００重量部とすると、５０〜１５０重量部程度が好ましい。特に、樹脂の含浸量は、一体化物の重量と同程度が最も好ましい。
【００１５】
樹脂を含浸させた後、所定の方法で樹脂を硬化させれば、本発明に係る繊維強化樹脂製板状物を得ることができる。ここで、板状物とは、概ね平板状になっているという意味であり、曲面が存在することを否定しているものではない。例えば、風力発電の風車翼やヘリコプターの回転翼が持つ、多数の曲面や捩れが存在していても、概ね平板状であるため、本発明に係る板状物に含まれる。また、飛行機の主翼や尾翼などにも、多数の曲面や捩れが設けられているが、この場合も、同様に本発明に係る板状物に含まれる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【００１７】
実施例
まず、図３に記載した装置を用いて、長手方向に配列した補強繊維層Ａと幅方向の配列した補強繊維層Ｂとを積層し、両層Ａ，Ｂをポリエステル糸で鎖編糸で編成しながら縫って一体化し、幅１．２７ｍの補強繊維構造体を得た。この際、両層Ａ，Ｂを作成するのに使用した補強繊維は、ガラス長繊維（ストランド）からなるローヴィング（２．２ｇ／ｍ）である。そして、各層Ａ，Ｂは、各々４３３ｇ／ｍ²となるように調整した。
【００１８】
一方、連続引抜成形法で得られた繊維強化樹脂丸棒を、１０ｍｍの間隔を置いて平行に、かつ、繊維強化樹脂丸棒の長手方向が上記の補強繊維構造体の長手方向と一致するようにして、補強繊維構造体上に配置した。この丸棒は、径が２．９５ｍｍであり、その重量は１４．６４ｇ／ｍである。そして、補強繊維は、ガラス繊維であり、その含有量は７９重量％である。また、樹脂は、熱硬化性不飽和ポリエステル樹脂であって、１４０℃で加熱硬化させたものである。
【００１９】
次に、平行に配置された繊維強化樹脂丸棒の上面に、市販品である目付４５０ｇ／ｍ2 のチョップドストランドマットを配置した。このチョップドストランドマットは、ガラスストランドを１インチ程度に切断したチョップを堆積し、不飽和ポリエステル樹脂で固めたものである。なお、このチョップドストランドマットも、補強繊維構造体である。
【００２０】
以上のようにして、図２（ii）に示した状態とし、その後、繊維強化樹脂丸棒間の一箇所を、ポリエステル糸で鎖編糸を編成しながら縫い、図３記載の装置で得られた補強繊維構造体と、チョップドストランドマットからなる補強繊維構造体とで、平行に配置された繊維強化樹脂丸棒を挟着して、一体化物を得た。この一体化物の重量は、２８００ｇ／ｍ²であった。なお、ポリエステル糸は、図３記載の装置で得られた補強繊維構造体の積層を一体化するのにも使用されており、また一体化物を得るのにも使用されているが、全使用量は、２０ｇ／ｍ²である。
【００２１】
この一体化物に、不飽和ポリエステル樹脂（日本ユピカ社製「５８３６Ｐ−２」）１００重量部と、硬化剤であるアセチルアセトンパーオキサイド１重量部とよりなる樹脂組成物を含浸した。樹脂組成物の含浸量は、一体化物１００重量部に対して、樹脂組成物が１１７重量部となるようにした。そして、１２〜１５℃の雰囲気下で、２０分以上放置し、不飽和ポリエステル樹脂を硬化させた。
【００２２】
以上のようにして得られた繊維強化樹脂製板状物に関して、その長手方向について、ＪＩＳＫ７０５５に規定された３点曲げ試験を行った。その結果、最大応力が２３８ＭＰａで、弾性係数が６．１６ＧＰａであった。
【００２３】
比較例
繊維強化樹脂丸棒を使用しない他は、実施例と同様にして一体化物を得た。この一体化物の重量は、１３３６ｇ／ｍ²であった。そして、この一体化物に、実施例で用いた樹脂組成物を含浸した。含浸量は、一体化物１００重量部に対して、樹脂組成物が１０８重量部となるようにした。その後は、実施例と同様にして不飽和ポリエステル樹脂を硬化させ、繊維強化樹脂製板状物を得た。この繊維強化樹脂製板状物について、実施例と同様の３点曲げ試験を行ったところ、最大応力が１８１ＭＰａで、弾性係数が３．６２ＧＰａであった。
【００２４】
実施例で得られた繊維強化樹脂製板状物と、比較例で得られた繊維強化樹脂製板状物とを対比すれば明らかなように、最大応力及び弾性係数共に、実施例の方が高く、長手方向における曲げ強度が向上していることが分かる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る繊維強化樹脂製板状物は、その長手方向に、繊維強化樹脂棒が挿入され、一体化されているので、長手方向における曲げ強度を向上させうるという効果を奏する。そして、使用する補強繊維構造体の少なくとも一枚は、全補強繊維が一定の方向に引き揃えれた層Ａと、全補強繊維が他の一定の方向に引き揃えられた層Ｂとの少なくとも二層が積層されてなるものを用いるので、補強繊維構造体の厚みや物性を適宜変更でき、所望の繊維強化樹脂製板状物を得ることができるという効果を奏する。
【００２６】
また、本発明に係る繊維強化樹脂製板状物は、少なくとも二枚の補強繊維構造体で繊維強化樹脂棒が挟着され、しかも繊維強化樹脂棒間が縫い糸によって縫製されてなる一体化物に、樹脂含浸すれば、容易に得ることができるものである。すなわち、繊維強化樹脂棒と補強繊維構造体とが一体となっているため、取り扱いやすく、どのような樹脂含浸の方法でも採用することができるという効果を奏する。
【００２７】
また、本発明において使用する補強繊維構造体として、全補強繊維が一定の方向に引き揃えれた層Ａと、全補強繊維が他の一定の方向に引き揃えられた層Ｂとの少なくとも二層が積層されてなり、しかも、層Ａと層Ｂとが縫い糸によって縫製されているものを用いれば、補強繊維構造体の厚みや物性をどのように変更しようと、一枚物として取り扱うことができ、所望の繊維強化樹脂製板状物を得ることができるという効果を奏する。
【００２８】
また、繊維強化樹脂棒を構成する繊維及び樹脂と、補強繊維構造体を構成する補強繊維、更には最終的に含浸する樹脂として、同種のものを採用すれば、それぞれがより強固に一体化した繊維強化樹脂製板状物が得られるという効果を奏する。例えば、全ての繊維をガラス繊維とし、全ての樹脂をポリエステル不飽和樹脂とすれば、全体がより均質に、より強固に一体化した繊維強化樹脂製板状物が得られるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例に係る繊維強化樹脂製板状物の斜視図である。
【図２】本発明の一例に係る繊維強化樹脂製板状物を得る際の手順の一部を示した側面図である。
【図３】本発明に用いる補強繊維構造体を得るのに、最適な装置を示した斜視図である。
【符号の説明】
１繊維強化樹脂棒
２補強繊維構造体
３縫い糸

Claims

所定の間隔を置いて、平行に且つ長手方向に配置された複数本の繊維強化樹脂棒を、その上面及び下面に配置した少なくとも二枚の補強繊維構造体で挟着した後、全体に樹脂を含浸させてなる繊維強化樹脂製板状物であり、該補強繊維構造体の少なくとも一枚は、全補強繊維が一定の方向に引き揃えられた層Ａと、全補強繊維が他の一定の方向に引き揃えられた層Ｂとの少なくとも二層が積層されてなるものであることを特徴とする長手方向に曲げ強度が改善された繊維強化樹脂製板状物。
隣り合う繊維強化樹脂棒間で、少なくとも二枚の補強繊維構造体が縫い糸によって縫製されて、該繊維強化樹脂棒を挟着している請求項１記載の長手方向に曲げ強度が改善された繊維強化樹脂製板状物。
層Ａを構成する補強繊維は、長手方向に引き揃えられており、層Ｂを構成する補強繊維は、幅方向に引き揃えられている請求項１記載の長手方向に曲げ強度が改善された繊維強化樹脂製板状物。
層Ａを構成する補強繊維は、長手方向に対して＋４５°の方向に引き揃えられており、層Ｂを構成する補強繊維は、長手方向に対して−４５°の方向に引き揃えられている請求項１記載の長手方向に曲げ強度が改善された繊維強化樹脂製板状物。
層Ａと層Ｂとが縫い糸によって縫製されている請求項１記載の長手方向に曲げ強度が改善された繊維強化樹脂製板状物。
繊維強化樹脂棒に含有されている繊維がガラス繊維であり、補強繊維構造体を構成する繊維もガラス繊維である請求項１記載の長手方向に曲げ強度が改善された繊維強化樹脂製板状物。
繊維強化樹脂棒中の樹脂は不飽和ポリエステル樹脂が硬化したものであり、全体に含浸させた樹脂も不飽和ポリエステル樹脂である請求項１記載の長手方向に曲げ強度が改善された繊維強化樹脂製板状物。