ＦＲＰ積層構造体とこれを用いた筐体
【課題】軽量でありながら、高い剛性を備えており、しかも衝撃荷重を良好に吸収できるようにする。
【解決手段】
表層部(２)と、両表層部(２)間に配置された内層部(３)とを備える。表層部(２)は、面状のＦＲＰ層(６)を備える。ＦＲＰ層(６)は、高強度有機連続繊維(４)とマトリックス樹脂(５)とを含む。内層部(３)は、複数の筒体(８)が面状に並列配置された筒体層(９)を備える。筒体(８)は、長さ方向が筒体層(９)の面方向に配置されている。筒体(８)は、高強度有機連続繊維とマトリックス樹脂とを含む。内層部(３)が複数の筒体層(９)を備える場合、各筒体層(９)は筒体(８)の長さ方向を互いに異ならせる。筒体(８)は、外周面に熱接着性の樹脂層を備える。
【解決手段】
表層部(２)と、両表層部(２)間に配置された内層部(３)とを備える。表層部(２)は、面状のＦＲＰ層(６)を備える。ＦＲＰ層(６)は、高強度有機連続繊維(４)とマトリックス樹脂(５)とを含む。内層部(３)は、複数の筒体(８)が面状に並列配置された筒体層(９)を備える。筒体(８)は、長さ方向が筒体層(９)の面方向に配置されている。筒体(８)は、高強度有機連続繊維とマトリックス樹脂とを含む。内層部(３)が複数の筒体層(９)を備える場合、各筒体層(９)は筒体(８)の長さ方向を互いに異ならせる。筒体(８)は、外周面に熱接着性の樹脂層を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＦＲＰ(繊維強化樹脂)積層構造体と筐体に関し、さらに詳しくは、軽量でありながら、高い剛性を備えており、しかも衝撃荷重を良好に吸収できる、ＦＲＰ積層構造体とこれを用いた筐体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＦＲＰ積層構造体は、金属に比較して軽量でありながら強度を備えていることから、各種の筐体や自動車用外板部材などさまざまな分野に使用されている。
この種のＦＲＰ積層構造体としては、連続繊維を用いた織物や一方向繊維シートに合成樹脂を含浸させてプリプレグシートを作成し、このプリプレグシートを複数積層して硬化させたものがある(例えば、特許文献１参照)。
【０００３】
しかしながら上記のＦＲＰ積層構造体は、剛性や耐衝撃性等の強度を高めると衝撃荷重の吸収が容易でなくなり、先端の尖った物体が衝突した際、この物体の先端が貫通してしまう虞がある。これを防止するため積層枚数を増やすなどして耐衝撃性を高めると、積層構造体の重量が過大となる問題がある。
【０００４】
この問題点を解消するため、複数のＦＲＰ層間に高伸度で破断する高破断伸度層を形成して、衝撃吸収性能を高めることが提案されている(特許文献２参照。)。しかしこの高破断伸度層を形成したものにあっても、衝撃吸収性能を高めるとともにＦＲＰ積層構造体の剛性を高めると、各層の肉厚を厚くしなければならず重量が過大となる問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０７−２５２３７２号公報
【特許文献２】特開２００５−２３８８３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の技術的課題は上記の問題点を解消し、軽量でありながら、高い剛性を備えており、しかも衝撃荷重を良好に吸収できる、ＦＲＰ積層構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記の課題を解決するために、例えば本発明の実施の形態を示す図１から図６に基づいて説明すると、次のように構成したものである。
即ち本発明１はＦＲＰ積層構造体に関し、高強度有機連続繊維(４)とマトリックス樹脂(５)とを含む面状のＦＲＰ層(６)を表層部(２)に備え、複数の筒体(８)が面状に並列配置された筒体層(９)を内層部(３)に備え、上記の筒体(８)は長さ方向が上記の筒体層(９)の面方向に配置されており、上記の筒体(８)が高強度有機連続繊維(10)とマトリックス樹脂(11)とを含むことを特徴とする。
また本発明２は筐体に関し、本発明１のＦＲＰ積層構造体(１)を用いたことを特徴とする。
【０００８】
本発明１のＦＲＰ積層構造体は、表層が高強度有機連続繊維とマトリックス樹脂とを含む面状のＦＲＰ層を備えるので、滑らかな表面に形成されている。一方、内層部は複数の筒体が面状に並列配置された筒体層を備え、上記の筒体は長さ方向が上記の筒体層の面方向に配置されているので、この筒体の外殻部の一部がＦＲＰ積層構造体の厚さ方向に配置され、優れた補強効果を発揮する。しかもこの筒体層は筒体内部が中空であるので、この筒体層を含むＦＲＰ積層構造体全体が軽量となる。
【０００９】
上記のＦＲＰ積層構造体が衝撃荷重を受けると、上記の筒体が圧潰されるように変形してその衝撃荷重が良好に吸収され、さらに上記のＦＲＰ層や筒体に含まれる高い強度の有機連続繊維により衝撃荷重が緩衝されるとともに確りと受け止められる。この結果、先端の尖った物体が衝突した場合であっても、この物体の先端は貫通し難く、その衝突によるＦＲＰ積層構造体の変形量が小さく抑えられる。
【００１０】
上記の内層部は、１層の筒体層を備えたものであってもよいが、筒体は長さ方向に対する曲げ剛性が最も高いので、筒体の長さ方向を互いに直交方向に配置するなど、その長さ方向を互いに異ならせた、複数の筒体層を備えると好ましい。
【００１１】
上記の筒体は、隣接する筒体や上記のＦＲＰ層と一体になっていると高い強度を備えるうえ、優れた衝撃荷重吸収性能を発揮できて好ましい。この一体化には、例えば接着剤を用いて接着したり、熱可塑性樹脂からなるシートや不織布を介在させ、これを加熱軟化させて筒体とＦＲＰ層とを接着したりしてもよい。しかし上記の筒体の外周面に熱接着性の樹脂層を備えると、加熱することにより容易に一体化できて好ましい。この熱接着性樹脂層としては、熱可塑性樹脂など加熱により軟化して接着性能を発揮できるものであればよく、特定のものに限定されないが、例えばポリエチレン樹脂フィルムのほか、ハイミラン(商品名、三井・デュポン ポリケミカル株式会社製)などのアイオノマー樹脂製フィルム等が好ましく、単層または複数層積層して用いられる。
【００１２】
上記のＦＲＰ層と筒体とに含まれる高強度有機連続繊維は、同じ種類の有機繊維であってもよく、或いは、互いに異なる種類の有機繊維であってもよい。
これらの高強度有機連続繊維としては、例えば、超高分子量ポリエチレン繊維、全芳香族ポリアミド繊維、全芳香族ポリエステル繊維、ヘテロ環高性能繊維、ポリアセタール繊維等が挙げられる。これらの繊維は単独で、または２種以上を任意の割合で用いることができる。しかし、上記のＦＲＰ層と筒体とに含まれる少なくともいずれかの高強度連続繊維が、全芳香族ポリアミド繊維であると好ましく、パラ系アラミド繊維が特に好ましい。
【００１３】
上記のＦＲＰ層や筒体に含まれる高強度有機連続繊維は、通常、シート状に形成されており、連続繊維を織成した織物や、連続繊維を一方向に引き揃えた一方向繊維シートが用いられる。これらのシートの使用枚数は１枚であってもよいが、複数枚を積層した状態にしてあると、強度や衝撃吸収性能が均一化されてより好ましい。
【００１４】
上記のＦＲＰ層に含まれるマトリックス樹脂は、本発明の効果を妨げない限り特定の合成樹脂に限定されないが、ポリオレフィン樹脂やポリアミド樹脂などの熱可塑性樹脂を用いると、高強度有機連続繊維による衝撃吸収性能が良好に発揮されて好ましい。
【００１５】
上記の筒体は、特定の形状のものに限定されないが、円形であると製作が容易であるうえ、衝撃吸収性能が良好に発揮されるので好ましい。
この筒体の直径や肉厚は特定の寸法に限定されないが、軸直交断面において外殻部の断面積比率が１５〜８５％程度であると、高い剛性や強度と良好な衝撃吸収性能を発揮できて好ましく、２０〜７０％程度であるとより好ましい。
【００１６】
上記の筒体に含まれるマトリックス樹脂は、特定の合成樹脂に限定されず、例えばポリアミド樹脂などの熱可塑性樹脂であってもよいが、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を用いると、高い剛性を発揮できて好ましい。この筒体に含まれるマトリックス樹脂の比率は特定の範囲に限定されないが、２０〜６５重量％であると、筒体を軽量にしながら、高い剛性と良好な衝撃吸収性能を発揮できて好ましく、２５〜６０重量％であるとより好ましく、３０〜５０重量％であるとさらに好ましい。
【００１７】
上記の本発明２は、上記の本発明１のＦＲＰ積層構造体を用いてあるので、軽量であるうえ剛性が高く、重量物を収容した際もこれらの収容物が良好に支持され、しかも衝撃荷重を受けた際に、物体がＦＲＰ積層構造体を貫通せず、ＦＲＰ積層構造体の変形量も小さく抑えられるので、収容物を損傷させる虞がない。このため、この筐体は特定の用途に限定されないが、車載用バッテリケースなどに用いると特に好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は上記のように構成され作用することから、次の効果を奏する。
(１)内層部は筒体を面状に並列配置した筒体層を備えるので中空構造となっており、ＦＲＰ積層構造体全体を軽量にできる。
(２)ＦＲＰ層と筒体とがいずれも高強度有機連続繊維を含むうえ、上記の筒体が優れた補強効果を発揮するので、ＦＲＰ積層構造体は高い剛性を備える。
(３)高強度有機連続繊維が衝撃力を緩衝できるうえ、上記の筒体は衝撃を受けると圧潰されるように変形して、その衝撃荷重を良好に吸収できる。この結果、先端の尖った物体が衝突した場合であっても、この物体の先端が貫通することを抑制でき、その衝突によるＦＲＰ積層構造体の変形量を小さく抑えることができる。
(４)上記のＦＲＰ積層構造体を用いた筐体は、収容物が重量物であっても変形することなく支持でき、しかも衝撃を受けた際に、収容物を安全に保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態のＦＲＰ積層構造体を示す、破断斜視図である。
【図２】第１実施形態の、筒体の一部破断斜視図である。
【図３】本発明の実施例と比較例の、構成と測定結果を示す対比表である。
【図４】第１実施形態のＦＲＰ積層構造体を用いた、筐体の断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態のＦＲＰ積層構造体を示す、破断斜視図である。
【図６】本発明の第３実施形態のＦＲＰ積層構造体を示す、破断斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面に基づいて本発明を具体的に説明する。
図１に示すように、このＦＲＰ積層構造体(１)は上下の表層部(２)と、両表層部(２)間に配置された内層部(３)とを備える。この表層部(２)は、高強度有機連続繊維(４)とマトリックス樹脂(５)とを含む面状のＦＲＰ層(６)からなり、周縁部(７)では、上下の表層部(２・２)同士が互いに直接接合してある。また上記の内層部(３)は、複数の筒体(８)が面状に並列配置された、上下２段の筒体層(９)を備える。
【００２１】
上記の筒体(８)は、長さ方向が上記の筒体層(９)の面方向に配置されており、図２に示すように、高強度有機連続繊維(10)とマトリックス樹脂(11)とを含んでいる。
この筒体(８)に含まれる高強度有機連続繊維(10)は、上記のＦＲＰ層(６)に含まれる高強度有機連続繊維(４)と同じ種類の有機繊維であってもよく、或いは互いに異なる種類の有機繊維であってもよい。
【００２２】
これらの高強度有機連続繊維(４・10)は特定の種類のものに限定されず、例えば、超高分子量ポリエチレン繊維、全芳香族ポリアミド繊維、全芳香族ポリエステル繊維、ヘテロ環高性能繊維、ポリアセタール繊維等を挙げることができ、これらの繊維を単独で、または２種以上を任意の割合で使用することができるが、なかでも、全芳香族ポリアミド繊維であると好ましく、パラ系アラミド繊維が特に好ましい。
【００２３】
上記の超高分子量ポリエチレン繊維とは、分子量が２０万程度以上、好ましくは６０万程度以上の、超高分子量ポリエチレンからなる繊維をいう。この超高分子量ポリエチレンとしては、ホモポリマーの他、エチレンと炭素原子数３〜１０程度の低級α−オレフィン類、例えばプロピレン、ブテン、ペンテン、へキセン等との共重合体も含むものが好適である。このエチレンとα−オレフィンとの共重合体の場合、後者の割合は炭素数１０００個当たり平均０．１〜２０個程度、好ましくは平均０．５〜１０個程度であるような共重合体が好ましい。
上記の超高分子量ポリエチレン繊維は、公知又はそれに準ずる方法により製造したものであってもよく、或いは、ダイニーマ（商品名、東洋紡績株式会社製）、スペクトラ（商品名、ハネウエル社製）、ハイゼックスミリオン（商品名、三井化学株式会社製）等の市販品を用いてもよい。
【００２４】
上記の全芳香族ポリアミド繊維としては、特に限定されないが、例えば、アラミド繊維等が挙げられる。アラミド繊維としては、パラ系アラミド繊維が好ましい。前記パラ系アラミド繊維としては、ポリパラフェニレンテレフタルアミド繊維（東レ・デュポン株式会社製、商品名：ケブラー２９、４９、１４９等）又はコポリパラフェニレン−３，４’−ジフェニルエーテルテレフタルアミド繊維（帝人株式会社製、商品名：テクノーラ）等が挙げられ、中でも、上記のポリパラフェニレンテレフタルアミド繊維が特に好ましい。かかる全芳香族ポリアミド繊維は、公知又はそれに準ずる方法で製造でき、また、上記のような市販品を用いてもよい。
【００２５】
上記の全芳香族ポリエステル繊維としては、特に限定されないが、例えば、パラヒドロキシ安息香酸の自己縮合ポリエステル、テレフタル酸とハイドロキノンからなるポリエステル、又はパラヒドロキシ安息香酸と６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸からなるポリエステルからなる繊維等が挙げられる。全芳香族ポリエステル繊維は、公知又はそれに準ずる方法で製造でき、また、例えばベクトラン（商品名、株式会社クラレ製）等の市販品を用いることもできる。
【００２６】
上記のヘテロ環高性能繊維としては、特に限定されないが、例えば、ポリパラフェニレンベンゾビスチアゾール（ＰＢＺＴ）繊維や、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール（ＰＢＯ）繊維等が挙げられる。ヘテロ環高性能繊維は、公知又はそれに準ずる方法で製造でき、また、例えばザイロン（商品名、東洋紡績株式会社製）等のＰＢＯ繊維等を用いることもできる。
【００２７】
上記のポリアセタール繊維としては、特に限定されないが、公知又はそれに準ずる方法で製造でき、また、例えばテナック（商品名、旭化成株式会社製）、デルリン（商品名、デュポン社製）等の市販品を用いることもできる。
【００２８】
上記のＦＲＰ層(６)に含まれるマトリックス樹脂(５)は特定の樹脂に限定されないが、熱可塑性樹脂が好ましく用いられる。この熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン系熱可塑性樹脂(例えば、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂等)、ポリアミド系熱可塑性樹脂(例えば、６ナイロン、６６ナイロン、ＭＣナイロン等のナイロン樹脂等)、ポリエステル系熱可塑性樹脂、スチレン系熱可塑性樹脂、ポリ塩化ビニル系熱可塑性樹脂、ポリウレタン系熱可塑性樹脂、ポリイミド系熱可塑性樹脂等を挙げることができるが、なかでもポリオレフィン系熱可塑性樹脂が好ましい。
【００２９】
上記のＦＲＰ層(６)の強度や衝撃吸収性能は、肉厚や、高強度有機連続繊維の種類、マトリックス樹脂の種類等によっても異なるが、樹脂含有率が多いと硬くなって剛性や耐衝撃性は優れたものとなり、樹脂含有率が少ないと柔らかくなって衝撃吸収性能が良好となる。このためこの樹脂含有率は、例えば１０〜６０重量％程度に設定されると好ましい。
【００３０】
上記のＦＲＰ層(６)は、任意の方法で高強度有機連続繊維(４)にマトリックス樹脂(５)を含浸させて形成することができる。例えば、高強度有機連続繊維(４)からなる織布と、熱可塑性樹脂からなる不織布とを所定の割合で積層し、熱可塑性樹脂の融点よりも高温で加熱しながら加圧することで、その樹脂を溶融させて上記の高強度有機連続繊維(４)に含浸させ、ＦＲＰ層(６)にすることができる。
【００３１】
上記の筒体(８)に含まれるマトリックス樹脂(11)は、特定の樹脂に限定されないが、熱硬化性樹脂を用いると、高い剛性を発揮できるうえ、耐熱性が高いので、熱接着性樹脂による上記のＦＲＰ層との熱接着など、加熱処理を容易に施すことができて好ましい。これらの熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂等を挙げることができる。
【００３２】
上記のエポキシ樹脂としては、特に限定されないが、ビスフェノールＡ、ビスフェノールＡＤ、ビスフェノールＦもしくはビスフェノールＳのジグリシジルエーテル化合物またはその高分子量同族体、フェノールノボラック型ポリグリシジルエーテルまたはクレゾールノボラック型ポリグリシジルエーテル類等が挙げられる。さらにこれらのハロゲン化誘導体も使用できる。さらに合成過程で、ビスフェノールＡ、ビスフェノールＡＤ、ビスフェノールＦ、ビスフェノールＳ等のフェノール類をこれらのグリシジルエーテルと反応させて得られた芳香族系エポキシ樹脂等、また脂肪族系エポキシ樹脂を使用してもよい。エポキシ樹脂は本発明の効果を妨げない限り特に限定されず、公知の製造方法により得ることができ、市販品を用いてもよい。
【００３３】
上記の不飽和ポリエステル樹脂としては、特に限定されないが、公知の方法により製造されるものを用いることができ、市販品を用いてもよい。例えば、多価アルコールからなるアルコール成分と、α、β−不飽和多価カルボン酸類と、飽和多価カルボン酸類および芳香族多価カルボン酸類からなる酸成分とを用いて公知の製造方法により得ることができる。
また上記のビニルエステル樹脂も、本発明の効果を妨げない限り特に限定されず、公知の方法により製造されるものを用いることができ、市販品を用いてもよい。
【００３４】
この第１実施形態では、図２に示すように、上記の筒体(８)は、上記のマトリックス樹脂(11)以外に、熱接着性の樹脂層(12)を外周面に備えている。この熱接着性樹脂には、加熱により軟化して接着性能を発揮するものであればよく、特定のものに限定されない。例えばポリエチレン樹脂フィルムや、ハイミラン(商品名、三井・デュポン ポリケミカル株式会社製)などの熱可塑性樹脂が好ましく用いられるが、熱接着性樹脂を含む塗料などの塗布により形成したものであってもよい。
【００３５】
上記の筒体(８)の強度や衝撃吸収性能は、外径や肉厚、高強度有機連続繊維の種類、マトリックス樹脂(11)の種類、樹脂の含有率等によっても異なる。
例えばこの筒体(８)の外径や肉厚は特定の値に限定されないが、軸直交断面において外殻部の断面積比率が１５〜８５％程度であると、高い剛性や強度と良好な衝撃吸収性能を発揮できて好ましく、２０〜７０％程度であるとより好ましい。
【００３６】
また上記の筒体(８)に含まれるマトリックス樹脂(11)の比率は、特定の値に限定されないが、この含有率が２０〜６５重量％であると、筒体(８)を軽量にしながら高い剛性と良好な衝撃吸収性能を発揮できて好ましく、２５〜６０重量％であるとより好ましく、３０〜５０重量％であるとさらに好ましい。
【００３７】
上記の筒体(８)は、特定の方法で製造されたものに限定されず、公知の方法により製造することができる。例えば、高強度有機連続繊維の織布や一方向繊維シートに未硬化状態の熱硬化性樹脂を含浸させてプリプレグシートを作成し、このフリプレグシートを棒状の芯材に捲回したのち硬化させ、芯材を引き抜くことで筒体(８)にすることができる。
【００３８】
なおこの第１実施形態では、図２に示すように、高強度有機連続繊維(10)を並列配置した一方向繊維シートを用いてあり、その高強度有機連続繊維(10)の長さ方向が筒体(８)の長さ方向と一致するように上記の一方向繊維シートを捲回してある。しかし本発明では、高強度有機連続繊維(10)の長さ方向が、例えば筒体(８)の長さ方向と一致するプレプリグシートと、筒体(８)の周方向に一致するプレプリグシートとを積層して硬化したものであってもよく、或いは高強度有機連続繊維(10)の織布を用いたものであってもよい。
【００３９】
上記のＦＲＰ積層構造体(１)は、上記のＦＲＰ層(６)と筒体(８)とを用いて任意の方法により製造される。例えば、一層または複数層のＦＲＰ層(６)の上に、上記の筒体(８)を長さ方向が水平方向となるように並列配置して１段目の筒体層(９)を形成する。そしてその上に、筒体(８)を長さ方向が水平方向で上記の１段目の筒体(８)とは直交する方向に並列配置して、２段目の筒体層(９)を形成し、その上に一層または複数層のＦＲＰ層(６)を配置する。このように積層したものを、例えば熱プレス等により加熱・加圧することで、周縁部(７)では上下のＦＲＰ層(６)同士が直接、一体に接着され、中間部では隣接する筒体(８)同士が接着されるとともに、上記のＦＲＰ層(６)と筒体層(９)とが互いに接着されて、上記のＦＲＰ積層構造体(１)が製造される。なお、このＦＲＰ積層構造体(１)は、周縁部(７)で上下のＦＲＰ層(６)同士が直接接着され、筒体層(９)はこのＦＲＰ層(６)で包み込まれた状態となっているので、優れた剛性や衝撃吸収性能等を発揮できて好ましい。
【実施例】
【００４０】
以下、実施例および比較例を用いて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
【００４１】
［実施例１］
(１)ＦＲＰ層
高強度有機連続繊維として、ポリパラフェニレンテレフタルアミド繊維であるケブラーＫ−２９ １６７０ｄｔｘ(東レ・デュポン株式会社製)を用い、平織の織布を形成した。この織布の織密度は、タテ方向とヨコ方向とも、インチ当り３３００ｄｔｅｘ×９.３本とした。マトリックス樹脂としては、ポリプロピレン樹脂製不織布を用いた。上記の高強度有機連続繊維製織布を４枚と、それらの間や両側に配置したポリプロピレン樹脂製不織布とを、重量比が約５０：５０となるように重ね合せ、５分間、１９０℃、約１ＭＰａの熱と圧力を加えてＦＲＰ層を形成した。得られたＦＲＰ層は、目付けが６５７ｇ／ｍ２であり、厚さが０.６０ｍｍであった。
【００４２】
(２)筒体
高強度有機連続繊維として、ポリパラフェニレンテレフタルアミド繊維であるケブラーＫ−２９ １６７０ｄｔｘ(東レ・デュポン株式会社製)を用い、繊維を一方向に揃えた一方向性繊維シート(ＵＤシート)を形成した。このＵＤシートに、樹脂含有率が３０重量％となるようにエポキシ樹脂をホットメルト方式にて含浸させ、プリプレグとした。このプリプレグを所定の芯部材に捲回したのち、外周面に厚さ０.０６ｍｍのポリエチレン樹脂フィルムを積層して筒体を形成した。得られた筒体は、断面が真円形であり、外径が７ｍｍ、内径が４ｍｍで、外殻部の断面積比率が約６７％であり、重量が３１.８ｇ／ｍであった。
【００４３】
(３)ＦＲＰ積層構造体
上記のＦＲＰ層の上に筒体を並列配置して１段の筒体層を形成し、その上に上記のＦＲＰ層を配置したのち、５分間、１８０℃、約０.１ＭＰａの熱と圧力を加えてＦＲＰ層と筒体とを一体化し、実施例１のＦＲＰ積層構造体とした。
【００４４】
［実施例２］
実施例１と同じＦＲＰ層と筒体を用い、１段目の筒体層を形成したうえに１段目の筒体とは直交する方向に筒体を並列配置して２段目の筒体層を形成した以外は、実施例１と同様に一体化して、実施例２のＦＲＰ積層構造体とした。
【００４５】
［実施例３］
筒体の外径を６ｍｍとした以外は、実施例１と同じ筒体とＦＲＰ層を用い、実施例２と同様に筒体層を２段に形成して一体化し、実施例３のＦＲＰ積層構造体とした。
【００４６】
［比較例１］
実施例１と同じ高強度有機連続繊維製織布とポリプロピレン樹脂製不織布とを用い、上記の高強度有機連続繊維製織布を８枚と、それらの間や両側に配置したポリプロピレン樹脂製不織布とを、重量比が約５０：５０となるように重ね合せ、５分間、１９０℃、約１ＭＰａの熱と圧力を加えて一体化し、ＦＲＰ層のみからなる、比較例１のＦＲＰ積層構造体を得た。
【００４７】
［比較例２］
高強度有機連続繊維製織布とポリプロピレン樹脂製不織布との重量比が約８５：１５となるようにした以外は、比較例１と同様の高強度有機連続繊維製織布とポリプロピレン樹脂製不織布とを用い、同様に一体化して、比較例２のＦＲＰ積層構造体を得た。
【００４８】
［比較例３］
高強度有機連続繊維製織布を１８枚用いた以外は、比較例２と同様の高強度有機連続繊維製織布とポリプロピレン樹脂製不織布とを同様の重量比で用い、同様に一体化して、比較例３のＦＲＰ積層構造体を得た。
【００４９】
次に、上記の各実施例と比較例について、衝撃吸収性能と曲げ剛性を測定した。各試験の測定方法は次の通りである。
【００５０】
〔衝撃吸収性能〕
各実施例および比較例のＦＲＰ積層構造体を１１０ｍｍ角にカットしてサンプルとし、ＡＳＴＭ Ｄ−３７６３に準じて、落錘型衝撃試験機（商品名：Dynatup（登録商標） 9200、インストロン社製）を用いて、カットしたサンプルの周縁部を固定枠で支持し、このサンプルの中央部に錘体を落下せて、２５０Ｊの衝撃エネルギーで衝突させ、サンプルの状態を測定した。錘体は下端が直径１／２インチの棒状体からなり、実荷重１７．８６２ｋｇのものを用いた。
サンプルの状態測定は、錘体の衝突により、錘体下端がサンプルを貫通するか否かと、
サンプル下面の下方への変形寸法とを測定した。
【００５１】
〔曲げ剛性〕
各実施例および比較例のＦＲＰ積層構造体を５０ｍｍ×１００ｍｍにカットしてサンプルとし、ＪＩＳ Ｋ ７０１７：１９９９(繊維強化プラスチック−曲げ特性の求め方)に基づいて、３点曲げ(Ａ法)により測定した。より具体的には、各サンプルを支点間距離８０ｍｍで支持し、その中央に荷重を、５ｍｍ／分の速度で加えて最大曲げ荷重を測定した。 上記の各構成と測定結果を、図３の対比表に示す。
【００５２】
上記の衝撃吸収性能の測定結果から明らかなように、筒体層を備えない比較例１〜３では、いずれも錘体の先端が貫通し、サンプル下面の下方への変形量が３０ｍｍ以上と大きい。これに対し筒体層を備える本発明の実施例１〜３にあっては、錘体がいずれも貫通せず、サンプル下面の下方への変形量を２５ｍｍ以下の小さな値に抑えることができた。
【００５３】
また上記の曲げ剛性の測定結果から明らかなように、筒体層を備えない比較例１、２にあっては、曲げ荷重が極めて小さい。これに対し、筒体層を備える本発明の実施例１〜３にあっては、曲げ荷重が大幅に向上し、例えば実施例２を比較例１と対比すると、目付けが１０倍程度以下であるのに対し、曲げ荷重が１５０倍以上となっている。従って、必要な高い曲げ剛性を備えるＦＲＰ積層構造体を、軽量にできることが確認された。
【００５４】
図４は上記のＦＲＰ積層構造体(１)を用いて形成した筐体(13)の断面図であり、車載用バッテリケースとして用いてある。即ち、この筐体(13)の底部と周側部と上面部とに、それぞれ上記のＦＲＰ積層構造体(１)が用いてあり、内部空間に車載用バッテリ(14)が収容してある。このＦＲＰ積層構造体(１)は軽量であるうえ、剛性が高く、しかも衝撃吸収性能に優れるので、上記のバッテリ(14)を底部のＦＲＰ積層構造体(１)で安定良く支持しながら、下方をはじめ様々な方向からの衝撃に対し、バッテリ(14)が損傷しないように確りと保護している。
【００５５】
上記の実施形態では、内層部に２段の筒体層を用いた。しかし本発明ではこの筒体層を１段で構成してもよく、或いは３段以上に構成してもよい。
例えば図５に示す第２実施形態では、内層部(３)に１段の筒体層(９)を備えている。その他の構成は上記の第１実施形態と同様であり、同様に形成され、同様に作用するので説明を省略する。
【００５６】
また上記の各実施形態では、いずれも内層部を筒体層で構成した。しかし本発明は、内層部に筒体層以外の層を備えていてもよい。
例えば図６に示す第３実施形態では、内層部(３)に筒体層(９)とＦＲＰ層(15)とを備えている。即ち、この実施形態では、上記の第１実施形態と同様、２段の筒体層(９)を備えており、各筒体層(９)は、筒体(８)の長さ方向が互いに直交する方向に配置してある。しかしこの第３実施形態では、両筒体層(９・９)間に、表層部(２)に用いたと同様のＦＲＰ層(15)が配置してある。なお本発明では、この内層部(３)に配置されたＦＲＰ層(15)は、表層部(２)に用いたＦＲＰ層(６)と異なる材質の高強度有機連続繊維やマトリックス樹脂を含むものであったり、樹脂含有率が異なるものであってもよい。その他の構成は上記の第１実施形態と同様であり、同様に形成され、同様に作用するので説明を省略する。
【００５７】
上記の各実施形態や実施例で説明したＦＲＰ積層構造体とこれを用いた筐体は、本発明の技術的思想を具体化するために例示したものであり、各部の形状や寸法、材質などをこれらの実施形態のものに限定するものではなく、本発明の特許請求の範囲内において種々の変更を加え得るものである。
【００５８】
例えば上記の実施形態では、断面が真円状の筒体を用いたが、本発明では断面が楕円形やその他の異形断面の筒体を用いてもよい。また上記の実施例では、いずれもアラミド繊維を用いたが、本発明では他の高強度有機連続繊維を用いたものであってもよい。さらに上記のＦＲＰ層や筒体は、高強度有機連続繊維を含有しておればよく、これ以外に、例えばガラス繊維、炭素繊維などの無機繊維や、合成繊維などを含むものであってもよい。
【００５９】
また上記の実施形態では、筐体にあっては、すべての壁面に上記のＦＲＰ積層構造体を用いた筐体について説明した。しかし本発明の筐体は、例えば収容物の重量が加わる底部など、一部に上記のＦＲＰ積層構造体を用いたものであってもよく、この場合、周側面や上面など他の部位は、ＦＲＰ層のみで形成したものなど他の材質を用いることができる。
【００６０】
また上記のＦＲＰ積層構造体は、複数層を互いに一体化して新たなＦＲＰ積層構造体にすることも可能である。例えば上記の第２実施形態のＦＲＰ積層構造体を２枚重ねて一体化し、これを新たなＦＲＰ積層構造体とすることができる。この場合、表層部は第２実施形態と同様、それぞれＦＲＰ層からなるが、内層部は、２段の筒体層と、その間に配置された２層のＦＲＰ層とからなる。
【００６１】
上記の筒体の内外径や、ＦＲＰ層における高強度有機連続繊維シートの積層枚数、両者のマトリックス樹脂の種類や樹脂含有率等は、上記の実施形態や実施例のものに限定されないことは、言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明のＦＲＰ積層構造体とこれを用いた筐体は、軽量でありながら、高い剛性を備えており、しかも衝撃荷重を良好に吸収できるので、特に車載用のバッテリケースなどに有用であるが、他の筐体や様々な構造物にも有用である。
【符号の説明】
【００６３】
１…ＦＲＰ積層構造体
２…表層部
３…内層部
４…ＦＲＰ層(６)に含まれる高強度有機連続繊維
５…ＦＲＰ層(６)に含まれるマトリックス樹脂
６…ＦＲＰ層
７…周縁部
８…筒体
９…筒体層
10…筒体(８)に含まれる高強度有機連続繊維
11…筒体(８)に含まれるマトリックス樹脂
12…熱接着性樹脂層
13…筐体
14…車載用バッテリ
15…内層部(３)が備えるＦＲＰ層
【技術分野】
【０００１】
本発明はＦＲＰ(繊維強化樹脂)積層構造体と筐体に関し、さらに詳しくは、軽量でありながら、高い剛性を備えており、しかも衝撃荷重を良好に吸収できる、ＦＲＰ積層構造体とこれを用いた筐体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＦＲＰ積層構造体は、金属に比較して軽量でありながら強度を備えていることから、各種の筐体や自動車用外板部材などさまざまな分野に使用されている。
この種のＦＲＰ積層構造体としては、連続繊維を用いた織物や一方向繊維シートに合成樹脂を含浸させてプリプレグシートを作成し、このプリプレグシートを複数積層して硬化させたものがある(例えば、特許文献１参照)。
【０００３】
しかしながら上記のＦＲＰ積層構造体は、剛性や耐衝撃性等の強度を高めると衝撃荷重の吸収が容易でなくなり、先端の尖った物体が衝突した際、この物体の先端が貫通してしまう虞がある。これを防止するため積層枚数を増やすなどして耐衝撃性を高めると、積層構造体の重量が過大となる問題がある。
【０００４】
この問題点を解消するため、複数のＦＲＰ層間に高伸度で破断する高破断伸度層を形成して、衝撃吸収性能を高めることが提案されている(特許文献２参照。)。しかしこの高破断伸度層を形成したものにあっても、衝撃吸収性能を高めるとともにＦＲＰ積層構造体の剛性を高めると、各層の肉厚を厚くしなければならず重量が過大となる問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０７−２５２３７２号公報
【特許文献２】特開２００５−２３８８３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の技術的課題は上記の問題点を解消し、軽量でありながら、高い剛性を備えており、しかも衝撃荷重を良好に吸収できる、ＦＲＰ積層構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記の課題を解決するために、例えば本発明の実施の形態を示す図１から図６に基づいて説明すると、次のように構成したものである。
即ち本発明１はＦＲＰ積層構造体に関し、高強度有機連続繊維(４)とマトリックス樹脂(５)とを含む面状のＦＲＰ層(６)を表層部(２)に備え、複数の筒体(８)が面状に並列配置された筒体層(９)を内層部(３)に備え、上記の筒体(８)は長さ方向が上記の筒体層(９)の面方向に配置されており、上記の筒体(８)が高強度有機連続繊維(10)とマトリックス樹脂(11)とを含むことを特徴とする。
また本発明２は筐体に関し、本発明１のＦＲＰ積層構造体(１)を用いたことを特徴とする。
【０００８】
本発明１のＦＲＰ積層構造体は、表層が高強度有機連続繊維とマトリックス樹脂とを含む面状のＦＲＰ層を備えるので、滑らかな表面に形成されている。一方、内層部は複数の筒体が面状に並列配置された筒体層を備え、上記の筒体は長さ方向が上記の筒体層の面方向に配置されているので、この筒体の外殻部の一部がＦＲＰ積層構造体の厚さ方向に配置され、優れた補強効果を発揮する。しかもこの筒体層は筒体内部が中空であるので、この筒体層を含むＦＲＰ積層構造体全体が軽量となる。
【０００９】
上記のＦＲＰ積層構造体が衝撃荷重を受けると、上記の筒体が圧潰されるように変形してその衝撃荷重が良好に吸収され、さらに上記のＦＲＰ層や筒体に含まれる高い強度の有機連続繊維により衝撃荷重が緩衝されるとともに確りと受け止められる。この結果、先端の尖った物体が衝突した場合であっても、この物体の先端は貫通し難く、その衝突によるＦＲＰ積層構造体の変形量が小さく抑えられる。
【００１０】
上記の内層部は、１層の筒体層を備えたものであってもよいが、筒体は長さ方向に対する曲げ剛性が最も高いので、筒体の長さ方向を互いに直交方向に配置するなど、その長さ方向を互いに異ならせた、複数の筒体層を備えると好ましい。
【００１１】
上記の筒体は、隣接する筒体や上記のＦＲＰ層と一体になっていると高い強度を備えるうえ、優れた衝撃荷重吸収性能を発揮できて好ましい。この一体化には、例えば接着剤を用いて接着したり、熱可塑性樹脂からなるシートや不織布を介在させ、これを加熱軟化させて筒体とＦＲＰ層とを接着したりしてもよい。しかし上記の筒体の外周面に熱接着性の樹脂層を備えると、加熱することにより容易に一体化できて好ましい。この熱接着性樹脂層としては、熱可塑性樹脂など加熱により軟化して接着性能を発揮できるものであればよく、特定のものに限定されないが、例えばポリエチレン樹脂フィルムのほか、ハイミラン(商品名、三井・デュポン ポリケミカル株式会社製)などのアイオノマー樹脂製フィルム等が好ましく、単層または複数層積層して用いられる。
【００１２】
上記のＦＲＰ層と筒体とに含まれる高強度有機連続繊維は、同じ種類の有機繊維であってもよく、或いは、互いに異なる種類の有機繊維であってもよい。
これらの高強度有機連続繊維としては、例えば、超高分子量ポリエチレン繊維、全芳香族ポリアミド繊維、全芳香族ポリエステル繊維、ヘテロ環高性能繊維、ポリアセタール繊維等が挙げられる。これらの繊維は単独で、または２種以上を任意の割合で用いることができる。しかし、上記のＦＲＰ層と筒体とに含まれる少なくともいずれかの高強度連続繊維が、全芳香族ポリアミド繊維であると好ましく、パラ系アラミド繊維が特に好ましい。
【００１３】
上記のＦＲＰ層や筒体に含まれる高強度有機連続繊維は、通常、シート状に形成されており、連続繊維を織成した織物や、連続繊維を一方向に引き揃えた一方向繊維シートが用いられる。これらのシートの使用枚数は１枚であってもよいが、複数枚を積層した状態にしてあると、強度や衝撃吸収性能が均一化されてより好ましい。
【００１４】
上記のＦＲＰ層に含まれるマトリックス樹脂は、本発明の効果を妨げない限り特定の合成樹脂に限定されないが、ポリオレフィン樹脂やポリアミド樹脂などの熱可塑性樹脂を用いると、高強度有機連続繊維による衝撃吸収性能が良好に発揮されて好ましい。
【００１５】
上記の筒体は、特定の形状のものに限定されないが、円形であると製作が容易であるうえ、衝撃吸収性能が良好に発揮されるので好ましい。
この筒体の直径や肉厚は特定の寸法に限定されないが、軸直交断面において外殻部の断面積比率が１５〜８５％程度であると、高い剛性や強度と良好な衝撃吸収性能を発揮できて好ましく、２０〜７０％程度であるとより好ましい。
【００１６】
上記の筒体に含まれるマトリックス樹脂は、特定の合成樹脂に限定されず、例えばポリアミド樹脂などの熱可塑性樹脂であってもよいが、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を用いると、高い剛性を発揮できて好ましい。この筒体に含まれるマトリックス樹脂の比率は特定の範囲に限定されないが、２０〜６５重量％であると、筒体を軽量にしながら、高い剛性と良好な衝撃吸収性能を発揮できて好ましく、２５〜６０重量％であるとより好ましく、３０〜５０重量％であるとさらに好ましい。
【００１７】
上記の本発明２は、上記の本発明１のＦＲＰ積層構造体を用いてあるので、軽量であるうえ剛性が高く、重量物を収容した際もこれらの収容物が良好に支持され、しかも衝撃荷重を受けた際に、物体がＦＲＰ積層構造体を貫通せず、ＦＲＰ積層構造体の変形量も小さく抑えられるので、収容物を損傷させる虞がない。このため、この筐体は特定の用途に限定されないが、車載用バッテリケースなどに用いると特に好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明は上記のように構成され作用することから、次の効果を奏する。
(１)内層部は筒体を面状に並列配置した筒体層を備えるので中空構造となっており、ＦＲＰ積層構造体全体を軽量にできる。
(２)ＦＲＰ層と筒体とがいずれも高強度有機連続繊維を含むうえ、上記の筒体が優れた補強効果を発揮するので、ＦＲＰ積層構造体は高い剛性を備える。
(３)高強度有機連続繊維が衝撃力を緩衝できるうえ、上記の筒体は衝撃を受けると圧潰されるように変形して、その衝撃荷重を良好に吸収できる。この結果、先端の尖った物体が衝突した場合であっても、この物体の先端が貫通することを抑制でき、その衝突によるＦＲＰ積層構造体の変形量を小さく抑えることができる。
(４)上記のＦＲＰ積層構造体を用いた筐体は、収容物が重量物であっても変形することなく支持でき、しかも衝撃を受けた際に、収容物を安全に保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態のＦＲＰ積層構造体を示す、破断斜視図である。
【図２】第１実施形態の、筒体の一部破断斜視図である。
【図３】本発明の実施例と比較例の、構成と測定結果を示す対比表である。
【図４】第１実施形態のＦＲＰ積層構造体を用いた、筐体の断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態のＦＲＰ積層構造体を示す、破断斜視図である。
【図６】本発明の第３実施形態のＦＲＰ積層構造体を示す、破断斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面に基づいて本発明を具体的に説明する。
図１に示すように、このＦＲＰ積層構造体(１)は上下の表層部(２)と、両表層部(２)間に配置された内層部(３)とを備える。この表層部(２)は、高強度有機連続繊維(４)とマトリックス樹脂(５)とを含む面状のＦＲＰ層(６)からなり、周縁部(７)では、上下の表層部(２・２)同士が互いに直接接合してある。また上記の内層部(３)は、複数の筒体(８)が面状に並列配置された、上下２段の筒体層(９)を備える。
【００２１】
上記の筒体(８)は、長さ方向が上記の筒体層(９)の面方向に配置されており、図２に示すように、高強度有機連続繊維(10)とマトリックス樹脂(11)とを含んでいる。
この筒体(８)に含まれる高強度有機連続繊維(10)は、上記のＦＲＰ層(６)に含まれる高強度有機連続繊維(４)と同じ種類の有機繊維であってもよく、或いは互いに異なる種類の有機繊維であってもよい。
【００２２】
これらの高強度有機連続繊維(４・10)は特定の種類のものに限定されず、例えば、超高分子量ポリエチレン繊維、全芳香族ポリアミド繊維、全芳香族ポリエステル繊維、ヘテロ環高性能繊維、ポリアセタール繊維等を挙げることができ、これらの繊維を単独で、または２種以上を任意の割合で使用することができるが、なかでも、全芳香族ポリアミド繊維であると好ましく、パラ系アラミド繊維が特に好ましい。
【００２３】
上記の超高分子量ポリエチレン繊維とは、分子量が２０万程度以上、好ましくは６０万程度以上の、超高分子量ポリエチレンからなる繊維をいう。この超高分子量ポリエチレンとしては、ホモポリマーの他、エチレンと炭素原子数３〜１０程度の低級α−オレフィン類、例えばプロピレン、ブテン、ペンテン、へキセン等との共重合体も含むものが好適である。このエチレンとα−オレフィンとの共重合体の場合、後者の割合は炭素数１０００個当たり平均０．１〜２０個程度、好ましくは平均０．５〜１０個程度であるような共重合体が好ましい。
上記の超高分子量ポリエチレン繊維は、公知又はそれに準ずる方法により製造したものであってもよく、或いは、ダイニーマ（商品名、東洋紡績株式会社製）、スペクトラ（商品名、ハネウエル社製）、ハイゼックスミリオン（商品名、三井化学株式会社製）等の市販品を用いてもよい。
【００２４】
上記の全芳香族ポリアミド繊維としては、特に限定されないが、例えば、アラミド繊維等が挙げられる。アラミド繊維としては、パラ系アラミド繊維が好ましい。前記パラ系アラミド繊維としては、ポリパラフェニレンテレフタルアミド繊維（東レ・デュポン株式会社製、商品名：ケブラー２９、４９、１４９等）又はコポリパラフェニレン−３，４’−ジフェニルエーテルテレフタルアミド繊維（帝人株式会社製、商品名：テクノーラ）等が挙げられ、中でも、上記のポリパラフェニレンテレフタルアミド繊維が特に好ましい。かかる全芳香族ポリアミド繊維は、公知又はそれに準ずる方法で製造でき、また、上記のような市販品を用いてもよい。
【００２５】
上記の全芳香族ポリエステル繊維としては、特に限定されないが、例えば、パラヒドロキシ安息香酸の自己縮合ポリエステル、テレフタル酸とハイドロキノンからなるポリエステル、又はパラヒドロキシ安息香酸と６−ヒドロキシ−２−ナフトエ酸からなるポリエステルからなる繊維等が挙げられる。全芳香族ポリエステル繊維は、公知又はそれに準ずる方法で製造でき、また、例えばベクトラン（商品名、株式会社クラレ製）等の市販品を用いることもできる。
【００２６】
上記のヘテロ環高性能繊維としては、特に限定されないが、例えば、ポリパラフェニレンベンゾビスチアゾール（ＰＢＺＴ）繊維や、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール（ＰＢＯ）繊維等が挙げられる。ヘテロ環高性能繊維は、公知又はそれに準ずる方法で製造でき、また、例えばザイロン（商品名、東洋紡績株式会社製）等のＰＢＯ繊維等を用いることもできる。
【００２７】
上記のポリアセタール繊維としては、特に限定されないが、公知又はそれに準ずる方法で製造でき、また、例えばテナック（商品名、旭化成株式会社製）、デルリン（商品名、デュポン社製）等の市販品を用いることもできる。
【００２８】
上記のＦＲＰ層(６)に含まれるマトリックス樹脂(５)は特定の樹脂に限定されないが、熱可塑性樹脂が好ましく用いられる。この熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン系熱可塑性樹脂(例えば、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂等)、ポリアミド系熱可塑性樹脂(例えば、６ナイロン、６６ナイロン、ＭＣナイロン等のナイロン樹脂等)、ポリエステル系熱可塑性樹脂、スチレン系熱可塑性樹脂、ポリ塩化ビニル系熱可塑性樹脂、ポリウレタン系熱可塑性樹脂、ポリイミド系熱可塑性樹脂等を挙げることができるが、なかでもポリオレフィン系熱可塑性樹脂が好ましい。
【００２９】
上記のＦＲＰ層(６)の強度や衝撃吸収性能は、肉厚や、高強度有機連続繊維の種類、マトリックス樹脂の種類等によっても異なるが、樹脂含有率が多いと硬くなって剛性や耐衝撃性は優れたものとなり、樹脂含有率が少ないと柔らかくなって衝撃吸収性能が良好となる。このためこの樹脂含有率は、例えば１０〜６０重量％程度に設定されると好ましい。
【００３０】
上記のＦＲＰ層(６)は、任意の方法で高強度有機連続繊維(４)にマトリックス樹脂(５)を含浸させて形成することができる。例えば、高強度有機連続繊維(４)からなる織布と、熱可塑性樹脂からなる不織布とを所定の割合で積層し、熱可塑性樹脂の融点よりも高温で加熱しながら加圧することで、その樹脂を溶融させて上記の高強度有機連続繊維(４)に含浸させ、ＦＲＰ層(６)にすることができる。
【００３１】
上記の筒体(８)に含まれるマトリックス樹脂(11)は、特定の樹脂に限定されないが、熱硬化性樹脂を用いると、高い剛性を発揮できるうえ、耐熱性が高いので、熱接着性樹脂による上記のＦＲＰ層との熱接着など、加熱処理を容易に施すことができて好ましい。これらの熱硬化性樹脂としては、例えばエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂等を挙げることができる。
【００３２】
上記のエポキシ樹脂としては、特に限定されないが、ビスフェノールＡ、ビスフェノールＡＤ、ビスフェノールＦもしくはビスフェノールＳのジグリシジルエーテル化合物またはその高分子量同族体、フェノールノボラック型ポリグリシジルエーテルまたはクレゾールノボラック型ポリグリシジルエーテル類等が挙げられる。さらにこれらのハロゲン化誘導体も使用できる。さらに合成過程で、ビスフェノールＡ、ビスフェノールＡＤ、ビスフェノールＦ、ビスフェノールＳ等のフェノール類をこれらのグリシジルエーテルと反応させて得られた芳香族系エポキシ樹脂等、また脂肪族系エポキシ樹脂を使用してもよい。エポキシ樹脂は本発明の効果を妨げない限り特に限定されず、公知の製造方法により得ることができ、市販品を用いてもよい。
【００３３】
上記の不飽和ポリエステル樹脂としては、特に限定されないが、公知の方法により製造されるものを用いることができ、市販品を用いてもよい。例えば、多価アルコールからなるアルコール成分と、α、β−不飽和多価カルボン酸類と、飽和多価カルボン酸類および芳香族多価カルボン酸類からなる酸成分とを用いて公知の製造方法により得ることができる。
また上記のビニルエステル樹脂も、本発明の効果を妨げない限り特に限定されず、公知の方法により製造されるものを用いることができ、市販品を用いてもよい。
【００３４】
この第１実施形態では、図２に示すように、上記の筒体(８)は、上記のマトリックス樹脂(11)以外に、熱接着性の樹脂層(12)を外周面に備えている。この熱接着性樹脂には、加熱により軟化して接着性能を発揮するものであればよく、特定のものに限定されない。例えばポリエチレン樹脂フィルムや、ハイミラン(商品名、三井・デュポン ポリケミカル株式会社製)などの熱可塑性樹脂が好ましく用いられるが、熱接着性樹脂を含む塗料などの塗布により形成したものであってもよい。
【００３５】
上記の筒体(８)の強度や衝撃吸収性能は、外径や肉厚、高強度有機連続繊維の種類、マトリックス樹脂(11)の種類、樹脂の含有率等によっても異なる。
例えばこの筒体(８)の外径や肉厚は特定の値に限定されないが、軸直交断面において外殻部の断面積比率が１５〜８５％程度であると、高い剛性や強度と良好な衝撃吸収性能を発揮できて好ましく、２０〜７０％程度であるとより好ましい。
【００３６】
また上記の筒体(８)に含まれるマトリックス樹脂(11)の比率は、特定の値に限定されないが、この含有率が２０〜６５重量％であると、筒体(８)を軽量にしながら高い剛性と良好な衝撃吸収性能を発揮できて好ましく、２５〜６０重量％であるとより好ましく、３０〜５０重量％であるとさらに好ましい。
【００３７】
上記の筒体(８)は、特定の方法で製造されたものに限定されず、公知の方法により製造することができる。例えば、高強度有機連続繊維の織布や一方向繊維シートに未硬化状態の熱硬化性樹脂を含浸させてプリプレグシートを作成し、このフリプレグシートを棒状の芯材に捲回したのち硬化させ、芯材を引き抜くことで筒体(８)にすることができる。
【００３８】
なおこの第１実施形態では、図２に示すように、高強度有機連続繊維(10)を並列配置した一方向繊維シートを用いてあり、その高強度有機連続繊維(10)の長さ方向が筒体(８)の長さ方向と一致するように上記の一方向繊維シートを捲回してある。しかし本発明では、高強度有機連続繊維(10)の長さ方向が、例えば筒体(８)の長さ方向と一致するプレプリグシートと、筒体(８)の周方向に一致するプレプリグシートとを積層して硬化したものであってもよく、或いは高強度有機連続繊維(10)の織布を用いたものであってもよい。
【００３９】
上記のＦＲＰ積層構造体(１)は、上記のＦＲＰ層(６)と筒体(８)とを用いて任意の方法により製造される。例えば、一層または複数層のＦＲＰ層(６)の上に、上記の筒体(８)を長さ方向が水平方向となるように並列配置して１段目の筒体層(９)を形成する。そしてその上に、筒体(８)を長さ方向が水平方向で上記の１段目の筒体(８)とは直交する方向に並列配置して、２段目の筒体層(９)を形成し、その上に一層または複数層のＦＲＰ層(６)を配置する。このように積層したものを、例えば熱プレス等により加熱・加圧することで、周縁部(７)では上下のＦＲＰ層(６)同士が直接、一体に接着され、中間部では隣接する筒体(８)同士が接着されるとともに、上記のＦＲＰ層(６)と筒体層(９)とが互いに接着されて、上記のＦＲＰ積層構造体(１)が製造される。なお、このＦＲＰ積層構造体(１)は、周縁部(７)で上下のＦＲＰ層(６)同士が直接接着され、筒体層(９)はこのＦＲＰ層(６)で包み込まれた状態となっているので、優れた剛性や衝撃吸収性能等を発揮できて好ましい。
【実施例】
【００４０】
以下、実施例および比較例を用いて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。
【００４１】
［実施例１］
(１)ＦＲＰ層
高強度有機連続繊維として、ポリパラフェニレンテレフタルアミド繊維であるケブラーＫ−２９ １６７０ｄｔｘ(東レ・デュポン株式会社製)を用い、平織の織布を形成した。この織布の織密度は、タテ方向とヨコ方向とも、インチ当り３３００ｄｔｅｘ×９.３本とした。マトリックス樹脂としては、ポリプロピレン樹脂製不織布を用いた。上記の高強度有機連続繊維製織布を４枚と、それらの間や両側に配置したポリプロピレン樹脂製不織布とを、重量比が約５０：５０となるように重ね合せ、５分間、１９０℃、約１ＭＰａの熱と圧力を加えてＦＲＰ層を形成した。得られたＦＲＰ層は、目付けが６５７ｇ／ｍ２であり、厚さが０.６０ｍｍであった。
【００４２】
(２)筒体
高強度有機連続繊維として、ポリパラフェニレンテレフタルアミド繊維であるケブラーＫ−２９ １６７０ｄｔｘ(東レ・デュポン株式会社製)を用い、繊維を一方向に揃えた一方向性繊維シート(ＵＤシート)を形成した。このＵＤシートに、樹脂含有率が３０重量％となるようにエポキシ樹脂をホットメルト方式にて含浸させ、プリプレグとした。このプリプレグを所定の芯部材に捲回したのち、外周面に厚さ０.０６ｍｍのポリエチレン樹脂フィルムを積層して筒体を形成した。得られた筒体は、断面が真円形であり、外径が７ｍｍ、内径が４ｍｍで、外殻部の断面積比率が約６７％であり、重量が３１.８ｇ／ｍであった。
【００４３】
(３)ＦＲＰ積層構造体
上記のＦＲＰ層の上に筒体を並列配置して１段の筒体層を形成し、その上に上記のＦＲＰ層を配置したのち、５分間、１８０℃、約０.１ＭＰａの熱と圧力を加えてＦＲＰ層と筒体とを一体化し、実施例１のＦＲＰ積層構造体とした。
【００４４】
［実施例２］
実施例１と同じＦＲＰ層と筒体を用い、１段目の筒体層を形成したうえに１段目の筒体とは直交する方向に筒体を並列配置して２段目の筒体層を形成した以外は、実施例１と同様に一体化して、実施例２のＦＲＰ積層構造体とした。
【００４５】
［実施例３］
筒体の外径を６ｍｍとした以外は、実施例１と同じ筒体とＦＲＰ層を用い、実施例２と同様に筒体層を２段に形成して一体化し、実施例３のＦＲＰ積層構造体とした。
【００４６】
［比較例１］
実施例１と同じ高強度有機連続繊維製織布とポリプロピレン樹脂製不織布とを用い、上記の高強度有機連続繊維製織布を８枚と、それらの間や両側に配置したポリプロピレン樹脂製不織布とを、重量比が約５０：５０となるように重ね合せ、５分間、１９０℃、約１ＭＰａの熱と圧力を加えて一体化し、ＦＲＰ層のみからなる、比較例１のＦＲＰ積層構造体を得た。
【００４７】
［比較例２］
高強度有機連続繊維製織布とポリプロピレン樹脂製不織布との重量比が約８５：１５となるようにした以外は、比較例１と同様の高強度有機連続繊維製織布とポリプロピレン樹脂製不織布とを用い、同様に一体化して、比較例２のＦＲＰ積層構造体を得た。
【００４８】
［比較例３］
高強度有機連続繊維製織布を１８枚用いた以外は、比較例２と同様の高強度有機連続繊維製織布とポリプロピレン樹脂製不織布とを同様の重量比で用い、同様に一体化して、比較例３のＦＲＰ積層構造体を得た。
【００４９】
次に、上記の各実施例と比較例について、衝撃吸収性能と曲げ剛性を測定した。各試験の測定方法は次の通りである。
【００５０】
〔衝撃吸収性能〕
各実施例および比較例のＦＲＰ積層構造体を１１０ｍｍ角にカットしてサンプルとし、ＡＳＴＭ Ｄ−３７６３に準じて、落錘型衝撃試験機（商品名：Dynatup（登録商標） 9200、インストロン社製）を用いて、カットしたサンプルの周縁部を固定枠で支持し、このサンプルの中央部に錘体を落下せて、２５０Ｊの衝撃エネルギーで衝突させ、サンプルの状態を測定した。錘体は下端が直径１／２インチの棒状体からなり、実荷重１７．８６２ｋｇのものを用いた。
サンプルの状態測定は、錘体の衝突により、錘体下端がサンプルを貫通するか否かと、
サンプル下面の下方への変形寸法とを測定した。
【００５１】
〔曲げ剛性〕
各実施例および比較例のＦＲＰ積層構造体を５０ｍｍ×１００ｍｍにカットしてサンプルとし、ＪＩＳ Ｋ ７０１７：１９９９(繊維強化プラスチック−曲げ特性の求め方)に基づいて、３点曲げ(Ａ法)により測定した。より具体的には、各サンプルを支点間距離８０ｍｍで支持し、その中央に荷重を、５ｍｍ／分の速度で加えて最大曲げ荷重を測定した。 上記の各構成と測定結果を、図３の対比表に示す。
【００５２】
上記の衝撃吸収性能の測定結果から明らかなように、筒体層を備えない比較例１〜３では、いずれも錘体の先端が貫通し、サンプル下面の下方への変形量が３０ｍｍ以上と大きい。これに対し筒体層を備える本発明の実施例１〜３にあっては、錘体がいずれも貫通せず、サンプル下面の下方への変形量を２５ｍｍ以下の小さな値に抑えることができた。
【００５３】
また上記の曲げ剛性の測定結果から明らかなように、筒体層を備えない比較例１、２にあっては、曲げ荷重が極めて小さい。これに対し、筒体層を備える本発明の実施例１〜３にあっては、曲げ荷重が大幅に向上し、例えば実施例２を比較例１と対比すると、目付けが１０倍程度以下であるのに対し、曲げ荷重が１５０倍以上となっている。従って、必要な高い曲げ剛性を備えるＦＲＰ積層構造体を、軽量にできることが確認された。
【００５４】
図４は上記のＦＲＰ積層構造体(１)を用いて形成した筐体(13)の断面図であり、車載用バッテリケースとして用いてある。即ち、この筐体(13)の底部と周側部と上面部とに、それぞれ上記のＦＲＰ積層構造体(１)が用いてあり、内部空間に車載用バッテリ(14)が収容してある。このＦＲＰ積層構造体(１)は軽量であるうえ、剛性が高く、しかも衝撃吸収性能に優れるので、上記のバッテリ(14)を底部のＦＲＰ積層構造体(１)で安定良く支持しながら、下方をはじめ様々な方向からの衝撃に対し、バッテリ(14)が損傷しないように確りと保護している。
【００５５】
上記の実施形態では、内層部に２段の筒体層を用いた。しかし本発明ではこの筒体層を１段で構成してもよく、或いは３段以上に構成してもよい。
例えば図５に示す第２実施形態では、内層部(３)に１段の筒体層(９)を備えている。その他の構成は上記の第１実施形態と同様であり、同様に形成され、同様に作用するので説明を省略する。
【００５６】
また上記の各実施形態では、いずれも内層部を筒体層で構成した。しかし本発明は、内層部に筒体層以外の層を備えていてもよい。
例えば図６に示す第３実施形態では、内層部(３)に筒体層(９)とＦＲＰ層(15)とを備えている。即ち、この実施形態では、上記の第１実施形態と同様、２段の筒体層(９)を備えており、各筒体層(９)は、筒体(８)の長さ方向が互いに直交する方向に配置してある。しかしこの第３実施形態では、両筒体層(９・９)間に、表層部(２)に用いたと同様のＦＲＰ層(15)が配置してある。なお本発明では、この内層部(３)に配置されたＦＲＰ層(15)は、表層部(２)に用いたＦＲＰ層(６)と異なる材質の高強度有機連続繊維やマトリックス樹脂を含むものであったり、樹脂含有率が異なるものであってもよい。その他の構成は上記の第１実施形態と同様であり、同様に形成され、同様に作用するので説明を省略する。
【００５７】
上記の各実施形態や実施例で説明したＦＲＰ積層構造体とこれを用いた筐体は、本発明の技術的思想を具体化するために例示したものであり、各部の形状や寸法、材質などをこれらの実施形態のものに限定するものではなく、本発明の特許請求の範囲内において種々の変更を加え得るものである。
【００５８】
例えば上記の実施形態では、断面が真円状の筒体を用いたが、本発明では断面が楕円形やその他の異形断面の筒体を用いてもよい。また上記の実施例では、いずれもアラミド繊維を用いたが、本発明では他の高強度有機連続繊維を用いたものであってもよい。さらに上記のＦＲＰ層や筒体は、高強度有機連続繊維を含有しておればよく、これ以外に、例えばガラス繊維、炭素繊維などの無機繊維や、合成繊維などを含むものであってもよい。
【００５９】
また上記の実施形態では、筐体にあっては、すべての壁面に上記のＦＲＰ積層構造体を用いた筐体について説明した。しかし本発明の筐体は、例えば収容物の重量が加わる底部など、一部に上記のＦＲＰ積層構造体を用いたものであってもよく、この場合、周側面や上面など他の部位は、ＦＲＰ層のみで形成したものなど他の材質を用いることができる。
【００６０】
また上記のＦＲＰ積層構造体は、複数層を互いに一体化して新たなＦＲＰ積層構造体にすることも可能である。例えば上記の第２実施形態のＦＲＰ積層構造体を２枚重ねて一体化し、これを新たなＦＲＰ積層構造体とすることができる。この場合、表層部は第２実施形態と同様、それぞれＦＲＰ層からなるが、内層部は、２段の筒体層と、その間に配置された２層のＦＲＰ層とからなる。
【００６１】
上記の筒体の内外径や、ＦＲＰ層における高強度有機連続繊維シートの積層枚数、両者のマトリックス樹脂の種類や樹脂含有率等は、上記の実施形態や実施例のものに限定されないことは、言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明のＦＲＰ積層構造体とこれを用いた筐体は、軽量でありながら、高い剛性を備えており、しかも衝撃荷重を良好に吸収できるので、特に車載用のバッテリケースなどに有用であるが、他の筐体や様々な構造物にも有用である。
【符号の説明】
【００６３】
１…ＦＲＰ積層構造体
２…表層部
３…内層部
４…ＦＲＰ層(６)に含まれる高強度有機連続繊維
５…ＦＲＰ層(６)に含まれるマトリックス樹脂
６…ＦＲＰ層
７…周縁部
８…筒体
９…筒体層
10…筒体(８)に含まれる高強度有機連続繊維
11…筒体(８)に含まれるマトリックス樹脂
12…熱接着性樹脂層
13…筐体
14…車載用バッテリ
15…内層部(３)が備えるＦＲＰ層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高強度有機連続繊維(４)とマトリックス樹脂(５)とを含む面状のＦＲＰ層(６)を表層部(２)に備え、
複数の筒体(８)が面状に並列配置された筒体層(９)を内層部(３)に備え、
上記の筒体(８)は長さ方向が上記の筒体層(９)の面方向に配置されており、
上記の筒体(８)が高強度有機連続繊維(10)とマトリックス樹脂(11)とを含むことを特徴とする、ＦＲＰ積層構造体。
【請求項２】
上記の内層部(３)に複数の筒体層(９)を備え、各筒体層(９)は筒体(８)の長さ方向が互いに異なる、請求項１に記載のＦＲＰ積層構造体。
【請求項３】
上記の筒体(８)が外周面に熱接着性の樹脂層(12)を備える、請求項１または請求項２に記載のＦＲＰ積層構造体。
【請求項４】
上記のＦＲＰ層(６)と筒体(８)との少なくともいずれかに含まれる上記の高強度有機連続繊維(４・10)が、全芳香族ポリアミド繊維である、請求項１から３のいずれかに記載のＦＲＰ積層構造体。
【請求項５】
上記のＦＲＰ層(６)と筒体(８)との少なくともいずれかに含まれる上記の高強度有機連続繊維(４・10)は、織物と一方向繊維シートとの少なくともいずれかに形成されている、請求項１から４のいずれかに記載のＦＲＰ積層構造体。
【請求項６】
上記の筒体(８)は、軸直交断面において外殻部の断面積比率が８５：１５〜１５：８５である、請求項１から５のいずれかに記載のＦＲＰ積層構造体。
【請求項７】
上記の筒体(８)に含まれるマトリックス樹脂(11)は、２０〜４０重量％である、請求項１から６のいずれかに記載のＦＲＰ積層構造体。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載のＦＲＰ積層構造体(１)を用いたことを特徴とする、筐体。
【請求項９】
車載用バッテリケースである、請求項８に記載の筐体。
【請求項１】
高強度有機連続繊維(４)とマトリックス樹脂(５)とを含む面状のＦＲＰ層(６)を表層部(２)に備え、
複数の筒体(８)が面状に並列配置された筒体層(９)を内層部(３)に備え、
上記の筒体(８)は長さ方向が上記の筒体層(９)の面方向に配置されており、
上記の筒体(８)が高強度有機連続繊維(10)とマトリックス樹脂(11)とを含むことを特徴とする、ＦＲＰ積層構造体。
【請求項２】
上記の内層部(３)に複数の筒体層(９)を備え、各筒体層(９)は筒体(８)の長さ方向が互いに異なる、請求項１に記載のＦＲＰ積層構造体。
【請求項３】
上記の筒体(８)が外周面に熱接着性の樹脂層(12)を備える、請求項１または請求項２に記載のＦＲＰ積層構造体。
【請求項４】
上記のＦＲＰ層(６)と筒体(８)との少なくともいずれかに含まれる上記の高強度有機連続繊維(４・10)が、全芳香族ポリアミド繊維である、請求項１から３のいずれかに記載のＦＲＰ積層構造体。
【請求項５】
上記のＦＲＰ層(６)と筒体(８)との少なくともいずれかに含まれる上記の高強度有機連続繊維(４・10)は、織物と一方向繊維シートとの少なくともいずれかに形成されている、請求項１から４のいずれかに記載のＦＲＰ積層構造体。
【請求項６】
上記の筒体(８)は、軸直交断面において外殻部の断面積比率が８５：１５〜１５：８５である、請求項１から５のいずれかに記載のＦＲＰ積層構造体。
【請求項７】
上記の筒体(８)に含まれるマトリックス樹脂(11)は、２０〜４０重量％である、請求項１から６のいずれかに記載のＦＲＰ積層構造体。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載のＦＲＰ積層構造体(１)を用いたことを特徴とする、筐体。
【請求項９】
車載用バッテリケースである、請求項８に記載の筐体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１３−１１１８８７（Ｐ２０１３−１１１８８７Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６１１１０（Ｐ２０１１−２６１１１０）
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）経済産業省、平成２２年度戦略的基盤技術高度化支援事業（電子線照射等により界面接着力を向上させたアラミド等有機繊維強化樹脂による耐衝撃性に優れた軽量構造部材の開発）に関する委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０９３２５２６０）株式会社ＫＯＳＵＧＥ (7)
【出願人】（５０７１５５２０３）有限会社エー・テック (8)
【出願人】（３０００４２６９４）株式会社 ホーペック (3)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）経済産業省、平成２２年度戦略的基盤技術高度化支援事業（電子線照射等により界面接着力を向上させたアラミド等有機繊維強化樹脂による耐衝撃性に優れた軽量構造部材の開発）に関する委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（５０９３２５２６０）株式会社ＫＯＳＵＧＥ (7)
【出願人】（５０７１５５２０３）有限会社エー・テック (8)
【出願人】（３０００４２６９４）株式会社 ホーペック (3)
【Ｆターム（参考）】
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