JPH0533645B2 - - Google Patents
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- JPH0533645B2 JPH0533645B2 JP61124949A JP12494986A JPH0533645B2 JP H0533645 B2 JPH0533645 B2 JP H0533645B2 JP 61124949 A JP61124949 A JP 61124949A JP 12494986 A JP12494986 A JP 12494986A JP H0533645 B2 JPH0533645 B2 JP H0533645B2
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- fiber
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- Casting Or Compression Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)
- Moulding By Coating Moulds (AREA)
Description
(産業上の利用分野)
この発明は、テニス、スカツシユ、バドミント
ン等のラケツトフレーム、テントフレーム用ポー
ル、構造材用パイプ、埋設土管、ブロツク、釣竿
等に使用するに適した構造材料およびその製法に
関するものである。
(従来の技術およびその問題点)
従来、建材、スポーツ用具等の構造材料として
使用されてきた繊維強化複合材料には、熱可塑性
樹脂をマトリクスとし、これに短繊維強化材を添
加した材料や、熱硬化性樹脂をマトリクスとして
これに長繊維強化材を添加した材料がある。
しかしながら、これらの材料はそれぞれ成形
性、強度、耐熱性、疲労特性等の点で以下に示す
ような問題点があり、よりすぐれた繊維強化複合
材料に対する要望が強かつた。
例えば、登山用テントのポールとして、近年強
化プラスチツク製のポールが市場に出つつある
か、これには以下に述べるような問題点があり、
まだレジヤーテント等の比較的使用条件がゆるい
分野で一部使用されているにすぎない。
すなわち、これら強化プラスチツク製ポールの
構成は、強化繊維としてはガラス、カーボン、芳
香族ポリアミド、マトリクスとしてはエポキシ、
ポリエステル等の熱硬化性樹脂が用いられてい
る。また、強化プラスチツク性ポールの製法とし
て最もよく用いられているのは、ガラス繊維にポ
リエステル樹脂を含浸させ、連続的に硬化槽の中
へ導いて硬化させる、いわゆる「引抜きパイプ」
製法である。繊維を軸方向だけでなくF/W工程
を入れたり、芯材あるいは被覆材としてABS樹
脂等の熱可塑性樹脂を用いるものもあるが、強化
繊維のマトリクスとしてはいずれもポリエステ
ル、エポキシ等の熱硬化性樹脂である。
しかしながら、これら熱硬化性樹脂はもともと
脆く、テントポールのように大きく曲げて使用す
る場合、折れやすいという欠点があつた。また、
使用時のたわみ量が大きくなるように剛性を低く
すると、居住性、耐風圧の点で、問題が生じる。
特に、数本のポールを接続して使用する場合には
ジヨンイント部に応力集中が起こり、破壊の大半
はジヨイント部で生じる。しかしながら、連続引
抜き製法ではその断面が一様なことから、ジヨイ
ント部だけを一体的に補強することは困難であ
る。また、F/W製法の場合、複雑なジヨイント
形状や外径を変化させたりすることが困難であ
り、テープラツピングの不均一性に起因する寸法
精度、性能のバラツキ等の問題が大きかつた。
一方、ゴルフクラブシヤフトの素材として使用
されている繊維強化プラスチツクの構成は、強化
繊維としてはカーボン、ガラス、芳香族ポリアミ
ド、ボロン等が用いられ、樹脂マトリクスとして
はエポキシ、ポリエステル等の熱硬化性樹脂が用
いられている。いずれも金属製のシヤフトに比べ
軽量であることを主な特徴としており、
ゴルフアーのスウイング時のヘツドスピーが
増加する
非力なゴルフアーでも楽にスイングできると
いうメリツトがある。
この種のシヤフトの製法としては次の2種類に
大別される。
(1) フイラメントワインデイング(F/W)法
連続フイラメントに樹脂を含浸し、マンドレ
ル上で軸方向に所定の角度をつけながら巻いて
ゆく。
(2) シートワインデイング法
あらかじめ樹脂を含浸したクロスをマンドレ
ルに巻きつける。
(1)、(2)とも、マンドレル上に成形した後、熱収
縮テープによりラツピングして硬化炉の中で焼成
する。
しかしながら、このような製法では、材料成形
時の寸法精度が充分ではなく、しかもラツピング
したテープの締付力に硬化時の圧力を依存してい
ることから、製品の寸法精度に限界がある。ま
た、ラツピングテープの跡が製品上に残るため、
センタレス−グライダー等で表面をバフ仕上げす
るので表面の繊維が一部削られる欠点がある。ま
た、複雑な形状や外径を非連続的に変化させたり
することも困難であり、設計自由度の制約が大き
い。さらに、エポキシ、ポリエステル等の熱硬化
性樹脂はもともと脆く、インパクト時に折れる危
険性が大きいという問題点がある。
さらに、球技用のラケツトフレーム用の繊維強
化プラスチツクの構成としては次の2種類のもの
が知られている。
(1) 連続繊維/樹脂マトリクス系
(2) 短繊維又はチヨツプドフアイバー/樹脂マト
リクス系
これらのうち(1)に示すものは、樹脂マトリクス
としてエポキシ、ポリエステルあるいはフエノー
ル系の熱硬化性樹脂が用いられ、それが連続フイ
ラメントに含浸され加熱及び加圧によつて樹脂が
硬化させられて所要の形状にモールドされる。
また、(2)に示すものは、強化部材が樹脂マトリ
クス中にランダムに分散された短い不連続長の繊
維強化部材からなるタイプであり、この樹脂は熱
可塑性あるいは熱硬化性のいずれであつてもよ
い。熱硬化性材料としては(1)に示したものが用い
られ、熱可塑性材料としては、例えばナイロン、
ポリカーボネート、ポリフエニレンオキサイド、
アセタールおよびその他の工業用サーモプラスチ
ツクスと呼ばれるものがあげられる。成形法とし
ては主に射出成形法によつて作られる。
一方、ラケツトに要求される特性として、通
例、強靭性、剛性、及び反撥力があげられる。強
靭性については、(1)はマトリクス樹脂の靭性が劣
るため、高価な炭素繊維等の強化繊維を通常60〜
70重量%用いることにより必要な靭性を得るのが
常である。必要な強度、形状が得やすいため、現
在のテニスラケツト用フレームのうち強化プラス
チツクを用いたものについてては、大部分この製
法が採用されている。
(2)については、通常成形加工性、特にインジエ
クシヨン時の流動特性を考慮してマトリクス樹脂
の分子量は低く押さえられている。又、繊維含量
も30重量%程度であり、しかも繊維長はペレツト
化し射出成形された後1mm以下(0.2〜0.3mm)と
なつていることが多い。分子量の高くないマトリ
クス樹脂であることと、強化繊維の長さも著しく
短いため、この構成による機械的強度の向上は望
めない。そのためガツトを張つた状態で車のトラ
ンクルームに収納されたとき、その内部温度が80
℃を超えると変形したり、使用中に折損したりす
る可能性は大である。
こうした欠点を補うためには、必然的にラケツ
トフレームを厚肉としなければならないが、重量
的には重くなるので、あまり実用的ではない。
又、近年レジヤーとしてのスポーツが盛んにな
るにつれ、スポーツ障害に対する配慮が必要とな
つてきた。例えば、あるアンケートでは硬式ラケ
ツトプレーヤーの約1/3が「肘が痛くなつたこと
がある」と答えている。通常テニスエルボーとい
われ、プレーをしている間に特に誘因なくラケツ
トを持つ側の肘が痛くなつてしまうのである。振
動吸収性の劣るラケツトは、一般的に打撃時にそ
の振動が肘に伝わつて上腕骨上顆を痛めるのであ
ると思われる。現在ラケツトフレーム素材として
主流となつている上記(1)にあげた連続フイラメン
ト/樹脂マトリクス系では、通常用いられている
エポキシ樹脂やポリエステル樹脂は衝撃吸収性が
劣るためと考えられる。
なお、本発明において用いられている材料と類
似のナイロン系樹脂を用いた工業材料に関する文
献として、例えば「ナイロン RIM デベロプ
メント フオア オートモーテイブ ボデイパネ
ルス」(SAE テクニカル ペーパー シリーズ
850157;1985年)、「ナイロン6 RIM」(1985
アメリカン ケミカル ソサイアテイ)等があ
り、これらの他には末端アミンポリエーテル
RIMに関する(SAE テクニカル ペーパー
シリーズ850155;1985年)の記事や、アメリカに
おけるRIMの将来に関する“アメリカン ケミ
カル ソサイアテイ”(1985年)の記事、RIMモ
ノマーキヤステイングに関する「プラステイクス
テクノロジー;1985年5月号」の記事等がある
が、いずれの文献にも長繊維補強品に関する記載
はない。
(発明の目的)
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、
軽量性、強度、曲げ弾性率等にすぐれ、かつ、形
状および材料の設計自由度が従来のものと比べて
大きい構造材料を提供することを目的としてい
る。
(発明の開示)
本発明にかかる構造材料(第1の発明)は、連
続繊維及び/又は長繊維強化材で強化されたポリ
アミド樹脂からなる構造材料であつて、該ポリア
ミド樹脂はモノマーキヤステイングにより形成さ
れるとともに、前記繊維強化材は、アルコール可
溶性、水溶性、又はアルコール及び水の両方に対
し可溶性を有するナイロン表面処理剤で表面処理
されていることを特徴としている。また、本発明
にかかる構造材料の製造方法(第2の発明)は、
連続繊維及び/又は長繊維強化材で強化されたポ
リアミド樹脂からなる構造材料を製造する方法で
あつて、連続繊維及び/又は長繊維の強化材をア
ルコール可溶性、水溶性又はアルコール及び水の
両方に対し可溶性のナイロン表面処理剤で予め表
面処理し、所定の形状となるように配置し、型入
れした後、重合触媒と開始剤を含む溶融したω−
ラクタム類を型内に注入し、これを加熱によりポ
リアミド樹脂とするモノマーキヤステイング法を
用いて構造材料を形成することを特徴としてい
る。
本発明において用いるモノマーであるω−ラク
タムは、α−ピロリドン、α−ピペリドン、ε−
カプロラクタム、ω−エナントラクタム、ω−カ
プリロラクタム、ω−ペラルゴノラクタム、ω−
デカノラクタム、ω−ウンデカノラクタム、ω−
ラウロラクタムあるいはこれらのc−アルキル置
換−ω−ラクタム、並びにこれらの二種以上のω
−ラクタムの混合物等が挙げられる。しかし工業
的に有利なラクタムはε−カプロラクタムとω−
ラウロラクタムである。又、ω−ラクタム類は必
要に応じて改質成分(ソフト成分)を含むことが
できる。
ソフト成分は分子中に使用する開始剤と反応す
る官能基を有し、しかもTgの低い化合物で通常
官能基を有するポリエーテルや液状ポリブタジエ
ンなどが使用されている。
本発明で使用される市販の原料としては、宇部
興産(株)社のナイロンRIM原料例えばUX−21等が
ある。これはアルカリ触媒とカプロラクタムから
なるA成分と、ソフト成分を含むプレポリマーと
カプロラクタムからなるB成分とから構成されて
いる。
又、本発明において使用されるアニオン重合触
媒としては、水素化ナトリウムNaHが好ましい
が、その他のナトリウム、カリウム、水素化リチ
ウム等の公知のω−ラクタムの重合触媒を使用す
る事ができる。その添加量はω−ラクタムに対し
て0.1〜5.0モル%の範囲が好ましい。
又、重量開始剤としては、N−アセチル−ω−
カプロラクタムが用いられるが、その他のトリア
リルイソシアヌレート、N−置換エチレンイミン
誘導体、1,1′−カルボニルビスアジリジン、オ
キサゾリン誘導体、2−(N−フエニルベンズイ
ミドイル)アセトアニリド、2−N−モルホリノ
−シクロヘキサン−1.3−ジカルボキサニリド等
や既に公知のイソシアナート、カルボジイミド等
の化合物をも用いることが出来る。これら重合開
始剤の添加量としては、ω−ラクタムの量に対し
て0.05〜1.0モル%の範囲内にあることが望まし
い。又、その添加する方法としては、
(A) アニオン重合触媒を含むω−ラクタム液に直
接添加混合する方法
(B) アニオン重合触媒を含むω−ラクタム液と、
重合開始剤を含むω−ラクタム液を混合する方
法
(C) 予め固体状または液状のω−ラクタムにアニ
オン重合触媒と共に同時に添加しておく方法
等があるが、その何れの方法を用いても差し支え
ない。
又、重合温度は一般的には120乃至は200℃が好
ましいが、特別な目的のためには120℃以下又は
200℃以上で重合を行うことも可能である。強化
材料である連続繊維は、その用途に応じて炭素繊
維、アラミド繊維、ガラス繊維、アルミナ繊維、
炭化ケイ素繊維、スチールワイヤ、アモルフアス
金属繊維及び/又はそれらの混合物が、クロス、
スリーブ、ロービングの状態で用いられる。
連続繊維及び/又は長繊維は、例えばパイプ状
構造材料を製造する場合は中芯のまわりに必要量
巻きつけたり、スリーブとして中芯のまわりを被
覆したりして、モールド内に設置される。ブロツ
ク状の製品を得る場合は型内に予め配置しておけ
ばよい。連続繊維、長繊維を予め所望形状に成形
する際、及び成形された繊維を金型内の所定位置
に配置する際は、繊維表面にサイジング材をコー
テイングする必要がある。従来、このコーテイン
グ材としてはエポキシ樹脂が一般的である。エポ
キシ樹脂をコーテイングした繊維をモノマーキヤ
ステイングに用いた場合、エポキシ樹脂がモノマ
ーの重合を阻害し、完成した構造材料の強度が低
くなる。実験の結果では、表面処理剤として、ア
ルコール可溶性、水溶性、又はアルコール及び水
の両方に対し可溶性を有するナイロン表面処理剤
を用いて繊維に予め表面処理を施しておくのがも
つとも優れた強度が得られた。
本発明ではモノマーキヤステイング法を用いて
いるため、成形加工性を考慮した分子量の制約も
なく、高分子量のポリアミド樹脂が得られるの
で、強度、弾性率、熱変形温度も高い、そのため
構造材料の厚さもうすく出来、軽量化が図れる。
なお、長繊維で熱可塑性樹脂を補強した材料と
していわゆるスタンパブルシートがあり、ナイロ
ン系のものとして例えばナイロン樹脂と連続ガラ
ス繊維マツトからなるシートが考えられるが、こ
の種のスタンパブルシートを用いて所望の形状の
成形品を得る場合は、次のような問題点がある。
すなわち、スタンパブルシートを成形材料として
用いる場合は、型外で加熱溶融させた原反を取り
扱う必要があるが、この時の温度は200〜350℃の
高温であり、かつ溶融状態の原反は軟らかくきわ
めて取り扱いにくい。又、遠赤外線を用いる加熱
装置等が必要であるので設備コストがかかる。さ
らに、成形時のプレス圧力が100〜300Kg/cm2と高
く、金型等の設備費用が高い。しかも、成形品の
表面に補強用の繊維が浮き出したり、素材を加熱
する際にまき込んだエアが成形時に逃げきれずに
残つたりして表面の仕上りが悪い。又、薄肉で複
雑で形状のものは成形が困難である。
したがつて、モノマーキヤステイング法による
本発明の方がはるかに優れたものと云える。
又、本発明においては、もともと脆い熱硬化性
樹脂に比し、著しく強靭なポリアミド樹脂を用い
ることになるので、強化繊維の量も少なくてす
み、特に連続繊維及び/又は長繊維を用いること
で更に一層の強化と強化繊維の減少が図れ、経済
性と軽量化が同時に可能となるのである。又、マ
トリクス樹脂に用いているポリアミド樹脂のすぐ
れた振動減衰特性も、強化繊維の量が少なくてす
むことから、より顕著となり軽量で耐久性、外観
性にすぐれたラケツトフレーム、球技用シヤフト
その他の構造材料が得られるのである。
実施例 1
第1図に示すように、SUS製のマンドレル1
のまわりにカーボン繊維2を軸方向に25°の角度
をなすように編んだものを重量%で35%となるよ
うな量で配置し、モールド内に設置した。この
際、ジヨイント部3において曲げ変形時に応力集
中を起こす位置にRをもたせ、面接触となるよう
にするとともに、凹凸部分にテーパを施し、第2
図に示す従来の直角断面のジヨイントで破壊を生
じやすかつたA,B部の肉圧を厚くとれるように
した。このモールドを150℃で加熱し、次に真空
ポンプを用いてモールド内を1mmHgまで減圧し
た。100gのω−カプロラクタムを1のフラス
コ中で窒素置換しながら130℃に加熱溶融し、
0.21gのNaH(50%油性)を加え完全に反応溶解
させた。同時に他方の1のフラスコ中に100g
のω−カプロラクタムを秤取し、同様に窒素置換
しながら130℃に加熱溶融した後0.13gのN−ア
セチル−ωカプロラクタムを加え完全に溶解させ
た。前記モールド内に前記ラクタム混合液を同時
に注入し、30分間150℃に保つた。型から取り出
した後、これを90℃のオイルの中で2時間アニー
ルした後沸騰水中で3時間加熱した。
これにより、軽量性、曲げ弾性、曲げ強度のす
ぐれた構造材用パイプ4が得られた。
実施例 2
第3図に示すように、ジヨイント部3の凹部の
外径を大きくしてジヨイント部の強度アツツプを
図つたこと以外は実施例1と同様に行なつた。
これにより、実施例1の場合と同様に軽量性、
曲げ弾性、曲げ強度にすぐれ、かつ、ジヨイト部
が補強された構造材用パイプ4か得られた。
実施例 3
第4図に示すSUS製のマンドレル1のまわり
にカーボン繊維2を軸方向に25゜の角度をなすよ
うに編んだものを重量%で35%となるような量で
配置し、モールド内に設置した。このモールドを
150℃で加熱し、次に真空ポンプを用いてモール
ド内を1mmHgまで減圧した。100gのω−カプロ
ラクタムを1のフラスコ中で窒素置換しながら
130℃に加熱溶融し、0.21gのNaH(50%油性)
を加え完全に反応溶解させた。同時に他方の1
のフラスコ中に100gのω−カプロラクタムを秤
取し、同様に窒素置換しながら130℃に加熱溶融
した後0.13gのN−アセチル−ωカプロラクタム
を加え完全に溶解させた。前記モールド内に前記
ラクタム混合液を同時に注入し、すばやく蓋を閉
めて30分間150℃に保つた。
これによつて中空パイプ状のゴルフクラブシヤ
フト5が得られた。
次に第4図の先端部6にパーシモンヘツドをグ
リツプ部7にラバーグリツプをつけて製品とし
た。実際にゴルフボールを実射した時の耐久性は
問題はなかつた。
実施例 4
第5図に示すように、シヤフト5の一部(Pの
部分)の肉厚を他の部分よりも小さくしてカーボ
ン繊維2を配置したこと以外は実施例3と同様に
行なつた。
Pの部分の位置を先端6側あるいはグリツプ7
側に変えることにより、キツクポイントの位置が
自由に設計できた。
実施例 5
繊維角度が15°である以外は実施例1と同様な
モノマーキヤステイング法により炭素繊維の量を
種々に変えて本発明の構造材料を製造した。
このようにして得られた構造材料について曲げ
弾性率、曲げ強度、疲労特性、耐熱性、破壊エネ
ルギーを調べた結果は、第6図、第7図、第8
図、第9図、および第1表、第2表に示す通りで
あつた。これらの図においてAは本発明品を、B
はエポキシマトリクスを炭素長繊維で補強した材
料からなる試料を、Cは短繊維(炭素繊維)強化
材を用いたポリアミド樹脂系材料からなる試料
を、Dは市販のエポキシマトリクスを炭素長繊維
で補強した材料からなるテニスラケツトフレーム
から切り出した試料を、またEはポリアミド樹
脂/短繊維(炭素繊維)系のテニスラケツトフレ
ームから切り出した試料をそれぞれあらわす。上
記各試料をより具体的に示せば、Aは宇部興産(株)
社製UBEナイロンRIM(UX−21)を連続炭素繊
維(東邦レーヨン(株)社製BC−7364−24)で強化
したもの、Bは炭素繊維プリプレグ(化成フアイ
バーライト社製HYE 1648 AIE)、CはBASF社
製ウルトラミツド(6,6ナイロン)A3Wを炭
素短繊維で補強したもの、Dはダンロツプテニス
MAXPOWER−DXより切り出したもの、Eは
ダンロツプテニスMAX200Gより切り出したもの
をそれぞれあらわす。B以外はいずれも比較例で
ある。第1表からわかるように、本発明品である
AはB、Cに較べて補強繊維の含有率が少ないに
もかかわらず高温での曲げ弾性率の保持率が大き
く、比較例に較べて耐熱性にすぐれていることが
わかる。なお、Bのうち(I)は航空宇宙用耐熱
レジンを使用した特殊な材料であるが、Aはこれ
よりも耐熱性にすぐれている。
また、第2表は破壊エネルギーの大きさを示す
もので、これが大きい程破壊しにくいことを意味
する。同表ではAの破壊エネルギーがBよりも若
干低くなつているが、補強繊維の含有量はAがB
の約半分であることを考慮すると、同量の繊維を
含む場合は、破壊強度はAがBよりもすぐれてい
ると考えられる。
さらに、第6図、第7図は炭素繊維含有量と曲
げ弾性率の関係および炭素繊維含有量と曲げ強度
との関係をあらわすもので、曲げ弾性率、曲げ強
度のいずれにおいてもAがCよりすぐれているこ
と、炭素繊維含有量を考慮すればAはBと同等以
上であることがわかる。また、Aでは炭素繊維量
を調節することによつて、要求特性に応じた曲げ
弾性率と曲げ強度を得ることができることがわか
る。なお、Bは実際の製造上炭素繊維量を少なく
することが難しいので、Aに較べて設計の自由度
が小さい。
第8図は疲労特性をあらわすもので、A、B、
Cの各材料によつて破壊強度が異なるので、疲労
試験結果を各破壊強度に対する疲労応力の割合で
あらわした。同図からわかる通り、AがB、Cに
較べて特にすぐれていることがわかる。なお、図
中の45.5Kg/mm2、14.5Kg/mm2、50Kg/mm2等の数値
は、耐久限が105回となるときの疲労応力値をあ
らわす。第9図は第8図と同様に破壊強度に対す
る疲労応力値の割合をあらわすもので、Aはモノ
マーキヤステイング法で成形した本発明の構造材
(炭素繊維)を、A′は強化材として連続ガラス繊
維マツトを用いたナイロン樹脂からなる複合材料
(スタンパブルシート)をそれぞれあらわす。同
時からわかる通り、AはA′よりも疲労特性がす
ぐれていると伝える。なお、図中の91Kg/mm2、8
Kg/mm2の数値は、第8図の場合と同様に、耐久限
が105回となるときの疲労応力値をあらわす。
なお、試験条件は、曲げ弾性率、曲げ強度が繊
維角度±15°で、テスト速度2.5mm/minの3点曲
げ試験による。スパン間隔は100mm、テストピー
ス寸法は4(厚)×10(巾)×150(長)mmであつた。
また、疲労試験は、応力一定で周波数1Hzの3点
曲げ疲労試験による。繊維角度は±15°、テスト
ピース寸法4(厚)×10(巾)×150(長)mm、スパン
間隔80mmで耐久限を105回とした。
破壊エネルギーは曲げ強度と同じ条件で行なつ
た。耐熱性は室温での剛性率(E20)より100℃
(E100)および150℃(E150)での剛性率の保持
率(E100/E20、E150/E20)を求めた。上記各
試験に用いた装置は株式会社インテスコ製の
TYPE2050であつた。
さらに減衰性能は、繊維角度±15°の4(厚)×
10(巾)×150(長)mmの材料を糸で吊るし、インパ
クトハンマで衝撃を与え加速度ピツクアツプで加
速度(α)を測定してα/Fを周波数解析した。
減衰比(ζ)の計算は、YHP(株)社製ダイナミ
ツク アナライザー3562Aを用いて行なつた。す
なわち、上記α/Fを周波数解析し、第10図か
ら次式によつてζを求めた。
ζ=(1/2)×(Δω/ωn)
T0=Tn/√2
その結果は、ナイロン樹脂(UX−21を加熱重
合させたもの)で強化繊維を含まないものが
0.0558、表面処理を施さない連続炭素繊維を含む
もの(繊維角度17°)が0.0107、ナイロン系表面
処理剤で表面処理を施した連続炭素繊維を含むも
の(繊維角度12°)が0.0135、表面処理を施さな
い連続炭素繊維を含むもの(繊維角度19°)が
0.0122、ナイロン樹脂(NY66)で短繊維の炭素
繊維を15重量%含むものが0.0230、同30重量%含
むものが0.0159、エポキシ樹脂で長繊維の炭素繊
維を含むものが0.0098、ナイロンマトリクスの短
繊維の炭素繊維で補強した市販のラケツトフレー
ム(Max 200G PRO)から切り出した試片が
0.0323であつた。
これらのデータからわかる通り、本発明にかか
る構造材料は、強度、耐熱性、疲労特性等種々の
面ですぐれたものである。
実施例 6
合成樹脂チユーブであるナイロンチユーブのま
わりに、炭素繊維の編組したものを重量で45%芳
香族ポリアミド樹脂(商品名KEVLAR49)のク
ロスを重量%で10%となるような量で巻きつけて
ミツドサイズテニスラケツトフレームのモールド
内に設置した。このモールドを150℃で加熱し、
次に真空ポンプを用いてモールド内を1mmHgま
で減圧した。300gのω−カプロラクタムを1
をフラスコ中で窒素置換しながら130℃に加熱溶
融し、0.64gのNaH(50%油性)を加えて完全に
反応溶解させた。同時に他方の1のフラスコ中
に300gのω−カプロラクタムを秤取し、同様に
窒素置換しながら130℃に加熱溶解した後0.4gの
N−アセチル−εカプラクタムを加え完全に溶解
させた。前記モールド内に前記ラクタム混合液を
同時に注入し、すばやく蓋を閉めて30分間150℃
に保つた。次にその芯部16にウレタン発泡体を
充填し、シヤフト部10bにグリツプをつけて第
11図に示すような製品とした。このテニスラケ
ツトフレーム10はヘツド部10aとグリツプ部
10bとをそなえ、製品重量は325gであつた。
このフレーム10にガツトを張つてプレーした時
の耐久性に問題はなかつた。
第15図にこのラケツトにガツトを張つたもの
の振動減衰特性を示す。第15図は本発明による
ものであり、第13図に示す断面を有し、上記の
如く、芯部16に充填したコアーは発泡ウレタ
ン、15はナイロンチユーブ、14は表面の樹脂
層(ナイロン)であり、基材13の繊維として
は、炭素繊維の含量45%と含量10重量%の芳香族
ポリアミド樹脂(商品名KEVLAR49)の連続フ
イラメントのスリーブを用いたものの振動減衰波
形をあらわす。
また、第12図および第16図は比較例であつ
て、発泡ウレタンをコアー12とし、その外側の
部分13が炭素繊維の連続フイラメント70重量%
を含むエポキシ樹脂を加熱加圧によつて硬化して
所要の形状にモールドしたものであるラケツトの
振動減衰波形をあらわす。14は樹脂層(エポキ
シ樹脂)である。このラケツトの重量は340gで
あつた。
振動減衰波形は次のように求めた。すなわち、
第14図に示す如く、ヒモに吊るしたテニスボー
ル17を、同じくフレーム打球部(ヘツド部10
a)を上にしてヒモに吊るしたガツトを張つたラ
ケツト18の打球面に中心に図のように自然落下
させて当てた時の振動の減衰を、グリツプ部にア
ルミ板20を介在させて取り付けた加速度計19
で受信し、それをブラウン管上で振動減衰波形と
して観察した。
このようにして得られた第15図、第16図の
減衰波形から、第17図にもとづいて次式で減衰
比ζを計算した。
ζ=1/2π(n−1)・lnω1/ωo
減衰比を計算したところ、第16図のものが
0.0222であるのに対し、第15図のものは0.0582
であつた。これらのデータから分かる通り、本発
明品は従来品に較べて振動減衰特性がきわめてす
ぐれたものである。
実施例 7
UBEナイロンRIM(UX−21)のA成分(アル
カリ触媒を含むカプロラクタム)、B成分(プレ
ポリマーを含むカプロラクタム)を窒素置換しな
がら90〜100℃で加熱溶融し、A、B両成分を素
早く混合し、東レAQナイロン(A−70)の0.5%
メタノール溶液で表面処理した炭素繊維(強化
材)にそそぎ、10分間150℃に保つた。
このものを用いて上記実施例6と同様なラケツ
トフレームを製造した。得られたラケツトフレー
ムは実施例6の製品と同等以上の成績を示した。
実施例 8
強化繊維として炭素繊維が30重量%となるよう
にクロスを用いたこと以外は実施例7と同様に行
なつた。フレームのヘツド部肉厚は1.5mm(平均)
であつた。このラケツトフレームの樹脂の固有粘
度[η]は3.07であつた。(溶剤m−クレゾー
ル;ISO307による)。
実施例 9
炭素繊維が重量で70重量%であることと、フレ
ームの打球面の面積がミツドサイズの170%増加
しており、フレームのヘツド部肉厚が実施例8に
比し最大で1mm厚さになつていること以外は実施
例8と同様に行なつた。
実施例 10
東レ社製カーボン繊維T−300(3000フイラメン
ト)の平織りクロス20層を積層して金型にセツト
し、重合触媒と開始剤を含む溶融したω−ラクタ
ムを金型内に注入し、加熱してポリアミド樹脂の
板状サンプルを作成した。カーボン繊維は、あら
かじめ下記2種(A、B)のサイジング剤でコー
テイングしたものを用意しておき使用した。
A 東レ社製アルコール可溶製ナイロン
A−70(0.5%濃度)
B エポキシ系サイジング剤
(0.5%濃度)
得られたサンプルについて機械的性質を測定し
た結果は添付別表のとおりであつた。なお、破壊
たわみ量、曲げ弾性率及び曲げ破壊応力はJIS
K7055の試験方法に準じて測定し、層間剪断強度
はJIS K7057の試験方法に準じて測定した。この
結果から、エポキシ系サイジング剤をコーテイン
グした繊維を用いると重合不良により強度等が低
くなることがわかる。
[発明の効果]
本発明にかかる構造材料は、マトリクス樹脂と
して脆い熱硬化性樹脂を使用せず、強度的にすぐ
れたポリアミド樹脂を使用し、しかもこれを連続
繊維及び/又は長繊維強化材で強化するので、軽
量性、強度、曲げ弾性率、振動減衰特性等にすぐ
れた構造材料を得ることができた。
この構造材料は、第2の発明にかかる製造方
法、すなわち予め繊維強化材を所定の形状となる
ように配置しておき、これにマトリクスとなる樹
脂をモノマーキヤスチング法によつて添加する方
法で製造することができるので、成形が容易で
種々の形状に成形することができる。
従来の繊維強化複合材料は、強化材を予め樹脂
に混合しておき、これを成形するプリミツクス法
によつて製造されていたので、複雑な形成への成
形が一般に困難であつたが、これに較べて本発明
品は上述の如く成形が容易で設計の自由度が大き
い。
(Field of Industrial Application) This invention relates to a structural material suitable for use in racket frames for tennis, squash, badminton, etc., poles for tent frames, pipes for structural materials, buried earthen pipes, blocks, fishing rods, etc., and a method for producing the same. It is related to. (Conventional technology and its problems) Fiber-reinforced composite materials that have been used as structural materials for building materials, sports equipment, etc. include materials that have a thermoplastic resin matrix and short fiber reinforcement added to this, and There is a material in which long fiber reinforcement is added to a thermosetting resin matrix. However, each of these materials has the following problems in terms of formability, strength, heat resistance, fatigue properties, etc., and there has been a strong demand for better fiber-reinforced composite materials. For example, in recent years, reinforced plastic poles have been appearing on the market as poles for mountain climbing tents, but they have the following problems.
It is still only partially used in fields where usage conditions are relatively lenient, such as in leisure tents. In other words, the structure of these reinforced plastic poles is that the reinforcing fibers are glass, carbon, and aromatic polyamide, and the matrix is epoxy.
Thermosetting resin such as polyester is used. The most commonly used manufacturing method for reinforced plastic poles is the so-called "drawn pipe" method, in which glass fibers are impregnated with polyester resin and continuously introduced into a curing tank to harden.
It's the manufacturing method. Some fibers are processed not only in the axial direction but also in the F/W process, and some use thermoplastic resins such as ABS resin as the core material or coating material, but in all cases, the reinforcing fiber matrix is made of thermosetting polyester, epoxy, etc. It is a synthetic resin. However, these thermosetting resins are inherently brittle and have the disadvantage of being easily broken when used in large bends like tent poles. Also,
If the rigidity is lowered to increase the amount of deflection during use, problems will arise in terms of comfort and wind pressure resistance.
In particular, when several poles are connected and used, stress concentration occurs at the joint, and most of the fractures occur at the joint. However, in the continuous pultrusion method, since the cross section is uniform, it is difficult to integrally reinforce only the joint portion. In addition, in the case of the F/W manufacturing method, it is difficult to change the complicated joint shape and outer diameter, and there are major problems such as dimensional accuracy and performance variations due to non-uniformity of tape wrapping. . On the other hand, the structure of fiber-reinforced plastic used as a material for golf club shafts is that carbon, glass, aromatic polyamide, boron, etc. are used as the reinforcing fibers, and thermosetting resins such as epoxy and polyester are used as the resin matrix. is used. The main feature of both shafts is that they are lighter than metal shafts, and they have the advantage of increasing head speed when the golfer swings, making it easier for even weak golfers to swing. The manufacturing method for this type of shaft can be roughly divided into the following two types. (1) Filament winding (F/W) method A continuous filament is impregnated with resin and wound on a mandrel at a predetermined angle in the axial direction. (2) Sheet winding method A cloth pre-impregnated with resin is wound around a mandrel. Both (1) and (2) are formed on a mandrel, wrapped with heat shrink tape, and fired in a curing furnace. However, in this manufacturing method, the dimensional accuracy during material molding is not sufficient, and the pressure during curing is dependent on the tightening force of the wrapped tape, so there is a limit to the dimensional accuracy of the product. Also, the wrapping tape may leave traces on the product.
Since the surface is buffed using a centerless glider, etc., there is a drawback that some of the fibers on the surface are removed. Furthermore, it is difficult to discontinuously change the complicated shape or outer diameter, and the degree of freedom in design is severely restricted. Furthermore, thermosetting resins such as epoxy and polyester are inherently brittle and have a high risk of breaking upon impact. Furthermore, the following two types of fiber-reinforced plastic structures for ball game racket frames are known. (1) Continuous fiber/resin matrix system (2) Short fiber or chopped fiber/resin matrix system Among these, those shown in (1) use epoxy, polyester, or phenolic thermosetting resin as the resin matrix. A continuous filament is impregnated with the resin, and the resin is cured by heating and pressure and molded into the desired shape. In addition, the type shown in (2) is a type in which the reinforcing members are composed of short discontinuous length fiber reinforcing members randomly dispersed in a resin matrix, and this resin may be either thermoplastic or thermosetting. Good too. As the thermosetting material, those shown in (1) are used, and as the thermoplastic material, for example, nylon,
polycarbonate, polyphenylene oxide,
These include acetals and other industrial thermoplastics. The molding method is mainly injection molding. On the other hand, characteristics required of a racket include toughness, rigidity, and repulsion. Regarding toughness, as for (1), the toughness of the matrix resin is poor, so expensive reinforcing fibers such as carbon fibers are usually
It is customary to obtain the necessary toughness by using 70% by weight. Most of the current tennis racket frames that use reinforced plastic use this manufacturing method because it is easy to obtain the required strength and shape. Regarding (2), the molecular weight of the matrix resin is usually kept low in consideration of moldability, especially fluidity during injection. Further, the fiber content is approximately 30% by weight, and the fiber length is often 1 mm or less (0.2 to 0.3 mm) after pelletizing and injection molding. Since the matrix resin does not have a high molecular weight and the length of the reinforcing fibers is extremely short, no improvement in mechanical strength can be expected with this configuration. Therefore, when it is stored in the trunk of a car in a stretched state, its internal temperature reaches 80 degrees Celsius.
If the temperature exceeds ℃, there is a high possibility that it will deform or break during use. In order to compensate for these drawbacks, it is necessary to make the racket frame thicker, but this is not very practical as it becomes heavier. In addition, as leisure sports have become more popular in recent years, it has become necessary to take into account sports injuries. For example, in one survey, about one-third of hard racket players answered that they had experienced pain in their elbows. Commonly referred to as tennis elbow, it is a condition in which the elbow on the side that holds the racket becomes painful for no particular reason while playing tennis. Rackets with poor vibration absorption properties are generally thought to cause vibrations to be transmitted to the elbow when struck, causing damage to the epicondyle of the humerus. This is thought to be due to the fact that in the continuous filament/resin matrix system listed in (1) above, which is currently the mainstream material for racket frames, the normally used epoxy resins and polyester resins have poor shock absorption properties. In addition, as a literature regarding industrial materials using nylon resin similar to the material used in the present invention, for example, "Nylon RIM Development for Automotive Body Panels" (SAE Technical Paper Series)
850157; 1985), "Nylon 6 RIM" (1985
American Chemical Society), and in addition to these, terminal amine polyether
(SAE Technical Paper on RIM)
Series 850155; 1985), an article in the American Chemical Society (1985) about the future of RIM in the United States, and an article in Plastakes Technology; May 1985 issue about RIM monomer casting. There is no description regarding long fiber reinforced products in any of the documents. (Object of the invention) The present invention has been made in view of the above circumstances, and
The purpose of the present invention is to provide a structural material that is excellent in lightness, strength, flexural modulus, etc., and has a greater degree of freedom in design of shape and material than conventional materials. (Disclosure of the Invention) The structural material according to the present invention (first invention) is a structural material made of a polyamide resin reinforced with continuous fibers and/or long fiber reinforcement, and the polyamide resin is formed by monomer casting. The fiber reinforced material is characterized in that it is surface-treated with a nylon surface treatment agent that is alcohol-soluble, water-soluble, or soluble in both alcohol and water. Further, the method for manufacturing a structural material according to the present invention (second invention) includes:
A method for producing a structural material made of polyamide resin reinforced with continuous fibers and/or long fiber reinforcement, the method comprising making the continuous fibers and/or long fiber reinforcement alcohol soluble, water soluble, or both alcohol and water. On the other hand, the surface of nylon is pre-treated with a soluble nylon surface treatment agent, placed in a predetermined shape, and placed in a mold.
The structural material is formed using a monomer casting method in which lactams are injected into a mold and heated to form a polyamide resin. The ω-lactams used in the present invention include α-pyrrolidone, α-piperidone, and ε-lactam.
Caprolactam, ω-enantholactam, ω-caprylolactam, ω-pelargonolactam, ω-
Decanolactam, ω-undecanolactam, ω-
laurolactam or these c-alkyl-substituted -ω-lactams, and two or more of these ω
- mixtures of lactams, etc. However, the industrially advantageous lactams are ε-caprolactam and ω-
It is laurolactam. Moreover, the ω-lactams can contain a modifying component (soft component) as necessary. The soft component is a compound that has a functional group that reacts with the initiator used in the molecule and has a low Tg, and is usually a polyether or liquid polybutadiene that has a functional group. Commercially available raw materials used in the present invention include nylon RIM raw materials manufactured by Ube Industries, Ltd., such as UX-21. This is composed of component A consisting of an alkali catalyst and caprolactam, and component B consisting of caprolactam and a prepolymer containing a soft component. Further, as the anionic polymerization catalyst used in the present invention, sodium hydride (NaH) is preferable, but other known ω-lactam polymerization catalysts such as sodium, potassium, lithium hydride, etc. can be used. The amount added is preferably in the range of 0.1 to 5.0 mol% based on the ω-lactam. In addition, as a weight initiator, N-acetyl-ω-
Caprolactam is used, but other triallylisocyanurate, N-substituted ethyleneimine derivatives, 1,1'-carbonylbisaziridine, oxazoline derivatives, 2-(N-phenylbenzimidoyl)acetanilide, 2-N-morpholino -Cyclohexane-1,3-dicarboxanilide, etc., and already known compounds such as isocyanates and carbodiimides can also be used. The amount of these polymerization initiators added is desirably within the range of 0.05 to 1.0 mol % based on the amount of ω-lactam. In addition, the methods for adding it include (A) a method of directly adding and mixing it to an ω-lactam liquid containing an anionic polymerization catalyst; (B) a method of directly adding and mixing it to an ω-lactam liquid containing an anionic polymerization catalyst;
Method of mixing an ω-lactam liquid containing a polymerization initiator (C) There is a method in which the ω-lactam is added in advance to a solid or liquid ω-lactam together with an anionic polymerization catalyst, but any of these methods may be used. do not have. In addition, the polymerization temperature is generally preferably 120 to 200°C, but for special purposes it may be lower than 120°C or
It is also possible to carry out the polymerization at temperatures above 200°C. Continuous fibers, which are reinforcing materials, can be carbon fiber, aramid fiber, glass fiber, alumina fiber, or
Silicon carbide fibers, steel wires, amorphous metal fibers and/or mixtures thereof can be used as cloth,
Used in sleeve or roving form. For example, when producing a pipe-like structural material, the continuous fibers and/or long fibers are placed in a mold by winding the required amount around the core or by covering the core as a sleeve. When obtaining a block-shaped product, it may be placed in advance in a mold. When forming continuous fibers or long fibers into a desired shape in advance, and when placing the formed fibers at a predetermined position in a mold, it is necessary to coat the fiber surface with a sizing material. Conventionally, epoxy resin has been commonly used as this coating material. When fibers coated with epoxy resin are used for monomer casting, the epoxy resin inhibits the polymerization of the monomer, reducing the strength of the finished structural material. Experimental results show that pre-surface treatment of fibers using a nylon surface treatment agent that is alcohol-soluble, water-soluble, or soluble in both alcohol and water provides superior strength. Obtained. Since the present invention uses a monomer casting method, there is no restriction on molecular weight in consideration of moldability, and high molecular weight polyamide resin can be obtained, which has high strength, elastic modulus, and heat distortion temperature. The thickness can be reduced and the weight can be reduced. In addition, there is a so-called stampable sheet as a material in which thermoplastic resin is reinforced with long fibers, and a sheet made of nylon resin and continuous glass fiber mat can be considered as a nylon-based material. When obtaining a molded product with a desired shape, there are the following problems.
In other words, when using a stampable sheet as a molding material, it is necessary to handle the original fabric heated and melted outside the mold, but the temperature at this time is a high temperature of 200 to 350°C, and the molten original fabric is It is soft and extremely difficult to handle. Furthermore, since a heating device using far infrared rays is required, equipment costs are high. Furthermore, the press pressure during molding is as high as 100 to 300 kg/cm 2 , and equipment costs such as molds are high. In addition, the reinforcing fibers may stand out on the surface of the molded product, and the air that has been drawn in when heating the material cannot escape during molding and remains behind, resulting in a poor surface finish. Moreover, it is difficult to mold thin, complicated, and shaped materials. Therefore, it can be said that the present invention based on the monomer casting method is far superior. In addition, in the present invention, since a polyamide resin that is extremely tough is used compared to a thermosetting resin that is inherently brittle, the amount of reinforcing fibers can be reduced, and in particular, by using continuous fibers and/or long fibers. Furthermore, further reinforcement and reduction of reinforcing fibers can be achieved, making it possible to achieve economical efficiency and weight reduction at the same time. In addition, the excellent vibration damping properties of the polyamide resin used in the matrix resin are even more noticeable because only a small amount of reinforcing fibers are required, making them ideal for racket frames, ball game shafts, and other products that are lightweight, durable, and have excellent appearance. This results in a structural material of 100%. Example 1 As shown in Fig. 1, a mandrel 1 made of SUS
Carbon fibers 2 woven at an angle of 25° in the axial direction were arranged around the mold in an amount such that the weight percentage was 35%, and the carbon fibers were placed in the mold. At this time, in the joint part 3, a radius is provided at a position where stress concentration occurs during bending deformation, so that there is a surface contact, and the uneven part is tapered, and the second
The thickness of the A and B sections, which were prone to breakage with the conventional right-angled cross-section joint shown in the figure, can be made thicker. This mold was heated at 150°C, and then the pressure inside the mold was reduced to 1 mmHg using a vacuum pump. 100g of ω-caprolactam was heated and melted at 130°C while substituting with nitrogen in flask 1.
0.21 g of NaH (50% oil) was added and completely reacted and dissolved. 100g in the other flask at the same time
ω-caprolactam was weighed out, heated and melted at 130° C. while replacing the mixture with nitrogen, and then 0.13 g of N-acetyl-ω-caprolactam was added and completely dissolved. The lactam mixture was simultaneously injected into the mold and kept at 150°C for 30 minutes. After being removed from the mold, it was annealed in oil at 90°C for 2 hours and then heated in boiling water for 3 hours. As a result, a structural material pipe 4 having excellent lightness, bending elasticity, and bending strength was obtained. Example 2 As shown in FIG. 3, the same procedure as Example 1 was carried out except that the outer diameter of the concave portion of the joint portion 3 was increased to increase the strength of the joint portion. As a result, as in the case of Example 1, lightness and
A structural material pipe 4 having excellent bending elasticity and bending strength and having a reinforced joint portion was obtained. Example 3 Carbon fibers 2 woven at an angle of 25 degrees in the axial direction were placed around the SUS mandrel 1 shown in Fig. 4 in an amount of 35% by weight, and molded. It was installed inside. this mold
It was heated at 150°C, and then the pressure inside the mold was reduced to 1 mmHg using a vacuum pump. 100g of ω-caprolactam was placed in a flask of 1 while purging with nitrogen.
Melt by heating to 130℃ and add 0.21g of NaH (50% oil).
was added for complete reaction and dissolution. the other one at the same time
100 g of ω-caprolactam was weighed into a flask, and heated and melted at 130°C while substituting with nitrogen. 0.13 g of N-acetyl-ω-caprolactam was added and completely dissolved. The lactam mixture was simultaneously injected into the mold, the lid was quickly closed, and the temperature was kept at 150°C for 30 minutes. As a result, a hollow pipe-shaped golf club shaft 5 was obtained. Next, a persimmon head was attached to the tip part 6 of FIG. 4, and a rubber grip was attached to the grip part 7 to prepare a product. There were no problems with durability when actually shooting golf balls. Example 4 As shown in FIG. 5, the process was carried out in the same manner as in Example 3 except that the thickness of a part of the shaft 5 (portion P) was made smaller than the other part and the carbon fibers 2 were arranged. Ta. Position the P part on the tip 6 side or on the grip 7 side.
By changing the position to the side, the position of the tight point could be freely designed. Example 5 Structural materials of the present invention were manufactured using the same monomer casting method as in Example 1, except that the fiber angle was 15°, with various amounts of carbon fibers. The results of examining the bending modulus, bending strength, fatigue properties, heat resistance, and fracture energy of the structural materials obtained in this way are shown in Figures 6, 7, and 8.
The results were as shown in FIG. 9, Tables 1 and 2. In these figures, A represents the product of the present invention, and B represents the product of the present invention.
1 is a sample made of an epoxy matrix reinforced with carbon long fibers, C is a sample made of a polyamide resin material using short fiber (carbon fiber) reinforcement, and D is a commercially available epoxy matrix reinforced with carbon long fibers. E represents a sample cut from a tennis racket frame made of a polyamide resin/short fiber (carbon fiber) material. To be more specific about each sample above, A is from Ube Industries, Ltd.
UBE nylon RIM (UX-21) reinforced with continuous carbon fiber (BC-7364-24 manufactured by Toho Rayon Co., Ltd.), B is carbon fiber prepreg (HYE 1648 AIE manufactured by Kasei Fiberlite Co., Ltd.), C D is BASF Ultra Mid (6,6 nylon) A3W reinforced with short carbon fibers, D is Dunlop Tennis.
E represents the material cut out from MAXPOWER-DX, and E represents the material cut out from Dunlop Tennis MAX200G. All samples other than B are comparative examples. As can be seen from Table 1, product A of the present invention has a higher retention rate of flexural modulus at high temperatures despite having a lower reinforcing fiber content than B and C, and has better heat resistance than comparative examples. It turns out that she has excellent sex. Note that among B, (I) is a special material using heat-resistant resin for aerospace, but A has better heat resistance than this. Furthermore, Table 2 shows the magnitude of fracture energy, and the larger this value is, the more difficult it is to fracture. In the same table, the fracture energy of A is slightly lower than B, but the reinforcing fiber content of A is lower than that of B.
Considering that the breaking strength of A is approximately half that of B, it is considered that A is superior to B in terms of breaking strength when the same amount of fibers are included. Furthermore, Figures 6 and 7 show the relationship between carbon fiber content and flexural modulus, and the relationship between carbon fiber content and flexural strength.A is higher than C in both flexural modulus and flexural strength. It can be seen that A is equivalent to or higher than B if the carbon fiber content is considered. In addition, it can be seen that in A, by adjusting the amount of carbon fiber, it is possible to obtain the bending elastic modulus and bending strength according to the required characteristics. Note that B has less freedom in design than A because it is difficult to reduce the amount of carbon fiber in actual manufacturing. Figure 8 shows the fatigue characteristics, A, B,
Since the fracture strength differs depending on each material of C, the fatigue test results were expressed as the ratio of fatigue stress to each fracture strength. As can be seen from the figure, A is particularly superior to B and C. In addition, numerical values such as 45.5Kg/mm 2 , 14.5Kg/mm 2 , 50Kg/mm 2 etc. in the figure represent fatigue stress values when the durability limit is 10 5 times. Figure 9, like Figure 8, shows the ratio of fatigue stress to fracture strength, where A is the structural material (carbon fiber) of the present invention formed by the monomer casting method, and A' is the continuous reinforcing material. Each represents a composite material (stampable sheet) made of nylon resin using glass fiber mat. As can be seen from the same table, A has better fatigue characteristics than A'. In addition, 91Kg/mm 2 , 8 in the figure
The value Kg/mm 2 represents the fatigue stress value when the durability limit is 10 5 times, as in the case of Fig. 8. The test conditions were a three-point bending test with a fiber angle of ±15° for the bending elastic modulus and bending strength, and a test speed of 2.5 mm/min. The span interval was 100 mm, and the test piece dimensions were 4 (thickness) x 10 (width) x 150 (length) mm.
The fatigue test was conducted using a three-point bending fatigue test at a constant stress and a frequency of 1 Hz. The fiber angle was ±15°, the test piece dimensions were 4 (thickness) x 10 (width) x 150 (length) mm, and the span interval was 80 mm, and the durability limit was set at 10 5 times. Fracture energy was measured under the same conditions as bending strength. Heat resistance is 100℃ from the rigidity (E20) at room temperature.
(E100) and the retention rate of rigidity at 150°C (E150) (E100/E20, E150/E20). The equipment used in each of the above tests was manufactured by Intesco Co., Ltd.
It was TYPE2050. Furthermore, the damping performance is 4 (thickness) × fiber angle ±15°
A material of 10 (width) x 150 (length) mm was suspended with a string, an impact was applied with an impact hammer, the acceleration (α) was measured with an acceleration pick-up, and α/F was frequency analyzed. The damping ratio (ζ) was calculated using Dynamic Analyzer 3562A manufactured by YHP Corporation. That is, the above α/F was subjected to frequency analysis, and ζ was determined from FIG. 10 using the following equation. ζ=(1/2)×(Δω/ωn) T 0 =Tn/√2 The results show that nylon resin (UX-21 heated and polymerized) that does not contain reinforcing fibers
0.0558, 0.0107 for those containing continuous carbon fibers without surface treatment (fiber angle 17°), 0.0135 for those containing continuous carbon fibers surface treated with a nylon surface treatment agent (fiber angle 12°), surface treatment Containing continuous carbon fibers (fiber angle 19°) without
0.0122, nylon resin (NY66) containing 15% by weight of short carbon fibers is 0.0230, 30% by weight of nylon resin (NY66) is 0.0159, epoxy resin containing long carbon fibers is 0.0098, short fibers in nylon matrix A specimen cut from a commercially available racket frame (Max 200G PRO) reinforced with carbon fiber was
It was 0.0323. As can be seen from these data, the structural material according to the present invention is excellent in various aspects such as strength, heat resistance, and fatigue properties. Example 6 Around a nylon tube, which is a synthetic resin tube, a cloth made of 45% aromatic polyamide resin (trade name: KEVLAR49) made of braided carbon fiber was wrapped around it in an amount that made it 10% by weight. It was installed inside the mold of a mid-sized tennis racket frame. Heat this mold at 150℃,
Next, the pressure inside the mold was reduced to 1 mmHg using a vacuum pump. 300g of omega-caprolactam 1
was heated and melted in a flask at 130° C. while purging with nitrogen, and 0.64 g of NaH (50% oily) was added to completely react and dissolve. At the same time, 300 g of ω-caprolactam was weighed into the other flask 1, and heated and dissolved at 130° C. while replacing the flask with nitrogen. 0.4 g of N-acetyl-ε caprolactam was then added and completely dissolved. Inject the lactam mixture into the mold at the same time, quickly close the lid, and incubate at 150°C for 30 minutes.
I kept it. Next, the core portion 16 was filled with urethane foam, and a grip was attached to the shaft portion 10b to produce a product as shown in FIG. 11. This tennis racket frame 10 included a head portion 10a and a grip portion 10b, and the product weight was 325 g.
There were no problems with the durability of this frame 10 when playing with full strength. Figure 15 shows the vibration damping characteristics of this racket with strings attached. FIG. 15 is according to the present invention, and has the cross section shown in FIG. 13, and as described above, the core filled in the core portion 16 is foamed urethane, 15 is a nylon tube, and 14 is a resin layer (nylon) on the surface. This shows the vibration damping waveform when a continuous filament sleeve of aromatic polyamide resin (trade name: KEVLAR49) with a carbon fiber content of 45% and a content of 10% by weight is used as the fiber of the base material 13. Moreover, FIG. 12 and FIG. 16 are comparative examples, in which the core 12 is made of urethane foam, and the outer part 13 is made of continuous filament of 70% by weight of carbon fiber.
The figure shows the vibration damping waveform of a racket made by hardening an epoxy resin containing the following by applying heat and pressure and molding it into a desired shape. 14 is a resin layer (epoxy resin). The weight of this racket was 340g. The vibration damping waveform was obtained as follows. That is,
As shown in FIG.
a) Attach an aluminum plate 20 to the grip to dampen vibrations when the ball is hit by letting the ball fall naturally as shown in the figure, centered on the hitting surface of the racket 18, which is hung on a string with the side facing up. accelerometer 19
and observed it as a vibration-damped waveform on a cathode ray tube. From the thus obtained attenuation waveforms shown in FIGS. 15 and 16, the damping ratio ζ was calculated using the following formula based on FIG. 17. ζ=1/2π(n-1)・lnω 1 /ω o When the damping ratio was calculated, the one in Figure 16 was obtained.
0.0222, while the one in Figure 15 is 0.0582
It was hot. As can be seen from these data, the product of the present invention has extremely superior vibration damping characteristics compared to conventional products. Example 7 Component A (caprolactam containing an alkali catalyst) and component B (caprolactam containing a prepolymer) of UBE nylon RIM (UX-21) are heated and melted at 90 to 100°C while substituting with nitrogen to obtain both components A and B. Quickly mix and add 0.5% of Toray AQ nylon (A-70).
It was poured onto carbon fibers (reinforcing material) whose surface had been treated with methanol solution and kept at 150°C for 10 minutes. Using this product, a racket frame similar to that of Example 6 was manufactured. The obtained racket frame showed performance equivalent to or better than that of the product of Example 6. Example 8 The same procedure as in Example 7 was carried out except that cloth was used as the reinforcing fiber so that the carbon fiber content was 30% by weight. The frame head wall thickness is 1.5mm (average)
It was hot. The resin of this racket frame had an intrinsic viscosity [η] of 3.07. (Solvent m-cresol; according to ISO307). Example 9 The carbon fiber content is 70% by weight, the area of the ball hitting surface of the frame is increased by 170% compared to the mid size, and the thickness of the head part of the frame is up to 1 mm thicker than in Example 8. The same procedure as in Example 8 was carried out except for the following. Example 10 20 layers of plain weave cloth made of Toray carbon fiber T-300 (3000 filament) were laminated and set in a mold, and molten ω-lactam containing a polymerization catalyst and an initiator was injected into the mold. A plate-shaped sample of polyamide resin was prepared by heating. Carbon fibers coated with the following two types of sizing agents (A and B) were prepared in advance and used. A. Alcohol-soluble nylon A-70 manufactured by Toray Industries (0.5% concentration) B. Epoxy sizing agent (0.5% concentration) The mechanical properties of the obtained samples were measured and the results are shown in the attached table. In addition, the amount of fracture deflection, bending elastic modulus, and bending fracture stress are based on JIS
It was measured according to the test method of K7055, and the interlaminar shear strength was measured according to the test method of JIS K7057. From this result, it can be seen that when fibers coated with an epoxy sizing agent are used, strength etc. are lowered due to poor polymerization. [Effects of the Invention] The structural material according to the present invention does not use a brittle thermosetting resin as a matrix resin, but uses a polyamide resin with excellent strength, and furthermore, this is reinforced with continuous fibers and/or long fibers. By reinforcing the material, we were able to obtain a structural material with excellent lightness, strength, flexural modulus, vibration damping properties, etc. This structural material is produced by the manufacturing method according to the second invention, that is, by arranging the fiber reinforcing material in a predetermined shape in advance, and adding a resin to serve as a matrix by a monomer casting method. Since it can be manufactured, it is easy to mold and can be molded into various shapes. Conventional fiber-reinforced composite materials have been manufactured using the Primics method, in which reinforcing materials are mixed with resin in advance and then molded, which generally makes it difficult to mold into complex shapes. In comparison, the product of the present invention is easier to mold as described above and has a greater degree of freedom in design.
【表】【table】
第1図乃至第5図は本発明の実施例をあらわす
断面図、第6図および第7図は弾性率と曲げ強度
をあらわすグラフ、第8図と第9図は疲労曲線を
あらわすグラフ、第10図は減衰比の計算方法の
説明図、第11図はテニスラケツトフレームの正
面図、第12図は従来品の断面図、第13図は本
発明品の断面図、第14図は減衰特性試験方法の
説明図、第15図および第16図は実施例と比較
例の減衰波形をあらわすグラフ、第17図は減衰
比の計算方法の説明図である。
1……マンドレル、10……ラケツトフレー
ム、10a……ヘツド部、10b……グリツプ
部。
1 to 5 are cross-sectional views showing embodiments of the present invention, FIGS. 6 and 7 are graphs showing elastic modulus and bending strength, FIGS. 8 and 9 are graphs showing fatigue curves, and FIG. Fig. 10 is an explanatory diagram of the method of calculating the damping ratio, Fig. 11 is a front view of the tennis racket frame, Fig. 12 is a sectional view of the conventional product, Fig. 13 is a sectional view of the product of the present invention, and Fig. 14 is the attenuation. FIG. 15 and FIG. 16 are graphs showing the attenuation waveforms of the example and comparative example, and FIG. 17 is an explanatory diagram of the method of calculating the attenuation ratio. 1... Mandrel, 10... Racket frame, 10a... Head part, 10b... Grip part.
【表】【table】
Claims (1)
たポリアミド樹脂からなる構造材料であつて、該
ポリアミド樹脂はモノマーキヤステイングにより
形成されるとともに、前記繊維強化材は、アルコ
ール可溶性、水溶性、又はアルコール及び水の両
方に対し可溶性を有するナイロン表面処理剤で表
面処理されていることを特徴とする構造材料。 2 ポリアミド樹脂の固有粘度[η]が1.8以上
である特許請求の範囲第1項又は第2項記載の構
造材料。 3 ポリアミド樹脂が、重量比で10〜80%の連続
繊維強化材及び/又は長繊維強化材を含有してい
る特許請求の範囲第1項又は第2項記載の構造材
料。 4 構造材料が棒材である特許請求の範囲第1項
から第3項までのいずれかに記載の構造材料。 5 構造材料がテニスラケツトである特許請求の
範囲第1項から第3項までのいずれかに記載の構
造材料。 6 連続繊維及び/又は長繊維強化材で強化され
たポリアミド樹脂からなる構造材料を製造する方
法であつて、連続繊維及び/又は長繊維の強化材
をアルコール可溶性、水溶性又はアルコール及び
水の両方に対し可溶性のナイロン表面処理剤で予
め表面処理し、所定の形状となるように配置して
型入れした後、重合触媒と開始剤を含む溶融した
ω−ラクタム類を型内に注入し、これを加熱によ
りポリアミド樹脂とするモノマーキヤステイング
法を用いて構造材料を形成することを特徴とする
構造材料の製造方法。 7 構造材料が棒材である特許請求の範囲第6項
記載の構造材料の製造方法。 8 構造材料がテニスラケツトフレームである特
許請求の範囲第6項記載の構造材料の製造方法。[Scope of Claims] 1. A structural material made of a polyamide resin reinforced with continuous fibers and/or long fiber reinforcement, wherein the polyamide resin is formed by monomer casting, and the fiber reinforcement is made of alcohol. A structural material characterized by being surface-treated with a nylon surface treatment agent that is soluble, water-soluble, or soluble in both alcohol and water. 2. The structural material according to claim 1 or 2, wherein the polyamide resin has an intrinsic viscosity [η] of 1.8 or more. 3. The structural material according to claim 1 or 2, wherein the polyamide resin contains 10 to 80% by weight of continuous fiber reinforcement and/or long fiber reinforcement. 4. The structural material according to any one of claims 1 to 3, wherein the structural material is a rod. 5. The structural material according to any one of claims 1 to 3, wherein the structural material is a tennis racket. 6. A method for producing a structural material made of polyamide resin reinforced with continuous fibers and/or long fiber reinforcement, the continuous fiber and/or long fiber reinforcement being alcohol-soluble, water-soluble, or both alcohol and water. The surface of the nylon is pre-treated with a soluble nylon surface treatment agent, placed in a mold in a predetermined shape, and then molten omega-lactams containing a polymerization catalyst and an initiator are injected into the mold. A method for manufacturing a structural material, comprising forming the structural material using a monomer casting method in which polyamide resin is formed by heating. 7. The method for manufacturing a structural material according to claim 6, wherein the structural material is a rod. 8. The method for manufacturing a structural material according to claim 6, wherein the structural material is a tennis racket frame.
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| JP60-246542 | 1985-11-02 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7059981B2 (en) | 2003-07-04 | 2006-06-13 | Sri Sports Limited | Racket frame |
| JP2015074837A (en) * | 2013-10-04 | 2015-04-20 | トヨタ自動車株式会社 | Sizing agent for carbon fiber |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE69025588T3 (en) * | 1989-08-28 | 2001-09-06 | Toray Industries, Inc. | SPORTING GOODS AND SHOCK ABSORBING MATERIAL IN IT |
| JP2517685B2 (en) * | 1989-11-18 | 1996-07-24 | 住友ゴム工業 株式会社 | Racket frame |
| JPH0687903B2 (en) * | 1989-12-05 | 1994-11-09 | 住友ゴム工業株式会社 | Tennis racket frame |
| JPH0495061U (en) * | 1990-12-28 | 1992-08-18 | ||
| JPH05177014A (en) * | 1991-12-26 | 1993-07-20 | Mizuno Corp | Racket frame for badminton and its manufacturing method |
| JP2015522682A (en) * | 2012-07-05 | 2015-08-06 | ジョージア テック リサーチ コーポレイション | Processing method of single nylon 6 composite material |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2817778A1 (en) * | 1977-05-09 | 1978-11-23 | Firestone Tire & Rubber Co | FIBERGLASS REINFORCED POLYAMIDE COMPOSITIONS |
| JPS5485271A (en) * | 1977-12-20 | 1979-07-06 | Toho Rayon Co Ltd | Molding of frp |
| JPS5910228B2 (en) * | 1978-06-30 | 1984-03-07 | 宇部興産株式会社 | baseball bat body |
| JPS5859817A (en) * | 1981-10-07 | 1983-04-09 | Aisin Seiki Co Ltd | Production of molded article of composite reinforced polyamide |
| JPS5933392A (en) * | 1982-08-16 | 1984-02-23 | Imabari Zosen Kk | Mixer/feeder for water and fuel oil |
| JPS6046214A (en) * | 1983-08-24 | 1985-03-13 | Kobayashi Kogyo Kk | Molding process for frame of glasses |
| JPS60221346A (en) * | 1984-04-16 | 1985-11-06 | Toray Ind Inc | Water-soluble bundling agent of inorganic fiber |
-
1986
- 1986-05-29 JP JP61124949A patent/JPS63212514A/en active Granted
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7059981B2 (en) | 2003-07-04 | 2006-06-13 | Sri Sports Limited | Racket frame |
| JP2015074837A (en) * | 2013-10-04 | 2015-04-20 | トヨタ自動車株式会社 | Sizing agent for carbon fiber |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63212514A (en) | 1988-09-05 |
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