JPH0535099B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 この発明は、連続炭素繊維とセメント微粉体等
の水硬性無機微粉体と水とを含み、最終的には連
続炭素繊維間が水硬性無機微粉体の水和物で結合
された状態となる硬化部材を構成するための、ま
だ固まらない組成体とその製造方法に関する。 〔従来の技術〕 炭素繊維と水硬性無機微粉体と水とを含む組成
体は、水硬性無機微粉体の水和物をマトリツクス
とする製品（所謂モルタル、コンクリート）の強
度不足を、炭素繊維の有する引つ張り強度と弾性
率とを利用して補うために開発されたものであ
り、従来は、前記組成物を構成するために、炭素
繊維を水硬性無機材と水と骨材及び種々のセメン
ト用混和剤（材）又はこれに混ぜて組成体を構成
する手段があつた。 〔発明が解決しようとする課題〕 しかしながら、前記の手段によると、炭素繊維
はその弾性率が高く、屈曲に弱いため混練中に折
れることが多く、これを防止するためには、骨材
として丸い形状のものを使用する、空気を入れ
る、ポリマーを混入する、混練法を工夫する等の
余分な配慮が必要になるという問題点がある。こ
の方法によると炭素繊維の混入率の上限は、全体
に対する体積比で５％程度である。また、これら
の手段によると、水硬性無機材の寸法について、
例えば最大粒径が45μm程度の粒子のセメントの
使用が良い結果を与えるとか、平均粒径30μmの
普通ポルトランドセメントに平均粒径0.1μm程度
の潜在水硬性無機材である超微粒子シリカの少量
添加が良い結果を与えるという報告があるが、炭
素繊維が屈曲に弱いことに対し充分な配慮がなさ
れておらず、水硬性無機材の硬化体内における炭
素繊維の直線性と均一な分散性が確保されにくい
ために、炭素繊維の有する補強作用が有効に働か
ないという問題点がある。また、超微粒子シリカ
の添加は、セメント粒子間や繊維とセメント粒子
間の空〓を埋めることにより、繊維と水硬物との
付着力を高めるとしているが、超微粒子シリカの
反応はポゾラン反応であり、それによつて生成す
る水硬物の付着力はそれほど大きくなく、まだ不
充分である。 また、含浸法としては、ガラス繊維強化プラス
チツクの公知の成形方法であるハンドレイアツ
プ、フイラメントワインデイング、プルプレツシ
ング等と同様な方法が採用されているが、これら
の方法では、粒度に特別に留意することなく普通
のポルトランドセメント又はやや小さい粒径（平
均粒径20μm）のポルトランドセメントを使用し、
平均粒径0.1μmの超微粒子シリカを含む種々の混
和材を添加しているため、炭素繊維の体積比は10
％前後までが限界であつた。またこの手段は、セ
メント粒子が前記のように平均粒径が大きく、ま
た最大粒径が100μm程度のものが含まれているた
め、炭素繊維の間にセメント粒子が充分に回り込
んでいないことが原因して、炭素繊維とセメント
との結合が不充分になるという前記と同様な問題
点もある。 炭素繊維としてマツト又はクロスを水硬性無機
材と水と種々のセメント用混和剤（材）とで固め
る手段もあるが、前記と同様の問題点があり、炭
素繊維の体積比はせいぜい５％以下であつて、こ
れにより構成される組成体の強度はそれぼど高く
ない。 この発明はこのような従来技術の課題に着目し
てなされたものであり、各炭素繊維間に水硬性無
機微粉体、特にセメント粒子が充分に回り込ん
で、炭素繊維間を水硬性無機微粉体の水和物によ
つて強固に連結させることができ、且つ多量の炭
素繊維の含有を可能にして、高強度の部材を形成
しうる組成体を得ることを目的としている。 〔問題点を解決するための手段〕 この発明の、まだ固まらない組成体は、炭素繊
維と水硬性無機微粉体と水とを含む組成体におい
て、連続炭素繊維を全体に対して５〜30％の体積
比で用い、この連続炭素繊維はいずれも同一方向
に配向され、平均粒径が連続炭素繊維の直径以下
の水硬性無機微粉体と水とを含むスラリーが各連
続炭素繊維間に平均して分布されてなり、前記ス
ラリー中の水硬性無機微粉体のうち連続炭素繊維
の直径より大きい直径をもつ微粉体の含有量を当
該微粉体総量に対する体積比で、炭素繊維含有量
が５〜10％未満の場合は30％以下、炭素繊維含有
量が10〜20％未満の場合は20％以下、炭素繊維含
有量が20〜30％の場合には10％以下としたもので
ある。 また、前記組成体の製造方法は、多数の連続炭
素繊維を同一方向に指向させて束とし、この束を
スラリー内を通過させるに際して、このスラリー
を、平均粒径が連続炭素繊維の直径以下の水硬性
無機微粉体と水とを含むものとし、且つ連続炭素
繊維の直径より大きい直径をもつ前記微粉体の含
有量が当該微粉体総量に対する体積比で炭素繊維
含有量が５〜10％未満の場合は30％以下、炭素繊
維含有量が10〜20％未満の場合は20％以下、炭素
繊維含有量が20〜30％の場合には10％以下とし、
かかるスラリー内を、前記連続炭素繊維の束をガ
イドローラーにより案内させて引つ張りながら通
過させて、各連続炭素繊維間に前記水硬性無機微
粉体を均質に含浸させることにより、連続炭素繊
維を、いずれも同一方向に配向させた状態で全体
に対して５〜30％の体積比にするものである。 〔作用〕 連続炭素繊維は組成体に体積比５％から30％ま
で含まれていてその上限値が高いため、この組成
物は多量の連続炭素繊維を含むことが可能である
から、この組成体により形成される部材は強度が
増大する。５％未満の場合は、水硬性無機微粉体
の硬化体の乾燥収縮が通常のものより大きく、こ
の収縮を拘束しきれないため硬化体内部にひびわ
れ等を生じ易く、期待する効果が発揮されない。
また水硬性無機微粉体は、その平均粒径が連続炭
素繊維の直径より小さいから、水硬性無機微粉体
が各連続炭素繊維間に充分に回り込み、この水硬
性無機微粉体の水和物が各連続炭素繊維間を確実
に連結することになるため、この意味からもこの
発明に係る組成体により形成される部材の強度
は、この発明によらない同種の連続炭素繊維を同
量含むものより増大する。なお、水硬性微粉体
は、ポルトランドセメント、アルミナセメント、
耐硫酸塩セメント、高炉セメントの少なくともい
ずれか又はこれらと潜在水硬性を有する超微粒子
シリカとの混合物の微粉体又はこれらを主成分と
する微粉体である。また高体積比で多数の連続炭
素繊維を同一方向に配向させても、連続炭素繊維
の微視的な直線性と繊維１本１本の分散性が確保
される。 また、連続炭素繊維は、その弾性率が高いため
屈曲に弱い性質を有している。本発明の製造方法
において、水硬性無機微粉体スラリー中に粒径の
大きなものが存在すると、その部分で屈曲が起こ
り、かつ高体積比で連続炭素繊維が存在する場合
には、大きい粒子を動かすのにより大きな力を必
要とし、連続炭素繊維が折れるような力が作用す
る。連続炭素繊維束の１部の繊維が折れると、折
れた繊維が含浸装置のガイド類に付いて次々と他
の繊維を折り、ひいては炭素繊維束全体を切断し
てしまう。このため、本発明のようにマトリツク
スとなる水硬性無機微粉体スラリーの平均粒径を
連続炭素繊維の直径より小さく制限することによ
り、連続炭素繊維束に水硬性無機微粉体スラリー
を初めて工業的規模の速度で連続的に含浸するこ
とが可能となる。 以下に、本発明のまだ固まらない組成体につい
て表−１のような成分と配合例を挙げて説明す
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明に用いられる炭
素繊維は組成体に体積比５％から30％まで含まれ
ていて、その上限値が高いため多量の連続炭素繊
維を含むことが可能であるから、この組成体によ
り形成される部材は強度が増大する。また水硬性
無機微粉体は、連続炭素繊維の直径より大きい粒
径のものが体積比30％以下であつて、多くが連続
炭素繊維の直径以下の粒径となつており、特に連
続炭素繊維の直径より大きい直径をもつ微粉体の
含有量を、連続炭素繊維含有量が５〜10％未満の
場合は30％以下、同繊維含有量が10〜20％未満の
場合は20％以下、同繊維含有量が20〜30％未満の
場合には10％以下としているから、水硬性無機微
粉体が各連続炭素繊維間に充分に回り込み、その
水硬性無機微粉体の水和物が各炭素繊維間を確実
に連結することになるため、この意味からもこの
発明に係る組成体により形成される部材の強度が
増大する。 しかも、スラリーを含浸させる段階で、水硬性
無機微粉体の大きさと割合を前記のようにしたの
で、連続炭素繊維を屈曲するような力が作用する
ことがないため、連続炭素繊維の一部が折れるこ
とがなく、連続炭素繊維の含有率を向上させ、且
つ各連続炭素繊維間にセメント粒子を回り込ませ
て、各炭素繊維間での同繊維とセメント粒子との
結合力を確保している。 水硬性無機微粉体の粒径を前記のように極端に
小さくしていることは、前記粉体が連続炭素繊維
を屈曲させることを防止することになり、且つ炭
素繊維相互の間隔を小さくすることができるか
ら、組成体の含有炭素繊維量の増大と含浸法によ
る高速連続生産も可能にしている。このことから
も、この発明では、水硬性無機微粉体の粒径を特
定し且つ連続炭素繊維含有量との割合を特定した
ことが、第１に微視的に見ても直線性を確保しな
がら多量の連続炭素繊維の含有を工業的な規模で
可能とし、且つ第２に連続炭素繊維間を水硬性無
機微粉体の水和物が強固で且つねばりのある状態
で結合することを実現させたものであり、これら
の結果、この組成体を硬化させることにより強度
等の力学特性に優れた部材を作ることができると
いう効果がある。 しかも、この発明にかかる組成体は、連続炭素
繊維を用いているために、これを同一方向に配向
させることができ、その結果、強度は炭素繊維の
連続方向に高くすることがきる。このため、硬化
後の組成体の用途に応じた方向に連続炭素繊維を
配向させて強度の方向性を設定するこことがで
き、もつて最終製品の設計を容易にすることがで
きるという効果もある。 実施例 １ 表−１に示したセメントスラリー（母材混合
物）を調製し、ここに連続炭素繊維束（6000フイ
ラメント束）を引張り張力20mg／ｄ、速度12m／
分にて連続的に浸漬し、炭素繊維間にセメントス
ラリーを含浸させた。 このまだ固まらない組成体は、繊維間に該スラ
リーが均質に含浸しており、繊維の配向性及び分
散性は好であつた。なお、超微粉末高炉系セメン
ト、シリカ質超微粉体としてそれぞれ日鐵セメン
ト(株)の日鐵スーパーフアインとユニオン化成(株)の
ポゾミツクスＰを使用した。 以上のようにして得たまだ固まらない組成体
（ストランド）を断面が10×10mm、長さ300mmの型
枠に一方向に揃えて充填した。 この型枠充填体を、そのまゝの状態で、水分が
揮散しない雰囲気中20℃にて24時間静置後50℃温
水中に48時間浸漬し、さらに１週間室内に静置し
た。 このようにして得られた成形物の性能は表−２
の通りであつた。また、この成形物の断面を走査
型電子顕微鏡写真にて示すと第１，２図の通りで
ある。 第１，２図において１は炭素繊維、２は母材を
示す。

【表】 実施例 ２ 連続炭素繊維のマトリツクスとなる水硬性無機
微粉体の粒径と炭素繊維束への水硬性無機微粉体
スラリーの含浸速度（炭素繊維束の移動速度）と
の関係を調べるため、表−１に示したセメントス
ラリーとこの表中の超微粉末高炉セメント（平均
粒径4μm）の代わりに平均粒径約30μmの普通ポ
ルトランドセメント（商品名：小野田セメント）
の２種のセメントスラリーを調整した。 連続炭素繊維の束を、セラミツクのアイレツト
ガイドとセラミツクロールガイドを順次通して、
該スラリー中に導入した。 スラリー浴中に配したローラーを介して含浸後
スラリー浴から引出した後、４本のセラミツク製
バーにて含浸量を調整しつつ引取り連続含浸可能
速度を測定した。結果は表−３の通りである。 ここで連続含浸可能速度は炭素繊維束の引張張
力を20mg／ｄとし、炭素繊維束の引張速度を段階
的に変化させながら含浸装置のガイド類に折れた
炭素繊維がこびりつかず、かつ1000m以上連続的
に安定して炭素繊維束を引つ張つて走らせること
ができたときを連続含浸可能な速度とした。 結果を表−３に示す。この表に示されるように
連続炭素繊維が体積比で５％と高含有率にしよう
とした場合、水硬性無機微粉体の平均直径が炭素
の直径より小さいと連続含浸可能な速度が飛躍的
に早くなることは明らかである。なお、ガイド類
の工夫や上記セメントスラリーの粘度を下げるな
どするとさらに連続含浸可能な速度を向上させる
ことができると考えられた。

【表】 注１：水硬性無機微粉体の平均粒径は、潜在
水硬性無機微粉体が共存するときはそ
の粒径を含めた平均値を意味する。

【図面の簡単な説明】

第１，２図は、それぞれ実施例の繊維の形状と
セメント粒子構造とを示す電子顕微鏡写真（1580
倍）である。 １……連続炭素繊維、２……母材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 炭素繊維と水硬性無機微粉体と水とを含む組
   成体において、連続炭素繊維を全体に対して５〜
   30％の体積比で用い、この連続炭素繊維はいずれ
   も同一方向に配向され、平均粒径が連続炭素繊維
   の直径以下の水硬性無機微粉体と水とを含むスラ
   リーが各連続炭素繊維間に平均して分布されてな
   り、前記スラリー中の水硬性無機微粉体のうち連
   続炭素繊維の直径より大きい直径をもつ微粉体の
   含有量を当該微粉体総量に対する体積比で、炭素
   繊維含有量が５〜10％未満の場合は30％以下、炭
   素繊維含有量が10〜20％未満の場合は20％以下、
   炭素繊維含有量が20〜30％の場合には10％以下と
   したことを特徴とするまだ固まらない組成体。 ２ 多数の連続炭素繊維を同一方向に配向させて
   束とし、この束をスラリー内を通過させるに際し
   て、このスラリーを、平均粒径が連続炭素繊維の
   直径以下の水硬性無機微粉体と水とを含むものと
   し、且つ連続炭素繊維の直径より大きい直径をも
   つ前記微粉体の含有量が当該微粉体総量に対する
   体積比で炭素繊維含有量が５〜10％未満の場合は
   30％以下、炭素繊維含有量が10〜20％未満の場合
   は20％以下、炭素繊維含有量が20〜30％の場合に
   は10％以下とし、かかるスラリー内を、前記連続
   炭素繊維の束をガイドローラーにより案内させて
   引つ張りながら通過させて、各連続炭素繊維間に
   前記水硬性無機微粉体を均質に含浸させることに
   より、連続炭素繊維を、いずれも同一方向に配向
   させた状態で全体に対して５〜30％の体積比にす
   ることを特徴とするまだ固まらない組成体の製造
   方法。