高强度纤维复合材料线缆及其制造方法
技术领域
本发明涉及高强度纤维复合材料线缆及其制造方法。
背景技术
通过将多根长条的高强度纤维汇集成束，并使树脂浸渗于其中而制作的高强度纤维复合材料线缆的拉伸强度高、伸缩性低、且轻量、且耐蚀性优异，因此，正在被广泛应用于桥梁、混凝土结构物、输电线等。
作为浸渗于纤维束的树脂，从量产性等观点出发，热塑性树脂备受关注(例如专利文献1)。
热塑性树脂与热固化性树脂相比，熔融时的流动性低，不易浸渗到纤维束中。当热塑性树脂的浸渗不足时，纤维截断或缠绕，纤维的排列产生紊乱，线缆的表面会变粗糙。另外，当因热塑性树脂的浸渗不足而内部产生空隙时，线缆的拉伸强度降低，线缆的品质降低。
要将热塑性树脂充分浸渗于纤维束中，只要提高热塑性树脂的流动性即可，作为提高热塑性树脂的流动性的一个方法，可以想到降低热塑性树脂的粘度。
要降低热塑性树脂的粘度，只要降低热塑性树脂的分子量即可。但是，当降低热塑性树脂的分子量时，通过将其浸渗于纤维束而制作的高强度纤维复合材料线缆的拉伸强度也会降低。
通过将增塑剂混合到热塑性树脂中，也能够降低热塑性树脂的粘度。但是，容易产生渗出(随时间经过而增塑剂浮出到表面的现象)，这将产生将高强度纤维复合材料线缆用作例如混凝土结构物的加强材料时的粘接不良。进而，当热塑性树脂的分子量和增塑剂的分子量大不相同时，不能使增塑剂均匀地分散到热塑性树脂中(不相溶)，有时成为大的液滴。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开WO2001/051730
发明内容
本发明的目的在于，使热塑性树脂充分浸渗到高强度纤维束中，由此提高线缆的机械强度。
本发明的目的还在于，使热塑性树脂充分浸渗到高强度纤维束中，由此提供高品质的线缆。
本发明提供一种高强度纤维复合材料线缆，在高强度纤维束中浸渗有基质树脂，其特征在于，所述基质树脂为在热塑性树脂中混合有重均分子量低于10000的低聚物的树脂，所述低聚物通过使具有酚式羟基的有机化合物和具有缩水甘油醚基团的有机化合物反应而得到。线缆也可以称作杆、绳、棒等，意味着与横截面的面积相比，长度方向的长度长。构成高强度纤维复合材料线缆的高强度纤维束典型而言是指将拉伸强度为20g/d(259kg/mm2)以上的合成纤维制单丝(单线)捆扎多根而成的纤维束。
通过在热塑性树脂中混合使具有酚式羟基的有机化合物和具有缩水甘油醚基团的有机化合物反应而得到的重均分子量低于10000的低聚物而得到的基质树脂，其粘度比作为母材的热塑性树脂的粘度低，因此，流动性也比作为母材的热塑性树脂高。基质树脂与作为母材的热塑性树脂相比，容易可靠地浸渗到高强度纤维束中。
通过将基质树脂浸渗到高强度纤维束中而制作的高强度纤维复合材料线缆与通过将热塑性树脂浸渗到高强度纤维束中而制作的以往的高强度纤维复合材料线缆相比，通过试验确认到拉伸强度提高。可以认为将基质树脂(基质树脂中所含的热塑性树脂)充分浸渗到高强度纤维束中，利用充分浸渗的基质树脂牢固地把持高强度纤维，另外，空隙的产生也得到抑制，由此能够提高线缆的拉伸强度。基质树脂因为在维持热塑性树脂的性质的同时使其粘度降低，所以也可以说是低粘度热塑性树脂。
优选的是，在通过在热塑性树脂中混合所述低聚物而制作的基质树脂中，所述低聚物停留在低于30wt％的浓度。这是因为通过试验确认到，当过于提高占基质树脂的低聚物的浓度时，与通过将热塑性树脂浸渗到高强度纤维束中而制作的以往线缆相比，拉伸强度降低。这可以认为其原因是通过提高低聚物的浓度而占基质树脂的热塑性树脂的浓度相对被降低而稀释化、或者基质树脂的粘度过低，例如会从高强度纤维束流下。通过使低聚物的浓度停留在低于30wt％，能够使通过使基质树脂中所含的热塑性树脂充分浸渗到高强度纤维束中而产生的线缆的拉伸强度的提高作用超过因上述的稀释化或基质树脂的流下而产生的线缆的拉伸强度的降低作用，能够制成发挥至少与以往线缆同等的拉伸强度的线缆。特别是即使机械强度同等，线缆内部的空隙的产生也会可靠地降低，且线缆表面的粗糙也会被抑制，因此，提供相较于以往电缆高品质的线缆。
作为所述热塑性树脂，能够使用聚苯硫醚、聚苯醚、含氟树脂、或含酰胺基树脂。作为高强度纤维，能够使用碳纤维。
优选的是，纤维体积含有率Vf为30％以上且低于85％。通过高强度纤维和含有热塑性树脂的基质树脂的相互作用，能够提高线缆的拉伸强度。
本发明提供一种高强度纤维复合材料线缆的制造方法，基质树脂通过在热塑性树脂中混合规定量的通过使具有酚式羟基的有机化合物和具有缩水甘油醚基团的有机化合物反应而得到的重均分子量低于10000的低聚物而制作，具有比所述热塑性树脂的熔体流动速率提高了1.5～50倍的熔体流动速率，将该基质树脂加热使其熔融，使熔融的基质树脂浸渗到高强度纤维束中，将浸渗有基质树脂的高强度纤维束进行拉拔成形。
基质树脂的粘度比作为母材的热塑性树脂的粘度低，因此与热塑性树脂相比，基质树脂能够充分浸渗到高强度纤维束中。基质树脂的粘度能够通过混合的低聚物的量进行调整。通过使用具有比热塑性树脂的熔体流动速率提高了1.5～50倍的熔体流动速率的基质树脂，能够容易地将高强度纤维束聚束，且也能够防止拉拔成形的表面的纤维截断。进而，能够实现至少与以往线缆同等的拉伸强度。能够制造高品质的高强度纤维复合材料线缆。
附图说明
图1是碳纤维复合材料线缆的主视图。
图2是沿着图1的II－II线的碳纤维复合材料线缆的放大剖视图。
图3是表示碳纤维复合材料线缆的拉伸断裂强度试验的结果的图表。
图4是表示基质树脂中所含的低聚物的浓度和基质树脂的熔体流动速率的关系的图表。
具体实施方式
[实施例]
图1表示碳纤维复合材料线缆的外观。图2表示沿着图1的II－II线的碳纤维复合材料线缆的放大剖视图。
碳纤维复合材料线缆1是将多根长条的碳纤维2捆扎成截面圆形，使其中浸渗基质树脂3，之后使基质树脂3固化而成的，在碳纤维复合材料线缆1整体中含有几万根～几十万根碳纤维(单纤维、单丝)2。碳纤维复合材料线缆1中，碳纤维2占其总体积的体积比例(纤维体积含有率)Vf通常为30％以上且低于85％。
碳纤维复合材料线缆1通过将捆扎例如12000根左右的碳纤维2而成的纤维束捆扎6根～7根左右，使其中浸渗基质树脂3并固化而制作。碳纤维复合材料线缆1可以是如图示那样将其中所含的所有的碳纤维2在长度方向上向一方向拉齐而成的，也可以是将多个纤维束绞合而成的。也可以由在长度方向上向一方向延伸的一根纤维束(芯线)和在其周围绞合的多根纤维束(侧线)构成碳纤维复合材料线缆1。根据构成碳纤维复合材料线缆1的碳纤维2的根数，碳纤维复合材料线缆1的直径可以任意调整。
基质树脂3相对于热塑性树脂混合有以下所示的低聚物，由此，使基质树脂3的粘度比作为母材的热塑性树脂的粘度低，提高流动性。作为母材的热塑性树脂，能够使用聚苯硫醚、聚苯醚、含氟树脂(四氟乙烯等)、含酰胺基树脂(聚酰胺等)。作为混合的低聚物，使用使具有酚式羟基的有机化合物(例如酚醛清漆型酚醛树脂)和具有缩水甘油醚基团的有机化合物(例如苯基缩水甘油醚)反应而得到的物质。
基质树脂3在常温下为固体，通过加热而熔融，通过冷却而固化，因此，虽然能够称为热塑性树脂，但与为了得到基质树脂3而使用的作为母材的热塑性树脂(聚苯硫醚等)至少在粘度上有区别。用于得到基质树脂3作为母材的热塑性树脂的粘度在熔体流动速率下为10g/10分钟～30g/10分钟左右，基质树脂3的粘度具有远低于该流动速率的粘度。
上述的低聚物使用重均分子量低于10000的物质。这是因为如果重均分子量超过10000，则热塑性树脂和低聚物的相溶性降低。在最为重视相溶性的情况下，优选使用重均分子量5000以下的低聚物。低聚物的重均分子量典型而言可通过温度管理进行调整。
图3中通过图表表示纤维体积含有率Vf为50％、直径为2.5mm的碳纤维复合材料线缆1(下称被试验体)的拉伸断裂强度试验的结果。图3中，横轴表示基质树脂3中所含的低聚物的浓度(单位wt％)，纵轴表示被试验体的拉伸断裂强度(单位kN/mm2)。使粉末状的基质树脂3附着于碳纤维制的纤维束上，将附着有基质树脂3的6根纤维束汇集在加热至330℃的拉拔模上并聚束，由此制成碳纤维束，且通过加热将基质树脂3熔融，从拉拔模进行拉拔。由此制作被试验体。在拉拔模上，在碳纤维束中浸渗基质树脂3。代替使粉末状的基质树脂3附着于纤维束，可以使预先熔融的基质树脂3附着于纤维束，也可以将制成纤维状的基质树脂3与纤维束一同制成束。此外，也制作了浸渗有未混合低聚物的热塑性树脂的碳纤维复合材料线缆，为了进行比较，对此也进行了拉伸断裂强度试验。
图4是表示基质树脂3中所含的低聚物的浓度(单位wt％)和基质树脂3的熔体流动速率(MFR)(单位g/10分钟)的关系的图表。熔体流动速率按照JIS K 7210的步骤进行了测定。也测定了未混合低聚物的热塑性树脂的熔体流动速率。熔体流动速率能够作为表示试样的粘度的指标使用，熔体流动速率越高则试样的粘度越低(容易流动)，熔体流动速率越低则试样的粘度越高(不易流动)。
具体而言，热塑性树脂使用聚苯醚树脂(东曹株式会社制)。另外，低聚物采用使酚醛清漆型酚醛树脂(旭有机材株式会社制)与苯基缩水甘油醚(东京化成工业株式会社制)反应并稳定化了的物质。以规定的温度条件使酚醛清漆型酚醛树脂和苯基缩水甘油醚反应，可以使低聚物的重均分子量低于10000。
参照图4的图表，通过在聚苯醚树脂中混合上述的低聚物而得到的基质树脂3被确认熔体流动速率的确上升(粘度降低)，进而通过增加混合的低聚物的量而熔体流动速率急剧上升。即，热塑性树脂中混合有上述的低聚物的基质树脂3其粘度的确降低。
参照图3的图表，确认了，与碳纤维束中浸渗有热塑性树脂的线缆(低聚物浓度为0wt％的线缆)相比，碳纤维束中浸渗有基质树脂3的线缆能够提高拉伸断裂强度。如参照图4所说明，可以认为基质树脂3与热塑性树脂相比，粘度低，因此，能够使基质树脂3(基质树脂中所含的热塑性树脂)充分浸渗于碳纤维束中。通过使碳纤维束中充分浸渗基质树脂3，多根纤维被基质树脂3牢固地把持，在线缆内不易产生空隙，由此发现线缆的机械强度提高。另外，因为拉伸断裂强度充分上升，所以认为上述的低聚物不是至少使热塑性树脂的分子量大幅降低的物质。
参照图3的图表也确认到，当继续增大基质树脂3中所占的低聚物的浓度时，被试验体的拉伸断裂强度转而减少，在大致30wt％的浓度下，由浸渗有基质树脂3的碳纤维束制作的线缆的拉伸断裂强度与由浸渗有热塑性树脂的碳纤维束制作的以往的线缆的拉伸断裂强度(低聚物浓度为0wt％的物质)大致相同。如图4所示，这认为是其原因在于，通过增大低聚物的浓度，基质树脂3的熔体流动速率急剧上升，通过基质树脂3的粘度过低，基质树脂3从碳纤维束流下的量增多、或者产生热塑性树脂的稀释化。为了发挥与以往的线缆同等以上的拉伸断裂强度，需要将低聚物的浓度设为低于30wt％。
优选使用具有提高了热塑性树脂的熔体流动速率的1.5～50倍的熔体流动速率的基质树脂3。通过将基质树脂3的熔体流动速率从热塑性树脂的熔体流动速率提高1.5倍以上，能够防止上述的拉拔工序中的线缆表面的碳纤维2的截断(粗糙)，另外，容易进行聚束工序(将多根纤维束捆扎成一根并浸渗基质树脂3的工序)。通过不使基质树脂3的熔体流动速率从热塑性树脂的熔体流动速率提高到50倍以上，能够将线缆的拉伸强度维持在至少与以往线缆同等水平。
符号说明
1 碳纤维复合材料线缆
2 碳纤维
3 基质树脂
