专利名称：单方向性碳素纤维织物及其制造方法、以及加强混凝土结构物的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于加强土木结构物或用于碳素纤维强化树脂的单方向性碳素纤维织物及其制造方法，以及用该织物加强的混凝土构造物。
背景技术：
碳素纤维具有很好的比弹性率和强力指数等机械性质，所以，被加工成织物、织物预成型料、或单方向预成型料等的中间材料，成形它们，并作为含浸了基体树脂的碳素纤维强化树脂(CFRP)、或混凝土结构物的修补、加强材料使用。
在这些用途中，为了减少叠层作业工作量，用粗的碳素纤维丝制作单位面积重量大的织物时，纵丝和横丝交错产生的约束力强，织物的柔软性和基体树脂的含浸性差。
已往，把织丝的间隔减小到比碳素纤维纵丝的宽度小来加大织物密度，可制造单位面积重量大的单方向性碳素纤维织物，但是，得到的织物，其纵丝间的间隙过密，基体树脂的含浸不充分。因此，即使采用该织物进行成形，也得不到均匀的成形品(预成型料等)和叠层物，即，含有空隙、或产生应力集中那样的不均匀。
另外，市售的碳素纤维丝，是具有一定纤度和宽度的规格品，另外，由于用定形剂保持着形状，所以，将其作为单方向性碳素纤维织物的纵丝使用时，要变更纵丝的纤度、宽度、纵丝间距/纵丝宽度比、织物的单位面积重量等是很困难的，织物的设计自由度小。
有关的现有技术文献有日本特开平7-118988号公报(
公开日1995年5月9日)、日本特开平10-102792号公报(
公开日1998年4月21日)等。
发明目的本发明是鉴于上述问题而作出的，其目的在于提供一种单方向性碳素纤维织物及其制造方法、以及用该织物加强的混凝土结构物。本发明的单方向性碳素纤维，即使纵丝是纤度大、粗的碳素纤维丝，作为CFRP的强化基材，其织物的单位面积重量大，并且柔软性好、基体树脂的含浸性好、并且廉价而具有高强度特性。在纵丝的纤度、宽度、纵丝间距/纵丝宽度比、织物的单位面积重量等的设计上的自由度大。
技术方案即，本发明的单方向性碳素纤维织物，由纵丝和横丝构成，纵丝是由多根碳素纤维构成的非捻状态的碳素纤维丝，其特征在于，该纵丝是将非捻的碳素纤维丝若干根合丝而成的纵合丝，并且该纵合丝也是非捻状态，纵合丝和横丝用热塑性树脂固接。
本发明的单方向性碳素纤维织物的制造方法，用由多根碳素纤维构成的非捻碳素纤维丝作为纵丝，用含有热塑性树脂的丝作为横丝，制造单方向性碳素纤维织物，其特征在于，将多根上述碳素纤维丝分别解舒；将上述解舒了的碳素纤维丝，各以任意根数合丝而形成多根非捻状态的纵合丝；将多根横丝穿过该多根纵合丝之间，制成半成品织物；将该半成品织物通过加热加压装置，使纵合丝成为非捻的扁平状，并且使横丝中含的热塑性树脂熔化，将横丝与纵合丝固接。
本发明的加强混凝土结构物，其特征在于，在混凝土结构物的表面，备有碳素纤维强化塑料层，该碳素纤维强化塑料层含有本发明的单方向性碳素纤维织物。
图1是实施例中采用的纵丝供给装置的概略图。
图2是本发明中将2根扁平碳素纤维丝合丝时的状况。
图3是实施例1的单方向性碳素纤维织物的立体图。
实施例下面，详细说明本发明。
通常，所说的“单方向性碳素纤维织物”，是指这样的织物，即在该织物中，朝一个方向(例如纵方向)配列着的丝，是用于加强混凝土结构物等的碳素纤维丝，朝另一个方向(横方向)配列着的丝，是用于保持朝纵方向配列的碳素纤维丝形状的纤维丝。因此，横丝也被称为辅助丝，横丝可由任何纤维构成，该纤维只要使纵丝不松开即可。在单方向性碳素纤维织物中，纵丝比横丝密，即，纵丝的间距比横丝小，纤度高。
构成本发明中采用的纵丝的碳素纤维，直径最好为5～10μm，可采用沥青系碳素纤维、聚丙烯腈系碳素纤维等。本发明中采用的纵丝，是由3000～24000根碳素纤维并行排配列而成，其纤度最好为500～20000旦尼尔，拉伸强度为1～8GPa、最好为2～5GPa，拉伸弹性率为100～1000GPa，最好为200～700GPa。为了在合丝后为非捻状，纵丝实际上是非捻的丝。具有上述物性的碳素纤维丝，例如有トレカ(注册商标，东レ(株)社制)、パイロフイル(注册商标，三菱レイヨン(株)社制)、ベスフアイト(注册商标，东邦レイヨン(株)社制)、グラノツク(注册商标，日本グラフアイトフアイバ-(株)社制)的各种品级的丝。
本发明中采用的纵丝，通常是将2～5根非捻碳素纤维丝合丝而得到的，得到的合丝的纤度，最好为1000～40000旦尼尔。
构成一根纵合丝的若干碳素纤维丝，可以是相互独立分离的，也可以是相互没有边界的一根丝。
例如，通常可得到的碳素丝，是用定形剂保持了形状的状态，当仅将多根该丝合在一起时，得到丝之间相互独立的合丝。如果将该合丝加热到定形剂的熔点以上温度，则构成各丝的纤维松开，与相邻的丝的边界消失，再将其冷却后，形成为一根丝。
如果构成一根纵合丝的丝之间相互独立分离，其优点是基体树脂通过丝与丝的间隙，容易含浸。另一方面，如果成为丝之间没有边界的一根丝，其优点是不容易松开。
纵丝的碳素纤维，通常附着了不含硬化剂的、0.5～2.5质量％的环氧树脂系定形剂。如果定形剂少于0.5质量％，则在制织工序中，纵丝上起有很多毛，不容易保持制织后纵丝的扁平形状。如果定形剂多于2.5质量％，则阻碍织物含浸基体树脂，降低成形物的物性。
横丝也称为辅助丝，本发明中，横丝可采用任何纤维，只要不使纵丝松开即可。横丝的纤度比纵合丝小，最好在50～600旦尼尔的范围。横丝的纤维，可采用无机纤维、有机纤维，例如可采用玻璃纤维、氧化铝纤维、芳族聚酰铵纤维、碳素纤维、聚酯纤维、绢丝、丙烯腈系纤维、维纶纤维、棉线、麻线等。但是，横丝最好采用在通过热辊等加热加压装置时织物不变形的、无热收缩的材质，例如最好采用玻璃纤维、碳素纤维、アラミド纤维、维纶纤维。横丝的间距通常是0.5～5cm。
本发明的单方向性碳素纤维织物中，由于纵合丝和横丝用热塑性树脂固接，所以，当构成纵合丝的丝独立分离时，可防止纵丝的孔眼歪斜，保持织物的设计形状。
为了将纵合丝和横丝固接，可以采用含热塑性树脂的纵合丝，也可以采用含热塑性树脂的横丝，也可以采用上述二者，最好是将含热塑性树脂的横丝和不含树脂的纵丝固接。热塑性树脂的含有方法可采用任何方法，例如，使横丝含浸热塑性树脂或被热塑性树脂包覆、或者使粉末状的热塑性树脂附着在横丝上、或者将热塑性树脂纤维混织到横丝中、或者使可塑性树脂纤维与横丝交织或平行于横丝。热塑性树脂的含有量，最好是横丝和树脂总量的3～10质量％。
横丝含有的热塑性树脂，最好在不损伤横丝的温度以下熔化，当然，使用熔点在横丝的熔点以下的树脂，例如，可采用尼龙树脂、聚酯树脂、聚乙烯树脂。
本发明的单方向性碳素纤维织物的制造方法中，将任意根数的碳素纤维合丝，形成多根非捻形态的纵合丝。由于将任意根数的丝合丝，所以，得到的纵丝的纤度、宽度、间距/宽度比、织物的单位面积重量等的设定容易，织物的设计自由度大。
图2表示分别使2根扁平的碳素纤维丝1(表示其断面)通过一对筘齿8、8间形成一根纵丝时的形态的例子。将扁平的碳素纤维丝合丝时，如图2所示那样倾斜错开地相接，使纤维丝彼此弯曲地组合，这样比使扁平面相互对接单纯地上下叠置好。这样，得到的合丝接近于一根丝状态，不容易松开。另外，例如将2根某纤度的碳素纤维丝合丝时，如果用上述形态合丝，则单位面积重量不限于是2倍，可以做成为各种单位面积重量，设计自由度更高。
本发明的制造方法中，将纵合丝和含热塑性树脂的横丝制织后，使其通过热辊等加热加压装置，将两丝固接。该加热温度必须是热塑性树脂溶化的温度，并且，该加热温度最好是这样的温度纵合丝中含有定形剂时，定形剂的粘度降低，合丝后的碳素纤维丝相互成一体，纵合丝容易成为扁平形状的温度。通常，该加热温度是90～120℃，最好是100～110℃。
另外，纵合丝和横丝被制织后，通过加热加压装置而成为非捻状扁平时的纵合丝，最好其宽度为3～16mm，厚度为0.1～0.6mm。
本发明的单方向性碳素纤维织物，纵合丝间的间距相对于纵合丝宽度的比为1.0～1.3，织物单位面积重量为200～1000g/m2，纤维密度为0.8～2.2g/cm3，织物厚度为0.1～0.5mm的范围。
这里所说的织物的纤维密度，是用下式定义的值。
织物的纤维密度(g/cm3)＝〔织物单位面积重量(g/m2)〕/〔织物厚度(mm)〕另外，织物单位面积重量(g/m2)和织物厚度(mm)，是按照JIS R7602的标准测定的值。本发明一实施例的单方向性碳素纤维织物，纵合丝间距与纵合丝宽度约相同，所以，织物的纤维密度大，通常的单方向性碳素纤维织物的纤维密度是0.8g/cm3，而本发明中可达到0.8～2.2g/cm3。
采用纤维密度在上述范围内的织物时，即使是用手工铺迭成形法或真空气胎施压成形法等的简易成形法，也能成形纤维体积含有率大、即机械特性优良的CFRP。
本发明的单方向性碳素纤维织物，是若干碳素纤维丝构成的纵合丝与横丝交错的织物，其编织组织并不限定于斜纹组织或缎子组织等。但是，与通常的织物相比，本发明的织物中，横丝间的间隔大，孔眼容易歪斜，所以，从形态稳定性考虑，最好是平纹组织。
另外，本发明的织物中，扁平的纵丝以非常粗的密度被制织，织丝的皱缩小，所以容易剪切变形。即，本发明的织物，由于纵丝的间隔有富余，所以，剪切变形时，使织丝的宽度和间隔变窄，不产生皱折，可以较大地变形。
本发明的单方向性碳素纤维织物，纵丝的纤度大，并且容易含浸基体树脂，所以，可得到组织均匀、无空隙的纤维强化塑料成形物。例如，在混凝土结构物的表面形成本发明的织物和含基体树脂的纤维强化塑料层，可得到加强了的混凝土结构物。
在最佳实施例中，在本发明的织物中，含浸30～75质量％(FRP质量标准)的基体树脂，形成纤维强化塑料层，将其粘在桥墩、烟囱、隧道、壁、地板等结构物上，可加强结构物。
本发明的加强混凝土结构物，可以在结构物表面上叠置若干层的纤维强化塑料层，也可以在结构物与纤维强化塑料层之间含有底层、高低不平调节材层等纤维强化塑料层以外的材料。
下面说明用本发明的单方向性碳素纤维织物加强混凝土结构物的方法。先用肥皂水或丙酮等把附着在混凝土结构物表面的油污洗净，用树脂注入等将裂缝填埋，接着，为了使混凝土与含有本发明碳素纤维织物的CFRP良好接合，在上述处理后的混凝土上涂敷底层，放置一昼夜使其干燥。另外，可用灰浆或腻子等将表面的凹凸弄平。然后，涂敷作为CFRP的基体的常温硬化型环氧树脂，再在其上面叠置本发明的碳素纤维织物，用含浸辊或橡胶凸轮等使树脂均匀分布，同时使织物含浸。再在其上涂敷树脂，用含浸辊或橡胶凸轮进行含浸作业，根据需要反复几次。在常温下使树脂硬化，得到本发明的加强混凝土结构物。
本发明的单方向性碳素纤维织物，也可以用公知的方法含浸基体树脂，制造预成型料。
本发明中可采用的基体树脂，例如有热塑性树脂和热硬化性树脂。热硬化性树脂有环氧树脂、不饱和聚酯树脂、聚酰亚胺树脂、酚醛树脂等。这些热硬化性树脂，在含浸在织物中的状态是B级。另外，可作为基体树脂使用的热塑性树脂，有尼龙树脂、聚酯树脂、聚丁烯对酞酸酯树脂、聚醚醚酮(PEEK)树脂、双马来酸酐缩亚胺ビスマレイミド树脂等。另外，在本发明织物中所占的热硬性树脂或热塑性树脂的量，按预成形料的质量基准，为30～67质量％，最好为34～55质量％。
下面，说明本发明单方向性碳素纤维织物及其制造方法、以及用该织物加强的混凝土结构物的一实施例。但本发明并不限于该实施例。
先说明横丝供给装置。在卷轴上，卷绕着200旦尼尔的玻璃纤维丝。为了与纵丝融接，在该玻璃纤维中混入了8质量％的聚合尼龙丝。该玻璃纤维经过导辊，借助拉辊的旋转，以一定速度被解舒。从拉辊拉出的玻璃纤维丝经过张紧装置的导引件挂到剑杆上。
在横丝被剑杆间歇地插入纵合丝间时，张紧装置弹性地吸收被拉辊以一定速度松解的玻璃纤维丝的松弛，使其常时地处于张紧状态。剑杆是配置在筘前部的长条状部件，间歇地在横方向动作，将横丝插入制织部的纵合丝之间。
下面，参照图1说明纵丝供给装置。采用的纵丝1，是4根非捻的碳素纤维丝(东レ(株)社制トレカT700SC-12K(碳素纤维数12000根、纤度7200旦尼尔))，在4个卷轴2上各卷绕着1根。该碳素纤维丝的拉伸强度约为5GPa，拉伸弹性率约为235GPa，拉伸破坏拉伸度为2.1％，附着了0.8质量％的环氧系定形剂。
碳素纤维丝1，从各卷轴2不加捻地被解舒，分别一根一根地通过孔板3的各孔。综线4在每一根碳素纤维丝上各配置1根。相邻的2根综线，将一根纵合丝用的碳素纤维丝通过综眼5，导引到筘6。另外，一对综线、和与其相邻的另一对综线被驱动机构升降，使综眼具有预定的高低差，在形成在筘6下流侧的纵合丝和纵合丝之间制作供横丝10通过的梭道。综线的综眼是圆形或纵长形状，这样，可减少相邻的丝与综线之间的干扰。
筘6，是将多个筘齿8上下方向地配置在框架7上而构成的。这里，将4根碳素纤维丝1以预定的密度排列，以图2(a)的形态，使纤维丝2根2根地通过一对筘齿8、8间进行合丝，共计得到2根纵合丝，再导引到织机前。
在纵丝供给装置中，与上述同样地，把由各2根纤维丝合丝而成的多个非捻状态的纵合丝导引到织口，织入从横丝供给装置送来的横丝中，织得平纹织物。然后，通过加热到100℃的热辊，使横丝中含的尼龙丝熔化，将纵合丝与横丝固接，制造出图3所示那样的、具有非捻扁平纵合丝11的单方向性碳素纤维织物。
另外，由于通过上述的热辊，使定形剂熔化，将合丝后的2根碳素纤维丝成为一体，所以，纵合丝不容易松解。
得到的织物，其纵合丝的密度是2.5根/cm，横丝密度是1.25根/cm，纵合丝的宽度是4mm，纵合丝间距/纵合丝宽度比是1.0，织物单位面积重量是400g/m2，织物厚度是0.222mm，织物密度是1.8g/cm3。
使该织物含浸常温硬化性树脂，使其硬化，制作成CFRP板。这时，树脂已被充分含浸。得到的CFRP板的拉伸强度是4200MPa，机械性能优良。
另外，在混凝土桥墩上，先涂敷常温硬化性环氧树脂，再卷绕上述得到的碳素纤维织物，再涂敷环氧树脂，用含浸辊挤压，使织物更容易含浸环氧树脂。树脂硬化后，在形成的纤维强化塑料层与混凝土桥墩表面间看不见拱起，可很好地加强混凝土桥墩。比较例1对实施例1中采用的非捻纵丝，不进行合丝，而是原样地使用，为了使织物单位面积重量与实施例1相同(400g/m2)，采用纵丝的密度是5.0根/cm，横丝的密度是1根/cm，纵丝的宽度是2mm。其余与实施例1同样的操作，制造非捻纵丝的单方向性碳素纤维织物。得到的织物的其它规格，与实施例1相同，纵丝间距/纵丝宽度比是1.0，织物厚度是0.222mm，织物密度是1.8g/cm3。
该织物中，纵丝和横丝的织丝间距小，所以，纵丝不是扁平的，表面呈波浪状，不均匀。
另外，用该织物与实施例1同样地制作CFRP板。这时，该织物的树脂含浸性不好，施工性差。得到的CFRP板显示与实施例1相同的拉伸强度值。
另外，与实施例1同样地，在混凝土桥墩上，先涂敷常温硬化性环氧树脂，再卷绕本比较例的碳素纤维织物，再涂敷环氧树脂，用含浸辊挤压，但是织物不容易含浸环氧树脂。树脂硬化后，在形成的纤维强化塑料层与混凝土桥墩间能看见拱起。
从实施例1与比较例的比较可知，即使织物单位面积重量相同，纵合丝的纤维数多的织物，其表面平坦均匀。把该织物用于混凝土结构物时，两者间空隙少，可相互密接，可更加坚固地加强结构物。
得到的织物，其纵合丝的密度是1.8根/cm，横丝密度是1根/cm，纵合丝的宽度是5.4mm，纵合丝间距/纵合丝宽度比是1.02，织物单位面积重量是600g/m2，织物厚度是0.333mm，织物密度是1.8g/cm3。
用该织物与实施例1同样地制作CFRP板。这时，该织物能充分含浸树脂。得到的CFRP板的拉伸强度是4175MPa，机械性能优良。
另外，与实施例1同样地，在混凝土桥墩上，先涂敷常温硬化性环氧树脂，再卷绕实施例2的碳素纤维织物，再在其上涂敷环氧树脂，用含浸辊挤压，织物容易含浸环氧树脂。树脂硬化后，在形成的纤维强化塑料层与混凝土桥墩间看不见拱起，可很好地加强混凝土桥墩。
从上面的说明可知，本发明的单方向性碳素纤维织物，纵丝是把由多根碳素纤维丝构成的非捻状态的扁平碳素纤维丝，若干根合丝而构成的，所以，即使织物的单位面积重量大，也能很好地含浸基体树脂，作为混凝土结构物的加强材，是很好的单方向性织物。另外，本发明的织物容易制造，生产性也好。
另外，由于以任意形态将若干根碳素纤维丝合丝来构成纵丝，所以，纵丝的纤度、纵丝的宽度、纵丝间距/纵丝宽度比、织物单位面积重量等的设定容易，织物的设计自由度大。
权利要求
1.单方向性碳素纤维织物，由纵丝和横丝构成，纵丝是由多根碳素纤维构成的非捻状态的碳素纤维丝，其特征在于，该纵丝是将非捻的碳素纤维丝多根合丝而成的纵合丝，并且该纵合丝也是非捻状态，纵合丝和横丝用热塑性树脂固接。
2.如权利要求1所述的单方向性碳素纤维织物，其特征在于，构成上述纵合丝的多根碳素纤维丝是彼此间没有边界的一根丝。
3.如权利要求1所述的单方向性碳素纤维织物，其特征在于，构成上述纵合丝的若干碳素纤维丝是相互独立分离的丝。
4.单方向性碳素纤维织物的制造方法，用由多根碳素纤维构成的非捻碳素纤维丝作为纵丝，用含有热塑性树脂的丝作为横丝，制造单方向性碳素纤维织物，其特征在于，将多根上述碳素纤维丝分别解舒；将上述解舒了的碳素纤维丝各以任意根数合丝，形成多根非捻状态的纵合丝；将多根横丝通过该多根纵合丝之间制成半成品织物；将该半成品织物通过加热加压装置，使纵合丝成为非捻的扁平状，并且使横丝中含的热塑性树脂熔化，将横丝与纵合丝固接。
5.加强混凝土结构物，其特征在于，在混凝土结构物的表面上备有碳素纤维强化塑料层，该碳素纤维强化塑料层包含权利要求1至3中任一项记载的织物。
全文摘要
本发明提供单方向性碳素纤维织物及其制造方法、以及用该织物加强的混凝土结构物。本发明的织物,即使单位面积重量大,其柔软性、树脂含浸性也好,并且低价,能发挥高的强度特性。纵丝的规格和织物单位面积重量等的设计自由度大。织物的纵丝,是把多根由多根碳素纤维丝构成的非捻状态的丝合丝而成的纵合丝,该纵合丝也是非捻状态,用热塑性树脂将纵合丝与横丝固接。其制造方法是,将解舒了的碳素纤维丝,分别各以任意根数合丝,形成多根非捻状态的纵合丝;用该纵合丝和横丝制造成织物,再通过加热加压装置,将纵合丝形成为非捻的扁平状,并且使横丝中含的热塑性树脂溶融,将横丝与纵合丝固接。加强混凝土结构物,在结构物的表面,备有含上述织物的纤维强化塑料层。
文档编号E04C5/07GK1350079SQ0113750
公开日2002年5月22日 申请日期2001年10月25日 优先权日2000年10月25日
发明者高木秀敏 申请人:日石三菱株式会社