纤维强化树脂螺栓
阅读：64发布：2020-10-02
专利汇可以提供纤维强化树脂螺栓专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及使用 树脂 中含有强化 纤维 的树脂组合物而成型的纤维强化树脂 螺栓 (10)、(20)。 螺纹 牙的 螺距 P是与公制粗牙螺纹、统一标准粗牙螺纹、统一标准细牙螺纹的标准所规定的螺纹牙的外径D对应的标准螺距的1.5倍至2倍长。强化纤维的平均纤维长度是螺距的1到1/3倍，强化纤维的含有率是20％到80％。这样可以提供螺纹牙强度增强的纤维强化树脂螺栓。，下面是纤维强化树脂螺栓专利的具体信息内容。
1.一种纤维强化树脂螺栓，其通过注塑成型形成，实质上由在树脂中含有强化纤维的树脂组合物形成，所述纤维强化树脂螺栓的特征在于，
所述纤维强化树脂螺栓中的螺纹牙的螺距是与公制粗牙螺纹、统一标准粗牙螺纹、统一标准细牙螺纹的标准所规定的所述螺纹牙外径对应的标准螺距的1.5倍至2倍长，所述强化纤维的平均纤维长度是所述纤维强化树脂螺栓中的螺纹牙的螺距的1至1/3倍，
所述强化纤维的含有率是20％至80％，
在所述树脂组合物内所包含的所述纤维强化树脂沿着形成所述螺纹牙的凹凸的面取向。
2.如权利要求1所述的纤维强化树脂螺栓，其特征在于，
所述纤维强化树脂螺栓中的螺纹牙的角度是60°至90°。
3.如权利要求1所述的纤维强化树脂螺栓，其特征在于，
所述纤维强化树脂螺栓的外径是3.5至10mm。
4.如权利要求1所述的纤维强化树脂螺栓，其特征在于，
所述树脂是芳香族聚醚酮树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚苯硫醚树脂、聚偏氟乙烯树脂、聚碳酸酯树脂、聚缩醛树脂、酚醛树脂、超高分子量聚乙烯树脂、四氟乙烯－全氟烷基乙烯基醚树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂或聚氯乙烯树脂。
5.如权利要求1至4中任一项所述的纤维强化树脂螺栓，其特征在于，
所述强化纤维为玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维、芳纶纤维或超高分子聚乙烯纤维。
6.一种纤维强化树脂螺栓，其通过注塑成型形成，实质上由在树脂中含有强化纤维的树脂组合物形成，所述纤维强化树脂螺栓的特征在于，
所述纤维强化树脂螺栓中的螺纹牙的螺距是螺栓外径的1/4.3至1/2.2倍的长度，所述强化纤维的平均纤维长度是所述螺距的1至1/3倍，
所述强化纤维的含有率是20％至80％，
在所述树脂组合物内所包含的所述纤维强化树脂沿着形成所述螺纹牙的凹凸的面取向。
7.如权利要求6所述的纤维强化树脂螺栓，其特征在于，
所述纤维强化树脂螺栓中的螺纹牙的角度是60°至90°。
8.如权利要求6所述的纤维强化树脂螺栓，其特征在于，
所述纤维强化树脂螺栓的外径是3.5至10mm。
9.如权利要求6所述的纤维强化树脂螺栓，其特征在于，
所述树脂是芳香族聚醚酮树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚苯硫醚树脂、聚偏氟乙烯树脂、聚碳酸酯树脂、聚缩醛树脂、酚醛树脂、超高分子量聚乙烯树脂、四氟乙烯－全氟烷基乙烯基醚树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂或聚氯乙烯树脂。
10.如权利要求6至9中任一项所述的纤维强化树脂螺栓，其特征在于，
所述强化纤维为玻璃纤维、碳纤维、碳化硅纤维、芳纶纤维或超高分子聚乙烯纤维。
纤维强化树脂螺栓
技术领域
[0001] 本发明涉及使用树脂中含有强化纤维的树脂组合物作为原材料的纤维强化树脂螺栓。
背景技术
[0003] 树脂螺栓虽然有各种各样的特征，但由于与金属螺栓相比强度低，适用范围被限制。因此无法应用于要求更高强度的领域。
[0004] (日本)特开平7-293535号公报(专利文献1)中公开了为增强螺栓的拉伸破坏强度而混入纤维的树脂螺栓。在专利文献1中记载的树脂螺栓中，将平均纤维长度为0.3mm以上的长纤维混入热可塑性树脂，加强了强化纤维与树脂的结合力/粘着力，从而增强了复合材料的强度。
[0005] 现有技术文献
[0006] 专利文献
[0007] 专利文献1:(日本)特开平7-293535号公报
发明内容
[0008] 专利文献1中记载的纤维强化树脂制螺栓通过努力使平均纤维长度0.3mm以上的长纤维与螺栓的轴向平行地取向来增强螺栓的拉伸破坏强度。
[0010] 本发明的目的在于增强纤维强化树脂螺栓中的螺纹牙的强度。
[0011] 本发明的纤维强化树脂螺栓是使用树脂中含有强化纤维的树脂组合物而成型的螺栓。纤维强化树脂螺栓中的螺纹牙的螺距是与公制粗牙螺纹、统一标准粗牙螺纹、统一标准细牙螺纹的标准所规定的螺纹牙外径对应的标准螺距的1.5倍至2倍长。强化纤维的平均纤维长度是纤维强化树脂螺栓中的螺纹牙的螺距的1到1/3倍。树脂组合物中的强化纤维的含有率是20％到80％。
[0012] 本发明的纤维强化树脂螺栓是使用树脂中含有强化纤维的树脂组合物而成型的螺栓。纤维强化树脂螺栓的螺纹牙的螺距是螺栓外径的1/4.3至1/2.2倍长。强化纤维的平均纤维长度是螺距的1至1/3倍。树脂组合物中强化纤维的含有率是20％至80％。
[0013] 纤维强化树脂螺栓的螺纹牙的角度是60°至90°。
[0014] 纤维强化树脂螺栓的外径是3.5mm至10mm。
[0015] 树脂组合物中的树脂是芳香族聚醚酮树脂、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚苯硫醚树脂、聚偏氟乙烯树脂、聚碳酸酯树脂、聚缩醛树脂、酚醛树脂、超高分子量聚乙烯树脂、四氟乙烯－全氟烷基乙烯基醚树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂或聚氯乙烯树脂。
[0017] 通过使用本发明的纤维强化树脂螺栓，可以提供螺纹牙强度高的树脂螺栓。通过提供螺纹牙强度高的纤维强化树脂螺栓，可以扩大要求耐化学药品性、耐腐蚀性、生物适应性、防爆性、轻量性、保温性领域中的树脂螺栓的适用范围。附图说明
[0018] 图1是本发明的纤维强化树脂螺栓(外螺纹)的一部分的剖视图。
[0019] 图2是本发明的纤维强化树脂螺栓(内螺纹)的一部分的剖视图。
[0020] 图3中(a)是表示具有与UNF3/16相同的螺纹牙的角度A(60°)以及螺距P(32个/英寸)的外螺纹中的强化纤维取向分析结果的图，图3中(b)是表示相对于UNF3/16而使螺纹牙的角度A＝75°，根据该角度A来改变螺距P的外螺纹中的强化纤维取向分析结果的图，图3中(c)是表示相对于UNF3/16而使螺纹牙的角度A＝90°，根据该角度A改变螺距P的外螺纹中的强化纤维取向分析结果的图。
[0021] 图4中(a)是表示具有与UNF3/16相同的螺纹牙的角度A(60°)以及螺距P(32个/英寸)的外螺纹中的强化纤维取向分析结果的图，图4中(b)是表示相对于UNF3/16而使螺纹牙的角度A＝105°，根据该角度A改变螺距P的外螺纹中的强化纤维取向分析结果的图，图4中(c)是表示相对于UNF3/16而使螺纹牙的角度A＝120°，根据该角度A改变螺距P的外螺纹中的强化纤维取向分析结果的图。
[0022] 图5中(a)是表示具有与UNF3/16相同的螺纹牙的角度A(60°)以及螺距P(32个/英寸)的外螺纹中的强化纤维取向分析结果的图，图5中(b)是表示相对于UNF3/16将螺纹牙的螺距P改变至1.2倍的外螺纹中的强化纤维取向分析结果的图。
[0023] 图6中(a)是表示相对于UNF3/16将螺纹牙的螺距P改变至1.4倍的外螺纹中的强化纤维取向分析结果的图。图6中(b)是表示相对于UNF3/16将螺纹牙的螺距P改变至1.6倍的外螺纹中的强化纤维取向分析结果的图。
[0024] 图7中(a)是表示相对于UNF3/16将螺纹牙的螺距P改变至1.8倍的外螺纹中的强化纤维取向分析结果的图。图7中(b)是表示相对于UNF3/16将螺纹牙的螺距P改变至2倍的外螺纹中的强化纤维取向分析结果的图。
[0025] 图8是表示在改变树脂及强化纤维的含有比例时的关于纤维强化树脂螺栓的拉伸强度(kN)变化的图。
具体实施方式
[0026] 以下，参照附图对制造本发明的纤维强化树脂螺栓的方式进行说明。
[0027] 图1是表示第一实施方式的纤维强化树脂螺栓(外螺纹)的一部分剖面的部分剖视图。图2是表示第一实施方式的纤维强化树脂螺栓(内螺纹)的一部分剖面的部分剖视图。需要说明的是，图2所示的内螺纹的螺纹牙形状与图1所示的外螺纹的螺纹牙形状相同，所以省略其说明。
[0028] 参照图1及图2，第一实施方式的纤维强化树脂螺栓10、20是使用树脂中含有强化纤维的树脂组合物所成型的螺栓，具有3.5mm≤外径D≤10mm范围的外径D。一般而言，外径D大的螺栓其螺纹牙也大，螺纹牙脚部的宽度也长，所以螺纹牙的强度高。然而，在外径D为10mm以下的树脂螺栓中，存在螺纹牙强度不足的情况。
[0029] 在此，通过将纤维强化树脂螺栓的螺距P设定为长于一般使用的标准螺栓的螺距，进而可以使螺纹牙的脚部变长而增加螺纹牙的强度。
[0030] 纤维强化树脂螺栓10、20的螺距P相对于螺栓的外径D，优选为D/4.3至D/2.2的长度。另外，纤维强化树脂螺栓10、20的螺纹牙的外径D与公制粗牙螺纹、统一标准粗牙螺纹、统一标准细牙螺纹的标准所规定的螺纹牙外径相同的情况下，纤维强化树脂螺栓10、20的螺距P优选为与公制粗牙螺纹、统一标准粗牙螺纹、统一标准细牙螺纹的标准所规定的螺纹牙对应的标准螺距的1.5至2倍长。
[0031] 在将纤维强化树脂螺栓10、20注塑成型时，一般在螺栓的头部H或螺栓的底部B配置有浇口，此时树脂组合物的多数以与螺纹牙正交的方式流动。因此，树脂组合物的流动在螺纹牙的部分具有朝向轴向的倾向。在此，如果确保螺纹牙的脚部较长，则能够使树脂入口宽度相对于螺纹牙的高度较宽，因此能够获得沿着螺纹牙的形状的树脂流动性。由此，在将纤维强化树脂螺栓10、20注塑成型时，树脂组合物中含有的强化纤维沿着螺纹牙的凹凸或者其形成面取向，从而增加了螺纹牙的剪断强度。这样可以得到螺纹牙强度高的树脂螺栓。
[0032] 另外，使纤维强化树脂螺栓10、20的螺距P变长，并且使螺纹牙的螺峰(top land)或者螺栓的螺谷(bottom land)相对于螺栓的中心平行地形成，设定该平行部分在轴向上较长，由此能够确保螺栓齿的脚部较长。而且，获得了沿着螺纹牙形状的树脂流动性，可以使更多的强化纤维沿着螺纹牙的凹凸或者其形成面取向。但是，当该平行部分过长时，纤维强化树脂螺栓10、20彼此螺合时，螺合长度(外螺纹和内螺纹螺合的长度)也变得过长。
[0033] 另外，如果强化树脂螺栓10、20的螺纹牙彼此的摩擦角变得小于螺纹的升角时，会自然产生松动，因此，纤维强化树脂螺栓10、20的螺距P优选在公制粗牙螺纹、统一标准粗牙螺纹、统一标准细牙螺纹的标准螺距的1.5至2倍的范围内。在假定纤维强化树脂螺栓10、20的螺纹牙彼此的摩擦系数μ为0.1左右的情况下，可以使螺纹牙的升角扩大至螺距变成标准螺栓的大致1.8倍螺距的位置。
[0034] 纤维强化树脂螺栓10、20中含有的强化纤维的平均纤维长度优选是螺距P的1至1/3倍或与螺纹牙的高度相同。如果平均纤维长度较短，则会阻碍含有强化纤维所带来的螺栓的轴向的拉伸强度增强以及螺纹牙的强度增强效果。另一方面，如果平均纤维长度过长，则注塑成型时强化纤维的流动难以沿着螺纹牙的凹凸或者其形成面，无法增强螺纹牙的强度。
[0035] 公制粗牙螺纹、统一标准粗牙螺纹或者统一标准细牙螺纹中螺纹牙的角度A为60°。通过将纤维强化树脂螺栓10、20的螺纹牙的角度A设定为大于一般标准螺栓中的螺纹牙的角度A，螺纹牙的轴向的倾斜变得平缓，强化纤维沿着螺纹牙的凹凸或者其形成面更容易地流动。但是，从螺栓的牢固条件来看，认为螺纹牙的角度A的上限为105°左右。实际应用上希望螺纹牙的角度在60至90°左右。
[0036] 图1及图2表示的实施形式中，使纤维强化树脂螺栓10、20的螺纹牙的形状为梯形。本发明不限定为梯形螺栓，也可以使螺栓的螺谷为U字型。另外，虽然优选增大谷径d而确保增长螺纹牙的脚部，然而这会减小螺纹牙彼此的螺合高度，所以不优选使谷径d过大。
[0037] 构成纤维强化树脂的螺栓10、20的原料的树脂根据纤维强化树脂螺栓10、20的用途，可以使用芳香族聚醚酮树脂(PEEK、PEK等)、聚酰胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚苯硫醚树脂、聚偏氟乙烯树脂、聚碳酸酯树脂、聚缩醛树脂、酚醛树脂、超高分子量聚乙烯树脂、四氟乙烯－全氟烷基乙烯基醚树脂、聚对苯二甲酸丁二醇酯树脂或聚氯乙烯树脂、其他热固化树脂或热可塑性树脂。
[0038] 作为强化纤维可以使用玻璃纤维、碳纤维、碳纤维、碳化硅纤维、芳纶纤维、超高分子聚乙烯纤维或其他强化纤维。纤维强化树脂螺栓10、20中含有的强化纤维量优选是20％至80％的含有率，更优选20％～60％。特别是在要求防爆性和电化学腐蚀性的用途中优选使用玻璃纤维等具备非导电性的强化纤维。
[0039] 接下来，利用图3至图7说明外径D＝大约4.8mm的纤维强化树脂螺栓(外螺纹)的基于注塑成型时的树脂流的强化纤维取向的模拟结果。图3至图7中表示的颜色(或者浓度)的-1不同是表示纤维朝向螺栓的轴向(Y方向)的概率，在该值为9×10 的情况下，表示该部位中的强化纤维的90％朝向轴向(Y方向)。
[0040] 在注塑成型时，注入含有强化纤维的树脂组合物的浇口配置在螺栓的底部B。而且，在注塑成型时，使树脂组合物在螺栓的轴向流动而增强纤维强化树脂螺栓10、20的拉伸强度。另外，纤维强化树脂螺栓10、20中含有的强化纤维的平均纤维长度是螺距P的1至1/3倍。首先，说明关于图3及图4表示的纤维强化树脂螺栓的强化纤维取向分析结果。
[0041] 图3中(a)是表示将具有与UNF3/16相同的螺纹牙的角度A(60°)以及螺距P(32个/英寸)的外螺纹注塑成型时的强化纤维取向分析结果的图。图3中(b)是表示相对于UNF3/16而使螺纹牙的角度A＝75°，将根据该角度A而改变螺距P的外螺纹注塑成型时的强化纤维取向分析结果的图，图3中(c)是表示相对于UNF3/16而使螺纹牙的角度A＝90°，将根据该角度A而改变螺距P的外螺纹注塑成型时的强化纤维取向分析结果的图。
[0042] 图4中(a)是表示将具有与UNF3/16相同的螺纹牙的角度A(60°)以及螺距P(32个/英寸)的外螺纹注塑成型时的强化纤维取向分析结果的图。图4中(b)是表示相对于UNF3/16而使螺纹牙的角度A＝105°，将根据该角度A而改变螺距P的外螺纹注塑成型时的强化纤维取向分析结果的图，图4中(c)是表示相对于UNF3/16而使螺纹牙的角度A＝120°，将根据该角度A而改变螺距P的外螺纹注塑成型时的强化纤维取向分析结果的图。
[0043] 如图3及图4所示，随着螺纹牙的角度A的增加颜色的界线进入螺纹牙的凹凸形状，判定树脂组合物中含有的强化纤维流沿着螺纹牙的凹凸形状取向的倾向增强。因此，能够判断螺纹牙的强度增强。需要说明的是，图3及图4所示的模拟结果是关于外径D＝大约4.8mm的纤维强化树脂螺栓的强化纤维取向分析结果，但是对于范围在3.5mm≤外径D≤
10mm的范围的纤维强化树脂螺栓也同样成立。
10mm的范围的纤维强化树脂螺栓也同样成立。
[0044] 接下来，说明图5至图7所示的纤维强化树脂螺栓中的强化纤维的取向分析结果。
[0045] 图5中(a)是表示将具有与UNF3/16相同的螺纹牙的角度A(60°)以及螺距P(32个/英寸)的外螺纹注塑成型时的强化纤维取向分析结果的图，图5中(b)是表示将相对于UNF3/16而将螺纹牙的螺距P改变至1.2倍的外螺纹注塑成型时的强化纤维取向分析结果的图。
[0046] 图6中(a)是表示将相对于UNF3/16而将螺纹牙的螺距P改变至1.4倍的外螺纹注塑成型时的强化纤维取向分析结果的图。图6中(b)是表示将相对于UNF3/16而将螺纹牙的螺距P改变至1.6倍的外螺纹注塑成型时的强化纤维取向分析结果的图。
[0047] 图7中(a)是表示将相对于UNF3/16而将螺纹牙的螺距P改变至1.8倍的外螺纹注塑成型时的强化纤维取向分析结果的图。图7中(b)是表示将相对于UNF3/16而将螺纹牙的螺距P改变至2倍的外螺纹注塑成型时的强化纤维取向分析结果的图。
[0048] 如图5～图7所示，随着螺纹牙的螺距P的增加，螺纹牙的脚部变长，判定树脂组合物中含有的强化纤维流沿着螺纹牙的凹凸形状取向的倾向变强。因此，能够判断螺纹牙的强度增强。需要说明的是，图5～图7所示的模拟结果是关于外径D＝大约4.8mm的纤维强化树脂螺栓的强化纤维取向分析结果，但是对于范围在3.5mm≤外径D≤10mm的纤维强化树脂螺栓也同样成立。
[0049] 接下来参照图8说明图1及图2所示的纤维强化树脂螺栓10、2彼此螺合状态下的拉伸强度试验结果。图8是表示关于外径D＝大约4.8mm的纤维强化树脂螺栓10在改变树脂以及强化纤维的含有比例时的拉伸强度的变化的图。图8的纵轴是拉伸强度(kN)。
[0050] 原材料的附图标记A是表示树脂中使用高黏度PEEK(聚醚醚酮)，并含有30％作为强化纤维的玻璃纤维的树脂组合物。原材料的附图标记B是表示树脂中使用低黏度PEEK，并含有60％作为强化纤维的玻璃纤维的树脂组合物。原材料的附图标记C是表示树脂中使用中黏度PEEK(聚醚醚酮)，并含有30％作为强化纤维的玻璃纤维的树脂组合物。原材料的附图标记D是表示树脂中使用底黏度PEEK(聚醚醚酮)，并含有50％作为强化纤维的玻璃纤维的树脂组合物。
[0051] 附图标记A、B、C、D的测试结果是具有与UNF3/16相同的螺纹牙的角度A(60°)以及螺距P(32个/英寸)的纤维强化树脂螺栓10、20的拉伸强度试验结果。与此相对，附图标记A(1.5P)、B(1.5P)、C(1.5P)、以及D(1.5P)是具有与UNF3/16相同的螺纹牙的角度A(60°)以及螺距P(21个/英寸)的纤维强化树脂螺栓10、20的拉伸强度试验结果。
[0052] 如图8所示，可知通过使纤维强化树脂螺栓10、20中含有的强化纤维的平均纤维长度为螺距P的1至1/3倍，并且增加螺纹牙的螺距P的长度，能够增强平均拉伸强度(约4％～10％)。
[0053] 以上说明了各种实施方式的纤维强化树脂螺栓，但不限定上述实施方式。可以对上述实施方式进行各种的改变。在不产生技术性的矛盾范围内，可以组合上述实施方式所记载的事项和上述其他实施方式所记载的事项。
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