JP3702535B2

JP3702535B2 - プリプレグの製造方法およびその装置

Info

Publication number: JP3702535B2
Application number: JP15130496A
Authority: JP
Inventors: 秀誉松前; 俊英関戸; 徹花野
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1996-06-12
Filing date: 1996-06-12
Publication date: 2005-10-05
Anticipated expiration: 2016-06-12
Also published as: JPH10404A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走行する１本もしくは互いに並列して同時に走行する複数本の繊維束を開繊してプリプレグを製造するための方法および装置に関する。詳しくは、例えば炭素繊維やガラス繊維などの強化繊維からプリプレグシートやヤーンプリプレグを成形する前処理として、予め繊維束を十分開繊してからプリプレグを製造する方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、炭素繊維やガラス繊維といった複数本の繊維からなる強化繊維束を互いに平行に引き揃えた後、エポキシ樹脂や不飽和ポリエステル等のマトリクス樹脂を含浸させてシート化したプリプレグが、航空機材料や一般用工業材料の他、例えばゴルフクラブシャフトや釣竿を始めとするスポーツレジャー用途の成形材料として広く利用されつつあることは周知のとおりである。
【０００３】
このようなプリプレグの使用用途の多様化にともない、プリプレグ自体としても、極薄プリプレグや熱可塑性樹脂によるプリプレグの需要が急速に拡大し、またプリプレグの品位向上、すなわち厚み斑減少の声が高まってきている。こういった需要を満たすためには、プリプレグを成形する際のマトリクス樹脂含浸前に予め繊維束を開繊して繊維束の厚みを薄くし、繊維束の単糸間にまでマトリクス樹脂が十分浸透しやすくしてやることが必須条件である。
【０００４】
かかる従来の開繊方法としては、例えば、図３に示すような特開昭５６−４３４３５号公報に記載の方法や、その他にも特開平２−３６２３６号公報や特開平３−２５１４０８号公報に記載の方法が提案されている。この従来方法では、パッケージから巻き出され、互いに平行して走行する強化繊維束２を、コーム３を通過させて繊維間ピッチを整えた後、加振源４によって軸方向に振動させるローラ５に押し付け、繊維束２の幅方向に擦ることで開繊を行っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、本発明者等の知見によれば、上記従来技術では、開繊されるべき強化繊維束２の単糸同士が交絡していたり、繊維束自身に撚りが残っている場合には、振動させるローラ５上では繊維束は一旦は開繊するものの、ローラから離れてしばらくすると張力によって再び単糸同士が集束し、繊維束の幅は開繊前とほぼ同じ幅にまで戻ってしまうという結果に至っている。このような繊維束に対して、その後に樹脂含浸工程を加えても、得られるプリプレグはマトリクス樹脂が未含浸となり、実用上使用に耐えられるものではないという問題がある。
【０００６】
また、個々の強化繊維２には、弾性率が高くて単糸径が細いため折れ易く毛羽が多発するという理由から、取扱い性を向上させるために、一般的に例えばエポキシ系樹脂のようなサイジング剤が付与されている。このサイジング剤は、いわゆる「糊」の働きをするもので、単糸同士を接着しているため、繊維束を開繊するには妨げとなる。したがって、サイジング剤の接着力に抗して開繊できる何らかの手段を講じなければ、開繊性の向上は期待できない。
【０００７】
本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑み、単糸同士が交絡していたり、撚りが残存している強化繊維束であっても、さらにはサイジング剤が付与されている繊維束であっても、十分に開繊し、かつその幅を維持できるプリプレグの製造方法およびその装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のプリプレグの製造方法は、複数本の単糸が引き揃えられてなる繊維束を複数個のローラ上に所定角度に屈曲させるとともに、前記複数個のローラのうちの少なくとも１本を前記繊維束の走行方向に対して交差する方向に振動させつつ通過させることにより、前記繊維束を開繊させ、しかる後に合成樹脂を含浸させてプリプレグを製造する方法において、
（Ａ）前記振動させるローラの直後に位置するローラを振動させずにその周面に前記繊維束を押し当て、
（Ｂ）次に該振動させないローラの周面に、前記繊維束を前記振動させるローラの周面に接触している繊維束の接触長の２倍以上の接触長さで接触させることにより前記繊維束の開繊状態を維持させることを特徴とする。
【０００９】
この場合、前記「振動させるローラの直後に位置するローラ」とは、振動させるローラから振動させないローラまでの繊維束の自由長さ（ローラと接触していない距離）が１００ｍｍ未満までの範囲内の距離に位置するローラをいうものとする。１００ｍｍ以上になるとローラの振動による繊維束への開繊効果が弱くなるからである。
【００１０】
また、前記振動させないローラに接触している繊維束の接触長は、前記振動ローラと繊維束の接触長の２〜１０倍の範囲であるのが好ましい。また、前記振動ローラと前記無振動ローラのうちの少なくとも１本の接糸面を加熱することにより、前記繊維束に付与されているサイジング剤を軟化させつつ開繊するのが好ましい。さらに、前記振動ローラの振動周波数は、１〜１００Ｈｚの範囲、振幅は、１〜５０ｍｍの範囲で開繊するのが好ましい。そして、前記振動ローラと前記無振動ローラが２組以上設けられているとともに、各組の振動ローラの振動周波数と振幅はそれぞれ異ならせることができるのが好ましい。
【００１１】
一方、上記目的を達成するため、本発明のプリプレグの製造装置は、複数本の単糸が引き揃えられてなる繊維束を所定角度に屈曲・支持する複数本のローラと、前記複数本のローラのうちの少なくとも１本を前記繊維束の走行方向に対して交差する方向に振動させる加振手段と、前記繊維束を前記ローラ間を通過させつつ引取る引取手段とを備えたプリプレグの製造装置において、
（Ａ）前記加振手段によって振動させるローラの直後に位置するローラは振動させず、かつ、
（Ｂ）前記振動させないローラは、該ローラの周面に接触している繊維束の接触長さが、前記振動させるローラの周面に接触している繊維束の接触長さの２倍以上となる周面長さを有することを特徴とする。
【００１２】
ここで、前記振動させないローラに接触している繊維束の接触長は、前記加振手段と接続されている振動ローラと繊維束の接触長の２〜１０倍の範囲であるのが好ましい。また、前記振動ローラと前記無振動ローラのうちの少なくとも１本には、その接糸面を加熱する加熱手段が設けられているのが好ましい。また、前記振動ローラと前記無振動ローラは、２組以上有するとともに、各組の振動ローラの振動周波数と振幅を異ならせる振動周波数・振幅調整手段が設けられているのが好ましい。
【００１３】
なお、本発明でいう繊維束とは、複数本の単糸が引き揃えられた１本の繊維束でもよいし、この繊維束が複数本互いに平行に引き揃えられてシート状になっている繊維束でもよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るプリプレグの製造装置の一実施形態例を図面に基づいて説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係るプリプレグ製造装置の繊維束開繊部分の概略側面図、図２は該部分の概略斜視図である。
【００１６】
図１において、１は、例えば炭素繊維やガラス繊維等の強化繊維束２が巻き取られている巻取パッケージ、３は複数の繊維束の繊維間ピッチを整えるためのコームである。
【００１７】
４ａおよび４ｂは、後述する振動ローラ５ａ、５ｂを繊維束２の走行方向と交差する方向である軸方向に振動させるための加振源であり、公知の電磁式加振機を始め、カム等を用いたメカニカル式などを用いることができる。なお、この加振源４ａ、４ｂには、その振動周波数と振幅を個々に調整するための図示しない調整手段が設けられている。
【００１８】
振動ローラ５ａ、５ｂは、強化繊維束２を支持するとともに、上述したようにその走行方向と交差する方向に振動して強化繊維束に開繊作用を与えるもので、その軸を中心にフリーで回転するもの、固定されているものいずれであってもよい。この振動ローラの外径は、開繊効果からいえば小さいほど望ましく、具体的にはφ５０ｍｍ以下である。
【００１９】
次に６ａ、６ｂは、振動ローラ５ａ、５ｂで開繊された繊維束２の開繊幅を維持するための無振動ローラである。この無振動ローラは開繊後の糸幅を維持するためのものであって、振動ローラ５ａ、５ｂのように振動させると糸幅が不安定になったり、毛羽発生を促進する等の悪い結果がでるので、振動せずに固定されていることが重要である。このローラは軸を中心にフリーで回転するもの、駆動されているもの、固定されているものいずれであってもよく、要は繊維束が静止または回転する曲面に適度の押圧力で押し当てられた状態で周回するものであればよい。したがってこのような曲面は、図ようなローラに限らず、半円筒面やその他の形状の曲面であってもよい。この曲面は、開繊後の繊維束の幅を維持するためには繊維束との接触長が大きいほど好ましい。よって、前記振動ローラと繊維束の接触長と比較して、該無振動ローラと繊維束の接触長は２から１０倍であるのが好ましい。具体的長さとしては、無振動ローラーと繊維束の接触長を１００ｍｍ以上にできることが好ましい。
【００２０】
また、振動ローラ５ａ、５ｂと無振動ローラ６ａ、６ｂの間での繊維束の幅の狭まりを最小限に抑えるには、繊維束がどちらのローラにも接触していない長さが短いほど好ましい。具体的には２０ｍｍ以下となるように、無振動ローラ６ａ，６ｂを設置すべきである。
【００２１】
これら振動ローラ５ａ、５ｂと、無振動の無振動ローラ６ａ、６ｂは、それぞれ少なくとも１本づつを１組として備えているものであれば開繊の効果を生じるものであって、２組以上備えていればより一層の開繊効果がある。
【００２２】
７は、上記振動ローラおよび無振動ローラの接糸面を加熱することによって、繊維束に付与されているサイジング剤を軟化させるための加熱手段であって、繊維束をサイジング剤の軟化点である３４３〜３７３Ｋ（７０〜１００℃）まで加熱できる能力を備えていれば、近赤外線ヒータや中赤外線ヒータ、遠赤外線ヒータ等いずれの加熱手段を用いてもよい。また、上記振動ローラおよび無振動ローラ内部にヒータを埋め込むなど振動ローラおよび無振動ローラ自身を直接加熱してもよく、このような形態も本発明の加熱手段に含まれる。
【００２３】
最後に９は、強化繊維束２を振動ローラ５ａ、５ｂおよび無振動ローラ６ａ、６ｂ上を通過させながら図の右方向に引取るための図示しない引取り手段であり、モータ等の適当な駆動手段によって強制回転される回転ドラム、ドライブステーション等を用いることができる。
【００２４】
次に、本発明の繊維束の開繊方法の好ましい実施の形態を、上記図１および図２を用いて説明する。
【００２５】
まず、強化繊維束２は、巻き出し時の張力が０．１〜５Ｎ（約１０〜５００ｇｆ）の範囲になるように巻き出すのが好ましい。張力が高すぎると開繊に不利であり、逆に低すぎると繊維束は蛇行してしまう。また、強化繊維束２の走行速度は小さいほど振動ローラ５ａ、５ｂや無振動ローラ６ａ、６ｂとの接触時間を長くできるため有利であるが、走行速度が大きくなった場合であっても振動ローラと無振動ローラの組数を増やすことで、適宜対応は可能である。
【００２６】
次に、振動ローラ５ａ、５ｂの振動周波数は１〜１００Ｈｚの範囲の中で大きいほど好ましいが、機構的な制約から５〜２０Ｈｚでも十分である。また、振動ローラの振幅は、１〜５０ｍｍの範囲でやはり大きいほど好ましいが、振動によって発生する擦過毛羽抑制の点から５〜２０ｍｍがより好ましい。
【００２７】
【実施例】
本発明の実施例を、上記図面を参照して以下に説明する。
【００２８】
実施例１
図１の装置において、強化繊維束２には、開繊前の繊維幅約１ｍｍ、単糸数３，０００本の高弾性タイプ炭素繊維５０本を用い、パッケージ１からの巻き出し張力は１Ｎ（約１００ｇｆ）、走行速度は０．０４ｍ／ｓ（約２．５ｍ／分）に設定した。
【００２９】
一方、加振源４ａ、４ｂには、市販の電磁式加振機（ボクスイ・ブラウン（株）、ＶＧ１００型）を用いた。
【００３０】
次に、振動ローラ５ａ、５ｂは各々フリー回転とし、その径は５ａ、５ｂともφ３０ｍｍとした。そして、各ローラの繊維束との接触長はそれぞれ２５ｍｍ，４０ｍｍとし、いずれもその振動周波数を８Ｈｚに、振幅を１０ｍｍに設定した（条件▲１▼）。
【００３１】
また、無振動の無振動ローラ６ａ、６ｂは、各々フリー回転のローラとした。その無振動ローラの径および繊維との接触長は、それぞれ、６ａをφ７０ｍｍ，１００ｍｍ、６ｂをφ１００ｍｍ，１５０ｍｍとした（条件▲２▼）。
【００３２】
加熱手段７には遠赤外線ヒータを使用し、強化繊維束２の温度がサイジング剤の軟化点である約３５０Ｋ（７７℃）になるように設定した。この時ヒータ表面温度は約５３０Ｋ（２５７℃）であった（条件▲３▼）。
【００３３】
このような実施例の開繊の実測結果を示したのが次の表１である。
【００３４】
【表１】

この表１によれば、本発明の開繊方法および装置を用いることで、強化繊維束は１ｍｍから６ｍｍまで開繊幅が向上したことがわかる。
【００３５】
実施例２
振動ローラ５ａの振動周波数を８Ｈｚ、振幅を１０ｍｍとし、また振動ローラ５ｂの振動周波数を１６Ｈｚ、振幅を２０ｍｍとした（条件▲１▼）。
【００３６】
その他の条件は実施例１と全く同様に設定した。
【００３７】
このような実施例の開繊の実測結果を示したのが上記の表１である。この表によれば、開繊後の繊維束幅は７ｍｍで、振動ローラ５ｂの振動周波数および振幅を増加させたことにより、開繊効果が実施例１よりもさらに１ｍｍアップしたことが分かる。
【００３８】
比較例１
図３の従来技術の装置において、振動ローラ５は外径φ３０ｍｍのフリー回転とし、繊維束との接触長は１０ｍｍとした。そして、その振動周波数を８Ｈｚに、振幅を１０ｍｍに設定した（条件▲１▼）。また、フリー回転ローラ８の径はφ２０ｍｍとした（条件▲２▼）。なお、加熱手段は使用していない（条件▲３▼）。その他の条件は実施例１と全く同様に設定した。
【００３９】
このような比較例の開繊の実測結果を示したのが上記の表１の比較例である。この表によれば、開繊後の繊維束幅は３ｍｍである。すなわち従来技術の方法および装置を用いた場合、実施例１に比べると３ｍｍ、実施例２に比べると４ｍｍ、それぞれ開繊性が劣っていることがわかる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００４１】
請求項１および２記載のプリプレグの製造方法によれば、互いに平行に引き揃えられた複数本の繊維束が、複数本のローラ上を所定角度に屈曲しながら通過する際に、ローラの少なくとも１本が前記繊維束の走行方向に対して交差する方向に振動しているため、繊維束と振動ローラ間に発生する擦過力によって十分に開繊される。また、開繊された繊維束は、振動ローラ直後に位置させた振動させないローラの周面上にその接触長さが振動ローラでの接触長の２倍以上で押し当てられるため、繊維束と無振動ローラの間に発生する摩擦力によって、その開繊幅を維持することができる。
【００４２】
請求項３および４記載のプリプレグの製造方法によれば、少なくとも１本のローラを加熱することにより、繊維束は、該繊維束に付与されているサイジング剤が軟化する温度まで加熱されるため、単繊維間相互の開繊性が向上する。
【００４３】
請求項５および６記載のプリプレグの製造方法によれば、振動ローラと無振動ローラは２組以上存在し、各組の振動ローラの振動周波数および振幅がそれぞれ異なるため、例えば１組目の振動ローラを小振幅、低振動周波数に、２組目の振動ローラを大振幅、高振動周波数といった具合にそれぞれ設定すれば、繊維束は徐々に開繊するため、振動ローラとの擦過で繊維束を痛めずに、無理なく開繊させることができる。また、繊維束の走行速度が大きくなっても、振動ローラと無振動ローラの組数を増やすことで容易に対応できる。
【００４４】
請求項７および８記載のプリプレグの製造装置によれば、互いに平行に引き揃えられた複数本の繊維束を、複数本のローラ上に所定角度で屈曲させながら通過させる際に、ローラの少なくとも１本を繊維束の走行方向に対して交差する方向に振動させるため、繊維束と振動ローラ間に発生する擦過力によって繊維束を十分に開繊することができる。また、この開繊された繊維束を振動ローラ直後に設けた、前記繊維束の接触長さが振動させるローラでの接触長さの２倍以上の周面長さを有する振動させないローラ表面に押し当てて引取るため、繊維束と無振動ローラの間に発生する摩擦力によって、開繊された繊維束の開繊幅を維持したまま引取ることができる。
【００４５】
請求項９記載のプリプレグの製造装置によれば、少なくとも１本のローラを加熱することが可能となるため、繊維束に付与されているサイジング剤が軟化する温度まで加熱することができ、繊維束の開繊性が向上する。
【００４６】
請求項１０記載のプリプレグの製造装置によれば、振動ローラと無振動ローラを２組以上備えており、さらに各組の振動ローラの振動周波数および振幅をそれぞれ別々に変化させることが可能なため、例えば１組目の振動ローラを小振幅、低振動周波数に、２組目の振動ローラを大振幅、高振動周波数といった具合にそれぞれ設定すれば、繊維束を徐々に開繊させることが可能となり、振動ローラとの擦過で繊維束を痛めずに無理なく開繊させることが可能となる。また、繊維束の走行速度を大きくしても振動ローラと無振動ローラの組数を増設することで容易に対応できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るプリプレグ製造装置の繊維束開繊部の概略側面図である。
【図２】本発明に係るプリプレグ製造装置の繊維束開繊部の概略斜視図である。
【図３】従来装置の繊維束開繊部の概略側面図である。
【符号の説明】
１：巻取パッケージ
２：強化繊維束
３：コーム
４：加振源
４ａ：加振源
４ｂ：加振源
５：振動ローラ
５ａ：振動ローラ
５ｂ：振動ローラ
６ａ：無振動ローラ
６ｂ：無振動ローラ
７：加熱手段
８：フリー回転ローラ
９：引取り手段

Claims

複数本の単糸が引き揃えられてなる繊維束を複数個のローラ上に所定角度に屈曲させるとともに、前記複数個のローラのうちの少なくとも１本を前記繊維束の走行方向に対して交差する方向に振動させつつ通過させることにより、前記繊維束を開繊させ、しかる後に合成樹脂を含浸させてプリプレグを製造する方法において、
（Ａ）前記振動させるローラの直後に位置するローラを振動させずにその周面に前記繊維束を押し当て、
（Ｂ）次に該振動させないローラの周面に、前記繊維束を前記振動させるローラの周面に接触している繊維束の接触長の２倍以上の接触長さで接触させることにより前記繊維束の開繊状態を維持させることを特徴とするプリプレグの製造方法。
前記振動させないローラの周面に接触している繊維束の接触長さは、前記振動させるローラの周面に接触している繊維束の接触長さの２〜１０倍であることを特徴とする請求項１に記載のプリプレグの製造方法。
前記振動させるローラと前記振動させないローラのうちの少なくとも１本のローラの接糸面を加熱することにより、前記繊維束に付与されているサイジング剤を軟化させつつ、開繊させることを特徴とする請求項１または２に記載のプリプレグの製造方法。
前記軟化温度は、７０〜１００℃の範囲であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプリプレグの製造方法。
前記振動させるローラの振動周波数を１〜１００Ｈｚの範囲、振幅を１〜５０ｍｍの範囲で開繊させることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプリプレグの製造方法。
前記振動させるローラと前記振動させないローラとをそれぞれ２組以上設け、各組の振動させるローラの振動周波数と振幅とをそれぞれ異ならせて開繊させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のプリプレグの製造方法。
複数本の単糸が引き揃えられてなる繊維束を所定角度に屈曲・支持する複数本のローラと、前記複数本のローラのうちの少なくとも１本を前記繊維束の走行方向に対して交差する方向に振動させる加振手段と、前記繊維束を前記ローラ間を通過させつつ引取る引取手段とを備えたプリプレグの製造装置において、
（Ａ）前記加振手段によって振動させるローラの直後に位置するローラは振動させず、かつ、
（Ｂ）前記振動させないローラは、該ローラの周面に接触している繊維束の接触長さが、前記振動させるローラの周面に接触している繊維束の接触長さの２倍以上となる周面長さを有することを特徴とするプリプレグの製造装置。
前記振動させないローラに接触している繊維束の接触長さは、前記振動させるローラに接触している繊維束の接触長さの２〜１０倍の周面長さを有することを特徴とする請求項７記載のプリプレグの製造装置。
前記振動させるローラと前記振動させないローラのうちの少なくとも１本のローラの接糸面を加熱する手段を備えたことを特徴とする請求項７または８に記載のプリプレグの製造装置。
前記振動させるローラと前記振動させないローラとをそれぞれ２組以上有するとともに、各組の振動させるローラの振動周波数と振幅とをそれぞれ異ならせる振動周波数・振幅調整手段が設けられていることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載のプリプレグの製造装置。