CN106414822B - 混纤丝及其制造方法以及成型品 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于，提供一种使合成纤维材料分散于加强纤维材料之间而混纤的具有良好品质的混纤丝及其制造方法。混纤丝通过使在规定的方向上拉齐的加强纤维材料与在同加强纤维材料相同的方向上拉齐的合成纤维材料混纤而成，合成纤维材料与加强纤维材料粘结而一体化，并且，合成纤维材料以如下方式分散，即，将混纤丝的截面分割后的区分区域中的与合成纤维材料的截面积的比率相关的标准偏差为25以下。

Description

混纤丝及其制造方法以及成型品

技术领域

本发明涉及使碳纤维等加强纤维材料以及热塑性树脂等合成纤维材料混纤而成的混纤丝及其制造方法。

背景技术

纤维加强复合材料由纤维材料和基体材料组合而成，是轻型、刚性高、且能够实现各种各样的功能设计的材料，被用于航空宇宙领域、输送领域、土木建筑领域、运动器具领域等广泛的领域中。目前，将碳纤维或玻璃纤维这样的加强纤维材料与热硬化性树脂材料或热塑性树脂材料等合成树脂材料组合而成的纤维强化塑料(FRP；Fiber ReinforcedPlastic)成为主流。由于FRP具有提高了再利用性、短时间成型性、以及成型品的抗冲击特性等的优点，因此，认为今后会增加基于将碳纤维用作加强纤维、且将热塑性树脂材料用作基体树脂的碳纤维加强复合材料(CFRP；Carbon Fiber Reinforced Plastic)的成型品开发。

关于将加强纤维材料与合成树脂材料组合而成的纤维加强复合片材，例如，在专利文献1中记载有如下内容：向将碳纤维在一方向上拉齐的纤维体重叠在脱模膜上层叠了树脂的树脂片并进行加热，由此使树脂浸入到纤维体而制造预浸料。除了这种使成为基体树脂的合成树脂材料重叠于加强纤维材料而制造纤维加强复合材料的方法以外，还提出有如下方法：使将成为基体树脂的合成树脂材料纤维化的合成纤维材料与加强纤维材料混纤来制造混纤丝，使用得到的混纤丝而制造纤维加强复合材料(参照非专利文献1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-91377号公报

非专利文献

非专利文献1：长谷部裕之外2名，“使用混纤丝的热塑性碳纤维强化复合材料的试制与物性评价”，一般社团法人日本纤维机械学会北陆支部研究发表会讲演要点集，p.11-p.12，一般社团法人日本纤维机械学会

发明内容

发明要解决的课题

在专利文献1中，向纤维体重叠树脂片而使树脂浸入到纤维体，因此，在纤维之间容易产生树脂难以浸透的空隙(void)。另外，还需要树脂片的制造工序等，工序增多而不得不使制造设备大型化以及设备的成本负担增大。另外，在使用合成纤维材料与加强纤维材料混纤而成的混纤丝的方法中，使用预先在加强纤维材料之间配置了合成纤维材料的混纤丝，因此，与专利文献1所记载的方法相比，树脂容易浸透到加强纤维材料之间，从而抑制产生空隙。

在这种使用混纤丝的方法中，需要使用尽可能使合成纤维材料与加强纤维材料均匀混纤而成的材料。作为以往的混纤丝，举出通过覆盖而在芯丝上卷绕鞘丝的例子，但在这种混纤丝中，加强纤维材料和合成纤维材料被分为二层，因此，难以成为均匀地混纤的状态。

另外，在非专利文献1中，在以恒定的速度将碳纤维与由聚苯硫醚 (PPS)构成的合成纤维送出的同时使它们重叠，利用空气喷嘴向重叠的部分吹出空气使两者交络，由此进行混纤。然而，在吹出空气的空气交络中，难以使两者充分地混纤，并且，碳纤维在空气交络时会被切断而起毛，从而存在难以制造品质良好的混纤丝这一课题。

对此，本发明的目的在于，提供一种使合成纤维材料分散于加强纤维材料之间而混纤的具有良好的品质的混纤丝及其制造方法。

用于解决课题的手段

本发明所涉及的混纤丝通过使在规定的方向上拉齐的加强纤维材料与在同该加强纤维材料相同的方向上拉齐的合成纤维材料混纤而成，其中，所述合成纤维材料与所述加强纤维材料粘结而一体化，并且，所述合成纤维材料以如下方式分散，即，将混纤丝的截面分割后的区分区域中的与所述合成纤维材料的截面积的比率相关的标准偏差为25以下。

本发明所涉及的混纤丝的制造方法包括：重叠工序，在该重叠工序中，使合成纤维材料在如下状态下重叠于被开纤且在规定的方向上拉齐的片状的加强纤维材料，即，该状态是合成纤维材料在与该加强纤维材料相同的方向上拉齐、并且与该加强纤维材料的密度配合地分散的状态；以及一体化工序，在该一体化工序中，使重叠后的所述加强纤维材料以及所述合成纤维材料粘结而一体化。此外，在所述重叠工序中，对重叠后的所述加强纤维材料以及所述合成纤维材料进行开纤处理。此外，还包括丝形成工序，在该丝形成工序中，将通过粘结而一体化的所述加强纤维材料以及所述合成纤维材料形成为其他形态的丝。

发明效果

本发明通过具有上述结构，能够获得使合成纤维材料分散于加强纤维材料之间而混纤的具有良好的品质的混纤丝。在使用本发明的混纤丝获得成型品的情况下，即便在比较温和的成型条件下，也能够获得不存在空隙的高品质的成型品。

附图说明

图1是关于制造本发明所涉及的混纤丝的工序的说明图。

图2是关于重叠工序和一体化工序的说明图。

图3是混纤丝的示意性的剖视图。

图4是关于与实施例1相关的混纤丝的截面的摄影图像。

图5是关于与实施例2相关的混纤丝的截面的摄影图像。

具体实施方式

以下，使用附图对本发明的实施方式进行说明。需要说明的是，以下说明的实施方式是实施本发明时优选的具体例，因此，尽管在技术上进行了各种限定，但在以下的说明中，只要未明确说明为限定本发明的技术思想，则本发明就不局限于这些方式。

图1是关于制造本发明所涉及的混纤丝的工序的说明图。首先，进行将成为混纤丝的原料的加强纤维材料以及合成纤维材料形成为片状的片材形成工序。在加强纤维材料的情况下，对纤维束进行开纤而形成为薄层的片状。作为加强纤维材料的开纤方法，举出使纤维束与开纤辊、振动辊等接触而进行开纤的方法、使纤维束以与流体的流动交叉的方式行进并使纤维束挠曲而进行开纤的方法、以及组合了上述方法的开纤方法这样的公知方法。特别是在使用流体使纤维束挠曲的同时进行开纤的方法(例如参照专利第3064019号公报)中，不会对加强纤维造成损害而能够均匀地进行开纤，因此，作为加强纤维材料的开纤方法是优选的。另外，通过将多根纤维束沿宽度方向排列配置并同时进行开纤处理，能够容易地形成为宽幅的片状。

在合成纤维材料的情况下，通过整经机的整经处理以及与加强纤维材料同样的开纤处理，能够将纤维束的状态下的合成纤维材料形成为薄层的片状。另外，在从成为原料的合成树脂材料进行纺丝来制造纤维材料时，通过在将纤维材料排列成片状的状态下进行纺丝，能够获得薄层且片状的合成纤维材料。

作为加强纤维材料，例如举出碳纤维、玻璃纤维、陶瓷纤维、芳纶纤维、PBO(聚对苯撑苯并二噁唑)纤维、金属纤维等用于FRP的高强度、高弹性率的无机纤维或有机纤维等。另外，也可以组合多个将这些纤维集束而成的纤维束。需要说明的是，并不特别限定纤度。

作为合成纤维材料，使用成为母材(基体)树脂的合成纤维材料，例如聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺(尼龙6、尼龙66、尼龙12等)、聚缩醛、聚碳酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、LPC(液晶聚酯)、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚苯硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮等。另外，也可以将这些热塑性树脂混合两种以上而形成聚合物合金，作为母材(基体)树脂来使用。

另外，为了在后述的一体化工序中提高合成纤维材料与加强纤维材料的粘结性，也能够使用表面部分的熔点比中心部分的熔点低的复合纤维材料。例如，举出使用高熔点的合成树脂材料作为芯部分并使用低熔点的合成树脂材料作为鞘部分的芯鞘构造的复合纤维材料。通过使用这样的复合纤维材料，若以比芯部分的熔点低且比鞘部分的熔点高的温度进行加热，则能够在维持纤维的形态的状态下，使鞘部分与加强纤维材料可靠地粘结而实现一体化。

合成纤维材料的使用量与加强纤维材料的使用量配合地设定即可，能够基于使用混纤丝的纤维加强复合材料的纤维体积含有率(以下简称为“Vf值”)来设定。而且，合成纤维材料的纤度优选具备相对于张力的抗老化性，该张力是在使合成纤维材料容易进入加强纤维之间而作为混纤丝进行处理时被赋予的张力。

接下来，进行使片状的合成纤维材料重叠于片状的加强纤维材料的重叠工序。图2是关于重叠工序和一体化工序的说明图。片状的加强纤维材料T以及片状的合成纤维材料S在沿规定的方向拉齐的状态下一并被搬运而通过压接辊R之间，由此，设定为使片状的合成纤维材料压接于片状的加强纤维材料的单面而重叠的状态。

合成纤维材料S以与片状的加强纤维材料T的密度配合地分散的方式调整配置。例如，在加强纤维材料T为薄层且密度低的情况下，与该密度配合地，隔开规定的间隔地配置多根合成纤维材料S并使其重叠于加强纤维材料T。另外，在加强纤维材料T的密度低的情况下或者Vf值设定得高的情况下，也可以使加强纤维材料T重叠于合成纤维材料S的两面。

另外，为了使合成纤维材料S进入加强纤维材料T之间，也能够根据需要在重叠的状态下进行开纤处理。在图2中，在压接辊R的搬运方向下游侧配置有开纤机构K，在开纤机构K中，一边搬运重叠状态下的加强纤维材料T以及合成纤维材料S一边使气流交叉而挠曲，由此进行开纤。作为开纤机构K，也可以采用组合了振动辊等的机构。需要说明的是，在进行开纤处理时，向加强纤维材料T以及合成纤维材料S施加的张力发生变动，但在与加强纤维材料T相比合成纤维材料S进行伸缩的情况下，通过预先在气流流动的下游侧配置合成纤维材料S，从而在开纤处理中，合成纤维材料S的纤维通过伸缩而容易进入到加强纤维之间。

如以上说明那样，能够与开纤后的加强纤维材料的密度配合地使合成纤维材料分散地重叠于加强纤维材料，因此，能够在更加均匀的状态下进行混纤。另外，还能够与后述的丝形成工序的处理配合地预先使合成纤维材料分散，并使合成纤维材料重叠于加强纤维材料，以使得最终制造出的混纤丝的混纤状态变得均匀。

接下来，进行使重叠状态下的加强纤维材料以及合成纤维材料一体化的一体化工序。在图2所示的例子中，一边搬运重叠状态下的加强纤维材料T以及合成纤维材料S一边使它们通过加热辊H之间，由此使合成纤维材料S暂时粘结而一体化。在使合成纤维材料S暂时粘结的情况下，利用加热辊H进行压接，由此，合成纤维材料S局部发生熔融而相对于加强纤维材料T热熔合，但合成纤维材料S在维持了纤维形态的状态下被粘结。例如，在作为合成纤维材料S而使用了上述的复合纤维材料的情况下，若将加热辊H的温度设定为比芯部分的熔点低且比鞘部分的熔点高的温度，则鞘部分与加强纤维材料T热熔合，能够在维持了纤维的形态的状态下实现一体化。

而且，通过使合成纤维材料暂时粘结于加强纤维材料而一体化，开纤后的加强纤维材料不会散开，作为混纤丝而容易操作。另外，由于加强纤维材料以及合成纤维材料在维持了纤维形态的状态下实现一体化，因此，能够在使用混纤丝进行织造的情况下具备足够的拉伸强度和悬垂性。需要说明的是，在将合成纤维材料暂时粘结于加强纤维材料的情况下，根据需要使合成纤维材料整面或局部地粘结即可，例如，能够将粘结位置设定为点状、线状或带状，与混纤丝的用途配合地适当进行设定即可。

接下来，进行将混纤丝形成为多种不同形态的丝的丝形成工序。通过一体化工序得到的材料也能够作为混纤丝直接使用，但在制造不同用途的混纤丝的情况下，通过对在一体化工序中得到的材料进行捻搓、折叠、重叠、分切这样的丝形成处理，从而能够制造各种方式的混纤丝。图3是混纤丝的示意性的剖视图。图3(a)示出利用公知的捻搓装置对一体化了的加强纤维材料以及合成纤维材料进行捻搓而得到的混纤丝的剖视图。一体化了的加强纤维材料以及合成纤维材料形成为片状，并通过捻搓而进行了沿宽度方向卷绕的处理，因此，成为合成纤维材料分散至混纤丝的中心部的状态，能够获得更加均匀的混纤丝。图3(b)示出将一体化了的加强纤维材料以及合成纤维材料以沿丝长方向作出折痕的方式折叠多次而得到的混纤丝的剖视图。在该情况下，加强纤维材料以及合成纤维材料成为交替被层叠的状态，合成纤维材料分散至中心部，能够得到更加均匀的混纤丝。作为折叠的方法，还可以卷绕地进行折叠、以Z字形进行折叠，只要是将加强纤维材料以及合成纤维材料以交替地层叠的方式进行折叠即可。图3(c)示出使一体化了的加强纤维材料以及合成纤维材料重叠多片而得到的混纤丝的剖视图。在该情况下，加强纤维材料以及合成纤维材料也成为交替被层叠的状态，合成纤维材料分散至中心部，能够得到更加均匀的混纤丝。图3(d)是对一体化了的加强纤维材料以及合成纤维材料沿丝长方向进行分切而得到的混纤丝的剖视图。预先将一体化了的加强纤维材料以及合成纤维材料形成为宽幅的片状，并以较细的宽度进行分切并分别将它们集束，由此能够同时制造多根相同品质的混纤丝，能够大幅提高生产性。

如以上说明那样，与开纤后的片状的加强纤维材料的密度配合地使合成纤维材料分散并重叠而实现一体化，由此能够制造更加均匀地进行了混纤的混纤丝。关于所得到的混纤丝的混纤状态的均匀性，能够通过在与混纤丝的丝长方向正交的方向的截面中定量地分析合成纤维材料的分散状态来确认。例如，将截面分割为多个区分区域，并计算各区分区域中的合成纤维材料的截面积的比率，观察与计算出的各区域的比率相关的标准偏差，由此能够定量地分析分散状态。在该情况下，标准偏差越小，则合成纤维材料越均匀地分散，表示能够得到更加均匀地进行了混纤的混纤丝。另外，在使用混纤丝通过热压等进行成型的情况下，为了使合成纤维材料熔融并浸透于加强纤维材料之间而填充为不存在空隙的状态，需要将标准偏差σ设定为25以下。

作为使用本发明的混纤丝通过热压进行成型的情况下的条件，能够设加热温度为260℃～320℃，压力为0.1MPa～3.0MPa，处理时间为3分～ 20分。另一方面，在使树脂片重叠于拉齐的碳纤维并进行热压这样的现有方法中，压力需要10MPa以上，处理时间需要30分以上。通过使用本发明的混纤丝，能够以更低的压力和更短的处理时间获得不存在空隙的成型品。即，能够利用简易的热压装置而有效地制造高品质的成型品。

实施例

[实施例1]

使用以下的材料制造出混纤丝。

<使用材料>

(加强纤维材料)

碳纤维(三菱人造丝株式会社制；50R15L)

纤维直径7μm 纤维根数15000根

(合成纤维材料)

聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制复合纤维(凯碧世联株式会社制； BELLCOUPLE(PET芯鞘型熔合丝，芯鞘重量比1∶1))

纤度8dtex 纤维根数1000根

碳纤维以及复合纤维的使用量设定为，Vf值为49.0％。

<制造工序>

通过专利第3064019号公报所记载的基于气流的开纤方法而以宽度 100mm对碳纤维进行了开纤处理。得到的片状的碳纤维的密度为150根 /mm。使用公知的整经机以宽度100mm对复合纤维进行了整经处理。得到的片状的复合纤维的密度为10根/mm。接下来，在一边搬运形成为片状的碳纤维以及复合纤维一边使它们重叠之后，进行与碳纤维的开纤方法同样的开纤处理，形成宽度为100mm的重叠片材。然后，使形成的重叠片材通过加热辊(170℃)之间，由此使复合纤维暂时粘结于碳纤维而实现一体化。将得到的暂时粘结片材沿着丝长方向的折痕折叠四次，由此制造出层叠了16层的混纤丝。

<混纤丝的均匀性评价>

将制造出的混纤丝沿与丝长方向正交的方向切断并利用扫描电子显微镜(株式会社日立高新技术制S-3500N)而拍摄了截面。图4是关于混纤丝的截面的摄影图像。为了评价混纤丝的均匀性，对混纤丝的截面的摄影图像进行处理而评价出复合纤维的面积的分散状态。在摄影图像的处理中使用了在售的图像处理软件(奥林巴斯株式会社制StreamEssential)。首先，通过描绘与混合丝的截面外接的矩形而划分出要分析的区域，将划分出的矩形区域设定为纵横三等分的九个区分区域。图4中以白色的直线示出区分区域。

针对各区分区域以临摹混纤丝的外形的方式描绘外形线，计算由描绘出的外形线与区分区域的边界线围成的混纤丝的面积S1。接下来，描绘仅包围复合纤维的包围线，计算所包围的复合纤维的面积S2。在图4中，以白色的曲线示出外形线以及包围线。然后，通过下式计算混纤比率M。

M(％)＝S2/S1×100

然后，关于针对九个区分区域分别计算出的混纤比率M，计算标准偏差σ。关于实施例1的混纤丝，标准偏差σ为9.3。

[实施例2]

使用与实施例1同样的材料，与实施例1同样地进行了片材形成工序至一体化工序。利用公知的捻搓装置对得到的暂时粘结片材进行100次/m 的捻搓而制造出混纤丝。针对制造出的混纤丝，与实施例1同样地拍摄了截面。图5是关于混纤丝的截面的摄影图像。为了进行均匀性评价，与实施例1同样地对截面图像进行图像处理并计算出标准偏差。标准偏差σ为 11.5。

[实施例3]

使用与实施例1同样的材料，与实施例1同样地进行了片材形成工序至一体化工序。将得到的暂时粘结片材沿宽度方向卷绕成旋涡状而制造出混纤丝。针对制造出的混纤丝，与实施例1同样地拍摄了截面。然后，为了进行均匀性评价，与实施例1同样地对截面图像进行图像处理并计算出标准偏差。标准偏差σ为15.2。

[实施例4]

使用与实施例1同样的材料，与实施例1同样地进行了片材形成工序至一体化工序。利用公知的切割机以宽度2mm且沿丝长方向对得到的暂时粘结片材进行切割而制造出混纤丝。针对制造出的混纤丝，与实施例1 同样地拍摄了截面。然后，为了进行均匀性评价，与实施例1同样地对截面图像进行图像处理并计算出标准偏差。标准偏差σ为19.2。

[比较例1]

<使用材料>

(加强纤维材料)

使用了与实施例1同样的碳纤维。

(合成纤维材料)

聚酯纤维(凯碧世联株式会社制；BELLCOUPLE)280T/16f 30根

碳纤维以及聚酯纤维的使用量设定为，Vf值为47.5％。

<制造工序>

将聚酯纤维分为每捆15根的两个纤维束，以碳纤维为中心，通过覆盖装置并利用两个纤维束进行双层覆盖处理而制造出混纤丝。纤维束的卷绕数设定为200次/m。

为了进行均匀性评价，针对制造出的混纤丝，与实施例1同样地拍摄截面图像并进行图像处理，计算出标准偏差。标准偏差σ为30.6。

[实施例5]

接下来，使用在实施例1中得到的混纤丝，评价出基于热压的复合纤维的浸透性。在热压装置(株式会社井元制作所制IMC-180C型)上设置混纤丝，并将加热温度设定为300℃以及加压力设定为0.14MPa，进行5 分钟热压处理。混纤丝成型为宽度约4.5mm以及厚度约0.4mm的板状体。将成型后的板状体沿厚度方向切断，利用电子显微镜观察了截面，发现在露出于截面的碳纤维之间填充有树脂，并且未观察到空隙。

[实施例6]

与实施例5同样地，对在实施例2中得到的混纤丝进行了热压处理，使其成型为板状体。将成型后的板状体沿厚度方向切断，利用电子显微镜观察了截面，发现在露出于截面的碳纤维之间填充有树脂，并且未观察到空隙。

[比较例2]

与实施例5同样地，对在比较例1中得到的混纤丝进行了热压处理，使其成型为板状体。将成型后的板状体沿厚度方向切断，利用电子显微镜观察了截面，发现在露出于截面的碳纤维之间观察到未浸透树脂的空隙。

[实施例7]

除了加热处理温度设定为280℃、加压力设定为1.29MPa以外，与实施例5同样地进行了热压处理而成型为板状体。将成型后的板状体沿厚度方向切断，利用电子显微镜观察了截面，发现在露出于截面的碳纤维之间填充有树脂，并且未观察到空隙。

[比较例3]

拉齐碳纤维(三菱人造丝株式会社制；50R15L)并使其与聚对苯二甲酸乙二醇酯膜(藤森工业株式会社制；75-NT2-AS)重叠，在与实施例7 同样的条件下进行了热压处理而成型为板状体。将成型后的板状体沿厚度方向切断，利用电子显微镜观察了截面，发现在露出于截面的碳纤维之间观察到未浸透树脂的空隙。

通过观察以上的实施例以及比较例可知，通过将表示混纤丝的合成纤维材料的分散状态的标准偏差设为25以下，能够得到不存在空隙的成型品。

附图标记说明：

H...加热辊，K...开纤机构，R...压接辊，S...合成纤维材料，T...加强纤维材料。

Claims (5)

1.一种混纤丝，其通过使在规定的方向上拉齐的加强纤维材料与在同该加强纤维材料相同的方向上拉齐的合成纤维材料混纤而成，其中，

所述合成纤维材料使用表面部分的熔点比中心部分的熔点低的复合纤维材料，当以比中心部分的熔点低且比表面部分的熔点高的温度进行加热时，所述合成纤维材料与所述加强纤维材料在维持了纤维形态的状态下整面或局部地粘结而一体化，

并且，所述合成纤维材料以如下方式分散，即，在描绘与混纤丝的截面外接的矩形而划分出要分析的区域，将划分出的矩形区域设定为纵横三等分的九个区分区域，计算各区分区域中的合成纤维材料的截面积的比率，并计算与计算出的各区分区域的比率相关的标准偏差的情况下，将混纤丝的截面分割后的区分区域中的与所述合成纤维材料的截面积的比率相关的标准偏差为25以下。

2.一种成型品，其中，

所述成型品使用权利要求1所述的混纤丝而成型。

3.一种混纤丝的制造方法，其包括：

重叠工序，在该重叠工序中，使合成纤维材料在如下状态下重叠于被开纤且在规定的方向上拉齐的片状的加强纤维材料，即，该状态是合成纤维材料在与该加强纤维材料相同的方向上拉齐、并且与该加强纤维材料的密度配合地分散的状态；以及

一体化工序，在该一体化工序中，所述合成纤维材料使用表面部分的熔点比中心部分的熔点低的复合纤维材料，当以比中心部分的熔点低且比表面部分的熔点高的温度进行加热时，重叠后的所述加强纤维材料以及所述合成纤维材料在维持了纤维形态的状态下整面或局部地粘结而一体化。

4.根据权利要求3所述的混纤丝的制造方法，其中，

在所述重叠工序中，对重叠后的所述加强纤维材料以及所述合成纤维材料进行开纤处理。

5.根据权利要求3或4所述的混纤丝的制造方法，其中，

所述混纤丝的制造方法还包括丝形成工序，在该丝形成工序中，将通过粘结而一体化的所述加强纤维材料以及所述合成纤维材料进行捻搓、折叠、重叠、分切这样的丝形成处理而形成为其他形态的丝。