JP2004027078A - トウプリプレグの製造方法及び製造装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、端部の繊維が切断されておらず、かつ、繋ぎの混入のないトウプリプレグを、幅精度良く長時間安定して製造することができるトウプリプレグの製造方法およびその製造装置を提供せんとするものである。
【解決手段】本発明のトウプリプレグの製造方法は、強化繊維ストランドにマトリックス樹脂を含浸した後、加熱板内の溝を通過させることにより、該マトリックス樹脂を加熱低粘度化し、該トウプリプレグ幅を所定幅に調整し、次いで、冷却板内の溝を通過させることにより、マトリックス樹脂を冷却増粘し、該トウプリプレグ幅を固定することを特徴とするものである。
また、かかるトウプリプレグの製造装置は、強化繊維ストランドにマトリックス樹脂を含浸させてトウプリプレグとした後、該トウプリプレグが通過する行程中に少なくとも１つの溝付き加熱板からなる幅調整部と、少なくとも１つの溝付き冷却板からなる幅固定部からなる幅規制機構を設けたことを特徴とするものである。
【選択図】図１
【解決手段】本発明のトウプリプレグの製造方法は、強化繊維ストランドにマトリックス樹脂を含浸した後、加熱板内の溝を通過させることにより、該マトリックス樹脂を加熱低粘度化し、該トウプリプレグ幅を所定幅に調整し、次いで、冷却板内の溝を通過させることにより、マトリックス樹脂を冷却増粘し、該トウプリプレグ幅を固定することを特徴とするものである。
また、かかるトウプリプレグの製造装置は、強化繊維ストランドにマトリックス樹脂を含浸させてトウプリプレグとした後、該トウプリプレグが通過する行程中に少なくとも１つの溝付き加熱板からなる幅調整部と、少なくとも１つの溝付き冷却板からなる幅固定部からなる幅規制機構を設けたことを特徴とするものである。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強化繊維ストランド一本一本に個別に所定量のマトリックス樹脂を賦与して含浸させるトウプリプレグに関し、幅精度の良好なトウプリプレグを得るための製造方法及び製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
繊維強化プラスチック製部品は、通常、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させた、いわゆるプリプレグと呼ばれるシート状中間基材をツール上に積層し、さらに加熱・加圧して賦形・硬化させることにより製造される。従来、プリプレグとしては、複数本の強化繊維ストランドを一方向に並行して配列させたものにマトリックス樹脂を含浸させたシート状一方向プリプレグが主流であったが、近年、強化繊維ストランドの幅程度の細幅のいわゆる、トウプリプレグが、土木建築用の補強材、ワイヤーや、航空機の機体用材料として注目されている。特に、航空機の機体部品には、軽量で高強度を求められることから、トウプリプレグを用いた繊維強化プラスチックの適用が進んでいる。たとえば、トウプリプレグを用いて、その多数本を同時に積層する装置（自動トウプレースメントマシン）を利用して、より複雑な形状の部品や大型部品への適用が試みられている。
【０００３】
トウプリプレグの製法には、一般に、シート状一方向プリプレグをその繊維軸方向に規定幅にスリットする方法や、強化繊維ストランド一本一本に個別に所定量のマトリックス樹脂を賦与して含浸させる方法などがある。前者の製法によるトウプリプレグは、特にスリットトウプリプレグと呼び、後者と区別して扱われる。これは、スリットにより作製されたトウプリプレグは幅精度には優れる反面、端部の繊維の切断による物性低下や、スリット前のプリプレグに存在する繋ぎが混入するといった問題を有するためである。また、後者の製法すなわち、強化繊維ストランド一本一本に個別に所定量のマトリックス樹脂を賦与して含浸させる方法により作製されたトウプリプレグは端部の繊維の切断による物性低下がないこと、つなぎのない長い製品が得られる反面、幅精度の良いものを得るのが容易でないと言った問題があった。
【０００４】
トウプリプレグは、複雑な形状を有する成形体や、厚物の成形体を製造する際のフィラメントワインド用としても好適に使用される。また、近年、ファイバープレスメントと呼ばれる複数本のトウプリプレグを引き揃えてテープ状とし、複雑な形状のマンドレル面に配置し、成形体を得る方法が開発された。
【０００５】
フィラメントワインドやファイバープレスメントに使用されるトウプリプレグは、複数本のトウプリプレグを揃えてマンドレル上に配列する必要があるため、その幅精度が悪い場合、成形体中の補強繊維の配列が影響を受ける。すなわち、幅の広い部分では、積層して成形とする際に、隣接するトウプリプレグの端部同士が重なることにより、厚みのバラツキが発生する。また、交差させて積層する際に、厚みのバラツキが大きな層を交差させて積層した場合、その後加熱加圧して含浸マトリックス樹脂を硬化させるときにマトリックス樹脂が流動することにより、補強繊維の配列に乱れが生じやすい。
【０００６】
また、幅の狭い部分では、隣接するトウプリプレグとの間に空隙を生じた場合には、積層したときに空隙部分を生じ易い。このような空隙部分を有する積層体を加熱加圧して硬化すると、空隙部周辺が十分に加圧されず、加圧ムラにより、ボイドが発生しやすい。このボイドが欠陥となるため欠陥支配の特性である引張強度が低下する。
【０００７】
幅精度の良好なトウプリプレグを製造する方法としては、例えば、特開平１１−１３０８８２号公報に、マトリックス樹脂を含浸した後、巻き取り前にトウプリプレグ幅を規制する固定または回転するガイドに接続する方法が示唆されているが、固定ガイドにおいては擦過毛羽の蓄積による長時間にわたっての安定性の点で問題があり、また回転ガイドではトウプリプレグの張力変動によるトウプリプレグ幅方向のふれの影響を受けやすく、幅精度の不良が不規則に混入するという問題があり、幅精度不良部が混入せず長尺のトウプリプレグを得ることは困難であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、端部の繊維が切断されておらず、かつ、繋ぎの混入のないトウプリプレグを、幅精度良く長時間安定して製造することができるトウプリプレグの製造方法およびその製造装置を提供せんとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。すなわち、本発明のトウプリプレグの製造方法は、強化繊維ストランドにマトリックス樹脂を含浸した後、加熱板内の溝を通過させることにより、該マトリックス樹脂を加熱低粘度化し、該トウプリプレグ幅を所定幅に調整し、次いで、冷却板内の溝を通過させることにより、マトリックス樹脂を冷却増粘し、該トウプリプレグ幅を固定することを特徴とするものである。
【００１０】
また、かかるトウプリプレグの製造装置は、強化繊維ストランドにマトリックス樹脂を含浸させてトウプリプレグとした後、巻き取るトウプリプレグの作製装置であって、該トウプリプレグが通過する行程中に少なくとも１つの溝付き加熱板からなる幅調整部と、少なくとも１つの溝付き冷却板からなる幅固定部からなる幅規制機構を設けたことを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、前記課題、つまり端部の繊維が切断されておらず、かつ、繋ぎの混入のないトウプリプレグを、幅精度良く長時間安定して製造することができるトウプリプレグの製造方法について、鋭意検討し、トウの樹脂含浸後において、該トウプリプレグを加熱板と冷却板のそれぞれ溝を通過させて固定してみたところ、かかる課題を一挙に解決することを究明したものである。
【００１２】
すなわち、強化繊維ストランドへのマトリックス樹脂含浸後、溝付きの加熱板を通過させることによる幅調整と溝付きの冷却板を通過させることによる幅固定により構成される幅規制方法およびこれに使用する幅調整部と幅固定部の形状と構成を特定化することを究明したものである。
【００１３】
すなわち、該トウプリプレグを該加熱板内の溝を通過させることにより、該トウプリプレグ内のマトリックス樹脂が加熱低粘度化されて、強化繊維を移動し易くすることができ、その結果、トウプリプレグ幅を所定幅に調整するものである。また、その後、かかるトウプリプレグを、冷却板内の溝を通過させることにより、該トウプリプレグ内のマトリックス樹脂が冷却されて増粘されて、強化繊維の移動を抑制することができ、その結果、トウプリプレグ幅を固定することができるのである。すなわち、かかる手段を採用したことにより、容易にトウプリプレグを、一定の幅とすることができ、従来問題とされていた、原料強化繊維の幅の不均一さに起因する幅のバラツキを低減することが、簡単、かつ、確実に達成することができたものである。
【００１４】
ここで、本発明において、トウプリプレグの幅のバラツキを低減する操作を、幅規制と定義する。すなわち本発明の幅規制は、幅調整と幅固定とで実施されるものである。
【００１５】
本発明においては、かかる溝付き加熱板と溝付き冷却板との組み合わせからなる装置構造を、トウプリプレグが通過する行程内に設けたことにより、前記課題を解決することができたものである。
【００１６】
すなわち、かかる溝付き加熱板のみで、溝付き冷却板を設置しない場合では、該トウプリプレグが加熱板内の溝を出た後においても、該トウプリプレグ内のマトリックス樹脂が低粘度な状態となっているために、トウプリプレグ中の強化繊維が移動し、加熱板内の溝で調整した幅が、再び元の状態へ戻ってしまったりするために、この変化の過程で幅のバラツキが増加する結果が出現し、また、該溝付き加熱板を設置せずに、溝付き冷却板のみを設置した場合では、該トウプリプレグ内のマトリックス樹脂が低粘度化されていないため、トウプリプレグ中の強化繊維が移動し難く、原料である強化繊維の幅の不均一さに起因する幅のバラツキが残存することとなり、いずれの場合も、好ましい結果が得られない。
【００１７】
ここで、トウプリプレグの幅のバラツキは、工程中に光学的に非接触で幅を測定する装置を設置し、作製時に通過するトウプリプレグの幅を、測定精度１０μｍで連続して測定した幅（単位：ｍｍ）の標準偏差σをもって表す手段を採用した。かかる測定に採用する装置の例としては、センサー部にキーエンス（株）製、型番：ＬＸー１３２、信号取り込み装置（アナログ−デジタル変換器）として同社製、型番ＮＲ−２５０を用いることができる。かかるセンサーは、該溝付き冷却板の下流側１０ｃｍ以上離れた位置に設置することが好ましい。
【００１８】
すなわち、後述するようなある条件下で、溝通過時にトウプリプレグの端部が折れ畳まれ、冷却板の溝を出た後畳まれた部分が開いてしまうということが生じ、幅規制効果が得られない場合があるが、１０ｃｍまでの位置では、このような場合に畳まれた部分が開くまでに通過してしまい検出できないことがあるためである。
【００１９】
サンプリング頻度は、トウプリプレグのライン速度が、例えば１０ｍ／分の場合は、２回／秒とするのが好ましく、また、幅の全測定点数は１０００点以上とするのが好ましい。
【００２０】
なお、幅調整部の加熱板の温度は、マトリックス樹脂粘度が、好ましくは５から６０Ｐａ・ｓ（５０から６００ポアズ）、さらに好ましくは６から３０Ｐａ・ｓとなる温度であることが、トウプリプレグ中の強化繊維を移動し易くし、幅調整が効果的に行えると共に、マトリックス樹脂が潤滑剤として作用し、毛羽の発生が少なく、堆積しないことからよい。すなわち、５Ｐａ・ｓ未満では、マトリックス樹脂が低粘度となり過ぎ、冷却固定部に到達する前に調整した幅が元の状態へ戻るため、この変化の過程で幅のバラツキが増加することがあり、また、６０Ｐａ・ｓを越える場合は、マトリックス樹脂の粘着性による溝付き加熱板との擦過時の抵抗により毛羽が発生し、溝中に堆積することにより、経時的にバラツキが増加することがある。
【００２１】
該溝付き加熱板のかかる温度コントロールは、ヒーターの内蔵、熱媒循環等の方法を採ることが可能であり、また溝上面から熱風を吹き付けることも均一に加熱できることから好ましい。
【００２２】
また、該マトリックス樹脂の粘度をコントロールする温度は、予め既知の方法で測定した温度−粘度曲線より、必要な温度を読みとることができる。温度−粘度曲線は、Ｂ型粘度計又はＥ型粘度計などを用いて、必要な領域数点の温度で測定したマトリックス樹脂の粘度をプロットしても得られるし、粘弾性測定装置を用いて、温度を昇温しながら、一定間隔で粘度測定をする方法により、精度良く求めることもできる。粘弾性測定装置を用いた温度−粘度曲線測定の一例として、レオメトリック・サイエンティフィック・エフ・イー製、粘弾性測定装置 型番：ＡＲＥＳにて１〜５℃／分昇温、測定周波数０．５Ｈｚ、データ取り込み間隔１５秒の測定条件が挙げられる。
【００２３】
次に、該溝付き加熱板のトウプリプレグとの接触長は、好ましくは５０ｍｍから２００ｍｍ、さらに好ましくは８０ｍｍから１５０ｍｍの範囲であるのがよい。５０ｍｍに満たない場合は、マトリックス樹脂が十分に低粘度化しないため、幅調整が不十分となる傾向があり、２００ｍｍを越えると、角度がずれた場合のトウプリプレグの幅方向の振れが大きくなるため、平行度の調整を厳密に行う必要が生じ、作業性・保守性が低下したり、トウプリプレグ作製中の張力の振れによる振動などが調整精度に悪影響を及ぼしやすくなる傾向がある。
【００２４】
溝付き加熱板の溝形状は、前半部にトウプリプレグの通過方向に向かって狭まるテーパーを有し後半部が平行な溝となった形状が好ましい。該前半のテーパー部の長さ（Ｌｔ）は、好ましくは２０ｍｍから５０ｍｍ、テーパー部のなす角（Ｒｔ）は、好ましくは１°から３０°、さらに好ましくは２°から２０°であるのがよい。テーパー部のなす角（Ｒｔ）が１°に満たない場合、必要なテーパー部の長さが長くなり、平行部の長さが十分に取れないこと、３０°を越える場合では、強化繊維の幅方向の移動による幅調整ではなく、端部の折れ畳まれが生じ、この折れ畳まれは成形体中の斜行糸が混入する原因となることがある。
【００２５】
該溝付き加熱板の後半の平行部の溝の幅は、得ようとするトウプリプレグの幅およびマトリックス樹脂粘度に応じて決められるが、目的とする製品幅の０．７５倍から０．８５倍とすることが好ましい。また、溝幅が調節できる構造となっていれば、様々な幅のトウプリプレグ製造用として採用することができるので好ましい。
【００２６】
かかる溝付き加熱板の溝の深さは、製造するトウプリプレグの幅やマトリックス樹脂粘度とは無関係に決められ、およそ２ｍｍ以上１０ｍｍ以下が好ましく、さらに好ましくは３ｍｍ以上８ｍｍ以下がよい。２ｍｍ未満では、スタート時の糸かけ作業が難しくなり、１０ｍｍを越えても実質的に意味がなくなり、また洗浄時の作業性が悪化する傾向がある。
【００２７】
掛かる加熱板の溝底面の形状は、入り口から出口方向への断面を見たとき直線（底面が平面）であっても良いし、中央が凸となった曲線（底面が曲面）でも良い。溝の入り口から出口方向への断面が中央が凸となった曲線であれば溝の入り口から出口に渡ってトウプリプレグをより均一に底面に押し当てる効果があることから好ましいが凸部の出が大きくなると押し当てる力が過大となり摩擦による強化繊維の切断が生じることから、該断面の曲線形状としては、加熱板入り口と出口を結ぶ直線に対し最凸部との距離が０から１０ｍｍであることが好ましい。
【００２８】
かかる加熱板の溝のトウプリプレグの入り口部分と出口部分の溝底面と加熱板側面の間の角は、角を丸めてあることが好ましい。角が丸めてない場合は、角で擦過されるため、毛羽が発生するおそれがある。
【００２９】
かかる溝付き加熱板に進入する前のトウプリプレグの張力は、１．５ｋｇから４．０ｋｇであることが、安定して幅調整ができることから好ましい。トウプリプレグの張力が１．５ｋｇに満たない場合、トウプリプレグの振動による溝壁面との接圧の左右バラツキなどが生じ、４．０ｋｇを越える場合、幅調整の安定性は良好となるが、毛羽の発生が生じる場合がある。該張力は、マトリックス樹脂の配合、加熱板の温度および冷却板の温度や、加熱板長さや冷却板長さにより影響を受けるため、予め張力計で実測した張力が該範囲となるようワインダーのダンサーロールに負荷する荷重を設定する。
【００３０】
また、本発明において、該トウプリプレグは、該加熱板上に押さえつけられた状態で通過させるのが好ましく、たとえば、溝付き加熱板進入前のトウプリプレグと加熱板上のトウプリプレグ間の角（Ｒｈｉ）が、好ましくは１６０°から１７８°、より好ましくは１６５°から１７５°であることが、トウプリプレグと加熱板の溝の位置関係が安定するので好ましい。１６０°未満では、加熱板に入る部分での擦過により単糸切れが生じ、１７８°を越えると、トウプリプレグの振動による幅方向の振れなどが生じたときに、加熱板の溝内でトウプリプレグが移動し溝の中心からずれる可能性がある。
【００３１】
また、溝付き加熱板上のトウプリプレグと該加熱板を出た後のトウプリプレグ間の角（Ｒｈｏ）は、好ましくは１７０°から１７９°、より好ましくは１７５°から１７９°の範囲内に制御するのが、折角調整したトウプリプレグの幅に乱れを生じないようにする上からよい。かかる角度が１７０°に満たない場合は、該板出口の角でマトリックス樹脂が低粘度化した状態のトウプリプレグがしごかれることにより、加熱板上で調整した幅が乱れる傾向がある。
【００３２】
また、かかる溝付き冷却板の温度は、マトリックス樹脂のガラス転移温度をＴｇ℃と表すと、好ましくはＴｇ℃からＴｇ−１０℃にコントロールすることが、該冷却板へのマトリックス樹脂の付着を防止することができるのでよい。かかる溝付き冷却板温度が、マトリックス樹脂のガラス転移温度を越える温度であると、マトリックス樹脂の粘着性のため、該冷却板上へのマトリックス樹脂の付着が生じる傾向があり、またＴｇ−１０℃未満の低温にしても、マトリックス樹脂の付着は十分防止することができるので、それより低温にすることは、実質的に意味がない。溝付き冷却板のかかる温度コントロールは、冷媒循環、冷風の吹きつけ等の方法を採ることが可能であり、これらを併用することも好ましい。
【００３３】
ここで冷却板の温度決定に用いるガラス転移温度はＤＳＣ法にて、昇温速度１０℃／分の昇温条件で測定することができる。
【００３４】
なお、かかる溝付き冷却板のトウプリプレグとの接触長は５０ｍｍから２００ｍｍであることが好ましく、８０ｍｍから１５０ｍｍがさらに好ましい。５０ｍｍに満たない場合は、マトリックス樹脂が十分に高粘度化しないため、幅固定後の行程中での幅変動が大きくなり、２００ｍｍ以上であると角度がずれた場合のトウプリプレグの幅方向の振れが大きくなるため、平行度の調整を厳密に行う必要が生じ、作業性・保守性が低下すること、トウプリプレグ作製中の張力の振れによる振動などが精度に悪影響を及ぼしやすくなる。
【００３５】
かかる冷却板の溝形状は、平行な溝となった形状が好ましい。入り口にトウプリプレグの通過方向に向かって狭まるテーパーを有しても良いが必ずしも必要ではなく、テーパーを付ける場合、２０ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００３６】
平行部の溝の幅は、得ようとするトウプリプレグの幅およびマトリックス樹脂粘度に応じて決められるが、目的とする製品幅の０．８倍から０．９倍とすることが好ましい。また、溝幅が調節できる構造となっていれば、様々な幅のトウプリプレグ製造に採用可能であるため好ましい。
【００３７】
冷却板の溝の深さは、製造するトウプリプレグの幅やマトリックス樹脂粘度とは無関係に決められ、およそ２ｍｍ以上１０ｍｍ以下が好ましく、さらに好ましくは３ｍｍ以上８ｍｍ以下がよい。２ｍｍ未満では、スタート時の糸かけ作業が難しくなり、１０ｍｍを越えても実質的に意味がなくなり、洗浄時の作業性が低下する傾向がある。
【００３８】
掛かる冷却板の溝底面の形状は、入り口から出口方向への断面を見たとき直線（底面が平面）であっても良いし、中央が凸となった曲線（底面が曲面）でも良い。溝の入り口から出口方向への断面が中央が凸となった曲線であれば溝の入り口から出口に渡ってトウプリプレグをより均一に底面に押し当てる効果があることから好ましいが凸部の出が大きくなると押し当てる力が過大となり摩擦による強化繊維の切断が生じることから、該断面の曲線形状としては、加熱板入り口と出口を結ぶ直線に対し最凸部との距離が０から１０ｍｍであることが好ましい。
【００３９】
かかる冷却板の溝のトウプリプレグの入り口部分と出口部分の溝底面と冷却板側面の間の角は、前記加熱板の場合と同様に、角を丸めてあることが好ましい。角が丸めてない場合は角で擦過されるため、毛羽が発生するおそれがある。
【００４０】
該溝付き冷却板進入前のトウプリプレグと該冷却板上のトウプリプレグ間の角（Ｒｃｉ）が、好ましくは１７０°から１７９°、より好ましくは１７５°から１７９°の範囲であることが、溝付き加熱板で調整したトウプリプレグの幅を乱れにくくする上からよい。かかる角度が１７０°に満たない場合は、冷却板入り口の角でマトリックス樹脂が低粘度化した状態のトウプリプレグがしごかれることにより該加熱板上で調整した幅が乱れる傾向がある。
【００４１】
溝付き冷却板上のトウプリプレグと該冷却板を出た後のトウプリプレグ間の角（Ｒｃｏ）は、好ましくは１６０°から１７８°、より好ましくは１６５°から１７５°の範囲であれば、張力変動等による幅方向のふれを抑えることができ、トウプリプレグと冷却板の溝の位置関係が安定するのでよい。かかる角度が１６０°未満である場合は、該冷却板の出口部分での擦過により、単糸切れが生じ、１７８°を越えると、トウプリプレグの振動による幅方向の振れなどが生じたときに、該冷却板の溝内でトウプリプレグが移動し溝の中心からずれる可能性がある。
【００４２】
トウプリプレグが通過する溝内に乾燥空気或いは窒素ガスなどの乾燥ガスを吹き付ければ、溝付き冷却板の結露水のトウプリプレグへの付着を抑えることが可能であるので好ましい。
【００４３】
また、このようにして作製したトウプリプレグは、ボビン上に巻き取り、製品とすることが好ましく行われる。かかるボビンへの巻き取り時は、ガイドがボビンの軸方向にトラバースする、いわゆるガイドトラバースによる巻き取り機構を有するワインダーや、ガイドの位置は固定したまま、ボビンが軸方向にトラバースして巻き取る、いわゆるボビントラバースワインダーを採用することができるが、先の幅規制機構により規制した幅を良好に保ちながら巻き取ることができる点から、ボビントラバースワインダーを使用することが好ましい。
【００４４】
さらに、巻き取り前に、冷風を吹き付けるなどの手段により、トウプリプレグを冷却し、トウプリプレグの実温がマトリックス樹脂のＴｇ以下とした後巻き取れば、巻き取り張力による、いわゆる巻き締まりによる幅精度への悪影響を減ずることができるため好ましい。
【００４５】
また、本発明のトウプリプレグの製造装置は、行程中に少なくとも１つの溝付き加熱板からなる幅調整部と、少なくとも１つの冷却板からなる幅固定部を有するものである。このような装置の構成とすることにより、幅調整を効果的に実施でき、かつ調整した幅が悪化するまでに固定できることから、端部の繊維が切断されておらず、繋ぎの混入のないトウプリプレグを幅精度良く長時間安定して製造することが可能となるものである。
【００４６】
図１は、本発明のトウプリプレグの製造装置の一例を示す概略正面図である。図１に示すように、クリール１に仕掛けられた強化繊維ストランド２は引き出されて樹脂付与・含浸部３、駆動ロール４を経て、溝付き加熱板５、溝付き冷却板６のより幅規制した後ワインダ８に導かれ巻き取られる。幅規制後の幅評価には、光学的に非接触で幅を測定する幅測定センサ７を使用する。
【００４７】
図２は、溝付き加熱（冷却）板の概略図であり、図３は、その平面図で、図４該溝付き加熱（冷却）平板のテーパー部の形状の説明図である。図２、図３に示すように、溝付き加熱（冷却）板の溝は、前半部にトウプリプレグの通過方向に向かって狭まるテーパーを有し、後半部が平行な溝の形状を有するものである。このテーパー部の形状は、図４のように、テーパー部のなす角Ｒｔとテーパー部の長さＬｔで決まる。かかる溝付き加熱板においては、マトリックス樹脂が加熱低粘度化された状態で、該テーパー部を通過させることにより、トウプリプレグの幅を、該加熱板入り口（該テーパー部入り口）の幅から該加熱板後半の平行部の幅へと調整する機能を有するものである。これに対して、溝付き冷却板においては、トウプリプレグが、そのテーパー部の溝内を通過させることにより、マトリックス樹脂を冷却増粘させ、その状態でテーパー部後、つまり該冷却板の平行部へと導き、該平行部の幅にトウプリプレグ幅を固定する機能を有するものである。
【００４８】
図５は、溝付き加熱板と溝付き冷却板からなる幅固定部からなる幅規制部の正面図であり、図６は、その幅規制部の角度の説明図である。これらの図において、溝付き加熱板進入前のトウプリプレグと、加熱板上のトウプリプレグ間の角をＲｈｉ、溝付き加熱板上のトウプリプレグと、該加熱板を出た後のトウプリプレグ間の角をＲｈｏ、溝付き冷却板進入前のトウプリプレグと、該冷却板上のトウプリプレグ間の角をＲｃｉ、溝付き冷却板上のトウプリプレグと、該冷却板を出た後のトウプリプレグ間の角をＲｃｏとして、それぞれ表す。
すなわち、図では、加熱板、冷却板の溝底部のトウプリプレグの進行方向断面（波線）が直線状の場合を示しているが、該断面（波線部）上に凸な曲線であっても良く、この場合は、Ｒｈｉ、Ｒｈｏ、Ｒｃｉ、Ｒｃｏの各角度は板端部１０ｍｍの部分を直線近似した線と各板に進入前或いは各板から出た後のトウプリプレグとのなす角度とそれぞれ定義する。
【００４９】
かかる幅固定部において、トウプリプレグは、溝付き加熱板と溝付き冷却板からなる幅固定部からなる幅規制部に押さえつけられた状態で通過するが、そのとき、ＲｈｉとＲｃｏを適切な範囲に設定することで、幅規制部にトウプリプレグを押しつけた状態で通過せしめることが可能となる。また、ＲｈｏとＲｃｉを適切な範囲に設定することで、幅調整後のマトリックス樹脂が低粘度な状態で幅が悪化することを防止するという機能を、それぞれ有するものである。
【００５０】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。
【００５１】
実施例１
補強繊維として、東レ（株）製、”トレカ”（Ｒ）型番Ｔ８００Ｈ（引張強さ：５．６ＧＰａ、引張弾性率：２９４ＧＰａ、破壊歪みエネルギー：５３０００ＫＪ／ｍ３、密度：１．８１ｇ／ｃｍ３）の１２０００フィラメントの炭素繊維を使用した。
【００５２】
図１の装置を用いて、ガラス転移点（Ｔｇ）が５℃であるエポキシ樹脂を、樹脂含有率が３５重量％になるよう付与して、トウプリプレグを製造した。
【００５３】
すなわち、エポキシ樹脂としては、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン樹脂と、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテル樹脂を用い、さらに硬化剤として４、４’ジフェニルジアミノスルフォンを使用し、熱可塑性ポリマーとしてポリエーテルスルフォンを添加し、原料樹脂の配合比を調整することにより樹脂の粘度を８０℃で９Ｐａ・ｓ（９０ポアズ）、ガラス転移点を上述の値に合わせた。
【００５４】
この樹脂の粘度をレオメトリック・サイエンティフィック・エフ・イー製粘弾性測定装置ＡＲＥＳ等を用い、２℃／分昇温で測定周波数０．５Ｈｚ、データ取り込み間隔１５秒で測定した。３０℃で５０００Ｐａ・ｓ（５００００ポアズ）、５０℃で４００Ｐａ・ｓ（４０００ポアズ）、６０℃で１２０Ｐａ・ｓ（１２００ポアズ）、８０℃で９Ｐａ・ｓ（９０ポアズ）、１１０℃で４Ｐａ・ｓ（４０ポアズ）であった。
【００５５】
樹脂付与・含浸部３で上記樹脂を炭素繊維に８０℃にて付与した後、１１０℃まで加熱含浸しトウプリプレグとし、引き取りロールの後に設置した溝付き加熱板５および溝付き冷却板６を通過せしめることで幅規制を実施した。溝付き加熱板５は熱媒を循環することにより、８０℃に温度を保ち、溝付き冷却板６は冷媒を循環することで１℃に温度を保った。
【００５６】
使用した溝付き加熱板および溝付き冷却板の形状およびトウプリプレグとのなす角は以下の通りである。
溝付き加熱板：テーパー部長さ（Ｌｔ） ５０ ｍｍ
平行部長さ ５０ ｍｍ
テーパー角度 ２°
平行部溝幅 ２．５ｍｍ
溝底部の断面形状 直線
入角度（Ｒｈｉ） １７０°
出角度（Ｒｈｏ） １７８°
溝付き冷却板：テーパー部長さ（Ｌｔ） ５ ｍｍ
平行部長さ ９５ ｍｍ
テーパー角度 １０°
平行部溝幅 ２．７ｍｍ
溝底部の断面形状 直線
入角度（Ｒｃｉ） １７８°
出角度（Ｒｃｏ） １７０°
トウプリプレグは、ライン速度１０ｍ／ｍｉｎで走行させた。
【００５７】
上記の条件で装置を運転し、ワインダーダンサーの荷重を調整して、溝付き加熱板前の張力が２．０±０．４ｋｇとなるように設定し、該条件でトウプリプレグを得た。
【００５８】
幅バラツキは、溝付き冷却板の下流側１５０ｍｍの位置にキーエンス（株）製、型番：ＬＸー１３２（レーザー式測長センサー）を設置し、該センサーの出力を、同社製、型番ＮＲ−２５０（アナログ−デジタル変換器）に接続して、２回／秒のサンプリング頻度で信号を取り込み統計処理することで算出したところ、スタート直後の１０００点のσ＝０．０５ｍｍと非常に幅バラツキの少ないトウプリプレグを得た。
【００５９】
また、同一条件で連続運転し、３０分後および１時間後に同サンプリング条件で１０００点の幅データを取り込み評価したところ何れもσ＝０．０５ｍｍとバラツキのレベルは変化していないことが確認された。
【００６０】
実施例２
補強繊維として、東レ（株）製、”トレカ”型番Ｔ７００Ｓ（引張強さ：４．９ＧＰａ、引張弾性率：２３０ＧＰａ、破壊歪みエネルギー：５２０００ＫＪ／ｍ３、密度：１．８０ｇ／ｃｍ３）の１２０００フィラメントの炭素繊維（目付０．８０ｇ／ｍ）を使用し、溝付き加熱板の平行部の溝幅を３．４ｍｍ、溝付き冷却板の溝幅を３．６ｍｍとした以外は、実施例１と同一条件でトウプリプレグを作製した。
【００６１】
実施例１と同一条件で幅バラツキを評価したところ、スタート直後〜１時間後まで何れもσ＝０．０６ｍｍと非常に幅バラツキの少ないトウプリプレグが得られた。
【００６２】
比較例１
溝付き加熱板と溝付き冷却板の代わりに以下の条件の溝付き冷却板のみを設置した他は実施例１と同一の条件でトウプリプレグを作製した。
冷却板：温度 １℃
テーパー部長さ（Ｌｔ） ５０ ｍｍ
平行部長さ ５０ ｍｍ
テーパー角度 ２°
平行部溝幅 ２．５ｍｍ
溝底部の断面形状 直線
入角度（Ｒｈｉ） １７０°
出角度（Ｒｈｏ） １７０°
その結果、冷却と同時に幅を狭めているため、強化繊維の移動が不十分となり、冷却板の溝内でトウプリプレグの端部の折れ畳まれが観察された。
また、実施例１と同様のバラツキ評価を行ったところ、スタート直後からσ＝０．２とバラツキの大きいものであった。
【００６３】
比較例２
溝付き加熱板と溝付き冷却板の代わりに以下の条件の溝付き加熱板のみを設置した他は実施例１と同一の条件でトウプリプレグを作製した。
溝付き加熱板：温度 ５０℃
テーパー部長さ（Ｌｔ） ５０ ｍｍ
平行部長さ ５０ ｍｍ
テーパー角度 ２°
平行部溝幅 ２．５ｍｍ
溝底部の断面形状 直線
入角度（Ｒｈｉ） １７０°
出角度（Ｒｈｏ） １７０°
実施例１と同様のバラツキ評価を行ったところ、スタート直後はσ＝０．１であったが、３０分後σ＝０．１８、１時間後σ＝０．２４となった。
【００６４】
加熱温度が不十分であるため、樹脂粘度が十分に低下しておらず、強化繊維の移動性が悪いため絶対値としてバラツキが多いと共に、樹脂による該加熱板とプリプレグ間の潤滑効果がないために、毛羽が堆積し経時安定性も悪化したものであった。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、簡単な装置で、高品質の、つまり端部の繊維が切断されておらず、繋ぎの混入のないトウプリプレグを幅精度良く長時間安定して製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のトウプリプレグの製造装置の一例を示す概略正面図である。
【図２】本発明のトウプリプレグの製造装置の溝付き加熱（冷却）板の一例を示す概略図である。
【図３】本発明のトウプリプレグの製造装置の溝付き加熱（冷却）板の一例を示す平面図である。
【図４】本発明のトウプリプレグの製造装置の溝付き加熱（冷却）板のテーパー部の形状の一例を示す説明図である。
【図５】本発明のトウプリプレグの製造装置の溝付き加熱板と溝付き冷却板からなる幅固定部からなる幅規制部の一例を示す正面図である。
【図６】本発明のトウプリプレグの製造装置の幅規制部の角度の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１：クリール
２：強化繊維ストランド
３：樹脂付与・含浸部
４：駆動ロール
５：溝付き加熱板
６：溝付き冷却板
７：幅測定センサ
８：ワインダ
【発明の属する技術分野】
本発明は、強化繊維ストランド一本一本に個別に所定量のマトリックス樹脂を賦与して含浸させるトウプリプレグに関し、幅精度の良好なトウプリプレグを得るための製造方法及び製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
繊維強化プラスチック製部品は、通常、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させた、いわゆるプリプレグと呼ばれるシート状中間基材をツール上に積層し、さらに加熱・加圧して賦形・硬化させることにより製造される。従来、プリプレグとしては、複数本の強化繊維ストランドを一方向に並行して配列させたものにマトリックス樹脂を含浸させたシート状一方向プリプレグが主流であったが、近年、強化繊維ストランドの幅程度の細幅のいわゆる、トウプリプレグが、土木建築用の補強材、ワイヤーや、航空機の機体用材料として注目されている。特に、航空機の機体部品には、軽量で高強度を求められることから、トウプリプレグを用いた繊維強化プラスチックの適用が進んでいる。たとえば、トウプリプレグを用いて、その多数本を同時に積層する装置（自動トウプレースメントマシン）を利用して、より複雑な形状の部品や大型部品への適用が試みられている。
【０００３】
トウプリプレグの製法には、一般に、シート状一方向プリプレグをその繊維軸方向に規定幅にスリットする方法や、強化繊維ストランド一本一本に個別に所定量のマトリックス樹脂を賦与して含浸させる方法などがある。前者の製法によるトウプリプレグは、特にスリットトウプリプレグと呼び、後者と区別して扱われる。これは、スリットにより作製されたトウプリプレグは幅精度には優れる反面、端部の繊維の切断による物性低下や、スリット前のプリプレグに存在する繋ぎが混入するといった問題を有するためである。また、後者の製法すなわち、強化繊維ストランド一本一本に個別に所定量のマトリックス樹脂を賦与して含浸させる方法により作製されたトウプリプレグは端部の繊維の切断による物性低下がないこと、つなぎのない長い製品が得られる反面、幅精度の良いものを得るのが容易でないと言った問題があった。
【０００４】
トウプリプレグは、複雑な形状を有する成形体や、厚物の成形体を製造する際のフィラメントワインド用としても好適に使用される。また、近年、ファイバープレスメントと呼ばれる複数本のトウプリプレグを引き揃えてテープ状とし、複雑な形状のマンドレル面に配置し、成形体を得る方法が開発された。
【０００５】
フィラメントワインドやファイバープレスメントに使用されるトウプリプレグは、複数本のトウプリプレグを揃えてマンドレル上に配列する必要があるため、その幅精度が悪い場合、成形体中の補強繊維の配列が影響を受ける。すなわち、幅の広い部分では、積層して成形とする際に、隣接するトウプリプレグの端部同士が重なることにより、厚みのバラツキが発生する。また、交差させて積層する際に、厚みのバラツキが大きな層を交差させて積層した場合、その後加熱加圧して含浸マトリックス樹脂を硬化させるときにマトリックス樹脂が流動することにより、補強繊維の配列に乱れが生じやすい。
【０００６】
また、幅の狭い部分では、隣接するトウプリプレグとの間に空隙を生じた場合には、積層したときに空隙部分を生じ易い。このような空隙部分を有する積層体を加熱加圧して硬化すると、空隙部周辺が十分に加圧されず、加圧ムラにより、ボイドが発生しやすい。このボイドが欠陥となるため欠陥支配の特性である引張強度が低下する。
【０００７】
幅精度の良好なトウプリプレグを製造する方法としては、例えば、特開平１１−１３０８８２号公報に、マトリックス樹脂を含浸した後、巻き取り前にトウプリプレグ幅を規制する固定または回転するガイドに接続する方法が示唆されているが、固定ガイドにおいては擦過毛羽の蓄積による長時間にわたっての安定性の点で問題があり、また回転ガイドではトウプリプレグの張力変動によるトウプリプレグ幅方向のふれの影響を受けやすく、幅精度の不良が不規則に混入するという問題があり、幅精度不良部が混入せず長尺のトウプリプレグを得ることは困難であった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、かかる従来技術の背景に鑑み、端部の繊維が切断されておらず、かつ、繋ぎの混入のないトウプリプレグを、幅精度良く長時間安定して製造することができるトウプリプレグの製造方法およびその製造装置を提供せんとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。すなわち、本発明のトウプリプレグの製造方法は、強化繊維ストランドにマトリックス樹脂を含浸した後、加熱板内の溝を通過させることにより、該マトリックス樹脂を加熱低粘度化し、該トウプリプレグ幅を所定幅に調整し、次いで、冷却板内の溝を通過させることにより、マトリックス樹脂を冷却増粘し、該トウプリプレグ幅を固定することを特徴とするものである。
【００１０】
また、かかるトウプリプレグの製造装置は、強化繊維ストランドにマトリックス樹脂を含浸させてトウプリプレグとした後、巻き取るトウプリプレグの作製装置であって、該トウプリプレグが通過する行程中に少なくとも１つの溝付き加熱板からなる幅調整部と、少なくとも１つの溝付き冷却板からなる幅固定部からなる幅規制機構を設けたことを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明は、前記課題、つまり端部の繊維が切断されておらず、かつ、繋ぎの混入のないトウプリプレグを、幅精度良く長時間安定して製造することができるトウプリプレグの製造方法について、鋭意検討し、トウの樹脂含浸後において、該トウプリプレグを加熱板と冷却板のそれぞれ溝を通過させて固定してみたところ、かかる課題を一挙に解決することを究明したものである。
【００１２】
すなわち、強化繊維ストランドへのマトリックス樹脂含浸後、溝付きの加熱板を通過させることによる幅調整と溝付きの冷却板を通過させることによる幅固定により構成される幅規制方法およびこれに使用する幅調整部と幅固定部の形状と構成を特定化することを究明したものである。
【００１３】
すなわち、該トウプリプレグを該加熱板内の溝を通過させることにより、該トウプリプレグ内のマトリックス樹脂が加熱低粘度化されて、強化繊維を移動し易くすることができ、その結果、トウプリプレグ幅を所定幅に調整するものである。また、その後、かかるトウプリプレグを、冷却板内の溝を通過させることにより、該トウプリプレグ内のマトリックス樹脂が冷却されて増粘されて、強化繊維の移動を抑制することができ、その結果、トウプリプレグ幅を固定することができるのである。すなわち、かかる手段を採用したことにより、容易にトウプリプレグを、一定の幅とすることができ、従来問題とされていた、原料強化繊維の幅の不均一さに起因する幅のバラツキを低減することが、簡単、かつ、確実に達成することができたものである。
【００１４】
ここで、本発明において、トウプリプレグの幅のバラツキを低減する操作を、幅規制と定義する。すなわち本発明の幅規制は、幅調整と幅固定とで実施されるものである。
【００１５】
本発明においては、かかる溝付き加熱板と溝付き冷却板との組み合わせからなる装置構造を、トウプリプレグが通過する行程内に設けたことにより、前記課題を解決することができたものである。
【００１６】
すなわち、かかる溝付き加熱板のみで、溝付き冷却板を設置しない場合では、該トウプリプレグが加熱板内の溝を出た後においても、該トウプリプレグ内のマトリックス樹脂が低粘度な状態となっているために、トウプリプレグ中の強化繊維が移動し、加熱板内の溝で調整した幅が、再び元の状態へ戻ってしまったりするために、この変化の過程で幅のバラツキが増加する結果が出現し、また、該溝付き加熱板を設置せずに、溝付き冷却板のみを設置した場合では、該トウプリプレグ内のマトリックス樹脂が低粘度化されていないため、トウプリプレグ中の強化繊維が移動し難く、原料である強化繊維の幅の不均一さに起因する幅のバラツキが残存することとなり、いずれの場合も、好ましい結果が得られない。
【００１７】
ここで、トウプリプレグの幅のバラツキは、工程中に光学的に非接触で幅を測定する装置を設置し、作製時に通過するトウプリプレグの幅を、測定精度１０μｍで連続して測定した幅（単位：ｍｍ）の標準偏差σをもって表す手段を採用した。かかる測定に採用する装置の例としては、センサー部にキーエンス（株）製、型番：ＬＸー１３２、信号取り込み装置（アナログ−デジタル変換器）として同社製、型番ＮＲ−２５０を用いることができる。かかるセンサーは、該溝付き冷却板の下流側１０ｃｍ以上離れた位置に設置することが好ましい。
【００１８】
すなわち、後述するようなある条件下で、溝通過時にトウプリプレグの端部が折れ畳まれ、冷却板の溝を出た後畳まれた部分が開いてしまうということが生じ、幅規制効果が得られない場合があるが、１０ｃｍまでの位置では、このような場合に畳まれた部分が開くまでに通過してしまい検出できないことがあるためである。
【００１９】
サンプリング頻度は、トウプリプレグのライン速度が、例えば１０ｍ／分の場合は、２回／秒とするのが好ましく、また、幅の全測定点数は１０００点以上とするのが好ましい。
【００２０】
なお、幅調整部の加熱板の温度は、マトリックス樹脂粘度が、好ましくは５から６０Ｐａ・ｓ（５０から６００ポアズ）、さらに好ましくは６から３０Ｐａ・ｓとなる温度であることが、トウプリプレグ中の強化繊維を移動し易くし、幅調整が効果的に行えると共に、マトリックス樹脂が潤滑剤として作用し、毛羽の発生が少なく、堆積しないことからよい。すなわち、５Ｐａ・ｓ未満では、マトリックス樹脂が低粘度となり過ぎ、冷却固定部に到達する前に調整した幅が元の状態へ戻るため、この変化の過程で幅のバラツキが増加することがあり、また、６０Ｐａ・ｓを越える場合は、マトリックス樹脂の粘着性による溝付き加熱板との擦過時の抵抗により毛羽が発生し、溝中に堆積することにより、経時的にバラツキが増加することがある。
【００２１】
該溝付き加熱板のかかる温度コントロールは、ヒーターの内蔵、熱媒循環等の方法を採ることが可能であり、また溝上面から熱風を吹き付けることも均一に加熱できることから好ましい。
【００２２】
また、該マトリックス樹脂の粘度をコントロールする温度は、予め既知の方法で測定した温度−粘度曲線より、必要な温度を読みとることができる。温度−粘度曲線は、Ｂ型粘度計又はＥ型粘度計などを用いて、必要な領域数点の温度で測定したマトリックス樹脂の粘度をプロットしても得られるし、粘弾性測定装置を用いて、温度を昇温しながら、一定間隔で粘度測定をする方法により、精度良く求めることもできる。粘弾性測定装置を用いた温度−粘度曲線測定の一例として、レオメトリック・サイエンティフィック・エフ・イー製、粘弾性測定装置 型番：ＡＲＥＳにて１〜５℃／分昇温、測定周波数０．５Ｈｚ、データ取り込み間隔１５秒の測定条件が挙げられる。
【００２３】
次に、該溝付き加熱板のトウプリプレグとの接触長は、好ましくは５０ｍｍから２００ｍｍ、さらに好ましくは８０ｍｍから１５０ｍｍの範囲であるのがよい。５０ｍｍに満たない場合は、マトリックス樹脂が十分に低粘度化しないため、幅調整が不十分となる傾向があり、２００ｍｍを越えると、角度がずれた場合のトウプリプレグの幅方向の振れが大きくなるため、平行度の調整を厳密に行う必要が生じ、作業性・保守性が低下したり、トウプリプレグ作製中の張力の振れによる振動などが調整精度に悪影響を及ぼしやすくなる傾向がある。
【００２４】
溝付き加熱板の溝形状は、前半部にトウプリプレグの通過方向に向かって狭まるテーパーを有し後半部が平行な溝となった形状が好ましい。該前半のテーパー部の長さ（Ｌｔ）は、好ましくは２０ｍｍから５０ｍｍ、テーパー部のなす角（Ｒｔ）は、好ましくは１°から３０°、さらに好ましくは２°から２０°であるのがよい。テーパー部のなす角（Ｒｔ）が１°に満たない場合、必要なテーパー部の長さが長くなり、平行部の長さが十分に取れないこと、３０°を越える場合では、強化繊維の幅方向の移動による幅調整ではなく、端部の折れ畳まれが生じ、この折れ畳まれは成形体中の斜行糸が混入する原因となることがある。
【００２５】
該溝付き加熱板の後半の平行部の溝の幅は、得ようとするトウプリプレグの幅およびマトリックス樹脂粘度に応じて決められるが、目的とする製品幅の０．７５倍から０．８５倍とすることが好ましい。また、溝幅が調節できる構造となっていれば、様々な幅のトウプリプレグ製造用として採用することができるので好ましい。
【００２６】
かかる溝付き加熱板の溝の深さは、製造するトウプリプレグの幅やマトリックス樹脂粘度とは無関係に決められ、およそ２ｍｍ以上１０ｍｍ以下が好ましく、さらに好ましくは３ｍｍ以上８ｍｍ以下がよい。２ｍｍ未満では、スタート時の糸かけ作業が難しくなり、１０ｍｍを越えても実質的に意味がなくなり、また洗浄時の作業性が悪化する傾向がある。
【００２７】
掛かる加熱板の溝底面の形状は、入り口から出口方向への断面を見たとき直線（底面が平面）であっても良いし、中央が凸となった曲線（底面が曲面）でも良い。溝の入り口から出口方向への断面が中央が凸となった曲線であれば溝の入り口から出口に渡ってトウプリプレグをより均一に底面に押し当てる効果があることから好ましいが凸部の出が大きくなると押し当てる力が過大となり摩擦による強化繊維の切断が生じることから、該断面の曲線形状としては、加熱板入り口と出口を結ぶ直線に対し最凸部との距離が０から１０ｍｍであることが好ましい。
【００２８】
かかる加熱板の溝のトウプリプレグの入り口部分と出口部分の溝底面と加熱板側面の間の角は、角を丸めてあることが好ましい。角が丸めてない場合は、角で擦過されるため、毛羽が発生するおそれがある。
【００２９】
かかる溝付き加熱板に進入する前のトウプリプレグの張力は、１．５ｋｇから４．０ｋｇであることが、安定して幅調整ができることから好ましい。トウプリプレグの張力が１．５ｋｇに満たない場合、トウプリプレグの振動による溝壁面との接圧の左右バラツキなどが生じ、４．０ｋｇを越える場合、幅調整の安定性は良好となるが、毛羽の発生が生じる場合がある。該張力は、マトリックス樹脂の配合、加熱板の温度および冷却板の温度や、加熱板長さや冷却板長さにより影響を受けるため、予め張力計で実測した張力が該範囲となるようワインダーのダンサーロールに負荷する荷重を設定する。
【００３０】
また、本発明において、該トウプリプレグは、該加熱板上に押さえつけられた状態で通過させるのが好ましく、たとえば、溝付き加熱板進入前のトウプリプレグと加熱板上のトウプリプレグ間の角（Ｒｈｉ）が、好ましくは１６０°から１７８°、より好ましくは１６５°から１７５°であることが、トウプリプレグと加熱板の溝の位置関係が安定するので好ましい。１６０°未満では、加熱板に入る部分での擦過により単糸切れが生じ、１７８°を越えると、トウプリプレグの振動による幅方向の振れなどが生じたときに、加熱板の溝内でトウプリプレグが移動し溝の中心からずれる可能性がある。
【００３１】
また、溝付き加熱板上のトウプリプレグと該加熱板を出た後のトウプリプレグ間の角（Ｒｈｏ）は、好ましくは１７０°から１７９°、より好ましくは１７５°から１７９°の範囲内に制御するのが、折角調整したトウプリプレグの幅に乱れを生じないようにする上からよい。かかる角度が１７０°に満たない場合は、該板出口の角でマトリックス樹脂が低粘度化した状態のトウプリプレグがしごかれることにより、加熱板上で調整した幅が乱れる傾向がある。
【００３２】
また、かかる溝付き冷却板の温度は、マトリックス樹脂のガラス転移温度をＴｇ℃と表すと、好ましくはＴｇ℃からＴｇ−１０℃にコントロールすることが、該冷却板へのマトリックス樹脂の付着を防止することができるのでよい。かかる溝付き冷却板温度が、マトリックス樹脂のガラス転移温度を越える温度であると、マトリックス樹脂の粘着性のため、該冷却板上へのマトリックス樹脂の付着が生じる傾向があり、またＴｇ−１０℃未満の低温にしても、マトリックス樹脂の付着は十分防止することができるので、それより低温にすることは、実質的に意味がない。溝付き冷却板のかかる温度コントロールは、冷媒循環、冷風の吹きつけ等の方法を採ることが可能であり、これらを併用することも好ましい。
【００３３】
ここで冷却板の温度決定に用いるガラス転移温度はＤＳＣ法にて、昇温速度１０℃／分の昇温条件で測定することができる。
【００３４】
なお、かかる溝付き冷却板のトウプリプレグとの接触長は５０ｍｍから２００ｍｍであることが好ましく、８０ｍｍから１５０ｍｍがさらに好ましい。５０ｍｍに満たない場合は、マトリックス樹脂が十分に高粘度化しないため、幅固定後の行程中での幅変動が大きくなり、２００ｍｍ以上であると角度がずれた場合のトウプリプレグの幅方向の振れが大きくなるため、平行度の調整を厳密に行う必要が生じ、作業性・保守性が低下すること、トウプリプレグ作製中の張力の振れによる振動などが精度に悪影響を及ぼしやすくなる。
【００３５】
かかる冷却板の溝形状は、平行な溝となった形状が好ましい。入り口にトウプリプレグの通過方向に向かって狭まるテーパーを有しても良いが必ずしも必要ではなく、テーパーを付ける場合、２０ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００３６】
平行部の溝の幅は、得ようとするトウプリプレグの幅およびマトリックス樹脂粘度に応じて決められるが、目的とする製品幅の０．８倍から０．９倍とすることが好ましい。また、溝幅が調節できる構造となっていれば、様々な幅のトウプリプレグ製造に採用可能であるため好ましい。
【００３７】
冷却板の溝の深さは、製造するトウプリプレグの幅やマトリックス樹脂粘度とは無関係に決められ、およそ２ｍｍ以上１０ｍｍ以下が好ましく、さらに好ましくは３ｍｍ以上８ｍｍ以下がよい。２ｍｍ未満では、スタート時の糸かけ作業が難しくなり、１０ｍｍを越えても実質的に意味がなくなり、洗浄時の作業性が低下する傾向がある。
【００３８】
掛かる冷却板の溝底面の形状は、入り口から出口方向への断面を見たとき直線（底面が平面）であっても良いし、中央が凸となった曲線（底面が曲面）でも良い。溝の入り口から出口方向への断面が中央が凸となった曲線であれば溝の入り口から出口に渡ってトウプリプレグをより均一に底面に押し当てる効果があることから好ましいが凸部の出が大きくなると押し当てる力が過大となり摩擦による強化繊維の切断が生じることから、該断面の曲線形状としては、加熱板入り口と出口を結ぶ直線に対し最凸部との距離が０から１０ｍｍであることが好ましい。
【００３９】
かかる冷却板の溝のトウプリプレグの入り口部分と出口部分の溝底面と冷却板側面の間の角は、前記加熱板の場合と同様に、角を丸めてあることが好ましい。角が丸めてない場合は角で擦過されるため、毛羽が発生するおそれがある。
【００４０】
該溝付き冷却板進入前のトウプリプレグと該冷却板上のトウプリプレグ間の角（Ｒｃｉ）が、好ましくは１７０°から１７９°、より好ましくは１７５°から１７９°の範囲であることが、溝付き加熱板で調整したトウプリプレグの幅を乱れにくくする上からよい。かかる角度が１７０°に満たない場合は、冷却板入り口の角でマトリックス樹脂が低粘度化した状態のトウプリプレグがしごかれることにより該加熱板上で調整した幅が乱れる傾向がある。
【００４１】
溝付き冷却板上のトウプリプレグと該冷却板を出た後のトウプリプレグ間の角（Ｒｃｏ）は、好ましくは１６０°から１７８°、より好ましくは１６５°から１７５°の範囲であれば、張力変動等による幅方向のふれを抑えることができ、トウプリプレグと冷却板の溝の位置関係が安定するのでよい。かかる角度が１６０°未満である場合は、該冷却板の出口部分での擦過により、単糸切れが生じ、１７８°を越えると、トウプリプレグの振動による幅方向の振れなどが生じたときに、該冷却板の溝内でトウプリプレグが移動し溝の中心からずれる可能性がある。
【００４２】
トウプリプレグが通過する溝内に乾燥空気或いは窒素ガスなどの乾燥ガスを吹き付ければ、溝付き冷却板の結露水のトウプリプレグへの付着を抑えることが可能であるので好ましい。
【００４３】
また、このようにして作製したトウプリプレグは、ボビン上に巻き取り、製品とすることが好ましく行われる。かかるボビンへの巻き取り時は、ガイドがボビンの軸方向にトラバースする、いわゆるガイドトラバースによる巻き取り機構を有するワインダーや、ガイドの位置は固定したまま、ボビンが軸方向にトラバースして巻き取る、いわゆるボビントラバースワインダーを採用することができるが、先の幅規制機構により規制した幅を良好に保ちながら巻き取ることができる点から、ボビントラバースワインダーを使用することが好ましい。
【００４４】
さらに、巻き取り前に、冷風を吹き付けるなどの手段により、トウプリプレグを冷却し、トウプリプレグの実温がマトリックス樹脂のＴｇ以下とした後巻き取れば、巻き取り張力による、いわゆる巻き締まりによる幅精度への悪影響を減ずることができるため好ましい。
【００４５】
また、本発明のトウプリプレグの製造装置は、行程中に少なくとも１つの溝付き加熱板からなる幅調整部と、少なくとも１つの冷却板からなる幅固定部を有するものである。このような装置の構成とすることにより、幅調整を効果的に実施でき、かつ調整した幅が悪化するまでに固定できることから、端部の繊維が切断されておらず、繋ぎの混入のないトウプリプレグを幅精度良く長時間安定して製造することが可能となるものである。
【００４６】
図１は、本発明のトウプリプレグの製造装置の一例を示す概略正面図である。図１に示すように、クリール１に仕掛けられた強化繊維ストランド２は引き出されて樹脂付与・含浸部３、駆動ロール４を経て、溝付き加熱板５、溝付き冷却板６のより幅規制した後ワインダ８に導かれ巻き取られる。幅規制後の幅評価には、光学的に非接触で幅を測定する幅測定センサ７を使用する。
【００４７】
図２は、溝付き加熱（冷却）板の概略図であり、図３は、その平面図で、図４該溝付き加熱（冷却）平板のテーパー部の形状の説明図である。図２、図３に示すように、溝付き加熱（冷却）板の溝は、前半部にトウプリプレグの通過方向に向かって狭まるテーパーを有し、後半部が平行な溝の形状を有するものである。このテーパー部の形状は、図４のように、テーパー部のなす角Ｒｔとテーパー部の長さＬｔで決まる。かかる溝付き加熱板においては、マトリックス樹脂が加熱低粘度化された状態で、該テーパー部を通過させることにより、トウプリプレグの幅を、該加熱板入り口（該テーパー部入り口）の幅から該加熱板後半の平行部の幅へと調整する機能を有するものである。これに対して、溝付き冷却板においては、トウプリプレグが、そのテーパー部の溝内を通過させることにより、マトリックス樹脂を冷却増粘させ、その状態でテーパー部後、つまり該冷却板の平行部へと導き、該平行部の幅にトウプリプレグ幅を固定する機能を有するものである。
【００４８】
図５は、溝付き加熱板と溝付き冷却板からなる幅固定部からなる幅規制部の正面図であり、図６は、その幅規制部の角度の説明図である。これらの図において、溝付き加熱板進入前のトウプリプレグと、加熱板上のトウプリプレグ間の角をＲｈｉ、溝付き加熱板上のトウプリプレグと、該加熱板を出た後のトウプリプレグ間の角をＲｈｏ、溝付き冷却板進入前のトウプリプレグと、該冷却板上のトウプリプレグ間の角をＲｃｉ、溝付き冷却板上のトウプリプレグと、該冷却板を出た後のトウプリプレグ間の角をＲｃｏとして、それぞれ表す。
すなわち、図では、加熱板、冷却板の溝底部のトウプリプレグの進行方向断面（波線）が直線状の場合を示しているが、該断面（波線部）上に凸な曲線であっても良く、この場合は、Ｒｈｉ、Ｒｈｏ、Ｒｃｉ、Ｒｃｏの各角度は板端部１０ｍｍの部分を直線近似した線と各板に進入前或いは各板から出た後のトウプリプレグとのなす角度とそれぞれ定義する。
【００４９】
かかる幅固定部において、トウプリプレグは、溝付き加熱板と溝付き冷却板からなる幅固定部からなる幅規制部に押さえつけられた状態で通過するが、そのとき、ＲｈｉとＲｃｏを適切な範囲に設定することで、幅規制部にトウプリプレグを押しつけた状態で通過せしめることが可能となる。また、ＲｈｏとＲｃｉを適切な範囲に設定することで、幅調整後のマトリックス樹脂が低粘度な状態で幅が悪化することを防止するという機能を、それぞれ有するものである。
【００５０】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。
【００５１】
実施例１
補強繊維として、東レ（株）製、”トレカ”（Ｒ）型番Ｔ８００Ｈ（引張強さ：５．６ＧＰａ、引張弾性率：２９４ＧＰａ、破壊歪みエネルギー：５３０００ＫＪ／ｍ３、密度：１．８１ｇ／ｃｍ３）の１２０００フィラメントの炭素繊維を使用した。
【００５２】
図１の装置を用いて、ガラス転移点（Ｔｇ）が５℃であるエポキシ樹脂を、樹脂含有率が３５重量％になるよう付与して、トウプリプレグを製造した。
【００５３】
すなわち、エポキシ樹脂としては、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタン樹脂と、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテル樹脂を用い、さらに硬化剤として４、４’ジフェニルジアミノスルフォンを使用し、熱可塑性ポリマーとしてポリエーテルスルフォンを添加し、原料樹脂の配合比を調整することにより樹脂の粘度を８０℃で９Ｐａ・ｓ（９０ポアズ）、ガラス転移点を上述の値に合わせた。
【００５４】
この樹脂の粘度をレオメトリック・サイエンティフィック・エフ・イー製粘弾性測定装置ＡＲＥＳ等を用い、２℃／分昇温で測定周波数０．５Ｈｚ、データ取り込み間隔１５秒で測定した。３０℃で５０００Ｐａ・ｓ（５００００ポアズ）、５０℃で４００Ｐａ・ｓ（４０００ポアズ）、６０℃で１２０Ｐａ・ｓ（１２００ポアズ）、８０℃で９Ｐａ・ｓ（９０ポアズ）、１１０℃で４Ｐａ・ｓ（４０ポアズ）であった。
【００５５】
樹脂付与・含浸部３で上記樹脂を炭素繊維に８０℃にて付与した後、１１０℃まで加熱含浸しトウプリプレグとし、引き取りロールの後に設置した溝付き加熱板５および溝付き冷却板６を通過せしめることで幅規制を実施した。溝付き加熱板５は熱媒を循環することにより、８０℃に温度を保ち、溝付き冷却板６は冷媒を循環することで１℃に温度を保った。
【００５６】
使用した溝付き加熱板および溝付き冷却板の形状およびトウプリプレグとのなす角は以下の通りである。
溝付き加熱板：テーパー部長さ（Ｌｔ） ５０ ｍｍ
平行部長さ ５０ ｍｍ
テーパー角度 ２°
平行部溝幅 ２．５ｍｍ
溝底部の断面形状 直線
入角度（Ｒｈｉ） １７０°
出角度（Ｒｈｏ） １７８°
溝付き冷却板：テーパー部長さ（Ｌｔ） ５ ｍｍ
平行部長さ ９５ ｍｍ
テーパー角度 １０°
平行部溝幅 ２．７ｍｍ
溝底部の断面形状 直線
入角度（Ｒｃｉ） １７８°
出角度（Ｒｃｏ） １７０°
トウプリプレグは、ライン速度１０ｍ／ｍｉｎで走行させた。
【００５７】
上記の条件で装置を運転し、ワインダーダンサーの荷重を調整して、溝付き加熱板前の張力が２．０±０．４ｋｇとなるように設定し、該条件でトウプリプレグを得た。
【００５８】
幅バラツキは、溝付き冷却板の下流側１５０ｍｍの位置にキーエンス（株）製、型番：ＬＸー１３２（レーザー式測長センサー）を設置し、該センサーの出力を、同社製、型番ＮＲ−２５０（アナログ−デジタル変換器）に接続して、２回／秒のサンプリング頻度で信号を取り込み統計処理することで算出したところ、スタート直後の１０００点のσ＝０．０５ｍｍと非常に幅バラツキの少ないトウプリプレグを得た。
【００５９】
また、同一条件で連続運転し、３０分後および１時間後に同サンプリング条件で１０００点の幅データを取り込み評価したところ何れもσ＝０．０５ｍｍとバラツキのレベルは変化していないことが確認された。
【００６０】
実施例２
補強繊維として、東レ（株）製、”トレカ”型番Ｔ７００Ｓ（引張強さ：４．９ＧＰａ、引張弾性率：２３０ＧＰａ、破壊歪みエネルギー：５２０００ＫＪ／ｍ３、密度：１．８０ｇ／ｃｍ３）の１２０００フィラメントの炭素繊維（目付０．８０ｇ／ｍ）を使用し、溝付き加熱板の平行部の溝幅を３．４ｍｍ、溝付き冷却板の溝幅を３．６ｍｍとした以外は、実施例１と同一条件でトウプリプレグを作製した。
【００６１】
実施例１と同一条件で幅バラツキを評価したところ、スタート直後〜１時間後まで何れもσ＝０．０６ｍｍと非常に幅バラツキの少ないトウプリプレグが得られた。
【００６２】
比較例１
溝付き加熱板と溝付き冷却板の代わりに以下の条件の溝付き冷却板のみを設置した他は実施例１と同一の条件でトウプリプレグを作製した。
冷却板：温度 １℃
テーパー部長さ（Ｌｔ） ５０ ｍｍ
平行部長さ ５０ ｍｍ
テーパー角度 ２°
平行部溝幅 ２．５ｍｍ
溝底部の断面形状 直線
入角度（Ｒｈｉ） １７０°
出角度（Ｒｈｏ） １７０°
その結果、冷却と同時に幅を狭めているため、強化繊維の移動が不十分となり、冷却板の溝内でトウプリプレグの端部の折れ畳まれが観察された。
また、実施例１と同様のバラツキ評価を行ったところ、スタート直後からσ＝０．２とバラツキの大きいものであった。
【００６３】
比較例２
溝付き加熱板と溝付き冷却板の代わりに以下の条件の溝付き加熱板のみを設置した他は実施例１と同一の条件でトウプリプレグを作製した。
溝付き加熱板：温度 ５０℃
テーパー部長さ（Ｌｔ） ５０ ｍｍ
平行部長さ ５０ ｍｍ
テーパー角度 ２°
平行部溝幅 ２．５ｍｍ
溝底部の断面形状 直線
入角度（Ｒｈｉ） １７０°
出角度（Ｒｈｏ） １７０°
実施例１と同様のバラツキ評価を行ったところ、スタート直後はσ＝０．１であったが、３０分後σ＝０．１８、１時間後σ＝０．２４となった。
【００６４】
加熱温度が不十分であるため、樹脂粘度が十分に低下しておらず、強化繊維の移動性が悪いため絶対値としてバラツキが多いと共に、樹脂による該加熱板とプリプレグ間の潤滑効果がないために、毛羽が堆積し経時安定性も悪化したものであった。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば、簡単な装置で、高品質の、つまり端部の繊維が切断されておらず、繋ぎの混入のないトウプリプレグを幅精度良く長時間安定して製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のトウプリプレグの製造装置の一例を示す概略正面図である。
【図２】本発明のトウプリプレグの製造装置の溝付き加熱（冷却）板の一例を示す概略図である。
【図３】本発明のトウプリプレグの製造装置の溝付き加熱（冷却）板の一例を示す平面図である。
【図４】本発明のトウプリプレグの製造装置の溝付き加熱（冷却）板のテーパー部の形状の一例を示す説明図である。
【図５】本発明のトウプリプレグの製造装置の溝付き加熱板と溝付き冷却板からなる幅固定部からなる幅規制部の一例を示す正面図である。
【図６】本発明のトウプリプレグの製造装置の幅規制部の角度の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１：クリール
２：強化繊維ストランド
３：樹脂付与・含浸部
４：駆動ロール
５：溝付き加熱板
６：溝付き冷却板
７：幅測定センサ
８：ワインダ
Claims (7)
- 強化繊維ストランドにマトリックス樹脂を含浸した後、加熱板内の溝を通過させることにより、該マトリックス樹脂を加熱低粘度化し、該トウプリプレグ幅を所定幅に調整し、次いで、冷却板内の溝を通過させることにより、マトリックス樹脂を冷却増粘し、該トウプリプレグ幅を固定することを特徴とするトウプリプレグの製造方法。
- 該マトリックス樹脂の粘度が、５から６０Ｐａ・ｓ（５０から６００ポアズ）となる温度に、該加熱板の温度をコントロールすることを特徴とする、請求項１に記載のトウプリプレグの製造方法。
- 該トウプリプレグを、該加熱板上に押さえつけながら通過させることを特徴とする請求項１または２に記載のトウプリプレグの製造方法。
- 該冷却板の温度を、該マトリックス樹脂のガラス転移温度以下にコントロールすることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のトウプリプレグの製造方法。
- 強化繊維ストランドにマトリックス樹脂を含浸させてトウプリプレグとした後、巻き取るトウプリプレグの作製装置であって、該トウプリプレグが通過する行程中に少なくとも１つの溝付き加熱板からなる幅調整部と、少なくとも１つの溝付き冷却板からなる幅固定部からなる幅規制機構を設けたことを特徴とする、トウプリプレグの製造装置。
- 該加熱板が、通過する該トウプリプレグを該加熱板上に押さえつける角度となる位置に設けられていることを特徴とする請求項５に記載のトウプリプレグの製造装置。
- 該押さえつける角度が、該加熱板に進入前の該トウプリプレグと該加熱板上のトウプリプレグとの間の角度で表したとき、１６０°から１７８°の範囲内である請求項６に記載のトウプリプレグの製造装置。
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| JP2002187319A JP2004027078A (ja) | 2002-06-27 | 2002-06-27 | トウプリプレグの製造方法及び製造装置 |
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|---|---|---|---|---|
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| JP2020093454A (ja) * | 2018-12-12 | 2020-06-18 | 株式会社Ｓｕｂａｒｕ | 繊維の幅調整装置、繊維の幅調整方法及び複合材成形方法 |
-
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