JP2004162055A - Method for producing prepreg and apparatus for the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スポーツ・レジャー用途、航空宇宙用途、一般産業用途などに使用できるプリプレグの製造方法および製造装置に関するものである。 The present invention relates to a prepreg manufacturing method and a manufacturing apparatus that can be used for sports / leisure applications, aerospace applications, general industrial applications, and the like.
強化繊維束に熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグを硬化させてなる繊維強化プラスチック製部材は、軽量かつ機械強度特性が優れているために、釣り竿やゴルフシャフトなどのスポーツ用途をはじめ、航空宇宙用途、一般産業用途などで広範囲に用いられている。 Fiber reinforced plastic members made by curing a prepreg in which a reinforced fiber bundle is impregnated with a thermosetting resin are lightweight and have excellent mechanical strength characteristics, so they are used in sports applications such as fishing rods and golf shafts, and in aerospace. Widely used in applications, general industrial applications, etc.
プリプレグを様々な部材に使用する場合、プリプレグ層内に樹脂の未含浸部分があると、成形品にした場合にもボイドが残存しやすく、機械強度特性が低下するだけでなく、成形表面品位の低下にもつながる。そこで、プリプレグ層内に樹脂の未含浸部分の少ないものが要求されるが、特に繊維目付が150〜400g/m2程度と比較的厚い品種や繊維目付が75〜150g/m2程度であっても繊維含有率が70重量%を超える品種では、樹脂を強化繊維層の内部に十分含浸させることは困難な場合があった。 When a prepreg is used for various members, if there is an unimpregnated portion of the resin in the prepreg layer, voids are likely to remain even when formed into a molded product, which not only lowers the mechanical strength characteristics but also lowers the molding surface quality. It also leads to a decline. Therefore, although with less unimpregnated portion of the resin in the prepreg layer is required, in particular relatively thick varieties and fiber basis weight fiber basis weight between 150 and 400 / m 2 about an approximately 75~150g / m 2 Also, in a variety having a fiber content exceeding 70% by weight, it was sometimes difficult to sufficiently impregnate the inside of the reinforcing fiber layer with the resin.
プリプレグを製造する方法としては、樹脂を溶媒に溶解して低粘度化し強化繊維に含浸させるウェット法と樹脂を加熱することで低粘度化し強化繊維に含浸させるホットメルト法の二つに分類される。このうち、ウェット法に関しては樹脂を含浸させたあとで揮発性の溶媒を取り除く別工程が必要となるために製造コストが割高になるだけでなく、プリプレグ製品内に溶媒が残存し成形時に悪影響を与えたり、作業環境が悪化するなどの問題点がある。一方、ホットメルト法は溶媒を取り除く必要がなく、作業環境も比較的良好であるなど、様々な点から有利である。ホットメルト法としては一定の張力を付与した強化繊維束を引き揃え、バーなどで必要幅に拡幅させてシート化し、熱硬化性樹脂を塗布した離型紙で上下から挟み込んだ後、強化繊維の進行方向に対してほぼ同一の高さに設置された数対の加熱金属ロールでニップすることにより強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させる方法や(例えば、特許文献1参照)、前記加熱金属ロールでのニップ圧を調整することが知られている(例えば特許文献2参照)。しかし、これらの方法では、ニップ圧は線圧であるために十分な含浸性を得るためにニップロールの本数を増やす必要があることから、設備費、製造コストが高くなる問題があり、また含浸性を高めようとしてニップ圧を高くすると、余剰の熱硬化性樹脂がシート状の強化繊維束の側方からはみ出してプリプレグ中の樹脂目付が低くなったり、はみ出した樹脂により加熱ロールが汚れてプロセス性や作業性が悪化するといった問題があった。さらに、樹脂を加熱することで低粘度化し含浸性を向上させるには、樹脂組成やその硬化特性の点からも限界があり、樹脂を完全に含浸させるには困難であった。 The method for producing prepregs is classified into two methods: a wet method in which a resin is dissolved in a solvent to lower the viscosity to impregnate the reinforcing fibers, and a hot melt method in which the resin is heated to lower the viscosity to impregnate the reinforcing fibers. . Of these, the wet method requires a separate step of removing volatile solvents after impregnating the resin, which not only increases the manufacturing cost, but also leaves the solvent in the prepreg product and adversely affects the molding. And the working environment deteriorates. On the other hand, the hot melt method is advantageous from various points, such as no need to remove the solvent and a relatively good working environment. In the hot melt method, a bundle of reinforcing fibers with a certain tension is aligned, expanded to the required width with a bar, etc. to form a sheet, sandwiched from above and below with release paper coated with a thermosetting resin, and the progress of the reinforcing fibers A method of impregnating a reinforcing fiber with a thermosetting resin by nipping with several pairs of heated metal rolls installed at substantially the same height in the direction (for example, see Patent Document 1), It is known to adjust the nip pressure of the nip pressure (for example, see Patent Document 2). However, in these methods, since the nip pressure is a linear pressure, it is necessary to increase the number of nip rolls in order to obtain a sufficient impregnating property. When the nip pressure is increased to increase the pressure, the excess thermosetting resin protrudes from the side of the sheet-shaped reinforcing fiber bundle and the resin weight in the prepreg decreases, and the protruding resin contaminates the heating roll, resulting in processability. And the workability deteriorated. Furthermore, there is a limit in terms of the resin composition and its curing characteristics in order to reduce the viscosity and improve the impregnation property by heating the resin, and it has been difficult to completely impregnate the resin.
また、強化繊維を熱硬化性樹脂とを張力下に合体させながら曲面を通過させることで強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させるプリプレグの製造法が開示されているが(例えば、特許文献3または4参照)、いずれも含浸が行われる曲面を有する基材上で糸拡げすなわちシート化させるため、1ストランド当たり12000〜48000本程度のフィラメントを含む強化繊維束を用いてプリプレグを製造した場合、糸拡げが十分でなく目開きが生じる問題があった。
本発明の目的は、主にホットメルト法において、含浸性に優れ、目開きや毛羽欠点のないプリプレグの安定した製造方法および製造装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for producing a prepreg which is excellent in impregnation property and has no openings or fluff defects mainly in a hot melt method.
本発明は上記課題を達成するため、一方向に引き揃えられた強化繊維束に1000フィラメントあたり0.2〜7Nの張力を付与し、少なくとも2本以上の加熱金属ロールからなる加熱金属ロール群の各ロールに接触角度30〜210゜で圧接せしめ、かつ少なくとも1本の加熱金属ロール上において金属ロールでニップすることで、強化繊維束に熱硬化性樹脂を含浸せしめるプリプレグの製造方法である。 In order to achieve the above object, the present invention applies a tension of 0.2 to 7 N per 1000 filaments to a reinforcing fiber bundle aligned in one direction, and comprises a heating metal roll group including at least two or more heating metal rolls. This is a method for producing a prepreg in which a reinforcing fiber bundle is impregnated with a thermosetting resin by being pressed against each roll at a contact angle of 30 to 210 ° and nipped by a metal roll on at least one heated metal roll.
また、強化繊維束への張力付与手段と、樹脂塗布フィルム供給手段と、強化繊維束に樹脂塗布フィルムを接して樹脂を含浸せしめる樹脂含浸手段と、プリプレグを引き取る引取手段とを有するプリプレグ製造装置であって、前記樹脂含浸手段が樹脂塗布フィルムおよび強化繊維束が所定の接触角度で圧接するよう配置された加熱金属ロール群と、該加熱金属ロール群の少なくとも1つの加熱金属ロール上で強化繊維束および樹脂塗布フィルムとをニップするニップ用金属ロールとからなる、プリプレグの製造装置である。 Further, a prepreg manufacturing apparatus having a means for applying tension to the reinforcing fiber bundle, a resin-coated film supply means, a resin impregnating means for contacting the resin-coated film with the reinforcing fiber bundle and impregnating the resin, and a take-off means for withdrawing the prepreg. A heating metal roll group in which the resin impregnation means is arranged so that the resin-coated film and the reinforcing fiber bundle are pressed against each other at a predetermined contact angle; and a reinforcing fiber bundle on at least one heating metal roll of the heating metal roll group. And a nip metal roll for nipping a resin-coated film.
本発明によれば、主にホットメルト法において、含浸性に優れ、目開きや毛羽欠点のないプリプレグの安定した製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can provide the stable prepreg manufacturing method which is excellent in impregnation property, and has neither an opening nor a fluff defect mainly in a hot-melt method.
本発明の製造方法において、強化繊維束にはフィラメント1000本あたり0.2〜7Nの張力を付与する。強化繊維束の張力がフィラメント1000本あたり0.2N未満の場合は強化繊維束のアライメント(直線性)が悪く、プリプレグにおいて目開きとなったり、強化繊維束の重なりにより平滑性が悪くなるといった問題がある。一方、強化繊維束の張力がフィラメント1000本あたり7Nを超える場合は、高い張力の強化繊維束を引っ張るだけのニップロールの追加やワインダーの補強に伴う設備費増加といった問題が生じる。 In the production method of the present invention, a tension of 0.2 to 7 N per 1,000 filaments is applied to the reinforcing fiber bundle. If the tension of the reinforcing fiber bundle is less than 0.2 N per 1000 filaments, the alignment (linearity) of the reinforcing fiber bundle is poor, the mesh becomes open in the prepreg, and the smoothness deteriorates due to the overlapping of the reinforcing fiber bundle. There is. On the other hand, when the tension of the reinforcing fiber bundle exceeds 7 N per 1000 filaments, problems such as addition of a nip roll just to pull the high tension reinforcing fiber bundle and an increase in equipment cost due to reinforcement of the winder occur.
張力を付与するための手段としては、特に制限はないが、例えばパウダーブレーキを備えたフリーロール群からなる張力付与手段により適意に張力を付与できる。具体的には直径20〜200mm程度のフリーロールを2〜10本程度組み合わせたフリーロール群とパウダーブレーキとをチェーンベルトなどで連結し、パウダーブレーキのブレーキ力をフリーロール群に伝える。強化繊維束がフリーロールと連れ回る際、パウダーブレーキによりフリーロール群に生じるトルク力により、強化繊維束を擦過させずに張力を付与することができる。ここで張力付与手段のフリーロールは強化繊維束に張力を付与する際にその張力によりたわまないだけの剛性を有する金属製であることが好ましく、硬鋼や軟鋼およびその他特殊鋼などを適宜用いることができる。さらに強化繊維束のロールへの巻き付きを防止するためにロール表面は梨地加工されていることが好ましい。梨地の粗さは使用する強化繊維束の種類や品位により適宜使用できるが、3〜20S程度のものが好適に用いられる。 The means for applying tension is not particularly limited. For example, the tension can be appropriately applied by a tension applying means including a free roll group provided with a powder brake. Specifically, a free roll group in which about 2 to 10 free rolls having a diameter of about 20 to 200 mm are combined and a powder brake are connected with a chain belt or the like, and the braking force of the powder brake is transmitted to the free roll group. When the reinforcing fiber bundle rotates together with the free roll, a tension force can be applied without rubbing the reinforcing fiber bundle by the torque force generated in the free roll group by the powder brake. Here, the free roll of the tension applying means is preferably made of a metal having a rigidity not to be deflected by the tension when the tension is applied to the reinforcing fiber bundle, and a hard steel, a mild steel and other special steels are appropriately used. Can be used. Further, in order to prevent winding of the reinforcing fiber bundle around the roll, it is preferable that the roll surface is subjected to satin finish. The satin roughness can be appropriately used depending on the type and quality of the reinforcing fiber bundle to be used, but a roughness of about 3 to 20 S is preferably used.
なお、一方向に引き揃えられた強化繊維束は張力を付与する前に必要に応じ予め拡幅し、いわゆるシート状強化繊維とすることが好ましい。特に1ストランド当たり12000〜48000本程度のフィラメントを含む強化繊維束を用いてプリプレグを製造する際には、予め拡幅することによって、単位面積当たりの繊維重量(以下、繊維目付という)が150g/m2以下のプリプレグであっても、目開きなどを防ぐことができる。なお、強化繊維束を拡幅する手段としては特に制限はなく、擦過ロールで擦過させて拡幅する方法、加振ロールで振動させて拡幅する方法、ビーターなどで叩くことにより拡幅する方法、気流により拡幅する方法などが適用できる。 In addition, it is preferable that the reinforcing fiber bundle aligned in one direction is widened in advance as necessary before applying tension, so as to form a so-called sheet-like reinforcing fiber. In particular, when a prepreg is manufactured using a reinforcing fiber bundle containing about 12,000 to 48,000 filaments per strand, the fiber weight per unit area (hereinafter, referred to as fiber weight) is 150 g / m2 by widening in advance. Even with a prepreg of 2 or less, openings can be prevented. There is no particular limitation on the means for widening the reinforcing fiber bundle, a method of widening by rubbing with a rubbing roll, a method of widening by vibrating with a vibrating roll, a method of widening by hitting with a beater, a widening by air flow And the like.
本発明のプリプレグの製造方法は、強化繊維束(シート状強化繊維も含む、以下同じ)に少なくとも2本以上の加熱金属ロールからなる加熱金属ロール群の各ロールを接触角度30〜210゜で圧接させ、かつ該加熱金属ロール群のうち少なくとも1本の加熱金属ロール上において金属ロールでニップすることで、強化繊維束に熱硬化性樹脂を含浸せしめるものである。本発明において、強化繊維束を加熱金属ロール群に接触させながら通過せしめる際に、強化繊維束の片側或いは両側に、熱硬化性樹脂を離型紙もしくは離型フィルムに塗布した、いわゆる樹脂塗布フィルムを強化繊維束に接するように配することができる。これにより強化繊維束を樹脂塗布フィルムを介して前記加熱金属ロールに押し当て樹脂を含浸せしめるものである。また、樹脂塗布フィルムを片側にのみ配する場合には、樹脂塗布フィルムとの間で強化繊維束を挟み込むように、熱硬化性樹脂を塗布していない離型紙や離型フィルムを配することもできる。以下、樹脂塗布フィルム、樹脂を塗布していない離型紙や離型フィルムを総称して樹脂塗布フィルム等という。 In the method for producing a prepreg of the present invention, a reinforcing fiber bundle (including a sheet-like reinforcing fiber, the same applies hereinafter) is pressed against each roll of a heating metal roll group including at least two or more heating metal rolls at a contact angle of 30 to 210 °. Then, the reinforcing fiber bundle is impregnated with a thermosetting resin by nipping with a metal roll on at least one of the heated metal rolls. In the present invention, a so-called resin-coated film obtained by applying a thermosetting resin to release paper or a release film on one or both sides of the reinforcement fiber bundle when passing the reinforcing fiber bundle while making contact with the heated metal roll group. It can be arranged to be in contact with the reinforcing fiber bundle. Thus, the reinforcing fiber bundle is pressed against the heated metal roll via the resin-coated film to impregnate the resin. When the resin-coated film is disposed only on one side, a release paper or a release film on which the thermosetting resin is not applied may be disposed such that the reinforcing fiber bundle is sandwiched between the resin-coated film and the resin-coated film. it can. Hereinafter, a resin-coated film, a release paper or a release film to which no resin is applied are collectively referred to as a resin-coated film or the like.
ここで、接触角度とは図2に示すように、強化繊維束3が加熱金属ロール1に圧接している角度(θ)のことである。かかる接触角度は製造するプリプレグの繊維目付や繊維重量含有率、さらには使用する熱硬化製樹脂の性質により決めることができるが、30〜210°であることが必要であり、60〜180°であれば好ましい。接触角度が30°未満では加熱ロールから受ける熱量や面圧が不足し炭素繊維束に十分樹脂が含浸されないことがある。一方、接触角度が210°を超えると図3に示すように加熱金属ロール4bと接触している方の樹脂塗布フィルム等2の工程長L1と接触していない方の樹脂塗布フィルム等との工程長L2とに差が大きくなり、工程中の樹脂塗布フィルム等にシワ8が生じるという問題がある。
Here, the contact angle is an angle (θ) at which the reinforcing
本発明の製造方法は、少なくとも2本以上の加熱金属ロールを用いるため、強化繊維束の両面ともに少なくとも1回は樹脂塗布フィルム等を介して加熱金属ロールに圧接されるものである。これにより、熱硬化性樹脂の強化繊維束への含浸性が増し、より良好なプリプレグを得ることが出来る。加熱金属ロールは2本以上あれば特に限定されないが、2〜10本設けることが好ましく、3〜8本がより好ましい。加熱金属ロールの径は特に限定されず、また複数本の加熱金属ロールの径がそれぞれ異なっていても良い。 In the production method of the present invention, since at least two or more heated metal rolls are used, both sides of the reinforcing fiber bundle are pressed against the heated metal roll at least once via a resin-coated film or the like. Thereby, the impregnating property of the thermosetting resin into the reinforcing fiber bundle increases, and a better prepreg can be obtained. The number of the heating metal rolls is not particularly limited as long as it is two or more, but it is preferable to provide two to ten, and more preferably three to eight. The diameter of the heating metal roll is not particularly limited, and the diameters of the plurality of heating metal rolls may be different from each other.
本発明の製造方法は、加熱金属ロール群のうち少なくとも1本の加熱金属ロール上において、別の金属ロールで強化繊維束をニップすることで、強化繊維束に熱硬化性樹脂を含浸せしめる。該ニップ用の金属ロールはフリーロールであることが好ましい。強化繊維束や樹脂塗布フィルムの走行速度に合わせて連れ回るようにフリーロールとすることで強化繊維束や樹脂塗布フィルムの工程通過性が良好となり、樹脂塗布フィルムのシワ発生によるプリプレグの品位悪化が抑えられる点で好ましい。また、そのロール直径は25〜120mmが好ましく、25〜80mmであればより好ましい。かかるニップ用の金属ロールは強化繊維束に対して加熱金属ロールの対面からニップするものであり、幅方向に均一な含浸性を得るためには高い剛性を有し、たわみにくいことが重要であり、硬鋼や軟鋼およびその他特殊鋼などを適宜用いることができる。 The production method of the present invention impregnates a reinforcing fiber bundle with a thermosetting resin by nipping a reinforcing fiber bundle with another metal roll on at least one of the heating metal roll groups. The metal roll for the nip is preferably a free roll. By using a free roll so as to follow the running speed of the reinforcing fiber bundle or the resin-coated film, the processability of the reinforcing fiber bundle or the resin-coated film is improved, and the deterioration of the prepreg quality due to wrinkling of the resin-coated film is reduced. It is preferable because it can be suppressed. The roll diameter is preferably 25 to 120 mm, more preferably 25 to 80 mm. Such a metal roll for nip nips the reinforcing fiber bundle from the opposite side of the heated metal roll, and in order to obtain uniform impregnation in the width direction, it is important that the nip has high rigidity and does not bend easily. Hard steel, mild steel, and other special steels can be used as appropriate.
ニップ用金属ロールの直径が小さいほど加熱金属ロールとニップ用金属ロールとの接触面積が小さくなり、ニップによる線圧は大きくなる。ロール間に炭素繊維や樹脂塗布フィルムがない場合には、ロール間のニップによる接触最大応力σ[Pa]は以下の式で表される。 The smaller the diameter of the nip metal roll, the smaller the contact area between the heated metal roll and the nip metal roll, and the greater the linear pressure due to the nip. When there is no carbon fiber or resin-coated film between the rolls, the maximum contact stress σ [Pa] due to the nip between the rolls is expressed by the following equation.
本発明において前記加熱金属ロール群は駆動ロールであり、その周速度Vrと強化繊維束の走行速度Vsの比Vr/Vsが0.8〜1.2の範囲にあることが好ましく、0.95〜1.05の範囲にあることがより好ましい。Vr/Vsが0.8未満もしくは1.2を超える範囲にあると、加熱金属ロールとそれに接する離型紙または離型フィルムとの間で摩擦が生じ、それにより離型紙または離型フィルムの張力が不安定なものとなり、工程中の離型紙または離型フィルムのシワや破れの原因となることがある。 In the present invention, the heating metal roll group is a drive roll, and a ratio Vr / Vs of a peripheral speed Vr thereof to a running speed Vs of the reinforcing fiber bundle is preferably in a range of 0.8 to 1.2, and 0.95 to 0.95. More preferably, it is in the range of 1.05 to 1.05. When Vr / Vs is in the range of less than 0.8 or more than 1.2, friction occurs between the heated metal roll and the release paper or the release film in contact with the heated metal roll, whereby the tension of the release paper or the release film is reduced. It may become unstable and cause wrinkles or tears of the release paper or release film during the process.
本発明において前記加熱金属ロール群は70〜150℃に加熱されていることが好ましく、80〜130℃の範囲にあることがより好ましい。加熱金属ロール群の熱により、樹脂塗布フィルムの熱硬化性樹脂は低粘度化し、強化繊維束へ含浸しやすくなる。加熱金属ロール群の各ロール温度は同一である必要はなく、含浸性や樹脂特性、その他加工性により、異なった温度に設定することも可能である。ただし、各ロールの温度が70℃未満では熱硬化性樹脂の低粘度化が不十分で含浸性が不良となる場合があり、また各ロールの温度が150℃以上では熱硬化性樹脂の硬化を不用意に促進してしまいプリプレグとしたときの取り扱い性が劣る場合がある。 In the present invention, the group of heated metal rolls is preferably heated to 70 to 150 ° C, and more preferably in the range of 80 to 130 ° C. The heat of the heated metal roll group lowers the viscosity of the thermosetting resin of the resin-coated film and facilitates impregnation of the reinforcing fiber bundle. The temperatures of the rolls of the heated metal roll group do not need to be the same, and may be set to different temperatures depending on the impregnation property, resin characteristics, and other workability. However, if the temperature of each roll is less than 70 ° C., the viscosity of the thermosetting resin may not be sufficiently reduced and impregnation may be poor, and if the temperature of each roll is 150 ° C. or more, the thermosetting resin may be hardened. Inadvertently promoted, there is a case where the handleability of the prepreg is inferior.
本発明において前記加熱金属ロール群では強化繊維束の走行方向に対し、前または後ろに隣り合う加熱金属ロール表面間の距離が5〜150mmであることが好ましく、10〜120mmであることがより好ましい。ここで、加熱金属ロール表面間の距離とは、隣り合う加熱金属ロールとの距離であって最も近接する距離をいう。加熱ロール群のロールの内うち、加熱金属ロール表面間距離が1つでも前述の範囲に入っていることが好ましいが、全ての加熱金属ロール表面間距離が前述の範囲に入っていることがより好ましい。加熱金属ロール群の熱により、樹脂塗布フィルムの熱硬化性樹脂は低粘度化するが、加熱金属ロール間では実質、熱が放出するため、加熱金属ロール群において強化繊維束の走行方向に対し、前または後ろに隣り合う加熱金属ロール表面間の距離が長い場合、低粘度化した熱硬化性樹脂が次の加熱金属ロールに到達するまでに高粘度化し、効率的な含浸が行えなくなる。つまり、前または後ろに隣り合う加熱金属ロール表面間の距離が150mmを超えるとロール間での樹脂の高粘度化により十分な含浸性が得られない場合がある。また、加熱金属ロール表面間の距離が5mm未満では通糸や汚れ除去等の作業時に作業性が低下する場合がある。 In the present invention, the distance between the surfaces of the heated metal rolls adjacent to the front or rear of the heated metal roll group in the running direction of the reinforcing fiber bundle is preferably 5 to 150 mm, more preferably 10 to 120 mm. . Here, the distance between the heating metal roll surfaces is a distance between adjacent heating metal rolls and the closest distance. Among the rolls of the heating roll group, it is preferable that even one distance between the surfaces of the heated metal rolls falls within the above range, but it is more preferable that all the distances between the surfaces of the heated metal rolls fall within the above range. preferable. Due to the heat of the heated metal roll group, the thermosetting resin of the resin-coated film is reduced in viscosity, but substantially heat is released between the heated metal rolls. If the distance between the front and rear adjacent heated metal roll surfaces is long, the viscosity of the thermosetting resin whose viscosity has been reduced becomes high before reaching the next heated metal roll, and efficient impregnation cannot be performed. That is, if the distance between the front and rear adjacent heated metal roll surfaces exceeds 150 mm, sufficient impregnating properties may not be obtained due to high viscosity of the resin between the rolls. If the distance between the surfaces of the heated metal rolls is less than 5 mm, the workability may be reduced during operations such as thread passing and dirt removal.
本発明において強化繊維束は加熱金属ロール群に入る直前に、樹脂塗布フィルム等とともに予備加熱される手段を備えていてもよい。ヒーター等を用いた予備加熱により、含浸前の熱硬化製樹脂が適度に低粘度化されるため含浸性が増し、より良好なプリプレグを得ることが出来る。予備加熱する方法は遠赤ヒーター、ホットプレート、ホットロール、熱風など特に限定はされないが、均一に加熱できることからホットプレートやホットロールが好適に用いられる。なお、加熱する温度は加熱金属ロール群に入る直前に、熱硬化性樹脂がある程度、低粘度化されている温度であればよく、50〜120℃程度であれば好ましい。 In the present invention, means for preheating the reinforcing fiber bundle together with the resin-coated film or the like immediately before entering the heated metal roll group may be provided. By preheating using a heater or the like, the thermosetting resin before impregnation is appropriately reduced in viscosity, so that the impregnation property is increased and a better prepreg can be obtained. The preheating method is not particularly limited, such as a far-infrared heater, a hot plate, a hot roll, and hot air, but a hot plate or a hot roll is preferably used because it can be uniformly heated. The heating temperature may be a temperature at which the thermosetting resin is reduced in viscosity to some extent immediately before entering the heated metal roll group, and is preferably about 50 to 120 ° C.
熱硬化性樹脂を含浸させた強化繊維シートを、前記加熱金属ロール群を通過後、30℃以下に冷却する過程を経ることが好ましい。熱硬化性樹脂を含浸させた前記強化繊維シートは、加熱ロール群を通過後に30℃以下に冷却せずに、例えばワインダーに巻き取る等の工程へ進むと樹脂自身の熱により硬化反応が促進され、樹脂特性に悪影響を及ぼしたり、蓄熱による樹脂粘度の低下で強化繊維のアライメントが乱れ、プリプレグとしての品位を著しく低下させる可能性がある。冷却方法は5〜15℃に設定された冷却板に接触させることが短時間で冷却できることから好ましい。 It is preferable that the reinforcing fiber sheet impregnated with the thermosetting resin is cooled to 30 ° C. or lower after passing through the group of heated metal rolls. The reinforcing fiber sheet impregnated with the thermosetting resin is not cooled to 30 ° C. or less after passing through a group of heating rolls, and proceeds to a step of winding on a winder, for example, and the curing reaction is accelerated by the heat of the resin itself. In addition, there is a possibility that the resin properties are adversely affected, or the alignment of the reinforcing fibers is disturbed due to a decrease in the viscosity of the resin due to heat storage, and the quality as a prepreg is significantly reduced. The cooling method is preferable because it can be cooled in a short time by bringing it into contact with a cooling plate set at 5 to 15 ° C.
本発明に使用される強化繊維束とは特に限定されず、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維などを用いることができる。また、本発明における強化繊維束は、1繊維束あたりのフィラメント数(単繊維数)が特に限定されるものではないが、1000〜72000本が好ましく、1000〜48000本がより好ましく、3000〜48000本が更に好ましい。 The reinforcing fiber bundle used in the present invention is not particularly limited, and carbon fiber, glass fiber, aramid fiber, alumina fiber and the like can be used. Moreover, the number of filaments (the number of single fibers) per fiber bundle in the reinforcing fiber bundle in the present invention is not particularly limited, but is preferably 1,000 to 72,000, more preferably 1,000 to 48,000, and 3,000 to 48,000. Books are more preferred.
本発明で使用される熱硬化性樹脂とはエポキシ樹脂組成物で構成され、少なくともエポキシ樹脂と硬化剤を含んでいることが好ましい。 The thermosetting resin used in the present invention is composed of an epoxy resin composition, and preferably contains at least an epoxy resin and a curing agent.
かかるエポキシ樹脂としては、例えば、ビスフェノールA型エポキシ樹脂、ビスフェノールF型エポキシ樹脂などのビスフェノール型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂などのノボラック型エポキシ樹脂等あるいはこれらの組み合わせが好適に用いられるが特に制限はない。 As such an epoxy resin, for example, bisphenol-type epoxy resin, bisphenol-type epoxy resin such as bisphenol F-type epoxy resin, phenol novolak-type epoxy resin, novolak-type epoxy resin such as cresol-novolak-type epoxy resin, or a combination thereof is preferable. But is not particularly limited.
かかるエポキシ樹脂組成物に使用される硬化剤としては、エポキシ基と反応し得る活性基を有する化合物であれば用いることができるが、アミノ基、酸無水物基、アジド基を有する化合物が、好ましくは使用される。具体的には、ジシンジアミド、ジアミノジフェニルスルホンの各種異性体、アミノ安息香酸エステル類が好ましく使用される。 As the curing agent used in such an epoxy resin composition, any compound having an active group capable of reacting with an epoxy group can be used, but a compound having an amino group, an acid anhydride group, and an azide group is preferable. Is used. Specifically, various isomers of dicindiamide and diaminodiphenyl sulfone, and aminobenzoic acid esters are preferably used.
かかるエポキシ樹脂組成物に、上記のエポキシ樹脂、硬化剤の他、高分子化合物、有機粒子など、他の成分を適宜その目的に応じて配合することもできる。 In addition to the epoxy resin and the curing agent, other components such as a polymer compound and organic particles can be appropriately added to the epoxy resin composition according to the purpose.
次に、上記製造方法に用いられる、本発明のプリプレグ製造装置の一例を図1に基づいて説明する。 Next, an example of the prepreg manufacturing apparatus of the present invention used in the above manufacturing method will be described with reference to FIG.
本発明のプリプレグ製造装置は、強化繊維束への張力付与手段15と、樹脂塗布フィルム供給手段18a、18bと、強化繊維束に樹脂塗布フィルムを接して樹脂を含浸せしめる樹脂含浸手段23と、プリプレグを引き取る引取手段33とを有するプリプレグ製造装置であって、該樹脂含浸手段が樹脂塗布フィルム19a、19bおよび強化繊維束12を所定の接触角度で圧接するように配置された加熱金属ロール群29と、該加熱金属ロール群の少なくとも1つの加熱金属ロール上で強化繊維束および樹脂塗布フィルムとをニップするニップ用金属ロール28とからなる。
The prepreg manufacturing apparatus according to the present invention comprises a
張力付与手段としては特に制限はないが、図1に示すようなパウダーブレーキ17と連結してなる複数本のロール群からなる張力付与手段により適意に張力を付与できる。具体的には直径20〜200mm程度のフリーロール16を2〜10本程度組み合わせたロール群とパウダーブレーキ17とをチェーンベルトなどで連結し、パウダーブレーキ17のブレーキ力を複数本のロール群に伝える。ここで張力付与手段のフリーロール16は前述したように剛性を有する金属製であることが好ましく、さらに強化繊維束のロールへの巻き付きを防止するためにロール表面は3〜20S程度となるように梨地加工されていることが好ましい。
Although there is no particular limitation on the tension applying means, the tension can be appropriately applied by a tension applying means comprising a plurality of roll groups connected to the powder brake 17 as shown in FIG. Specifically, a roll group in which about 2 to 10
樹脂塗布フィルム供給手段18a,18bは、例えばロール状に巻いた樹脂塗布フィルムを取り付け、巻き出すものである。 The resin application film supply means 18a, 18b is for attaching and unwinding, for example, a resin application film wound in a roll shape.
樹脂塗布フィルム19a、19bで挟み込まれた強化繊維束を加熱するために、必要に応じて、ヒーター22を含浸手段に入る前に設置することもできる。ヒーター22は遠赤ヒーター、ホットプレート、ホットロール、熱風など特に限定はされないが、均一に加熱できることからホットプレートやホットロールが好適である。
In order to heat the reinforcing fiber bundle sandwiched between the
強化繊維束に樹脂塗布フィルムを接して樹脂を含浸せしめる樹脂含浸手段は、樹脂塗布フィルムおよび強化繊維束を所定の接触角度で圧接するように配置された加熱金属ロール群29と、該加熱金属ロール群29の少なくとも1つの加熱金属ロール上で強化繊維束および樹脂塗布フィルムとをニップするニップ用金属ロール28とからなる。
The resin impregnating means for contacting the resin coating film with the reinforcing fiber bundle and impregnating the resin includes a heating
プリプレグを引き取る引取手段33は一対あるいは数対の引き取りニップロール32からなり、プリプレグの生産速度に応じて引き取りニップロール32の回転速度を変えられるものである。引き取りニップロール32としては金属表面あるいはゴム表面を有するロールが好ましい。
The take-off means 33 for taking out the prepreg comprises a pair or several pairs of take-off nip rolls 32, which can change the rotation speed of the take-up nip rolls 32 in accordance with the production speed of the prepreg. The take-off nip
さらに必要に応じて前記樹脂含浸手段と前記引取手段との間にプリプレグを冷却するための冷却板31を設置することもできる。冷却板31は特に制限はないが、例えば内部に冷媒を備えた金属製のものであれば、熱伝導性が良好であり好ましい。冷却板31の表面温度としては5〜15℃程度であれば良い。
Further, if necessary, a cooling
本発明を以下の実施例により、更に詳細に説明する。
(1)樹脂組成物の作製
下記原料をニーダーで混合して熱硬化性樹脂組成物を得た。
ビスフェノールA型エポキシ樹脂 20重量部
(エピコート(登録商標)828、油化シェルエポキシ(株)製)
ビスフェノールA型エポキシ樹脂 30重量部
(エピコート1001、油化シェルエポキシ(株)製)
フェノールノボラック型エポキシ樹脂 50重量部
(エピコート154、油化シェルエポキシ(株)製)
ポリビニルホルマール 10重量部
(ビニレックK(登録商標)、チッソ(株)製)
3−(3,4−ジクロロフェニル)−1,1−ジメチルウレア 10重量部
(DCMU99、型番、保土ヶ谷化学工業(株)製)
(2)樹脂塗布フィルムの作製
熱硬化性樹脂組成物をナイフコーターにより、離型紙に所定の厚みで塗布することで樹脂塗布フィルムを作製し、ロール状に巻き取った。
The present invention is described in more detail by the following examples.
(1) Preparation of resin composition The following materials were mixed in a kneader to obtain a thermosetting resin composition.
Bisphenol A
Bisphenol A
50 parts by weight of phenol novolak epoxy resin (Epicoat 154, manufactured by Yuka Shell Epoxy Co., Ltd.)
10 parts by weight of polyvinyl formal (Vinilec K (registered trademark), manufactured by Chisso Corporation)
3- (3,4-dichlorophenyl) -1,1-
(2) Preparation of Resin-Coated Film A resin-coated film was prepared by applying the thermosetting resin composition to release paper with a predetermined thickness using a knife coater, and was wound into a roll.
尚、実施例中、得られたプリプレグの含浸性は、層内および表層の強化繊維の樹脂による濡れ具合を目視により確認し、樹脂により濡れていない強化繊維いわゆるドライファイバーの全くないものを良好、層内または表面にドライファイバーが存在するものを不良とした。尚、層内のドライファイバーを確認する際には、繊維方向を縦方向として縦5cm×横100cmのプリプレグを両面からOPP粘着テープ(日東電工(株)製、ダンプロンシリーズNo.3201)で挟み込んだ後、引き剥がすことによりプリプレグ層内を観察した。 Incidentally, in the examples, the impregnating property of the obtained prepreg is visually confirmed the wetting condition of the reinforcing fibers in the layer and the surface layer by the resin, and it is preferable that the reinforcing fibers not wetted by the resin have no so-called dry fibers at all. Those having dry fibers in the layer or on the surface were regarded as defective. In order to check the dry fiber in the layer, a prepreg measuring 5 cm in length and 100 cm in width was sandwiched from both sides with an OPP adhesive tape (Nippon Denko Co., Ltd., Damplon Series No. 3201) with the fiber direction as the longitudinal direction. After that, the inside of the prepreg layer was observed by peeling.
また、得られたプリプレグの毛羽は目視で確認し、毛羽の長辺部の長さが10mm以上の場合に欠点と見なした。更に、得られたプリプレグの目開きは目視で確認し、目開きの幅が1mm以上のものを欠点と見なした。
(実施例1)図1に示す製造工程を用いてプリプレグを製造した。強化繊維束として東レ(株)製炭素繊維T700SC−12K(フィラメント数12000本、引張強度4900MPa、引張弾性率230GPa)を125本用い、繊維目付100g/m2とした。また、繊維重量含有率は76%とした。クリール10に設置したボビン11から1000本あたり0.1Nの張力で引き出した複数の炭素繊維束12は擦過ロール14を有する拡幅手段13により1000mm幅のシート状に拡幅した。
Moreover, the fluff of the obtained prepreg was visually observed, and when the length of the long side of the fluff was 10 mm or more, it was regarded as a defect. Further, the openings of the obtained prepreg were visually confirmed, and those having a width of 1 mm or more were regarded as defects.
Example 1 A prepreg was manufactured using the manufacturing process shown in FIG. As the reinforcing fiber bundle, 125 carbon fibers T700SC-12K (manufactured by Toray Industries, Inc .; number of filaments: 12,000, tensile strength: 4,900 MPa, tensile modulus: 230 GPa) were used, and the fiber weight was 100 g / m 2 . The fiber weight content was 76%. A plurality of
強化繊維束は16Sに梨地加工された2本の硬鋼製のフリーロール16およびパウダーブレーキ17(三菱電機製 ZKB−20HBN)を備えた張力付与装置15によりフィラメント数1000本あたり2.0Nの張力を付与した。張力付与装置部において擦過によるケバの発生や糸切れ、さらにフリーロールのたわみや炭素繊維の巻き付きのないことが目視により確認できた。張力を付与した炭素繊維束を離型紙19aおよび片側に樹脂目付32g/m2の熱硬化性樹脂を塗布した樹脂塗布フィルム19bで挟み込み、表面温度100℃に設定したヒーター22に接触させることにより予備加熱した。ヒーター22はホットプレートとした。離型紙および熱硬化性樹脂で挟み込まれ、予備加熱された炭素繊維束は3.0m/分の速度で走行させながら加熱金属ロール24には180°、加熱金属ロール25、26には100°、加熱金属ロール27には180°の接触角度で圧接させ、さらに加熱金属ロール27上において直径40mm、弾性率21.6GPaの硬鋼製のニップ用金属ロールで1.5kNの荷重をかけ、25.8MPaの線圧で1000mm幅にわたりニップさせることで、炭素繊維束に熱硬化性樹脂を含浸させプリプレグとした。なお、加熱金属ロール24、25、26、27の加熱温度は110℃、直径は250mm、弾性率は21.6GPaであり、各加熱金属ロール表面間の距離は60mmとした。さらに加熱金属ロール24、25、26、27の周速度Vrは3.0m/分とし、炭素繊維束の走行速度Vsとの割合Vr/Vs=1.0であった。このとき、加熱金属ロールへの樹脂のはみ出しはなく、はみ出し樹脂による汚れは無いことが確認できた。含浸後のプリプレグは10℃に設定した冷却板31により25℃まで冷却させた後、片側の離型紙34を剥ぎ、製品ロール36としてワインダーに巻き取った。得られたプリプレグは表1に示すように含浸性が良好であり、かつ毛羽欠点や目開き欠点のない品位良好なものであった。
(比較例1)ニップ用金属ロール28によるニップを実施しなかった以外は実施例1と同様にしてプリプレグを得た。得られたプリプレグは表2に示すように含浸が不十分なために表層にドライファイバーが目立つ品位不良なものであった。
(比較例2)図1に示すパウダーブレーキ17(三菱電機製 ZKB−20HBN)を備えた張力付与装置15の設定を調整し、炭素繊維フィラメント1000本あたり0.15Nの張力を付与した以外は実施例1と同様にしてプリプレグを得た。得られたプリプレグは表2に示すように層内や表層にドライファイバーが残るとともに、目開き欠点の多く存在する品位不良なものであった。
(実施例2)図1に示す加熱金属ロール24、25、26、27の加熱金属ロール表面間の距離を250mmとし、加熱金属ロール24には150°、加熱金属ロール25、26には70°、加熱金属ロール27には150°の接触角度で接触させた以外は実施例1と同様にしてプリプレグを得た。得られたプリプレグは表1に示すように、加熱金属ロール間での樹脂温度低下(樹脂高粘度化)の影響で、実施例1よりは層内に樹脂未含浸部分が残るものであったけれども、取り扱い性や成形品強度に関して問題となるレベルではなかった。完全に含浸させるには炭素繊維束の走行速度を1m/分に落とす必要があり、実施例1よりも製造に要する時間が増加したが、得られた品位に問題はなかった。
(実施例3)図1に示す製造工程を用いてプリプレグを製造した。強化繊維として東レ(株)製炭素繊維T700SC−24K(フィラメント数24000本、引張強度4900MPa、引張弾性率230GPa)を109本用い、繊維目付175g/m2とした。また、離型紙に熱硬化性樹脂を塗布した、樹脂目付32g/m2の樹脂塗布フィルムを19aおよび19bとして使用し、繊維重量含有率を73%とした。さらにニップ用金属ロール28で2.5kNの荷重をかけ、33.3MPaの線圧でニップさせた以外は実施例1と同様にしてプリプレグを得た。得られたプリプレグは表1に示すように含浸性が良好であり、かつ毛羽欠点や目開き欠点の少ない品位良好なものであった。
(比較例3)図1に示すヒーター22から冷却板31までの間を図4に示す工程とすることで、加熱金属ロール群の各ロールと糸条との接触角度を実質的に0°とし、直径40mm、弾性率21.6GPaの硬鋼製のニップ用金属ロール28を3本用いそれぞれ7.4kNの荷重をかけニップ用金属ロール1本あたり57.2MPaの線圧でニップさせた以外は実施例3と同様にしてプリプレグを得た。線圧が高いことにより余剰の熱硬化性樹脂がシート状の強化繊維の側方からはみ出し、加熱金属ロール35に樹脂による汚れが付着し作業性が悪化したとともに、得られたプリプレグは表2に示すように層内にドライファイバーが残るとともに毛羽欠点の多い品位不良なものであった。
(実施例4)図1に示す製造工程を用いてプリプレグを製造した。強化繊維として東レ(株)製炭素繊維S300C−48K(フィラメント数48000本、引張強度3630MPa、引張弾性率230GPa)を91本用い、繊維目付300g/m2とした。また、離型紙に熱硬化性樹脂を塗布した、樹脂目付74g/m2の樹脂塗布フィルムを19aおよび19bとして使用し、繊維重量含有率を67%とした。さらに直径40mm、弾性率21.6GPaの硬鋼製のニップ用金属ロール28で2.9kNの荷重をかけ、35.8MPaの線圧でニップさせた以外は実施例1と同様にしてプリプレグを得た。得られたプリプレグは表1に示すように含浸性が良好であり、かつ毛羽欠点や目開き欠点の少ない品位良好なものであった。
(比較例4)図1に示すヒーター22から冷却板31までの間を図4に示す工程とし、図4に示すニップ用金属ロール28の直径を20mmとし、ニップ用金属ロール28で2.9kNの荷重をかけ、48.4MPaの線圧でニップさせた以外は実施例4と同様にしてプリプレグを得た。ニップ用金属ロールの軸方向の曲げ剛性が不足したことによりニップ用金属ロールにたわみが生じ、得られたプリプレグは表2に示すように幅方向に含浸性が不均一でドライファイバーの残る品位不良なものであった。
The reinforcing fiber bundle is tensioned to 2.0 N per 1000 filaments by a
(Comparative Example 1) A prepreg was obtained in the same manner as in Example 1 except that the nip by the
(Comparative Example 2) Except that the setting of the
(Embodiment 2) The distance between the surfaces of the heating metal rolls 24, 25, 26 and 27 shown in FIG. 1 was 250 mm, 150 ° for the
(Example 3) A prepreg was manufactured using the manufacturing process shown in FIG. As the reinforcing fiber, 109 carbon fibers T700SC-24K (manufactured by Toray Industries, Inc .; number of filaments: 24,000, tensile strength: 4900 MPa, tensile modulus: 230 GPa) were used, and the fiber weight was 175 g / m 2 . Further, resin-coated films having a resin weight of 32 g / m 2 obtained by applying a thermosetting resin to release paper were used as 19a and 19b, and the fiber weight content was 73%. Further, a prepreg was obtained in the same manner as in Example 1 except that a load of 2.5 kN was applied by the
(Comparative Example 3) By performing the process shown in FIG. 4 between the
Example 4 A prepreg was manufactured using the manufacturing process shown in FIG. As the reinforcing fiber, 91 carbon fibers S300C-48K (48000 filaments, tensile strength 3630 MPa, tensile modulus 230 GPa) manufactured by Toray Industries, Inc. were used, and the fiber weight was 300 g / m 2 . In addition, resin-coated films having a resin weight of 74 g / m 2 obtained by applying a thermosetting resin to release paper were used as 19a and 19b, and the fiber weight content was 67%. Further, a prepreg was obtained in the same manner as in Example 1 except that a load of 2.9 kN was applied by a
(Comparative Example 4) The process from the
1 加熱金属ロール
2 樹脂塗布フィルム
3 強化繊維束
4a、4b 加熱金属ロール
5 加熱金属ロール4bと接触している方の樹脂塗布フィルム
6 加熱金属ロール4bと接触していない方の樹脂塗布フィルム
7 強化繊維束
8 工程中に発生した樹脂塗布フィルム等のシワ
9 ガイドロール
10 クリール
11 ボビン
12 炭素繊維束
13 拡幅手段
14 擦過ロール
15 張力付与手段
16 フリーロール
17 パウダーブレーキ
18a 樹脂塗布フィルム等(樹脂塗布フィルム、離型フィルム、離型紙)供給手段
18b 樹脂塗布フィルム等供給手段
19a 離型紙または離型フィルムまたは樹脂塗布フィルム
19b 樹脂塗布フィルム
20、21 ガイドロール
22 ヒーター
23 樹脂含浸手段
24、25、26、27 加熱金属ロール
28 ニップ用金属ロール
29 加熱金属ロール群
30 ガードロール
31 冷却板
32 引き取りニップロール
33 引取手段
34 回収離型紙または回収フィルム
35 ガイドロール
36 製品ロール
37 加熱金属ロール
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