JP2005522537A - 繊維マットを利用した繊維強化複合材料製造装置及びその製造方法 - Google Patents

繊維マットを利用した繊維強化複合材料製造装置及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

複合材料繊維マットを利用した多機能の繊維強化複合材料の製造方法及びその製造装置が開示され、少なくとも２種の熱可塑性樹脂繊維及び強化用繊維を用いて、複合材料マットや複合材料シートを製造すると共に、前記複合材料シートをローラで加圧する間の強化用繊維の固有弾性回復力により、疑似発泡されたセルを有する軽量の断熱シートを製造する。本方法は熱可塑性樹脂と強化用繊維をフィブリル化、混繊して複合材料マットを形成すること；前記複合材料マットを分散・揮散させること；及び前記分散・揮散された複合材料マットをニードルパンチング加工することを含む。以後前記複合材料マットを予熱ゾーンで予熱し、加圧ゾーンで溶融加圧成型し、冷却ソーンで冷却して複合材料シートを製造する。選択的に、複合材料シートを再加熱して、繊維の固有弾性回復力により疑似発泡型複合材料シートを製造する。

Description

本発明は、高性能の繊維強化複合材料製品の生産に用いる繊維マットを利用した繊維強化複合材料の製造方法とその装置に関する。
特に、本発明は、混繊して共にマット化した、少なくとも２種以上の長・短繊維を加熱及び加圧或いは冷却する工程に付することによる各種多機能性繊維強化複合材料の製造方法とその製造装置に関し、選択的に任意の一種の無機強化用繊維を含む少なくとも２種以上の熱可塑性樹脂繊維が、複合材料マットや複合材料シートの製造に用いられると共に、別途の化学発泡剤を付加的に用いなくとも複合材料シートがローラにより加圧される間に、溶融していない繊維または前記強化用繊維の固有弾性回復力により形成されたセルを有する軽量の断熱疑似発泡型複合材料シートの製造に用いられることを特徴とする。
当業者に良く知られている通り、所謂、２種以上の異なる種類の素材を混繊、マット化して新たな機能の発現を可能ならしめた繊維強化複合材料は、軽量、高い比強度と高い比弾性及び強化された機械的性質を有するように開発された。従って、繊維強化複合材料は、航空機や船舶及び自動車の構造部品、電気・電子部品等強度と剛性及び耐久性の特性が要求される各産業分野に広く活用されている。
このような複合材料の代表的な実例には、熱硬化性不飽和ポリエステル樹脂をガラス繊維で強化させた繊維強化ポリマー(FRP)複合材料と繊維強化熱可塑性ポリマー(FRTP)複合材料が提案されている。
FRP複合材料は、金属を凌駕する優れた機能を含む関係から前述したそれぞれの用途に用いられる。特にFRP複合材料は、一方向に成型すると弾性率が極めて高い高弾性の材料として機能することができる。
しかしながら、このようなFRP複合材料は、耐衝撃性と破壊靭性等の物性面で劣り、限られた条件下でのみ使用可能であり、リサイクルできない点で不利であった。
しかしながら、FRTP複合材料は、前記のFRP複合材料の問題点を有していないばかりでなく、自動車部品において、金属を代替することができる。
例えば、FRTP複合材料は、従来自動車部品用として内装品と非構造材とに主に使用されており、耐衝撃性と高強度が要求されるシャーシ等の構造物と各種外装品にも適用可能である。しかも、このようなFRTP複合材料は、FRP複合材料とは異なり、金属の成型方法と同様なスタンピング成型方法に付すことができる。それゆえFRTP複合材料は、生産性が高く、金属よりデザイン自由度が大きく、各種の産業分野にますます採用されている。
従って、FRTP複合材料は先ず、各種成型品の成型加工への使用に適切なスタンピング成型可能な平らなシートとして製造されなければならない。このために、代表的には、強化用繊維は、マトリックス樹脂である粉末又はペレット状の熱可塑性樹脂と混合して、加熱成型した。しかしながら、この場合、これらの異なる材料形状のため２種類の材料を一様に混合するのが難しい。また、混合後、各種の処理過程で、粉末又はペレット状の樹脂が強化用繊維から容易に分離される。従って、強化用繊維がマトリックス樹脂の中に一様に分散されないことにより、品質の恒常性が維持される最終製品は製造し難い。
このようなスタンピング成型可能なシートの製造方法と関連して、本発明者が登録を受けた韓国特許第10-296229号明細書は、性能が改善された繊維強化複合材料の製造方法及びその製造装置を開示する。この明細書には、マトリックス樹脂である熱可塑性樹脂繊維が、遠心力を用いて強化用繊維と湿繊され、ランダム配向されたマトリックス繊維を有する複合材料マットを結合し、この複合材料マットを複数個の加熱ローラと冷却ローラを備えたシート製造装置により溶融圧着する。また、各々のローラ軸間の角度変化を通じて溶融マトリックス樹脂が、強化用繊維に対し一様に分布され含浸されることができる。これによりマトリックス樹脂と強化用繊維間の界面接着力が改善され、より優れた物性と一様な厚さ及び優れた表面平滑度を有するスタンピング成型可能な繊維強化複合材料のシートが、連続的に提供される。特に、ランダム配向の強化用繊維のみによる不十分な剛性を補完するために、複合材料マットの上部面、下部面及び側面が、スタンピング成型可能なシートの製造装置の使用により一方向の強化用繊維で積層されることにより、繊維強化複合材料が改善された特性を有する。
本発明は前記登録特許をさらに改良し、韓国特許第10-173440号明細書の“繊維強化複合材料のスタンピング成型可能なシートの製造装置”の技術的思想に基づく。前記特許では、溶融した樹脂の熱履歴因子の溶融流れ方向を任意可変的に調節できるようにして、一様な厚さと高い表面平滑度の点で有効である高性能の疑似発泡型複合材料が提供できる。
この点で、特開平6-47737号公報は、スタンピング成型可能なシートの製造装置を開示し、この装置は、ガラス短繊維が分散されているポリプロピレンシートと連続ガラス繊維シート間の溶融ポリプロピレン樹脂を圧縮／供給する樹脂押出機と、このポリプロピレンシートと溶融ポリプロピレン樹脂及び連続ガラス繊維シートを同時に、一緒に搬送しながら垂直に圧縮・積層する戻り搬送ベルトと、この積層されたシートを加熱して溶融ポリプロピレンを連続ガラス繊維シート内に含浸して、一体に積層したシートを形成する加熱炉と；前記加熱されたシートを冷却するための冷却炉とを備える。上述のように、溶融ポリプロピレンがシート中に押出されるときには、別途の樹脂押出機が必要である。さらに、溶融された樹脂を連続シートの全体の表面に対し一様に塗布することは極めて難しい。
搬送ベルトによりシートの任意厚さ調節は勿論、製品の緻密な結合構造と一様な表面平滑性は確保されない。さらに、加熱炉と冷却炉が、チャンバー型であって、加熱と冷却工程で製品の厚さを再度調節する付加的装置が設けられていなかった。
さらに、特開平5-285947号公報に繊維強化複合材料シートの製造装置が開示され、この装置は、熱可塑性樹脂の粒子と補強用短繊維とグラスブローウン（中空粒子）を各々収容する３個の原料供給ホッパーと；これら原料供給ホッパーより供給された前記原材料等を液体中に分散させる分散容器と；このような分散液から水分を除去するヘッドボックスと；このヘッドボックスの中を移動しながら網の上に紙状にウェブを形成する網と；このウェブを乾燥する熱風乾燥機と；連続プレスとを備える。しかしながら、この公開公報は、原料が粒子或いは短繊維の使用による原材料の取扱いが困難である。また、連続繊維又は長繊維はこの装置の使用により取扱うことができない。さらに、粉塵が発生することがあり、作業環境が顕著に悪化する。各原材料を別々に供給し、分散させるので、追加の脱水装置を必要とすることにより、水の混入が起きることがある。
さらに、特開平5-16137号公報には繊維強化複合材料シート製造装置が開示され、この装置は、樹脂付着繊維束を形成する、上段、中段及び下段に別々に構成された流動層装置と；前記繊維束を切断する上段及び下段のロータリカッターと；前記中段の流動層装置から供給される連続する厚いファブリック付着繊維束の上段及び下段に付着した、切断された樹脂付着繊維束を搬送する連続ベルトと；加熱装置と；冷却装置とを備える。しかしながら、加熱装置が電熱式又は熱風循環式を採用し、複数個の加熱ローラの軸が固定されている。従って、溶融された熱可塑性樹脂の熱履歴因子の溶融流れ方向を変化させることができないので、溶融樹脂の一様な浸透が不可能である。さらに、シートの張力を適切に調節することが困難であり、複合材料シートの厚さ及び表面平滑性が一様でない。さらに、冷却装置は空気吹込み式か或いは固定されたガイドローラの冷却による方式を採択することにより、加熱されたシートの仕上げ厚みの調整が難しい。
したがって、本発明の目的は、少なくとも２種以上のマトリックスである熱可塑性樹脂繊維と強化用繊維とを一様に混繊し、マット化することにより得られた複合材料マットを加熱・加圧或いは冷却させる工程を通じて多機能性の繊維強化複合材料の製造方法を提供することであり、溶融樹脂の熱履歴因子の溶融流れ方向が任意に可変調節され、一様な厚みと一様な表面平滑度を有する疑似発泡型の複合材料マット又は、シートを製造して各種の産業分野に満遍なく適用させることを特徴とする。
本発明の他の目的は繊維強化複合材料の製造装置を提供することである。
前記の目的達成のため、本発明は、熱可塑性繊維と強化用繊維をフィブリル化する工程と、前記フィブリル化された熱可塑性繊維と強化用繊維をマット化させ、熱可塑性繊維が融着された複合材料マットの形成工程と、前記複合材料マットの上部面、下部面、側面上に各種のシートを順次的に種々のシートを積層して、積層複合材料マットを形成する工程と；前記積層複合材料マットを加熱し、強化用繊維の固有弾性回復力で疑似発泡型のセルが形成された高性能の繊維強化複合材料シートの製造工程とを含む、共に混繊されマット化された、マトリックス樹脂である熱可塑性繊維と強化用繊維とを含む複合材料マットを加熱・押出することにより高強度を有する繊維強化複合材料の製造方法を提供する。
さらに、本発明は、熱可塑性繊維と強化用繊維の繊維フィブリル化装置と；前記フィブリル化繊維を処理して、熱可塑性繊維を融着させる複合材料マットの形成装置と；前記複合材料マットの上部面、下部面、側面に各種のシートが順次的に積層されるようにした積層複合材料マット形成装置と；前記積層複合材料マットを加熱し、強化用繊維の固有弾性回復力で疑似発泡型のセルが形成されるようにした繊維強化複合材料シート製造装置とが含まれる、高強度の繊維強化複合材料の製造装置を提供する。
この際、前記の繊維フィブリル化装置は、繊維を所定の位置に搬送する搬送部と、前記搬送された繊維をフィブリル化するフィブリル化シリンダーと、前記フィブリル化シリンダーの回転のための動力発生部と、前記フィブリル化された繊維をダクト内に吸込む吸込み部と、前記吸込まれた繊維を一様に分散部中に落下させて供給される繊維量を調節する計量部と、前記計量部に設置され、供給ローラに供給されるフィブリル化繊維量感知のための感知センサーとを含む。
さらに、前記複合材料マット形成装置は、フィブリル化された熱可塑性繊維を所定の位置に搬送する搬送部と、前記搬送された熱可塑性繊維を供給するか、保持するための一対のフィードローラと、前記フィードローラに近接設置され、針が分布されたローラが高速回転しながら、フィードローラから供給される繊維をフィブリル化する混繊・マット化シリンダーと、繊維の混繊率を向上させるためのウォーカーを備える。
さらに、複合材料シート製造装置は、形成された複合材料マットを安着させるための圧着ローラと、前記で圧着された複合材料マットを所定の位置に搬送するために、搬送部上部に位置する操作シリンダーと、前記操作シリンダーに近接設置されるシートローラと、予熱ゾーンを通過した異なる種類の繊維を有する複合材料マットを加熱及び圧着する加熱圧着ローラと、前記圧着ローラを経た複合材料マットを冷却及び高疑似発泡させる冷却／疑似発泡部とを含む。
以下、図面に対して参照番号が付与され、同一又は類似した部品を示す為に、異なる図面を通じて同一な参照番号が用いられる。
図１は本発明による複合材料マット供給装置の構成図である。図１に示した通り、複合材料マット供給装置は繊維フィブリル化機(10)と、混繊装置(20)、計量器(30)、ウェブ形成機(40)及びニードルパンチング加工装置(50)を含む。
図示の通り、前記繊維フィブリル化機(10)は、繊維を所定の位置に搬送する（以下、移送するともいう。）移送部を含み、この移送部は一定量分計量された２種類の繊維を移送するコンベヤベルト(11)と、このようなコンベヤベルト(11)で移送された繊維が適切にフィブリル化されるようにしたフィブリル化シリンダー(12)と、フィブリル化された繊維がダクト(14)内にスムーズに吸込まれるように、設けられた吸込み機(13)と、ダクト(14)内に吸込まれた繊維が一様に落下するようにした分散機(21)と、分散して落下される繊維を後述するウェブ形成機(40)へ供給するための２次動力発生装置及び吸込み機(22)とを備える。
この際、本発明による繊維フィブリル化機(10)には、繊維材料の効率的で連続的な供給及び複合材料の生産費の節減の面で、連続繊維の代りに切断された繊維を一定含量比で用いられるのが好ましい。
繊維フィブリル化機(10)で、マトリックス繊維と強化用繊維を一定の重量比で積載した後、積載された繊維を遠心力を利用して満遍なく混合できるように均一化ゾーンに供給する。混繊した繊維をさらにマット化して、マット化した繊維の一定量を供給部に移送した後、ウェブ形成機(40)でマット化した繊維を分散させる。
繊維フィブリル化機(10)で繊維をフィブリル化しマット化する際、単位面積当たり複合繊維マットの要求量は、0.5〜10kg/分であるが、好ましくは1〜6kg/分である。このように、マット化繊維の好ましい量がウェブ形成機(40)に供給できる。
本発明において、従来のスタンピング成型可能なシートの製造工程がウェブ形成機(40)に関する共用性を考慮して専ら使用される。ウェブ形成機(40)では計量器(30)で超過する２種類の繊維が２次吸込み機(22)に自動的に投入される方式を採択して経済性及び作業の便益を追求している。
さらに、計量器(30)のホッパーで繊維の分散性を向上させ偏り現象を防ぐため、ストリッパー(31)が、吸込まれた繊維を有するホッパーの上段の両側面に設置され、前記吸込まれた繊維を分類する機能を遂行する。有機系強化用繊維を用いて複合材料マット製造の際、ウェブ形成機(40)のマット化シリンダー(42)の回転数が300〜1,000rpmであり、繊維のフィブリル化とマット化に同時に作用する。しかしながら、高速回転時にはマトリックス樹脂の溶融繊維滓がシリンダー(42)に分布する針に付着する。このような効率性低下により高回転数でシリンダーを回転するのが難しくなる。
マット化シリンダー(42)で好ましい回転数は500〜800rpmである。無機系強化用繊維を用いる場合には回転速度を利用した繊維のマット化方法がより効果的であって、有機・無機系が同時に使用できる回転数としては800〜900rpmが最適の回転数として選定できる。
複合材料マット供給装置を利用して、ランダムに配向した一配向繊維を有する複合材料マットを製造するため、ウェブ形成機(40)が上記供給装置に追加設置される。このような追加的設置は複合材料製品の物理的性質（引張強度、衝撃強度等）を向上させる。
複合材料マット供給装置で、移送された繊維は水平振動ストリッパー(31)を通じてホッパー内で一様に分散される。繊維がホッパー上部に設置された別途のセンサーにより、適正量まで供給される。このように供給された繊維は、フィーダー(41)により高速回転できるマット化シリンダー(42)に投入され、一様な繊維分布を有する複合材料マットを形成するようになり、このマットは移送ベルトを通過して加圧ローラ(43)を経て、ニードルパンチング加工装置(50)へ移送される。
前記ニードルパンチング加工装置(50)へ供給されるマットの厚さはマット化シリンダー(42)の回転数と移送べルトの回転数によって、任意調節が可能である。繊維強化複合材料シートの縁部分を裁断する時、残された残余繊維等は、切断され、ローラ(43)の下段部に別途で付着された吸込み機を通じて２次繊維供給装置内に再投入される。
高速回転時絡んだ繊維の摩擦により回転シリンダーの壁面に分布する針に繊維が溶融付着する場合、繊維重量分布の一様性が低くなり、長時間シリンダー駆動時には溶融された繊維が針に大量付着する関係からこれを除去した後、再稼働する必要性がある。
従って、ウェブ形成機(40)はより効率的であり大量生産に適合しなければならず、繊維の揮散が容易でなければならず、予め定められた一定量が混合された複合材料マット繊維の供給を受けたとき、回転数に基づき複合マットの重さが算出されなければならない。
一定した回転速度で、ベルトの速度によってウェブ形成機(40)のフィブリル化された繊維のかたまり状態を有する複合材料マットの厚さは150〜2000mmである。前記複合材料マットをニードルパンチング加工装置(50)に投入する場合、複合材料マットの厚さが余り厚いので供給が不可能となる。従って、前記複合材料マットは加圧ローラ(43)を経て繊維束の厚さをベルト(51)で圧着して繊維マットの嵩を縮小した後、容易にニードルパンチング加工装置(50)に移送供給される。
繊維強化複合材料シート及び軽量断熱シートの製造に用いられる複合材料マットに関し、繊維は効率的に混繊、一様に分散されなければならない。繊維の分散と分布の均質化のため、２個の複合材料マット供給装置と２個のニードルパンチング加工装置を追加設置する。１次には複合材料マット供給装置内のシリンダー内で、繊維の混繊とマット化の動作がなされるようにし、２次にはニードルパンチング加工装置において、嵩が一定で繊維の混繊が一様で均質化されたマットを形成する。
連続ベルトに繊維のかたまり状態の複合材料マットを直接投入する場合、固定されていない繊維の流動により一様な複合材料シートの製造が難しくなる。従って、繊維を固定して繊維の嵩を縮小できるニードルパンチング加工装置(50)で繊維かたまり状態の複合材料マットを打孔パンチングして繊維のかたまりの嵩縮小と繊維マットの嵩を一様にした後、加熱ゾーンに供給する。この際、ローラ加圧を通じて樹脂が固定化される。
ニードルパンチング加工装置(50)を通過していない複合繊維マットは詰綿のように嵩高である。従って、前記繊維マットがIR加熱板(A130)を通過する時、マットがヒータを損傷したり、ヒータに接触して、繊維が発火する恐れが極めて高い。しかしながら、前記ニードルパンチング加工装置(50)を利用した場合、予熱ゾーンと加熱板通過の際発生する繊維固有の収縮を大幅に減少させるので、複合材料シートの均一性を向上させることができて、嵩の縮小によって複合マットがヒータに損傷を与えず、ヒータとの接触による発火の危険性を最小化できるようになる。
従って、ニードルでマットを打孔することによりウェブ形成機(40)を経た複合マットの嵩の変動を減少させる効果もある。
ニードルパンチング加工装置(50)において、打孔板(52)の打孔回数は500〜1000回／分で、ある。繊維の特性によって任意で打孔回数を固定させ、移送速度を調整すれば坪量と厚さ等の調節が自在となる。
打孔パンチング後複合材料マットでは、打孔頻度は細孔の大きさ及び繊維の絡み現象等に影響を及ぼすようになる。例えば、打孔頻度が多くなるに従って折り曲がった繊維が垂直方向に絡む現象が見られ、複合材料マットの結合がよくなることから連続ベルトに供給されても、複合材料マットの繊維の絡み現象が乱れない状態が維持できると言う特性を見せる。
図示しない予熱チャンバーの予熱温度がマトリックス繊維のガラス転移温度(Tg)以上の場合、繊維が有している結晶性が緩和されながら繊維の収縮現象が発生するようになる。
打孔頻度が少ない場合、複合材料マットの絡み現象が緩和されフィブリル化現象が発生することもある。
しかしながら、複合材料マットが堅く結着されるとベルト(51)で加圧する際、複合材料マット乱れを防止することができ、マット内の細孔の数が多い程予熱ゾーンからマット内部まで暖かい空気が循環することができる。従って、複合材料マットの加圧加熱の際、マトリックス樹脂の溶融・含浸が容易となり、複合材料シートの製造が容易となる。
ウェブ形成機(40)から投入された、複合繊維の重量と大きさは、強化用繊維の種類と量及び回転数によって調節され、複合材料マットの厚さは打孔板(52)の打孔頻度によって調節され、マットの剛性と弾性は打孔板(52)針の数と関連が大きい。
この際、打孔板(52)から折れた針を除去するために、１次予熱ゾーン(A100)に強力な磁性力の電磁装置を取り付けて折れた針を除去した。これにより、前記折れた針が複合材料シート及び軽量断熱シートの品質と安定性さらに連続ステンレスベルトの機器作動に及ぼす否定的な影響を最小化した。
添付された図２は本発明において、複合材料シート及び軽量断熱シートの製造装置を示した、全体構成図であって、軽量断熱シートは繊維固有の弾性回復力を利用して、複合材料シートから製造され、疑似発泡型複合材料シートと称する。
前記製造装置は前記複合材料マットの予熱ゾーン(A100及びA200)、加圧ゾーン(B100 、B200及び B300)、冷却ゾーン(C100及びC200)及びその他の付属装置(D100,D200,D300及び D400)で構成されている。
予熱ゾーンはベルト加圧ゾーンで複合マットの繊維を溶融・含浸させる役割をする。
繊維に含まれている水分や油を除去するための設備が１次予熱ゾーン(A100)であって、このような予熱ゾーンでは複雑な形状を有する複合材料マットの内部にまで十分な熱の伝達が可能でなければならない。
より効率的な成型工程のためには、複合材料マットは、加圧の前にIR加熱板(A210)による十分な予熱が必要である。複合材料マットの加熱に必要な時間の短縮が結果としてトンネルの長さを縮小することができる。
前述した通り、予熱ゾーンは複合材料シートの内部にまで熱伝達ができるようにし、さらに、熱風循環部(A110)を導入してIR方式（加熱）と共に投入される繊維の一様な熱伝達が達成できる。
加熱チャンバーの温度は通常80〜250℃を使用できるものの、複合材料マット製造に用いる樹脂繊維の種類によって変化させることができる。100〜200℃程度の予熱空気により、複合材料マット内の水分が除去され、水分含量が0.01〜0.2%となるようにする。さらに、前記熱は図示されない熱風排出ダクトを通じて排熱回収装置で回収された後、さらに再活用できる。
予熱処理された熱可塑性繊維を有する乾燥複合材料マットは、上下移送部を通過するようになる。この際、用いられる移送ベルトはテフロン（登録商標）網ベルト(A120)で例示されるが、これはベルトの上部から下部への吸込循環方式を用いており、空気の円滑な循環を行う。予熱装置にて微細繊維が着火するのを防止するために、フィルターを取り付け粉塵及び微細繊維がフィルターで除去されるようにし、複合材料マットの後部はIRヒータで直接加熱される方式を適用する。
高温が使用される場合、複合材料マットの表層の有機系マトリックス繊維、例えばポリプロピレン繊維やナイロン繊維が溶融され、これらの一部は樹脂が酸化されることにより、複合材料マットの折り曲げ部が収縮され、強化用繊維が配向された構造が破壊されることもあることから、複合材料シートの物性を低下させる。
本発明では効率的なエネルギー管理と、連続運転を通じてIRヒータの加熱時間を短縮させる。IRヒータに微細繊維や粉塵が接触しないように循環熱風をIR加熱板(A130)の上部から下部へ吹込む。IR加熱板(A130)は上下の高さを自在に調節できるようにされているので、複合材料マットの厚さによってIR加熱板(A130)の高低を調整する。これにより、複合材料マット内部へ熱を侵入させることができ、生産速度によってその高低を加減することができる。
例えば、生産性を高めるために、複合材料マットに使用された強化用繊維が熱伝導率の低い炭素繊維(CF)の場合、IR加熱板(A130)の高さをマット近くに低めてマットを急速加熱することができる。前記の場合、熱損失の最小化のため、熱風循環方式を利用して、使用した熱は吸込ダクトで循環され再活用される。
この際、ダクト運転の安定性確保のため、マットを通過して吸込まれた熱風に含まれた短繊維や微細ゴミ等の不純物が除去できるように半永久的な性質のフィルター網が設置される。
複合材料マットに多様な機能性が付与されるには、その表面層にポリプロピレンフィルムをラミネイティングする。これにより、自動車の内・外装用品の製造の為、不織布や織布等を繊維強化複合材料に接着させる時、その接着性を向上させることができる。さらに、複合材料マットの表面に木柄の模様とか又は大理石材料等を多層構造に形成して美麗な表面を提供する。ワインダー(D100)を取り付け、建築材料として使用する多様なシートをマットの上に付与する。
以上の構成を有する本発明の製造装置の使用により複合材料シートの厚さを0.5〜10mmの範囲内で任意に選択して製造することができ、0.3〜10m/分の製造速度を維持できると共に、疑似発泡型複合材料シートの製造も可能である。
一方、複合材料シート製造時に使用される熱可塑性樹脂には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ナイロン6、ナイロン66、ナイロン10、ポリアミド、ビニロン、ポリエステル又はそれらの混合物を使用することができる。可塑剤、熱安定剤、光安定剤、充填剤、着色剤、顔料、衝撃改良剤、滑剤等を熱可塑性樹脂に追加して添加して使用してもよい。
従って、本発明の断熱シート製造の際使用される強化用繊維にはガラス繊維、炭素繊維、ボロン繊維等の無機質繊維とナイロン6、ナイロン66、ナイロン10、ビニロン、アラミド、ポリエステル等の有機質繊維が使用されるものの、必要によってはこれらの繊維を２種類以上混合して使用してもよい。
本発明では熱伝達が熱履歴を維持して十分に行われるために、ローラ間の間隔を後述の表１の通り任意に調節する。マトリックス樹脂である熱可塑性繊維が約200℃内外に加熱されたステンレス連続ベルトに接触しながら、溶融された熱可塑性樹脂の熱履歴因子を溶融流れ方向に垂直方向に変化させることにより、溶融された熱可塑性樹脂が複合材料マットの内部深く浸透することができる。
溶融された熱可塑性樹脂が、絡んだ強化用繊維の間に含浸されながら、強化繊維表面への樹脂の濡れ性が向上される。さらに、樹脂が複合材料マット内部にまで含浸するので、高強度の繊維強化複合材料の製造が可能である。
強化用繊維の弾性回復力を利用して疑似発泡型繊維強化複合材料の製造も可能である。つまり、 熱可塑性マトリックス繊維及び強化用繊維をマット化シリンダー内で混繊及び揮散させ、２種の繊維を互いに絡ませることにより、繊維の配向構造は３次元形態の配向構造を維持する。混合された複合材料マットは分布した針により、打孔されながら固定化され、予め定められた厚さを有する。ローラの間隔が漸増的に縮小されながら、ローラから連続ベルトに加えられた圧力が維持される。これによりマトリックス樹脂は溶融され複合材料マット内に含浸される。ここに、ベルトに圧縮された強化用繊維からこの圧力が急速に除去されるとき、絡んでいた強化用繊維が、固有弾性回復力によりあだかも化学的に発泡させた材料と類似した形態を示し、疑似発泡型繊維強化複合材料シートの製造が可能となる。
この疑似発泡型複合材料は3〜20mmの最終シート厚さで製造が可能であって、比重は0.5〜0.9g/cm3で製造が可能で軽量断熱シートとして使用が可能である。例えば、１次加圧ゾーン(B100)に導入される以前に、ウェブ形成機(40)でマット化された複合材料マットの厚さは250mm程度である。ローラによる加圧後に複合材料マットの厚さは、ニードルパンチング装置(50)を利用して約50mmに追加して縮小される。前記50mm厚さのマットが加圧される場合、ベルトに3.0×10-4Pa(30bar)以上の圧力がベルトに加えられる。初期厚さの変化によって厚さが10%減少する際1×10-5Pa(1bar)以下の圧力が追加して必要となる。
複合材料マットのマトリックス樹脂であるポリプロピレン樹脂が未溶融時には、厚さ調整が行われない。従って、連続工程で高い圧力がベルトに加えられこの圧力は再びローラに加えられるようになる。
加圧ゾーンは印加された圧力を調節する役割を遂行し、一定圧力を維持できるようにスライドブロック(B160)を装着して加圧ゾーン(B100)の垂直運動を容易ならしめる。このような垂直運動の際、一定の圧力がベルトに加えられるようにスプリングをスライドブロック(B160)と共に高さ調節部位に設置する。初期圧力を約5.88×106Pa(60kg/cm2)に固定する。圧力が初期圧力より高いとき、厚さ調整が圧力と比例するようにする。
固定厚さはスプリングの張力により調節される。圧縮変化量に伴うスプリングの張力は加圧条件によって差がありその実施例は表１の通りである。
Figure 2005522537
 ベルトの表面はスプリング張力が印加されるローラにより加圧される。スプリングの張力で加圧の際、ベルトの表面の温度によって複合材料マットの溶融程度に差が発生する。
220℃のベルトの温度において加圧工程が遂行される場合、複合材料マットの厚さは初期厚さに比べて相当量が減る。未溶融マトリックス繊維と強化用繊維の含量が多い場合、その厚さの変化量は極めて少ない。この際、前記マットの厚さが上下ローラの間隔を超過する時マットは高いスプリングの張力を受ける。
この際、スプリングの圧力を予め定められた水準に設定するとベルトの移動が困難なため、ベルト速度と複合材料マット内の溶融樹脂の溶融速度を勘案して、加圧力を多少低めて調整すべきである。ベルトの連続加圧方式は定められたローラシステムにより達成され、圧力の分布を考慮して圧力装置の構成が再設計される。
例えば、高圧ではロッド・バー・タイプの圧力装置を用いて綿板を加圧する。しかしながら、熱可塑性樹脂を溶融する時に、ローラによる加圧方式を相対的に低い圧力において、採用するのが好ましい。
添付された図４は本発明に適用される加圧ゾーンを概略的に示した図である。
図４に示された通り、１次加圧ゾーン(B100)を通過した複合材料マットが加圧ローラにより、予め定められた厚さを維持しながら、ベルトの熱が複合材料マットに伝達される。２次加圧ゾーン(B200)で、マトリックス樹脂である熱可塑性樹脂繊維が溶融され、強化用繊維に含浸される。
２次加圧ゾーン(B200)では、加圧ローラとIR加熱板(B210)が直線状に設置される。２次加圧ゾーン(B200)の高い温度によりマトリックス樹脂が強化用繊維内に完全に含浸されなければならない。さらに、３次加圧ゾーン(B300)で温度条件は２次加圧ゾーン(B200)でのように維持しながら圧力条件は追加して提供される。これにより、複合材料マットの空隙率が最小になるか又は熱可塑性樹脂は十分に含浸され濡れる。マットを厚さ調整部を経て冷却する場合、高性能を有する複合材料シートの製造が可能となり、これを再加熱して冷却ゾーン(C100及び C200)のローラ間の間隔を拡大させる。この場合、強化用繊維の固有弾性回復力に起因して疑似発泡型高性能軽量断熱シートの製造が可能である。
一方、従来の繊維強化複合材料で強化材として繊維を使用する場合、１mm乃至25mmの短繊維が使用されてきた。しかしながら、補強用繊維が短いと一定応力下における応力伝達が効果的に成されないことによりその補強効果はよくない。
補強効果向上のためには短繊維より長繊維を強化用繊維として使用するのが好ましい。この際、長繊維の長さは30mm以上、特に50mm以上が効果的であり、適当な繊維の長さは複合材料の種類又は、その用途によって選択される。
繊維の長さによって、複合材料の剛性、寸法安定性、耐熱性等の物性変化が伴われる。さらに、前記物性は繊維の充填量、成型後の繊維の長さ、繊維分散状態及び配向状態等に影響を受ける。従来は、強化用繊維がランダムに分散されている一般的な繊維強化複合材料では強化用繊維の分布が水平方向にのみランダムに分散され、従来の複合材料の衝撃強度が要求数値に満たない。しかしながら本発明では遠心力を利用した複合材料マット供給装置を利用して強化用繊維をランダム配向させ、強化用繊維が強くコイル化された３軸方向織造のような効果を発生させる。
つまり、直接織造による繊維強化複合材料の製造方法は生産性が極めて低いことから、織造と類似した技術を利用して、織造の効果が出せる方法を提案するものである。一般的にマトリックス樹脂にランダムに強化用繊維が配向される場合、繊維が水平方向に形成される関係から垂直方向には配向された繊維が殆ど無く、強度が制限的に発現される。反面、本発明はマトリックスと強化用繊維をすべて繊維として利用して遠心力でこれを強く混繊する為、水平方向は勿論10〜20%の繊維は垂直方向にコイル化され、３次元力学構造を形成する。これにより繊維強化複合材料は高強度、高張力の特性を示す。
複合材料の物性はこれを構成するマトリックスと強化材の特性のみならず、マトリックスと強化繊維間の接着力、つまり、界面特性によっても相当な影響を受ける。複合材料の界面は応力、又は外部衝撃エネルギーの変化をマトリックスから繊維に伝達してくれる役割を担当するから界面の特性はさらに重要である。
製造された複合材料シートを再加熱（加熱温度240℃以上）してその内部の樹脂を溶融させ、膨張させ、冷却して疑似発泡型複合材料シートを製造する。成型工程に使用した複合材料マットでは復元力が大きい無機系強化用繊維が20〜40体積%の量で用いられ、有機系強化用繊維は30%体積%以上用いられる。
添付した図５は本発明に適用される冷却ゾーンを概略的に示した図である。
図５に示した通り、冷却ゾーン(C100及びC200)は、複合材料マットの疑似発泡を目的に冷却されたマグネットローラ(C110)と、冷却ローラ(C120)と、空気冷却機(C130)及びIRヒータトンネル(C140)を含む。
複合材料シートは２次冷却ゾーン(C200)を通過して製造され、疑似発泡型軽量断熱シートは、マグネットローラ(C110)間の間隔が、強化用繊維の固有弾性回復力による疑似発泡型材料化工程に適合した厚さ以上に拡張する場合に製造される。
例えば、ポリプロピレン(PP)繊維の弾性回復力は低く、炭素繊維(CF)及びガラス繊維(GF)の弾性回復力は高い為、相互混繊されている繊維の絡み合いにより複合材料シートの疑似発泡型材料化に必要な弾性回復力を向上させることができる。有機強化用繊維を利用して軽量疑似発泡型材料断熱シート製造時には、疑似発泡型材料化条件及び強化用繊維のような疑似発泡型化材の適切量により、最適なシート外観が具現されることが明白である。
疑似発泡型材料化工程を遂行する為に、IRヒータトンネル(C140)を通過した複合材料マットがその内部にまで十分に予熱されるようにしなければならない。疑似発泡型材料化工程では、繊維固有の弾性回復力で繊維が膨張し、疑似発泡が起き、疑似発泡で生成したセルは、大きさが小さく、一様な分布を維持することができる。
予熱工程を使用しない場合、複合材料マットの溶融、加熱、圧着工程の時間が相対的に長くなる。従って、疑似発泡型材料化の効率を高めるには、圧着ベルトの温度を相対的に高く設定しなければならない。ベルトの表面温度を上昇させると、ポリプロピレン繊維と混合された炭素繊維とガラス繊維が固有弾性回復力で疑似発泡型材料を形成し、疑似発泡型材料化工程が自然的に遂行される。しかしながら、マトリックス樹脂であるポリプロピレン繊維はその溶融温度以上の高い温度で処理され劣化する。従って、マトリックスの強度が落ち、生成される疑似発泡型材料複合シートは断熱シートとしての期待値を満足させることができなくなる。
疑似発泡型断熱複合材料は熱伝導率を有していて冷却の際、表層は容易に冷却されるが、気泡化層の厚さによってその冷却速度に差があるので、中心層を冷却させる為に、相当な時間が掛かる。
従来のローラは外部より供給される冷却水を利用して冷却機能を発揮した。しかしながら、ローラとベルトの接触面が小さく冷却効率が低い。従って、断熱シートがシート状を維持するのが難しい。従って、本発明ではベルトの温度を急冷させる方法を採用した。
前記の場合に、ベルトの急冷時には、複合材料マットは、表層と中心層との熱膨脹係数の差によって欠陥が生じ、それ故マットの衝撃強度等物理的強度が低下する恐れにより、ベルト表面を自然空気循環方式を通じて冷却させる。
つまり、マットの急冷時、複合材料マットは異なる熱膨脹係数により形成される複合材料の微細クラックによって物性が悪化される。従って、一定速度にベルトを冷却するため、冷却空気循環方式が採用される。
さらに、冷却速度は繊維強化複合材料の生産速度と連係されている。つまり、強化用繊維の材質によって繊維強化複合材料の断熱特性が異なり、冷却ゾーンの全長も断熱特性に比例する。そこで空気循環冷却機(C130)は冷却効率性を考慮して3〜5台の設置が要望される。
添付図６は本発明に適用される加圧調節装置を概略的に示した図である。
図６に示した通り、１次加圧ゾーン(B100)は上下ローラ(B110 及びB120)と、スプリング(B130)と、高さ調節部(B140)と、ウォームギヤー(B150)さらにスライドブロック(B160)及びスライド(B170)とで構成される。上段ローラ(B110)がスライドブロック(B160)内で垂直運動とゆれ振動を償う。ローラに一定の張力を加えるようにスプリング(B130)が装着される。さらに、スプリング(B130)の圧力により、適当な圧力がローラに加えられるように調節装置が独立に付設されている。
オーバロードの際、ローラ(B110)の水平振動防止のためとローラの駆動がスムーズになされるために、各上段ローラ(B110)の左右端にスプリング(B130)を設置した。このスプリング(B130)の張力が整数値以上を示す場合、予定された圧力より高い圧力がベルトに印加されるように設定される。
トルクメータにより一定値に表示される２個のスプリング(B130)の張力は予定値に設定される。張力は圧力装置の位置によって前述した表１の通り設定され、各種材料によって異なる。
複合材料マットの厚さは位置によって差があるものの、この厚さはスプリング(B130)の張力下でベルトを加圧し複合材料マットを溶融して調整できる。複合材料マットのマトリックス樹脂である熱可塑性樹脂繊維がマット内に60wt%以上含まれている。スプリング(B130)の張力でマットを加圧の際、溶融樹脂の分散と含浸により、望む厚さ及び重量分布が維持できる。偏差が甚だしい過負荷が掛かる場合には、厚さ偏差分スプリング(B130)の張力を高めて加圧すればよい。
例えば、正常状態の場合、複合材料マットの厚さ10mmはベルトに加えられるスプリングの圧力、5.88×106Pa(60kg/cm2)に対応する。さらに、厚さの偏差があって0.5mm増したマットの厚さ10.5mmの場合、0.5mmの増加によりベルトに掛かるスプリング圧力は約7.85×106Pa(80kg/cm2)の圧力を受けるようになる。
ベルトに高い圧力を加える場合、ベルト表面層に隣接して溶融したマトリックス樹脂が複合材料マットの中に含浸する。この際、スプリングの長さが縮まるのを確認することがでる。ローラの加圧過程を通じてベルトの進行方向と反対方向にマトリックス樹脂は容易に溶融及び含浸される。
14.71×106Pa(150kg/cm2)の高い圧力では、繊維がベルトの進行向きの反対向きに配列されるか、又は繊維の搬送操作が妨害されるものの、このような場合ベアリングブロックはスライド可能なタイプでなされ搬送操作が容易になるようにする。
このような条件を満足するために、１次加圧ゾーン(B100)のローラ間の間隔を前記表１の通り調整する。複合材料マットの厚さはベルト表面の温度、圧着圧力及びマットの溶融含浸に必要な圧力によって調整される。
加圧ゾーンのローラにより、固定された複合材料マットがその厚さを減少させる圧力を受ける場合、各ローラに設置されたスライドブロック(B160)のスプリングの張力がマットに印加される。それにより、複合材料マットの平滑性及び厚さが一定に維持できる。
添付の図７は本発明の各種付属装置を概略的に示した図である。図２の通り、付属装置であるワインダー(D100)は、ラミネートフィルムや不織布等を複合材料マット上に積層する機能を有する。図７に示した通り、冷却ローラ(D200)は冷却された複合材料マットの安定性を付与すると共に冷却により複合材料マットの切断を容易にする。さらに、マットを予め定められた大きさに裁断できる裁断機(D300)と、裁断された複合材料シートの搬送装置(D400)も付設される。
産業上の利用可能性
前述した通り、本発明は複合材料繊維マットを利用した繊維強化複合材料の製造方法及び前記繊維強化複合材料の製造装置を提供する。本発明では複合材料のマトリックスとして粉末状或いはペレット状の熱可塑性樹脂の代りに、熱可塑性繊維を使用する。そのような熱可塑性繊維を強化用繊維と高速でマット化して複合材料マットを形成する。前記マットを貯蔵するか又は搬送後にも、望む時点に何時でも繊維強化複合材料シートへの成型が可能である。さらに、一様に繊維が分散した複合材料マットを成型して得た本発明の繊維強化複合材料シートは、強化用繊維とマトリックス樹脂間の均一な接着強度により界面接着性が優れている。結果的に高強度の繊維強化複合材料を製造することでできる。
さらに、強化材及びマトリックスが全て繊維形状である。従って、複合材料マット供給装置を用いて高速回転で、強化用繊維がマトリックス繊維と混合される時、複数の繊維が自己支持され、３次元的構造と類似した配向を有する。従って、この複合材料マットで製造した複合材料シートは耐衝撃強度等が高くなる。さらにマトリックス及び強化材として繊維形状を同時に使用するので、製造された複合材料マット内の繊維形状のマトリックスの分散状態が良好であるばかりでなく、最初分散された繊維の物性がそのまま維持されている。従って、複合材料マットの取扱いが容易で、微細な熱可塑性繊維が溶融時に強化用繊維を相互に接着させることから、界面接着力が向上され強度の補強効果もその分上昇する。
マトリックス樹脂である熱可塑性樹脂繊維と強化用繊維を用いて複合材料マットを形成し、形成された複合材料マットは複合材料シートの製造装置を通じて複合材料シートに成型される。複合材料シートは、ラミネートフィルム等の積層用シート又は、一方向の強化用繊維を積層して、性能が強化された繊維強化複合材料が得られる。さらに、複合材料シートが、複合材料シート製造工程のローラにより圧縮されながら、固有弾性回復力で膨張されることにより、優れた断熱性と均一な大きさ及び分布の疑似発泡セルとを有する軽量疑似発泡型断熱シートを製造できる。
本発明の好適な実施例が説明のために開示されたけれども、当業者は、付属の特許請求の範囲に開示されるように、種々の修正、付加及び置き換えが、本発明の範囲と本質から逸脱せずに為され得ることを理解するであろう。
本発明の上述の及び他の目的、特徴、及び他の効果は、付属の図と関連される発明の詳細な記述からさらに明瞭に理解されるであろう。
本発明の複合材料マットの供給装置を示した構成図。 本発明の繊維強化複合材料シート及び断熱複合材料シートの製造装置を示した構成図。 本発明に適用される複合材料マットの予熱装置を示した概略図。 本発明に適用される加圧ゾーンを示した概略図。 本発明に適用される冷却ゾーンを示した概略図。 本発明に適用される加圧調節装置を示した概略図。 本発明の付属装置を示した概略図。

Claims (6)

  1. 複合材料マットを形成するために、熱可塑性繊維と強化用繊維をフィブリル化し、混繊する工程と、
    前記複合材料マットを分散し、揮散させる工程と、
    前記マット内の前記強化用繊維の配向を固定する場合、前記マット内の前記強化用繊維の分散性を向上すると共に、前記マット内のコイル化された繊維の形状と前記繊維の３次元構造とを維持するために、前記分散し揮散した複合材料マットをニードルパンチング加工する工程と、
    を備えることを特徴とする、共に混繊されマット化された、マトリックス樹脂である前記熱可塑性繊維と前記強化用繊維を含む複合材料マットを加熱し押出して高強度の繊維強化複合材料を製造する方法。
  2. 複合材料シートを製造するため、前記ニードルパンチング加工工程後に、前記複合材料マットを予熱ゾーンで予熱させ、加圧ゾーンで溶融、加圧、及び成型し、冷却ゾーンで冷却する工程を含むことを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
  3. 前記複合材料シートの厚さ及び幅を拡張するために、前記加圧ゾーンを通過した前記複合材料シートを再加熱することにより、前記強化用繊維の固有弾性回復力により疑似発泡型複合材料シートを製造する工程を含むことを特徴とする、請求項２記載の製造方法。
  4. 前記複合材料マットの前記厚さ及び幅が、連続ステンレスベルト及びマグネットローラにより拡張されることを特徴とする、請求項３に記載の製造方法。
  5. 前記複合材料マットを形成するために、前記マトリックス樹脂である前記熱可塑性繊維と前記強化用繊維をフィブリル化し、混繊する装置と、
    前記複合材料マットを分散し、揮散させる装置と、
    前記マット内の前記強化用繊維の配向を固定化する場合、前記マット内の前記強化用繊維の分散性を向上すると共に、前記マット内のコイル形状化された繊維の形状と前記繊維の３次元構造とを維持するために、前記分散し揮散した複合材料マットを前記ニードルパンチング加工する装置と、
    を備えることを特徴とする、高強度を有する繊維強化複合材料の製造装置。
  6. 前記ニードルパンチング加工装置を経て前記連続ステンレスベルトにより搬送された前記複合材料マットを溶融し、加圧し、成型するための、一対の上下のローラと、
    前記熱可塑性樹脂繊維が溶融すると共に溶融した熱可塑性繊維が前記ローラにより前記強化用繊維に含浸されるように、前記ローラを加熱し加圧すると共に、前記熱可塑性樹脂繊維が溶融しない時に前記ローラの過負荷を防止する、スプリングユニットを有する加圧調節装置と、
    を備えることを特徴とする、請求項５に記載の製造装置。

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