JP2007283492A - 繊維強化樹脂シートの製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 塗布された樹脂ペースト上にシート状の補強繊維材を積層させたり、ガラス繊維の切断片を散布して含浸させた後に、樹脂ペーストと補強繊維材との含浸性を向上させ、更には気泡の排出を効率良く行うことのできる繊維強化樹脂シートの製造方法及び製造装置を提供する
【解決手段】 気泡排出工程において、略板状の凸状部を複数個有するロールであって、該凸状部の先端部が円周方向及び軸方向の双方に対して不連続に配置されているロールにより気泡を排出する。
【選択図】 図７

Description

本発明は、樹脂ペーストと補強繊維材とを含浸させて繊維強化樹脂シートを製造する方法及び装置に関し、更に詳細には、樹脂ペーストにガラス繊維の切断片を振りかけて含浸させるＳＭＣ（シートモールディングコンパウンド）や、樹脂ペーストにガラスマット繊維基材を含浸させるプリプレグ等の繊維強化樹脂シートの製造方法及び製造装置に関する。

繊維強化プラスチックは、不飽和ポリエステル樹脂やビニルエステル樹脂等の熱硬化性樹脂とガラス繊維などの強化用繊維から構成され、その優れた機械的強度、成形性、経済性の点から自動車、住宅等幅広い用途に使用されている。この中でもガラス繊維としてストランドマットを使用し、これを不飽和ポリエステル樹脂に含浸させた繊維強化樹脂シートは、強度・弾性率の面からも優れ、ある程度の厚みがあっても柔軟で、成形型に対する型沿い性、保形性にも優れているので、大型部材に使われることが多い。

繊維強化樹脂シートの一例として、シートモールディングコンパウンド（ＳＭＣと略する）が挙げられる。ＳＭＣは一般的に不飽和ポリエステル樹脂に炭酸カルシウム等の無機充填材、過酸化物等の添加剤を混合した樹脂ペーストにガラス繊維を含浸させ、増粘させて流動性のないシート状としたものであり、浴槽、システムバス等の大型成形品の成形に多く用いられている。

また、不飽和ポリエステル樹脂やビニルエステル樹脂のような熱硬化型樹脂に光硬化剤を溶解させた樹脂ペーストをガラス繊維に含浸させ、これを半ゲル状態まで増粘させた光硬化性樹脂シートもある。この繊維強化樹脂シートは光で硬化させるため光透過性を有しており、一般的には透明性を有するシートとしてＦＲＰ成形品の緊急補修、コンクリートの面補修等に用いられている。

なお、補強繊維材としては、ガラス繊維の他、カーボン繊維やビニロン繊維等の有機繊維があり、要求される強度や性能によって、含浸する樹脂と補強繊維材の含有量や種類が選択される。

このような繊維強化樹脂シートの製造において気泡の混入があると、ボイドが発生したり、強度低下を来したりするなどの問題が生じるため、樹脂ペーストを補強繊維材に含浸させるに際し、気泡の混入を極力低減する必要がある。

気泡の少ないプリプレグを製造するために、例えば、樹脂ペーストを補強繊維材よりなるシート状基材に含浸する際に超音波振動体を接触させる方法（特許文献１）、樹脂ペーストを塗布した面の反対面側から加温する方法（特許文献２）、補強繊維材よりなるシート状基材をその一表面が沈まないようにして溶剤に浸漬したのち樹脂ペーストを含浸させる方法（特許文献３）や、樹脂ペースト中で凹部と凸部を有するロールの間に補強繊維材よりなるシート状基材を通過させる方法（特許文献４）などが提案されている。

また、ＳＭＣ中の気泡の混入を低減するために、含浸工程において振動を与えながらＳＭＣを製造する方法（特許文献５）や特殊な表面形状を有するロールにより気泡を排出するＳＭＣの製造方法（特許文献６）なども提案されている。
特開平１０−０３６５３１号公報（特許請求の範囲、図１〜図４） 特開平０９−２２５９３８号公報（特許請求の範囲、図１、図２） 特開平０８−０４８７９７号公報（特許請求の範囲、図１） 特開平０７−１００８３０号公報（特許請求の範囲、図１） 特開平０９−１５０４１５号公報（特許請求の範囲、図１、図２、図５） 特開２００４−０９９８２０公報（請求項９、図４、図６）

本発明は、塗布された樹脂ペースト上にシート状の補強繊維材を積層させたり、ガラス繊維の切断片を散布して含浸させた後に、樹脂ペーストと補強繊維材との含浸性を向上させ、更には気泡の排出を効率良く行うことのできる繊維強化樹脂シートの製造方法及び製造装置を提供することにある。

本発明は、樹脂ペーストと補強繊維材とを含浸させてコンベアベルト押さえロール方式により繊維強化樹脂シートを製造する方法であって、
（１）下部キャリアフィルム上に該樹脂ペーストを塗布する樹脂ペースト塗布工程と、
（２）塗布された該樹脂ペースト上に該補強繊維材を積層する補強繊維材積層工程と、
（３）該樹脂ペーストと該補強繊維材を含浸させる含浸工程と、
（４）該補強繊維材中の気泡を排出する気泡排出工程と
を含み、
該気泡排出工程において、略板状の凸状部を複数個有するロールであって、該凸状部の先端部が円周方向及び軸方向の双方に対して不連続に配置されているロールにより気泡を排出することを特徴とする繊維強化樹脂シートの製造方法を提供するものである。

また、本発明は、樹脂ペーストと補強繊維材とを含浸させてコンベアベルト押さえロール方式により繊維強化樹脂シートを製造する装置であって、
（１）下部キャリアフィルム上に該樹脂ペーストを塗布する樹脂ペースト塗布手段と、
（２）塗布された該樹脂ペースト上に該補強繊維材を積層する補強繊維材積層手段と、
（３）該樹脂ペーストと該補強繊維材を含浸させる含浸手段と、
（４）該補強繊維材中の気泡を排出する気泡排出手段と
を有し、
該気泡排出手段が、略板状の凸状部を複数個有するロールであって、該凸状部の先端部が円周方向及び軸方向の双方に対して不連続に配置されているロールであることを特徴とする繊維強化樹脂シートの製造装置を提供するものである。

本発明による繊維強化樹脂シートの製造方法によれば、効率的に補強繊維材中の気泡を排出することができるので、ボイドが少なく、強度に優れるプリプレグやＳＭＣを製造することができる。

以下、図面を参照しながら本発明を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態を示す繊維強化樹脂シートの製造装置の概略正面図、図２は本発明の一実施形態を示す繊維強化樹脂シートの製造工程を示す模式図、図３は図２に示す実施例で製造された繊維強化樹脂シートの断面模式図、図４はプレ含浸用に使用するロールの一実施形態を示す斜視模式図、図５は図４に示すロールを用いた時の長手方向断面模式図、図６はプレ含浸用に使用するロールの他の実施形態を示す長手方向断面模式図、図７は含浸・脱泡用に使用するロールの一実施形態を示す平面模式図及びＡ−Ａ断面図、図８は図７に示すロールを用いた時の搬送方向断面模式図である。なお、各図において同じ機能のものは同じ符号を用いている。

図１から図８において、Ｍは本発明にかかる繊維強化樹脂シートの製造ライン、１は繊維強化樹脂シート、２は搬送部、３はサポートロール、４は搬送ベルト、５は駆動モータ、６は駆動プーリ、７は下部巻出部、８は下部キャリアフィルム、９は樹脂ペースト、１０は樹脂ペースト塗布装置、１１はガラスマット巻出部、１２はガラスストランドマット、１３はプレ含浸ロール、１４は突起部、１５は含浸・脱泡ロール、１６は凸状部、１７は含浸・脱泡ロール１５の自重キャンセル空圧回路である。

主として図２に基づき、繊維強化樹脂シートの製造工程を説明する。下部巻出部７より１０〜５０μｍの厚さのポリエチレンやポリプロピレン等の熱可塑性樹脂である下部キャリアフィルム８を、搬送部２の搬送ベルト４上に送り出し、この下部キャリアフィルム８上に、樹脂ペースト９を樹脂ペースト塗布装置１０により所定の厚さに塗工する。樹脂ペースト塗布装置としては公知のナイフコーター、ダイコーター、バーコーター、コンマコータ等を用いればよい。この際、樹脂ペースト９の塗布幅は、下部キャリアフィルム８の両側からはみ出さないようにするために、４０〜８０ｍｍ程度内側に位置するように塗布するのが望ましい。

樹脂ペースト９としては、不飽和ポリエステル樹脂やビニルエステル樹脂等の熱硬化性樹脂を主成分としたものに、炭酸カルシウム、炭酸マグネシウム、酸化チタン等の充填剤、熱可塑性樹脂粉末等の増粘剤、ｔ−ブチルパーオキシ−２−エチルヘキサノエート、ベンゾイルパーオキサイド等の硬化用触媒、ワックス等の内部離型剤、ゴム状重合体等の低収縮化剤、着色剤等を適宜混合して粘度を２０〜６００ポイズ程度としたペースト状物である。

また、樹脂ペースト９として紫外線硬化樹脂を用いても良い。紫外線を実質的に遮断した状態では長時間にわたって硬化せず、紫外線照射によって完全硬化するものである。紫外線硬化樹脂は公知の組成物が使用でき、例えばカチオン重合系エポキシ樹脂、ラジカル重合性ビニルエステル樹脂あるいは不飽和ポリエステル樹脂等が挙げられる。

搬送ベルト４は、駆動モータ５に取り付けた駆動プーリ６により搬送部２を走行する。なお、搬送ベルト４の内側には、適宜の位置にベルトを受けるサポートロール３が配置されている。一方、ガラスマット巻出部１１より、補強繊維材であるガラスストランドマット１２を送り込み、樹脂ペースト９上に積層する。

このガラスストランドマット１２としては、ガラスチョップドストランドマット、ガラスコンティニアスマット、ガラスクロス、ロービングクロス等を挙げることができる。例えば、チョップドストランドマットは、所定の長さに切断したストランドをランダム方向に分散させて均一な厚みに積層し、結合材によりマット状に成形したものである。チョップドストランドマットは、不飽和ポリエステル樹脂成形品の圧縮強度及び面圧強さの向上に寄与する。チョップドストランドマットとしては、重量が３００〜７００ｇ／ｍ^２、特に４００〜７００ｇ／ｍ^２（或いは目付）のものが好適に成形品の強化材として使用される。

また、ロービングクロスは、所定の繊維径、番手のロービングを織った平織りクロスで主に成形品の圧縮強度及び面圧強さの向上に寄与するが、重量が４００〜８００ｇ／ｍ^２、特に６００〜８００ｇ／ｍ^２のものが成形品の強化材として好適に使用される。

下部キャリアフィルム８上に塗布された樹脂ペースト９上にガラスストランドマット１２を積層すると、搬送中、ガラスストランドマット１２がその自重によって樹脂ペースト９中に浸漬していくことなる（図３参照）。

この状態では、未だ樹脂ペースト９とガラスストランドマット１２は十分に濡れた状態ではないため、図４に示すように表面に突起部１４を多数備えたプレ含浸ロール１３でガラスストランドマット１２を軽く押しつけて、樹脂ペースト９とガラスストランドマット１２が濡れるようにプレ（予備）含浸させ、後工程（含浸・脱泡工程）での含浸が十分に行き渡るようにする。なお、上記のように自重によって樹脂ペースト中に補強繊維材が浸漬するような含浸工程で十分であるような場合には、プレ含浸は必ずしも必要ない。

図５に示すように、プレ含浸ロール１３の表面に取り付けた突起部１４は、その先端部がガラスストランドマット１２を大きな面で押さえ付けないように、接触面積が小さく、かつ喰い込まないような凸状体であって、角部は丸みを設けたものがよい。なお、図６には、突起部１４の他の形状として先端部を球状にしたものを示した。

このような形状とすれば、樹脂ペースト９をガラス繊維の間に含浸させたときに、滲み出た樹脂が突起部１４の表面に付着する量を少なくさせることができばかりでなく、長時間の運転にも安定してシートを搬送することもできる。

なお、突起部１４は、ロールの外筒にネジ込む部材でも、溶接等で固着できる部材でもよい。また、突起部１４の配列としては、同じタイミングでガラスマット表面を押さえ付けないように千鳥状とするか、あるいは軸線に対して円周方向に位置をずらすなどして、数と位置を考慮して形成するのが好ましい。例えば、軸方向の配列ピッチＰａとしては６０〜１２０ｍｍ、円周方向のピッチＰｃとしては２０〜６０ｍｍ、個数としては１〜４個／ｃｍ^２程度の範囲で適宜選択すれば良い。

また、プレ含浸ロール１３の表面からの突起部１４の高さＴａは、ガラスストランドマット１２を押さえて樹脂ペースト９が滲み出た場合に、プレ含浸ロール１３の表面に付着しないようにガラスストランドマット１２の厚みの１．５〜３．５倍であり、具体的には１．２〜１２ｍｍ程にするのが良い。突起部１４の高さが低いと、プレ含浸ロール１３の表面に樹脂ペースト９が付着し、プレ含浸ロール１３が離れる時にガラスストランドマット１２を引っ張り上げ、安定した搬送が妨げられるおそれがあるからである。

なお、ガラスストランドマット１２は表面が滑りやすいが、プレ含浸ロール１３の表面に突起部１４を設け、下部キャリアフィルム８と同調して走行するようにして搬送力を与えるようにすれば、ガラスマット巻出部１１から安定して引き出すことができる効果も奏する。

プレ含浸工程を経た後、含浸・脱泡工程に移るが、この工程での主たる目的は気泡排出であり、ガラス繊維同士の中にある空気を外部に排出し、ガラスストランドマット１２と樹脂ペースト９とを十分に濡らした状態とすることである。ガラスストランドマット１２の内部に空気が閉じこめられていると、成形時に膨れの原因となったり、ボイドが生じたりして、見映え、強度を損なう問題があるからである。

この工程では、プレ含浸ロール１３の突起部１４の先端部よりもガラスストランドマット１２に対する接触面積がより小さい接触面積を有するような含浸・脱泡ロールを使用する。そして、ガラス繊維の間に入り込みやすいような略線接触となるような凸状部を有する構造とすることで、気泡排出効率を向上させることができる。

具体的には、図７に示すような平面視略板状の凸状部１６を複数個有する含浸・脱泡ロール１５とする。なお、この凸状部１６は断面視略台形状又は山形となっていて、先端部は丸みを有しており、ロール表面の円周方向及び軸方向の双方向に対して不連続に配置されている（図７、図８参照）。

このような形状の凸状部１６とすることにより、ガラスストランドマット１２との接触面積を小さくすることができると共に、ロール表面の円周方向及び軸方向の双方向に対して不連続に配置されているので、効率的に揉みほぐしつつ気泡を排出し、含浸性を高めることができる。

また、凸状部１６の側部に穴１６ａを有するようにすると、押し付けられたガラスストランドマット１２のガラス繊維がこの穴１６ａに潜り込み／抜け出しを交互に繰り返すようになるので、ガラス繊維周囲の空気を抜きつつ外部に押し出すことをより効果的に行うことができ、含浸・脱泡効率をより向上させることができる。この穴１６ａは凹部として形成してもよいが、ガラス繊維の潜り込み／抜け出しの効果を更に効果的にするために、貫通孔として形成してもよい。

この凸状部１６の配列としては、ロールの略中央部からロール両端部に向かって左右方向に対称に台形スクリューを切り、スパイラルに連続しているネジ部をミーリング等でカットして台形部を形成することができる。また、鎖をロール表面に巻き付けて固定することにより、より簡便に凸状部１６を配列させることができる。この場合でも、鎖をロールの略中央部からロール両端部に向かって左右方向に対象にスパイラル状に巻き付けて固定して、含浸・脱泡ロール１５とすることもできる。鎖によれば、平面視略板状の形状となり、断面視略山形となっていて、側部に穴を有している構造と同等となるからである。しかも、その先端部は丸みを有しており、ロール表面の円周方向及び軸方向の双方向に対して不連続に配置させた含浸・脱泡ロールを簡便に作製することができる。

このように、凸状部１６をロール中央部からロール両端部に向かって、対称となるようにスパイラル状に配置させるのは、樹脂ペースト９から排出された気泡が両端部へと押し出されて排出され易くなり、脱泡効果をさらに高めることができるからである。

具体的には、凸状部１６の軸方向の配列ピッチＰｂを８〜１５ｍｍ、個々の凸状部１６の円周方向のピッチＰｄを１０〜３０ｍｍ程度、より好ましくは６〜１２ｍｍ程度の範囲で適宜設ければ良い。さらに個数としては１〜４／ｃｍ^２程度の範囲とすることも好ましい。そして、樹脂ペースト９から排出された気泡が両端部へと押し出されて排出され易くなるようにするために、含浸・脱泡ロール１５を平面視した場合に、各凸状部１６が円周方向で成す角度αは１０〜２０°の範囲とすることが好ましく、１４〜１６°がより好ましい（図７参照）。

含浸・脱泡ロール１５の円筒面からの凸状部１６の高さＴｂは、ガラスストランドマット１２を押さえたとき、ガラスマット厚みの１．５〜３．５倍程度の１．２〜１２ｍｍ程にするのがよい。凸状部１６の高さが低いとロール本体に樹脂ペーストが接触して樹脂ペーストの粘着力で含浸・脱泡ロール１５とガラスストランドマット１２が接着し易くなるからである。一方、凸状部１６の高さＴｂが高いと、接触面が表面点接触の状態となりガラスマットを押す力が小さくなり、含浸性が低下する。

また、含浸・脱泡ロールは複数本設けることも好ましく、上流側に配置する含浸・脱泡ロールにおける凸状部の配列ピッチＰｂよりも、下流側に配置する含浸・脱泡ロールにおける凸状部の配列ピッチＰｂを拡がるようにしたロールとして配置することもよい。これは、下流側に行くに従って、順次緩やかに揉みほぐすようにして、気泡の排出と含浸効率を高めることができるからである。

なお、含浸・脱泡ロール１５の加圧力は空圧シリンダを用いるが、ここでは圧力の調整用として自重キャンセル空圧回路１７を設けており、圧力調整器により、下方へ含浸・脱泡ロール１２を押し下げる空気圧力と、上方へ押し上げる空気圧力の両者のバランスにより、含浸・脱泡ロール１２の自重を見かけ上ゼロとなるようにして、ソフトタッチで含浸・脱泡を行うことができるようになっている。

この方式によれば、含浸・脱泡ロール１５のロールギャップを機械的に調整したり、単動式の空圧シリンダの空気圧調整をするよりも簡便であり、複数組のロールを用いて厚みの変わるシート状物の加圧に使用するような場合には特に好適であり、凸状部１６による含浸・脱泡作用を促しつつ、加圧によって下部キャリアフィルム８の両側から樹脂ペースト９がはみ出ることを防止することができる。

例えば、組となっている上部のロールがφ１００ｍｍ、長さが１、２００ｍｍ、重量２５ｋｇであって、ガラスマットの製品幅１、０００ｍｍである時、内径φ４０ｍｍのエアーシリンダをロールの軸両端に２個使用して、下降空気圧力を約０．０５ＭＰａ、上昇空気圧力約０．２ＭＰａとすると、ロール重量をゼロにすることができ、この場合の自重キャンセル圧力は０．１５ＭＰａということになる。

こうして気泡排出工程を経た繊維強化樹脂シートは、その後、上部にフィルムを設けて巻き取ることにより、ロール状の原反とすることができる（図示せず）。また、紫外線硬化型樹脂を使用したようなシートであっても、加熱処理をして増粘させて取扱い容易の状態となるようにして、上部にフィルムを設けて巻き取ることにより、ロール状の原反とすることもできる（図示せず）。

本発明の一実施形態を示す繊維強化樹脂シートの製造装置の概略正面図 本発明の一実施形態を示す繊維強化樹脂シートの製造工程を示す模式図 図２に示す実施例で製造された繊維強化樹脂シートの断面模式図 プレ含浸ロールの一実施形態を示す斜視模式図 図４に示すプレ含浸ロールを用いた時の長手方向断面模式図 プレ含浸ロールの他の実施形態を示す長手方向断面模式図 含浸・脱泡用に使用するロールの一実施形態を示す平面模式図及びＡ−Ａ断面図 図７に示す含浸・脱泡ロールを用いた時の搬送方向断面模式図

符号の説明

Ｍ 繊維強化樹脂シートの製造ライン
１ 繊維強化樹脂シート
２ 搬送部
３ サポートロール
４ 搬送ベルト
５ 駆動モータ
６ 駆動プーリ
７ 下部巻出部
８ 下部キャリアフィルム
９ 樹脂ペースト
１０ 樹脂ペースト塗布装置
１１ ガラスストランドマット巻出部
１２ ガラスストランドマット
１３ プレ含浸ロール
１４ 突起部
１５ 含浸・脱泡ロール
１６ 凸状部
１７ 自重キャンセル空圧回路

Claims (6)

1. 樹脂ペーストと補強繊維材とを含浸させてコンベアベルト押さえロール方式により繊維強化樹脂シートを製造する方法であって、
   （１）下部キャリアフィルム上に該樹脂ペーストを塗布する樹脂塗布工程と、
   （２）塗布された該樹脂ペースト上に該補強繊維材を積層する補強繊維材積層工程と、
   （３）該樹脂ペーストと該補強繊維材を含浸させる含浸工程と、
   （４）該補強繊維材中の気泡を排出する気泡排出工程と
   を含み、
   該気泡排出工程において、略板状の凸状部を複数個有するロールであって、該凸状部の先端部が円周方向及び軸方向の双方に対して不連続に配置されているロールにより気泡を排出することを特徴とする繊維強化樹脂シートの製造方法。
2. 該凸状部の先端部が丸みを有している請求項１に記載の繊維強化樹脂シートの製造方法。
3. 該凸状部の側部に穴を設けた請求項１又は２に記載の繊維強化樹脂シートの製造方法。
4. 該側部の穴が貫通孔である請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化樹脂シートの製造方法。
5. 該凸状部が、ロール中央部からロール両端部に向かって、対称となるようにスパイラル状に配置されている請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化樹脂シートの製造方法。
6. 樹脂ペーストと補強繊維材とを含浸させてコンベアベルト押さえロール方式により繊維強化樹脂シートを製造する装置であって、
   （１）下部キャリアフィルム上に該樹脂ペーストを塗布する樹脂塗布手段と、
   （２）塗布された該樹脂ペースト上に該補強繊維材を積層する補強繊維材積層手段と、
   （３）該樹脂ペーストと該補強繊維材を含浸させる含浸手段と、
   （４）該補強繊維材中の気泡を排出する気泡排出手段と
   を有し、
   該気泡排出手段が、略板状の凸状部を複数個有するロールであって、該凸状部の先端部が円周方向及び軸方向の双方に対して不連続に配置されているロールであることを特徴とする繊維強化樹脂シートの製造装置。
   
   
   
   
   

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