JP2008246782A - 繊維強化熱可塑性樹脂テープ製造装置及び繊維強化熱可塑性樹脂テープの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】長繊維テープの製造を目的とし、繊維強化熱可塑性樹脂テープを製造する際に、毛羽に起因する工程トラブルを低減させる。
【解決手段】炭素繊維束を開繊する複数の開繊バー６と、前記開繊バーの後段に設けた毛羽吸引器８と、前記毛羽吸引器の後段に設けてなり内部に複数の摺接バー１８を有する含浸ヘッド１０を備える熱可塑性樹脂含浸機と、前記熱可塑性樹脂含浸機の後段に設けた引取りローラ３４とを有する繊維強化熱可塑性樹脂テープ製造装置１００を用いて、開繊操作で発生する毛羽を前記毛羽吸引器で吸引して除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸させた繊維強化熱可塑性樹脂テープの製造装置及びその製造方法に関する。

強化繊維として炭素繊維を用いる、繊維強化樹脂複合材料は、スポーツ、レジャー、航空、宇宙、一般産業用途に幅広く適用されている。この炭素繊維強化樹脂複合材料は引張強度や引張弾性率が高く、耐熱性、耐薬品性、疲労特性、耐摩耗性に優れ、線膨張係数が小さく、寸法安定性に優れ、電磁波シールド性、Ｘ線透過性に富むなどの優れた特長を有している。

従来は、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を複合材料のマトリックス樹脂として使用することが多かったが、最近、リサイクル性・高速成型性の観点から熱可塑性樹脂がマトリックス樹脂として注目されている。

繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の成型方法としては、コンパウンドペレットを用いる射出成型、長繊維ペレットの射出成型、射出圧縮成型、押出成型、ランダムマットを使用したスタンピング成型などが挙げられる。

これらの成型法に使用する成型材料として比較的長い炭素繊維で強化した長繊維ペレットがある。この長繊維ペレットを用いて成型する場合は、炭素繊維の補強効果を十分発揮させることができるので、高強度の成型品を得ることができる。

尚、本発明において一定長に切断された円形断面状の繊維強化熱可塑性成形材料を長繊維ペレットと呼ぶ。

炭素繊維を強化材とし、熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする長繊維ペレットの製造においては、開繊した炭素繊維束中に、溶融した熱可塑性樹脂を含浸させる。炭素繊維束の開繊が不十分の場合は、熱可塑性樹脂が十分炭素繊維中に含浸せず、その結果、得られる長繊維ペレットは均一性に欠けるものになる。

炭素繊維束を開繊させる方法としては、例えば特許文献１に記載する方法がある。この方法は、溶融している熱可塑性樹脂を満たしたダイス内に複数の開繊バーを配置し、前記開繊バーに振動を与えることにより、開繊する方法である。

特許文献２は、溶融している熱可塑性樹脂を満たしたダイス内に複数の開繊バーを配置し、前記開繊バーと接触する炭素繊維の角度を所定範囲内にすることにより、炭素繊維束を開繊する方法を開示している。

しかし、上記開繊バーを用いて炭素繊維束を十分に開繊しようとすると、炭素繊維の切断が避けられない。切断した炭素繊維は、毛羽になり、更に毛羽が丸まって毛羽溜りとなる。この毛羽溜りは、開繊した炭素繊維束を複数の分割された帯状にする（所謂炭素繊維束の割れを発生させる）。この割れが更に進行すると、炭素繊維束が断糸してしまう(工程トラブルとも言う)問題がある。
特開２００６−２８９７１４号公報 （特許請求の範囲第１項） 特許第３２３４８７７号公報 （特許請求の範囲）

本発明者は、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の成型品を製造する原料である長繊維テープを製造することを目的として、上記問題について検討しているうちに、開繊バーと熱可塑性樹脂含浸機との間に、毛羽吸引器を配置し、開繊バーで十分炭素繊維束を開繊すると共に、開繊操作で発生する毛羽を前記毛羽吸引器で吸引して除去することにより、上記問題を解決できることに想到した。従って、本発明の目的とするところは、十分均一に熱可塑性樹脂を含浸させた繊維強化熱可塑性樹脂テープの製造装置及び同テープの製造方法を提供することにある。尚、本発明において一定長に切断されたテープ状の繊維強化熱可塑性成形材料を長繊維テープと呼ぶ。

上記目的を達成する本発明は、以下に記載のものである。

［１］ 炭素繊維束を開繊する複数の開繊バーと、前記開繊バーの後段に設けた毛羽吸引器と、前記毛羽吸引器の後段に設けてなり内部に複数の摺接バーを有する含浸ヘッドを備える熱可塑性樹脂含浸機と、前記熱可塑性樹脂含浸機の後段に設けた引取りローラとを有する繊維強化熱可塑性樹脂テープ製造装置。

［２］ 熱可塑性樹脂がポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド又はポリカーボネートである［１］に記載の繊維強化熱可塑性樹脂テープ製造装置。

［３］ 炭素繊維束を複数の開繊バーで開繊して開繊された炭素繊維束を得る開繊工程と、前記開繊工程において発生する毛羽を空気と共に吸引することにより除去する毛羽除去工程と、毛羽除去工程で毛羽を除去した開繊された炭素繊維束に熱可塑性樹脂を含浸させて溶融樹脂含浸テープを得る含浸工程と、溶融樹脂含浸テープを冷却して繊維強化熱可塑性樹脂テープを得るテープ冷却工程とを有する繊維強化熱可塑性樹脂テープの製造方法。

［４］ 熱可塑性樹脂がポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド又はポリカーボネートである［３］に記載の繊維強化熱可塑性樹脂テープの製造方法。

［５］ 毛羽除去工程において、開繊された炭素繊維束近傍の空気の吸引流速が１〜４０ｍ/秒である［３］に記載の繊維強化熱可塑性樹脂テープの製造方法。

本発明においては、開繊バーと熱可塑性樹脂含浸機との間に、毛羽吸引器を配置し、開繊操作で発生する毛羽を前記毛羽吸引器で吸引して除去する様にしているので、毛羽溜りに起因する工程トラブルを十分に抑制できる。更に、開繊バーで発生する毛羽は毛羽吸引器で除去できるので、開繊の際の毛羽の発生をあまり心配せずに十分に開繊することができ、その結果開繊した炭素繊維束に均一に熱可塑性樹脂を含浸できる。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂テープの製造装置の一例を示す概略図である。

図１において、１００は繊維強化熱可塑性樹脂テープの製造装置である。２は、原料の炭素繊維束を巻回した炭素繊維束ロールである。このロール２に巻回されている炭素繊維束４は、ポリアクリロニトリル系、ピッチ系等の公知の炭素繊維束の何れでも使用することができる。特に、ポリアクリロニトリル系繊維を炭素化したポリアクリロニトリル系炭素繊維束が高強度であるので好ましい。炭素繊維束は、直径が５〜８μｍが好ましく、より好ましくは６〜８μｍの単繊維が１０００〜２４０００本程度束ねたものが好ましい。

前記ロール２から繰出される炭素繊維束４はその進行方向に沿ってジグザグに配設された所定数(本図に於いては４本)の開繊バー６に摺接しながら開繊される。開繊の程度は特に制限がないが、後述する含浸工程で、十分均一に熱可塑性樹脂が含浸される程度に開繊される必要がある。通常、ロール２から繰出された炭素繊維束ロールの幅の２〜６倍に開繊されることが好ましい。

上記炭素繊維束４が開繊される際には、開繊バー６表面で炭素繊維束４が擦られるため、単繊維が切断され、その結果炭素繊維束４から飛出た毛羽(不図示)が形成されることがある。この毛羽は後の工程において、開繊された炭素繊維束４の割れを生じさせるので除去する必要がある。

８は、開繊バー６と、後述する含浸ヘッド１０との間に配設された毛羽吸引器である。この毛羽吸引器８は、長方形の開口を有するロート状の吸引部１２を有し、この吸引部１２が前記開繊された炭素繊維束１４の上方に近接して配置されている。前記吸引部１２に連結された吸引管８には送風機１６が介装されており、この送風機１６が作動することにより開繊された炭素繊維束１４近傍の空気が吸引され、生じる空気流と共に前記毛羽が開繊された炭素繊維束１４から除去される。空気流に同伴された毛羽は、送風機１６の後方に装備された不図示のフィルターにより捕集される。

吸引部１２の寸法としては、開繊された炭素繊維束１４の進行方向の開口長さは１ｃｍ以上が好ましく、２〜１０ｃｍがより好ましい。開繊された炭素繊維束１４の幅方向開口長さは、開繊された炭素繊維束１４の幅方向長さ以上が好ましく、幅方向長さの１〜１．２倍がより好ましい。

吸引部１２における空気吸引量は、炭素繊維束１４近傍における空気流の流速が１〜４０ｍ／秒が好ましく、２〜２０ｍ／秒がより好ましい。

毛羽が除去された前記開繊された炭素繊維束１４は、次いで含浸ヘッド１０に送られる。含浸ヘッド１０は、その内部に所定数(本図に於いては１２個)の摺接バー１８が、開繊された炭素繊維束１４の進行方向に直角に、且つジグザグに配置されている。

更に、前記含浸ヘッド１０内には溶融した熱可塑性樹脂２０が満たされている。
この熱可塑性樹脂としては、特に制限がないが、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体(ＡＢＳ)、ポリアミド(ナイロン６、ナイロン６−６、ナイロン１１、ナイロン１２、ナイロン４−６、ナイロンＭＸＤ６、ポリアミド６Ｔ、ポリアミド９Ｔなど)、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリプロピレン、高密度ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエーテルイミド、ポリスチレン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンなどが例示される。 特に好ましい熱可塑性樹脂としては、汎用的なポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド等が挙げられる。

熱可塑性樹脂の溶融温度は、当業者に公知のものであり、樹脂に応じて異なるが、通常樹脂の融点よりも２０〜４０℃高い温度が選択される。

前記溶融した熱可塑性樹脂２０は、溶融樹脂押出し機２２に連結した樹脂供給管２４を通して含浸ヘッド１０内に供給される。溶融樹脂押出し機２２は、例えば単軸押出機や二軸押出機の他に射出成型用の押出し機等が適宜利用できる。

前記開繊バー６を通って開繊された炭素繊維束１４は、この含浸ヘッド１０に送られ、その内部で摺接バー１８により、開繊と収束とが繰返される。これにより、開繊された炭素繊維束１４には均一に溶融した熱可塑性樹脂２０が含浸させられ、含浸炭素繊維束２６が形成される。

開繊された炭素繊維束１４に対する熱可塑性樹脂の含浸量は３０〜９５質量％が好ましく、即ち炭素繊維の含有率は７０〜５質量％が好ましい。

次いで、含浸炭素繊維束２６は、含浸ヘッド１０の後段に配置された空圧式のヒートバー２８に送られ、対向する一対の加熱ローラ３０で所定の形状に成型された後、冷却ローラ３２で冷却されてその形状が固定される。その後、引取りローラ３４を通り、目的製品の繊維強化熱可塑性樹脂テープが得られる。

なお、前記繊維強化熱可塑性樹脂テープは、更に不図示のペレタイザ等により裁断されて、所定の形状の繊維強化熱可塑性樹脂テープ又はペレットに形成される。矢印Ｘは、炭素繊維束の進行方向を示す。

図２は、上記繊維強化熱可塑性樹脂テープの製造装置１００を用いて製造する繊維強化熱可塑性樹脂テープの一例を示す斜視図である。このテープ２００は、ほぼ等間隔で平行に引き揃えられた多数の炭素繊維の単繊維５０と、単繊維５０を包含する熱可塑性樹脂５２とからなる。

図３は、繊維強化熱可塑性樹脂テープを小さく裁断して長方形テープ状の長繊維テープに形成した例を示す概略平面図であり、ほぼ等間隔で平行に引き揃えられた多数の炭素繊維の単繊維７０と、単繊維７０を包含する熱可塑性樹脂７２とからなる。この長繊維テープ３００の形状は、一辺の長さが１〜５０ｍｍ、好ましくは５〜３０ｍｍである。厚さは０．０５〜０．２５ｍｍが好ましく、０．１〜０．２ｍｍがより好ましい。 長繊維テープの長さが５０ｍｍを超える場合は、成型時の取扱い性が悪くなる。長繊維テープの長さが１ｍｍ未満の場合は、繊維強化熱可塑性樹脂複合材料成型品中の強化繊維の繊維長が短くなり、成型品の物性が低下するので好ましくない。

上記長繊維テープは、射出成型材料、プレス成形材料等として好ましいものであるが、特に繊維長が成型中に短くならないプレス成形材料として好ましいものである。

なお、上記例においては、吸引部１２の開口形状を長方形としてが、これに限られず、円形、楕円形、多角形等の任意の形状にすることができる。更に、開繊バー６や摺接バー１８の設置本数も任意の本数に変更することができる。

以下、実施例及び比較例により、本発明を更に具体的に説明する。

実施例１、２
図１に示す構成の繊維強化熱可塑性樹脂テープの製造装置を用いて、以下に記載する条件により繊維強化熱可塑性樹脂テープを製造した。

炭素繊維束を巻回したロールから、炭素繊維束（東邦テナックス社製ＳＴＳ２４Ｋ、直径７μｍ、単繊維数 ２４０００フィラメント、繊度１．６ｇ／ｍ）を４ｍ／ｍｉｎで繰出した。テンションを調製して、４本の開繊バーで表１に示す開繊幅に炭素繊維束を開繊させた。

次いで、毛羽吸引器で毛羽を除去した後、開繊した炭素繊維束を含浸ヘッドに送込んだ。毛羽吸引器の開口形状は炭素繊維の進行方向に沿う長さが２．０ｃｍ、幅方向長さが３．５ｃｍの長方形であり、開繊された炭素繊維束の上方３ｃｍに開口部を配置した。１２本の摺接バーを配置した含浸ヘッド内には、加熱溶融したポリアミド６（宇部興産社製ＵＢＥナイロン １０１１ＦＢ）を満たしておいた。含浸ヘッド内でポリアミドを含浸させた炭素繊維束を、次いでヒートバーに送り、更に冷却ローラで冷却することにより、厚さ１５０μｍ、幅３ｃｍの繊維強化熱可塑性樹脂テープを得た。

この製造の際に、割れ発生回数、工程トラブルの発生回数を測定した。その結果を表１に示した。

更に、上記の繊維強化熱可塑性樹脂テープをペレタイザで裁断して、繊維方向長さ２５ｍｍの長繊維テープを得た。

割れ発生回数： 開繊時に発生した毛羽がヒートバー上で毛羽溜りとなり、この毛羽溜りが開繊した炭素繊維束の割れを発生させる現象を言う。

工程トラブル： ヒートバー上で発生した毛羽溜りが蓄積し、取り除くことが不可能になった場合、割れが大きくなり、断糸してしまう現象をいう。

比較例１、２
実施例１、２と同様に操作した。但し、毛羽吸引器を取外し、空気を吸引しなかった。結果を表１に併記した。

本発明の繊維強化熱可塑性樹脂テープの製造装置の一例を示す概略構成図である。 本発明の繊維強化熱可塑性樹脂テープの製造装置で製造する繊維強化熱可塑性樹脂テープの概略構成を示す斜視図である。 本発明の繊維強化熱可塑性樹脂テープの製造装置で製造する繊維強化熱可塑性樹脂テープを裁断して製造した長繊維テープの一例を示す平面図である。

符号の説明

１００ 繊維強化熱可塑性樹脂テープの製造装置
２ 炭素繊維束ロール
４ 炭素繊維束
６ 開繊バー
８ 毛羽吸引器
１０ 含浸ヘッド
１２ 吸引部
１４ 開繊された炭素繊維束
１６ 送風機
１８ 摺接バー
２０ 熱可塑性樹脂
２２ 溶融樹脂押出し機
２４ 樹脂供給管
２６ 含浸炭素繊維束
２８ ヒートバー
３０ 加熱ローラ
３２ 冷却ローラ
３４ 引取りローラ
Ｘ 矢印
２００ 繊維強化熱可塑性樹脂テープ
５０、７０ 単繊維
５２、７２ 熱可塑性樹脂
３００ 長繊維テープ

Claims (5)

1. 炭素繊維束を開繊する複数の開繊バーと、前記開繊バーの後段に設けた毛羽吸引器と、前記毛羽吸引器の後段に設けてなり内部に複数の摺接バーを有する含浸ヘッドを備える熱可塑性樹脂含浸機と、前記熱可塑性樹脂含浸機の後段に設けた引取りローラとを有する繊維強化熱可塑性樹脂テープ製造装置。
2. 熱可塑性樹脂がポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド又はポリカーボネートである請求項１に記載の繊維強化熱可塑性樹脂テープ製造装置。
3. 炭素繊維束を複数の開繊バーで開繊して開繊された炭素繊維束を得る開繊工程と、前記開繊工程において発生する毛羽を空気と共に吸引することにより除去する毛羽除去工程と、毛羽除去工程で毛羽を除去した開繊された炭素繊維束に熱可塑性樹脂を含浸させて溶融樹脂含浸テープを得る含浸工程と、溶融樹脂含浸テープを冷却して繊維強化熱可塑性樹脂テープを得るテープ冷却工程とを有する繊維強化熱可塑性樹脂テープの製造方法。
4. 熱可塑性樹脂がポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド又はポリカーボネートである請求項３に記載の繊維強化熱可塑性樹脂テープの製造方法。
5. 毛羽除去工程において、開繊された炭素繊維束近傍の空気の吸引流速が１〜４０ｍ/秒である請求項３に記載の繊維強化熱可塑性樹脂テープの製造方法。

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