JP2008297670A - 分繊糸織物の製造方法および分繊糸織物 - Google Patents

Abstract

【課題】 ３次元形状への追随性にも優れ、高強度、高弾性率の分繊糸織物の製造方法および分繊糸織物を提供する。
【解決手段】 開繊工程において、繊度３００ｔｅｘ以上の炭素繊維を開繊し、含浸工程において、開繊された炭素繊維に樹脂を含浸させる。分繊工程では、樹脂を含浸した炭素繊維を幅７ｍｍ以下に分繊し、製織工程で、分繊して得られた分繊糸を経糸および緯糸として製織する。
【選択図】 なし

Description

本発明は、樹脂を含浸した分繊糸による分繊糸織物の製造方法および分繊糸織物に関する。

炭素繊維を利用した織物は、積層成形され高強度、高弾性率な機能性材料として注目されている。

特許文献１記載の製造方法によって製造された開繊糸織物は、厚みが薄く、低目付けで樹脂含浸性に優れ、積層成形した複合材は層間剥離しにくいなどの特徴があるが、積層プリフォーム加工や、プリプレグ加工におけるハンドリングで目ずれや目隙を起こしやすく、３次元形状への追随性に劣るため応用範囲が狭いという欠点がある。

０．５Ｋ炭素繊維糸や１Ｋ炭素繊維糸を用いた織物が市販されており、低目付けで樹脂含浸性は比較的よく、積層成形した複合材は３Ｋ炭素繊維糸を使った織物に比べれば開繊糸織物に次いで層間剥離しにくいなどの特徴があり、目合いが小さいことから目ずれや目隙も起こりにくく、３次元形状への追随性にも優れている。しかしながら、０．５Ｋ炭素繊維糸や１Ｋ炭素繊維糸は汎用糸（引張強度が４０００ＭＰａ、引張弾性率が２３５ＧＰａ）しか存在しないため、高強度、高弾性率の物性は得られないことから採用範囲が限定されるという欠点がある。低目付け織物を作製するにも１２５ｇ／ｍ²までと限界がある。

さらに、０．５Ｋ炭素繊維糸や１Ｋ炭素繊維糸は高価であり、当然織物自体も高価になってしまう。

特許文献２記載の分割糸は、低目付け、低目合い織物用の分割糸であるが、開繊後に分繊し、樹脂含浸する工程で作製されるため、毛羽が多く発生し、実用は困難である。

特許第２９８３５３１号公報 特開平１１−３２３６９号公報

本発明の目的は、３次元形状への追随性にも優れ、高強度、高弾性率の開繊糸織物の製造方法および分繊糸織物を提供することである。

本発明は、繊度３００ｔｅｘ以上の炭素繊維を開繊する開繊工程と、
開繊された炭素繊維に樹脂を含浸させる含浸工程と、
樹脂を含浸した炭素繊維を幅７ｍｍ以下に分繊する分繊工程と、
分繊して得られた分繊糸を経糸および緯糸として製織する製織工程とを含むことを特徴とする分繊糸織物の製造方法である。

また本発明は、前記開繊工程では、フィラメント数が６０００本以上の炭素繊維を開繊することを特徴とする。

また本発明は、前記含浸工程で炭素繊維に含浸させる樹脂は、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂であることを特徴とする。

また本発明は、上記の分繊糸織物の製造方法で製造されたことを特徴とする分繊糸織物である。

本発明によれば、開繊工程で、繊度３００ｔｅｘ以上の炭素繊維を開繊し、含浸工程では、開繊された炭素繊維に樹脂を含浸させる。分繊工程では、樹脂を含浸した炭素繊維を幅７ｍｍ以下に分繊し、製織工程では分繊して得られた分繊糸を経糸および緯糸として製織する。

繊度３００ｔｅｘ以上の炭素繊維を用いることにより、高強度、高弾性率で低価格を実現し、分繊前に樹脂を含浸することで毛羽立ちを防止することができる。さらに、幅７ｍｍ以下の分繊糸を用いることで低目付け、低目合い、すなわち３次元形状への追随性に優れた分繊糸織物を実現することができる。

また本発明によれば、前記開繊工程では、フィラメント数が６０００本以上の炭素繊維を開繊することでより高強度、高弾性率な分繊糸織物を実現することができる。

また本発明によれば、前記含浸工程で炭素繊維に含浸させる樹脂として、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を用いることができる。

また本発明は、上記の分繊糸織物の製造方法で製造されることで、高強度、高弾性率で低価格を実現し、毛羽立ちの防止および３次元形状への追随性に優れた分繊糸織物を実現することができる。

以下、本発明を実施の形態によって、より具体的に説明する。
本発明の分繊糸織物の製造方法は、以下のような工程を含んでいる。
（１）開繊工程
（２）含浸工程
（３）分繊工程
（４）製織工程
各工程について説明する。

（１）開繊工程
開繊工程では、まず繊度大きな炭素繊維を、所定の幅にまで開繊する。
開繊工程で開繊される炭素繊維の繊度は３００ｔｅｘ以上であること好ましく、特に好ましくは４００ｔｅｘ以上である。

ここで、ｔｅｘは糸の太さ（繊度）を表す単位で、糸の長さが１０００ｍに対して重さが１ｇの糸を１ｔｅｘと呼ぶ。

繊度が３００ｔｅｘよりも小さいと、強度不足や十分な弾性率が得られないばかりでなく、炭素繊維そのものが高価となってしまう。

開繊方法は、従来既知のものを用いることができる。たとえば、丸棒などで繊維束をしごいて開繊させたり、水流や高圧空気を当てて開繊させたり、超音波照射によって開繊させる。

本実施形態では、２本のロールを所定の間隔で平行に配置し、２本のロール間の領域で鉛直下方から真空引きを行うことにより、２本のロール間の領域で繊維束が下方向にたわんで開繊される負圧空気式を採用している。

負圧空気式の開繊装置は市販されており、たとえば、株式会社ハーモニ産業製の開繊装置などが挙げられる。

このような開繊方法を用いることで繊維の切断や蛇行することなく均一に開繊させることができる。

開繊工程では、たとえば、幅が３〜５ｍｍ程度の原糸を、２０ｍｍ〜３５ｍｍになるまで開繊する。開繊送り速度は、１ｍ／ｍｉｎ〜３０ｍ／ｍｉｎと比較的早い速度で開繊を行うことができる。

（２）含浸工程
含浸工程では、開繊された炭素繊維を所定のマトリックス樹脂に含浸させる。
開繊によって厚み方向の繊維本数が減少したので、これにより、繊維束中へのマトリックス樹脂の含浸を短時間で均一に行うことができる。

含浸させるマトリックス樹脂としては、たとえばエポキシ樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂やポリウレタン樹脂などの熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。

エポキシ樹脂としては、エポキシ樹脂を水に分散させたエマルジョン状態の水系エポキシ樹脂が好ましく、たとえば、ジャパンエポキシレジン株式会社製のエピレッツなどを用いることができる。エポキシ樹脂の分子量は、３０００〜４５００程度と比較的低分子量が好ましい。

フェノール樹脂としては、主溶剤として水を用いたタイプが好ましく、たとえば大日本インキ化学工業株式会社製のフェノライトＨＰシリーズなどを用いることができる。レゾール型フェノール樹脂は高い難燃性を示し、ポットライフが長いという特徴がある。

ポリウレタン樹脂としては、ウレタンエラストマーを水中に分散させた水系ウレタン樹脂が好ましく、たとえば、三井化学ポリウレタン株式会社製のタケラックＷシリーズなどを用いることができる。ポリウレタン樹脂の分子量は、８００００〜１５００００程度とエポキシ樹脂に比べて高分子量である。

開繊された炭素繊維は、マトリックス樹脂が分散された水系溶媒中に、連続的に送られながら一定時間浸漬されたのち引き上げられる。

引き上げられ炭素繊維に付着している水系溶媒を除去するため、乾燥ロールなどによって乾燥させる。

乾燥ロールによる乾燥は、引き上げられた炭素繊維を乾燥ロールの外周面に沿って、半周から２／３周程度接触させた状態で、周方向に連続的に送り出すことで水分を蒸発させる。乾燥ロールとしては、開繊工程において最大速度の場合でも含有水分を蒸発できる熱容量を有することが好ましく、たとえばアルミ合金製で、直径２２０ｍｍ、幅１８０ｍｍ、温度１００〜１２０℃のものを用いることができる。

マトリックス樹脂の付着量は、開繊繊維全体の１％〜４０％程度、好ましくは１０％〜２０％となるように浸漬時間が調整される。

（３）分繊工程
乾燥が終わった段階では、幅広の樹脂含浸したシート状の開繊繊維が得られているので、これを分繊し、所定の幅の分繊糸とする。

シート状の開繊糸は引き続き連続的に送られて、分繊装置にて分繊される。分繊糸の糸幅は、７ｍｍ以下であることが望ましい。７ｍｍより大きいと、３次元形状追随性が著しく劣るようになる。

図１は、分繊装置１の概略を示す外観図である。図面上側が分繊装置の天方向であり、図面下側が分繊装置１の地方向である。図２は、図１の矢符方向から見た分繊装置１の側面図である。

シート状開繊糸は紙面手前から奥に向って、紙面に対して垂直方向に連続的に送られる。複数の丸刃２は、厚み方向に所定の間隔をあけて設けられ、各丸刃の中心を貫通する回転軸によって、一定の回転数で周方向に回転する。

丸刃２の下側には、径方向に一部重なるように刃と刃の間に支持部材３が配置される。支持部材３は、刃同士の間隔より小さい厚みを有する複数の円板からなり、各円板の中心を貫通する回転軸によって、一定の回転数で周方向に回転する。

丸刃２同士の間隔が、すなわち分繊される分繊糸の糸幅となり、分繊された分繊糸は、支持部材３に鉛直下方から支持され、たわむことなく連続的に後段の巻き取り装置に向って送られる。

本発明で扱う炭素繊維は、直径５〜７μｍのフィラメントからなり、開繊後にも各フィラメントが複雑に交絡している状態で後段の処理が施される。送り方向に対して斜めに走るフィラメントを切ろうとすると、そのフィラメントに沿って分繊されてしまうので、分繊後に所望の幅の分繊糸を得ることが難しい。

本発明では、樹脂含浸させたのち、上記のような分繊装置１によって分繊されるので、糸幅にばらつきのない分繊糸が得られる。

丸刃２の回転軸は、たとえばサーボモータによって回転駆動される。用いられるサーボモータの出力は２００Ｗ、定格回転数は３０〜２７００ｒｐｍ、定格トルクは０．４Ｎｍである。

丸刃２の回転数は１０〜９００ｒｐｍ、トルクは１．２Ｎｍに設定される。
エポキシ樹脂をマトリックス樹脂として用いた場合は、回転数は４２０〜５５０ｒｐｍ、送り速度は２〜８ｍ／ｍｉｎとするのが好ましい。
ポリウレタン樹脂をマトリックス樹脂として用いた場合は、回転数は３８０〜４８０ｒｐｍ、送り速度は２〜１８ｍ／ｍｉｎとするのが好ましい。

（４）製織工程
分繊工程で所定の幅に分繊された分繊糸を、径糸および緯糸として製織を行う。製織方法は、特に限定されず従来既知の方法で行うことが可能である。たとえば、ニードル織機、シャットル織機、レピア織機、グリッパー織機などを用いることができ、好ましくはレピア織機でその中でも片レピア織機が特に好ましい。

このようにして得られた分繊糸織物は、目付けが４０〜９０ｇ／ｍ²と軽く、引張強度が１６００〜２９００ＭＰａ、引張弾性率が１５０〜３３０ＧＰａであり、十分高強度で、高弾性率な織物である。

製織工程においては、特に緯糸の供給で捩れが発生しないように供給することおよび最適張力を付与することが重要である。
捩れを防止するには３００ｍｍ毎（好ましくは２００ｍｍ以下ごと）に回転ロールに接触させる。緯糸が３００ｍｍ以上フリーな状態になると捩じれが発生しやすくなる。緯糸への張力は、重量可変の錘を利用して最適張力を付与する。

以上のように、本発明の製造方法により、０．５Ｋ炭素繊維糸や１Ｋ炭素繊維糸を用いた織物に比べて安価で、低目付けの織物を提供することができる。３次元形状の追従性は、従来と大きくは変わらないが、使用可能な炭素繊維の選択幅が広がり、強度面、価格面など幅広いニーズに対応することができる。

分繊装置１の概略を示す外観図である。 図１の矢符方向から見た分繊装置１の側面図である。

符号の説明

１ 分繊装置
２ 丸刃
３ 支持部材

Claims (4)

1. 繊度３００ｔｅｘ以上の炭素繊維を開繊する開繊工程と、
   開繊された炭素繊維に樹脂を含浸させる含浸工程と、
   樹脂を含浸した炭素繊維を幅７ｍｍ以下に分繊する分繊工程と、
   分繊して得られた分繊糸を経糸および緯糸として製織する製織工程とを含むことを特徴とする分繊糸織物の製造方法。
2. 前記開繊工程では、フィラメント数が６０００本以上の炭素繊維を開繊することを特徴とする請求項１記載の分繊糸織物の製造方法。
3. 前記含浸工程で炭素繊維に含浸させる樹脂は、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１または２記載の分繊糸織物の製造方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の分繊糸織物の製造方法で製造されたことを特徴とする分繊糸織物。

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