JP2011074343A

JP2011074343A - プリプレグの製造方法及びプリプレグの製造装置

Info

Publication number: JP2011074343A
Application number: JP2009230470A
Authority: JP
Inventors: Akira Shimizu; 安起良志水
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-10-02
Filing date: 2009-10-02
Publication date: 2011-04-14

Abstract

【課題】プリプレグの製造においてボイドの発生を抑制することである。
【解決手段】プリプレグの製造方法は、単繊維４０が隣接して束ねられたシート状の繊維束３０を開繊し、樹脂１７を含浸させるプリプレグの製造方法であって、シート状の繊維束３０の厚さ方向を薄くしながら平坦化し、開繊して開繊繊維シート３２を成形する開繊工程（Ｓ１２）と、開繊繊維シート３２にスリットを入れて分割し複数本の等幅分割繊維シート３４を成形する分割工程（Ｓ１４）と、各々の等幅分割繊維シート３６に樹脂１７を含浸し、樹脂含浸繊維シート３６を成形する含浸工程（Ｓ１６）と、各々の樹脂含浸繊維シート３６を厚さ方向に揃えて重ね合わせプリプレグ３８を成形する重ね合わせ工程（Ｓ１８）を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、プリプレグの製造方法及びプリプレグの製造装置に係り、特にシート状の繊維束に樹脂を含浸させるプリプレグの製造方法及びプリプレグの製造装置に関する。

圧縮水素ガスや圧縮天然ガスを貯蔵する圧力容器、例えば車両用高圧水素タンクの圧力容器には、軽量化のために、繊維強化複合材料が用いられている。繊維強化複合材料には、適当な強度を有する繊維に樹脂を含浸させたプリプレグが成形用中間材料として用いられる。

特許文献1には、熱可塑性樹脂を一様に含浸させてプリプレグシートを製造するための開繊繊維シートの製造方法が開示されている。開繊繊維束群の全幅を交差方向へ断続的に局部押圧し、かつ、幅方向に沿って直線的に進退摩擦することにより、近接隣り合う開繊繊維束の側辺の繊維同士が接線状態に寄り添って全体が一様な高品質の開繊繊維シートを高能率に製造することが可能であり、この様に繊維同士が平行で接線同士が寄り添うことで、樹脂の分布密度が均等な開繊繊維シートが得られると述べられている。

特開２００５−０２９９１２号公報

特許文献1に示される様に、従来技術によって適当な強度を有する繊維に樹脂を含浸させたプリプレグを製造することができる。ここで、例えば極細のカーボン繊維に樹脂を含浸させて成形されるプリプレグは、カーボン繊維の本数が多くなるほどカーボン繊維間に樹脂が入りにくくなり、樹脂が含浸されない部分、いわゆるボイドが発生しやすい。そのために、所望幅で高速にプリプレグを成形する場合等に品質の維持が困難になることがある。プリプレグを用いて高圧水素タンクを製造する場合、プリプレグ中のボイドは高圧水素タンクの強度低下を招く。

本発明の目的は、ボイドの発生を抑制して開繊繊維シートに樹脂を含浸させることが可能なプリプレグの製造方法およびプリプレグの製造装置を提供することである。

本発明に係るプリプレグの製造方法は、単繊維が隣接して束ねられたシート状の繊維束を開繊し、樹脂を含浸させるプリプレグの製造方法であって、シート状の繊維束の厚さ方向を薄くしながら平坦化し、開繊して開繊繊維シートを成形する開繊工程と、開繊繊維シートにスリットを入れて分割し複数本の等幅分割繊維シートを成形する分割工程と、各々の等幅分割繊維シートに樹脂を含浸し、樹脂含浸繊維シートを成形する含浸工程と、各々の樹脂含浸繊維シートを厚さ方向に揃えて重ね合わせプリプレグを成形する重ね合わせ工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係るプリプレグの製造方法において、開繊工程は、シート状の繊維束の幅方向を断面積が一定の条件の下で所望幅の整数倍に開繊することが好ましい。

本発明に係るプリプレグの製造装置は、単繊維が隣接して束ねられたシート状の繊維束を開繊し、樹脂を含浸させるプリプレグの製造装置であって、シート状の繊維束の厚さ方向を薄くしながら平坦化し、開繊して開繊繊維シートを成形する開繊部と、開繊繊維シートにスリットを入れて分割し複数本の等幅分割繊維シートを成形する分割部と、各々の等幅分割繊維シートに樹脂を含浸し、樹脂含浸繊維シートを成形する含浸部と、各々の樹脂含浸繊維シートを厚さ方向に揃えて重ね合わせプリプレグを成形する重ね合わせ部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係るプリプレグの製造装置において、開繊部は、シート状の繊維束の幅方向を断面積が一定の条件の下で所望幅の整数倍に開繊することが好ましい。

また、本発明に係るプリプレグの製造装置において、開繊部は、開繊するときの単繊維の積み重ね段数と樹脂含浸の均一性について予め求められている関係に基づいて、開繊するときの単繊維の厚さ方向の積み重ね段数を設定することが好ましい。

また、本発明に係るプリプレグの製造装置において、開繊部は、単繊維の積み重ね段数を１以上３以下に開繊することが好ましい。

また、本発明に係るプリプレグの製造装置において、開繊部は、単繊維にカーボン繊維を用いることが好ましい。

上記構成のプリプレグの製造方法およびプリプレグの製造装置によれば、開繊繊維シートを複数本の等幅分割繊維シートに分割して樹脂を含浸させるので、樹脂が含浸される箇所が増加し樹脂が含浸されやすくなり、ボイドの発生を抑制することができる。

本発明に係る実施の形態において、プリプレグの製造方法の手順を説明するフローチャートである。本発明に係る実施の形態において、プリプレグの製造装置の構成を示す上面図である。本発明に係る実施の形態において、プリプレグの製造装置の構成を示す断面図である。本発明に係る実施の形態において、シート状の繊維束を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、開繊繊維シートを説明する図である。本発明に係る実施の形態において、開繊するときの単繊維の積み重ね段数と樹脂含浸の均一性について予め求められている関係を説明する図である。本発明に係る実施の形態において、等幅分割繊維シートを説明する図である。本発明に係る実施の形態において、樹脂含浸繊維シートを説明する図である。本発明に係る実施の形態において、プリプレグを説明する図である。本発明に係る実施の形態において、単繊維が隣接した構造を示す図である。

以下に図面を用いて、本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下において述べる材料、成形条件等は、説明のための１例であり、プリプレグの仕様あるいはプリプレグが用いられる製品の仕様に合わせ、適当な他の材料、成形条件を採用することができる。例えば、繊維として、カーボン繊維（ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒ：ＣＦ）を説明するが、カーボン繊維以外の適当な強度を有する繊維を用いることもできる。カーボン繊維には、レーヨン系カーボン繊維、ポリアクリロニトリル系カーボン繊維、またはピッチ系カーボン繊維等があげられる。カーボン繊維以外の適当な強度を有する繊維には、ガラス繊維、アラミド繊維等があげられる。

また、単繊維として、直径が５μｍ以上７μｍ以下の単繊維が用いられる場合を説明するが、これ以外の直径の単繊維を用いてもよい。シート状の繊維束は、構成される単繊維の本数が約２４０００本のものを説明するが、構成される単繊維の本数は限定されることはなく約３５０００本等でもよい。樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル系樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができるが、用途に応じて熱可塑性樹脂を用いることもできる。また、プリプレグを用いた製品として高圧水素タンクをあげて説明するが、高圧水素タンク以外の製品を、プリプレグを用いて成形するものとしてもよい。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じて以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、車両用高圧水素タンクを形成するときに用いられるプリプレグの製造方法の手順を説明するフローチャートである。ここでは、単繊維が隣接して束ねられたシート状の繊維束を開繊して、幅方向を複数本に分割し樹脂を含浸させた後、重ね合わせし所望幅に揃えるプリプレグを製造する手順が示される。図２と図３は、上記の手順に従ってプリプレグを製造するプリプレグ製造装置１０の構成を示す図であり、図２は上面図、図３は断面図である。最初にプリプレグの製造装置１０の構成を説明し、次にプリプレグの製造装置１０を用いたプリプレグの製造方法の手順を図１に沿って説明する。

図２と図３において、プリプレグの製造装置１０は、シート状の繊維束３０を開繊する開繊部２２と、開繊部２２で得られた開繊繊維シート３２を分割する分割部２４と、分割部２４で得られた等幅分割繊維シート３４に樹脂１７を含浸させる含浸部２６と、含浸部２６で得られた樹脂含浸繊維シート３６を重ね合わせする重ね合わせ部２８を備える。

シート状の繊維束３０は、例えば、直径が５μｍ以上７μｍ以下のカーボン繊維の単繊維が隣接して束ねられたものでプリプレグの原材料となるものである。シート状の繊維束３０は、例えば、構成される単繊維の本数が約２４０００本のものを用いることができる。

シート状の繊維束３０は、例えば、図２に示すように、準備部２０としてのクリールスタンドのボビンに巻きつけられたシート状の繊維束３０が開繊部２２へ送り出されて供給される。

開繊部２２は、シート状の繊維束３０を厚さ方向に薄くしながら平坦化し、開繊して開繊繊維シート３２を成形する機能を有する。シート状の繊維束３０の厚さ方向を薄くしながら平坦化する手段としては、図３に示すように加圧ローラ１２を用いることができる。ここでは、シート状の繊維束３０の幅方向を断面積が一定の条件の下で所望幅Ｗの整数倍に開繊することにより開繊繊維シート３２を成形する。

分割部２４は、開繊繊維シート３２に所望幅Ｗのスリットを入れ分割し、複数本の等幅分割繊維シート３４を成形する機能を有する。分割する手段には、図３に示すように適当なカッター１４等を用いることができる。所望幅Ｗとは、高圧水素タンク等の最終製品を製造するときに用いられるプリプレグの幅であるが、それ以外の任意の幅を設定することもできる。

含浸部２６は、等幅分割繊維シート３４に樹脂１７を含浸させ、樹脂含浸繊維シート３６を成形する機能を有する。樹脂１７の含浸は、複数本の等幅分割繊維シート３４を樹脂槽１６の中に潜らせることで行われる。このように含浸は、各々の等幅分割繊維シート３４の厚さ方向の両側および幅方向の両側にそれぞれ樹脂１７が存在する状態で行われる。したがって、分割せずに１つのシート状の繊維束３０に樹脂１７を含浸させた場合と比較して、複数本の等幅分割繊維シート３４に樹脂１７を含浸させた場合のほうが、樹脂１７が含浸される箇所が多くなり、樹脂１７が含浸されやすくなる。樹脂槽１６には、適当な温度に加熱して溶融状態とした熱硬化性樹脂を収容する槽を用いることができる。

重ね合わせ部２８は、各々の樹脂含浸繊維シート３６を幅方向に揃えて重ね合わせ、所望幅Ｗのプリプレグ３８を成形する機能を有する。重ね合わせする手段には、図３に示すように、幅揃え機構と畳みこみ機構を有する重ね合わせ装置１８を用いることができる。得られたプリプレグ３８はシート状繊維束３０と同じ幅であり、かつ所望幅Ｗであるため、高圧水素タンク等の最終製品を製造するときに用いることができる。

次に、上記構成の作用について図１に戻って説明する。まず、シート状の繊維束３０を準備部２０において準備する（Ｓ１０）。シート状の繊維３０は、上記のように約２４０００本のカーボン繊維の単繊維が隣接して束ねられたものである。図４は、シート状の繊維束３０を示す図である。シート状の繊維束３０は、幅８ｍｍであり、かつ単繊維４０の厚さ方向の積み重ね段数が１５段のものである。

次に、シート状の繊維３０を開繊する（Ｓ１２）。ここでは、開繊部２２において加圧ローラ１２で、上記のようにシート状の繊維３０が幅８ｍｍから５倍の幅４０ｍｍに開繊される。図５は、開繊部２２で得られた開繊繊維シート３２を示す図である。断面積が一定の条件の下で開繊するため、上記のように幅が５倍に開繊されるときは厚さが５分の１になるため、単繊維４０の厚さ方向の積み重ね段数は１５段から３段になる。別の例として、幅８ｍｍを３倍の２４ｍｍに開繊した場合には、単繊維４０の厚さ方向の積み重ね段数は１５段から５段になる。

ここで、図６は単繊維４０の厚さ方向の積み重ね段数と含浸された樹脂１７の均一性について実験により予め求められた関係を示す図である。横軸は単繊維４０の厚さ方向の積み重ね段数を示したものであり、単位は段数である。縦軸には樹脂１７の均一性がとられており、単位は任意である。均一性の指標としては、例えば、繊維シートにおける単位面積当たりのボイド発生量をあげることができる。図６に示されるように、単繊維４０の厚さ方向の積み重ね段数が、１５段から４段までは、単繊維４０の厚さ方向の積み重ね段数が減少するに従って、樹脂１７の均一性が向上する傾向にある。単繊維４０の厚さ方向の積み重ね段数が３段以下では有意差が無いと言える。この実験結果から、開繊後の単繊維４０の厚さ方向の積み重ね段数は１段以上３段以下が好ましい。なお、他の条件次第では、開繊後の単繊維４０の厚さ方向の積み重ね段数は１段以上３段以下以外が好ましいこともある。

次に、開繊部２２で得られた開繊繊維シート３２を分割する（Ｓ１４）。ここでは、分割部２４において、幅４０ｍｍかつ単繊維の厚さ方向の積み重ね段数が３段である開繊繊維シート３２を所望幅Ｗである幅８ｍｍになるように複数本に分割することで、複数本の等幅分割繊維シート３４が得られる。ここで、分割する数は開繊部２２で整数倍にした整数値と同じ整数値になる。

図７は、等幅分割繊維シート３４を示す図である。図５に示す５倍に開繊された幅４０ｍｍの開繊繊維シート３２を、開繊部２２で整数倍にした整数値と同じ整数値である５で割り、５本の所望幅Ｗである幅８ｍｍの等幅分割繊維シート３４が得られている。

次に、分割部２４で得られた各々の等幅分割繊維シート３４に樹脂１７を含浸させる（Ｓ１６）。ここでは、含浸部２６において、複数本の等幅分割繊維シート３４に厚さ方向の上下と幅方向の左右から樹脂１７が含浸される。このように開繊繊維シート３２に樹脂１７を含浸させる場合には、樹脂１７は開繊繊維シート３２の厚さ方向の上下と幅方向の左右から含浸される。分割前の開繊繊維シート３２と比較して、複数本に分割することで樹脂１７が含浸される面が４面から、４面に分割した数を掛けた面数である４×５＝２０面に増えている。

図８は、樹脂含浸繊維シート３６を示す図である。上記のように、５本に分割後、樹脂１７が含浸されることで樹脂１７が含浸される個所が４面から２０面に増え、ボイドの発生が抑制される。

次に、含浸部２６で得られた樹脂含浸繊維シート３６を重ね合わせる（Ｓ１８）。ここでは、重ね合わせ部２８において、５本の樹脂含浸繊維シート３６の幅を揃えて重ね合わせる。図９は、重ね合わせて得られたプリプレグを示す図である。このように、最終的に、幅８ｍｍの所望幅Ｗである１本のプリプレグとして完成させる（Ｓ２０）。

図１０は単繊維４０が隣接した構造を示す図である。樹脂１７を含浸させる前の、シート状の繊維束３０と開繊繊維シート３２と等幅分割繊維シート３４は、図１０に示すように、単繊維４０同士が隣接した状態であるが、樹脂１７を含浸させた後の、樹脂含浸繊維シート３６とプリプレグ３８は、樹脂１７を含有するため体積膨張し、厚さが変わる。樹脂１７を含浸させる前のシート状の繊維束３０の厚さと、樹脂１７を含浸させた後、最終的に得られるプリプレグ３８の厚さは以下のようにして求められる。

単繊維４０の比質量、樹脂１７の比質重、また樹脂含有質量％を与えると、プリプレグ３８の中に占める単繊維４０と樹脂１７の体積百分率を求めることができる。例えば、単繊維４０の比質量を１．８ｇ／ｃｍ³、樹脂１７の比質重を１．２ｇ／ｃｍ³、樹脂含有質量％を２９質量％とした場合は、単繊維４０の体積百分率は約６２％、樹脂１７の体積百分率は約３８％となる。

次に、シート状の繊維束３０の幅、シート状繊維束３０を構成する単繊維４０の本数、単繊維の直径４２、また上記で求められた体積百分率を与えると、シート状の繊維束３０の断面積と、プリプレグ３８の断面積がそれぞれ求められる。例えば、シート状の繊維束３０を幅８ｍｍ、シート状繊維束３０を構成する単繊維４０の本数を２４０００本、単繊維の直径４２を５μｍ、単繊維４０の体積百分率を約６２％、樹脂１７の体積百分率を約３８％とした場合は、シート状の繊維束３０の断面積が約０．５２ｍｍ²、プリプレグ３８の断面積が約０．７６ｍｍ²となる。

次に、シート状の繊維束３０の幅と上記で求められた断面積を与えると、シート状の繊維束３０の厚さと、プリプレグ３８の厚さをそれぞれ求めることができる。例えば、シート状の繊維束３０の幅を８ｍｍ、シート状の繊維束３０の断面積を約０．５２ｍｍ²、プリプレグ３８の断面積を約０．７６ｍｍ²とした場合は、シート状の繊維束３０の厚さが約６５μｍ、プリプレグ３８の厚さが約９５μｍとなる。

図５に戻って開繊繊維シート３２の厚さが約１４μｍとなることを説明する。単繊維４０の厚さ方向の積み重ね段数を段数ｎとすると、厚さ＝５+（ｎ−１）×５√３／２の式で求めることができる。厚さの単位はμｍとする。例えば、図５に示す開繊繊維シート３２の厚さはｎ＝３であるから約１４μｍとなる。

図８に戻って樹脂含浸繊維シート３６の厚さが約１９μｍとなることを説明する。上記の開繊繊維シート３２の厚さと上記の体積百分率を与えると、樹脂含浸繊維シート３６の厚さ＝開繊繊維シート３４の厚さ×（１００＋樹脂％）／１００の式を用いて樹脂含浸繊維シート３６の厚さを求めることができる。例えば、開繊繊維シート３４の厚さを１４μｍ、樹脂１７の体積百分率を約３８％とした場合は、樹脂含浸繊維シート３６の厚さは約１９μｍとなる。

本発明に係るプリプレグの製造方法およびプリプレグの製造装置は、例えば、車両に搭載される高圧水素タンクの形成等に用いられる繊維強化複合材料として利用できる。

１０製造装置、１２加圧ローラ、１４カッター、１６樹脂槽、１７樹脂、１８重ね合わせ装置、２０準備部、２２開繊部、２４分割部、２６含浸部、２８重ね合わせ部、３０シート状繊維束、３２開繊繊維シート、３４等幅分割繊維シート、３６樹脂含浸繊維シート、３８プリプレグ、４０単繊維、４２単繊維の直径。

Claims

単繊維が隣接して束ねられたシート状の繊維束を開繊して、樹脂を含浸させるプリプレグの製造方法であって、
シート状の繊維束の厚さ方向を薄くしながら平坦化し、開繊して開繊繊維シートを成形する開繊工程と、
開繊繊維シートにスリットを入れて分割し複数本の等幅分割繊維シートを成形する分割工程と、
各々の等幅分割繊維シートに樹脂を含浸し、樹脂含浸繊維シートを成形する含浸工程と、
各々の樹脂含浸繊維シートを厚さ方向に揃えて重ね合わせプリプレグを成形する重ね合わせ工程と、
を含むプリプレグの製造方法。
請求項1に記載のプリプレグの製造方法において、
開繊工程は、シート状の繊維束の幅方向を断面積が一定の条件の下で所望幅の整数倍に開繊することを特徴とするプリプレグの製造方法。
単繊維が隣接して束ねられたシート状の繊維束を開繊して、樹脂を含浸させるプリプレグの製造装置であって、
シート状の繊維束の厚さ方向を薄くしながら平坦化し、開繊して開繊繊維シートを成形する開繊部と、
開繊繊維シートにスリットを入れて分割し、複数本の等幅分割繊維シートを成形する分割部と、
各々の等幅分割繊維シートに樹脂を含浸し、樹脂含浸繊維シートを成形する含浸部と、
各々の樹脂含浸繊維シートを厚さ方向に揃えて重ね合わせ、プリプレグシートを成形する重ね合わせ部と、
を備えることを特徴とするプリプレグの製造装置。
請求項３に記載のプリプレグの製造装置において、
開繊部は、シート状の繊維束の幅方向を断面積が一定の条件の下で所望幅の整数倍に開繊することを特徴とするプリプレグの製造装置。
請求項３または４に記載のプリプレグの製造装置において、
開繊部は、開繊するときの単繊維の積み重ね段数と樹脂含浸の均一性について予め求められている関係に基づいて、開繊するときの単繊維の厚さ方向の積み重ね段数を設定することを特徴とするプリプレグの製造装置。
請求項３から５のいずれか１に記載のプリプレグの製造装置において、
開繊部は、単繊維の厚さ方向の積み重ね段数を１以上３以下に開繊することを特徴とするプリプレグの製造装置。
請求項３から６のいずれか１に記載のプリプレグの製造装置において、
開繊部は、単繊維にカーボン繊維を用いることを特徴とするプリプレグの製造装置。