JP2011202095A - プリプレグの製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強化繊維にマトリクス樹脂を含浸し、シート状に成型したプリプレグの製造装置において、熱可塑性樹脂のような粘度の高いマトリクス樹脂では含浸不良を生じていた。
【解決手段】
含浸ダイが前記導電性繊維束に電流を流すための電極を有することを特徴とするプリプレグの製造装置であり、さらには含浸ダイが含浸ダイの中で前記導電性繊維束の糸道を屈曲させる複数のしごきバーを有し、前記しごきバーのうち少なくとも１本が導電性繊維束に電流を流すための電極であることを特徴とするプリプレグの製造装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、繊維束に樹脂を含浸したプリプレグの製造装置に関する。

炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維を強化繊維として用い、この強化繊維にエポキシ樹脂等のマトリクス樹脂を含浸し、シート状に成型したプリプレグが知られている。また、エポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂ではなく、熱可塑性樹脂を含浸したプリプレグも知られている。一般的に熱硬化性樹脂に比べ、熱可塑性樹脂は粘度が高く含浸不良が生じやすい。

このような複合材料の製造方法としては、マトリックス樹脂原料を押出機にて可塑化し溶融させ、溶融した樹脂を含浸ダイに充填させるとともに、強化繊維束を含浸ダイ中に通過させることにより、強化繊維束に樹脂を含浸する方法が知られている。一般的に樹脂は温度が高いほど粘度は低くなり、含浸しやすくなるため、含浸ダイ中の樹脂温度は高いほど好ましい。一方、樹脂温度が高いと樹脂の劣化が進むため、樹脂の温度を高いままに保つことはできない。そこで、樹脂含浸に先立ち、一定本数の強化繊維を束ねた繊維束を予熱しておくことで熱可塑性樹脂の粘度上昇を抑制することが知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、繊維束は熱容量が小さく、一旦所望の温度以上に加熱しても、すぐに冷えてしまい、粘度上昇抑制の効果は十分ではなかった。

また、繊維集合体を熱可塑性樹脂の溶融温度より高い温度に予熱し、予熱した繊維集合体の両面もしくは片面に熱可塑性樹脂シートをそれぞれ配した後、その両面から加圧して積層材を形成し、積層材を熱可塑性樹脂の溶融温度より高い温度で加熱して熱可塑性樹脂よりなるプリプレグを製造する方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、繊維束に熱可塑性シートを貼り付けた後、ロールで加圧、加熱することで樹脂を溶融状態とし含浸することはできるが、熱可塑性樹脂をあらかじめシートに成形することはコストが掛かり、経済的ではなかった。

特開２００７−３８５９９号公報 特開平５−１６２１２５号公報

そこで本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、繊維束に樹脂を含浸するにあたり、温度低下による樹脂の粘度上昇を抑制し、さらには樹脂を加熱することで粘度を下げ、含浸性を向上させるプリプレグの製造方法を提供することにある。またさらには、上記プリプレグを経済的に製造できる製造装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、連続した導電性繊維束を含浸ダイに導入し、前記導電性繊維束に樹脂を含浸するプリプレグの製造装置であって、前記含浸ダイが前記導電性繊維束に電流を流すための電極を有することを特徴とするプリプレグの製造装置を提供する。

また、本発明の好ましい形態によれば、前記含浸ダイは、前記導電性繊維束を含浸ダイ内に導入する導入孔と、前記含浸ダイ内に樹脂を導入する樹脂供給手段と、前記含浸ダイの中で前記導電性繊維束の糸道を屈曲させる複数のしごきバーと、前記含浸ダイから前記導電性繊維束を導出する導出孔とを有し、前記しごきバーのうち少なくとも１本が導電性繊維束に電流を流すための電極であるプリプレグの製造装置である。

さらには、連続した導電性繊維束に樹脂を含浸させる樹脂含浸の際に、含浸ダイの内部で前記導電性繊維束を通電加熱することを特徴とするプリプレグの製造方法を提供する。

ここで、繊維束の幅をＷ（ｍｍ）、電流を流す繊維束の通電長さをＬ（ｍｍ）、繊維束の送り速度をＶ（ｍ／ｓｅｃ）、樹脂の比熱容量をＣ（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）、樹脂の密度をρ（ｋｇ／ｍ^３）樹脂の温度上昇量をＴ（Ｋ）としたとき、下記式で表される電力量Ｑ（Ｗ）を前記導電性繊維束に与えることを特徴とするプリプレグの製造方法である。
Ｑ＝０．２×Ｗ×Ｌ×Ｖ×ρ×Ｃ×Ｔ×１０^-６

本発明において、導電性繊維束とは、例えば炭素繊維のような導電性を有する繊維束のことをいい、また、カーボン粉末など導電性の材料を錬り込んで導電性を付与した繊維束などでもよい。電気抵抗値が１０^２μΩ・ｍ以下であることが好ましく、さらには電気抵抗値が０．５μΩ・ｍ以上５０μΩ・ｍ以下であることが好ましい。

また、繊維束に含浸される樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂、ポリオレフィン樹脂、スチレン系樹脂、ナイロン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂などの熱可塑性樹脂およびこれらの組み合わせが使用できる。

本発明のプリプレグの製造装置によれば、含浸不良のない高品位なプリプレグを得ることができる。特に、含浸ダイの内部で導電性繊維束に電気を流し、加熱することで、繊維束の周りの樹脂粘度を下げ含浸性を向上させると共に、加熱の影響は繊維束の近傍に限られるため、含浸ダイの中に溜められている樹脂を熱劣化させることなく、継続的に樹脂含浸を行うことができる。

本発明に用いるプリプレグの製造装置の概略図である。 本発明に用いる含浸ダイの繊維束に平行な略垂直断面図である。

以下、本発明のプリプレグの製造装置およびプリプレグの製造方法の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明におけるプリプレグの製造装置の概略図であり、図２は、図１における含浸ダイの繊維束に平行な略垂直断面図である。

図１に示すように、含浸ダイ１の上流工程には、複数個のボビン１１を仕掛けるクリール１０および、ボビン１１から引き出された繊維束Ｙを複数本並べ、開繊してシート状に引き揃える開繊装置１２が備えられ、シート状に引き揃えられた繊維束Ｙを含浸ダイ１に導入し、樹脂を含浸する。含浸ダイ１の下流には、樹脂が含浸され含浸ダイから引き出された繊維束を冷却・固化する冷却装置１４、および、繊維束を引き取る引取装置１５が備えられ、さらにその下流には製造したプリプレグを巻き取る巻取装置１６が備えられている。冷却装置１４としては、水冷の冷却ロールなどが好ましく用いられる。引取装置１５としては、２本のロールでニップしてプリプレグを牽引するタイプのほか、ベルトにてニップするタイプなどが好ましく用いられる。また、冷却装置１４と引取装置１５は別々に設けてもよいが、一連の装置として構成されていても構わない。

含浸ダイ１は、図２に示すように、少なくとも含浸ダイ本体２と、繊維束Ｙを含浸ダイ本体２内に導入する導入孔８と、含浸ダイ本体２から繊維束Ｙを導出する導出孔９と、含浸ダイ本体２内に樹脂供給手段１３から供給される樹脂を導入する樹脂注入口７と、含浸ダイ本体２の中で繊維束Ｙの糸道を屈曲させるしごきバー４を有している。このうち、しごきバー４のうち少なくとも１本が繊維束Ｙに電流を流すための電極（電極のしごきバー）３である。電極３は、含浸ダイ本体２に対して短絡させないように絶縁体で絶縁されている。絶縁体としては、ガラス、セラミックス、プラスチックなどを用いることができるが、強度や耐熱性の面からセラミック系のいわゆる碍子を用いることが好ましい。電極３と含浸ダイ本体２、もしくは複数の電極間にトランス６を介して、電源５から電力が供給される。なお、トランス６を介することなく、直接電源５から電力を供給しても構わない。

次に、本発明におけるプリプレグの製造方法について述べる。含浸ダイ１の上流工程において、繊維束Ｙは、ボビン１１から引き出された後、複数本並べられ開繊されてシート状に引き揃えられる。樹脂供給手段１３で溶融され、供給された樹脂により含浸ダイ本体２の内部は満たされており、シート状に引き揃えられた繊維束Ｙを、含浸ダイ本体２の導入孔８から含浸ダイ本体２内部に導入する。含浸ダイ本体２の内部に設けられたしごきバー４で繊維束Ｙをしごくことにより樹脂を含浸させ、含浸ダイ本体２の導出孔９から含浸ダイ１の外に引き出し、冷却装置１４にて冷却固化された後、引取装置１５を経て、巻取装置１６にて巻き取られる。

しごきバー４のうち少なくとも１本は繊維束Ｙに電流を流すための電極３であり、電極３と含浸ダイ本体２、もしくは複数の電極間に電圧を掛け、繊維束Ｙに電流を流す。電流が流れることにより繊維束Ｙはジュール熱により発熱し、繊維束Ｙの周りの樹脂が加熱される。加熱され温度が上昇した樹脂は粘度が下がり容易に繊維束Ｙに含浸される。

電圧の印加は交流でも直流でも構わない。また、含浸ダイの本体側を地絡させ、電極３側に電圧を印加すると、含浸ダイ１の上流側および下流側に電流が漏れ出すことがなく好ましい。複数の電極間に電圧を掛ける場合も、３本以上の電極を用い、外側の電極２本を地絡させ、内側の電極との間に電圧を掛けることが好ましい。

電流は、電極３と最短の距離に位置するしごきバー４、含浸ダイの導入孔８、または導出孔９のいずれかのうち、最短の距離となる繊維束Ｙに流れる。また、電流の流れる場所を安定化させるため、好ましくは、電極３の近傍に含浸ダイ本体２と導通したしごきバー４を設け、これらのしごきバー間で繊維束Ｙに電流を流すことがよい。電流を流すことが可能な繊維束Ｙの長さ（以下、「通電長さ」という）は、短すぎると抵抗が小さすぎるため、電流が流れすぎてしまう場合があり、また通電長さを長くしすぎると含浸ダイ１の大型化を招くため、２ｃｍ〜２０ｃｍの範囲であることが好ましい。より好ましくは５ｃｍ〜１０ｃｍの範囲である。

繊維束Ｙにかける電力量は、樹脂温度を１０℃〜３０℃上昇させる程度が好ましく、これよりも低いと樹脂の粘度低下の効果が不十分である場合があり、また、これよりも高温まで温度を上げると樹脂の劣化を招く場合がある。温度上昇に必要な電力量は繊維束Ｙの送り速度、繊維束Ｙの通電長さ、樹脂の熱伝導率、樹脂の熱容量、樹脂の流動などの影響を受けるものの、おおよそ、繊維束Ｙの周囲０．１ｍｍの範囲の樹脂を１０℃〜３０℃上昇させるだけの電力量（熱量）に設定すればよい。つまり、繊維束Ｙに流す電力量をＱ（Ｗ）、繊維束の幅をＷ（ｍｍ）、電流を流す繊維束Ｙの通電長さをＬ（ｍｍ）、繊維束Ｙの送り速度をＶ（ｍ／ｓｅｃ）、樹脂の比熱容量をＣ（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）、樹脂の密度をρ（ｋｇ／ｍ^３）樹脂の温度上昇量をＴ（Ｋ）とすると
Ｑ＝０．２×Ｗ×Ｌ×Ｖ×ρ×Ｃ×Ｔ×１０^-６
となる。よって、上記式にＴ＝１０℃〜３０℃を代入した電力量になるように、電極に印加する電圧を調整する。また、より好ましくは、Ｔ＝１５℃〜２５℃となる電力量となるように電圧を印加する。また、プリプレグの厚みが厚い場合は、含浸距離と同程度の厚み分、つまりプリプレグの厚みの半分程度の範囲の樹脂を加熱することが好ましい。また、厚みの薄い状態で樹脂を含浸し、含浸後に繊維束を厚み方向に重ねて、所望の厚みのプリプレグを製造することも好ましい。

上記範囲の電圧を繊維束Ｙに印加することで、過剰な加熱による樹脂の劣化を抑制しつつ、樹脂の粘度を下げることによる含浸性向上の効果を得ることができる。また、このような構成を取ることで、含浸ダイ１の内部の樹脂温度を溶融温度ぎりぎりまで下げることができ、ポットライフの延長により稼働時間を延ばすことができるほか、放熱量も抑制でき省エネの効果も得ることができる。

（実施例１）
以下、実施例をあげて本発明の効果を具体的に説明する。

本発明の実施例では、図１に示したプリプレグの製造装置を用いて、プリプレグを製造した結果を示す。導電性強化繊維束としては炭素繊維を用い、マトリクス樹脂としてはナイロン６を用いた。用いた炭素繊維の電気抵抗値は５μΩ・ｍであり、また、ナイロン６の融点は２２５℃、密度は１．１２×１０^３ｋｇ／ｍ^３、比熱は１．９２６ｋＪ／ｋｇ・Ｋであった。

フィラメント数１２，０００、単糸径７μｍの炭素繊維からなる繊維束Ｙを、５本並列に並べ、開繊装置１２にて開繊し、幅５０ｍｍのシート状にした後、含浸ダイ１に導入した。含浸ダイの導入孔８は幅５０ｍｍ、高さ０．８ｍｍのスリット状とした。含浸ダイ本体２には、樹脂供給手段１３として押出機を用いてナイロン樹脂が可塑化、溶融されて供給されており、含浸ダイ本体２の温度はナイロン６の融点より５℃高い２３０℃に保持した。含浸ダイ本体２の内部には５０ｍｍの間隔で３本のしごきバー４を設置した。また、３本のうち中央のしごきバーを電極（電極のしごきバー）３とし、含浸ダイ本体２とは碍子を介して固定されており、電気的に絶縁させた。

トランス６を介して、含浸ダイ本体２と電極３との間に電圧を印加した。３本のしごきバーの内、上流と下流のしごきバー４は含浸ダイ本体２に電気的に接続されており、電流は上流のしごきバー４と電極３の間、及び下流のしごきバー４と電極３の間の繊維束Ｙに流れる。巻取速度は５ｍ／分とし、樹脂温度を２０℃上昇させることを狙い、３．４ｋＷの電力量となるように、繊維束Ｙに電圧を印加した。

この結果、含浸ダイの導出孔９は幅５０ｍｍ、高さ０．１ｍｍのスリット状とし、このスリットの形状にプリプレグが賦形された。含浸ダイ１から引き出されたこのプリプレグを冷却ロール（冷却装置１４）にて冷却固化し、引取ロール（引取装置１５）にて牽引し、巻取装置１６に巻き取った。

巻き取ったプリプレグを切断し、断面を電子顕微鏡にて観察したところ、繊維束Ｙの内部に気泡は残存しておらず、良好な含浸性が確認できた。

本発明は、プリプレグの製造装置に限らず、導電性の繊維束に樹脂を含浸させ複合材料を製造する製造装置であれば、いずれにも応用することができ、その応用範囲は、これらに限られるものではない。

１：含浸ダイ
２：含浸ダイ本体
３：電極（しごきバー）
４：しごきバー
５：電源
６：トランス
７：樹脂注入口
８：導入孔
９：導出孔
１０：クリール
１１：ボビン
１２：開繊装置
１３：樹脂供給手段
１４：冷却装置
１５：引取装置
１６：巻取装置
Ｙ：繊維束

Claims (4)

1. 連続した導電性繊維束を含浸ダイに導入し、前記導電性繊維束に樹脂を含浸するプリプレグの製造装置であって、前記含浸ダイが前記導電性繊維束に電流を流すための電極を有することを特徴とするプリプレグの製造装置。
2. 前記含浸ダイは、前記導電性繊維束を含浸ダイ内に導入する導入孔と、前記含浸ダイ内に樹脂を導入する樹脂供給手段と、前記含浸ダイの中で前記導電性繊維束の糸道を屈曲させる複数のしごきバーと、前記含浸ダイから前記導電性繊維束を導出する導出孔とを有し、前記しごきバーのうち少なくとも１本が導電性繊維束に電流を流すための電極であることを特徴とする請求項１記載のプリプレグの製造装置。
3. 連続した導電性繊維束に樹脂を含浸させる樹脂含浸の際に、含浸ダイの内部で前記導電性繊維束を通電加熱することを特徴とするプリプレグの製造方法。
4. 繊維束の幅をＷ（ｍｍ）、電流を流す繊維束の通電長さをＬ（ｍｍ）、繊維束の送り速度をＶ（ｍ／ｓｅｃ）、樹脂の比熱容量をＣ（Ｊ／ｋｇ・Ｋ）、樹脂の密度をρ（ｋｇ／ｍ^３）樹脂の温度上昇量をＴ（Ｋ）としたとき、下記式で表される電力量Ｑ（Ｗ）を前記導電性繊維束に与えることを特徴とする請求項３記載のプリプレグの製造方法。
   Ｑ＝０．２×Ｗ×Ｌ×Ｖ×ρ×Ｃ×Ｔ×１０^-６

Images