JP2013053392A - 一方向不連続繊維帯の製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】牽切された繊維の牽切に用いるロールへの巻き付きや、繊維束のばらけを防止しつつ、連続繊維からなる繊維束を牽切して、低コストで一方向不連続繊維帯を製造できる装置および方法の提供。
【解決手段】繊維束Ａを巻き出す巻出手段１０、繊維束Ａを開繊する開繊手段２０、帯状繊維束Ｂの両面に支持体Ｓ，Ｓを供給して挟持する支持体供給手段３０、支持体Ｓ，Ｓで挟持された帯状繊維束Ｂを、直列に配置した複数の延伸用ロールユニット４０ａ，４０ｂ，４０ｃにより、その長さ方向に延伸処理して、支持体Ｓ，Ｓを牽切することなく支持体Ｓ，Ｓで挟持された連続繊維を牽切する牽切手段４０、帯状繊維束Ｃを支持体Ｓ，Ｓと共に巻き取る巻取手段５０を具備する一方向不連続繊維帯の製造装置１。
【選択図】図１

Description

本発明は、一方向不連続繊維帯の製造装置および製造方法に関する。

繊維強化樹脂成形品を得る際に使用する成形材として、一方向に配向した連続繊維材料に熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を含浸させた一方向プリプレグが知られている。このような一方向連続繊維プリプレグでは、プリプレグ自体の変形が十分でないため曲面形状に賦形する場合には形状に沿わせることが難しく、所望の形状となるよう裁断してプリフォームを製作する必要がある。また、プリプレグでは保管期間や保管状態の管理も配慮する必要があるなど煩雑である。

これに対して、繊維材料として一方向に配向した短繊維（一方向不連続繊維）を含むドライプリフォームも検討されている。一方向に配向した短繊維では擬似的に伸びるため、優れた曲面賦形性を発揮するものと期待される。すなわち、一方向連続繊維（長繊維）で立体形状のプリフォームを得る場合には、しわが発生するが、一方向不連続繊維は繊維が短いために、プリフォームとした際には擬似的に伸びる。よって、所望する任意の形状に成形した時に型へのなじみもよく、しわの発生も低減されると考えられ、低コストで高品位の成形が可能なドライプリフォームが得られる。

化学繊維を牽切する牽切機としては、例えば、正方形に配置された４つの駆動シリンダと、駆動シリンダに接する押圧ローラからなる２つの５つ組みローラにより区画された切断区域にて、該切断区域の終端に位置する駆動シリンダを、切断区域の始端に位置する駆動シリンダより速く回転させて、アクリル繊維などの化学繊維を牽切する牽切機が提案されている（特許文献１参照）。

また、不連続繊維からなる一方向シートの製造方法としては、例えばチョップド繊維を一方向に配列させたシートを、搬送用ローラよりも回転数の早い引き取り用ローラで引き取る（ドラフト）ことで、チョップド繊維を引き揃える方法が提案されている（特許文献２参照）。

特開昭６０−１７３１２２号公報 特開２００９−２７４４１２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の牽切機では、牽切された繊維が牽切に用いるロールに巻き付いたり、繊維束がばらけて品質が低下したりすることがあった。特に、高強度の連続繊維を牽切する際は、駆動シリンダの圧力を高めたり、回転速度差を大きくしたりする必要があり、ロールへの巻き付きが顕著であり、繊維束がばらけやすかった。
また、特許文献２に記載の方法では、チョップド繊維を用いるため、コストがかかりやすかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、牽切された繊維の牽切に用いるロールへの巻き付きや、繊維束のばらけを防止しつつ、連続繊維からなる繊維束を牽切して、低コストで一方向不連続繊維帯を製造できる装置および方法を提供することを目的とする。

本発明の一方向不連続繊維帯の製造装置は、一方向に配向した連続繊維からなる繊維束の巻回物から繊維束を巻き出す巻出手段と、巻き出された繊維束を開繊して帯状繊維束とする開繊手段と、帯状繊維束の両面に支持体を供給し、帯状繊維束を支持体で挟持する支持体供給手段と、支持体で挟持された帯状繊維束を、直列に配置した複数の延伸用ロールユニットにより、その長さ方向に延伸処理して、支持体を牽切することなく支持体で挟持された連続繊維を牽切する牽切手段と、連続繊維が牽切された帯状繊維束を支持体と共に巻き取る巻取手段とを具備することを特徴とする。

また、本発明の一方向不連続繊維帯の製造方法は、一方向に配向した連続繊維からなる繊維束の巻回物から繊維束を巻き出す巻出工程と、巻き出された繊維束を開繊して帯状繊維束とする開繊工程と、帯状繊維束の両面に支持体を供給し、帯状繊維束を支持体で挟持する支持体供給工程と、支持体で挟持された帯状繊維束を、直列に配置した複数の延伸用ロールユニットにより、その長さ方向に延伸処理して、支持体を牽切することなく支持体で挟持された連続繊維を牽切する牽切工程と、連続繊維が牽切された帯状繊維束を支持体と共に巻き取る巻取工程とを有することを特徴とする。

本発明の一方向不連続繊維帯の製造装置および製造方法によれば、牽切された繊維の牽切に用いるロールへの巻き付きや、繊維束のばらけを防止しつつ、連続繊維からなる繊維束を牽切して、低コストで一方向不連続繊維帯を製造できる。

本発明の一方向不連続繊維帯の製造装置の一例を模式的に示す概略構成図である。

以下、本発明について、図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の一方向不連続繊維帯の製造装置の一例を模式的に示す概略構成図である。
この例の一方向不連続繊維帯の製造装置１は、一方向に配向した連続繊維からなる繊維束Ａの巻回物から繊維束Ａを巻き出す巻出手段１０と、巻き出された繊維束Ａを開繊して帯状繊維束Ｂとする開繊手段２０と、帯状繊維束Ｂの両面に支持体Ｓ，Ｓを供給し、帯状繊維束Ｂを支持体Ｓ，Ｓで挟持する支持体供給手段３０と、支持体Ｓ，Ｓで挟持された帯状繊維束Ｂをその長さ方向に延伸処理して、支持体Ｓ，Ｓを牽切することなく支持体Ｓ，Ｓで挟持された連続繊維を牽切する牽切手段４０と、連続繊維が牽切された帯状繊維束（一方向不連続繊維帯）Ｃを支持体Ｓ，Ｓと共に巻き取る巻取手段５０とを具備する。

上記製造装置１における巻出手段１０は、繊維束Ａの巻回物から繊維束Ａを巻き出す手段である。
開繊手段２０は、ジグザグ状に配置された複数のバー２１からなり、繊維束Ａの走行方向を屈曲させることにより、繊維束Ａをバー２１で擦過もしくは揺動によって開繊して、帯状繊維束Ｂとする手段である。
支持体供給手段３０は、帯状繊維束Ｂの両面に支持体Ｓ，Ｓを供給し、帯状繊維束Ｂを支持体Ｓ，Ｓで挟持する手段である。
巻取手段５０は、連続繊維が牽切された帯状繊維束（一方向不連続繊維帯）Ｃを支持体Ｓ，Ｓと共に巻き取る手段である。

牽切手段４０は、支持体Ｓ，Ｓで挟持された帯状繊維束Ｂをその長さ方向に延伸処理して、繊維束を構成する連続繊維を支持体Ｓ，Ｓを牽切することなく牽切する手段である。
この牽切手段４０は、回転駆動する２本の主動ロール４１，４１と、主動ロール４１，４１に隣接する従動ロール４２とを備えた３つの延伸用ロールユニット４０ａ，４０ｂ，４０ｃを備える。３つの延伸用ロールユニット４０ａ，４０ｂ，４０ｃは、直列かつ互いに平行に配置され、上流側から下流側に向かって主動ロール４１，４１の回転速度が速くなるように設定されている。また、各延伸用ロールユニット４０ａ，４０ｂ，４０ｃにおいては、主動ロール４１，４１と従動ロール４２との間に、支持体Ｓ，Ｓで挟持された帯状繊維束Ｂが通過するようになっている。

上記製造装置１を用いた一方向不連続繊維帯の製造方法の一例について説明する。
この製造方法では、まず、巻出手段１０により一方向に配向した連続繊維からなる繊維束Ａを連続的もしくは間欠的に巻き出す（巻出工程）。
ここで、連続繊維としては、例えば、ガラス繊維、アラミド繊維、炭素繊維等を使用できる。これらの中でも、比強度、比剛性に優れることから、炭素繊維が好ましい。

ついで、繊維束Ａを開繊手段２０に備わる複数のバー２１で擦過もしくは揺動によって開繊して、帯状繊維束Ｂとする（開繊工程）。
ついで、開繊された帯状繊維束Ｂの両面に、支持体供給手段３０から支持体Ｓ，Ｓを供給し、この支持体Ｓ，Ｓにより帯状繊維束Ｂを挟持して、帯状繊維束Ｂを支持体Ｓ，Ｓと共に牽切手段４０へと送る（支持体供給工程）。

本発明においては、支持体Ｓ，Ｓが、連続繊維を牽切する牽切工程により牽切されないことを特徴とする。

支持体Ｓ，Ｓとしては、連続繊維を牽切する牽切工程により牽切されなければ特に限定されないが、樹脂フィルムやゴムシートなどが挙げられる。
樹脂フィルムとしては、例えば、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリ塩化ビニル、ナイロン、ポリエステル等が挙げられる。
ゴムシートとしては、天然ゴムシートや、スチレン−ブタジエンゴム、ブタジエンゴム、イソプレンゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、エチレン−プロピレンゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴムなどの合成ゴムシート等が挙げられる。

牽切工程により支持体Ｓ，Ｓが牽切されないようにするには、支持体Ｓ，Ｓの伸び率が、牽切手段４０の延伸処理における総ドラフト率よりも大きくなるように、支持体を選択して用いたり、延伸処理における総ドラフト率を制御したりすることが好ましい。
総ドラフト率は、牽切手段４０の最上流に位置する延伸用ロールユニット４０ａの引き出し速度（Ｖ_１ａ）と、最下流に位置する延伸用ロールユニット４０ｃの引き取り速度（Ｖ_２ｃ）との比で表され、具体的に下記式（１）より求められる。
総ドラフト率（％）＝｛（Ｖ_２ｃ−Ｖ_１ａ）／Ｖ_１ａ｝×１００ ・・・（１）

ここで、引き出し速度（Ｖ_１ａ）とは、最上流に位置する延伸用ロールユニット４０ａから支持体Ｓ，Ｓで挟持された帯状繊維束Ｂが引き出される速度であり、引き取り速度（Ｖ_２ｃ）とは、最下流に位置する延伸用ロールユニット４０ｃに支持体Ｓ，Ｓで挟持された帯状繊維束Ｂが引き取られる速度であり、これらは各延伸用ロールユニットの主動ロール４１，４１の回転速度を調整することで制御できる。

なお、牽切手段では複数の延伸用ロールユニットを備えるため、それぞれの延伸用ロールユニット間においてドラフト率が求められる。本発明においては、最上流に位置する延伸用ロールユニット速度と、最下流に位置する延伸用ロールユニット速度において求められる総ドラフト率よりも、支持体の伸び率が大きいことが好ましい。総ドラフト率よりも支持体の伸び率が大きいことは、同じ総ドラフト率で支持体を牽切手段で処理しても、支持体が牽切されないことを意味する。

総ドラフト率は、５〜１１０％であることが好ましい。総ドラフト率が５％以上であれば、確実に帯状繊維束Ｂに張力を付与し連続繊維を牽切することができる。一方、総ドラフト率が１１０％以下であれば、連続繊維をランダムな位置で牽切でき、長さ方向における短繊維（不連続繊維）の間隔が長くなることを防ぎ、繊維強化樹脂成形品において十分な機械的物性を確実に発現できる。

ついで、支持体Ｓ，Ｓで挟持された帯状繊維束Ｂを、下流側になるにつれて主動ロール４１，４１の回転速度が速くなっている延伸用ロールユニット４０ａ，４０ｂ，４０ｃに、順次通過させる。これら延伸用ロールユニット４０ａ，４０ｂ，４０ｃに、支持体Ｓ，Ｓで挟持された帯状繊維束Ｂを通過させることにより、帯状繊維束Ｂの長さ方向に引張力を付与することができる。そして、その引張力によって帯状繊維束Ｂを、連続繊維の配向方向に延伸させる。この延伸処理によって支持体Ｓ，Ｓを牽切することなく牽切帯状繊維束Ｂ中の連続繊維を牽切する（牽切工程）。具体的には、支持体Ｓ，Ｓの伸び率が、延伸処理における総ドラフト率よりも大きくなるようにすることで、牽切工程において支持体Ｓ，Ｓを牽切することなく連続繊維のみを牽切できる。

牽切工程では、下流側になるにつれて主動ロール４１，４１の回転速度が速くなっていれば、その速度は特に限定されないが、例えば図１に示す牽切手段４０の場合、最上流に位置する延伸用ロールユニット４０ａの引き出し速度（Ｖ_１ａ）と、その直後に位置する延伸用ロールユニット４０ｂの引き取り速度（Ｖ_２ｂ）との比で表されるドラフト率（Ｄ_１）（下記式（２）参照）が、２〜４０％であることが好ましい。
ドラフト率（Ｄ_１）＝｛（Ｖ_２ｂ−Ｖ_１ａ）／Ｖ_１ａ｝×１００ ・・・（２）

ドラフト率（Ｄ_１）が２％以上であれば、確実に帯状繊維束Ｂに張力を付与し連続繊維を牽切することができる。一方、ドラフト率（Ｄ_１）が４０％以下であれば、連続繊維をランダムな位置で牽切でき、長さ方向における短繊維（不連続繊維）の間隔が長くなることを防ぎ、繊維強化樹脂成形品において十分な機械的物性を確実に発現できる。

また、延伸用ロールユニット４０ｂの引き出し速度（Ｖ_１ｂ）と、その直後に位置する延伸用ロールユニット４０ｃの引き取り速度（Ｖ_２ｃ）との比で表されるドラフト率（Ｄ_２）（下記式（３）参照）が、３〜５０％であることが好ましい。
ドラフト率（Ｄ_２）＝｛（Ｖ_２ｃ−Ｖ_１ｂ）／Ｖ_１ｂ｝×１００ ・・・（３）

ドラフト率（Ｄ_２）が３％以上であれば、確実に帯状繊維束Ｂに張力を付与し連続繊維を牽切することができる。一方、ドラフト率（Ｄ_２）が５０％以下であれば、連続繊維をランダムな位置で牽切でき、長さ方向における短繊維（不連続繊維）の間隔が長くなることを防ぎ、繊維強化樹脂成形品において十分な機械的物性を確実に発現できる。

また、牽切工程では、複数の延伸用ロールユニットを通過させて帯状繊維束を延伸させるため、延伸処理は２回以上行われるが、牽切工程での延伸処理におけるドラフト率は、下流側になるにつれて大きくなることが好ましい。例えば図１に示す牽切手段４０の場合は、ドラフト率（Ｄ_１）よりもドラフト率（Ｄ_２）の方が大きいことが好ましい。
延伸処理におけるドラフト率が下流側になるにつれて大きくなることで、帯状繊維束Ｂに過度な負荷を与えることなく、十分に連続繊維を一様な分布でランダムな位置に牽切でき、比較的一様な繊維長の帯状繊維束（一方向不連続繊維帯）Ｃとすることができる。

ついで、牽切工程後の帯状繊維束（一方向不連続繊維帯）Ｃを、その両面に配置された支持体Ｓ，Ｓと共に巻取手段５０で巻き取る（巻取工程）。
このような方法により、支持体Ｓ，Ｓに支持された巻回物の形態で、一方向不連続繊維帯Ｃを得ることができる。

こうして得られた一方向不連続繊維帯がプリプレグの製造に使用される場合には、図示略のプリプレグ化工程において、一方向不連続繊維帯Ｃを挟持する支持体Ｓ，Ｓを剥がして、一方向不連続繊維帯Ｃに対して熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を含浸させて、プリプレグを製造する。
具体的には、一方向不連続繊維帯Ｃを挟持する支持体Ｓ，Ｓのうち、一方向不連続繊維帯Ｃの上側に位置する支持体Ｓ_１を剥がし、一方向不連続繊維帯Ｃの露出した面側から熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を含浸させる。ついで、これを逆さまにした後、もう一方の支持体Ｓ_２を剥がし、一方向不連続繊維帯Ｃの露出した面側から熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を含浸させて、プリプレグを得る。
得られたプリプレグは、製造する成形物の形状、強度などに応じて、複数枚重ねられて成形に供される。

以上説明したように、本発明によれば、一方向の連続繊維からなる繊維束を支持体で挟持して、支持体を牽切することなく連続繊維のみを牽切するので、連続繊維を牽切して得られる不連続繊維は支持体で挟持される。従って、主動ロールや従動ロールなど、牽切に用いるロールに不連続繊維が巻き付つくのを抑制できる。加えて、牽切後の帯状繊維束（一方向不連続繊維帯）がばらけてフィラメントの配向が乱れてしまうことがない。さらに、一方向不連続繊維帯を、その両面に配置された支持体と共に巻き取るので、繊維束が巻回物の外側に向けてばらけることもない。
また、特許文献２に記載のように、チョップド繊維を用いる必要がないため、低コスト、かつ簡易な装置で一方向不連続繊維帯を連続的に製造することができる。

このようにして得られた一方向不連続繊維帯は、一方向連続繊維帯と同等程度の物性を有すると共に、優れた曲面賦形性も有する。従って、所望する任意の形状に成形した時に型へのなじみもよく、しわの発生も低減されると考えられ、低コストで高品位の成形が可能なドライプリフォームが得られる。

なお、図１に示す一方向不連続繊維帯の製造装置１は、３つの延伸用ロールユニット４０ａ，４０ｂ，４０ｃを備えた牽切手段４０を具備しているが、延伸用ロールユニットの数は複数であれば、２つであってもよいし、４つ以上であてもよい。

また、上述した例では、一方向不連続繊維帯として、１束の一方向に配向した連続繊維からなる繊維束（長繊維束）から形成されたものを例示したが、複数本の繊維束が幅方向に並べられた繊維材料から形成されたものであってもよい。この場合、巻出手段から複数の繊維束を幅方向に並べた状態で巻き出せばよい。このような方法によれば、幅の大きな一方向不連続繊維帯を得ることができる。
繊維束の本数は、得られた一方向不連続繊維帯を用いたプリプレグの用途や、成形品に求められる物性などに応じて適宜設計でき、特に制限はない。

１：一方向不連続繊維帯の製造装置、
１０：巻出手段、
２０：開繊手段、
３０：支持体供給手段、
４０：牽切手段、
４０ａ，４０ｂ，４０ｃ：延伸用ロールユニット、
５０：巻取手段、
Ａ：繊維束、
Ｂ：帯状繊維束、
Ｃ：帯状繊維束（一方向不連続繊維帯）、
Ｓ：支持体。

Claims (2)

1. 一方向に配向した連続繊維からなる繊維束の巻回物から繊維束を巻き出す巻出手段と、巻き出された繊維束を開繊して帯状繊維束とする開繊手段と、帯状繊維束の両面に支持体を供給し、帯状繊維束を支持体で挟持する支持体供給手段と、支持体で挟持された帯状繊維束を、直列に配置した複数の延伸用ロールユニットにより、その長さ方向に延伸処理して、支持体を牽切することなく支持体で挟持された連続繊維を牽切する牽切手段と、連続繊維が牽切された帯状繊維束を支持体と共に巻き取る巻取手段とを具備する、一方向不連続繊維帯の製造装置。
2. 一方向に配向した連続繊維からなる繊維束の巻回物から繊維束を巻き出す巻出工程と、巻き出された繊維束を開繊して帯状繊維束とする開繊工程と、帯状繊維束の両面に支持体を供給し、帯状繊維束を支持体で挟持する支持体供給工程と、支持体で挟持された帯状繊維束を、直列に配置した複数の延伸用ロールユニットにより、その長さ方向に延伸処理して、支持体を牽切することなく支持体で挟持された連続繊維を牽切する牽切工程と、連続繊維が牽切された帯状繊維束を支持体と共に巻き取る巻取工程とを有する、一方向不連続繊維帯の製造方法。

Images