JP2013227695A - 強化繊維を開繊する装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強化繊維の開繊において、更なる開繊度の向上が必要である。
【解決手段】強化繊維の開繊は、それぞれ前記強化繊維よりなる複数のヤーンをクリールスタンドより平行に送り出し、過熱蒸気発生装置により過熱蒸気を発生し、前記ヤーンを前記過熱蒸気発生装置に接続されたチャンバおいて前記過熱蒸気に曝露させ、前記過熱蒸気により前処理された前記ヤーンをそれぞれ開繊することにより為される。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化樹脂に利用される炭素繊維のごとき強化繊維を開繊するための装置および方法に関する。

繊維強化樹脂は、極めて軽量かつ高強度の素材として、その用途を広げつつある。強化繊維としては、ガラス、炭素、アラミド、アルミナ、あるいはボロンよりなるものが例示できるが、このうち炭素繊維は航空機や自動車への適用が急速に拡大している。

繊維強化樹脂は、一例として、強化繊維よりなるウェブを所望の形状に成形し、次いでこれに未硬化ポリマを含浸し、かかるポリマを硬化せしめることにより製造できる。あるいは、強化繊維よりなるウェブないし一方向に揃えられた繊維束に予めポリマを含浸させた、所謂プリプレグを利用することがある。

繊維強化樹脂の特性の向上ないし用途の拡大のために、より薄く幅広のプリプレグが希求されている。そこで、強化繊維の束であるヤーンを開繊することにより、その繊維束を幅方向に広げて配列する技術が模索されている。特許文献１，２は、関連する技術を開示する。

特開２００８−２０２２０７号公報 特開２００９−１９１４２５号公報

衣料品用のヤーンにおいていくつかの開繊技術が知られている。本発明者らはこれらの開繊技術を炭素繊維等の強化繊維に適用することを試みたが、開繊は満足すべき程度に到達しない。更なる開繊度の向上が要求されている。

本発明の第１の局面によれば、強化繊維を開繊するための装置は、それぞれ前記強化繊維よりなる複数のヤーンを平行に送り出すクリールスタンドと、過熱蒸気を発生する過熱蒸気発生装置と、前記過熱蒸気発生装置に接続されたチャンバを備え、前記ヤーンを前記チャンバにおいて前記過熱蒸気に曝露させるべく構成された前処理装置と、前記過熱蒸気により前処理された前記ヤーンをそれぞれ開繊する開繊装置と、を備える。

本発明の第２の局面によれば、強化繊維を開繊するための方法は、それぞれ前記強化繊維よりなる複数のヤーンをクリールスタンドより平行に送り出し、過熱蒸気発生装置により過熱蒸気を発生し、前記ヤーンを前記過熱蒸気発生装置に接続されたチャンバおいて前記過熱蒸気に曝露させ、前記過熱蒸気により前処理された前記ヤーンをそれぞれ開繊する、ことよりなる。

高い開繊度の強化繊維束が得られる開繊装置が提供される。

図１は、本発明の一実施形態による開繊装置が組み込まれたプリプレグ製造装置の概要を表す図である。 図２は、前記開繊装置の前処理装置の断面図である。 図３は、前記前処理装置に利用される過熱蒸気発生装置の一例を表す断面図である。 図４は、前記開繊装置の加熱装置の一例を表す立面図である。 図５は、前記開繊装置の開繊装置の一例を表す断面図である。 図６は、前記開繊装置の概要を表す斜視図である。 図７は、未硬化ポリマと繊維束とを結合する装置の一例を表す断面図である。

本発明の一実施形態を添付の図面を参照して以下に説明する。

本実施形態による開繊装置は、好適にはプリプレグ製造装置の中に組み込まれて利用される。開繊装置は炭素繊維のごとき強化繊維の開繊に利用されるが、炭素繊維以外の強化繊維に利用することもできる。開繊装置において、開繊のために過熱蒸気が利用される。本明細書および添付の請求の範囲において、過熱蒸気とは、一般的な意味と同じく、沸点以上に熱せられた蒸気を意味する。

図１を参照するに、プリプレグ製造装置１は、概略、複数のヤーンＹを供給するクリールスタンド３と、供給されたヤーンＹをそれぞれ開繊する開繊部５と、その下流側に配置されて繊維束Ｓを未硬化ポリマと結合してプリプレグPを製造する結合部７と、その下流側に配置されてプリプレグＰを巻き取るワインダ９と、よりなる。

クリールスタンド３としては、複数のボビンを備えて複数のヤーンＹを供給できる公知のものが利用できる。好ましくはヤーンＹに撚りを与えないよう、ボビンを水平に支持し、また弛まないようヤーンＹに適宜の張力を付与できるものが利用できる。複数のボビンからそれぞれヤーンＹが引き出され、面を為すように平行に並べられ、開繊部５に供給される。

図２，３を図１と組み合わせて参照するに、開繊部５は、前処理装置１１と、過熱蒸気を発生して前処理装置１１に供給する過熱蒸気発生装置７１と、加熱装置１３と、開繊装置１５と、を備える。

主に図２を参照するに、前処理装置１１は、好ましくはヤーンＹが走行する方向に延長された矩形、角柱、円柱等の適宜の外形を有する外壁５１と、上流側Ｕおよび下流側Ｄに向いて外壁５１に開けられた開口５３Ｕ，５３Ｄと、過熱蒸気を導入するための管５５と、余剰の過熱蒸気およびヤーンＹから除去されたオイル等を排出するためのドレン５７とを備える。外壁５１は、熱電対のごときセンサ６１を導入するための開口５９を備えてもよい。

外壁５１は、チャンバ６５を囲んでいる。開口５３ＵはヤーンＹをチャンバ６５内に導入するように構成され、開口５３Ｄは、ヤーンＹをチャンバ６５から排出するように構成されている。以ってヤーンＹはチャンバ６５内を走行し、チャンバ６５内に保持された過熱蒸気に曝露される。

外壁５１は、加熱による酸化を防止する等の要件に照らして適宜の材料、例えばＩＳＯ／ＴＳ１５５１０−ＬＮｏ６（ＪＩＳ−ＳＵＳ３０４）ステンレス鋼よりなる。過熱蒸気の温度の低下を防止するべく、外壁５１は適宜の断熱材を含んでもよく、またヒータ６３を含んでもよい。外部からチャンバ６５へのアクセスを許容するべく、外壁５１は分解可能とする。

管５５は、図示のごとくチャンバ６５内に開口した単純な管であってもよく、ヤーンＹに過熱蒸気をジェット状に吹き付けるべくノズル状であってもよい。

過熱蒸気発生装置７１としては公知のものが利用しうるが、例えば図３のごとく、水を蒸発せしめて飽和蒸気を発生する蒸発器７３と、飽和蒸気を更に加熱する蒸発器７５とを備えたものが利用できる。蒸発器７３および蒸発器７５は、それぞれ適宜のヒータ７９，８１を内蔵しており、水または蒸気を加熱する。ヒータ７９，８１としては、カーボンヒータや誘導加熱コイル等の適宜の加熱手段が利用できる。あるいは、加熱のために火炎、高温流体あるいは他の適宜の手段を利用してもよい。

蒸発器７３および蒸発器７５を貫いて、加熱管７７が走行しており、その熱効率を高めるべく、蒸発器７３および蒸発器７５の内部においてそれぞれ蛇行している。蛇行の代わりに、蒸発器７３または蒸発器７５の周囲を取り巻く螺旋であってもよいし、また他の形状であってもよい。

通常の水Ｗが加熱管７７を通って蒸発器７３を通過すると、水Ｗが蒸発して飽和蒸気Ｖが発生する。飽和蒸気Ｖの温度は、通常、沸点の程度に過ぎない。飽和蒸気Ｖは、更に蒸発器７５を通過することにより昇温されて、過熱蒸気ＳＶに転ずる。

過熱蒸気ＳＶの温度は上述のごとく沸点以上である。開繊の効率の観点からは、その温度はより高い方が好ましく、例えば２００℃を越え、より好ましくは４７０℃を越える適宜の温度である。ただしエネルギ効率の観点からは、より低い方が好ましいので、例えばその温度は７００℃以下である。

この例では加熱は蒸発器７３および蒸発器７５による２段階だが、効率的な加熱の観点から３段階以上でもよく、あるいは可能ならば１段階でもよい。

水Ｗは工業的に入手できる通常の水だが、適宜の添加物を含んでいてもよい。あるいは水Ｗに代えて、適宜の揮発性液体を利用してもよい。

加熱蒸気発生装置７１の加熱管７７は前処理装置１１の管５５に接続されており、過熱蒸気ＳＶはチャンバ６５に充満して空気を排除する。過熱蒸気ＳＶで満たされたチャンバ６５においてヤーンＹは前処理を受ける。

開繊部５には、好ましくは、開繊装置１５の直前においてヤーンＹの開繊を促すべく、適宜の加熱装置１３を設ける。セラミックヒータ等いずれの加熱手段もこれに適用可能であり、また輻射、接触伝熱、空気等の媒体による間接伝熱等の何れの形式を採用してもよい。図４に示されるのは、加熱手段１３の一例であって、互いに対向した一対のプレートヒータ９１，９３よりなる。各プレートヒータ９１，９３は、例えば蛇行したセラミックヒータが埋め込まれた金属ないしセラミックの板である。好ましくはヤーンＹに対する距離を調整するべく、プレートヒータ９１，９３は可動とする。ヤーンＹは対向したプレートヒータ９１，９３の間の隙間を通って上流側Ｕから下流側Ｄに向かって走行する間、輻射により加熱される。あるいは可能ならば加熱は一枚のプレートヒータによってもよい。

また開繊装置１５の直前において、ヤーンＹを等間隔に揃えるべく、適宜のガイドを設けてもよい。ガイドには、例えばヤーンＹが走行する面に対して垂直に立てられた複数のピンが利用できる。好ましくはピン相互の間隔は可変とする。かかるガイドは開繊装置１５の直前に設けてもよく、あるいは加熱装置１３の直前に設けてもよく、あるいは加熱装置１３および開繊装置１５の両方に設けてもよい。

図５，６を図１と組み合わせて参照するに、開繊装置１５は、例えば圧縮空気をヤーンＹに吹き付けるノズル１０１ａ，１０１ｂと、ヤーンＹがその表面に接しつつ走行する複数のバー１０３ａ〜１０３ｅと、を備える。

ノズル１０１ａ，１０１ｂは、例えばコンプレッサ等の圧縮空気を供給する手段と接続されて空気を噴出するノズルである。圧縮空気を供給する手段は、空気を加熱する手段を更に備えていてもよい。空気を高速で噴き出すべく、ノズル１０１ａ，１０１ｂはスロットル状に絞られている。また各ノズルは、ヤーンＹに対して幅方向に伸びるスリット状でもよいし、複数のノズルが幅方向に並べられていてもよい。さらには、単一のノズルを幅方向に往復運動させてもよい。

ノズル１０１ａ，１０１ｂは図示のごとくヤーンＹを挟んで対を為していてもよいし、ヤーンＹに対して片側にのみ設けられていてもよい。ノズル１０１ａ，１０１ｂは、後述のバー１０３ａ〜１０３ｅの直前に配置されていてもよいし、バー１０３ａ〜１０３ｅの間に配置されていてもよい。あるいは、バー１０３ａ〜１０３ｅの何れかに空気を吹き付けるようにノズルが配置されていてもよい。空気流は、繊維間の空隙を広げ、以って開繊を促す。

各々のバー１０３ａ〜１０３ｅは、少なくともヤーンＹが接する部位において、円柱形状である。接触圧を調整する目的で、他の形状、例えば楕円柱形状、角柱形状、角の丸められた角柱形状を採用してもよい。またその表面は、摩擦係数を調節するべく、いわゆる梨地仕上げにされている。あるいはセラミクスまたはダイヤモンドライクカーボンよりなるコーティング、またはその他の表面処理が施されていてもよい。

複数のバー１０３ａ〜１０３ｅは、ヤーンＹにウェーブを描かせるように走行させるべく配置されている。このような配置は、ヤーンＹを複数のバー１０３ａ〜１０３ｅに適度な圧の下に接触させるのに有利である。

バーの数は図示された例では５であるが、４以下であってもよく、６以上であってもよい。各バーはその軸周りに回転しない固定バーであるが、これらのバーのうちの一ないし少数は軸周りに回転可能であってもよい。

好ましくは接触圧ないし接触面積を調節するべく、複数のバー１０３ａ〜１０３ｅはヤーンＹが走行する面に対して垂直に可動とする。全てのバーを可動にする必要はなく、これらから選択された幾つかのバー、例えばバー１０３ｂ，１０３ｄのみを可動として、残りを固定にしてもよい。

また複数のバー１０３ａ〜１０３ｅから選択された一以上に、加振装置を設けてもよい。あるいはこれらのバー１０３ａ〜１０３ｅとは別に、振動するビーターを設けてもよい。バーまたはビーターによりヤーンＹに振動を与えることは、開繊を促すに有利である。

ヤーンＹに適宜の張力を付与すると、複数のバー１０３ａ〜１０３ｅに対して適宜の接触圧が生ずる。適度な接触圧の下に、ヤーンＹはバー１０３ａ〜１０３ｅに接しつつ走行する。すると上流側Ｕから下流側Ｄへ走行するにつれて開繊が進み、各ヤーンＹは次第に幅広となる。適当な条件の下では図示のごとく両端が互いに接し、以って単一の繊維束Ｓが得られる。

あるいは、上述の開繊装置に代えて、ヤーンＹに打撃を与える等、他の手段による開繊装置を利用してもよい。

図７を図１と組み合わせて参照するに、開繊部５よりも下流側に結合部７が設けられる。結合部７は概略、未硬化ポリマＥを繊維束Ｓに密着させるローラ２３と、未硬化ポリマＥを繊維束Ｓと共に加熱する加熱部２５と、未硬化ポリマＥを繊維束Ｓと共に加圧する加圧ローラ２７と、冷却部２９と、よりなる。

未硬化ポリマＥは、プリプレグの用途に応じて選択される熱硬化性樹脂の前駆体を含み、例えばそれはエポキシ樹脂、フェノール樹脂、またはポリイミド樹脂である。未硬化ポリマＥは、好ましくはその表面の保護のために一方に剥離紙が貼付されている。また、その反対の面（繊維束Ｓに密着するべき面）の保護のために適宜の樹脂フィルム、例えばポリエチレンフィルムがその面に貼付されていてもよい。未硬化ポリマＥは、ロール状に巻かれた態様で提供され、上下ボビン２１ａ，２１ｂから供給される。樹脂フィルムは、貼付されている場合には、ローラ２３に供給される以前に剥離される。

ローラ２３は、通常、繊維束Ｓを挟む一対のローラである。上ローラ２３の側から未硬化ポリマＥがフィードされ、下ローラ２３の側からも未硬化ポリマＥがフィードされ、繊維束Ｓとともにこれらが一対のローラ２３に挟まれることにより、未硬化ポリマＥと繊維束Ｓとが仮結合する。ローラ２３は、未硬化ポリマＥの粘性を調整するべく、加熱手段を内蔵してもよい。

加熱部２５は、セラミックヒータ等の適宜の加熱手段を備え、例えば前述の加熱装置１３と同様に一対のプレートヒータよりなる。未硬化ポリマＥは繊維束Ｓと共に上流側Ｕから下流側Ｄに向かって走行する間、輻射により加熱される。加熱により未硬化ポリマＥが軟化して繊維束Ｓとの融合が進む。

加圧ローラ２７は、未硬化ポリマＥを繊維束Ｓと共に挟み、圧力を加えることのできる一対のローラである。加圧ローラ２７は、ローラを昇降する油圧装置あるいはボール装置を備え、以って加圧力およびローラ間のギャップを調整することができる。加圧ローラ２７は好ましくは未硬化ポリマＥを冷却するべく例えば水冷装置を内蔵する。加圧により未硬化ポリマＥと繊維束Ｓとの結合が進み、以ってプリプレグＰが製造される。

冷却部２９は、例えば水冷パイプを内蔵したプレートである。未硬化ポリマＥと一体となった繊維束Ｓは、冷却部２９に接しつつ走行し、冷却される。冷却により剥離紙の剥離が促される。

ポリマＥに剥離紙が貼付されている場合には、これを剥離するべく剥離部３１が設けられる。剥離部３１は、例えば剥離ローラと、剥離紙を巻き取るボビン３３ａ，３３ｂとを備え、以って剥離紙を未硬化ポリマＥから剥離する。

プリプレグＰの表面を保護するべく、適宜のフィルム、例えばポリエチレンフィルムを改めて貼付してもよい。図１の例では、フィルムを貼付するべく、ボビン３５ａ，３５ｂと、圧着ローラ３７とが図示されている。

これらの下流側に配置されてワインダ９が設けられる。ワインダ９によりプリプレグＰはロール状に巻き取られる。

クリールスタンド３からワインダ９に至るまでの適宜の一以上の箇所に、テンションローラ、ダンサローラやフリクションバーのごとき、ヤーンＹの弛みを防止する手段を設けてもよい。

図１乃至図７を参照するに、本実施形態によれば、開繊のプロセスを含むプレプレグ製造方法は以下の通りである。

それぞれ強化繊維よりなる複数のヤーンＹが、クリールスタンド３より平行に送り出される。並行して、過熱蒸気発生装置７１により過熱蒸気ＳＶが生成され、過熱蒸気発生装置７１に接続された管５５を経由して前処理装置１１のチャンバ６５に導入される。ヤーンＹはチャンバ６５において過熱蒸気ＳＶに曝露され、ヤーンＹに塗布されたオイル等が除去される。かかる前処理を終えたヤーンＹは、開繊装置１５においてそれぞれ開繊される。

開繊装置１５におけるプロセスは、次の通りである。すなわち、開繊を促すべくヤーンＹは加熱装置１３において加熱され、さらにノズル１０１ａ，１０１ｂを通ってヤーンＹに空気が吹き付けられる。即座にヤーンＹはバー１０３ａ〜１０３ｅの間を通され、ウェーブを描くように走行する。この際、適度な接触圧の下にヤーンＹはバーに接しつつ走行し、以ってヤーンＹは開繊して単一の繊維束Ｓが得られる。

次いで未硬化ポリマＥがローラ２３により繊維束Ｓに密着させられる。繊維束Ｓととも未硬化ポリマＥは、加熱部２５により加熱され、加圧ローラ２７により圧力を加えられて、互いに結合し、以ってプリプレグＰが製造される。

冷却部２９によりプレプレグＰが冷却され、剥離部３１により剥離紙が剥離され、次いでワインダ９により巻き上げられて、プリプレグＰのロールが得られる。

本実施形態によれば、開繊されたヤーンＳは、実質的に一方向に揃えられた強化繊維の束Ｓである。開繊される前のヤーンＹに比べ、開繊されたヤーンＳの幅の倍率は２０程度に達する。先行技術によれば開繊後の幅は数倍の程度であるので、本実施形態は開繊の程度において顕著に優位である。

このように高い開繊度が得られる理由は必ずしも明らかでないが、強化繊維の表面のオイル等の物質が関連している。すなわち、強化繊維には、その表面の損傷を防ぐなどの目的で、シリコーンオイルやラテックス等が微量に塗布されている。これらの物質は強化繊維相互の運動を阻害し、以って開繊を妨げると考えられる。ヤーンが過熱蒸気に曝露されることにより、これらの物質が除去され、強化繊維がより自由に運動できるようになり、以って開繊が促進される。

オイルを除去するには溶剤を用いるなどの方法が容易に思いつくが、溶剤によってオイルを完全に除去するには長時間の処理が必要であり、さらに乾燥にはより長時間が必要であって、インラインで行う処理としては適切でない。その点、過熱蒸気によればごく短時間で完全にオイルが除去され、乾燥も必要でなく、プリプレグ製造プロセスにおいてインラインで行うに適している。

過熱蒸気は高温でありながら酸素のごとき反応性の気体分子を含まないために、オイル等の物質を化学的に変性して強化繊維に固着させてしまうことがない。それゆえオイル等の物質の除去が十分であり、強化繊維の表面は清浄かつ活性な状態となり、強化繊維と未硬化ポリマとの結合性が良好となる。ポリマが硬化した後の状態を光学的に観察すると、強化繊維の近傍においても樹脂の屈折率に急変は認められず、従って繊維とポリマとの結合が良好であることが推定できる。すなわち本実施形態によれば、繊維強化樹脂の製造に好適なプリプレグが得られる。

好適な実施形態により本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記開示内容に基づき、当該技術分野の通常の技術を有する者が、実施形態の修正ないし変形により本発明を実施することが可能である。

高い開繊度の強化繊維束が得られる開繊装置が提供される。

１ プリプレグ製造装置
３ クリールスタンド
５ 開繊部
７ 結合部
９ ワインダ
１１ 前処理装置
１３ 加熱装置
１５ 開繊装置
２５ 加熱部
２７ 加圧ローラ
２９ 冷却部
７１ 過熱蒸気発生装置
Ｐ プリプレグ
Ｓ 繊維束
ＳＶ 過熱蒸気
Ｙ ヤーン

Claims (10)

1. 強化繊維を開繊するための装置であって、
   それぞれ前記強化繊維よりなる複数のヤーンを平行に送り出すクリールスタンドと、
   過熱蒸気を発生する過熱蒸気発生装置と、
   前記過熱蒸気発生装置に接続されたチャンバを備え、前記ヤーンを前記チャンバにおいて前記過熱蒸気に曝露させるべく構成された前処理装置と、
   前記過熱蒸気により前処理された前記ヤーンをそれぞれ開繊する開繊装置と、
   を備えた装置。
2. 請求項１に記載の装置において、前記過熱蒸気は２００℃を越えて７００℃以下であることを特徴とする装置。
3. 請求項１に記載の装置において、前記過熱蒸気は４７０℃を越えて７００℃以下であることを特徴とする装置。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の装置において、前記開繊装置は、前記ヤーンにウェーブを描かせるように走行させるべく配置された複数のバーを備えることを特徴とする装置。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載の装置において、前記開繊装置は前記ヤーンを加熱するヒータを備えることを特徴とする装置。
6. 強化繊維を開繊するための方法であって、
   それぞれ前記強化繊維よりなる複数のヤーンをクリールスタンドより平行に送り出し、
   過熱蒸気発生装置により過熱蒸気を発生し、
   前記ヤーンを前記過熱蒸気発生装置に接続されたチャンバおいて前記過熱蒸気に曝露させ、
   前記過熱蒸気により前処理された前記ヤーンをそれぞれ開繊する、
   ことよりなる方法。
7. 請求項６に記載の方法において、前記過熱蒸気は２００℃を越えて７００℃以下であることを特徴とする方法。
8. 請求項６に記載の方法において、前記過熱蒸気は４７０℃を越えて７００℃以下であることを特徴とする方法。
9. 請求項６乃至８の何れかに記載の方法において、前記開繊するステップは、複数のバーに前記ヤーンを走行せしめて前記ヤーンにウェーブを描かせることを含むことを特徴とする方法。
10. 請求項６乃至９の何れかに記載の方法において、前記開繊するステップにおいは、前記ヤーンを加熱することを含むことを特徴とする方法。

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