JP2013528718A - プリプレグの連続的製造のために繊維の束を拡幅するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

本明細書には、拡幅繊維、プリプレグおよびそれらからの製品の製法とともに、装置中への張力制御の戦略的使用および駆動ローラーと走行している繊維の束のライン速度間の、より高い差速度の使用により、拡幅繊維の束を製造するための装置が提供される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、連続的マルチフィラメント繊維の束を均一に拡幅し、また縮小されたギャップおよび改善された繊維−樹脂分布を有するプリプレグの連続的製造のための、一方向に平行に配列する工程に関する。より具体的には、本発明は、装置中の張力制御および駆動ローラーの表面周囲と繊維の束のライン速度（または走行速度）との間の、より高い差動速度を使用する装置、並びにそれらを使用して、均一な厚さをもち、そして外観にほとんど欠陥をもたない繊維強化プラスチックの製品を加工するために使用されるプリプレグ材料を達成する方法に関する。

強化繊維がマトリックス樹脂に含浸されるプリプレグは当該技術分野で周知であり、航空機および自動車材料、医薬材料並びにスポーツおよびレジャー用に形成された材料（例えば、釣竿、ゴルフクラブのシャフト、バドミントンのラケット、テニスラケット、等）のためのような様々な工業分野／高性能の分野、に広範に使用される。

厚さの不整の少ない、より均一なプリプレグを製造することは全製品の品質にとって好適で、重要である。これを達成するために、強化繊維の束の厚さを減少させ、そして強化繊維の束の単一繊維間の空隙をマトリックス樹脂に十分に充填させるために、プリプレグを形成する時にマトリックス樹脂にそれを含浸する前に、強化繊維の束を開く（すなわち、拡幅する）ことが必要である。

従って、生の強化繊維の束を効果的に、かつ適切に開くまたは拡幅するための技術は、均一な厚さ、繊維間の減少したギャップおよび適切な繊維−樹脂分布、をもつプリプレグを製造するために重要である。繊維の束を拡幅し、そして／またはプリプレグを製造するための様々な装置および方法は当該技術分野で知られており、例えば、特許文献１、２、３および４中に記載のものを含む（特許文献１〜４参照）。

更に、張力がマルチフィラメントを含む繊維の束を拡幅するための主要なムーバであることは一般に知られている。従って、より高い張力は典型的には、束中の繊維のより広い拡幅を形成する。しかし、高すぎる張力は、樹脂、繊維の製綱性および繊維の損傷（それにより毛羽を起こす）または繊維の破断、に関連した繊維の減少した透過性により、含浸を困難にさせる。増強された張力はまた、増加した加工経費をもたらす、装置中の力およびトルクを増加する。

従って、プリプレグの連続的製造のためのマルチフィラメントをもつ、多数の隣接する繊維の束を拡幅する装置および方法は更なる改善を要する。縮小されたギャップおよび改善された繊維−樹脂分布をもつプリプレグの連続的製造のために、連続的マルチフィラメントの繊維の束を均一に拡幅し、また拡幅繊維を一方向に平行に配列する装置および方法は、当該技術分野で有用な進歩であり、また当産業に急速に受け入れられることができると考えられる。

米国特許第４，４９５，０１７号明細書 米国特許第５，０４２，１２２号明細書 米国特許第５，１８２，８３９号明細書 米国特許第６，７４３，３９２号明細書

今日、連続的マルチフィラメント繊維の束がより低い張力で均一に拡幅され、それにより樹脂に対する透過性を増加し、製綱からのギャップを減少し、そして損傷による毛羽立ちを減少し、それにより優れたプリプレグ製品、および最終的にはそれらから製造される優れた製品を提供することができることが見出された。このような改善は拡幅装置中の張力制御の戦略的使用により達成される。この進歩は繊維の束の張力を非常に高く駆動させ、次に、装置全体に緩和な張力を使用することにより、それを使用しない場合にはこのような目的を達成する必要があると考えられた極めて高い張力を使用せずに、繊維の拡幅が増加されるように、張力を低く低下させる。更に、駆動ローラー棒と走行繊維の束との間の、より高い差動速度の使用もまた、繊維の拡幅機械を改善することが示された。

従って、一つの態様において、本発明は、一連の静止棒として構成された張力増強ユニットおよび一連の駆動ローラーとして構成された張力低減ユニットを含む張力制御モジュールをもつ拡幅繊維の束を製造する装置を提供し、そこで静止棒と駆動ローラーは、一連の静止棒と駆動ローラーの表面と、直接巻き付け接触をする走行繊維の束の方向に垂直であるようになっており、また、駆動ローラーの周囲表面の速度は走行繊維の束のライン速度の少なくとも３倍で運転される。

他の態様において、本発明は、一連の静止棒および／または駆動ローラーの表面と直接巻き付け接触で繊維の束を走行させることにより本明細書に記載のような装置を使用し、そして走行繊維の束の速度に対してより高い差動速度で駆動ローラーを運転することにより装置を通る繊維の張力を制御し、それにより繊維の束を拡幅する、拡幅繊維の束を製造する方法を提供する。

本明細書に詳細に説明される本発明はまた、プリプレグの製造に関する。従って、他の態様において、本発明は、複合加工機の一部として本明細書に記載されるような装置を統合し、一連の静止棒および／または駆動ローラーの表面と、直接巻き付け接触で複数の隣接する繊維の束を走行させ、走行繊維の束の速度に対してより高い差動速度で駆動ローラーを運転することにより複数の隣接する繊維の束を拡幅し、そして前以て決められた量の樹脂に、拡幅された繊維の束を含浸することにより、一方向に配列され、繊維間に均一な分布をもつロールプリプレグの連続的製造法を提供する。

その他の態様において、本発明は本明細書に詳述される方法に従って製造される拡幅繊維の束中に、前以て決められた量の樹脂を含浸することによりプリプレグを製造する方法を提供する。

他の態様において、本発明は、本明細書に詳述される方法に従って製造されるプリプレグ材料のみならずまた、これらの方法に従って製造されるプリプレグから製造される製品を提供する。

他の態様において、本発明は、各拡幅装置が異なる経路に配置され、異なる組の複数の隣接する繊維の束を受け取る、本明細書に詳述される本発明に従う２基以上の繊維拡幅装置をもつ複合加工システムを提供する。

本発明のこれらおよびその他の目的、特徴並びに利点は、付随する図面および実施例と関連して採られる本発明の様々な態様の、以下の詳細な説明から明白になると考えられる。

図１は、マルチフィラメントをもつ単一繊維の束が一連の静止棒と駆動ローラーの表面と、直接巻き付け接触をして、最適に引っ張られ、かつ均一に分布された拡幅繊維を提供することが認められる、本発明の一態様に従う装置の横からの眺めを提供する。 図２は装置の一部として張力仲介ユニットを提供する本発明の他の態様に従う装置の透視図である。 図３は複合加工機の一部品として提供される本発明に従う装置の他の態様の透視図である。このような装置は本発明に従うロールプリプレグの連続的製造法を実施する際に使用することができる。図示された特定の態様において、本発明に従う２基の繊維拡幅装置は別の経路に配置され、それぞれ、１基以上の張力クリール（図示されていない）上に配置された多数のスプール上に巻かれた１組の多数の隣接する繊維の束を受け取るために利用可能である。繊維拡幅装置は、含浸手段をもつプリプレグ加工機のような、張力クリールから下流に、そして複合加工システムから上流に配置される。

本発明の特定の態様の詳細な説明
本発明は、拡幅繊維およびプリプレグおよびそれらからの製品を製造する方法と一緒に、拡幅装置中の張力制御の戦略的使用および駆動ローラーと繊維の束のライン速度との間の、より高い差動速度の使用により、拡幅繊維の束を製造する装置を提供する。前記に要約されたように、当該技術分野で知られた繊維拡幅機は、拡幅装置中の張力制御の戦略的使用および、ローラーバーの表面と繊維のライン速度間の、より高い差動速度の使用により、著しく改善することができることが見いだされた。張力はマルチフィラメント繊維の束を拡幅する工程における主要因子であるが、それはまた、製綱、樹脂含浸に対する透過性の減少、および毛羽だち（毛玉とも呼ばれる）、毛羽立ちギャップ、繊維の不揃い、等のような欠陥においても主要因子（例えば、高すぎる張力）である。拡幅サイクル中の張力の増強、維持および次に低減は、製綱およびその他の望ましくない繊維特性に対処するが、更に、拡幅を最大にして、それにより繊維の束を拡幅し、また樹脂含浸に対する透過性を制御（すなわち、増加または減少）するために必要な手段を提供する。繊維の束の直線速度／走行速度に対するローラーバーの表面速度の比率が２倍を超えて増加すると、拡幅に有意な増加が認められる。しかし、その増加は対数的動態で崩壊する。繊維−樹脂分布と一緒に、厚さの均一性およびギャップの発生が全体的製品の品質に対して重要であるため、繊維の拡幅の機械に対する改善が最終的に、プリプレグ生成物およびそれらから製造される製品における改善をもたらす。

装置
従って、本発明は一つの態様において、一連の静止棒として構成された張力増強ユニットおよび一連の駆動ローラーとして構成された張力低減ユニットを含む張力制御モジュールをもつ、拡幅繊維の束を製造する装置を提供し、そこで静止棒および駆動ローラーは一連の静止棒と駆動ローラーの表面と、直接巻き付け接触をする走行繊維の束の方向に垂直になっており、また、張力増強ユニットの駆動ローラーは、それらの周囲表面の速度が、走行繊維の束のライン速度の少なくとも３倍であるように運転される。

本発明に従う装置に使用される繊維の束は多数の単一のフィラメント（例えば、６Ｋ／束、１２Ｋ／束以上）よりなるものであり、好適にはそれらは連続的な長いフィラメントの束よりなる糸またはトウである。繊維の束は例えば、それらに限定はされないが、有機繊維（例えば、ポリアミド、ポリエステル、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、等の繊維）、有機耐熱繊維［例えば、芳香族ポリアミドの繊維（例えば、Ｋｅｖｌｅｒ（登録商標）（ＤｕＰｏｎｔ，Ｕ．Ｓ．）、ポリフルオロカーボン、フェノール樹脂（Ｋｙｎｏｌ（登録商標）；Ｃａｒｂｏｎｒａｎｄａｍ，Ｕ．Ｓ．）、ポリアミド−イミド、ポリイミド、等］、レーヨンおよび天然繊維、無機繊維［例えばガラス、窒化ホウ素、
炭素（炭素質、黒鉛化、および難燃性繊維を含む）、窒化ケイ素、炭化ケイ素、アルミナ、ジルコニア、アスベスト、等の繊維］、金属繊維（例えば、銅、タングステン合金、鉄、アルミニウム、ステンレス鋼、等の繊維）、複合繊維（例えば、タングステンコアをもつホウ素の繊維、タングステンのコアをもつ炭化ホウ素、タングステン、ホウ素、等のコアをもつ炭化珪素の繊維）、および繊維の形態をもつすべてのその他、を含むことができる。更に、２種以上の前記の繊維の組み合わせ物よりなる繊維の束を使用することも可能である。繊維の束は取り扱いの容易なために、そして繊維に対する損傷を防止するために、その上にサイズ剤または油を付着させることができる。典型的な、適切なサイズ剤は当業者に知られており、例えば、米国特許第４，４９５，０１７号明細書に記載のものを含むことができる。一つの態様において、走行繊維の束は炭素、ガラス、ポリアミド、ポリアミド−イミド、ポリイミド、アラミドおよびそれらの組み合わせ物から選択される。

繊維の束は、スプール上に巻き取ることができる平行化強化繊維として配列された複数のフィラメントを含む。繊維のスプールは、それが装置に提供される時に、複数の強化繊維の束が規則的に透き間を空けて、コームまたはレーキにより配列されることができるように、張力クリール上に配置されることができる。本明細書で使用される用語「走行繊維の束」は当業者に知られたその通常の意味をもち、例えば装置中をプル・ドラムまたは巻き取りロールにより張力クリール上のスプールから引き出されている繊維を表す。特定の態様において、走行繊維の束は多数の隣接する束を含むことができる。その他の態様において、対応する数の、本発明に従う繊維拡幅装置により、２組以上の多数の隣接する繊維の束が、拡幅される別の経路に提供されることができる。

駆動ロールの前に繊維の束の張力を増強することは、張力の不要な増強を必要とせずに繊維の拡幅を最大にする。本発明において、張力は最初に、張力増強ユニットの使用により増強される。特定の態様において、張力増強装置は張力クリール、走行繊維の束の直線速度より遅い速度で運転する１基以上の駆動ローラー（すなわち、低速ロール）、１本以上の静止棒（すなわち、回転しない固定タイプの棒）、およびそれらの組み合わせ物、から選択される部材を含む。幾つかの態様において、張力増強ユニットは一連の低速駆動ローラーと静止棒により提供されることができる。その他の態様において、張力増強ユニットは１本以上の静止棒により提供されることができる。

特定の態様において、該装置は張力増強部分から下流に配置され、一連の静止棒および、走行繊維の束の直線速度より速い速度で運転する１基以上の駆動ローラー（すなわち、速いまたは高い速度のローラー）をもつ、張力仲介部分を含むことができる。この部分は、繊維が静止棒の表面と直接巻き付け接触をして、それにより各反復サイクルにより繊維の束を更に開く／拡幅するので、繊維の束の張力を増強して戻しながら、駆動ローラー上の下方で繊維の束の張力を調整する役目を果たすことができる。幾つかの態様において、張力仲介部分は交互の位置で高速駆動ローラーと静止棒をもつことができる。その他の態様において、高速駆動ローラーは１本以上の静止棒を挟むことができる。繊維拡幅装置の静止棒および駆動ローラーは、走行繊維の束が駆動ローラーと静止棒の表面と直接巻き付け接触にある限り、水平または垂直配列のいずれかで配列することができる。

本発明に従う装置はまた、走行繊維の束の張力を低減する助けをする一連の高速駆動ローラーをもつ、張力低減部分／ユニットを含む。本明細書で使用される用語「一連の」は当業者に知られたその通常の意味をもち、それが修飾する２個以上の物体を表す。

繊維の束の走行速度（すなわち、移動速度）は２ｍ／分〜２０ｍ／分の範囲内にあることができ、２〜１０ｍ／分が好適である。幾つかの態様において、高速駆動ローラーの周囲表面の速度は走行繊維の束の速度の３〜１００倍の範囲内にある。例えば、特定の態様において、高速ローラーの周囲表面の速度は走行繊維の束の速度の３〜５０倍、走行繊維
の束の速度の３〜２５倍、または走行繊維の束の速度の３〜１０倍の範囲内にあることができる。

カラムまたは円筒の湾曲面の少なくとも一部をもつ、静止棒および駆動ローラー（またはそれらが時々呼ばれるような拡幅物体）は、中実のまたは中空のカラムまたは円筒であり、また更に、大きい直径をもつカラムまたは円筒から切り取られた湾曲面の一部を使用することができる。その材料は特に特定はされていないが、小さい摩擦係数をもち、繊維の束との摩擦により極端に変形または摩耗されず、そして鋭い結晶質構造物により酸化しないものを選択することが好適である。通常ステンレス鋼が使用されるが、テフロン、等のような合成樹脂で被覆された金属、鉄、銅、等、およびガラス、アルミナ、等のような無機物質、でできた静止棒または駆動ローラーを使用することができる。拡幅の幅と繊維の束の損傷との間のバランスを考慮して、直径、数、組み合わせのタイプおよび空間配置が選択され、従って、それらは確定的には決定することができず、高い弾性率をもつ繊維の束に対しては、大きい直径をもつ拡幅物体が使用され、そして拡幅物体の数、組み合わせのタイプおよび空間配列が、繊維の束と湾曲面との間の接触長さ、および張力により惹起される拡幅物体に対する圧迫力を考慮して選択されるべきであることが望まれる。繊維の束の移動方向における周囲の差速度を与える拡幅物体のタイプ（それらが固定タイプ（すなわち、静止）であるかまたは駆動タイプであるか）が拡幅の効果（繊維束の拡幅の幅および損傷）に大きな影響を与える。従って、本発明の方法を実施する際に、前記の効果を考慮に入れて、様々なタイプのローラーを単独で、または２種以上のタイプの組み合わせで使用することが望ましい。更に、繊維の束のどんな混乱も起らず、またそれらが拡幅効果と関連して選択されるために、繊維の束の張力および速度はもちろん、均一でなければならない。

静止棒および駆動ローラー双方上への表面仕上げの使用もまた、本発明に従う装置上に含むことができ、それにより繊維の束を開き、特定の繊維の幅を達成するために要する張力を更に低減することができる。静止棒および駆動ローラーは、例えばステンレス鋼から製造されて、様々なグリットのヤスリで軸方向に磨くことができる。例えば、幾つかの態様において、静止棒および駆動ローラーは１８０グリット〜４００グリットのヤスリで、そして好適には１８０グリット〜２２０グリットのヤスリで磨くことにより与えられる表面仕上げをもつことができる。更にその他の態様において、幾つかの拡幅物体は、あるグリットサイズで、他方その他の拡幅物体は異なるグリットサイズで表面仕上げをすることができる。同様に、拡幅物体はまた、異なる表面仕上げをもつこともできる。例えば、幾つかの態様において、拡幅物体は窪みを付け、ヤスリをかける双方でも、または幾らかは窪みを付け、幾らかはヤスリをかけてもよい。他の態様において拡幅物体は、拡幅物体上の繊維の摩擦係数を低下させ、かつ同時に、より低い張力で繊維の束を拡幅する、当業者に知られたどんな手段によっても表面仕上げをすることができる。

更に、繊維の束をレーキと呼ばれる櫛様の構造物を通過させることにより、平行で相互に隣接する、一方向の繊維の束の位置を整列することが望ましいかも知れない。幾つかの態様において、このようなレーキは、繊維の束がプリプレグシートの最終幅に対応する幅の内側に配置されるように、クリールから下流に、張力増強ユニットから上流に配置することができる。その他の態様において、その他のレーキは張力増強ユニットと張力低減ユニットの中間に配置することができる。別な経路に１組を超える多数の隣接する繊維の束が存在する場合は、通過するための各組の多数の隣接する繊維の束に対して、各経路にレーキが存在することができる。このような場合は、各組からの拡幅された束がギャップの発生を減少させ、また均一な繊維−樹脂分布を促進するような方法で配列されるように、各組の多数の隣接する繊維の束に対するレーキは、僅かに食い違うことができる。

本発明に従う装置はまた、強化繊維の束を加熱するために配置された熱源を含むことが
できる。熱源は、それらに限定はされないが、伝導、対流または輻射手段を含むあらゆる手段により提供することができる。強化繊維の束を加熱する工程は、その上に付着される可能性があるサイズ剤または油を柔軟化し、そして一般に、繊維と拡幅物体（すなわち、静止棒および駆動ローラー）との間の摩擦係数を低下させることにより拡幅作用の効率を高めるために有益であることができる。幾つかの態様において、熱源はブロー・ガスによる、または輻射熱によるような間接的な熱源として提供されることができる。他の態様において、ローラー棒の接触面が加熱されてくるように、静止棒および／または駆動ローラー自体を加熱することができる。走行繊維の束は５０℃〜２５０℃（使用される繊維のサイジングに応じて）の加熱温度範囲に曝露され、７０℃〜１８０℃が最も一般的である。

幾つかの態様において、本発明の繊維拡幅装置は単一の部品であることができる。特定の態様において、該装置は例えば、プリプレグ加工機のような複合加工機の部品であることができる。このようなアセンブリにおいて、本発明に従う装置は繊維の束のスプールを含む張力クリールから下流に、また、含浸システムから上流に配置することができる。特定の態様において、別な経路に走行する２組以上の多数の隣接する繊維の束が存在する場合のように、２基以上の繊維拡幅装置をプリプレグ加工機中に統合することができる。他の態様において、本発明に従う繊維拡幅装置は機織機の一部品であることができ、張力クリールから下流に、また、複合加工機から上流に配置することができる。

本発明の特定の態様は以下に図面を参照して説明される。

図１は前記のような本発明に従う装置の透視図を示す。図１において、繊維拡幅装置１０が示され、それは張力増強部分２および張力低減部分３を含み、ここで張力クリール（図示されない）上におけるような繊維のスプールにより供給される１本の走行繊維の束１が矢印の方向に進み、そして、繊維の束がそれにより、その直接巻き付け接触を維持する一連の高速駆動ローラー３ａを含む張力低減部分３への途中に、一連の静止棒２ａの表面と直接巻き付け接触で張力増強部分２に侵入する。高速駆動ローラーは駆動モーター３ｂまたは当業者に知られたその他の手段により独立に回転される。図示されるように、繊維拡幅装置１０は張力増強ユニット２において一連の静止棒２ａにより、走行繊維の束１の張力を非常に高く駆動し、そして次に、張力低減ユニット３において、一連の高速駆動ローラー３ａにより繊維の束の張力を低下させ、それにより高速駆動ローラーの各交替により、また極端に高い張力の使用を伴わずに、繊維の束を更に拡幅する／開く。複合加工機または当業者に知られた含浸システム（図示されない）が繊維拡幅装置１０の直ぐ下流にあり、そして今や拡がった繊維の束を受け入れる用意ができている。繊維拡幅装置１０は１本の走行繊維の束１のみを伴って図示されているが、当業者は、一方向に配列された（すなわち、相互に平行に）多数の繊維の束が存在することができ、そして別な経路に、対応する数の組の、複数の隣接する繊維の束が存在する態様に対しては、更なる繊維拡幅装置が存在することができること、を即座に理解し、認識すると考えられる。

図２は前記の本発明のその他の態様に従う装置の横から見た図を示す。図２には、繊維拡幅装置２０が示され、それは張力増強部分２２、張力緩和部分２３、および張力低減部分３を含み、そこで張力クリール（図示されていない）上におけるような繊維のスプール／ボビンにより供給される１本の走行繊維の束２１が矢印の方向に進み、張力緩和部分２３への途中で一連の静止棒Ｓの表面と直接巻き付け接触で張力増強部分２２に侵入し、そこで走行繊維の束が低速および／または高速駆動ローラーＤと静止棒Ｓの交互の系列の表面と直接巻き付け接触で配置され、そして次に張力低減ユニット２４中を走行し続け、そこで走行繊維の束は一連の高速駆動ローラーＤの表面と直接巻き付け接触で配置される。図示されるように、繊維拡幅装置２０は、張力増強ユニット２２において、それを一連の静止棒Ｓと直接巻き付け接触に置くことにより、走行繊維の束２１の張力を非常に高く駆動し、そして次に、張力緩和ユニット２３において、走行繊維の束を一連の低速および／
または高速ローラーＤと静止棒Ｓと直接巻き付け接触に置くことにより、張力を交互に低く、そして高くし、そして最後に、張力低減ユニット２４において、繊維の束を一連の高速ローラーと直接巻き付け接触に置くことにより繊維の張力を低下させ、それにより、駆動棒との各巻き付け接触により、そして極端に高い張力を使用せずに、繊維の束を更に拡幅し／開く。図１におけるように、繊維拡幅装置２０の直ぐ下流には、複合加工機または当業者に知られた含浸システム（図示されていない）が今は拡幅された繊維の束を受け入れる準備ができているように配置することができる。あるいはまた、繊維はドラム／プルロール上に巻き取ることができる。

方法
他の態様において、本発明は、本明細書に詳述された装置中に繊維の束を走行させ、そして走行繊維の束の速度に対して差動速度で装置の駆動ローラーを運転し、それにより装置中の繊維の張力を制御して、繊維の束を拡幅し／開くことにより、拡幅繊維の束を製造する方法を提供する。

拡幅繊維の束を製造する方法において、前記のような拡幅繊維の束を製造する際に様々な繊維を使用することができる。これらの繊維はまた、使用される繊維に応じて様々な引っ張り強さおよび弾性をもつことができる。繊維の最終拡幅の幅は繊維の束の最初の幅の４倍までになることができ、より典型的には、最初の幅の３．５倍までになるであろう。それらの周囲に繊維の束を巻き付けられ、張力クリール上に設置されたボビンまたはスプールは典型的には、走行繊維の供給体として働くであろう。張力は繊維の束の拡幅状態を安定化するために所望の通りにクリール上で変更することができる。一つの態様において、少なくとも一つの静止棒および／または駆動ローラーは加熱されるであろう。他の態様において、走行繊維の束自体が、輻射加熱機によるように、加熱されるであろう。拡幅繊維の束を製造する方法の特定の態様において、あらゆる多数の隣接する繊維が均一に透き間を空けられるように張力クリールと繊維拡幅装置との間にレーキを配置することができる。

その他の態様において、本発明は一方向に配列され、繊維の間に均一な分布をもつロール・プリプレグの連続的製法を提供する。特定の態様において、該方法は、当業者に周知の複合加工機の一部として本明細書に詳述されたような繊維拡幅装置を統合し、一連の静止棒および／または駆動ローラーと直接巻き付け接触をさせるように１組の複数の隣接する繊維の束を走行させ、それにより繊維の束を拡幅し、そして拡幅繊維の束を、前以て決められた量の樹脂に含浸して、プリプレグシートを形成する工程により達成することができる。例えば、１組の複数の隣接する繊維の束は２つ以上の繊維の束、そして典型的には５〜２０の繊維の束を含むことができる。第２組は第１組に等しい数の繊維の束を含むことができる。

特定の態様において、プリプレグは別の経路（すなわち、２−パターンまたは２−経路の拡幅）を移動している２組以上の複数の隣接する繊維の束から製造することができる。このような態様において、対応する数の本発明に従う繊維拡幅装置は複合加工システム中に統合されることができる。図３および実施例１はこのような態様を説明、例示するが、その他の多数経路の態様もまた本発明により予想される。

ロールプリプレグを製造する方法において、含浸のための多数の樹脂および方法／装置は当業者に知られているので、使用される樹脂および樹脂含浸法は、特に限定はされない。使用することができる樹脂の例は、それらに限定はされないが、エポキシ樹脂（例えば、ビスフェノールＡエポキシ樹脂、フェノールノボラクエポキシ樹脂、クレゾールノボラクエポキシ樹脂、グリシジルアミンエポキシ樹脂、脂肪族環式エポキシ樹脂、ウレタン変性エポキシ樹脂および臭素化ビスフェノールＡエポキシ樹脂）、ビニルエステル樹脂、不
飽和ポリエステル樹脂およびフェノール樹脂のような熱硬化性樹脂、ポリエステル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテル樹脂およびポリアミド樹脂、等のような熱可塑性樹脂を含む。

１種の樹脂を使用することができるが、２種以上の樹脂を一緒に使用することができる。更に、液体樹脂または固形樹脂を使用し、例えば溶液中への浸漬により、またはスラーリタンクにより繊維上に付着させることができる。硬化剤は、使用されている樹脂系に添加することができる。含浸のために、加熱または溶媒中に溶解することにより粘度を低下された樹脂を繊維の束中に含浸することができる。他の態様において、繊維の束は、それぞれ、樹脂を、剥離可能であるように処理された紙または樹脂のフィルムのようなシートに、薄く、均一に適用することにより得られる２枚の樹脂シート間に保持することができ、そして該ラミネートはホットニップ等を使用して加圧される。他のホットニップ、ニップ、加熱／冷却板、レーキ、ローラー、等は複合加工機中に存在することができる。

連続的ロールプリプレグを製造する方法の特定の態様において、レーキまたはコームのような繊維の束の透き間空け手段は、繊維の束の間に均一性を維持するために、張力クリールと繊維拡幅装置との間に、そして繊維拡幅装置と複合加工機との間に配置されるであろう。特定の態様において、該方法は、多数組の複数の隣接する繊維の束が存在する時のような、多数の透き間空け手段を含むと考えられる。これらの場合に、繊維の束が拡幅装置を排出して、複合加工システム中に侵入する時に、繊維間の透き間を更に縮小させて繊維−樹脂の分布を促進するためにニップローラーにより圧迫される前に、繊維の束が相互に僅かに重なることを確保するために、複合加工システムに近位の透き間空け手段は、相互と僅かに食い違うことができる。透き間空け手段は実質的に、プリプレグシートの幅に対応する幅であることができる。

更なる態様において、本発明はまた、本明細書に詳細に記載された本発明に従って製造されたプリプレグよりなる製品を提供する。該製品は、航空機または高性能産業、自動車またはレジャー材料のような前以て含浸された繊維または繊維シートから製造されたあらゆる複合製品を含むことができる。

最後の態様において、本発明はまた、その各装置が異なる経路に配置され、１組の複数の隣接する繊維の束を受け入れることができる、本明細書に記載の、本発明に従う２基以上の繊維拡幅装置をもつ複合加工システムを提供する。

本発明の他の態様はそれらに限定はされないが、以下を含む：
１． ｉ）一連の静止棒として構成された張力増強ユニット、および
ｉｉ）一連の駆動ローラーとして構成された張力低減ユニット：
を含んでなる張力制御モジュール：
を含んでなる拡幅繊維の束を製造するための装置であって、そこで
静止棒と駆動ローラーが前記静止棒と駆動ローラーの表面と直接巻き付け接触をする走行繊維の束の方向に垂直に配置され、また、駆動ローラーの周囲表面の速度が走行繊維の束の速度の少なくとも３倍である、装置。
２． 走行繊維の束が炭素、ガラス、ポリアミド、ポリアミド−イミド、ポリイミド、アラミドおよびそれらの組み合わせ物から選択される、態様１に従う装置。
３． 走行繊維の束が多数の隣接する束を含んでなる、態様１または２に従う装置。
４． 更に第１の装置と異なる経路に第２の張力制御モジュールを含んでなり、そこで複数の多数の隣接する繊維の束を含んでなる第２の走行繊維の束が、前記の第２の装置の静止棒と駆動ローラーの表面と直接巻き付け接触をする、前記の態様のいずれかに従う装置。
５． 走行繊維の束の最終拡幅の幅が繊維の束の最初の幅の３．５倍までになる、前記の
態様のいずれかに従う装置。
６． 張力増強ユニットが、張力クリール、走行繊維の束の速度より遅い速度で運転している１基以上の低速駆動ローラー、および低速駆動ローラーと静止棒の組み合わせ物：から選択される部材により交互に提供される、前記の態様のいずれかに従う装置。
７． 更に、一連の駆動ローラーと静止棒を含んでなる張力仲介ユニットを含んでなる、前記の態様のいずれかに従う装置。
８． 張力低減ユニットが一連の駆動ローラーにより提供される、前記の態様のいずれかに従う装置。
９． 駆動ローラーの周囲表面の速度が走行繊維の束の速度の３〜１００倍の範囲にある、前記の態様のいずれかに従う装置。
１０． 駆動ローラーの周囲表面の速度が走行繊維の束の速度の３〜５０倍の範囲にある、前記の態様のいずれかに従う装置。
１１． 駆動ローラーの周囲表面の速度が走行繊維の束の速度の３〜２５倍の範囲にある、前記の態様のいずれかに従う装置。
１２． 駆動ローラーの周囲表面の速度が走行繊維の束の速度の３〜１０倍の範囲にある、前記の態様のいずれかに従う装置。
１３． 静止棒および／または駆動ローラーが表面形態を含む、前記の態様のいずれかに従う装置。
１４． 表面形態が駆動ローラーと静止棒の方向に対して軸の周囲にある、態様１３に従う装置。
１５． 更に、少なくとも１基のレーキを含んでなる、前記の態様のいずれかに従う装置。
１６． レーキが張力増強ユニットから上流に配置される、態様１５に従う装置。
１７． レーキが張力増強ユニットと張力低減ユニットの中間に配置される、態様１５または１６に従う装置。
１８． 更に、走行繊維を加熱するために配置された少なくとも１基の熱源を含んでなる、前記の態様のいずれかに従う装置。
１９． 装置が複合加工機の一部品であり、またクリールから下流に、そして含浸システムから上流に配置される、前記の態様のいずれかに従う装置。
２０． 装置が機織機の一部品であり、またクリールの下流に、そして複合加工機から上流に配置される、前記の態様のいずれかに従う装置。
２１． ａ）一連の静止棒と駆動ローラーの表面と直接巻き付け接触で繊維の束を走行させる工程、および
ｂ）走行繊維の束の速度に対してより高い差速度で、駆動ローラーを運転することにより、装置中の繊維の張力を制御し、それにより繊維の束を拡幅する工程：
を含んでなる態様１〜２０のいずれか１つに従う装置を使用して、拡幅繊維の束を製造する方法。
２２． 更に、いずれかの工程において、少なくとも１基の静止棒および／または駆動ローラーを加熱する工程、または繊維の束自体を加熱する工程を含んでなる、態様２１に従う方法。
２３． 更に、いずれかの工程において、レーキにより、多数の隣接する繊維の束に、均一に透き間を空ける工程を含んでなる、態様２１〜２２のいずれか１つに従う方法。
２４． 更に、一連の１基以上のローラーに表面形態を適用する工程を含んでなる、態様２１〜２３のいずれか１つに従う方法。
２５． 更に、拡幅繊維を巻き取りドラムで巻き取る工程を含んでなる、態様２１〜２３のいずれか１つに従う方法。
２６． ａ）複合加工機の一部として態様１〜２０のいずれか１つに従う装置を統合し、ｂ）装置の一連の静止棒と駆動ローラーの表面と直接巻き付け接触で、１組の複数の隣接する繊維の束を走行させ、
ｃ）走行繊維の束の速度に対して、より高い差速度で駆動ローラーを運転することにより
、複数の隣接する繊維の束を拡幅し、そして
ｄ）拡幅された繊維の束を前以て決められた量の樹脂に含浸する工程：
を含んでなる、平行に一方向に配列され、かつ繊維間に均一な分布をもつロールプリプレグの連続的製法。
２７． 工程（ａ）が更に、第１の装置と異なる経路において複合加工機に態様１〜２０のいずれか１つに従う第２の装置を統合する工程を含んでなり、そして工程（ｂ）が更に、第２の装置の一連の静止棒と駆動ローラーの表面と直接巻き付け接触で、第２組の複数の隣接している繊維の束を走行させる工程を含んでなる、態様２９に従う方法。
２８． 更に、繊維拡幅装置と接触する前に、スペーサ手段を使用して、複数の隣接する繊維の束に、均一に透き間を空ける工程を更に含んでなる、態様２６〜２７のいずれか１つに従う方法。
２９． 更に、含浸工程の前に、スペーサ手段を使用して複数の隣接する繊維の束に、均一に透き間を空ける工程を含んでなる、態様２６〜２８のいずれか１つに従う方法。
３０． 多数の組の繊維の束が存在する時に、スペーサ手段が相互から食い違う、態様２９に従う方法。
３１． 樹脂が熱可塑性または熱硬化性樹脂である、態様２６〜３０のいずれか１つに従う方法。
３２． 樹脂が拡幅繊維の上部および底部双方に適用されるか、または溶液もしくはスラーリタンク中に浸漬される、態様２６〜３１のいずれか１つに従う方法。
３３． 含浸工程が一連の、１種以上のホットニップ、ホットプレートおよび冷却プレートにより、または溶液もしくはスラーリタンクにより実施される、態様２６〜３２のいずれか１つに従う方法。
３４． 態様２１〜２５のいずれか１つに従って製造された拡幅繊維の束中に、前以て決められた量の樹脂を含浸する工程を含んでなる、平行に一方向に配列されたプリプレグを製造する方法。
３５． 態様２６〜３４のいずれか一つの方法に従って製造された平行に一方向に配列されたプリプレグ。
３６． 態様３５に従うプリプレグを含んでなる、製品。
３７． 各装置が異なる経路中に配置され、また１組の複数の隣接する繊維の束を受け取ることができる、態様１〜２０のいずれか１つに従う２基以上の繊維拡幅装置を含んでなる、複合加工システム。

以下の実施例は、本発明の特定の態様を更に理解するために当業者を補助するために提供される。これらの実施例は説明的目的を意図され、本発明の様々な態様の範囲を限定するものと解釈してはならない。

１平方メーター当たり７０グラム（ｇｓｍ）の低繊維面積重量（ＦＡＷ）をもつプリプレグシートの製造
対応する素子が共通の識別番号を指定され、本発明に従う連続的プリプレグ製造法を実施するための複合加工システム中の統合部品として本発明に従う２基の繊維拡幅装置を表す図３において、それらが低い巻き付け角度の静止棒３２により均一に設定された張力クリール（図示されていない）上に設定されたボビンから巻き出され、コーム３３で計測される時に、２組の複数の隣接する繊維の束３１［Ｃｙｔｅｃ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒｓ（Ｓｏｕｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ）により供給され、１４５ｇｓｍの標準拡幅弾性率をもつ、Ｔ６５０−３５、１２Ｋフィラメント／束の繊維のような］が、約２〜５ｍ／分（すなわち、複合加工システムの引っ張りロール（図示されていない）の速度により決定される２ｍ／分、３ｍ／分、４ｍ／分または５ｍ／分）のライン速度で２−パターンの拡幅で走行していることが示される。繊維の束３１のトウ張力は、複数の隣接する繊維の束が本発明に従う繊維拡幅装置３４の張力増強ユニット３４ａにより提供され、そして軸方向に１８０グリットのヤスリにより適用された表面形態を含む一連の静止棒と直接巻き付け接触をする時に、増加される。繊維の束上のサイズ剤は張力増強ユニット３４ａの近位に配置された輻射熱ヒーター３５ａで前以て加熱される。走行繊維の束のトウの張力は、それらが本発明に従う繊維拡幅装置３４の張力仲介ユニット３４ｂにより提供され、そして軸方向に１８０グリットのヤスリにより適用される表面形態を含む一連の駆動ローラーと、直接巻き付け接触をする時に、管理される。駆動ローラーは、張力レベルを増強し、次に繊維の限界の直下まで低下させるために、ライン速度（すなわち、走行繊維の束の速度）の０．５〜１１倍の範囲の様々な速度で走行する繊維の束の方向に回転される。次に、トウのウェブを輻射熱のヒーター３５ｂで再度加熱し、次に最後に、本発明に従う繊維拡幅装置３４の張力低減ユニット３４ｃにより提供され、そして軸方向に１８０グリットのヤスリにより適用される表面形態を含む一連の高速駆動ローラーと直接巻き付け接触にそれらを配置することにより繊維の束の張力を低減させる。張力低減ユニット３４ｃは樹脂のフィルム３９を担持するニップローラー３８に近い範囲内に配置され、そのフィルムは拡幅繊維上に配置され、それが次に（拡幅繊維上の樹脂フィルムと一緒に）ニップローラー３８の間にけん引されて、繊維の束１組当り１平方メーター当り３５グラムで圧迫される。

従って、この方法はそれぞれが３５ｇｓｍで圧迫されて、上部および下部の組の複数の隣接する繊維の束（同一または別のクリールのいずれかからの）で同時に実施される。結果は、通常１４５ｇｓｍ（すなわち、１組の多数の隣接する束につき７２．５ｇｓｍ）の繊維面積重量（ＦＡＷ）を達成することができるのみである繊維から、ギャップまたは毛玉なしに、高度に含浸され、均一に拡幅された７０ｇｓｍのテープ４０をもたらす。高すぎる温度（例えば、１３０°Ｆを超える）または張力（例えば、１トウ当り４０００グラム−力を超える）は、本生成物のトウを疲弊させ始め、高速駆動ロール上に巻き付けを開始させるので、温度と繊維の張力は重要である。従って、より低い張力およびより低いヒーター温度を、このタイプの繊維に対して確保しなければならない。

１平方メーター当り１４５グラム（ｇｓｍ）の低繊維面積重量（ＦＡＷ）をもつプリプレグシートの製造
１平方メーター当り１４５グラム（ｇｓｍ）の標準繊維面積重量（ＦＡＷ）をもつプリプレグシートを、中間弾性率をもつ繊維［Ｈｅｘｃｅｌ Ｃｏｒｐ．（Ｓｔａｍｆｏｒｄ，ＣＴ）により供給される１２Ｋフィラメント／束の繊維のＩＭ−７Ｇ’のような］を使用して、実施例１におけるように製造する。しかし、張力増強部分３４ａには２本のみの静止棒が使用され、そして本発明に従う繊維拡幅装置３４の各張力管理部分３４ｂ（低速駆動ローラーおよび／または高速駆動ローラー）並びに張力低減部分３４ｃ（高速駆動ローラー）には２基のみの駆動ローラーが使用される。ヒーター３５ａおよび３５ｂは使用されない。トウウェブ（または繊維の束）を上部および下部の各組の多数の隣接する繊維の束に対して７２．５ｇｓｍの繊維面積重量（ＦＡＷ）に拡げ、次にニップ３８で組み合わせて、ギャップまたは毛玉のない、１４５ｇｓｍの繊維面積重量（ＦＡＷ）をもつ、高度に含浸され、均一に拡幅されたプリプレグシートを製造する。

本出願中に様々な特許および／または科学文献の参考書が参照された。それらの全体のこれらの刊行物の開示は、あたかも本明細書に記載されたように、引用により本明細書に取り込まれたこととされる。前記の説明および実施例を考慮すると、当業者は、不要な実験を伴わずに、請求された開示を実施することができると考えられる。

以上の説明は本発明の教示の基礎的な新規の特徴物を示し、説明し、指摘したが、具体的に示された装置の詳細の形態の様々な省略、置き換えおよび変更並びにそれらの使用が
、本教示の範囲から逸脱せずに、当業者により実施され得ることは理解されるであろう。その結果、本発明の教示の範囲は以上の考察に限定されず、添付の請求項によって規定されるべきである。

Claims (37)

1. ｉ）一連の静止棒として構成された張力増強ユニット、および
   ｉｉ）一連の駆動ローラーとして構成された張力低減ユニット：
   を含んでなる張力制御モジュール：
   を含んでなる拡幅繊維の束を製造するための装置であって、そこで
   静止棒と駆動ローラーが、前記静止棒と駆動ローラーの表面と直接巻き付け接触をする、走行繊維の束の方向に垂直に配置され、また駆動ローラーの周囲表面の速度が走行繊維の束の速度の少なくとも３倍である、装置。
2. 走行繊維の束が炭素、ガラス、ポリアミド、ポリアミド−イミド、ポリイミド、アラミドおよびそれらの組み合わせ物から選択される、請求項１記載の装置。
3. 走行繊維の束が多数の隣接する束を含んでなる、請求項１または２記載の装置。
4. 更に第１の装置と異なる経路に第２の張力制御モジュールを含んでなり、そこで複数の多数の隣接する繊維の束を含んでなる第２の走行繊維の束が、前記の第２の装置の静止棒と駆動ローラーの表面と直接巻き付け接触をする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置。
5. 走行繊維の束の最終拡幅の幅が繊維の束の最初の幅の３．５倍までである、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置。
6. 張力増強ユニットが、張力クリール、走行繊維の束の速度より低速運転している１種以上の低速駆動ローラー、および低速駆動ローラーと静止棒の組み合わせ物：から選択される部材により交互に提供される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の装置。
7. 更に、一連の駆動ローラーと静止棒を含んでなる張力仲介ユニットを含んでなる、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置。
8. 張力低減ユニットが一連の駆動ローラーにより提供される、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の装置。
9. 駆動ローラーの周囲表面の速度が走行繊維の束の速度の３〜１００倍の範囲にある、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の装置。
10. 駆動ローラーの周囲表面の速度が走行繊維の束の速度の３〜５０倍の範囲にある、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の装置。
11. 駆動ローラーの周囲表面の速度が走行繊維の束の速度の３〜２５倍の範囲にある、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の装置。
12. 駆動ローラーの周囲表面の速度が走行繊維の束の速度の３〜１０倍の範囲にある、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の装置。
13. 静止棒および／または駆動ローラーが表面形態を含む、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の装置。
14. 表面形態が駆動ローラーと静止棒の方向に軸の周囲に、請求項１３記載の装置。
15. 更に、少なくとも１基のレーキを含んでなる、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の装置。
16. レーキが張力増強ユニットから上流に配置される、請求項１５記載の装置。
17. レーキが張力増強ユニットと張力低減ユニットの間に配置される、請求項１５または１６記載の装置。
18. 更に、走行繊維を加熱するために配置された少なくとも１基の熱源を含んでなる、請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の装置。
19. 装置が複合加工機の部品であり、また、クリールから下流に、そして含浸システムから上流に配置される、請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の装置。
20. 装置が機織機の部品であり、また、クリールの下流に、そして複合加工機から上流に配置される、請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の装置。
21. ａ）一連の静止棒と駆動ローラーの表面と直接巻き付け接触で繊維の束を走行させる工程、および
    ｂ）走行繊維の束の速度に対して、より高い差速度で駆動ローラーを運転することにより、装置中の繊維の張力を制御し、それにより繊維の束を拡幅する工程：
    を含んでなる請求項１〜２０のいずれか１項に記載の装置を使用して拡幅繊維の束を製造する方法。
22. 更に、いずれかの工程において、少なくとも一つの静止棒および／または駆動ローラーを加熱する工程、または繊維の束自体を加熱する工程を含んでなる、請求項２１記載の方法。
23. 更に、いずれかの工程において、レーキを使用して多数の隣接する繊維の束に、均一に透き間を空ける工程を含んでなる、請求項２１〜２２のいずれか１項に記載の方法。
24. 更に、系列の１種以上のローラーに表面形態を適用する工程を含んでなる、請求項２１〜２３のいずれか１項に記載の方法。
25. 更に、拡幅繊維を巻き取りドラムで巻き取る工程を含んでなる、請求項２１〜２３のいずれか１項に記載の方法。
26. ａ）複合加工機の一部として請求項１〜２０のいずれか１項に記載の装置を統合し、
    ｂ）装置の一連の静止棒と駆動ローラーの表面と直接巻き付け接触で、１組の複数の隣接する繊維の束を走行させ、
    ｃ）走行繊維の束の速度に対して、より高い差速度で駆動ローラーを運転することにより、複数の隣接する繊維の束を拡幅し、そして
    ｄ）拡幅繊維の束を前以て決められた量の樹脂に含浸する工程：
    を含んでなる、平行に一方向に配列され、そして繊維間に均一な分布をもつロールプリプレグの連続的製法。
27. 工程（ａ）が更に、第１の装置と異なる経路において複合加工機に請求項１〜２０のいずれか１項に記載の第２の装置を統合する工程を含んでなり、そして工程（ｂ）が更に、第２の装置の一連の静止棒と駆動ローラーの表面と直接巻き付け接触で、第２組の複数の隣接する繊維の束を走行させる工程を含んでなる、請求項２９記載の方法。
28. 更に、繊維拡幅装置と接触する前に、複数の隣接する繊維の束に、スペーサー手段を使用して均一に透き間を空ける工程を含んでなる、請求項２６〜２７のいずれか１項に記載の方法。
29. 更に、含浸工程の前に、複数の隣接する繊維の束に、スペーサー手段を使用して均一に透き間を空ける工程を含んでなる、請求項２６〜２８のいずれか１項に記載の方法。
30. 多数組の繊維の束が存在する時に、スペーサー手段が相互から食い違う、請求項２９記載の方法。
31. 樹脂が熱可塑性または熱硬化性樹脂である、請求項２６〜３０のいずれか１項に記載の方法。
32. 樹脂が拡幅繊維の上部および底部双方に適用されるか、または溶液もしくはスラーリタンク中に浸漬される、請求項２６〜３１のいずれか１項に記載の方法。
33. 含浸工程が、一連の、１種以上のホットニップ、ホットプレートおよび冷却プレートにより、または溶液もしくはスラーリタンクにより実施される、請求項２６〜３２のいずれか１項に記載の方法。
34. 請求項２１〜２５のいずれか１項に従って製造された拡幅繊維の束中に前以て決められた量の樹脂を含浸させる工程を含んでなる、平行に一方向に配列されたプリプレグを製造する方法。
35. 請求項２６〜３４のいずれか１項の方法に従って製造された平行に一方向に配列されたプリプレグ。
36. 請求項３５記載のプリプレグを含んでなる、製品。
37. 各装置が異なる経路中に配置され、また１組の複数の隣接する繊維の束を受け取ることができる、請求項１〜２０のいずれか１項に記載の２基以上の繊維拡幅装置を含んでなる、複合加工システム。

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