JP2014172336A - プリプレグ製造装置及びプリプレグ製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂粉体を均一かつ効率的にシート状繊維基材に付着させて品質性能に優れたプリプレグを製造する。
【解決手段】連続的に定量供給される樹脂粉体１８に空気を混合して供給管２５の後側から取り込み帯電させた後、固気二相流を上下に延びる円筒状でその中心軸に沿って繊維基材１７が配置されたチャンバー５の下面で中心軸から径方向外側にずらした位置に接続された供給管２５の先端口からチャンバー５内に入力して旋回上昇流２４とし、チャンバー５の上面で中心軸から径方向外側にずらした位置に接続された排出管２０から出力させるとともに、チャンバー５内に設置された円筒状の電極６側に、樹脂粉体１８と同極の高圧電圧をかけ電極６とグランド接続された繊維基材１７との間に高電界を発生させて樹脂粉体１８を繊維基材１７に付着させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、樹脂粉体を炭素繊維織物やＵＤテープなどのシート状繊維基材又は線状繊維基材に付着させてプリプレグを製造するプリプレグ製造装置及びプリプレグ製造方法に関するものである。

従来、プリプレグはシート状繊維基材に樹脂を含浸させた後、加熱加圧成形する手法がとられていたが、その製造工程においてシート状繊維基材に対する樹脂の含浸や樹脂の均一性から多量の溶剤が使用されてきたため大気汚染や地球温暖化の原因となっていた。
そのため、多量の溶剤を使用しないように、樹脂粉体を使用してシート状繊維基材に付着させてプリプレグを製造する方法が開示されている（例えば、特許文献１，非特許文献１参照）。

樹脂粉体を繊維基材に付着させてプリプレグを製造する方法としては、ドライパウダーコーティング法があげられる。この方法は、ドライパウダー（樹脂粉体）を繊維基材に付着させた後、次の工程で加熱しパウダーを溶融含浸させるもので、例えば、ドライパウダー（樹脂粉体）に静電気を付与しながら散布して繊維基材に付着させた後、オーブンで加熱溶融含浸させたり、あるいは、流動床で分散させたドライパウダー（樹脂粉体）を繊維基材に付着させ、オーブンで加熱溶融含浸させるものが知られている。

米国特許第５６１８３６７号公報

「平成１９年度 熱可塑性樹脂複合材料の機械工業分野への適用に関する調査報告書」 第１７頁及び第１８頁 発行：平成２０年３月，発行者：社団法人 日本機械工業連合会及び財団法人 次世代金属・複合材料研究開発協会，［online］，［平成２５年２月２５日検索］ ，インターネット（ＵＲＬ：http://sokeizai.or.jp/japanese/rimcof/images/nikkiren_19.pdf）

しかしながら、上述したドライパウダーコーティング法では、繊維基材に対して樹脂粉体を均一に付着させることが困難であるので付着量にむらが生じて安定した品質のプレプレグを製造することはできない。
また、繊維基材の搬送速度も遅いので効率的に製造することも難しい。
特に、流動床法により分散させた樹脂粉体を繊維基材に付着させるものでは、繊維基材の片面にしか付着させることができない。

そこで、本発明の目的とするところは、樹脂粉体を均一かつ効率的に繊維基材に付着させて品質性能に優れたプリプレグを製造することにある。

上記の目的を達成するために、本発明のプリプレグ製造装置は、樹脂粉体（１８）を繊維基材（１７）に付着させてプリプレグを製造するプリプレグ製造装置であって、
前記樹脂粉体（１８）を空気に混合して連続的に定量供給するフィーダー（１）と、上下に延びる円筒状でその中心軸に沿って前記繊維基材（１７）が配置されるチャンバー（５）と、前記フィーダー（１）が後端側に接続され、先端側が略水平に延びるとともに前記チャンバー（５）の下面で前記中心軸から径方向外側にずらした位置に接続される供給管（２５）と、前記供給管（２５）に設けられ前記樹脂粉体（１８）を空気とともに帯電させる帯電器（２１）と、前記チャンバー（５）の上面で前記中心軸から径方向外側にずらした位置に接続される排出管（２０）と、前記フィーダー（１）により供給される前記樹脂粉体（１８）と空気からなる固気二相流を前記供給管（２５）から前記チャンバー（５）に入力させ、前記チャンバー（５）内で旋回上昇流（２４）とし、前記排出管（２０）から出力させるエアー供給装置（１３，１９，２３）と、前記チャンバー（５）の中心軸をその中心軸と一致させた状態で前記チャンバー（５）内に設置された円筒状の電極（６）と、前記電極（６）側に前記帯電器（２１）で帯電された樹脂粉体（１８）と同極の高圧電圧をかけて前記電極（６）とグランド接続された前記繊維基材（１７）との間に高電界を発生させる高圧電源（２２）を備え、
前記チャンバー（５）内で前記樹脂粉体（１８）を、前記繊維基材（１７）に付着させるようにしたことを特徴とする。

また、本発明は、前記繊維基材（１７）は前記チャンバー（５）の中心軸に沿って上下に延びる線状部材であることを特徴とする。

また、本発明は、前記エアー供給装置（１３，１９，２３）は、前記排出管（２０）側に設けられ、前記樹脂粉体（１８）と空気を負圧により前記供給管（２５）側から前記チャンバー（５）を介して前記排出管（２０）側に引き込むことを特徴とする。

また、本発明は、前記繊維基材（１７）を前記チャンバー（５）の下面から上面に向けて一定速度で連続的に送る基材搬送装置（２，４，８）を設けたことを特徴とする。

また、本発明のプリプレグ製造方法は、樹脂粉体（１８）を繊維基材（１７）に付着させてプリプレグを製造するプリプレグ製造方法であって、
連続的に定量供給される前記樹脂粉体（１８）に空気を混合して供給管（２５）の後側から取り込み、その供給管（２５）内で前記樹脂粉体（１８）を空気とともに帯電させた後、前記樹脂粉体（１８）と空気からなる固気二相流を、上下に延びる円筒状でその中心軸に沿って前記繊維基材（１７）が配置されたチャンバー（５）の下面で前記中心軸から径方向外側にずらした位置に接続された前記供給管（２５）の先端口から前記チャンバー（５）内に入力させて、前記チャンバー（５）内で旋回上昇流（２４）とし、前記チャンバー（５）の上面で前記中心軸から径方向外側にずらした位置に接続された排出管（２０）から出力させるとともに、前記チャンバー（５）の中心軸をその中心軸と一致させた状態で前記チャンバー（５）内に設置された円筒状の電極（６）側に前記帯電された樹脂粉体（１８）と同極の高圧電圧をかけて前記電極（６）とグランド接続された前記繊維基材（１７）との間に高電界を発生させて、前記チャンバー（５）内で前記樹脂粉体（１８）を、前記繊維基材（１７）に付着させるようにしたことを特徴とする。

なお、括弧内の記号は、図面および後述する発明を実施するための形態に記載された対応要素または対応事項を示す。

本発明によれば、円筒状のチャンバーの下面及び上面において樹脂粉体を送り込む供給管及び樹脂粉体を排出する排出管をそれぞれチャンバーの中心軸からずらして接続するとともにエアー供給装置を設けることにより、チャンバー内に旋回上昇流を発生させるようにしたので、チャンバー内で樹脂粉体は均一に分散化される。また、チャンバー内で旋回上昇流を発生させるようにしたことでチャンバー内で樹脂粉体が滞留する時間は長くなるので、ただの上昇流の場合と比較してチャンバー内の樹脂粉体量が多くなり、繊維基材に対する付着量も増加する。

また、チャンバーに設置された円筒状の電極には樹脂粉体と同極の高圧電圧がかけられているので、予め帯電された樹脂粉体の粒子相互間には斥力がはたらき樹脂粉体は一層均一に分散化される。
そして、電極とグランド接続された繊維基材との間には高電界を発生させるようにしたので、樹脂粉体は、静電力によってチャンバーの中心軸に沿って配置された繊維基材に向かって移動し繊維基材に固着する。このように設けられた電極と繊維基材の間に高圧電圧をかけない場合には、樹脂粉体と繊維基材の間には鏡像力による弱い力の引力のみがはたらくため樹脂粉体が繊維基材に付着する速度は遅く付着力も強固ではないが、本発明では、電極と繊維基材の間に高圧電圧をかけることにより樹脂粉体に強固な引力がはたらくようにしたので樹脂粉体の付着速度は早くなり強固に固着される。

ここでは、繊維基材はシート状でも線状でもよいが、繊維基材はチャンバーの中心軸に沿って上下に延びるように配置されるため、シート状の繊維基材ではその両面に対して樹脂粉体は確実に付着し、特に線状の繊維基材ではその全周に対して円筒状の電極からの距離は等しいので樹脂粉体は一層均一でさらに強固に付着され、その結果、品質性能に優れたプリプレグが提供される。

エアー供給装置は、チャンバーに対する樹脂粉体の供給側（供給管側）でも排出側（排出管側）でも設けることができるが、排出管側に設けるようにすれば、強い吸引力によって樹脂粉体と空気からなる固気二相流をチャンバー内で容易に旋回上昇流とすることができる。

また、本発明によれば、繊維基材をチャンバーの下面から上面に向けて一定速度で連続的に送る基材搬送装置を設けたので、繊維基材に対して樹脂粉体を連続的かつ自動的に付着させることができる。

なお、本発明のプリプレグ製造装置及びプリプレグ製造方法のように、帯電させられた空気と樹脂粉体からなる固気二相流をチャンバー内で旋回上昇流とするとともに、チャンバー内に設置された円筒状の電極側に樹脂粉体と同極の高圧電圧をかけてチャンバー内で樹脂粉体を繊維基材に付着させるようにした点は、上述した特許文献１及び非特許文献１には全く記載されていない。

本発明の実施形態に係るプリプレグ製造装置の構成概要を示す側面図である。 図１に示したチャンバーに対する供給管及び排出管の接続位置を示す一部断面平面図である。 図１に示したチャンバーに対する供給管及び排出管の接続位置を示す一部断面側面図である。 図１に示した増風装置の内部構成を示す拡大断面図である。 図２に示したチャンバーの内部構成を示す拡大断面図である。 図５に示したものとは形態の異なるチャンバーの内部構成を示す拡大断面図である。である。

図１乃至図５を参照して本発明の実施形態に係るプリプレグ製造装置について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るプリプレグ製造装置の構成概要を示し、図２乃至図５は、図１に示す装置構成の要部をそれぞれ示したものである。

本発明の実施形態に係るプリプレグ製造装置は、樹脂粉体１８を線状の炭素繊維基材１７に付着させてプリプレグを製造する装置であって、図１に示すように、樹脂粉体１８を空気に混合して連続的に定量供給するフィーダー１と、上下に延びる円筒状でその内部に炭素繊維基材１７が配置されるチャンバー５と、フィーダー１が後端側に接続され、先端側がチャンバー５の下面に接続される供給管２５と、供給管２５に設けられた帯電器２１と、チャンバー５の上面に接続される排出管２０と、フィーダー１により供給される樹脂粉体１８と空気からなる固気二相流を供給管２５からチャンバー５に入力させ排出管２０から出力させる増風装置１３，エアーチューブ１９，コンプレッサ２３からなるエアー供給装置と、チャンバー５内に設置された円筒状の電極６と、その電極６と炭素繊維基材１７の間に高電圧をかける高圧電源２２を備えている。
なお、樹脂粉体１８としては、一般的に熱硬化性樹脂が使用されるが熱可塑性樹脂や天然樹脂などであってもよい。また、繊維基材１７は炭素繊維系以外の金属繊維や鉱物繊維やガラス繊維や合成繊維からなるものであってもよい。

樹脂粉体１８を供給するフィーダー１は、その排出口が、略Ｌ字状に湾曲した供給管２５の後端部に接続された漏斗９の上方に位置するように架台１６に設けられている。

チャンバー５は、縦長で上下に延びる中心軸に沿って同じく上下に延びる線状の炭素繊維基材１７が配置されている。炭素繊維基材１７は、送り出しリール２から第１ガイドローラー３を介して一定速度送り出し機構４に連続的に送られ、一定速度送り出し機構４からチャンバー５の下面からチャンバー５内に一定速度で送られるとともに、チャンバー５の上面からチャンバー５の外側に排出され、第２ガイドローラー７を介して巻き取りリール８によって巻き取られる。これら送り出しリール２，一定速度送り出し機構４及び巻き取りリール８によって基材搬送装置が構成されている。

供給管２５の先端側は、後端側よりも低い位置において略水平に延び、その略水平に延びる部位の略中間には、樹脂粉体１８を空気とともに帯電させる帯電器２１が設けられている。帯電器２１は、樹脂粉体１８を空気とともにマイナス（逆にプラスでもよい）に帯電させるもので、例えば、（株）増田研究所社製の「ボクサーチャージャー（ＢＣＳ−７０）」などが使用され、高い電荷量が樹脂粉体１８に与えられる。
排出管２０の先端側は、チャンバー５に接続され、後端側は、増風装置１３を介してドラム缶１５に接続されている。

供給管２５の先端側に位置する入口部１０は、図２及び図３に示すように、チャンバー５の下面において、チャンバー５の上下に延びる中心軸から径方向外側にずらした位置に接続されるとともに、排出管２０の先端側に位置する出口部１１も、チャンバー５の上面において、チャンバー５の上下に延びる中心軸から径方向外側にずらした位置に接続されている。なお、ここでは、供給管２５及び排出管２０ともチャンバー５の中心軸から径方向外側に同じ方向にずらした位置に接続されているが、異なる方向、すなわち、供給管２５及び排出管２０の接続位置が、チャンバー５の断面形状において中心軸を中心とした点対称になるように接続してもよい。

増風装置１３は、例えば、図４に示すように、その圧縮空気供給口に、レギュレーター１４を介してコンプレッサ２３から出力される圧縮空気を搬送するエアーチューブ１９が接続されていて、搬送された圧縮空気を動力源としてチャンバー５から排出される樹脂粉体１８と空気からなる固気二相流を大量に吸引（強制吸気）して、圧縮空気とともに増風された固気二相流をドラム缶１５側に向けて吐出するようになっている。これら増風装置１３，エアーチューブ１９及びコンプレッサ２３によってエアー供給装置が構成され、チャンバー５の上下に中心軸からずらしたオフセット位置に供給管２５及び排出管２０を接続することによって、チャンバー５内においては、強い旋回上昇流を発生させることができる。

円筒状の電極６は、その中心軸をチャンバー５の中心軸と一致させた状態でチャンバー５内に設置されている。
高圧電源２２は、電極６側に帯電器２１で帯電された樹脂粉体１８と同極の高圧電圧（樹脂粉体１８がマイナスに帯電される場合には電極６もマイナスに帯電され、樹脂粉体１８がプラスに帯電される場合には電極６もプラスに帯電される）をかけて電極６とグランド接続された繊維基材１７との間に高電界を発生させるようになっている。

次に、このように構成されたプリプレグ製造装置を使用してプリプレグを製造する方法について説明する。
図１に示すように、フィーダー１から樹脂粉体１８が、供給管２５に取付けられた漏斗９にその上方から連続的に定量供給されると、樹脂粉体１８は空気と混合され、供給管２５の帯電器２１によって、例えばマイナス電極に帯電される。
そして、帯電させられた樹脂粉体１８と空気からなる固気二相流は、チャンバー５の下面に中心軸からオフセット状態で接続された供給管２５先端の入口部１０からチャンバー５に送られる。このとき、チャンバー５の上面には排出管２０先端の出口部１１が中心軸からオフセット状態で接続され、さらに排出管２０には、コンプレッサ２３からレギュレーター１４を介して送られる圧縮空気を動力源として入力した気流を増風して出力する増風装置１３が接続されているので、増風装置１３による負圧によって、チャンバー５に送り込まれた固気二相流はチャンバー５内から排出管２０側に向かって強く引き込まれ、強い旋回上昇流とされる。これにより樹脂粉体１８は均一に分散される。なお、増風装置１３から吐出された固気二相流はドラム缶１５に送られ、樹脂粉体１８は再利用される。

このときチャンバー５内ではその中心軸に沿って下方から上方に向かって線状の炭素繊維基材１７が連続的に引き上げられ、しかも炭素繊維基材１７とそれを取り囲むように設けられた円筒状の電極６との間には、電極６側を樹脂粉体１８の帯電と同様のマイナス電極とする高圧電圧がかけられているので、樹脂粉体１８は斥力により互いに反発することでさらに均一に分散化され、樹脂粉体１８は強固な引力により炭素繊維基材１７側に早い速度で移動して強固な接着力で付着する。

これにより、プリプレグが製造される。なお、本発明でいうプリプレグには炭素繊維基材１７に付着する樹脂粉体１８の量を抑えたいわゆるセミプレグも含まれる。

本発明の実施形態に係るプリプレグ製造装置及びプリプレグ製造方法によれば、円筒状のチャンバー５の下面及び上面において樹脂粉体１８を送り込む供給管２５及び樹脂粉体１８を排出する排出管２０をそれぞれチャンバー５の中心軸からずらして接続するとともに、増風装置１３，エアーチューブ１９，コンプレッサ２３からなるエアー供給装置を設けることにより、チャンバー５内に旋回上昇流を発生させるようにしたので、チャンバー５内で樹脂粉体１８は均一に分散化される。また、チャンバー５内で旋回上昇流を発生させるようにしたことでチャンバー５内で樹脂粉体１８が滞留する時間は長くなるので、ただの上昇流の場合と比較してチャンバー５内の樹脂粉体１８の量が多くなり、炭素繊維基材１７に対する付着量も増加する。

また、チャンバー５に設置された円筒状の電極６には樹脂粉体１８と同極の高圧電圧がかけられているので、予め帯電された樹脂粉体１８の粒子相互間には斥力がはたらき樹脂粉体１８は一層均一に分散化される。
そして、電極６とグランド接続された炭素繊維基材１７との間には高電界を発生させるようにしたので、樹脂粉体１８は、静電力によってチャンバー５の中心軸に沿って配置された炭素繊維基材１７に向かって移動し炭素繊維基材１７に強固に付着する。

なお、本実施形態では、炭素繊維基材１７として線状のものをチャンバー５の中心軸に沿って配置するようにしたが、図６に示すように、シート状の炭素繊維基材１７（１７Ｔ）をチャンバー５の中心軸に沿って配置するようにしてもよい。
これによれば、シート状の炭素繊維基材１７Ｔの両面に対して樹脂粉体１８は確実に付着するので品質性能に優れたプリプレグが提供される。

また、本実施形態では、増風装置１３，エアーチューブ１９，コンプレッサ２３からなるエアー供給装置を、チャンバー５に対する樹脂粉体１８の排出管２０側に設けて強い吸引力によって樹脂粉体１８と空気からなる固気二相流を供給管２５側からチャンバー５内に引き込んで旋回上昇流を発生するようにしたが、チャンバー５に対する樹脂粉体１８の供給管２５側に設けて強い押圧力によって樹脂粉体１８と空気からなる固気二相流を供給管２５側からチャンバー５内に押し込んで旋回上昇流を発生するようにしてもよい。

１ フィーダー
２ 送り出しリール（基材搬送装置）
３ 第１ガイドローラー
４ 一定速度送り出し機構（基材搬送装置）
５ チャンバー
６ 電極
７ 第２ガイドローラー
８ 巻き取りリール（基材搬送装置）
９ 漏斗
１０ 入口部
１１ 出口部
１２ ヒーター
１３ 増風装置（エアー供給装置）
１４ レギュレーター
１５ ドラム缶
１６ 架台
１７ 炭素繊維基材
１７Ｔ 炭素繊維基材（シート状）
１８ 樹脂粉体
１９ エアーチューブ（エアー供給装置）
２０ 排出管
２１ 帯電器
２２ 高圧電源
２３ コンプレッサ（エアー供給装置）
２４ 旋回上昇流（樹脂粉体と空気の固気二相流）
２５ 供給管

Claims (5)

1. 樹脂粉体を繊維基材に付着させてプリプレグを製造するプリプレグ製造装置であって、
   前記樹脂粉体を空気に混合して連続的に定量供給するフィーダーと、
   上下に延びる円筒状でその中心軸に沿って前記繊維基材が配置されるチャンバーと
   前記フィーダーが後端側に接続され、先端側が略水平に延びるとともに前記チャンバーの下面で前記中心軸から径方向外側にずらした位置に接続される供給管と、
   前記供給管に設けられ前記樹脂粉体を空気とともに帯電させる帯電器と、
   前記チャンバーの上面で前記中心軸から径方向外側にずらした位置に接続される排出管と、
   前記フィーダーにより供給される前記樹脂粉体と空気からなる固気二相流を前記供給管から前記チャンバーに入力させ、前記チャンバー内で旋回上昇流とし、前記排出管から出力させるエアー供給装置と、
   前記チャンバーの中心軸をその中心軸と一致させた状態で前記チャンバー内に設置された円筒状の電極と、
   前記電極側に前記帯電器で帯電された樹脂粉体と同極の高圧電圧をかけて前記電極とグランド接続された前記繊維基材との間に高電界を発生させる高圧電源を備え、
   前記チャンバー内で前記樹脂粉体を、前記繊維基材に付着させるようにしたことを特徴とするプリプレグ製造装置。
2. 前記繊維基材は前記チャンバーの中心軸に沿って上下に延びる線状部材であることを特徴とする請求項１に記載のプリプレグ製造装置。
3. 前記エアー供給装置は、前記排出管側に設けられ、前記樹脂粉体と空気を負圧により前記供給管側から前記チャンバーを介して前記排出管側に引き込むことを特徴とする請求項１又は２に記載のプリプレグ製造装置。
4. 前記繊維基材を前記チャンバーの下面から上面に向けて一定速度で連続的に送る基材搬送装置を設けたことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載のプリプレグ製造装置。
5. 樹脂粉体を繊維基材に付着させてプリプレグを製造するプリプレグ製造方法であって、
   連続的に定量供給される前記樹脂粉体に空気を混合して供給管の後側から取り込み、その供給管内で前記樹脂粉体を空気とともに帯電させた後、
   前記樹脂粉体と空気からなる固気二相流を、上下に延びる円筒状でその中心軸に沿って前記繊維基材が配置されたチャンバーの下面で前記中心軸から径方向外側にずらした位置に接続された前記供給管の先端口から前記チャンバー内に入力させて、前記チャンバー内で旋回上昇流とし、前記チャンバーの上面で前記中心軸から径方向外側にずらした位置に接続された排出管から出力させるとともに、
   前記チャンバーの中心軸をその中心軸と一致させた状態で前記チャンバー内に設置された円筒状の電極側に前記帯電された樹脂粉体と同極の高圧電圧をかけて前記電極とグランド接続された前記繊維基材との間に高電界を発生させて、前記チャンバー内で前記樹脂粉体を、前記繊維基材に付着させるようにしたことを特徴とするプリプレグ製造方法。