JP2015227019A - 熱可塑性樹脂を含むプリプレグを製造するための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱可塑性樹脂によりながら、ボイドないしポアのごとき欠陥の少ないプリプレグを、高生産性にて製造するプリプレグの製造装置を提供する。
【解決手段】熱可塑性樹脂と強化繊維とを含むプリプレグを製造するための装置は、前記熱可塑性樹脂よりなる不織布Ｅを製造する紡糸部３と、それぞれ前記強化繊維よりなる複数のストランドＳを平行に送り出すクリールスタンド１と、前記ストランドＳを開繊して繊維束とする開繊部５と、不織布Ｅを加熱して前記繊維束に結合する結合部７と、を備えるプリプレグの製造装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化複合材料の原材料としてのプリプレグ、特に、熱可塑性樹脂と炭素繊維のごとき強化繊維とよりなるプリプレグを製造するための装置に関する。

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。マトリックスである樹脂としては、エポキシ樹脂やポリアミド樹脂のごとき熱硬化性樹脂を利用することが一般的であるが、近年、その良好なリサイクル性等に着目して、ポリカーボネートやポリプロピレンのごとき熱可塑性樹脂の利用が鋭意検討されている。

繊維強化樹脂の成型品を製造するには、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、熱硬化する前のポリマ、あるいは熱可塑性樹脂を含浸させた、所謂プリプレグを利用することがある。特許文献１，２は、プリプレグの製造に関連する技術を開示する。

特開平１１−０９９５８０号公報 特開２０１３−２２７６９５号公報

熱硬化する前のポリマは比較的に低粘度であり、また熱硬化の工程において一時的にさらに低粘度となるために、繊維束中へ十分に含浸することが多い。これに比べ、熱可塑性樹脂は、通常の加熱環境においては粘度が十分に下がらず、それゆえ繊維束中に十分に含浸せしめることが難しい。熱可塑性樹脂よりなるプリプレグは多数のボイドないしポアを含むことがあり、あるいはかかる欠陥を防止するためには含浸工程に十分な時間をかける必要がある。すなわち従来の技術によっては、熱可塑性樹脂よりなるプリプレグは、その品質、生産性ともに、満足しうるものではなかった。

本発明は上述の問題に鑑みてなされたものであって、その一の局面によれば、 熱可塑性樹脂と強化繊維とを含むプリプレグを製造するための装置は、前記熱可塑性樹脂よりなる不織布を製造する紡糸部と、それぞれ前記強化繊維よりなる複数のストランドを平行に送り出すクリールスタンドと、前記ストランドを開繊して繊維束とする開繊部と、前記不織布を加熱して前記繊維束に結合する結合部と、を備える。

好ましくは、前記紡糸部は、前記熱可塑性樹脂を加熱して溶融ポリマとするヒータと、前記溶融ポリマを送給するポンプと、前記溶融ポリマを吐出するノズルヘッドと、を備える。さらに好ましくは、前記紡糸部は、前記ノズルヘッドから吐出された前記溶融ポリマを受けて冷却し搬送するコンベアを備える。また好ましくは、前記開繊部は、前記ストランド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。

熱可塑性樹脂によりながら、ボイドないしポアのごとき欠陥の少ないプリプレグを、高生産性にて製造できる装置が提供される。

図１は、本発明の一実施形態によるプリプレグ製造装置の概要を表す図である。 図２は、前記プリプレグ製造装置に利用されるノズルヘッドの立面断面図である。 図３は、開繊装置の一例を表す断面図である。 図４は、前記開繊装置の概要を表す斜視図である。 図５は、熱可塑性樹脂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。

図１を参照するに、本実施形態によるプリプレグ製造装置は、概略、複数のストランドＳを送り出すクリールスタンド１と、熱可塑性樹脂よりなる不織布を製造する紡糸部３と、供給されたストランドＳ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Ｂを熱可塑性樹脂と結合してプリプレグＰを製造する結合部７と、後工程を担う後工程部９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１１と、よりなる。

クリールスタンド１としては、複数のボビンを備えて複数のストランドＳを供給できる公知のものが利用できる。好ましくはストランドＳに撚りを与えないよう、ボビンを水平に支持し、また弛まないようストランドＳ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ストランドＳ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。言うまでもなく、本実施形態においては、クリールスタンド１は炭素繊維のごとき強化繊維を供給する目的で利用され、強化繊維は互いに絡み合ったストランドの形態で送り出される。

紡糸部３は、概して、ホッパ４１と、押出機４３と、ギアポンプ４５と、紡糸ノズル４７と、コンベア４９とを備える。

熱可塑性樹脂の原料はホッパ４１に投入され、押出機４３により原料が押し出される。押出機４３としては、例えばスクリュー式を利用することができるが、必ずしもこれに限られない。図には見えていないが、押出機４３はヒータを備えることができ、原料を軟化した状態でギアポンプに押し出す。また押し出し圧を検知して押出機４３の制御に利用するべく、圧力センサを内蔵することができる。

ギアポンプ４５は、例えばサーボモータによる駆動を受けて、原料を紡糸ノズル４７に送給する。これも図には見えていないが、ギアポンプ４５内にはヒータが設けられており、押し出された原料は加熱されて溶融ポリマとなり、十分な流動性をもって紡糸ノズル４７に送給される。またギアポンプ４５は、その制御に利用するべく、圧力センサを内蔵することができる。

紡糸ノズル４７は、溶融ポリマを多数の細い糸Ｍとして吐出するためのノズルであって、図２に示すノズルヘッド５１を備える。ノズルヘッド５１は、製造やメンテナンスの便宜のために、好ましくは上下のダイ５３，５５に分解可能であって、例えばボルトにより互いに固定される。

上部ダイ５３は、下方に突出して先細りとなるスピネレット６１を備え、ポリマ通路６３が上部ダイ５３を貫通してその下端に開口している。ポリマ通路６３は上部において単一でよいが、開口において多数に分岐しており、また開口は図２の紙面と直交する方向に列をなしている。開口の数は、例えば幅１ｍあたりに数百から千数百の程度である。溶融ポリマは、押出機４３により押し出されてかかるポリマ通路６３を通ってスピネレット６１の下端から吐出される。

下部ダイ５５は、その上面が窪んでおり、上部ダイ５３と密に接することにより、その間に熱風チャンバ６５を画定する。また熱風チャンバ６５に流体連通するように、例えば上部ダイ５３は一以上の流路６７を備えることができ、外部の熱風源に接続することができる。下部ダイ５５は、また、スピネレット６１を囲むように下方に向かって先細りとなったスロット６９を備え、これは下部ダイ５５の下面に開口し、また熱風チャンバ６５に空間的に繋がっている。スロット６９とスピネレット６１の下端との間には、一対のスリットが画定され、かかるスリットは、吐出される糸Ｍに沿うように熱風を吹き出す。

ノズルヘッド５１は、さらに、下段のダイ５７，５９を備えてもよい。下段のダイ５７，５９はダイ５３，５５と類似の構造を有するが、テーパ突起７１はスピネレット６１よりも短く、またその通路７３は単一の貫通した溝であって、糸Ｍの通過を妨げないように十分な幅を有する。ダイ５７，５９との間に画定される冷風チャンバ７５には流路７７が流体連通しており、外部の冷風源に接続することができる。テーパ突起７１と貫通孔７９との間は、吐出される糸Ｍに沿うように冷風を吹き出すスリットとして作用する。

上段のダイ５３，５５と下段のダイ５７，５９との間に、さらにスペーサ８１を介在せしめ、そこにチャンバ８３を画定させてもよい。かかるチャンバ８３は、例えば糸Ｍを冷却用の流体に曝す目的に利用することができる。

図１に戻って参照するに、紡糸部３は、吐出された糸Ｍを受けてこれを搬送するように、コンベア４９を備える。コンベア４９のベルトには、例えばガラス繊維を編んだものを利用することができ、また不織布の剥離を促す観点から、好ましくはこれにフッ素樹脂等のコーティングが施される。冷却を促すべく、ベルトを通して冷風を通気せしめてもよく、またかかる通気はベルトに向かって吸引する向きにすることができる。これは不織布の厚さ、あるいは目付けを一定にすることに効果がある。吐出された糸Ｍはベルト上にランダムに縮れながら降り積もり、さらに固化し、同時にコンベア４９の稼働により少しずつ下流に向かって搬送され、以って一定の幅を有する連続した不織布Ｅとなる。

上述の説明より理解されるように、紡糸部３は、メルトブロー法による公知の不織布製造装置の一部に類似している。メルトブロー法に代えて、スパンボンド法、フラッシュ法等による公知の他の製造装置を利用することができる。

ここで注意すべきは、公知の不織布製造装置とは異なり、不織布を厚さ方向に結合して纏める、いわゆるウェブ結合のための装置を紡糸部３は含まないことである。不織布それ自体を製品とする場合と異なり、本実施形態においては不織布のハンドリングの便宜を考慮する必要がないので、ウェブ結合は必要ではない。

開繊部５は、一以上のコーム１３と、開繊装置１５とを備え、また適宜の加熱装置を備えることができる。

コーム１３は、例えばストランドＳが走行する面に対して垂直に立てられた複数のピンである。好ましくはピン相互の間隔は可変とする。かかるコーム１３は、開繊装置１５よりも上流に設けられ、さらに開繊装置１５の直前にも設けることができる。

加熱装置は、例えば開繊装置１５の直前に設置され、ストランドＳを予熱することにより、その開繊を促す。加熱装置としては、セラミックヒータ等いずれの加熱手段を利用することもでき、ストランドＳへの伝熱は、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であってもよい。

図３，４を図１と組み合わせて参照するに、開繊装置１５は、概して複数のバー１０３ａ〜１０３ｅよりなり、さらに例えば圧縮空気をストランドＳに吹き付けるノズル１０１ａ，１０１ｂを備えることができる。

ノズル１０１ａ，１０１ｂは、空気を噴出するノズルであって、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、ストランドＳ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は図示のごとくストランドＳを挟んで対を為していてもよいし、ストランドＳ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。

複数のバー１０３ａ〜１０３ｅには、ストランドＳがその表面に接しつつ走行する。各々のバー１０３ａ〜１０３ｅは、少なくともストランドＳ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、ストランドＳ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、ストランドＳ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はストランドＳ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ストランドＳに振動を与えることは、開繊を促すに有利である。

ストランドＳ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、ストランドＳ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、各ストランドＳ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Ｂが得られる。かかる繊維束Ｂにおいて、強化繊維はその長手方向に略平行に引き揃えられている。

あるいは、上述の開繊装置に代えて、ストランドＳ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５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、剥離紙を供給するボビン２１ａ，２１ｂと、不織布Ｅを繊維束Ｂに密着させるローラ２３と、不織布Ｅを繊維束Ｂと共に加熱する加熱部２５と、不織布Ｅを繊維束Ｂと共に加圧する加圧ローラ２７と、よりなる。

不織布Ｅは、繊維束Ｂの一方の面（図示の例では上面）に沿わされ、上下よりそれぞれ供給された剥離紙とともにローラ２３間に送り込まれる。

ローラ２３は、通常、繊維束Ｂを挟む一対のローラであり、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。上ローラ２３の側から（あるいは下からでもよい）不織布Ｅがフィードされて、繊維束Ｂの一方の面に沿わされ、ボビン２１ａ，２１ｂからそれぞれ供給された剥離紙にその全体が挟まれ、一対のローラ２３による加圧を受ける。以って不織布Ｅと繊維束Ｂとが仮結合する。ローラ２３は、不織布Ｅを軟化せしめて繊維束Ｂへの結合を促すべく、予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、例えば一対のプレートヒータよりなる。不織布Ｅは繊維束Ｂ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。加熱により不織布Ｅが軟化して繊維束Ｂとの融合が進む。

加圧ローラ２７は、不織布Ｅを繊維束Ｂと共に挟み、圧力を加えることのできる対になったローラである。一対に限らず、二対以上を利用することができる。加圧ローラ２７も油圧あるいはボール装置による昇降装置を備え、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。不織布Ｅの繊維束Ｂへの含浸が進むことにより、繊維束Ｂの両面が熱可塑性樹脂により覆われ、また繊維束Ｂに熱可塑性樹脂が含浸し、結合し、以ってプリプレグＰが製造される。

後工程部９は、例えば冷却部２９と、剥離紙巻き取り装置３３と、フィルム供給装置３５と、検査装置３９と、を備えることができる。

冷却部２９には、例えば水冷パイプを内蔵したローラ及びプレートを利用することができる。プリプレグＰ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。

剥離紙の少なくとも一方は、剥離部３１において剥離され、剥離紙巻き取り装置３３により巻き取られる。露出したプリプレグ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がかかる面に貼付される。すなわちフィルム供給装置３５から供給されたポリエチレンフィルムは、圧着ローラ３７によりプリプレグＰの一方の面に圧着されて貼付される。

例えばこれらよりも下流側に、検査装置３９を設けることができる。検査装置３９の例としては、例えばＸ線厚さ測定装置であるが、これに代えて、あるいは加えて、他の検査装置を利用してもよい。

後工程の終わったプリプレグＰを巻き取るべく、ワインダ１１が設けられる。プリプレグＰはワインダ１１によりロール状に巻き取られる。

クリールスタンド１からワインダ１１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、ストランドＳの弛みを防止する手段を設けてもよい。

図１乃至図５を参照するに、本実施形態による製造装置によれば、プリプレグは以下のようにして製造される。

紡糸部３のホッパ４１に熱可塑性樹脂の原料が投入され、ギアポンプ４５を駆動することにより紡糸ノズル４７のスピネレット６１より熱可塑性樹脂が吐出される。熱風チャンバ６５に熱風を送り込むことにより、吐出される熱可塑性樹脂を軟化させ、細い糸Ｍとしてこれを引き出す。同時に冷風チャンバ７５に冷風を送り込み、熱風の風量を十分に上回るようにこれを制御してもよい。これはテーパ突起７１の付近に陰圧を生ぜしめ、軟化した糸Ｍをかかる陰圧により延伸して、さらに細くする効果がある。かかる糸Ｍの径は、例えば１〜６μｍの程度である。吐出された糸Ｍはコンベア４９上にランダムに降り積もり、不織布Ｅを形成する。

並行して、それぞれ強化繊維よりなる複数のストランドＳが、クリールスタンド１より平行に送り出され、開繊部５に導入される。ストランドＳはノズル１０１ａ，１０１ｂによる空気流に曝され、即座にバー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ストランドＳはバーに接しつつ走行し、以ってストランドＳは開繊して単一の繊維束Ｂが得られる。

次いで不織布Ｅがローラ２３により繊維束Ｂに密着させられる。繊維束Ｂとともに不織布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によりプリプレグＰが冷却され、剥離部３１により剥離紙が剥離され、次いで圧着ローラ３７により保護フィルムが貼付され、ワインダ１１により巻き上げられる。

従来技術によれば、熱可塑性樹脂を溶融して塗布するか、あるいは熱可塑性樹脂よりなるフィルムを圧着することにより、熱可塑性樹脂を強化繊維に結合していた。これに加熱および加圧をしても、既に述べた通り熱可塑性樹脂の粘度は十分に下がらずに、繊維束中に十分に含浸し得ない。かかるプリプレグは、しばしば多数のボイドないしポアを含む。かかる欠陥を減じようとすれば、ライン速度を著しく遅く、例えば１ｍ／ｍｉｎに達しない程度に減速せねばならず、生産性に問題を生ずる。

これに比べ、本実施形態によれば、製造されたプリプレグはボイドないしポアのごとき欠陥をほとんど含まない。欠陥を生じにくい原因は今のところ明らかでないが、本発明者らは、熱可塑性樹脂が不織布において細くランダムな繊維の形態であるからと考えている。細い繊維の形態では熱伝達を受ける表面積が大きく、それゆえ速やかに温度上昇して溶融することができる。また溶融の過程においてもなお、空気が抜けていく経路が多数残されているので、強化繊維の周囲の空気の排出を促し、排出された空気に置換して熱可塑性樹脂が含浸し易くなる。おそらくはかかる機序に基づき、本実施形態はプリプレグに生ずる欠陥を少なくすることができ、あるいは欠陥が生じないためにライン速度を増大することができる。ライン速度は、例えば１０ｍ／ｍｉｎ以上が可能である。

ライン速度の向上は、紡糸部３をインラインに組み込んで稼働せしめることに関して、さらなる利点を生ずる。すなわち、メルトブロー法による不織布の製造はごく速く、例えば数十〜数百ｍ／ｍｉｎの程度である。これをプリプレグの製造に合わせて１ｍ／ｍｉｎ以下に減速しようとすると、紡糸ノズル４７からの吐出量に比較してライン速度が過小になり、不織布の目付け量が過大になってしまう。あるいは、好ましい目付け量とするべく吐出量を著しく絞れば、吐出が不安定となって、安定した品質の不織布が得難い。すなわち結合部７におけるライン速度が遅いままでは、紡糸部３との同調に困難が伴う。本実施形態によれば、結合部７のライン速度は、紡糸部３の稼働にも都合のよい速度に達するので、紡糸部３をインラインに組み込んで稼働させることができる。不織布を独立して製造しておき、後に強化繊維と結合する場合に比べ、生産性を著しく高めることができる。

なお、不織布を独立して製造するときには、これを一旦巻き取り、強化繊維と結合するときに改めてこれをリワインドする必要がある。これは生産性を著しく減ずるのみならず、ウェブ結合されていない不織布は、繊維の纏まりを欠くので、ハンドリングに問題を生ずる。ハンドリングの便宜のためにウェブ結合をすれば、ウェブ結合部は熱可塑性樹脂の溶融を阻害し、あるいは空気が抜けていく経路を閉塞し、以って強化繊維への含浸あるいは結合を阻害しかねない。本実施形態は、これらの問題をも解決している。

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。

熱可塑性樹脂によりながら、ボイドないしポアのごとき欠陥の少ないプリプレグを、高生産性にて製造できる装置が提供される。

１ クリールスタンド
３ 紡糸部
５ 開繊部
７ 結合部
９ 後工程部
１１ ワインダ
１３ コーム
１５ 開繊装置
２３ 予熱ローラ
２５ 加熱部
２７ 加圧ローラ
２９ 冷却部
３９ 検査装置
４７ 紡糸ノズル
４９ コンベア
５１ ノズルヘッド
Ｂ 開繊繊維束
Ｅ 不織布
Ｐ プリプレグ
Ｓ ストランド

Claims (4)

1. 熱可塑性樹脂と強化繊維とを含むプリプレグを製造するための装置であって、
   前記熱可塑性樹脂よりなる不織布を製造する紡糸部と、
   それぞれ前記強化繊維よりなる複数のストランドを平行に送り出すクリールスタンドと、
   前記ストランドを開繊して繊維束とする開繊部と、
   前記不織布を加熱して前記繊維束に結合する結合部と、
   を備えた装置。
2. 請求項１に記載の装置において、前記紡糸部は、前記熱可塑性樹脂を加熱して溶融ポリマとするヒータと、前記溶融ポリマを送給するポンプと、前記溶融ポリマを吐出するノズルヘッドと、を備えることを特徴とする装置。
3. 請求項２に記載の装置において、前記紡糸部は、前記ノズルヘッドから吐出された前記溶融ポリマを受けて冷却し搬送するコンベアを備え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、前記開繊部は、前記ストランド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。
   

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