JP2016065356A

JP2016065356A - 一方向不連続繊維帯の製造方法

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Publication number: JP2016065356A
Application number: JP2015252569A
Authority: JP
Inventors: 康渡邊; Yasushi Watanabe; 鮫島　禎雄; Sadao Samejima; 禎雄鮫島
Original assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 2015-12-24
Filing date: 2015-12-24
Publication date: 2016-04-28
Anticipated expiration: 2030-10-15
Also published as: JP6119837B2

Abstract

【課題】繊維材料を冷凍することなく、また、フィラメントの配向を乱すことなく繊維材料を切断して、低コストで一方向不連続繊維帯を製造する。【解決手段】一方向連続繊維からなる帯状の繊維束２２ａにレーザ光を照射して、繊維束２２ａの長手方向の複数箇所において、繊維方向に対する角度が２〜１７８°となる範囲内で一方向不連続繊維帯とする切断線を形成する切断工程を有する。切断工程では、繊維束２２ａの下面に、レーザ照射が反射もしくは透過することにより切断されない耐レーザ性を備えた支持体２４を配置して、繊維束２２ａを支持する。【選択図】図２

Description

本発明は、多数本の短繊維が長手方向に沿って配向した一方向不連続繊維帯の製造方法に関する。

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。

一方向に配向した短繊維は、例えば、一方向に配向した長繊維束（繊維トウ）を巻き出して開繊した後、この長繊維束の長手方向の複数箇所において、長繊維束を幅方向に沿って断続的に切断する方法などにより得られる。このような方法によれば、長繊維束のような連続的な取り扱い（例えば、連続的な巻取りなど。）が可能でありながら、個々の各フィラメントは複数箇所で適宜切断されて短繊維となっている、一方向不連続繊維帯を得ることができる。

ところが、繊維材料として例えば炭素繊維やアラミド繊維を用いた場合には、これらの繊維は一般的な有機繊維よりも引張り強さが大きく、高弾性であるため、ステンレスやセラミックからなる切断具では磨耗による劣化によって安定的に切断できない問題点があった。
このような問題に対して、特許文献１には、繊維材料に冷凍処理を施した後、レーザ光を照射することにより、繊維材料を切断する技術が記載されている。そして、特許文献１には、単にレーザ光を照射するだけでは、フィラメントがばらけてしまい、配向が乱れる場合があったのに対して、繊維材料にあらかじめ冷凍処理を施すことによって、フィラメントがばらけることなく、長繊維束を切断できることが記載されている。

特開平６−１５８５２８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、繊維材料を冷凍するための冷凍装置や、切断後に繊維材料を乾燥するための乾燥装置、さらには、冷凍のための液体窒素などの液化ガスが必要となり、製造コストが高くなるという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、繊維材料を冷凍することなく、また、フィラメントの配向を乱すことなく繊維材料を切断して、低コストで一方向不連続繊維帯を製造することである。

本発明の一方向不連続繊維帯の製造方法は、一方向連続繊維からなる帯状の繊維材料にレーザ光を照射して、前記繊維材料の長手方向の複数箇所において、繊維方向に対する角度が２〜１７８°となる範囲内で一方向不連続繊維帯とする切断線を形成する切断工程を有し、該切断工程では、前記繊維材料の下面に、レーザ照射が反射もしくは透過することにより切断されない耐レーザ性を備えた支持体を配置して、前記繊維材料を支持する。
前記切断工程の後に、前記繊維材料と前記支持体とを前記繊維材料が内側になるように巻き取る巻取工程をさらに有することが好ましい。

本発明によれば、繊維材料を冷凍することなく、また、フィラメントの配向を乱すことなく、繊維材料を切断して、低コストで一方向不連続繊維帯を製造することができる。

本発明の製造方法で製造される一方向不連続繊維帯の一例を示す平面図である。図１の一方向不連続繊維帯を製造する製造装置の一例を示す概略構成図である。

以下、本発明の一方向不連続繊維帯の製造方法について、詳細に説明する。
なお、本発明において、一方向不連続繊維帯とは、長手方向（一方向）に沿って、多数本の短繊維が配向した帯状の材料のことを言う。また、短繊維とは、長さが１５ｍｍ以上、２００ｍｍ未満の繊維のことを意味し、長繊維とは、長さが２００ｍｍ以上の繊維のことを意味する。

図１は、本発明の製造方法で製造される一方向不連続繊維帯の一例を示す平面図である。
この一方向不連続繊維帯１０は、長手方向に沿う一方向（矢印Ａ方向）に配向した多数本の短繊維の炭素繊維フィラメントからなる幅Ｗの帯状の材料であり、詳しくは後述するが、３０００〜１８００００本程度のフィラメントからなり、開繊された幅Ｗの１本の長繊維束（一方向連続繊維）を材料として製造されたものである。また、この一方向不連続繊維帯１０の厚みは０．０４〜０．２５ｍｍである。

この一方向不連続繊維帯１０は、長手方向の複数箇所Ｐ_ｎ（ただし、ｎ＝１，２，３・・・）、すなわち、この例ではＰ_１，Ｐ_２，Ｐ_３，Ｐ_４，Ｐ_５の５箇所それぞれにおいて、炭素繊維フィラメントと交差する方向（繊維方向と交差する方向。）に部分的に形成された複数の切断線（切れ目）１１を有している。

具体的には、各切断線１１は、一方向不連続繊維帯１０の幅方向に沿う長さがＬ、一方向不連続繊維帯１０の幅方向に沿う間隔がＱ_１、一方向不連続繊維帯１０の長手方向に沿う間隔がＱ_２で配置され、長手方向の各箇所それぞれにおいて一方向不連続繊維帯１０の幅方向に沿って断続的に形成されている。また、各切断線１１は、一方向不連続繊維帯１０の厚み方向に貫通している。
図１の一方向不連続繊維帯１０は、このように形成された切断線１１により、元々は長繊維であった各炭素繊維フィラメントそれぞれが長手方向に分断され、長さＲの短繊維とされたものである。そのため、この一方向不連続繊維帯１０をプリプレグに使用した際には、一方向に配向した長繊維を含むプリプレグと同等の物性や取扱性を有しながら、優れた曲面賦形性を発揮し、特に立体的な成形物の成形に適したものとなる。

また、この例では、長手方向に隣り合う箇所、すなわちＰ_ｎとＰ_ｎ＋１とでは、切断線１１の幅方向における配置位置が一致せず、互い違いにずれるようなパターンで、切断線１１が配置されている。

このような一方向不連続繊維帯１０は、例えば図２に示す一方向不連続繊維帯の製造装置２０により連続的に製造できる。
図２の製造装置２０は、一方向連続繊維からなる繊維束の巻回物を巻き出す巻出装置２１と、巻き出された繊維束２２を開繊して、例えば厚みが０．０４〜０．２５ｍｍ程度の均一な厚みの帯状とする開繊装置２３と、開繊された帯状の繊維束２２ａの下面側に支持体２４を供給、配置する供給装置２５と、支持体２４が配置された繊維束２２ａに対して、支持体２４が配置されていない上面側にレーザ光を照射して繊維束２２ａの所望の部分を切断し、複数の切断線１１を形成する切断装置２６と、切断装置２６を経た繊維束２２ｂを支持体２４と共に巻き取る巻取装置２７とを備えている。

この例の切断装置２６は、水平方向に搬送される繊維束２２ａの上面側において、レーザ光を自在に走査して、繊維束２２ａの上面における任意の位置を切断可能なものである。
また、開繊装置２３の後段には、開繊された繊維束２２ａと、供給された支持体２４とを両面側から挟む一対のニップローラ２８が配置され、このニップローラ２８により、巻出装置２１から巻き出され、支持体２４で支持される前までの繊維束に対して、所定の張力が付与されるようになっている。また、ニップロール２８から巻き取り装置２７までの間は、支持体２４に対し、張力が付与され、繊維束２２ｂのフィラメントの配向を乱すことなく巻き取ることができるようになっている。

この製造装置２０により、図１の一方向不連続繊維帯１０を製造する場合には、まず、巻出装置２１により繊維束２２を連続的もしくは間欠的に巻き出し、この繊維束２２を開繊装置２３の具備する複数本のバーで擦過もしくは揺動によって開繊して、帯状の繊維束２２ａとする。
ついで、開繊された帯状の繊維束２２ａの下面側に、供給装置２５から支持体２４を供給し、この支持体２４により繊維束２２ａを下方から支持して、繊維束２２ａを支持体２４とともに切断装置２６へと送る。
そして、支持体２４が配置された繊維束２２ａの上面側から、切断装置２６によりレーザ光を照射して、繊維束２２ａの所定の位置を走査して切断し、図１のようなパターンで複数の切断線１１を形成する（切断工程）。
この例では、被切断物である帯状の繊維束２２ａは、所定の供給速度で連続的に切断装置２６に送られているため、切断装置２６は、繊維束２２ａの供給速度を考慮した方向および速度でレーザ光を走査し、複数の切断線１１を連続的に形成していく。

ついで、切断工程後の繊維束２２ｂと、その下面側に配置された支持体２４とを共に、繊維束２２ｂが内側となるように巻取装置２７で巻き取る（巻取工程）。繊維束２２ｂが内側に位置するように巻き取ると、すでに切断線１１が形成されている状態の繊維束２２ｂが、巻回物の外側に向けて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。
このような方法により、支持体２４に支持された巻回物の形態で、一方向不連続繊維帯１０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１０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１０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。
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。

支持体２４としては、レーザ照射が反射もしくは透過することにより切断されない耐レーザ性を備え、少なくとも切断工程中に、繊維束２２ａを支持できるものであればよく、帯状（シート状、テープ状、フィルム状、ベルト状、バンド状など。）のものがよい。例えば、ＹＡＧレーザであればＰＥＴフィルムや、シリコーン樹脂やテフロン（登録商標）でコーティングされた紙であればよい。また、炭酸ガスレーザであればシリコーンフィルムやシリコーン又はテフロン（登録商標）でコーティングされた紙であればよい。

切断工程で照射するレーザ光の種類としては、例えば、炭酸ガスレーザやエキシマレーザなどの気体レーザ、ＹＡＧレーザやＹＶＯ_４レーザなどの固体レーザ及びファイバーレーザなどが使用できるが、短時間の照射で繊維束を良好に切断できる点では、ＹＡＧレーザ及びＹＶＯ_４レーザなどの固体レーザ及びファイバーレーザが好ましい。
切断工程で使用される切断装置２６としては、キーエンス製の型式ＭＤ−Ｆ３０００や型式ＭＤ−Ｖ９９００、ＳＵＮＸ製の型式ＬＰ−Ｚ２５０、ＬＰ−Ｇ０５０、ＬＰ−４３１Ｕ、ＡｄｖａｎｃｅｄＯｐｔｏｗａｖｅｓＣｏｒｐ製の型式ＡＷＡＶＥ−３５５−１５−１００Ｋなどが挙げられる。
また、レーザ出力、発振モード、走査する速度、パルス幅、パルス周波数などを繊維束２２aの材質、厚み、供給される速度、厚み方向の切断の度合いに応じて設定することが好ましい。

このような製造方法では、以上説明したように、一方向連続繊維からなる繊維束２２ａの下面に、繊維束２２ａを支持する支持体２４を配置して切断工程を行う。
そのため、切断工程を行うにあたって繊維束２２ａを冷凍しなくても、繊維束２２ａを構成している炭素繊維フィラメントの配向を乱すことなく、レーザ光により繊維束２２ａの所望の箇所を切断することができる。よって、繊維束を冷凍するための冷凍装置や、切断後に繊維束を乾燥するための乾燥装置、さらには、冷凍のための液体窒素などの液化ガスは一切必要なく、低コストで図１の例のような一方向不連続繊維帯１０を連続的に製造することができる。

また、この例の製造方法では、切断工程の後に、繊維束２２ｂと支持体２４とを繊維束２２ｂが内側になるように巻き取る巻取工程をさらに有している。そのため、すでに切断線１１が形成されている状態の繊維束２２ｂが、巻回物の外側に向けて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。

なお、この例では、繊維束２２ａの上面側に切断装置２６を配置し、レーザ光を繊維束２２ａの上面側より照射して切断線１１を形成しているが、繊維束２２ａの下面側にある支持体２４がレーザ光を透過する支持体の場合には、支持体２２はレーザ光により切断されずに繊維束２２ａを支持することができるため、切断装置２６を繊維束２２ａの下面側もしくは両側に配置して、繊維束２２ａの下面側もしくは両面側よりレーザ光を照射して切断線１１を形成してもよい。繊維束２２ａの両面側からレーザ光を照射する場合には、一方からのレーザ光と他方からのレーザ光により、繊維束２２ａを両面側から切断することにより、厚み方向に貫通した切断線１１を形成してもよい。

なお、この例では、繊維材料として炭素繊維を例示したが、炭素繊維以外の繊維、例えばアラミド繊維などであってもよい。しかしながら、上述の切断工程によれば、配向を乱さずに切断することがより難しい炭素繊維であっても、良好に切断することができる。

また、この例では、一方向不連続繊維帯１０として、長手方向の複数箇所Ｐ_ｎそれぞれにおいて、複数の切断線１１が断続的に形成されているものを例示した。しかしながら、一方向不連続繊維帯１０を構成する各フィラメントが、切断工程により短繊維になっている限り、各箇所Ｐ_ｎそれぞれにおける切断線の本数は１本であってもよい。
また、この例では、一方向不連続繊維帯１０として、長手方向に隣り合う箇所では、切断線１１の幅方向における配置位置が互い違いにずれるパターンで切断線１１が形成されたものを例示した。しかしながら、一方向不連続繊維帯１０を構成する各フィラメントが、切断工程により短繊維になっている限り、切断線１１の形成パターンには特に制限はない。例えば図１の例のように一定の規則性をもったパターンでもよいし、規則性のないランダムなパターンであってもよい。また、各切断線１１の長さ、切断線１１の本数、間隔Ｑ_１、Ｑ_２などにも制限はない。
また、この例では、一方向不連続繊維帯１０として、各切断線１１が厚み方向に貫通して形成されているものを例示した。しかしながら、一方向不連続繊維帯１０を構成する各フィラメントが、切断工程により短繊維になっている限り、すべての切断線が厚み方向に貫通している必要はない。

さらに、この例では、各切断線１１の方向が一方向不連続繊維プリプレグ１０の幅方向と一致しているものを例示した。しかしながら、各切断線１１の方向は、繊維方向と交差する方向であればよい。ただし、レーザ光の照射されるスポット径による切断幅の点からは、各切断線１１の方向は、繊維方向に対する角度が２〜１７８°となる範囲内であることが好ましい。更に好ましくは３０〜１５０°の範囲がよい。なお、各切断線の方向は、一致していなくてもよい。

また、この例では、一方向不連続繊維帯１０として、１束の一方向連続繊維からなる繊維束（長繊維束（繊維材料））から形成されたものを例示したが、複数本の一方向連続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。その場合、巻出装置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。
以上説明したように、切断線１１の形成パターン、本数、間隔、方向や、切断工程に供給される長繊維束の本数などは、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。

１０一方向不連続繊維帯
１１切断線
２２ａ帯状の繊維束（繊維材料）
２４支持体
２６切断装置

Claims

一方向連続繊維からなる帯状の繊維材料にレーザ光を照射して、前記繊維材料の長手方向の複数箇所において、繊維方向に対する角度が２〜１７８°となる範囲内で一方向不連続繊維帯とする切断線を形成する切断工程を有し、
該切断工程では、前記繊維材料の下面に、レーザ照射が反射もしくは透過することにより切断されない耐レーザ性を備えた支持体を配置して、前記繊維材料を支持する、一方向不連続繊維帯の製造方法。
前記切断工程の後に、前記繊維材料と前記支持体とを前記繊維材料が内側になるように巻き取る巻取工程をさらに有する、請求項１に記載の一方向不連続繊維帯の製造方法。