JP2016108679A - 炭素繊維スライバの製造方法及びその製造装置 - Google Patents
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Abstract
Description
しかし、コンポジット材料として炭素繊維を利用する場合、炭素繊維を一方向に並び換えて糸状に紡績することが好ましいが、炭素繊維は、繊維自体に捲縮性を持たず、滑りやすいので、繊維同士が絡みにくく、炭素繊維単独で糸状に紡績することは困難であった。また、ランダムな方向に開繊された炭素繊維を一方向に並び換えようとすると、炭素繊維が折損して強度が低下する問題もあった。
そして、特許文献1の梳綿工程に用いる梳綿機は、図9に示すように、混合綿141を供給するフィードラチス161、フィードラチス161の上の混合綿をテーカイン201に供給するフィードローラ181、高速で回転しフィードローラ181からの混合綿を表面に植設された鋸歯で掻き取ってシリンダ221に渡すテーカイン201、回転することによりテーカイン201との表面速度の差によりテーカイン201の繊維を表面に植設された針で受け取ると共にウオーカローラ241との間で繊維を梳ずるシリンダ221と、シリンダ221から梳ずられた繊維を受け取りフリース状として取り出すドッファ261と、ドッファ261から取り出されたフリース状の混合綿281を収束してスライバ301を形成するカレンダーローラ321から成る。
すなわち、ホッパーフィーダ101で混綿され開繊された混合綿141は、ピッチ系炭素繊維と天然繊維および/または合成繊維とが、十分に交絡されていなく、また、混合綿141がテーカイン201やドッファ261を通過する際、繊維を下方から受け止めるものがない。そのため、天然繊維および/または合成繊維と交絡されていないピッチ系炭素繊維は、ばらばらとなって途中で落下する問題があった。
また、シリンダ221とウオーカローラ241との間を繊維が通過するとき、曲げ荷重に弱いピッチ系炭素繊維のみが折損する問題があった。
(1)炭素繊維と合成繊維とを混棉して形成する炭素繊維スライバの製造方法であって、
前記炭素繊維は、短繊維状に切断されてランダムな方向に開繊された綿状繊維であり、前記合成繊維は、短繊維状に形成されて略同一方向に配列された捲縮可能な綿状繊維であること、
前記合成繊維の捲縮方向と送り方向とを略合致させ、所定の厚さに積層した前記合成繊維の上方に、前記炭素繊維を層状に重ね合わせる第1工程と、
前記第1工程で重ね合わせた前記炭素繊維と前記合成繊維とを、送り方向前方に配置されたフロントローラと送り方向後方に配置されたバックローラとによって挟み込み、繊維にドラフトを掛けながら前記フロントローラと前記バックローラとの中間部に配置されたギル装置にて前記送り方向に繊維を梳ってフリース状のウェブを形成する第2工程と、
前記フロントローラから送り出される前記フリース状のウェブが、上方の炭素繊維を下方の合成繊維によって両側から包み込まれながら束状に集束して連続した炭素繊維スライバとして形成される第3工程とを備えることを特徴とする。
また、第2工程にて、第1工程で重ね合わせた炭素繊維と合成繊維とを、送り方向前方に配置されたフロントローラと送り方向後方に配置されたバックローラとによって挟み込み、繊維にドラフトを掛けながらフロントローラとバックローラとの中間部に配置されたギル装置にて送り方向に繊維を梳るので、重ね合わせた炭素繊維と合成繊維とを送り方向にドラフトを掛けて互いに近接させた状態で、ギル装置が両繊維を梳ることができる。また、ギル装置は、下歯によって合成繊維と炭素繊維とを下方から支持した状態で、ランダムな方向に向いた炭素繊維を送り方向に整列させることができる。炭素繊維は、送り方向に整列される際、合成繊維によって下方から支持されているので、ばらばらに落下することはない。
その結果、折損することなく送り方向に整列された炭素繊維と、その廻りに絡み合った合成繊維とが混棉されて、フリース状のウェブが形成される。
よって、本発明によれば、炭素繊維の折損を防止しつつ、合成繊維が炭素繊維に交絡して混棉された炭素繊維スライバを簡単に製造する炭素繊維スライバの製造方法を提供することができる。
前記第1工程にて所定の厚さに積層した合成繊維は、前記第3工程にて形成された炭素繊維スライバであることを特徴とする。
前記第1工程で重ね合わせる前記炭素繊維の単位面積当たりの重量は、所定の厚さに積層した前記合成繊維の単位面積当たりの重量と略同程度であることを特徴とする。
前記合成繊維の自由長は、前記炭素繊維の自由長より短いことを特徴とする。
なお、合成繊維の自由長は、炭素繊維の自由長の1/4〜1/2倍程度が好ましい。例えば、炭素繊維の自由長は15〜25cm程度が好ましく、合成繊維の自由長は、5〜10cm程度が好ましい。
前記炭素繊維と前記合成繊維とを載置して搬送する搬送コンベアと、前記搬送コンベアの前端側に配置されたバックローラと、前記バックローラの送り方向前方に配置されたフロントローラと、前記バックローラと前記フロントローラとの中間部に配置されたギル装置と、前記フロントローラの送り方向前方に配置されたカレンダーローラとを備え、
前記フロントローラの回転速度は、前記バックローラの回転速度より速いこと、前記フロントローラにおける上部ローラの外径は、当該フロントローラにおける下部ローラの外径より大きいことを特徴とする。
その結果、折損することなく送り方向に整列された炭素繊維と、その廻りに絡み合った合成繊維とが混棉されて、フリース状のウェブが形成され、炭素繊維の折損を防止して、合成繊維が炭素繊維に交絡して混棉された炭素繊維スライバを簡単に製造することができる。
前記炭素繊維は、短繊維状に切断されてランダムな方向に開繊された綿状繊維であり、前記合成繊維は、短繊維状に形成されて略同一方向に配列された捲縮可能な綿状繊維であること、
前記合成繊維の捲縮方向と送り方向とを略合致させ、所定の厚さに積層した前記合成繊維の上方に、前記炭素繊維を層状に重ね合わせる第1工程と、
前記第1工程で重ね合わせた前記炭素繊維と前記合成繊維とを、送り方向前方に配置された開繭機のシリンダ外周に第1ウェブとして複数回巻き取る第2工程と、
前記第2工程で巻き取った第1ウェブを、前記開繭機のシリンダから外して、送り方向で短冊部材に切断する第3工程と、
前記第3工程で切断した短冊部材を、フロントローラと送り方向後方に配置されたバックローラとによって挟み込み、ドラフトを掛けながら前記フロントローラと前記バックローラとの中間部に配置されたギル装置にて前記送り方向に繊維を梳ってフリース状の第2ウェブを形成する第4工程と、
前記フロントローラから送り出される前記第2ウェブが、一箇所に集束して連続した炭素繊維スライバに形成される第5工程とを備えることを特徴とする。
また、第1工程で重ね合わせた炭素繊維と合成繊維とを、送り方向前方に配置された開繭機のシリンダ外周に第1ウェブとして複数回巻き取る第2工程を備えるので、炭素繊維と合成繊維とを複数層に積層した混合綿からなる第1ウェブを形成することができる。
また、第2工程で巻き取った第1ウェブを、前記開繭機のシリンダから外して、送り方向で短冊部材に切断する第3工程を備えるので、炭素繊維と合成繊維とが複数層に積層した混合綿ウェブを送り方向で必要な幅サイズに揃えることができる。
また、第3工程で切断した短冊部材を、フロントローラと送り方向後方に配置されたバックローラとによって挟み込み、ドラフトを掛けながら前記フロントローラと前記バックローラとの中間部に配置されたギル装置にて前記送り方向に繊維を梳ってフリース状の第2ウェブを形成する第4工程を備えるので、複数層に積層した炭素繊維と合成繊維とからなる短冊部材を送り方向にドラフトを掛けて互いに近接させた状態で、ギル装置が両繊維を梳ることができる。また、ギル装置は、下歯によって合成繊維と炭素繊維とを下方から支持した状態で、ランダムな方向に向いた炭素繊維を送り方向に整列させることができる。炭素繊維は、送り方向に整列される際、複数層に積層された合成繊維によって下方から支持されているので、繊維長が短くてもばらばらに落下することはない。したがって、再利用する炭素繊維を有効に活用することができる。
その結果、折損することなく送り方向に整列された炭素繊維と、その廻りに絡み合った合成繊維とが混棉されて、フリース状の第2ウェブが形成される。
よって、本発明によれば、炭素繊維の折損を防止しつつ、合成繊維が炭素繊維に交絡して混棉された炭素繊維スライバを簡単に製造する炭素繊維スライバの製造方法を提供することができる。
はじめに、炭素繊維スライバの製造装置及び製造工程について、図1及び図2を用いて説明する。なお、製造工程については、第1実施形態と第2実施形態とがある。図1に、本実施形態に係る炭素繊維スライバの製造方法に使用する製造装置を表す模式的断面図を示す。図2に、図1に示す製造装置における模式的斜視図を示す。
図1、図2に示すように、炭素繊維スライバ14の製造装置100は、収納容器21と、搬送コンベア22と、バックローラ31、32と、フロントローラ33、34と、ギル装置41、42と、カレンダーローラ51とを備えている。
収納容器21は、合成繊維12のスライバを連続した状態で収納する容器である。複数個の収納容器21を備えることによって、合成繊維12のスライバを複数本同時に搬送コンベア22へ供給することができる。なお、炭素繊維11は、短繊維状に切断されてランダムな方向に開繊された綿状繊維であるので、図示しない他の収納容器に収納されている。
搬送コンベア22は、所定のベルト幅とベルト長さとを備えたベルト式搬送コンベアである。搬送コンベア22のベルトは、略水平に配置され、その上方に炭素繊維11と合成繊維12とを載置して、送り方向(矢印f1の方向)に移動する。搬送コンベア22の前端側には、バックローラ31、32が隣接して配置されている。
フロントローラ33、34は、上下方向に対向して配設された1対の円筒状ローラ体からなり、バックローラ31、32から送り出される炭素繊維11と合成繊維12とを上下方向に挟圧しながら送り方向に移送する装置である。各円筒状ローラ体の外周面には、凹凸溝が軸方向に形成されている。フロントローラ33、34の回転速度u2は、バックローラ31、32の回転速度u1より大きく設定されている。フロントローラ33、34は、上方のローラ体の外径が下方のローラ体の外径より大きく形成されている。下方のローラ体には、繊維の巻き込み防止ベルト35が巻回されている。フロントローラ33、34とバックローラ31、32との中間部には、ギル装置41、42が配設されている。
カレンダーローラ51は、フロントローラ33、34の送り方向前方に配置され、フロントローラ33、34から送り出されるフリース状のウェブ13を一箇所に束状に集束して通過させ、所定の太さで連続する炭素繊維スライバ14を形成する装置である。フリース状のウェブ13は、上方の炭素繊維11を下方の合成繊維12が両側から包み込みながらカレンダーローラ51を通過する。そのため、炭素繊維スライバ14から炭素繊維11が落下したり離脱する可能性は少ない。
第1実施形態の係る炭素繊維スライバの製造方法は、第1工程から第3工程を備えている。
第1工程には、搬送コンベア22が配設されている。第1工程において、合成繊維12を、繊維の捲縮方向と搬送コンベアの送り方向とを略合致させて、搬送コンベア22のベルト上に、所定の幅で、所定の厚さに積層する。搬送コンベア22のベルトが、送り方向(矢印f1の方向)に移動すると、合成繊維12は、自動的に収納容器21から引き出される。合成繊維12は、複数本のスライバを幅方向に隣接してベルト上に載置して、ベルト幅と略同一な幅に積層する。ここで、合成繊維12は、1本1本の繊維が略波形の縮れ形状を有し、短繊維状に形成されて、略同一方向に配列された捲縮可能な綿状繊維のスライバである。合成繊維12は、例えば、ポリエステル、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリエチレンなどが該当し、それらの混合繊維でもよい。1本1本の合成繊維の自由長は、5〜10cm程度が好ましい。
炭素繊維11は、合成繊維12に交絡されることで、送り方向に整列された状態に保持される。また、炭素繊維11が送り方向に整列されるときに併せて、合成繊維12が炭素繊維11に絡みつくので、炭素繊維11の極端な屈曲が防止されて、炭素繊維11は折損しにくくなる。
その結果、折損することなく送り方向に整列された炭素繊維11と、その廻りに絡み合った合成繊維12とが混棉されて、フリース状のウェブ13が形成される。
なお、本実施形態の製造方法で形成された炭素繊維スライバ14は、炭素繊維11と合成繊維12とが略同一方向に整列され、かつ、炭素繊維11には合成繊維12が交絡しているので、更にドラフトを掛けて任意の太さの紡績糸に加工することができる。
第2実施形態の係る炭素繊維スライバの製造方法についても、第1工程から第3工程まで備えている。第2工程と、第3工程は、第1実施形態と同様であるので、その説明は割愛する。
第1工程には、第1実施形態と同様に搬送コンベア22が配設されている。第1工程において、第1実施形態で形成した炭素繊維スライバ14を、合成繊維の捲縮方向と搬送コンベアの送り方向とを略合致させて、搬送コンベア22のベルト上に、所定の幅で、所定の厚さに積層する。搬送コンベア22のベルトが、送り方向(矢印f1の方向)に移動すると、炭素繊維スライバ14は、自動的に収納容器21から引き出される。炭素繊維スライバ14は、複数本のスライバを隣接してベルト上に配置して、ベルト幅と略同一な幅に積層する。
次に、本実施形態に係る炭素繊維スライバの製造方法において、炭素繊維に合成繊維を交絡させるメカニズムを、図3〜図7を用いて説明する。図3に、本実施形態に係る炭素繊維スライバの製造方法において、炭素繊維に合成繊維を交絡させるメカニズムを説明する説明図を示す。図4に、本実施形態に使用する炭素繊維の外観写真を示す。図5に、本実施形態に使用する合成繊維の外観写真を示す。図6に、本実施形態の第2工程で形成するフリース状のウェブの外観写真を示す。図7に、本実施形態の第3工程で形成する炭素繊維スライバの外観写真を示す。
そのため、図3(a)に示すように、炭素繊維11と合成繊維12とを層状に積層しても、炭素繊維11と合成繊維12は互いに繊維間隔が空いて分離しているので、この状態でギル装置41、42により梳ったとしても、炭素繊維11に合成繊維12が交絡する可能性は低い。
図3(b)に示すように、炭素繊維11と合成繊維12とが、扁平に押し潰されることによって、繊維間隔が狭くなり互いに近接して、交絡しやすくなる。合成繊維12は、捲縮方向と送り方向とを略合致させたので、送り方向(矢印dの方向)にドラフトを掛けると、合成繊維同士が近接して交絡し、送り方向における繊維間の連結強度が増加しつつ延伸する。そのため、送り方向における繊維間の連結強度が増加して延伸した合成繊維が、その上方に重ね合わせる炭素繊維を下方から支持しつつ移送することができる。
図3(c)に示すように、ギル装置41、42の針によって炭素繊維11がランダムな方向から送り方向へ整列されるときには、下方から支持し、近接して交絡しやすくなった合成繊維12が、炭素繊維11の隙間に侵入して絡みつくことができる。合成繊維12は、送り方向における繊維間の連結強度が増加しているので、ギル装置41、42の針によって梳られるときにも、連結状態を維持し、炭素繊維11を下方から支持することができる。したがって、炭素繊維11は、整列されるときに下方へ落下する可能性が少ない。
その結果、折損することなく送り方向に整列された炭素繊維11と、その廻りに絡み合った合成繊維12とが混棉されて、フリース状のウェブ13(図6を参照)が形成される。また、フリース状のウェブ13が、カレンダーローラ51(図1、図2を参照)を通過することによって炭素繊維11を包み込みながら一箇所に集束し、束状の連続した炭素繊維スライバ14(図7を参照)に形成される。
以上、詳細に説明したように、第1実施形態の製造方法によれば、第1工程にて、合成繊維12の捲縮方向と送り方向とを略合致させたので、合成繊維12は、送り方向にドラフトを掛けると、繊維同士が近接して交絡し、繊維間の連結強度が増加しつつ延伸する。また、所定の厚さに積層した合成繊維12の上方に、炭素繊維11を重ね合わせるので、送り方向にドラフトを掛けたとき繊維間の連結強度が増加して延伸した合成繊維12が、その上方に重ね合わせる炭素繊維11を下方から支持しつつ移送することができる。
また、第2工程にて、第1工程で重ね合わせた炭素繊維11と合成繊維12とを、送り方向前方に配置されたフロントローラ33、34と送り方向後方に配置されたバックローラ31、32とによって挟み込み、フロントローラ33、34とバックローラ31、32との中間部に配置されたギル装置41、42にて送り方向に梳るので、重ね合わせた炭素繊維11と合成繊維12とを送り方向にドラフトを掛けて互いに近接させた状態で、ギル装置41、42が繊維を梳ることができる。炭素繊維11は、送り方向に整列される際、合成繊維12によって下方から支持されているので、ばらばらに落下することはない。
その結果、折損することなく送り方向に整列された炭素繊維11と、その廻りに絡み合った合成繊維12とが混棉されて、フリース状のウェブ13が形成される。
よって、本実施形態によれば、強度の優れた炭素繊維11の紡績糸を得るため、合成繊維12が炭素繊維11に交絡して混棉された炭素繊維スライバ14を簡単に製造する炭素繊維スライバの製造方法を提供することができる。
その結果、折損することなく送り方向に整列された炭素繊維11と、その廻りに絡み合った合成繊維12とが混棉されて、フリース状のウェブ13が形成され、強度の優れた炭素繊維11の紡績糸を得るため、炭素繊維11の折損を防止して、合成繊維12が炭素繊維11に交絡して混棉された炭素繊維スライバ14を簡単に製造することができる。
次に、本実施形態に開繭機を追加する変形例について、図8を用いて説明する。図8(a)〜(c)に示すように、開繭機7を用いて炭素繊維11と合成繊維12とを複数層に積層した第1ウェブ15を形成し、第1ウェブ15を送り方向で切断して複数の短冊部材16を形成した上で、図1、図2に示すバックローラ31、32に投入することができる。ここで、搬送コンベア23の送り方向前方には、開繭機7と、その前後に配置するフィードローラ73、74とを備える。搬送コンベア23は、図1の搬送コンベア22と同様の装置である。開繭機7は、所定の外径と長さを有する筒状のシリンダ71と、当該シリンダ71の外周面に植設された複数の針72とを備えていて、矢印の方向に回転することができる。また、フィードローラ73、74は、炭素繊維11と合成繊維12とを開繭機7のシリンダ71の外周側に押し込みながら回転することができる。
すなわち、合成繊維12の捲縮方向と送り方向とを略合致させ、所定の厚さに積層した合成繊維12の上方に、炭素繊維11を層状に重ね合わせる第1工程と、第1工程で重ね合わせた炭素繊維11と合成繊維12とを、送り方向前方に配置された開繭機7のシリンダ71外周に第1ウェブ15として複数回巻き取る第2工程と、第2工程で巻き取った第1ウェブ15を、開繭機7のシリンダ71から外して、送り方向で短冊部材16に切断する第3工程と、第3工程で切断した短冊部材16を、フロントローラ33、34と送り方向後方に配置されたバックローラ31、32とによって挟み込み、ドラフトを掛けながらフロントローラ33、34とバックローラ31、32との中間部に配置されたギル装置41、42にて送り方向に繊維を梳ってフリース状の第2ウェブ13を形成する第4工程と、フロントローラ33、34から送り出される第2ウェブ13が、一箇所に集束して連続した炭素繊維スライバ14に形成される第5工程とを備えることを特徴とする。なお、炭素繊維11は、短繊維状に切断されてランダムな方向に開繊された綿状繊維であり、合成繊維12は、短繊維状に形成されて略同一方向に配列された捲縮可能な綿状繊維であることは、前述した実施形態と同様である。
また、第2工程で巻き取った第1ウェブ15を、開繭機7のシリンダ71から外して、送り方向で短冊部材16に切断する第3工程を備えるので、第1ウェブを送り方向で必要な幅サイズに揃えることができる。
その結果、折損することなく送り方向に整列された炭素繊維11と、その廻りに絡み合った合成繊維12とが混棉されて、フリース状の第2ウェブ13が形成される。
12 合成繊維
13 ウェブ、第2ウェブ
14 炭素繊維スライバ
15 第1ウェブ
16 短冊部材
21 収納容器
22 搬送コンベア
23 搬送コンベア
31、32 バックローラ
33、34 フロントローラ、ローラ体
41、42 ギル装置
42 下歯
51 カレンダーローラ
7 開繭機
71 シリンダ
72 針
73、74 フィードローラ
100 炭素繊維スライバの製造装置
Claims (6)
- 炭素繊維と合成繊維とを混棉して形成する炭素繊維スライバの製造方法であって、
前記炭素繊維は、短繊維状に切断されてランダムな方向に開繊された綿状繊維であり、前記合成繊維は、短繊維状に形成されて略同一方向に配列された捲縮可能な綿状繊維であること、
前記合成繊維の捲縮方向と送り方向とを略合致させ、所定の厚さに積層した前記合成繊維の上方に、前記炭素繊維を層状に重ね合わせる第1工程と、
前記第1工程で重ね合わせた前記炭素繊維と前記合成繊維とを、送り方向前方に配置されたフロントローラと送り方向後方に配置されたバックローラとによって挟み込み、繊維にドラフトを掛けながら前記フロントローラと前記バックローラとの中間部に配置されたギル装置にて前記送り方向に繊維を梳ってフリース状のウェブを形成する第2工程と、
前記フロントローラから送り出される前記フリース状のウェブが、上方の炭素繊維を下方の合成繊維によって両側から包み込まれながら束状に集束して連続した炭素繊維スライバとして形成される第3工程とを備えることを特徴とする炭素繊維スライバの製造方法。 - 請求項1に記載された炭素繊維スライバの製造方法において、
前記第1工程にて所定の厚さに積層した合成繊維は、前記第3工程にて形成された炭素繊維スライバであることを特徴とする炭素繊維スライバの製造方法。 - 請求項1又は請求項2に記載された炭素繊維スライバの製造方法において、
前記第1工程で重ね合わせる前記炭素繊維の単位面積当たりの重量は、所定の厚さに積層した前記合成繊維の単位面積当たりの重量と略同程度であることを特徴とする炭素繊維スライバの製造方法。 - 請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載された炭素繊維スライバの製造方法において、
前記合成繊維の自由長は、前記炭素繊維の自由長より短いことを特徴とする炭素繊維スライバの製造方法。 - 請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載された炭素繊維スライバの製造方法に用いる製造装置であって、
前記炭素繊維と前記合成繊維とを載置して搬送する搬送コンベアと、前記搬送コンベアの前端側に配置されたバックローラと、前記バックローラの送り方向前方に配置されたフロントローラと、前記バックローラと前記フロントローラとの中間部に配置されたギル装置と、前記フロントローラの送り方向前方に配置されたカレンダーローラとを備え、
前記フロントローラの回転速度は、前記バックローラの回転速度より速いこと、前記フロントローラにおける上部ローラの外径は、当該フロントローラにおける下部ローラの外径より大きいことを特徴とする炭素繊維スライバの製造装置。 - 炭素繊維と合成繊維とを混棉して形成する炭素繊維スライバの製造方法において、
前記炭素繊維は、短繊維状に切断されてランダムな方向に開繊された綿状繊維であり、前記合成繊維は、短繊維状に形成されて略同一方向に配列された捲縮可能な綿状繊維であること、
前記合成繊維の捲縮方向と送り方向とを略合致させ、所定の厚さに積層した前記合成繊維の上方に、前記炭素繊維を層状に重ね合わせる第1工程と、
前記第1工程で重ね合わせた前記炭素繊維と前記合成繊維とを、送り方向前方に配置された開繭機のシリンダ外周に第1ウェブとして複数回巻き取る第2工程と、
前記第2工程で巻き取った第1ウェブを、前記開繭機のシリンダから外して、送り方向で短冊部材に切断する第3工程と、
前記第3工程で切断した短冊部材を、フロントローラと送り方向後方に配置されたバックローラとによって挟み込み、ドラフトを掛けながら前記フロントローラと前記バックローラとの中間部に配置されたギル装置にて前記送り方向に繊維を梳ってフリース状の第2ウェブを形成する第4工程と、
前記フロントローラから送り出される前記第2ウェブが、一箇所に集束して連続した炭素繊維スライバに形成される第5工程とを備えることを特徴とする炭素繊維スライバの製造方法。
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