JP2018053420A - チョップド繊維束の製造装置および製造方法、繊維強化樹脂成形材料の製造装置および製造方法、炭素繊維束用切断刃、ならびに炭素繊維束用ロータリーカッタ - Google Patents
チョップド繊維束の製造装置および製造方法、繊維強化樹脂成形材料の製造装置および製造方法、炭素繊維束用切断刃、ならびに炭素繊維束用ロータリーカッタ Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】厚さが0.7mm以下であり、長さが300mm以上である平刃状の炭素繊維束用切断刃26bであり、鉄鋼材料からなる平板状の基部261と、炭素繊維束用切断刃26bの長さ方向に沿った第1の辺に形成された鉄鋼材料からなる刃先部262とを有し、刃先部の先端の刃角度θが25〜50度であり、かつ刃先部の表面に窒化チタン、炭化チタンおよび炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも1種からなるコーティング層を有する、または刃先部の先端の刃角度θが35〜50度であり、かつコーティング層を有しない炭素繊維束用切断刃26b。
【選択図】図8
Description
本願は、2015年10月21日に日本に出願された特願2015−207482、2015年11月5日に日本に出願された特願2015−217457、および2016年3月23日に日本に出願された特願2016−058807に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
・強化繊維(炭素繊維、ガラス繊維等)からなる長尺の繊維束を短尺に切断したチョップド繊維束に、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂を含むマトリックス樹脂組成物を含浸させたSMC(シートモールディングコンパウンド)。
・強化繊維(炭素繊維、ガラス繊維等)からなる長尺の繊維束を短尺に切断したチョップド繊維束に、熱可塑性樹脂を含むマトリックス樹脂組成物を含浸させたスタンパブルシート。
・ロールの回転軸方向と切断刃の長さ方向が略同方向となるように、かつロールの周方向に間隔をあけて複数の切断刃(以下、単に刃とも記す。)がロールの周面に取り付けられたロータリーカッタ(以下、カッターロールとも記す。)と、これに隣接するアンビルロール(刃受けロール)(以下、ゴムロールとも記す。)とを備えたチョッパユニット(切断手段)(以下、裁断機とも記す。)に、長尺の繊維束を供給し、ロータリーカッタの切断刃によって長尺の繊維束をアンビルロールに押し込みながら切断してチョップド繊維束を得る方法(例えば、特許文献1、2参照)。
<1>長尺の繊維束を切断する切断刃を有する切断手段と、前記切断手段に供給される前記繊維束の走行方向を規制するガイド手段(走行方向規制手段)と、前記切断手段と前記ガイド手段との間に設けられ、前記繊維束を拡幅する拡幅手段とを備えた、チョップド繊維束の製造装置。
<2>前記ガイド手段を前記繊維束の走行を規制している方向に揺動させる第1の揺動手段、および前記切断手段を前記繊維束の走行を規制している方向に揺動させる第2の揺動手段のいずれか一方または両方をさらに備えた、前記<1>のチョップド繊維束の製造装置。
<3>前記第1の揺動手段が、前記ガイド手段と同期させて前記拡幅手段を揺動させるものである、前記<2>のチョップド繊維束の製造装置。
<4>下記切断手段に供給される長尺の繊維束の走行方向をガイド手段(走行方向規制手段)によって規制しつつ、下記切断手段と前記ガイド手段との間に設けられた拡幅手段によって前記繊維束を拡幅した後、切断刃を有する切断手段によって前記繊維束を切断してチョップド繊維束を得る、チョップド繊維束の製造方法。
<5>前記ガイド手段および前記切断手段を前記繊維束の走行を規制している方向に相対的に揺動させる、前記<4>のチョップド繊維束の製造方法。
<6>前記ガイド手段と同期させて前記拡幅手段を揺動させる、前記<5>のチョップド繊維束の製造方法。
<7>前記<1>〜<3>のいずれかのチョップド繊維束の製造装置と、前記チョップド繊維束の製造装置によって得られたチョップド繊維束にマトリックス樹脂組成物を含浸させる含浸手段とを備えた、繊維強化樹脂成形材料の製造装置。
<8>前記<4>〜<6>のいずれかのチョップド繊維束の製造方法によってチョップド繊維束を得て、前記チョップド繊維束にマトリックス樹脂組成物を含浸させる、繊維強化樹脂成形材料の製造方法。
<9>厚さが0.7mm以下であり、長さが300mm以上である平刃状の炭素繊維束用切断刃であり;鉄鋼材料からなる平板状の基部と、前記炭素繊維束用切断刃の長さ方向に沿った第1の辺に形成された鉄鋼材料からなる刃先部とを有し;前記刃先部の先端の刃角度が25〜50度であり、かつ前記刃先部の表面に、窒化チタン、炭化チタンおよび炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも1種からなるコーティング層を有する、または前記刃先部の先端の刃角度が35〜50度であり、かつ前記コーティング層を有しない、炭素繊維束用切断刃。
<10>前記炭素繊維束用切断刃の厚さが、0.1mm以上0.7mm以下である、前記<9>の炭素繊維束用切断刃。
<11>前記炭素繊維束用切断刃の長さLと、前記炭素繊維束用切断刃の高さHとの比(L/H)が、11超である、前記<9>または<10>の炭素繊維束用切断刃。
<12>前記コーティング層の厚さが、1μm超である、前記<9>〜<11>のいずれかの炭素繊維束用切断刃。
<13>ロールと;前記ロールの回転軸方向に対して長さ方向が傾きを有するように、かつ前記ロールの周方向に所定間隔をあけて前記ロールの周面に取り付けられた複数の切断刃とを有し;前記切断刃が、前記<9>〜<12>のいずれかの炭素繊維束用切断刃である、炭素繊維束用ロータリーカッタ。
<14>前記<13>の炭素繊維束用ロータリーカッタを備えた、チョップド炭素繊維束の製造装置。
<15>前記<14>のチョップド炭素繊維束の製造装置と;前記チョップド炭素繊維束の製造装置によって得られたチョップド炭素繊維束にマトリックス樹脂組成物を含浸させる含浸手段とを備えた、繊維強化樹脂成形材料の製造装置。
<16>ロール本体と、前記ロール本体の外周面に設けられた複数の平板状の刃とを備え、前記刃をゴムロールの外周面に押し付けながら長尺の繊維束を挟み込み、前記繊維束を裁断するカッターロールであって、
前記刃の先端に、平坦で前記刃の高さ方向に垂直な先端面が形成されている、カッターロール。
<17>前記<16>に記載のカッターロールと、ゴムロールとを備え、前記カッターロールの刃が前記ゴムロールの外周面に押し付けられつつ、前記カッターロールと前記ゴムロールとが互いに逆向きに回転し、長尺の繊維束を挟み込みながら連続的に裁断する、裁断機。
<18>前記<17>に記載の裁断機と、前記裁断機によって裁断された繊維束で形成されたシート状繊維束群にマトリックス樹脂組成物を含浸させる含浸部と、を備える繊維強化樹脂材料の製造装置。
<19>下記の散布工程及び含浸工程を有する繊維強化樹脂材料の製造方法。
散布工程:前記<17>に記載の裁断機により長尺の繊維束を連続的に裁断し、裁断された複数の繊維束を、マトリックス樹脂組成物からなる第1樹脂シート上にシート状に散布してシート状繊維束群を形成する工程。
含浸工程:前記シート状繊維束群上に、マトリックス樹脂組成物からなる第2樹脂シートを積層して材料前駆体を形成し、前記材料前駆体を両面側から加圧し、前記シート状繊維束群に前記マトリックス樹脂組成物を含浸させて繊維強化樹脂材料を得る工程。
<20>刃角度θ(度)と刃の厚さT(mm)との比率(θ/T)が、35〜1800の範囲である、炭素繊維束用切断刃。
<21>前記θ/Tが35〜500の範囲である平刃状の炭素繊維束用切断刃であり;鉄鋼材料からなる平板状の基部と、前記炭素繊維束用切断刃の長さ方向に沿った第1の辺に形成された鉄鋼材料からなる刃先部とを有し;前記刃先部の表面に、窒化チタン、炭化チタンおよび炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも1種からなるコーティング層を有する、前記<20>の炭素繊維束用切断刃。
<22>前記刃角度θが25〜50度の範囲である、前記<21>の炭素繊維束用切断刃。
<23>前記θ/Tが50〜500の範囲である平刃状の炭素繊維束用切断刃であり;鉄鋼材料からなる平板状の基部と、前記炭素繊維束用切断刃の長さ方向に沿った第1の辺に形成された鉄鋼材料からなる刃先部とを有し;前記刃先部の表面にコーティング層を有しない、前記<20>の炭素繊維束用切断刃。
<24>前記刃角度θが35〜50度の範囲である、前記<23>の炭素繊維束用切断刃。
<25>前記θ/Tが500〜1800の範囲である平板状の刃であり;前記刃の先端に、平坦で前記刃の高さ方向に垂直な先端面が形成されている、前記<20>の炭素繊維束用切断刃。
<26>前記<20>〜<25>のいずれかの炭素繊維束用切断刃を備えた、チョップド繊維束の製造装置。
<27>前記<20>〜<25>のいずれかの炭素繊維束用切断刃によって繊維束を切断する、チョップド繊維束の製造方法。
本発明の第1の態様に係る繊維強化樹脂成形材料の製造装置および製造方法によれば、繊維方向の偏りが抑えられた繊維強化樹脂成形材料を長時間にわたり安定して製造できる。
本発明の第2の態様に係る炭素繊維束用ロータリーカッタは、切断刃を取り付ける際に切断刃が割れにくく、切断刃の刃先が磨耗しにくく、かつ安価である。
本発明の第2の態様に係るチョップド炭素繊維束の製造装置は、チョップド炭素繊維束を長時間連続して生産性よく製造でき、炭素繊維束を切断する際の振動が抑えられる。
本発明の第2の態様に係る繊維強化樹脂成形材料の製造装置は、繊維強化樹脂成形材料を長時間連続して生産性よく製造できる。
本発明の第3の態様に係る裁断機であれば、ゴムロールの外周面が傷ついてゴム屑が生じることを抑制できる。
本発明の第3の態様に係る繊維強化樹脂材料の製造装置を用いれば、ゴムロールの外周面が傷ついてゴム屑が生じることを抑制しつつ、繊維強化樹脂材料を製造できる。
本発明の第3の態様に係る繊維強化樹脂材料の製造方法によれば、ゴムロールの外周面が傷ついてゴム屑が生じることを抑制しつつ、繊維強化樹脂材料を製造できる。
本発明の第4の態様に係るチョップド炭素繊維束の製造装置および製造方法によれば、チョップド炭素繊維束を長時間連続して生産性よく製造できる。
「繊維束の走行を規制している方向」とは、ガイド手段によって、所定の方向に走行中の繊維束が、走行方向に交差する方向のうち、ガイド手段に対して相対的に移動することが規制されている方向を意味する。
「揺動」とは、所定の方向に所定の移動幅で往復動することを意味する。
「厚さ」とは、切断刃における最も厚い部分の厚さを意味する。
「刃角度」とは、刃先部の第1の面と第2の面とがなす角を意味する。
「高さ」とは、切断刃の長さ方向に沿った第1の辺(刃先部の先端)から切断刃の長さ方向に沿った第2の辺までの距離を意味する。
図1〜図17、図22における寸法比は、説明の便宜上、実際のものとは異なったものである。また、図1〜17、図22においては、同じ構成要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
<第1の実施形態>
(チョップド繊維束の製造装置)
図1は、本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置の第1の実施形態を示す上面図であり、図2は、図1のチョップド繊維束の製造装置の側面図である。
本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置の第1の実施形態は、外部から供給された長尺の繊維束Fを下方に向けて吐出する複数の供給ホース11(ガイド手段)と;供給ホース11から吐出された繊維束Fを略水平方向に案内するガイドロール12と;ガイドロール12の下流に設けられ、繊維束Fの走行方向を規制するコームガイド13(ガイド手段)と;コームガイド13の下流に設けられ、繊維束Fと接触することによって繊維束Fを拡幅する擦過バー14(拡幅手段)と;擦過バー14の下流に設けられ、繊維束Fを引き込みつつ繊維束Fを切断するチョッパユニット15(切断手段)とを備える。
切断刃16bの材料としては、鉄鋼材料、超硬合金等が挙げられ、ロール16aの周面の螺旋状の溝に取り付ける際に捩じりを加えても割れにくく、かつ安価である点から、鉄鋼材料が好ましい。鉄鋼材料としては、日本工業規格(JIS)に工具鋼として規定された鉄鋼材料(JIS G 4401:2009の炭素工具鋼鋼材(SK)、JIS G 4403:2006の高速度工具鋼鋼材(SKH)、JIS G 4404:2006の合金工具鋼鋼材(SKS、SKD、SKT)等)、ステンレス鋼等が挙げられる。
図1および図2に示すチョップド繊維束の製造装置を用いたチョップド繊維束の製造方法の第1の実施形態について説明する。
繊維束Fとしては、複数の強化繊維が一方向に引き揃えられた扁平状の一方向性強化繊維束等が挙げられる。
繊維束Fは、サイジング剤等で処理されたものであってもよい。
無機繊維としては、炭素繊維、黒鉛繊維、ガラス繊維、シリコンカーバイト繊維、シリコンナイトライド繊維、アルミナ繊維、炭化珪素繊維、ボロン繊維等が挙げられる。
金属繊維としては、アルミニウム繊維、黄銅繊維、ステンレス繊維等が挙げられる。
有機繊維としては、芳香族ポリアミド繊維、ポリアラミド繊維、ポリパラフェニレンベンズオキサゾール(PBO)繊維、ポリフェニレンスルフィド繊維、ポリエステル繊維、アクリル繊維、ナイロン繊維、ポリエチレン繊維等が挙げられる。
強化繊維は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
強化繊維としては、硬度が高く、切断刃16bが摩耗しやすい、すなわち本発明の効果が十分に発揮される点から、炭素繊維が好ましい。
以上説明した本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置および製造方法の第1の実施形態にあっては、擦過バー14(拡幅手段)によって拡幅した長尺の繊維束Fを、切断刃16bを有するチョッパユニット15(切断手段)で切断しているため、拡幅していない繊維束Fを切断する場合に比べ、切断刃16bにおける繊維束Fと接触する部分の幅が広くなり、切断刃16bの局部的な摩耗が比較的抑えられる。
(チョップド繊維束の製造装置)
図4および図5は、本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置の第2の実施形態を示す上面図である。
本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置の第2の実施形態は、チョップド繊維束の製造装置の第1の実施形態に、コームガイド13(ガイド手段)および擦過バー14(拡幅手段)を同期させて、繊維束Fの走行を規制している方向、すなわち鉛直方向と交差(直交)する方向かつ繊維束Fの走行方向と交差(直交)する方向に揺動させる揺動装置19(第1の揺動手段)を追加したものである。
クランク機構は、例えば、回転運動するクランク(図示略)と;第1の端部がクランクの回転端に連結され、第2の端部がコームガイド13のベース13bの端部に連結された第1の連結棒19aと;第1の端部がクランクの回転端に連結され、第2の端部が擦過バー14の端部に連結された第2の連結棒19bと;コームガイド13が往復動できるように、コームガイド13のベース13bの長さ方向に沿って設けられた第1のガイド路(図示略)と;擦過バー14が往復動できるように、擦過バー14の長さ方向に沿って設けられた第2のガイド路(図示略)とを備える。
図4および図5に示すチョップド繊維束の製造装置を用いたチョップド繊維束の製造方法の第2の実施形態について説明する。
以上説明した本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置および製造方法の第2の実施形態にあっては、コームガイド13(ガイド手段)を、繊維束Fの走行を規制している方向、すなわち鉛直方向と交差(直交)する方向かつ繊維束Fの走行方向と交差(直交)する方向に揺動させている。そのため、繊維束Fの走行位置が、チョッパユニット15(切断手段)における切断刃16bの長さ方向と略同方向に揺動する。その結果、切断刃16bにおいて繊維束Fと接触する位置も揺動することになるため、切断刃16bが均一に摩耗し、切断刃16bの局部的な摩耗が抑えられる。
また、擦過バー14(拡幅手段)によって拡幅した長尺の繊維束Fを、切断刃16bを有するチョッパユニット15で切断しているため、拡幅していない繊維束Fを切断する場合に比べ、切断刃16bにおける繊維束Fと接触する部分の幅が広くなり、切断刃16bの局部的な摩耗がさらに抑えられる。
また、擦過バー14をコームガイド13と同期させて揺動させているため、繊維束Fの幅方向で折り重なり、肉厚となることが抑えられている。そのため、切断刃16bの局部的な摩耗がさらに抑えられる。
そして、切断刃16bの局部的な摩耗が長時間にわたって抑えられるため、チョップド繊維束CFが繋がった不良品の発生が長時間にわたって抑えられる。
本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置は、長尺の繊維束を切断する切断刃を有する切断手段と、切断手段に供給される長尺の繊維束の走行方向を規制するガイド手段と、切断手段とガイド手段との間に設けられ、切断手段に供給される長尺の繊維束を拡幅する拡幅手段とを備えたものであればよく、図示例の製造装置に限定されない。
また、本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造方法は、切断手段に供給される長尺の繊維束の走行方向をガイド手段によって規制しつつ、切断手段とガイド手段との間に設けられた拡幅手段によって繊維束を拡幅した後、切断刃を有する切断手段によって繊維束を切断してチョップド繊維束を得る方法であればよく、図示例の製造装置を用いた方法に限定されない。
また、切断手段は、図示例のようなロータリーカッタ16を備えたチョッパユニット15に限定されず、切断刃を上下方向に往復動させる、いわゆるギロチンカッタを備えたチョッパユニット等であっても構わない。
また、拡幅手段は、擦過バーに限定されず、エアの吹き付け手段(エアノズル)等であってもよい。また、擦過バーは、円筒状のものに限定されない。
また、ガイド手段および切断手段は相対的に揺動すればよく、第2実施形態のように、ガイド手段を第1の揺動手段で揺動させ、切断手段を固定する実施形態に限定されない。
例えば、ガイド手段を固定し、切断手段を第2の揺動手段で揺動させてもよく、ガイド手段を第1の揺動手段で揺動させ、切断手段を第2の揺動手段で揺動させてもよい。
また、拡幅手段は、第2実施形態のようにガイド手段と同期させて揺動させることが好ましいが、ガイド手段と同期させずに揺動させてもよく、揺動させることなく固定してもよい。
(繊維強化樹脂成形材料の製造装置)
図7は、本発明の第1の態様に係る繊維強化樹脂成形材料の製造装置の一実施形態を示す側面図である。
繊維強化樹脂成形材料の製造装置は、繊維束供給手段110と、第1のシート供給手段111と、第1の塗工手段112と、チョップド繊維束製造手段113と、第2のシート供給手段114と、第2の塗工手段115と、含浸手段116とを備える。
チョップド繊維束製造手段113は、第1の塗工手段112よりも第1の離型シートS1の搬送方向の下流側に位置して、繊維束供給手段110から供給される繊維束Fをチョッパユニット15で切断して得られたチョップド繊維束CFを、コンベア123により搬送される第1の離型シートS1のペーストPの上に散布するものである。
供給ボックス130は、底面に形成されたスリット(図示略)から第2の離型シートS2の面上にペーストPを所定の厚さで塗工するものである。
複数の貼合ロール133は、ペーストPが塗工された第2の離型シートS2の背面に接触した状態で第2の離型シートS2の搬送方向に並んで配置されている。また、複数の貼合ロール133は、第1の離型シートS1に対して第2の離型シートS2が徐々に接近するように配置されている。
図7に示す繊維強化樹脂成形材料の製造装置を用いた繊維強化樹脂成形材料の製造方法について説明する。
マトリックス樹脂組成物は、熱硬化性樹脂を含む。
熱硬化性樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリイミド樹脂、マレイミド樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。
マトリックス樹脂組成物は、充填剤(炭酸カルシウム等)、低収縮化剤、離型剤、硬化開始剤、増粘剤等を含んでいてもよい。
以上説明した本発明の第1の態様に係る繊維強化樹脂成形材料の製造装置および製造方法にあっては、本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置および製造方法によってチョップド繊維束を得ているため、チョップド繊維束が繋がった不良品の発生が長時間にわたって抑えられる。その結果、得られる繊維強化樹脂成形材料中の繊維方向に偏りが生じにくく、繊維方向の偏りが抑えられた繊維強化樹脂成形材料を長時間にわたって安定して製造できる。また、繊維強化樹脂成形材料から製造される繊維強化複合材料成形品の強度に異方性が生じにくい。また、成形時の流動性の低下が抑えられるため所望する形状に成形することができる。
本発明の第1の態様に係る繊維強化樹脂成形材料の製造装置は、本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置と、チョップド繊維束の製造装置によって得られたチョップド繊維束にマトリックス樹脂組成物を含浸させる含浸手段とを備えたものであればよく、図示例の製造装置に限定されない。
また、本発明の第1の態様に係る繊維強化樹脂成形材料の製造方法は、本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造方法によってチョップド繊維束を得て、チョップド繊維束にマトリックス樹脂組成物を含浸させる方法であればよく、図示例の製造装置を用いた方法に限定されない。
また、スタンパブルシートの製造装置におけるチョップド繊維束製造手段として、本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置を採用したものであってもよい。なお、スタンパブルシートを製造する際には、マトリックス樹脂組成物としては、熱可塑性樹脂を含むものを用いる。
<炭素繊維束用切断刃>
図8は、本発明の第2の態様に係る炭素繊維束用切断刃の一実施形態を示す側面図および正面図である。
炭素繊維束用切断刃26bは、平板状の平刃である。炭素繊維束用切断刃26bは、平板状の基部261と;炭素繊維束用切断刃26bの長さ方向に沿った第1の辺に形成され、第1の辺に沿って延びる刃先部262とを有する。
鉄鋼材料としては、第1の態様における切断刃16bの材料として例示した鉄鋼材料と同様のものが挙げられる。
切断刃(I):
刃先部の先端の刃角度が、25〜50度であり、かつ刃先部の表面に、窒化チタン、炭化チタンおよび炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも1種からなるコーティング層を有する炭素繊維束用切断刃。
切断刃(II):
刃先部の先端の刃角度が、35〜50度であり、かつ刃先部の表面に、窒化チタン、炭化チタンおよび炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも1種からなるコーティング層を有しない炭素繊維束用切断刃。
切断刃(I)における刃先部262の先端の刃角度θは、25〜50度であり、25〜35度がより好ましい。刃角度θが25度以上であり、かつ刃先部262の表面に特定のコーティング層を有すれば、刃先が磨耗しにくい。刃角度θが50度以下であれば、切断抵抗が低くなり、炭素繊維束を切断しやすい。
コーティング層は、窒化チタン、炭化チタンおよび炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも1種からなる。
コーティング層の幅は、刃先部262の先端から0.2〜5.0mmが好ましく、0.5〜2.0mmがより好ましく、後述するロータリーカッタのロールの周面より突き出す部分の幅がさらに好ましい。
切断刃(II)における刃先部262の先端の刃角度θは、35〜50度であり、37〜43度がより好ましい。刃角度θが35度以上であれば、刃先が磨耗しにくい。刃角度θが50度以下であれば、切断抵抗が低くなり、炭素繊維束を切断しやすい。
以上説明した炭素繊維束用切断刃26bにあっては、基部261および刃先部262が鉄鋼材料からなるため、薄く(厚さ:0.7mm以下)かつ長い(長さ:300mm以上)ものであるにもかかわらず、捩じりを加えた際に割れにくい。一方、切断刃の材料としてよく用いられる超硬合金の場合、薄く(厚さ:0.7mm以下)かつ長い(長さ:300mm以上)ものであっても、捩じりを加えた際に容易に割れやすい。
また、以上説明した炭素繊維束用切断刃26bにあっては、基部261および刃先部262が鉄鋼材料からなるため、超硬合金からなる切断刃に比べ、安価である。
本発明の第2の態様に係る炭素繊維束用切断刃は、厚さが0.7mm以下であり、長さが300mm以上である平刃状の炭素繊維束用切断刃であり;鉄鋼材料からなる平板状の基部と、炭素繊維束用切断刃の長さ方向に沿った第1の辺に形成された鉄鋼材料からなる刃先部とを有し;刃先部の先端の刃角度が25〜50度であり、かつ刃先部の表面に、窒化チタン、炭化チタンおよび炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも1種からなるコーティング層を有する、または刃先部の先端の刃角度が35〜50度であり、かつ前記コーティング層を有しないものであればよく、図示例の炭素繊維束用切断刃に限定されない。
図11は、本発明の第2の態様に係る炭素繊維束用ロータリーカッタの一実施形態を示す正面図である。
炭素繊維束用ロータリーカッタ26は、ロール26aの回転軸方向に対して長さ方向が傾き(捩じり)を有するように、かつロール26aの周方向に所定間隔をあけて複数の炭素繊維束用切断刃26bがロール26aの周面に取り付けられたものである。
以上説明した炭素繊維束用ロータリーカッタ26にあっては、炭素繊維束用切断刃26bの基部261および刃先部262が鉄鋼材料からなるため、炭素繊維束用切断刃26bを取り付ける際に、炭素繊維束用切断刃26bに捩じりが加わっても加えた際に炭素繊維束用切断刃26bが割れにくい。
また、以上説明した炭素繊維束用ロータリーカッタ26にあっては、炭素繊維束用切断刃26bの基部261および刃先部262が鉄鋼材料からなるため、超硬合金からなる切断刃を有するロータリーカッタに比べ、安価である。
本発明の炭素繊維束用ロータリーカッタは、ロールと;ロールの回転軸方向に対して長さ方向が傾きを有するように、かつロールの周方向に所定間隔をあけてロールの周面に取り付けられた複数の切断刃とを有し;切断刃が本発明の炭素繊維束用切断刃であるものであればよく、図示例の炭素繊維束用ロータリーカッタに限定されない。
図12は、本発明の第2の態様に係るチョップド炭素繊維束の製造装置の一実施形態を示す上面図であり、図13は、図12のチョップド炭素繊維束の製造装置の側面図である。
チョップド炭素繊維束の製造装置は、外部から供給された長尺の炭素繊維束F’を下方に向けて吐出する複数の供給ホース11と;供給ホース11から吐出された炭素繊維束F’を略水平方向に案内するガイドロール12と;ガイドロール12の下流に設けられ、炭素繊維束F’の走行方向を規制するコームガイド13(ガイド手段)と;コームガイド13の下流に設けられ、炭素繊維束F’を引き込みつつ炭素繊維束F’を切断するチョッパユニット25(切断手段)とを備える。
以下、図1および図2のチョップド炭素繊維束の製造装置と同じ構成のものについては、同じ符号を付して詳しい説明を省略する。
図12および図13に示すチョップド炭素繊維束の製造装置を用いたチョップド炭素繊維束の製造方法は、繊維束Fが炭素繊維束F’に変更され、擦過バー14が省略され、ロータリーカッタ16が炭素繊維束用ロータリーカッタ26に変更され、チョップド繊維束CFの代わりにチョップド炭素繊維束CF’が得られる以外は、図1および図2に示すチョップド繊維束の製造装置を用いたチョップド繊維束の製造方法と同様であり、詳しい説明を省略する。
炭素繊維束F’としては、複数の炭素繊維が一方向に引き揃えられた扁平状の一方向性炭素繊維束等が挙げられる。
炭素繊維束F’は、サイジング剤等で処理されたものであってもよい。
炭素繊維束F’は、炭素繊維製造メーカーが標準的に生産している製品の中から比較的安価に入手可能な、1000〜60000本の炭素繊維からなるものが好ましく、10000〜600000本の炭素繊維からなるもの(レギュラートウおよびラージトウと呼ばれる。)がより好ましい。
炭素繊維の直径は、4〜10μmが好ましく、5〜8μmがより好ましい。
炭素繊維は、表面処理が施されているものであってもよい。
炭素繊維は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
以上説明した本発明の第2の態様に係るチョップド炭素繊維束の製造装置にあっては、切断刃の刃先が磨耗しにくい本発明の第2の態様に係る炭素繊維束用ロータリーカッタを備えているため、チョップド炭素繊維束を長時間連続して生産性よく製造できる。
また、以上説明した本発明の第2の態様に係るチョップド炭素繊維束の製造装置にあっては、ロールの回転軸方向に対して長さ方向が傾きを有するように複数の切断刃が取り付けられた本発明の第2の態様に係る炭素繊維束用ロータリーカッタを備えているため、炭素繊維束を切断する際の振動が抑えられる。
本発明の第2の態様に係るチョップド炭素繊維束の製造装置は、本発明の第2の態様に係る炭素繊維束用ロータリーカッタを備えたものであればよく、図示例の製造装置に限定されない。
(繊維強化樹脂成形材料の製造装置)
図14は、本発明の第2の態様に係る繊維強化樹脂成形材料の製造装置の一実施形態を示す側面図である。
繊維強化樹脂成形材料の製造装置は、繊維束供給手段110と、第1のシート供給手段111と、第1の塗工手段112と、チョップド炭素繊維束製造手段213と、第2のシート供給手段114と、第2の塗工手段115と、含浸手段116とを備える。
以下、図7の繊維強化樹脂成形材料の製造装置と同じ構成のものについては、同じ符号を付して詳しい説明を省略する。
チョップド炭素繊維束製造手段213は、擦過バー14を省略し、ロータリーカッタ16を炭素繊維束用ロータリーカッタ26に変更した以外は、図7のチョップド繊維束製造手段113と同様のものである。
図14に示す繊維強化樹脂成形材料の製造装置を用いた繊維強化樹脂成形材料の製造方法は、繊維束Fが炭素繊維束F’に変更され、チョップド繊維束製造手段113がチョップド炭素繊維束製造手段213に変更され、チョップド繊維束CFの代わりにチョップド炭素繊維束CF’が得られる以外は、図7に示す繊維強化樹脂成形材料の製造装置を用いた繊維強化樹脂成形材料の製造方法と同様であり、詳しい説明を省略するについて説明する。
以上説明した本発明の第2の態様に係る繊維強化樹脂成形材料の製造装置にあっては、チョップド炭素繊維束を長時間連続して生産性よく製造できる本発明の第2の態様に係るチョップド炭素繊維束の製造装置を備えているため、繊維強化樹脂成形材料を長時間連続して生産性よく製造できる。
本発明の第2の態様に係る繊維強化樹脂成形材料の製造装置は、本発明の第2の態様に係るチョップド炭素繊維束の製造装置と、チョップド炭素繊維束の製造装置によって得られたチョップド炭素繊維束にマトリックス樹脂組成物を含浸させる含浸手段とを備えたものであればよく、図示例の製造装置に限定されない。
また、スタンパブルシートの製造装置におけるチョップド炭素繊維束製造手段として、本発明のチョップド炭素繊維束の製造装置を採用したものであってもよい。なお、スタンパブルシートを製造する際には、マトリックス樹脂組成物としては、熱可塑性樹脂を含むものを用いる。
<裁断機>
本発明の第3の態様に係る裁断機は、長尺の繊維束を連続的に裁断するための裁断機である。本発明の裁断機は、カッターロールと、ゴムロールとを備えている。本発明の第3の態様に係る裁断機においては、カッターロールの刃がゴムロールの外周面に押し付けられつつ、カッターロールとゴムロールとが互いに逆向きに回転し、繊維束を挟み込みながら連続的に裁断する。
カッターロール32は、円筒状のロール本体35と、ロール本体35の外周面35aから径方向に突出するように設けられた複数の平板状の刃36と、を備えている。カッターロール32における各々の刃36は、外周面35aにおいて周方向に間隔を開けて、ロール本体35の軸方向に延在するように設けられている。
ロール本体の直径は、特に限定されず、例えば、公知の裁断機におけるカッターロールの直径と同等にすることができる。ロール本体の長さは、特に限定されず、適宜設定すればよい。
カッターロールの外周面の周方向に配置される刃の数は、ロール本体の直径や、裁断により得ようとするチョップド繊維束の長さ等に応じて適宜設定すればよい。
外周面の周方向における各刃の間隔は、裁断により得ようとするチョップド繊維束の長さに応じて適宜設定すればよい。
ゴムロール33としては、繊維束を裁断する裁断機に用いられる公知のゴムロールを使用することができる。ゴムロールの材質としては、例えば、ウレタンゴム、ニトリルゴム等が挙げられる。ゴムロールの直径は、特に限定されず、例えば、公知の裁断機におけるゴムロールの直径と同等にすることができる。ゴムロールの長さは、特に限定されず、適宜設定すればよい。
ピンチロール34としては、繊維束を裁断する裁断機に用いられる公知のピンチロールを使用することができ、例えば、ステンレス鋼製のピンチロールが挙げられる。ピンチロールの直径は、特に限定されず、例えば、公知の裁断機におけるピンチロールの直径と同等にすることができる。ピンチロールの長さは、特に限定されず、適宜設定すればよい。
本発明の第3の態様に係る繊維強化樹脂材料の製造装置は、本発明の第3の態様に係る裁断機と、前記裁断機によって裁断された繊維束で形成されたシート状繊維束群にマトリックス樹脂組成物を含浸させる含浸部と、を備えている。本発明の第3の態様に係る繊維強化樹脂材料の製造装置は、本発明の第3の態様に係る裁断機を備える以外は、公知の態様を採用できる。
このとき、第1樹脂シートS’1及び第2樹脂シートS’2のマトリックス樹脂組成物がシート状繊維束群SFに含浸され、第1キャリアシートC1と第2キャリアシートC2に挟持された状態で繊維強化樹脂材料R’(SMC)が形成される。
本発明の第3の態様に係る繊維強化樹脂材料の製造方法は、前述した本発明の第3の態様に係る裁断機を用いて繊維強化樹脂材料を製造する方法である。本発明の第3の態様に係る繊維強化樹脂材料の製造方法は、下記の散布工程及び含浸工程を有する。
散布工程:本発明の第3の態様に係る裁断機により長尺の繊維束を連続的に裁断し、裁断された複数の繊維束(チョップド繊維束)を、マトリックス樹脂組成物からなる第1樹脂シート上にシート状に散布してシート状繊維束群を形成する工程。
含浸工程:前記シート状繊維束群上に、マトリックス樹脂組成物からなる第2樹脂シートを積層して材料前駆体を形成し、前記材料前駆体を両面側から加圧し、前記シート状繊維束群に前記マトリックス樹脂組成物を含浸させて繊維強化樹脂材料を得る工程。
第1のキャリアシート供給部311により、第1の原反ロールR1から長尺の第1キャリアシートC1を引き出して第1の搬送部320へと供給し、第1の塗工部312によりペーストPを所定の厚みで塗工して第1樹脂シートS’1を形成する。第1の搬送部320によって第1キャリアシートC1を搬送することにより、第1キャリアシートC1上の第1樹脂シートS’1を走行させる。
これにより、走行する第1樹脂シートS’1上に、各繊維束fがランダムな繊維配向で散布されたシート状繊維束群SFが連続的に形成される。
本実施形態では、裁断機31におけるカッターロール32の刃36に、平坦で刃36の高さ方向に垂直な先端面36aが形成されているため、刃36が押し付けられてもゴムロール33の外周面33aが傷つきにくく、ゴム屑が生じにくい。そのため、ゴム屑がシート状繊維束群SFに混入することが抑制される。
無機繊維としては、炭素繊維、黒鉛繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、タングステンカーバイド繊維、ボロン繊維、ガラス繊維等が挙げられる。有機繊維としては、アラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、その他一般のナイロン繊維、ポリエステル繊維等が挙げられる。金属繊維としては、ステンレス、鉄等の繊維が挙げられ、また金属を被覆した炭素繊維でもよい。これらの中では、繊維強化樹脂材料成形体の強度等の機械物性を考慮すると、炭素繊維が好ましい。
強化繊維は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
なお、繊維束の平均幅は、以下の方法で測定される。電気炉などで繊維強化樹脂材料を加熱してマトリックス樹脂組成物を分解させ、残存した繊維束から無作為に10本の繊維束を選択する。10本の繊維束のそれぞれについて、繊維軸方向の両端部と中央部の3箇所で幅をノギスにて測定し、それら測定値の全てを平均して平均幅とする。
なお、繊維束の平均繊維長は、以下の方法で測定される。平均幅の測定と同様にして得た10本の繊維束のそれぞれについて最大の繊維長をノギスにて測定し、それら測定値の全てを平均して平均繊維長とする。
なお、繊維束の平均厚みは、以下の方法で測定される。平均幅の測定と同様にして得た10本の繊維束のそれぞれについて、繊維軸方向の両端部と中央部の3箇所で厚みをノギスにて測定し、それら測定値の全てを平均して平均厚みとする。
熱硬化性樹脂としては、特に限定されず、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ウレタン系樹脂、尿素性樹脂、メラミン樹脂、イミド系樹脂等が挙げられる。熱硬化性樹脂は、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
第2のキャリアシート供給部314により、第2の原反ロールR2から長尺の第2キャリアシートC2を引き出して第2の搬送部328へと供給する。第2の塗工部315により、第2キャリアシートC2の面上にペーストPを所定の厚みで塗工し、第2樹脂シートS’2を形成する。
<炭素繊維束用切断刃>
本発明の第4の態様に係る炭素繊維束用切断刃は、刃角度θ(度)と刃の厚さT(mm)との比率(θ/T)が、35〜1800の範囲である切断刃である。本発明の第4の態様に係る炭素繊維束用切断刃は、例えば、上記の本発明の第1の態様〜第3の態様において、強化繊維が炭素繊維である場合に用いる切断刃として好ましい。
θ/Tをこの範囲とすることで、耐久性、耐摩耗性、ロールへの装着性に優れた、炭素繊維の切断に適した切断刃とすることができる。
θ/Tは、好ましくは、50〜250の範囲であり、さらに好ましくは、60〜100の範囲である。
また、θ/Tは、好ましくは、1000〜1800の範囲にあり、さらに好ましくは、1500〜1800の範囲にある。
切断刃(α):
前記θ/Tが35〜500の範囲である平刃状の炭素繊維束用切断刃であり、鉄鋼材料からなる平板状の基部と、炭素繊維束用切断刃の長さ方向に沿った第1の辺に形成された鉄鋼材料からなる刃先部とを有し、刃先部の表面に、窒化チタン、炭化チタンおよび炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも1種からなるコーティング層を有する炭素繊維束用切断刃。
切断刃(β):
θ/Tが50〜500の範囲である平刃状の炭素繊維束用切断刃であり、鉄鋼材料からなる平板状の基部と、炭素繊維束用切断刃の長さ方向に沿った第1の辺に形成された鉄鋼材料からなる刃先部とを有し、刃先部の表面にコーティング層を有しない炭素繊維束用切断刃。
切断刃(γ):
θ/Tが500〜1800の範囲である平板状の刃であり、刃の先端に、平坦で刃の高さ方向に垂直な先端面が形成されている炭素繊維束用切断刃。
切断刃(α)および切断刃(β)の形状は、第2の態様における炭素繊維束用切断刃26bと同様である。
切断刃(α)および切断刃(β)の厚さT、長さL、長さLと高さHとの比(L/H)は、第2の態様における炭素繊維束用切断刃26bと同様であり、好ましい範囲も同様である。
鉄鋼材料としては、第1の態様における切断刃16bの材料として例示した鉄鋼材料と同様のものが挙げられる。
切断刃(α)におけるθ/Tは、35〜500の範囲である。θ/Tが35以上であれば、刃先が磨耗しにくくなるとともに、炭素繊維束を切断するための局所曲げ形状を形成しつつ切断刃(α)をロールの溝に捩りながら挿入する作業が容易となる。θ/Tが500以下であれば、炭素繊維束の切断時に切断力による刃先の破損を防止でき、また、切断刃(α)に捩じりを加えてロールの溝に挿入する作業をしても割れにくくなる。
刃先部の先端の刃角度θが小さいと刃先が磨耗しやすい。よって、切断刃(α)においては、刃先部の表面に特定のコーティング層を設ける。
切断刃(α)におけるコーティング層は、第2の態様における切断刃(I)と同様であり、好ましい範囲も同様である。
切断刃(β)におけるθ/Tは、50〜500の範囲である。θ/Tが50以上であれば、刃先が磨耗しにくくなるとともに、炭素繊維束を切断するための局所曲げ形状を形成しつつ切断刃(β)をロールの溝に捩りながら挿入する作業が容易となる。θ/Tが500以下であれば、炭素繊維束の切断時に切断力による刃先の破損を防止でき、また、切断刃(β)に捩じりを加えてロールの溝に挿入する作業をしても割れにくくなる。
刃先部の先端の刃角度θが大きいと刃先が磨耗しにくい。よって、切断刃(β)においては、刃先部の表面に、窒化チタン、炭化チタンおよび炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも1種からなる特定のコーティング層を設ける必要がない。
切断刃(γ)においては、平板状の刃の先端に、平坦で刃の高さ方向に垂直な先端面(θ:180度)が形成されており、そのθ/Tは500〜1800の範囲である。θ/Tが500以上であれば、繊維束を裁断することが容易になる。θ/Tが1800以下であれば、炭素繊維束の切断時に切断力による刃先の破損を防止でき、また、切断刃(γ)に捩じりを加えてロールの溝に挿入する作業をしても割れにくくなる。
切断刃(γ)の厚さT、高さ、長さは、第3の態様における刃36と同様であり、好ましい範囲も同様である。
本発明の第4の態様に係るチョップド繊維束の製造装置は、本発明の第4の態様に係る炭素繊維束用切断刃を備えたものである。
本発明の第4の態様に係るチョップド繊維束の製造装置としては、本発明の第1の態様に係るチョップド繊維束の製造装置において、ロータリーカッタ16の切断刃16bの代わりに本発明の第4の態様に係る炭素繊維束用切断刃を備えたもの;本発明の第2の態様に係るチョップド炭素繊維束の製造装置において、炭素繊維束用ロータリーカッタ26の炭素繊維束用切断刃26bの代わりに本発明の第4の態様に係る炭素繊維束用切断刃を備えたもの;本発明の第3の態様に係る裁断機において、カッターロール32の刃36の代わりに本発明の第4の態様に係る炭素繊維束用切断刃を備えたものが挙げられる。
本発明の第4の態様に係るチョップド繊維束の製造方法は、本発明の第4の態様に係る炭素繊維束用切断刃によって繊維束を切断する方法である。
本発明の第4の態様に係るチョップド繊維束の製造方法としては、本発明の第1の態様に係る繊維強化樹脂成形材料の製造方法において、チョップド繊維束の製造装置として本発明の第4の態様に係るチョップド繊維束の製造装置を用いる方法;本発明の第2の態様に係る繊維強化樹脂成形材料の製造方法において、チョップド炭素繊維束の製造装置として本発明の第4の態様に係るチョップド繊維束の製造装置を用いる方法;本発明の第3の態様に係る繊維強化樹脂材料の製造方法において、裁断機として本発明の第4の態様に係るチョップド繊維束の製造装置を用いる方法が挙げられる。
刃先部の先端の刃角度と切断抵抗との関係:
合金工具鋼鋼材(SKS81)からなる切断刃(厚さT:0.3mm、長さL:100mm、高さH:8mm、刃先部の先端の刃角度θ:20度)を作製した。
刃受けゴムとして、ウレタンゴムシート(厚さ:20mm、長さ:40mm、幅:40mm)を用意した。
炭素繊維束として、炭素繊維トウ(三菱レイヨン社製、PYROFIL(登録商標)TR50S15L、炭素繊維の本数:15000本、炭素繊維の直径:7μm)を用意した。
刃先部の先端の刃角度を30度に変更した切断刃、および刃先部の先端の刃角度を40度に変更した切断刃を作製し、これらについても同様に切断抵抗の平均値を求めた。刃先部の先端の刃角度と切断抵抗との関係を図18に示す。
刃先部の先端の刃角度が50度以下であれば、初期の切断抵抗を約70N以下に抑えることができ、炭素繊維束を切断しやすいことがわかった。
刃先部の先端の磨耗量と切断抵抗との関係:
合金工具鋼鋼材(SKS81)からなる切断刃(厚さT:0.3mm、長さL:100mm、高さH:8mm、刃先部の先端の刃角度θ:20度)を作製した。
刃受けゴム、炭素繊維束、切断テスト用の装置としては、実験例1と同じものを用意した。
刃先部の先端にチャンファ処理(面取り)を施し、人工的に刃先を磨耗させた。磨耗量は25μm、50μm、75μm、100μmと変化させた。これらについても同様に切断抵抗の平均値を求めた。刃先部の先端の磨耗量と切断抵抗との関係を図19に示す。
また、刃受けゴムをニトリルゴムシートに変更した以外は、同様に切断抵抗の平均値を求めた。刃先部の先端の磨耗量と切断抵抗との関係を図19に示す。
刃先部の先端の磨耗量の増加とともに切断抵抗が上昇する傾向が見られた。
刃先部の先端の磨耗量と刃受けゴムへのくい込み深さとの関係:
実験例2において切断抵抗を測定すると同時に、切断刃の先端の刃受けゴムへのくい込み深さを測定した。刃先部の先端の磨耗量と刃受けゴムへのくい込み深さとの関係を図20に示す。
刃先部の先端の磨耗量の増加とともに刃受けゴムへのくい込み深さが深くなる傾向が見られた。刃受けゴムがウレタンゴムの場合、切断刃の先端のくい込みが少ない。よって、ウレタンゴムの方が切断刃による損傷が少なくなることが予想された。
合金工具鋼鋼材(SKS81)からなる切断刃(厚さT:0.3mm、長さL:900mm、高さH:8mm、刃先部の先端の刃角度θ:20度、刃先部のコーティング層:なし)を作製した。
ステンレス鋼製のロータリーカッタ用のロール(長さ(面長):1000mm、外径:210mm)を用意した。ロールの周面には、切断刃を嵌合するための溝がロールの回転軸方向に対して長さ方向が1.46度の傾き(捩じり)を有するように、周方向の間隔:25.4mmで螺旋状に形成されていた。
切断刃をロールの周面に取り付けてロータリーカッタを作製した。この際、刃先部を含む切断刃のロールの周面からの突出量は、1mmとした。
ステンレス鋼製のタッチロール(長さ(面長):1000mm、外径:87mm)を用意した。
図12および図13に示すようにチョップド炭素繊維束の製造装置を組み立てた。
炭素繊維束として、炭素繊維トウ(三菱レイヨン社製、PYROFIL(登録商標)TR50S15L、炭素繊維の本数:15000本、炭素繊維の直径:7μm)を用意した。
図中、摩耗量A、摩耗量B、摩耗量Cはそれぞれ、ロールの周方向に概ね120度毎に配置した切断刃の磨耗量を計測した結果である。
最小二乗法により、切断回数に対する刃先部の先端の磨耗量の近似直線を作成し、この直線の傾きを求めた。
切断刃の基部および刃先部の材料、厚さT、刃先部の先端の刃角度θ、刃先部の表面のコーティング層を表1に示すように変更した以外は、例1と同様にして炭素繊維束の切断を実施した。
表中、A−DLCは、アモルファスダイアモンドライクカーボンの略、DLCはダイアモンドライクカーボンの略、TiNは窒化チタンの略である。
各例について最小二乗法により、切断回数に対する刃先部の先端の磨耗量の近似直線を作成し、この直線の傾きを求めた。下記式から寿命効果を求めた。寿命効果を表1に示す。
寿命効果(%)=(例1の直線の傾き/各例の直線の傾き)×100
切断刃の基部および刃先部の材料が超硬合金である例31〜33は、寿命効果が著しく高かったが、切断刃の価格は、鉄鋼材料の切断刃の30倍以上であり、費用対効果は低かった。
図15及び図16に例示した、先端面36aが形成された刃36が複数設けられたカッターロール32を備える裁断機31を用意した。ロール本体35の直径は210mm、長さは900mmとした。刃36の厚さは0.10mm、高さは8mm、長さは900mmとした。カッターロール32の材質は、SK4とした。また、ゴムロール33の直径は190mm、長さは970mmとした。ゴムロール33の材質は天然ゴムとした。ピンチロール34の直径は87mm、長さは900mmとした。ピンチロール34の材質は硬質クロムメッキを施したS55C製とした。
刃36の厚さを表2に示すように変更した以外は、例41と同様の裁断機31を用意した。
カッターロール32を、刃角度θが20度となるように先端部を先鋭化した刃37(図22)が設けられたカッターロール38に変更した以外は、例41と同様の裁断機を用意した。
長尺の繊維束として炭素繊維束(商品名「TR50S15L」、引張り強度:4900MPa、幅:7.5mm、厚み0.10mm、フィラメント数:15,000本、三菱レイヨン社製)を使用し、各例の裁断機において500m分の繊維束を裁断し、平均繊維長25.4mmのチョップド繊維束を作製した。その後、ゴムロールの外周面の状態を目視にて確認し、以下の基準で評価した。
(評価基準)
○:ゴムロールの外周面がほとんど傷ついておらず、ゴム屑の発生が見られない。
×:ゴムロールの外周面が傷つき、ゴム屑の発生が見られる。
各例の裁断機により下記の繊維束(1)〜(6)を連続的に裁断し、下記の基準で裁断性能を評価した。
繊維束(1):炭素繊維束(商品名「TR30S3L」、引張り強度:4410MPa、幅:2.5mm、厚み0.05mm、フィラメント数:3,000本、三菱レイヨン社製)。
繊維束(2):炭素繊維束(商品名「TR50S15L」、引張り強度:4900MPa、幅:7.5mm、厚み0.10mm、フィラメント数:15,000本、三菱レイヨン社製)。
繊維束(3):炭素繊維束(商品名「TRW40S50L」、引張り強度:4100MPa、幅:12.5mm、厚み0.20mm、フィラメント数:50,000本、三菱レイヨン社製)。
繊維束(4):炭素繊維束(商品名「TRW40S50L」、開繊、引張り強度:4100MPa、幅:16.7mm、厚み0.15mm、フィラメント数:50,000本、三菱レイヨン社製)。
繊維束(5):炭素繊維束(商品名「TRW40S50L」、2倍開繊、引張り強度:4100MPa、幅:25mm、厚み0.10mm、フィラメント数:50,000本、三菱レイヨン社製)。
繊維束(6):炭素繊維束(商品名「TRW40S50L」、4倍開繊、引張り強度:4100MPa、幅:50mm、厚み0.05mm、フィラメント数:50,000本、三菱レイヨン社製)。
(評価基準)
○:繊維束が十分に裁断された。
△:繊維束に未裁断の部分が見られた。
一方、高さ方向に対して垂直な先端面が形成されていない刃を備えるカッターロールを用いた例51の裁断機では、ゴムロールの外周面に傷がつき、ゴム屑が発生した。
本発明の第2の態様に係る炭素繊維束用切断刃は、刃先が磨耗しにくく、かつ安価であるため、チョップド炭素繊維束の製造に用いる切断刃として有用である。
Claims (19)
- 厚さが0.7mm以下であり、長さが300mm以上である平刃状の炭素繊維束用切断刃であり、
鉄鋼材料からなる平板状の基部と、
前記炭素繊維束用切断刃の長さ方向に沿った第1の辺に形成された鉄鋼材料からなる刃先部とを有し、
前記刃先部の先端の刃角度が25〜50度であり、かつ前記刃先部の表面に、窒化チタン、炭化チタンおよび炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも1種からなるコーティング層を有する、または
前記刃先部の先端の刃角度が35〜50度であり、かつ前記コーティング層を有しない、炭素繊維束用切断刃。 - 前記炭素繊維束用切断刃の厚さが、0.1mm以上0.7mm以下である、請求項1に記載の炭素繊維束用切断刃。
- 前記炭素繊維束用切断刃の長さLと、前記炭素繊維束用切断刃の高さHとの比(L/H)が、11超である、請求項1に記載の炭素繊維束用切断刃。
- 前記コーティング層の厚さが、1μm超である、請求項1に記載の炭素繊維束用切断刃。
- ロールと、
前記ロールの回転軸方向に対して長さ方向が傾きを有するように、かつ前記ロールの周方向に所定間隔をあけて前記ロールの周面に取り付けられた複数の切断刃とを有し、
前記切断刃が、請求項1〜4のいずれか一項に記載の炭素繊維束用切断刃である、炭素繊維束用ロータリーカッタ。 - 請求項5に記載の炭素繊維束用ロータリーカッタを備えた、チョップド炭素繊維束の製造装置。
- 請求項6に記載のチョップド炭素繊維束の製造装置と、
前記チョップド炭素繊維束の製造装置によって得られたチョップド炭素繊維束にマトリックス樹脂組成物を含浸させる含浸手段と
を備えた、繊維強化樹脂成形材料の製造装置。 - ロール本体と、前記ロール本体の外周面に設けられた複数の平板状の刃とを備え、前記刃をゴムロールの外周面に押し付けながら長尺の繊維束を挟み込み、前記繊維束を裁断するカッターロールであって、
前記刃の先端に、平坦で前記刃の高さ方向に垂直な先端面が形成されている、カッターロール。 - 請求項8に記載のカッターロールと、ゴムロールとを備え、
前記カッターロールの刃が前記ゴムロールの外周面に押し付けられつつ、前記カッターロールと前記ゴムロールとが互いに逆向きに回転し、長尺の繊維束を挟み込みながら連続的に裁断する、裁断機。 - 請求項9に記載の裁断機と、前記裁断機によって裁断された繊維束で形成されたシート状繊維束群にマトリックス樹脂組成物を含浸させる含浸部と、を備える繊維強化樹脂材料の製造装置。
- 下記の散布工程及び含浸工程を有する繊維強化樹脂材料の製造方法。
散布工程:請求項9に記載の裁断機により長尺の繊維束を連続的に裁断し、裁断された複数の繊維束を、マトリックス樹脂組成物からなる第1樹脂シート上にシート状に散布してシート状繊維束群を形成する工程。
含浸工程:前記シート状繊維束群上に、マトリックス樹脂組成物からなる第2樹脂シートを積層して材料前駆体を形成し、前記材料前駆体を両面側から加圧し、前記シート状繊維束群に前記マトリックス樹脂組成物を含浸させて繊維強化樹脂材料を得る工程。 - 刃角度θ(度)と刃の厚さT(mm)との比率(θ/T)が、35〜1800の範囲である、炭素繊維束用切断刃。
- 前記θ/Tが35〜500の範囲である平刃状の炭素繊維束用切断刃であり、
鉄鋼材料からなる平板状の基部と、
前記炭素繊維束用切断刃の長さ方向に沿った第1の辺に形成された鉄鋼材料からなる刃先部とを有し、
前記刃先部の表面に、窒化チタン、炭化チタンおよび炭窒化チタンからなる群から選ばれる少なくとも1種からなるコーティング層を有する、請求項12に記載の炭素繊維束用切断刃。 - 前記刃角度θが25〜50度の範囲である、請求項13に記載の炭素繊維束用切断刃。
- 前記θ/Tが50〜500の範囲である平刃状の炭素繊維束用切断刃であり、
鉄鋼材料からなる平板状の基部と、
前記炭素繊維束用切断刃の長さ方向に沿った第1の辺に形成された鉄鋼材料からなる刃先部とを有し、
前記刃先部の表面にコーティング層を有しない、請求項12に記載の炭素繊維束用切断刃。 - 前記刃角度θが35〜50度の範囲である、請求項15に記載の炭素繊維束用切断刃。
- 前記θ/Tが500〜1800の範囲である平板状の刃であり、
前記刃の先端に、平坦で前記刃の高さ方向に垂直な先端面が形成されている、請求項12に記載の炭素繊維束用切断刃。 - 請求項12〜17のいずれか一項に記載の炭素繊維束用切断刃を備えた、チョップド繊維束の製造装置。
- 請求項12〜17のいずれか一項に記載の炭素繊維束用切断刃によって繊維束を切断する、チョップド繊維束の製造方法。
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