JP2018114695A - 未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊維束の供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】トゥプリプレグ１を巻き込んでいるボビン２からトゥプリプレグ１が繰り出されるときに生じることがある絡み合い現象を解消したトゥプリプレグ供給装置１００を提供する。【解決手段】未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊維束（トゥプリプレグ）１を巻き込んでいるボビン２から該炭素繊維束が繰り出されて適宜の使用部位に供給するようにされた炭素繊維束の供給装置１００は、前記ボビン２からトゥプリプレグ１が離間する位置ｓの近傍に熱を供給して繰り出されるトゥプリプレグ１加熱することのできる加熱手段２０と、加熱手段２０よりも下流側に位置していて繰り出されたトゥプリプレグ１を冷却することのできる冷却手段（冷風吹き出しノズル３０）とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊維束を巻き込んでいるボビンから、その炭素繊維束を、例えば高圧容器製造用のフィラメントワインディング装置などである適宜の使用部位へ供給するための、供給装置に関する。

例えば、水素等の貯蔵ないしは供給に用いられる高圧容器の製造方法として、ライナーの外周面に、フィラメントワインディング装置を使用して、未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊維束（以下、本明細書において「トゥプリプレグ」という場合がある）を所定のピッチ幅で巻き付けた後、樹脂を硬化させて繊維強化樹脂層を形成するようにした製造方法は知られている。

特許文献１では、そのような製造方法で用いられるトゥプリプレグの案内装置の一例が記載されており、そこでは、トゥプリプレグを適宜の案内体に接触させて案内する際、繊維束の表面の一部が前記案内体との摩擦によって削り取られることで「毛羽」が発生することがあり、その毛羽の発生を抑制するために、前記案内体の表面粗さを特定の値とするようにした発明が記載されている。

特開２０１４−１８８８３８号公報

本発明者らは、トゥプリプレグを用いて高圧容器を製造することを多く経験しているが、その過程で、トゥプリプレグを巻き込んでいるボビンから、所要の使用部位に向けてトゥプリプレグを繰り出す際に、繰り出されるトゥプリプレグと当該ボビンにおいてそれよりも下層に巻き込まれているトゥプリプレグとの間で、繊維の絡み合い現象が生じて繰り出しがスムーズに進行しなくなることを経験した。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、トゥプリプレグを巻き込んでいるボビンからトゥプリプレグが繰り出されるときに生じることがある上記の絡み合い現象を解消することのできるトゥプリプレグの供給装置を提供することを課題とする。

本発明者らは、上記の課題を解決すべく、トゥプリプレグを巻き込んでいるボビンからトゥプリプレグが繰り出されるときの挙動を詳細に検証した。そして、次のような知見を得た。

すなわち、高圧容器製造に使用するフィラメントワインディング装置は、使用するトゥプリプレグの含浸樹脂（例えばエポキシ樹脂）の液だれを防止するために、２５℃以下の温度環境下でライナーへの巻き付けを行っている。一方、トゥプリプレグを構成する炭素繊維束は、φ６〜７μｍの線径のもの約３６０００本を１本に束ねたものであり、それに例えばエポキシ樹脂を含浸させたものを巻き込んでボビンとしている。

ボビンからトゥプリプレグを繰り出すときに、３６０００本の繊維のすべてが繰り出されずに、数本取り残されることが生じる場合がある。その下層の繊維束を繰り出すときに先に残された繊維も一緒に繰り出される場合もあるが、残り続けて増えていく場合もある。残り続けて増加した繊維は、新たな繊維束（下層の繊維束）の繰り出し時に干渉し、それが絡み合いの原因となることを知った。

一般に、エポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂は温度が低くなると粘度が大きくなる傾向がある。ボビンからトゥプリプレグを繰り出すときのボビン全体の温度が低温であればあるほど、含浸している熱硬化性樹脂は糊のように下層の繊維束に接着し、結果、３６０００本ある細い繊維を一緒に繰り出すことが困難となる。さらに、ボビンに巻かれている繊維束は、通常、綾角が付けられているため、下層の繊維束と残っている繊維は、巻角が違う場合が多く、これも繰り出しの支障となっている。

ボビン全体をフィラメントワインディング処理の前に適温に加温し、熱硬化性樹脂の粘性を低くすることで、前記した繰り出しの問題を解決することができる。しかし、その場合、熱硬化性樹脂の粘度が下がりすぎて、繊維束からの染み出しが生じ、樹脂含浸率の規格を落とす結果を招きやすい。また、トゥプリプレグを繰り出すときに、樹脂の飛散が生じるおそれもあり、それは装置の可動を阻害する要因となる。

本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであり、本発明による未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊維束（トゥプリプレグ）の供給装置は、未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊維束を巻き込んでいるボビンから該炭素繊維束が繰り出されて適宜の使用部位に供給するようにされた供給装置であって、前記未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊維束が繰り出されて前記ボビンから離間する位置の近傍に熱を供給して少なくとも繰り出される該炭素繊維束を加熱することのできる加熱手段と、前記加熱手段よりも下流側に位置し前記繰り出された該炭素繊維束を冷却することのできる冷却手段と、を少なくとも備えることを特徴とする。

本発明による未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊維束の供給装置では、ボビンからトゥプリプレグを繰り出すときに、繰り出す繊維束のみまたはその周辺を温めて、トゥプリプレグに含浸している熱硬化性樹脂の粘度を低下させることで、下層に位置するトゥプリプレグとの間での繊維の絡み合いを阻止することができる。そして、繰り出されたトゥプリプレグは、その直後に冷却されることで、熱硬化性樹脂の粘度が再び大きくなり、それにより、そこから下流において熱硬化性樹脂が飛散するのを回避することができる。結果、供給されるトゥプリプレグの品質を低下させることなく、所望の使用部位に、トゥプリプレグを供給することが可能となる。

本発明による未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊維束（トゥプリプレグ）の供給装置が使用される高圧容器製造用のフィラメントワインディング装置の一例を示す概略図。 本発明による未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊維束（トゥプリプレグ）の供給装置を説明する図。

以下、本発明の一実施の形態を説明する。
図１は、本発明によるトゥプリプレグの供給装置が使用される高圧容器製造用のフィラメントワインディング装置の一例を示している。図１において、１００は本発明によるトゥプリプレグの供給装置（クリルスタンド）であり、トゥプリプレグ１を巻き込んだ適数個（図では４個）のボビン２を有し、各ボビン２から繰り出されたトゥプリプレグ１は、案内ロール３、４を通過して、ダンサー５やアクティブダンサー６等からなる張力制御装置７に送られる。張力制御装置７を通ったトゥプリプレグ１は、繊維収束装置８や搖動あるいは前後移動するアイ口９を経て、ライナー１０の外周面に巻き付けられる。ライナー１０の外周面に巻き付けられたトゥプリプレグ１は、適宜の加熱処理が施されることで、熱硬化性樹脂が硬化し、水素等の貯蔵ないしは供給に用いられる高圧容器１１とされる。

上記のトゥプリプレグ供給装置１００において、図２に示すように、ボビン２に巻き込まれている最も外側のトゥプリプレグ１ａに接するようにして、加熱手段としての、調温された加熱ローラー２０が備えられている。前記加熱ローラー２０の配置位置は、ボビン２に巻き込まれているトゥプリプレグ１がボビン２から繰り出されるときに、１つ内側に巻き込まれているトゥプリプレグ１から離間する部位ｓおよびそこから少し上流側の部位を含む領域に熱を供給できる箇所とされる。

トゥプリプレグ１に接触してトゥプリプレグ１を加熱する加熱ローラー２０は、加熱手段の一例であり、温風を前記領域に吹き付ける、あるいは赤外線ヒーターで加熱する等、非接触的にトゥプリプレグに熱を加える手段であってもよい。加熱手段による加熱は、トゥプリプレグ１に含浸している熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ樹脂）の粘度を小さくするためである。加熱の温度は、熱硬化性樹脂の種類によって選択される。一例として、エポキシ樹脂の場合は約４０℃以上が、目安となる温度である。約４０℃〜７０℃の範囲とすることで、エポキシ樹脂の粘度を含浸時の粘度以下とすることができ、ボビンからのトゥプリプレグ１の解除性が向上する。

前記したように、トゥプリプレグ１を巻き込んだボビン２は、液だれを防止するために、２０℃程度の温度環境下に置かれているのが普通であり、熱硬化性樹脂の粘度は含浸時よりも大きくなっているのが一般的である。上記のように加熱して粘度を小さくすることで、繰り出されるトゥプリプレグ１と１つ下層のトゥプリプレグ１との間での繊維の絡み合いが生じるのをなくすあるいはほとんどなくすことができ、トゥプリプレグ１の繰り出しが安定したものとなる。

トゥプリプレグ供給装置１００は、前記加熱ローラー２０よりも少し下流側に冷風吹き出しノズル３０をさらに備える。冷風吹き出しノズル３０の配置位置は、前記したトゥプリプレグ１がボビン２から離間する部位ｓの下流側直近と案内ロール３との間とされる。冷風吹き出しノズル３０から吹き出される冷風によって、粘度が低下した熱硬化性樹脂は冷却され、液だれの生じない状態にまで、粘度が大きくなる。それにより、樹脂が繊維束から染み出して樹脂含浸率が規格値より小さくなったり、周囲に樹脂が飛散して環境が悪化したりするのを、効果的に阻止することができる。

冷風吹き出しノズル３０は、加熱手段（加熱ローラー２０）よりも下流側において加温されて繰り出されるトゥプリプレグ１を冷却することのできる冷却手段の一例であり、冷却手段はこれに限らない。調温されたローラーを接触させて温度を下げるような手段であってもよい。ただし、接触する手段は、軟化した樹脂が付着する恐れがあるので、非接触式で冷却できる手段が、より合理的である。

冷却手段によるトゥプリプレグ１の冷却温度は、含浸している熱硬化性樹脂が液だれを起こさない粘度にまで冷却される温度であることを条件に、含浸樹脂の種類によって適宜選択される。樹脂がエポキシ樹脂の場合、２０℃程度まで冷却されれば、所期の目的は達成できる。

上記のように、本発明によるトゥプリプレグの供給装置では、ボビン２から繰り出される位置またはそのごく上流側でトゥプリプレグ１を加熱し、繰り出された位置を過ぎてからトゥプリプレグ１を冷却することによって、トゥプリプレグ１が繰り出される箇所で樹脂の粘度を下げて繊維の絡まりを防止しつつ、加熱による樹脂の飛散を防止することができるので、供給されるトゥプリプレグ１の品質を低下させることなく、所望の使用装置側にトゥプリプレグを供給することが可能となる。

１００…本発明によるトゥプリプレグの供給装置、
１…トゥプリプレグ、
２…ボビン、
３，４…案内ロール、
７…張力制御装置、
８…繊維収束装置、
９…アイ口、
１０…ライナー、
１ａ…ボビンに巻き込まれている最も外側のトゥプリプレグ、
２０…加熱ローラー、
３０…冷風吹き出しノズル、
ｓ…ボビンに巻き込まれているトゥプリプレグがボビンから繰り出されるときに、１つ内側に巻き込まれているトゥプリプレグから離間する部位。

Claims (1)

1. 未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊維束を巻き込んでいるボビンから該炭素繊維束が繰り出されて適宜の使用部位に供給するようにされた炭素繊維束の供給装置であって、
   前記未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊維束が繰り出されて前記ボビンから離間する位置の近傍に熱を供給して少なくとも繰り出される該炭素繊維束を加熱することのできる加熱手段と、
   前記加熱手段よりも下流側に位置し前記繰り出された該炭素繊維束を冷却することのできる冷却手段と、
   を少なくとも備えることを特徴とする未硬化の熱硬化性樹脂を含浸した炭素繊維束の供給装置。

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