JP2018140486A - 強化繊維糸条切断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な装置で、強化繊維糸条を連続的に斜め切断でき、さらにはより小さい角度での斜め切断を可能とする、強化繊維糸条切断装置を提供する。
【解決手段】回転ローターの外周面に任意の間隔をもって回転刃が配設された回転刃機構と、前記回転刃機構の外周と離間して設置された固定刃と、強化繊維糸条を供給する強化繊維供給機構を少なくとも有する強化繊維糸条切断装置において、前記強化繊維糸条は、前記回転刃と前記固定刃との空隙に向かって前記回転刃の延在方向と鋭角の角度となるように供給され、前記回転刃機構の回転により前記強化繊維糸条を順次切断することを特徴とする強化繊維糸条切断装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、成形材料として用いた場合、良好な含浸性、流動性、成形追従性を有し、繊維強化プラスチックとした場合、優れた力学物性を発現するチョップド強化繊維糸条を得るための強化繊維糸条切断装置に関するものである。

強化繊維とマトリックス樹脂からなる繊維強化プラスチックは、比強度、比弾性率が高く、力学特性に優れること、耐候性、耐薬品性などの高機能特性を有することなどから産業用途においても注目され、その需要は年々高まりつつある。その中でも、３次元形状等の複雑な形状に適した成形方法として、不連続の強化繊維（例えば、炭素繊維）の束状集合体（以下、繊維束ということもある。）とマトリックス樹脂からなる成形材料を用いて、加熱、加圧成形により、所望形状の成形品を製造する技術が知られており、ＳＭＣ（シートモールディングコンパウンド）やスタンパブルシートを用いた成形等が主なものとして挙げられる。

ＳＭＣ成形品は、強化繊維の繊維束を例えば繊維長が２５ｍｍ程度になるように繊維直交方向に切断し、該チョップド強化繊維糸条に熱硬化性樹脂であるマトリックス樹脂を含浸せしめ半硬化状態としたシート状基材（ＳＭＣ）を、加熱型プレス機を用いて加熱加圧することにより得られる。スタンパブルシート成形品は、例えば２５ｍｍ程度に切断したチョップド強化繊維糸条や連続の強化繊維よりなる不織布マット等に熱可塑性樹脂を含浸させたシート状基材（スタンパブルシート）を一度赤外線ヒーターで熱可塑性樹脂の融点以上に加熱し、所定の温度の金型に積層して冷却加圧することにより得られる。多くの場合、加圧前にＳＭＣやスタンパブルシートを成形体の形状より小さく切断して成形型上に配置し、加圧により成形体の形状に引き伸ばして（流動させて）成形を行う。これらは繊維が不連続であるため、樹脂と共に強化繊維束が自由に流動する事ができるため、３次元形状等の複雑な形状にも追従可能となる。

ところで、上述した不連続の強化繊維からなる繊維強化プラスチックの材料の性能を向上させる技術として、不連続繊維のカット角度を繊維方向に対して９０°より小さくする知見に関する開示がある（例えば特許文献１〜３）。かかる開示には、斜めの切断面を有するチョップストランドを用いることにより、樹脂とストランド端部接合面積が増大し、応力集中が回避され破壊強度が向上する。またチョップストランドが容易に単繊維にまで開繊し、樹脂とストランド接合面積が増大し、応力集中が回避され破壊強度が向上するといった効果が挙げられている。

しかしながら、実際に強化繊維を斜めに切断する方法について、特許文献１には具体的な方法は全く挙げられていない。

特許文献２においては、回転ロール上に斜めに切断刃を配置した切断ロールが挙げられているが、形状が複雑なため製作費用が高くなり、また通常のカッターロールのように刃部分のみの交換もできないため、刃交換によるコストが非常に大きくなり、実際の生産に適用するには非現実的であった。特に、炭素繊維やアラミド繊維等の高強度繊維においては、繊維自身の強度が高いため刃の減耗が早く、この問題が顕著であった。

特許文献３においては、通常のカッターロール同様、ロール周方向に直線刃を配置した形のカッターロールに、繊維を傾けて導入する方法が挙げられており、この方式であれば刃部分のみの交換が可能であるため、上記の問題は回避される。しかしながら、この方法において糸の繊維方向を斜め方向に維持しながら連続的にカットするためには、ロールの引っ張りにより糸の形状・繊維方向が変化してしまってはならず、糸を固めたり、平板上に固定したりする等の処理が必要であった。

また、特許文献３では、樹脂含浸により繊維を固める方法が挙げられているが、コストの向上につながる等、好ましい方法とはいえない。また、斜め切りの効果は、その角度が小さいほど効果が大きくなるため、出来るだけ小さい角度に切断する事が好ましいが、この方式ではカッター刃の切断方向が繊維の引き込み方向に対して垂直であり、切断角度＝（９０°−繊維の導入角度）となるため、小さな切断角度を得るためには導入角度を非常に大きくする必要があった。例えば切断角度５°の繊維を得ようとすると、糸道を８５°傾けてカッターロールに導入する必要があり、これはカッターの回転軸に対して繊維方向をほぼ平行にしながら導入することを意味しており、このような角度で繊維の形状を保ちつつ、導入角度を一定に連続的に導入することは非常に困難であった。

特許文献４、５については、上記特許文献３同様、ロール周方向に直線刃を配置した形のカッターロールによる切断方式であるが、繊維を斜めにカットすることに関する記載は無く、また特許文献３と同様の理由で、連続的に斜めカットを行なうことは困難であった。

特開２００３−１６５７３９号公報 特開２００９−１１４６１１号公報 特開２００９−１１４６１２号公報 特開２００４−３００６１１号公報 特開２００５−１７１４２１号公報

本発明の目的は、上記のような課題に着目し、簡便な装置で、強化繊維糸条を連続的に斜め切断でき、さらにはより小さい角度での斜め切断を可能とするチョップド強化繊維糸条の製造装置およびその製造方法を提供するものである。

（１）回転ローターの外周面に任意の間隔をもって回転刃が配設された回転刃機構と、前記回転刃機構の外周と離間して設置された固定刃と、強化繊維糸条を供給する強化繊維供給機構を少なくとも有する強化繊維糸条切断装置において、
前記強化繊維糸条は前記回転刃と前記固定刃との空隙に向かって前記回転刃の延在方向と鋭角の角度となるように供給され、前記回転刃機構の回転により前記強化繊維糸条を順次切断することを特徴とする強化繊維糸条切断装置。
（２）回転刃の延在方向が、回転ローターの回転軸に対して５°〜３０°の角度を持つことを特徴とする、（１）に記載の強化繊維糸条切断装置。
（３）回転ローターの回転軸から前記回転ローターの外周面に向けて、任意の間隔をもって回転刃が配設された回転刃機構と、前記回転刃機構と離間して設置された固定刃と、強化繊維糸条を供給する強化繊維供給機構を少なくとも有する強化繊維糸条切断装置において、
前記強化繊維糸条は、前記回転刃と前記固定刃との空隙に向かって前記回転刃の延在方向と鋭角の角度となるように供給され、前記回転刃機構の回転により前記強化繊維糸条を順次切断することを特徴とする強化繊維糸条切断装置。
（４）前記回転刃機構の回転速度および前記強化繊維供給機構の強化繊維供給速度を、独立して調整可能な速度調整機構を備えることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の強化繊維糸条切断装置。
（５）前記強化繊維供給機構から供給される前記強化繊維糸条と、前記回転刃の延在方向とのなす角度を調整可能な角度調整機能を備えることを特徴とする（１）〜（４）いずれかに記載の強化繊維糸条切断装置。
（６）前記強化繊維供給機構は、気流で前記強化繊維糸条を供給することを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の強化繊維糸条切断装置。
（７）前記強化繊維糸条が炭素繊維であることを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載の強化繊維糸条切断装置。

本発明によれば、簡便な装置で、強化繊維糸条を連続的に斜め切断でき、さらにはより小さい角度での斜め切断を可能とするチョップド強化繊維糸条の製造装置およびその製造方法を提供することができる。

本発明で用いられるチョップド強化繊維糸条の製造装置の一例を示す斜視図である。 本発明で用いられるチョップド強化繊維糸条の連続切断装置を示す模式図である。 本発明で用いられるチョップド強化繊維糸条の製造装置の一例を示す斜視図である。 本発明で用いられるチョップド強化繊維糸条の製造装置の一例を示す斜視図である。

次に、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

＜装置全体＞
本発明に係るチョップド強化繊維糸条の製造に用いる製造装置を図１に示す。本発明で使用される製造装置は、回転ローター１の外周に回転刃２が備え付けられており、刃先の延在する方向が、回転方向に直交またはそれに近い角度となるよう配置されている。また、固定刃３が回転刃２に向かい合うように設置されており、強化繊維糸条４を繊維供給機構５から回転刃２と固定刃３との間に送り込むことにより、強化繊維糸条４を連続的に切断することができる。

二つのロール間に糸を挟みこんで引っ張りながら、ロール上に配置された刃によって糸の切断を行う一般的な回転式カッター方式では、ロールに対して斜めに糸を進入させようとしても、ロールで糸を引っ張ると糸道は常に最短距離をとろうとしてロールの回転軸に直角に進入しようとするため、安定して斜め方向の糸道を維持することができない。これに対し、本発明では繊維供給機構５と実際にカットする回転刃２と固定刃３とが独立しており、また回転刃２や固定刃３は糸を引き込む機構を有していないため、回転刃２や固定刃３に対して斜め方向に強化繊維糸条４を導入しても強化繊維糸条４自身は回転刃２や固定刃３から引き込まれる力を受けないため、斜め方向に糸道を安定して維持したまま連続したカットを行なうことができる。

ここで強化繊維糸条４と、回転刃２や固定刃３とが成す角度にしたがって、強化繊維糸条４が斜めにカットされることにより、平行四辺形状のチョップド強化繊維糸条６が連続的に切り出される。ここで、強化繊維糸条４の送り込み角度を変更することにより、斜めにカットする角度を任意にコントロールすることができる。

回転刃２は、回転ローター１の外周部分に任意の間隔をもって固定または一体化されていてもよいが、刃のメンテナンスの観点から、容易に着脱可能であることが好ましい。また回転刃２と固定刃３それぞれの固定角度は、互いが作用して強化繊維糸条４を切断する位置関係であれば、特に限定されるものではない。互いに角度を持たせて刃面が点接触するような配置にすることにより、応力集中により切れ味を良くすることや、強化繊維糸条４への接触方向に対し角度を持たせて設置することにより、なで斬りのような効果を得る等、さまざまな効果を得ることができる。

繊維供給機構５は、図１に示すようなエアの圧力を用いて糸を押し出す方法のほか、ロール（図示せず）によって押し出す方法等、さまざまな方法を採ることができる。特にエアにて押し出す方法については、ロール等への巻き付きや糸道内部でのつまりが発生せず、また安定した形状で強化繊維糸条４を送り込むことができ、カット後もエアの圧力で押し出すことができるため、チョップド強化繊維糸条６や糸くず等の詰まりや滞留が発生せず、チョップド強化繊維糸条６を分散させやすくする等のメリットが大きい。また、強化繊維糸条４をロールによって押し出し、押し出された強化繊維糸条４を更にエジェクターで吸引してから下流の切断刃の方に押し出す方法もある。この方法は、ロールの回転速度によって強化繊維糸条４の送り出し速度を正確にコントロールできる上、前述したエア押し出しによる利点も得ることができることから、特に好ましい形態といえる。

図２は本装置を用いた強化繊維糸条４の連続切断方法を示す模式図である。送り込まれた強化繊維糸条４が回転する回転刃２と固定刃３とにより連続してカットされる。生成されたチョップド強化繊維糸条６は、回転ローター１の内側を通過する。回転刃２の配置、枚数については特に限定されるものではないが、回転のバランス上、回転刃２は等角度にて円周方向に均等に配置されていることが望ましい。

平行四辺形状のチョップド強化繊維糸条６は、繊維供給機構５の供給速度を速くすることで繊維長は長くなる。一方、回転刃２の回転速度が大きくなるか、または回転刃２の枚数が多くなるにつれて繊維長は短くなる。このように、チョップド強化繊維糸条６の繊維長は任意にコントロールすることが可能である。特に、繊維供給機構５の供給速度、または回転刃２の回転速度は、運転途中においても変更することが容易であるため、一連の運転中に得られる繊維長を適宜変更させることも可能である。

回転ローター１の回転軸に対して、回転ローター１の外周が成す角度をθとすると、θが０°であれば回転ローター１の形状は円筒状となり、θが０°より大きく９０°未満であれば回転ローター１の形状は円錐状となる。

回転ローター１を円錐状とすると、供給される強化繊維糸条４と回転刃２または固定刃３とがなす角度を適切にコントロールすることができ、容易に連続的に斜めカットを行なうことができる。更にθの値を５°〜３０°付近とし、回転刃２が延在する方向と回転ローター１の回転軸とのなす角度θを５°〜３０°の範囲に構成するのがより好ましい。これは、平行四辺形状のチョップド強化繊維糸条６が最終的に強化繊維プラスチックとなった時に十分に高い力学特性を発揮させることができる理想的な強化繊維糸条４の切断角度が５°〜３０°であることによる。

前述した装置設計上の角度構成を満たすことで、強化繊維糸条４を供給する方向（繊維供給方向）を回転ローター１の回転軸の方向と一致させるかそれに近い角度にすることができる。特に強化繊維糸条４の供給をエアの流れを用いて押し込む場合、平行四辺形状のチョップド強化繊維糸条６を、回転ローター１の回転軸方向（図１の鉛直下方）に、回転ローター１の回転に起因する旋回流を伴ってスムーズに排出することができる。

また、このように回転ローター１の回転軸方向へのスムーズなチョップド強化繊維糸条６の排出ができる上に、装置自体をコンパクトに構成できるので、この装置を複数一列に配置することも容易にでき、均一な密度でチョップド強化繊維糸条６を散布する装置に発展させることも可能である。

なお、本発明において、角度θは０°より大きく９０°未満の範囲、つまり回転ローターが円錐状のものに限定されるものではなく、図３に例示するように、θが０°で回転ローター１１が円筒状のものや、図４に例示するように、θが９０°で回転ローター１２が円盤状のもので、回転刃２２が回転ローター１２の回転軸から回転ローター１２の外周面に向けて、任意の間隔で配設されたものも含まれる。これらの態様では、円筒状や円盤状という比較的シンプルな形態で回転ローターを設計できるというメリットがある。なお、このような装置の場合には、強化繊維糸条４１、４２を供給する角度を、ローターの回転軸心に対して適正に傾ける必要がある。

１：回転ローター
２：回転刃
３：固定刃
４：強化繊維糸条
５：繊維供給機構
６：平行四辺形状のチョップド強化繊維糸条
θ：ローター側面とローター回転軸とが成す角度（°）
１１：回転ローター
２１：回転刃
３１：固定刃
４１：強化繊維糸条
５１：繊維供給機構
６１：平行四辺形状のチョップド強化繊維糸条
１２：回転ローター
２２：回転刃
３２：固定刃
４２：強化繊維糸条
５２：繊維供給機構
６２：平行四辺形状のチョップド強化繊維糸条

Claims (7)

1. 回転ローターの外周面に任意の間隔をもって回転刃が配設された回転刃機構と、前記回転刃機構の外周と離間して設置された固定刃と、強化繊維糸条を供給する強化繊維供給機構を少なくとも有する強化繊維糸条切断装置において、
   前記強化繊維糸条は、前記回転刃と前記固定刃との空隙に向かって前記回転刃の延在方向と鋭角の角度となるように供給され、前記回転刃機構の回転により前記強化繊維糸条を順次切断することを特徴とする強化繊維糸条切断装置。
2. 前記回転刃の延在方向が、前記回転ローターの回転軸に対して５°〜３０°の角度を持つことを特徴とする、請求項１記載の強化繊維糸条切断装置。
3. 回転ローターの回転軸から前記回転ローターの外周面に向けて、任意の間隔をもって回転刃が配設された回転刃機構と、前記回転刃機構と離間して設置された固定刃と、強化繊維糸条を供給する強化繊維供給機構を少なくとも有する強化繊維糸条切断装置において、
   前記強化繊維糸条は、前記回転刃と前記固定刃との空隙に向かって前記回転刃の延在方向と鋭角の角度となるように供給され、前記回転刃機構の回転により前記強化繊維糸条を順次切断することを特徴とする強化繊維糸条切断装置。
4. 前記回転刃機構の回転速度および前記強化繊維供給機構の強化繊維供給速度を、独立して調整可能な速度調整機構を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の強化繊維糸条切断装置。
5. 前記強化繊維供給機構から供給される前記強化繊維糸条と、前記回転刃の延在方向とのなす角度を調整可能な角度調整機能を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の強化繊維糸条切断装置。
6. 前記強化繊維供給機構は、気流で前記強化繊維糸条を供給することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の強化繊維糸条切断装置。
7. 前記強化繊維糸条が炭素繊維であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の強化繊維糸条切断装置。