JP2020186511A - 炭素繊維束の分繊方法およびシートモールディングコンパウンドの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2015年7月7日に日本に出願された特願2015−136084号、及び2016年4月11日に日本に出願された特願2016−078937号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
〔1〕 裁断した繊維束のフィラメント間に樹脂を含浸させたシート状の繊維強化樹脂成形材料の製造方法であって、
下式(1)の条件を満たすように、連続する繊維束を長手方向において断続的に分繊し、長手方向に間隔を空けて裁断して前記の裁断した繊維束を得る、繊維強化樹脂成形材料の製造方法。
1≦a/L ・・・(1)
(ただし、前記式(1)中、aは前記の連続する繊維束における分繊部分の長さであり、Lは前記繊維束の長手方向における裁断される間隔である。)
〔2〕 さらに、下式(2)の条件を満たすように前記分繊及び前記裁断を行う、〔1〕に記載の繊維強化樹脂成形材料の製造方法。
a/L≦10 ・・・(2)
〔3〕 裁断した繊維束のフィラメント間に樹脂を含浸させたシート状の繊維強化樹脂成形材料の製造方法であって、
下式(3)の条件を満たすように、連続する繊維束を長手方向において断続的に分繊し、長手方向に間隔を空けて裁断して前記の裁断した繊維束を得る、繊維強化樹脂成形材料の製造方法。
0.9≦a/(a+b)<1 ・・・(3)
(ただし、前記式(3)中、aは前記の連続する繊維束における分繊部分の長さであり、bは前記の連続する繊維束における断続的な分繊部分間に存在する未分繊部分の長さである。)
〔4〕 前記樹脂が熱硬化性樹脂である、〔1〕〜〔3〕のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料の製造方法。
〔5〕 前記の断続的な分繊を、前記の連続する繊維束に刃物を間欠的に突き刺すことによって行う、〔1〕〜〔4〕のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料の製造方法。
〔6〕 前記の連続する繊維束の幅方向に所定の間隔で並ぶ連なった複数の刃物を、前記の連続する繊維束に間欠的に突き刺して、分繊された複数の繊維束の各間を部分的に未分繊の状態とする、〔1〕〜〔5〕のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料の製造方法。
〔7〕 所定の方向に搬送される第1のシートの上に樹脂を含むペーストを塗工するステップと、
連続する繊維束を複数の繊維束に分繊するステップと、
前記分繊された繊維束を裁断機で裁断して、前記ペーストの上に散布するステップと、
前記繊維束が散布された第1のシートの上に、前記ペーストが塗工された第2のシートを重ね合わせた後、前記第1のシートと前記第2のシートとの間に挟み込まれた前記ペースト及び前記繊維束を加圧することによって、前記繊維束のフィラメント間に樹脂を含浸させるステップと、を含む、〔1〕〜〔6〕のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料の製造方法。
〔8〕 前記の連続する繊維束を複数の繊維束に分繊するステップにおいて、連続する繊維束の幅方向に所定の間隔で並ぶ、連なった複数の刃物が周方向に並んで配置された複数の回転刃を用いて、前記回転刃を回転させながら、前記の連続する繊維束に前記の複数の刃物を間欠的に突き刺す、〔7〕に記載の繊維強化樹脂成形材料の製造方法。
〔9〕 前記の連続する繊維束を複数の繊維束に分繊するステップにおいて、前記の複数の刃物が前記繊維束の搬送方向と同一方向に並んで配置された鋸刃を用いて、前記鋸刃を上下方向に揺動させながら、前記の連続する繊維束に前記の複数の刃物を間欠的に突き刺す、〔7〕に記載の繊維強化樹脂成形材料の製造方法。
〔10〕 前記の連続する繊維束を複数の繊維束に分繊するステップにおいて、前記連続する繊維束を厚み方向に重ね合わせた状態で、複数の繊維束に分繊する、〔7〕〜〔9〕のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料の製造方法。
〔11〕 前記の連続する繊維束を幅方向に開繊した後に、前記の連続する繊維束を複数の繊維束に分繊するステップにおいて、開繊された繊維束を複数の繊維束に分繊する、〔7〕〜〔10〕のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料の製造方法。
〔12〕 裁断した繊維束のフィラメント間に樹脂を含浸させたシート状の繊維強化樹脂成形材料を製造する繊維強化樹脂成形材料の製造装置であって、
連続する繊維束を複数の繊維束に分繊する分繊部と、分繊された繊維束を裁断機で裁断する裁断部と、を含み、
前記分繊部は、前記の連続する繊維束に刃物を間欠的に突き刺すことによって、分繊された複数の繊維束の各間を部分的に未分繊の状態とする、繊維強化樹脂成形材料の製造装置。
〔13〕 前記刃物が、前記連続する繊維束の幅方向に所定の間隔で並ぶ連なった複数の刃物である、〔12〕に記載の繊維強化樹脂成形材料の製造装置。
〔14〕 所定の方向に搬送される第1のシートの上に樹脂を含むペーストを塗工する塗工部と、
前記分繊部と、
分繊された繊維束を裁断機で裁断して、前記ペーストの上に散布する裁断部と、
前記繊維束が散布された第1のシートの上に、前記ペーストが塗工された第2のシートを重ね合わせた後、前記第1のシートと前記第2のシートとの間に挟み込まれた前記ペースト及び前記繊維束を加圧することによって、前記繊維束のフィラメント間に樹脂を含浸させる含浸部とを含む、〔12〕又は〔13〕に記載の繊維強化樹脂成形材料の製造装置。
〔15〕 前記分繊部が、複数の刃物が周方向に並んで配置された回転刃を備え、前記回転刃を回転させながら、前記の連続する繊維束に前記の複数の刃物を間欠的に突き刺すものである、〔12〕〜〔14〕のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料の製造装置。
〔16〕 前記分繊部が、複数の刃物が前記繊維束の搬送方向と同一方向に並んで配置された鋸刃を備え、前記鋸刃を上下方向に揺動させながら、前記の連続する繊維束に前記の複数の刃物を間欠的に突き刺すものである、〔12〕〜〔14〕のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料の製造装置。
〔17〕 前記刃物を挟んだ搬送方向の両側に配置された一対のガイド部材を備え、前記一対のガイド部材の間で搬送される前記の連続する繊維束に対して、前記一対のガイド部材が配置された側とは反対側から前記刃物を突き刺す、請求項〔12〕〜〔16〕のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料の製造装置。
〔18〕 前記幅方向に並ぶ前記の複数の刃物の各間に配置されたスペーサ部材を備え、前記の連続する繊維束に前記スペーサ部材が接する位置まで前記の複数の刃物を突き刺す、〔13〕〜〔17〕のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料の製造装置。
なお、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
本発明の繊維強化樹脂成形材料の製造方法は、裁断した繊維束のフィラメント間に樹脂を含浸させたシート状の繊維強化樹脂成形材料の製造方法であり、SMCやスタンパブルシート等の製造に適用できるものである。
1≦a/L ・・・(1)
ただし、前記式(1)中、aは前記の連続する繊維束における分繊部分の長さであり、Lは前記繊維束の長手方向における裁断される間隔である。
a/L≦10 ・・・(2)
a/Lの値が10以下であれば、分繊する繊維束内のフィラメントに斜行や蛇行が存在する場合であっても、切断された繊維束への毛羽発生や、この毛羽による工程のトラブルを低減させやすい傾向にある。a/Lは、8以下が好ましく、5以下がより好ましい。
0.9≦a/(a+b)<1 ・・・(3)
ただし、前記式(3)中、aは前記の連続する繊維束における分繊部分の長さであり、bは前記の連続する繊維束における断続的な分繊部分間に存在する未分繊部分の長さである。
分繊した繊維束を安定した状態で裁断機まで供給するためには、a/(a+b)の値は、0.99以下が好ましく、0.98以下がより好ましい。
なお、切っ先の角度とは、刃物の平面部分を正面から見たときの刃物の先端角度を意味する。また、刃先角とは、刃物の側面部分(厚み方向の面)を正面から見たときの刃物の先端角度を意味する。
塗工ステップ:所定の方向に搬送される第1のシートの上に樹脂を含むペーストを塗工する。
分繊ステップ:連続する繊維束を複数の繊維束に分繊する。
裁断ステップ:前記分繊された繊維束を裁断機で裁断して、前記ペーストの上に散布する。
含浸ステップ:前記繊維束が散布された第1のシートの上に、前記ペーストが塗工された第2のシートを重ね合わせた後、前記第1のシートと前記第2のシートとの間に挟み込まれた前記ペースト及び前記繊維束を加圧することによって、前記繊維束のフィラメント間に樹脂を含浸させる。
また、連続する繊維束を幅方向に開繊した後に、分繊ステップにおいては開繊された繊維束を複数の繊維束に分繊することが好ましい。すなわち、分繊ステップの前に連続する繊維束を幅方向に開繊する開繊ステップをさらに有することが好ましい。
以下、本発明の一実施形態に係る繊維強化樹脂成形材料の製造装置として、例えば図1及び図2に示すSMC製造装置について具体的に説明する。本実施形態のSMC製造装置は、カーボン(炭素)繊維からなる繊維束と、不飽和ポリエステル樹脂からなる熱硬化性樹脂とを含み、裁断した繊維束のフィラメント間に熱硬化性樹脂を含浸させたシート状のSMC(Sheet Molding Compound)を製造する装置である。なお、繊維束としては、カーボン繊維の他にも、ガラス繊維等の強化繊維を用いることができる。樹脂としては、熱硬化性樹脂の他にも、熱可塑性樹脂を用いることができる。
繊維束供給部10では、先ず、図1中の+X軸方向(水平方向の右側)に向けてボビンBから引き出されたラージトウの繊維束CFが幅方向に開繊される。具体的には、繊維束CFが開繊部である複数の開繊バー17を通過する間に、各開繊バー17で加熱、擦過、揺動等の手段により繊維束CFが幅方向に拡幅される。
以下、本発明の一実施形態に係る繊維強化樹脂成形材料の製造方法として、上述したSMC製造装置を用いたSMCの製造方法について具体的に説明する。
次いで、開繊ステップにおいて、複数の開繊バー17の間に繊維束CFを通過させ、繊維束CFを幅方向に拡幅する。
具体的に、上記繊維束供給部10では、上記複数の回転刃18の代わりに、例えば図4A及び図4Bに示すような複数の鋸刃38を用いてもよい。なお、図4Aは、図1に示すSMC製造装置が備える繊維束供給部の別の構成例を示した側面図であり、図4Bはその分繊部を搬送方向から見た正面図である。
本発明の繊維強化樹脂成形材料の製造装置は、開繊部を備えないものであってもよい。
上記図1及び図2に示すSMC製造装置を用いてSMCを製造した。
分繊部には、4枚の回転刃18を備えるものを用いた。それぞれの回転刃18には、6個の刃物18aが周方向に連なって並んで配置されたものを用いた。それぞれの刃物18aは、繊維束CFに接触する部分の最大厚みが1mm、刃物の繊維束に接触する部分の最大幅が1mm、刃物の幅方向の先端部の角度(切っ先の角度)が64°、刃物の厚さ方向の刃角度(刃先角)が30°の略三角形の形状とした。各回転刃18の間においては、複数の刃物18aの周方向における位置を互いに一致させた。各回転刃18の間には、スペーサ部材18bを配置し、スペーサ部材18bの幅は2.2mmとした。
開繊バー17では繊維束CFを幅15mmに拡幅した。分繊時の繊維束CFの搬送速度は40m/minとした。4枚の回転刃18による分繊により、開繊後の繊維束CFに、長さ28.3mmの分繊部分と長さ0.5mmの未分繊部分とを、繊維束CFの長手方向に交互に連続するように、かつ繊維束CFの幅方向において3mm間隔で4列形成させた。裁断機13Aによる裁断は、分繊された繊維束CFの長手方向において25.4mm間隔で行った。裁断した繊維束CFは、第1のシートS1上に塗工したペーストP上に散布した。a/Lは1.11であり、a/(a+b)は0.98であった。
図1及び図2に示すSMC製造装置を用いてSMCを製造した。
分繊部には、1枚の回転刃18を備えるものを用いた。それぞれの刃物18aは、繊維束CFに接触する部分の最大厚みが0.5mm、刃物の繊維束に接触する部分の最大幅が0.5mm、刃物の幅方向の先端部の角度(切っ先の角度)が64°、刃物の厚さ方向の刃角度(刃先角)が30°の略三角形の形状とした。各回転刃18の間においては、複数の刃物18aの周方向における位置を互いに一致させた。各回転刃18の間には、スペーサ部材18bを配置し、スペーサ部材18bの幅は24.5mmとした。
繊維束CFとしては、炭素繊維束(三菱レイヨン社製、製品名:TRW40 50L、繊維数:50000本)を用いた。ペーストPとしては、ビニルエステル樹脂を用いた。
開繊バー17では繊維束CFを幅25mmに拡幅した。分繊時の繊維束CFの搬送速度は40m/minとした。4枚の回転刃18による分繊により、開繊後の繊維束CFに、長さ28.3mmの分繊部分と長さ0.6mmの未分繊部分を形成させた。裁断機13Aによる裁断は、分繊された繊維束CFの長手方向において25.4mm間隔で行った。裁断した繊維束CFは、第1のシートS1上に塗工したペーストP上に散布した。a/Lは1.11であり、a/(a+b)は0.98であった。
実施例1と同様の装置を使用して、炭素繊維束(三菱レイヨン社製、製品名:TR50S15L、繊維数:15000本)を用いた。開繊バー17では繊維束CFを幅15mmに拡幅した。分繊時の繊維束CFの搬送速度は40m/minとした。4枚の回転刃18による分繊により、開繊後の繊維束CFに、長さ20.4mmの分繊部分と長さ1mmの未分繊部分とを、繊維束CFの長手方向に交互に連続するように、かつ繊維束CFの幅方向において3mm間隔で4列形成させた。裁断機13Aによる裁断は、分繊された繊維束CFの長手方向において25.4mm間隔で行った。裁断した繊維束CFは、第1のシートS1上に塗工したペーストP上に散布した。a/Lは0.8であり、a/(a+b)は0.95であった。
このSMCの製造においては、分繊後の繊維束CFは、その一部がロール等に巻き付いてしまうことなく、安定して裁断部13に供給された。裁断された繊維束CFには、未分繊部分を有するものが一部存在したが、ペーストP上への繊維束CFの分散性に影響を与えるレベルではなかった。製造されたSMCの品質は、繊維数の少ない炭素繊維束CF(繊維数:3000本)を用い、分繊ステップなしで得られる同サイズのチョップド炭素繊維束を使用したSMCよりも、裁断後の繊維束が分割されないものがあり、強度が3割低下した結果であった。
実施例1と同様の装置を使用して、炭素繊維束(三菱レイヨン社製、製品名:TR50S15L、繊維数:15000本)を用いた。開繊バー17では繊維束CFを幅15mmに拡幅した。分繊時の繊維束CFの搬送速度は40m/minとした。4枚の回転刃18による分繊により、開繊後の繊維束CFに、長さ28.3mmの分繊部分と長さ3.5mmの未分繊部分とを、繊維束CFの長手方向に交互に連続するように、かつ繊維束CFの幅方向において3mm間隔で4列形成させた。裁断機13Aによる裁断は、分繊された繊維束CFの長手方向において25.4mm間隔で行った。裁断した繊維束CFは、第1のシートS1上に塗工したペーストP上に散布した。a/Lは1.11であり、a/(a+b)は0.89であった。
このSMCの製造においては、分繊後の繊維束CFは、その一部がロール等に巻き付いてしまうことなく、安定して裁断部13に供給された。裁断された繊維束CFには、未分繊部分を有するものが一部存在したが、ペーストP上への繊維束CFの分散性に影響を与えるレベルではなかった。製造されたSMCの品質は、繊維数の少ない炭素繊維束CF(繊維数:3000本)を用い、分繊ステップなしで得られる同サイズのチョップド炭素繊維束を使用したSMCよりも、裁断後の繊維束が分割されないものがあり、強度が3割低下した結果であった。
実施例1と同様の装置を使用して、炭素繊維束(三菱レイヨン社製、製品名:TR50S15L、繊維数:15000本)を用いた。 開繊バー17では繊維束CFを幅15mmに拡幅した。分繊時の繊維束CFの搬送速度は40m/minとした。4枚の回転刃18による分繊により、開繊後の繊維束CFに、長さ28.3mmの分繊部分と長さ0mmの未分繊部分とを、繊維束CFの長手方向に交互に連続するように、かつ繊維束CFの幅方向において3mm間隔で4列形成させた。裁断機13Aによる裁断は、分繊された繊維束CFの長手方向において25.4mm間隔で行った。裁断した繊維束CFは、第1のシートS1上に塗工したペーストP上に散布した。a/Lは1.11であり、a/(a+b)は1であった。
このSMCの製造においては、分繊後の繊維束CFは、その一部がロール等に巻き付いてしまい、製造することができなかった。
Claims (12)
- 走行する連続炭素繊維束の幅方向にスペーサ部材と交互に並べられた複数の刃物のそれぞれが、断続的に、かつ、該連続炭素繊維束に該スペーサ部材が接することになる深さまで、該連続炭素繊維束に突き刺される、炭素繊維束の分繊方法。
- 前記複数の刃物を挟む位置に配置された一対のガイド部材の間を走行する前記連続炭素繊維束に対して、該一対のガイド部材が配置された側とは反対側から、前記複数の刃物のそれぞれが突き刺される、請求項1に記載の分繊方法。
- 刃物を挟む位置に配置された一対のガイド部材の間を走行する連続炭素繊維束に対して、該一対のガイド部材が配置された側とは反対側から、断続的に該刃物が突き刺される、炭素繊維束の分繊方法。
- 前記連続炭素繊維束に、長手方向に交互に配置された分繊部分と未分繊部分とが下式(1’)の条件を充たすように形成される、請求項1〜3のいずれか一項に記載の分繊方法。
1≦a/25.4 ・・・(1’)
(ただし、前記式(1’)中、aは前記分繊部分の長さ(単位:mm)である。) - 前記連続炭素繊維束に、長手方向に交互に配置された分繊部分と未分繊部分とがさらに下式(2’)の条件を充たすように形成される、請求項4に記載の分繊方法。
a/25.4≦10 ・・・(2’)
(ただし、前記式(2’)中、aは前記分繊部分の長さ(単位:mm)である。) - 前記連続炭素繊維束に、長手方向に交互に配置された分繊部分と未分繊部分とがさらに下式(3)の条件を充たすように形成される、請求項4または5に記載の分繊方法。
0.9≦a/(a+b)<1 ・・・(3)
(ただし、前記式(3)中、aは前記分繊部分の長さ(単位:mm)であり、bは前記未分繊部分の長さ(単位:mm)である。) - 前記連続炭素繊維束に、長手方向に交互に配置された分繊部分と未分繊部分とが下式(3)の条件を充たすように形成される、請求項1〜3のいずれか一項に記載の分繊方法。
0.9≦a/(a+b)<1 ・・・(3)
(ただし、前記式(3)中、aは前記分繊部分の長さ(単位:mm)であり、bは前記未分繊部分の長さ(単位:mm)である。) - 請求項1〜3および7のいずれか一項に記載の分繊方法を用いて長手方向に交互に配置された分繊部分と未分繊部分が形成されるように連続炭素繊維束を分繊した後、該連続炭素繊維束を長手方向に間隔を空けて裁断することを含む、シートモールディングコンパウンドの製造方法。
- 請求項1〜3のいずれか一項に記載の分繊方法を用いて長手方向に交互に配置された分繊部分と未分繊部分が形成されるように連続炭素繊維束を分繊した後、該連続炭素繊維束を長手方向に間隔を空けて裁断することを含み、下式(1)の条件を充たす、シートモールディングコンパウンドの製造方法。
1≦a/L・・・(1)
(ただし、前記式(1)中、aは前記分繊部分の長さであり、Lは前記間隔である。) - さらに、下式(2)の条件を充たす、請求項9に記載の製造方法。
a/L≦10 ・・・(2) - さらに、下式(3)の条件を充たす、請求項9または10に記載の製造方法。
0.9≦a/(a+b)<1 ・・・(3)
(ただし、前記式(3)中、aは前記分繊部分の長さであり、bは前記未分繊部分の長さである。) - 請求項1〜3のいずれか一項に記載の分繊方法を用いて長手方向に交互に配置された分繊部分と未分繊部分が形成されるように連続炭素繊維束を分繊した後、該連続炭素繊維束を長手方向に間隔を空けて裁断することを含み、下式(3)の条件を充たす、シートモールディングコンパウンドの製造方法。
0.9≦a/(a+b)<1 ・・・(3)
(ただし、前記式(3)中、aは前記分繊部分の長さであり、bは前記未分繊部分の長さである。)
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