JP2022155543A - 接合部のある強化繊維プリプレグテープおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＡＦＰプロセス中の接合部剥離を低減する、ロール追従性の高いテープ接合部を持つ強化繊維プリプレグテープを提供する。【解決手段】一方向に配向させた連続強化繊維に樹脂をマトリクスとして含浸させた強化繊維プリプレグテープ片の端部同士を前記配向方向に沿って接合させた接合部を有する強化繊維プリプレグテープであって、少なくとも１つの前記接合部がシングルラップ接合部であるとともに、前記接合部を構成する前記強化繊維プリプレグテープ片の端部のうち、少なくとも一方の前記端部を構成する連続強化繊維に切り込みが設けられていることを特徴とする強化繊維プリプレグテープである。【選択図】図１

Description

本発明は、強化繊維より構成される強化繊維プリプレグテープおよびその製造方法に関する。

炭素繊維やアラミド繊維、ガラス繊維等を強化繊維として用いた強化繊維プリプレグテープは、その高い比強度・比弾性率を生かして、航空機や自動車等の構造材料、スポーツ用品あるいは一般産業用途の素材として利用されている。特に航空機産業においては燃料節約及び操業コストの削減を目的に、幅広く利用されている。

これらの航空機部材を製造するにあたり、ＡＦＰ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｆｉｂｅｒ Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ）技術が活用されている。ＡＦＰとは、繊維と樹脂からなる細幅のテープを適切な場所に自動で配置し、積層する技術である。

一般的に、ＡＦＰ技術に使用されるテープの製品形状は、装置への設置を簡便にする目的で、テープが紙管に巻かれた形の、巻取体の形状をとる。この巻取体は、一度の設置で長時間の積層を可能とするために、長距離のテープで構成され、
数キロメートルに及ぶことがある。この長さは、テープの材料である強化繊維プリプレグの製品長より長いため、複数回、テープを接合する必要がある。これら接合部は、単純なシングルラップであり、接合部を構成する２つのプリプレグテープの端部は矩形である。

一般的に、巻取体はＡＦＰ装置内のクリールと呼ばれる部分に設置され、巻取体から引き出されたテープは、ガイドロール等を経由して、配置されるべき型等に、搬送される。この搬送を円滑に行うため、一般的に、ＡＦＰ装置内におけるテープとの接触部は、テープ中の樹脂の粘度を上げることで、毛羽等の粘着を防ぐ目的で、冷却されている。（例えば、特許文献１）。特許文献１に開示された技術では、強化繊維プリプレグが収納された冷却室を内部に形成することで、装置との接触部における粘着を回避して、強化繊維プリプレグの搬送を円滑に行うことができる。

この冷却による樹脂粘度向上は、テープの剛性を上げることから、テープのガイドロールへの追従性が悪くなる。特に、テープが重ね合わされた接合部において、剛性が高くなり過ぎることから、ガイドロールに追従せずに接合部が剥離する現象が生じるおそれがあった。

ＡＦＰプロセス中に接合部が剥離した場合、プロセスを止めて再度テープを設置しなおす必要があり、手間やコストが増大する。

そこで、プリプレグテープ同士の粘着性で接合する方法に加えて、熱溶着による接合（例えば特許文献２）等、接着強度の向上が求められた。

しかし、特許文献２に開示された技術では、熱によるテープの化学特性への影響、製造装置への樹脂はみ出しに繋がり、生産性低下が懸念される。

特開２００８－３０２９６号公報 特開２０２０－１３２３６０号公報 特開２０１９－２０９４８６号公報

本発明の目的は、ＡＦＰプロセス中での剥離を低減する、ロール追従性の高いテープ接合部を持つ強化繊維プリプレグテープを効率よく提供することにある。

上記課題を達成するための手段は、具体的に以下のとおりである。
［１］一方向に配向させた連続強化繊維に樹脂をマトリクスとして含浸させた強化繊維プリプレグテープ片の端部同士を前記配向方向に沿って接合させた接合部を有する強化繊維プリプレグテープであって、少なくとも１つの前記接合部がシングルラップ接合部であるとともに、前記接合部を構成する前記強化繊維プリプレグテープ片の端部のうち、少なくとも一方の前記端部を構成する連続強化繊維に切り込みが設けられていることを特徴とする強化繊維プリプレグテープ。
［２］前記切り込み深さが、前記強化繊維プリプレグテープ片の表面から厚み方向に該前記強化繊維プリプレグテープ片厚さの１０～１００％である［１］に記載の強化繊維プリプレグテープ。
［３］一方向に配向させた連続強化繊維に樹脂をマトリクスとして含浸させた強化繊維プリプレグテープ片の端部同士を前記配向方向に沿って接合させた接合部を有する強化繊維プリプレグテープの製造方法であって、接合工程として、前記強化繊維プリプレグテープ片の端部同士を圧着させると同時に、少なくとも一方の前記端部を構成する連続強化繊維に切り込みを設けることを特徴とする強化繊維プリプレグテープの製造方法。

本発明によれば、簡便な技術を用いつつ、ＡＦＰプロセス中の接合部破断を低減する、ロール追従性の高いテープ接合部を持つ強化繊維プリプレグテープを提供することができる。

本発明の一実施態様に係る、シングルラップ接合部を構成する少なくとも片方の端部の先端領域の強化繊維に切り込みが入っているプリプレグ片の概略図であり、（ａ）切り込みと強化繊維のなす角度の絶対値がθ＝４５°で切り込まれた強化繊維プリプレグの接合部、（ｂ）切り込みと強化繊維のなす角度の絶対値がθ＝４５°、－４５°で切り込まれた強化繊維プリプレグの接合部をそれぞれ表す斜視図である。 ＡＦＰパスライン上のシングルラップ接合部を構成するプリプレグ片の斜視図である。 本発明の一実施態様に係る、シングルラップ接合部を構成する少なくとも片方の端部の先端領域の繊維に切り込みが入っているプリプレグ片の側面の概略図であり、（ａ）繊維への切り込み深さが表面から厚み１００％分の強化繊維プリプレグの接合部、（ｂ）繊維への切り込み深さが表面から厚み５０％分の強化繊維プリプレグの接合部をそれぞれ表す側面図である。 本発明の一実施態様に係る、強化繊維プリプレグテープのシングルラップ接合部の製造装置を用いた強化繊維プリプレグテープの製造方法を示す模式図であり、（ａ）接合前、（ｂ）接合後をそれぞれ示す側面図である。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施態様は、あくまで本発明の望ましい実施の形態の例示であって、本発明は、これら実施態様に限定されるものではない。

本発明は、一方向に配向させた連続強化繊維に樹脂をマトリクスとして含浸させた強化繊維プリプレグテープ片の端部同士を配向方向に沿って接合させた接合部を有する強化繊維プリプレグテープであって、接合部がシングルラップ接合部であって、接合部を構成する強化繊維プリプレグテープ片の端部のうち、少なくとも一方の前記端部を構成する連続強化繊維に切り込みが設けられている強化繊維プリプレグテープである。

図１に示した強化繊維プリプレグテープ片１は、一方向に配向させた連続強化繊維とマトリックス樹脂により構成されている。強化繊維プリプレグテープ片１は、ＡＦＰ装置に導入できる幅であることが必要であり、例えば、３８．１ｍｍ（１．５インチ）幅、２５．４ｍｍ（１インチ）幅、１２．７ｍｍ（１／２インチ）幅、６．３５ｍｍ（１／４インチ）幅、３．１７５ｍｍ（１／８インチ）幅、が例示できる。奥行き方向には、ある程度の長さが必要であり、スプールやリール形状に巻かれていてもよい。一方向に配向させた連続強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ケブラー繊維等を用いることが好ましい。マトリックス樹脂としては特に限定されず、熱硬化樹脂、熱可塑樹脂どちらでもよい。

シングルラップ接合部１２は、強化繊維プリプレグテープ片１の端部同士を、連続強化繊維の配向方向にシングルラップ接合部長さの距離だけ沿わせ、シングルラップ形式で重ね合わせた構造である。この接合は、適切な温度と圧力と時間をかけて圧着することで、強化繊維プリプレグテープ片１の未硬化樹脂が溶着される。圧着の方法としては、面プレスや、ロール加圧などが例示できるが、これに限定されない。

シングルラップ接合部長さは、接合部が適切な強度を持つような長さであればよく、所望の張力に耐えることができる長さであればよい。

切り込み形状は強化繊維が均等な長さで分断されていればよく、切り込み１３の角度、間隔、長さ等はＡＦＰ工程通過性や切り込み加工等の前提条件によって選択される。図２にパスライン上のプリプレグテープを示す。

例えば、強化繊維と切り込みのなす角度の絶対値θは１０～８０°が好ましい。なお、以下では強化繊維と切り込みのなす角度の絶対値θを単に切り込み角度やθと記載することもある。θが小さい方がＡＦＰ時のプリプレグテープがガイドロールに接触する際に、突っ張りの起点となる繊維の切れ込み部１３と、接合部端の接合線１３１の交点１３１１を分散できるため、ＡＦＰ張力に対して接合部が剥離しにくい。θが小さすぎると、切り込み加工する際のカット不良が発生しやすくなる。また、繊維の突っ張りを分散させるために切り込み角度θが複数パターンあるとよい。切り込み間隔については、小さい程突っ張りによる剛性が解消されやすくなるが、小さ過ぎると切り込み加工時のカット不良やＡＦＰ時の繊維破断に繋がるため、汎用的には１０ｍｍ以上の間隔があればよい。

特許文献３で賦形性や伸張性を向上させるために切り込みを設けたプリプレグテープに関する技術が開示されているが、接合部を想定したものでなく、切り込み深さが適正でないため、プリプレグテープ自体の引張強度が低下する可能性がある。

図３にシングルラップ接合部の側面を示す。強化繊維への切り込み深さは、強化繊維プリプレグテープ片の表面から厚み方向に該前記強化繊維プリプレグテープ片厚さの１０～１００％であることが好ましい。深さを決める要因としては、強化繊維の引張強度、ＡＦＰのパスライン張力、パスラインの抱き角、等が挙げられ、これらの要因に応じて選択することができる。一般的には強化繊維プリプレグテープ片の表面から厚み１０％分以上が好ましい。ＡＦＰの張力等の前提条件によっては厚みの５０％分程度に調節してもよい。繊維引張強度、ＡＦＰ条件等の前提条件に対して切り込みが浅い場合、接合後の接合部の繊維の突っ張りによる剛性が高すぎて、ガイドロールに追従せずに、装置内の糸道において接合部が剥離するおそれがある。また、逆に切り込みが深すぎると、接合面が剥離する前に、プリプレグテープ自体が破断してしまうおそれがある。

また、本発明は、一方向に配向させた連続強化繊維に樹脂をマトリクスとして含浸させた強化繊維プリプレグテープ片の端部同士を前記配向方向に沿って接合させた接合部を有する強化繊維プリプレグテープの製造方法であって、前記強化繊維プリプレグテープ片の端部同士を圧着させる圧着させる工程、および強化繊維に切り込みを設ける工程を有する。切り込みを設ける工程のタイミングについて特に限定されないが、圧着と同時であることが生産性効率の観点から望ましい。切り込みを設ける工程が圧着させる工程の前になる場合、圧着力によっては接合部の強度が耐え切れずに崩壊する可能性がある。また、圧着させる工程が切り込みを設ける工程の前になる場合、切り込み刃が接合部に接触する際に剥離する可能性がある。

切り込み深さは切り込み刃の出し代により調節できることを特徴とする。本発明では切り込みを設ける工程および圧着させる工程について図４に示す製造装置を用いて、強化繊維プリプレグテープ片の端部を重ねておき、先端に切り込み刃を備え付けた圧着部２で上下から挟み込んで圧着させることができる。このとき、繊維の切り込み不良改善、および切り込み刃の耐久性維持のために、刃物角が４５°以下となる金属治具を切り込み刃２１として使用してもよい。

以下実施例によって、本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらによって何ら限定されるものではない。また、各例で使用した材料及び、各種測定及び評価方法を以下に示す。

［材料］
（プリプレグ）
東レ株式会社製プリプレグ“Ｔ８００Ｈ／３９００－２”の細幅テープ（６．３５ｍｍ幅）を用意した。このプリプレグのＣＦ目付けは１９０ｇ／ｍ^２、樹脂含有率３５．５重量％である。炭素繊維Ｔ８００Ｈ－１２Ｋの平均単糸径は５μｍ、引張り強度は５４９０ＭＰａであった。ただし、この材料は、あくまで本発明の望ましい実施の形態の例示であって、本発明はこれら材料に限定されるものではない。

［サンプル作製方法］
（圧着させる工程）
後述する実施例１、実施例２、及び比較例１について、前記細幅テープのプリプレグを材料に、それぞれの端部形状をもつ２枚のテープを作製後、それらの端部を重ね合わせ、接着面積が２２２．２５ｍｍ^２になるように調整した後、環境温度４０℃において圧着（荷重７０Ｎ、速度５０ｍｍ／ｍｉｎ）し、接合部を作製した。

（切り込みを設ける工程）
図１のように、強化繊維方向に対して一定の角度に配向した切り込み刃を設けた圧着部により、圧着と同時に切り込みを設けた。

［測定・評価方法］
（接合部の引張強度評価）
後述する実施例および比較例について、環境温度２０℃において、所定のプリプレグテープを、強化繊維の配向方向を０°として０°方向に切り出し、長さ１５０±１ｍｍ、幅５０±１ｍｍのサイズで切り出した後、標点間距離を１００ｍｍとし、引張ジグの両端２箇所を、トルクレンチを用いて０．３Ｎ・ｍにてねじ止めした。これを６０度の温度条件にて、目視にて切り込みプリプレグにしわやたるみがなく、かつ初期荷重が実質的に０Ｎであることを確認後、クロスヘッド速度１．０ｍｍ／分で引張り、１分後の荷重を測定した。なお、本実施例においては、試験機として１００Ｎロードセルを取り付けた（株）島津製作所製卓上試験機 “オートグラフ ＡＧ－Ｘｐｌｕｓ（登録商標）”を用いた。測定した試験片の数はｎ＝５とし、平均値を引張破断荷重とした。なお、面内せん断特性評価試験の結果は、表１においては「引張破断荷重（Ｎ）」の欄に記した。引張破断荷重３０Ｎ以上であれば〇と評価した。

（接合部のロール追従性評価）
後述する実施例及び比較例について、環境温度２０℃において、張力２４．９Ｎをかけた状態で、直径２５．４ｍｍ（１インチ）の自由回転するロール上を、接合部が周方向に１８０°搬送した後、逆方向に同距離移動させ、元の状態に戻すという動作を１往復と定義した。接合部が剥離するまで、この動作を続け、剥離時の往復回数を測定するという動作を１試験と定義した。それぞれ３試験実施し、剥離時の往復回数の平均値を算出した。

剥離時の往復回数の平均値が３を超えたものを〇と評価した。

［実施例１］
実施例１として、切り込み深さがプリプレグ厚み１００％分で図１（ｂ）のパターンで切込間隔１２ｍｍ、切り込みと強化繊維のなす角度の絶対値θが１０°となるような切り込み刃を備え付けた圧着部により接着した強化繊維プリプレグテープを使用した。接合部の引張破断荷重は４５Ｎで、接合部のロール追従性評価を３試験実施したときの、剥離時の往復回数の平均値は５であった。評価は〇であった。

［実施例２］
実施例２として、基本的には実施例１と同様に設定し、切り込み深さがプリプレグ厚み５０％分で図１（ｂ）のパターンの切り込み刃を備え付けた圧着部で接着した強化繊維プリプレグテープを使用した。結果を表１に示す。ル追従性評価を３試験実施したときの、剥離時の往復回数の平均値が４回に減少したものの、接合部の引張破断荷重は４９Ｎに向上した。

［実施例３］
実施例３として、基本的には実施例１と同様に設定し、切り込み角度が切り込みと強化繊維のなす角度の絶対値θが９０°となるように切り込みを設けた。接合部の引張破断荷重は３５Ｎと低下したものの、〇であった。

［実施例４］
実施例４として、基本的には実施例１と同様の切り込みを設けた後にプリプレグテープを繊維方向に切込幅を１ｍｍになるまで延伸させた後、評価した結果、強化繊維の配向方向接合部の引張破断荷重は３０Ｎと低下したものの、〇であった。

［比較例１］
比較例１は、切り込みなしで圧着した以外は実施例１と同様の強化繊維プリプレグテープを使用して評価を行った。

接合部のロール追従性評価を３試験実施したときの、剥離時の往復回数の平均値は１．０であった。評価は×であった。

表１に実施例１、実施例２、および比較例１について、評価結果を示す。

本発明に係る、端部形状変化強化繊維プリプレグにより、ＡＦＰの搬送工程が容易になり、航空機産業や自動車産業に用いられているＡＦＰ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｆｉｂｅｒ Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ）に適用できる。

１ 強化繊維プリプレグテープ片
１１ 切り込み部
１２ シングルラップ接合部
１３ 切り込み
１３１ 接合部端の接合線
１３１１ 切り込み部と接合部端の接合線の交点
２ 圧着部
２１ 切り込み刃

Claims (5)

1. 一方向に配向させた連続強化繊維に樹脂をマトリクスとして含浸させた強化繊維プリプレグテープ片の端部同士を前記配向方向に沿って接合させた接合部を有する強化繊維プリプレグテープであって、少なくとも１つの前記接合部がシングルラップ接合部であるとともに、前記接合部を構成する前記強化繊維プリプレグテープ片の端部のうち、少なくとも一方の前記端部を構成する連続強化繊維に切り込みが設けられていることを特徴とする強化繊維プリプレグテープ。
2. 前記切り込み深さが、前記強化繊維プリプレグテープ片の表面から厚み方向に該前記強化繊維プリプレグテープ片厚さの１０～１００％である請求項１に記載の強化繊維プリプレグテープ。
3. 前記切り込みと強化繊維のなす角度の絶対値θが１０～８０°である、請求項１または２に記載の強化繊維プリプレグテープ。
4. 一方向に配向させた連続強化繊維に樹脂をマトリクスとして含浸させた強化繊維プリプレグテープ片の端部同士を前記配向方向に沿って接合させた接合部を有する強化繊維プリプレグテープの製造方法であって、少なくとも一方の前記端部を構成する連続強化繊維に切り込みを設ける工程、および前記強化繊維プリプレグテープ片の端部同士を圧着させる工程を有する強化繊維プリプレグテープの製造方法。
5. 一方向に配向させた連続強化繊維に樹脂をマトリクスとして含浸させた強化繊維プリプレグテープ片の端部同士を前記配向方向に沿って接合させた接合部を有する強化繊維プリプレグテープの製造方法であって、前記強化繊維プリプレグテープ片の端部同士を圧着させると同時に、少なくとも一方の前記端部を構成する連続強化繊維に切り込みを設けることを特徴とする強化繊維プリプレグテープの製造方法。

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