JP2969141B2 - 複数の熱可塑性樹脂含浸ヤーンを巻き取る装置と方法及びその製品 - Google Patents

複数の熱可塑性樹脂含浸ヤーンを巻き取る装置と方法及びその製品

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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、繊維強化樹脂製品の巻き取りに関し、そし
てさらに具体的には、現場固結製品を形成するために、
複数の熱可塑性樹脂含浸ヤーンを巻き取ることに関す
る。
従来の技術及び発明が解決しようとする問題点 単一の熱可塑性樹脂含浸ヤーンをマンドレルに巻き取
るための装置は公知である。しかし、この方法における
製品の製造は、含浸された唯一のヤーンが低速で巻き取
られるために、遅くかつ費用がかかる。スケールアップ
が試行されたが、高速での巻き取り中、巻き取り中に溶
融温度への樹脂の加熱が、案内へのポリマーのくっつ
き、帯の幅の制御不良、及びヤーンのけばだちを引き起
こしたために、複数のそのようなヤーンの制御は、支障
をきたした。これは、劣った機械的性質を与える破壊さ
れたフィラメント並びに受容できない操作性を招いた。
さらに、ポリマーを溶融させるために十分な熱を複数ヤ
ーンシステムにおいて獲得することができないために、
製品を後加熱処理しない限り、受容できないレベルの空
隙が製品に常に発生した。さらに、上述の問題点は、熱
可塑性樹脂含浸ヤーンから獲得することができる低コス
トの改良製品を最終使用者から奪ってきた。
問題点を解決するための手段 本発明により、現場固結された複合構造物（即ち、巻
き取りの後、固結処理する必要なしに、構造物の巻き取
り中構造物を固結する能力）が、マンドレルに同時に巻
き取られる複数の熱可塑性樹脂含浸ヤーンから作られ、
そのような複数のヤーンは、供給源から平坦な一様なテ
ープとしてフィラメント巻き取り機のトラバースキャリ
ッジに、ヤーンの最終引張強さの５％乃至50％の範囲に
おいて、制御された張力の下で送られる。それから、こ
のテープは、回転するマンドレルにおける所定の螺旋又
は測地線経路にて巻き取られる前に、予熱セクション、
加熱された案内、及び点接触加熱源を含むフィラメント
巻き取り機の「ヘッド」部分を通って移動する。
フィラメント巻き取り機のヘッドは、回転するマンド
レルの断面の変化を補償して内側および外側に移動する
ことのできるキャリッジ上の送り腕の端部に取り付けら
れる。赤外線（IR）帯状加熱器が、複数の含浸ヤーンを
予熱するためにヘッドに取り付けられ、そして溶融又は
処理温度の±10℃内に熱可塑性樹脂をもたらす長さと強
度に設計される。次に、予熱された含浸ヤーンは、溶融
温度よりも上の温度であるが熱可塑性樹脂の分解温度よ
りも下の温度に維持されそして巻き取られるヤーンの部
分の表面にできる限り接近して位置する加熱された案内
を横切って通過する。案内の加熱は、案内の表面におけ
るポリマーと繊維の堆積を防止するために重要であり、
そしてその位置は、含浸されたヤーンが巻き取り点に到
達するまで、含浸されたヤーンの温度を維持するために
重要である。
ヘッドの最前部には点接触加熱源が取り付けられる。
この点接触加熱源はヤーンの部分の表面温度を十分高く
維持し、マンドレルの誘導加熱と巻き取られたヤーンの
表面の直接加熱の助けによって、巻き取られる含浸され
たヤーンの巻き取り点において溶融した合せ面を確実な
ものにする。熱い空気、火炎、及びIR点接触加熱源が使
用できる。どの加熱源を使用するかの選択は、ヤーン、
熱可塑性樹脂、マンドレルのデザイン、及び運転速度に
依存する。
巻き取りプロセスの完了の際、総ての熱源は除去さ
れ、そして製品は冷却させられる。室温に到達した後、
製品はマンドレルから容易に抜き取ることができ、そし
て後固結段階を必要とせず、６％よりも小さな空隙率を
有する現場固結製品が生産される。
第１図、第２図および第３図において、本発明を実施
する際に使用されるヤーンレーヤヘッドが、全体として
番号10によって指定され、そして回転するマンドレル16
に向かってあるいは離れる方向に可動な送り腕14が取り
付けられたトラバースキャリッジ12を含むように示され
る。トラバースキャリッジ、送り腕、及びマンドレル
は、マクリーンアンデルセン社（ミルウォーキー、ウィ
スコンシン州）製のＮ−210コンピューターを備えたモ
デルW60−16三軸フィラメント巻き取り機である。送り
腕14には、赤外線加熱器18、加熱された案内20、及び火
炎加熱器22（第１図）が取り付けられる。
キャリッジ12がマンドレル16の縦方向に対して交差す
るように動くとき、複数の熱可塑性樹脂含浸ヤーン24
は、所望レベル（テープの最終引張り強さの５％乃至50
％の範囲）の逆張力に対抗して、回転するテークオフ・
クリール25に取り付けられた複数の供給パッケージ26か
ら引き出される。ここで「逆張力」とは、ヤーンがパッ
ケージから巻きほどかれる時ヤーンの張力を制御するた
めに、クリールにおいてヤーンに適用される張力を意味
する。逆張力は、コンペンセイテイング テンション
コントロールズ社（ウエスト・カルドウェル、ニュージ
ャージー州）製のタイプ800C012張力補償機といった供
給パッケージ26の巻きほどき張力を制御するクリールに
関連した機構（図示されていない）によってかけられ
る。
ヤーンレーヤヘッドが、マンドレル16に巻き取られる
構造物に関して移動するとき、熱可塑性樹脂を含浸され
たヤーン24、輻射加熱器18（リサーチ社、ミネアポリ
ス、ミネソタ州製のモデル5535）に露呈される。これら
の加熱器において、熱可塑性樹脂は、溶融温度の10℃以
内の温度に加熱される。それから、ヤーンは、好ましい
実施態様においてテフロンで被覆された硬質陽極酸化さ
れた仕上げを有するアルミニュームから作製された円形
の小さな穴である加熱された案内20を通過する。案内
は、電気的に動作された帯状加熱器20a（MI帯状加熱器
モデルMBIEIJNI）で包まれ、熱可塑性樹脂の温度を、溶
融温度よりも高い温度であるが、強化繊維の溶融点より
も下であると考えられる熱可塑性物質の分解温度以下に
上昇させる。送り腕14の前方端部に、火炎加熱器22（３
番の先端を有するバルカン ユニバーサル プロパン・
トーチ）が取り付けられ、その上を通ってテープ24はマ
ンドレル16における巻き取り位置28に移行する。この加
熱器はマンドルに巻き取られるヤーンの部分の表面を加
熱し、ヤーン24が案内20から位置28に移動するとき、マ
ンドレルの誘導加熱とヤーン24の直接加熱の助けによっ
て、巻き取り位置28における溶融した合せ面を確実なも
のとする。
第２図において、火炎加熱器22が、赤外線加熱器22′
（リサーチ社製モデル5535）により置き換えられ、そし
て第３図において、火炎加熱器22は、熱空気ガン加熱器
22″（シルバニア社製サーペンタインVIモデルCHE12876
7）に置き換えられる。
第４図、第５図および第６図は、フィラメント巻き取
り機のヘッドにおいて、テープ、加熱器、及び加熱され
た案内の物理的関係を、相互及びマンドレルに関して示
す。
空隙率 複合サンプルにおいて空隙率を決定するために、サン
プルの密度が測定されなければならず、そして空隙率ゼ
ロのサンプルの密度が計算されなければならない。これ
ら２つの値からサンプルの空隙率が決定される。
サンプル密度の測定 サンプルの密度をASTM D792−66標準試験方法を用い
て測定した。測定手順は以下のとおりである。
１）空気中のサンプルを秤量する。値をａとする。
２）水中のサンプルを秤量する。値をｂとする。
３）サンプルの比重（s.g.）を計算する。
（s.g.）＝a/（ａ−ｂ） ４）サンプルの密度を計算する。
測定密度＝（s.g.）×（測定温度における水の密度） 空隙のないサンプルの理論的密度は、 Dc＝（DfxVf）＋（DmxVm） によって計算される。この場合、 Dc＝複合物の密度 Df＝繊維の密度 Dm＝マトリックスの密度 Vf＝繊維の容積 Vm＝マトリックスの容積 百分率空隙率を計算する。
百分率空隙＝（理論的密度−測定密度）／（理論的密
度）×100（％） 実施例Ｉ 約6620デニールと2000のフィラメントを有するオウン
コーニング社のタイプ30連続ガラス・フィラメントの
トウを、約50容積％の被覆レベルに（米国特許第4,640,
861号に記載されたように）溶融インジェクションプロ
セスを用いて、PETG熱可塑性ポリマー（イーストマン
コダック社製のコポリマー）によって被覆する。これら
の被覆されたガラス・フィラメントのトウの４つのボビ
ンを、巻きほどき張力を制御するための機構（コンペン
セイティング テンション コントロールズ社製形式80
0CO12張力補償機）を備えた回転するテークオフ・クリ
ールに取り付ける。トウを、下流で回転するマンドレル
により、30フィート／分（約9.1m/分）で進め、そして
約3500gmの張力を張力補償機によって移動するトウにか
ける。移動するトウを、下流のフィラメント巻き取り機
の「ヘッド」部分を通過させる。このフィラメント巻き
取り機は、 １）トウを260℃に加熱する（赤外線加熱器により加熱
された）予熱セクション、続いて、 ２）帯状加熱器により200℃に予熱される案内の小さな
穴、そして ３）回転するマンドレルに接近して（6cm離れて）位置
付けられ、かつ200℃にトウの温度を維持する熱い空気 とを含む。トウを、最終的に、電気的に加熱されたマン
ドレル（250℃に維持）に巻き取る。コンピューター制
御巻き取り機は、巻き取り角度45度を有する12インチ
（30.5cm）長の管を提供するように予めプログラムされ
る。巻き取りを完了した後、マンドレルと管を、製品の
温度が約100℃になるまで、約１時間冷却する。それか
ら巻き取られた管を取り除き、切断し、そして空隙率の
測定を行う。
使用したフィラメント巻き取り機は、マクリーン ア
ンデルセン社製モデルNo.W−60という市販の巻き取り機
であり、次のように作業に適合するように修正した。
−熱硬化性樹脂浴を取り除いた。
−熱可塑性ヘッドを横送りフィード上に取り付け、動
力、水およびN2を熱可塑性ヘッドのキャリッジに供給し
た。
管の空隙率は、4.8％であった。
実施例II 約3000のフィラメントを有するハーキュリーズ AS4
連続グラファイト・フィラメントのトウを、約50容積％
の被覆レベルに（米国特許第4,640,861号に記載された
ような）溶融インジェクションプロセスを用いて、（米
国特許第4,681,411号に記載されたような）一定の無定
形コポリアミド・ポリマーにより被覆する。
これらの被覆されたグラファイト・フィラメントのト
ウの２つのボビンを、巻きほどき張力を制御するための
機構（コンペンセイティング テンション コントロー
ルズ社製形式800C012張力補償機）を備えた２つの回転
するテークオフ・クリールに取り付ける。トウを、下流
で回転するマンドレルにより、25フィート／分（7.6m/
分）で進め、そして約1500gmの張力を張力機構により各
移動するトウにかける。移動するトウを、下流のフィラ
メント巻き取り機の「ヘッド」部分を通過させる。この
フィラメント巻き取り機は、 １）トウを320℃に加熱する（赤外線加熱器により加熱
された）予熱セクション、続いて、 ２）帯状加熱器により320℃に予熱される案内の小さな
穴、そして、 ３）回転するマンドレルに接近して（3cm離れて）位置
付けられ、かつ320℃にヤーンの温度を維持する赤外線
熱源とを含む。そして、 ４）トウを、最終的に、電気的に加熱されたマンドレル
（220℃）に巻き取る。
熱いN2（320℃）を、ポリマーの分解を減少させるた
めに赤外線ヒートアップ・ゾーンに吹き込んだ。コンピ
ューター制御巻き取り機は、±45度／±５度/90度／±4
5度/90度／±45度/90度の巻き取り角度により６フィー
ト長（15.2cm）の管を生産するために予めプログラムさ
れる。
巻き取りを完了した後、マンドレルと管を、製品の温
度が約100℃になるまで、約１時間冷却する。巻き取ら
れた製品を取り除き、そして空隙率の測定をする。空隙
率は、2.5％であった。
本発明の主なる特徴及び態様は以下のとおりである。
1.熱可塑性樹脂含浸ヤーンから複合組成物を作りそして
固結する方法であって、張力の下である長さの該ヤーン
を回転するマンドレルに進め、該マンドレルに到達する
前に該長さのヤーンを予熱する段階と、該マンドレルを
軸方向に横切る案内によって螺旋経路にて該長さのヤー
ンを案内する段階とを含み、複数の該長さのヤーンを同
時に該案内を通して進めることと、該熱可塑性樹脂の溶
融温度程度以上分解温度以下の範囲の温度に該案内を加
熱することと、該長さのヤーンが該巻き取り位置に到達
するまで、該案内を通過する時に達した該樹脂の温度を
維持することとを特徴とする方法。
2.該ヤーンは、最終破壊強さの約５パーセント乃至約50
パーセントの張力の下で進められる上記１に記載の方
法。
3.6パーセントよりも小さな空隙率を有する、複数の長
さの熱可塑性樹脂含浸ヤーンから巻かれた現場固結され
た繊維強化熱可塑性樹脂製品。
4.複数の長さの熱可塑性樹脂含浸ヤーンから巻かれ、か
つ６パーセントよりも小さな空隙率を有する、上記１の
プロセスにより現場固結された繊維強化熱可塑性樹脂製
品。
5.熱可塑性樹脂含浸ヤーンを回転するマンドレルに巻き
取る装置であって、該ヤーン源と、該ヤーンに張力をか
ける手段と、製品を巻き取るためにマンドレル上でヤー
ンを前後に移動させる案内を有するキャリッジとを含
み、そして、該案内は該ヤーンを通過させるための円形
の小さな穴を有し、該案内と協働して該案内を加熱する
手段を含むことを特徴とする装置。
6.該案内を加熱する該手段は、該案内の回りを包む電気
的に動作される帯状加熱器である上記５に記載の装置。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明を実施するための巻き取り装置の概略
的な側面図。 第２図は、第１図の代替的な実施態様の概略的な側面
図。 第３図は、第１図の別に実施態様の概略的な側面図。 第４図は、第１図に概略的に示された巻き取り装置のヘ
ッドの側面図。 第５図と第６図は、第２図に概略的に示された巻き取り
装置のヘッドの、それぞれ、側面図と前面図。 10……ヤーンレーヤヘッド、12……キャリッジ、14……
送り腕、16……マンドレル、18……赤外線加熱器、20…
…案内、20a……帯状加熱器、22……火炎加熱器、22′
……赤外線加熱器、22″……熱空気ガン加熱器、24……
熱可塑性樹脂含浸ヤーン、25……テークオフ・クリー
ル、26……供給パッケージ、28……巻き取り位置。

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ヤーンで強化された熱可塑性樹脂の複数の
    トウから複合構造物を作り、固結する方法であって、 25ft（約7.6m）/min以上の速度で回転するマンドレル上
    の巻き取り位置に、供給源からの所定の張力を有する該
    複数のトウを進め、 該複合構造物を形成するように、該マンドレルを軸線方
    向に横切る案内によって螺旋経路において該トウを案内
    し、 該案内が、該熱可塑性樹脂の融点よりも高く、該熱可塑
    性樹脂の分解温度よりも低い範囲の温度に加熱され、 これによって、該熱可塑性樹脂が、該案内にくっつか
    ず、該ヤーンが25ft（約7.6m）/min以上の速度で該案内
    を通過した後に、けばだつことがなく、 上記巻き取り位置において、合せ面の溶融を確実にする
    ように、該巻き取り位置において、少なくとも１つの合
    せ面を有する該トウを加熱する ことを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】６パーセントよりも小さい空隙率を有す
    る、請求項１の方法によって形成された現場固結された
    繊維強化熱可塑性樹脂製品。
  3. 【請求項３】25ft（約7.6m）/min以上の速度で回転する
    マンドレル上に熱可塑性樹脂の含浸された複数のヤーン
    を巻く装置であって、 該ヤーンの供給源と、 該ヤーンに張力を加える手段と、 製品を巻くように該マンドレル上で該ヤーンを前後に移
    動せしめるための、該ヤーンが通過する案内を有するキ
    ヤリツジとを具備し、 該案内が、該熱可塑性樹脂の融点よりも高く該熱可塑性
    樹脂の分解温度よりも低い範囲の温度に該案内を加熱す
    る手段と協働し、 これによって、該熱可塑性樹脂が、該案内にくっつか
    ず、該ヤーンが25ft（約7.6m）/min以上の速度で該案内
    を通過した後に、けばだつことがなく、 更に、該マンドレルにおける該ヤーンの合せ面の溶融を
    確実にするように、少なくとも１つの合せ面を有する該
    ヤーンを加熱する手段を具備する ことを特徴とする装置。
JP63224863A 1987-09-11 1988-09-09 複数の熱可塑性樹脂含浸ヤーンを巻き取る装置と方法及びその製品 Expired - Lifetime JP2969141B2 (ja)

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