JP3019966B2

JP3019966B2 - 繊維強化マテリアルを製造する方法と装置

Info

Publication number: JP3019966B2
Application number: JP30590490A
Authority: JP
Inventors: ミッシェル・ウンガー
Original assignee: ボレアリスアクティーゼルスカブ
Priority date: 1990-11-08
Filing date: 1990-11-08
Publication date: 2000-03-15
Anticipated expiration: 2015-03-15
Also published as: JPH04173108A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、繊維強化マテリアルを製造する方法と装置
に関する。特に、本発明は、繊維強化マテリアルを製造
する方法と装置に関するもので、該マテリアルが個々の
繊維が樹脂マテリアルに囲まれていて、マトリックス形
成樹脂マテリアルでボンドされた強化繊維束で形成され
る。

この種の製品を製造することにおける主な問題は、あ
る種のマトリックス形成マテリアルの高粘度である。繊
維束における個々の繊維は、互いに極めて緊密に接して
いるから、樹脂マテリアルを該束に浸透させて、個々の
繊維すべてを包囲することは、困難である。しかしなが
ら、強度、剛性、化学抵抗などの製品の特性の点から、
これは、必須の事柄である。

（従来の技術）前記問題解決のために、多くの方法が試みられた。一
つの解決においては、繊維束が所謂クロスヘッドダイに
通され、そこで、溶融または液状樹脂が該ダイを通過す
る繊維束のウエブに浸透するようにされる。所謂パウダ
ーメソードにおいては、繊維束のウエブは、熱可塑性樹
脂粒子のベッドに通され、それによって、繊維束のウエ
ブに樹脂粒子がくっつき、その後の工程で樹脂粒子が溶
融される。また、溶剤方法においては、液体媒体に溶解
した樹脂に繊維束を浸漬する。

クロスヘッドダイ方法は、繊維束に熱可塑性樹脂を含
浸させることに効果がないことが証明されている。その
理由は、すべての繊維それぞれが樹脂マテリアルで包囲
されないからである。パウダー方法は、同期させるのが
極めて困難である多数の処理工程を含み、購買、操作に
不経済で、強化体を損傷させる。溶剤方法では、乾燥工
程が必要で、これは不経済で、環境問題を惹起し、時間
を浪費させ、製造レートが制限される。さらに、溶剤の
除去の後にヴォイドが残ることにより製品の品質も低下
する。

（発明が解決しようとする課題）前記の従来技術は、繊維束を構成するすべての繊維自
体に強化樹脂を含浸させる点で、前記のような問題点を
有し、該問題点を解決するのが、本発明の解決課題であ
る。

（課題を解決するための手段）本発明は、前記課題を解決するために、繊維束の形態
の強化繊維に樹脂含浸させ、その結果、個々の繊維をボ
ンディング樹脂で包みこむ方法と装置を提供する。本発
明は、剪断力を受けるようにされた偽可塑性マテリアル
が粘度の低下を経験するという既知の現象に基く。この
現象は、ずり減粘として知られ、熱可塑性樹脂の溶融体
および熱硬化性樹脂の溶液を含む種々のエマルジョン、
分散液、懸濁液および他のマテリアルに共通する。ずり
減粘リスポンスの傾向は、マテリアルに作用する剪断ス
トレスのレベルで変化する。ストレスが低い段階では、
小さなリスポンスが得られ、中間の剪断ストレスずり減
粘においては、リスポンスは、ドラマティックに増加
し、極めて高いストレスにおいては、マテリアルが最低
の粘度へ近づくにつれ、リスポンスは、低いレベルへと
逆行する。

熱可塑性樹脂溶融体の粘度の代表的レンジは、10²か
ら10⁶PaSで、熱硬化性樹脂溶液のそれは、100〜5000Pas
である。強化繊維の含浸において、１〜10Pasのレンジ
が理想的で、コモンマグニチュードは、10²PaSで、場合
によっては、10³PaSでも容認される。ポリマー溶融体と
溶液の代表的な剪断レンジは、10^-1〜10⁶1/Sであり、マ
キシマムリスポンスのレンジは、10⁰〜10⁴1/Sである。

この発明による方法は、繊維強化材料を製造するに当
り、溶融した、または、液体の樹脂を繊維束へ含浸させ
る方法に関与し、素材が一つ、または、それ以上の繊維
束からなり、各繊維がマトリックス樹脂で囲まれ、１本
または複数本の繊維束の連続したウエブに溶融または液
状の樹脂を含浸させ、冷却または化学反応により前記樹
脂を硬化させる方法に関与する。この発明の方法は、前
記含浸の間、前記溶融または液状の樹脂マテリアルは、
相対移動する近接した表面の間に入れられて剪断力を受
けることを特徴とする。

この発明による有利な実施例によれば、前記表面の一
つが固定の表面であり、他の面が動く面であることもで
きる。本発明の必須な要件は、前記表面が互いに接近
し、互いに相対移動可能な関係にあることである。

この発明による方法の有利な実施例によれば、可動表
面の一方は、含浸されるべき繊維束の連続したウエブか
らなる。この場合、含浸される樹脂は、含浸すべき繊維
束と固定または可動の表面の間に導かれ、そこでは、両
表面は、互いに異なる方向へ移動する。これで、含浸さ
れる樹脂への剪断力が生じ、樹脂の粘度が低下し、個々
の繊維を樹脂で包むことが容易になる。

本発明の有利な実施例によれば、動く両表面は、シリ
ンドリカルなもので、その場合、表面の一方が含浸され
るウエブにより構成されている。前記表面は、また、平
らなものでもよく、そこでは、表面の一方は、含浸され
るウエブ自体か、または、前記両表面は、互いに反対方
向へ回り、それで互いに接近する二つのディスクで構成
されてもよい。

本発明の方法により、どのような繊維強化マテリアル
も製造でき、そこでは、繊維は、束状の形態である。繊
維は、マトリックス樹脂でボンドされる、どのような種
類の繊維でもよい。このような製品は、例えば、射出成
形または他のプロセスのための繊維強化粒状体、プルト
ルジョン、フィラメントワインディング、テープレイイ
ングなどの付加プロセスのためのプリプレグまたは予備
含浸されたマテリアルである。

本発明に適当な繊維は、かくして、ガラス繊維、炭素
繊維およびアラミド繊維そして熱可塑性繊維である。使
用される最も通常の繊維は、束状のガラス繊維製品であ
って、これらは、シングル束として、または、例えば、
ガラス繊維ロービングのような織った製品の形態で使用
できる。代表的なガラス繊維束は、直径が10〜17μｍの
個々の繊維数千本を含む。

繊維強化製品をボンディングするために使用される樹
脂マテリアルは、溶融されて繊維束に含浸される熱可塑
性樹脂、または、熱硬化性樹脂で、含浸後、熱または化
学反応で硬化される。

適当な熱可塑性樹脂は、種々のもののなかで、オレフ
ィン単独および共重合体、塩化ビニル単独および共重合
体、ポリエチレンテレフタレート、アクリロニトリル重
合体および共重合体、ポリアミドまたはコポリアミド、
フォルムアルデヒドの熱可塑性重合体、ポリカーボネー
ト、ポリサルフォンと前記した重合体の二つ、または、
それ以上の混合物、または、一般に、剪断作用で粘度の
減少を呈する他の熱可塑性物である。

本発明は、また、繊維強化マテリアル製造において繊
維束の形状の強化繊維に含浸する装置に関するもので、
該マテリアルは、１本または複数本の束からなり、各繊
維は、マトリクウス樹脂で包まれている。この発明の装
置は、前記溶融または液状樹脂への前記含浸の間、剪断
力を与える手段を備え、該手段は、二つの接近した表面
の間に前記溶融または液状樹脂が強制的に流され、含浸
の間、剪断力を受けるようにされることと、前記表面の
間に前記溶融または液状樹脂マテリアルを供給する手段
とからなる。

この発明による装置の有利な実施例によれば、前記表
面の少なくとも一つは、移動表面である。

この発明による装置の有利な実施例によれば、前記両
表面は、移動表面である。

この発明による装置の有利な実施例によれば、前記表
面の一方は、含浸される繊維束のウエブからなる。

この発明による装置の他の実施例によれば、前記両表
面は、シリンドリカルまたは平坦な面である。

この発明による装置の有利な実施例によれば、前記表
面の間に溶融または液状樹脂を供給する前記手段は、含
浸ヘッドの壁における一つ、または、それ以上の開口か
らなり、該開口は、円形、方形または他の断面を有す
る。

この発明による装置の有利な実施例によれば、前記供
給開口は、含浸ヘッドの壁に切設された一つ、または、
それ以上のスリットである。

この発明による装置の有利な実施例によれば、前記含
浸ヘッドは、エクストルーダの出口に接続している。

この発明による装置の有利な実施例によれば、前記含
浸ヘッドは、含浸の領域内で曲成または平らになってい
る。

この発明は、同封した図面を参照しながら、さらに図
示するが、限定するものではない。

（実施例）第１図において、ガラス繊維束のウエブ10がドラム11
から予熱チャンバ12と拡幅装置13を介して含浸ヘッド18
へ供給される。拡幅装置13においては、ウエブ10は、ロ
ール14のセットに通され、その結果、繊維ウエブは、前
記ロールの上下の間を縫うようにして走行される。この
ようにして、束状になっている繊維個々をほぐすように
して拡幅し、かくして、含浸ステージにおける含浸を容
易にする。しかしながら、この拡幅装置13は、必須なも
のではなく、この発明の要件を構成しない。含浸ヘッド
18は、エクストルーダ15に接続しており、このエクスト
ルーダに含浸すべき樹脂素材16ががホッパー17から供給
される。エクストルーダ15において、樹脂が溶融され、
この発明による含浸ヘッド18へ供給されるようになって
いる。

樹脂含浸ウエブ10aまたは複数束の繊維束の束は、つ
いで冷却ユニット19へ供給され、そこで、溶融された樹
脂が冷却により硬化する。硬化作用は、また、化学反応
によっても行なわれるもので、この反応では、含浸樹脂
は、硬化に必要な添加剤を含み、硬化段階では、必要に
応じて補助加熱を通常に行なうことができる。

冷却ユニット19から樹脂を含浸し、硬化された繊維束
がチョッパ20へ送られ、そこで含浸ウエブが適当な長さ
のピース21に切断され、包装され、または、成形品の成
形製造に供されるようになる。この発明の方法と装置に
より、連続した繊維強化製品を成形することも可能であ
って、そのような場合は、含浸されたウエブは、所望の
長さに切断されるか、または、切断されないままにされ
る。

第１図の装置におけるウエブ10の搬送は、適当な引張
り装置で行なうことができる。ベルト駆動の引張り装置
22が第１図に略図的に示されている。

第２図には、含浸ヘッド30が示されており、その内部
には、供給チャンネル31が設けられている。含浸すべき
樹脂32は、例えば、含浸すべき熱可塑性樹脂が溶融して
いるエクストルーダ（図示せず）から該チャンネル31を
通して圧送される。チャンネル31から供給路33がシリン
ダー状の含浸ヘッド30の外周面の部分34に達している。
繊維束10aのウエブは、この含浸ポイント34を通過して
矢印Ａの方向へ進み、これによって、樹脂35は、ウエブ
10aの表面と含浸ヘッド30の表面36の間に引き延ばさ
れ、剪断力の作用を受けて粘度が低下し、繊維束への含
浸が最大限になる。樹脂含浸の繊維束は、10bの符号が
付されている。

第３図のものは、含浸ヘッド30が回転シリンダによる
以外は、第２図と同様であって、該シリンダは、矢印Ｂ
の方向へ回転する。この実施例においては、第２図によ
る装置よりも剪断作用は、より強力であり、広い領域に
わたり作用する。

第２図と第３図による例では、それらの間で剪断作用
が行なわれる二つの表面がシリンダー状になっている。
第４図では、含浸作用は、含浸ヘッド30の平らな面37と
ウエブ10の面の間で行なわれる。

第５図と第６図には、供給路33の異なる形状が示され
ている。第５図では、円形断面の３本の供給路33があ
る。繊維束ウエブ10の幅寸法に応じて一つ、または数本
の供給路が使用される。第６図では、１本のスリット状
の供給路33で、その幅は、繊維束ウエブの一つの幅とほ
ぼ同じである。第７図には、含浸ヘッド30の対向する側
に向く２本のスリット状の供給路33がある実施例が示さ
れている。第５図の実施例では、また、供給路33の二
つ、または、それ以上のグループも可能である。

この発明は、前記において移動する繊維束ウエブへの
含浸に適用されているものであるが、繊維束ウエブを動
かさずに、含浸ヘッドを移動可能にアレンンジできるこ
とも明らかである。この発明の作用は、いずれの場合も
同様である。さらに、この発明による含浸ヘッドを２基
または、それ以上使用することも可能であり、これらの
含浸ヘッドは、含浸すべき繊維ウエブの一方の面または
異なる面に配置できる。

さらに、含浸させる樹脂を、この発明の方法と装置以
外の方法で予備処理し、その粘度を下げておくことも可
能である。

（発明の効果）前記のように、この発明によれば、繊維強化成形体を
成形するため、強化繊維に樹脂を完全に含浸させること
ができ、樹脂プアーの状態の強化繊維を作らず、極めて
高品質の繊維強化成形体が成形できる強化繊維マテリア
ルが製造できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、繊維強化粒状体を連続的に製造することに適
用した発明による装置の主要な図面である。第２図は、この発明による含浸ヘッドの端面図で、互い
に移動関係にある表面が繊維束ウエブ自体とシリンドリ
カルな含浸ヘッドの他方の面により構成されている。第３図は、この発明による含浸ヘッドの端面図で、互い
に移動関係にある表面が繊維束ウエブ自体と回転するシ
リンドリカルな含浸ヘッドの他方の面により構成されて
いる。第４図は、この発明による含浸ヘッドの端面図で、互い
に移動関係にある表面が繊維束ウエブ自体と含浸ヘッド
の他方の面により構成され、該他方の面が含浸領域にお
いて平らである。第５図は、溶融熱可塑性樹脂を含浸領域へ供給する円形
断面をもつ複数の供給開口を示す含浸ヘッドの詳細であ
る。第６図は、溶融熱可塑性樹脂を含浸領域へ供給するスリ
ット状の供給開口を示す含浸ヘッドの詳細である。第７図は、溶融熱可塑性樹脂を含浸領域へ供給する円形
断面をもち、含浸ヘッドの対向面へ開口している二つの
スリット状の供給開口を示す含浸ヘッドの詳細である。 10……ウエブ 10a……樹脂含浸ウエブ 11……ドラム 12……予熱チャンバ 13……拡幅装置 14……ロール 15……エクストルーダ 16……樹脂素材 17……ホッパー 18……含浸ヘッド 19……冷却ユニット 20……チョッパ 21……ピース 22……引張り装置 30……含浸ヘッド 31……供給チャンネル 32……含浸すべき樹脂 33……供給路、供給開口 34……含浸ポイント 35……含浸される樹脂 36……含浸ヘッドの表面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B29B 11/16 B29B 15/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】繊維強化材料を製造するに当り、溶融し
た、または、液体の樹脂を繊維束へ含浸させる方法であ
り、素材が一つ、または、それ以上の繊維束からなり、
各繊維がマトリックス樹脂で囲まれ、１本または複数本
の繊維束の連続したウエブ（10;10a）に溶融または液状
の樹脂（32,33）を含浸させ、冷却または化学反応によ
り前記樹脂を硬化させる方法で、前記含浸の間、前記溶
融または液状の樹脂（35）マテリアルは、相対移動する
二つの近接した表面（10;10a,36;37）の間に入れられて
剪断力を受けることを特徴とする方法。
【請求項２】前記表面の一つは、固定面（36;37）で他
方の面は、可動面（10;10a）であることを特徴とする請
求項１による方法。
【請求項３】前記表面（10;10a,36;37）の両方が可動表
面であることを特徴とする請求項１よる方法。
【請求項４】可動表面の一つが含浸される繊維束の連続
ウエブ（10;10c）からなることを特徴とする請求項１〜
３のいずれかによる方法。
【請求項５】前記表面がシリンドリカルな表面（36）ま
たは平らな表面（37）であることを特徴とする請求項１
〜４のいずれかによる方法。
【請求項６】前記樹脂マトリックスは、熱可塑性マテリ
アルであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに
よる方法。
【請求項７】熱可塑性マトリックスマテリアルは、オレ
フィン単独および共重合体、塩化ビニル単独および共重
合体、ポリエチレンテレフタレート、アクリロニトリル
重合体および共重合体、ポリアミドまたはコポリアミ
ド、フォルムアルデヒドの熱可塑性重合体、ポリカーボ
ネート、ポリサルフォンと前記した重合体の二つ、また
は、それ以上の混合物からなるグループから選ばれるこ
とを特徴とする請求項６による方法。
【請求項８】繊維強化材料を製造するに当り、溶融し
た、または、液体の樹脂を繊維束へ含浸させる装置であ
り、素材が一つ、または、それ以上の繊維束からなり、
各繊維がマトリックス樹脂で囲まれており、前記含浸操
作の間、前記溶融または液状の樹脂（35）へ剪断力を与
える手段を備え、該手段は、相対移動の関係にある二つ
の近接した表面（10;10a,36;37）と、前記表面（10;10
a,36;37）の間に前記溶融または液状の樹脂（35）を供
給する手段（31,33）とからなり、前記表面の間に、前
記溶融または液状の樹脂が注入され、含浸の間、剪断力
が与えられることを特徴とする装置。
【請求項９】少なくとも前記表面の一つが可動の表面
（10;10a）であることを特徴とする請求項８による装
置。
【請求項１０】前記表面の両者が可動面（10;10a）であ
ることを特徴とする請求項８による装置。
【請求項１１】前記表面の一つが含浸されるべき繊維束
のウエブ（10;10a）からなることを特徴とする請求項８
〜10のいずれかによる装置。
【請求項１２】前記表面がシリンドリカルな面または平
らな面（37）であることを特徴とする請求項８〜11のい
ずれかによる装置。
【請求項１３】溶融または液状樹脂を前記表面の間へ供
給する前記手段は、含浸ヘッド（30）の壁における一
つ、または、それ以上の供給開口（33）で、該開口（3
3）は、円形、矩形または他の断面をもつことを特徴と
する請求項８〜12のいずれかによる装置。
【請求項１４】前記供給開口（33）が含浸ヘッドの壁に
切設されたスリットであることを特徴とする請求項13に
よる装置。
【請求項１５】前記含浸ヘッド（30）がエクストルーダ
（15）の出口に接続していることを特徴とする請求項13
または14による装置。
【請求項１６】含浸ヘッドは、含浸領域内で、カーブし
ているもの、または、平らなものであることを特徴とす
る請求項13〜15のいずれかによる装置。