JP3656871B2

JP3656871B2 - Carbon fiber package and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP3656871B2
Application number: JP14590397A
Authority: JP
Inventors: 真遠藤; 春樹森川; 誠二水上
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1997-05-19
Filing date: 1997-05-19
Publication date: 2005-06-08
Anticipated expiration: 2017-05-19
Also published as: JPH10316311A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭素繊維パッケージおよびその製造方法に関し、とくに、高い巻密度で目標とする崩れにくい形態に精度よく形成された炭素繊維パッケージおよびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素繊維の需要は年々増えており、航空機、スポーツ等のプレミアム用途から建築、土木、エネルギー関係の一般産業用途へ需要がシフトしている。
【０００３】
一般産業用途、特に大型の構造材料を成形する方法、例えば織物、フィラメントワインディング法において必要とする繊度は、通常１００，０００デニール程度と相当大きい。現状では７，０００〜２０，０００デニール程度の糸条を何本か引き揃えて、成形を行っている。ところが、引き揃えによる成形においては、引き揃え単位間で隙間が開くことにより樹脂の含浸むらが発生するという問題がある。
【０００４】
さらに、繊維を上下に重ねることは難しく、横方向に引き揃えるため、糸条の厚みは引き揃え単位、すなわち７，０００〜２０，０００デニールの厚みであり、そのままでは厚みの増大が難しい。特に大型でかつ厚みの大きい成形体を製造する得る際には、積層回数、巻き付け回数を多くする必要があり、成形時間の点でも不利となる。
【０００５】
すなわち、フィラメント数が大きく、かつ厚みの大きい炭素繊維のパッケージがあれば、高次加工設備への炭素繊維の仕掛け回数の減少、成形時間の短縮、クリール設備のコンパクト化などの利点がある。
【０００６】
ところが、炭素繊維は一般の有機繊維と異なり、ヤング率が極めて高く、伸縮性に乏しいため、巻き取り可能張力の範囲が極めて小さい。そして、張力が低すぎると、巻端面での崩れ、外力に対する変形、ボビンからの糸条巻層のずり抜けなどのトラブルが生じやすく、張力が高すぎると、巻き取り時の糸条の損傷、解舒性の悪化などが生じ、チーズ巻の巻き取り条件を設定することは技術的に難しかった。
【０００７】
巻崩れや解舒時に毛羽発生が少ない炭素繊維のパッケージについては、特公昭６２−４６４６８号公報に、炭素繊維が所定のワインド比でボビン上に巻き取られるスクエアエンド型パッケージにおいて、前記糸条の巻始め、および巻終わりの綾角がそれぞれ１０〜３０°、４〜１２°であって、巻き取られる糸条１〜９トラバース毎に、すでに巻かれた糸条に対して、糸条平均幅の５０〜１５０％のずれを有することを特徴とするパッケージが提案されている。このパッケージは、糸条と糸条の重なり度合いを小さくすることにより解舒時の毛羽や糸切れを防ぐいわゆるオープンワインドによるパッケージにすることを特徴としているが、ボビンの大きさが一定の場合、糸条数すなわち繊度が大きく、かつ糸の厚みが大きい糸条を巻き取るにつれ、オープンワインドを適用すると、糸−糸の重なり部分でできる空間が大きくなったり、巻面の凹凸が大きくなったりするため、巻密度が低い、柔らかいパッケージとなり、巻取張力や巻面を抑える圧力（面圧）によって糸が端部へ押し出されることにより、端面の膨らみが発生し易い。このようなパッケージは搬送中に巻き崩れたり、端面の膨らみがボビンの長さより大きくなるため、高次加工時に糸を仕掛ける際に糸に傷をつけたりする問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の課題は、上記のような問題点に着目し、基本的にパッケージへの巻き形態を変えて、とくに繊度の大きい炭素繊維糸の巻取について、高い巻密度でかつ巻崩れしにくい、最適な形態のパッケージと、その製造方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る炭素繊維パッケージは、繊度２５，０００デニール以上の炭素繊維糸を、繊度当たりの糸幅が０．１５×１０^-3〜０．８×１０^-3ｍｍ／デニールとなるようにボビン上に巻き取ったスクエアエンド型パッケージであって、巻始めおよび巻終わりの綾角が、それぞれ１０〜３０°、３〜１５°の範囲にあり、ワインド比Ｗにおける端数Ｗ₀が０．１２〜０．８８の範囲にあることを特徴とするものからなる。このパッケージにおいては、巻き取られている糸条が、１〜９トラバース毎に、それよりも内層に巻き取られている糸条に対して、糸条平均幅の１０〜７０％の糸ずれを有することが好ましい。
【００１０】
また、本発明に係る炭素繊維パッケージの製造方法は、繊度２５，０００デニール以上の炭素繊維糸を、繊度当たりの糸幅が０．１５×１０^-3〜０．８×１０^-3ｍｍ／デニールとなるようにボビン上に巻き取ってスクエアエンド型パッケージを形成するに際し、巻始めおよび巻終わりの綾角を、それぞれ１０〜３０°、３〜１５°の範囲にし、ワインド比Ｗにおける端数Ｗ₀を０．１２〜０．８８の範囲にすることを特徴とする方法からなる。この方法においても、巻き取られる糸条に、１〜９トラバース毎に、すでに巻き取られた糸条に対して、糸条平均幅の１０〜７０％の糸ずれを付与することが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態について説明する。
本発明において、炭素繊維糸の繊度とは、単糸繊度（デニール）×フィラメント数で表されるものである。繊度は上記のように２５，０００デニールを超えるものであればいずれを問わないが、通常補強繊維としての性能を発揮しうるためには、単糸繊度は通常０．２〜０．９デニールであるため、フィラメント数は２８，０００本以上となる。
【００１２】
巻き取られる炭素繊維糸の繊度を２５，０００デニール以上にする方法としては、太デニールの前駆体繊維を出発物質として用いる方法、いくつかの少フィラメント数の前駆体繊維を焼成工程の途中でワインダーで巻き終わるまでに合糸する方法、一旦炭素繊維として巻き取ったものをクリールから引き出して合糸しながら巻き取る方法などがあるが、いずれかに限定されるものではない。
【００１３】
糸幅を０．１５×１０^-3〜０．８×１０^-3ｍｍ／デニールに規制する方法としてもとくに限定されないが、糸条を溝付きローラ、固定ガイド等に接触させる方法、サイジング剤を付与することにより、単糸が移動するのを拘束する方法等を組み合わせて実施するのが一般的である。また、糸幅は１０ｍ間隔で測定した５点の平均値として表す。本発明においては、巻き取られる炭素繊維糸は太デニールであるので、上記範囲を越えた糸幅とすることは実質的に困難である。
【００１４】
上記厚みの大きい太デニールの炭素繊維糸を巻き取る具体的な手段としては、たとえば、ワインダーの巻取スピンドルに巻取用のボビンをセットし、綾振りガイドとして、スピンドル軸に平行にトラバースする外径が５〜３０ｍｍである自由回転ロールを複数本並べて用い、炭素繊維糸を綾振りガイドを通して巻き上げる。この場合、巻始めの綾角が１０°未満、とくに５°未満（巻終わり綾角が３°未満、とくに２°未満）であると、巻崩れやすく、糸傷みの原因になる。より好ましくは巻始め綾角の範囲は１２〜１７°で、巻終わり綾角の範囲は４〜７°である。
【００１５】
上記ワインダーを用いて前記炭素繊維糸を所定のワインド比で巻き取る際には、巻かれる糸がボビン上で均一に分布することが望ましい。このボビン上での糸の位置の均一性を決定するのは、ボビンの回転数とトラバース速度の比、すなわちワインド比である。具体的にワインド比Ｗは次式で表される。
Ｗ＝２Ｌ／（πＤ₀ｔａｎθ）
ここでＬはワインダーのガイドがボビンに対し実質的に平行にトラバースするストローク、すなわちトラバース幅（ｍｍ）、Ｄ₀はボビンの外径（ｍｍ）、θは巻始めの綾角である。
【００１６】
ワインド比が整数の場合は、１トラバース後の糸の位置は全く前の糸に重なることになり、整数からずれるとその値に応じて１トラバース後の位置が前の糸とずれるのである。ワインド比が整数の場合は全く同じ位置に糸が巻き取られ続けるので糸が局在化し、不均一な巻密度の低いパッケージとなり巻きくずれが発生し易い。
【００１７】
巻かれる糸をボビン上で均一に分布させるためには、この整数からのずれの小数部分、すなわちワインド比Ｗの端数Ｗ₀を０．１２〜０．８８の範囲にすればよい。この範囲であればトラバース毎に糸が存在する位置を万遍なく変更できるため、巻密度の高いパッケージを作ることができる。Ｗ₀が０．１２未満であったり０．８８を越えると、上述のとおり整数に近づくため糸がボビン上に局在化し、巻き密度が低いくずれやすいパッケージとなる。
【００１８】
また、トラバースされながらボビン上に巻かれる糸は数回のトラバース毎にほぼ同じ位置に重なってゆくが、その際の下の糸（すでに内層側に巻き取られた糸）に対する上の糸のずれ幅を糸ずれ幅といい、その幅の下の糸条幅に対する割合を糸ずれ量という。本発明における、太デニールでかつ厚みの大きい炭素繊維のパッケージでは、この糸ずれ量も重要であり、糸ずれ量が７０％を超える場合は糸−糸間の重ならない部分の割合が大きくなり、その部分に空間が開いてしまう。そのためパッケージとしての巻密度が低くなり、張力、面圧により押されて端部が膨らんだり、巻き取り時に端部が巻き崩れたり、たとえパッケージとして巻き上げることができても運搬時に巻きが崩れたりすることがある。逆に糸ずれ量を１０％未満にする場合は、糸の上下の重なり面積が多くなりすぎ、上下の糸の毛羽が干渉し合ったり、サイジング剤の粘着により解舒時に毛羽や糸切れを生じることがある。糸ずれ量のより好ましい範囲は２０〜５０％である。
【００１９】
このような太デニール炭素繊維を通常の巻取機を使用して、ボビンで巻き取る際の糸ずれ量は、前述により決定したワインド比と糸条幅により決定されるが、その決定方法については特公昭６２−４６４６８号公報の記述の方法と同じでよい。
【００２０】
【実施例】
以下、実施例により本発明をより詳細に説明する。
実施例１（水準１〜７）、比較例１（水準８、９）
繊度３１，５００デニール（フィラメント数：５０，０００本）の炭素繊維糸を糸幅１２ｍｍに保ちながら、内径８２ｍｍ、長さ２８０ｍｍの紙管に巻き幅２５０ｍｍにて巻き取り、スクエアエンド型のパッケージを作った。表１、２に示すようにワインド比を変更することにより糸ずれ量を変更し、得られるパッケージの巻姿、巻密度および横取りによる解舒性を調べた。得られたパッケージのうち水準２において巻姿、解舒性ともに特に良好なものが得られた。
【００２１】
比較例２（水準１０、１１）
繊度７，２００デニール（フィラメント数：１２，０００本）の炭素繊維糸を糸幅７ｍｍに保ちつつ、実施例１と同様の内径、長さを有する紙管に巻き幅２５０ｍｍにて巻き取り、スクエアエンド型のパッケージを作った。表３に示すようにワインド比を変更して、得られるパッケージの巻姿、巻密度および横取りによる解舒性を調べた。得られたパッケージはいずれも巻姿、解舒性ともに劣っていた。
【００２２】
【表１】

【００２３】
【表２】

【００２４】
【表３】

【００２５】
実施例１の結果から判るように、本発明で規定した要件を満足することにより（水準２：とくにこの場合、ワインド比の端数）、大きな繊度の炭素繊維糸であっても、巻密度、巻姿、解舒性の全てが良好なパッケージを得ることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の炭素繊維パッケージおよびその製造方法によれば、とくに大きな繊度の炭素繊維糸を、高い巻密度で巻姿も良好な、巻崩れが起こりにくく解舒性も良好な望ましいパッケージの形態に巻き取ることができる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a carbon fiber package and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a carbon fiber package formed with high winding density and precisely formed into a target shape that does not collapse, and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
The demand for carbon fiber is increasing year by year, and the demand is shifting from premium applications such as aircraft and sports to general industrial applications related to construction, civil engineering, and energy.
[0003]
The fineness required in general industrial applications, particularly methods for molding large structural materials, such as woven fabrics and filament winding methods, is usually quite large, about 100,000 deniers. At present, several 7,000 to 20,000 denier yarns are drawn and molded. However, in the molding by aligning, there is a problem that unevenness of resin impregnation occurs due to a gap between the aligning units.
[0004]
Furthermore, it is difficult to stack the fibers vertically, and since the fibers are aligned in the horizontal direction, the thickness of the yarn is an alignment unit, that is, a thickness of 7,000 to 20,000 denier, and it is difficult to increase the thickness as it is. In particular, when a large and thick molded body can be produced, it is necessary to increase the number of laminations and the number of windings, which is disadvantageous in terms of molding time.
[0005]
That is, if there is a carbon fiber package with a large number of filaments and a large thickness, there are advantages such as a reduction in the number of carbon fibers set in a high-order processing facility, a reduction in molding time, and a compact creel facility.
[0006]
However, unlike ordinary organic fibers, carbon fibers have a very high Young's modulus and poor stretchability, so that the range of tension that can be wound is extremely small. And, if the tension is too low, troubles such as collapse at the winding end surface, deformation against external force, slipping of the thread winding layer from the bobbin are likely to occur, and if the tension is too high, damage to the yarn during winding, It has been technically difficult to set the conditions for winding the cheese roll due to deterioration of the unwinding property.
[0007]
For a carbon fiber package that generates less fuzz during unwinding or unwinding, Japanese Patent Publication No. 62-46468 discloses a square end type package in which carbon fiber is wound on a bobbin at a predetermined wind ratio. The average width of the yarn with respect to the yarn already wound for each of the yarns 1 to 9 traverses to be wound, each having a winding angle of 10 to 30 ° and 4 to 12 °, respectively. A package characterized by having a deviation of 50 to 150% is proposed. This package is characterized by making it a so-called open wind package that prevents fluff and yarn breakage during unwinding by reducing the degree of overlap between the yarn and yarn, but when the bobbin size is constant, As the number of yarns, that is, the fineness and the yarn thickness is increased, winding up the open wind increases the space created by the yarn-yarn overlap and increases the unevenness of the winding surface. Therefore, a soft package with a low winding density is obtained, and the end surface is likely to bulge when the yarn is pushed out to the end portion by a winding tension or a pressure (surface pressure) for suppressing the winding surface. Such a package has a problem that it is unrolled during conveyance, and the end surface bulge becomes larger than the length of the bobbin, and therefore the yarn is damaged when the yarn is placed at the time of high-order processing.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Therefore, the object of the present invention is to pay attention to the above-mentioned problems and basically change the winding form around the package, especially when winding a carbon fiber yarn having a high fineness, at a high winding density and hardly collapse. An object of the present invention is to provide an optimally shaped package and a manufacturing method thereof.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a carbon fiber package according to the present invention is a carbon fiber yarn having a fineness of 25,000 denier or more and a yarn width per fineness of 0.15 × 10 ^{−3 to} 0.8 × 10 ^−3. A square-end type package wound on a bobbin so as to be mm / denier, wherein the winding start and end twill angles are in the range of 10 to 30 ° and 3 to 15 °, respectively. The fraction W ₀ is in the range of 0.12 to 0.88. In this package, the wound yarn has a yarn deviation of 10 to 70% of the average yarn width with respect to the yarn wound in the inner layer every 1 to 9 traverses. It is preferable to have.
[0010]
In the method for producing a carbon fiber package according to the present invention, a carbon fiber yarn having a fineness of 25,000 denier or more and a yarn width per fineness of 0.15 × 10 ^{−3 to} 0.8 × 10 ⁻³ mm / denier. When forming a square end type package by winding it on the bobbin, the winding start and end twill angles are in the range of 10 to 30 ° and 3 to 15 °, respectively, and the fraction W ₀ in the wind ratio W is set. In the range of 0.12 to 0.88. Also in this method, it is preferable to impart a yarn shift of 10 to 70% of the average width of the yarn to the yarn that has already been wound every 1 to 9 traverses.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.
In the present invention, the fineness of the carbon fiber yarn is expressed by single yarn fineness (denier) × number of filaments. The fineness is not limited as long as it exceeds 25,000 denier as described above, but the single yarn fineness is usually 0.2 to 0.9 denier in order to exhibit the performance as a normal reinforcing fiber. Therefore, the number of filaments is 28,000 or more.
[0012]
As a method for increasing the fineness of the carbon fiber yarn to be wound up to 25,000 denier or more, a method using a thick denier precursor fiber as a starting material, or a winder in the middle of firing a few precursor fibers with a small number of filaments There are a method of combining yarns until winding is completed, and a method of winding a carbon fiber once taken out from a creel and winding it while combining yarns, but is not limited to any of them.
[0013]
Although the method for regulating the yarn width to 0.15 × 10 ^{−3 to} 0.8 × 10 ⁻³ mm / denier is not particularly limited, a method of bringing the yarn into contact with a grooved roller, a fixed guide, etc., and a sizing agent In general, it is carried out in combination with a method of restraining the movement of the single yarn by giving. The yarn width is expressed as an average value of 5 points measured at intervals of 10 m. In the present invention, since the wound carbon fiber yarn is thick denier, it is substantially difficult to make the yarn width beyond the above range.
[0014]
As a specific means for winding the thick thick denier carbon fiber yarn, for example, a winding bobbin is set on a winding spindle of a winder and traversing parallel to the spindle axis as a traverse guide A plurality of free rotating rolls having a diameter of 5 to 30 mm are used side by side, and the carbon fiber yarn is wound up through a traverse guide. In this case, when the winding start twill angle is less than 10 °, particularly less than 5 ° (winding end twill angle is less than 3 °, particularly less than 2 °), the winding tends to collapse, which causes yarn damage. More preferably, the range of the winding start twill angle is 12 to 17 °, and the range of the winding end twill angle is 4 to 7 °.
[0015]
When the carbon fiber yarn is wound at a predetermined wind ratio using the winder, it is desirable that the wound yarn is uniformly distributed on the bobbin. It is the ratio of the number of rotations of the bobbin and the traverse speed, that is, the wind ratio, that determines the uniformity of the position of the yarn on the bobbin. Specifically, the wind ratio W is expressed by the following equation.
W = 2L / (πD ₀ tan θ)
Here, L is a stroke in which the guide of the winder traverses substantially parallel to the bobbin, that is, a traverse width (mm), D ₀ is an outer diameter (mm) of the bobbin, and θ is a winding angle.
[0016]
When the wind ratio is an integer, the position of the yarn after one traverse is completely overlapped with the previous yarn, and when it deviates from the integer, the position after one traverse is displaced from the previous yarn according to the value. When the wind ratio is an integer, the yarn continues to be wound up at exactly the same position, so that the yarn is localized, resulting in a package with a non-uniform winding density, and winding slippage is likely to occur.
[0017]
In order to uniformly distribute the yarn to be wound on the bobbin, the fractional portion of the deviation from the integer, that is, the fraction W ₀ of the wind ratio W may be set in the range of 0.12 to 0.88. Within this range, the position where the yarn is present can be changed uniformly for each traverse, so a package with a high winding density can be made. When W ₀ is less than 0.12 or exceeds 0.88, the yarn approaches the integer as described above, so that the yarn is localized on the bobbin, and the winding density is low and the package tends to slip.
[0018]
In addition, the yarn wound on the bobbin while traversing overlaps at almost the same position every several traverses, but the upper yarn shifts from the lower yarn (yarn already wound on the inner layer side) at that time. The width is called the yarn displacement width, and the ratio of the width below the yarn width is called the yarn displacement amount. In the carbon fiber package having a thick denier and a large thickness in the present invention, this yarn misalignment amount is also important, and when the yarn misalignment amount exceeds 70%, the ratio of the non-overlapping portion between the yarn and the yarn increases. A space opens in that part. For this reason, the winding density as a package is lowered, and the end is swollen by being pressed by tension and surface pressure, the end is collapsed during winding, or the winding is broken during transportation even if it can be wound up as a package. Sometimes. On the other hand, when the amount of yarn deviation is less than 10%, the upper and lower overlapping areas of the yarn become too large, and the upper and lower yarn fluffs interfere with each other, or the sizing agent sticks to cause fluff or yarn breakage during unwinding. Sometimes. A more preferable range of the yarn displacement amount is 20 to 50%.
[0019]
The amount of yarn misalignment when winding such a thick denier carbon fiber with a bobbin using a normal winder is determined by the wind ratio and the yarn width determined as described above. The method described in Japanese Patent Publication No. 62-46468 may be the same.
[0020]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
Example 1 (levels 1 to 7), Comparative Example 1 (levels 8 and 9)
A carbon fiber yarn having a fineness of 31,500 denier (number of filaments: 50,000) is wound around a paper tube having an inner diameter of 82 mm and a length of 280 mm while keeping the yarn width to 12 mm, and a square end type package is obtained. Had made. As shown in Tables 1 and 2, the amount of yarn shift was changed by changing the wind ratio, and the winding shape, winding density, and unwinding property of the resulting package were examined. Among the obtained packages, those with particularly good winding shape and unwinding property were obtained at level 2.
[0021]
Comparative Example 2 (levels 10 and 11)
A carbon fiber yarn having a fineness of 7,200 denier (the number of filaments: 12,000) is kept at a yarn width of 7 mm, wound around a paper tube having the same inner diameter and length as in Example 1, with a winding width of 250 mm. I made an end-type package. As shown in Table 3, the winding ratio was changed, and the winding shape, winding density, and unwinding property of the obtained package were examined. All of the packages obtained were inferior in winding form and unraveling properties.
[0022]
[Table 1]

[0023]
[Table 2]

[0024]
[Table 3]

[0025]
As can be seen from the results of Example 1, by satisfying the requirements stipulated in the present invention (level 2: particularly in this case, a fraction of the wind ratio), even with a carbon fiber yarn having a large fineness, the winding density, the winding A package with a good appearance and unraveling ability can be obtained.
[0026]
【The invention's effect】
As described above, according to the carbon fiber package and the manufacturing method thereof of the present invention, a carbon fiber yarn having a particularly high fineness has a high winding density and a good winding shape, and does not easily collapse and has a good unwinding property. It can be wound into the desired package form.

Claims

Square-end package of carbon fiber yarn with a fineness of 25,000 denier or more wound on a bobbin so that the yarn width per fineness is 0.15 × 10 ^{−3 to} 0.8 × 10 ⁻³ mm / denier The winding start and end twill angles are in the range of 10 to 30 ° and 3 to 15 °, respectively, and the fraction W ₀ in the wind ratio W is in the range of 0.12 to 0.88. Characteristic carbon fiber package.

The yarn being wound has a yarn shift of 10 to 70% of the average width of the yarn with respect to the yarn wound in the inner layer every 1 to 9 traverses. The carbon fiber package according to claim 1.

A square end type package by winding a carbon fiber yarn having a fineness of 25,000 denier or more on a bobbin so that the yarn width per fineness is 0.15 × 10 ^{−3 to} 0.8 × 10 ⁻³ mm / denier. When forming the winding, the winding start and end twill angles are in the range of 10 to 30 ° and 3 to 15 °, respectively, and the fraction W ₀ in the wind ratio W is in the range of 0.12 to 0.88. A method for producing a carbon fiber package.

The yarn misalignment of 10 to 70% of the average yarn width is imparted to the already wound yarn on every 1 to 9 traverses to the wound yarn. Carbon fiber package manufacturing method.