JP3826016B2

JP3826016B2 - テープ状プリプレグ

Info

Publication number: JP3826016B2
Application number: JP2001348957A
Authority: JP
Inventors: 惇典安永; 喜代治加田; 猛内藤; 洋一須山
Original assignee: Toho Rayon Co Ltd
Current assignee: Toho Rayon Co Ltd
Priority date: 2001-11-14
Filing date: 2001-11-14
Publication date: 2006-09-27
Anticipated expiration: 2021-11-14
Also published as: JP2003147100A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、テープ状プリプレグに係り、特に、長尺のテープ状プリプレグを形成してボビンに巻き取ったテープ状プリプレグの技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、航空機に使用される部品や、土木建築用の補強部材として、加工がしやすく、軽量で高強度な物が要求されている。そこで、強化繊維束に熱硬化樹脂を含浸させたテープ状プリプレグを使用し、所望の部品に加工・成形している。そして、このテープ状プリプレグは、シート状プリプレグを加工して製造されるので、シート状プリプレグの製造限界長さである数百メートル程度のものを裁断加工してなるテープ状プリプレグに同一幅のセパレータを貼りあわせてボビンに巻き取り、短尺のテープ状プリプレグとして提供されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。
すなわち、従来の数百メートル程度のテープ状プリプレグでは、複雑、かつ大型部品への加工・成形に対して十分に対応することができないといった問題がある。
【０００４】
つまり、加工・成形途中でボビンに巻かれていたテープ状プリプレグがすぐに無くなってしまうので、一旦作業を中断し、テープ状プリプレグの補充を頻繁に行わなければならず、作業効率の面での不都合が生じている。
【０００５】
また、複雑な形状の部品を加工している最中にテープ状プリプレグが無くなると、その時点から継続して作業を行うことができず、加工途中の部品を廃棄しなければならないといった問題も生じる。
【０００６】
また、テープ状プリプレグと同一幅のセパレータを貼り合せてボビンに整列巻きしたものを引き出しながら使用する場合、プリプレグに含浸した樹脂によって隣接するプリプレグ側面同士が接着されている場合がある。この場合、接着したテープ状プリプレグに余計な引っ張り力が加わって引きちぎられたり、テープ状プリプレグ側面の繊維がほつれたりしてしまうといった問題もある。
【０００７】
また、数百メートル程度のテープ状プリプレグをボビンにスパイラル巻きした場合、その綾角が必然的に大きくなってしまう。このような状態で巻かれたテープ状プリプレグを引き出しながら使用すると、プリプレグ同士が絡み合い、その結果、引きちぎられてしまうといった問題もある。
【０００８】
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであって、加工・成形に適した長尺のテープ状プリプレグを提供することを主たる目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的達成するために以下のような構成をとる。
すなわち、請求項１に記載の発明は、強化繊維束に樹脂を含浸させたテープ状プリプレグをボビンに巻き取ったテープ状プリプレグであって、短尺である複数本のテープ状プリプレグの端部同士を、その端部同士の樹脂が未硬化状態を維持したまま重ね合わせて接合し、かつ、これら接合部位を非接合部位の引っ張り応力と同レベルの引っ張り剪断応力を持つ長さ分だけ接合して長尺にしたテープ状プリプレグに、セパレータを重ね合わせてボビンに整列巻きにしている。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のテープ状プリプレグにおいて、前記短尺のテープ状プリプレグ同士の接合部の樹脂を加熱軟化させて接合している。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のテープ状プリプレグにおいて、前記短尺テープ状プリプレグ同士の接合部を圧着して接合している。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のテープ状プリプレグにおいて、前記重ね合わせた接合部を形成する各テープ状プリプレグの少なくとも端点の２箇所を含むように接合している。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のテープ状プリプレグにおいて、前記接合されて長尺化されたテープ状プリプレグをボビンに巻き取るときの綾角が、０．５〜２．０°の範囲に設定されている。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のテープ状プリプレグにおいて、前記長尺のテープ状プリプレグに貼り合わされるセパレータは、テープ状プリプレグの幅よりも広いことを特徴とするテープ状プリプレグ。
【００１６】
【作用】
本発明の作用は次のとおりである。
すなわち、請求項１に記載の発明によれば、短尺のテープ状プリプレグを接合して長尺のテープ状プリプレグが形成されるとともに、セパレータと重ね合わされて整列巻きされ、長尺のテープ状プリプレグが形成される。
【００１７】
また、請求項１に記載の発明によれば、テープ状プリプレグ同士が重ね合わされた接合部の樹脂が、未硬化状態で接合される。つまり、接合部の材質が変異（硬化）しないので、ムラ無く均一に整列巻きされる。また、この均一に整列巻きされたテープ状プリプレグを使用して部品を積層形成するときにおいても、接合部がそれ以外の部分の積層と同じ取り扱いが可能であり、加工・成形された部品などにムラが生じることがない。
【００１８】
請求項２に記載の発明によればテープ状プリプレグ中の樹脂の加熱軟化接着で、請求項３に記載の発明によればプリプレグに含浸した樹脂がゲル化することのない圧着によって、それぞれテープ状プリプレグに含浸した樹脂同士が未硬化状態で接合される。
【００１９】
請求項４に記載の発明によれば、テープ状プリプレグ同士の接合部において、各テープ状プリプレグの端点がそれぞれ接合される。つまり、接合部端部からの剥離が回避される。
【００２０】
請求項５に記載の発明によれば、テープ状プリプレグの巻き取り時の条件に応じて巻き取り綾角が０．５〜２．０°の範囲で巻き取られてゆく。つまり、テープ状プリプレグが均一に整列巻きされてゆく。
【００２１】
請求項６に記載の発明によれば、長尺のテープ状プリプレグには、テープ状プリプレグの幅よりも広い幅を有するセパレータが貼り合わされる。つまり、長尺のテープ状プリプレグに幅の広いセパレータを貼り合せてボビンに整列巻きすると、隣接するテープ状プリプレグの間にセパレータのはみ出し部分が介在し、隣接するテープ状プリプレグ側面同士が含浸された樹脂によって接着しないようにされている。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
なお、本実施例では、強化繊維束に熱硬化樹脂を含浸させた幅５ｍｍ、厚み、０．１５ｍｍ、長さ１０００ｍ以上のテープ状プリプレグをボビンに巻き取ったのものを例に採って説明する。ただし、テープ状プリプレグは上記条件に限定されるものではなく、適宜変更が可能である。以下、図を参照して説明する。
【００２３】
図１は、短尺のテープ状プリプレグをボビンに重ね巻きした図、図２はテープ状プリプレグ同士の接合部の縦断面図、図３は接合されて長尺化されたテープ状プリプレグがボビンに整列巻きされた斜視図である。
【００２４】
先ず、長さ１０００ｍ以上のテープ状プリプレグの形成、およびその構造について説明する。
本実施例に用いるテープ状プリプレグは、強化繊維束に炭素繊維の束を使用し、この炭素繊維の束に熱硬化剤が配合されたエポキシ樹脂を含浸したものである。なお、強化繊維としては、炭素繊維に限定されるものではなく、例えば、ガラス繊維、チラノ繊維、アラミド繊維などが挙げられる。
【００２５】
また、熱硬化樹脂はエポキシ樹脂に限定されるものではなく、例えば、ビスマレイミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂が挙げられる。また、これらの樹脂に配合される硬化剤として、例えば、ジアミノジフェニルメタン、ジアミノジフェニルスルホンなどの芳香族や、脂肪族アミンなどのルイス酸媒体などが挙げられる。
【００２６】
そして、上記テープ状プリプレグを用いて、図１に示す長さ、幅精度良く切断された１５０ｍの短尺のテープ状プリプレグＴをボビンＢ１に巻き上げたボビン巻きＰ１が予め形成されて準備される。この短尺のテープ状プリプレグＴには、幅５ｍｍ、厚み０．５μｍのポリエチレン製のセパレータＳ１を重ね合わせてボビンＢ１にロール状に重ね巻きされたものである。
【００２７】
この準備されたボビン巻きＰ１の短尺のテープ状プリプレグＴからセパレータＳ１を剥離しながらテープ状プリプレグＴを送り出し、複数個分のテープ状プリプレグＴの端部同士を重ね合わせて順番に接合してゆくことにより、長さ１０００ｍ以上のテープ状プリプレグＴが形成されることとなる。
【００２８】
つまり、図２のテープ状プリプレグ接合部の縦断面図に示すように、テープ状プリプレグＴの各端部Ｅ同士を例えば約５ｃｍずつ重ね合わせ、各テープ状プリプレグＴの最端部（端点）Ｅ１とＥ２のそれぞれ２箇所を接合している。なお、テープ状プリプレグＴの端部の重ね合わせ長さは、このテープ状プリプレグＴを使用して成形した部品の中に接合部が入り込んだ状態で、接合部以外の部分と同レベルの機械的特性を有する長さに設定されている。
【００２９】
以下に東邦テナックス株式会社製の１２０℃硬化型エポキシ樹脂系プリプレグＱ−Ｕ１１１（テープ幅：５ｍｍ、厚み：０．１５ｍｍ、樹脂含有率：３５％）を用いた場合の接合長さと引張強度の関係について説明する。
【００３０】
具体的には、接合部の長さを３、５、１０，１５ｃｍの４種類を使用し、１２０℃で２時間硬化した後、図２に示すテープ状プリプレグＴの左右両端を試験機でチャックして１ｍｍ／ｍｉｎの試験速度で引張試験を行なったところ、表１に示す結果を得ることができた。
【００３１】
【表１】

【００３２】
つまり、接合部なしの材料と、各接合部ありの材料の引張強度を比較すると、５ｃｍの接合部を有する材料と、接合部なしの材料とが同等の機械的特性を有することがわかる。
【００３３】
なお、接合条件としては、最端部Ｅ１とＥ２のそれぞれを、例えば、上下方向からヒータなどの加熱器で挟み込んで、例えば約１００〜１５０℃で１．０〜２．５秒間、押圧しながら熱を付加して溶着している。つまり、本実施例では、テープ状プリプレグＴに含浸されたエポキシ樹脂に配合されている硬化剤が反応せずに未硬化状態であり、かつ、エポキシ樹脂同士の層界面が互いに融合する程度に条件設定されている。
【００３４】
ここで接合条件が、溶着温度が低すぎたり、溶着時間が短すぎたりすると、エポキシ樹脂同士の層界面の融合が不充分となり、接合強度が低下する。つまり、ボビンに１０００ｍ以上も巻くと自重が重くなる。その結果、ボビンからテープ状プリプレグＴを引き出して使用する際に、その自重により過渡の引っ張り力が接合部Ｅに加わり、接合部Ｅが剥がれてしまうからである。
【００３５】
逆に、溶着温度が高すぎたり、溶着時間が長すぎたりすると、硬化剤が反応して硬化してしまう。つまり、このテープ状プリプレグＴをボビンに巻き取る時に、接合部Ｅが巻き取りアールになじまず、巻き取りムラが発生する。また、このテープ状プリプレグＴを利用して部品加工・成形する際にも硬化した接合部Ｅがムラとなり均質な部品を構成することができなくなるからである。
【００３６】
なお、接合条件は、上記条件に限定されるものではなく、テープ状プリプレグＴの厚みや、使用する樹脂などによって適宜に設定変更される。
【００３７】
また、接合部Ｅは、各テープ状プリプレグＴの端部Ｅ１およびＥ２のそれぞれを接合するものに限定されず、重なり合う部分の全面を接合してもよいし、３箇所以上の複数箇所を接合するようにしてもよい。
【００３８】
また、接合方法は、溶着に限定されるものではなく、例えば、圧着のように硬化剤が化学反応して硬化しない状態で接合できる方法でもよい。
【００３９】
以上のように接合部分の硬化剤が硬化しない条件を持って溶着することによって、全長にわたって同一コンディションを有する長尺のテープ状プリプレグＴを形成することができる。
【００４０】
次に上記構造を有するテープ状プリプレグＴをボビンに巻き取ったものについて説明する。
長尺化されたテープ状プリプレグＴのボビン巻きＰ２は、図３に示すように、テープ状プリプレグＴの上にセパレータＳ２が重ね合わされて円柱状のボビンＢ２に一緒に整列巻きされている。
【００４１】
セパレータＳ２は、テープ状プリプレグＴよりも幅の広い１０ｍｍのもので、その厚みは５０μｍのものが使用されている。つまり、セパレータＳ２は、テープ状プリプレグＴに貼り合せたとき、幅方向に２．５ｍｍずつはみ出すようになっている。このようにテープ状プリプレグＴの幅方向に少しずつセパレータＳ２がはみ出すことによって、整列巻きしたときに隣接するテープ状プリプレグＴの側面にセパレータＳ２が介在し、テープ状プリプレグＴに含浸された樹脂によって側面同士が接着しないようになっている。
【００４２】
なお、セパレータＳ２は、一般的に使用されるものであって、その素材は、例えば、ポリエチレンなどが挙げられる。
【００４３】
また、テープ状プリプレグＴとセパレータＳ２とは、ボビンＢ２に巻きムラが起こらないように、図４に示すように、ボビンＢ２の長手方向の軸心Ｘに直交するＹ軸と、このＹ軸に対するテープ状プリプレグＴの傾きとがなす開き角θ（以下、「綾角θ」という）でもってボビンＢ２の長手方向にトラバース（綾振り）されながら順次に整列巻きされてゆく。このとき、綾角θの範囲は、ボビンＢ２に巻き取られてゆくテープ状プリプレグＴの巻径と、巻き取られる位置、例えば、ボビンＢ２の中央領域と端部領域とでは異なり、０．５〜２．０°の範囲で逐次変更されて巻き取られている。さらに好ましい綾角θは、０．８〜１．５°である。
【００４４】
綾角θが０．５°未満であると隣接するテープ状プリプレグＴの側端部が互いに重なり合って巻き締まりが発生し、均一に整列巻きできないからである。
【００４５】
逆に、綾角θが２．０°を越えると隣接するテープ状プリプレグＴ間に隙間が生じ、巻き弛みが発生してしまうからである。
【００４６】
以上のように綾角θを制御してボビンＢ２に長尺化されたテープ状プリプレグＴを巻き取ってゆくことにより、均一なテープ状プリプレグＴのボビン巻きＰ２を形成することができる。
【００４７】
次に、上記構成を有するテープ状プリプレグＴのボビン巻きＰ２の製造工程について図を参照しながら具体的に説明する。
図５は長尺用のテープ状プリプレグＴとボビン巻きＰ２の製造装置の一実施形態を示した概略構成図、図６は巻き取り部の要部構成を示した図である。
この製造装置１は、大きく分けて、短尺のテープ状プリプレグＴを供給するテープ状プリプレグ供給部３と、接合機構部９と、セパレータＳ２を供給するセパレータ供給部１１と、巻き取り部１３とから構成されている。
【００４８】
テープ状プリプレグ供給部３には、装置水平方向に取り付けられた固定軸５に、長さ１５０ｍのテープ状プリプレグＴとセパレータＳ１とが一緒に重ね合わされて巻き取られた短尺のボビン巻きＰ１がボビン開口部を介して複数個並べて取り付けられている。そして短尺のボビン巻きＰ１からセパレータＳ１が剥離されながら順番にテープ状プリプレグＴが送り出されてゆく。このとき、剥離されたセパレータＳ１は、短尺のボビン巻きＰ１の上方に設けられたロール７によって巻き取られてゆく。
【００４９】
送り出されたテープ状プリプレグＴは、ガイドローラＲ１を介して接合機構部９に送られるとともに、ヒータからなる接合機構部９を通過してゆく。この接合機構部９では、通過してゆくテープ状プリプレグＴの終端部が来ると同時に、次の短尺のボビン巻きＰ１から送られてくるテープ状プリプレグＴの先端部とが重ね合わされる。そして、重ね合わされたテープ状プリプレグＴの各端部のそれぞれ２箇所が上下方向からヒータによって挟み込まれ、押圧されながら熱が印加されて溶着される。このとき、後段の巻き取り部１３は一時停止する。接合が完了すると巻き取り動作が再開する。
【００５０】
接合機構部９を通過したテープ状プリプレグＴは、ガイドローラＲ２およびＲ３を介して巻き取り部１３に送られる。同時にセパレータ供給部１１からもセパレータＳ２が、ガイドローラＲ４を介して巻き取り部１３に送られる。そして、ガイドローラＲ５でテープ状プリプレグＴとセパレータＳ２とが重ね合わされて巻き取り部１３のボビンＢ２に整列巻きされてゆく。
【００５１】
巻き取り部１３では、図６に示すように、基台１５に設けられた２本のレール１７上（図では１本）を、駆動部１９がボビンＢ２の長手方向にトラバースするようになっている。さらに、レール１７の両端部およびその手前部分にリミットスイッチＳＷ（ＳＷ１、ＳＷ２）がそれぞれ備えられている。
【００５２】
リミットスイッチＳＷ１は、ボビン端部領域に巻き取られるテープ状プリプレグＴがトラバース方向の転換をするときに、重なり合って不均一な巻き取り状態とならないように、駆動部１９のトラバース速度の切り替えを行っている。
【００５３】
つまり、駆動部１９が一方の端部に向かって移動してリミットスイッチＳＷ１を通過するとオン状態になり、駆動部１９の移動速度が速くなる。そして、最端部の到達した駆動部１９はリミットスイッチＳＷ２により移動方向が切り替えられて、他方に向かって移動する。このときの移動速度は速いままである。そして、リミットスイッチＳＷ１を通過すると速度が遅くなるようになっている。
【００５４】
このように、テープ状プリプレグＴが巻き取られるボビンＢ２の位置に応じて駆動部１９のトラバースの移動速度を制御することによって、ボビンＢ２の全周にわたって、均一にテープ状プリプレグＴを巻き取ることができる。もちろん、このとき、綾角θも制御されている。
【００５５】
以上のように、上記実施例では、順番に供給される各テープ状プリプレグＴの端部のそれぞれを温度および加熱時間を管理したヒータなどを用いて溶着することにより、接合部の熱硬化剤が未硬化状態を維持し、テープ状プリプレグＴの互いの端部が融合して接合される。つまり、全長にわたって同一コンディションであるテープ状プリプレグＴを形成することができる。
【００５６】
さらに、この長尺化されたテープ状プリプレグＴをボビンＢ２に整列巻きするときの綾角θおよびトラバース速度を管理することにより、巻きムラの無い均一な長尺のテープ状プリプレグＴのボビン巻きＰ２を形成することができる。
【００５７】
本発明は、上記の実施例に限らず、次のように変形実施することもできる。
セパレータＳ２が、テープ状プリプレグＴの下に位置してボビンＢ２に巻き取られるように形成してもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、請求項１に記載の発明によれば、短尺のテープ状プリプレグ同士を接合した部分が、接合していない部分の引っ張り剪断応力と同レベルの強度を持つ長さ分だけ接合するとともに、セパレータと一緒に整列巻きにすることによって、長尺のテープ状プリプレグをボビン巻き形成することができる。すなわち、複雑で大型の部品の加工・成形を行う時にテープ状プリプレグを頻繁に交換する必要がない。
【００５９】
また、請求項１に記載の発明によれば、短尺のテープ状プリプレグ同士を未硬化状態で接合して整列巻きにすることによって、巻きムラの無い均一なテープ状プリプレグを形成することができる。さらに、テープ状プリプレグの全長にわたって同一コンディションであるので、加工・成形部品にムラが発生することがない。
【００６０】
請求項２および請求項３に記載の発明によれば、テープ状プリプレグの接合部の樹脂を加熱軟化させたり（請求項２）、または圧着（請求項３）によって接合したりすることによって好適にテープ状プリプレグ同士を未硬化の状態で接合することができる。
【００６１】
請求項４に記載の発明によれば、接合部を形成する各テープ状プリプレグの端点をそれぞれ接合することによって、使用時もしくはボビンなどに整列巻きするときに端部からの剥離する不都合を回避することができる。
【００６２】
請求項５に記載の発明によれば、テープ状プリプレグの巻き取り時の綾角を０．５〜２．０°の範囲に設定変更することによりテープ状プリプレグをボビンに均一に巻き取ることができる。
【００６３】
請求項６に記載の発明によれば、テープ状プリプレグよりも幅広のセパレータをテープ状プリプレグに貼り合せる。つまり、ボビンに整列巻きしたときにテープ状プリプレグの幅方向に少しずつはみ出したセパレータが、隣接するテープ状プリプレグ間に介在することとなる。その結果、テープ状プリプレグの側面同士が接着するのを回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例に用いられる短尺のテープ状プリプレグをボビンにロール巻きした斜視図である。
【図２】本実施例のテープ状プリプレグ同士の接合面を示す縦断面図である。
【図３】本実施例に係る長尺のテープ状プリプレグをボビンに整列巻きした斜視図である。
【図４】テープ状プリプレグ巻き取り時の綾角を示した図である。
【図５】実施例装置の概略構成図である。
【図６】巻き取り部の要部構成を示した図である。
【符号の説明】
Ｐ１、Ｐ２ … ボビン巻き
Ｓ１、Ｓ２ … セパレータ
Ｔ … テープ状プリプレグ
Ｅ … 接合部
θ … 綾角
３ … テープ状プリプレグ供給部
９ … 接合機構部
１３ … 巻き取り部

Claims

強化繊維束に樹脂を含浸させたテープ状プリプレグをボビンに巻き取ったテープ状プリプレグであって、
短尺である複数本のテープ状プリプレグの端部同士を、その端部同士の樹脂が未硬化状態を維持したまま重ね合わせて接合し、かつ、これら接合部位を非接合部位の引っ張り応力と同レベルの引っ張り剪断応力を持つ長さ分だけ接合して長尺にしたテープ状プリプレグに、セパレータを重ね合わせてボビンに整列巻きにしたことを特徴とするテープ状プリプレグ。
請求項１に記載のテープ状プリプレグにおいて、
前記短尺のテープ状プリプレグ同士の接合部の樹脂を加熱軟化させて接合したことを特徴とするテープ状プリプレグ。
請求項１に記載のテープ状プリプレグにおいて、
前記短尺テープ状プリプレグ同士の接合部を圧着して接合したことを特徴とするテープ状プリプレグ。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のテープ状プリプレグにおいて、
前記重ね合わせた接合部を形成する各テープ状プリプレグの少なくとも端点の２箇所を含むように接合したことを特徴とするテープ状プリプレグ。
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のテープ状プリプレグにおいて、
前記接合されて長尺化されたテープ状プリプレグをボビンに巻き取るときの綾角が、０．５〜２．０°の範囲であることを特徴とするテープ状プリプレグ。
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のテープ状プリプレグにおいて、
前記長尺のテープ状プリプレグに貼り合わされるセパレータは、テープ状プリプレグの幅よりも広いことを特徴とするテープ状プリプレグ。