JP4386794B2

JP4386794B2 - 強化繊維布帛状物の製造方法

Info

Publication number: JP4386794B2
Application number: JP2004165192A
Authority: JP
Inventors: 和彦村本; 正孝杉山
Original assignee: Sakai Composites Corp
Current assignee: Sakai Composites Corp
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2024-06-03
Also published as: JP2005344240A

Description

本発明は、強化繊維布帛状物の製造方法に関し、更に詳しくは、強化繊維布帛状物の形成法、ならびに布帛状物の形態安定法として好適な強化繊維布帛状物の製造方法に関する。

強化繊維布帛状物の形成法ならびに布帛状物の形態安定法として、熱可塑性成分を含有する強化繊維布帛状物を加熱ロールに接触させながら通過させたり、また、遠赤外線を布帛状物に照射し、熱可塑性成分を非接触で加熱、溶融して強化繊維と接着する方法が知られている。

しかしながら、これらの方法には、下記のような問題があった。
（１）加熱ロール法
長い加熱ゾーンを設けることができるので、熱可塑性成分の融点をわずかに上回る比較的低温で融着処理ができる利点はあるが、設備が大きくなるので設置面積が大きくなり、運転操作やトラブル処理が行いがたい。また、布帛状物のトラブル処理の際、製造装置を停機させるが、たとえヒータに温度制御機能を持たせても、加熱ロールの温度追従性は悪いので、部分的に加熱時間が長い箇所が発生したり、また十分な加熱が行えず、均一な融着処理が困難である。

また、溶融した熱可塑性成分がローラ表面上に付着し、これがさらに処理布帛の表面に再接着するので、布帛の処理速度を上げると布帛の強化繊維糸条が目ずれし、処理速度を上げることができないという問題があった。
（２）遠赤外線ヒータ法
加熱ロール法に比べて比較的設備がコンパクトになるので、布帛状物の製造装置に装着させ、融着処理手段として多く用いられている。ただし、遠赤外線は、加熱ロール法に比べ温度追従性は良いが、布帛状物の融着処理領域が小さくなるので、熱可塑性成分の融点をはるかに上回る高温で布帛状物を融着処理する必要がある。ところが、高温で処理を行うと、トラブルで製造装置が停機したときに、遠赤外線に照射されている布帛状物が過熱され、強化繊維に付着しているサイジング剤や樹脂との接着を良くするカップリング剤に変質をもたらす。ときには、過熱された箇所が焦げつき、サイジング剤が硬くなることによって、布帛が部分的に剛くなり、繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰと呼称する）を成形する際の樹脂含浸性を阻害したり、また、表面が平滑なＦＲＰが得られないとの問題があった。

また、遠赤外線は、放射状に拡散照射されるので、製造装置のローラ等にも照射され高温となり、軸受け等を劣化させるので高温での処理ができなかった。このように処理温度に制限があるので、十分な融着効果を得るには処理速度を上げることができない、つまり、生産速度を上げることが困難であった。また、遠赤外線は、温度追従性が良くないので、昇温に時間がかかり、製造装置が停機した際、スタートアップに時間がかかるのみならず、ときには未融着の部分も発生し、均一な品質を有する布帛を得ることが困難であった。

以上のような方法に関連し、特許文献としては、熱可塑性成分を用いずに、熱硬化型マトリックス樹脂を繊維からなるシート状補強基材に溶融状態でコーティングして、非接触タイプの赤外線ヒーターで加熱して含浸、半硬化をさせて繊維補強シート状物を製造することが提案されている（特許文献１）。

しかし、この特許文献１記載の方法は、熱硬化性マトリックス樹脂を使用するものであって、熱可塑性成分を使用するものではなく、本発明とは樹脂の使用態様が相違する。

また、熱硬化性樹脂または／および熱可塑性樹脂を用いて、遠赤外線ヒーターを用いて加熱接着させるという方法が提案されている（特許文献２）。

しかし、この特許文献２に記載の方法は、織物の未融解、焦げつきという問題が発生することがあり、樹脂の加熱接着をうまく均斉に行うのがむずかしく、また、該特許文献２記載の発明においては第２の樹脂を使用するということも提案されているが、品質・品位の良い強化繊維布帛状物を生産性良く、製造するにはいまだ問題があった。
特開平８−１３２５３７号公報（特許請求の範囲）特開２００３−１３６５５０号公報（特許請求の範囲(請求項１、２、１３)、段落００４７）

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消し、生産性に優れ、かつ均一な品質を有する強化繊維布帛状物の製造方法を提供することにある。

上述した目的を達成する本発明の強化繊維布帛状物の製造方法は、以下の（１）の構成を有する。
（１）熱可塑性成分が被覆されたガラス繊維からなる補助糸と、炭素繊維糸条を交織して炭素繊維織物となした後、該炭素繊維織物を製織した織機上で、波長が０．８μｍ以上であり４μｍ以下である近赤外線〜中赤外線を、前記織機と連動されていてかつ前記炭素繊維織物生地の表面温度を非接触温度計で監視しながらコントローラーで加熱温度を制御して照射する赤外線照射機構により、線集光あるいは並行照射方式によって前記炭素繊維織物に対して照射し、非接触で前記熱可塑性成分を加熱、溶融させ、該溶融した熱可塑性成分で前記炭素繊維糸条を接着させることによる織物の目ずれ防止をした後、巻取ることを特徴とする強化繊維布帛状物の製造方法。

また、かかる本発明の強化繊維布帛状物の製造方法において、より具体的に好ましくは、以下の（２）〜（５）のいずれかの構成を有するものである。
（２）前記赤外線が、波長が０．８μｍ以上であり１．５μｍ以下の近赤外線であることを特徴とする上記（１）記載の強化繊維布帛状物の製造方法。
（３）前記赤外線が、波長が０．８μｍ以上であり１．０μｍ以下の近赤外線であることを特徴とする上記（１）記載の強化繊維布帛状物の製造方法。
（４）前記熱可塑性成分が、融点が８０〜１８０℃の低融点ポリマーであることを特徴とする上記（１）〜（３）のいずれかに記載の強化繊維布帛状物の製造方法。
（５）前記炭素繊維織物のよこ糸密度が０．１本／ｃｍ以上であり３本／ｃｍ以下であることを特徴とする上記（１）〜（４）のいずれかに記載の強化繊維布帛状物の製造方法。

請求項１にかかる本発明によれば、織機上にある炭素繊維織物に対して、波長が０．８μｍ以上であり４μｍ以下という特定の波長範囲の赤外線を照射し、短時間でかつ正確な温度コントロールのもとで、熱可塑性成分を非接触で加熱、溶融させ、熱可塑性成分で強化繊維を接着させることにより、炭素繊維織物の目ずれを防止することができるので、製織スピードを上げて強化繊維布帛状物として炭素繊維織物を製織することができ、かつ、焦げつきや未融解の問題も生ずることなく巻取ることができる。

特に、赤外線の波長が０．８μｍ以上であり、特に、１．５μｍ以下より好ましくは１．０μｍ以下の近赤外線を使用することにより、炭素繊維織物の未融解、焦げ付きを防止することができ、均一・均斉に優れた強化繊維布帛状物を高速で製造することができる。

前記赤外線を、特に、線状に集光していることにより、ロールへの過熱がなくなり巻き付きトラブルが発生することを防止できる。

赤外線照射を織機と連動させる方式を採用することにより、織物を最適な温度制御で均一に加熱することができ、これにより、早く安定した製織が可能となる。

以下、更に詳しく本発明の強化繊維布帛状物の製造方法について説明をする。

本発明の強化繊維布帛状物の製造方法は、熱可塑性成分が被覆されたガラス繊維からなる補助糸と、炭素繊維糸条を交織して炭素繊維織物となした後、該炭素繊維織物に対して、その織機上で、波長が０．８μｍ以上であり４μｍ以下である近赤外線〜中赤外線の赤外線を、該織機と連動されていてかつ前記炭素繊維織物生地の表面温度を非接触温度計で監視しながらコントローラーで加熱温度を制御して照射する赤外線照射機構により、線集光あるいは並行照射方式により照射し、非接触で、前記熱可塑性成分を加熱、溶融させ、前記熱可塑性成分で前記炭素繊維糸条を接着させることによる織物の目ずれ防止をした後、巻取ることを特徴とするものである。ここで、「非接触」とは、加熱される強化繊維布帛状物（炭素繊維織物）に対して、加熱手段・機構を接触させることなく加熱をおこなうことをいう。

図１は、本発明の強化繊維布帛状物を製造する方法の１実施態様例であり、同図において強化繊維である炭素繊維糸条からなるたて糸１は、ヘルド２の開口運動により熱可塑性成分が被覆されたガラス繊維糸からなるよこ糸３が織り込まれ、目止め前織物５となる。該目止め前織物５は、織前４から製品（織物）巻取り部１５までの間で最適温度に制御された近赤外線ヒーター１１により加熱され、該目止め前織物５中のよこ糸３の熱可塑性成分により、よこ糸３とたて糸１が融着され、目止め織物１４となる。目止め織物１４は、織物巻取り部１５に巻き取られる前に冷却パイプ１３により冷却され、巻き取り時の目止め織物同士の張り付きが防止される。図１において、６はキヌウケロール、７はガイドロール、８は服巻きロール、９はプレスロールである。

近赤外線ヒーター１１とは、特殊高効率ハロゲンランプを熱源とし、波長０．８μｍから４．０μｍ、好ましくは波長０．８μｍから１．５μｍ、より好ましくは波長０．８μｍから１．０μｍの赤外線を放射するヒーターである。図１において、１０は遮光板、１２は非接触温度計、１６は制御機である。

このようないわゆる近赤外線〜中赤外線といわれる赤外線を利用したヒーターを用いることにより、本発明者らの各種知見によれば、約４秒で所要の温度に達する。これにより温度コントロールが正確になるとともに、焦げつき、未融解を防止することができる。

本発明者らの各種知見によれば、遠赤外線ヒーターの場合、融解温度から安定融着温度帯に達するのに約１８０秒程度を要するようであれば、ＣＦ（炭素繊維）のサイジング剤およびＧＦ（ガラス繊維）のカップリング剤が過熱状態であり、焦げつきとなる。これに対して、本発明では、融解温度から安定融着温度帯到達時間が織物停止許容時間内であるので加熱状態が融着から焦げ付きの間でコントロールされている状態となり、焦げつき、未融解の問題が生ずることがないのである。

赤外線照射に当たり、照射パターンは、線集光タイプ、並行照射タイプのいずれも使用できるが、中では、線集光タイプを使用するのが良く、良好な集光性のもとでロール類の過熱がなく、更に、遮蔽版の併用をすることで、巻き付きなどのトラブルを防止することができる。

最適温度制御とは、織機スタート時は温度立ち上がりは早くなければならないので、あらかじめ設定した電圧で立ち上げ、所定の温度に達したらＰＩＤ制御の安定性の高い調整で制御し、ハンチングを防止しつつ、高い精度の温度制御をする方法である。本発明の方法では、かかる最適温度制御を２系統の制御方式を任意の温度で切り替えることにより、応答性と安定性を両立することができる。

本発明に用いる強化繊維としては、高強度、高弾性率の繊維が好ましいものであり、加熱、融着処理を行う際、繊維の特性を低下させないという観点で耐熱性に優れる炭素繊維を用いるものである。

また、熱可塑性成分としては、ナイロンポリマー、ポリエステルポリマー、ポリプロピレンやポリエチレンなどのオレフィン系ポリマー、ポリウレタンポリマーや塩化ビニルなどであってもよいが、融着処理を低温で効率良く行うという観点で８０〜１８０℃の低融点ポリマーが好ましい。

熱可塑性成分は、繊維状であるのが好ましいものであり、特に、熱可塑性繊維が、ガラス繊維糸からなる補助糸(補助芯糸)を被覆して、被覆糸（カバリングヤーン）として形成されているものが、交織を容易として本発明にかかる強化繊維布帛を得ることを容易とする点で好ましい。被覆手段はいわゆるカバリング機を用いて行うことがよい。

熱可塑性成分は、融点が８０〜１８０℃の低融点ポリマーであることが好ましい。この理由は、本発明によって得られる布帛状物が、低温や常温の範囲内で扱われる場合は問題ないものの、布帛状物をＦＲＰにしたときに融点が８０℃以下であると、このＦＲＰは高温下では熱可塑性成分が軟らかくなる。従って、このＦＲＰに引張り、圧縮やせん断などの応力が作用するともはや熱可塑性成分の部分は軟らかくなっているので、これら応力を支えることができず、強度や剛性といった機械的性質が低下すること、すなわち、耐熱性が低下するので好ましくないものである。また、該融点が１８０℃よりも高いものである場合には、加熱容易性の点で好ましくないものである。

本発明にかかる強化繊維布帛状物は、炭素繊維織物を用いているが、そのよこ糸の織密度は、よこ糸織り密度が０．１本／ｃｍ以上であり、３本／ｃｍ以下であることが好ましい。たて糸のクリンプによる強度低下防止の理由による。

また、強化繊維布帛状物が織物であり、赤外線照射機構を織機と連動させ、該炭素繊維織物生地の表面温度を非接触温度計で監視しながら、コントローラーで加熱温度を制御して前述した波長が０．８μｍ以上であり４μｍ以下という特定波長の近〜中赤外線を照射することが重要である。ここで、「連動」とは、織機の運転とヒーターの点灯の同調をいい、織物生地の表面温度を監視するときの該「織物生地の表面温度」とは、織物の融着工程における織物のヒーター側の温度のことをいう。

また、「制御」とは、具体的には、織物生地の表面温度を安定融着温度帯に維持することができるように赤外線照射機構をコントロールして運転することを言う。

実施例１
図１に示した形態で波長が１μｍの近赤外線ヒーター(線集光式)１１を設置し、目付２００ｇ／ｍ^２の織物（よこ糸の織密度；２．４本／ｃｍ）を回転数１５０ｒｐｍで製織したとき、約４秒で融着可能温度の１４０℃に達し、約６秒後には安定融着温度の１５５℃に達し、約±２度で安定し、安定した製織ができた。

このとき、たて糸には市販の炭素繊維糸Ｔ７００ＳＣ−１２Ｋ−Ｆ０Ｅ（東レ株式会社製）を用い、よこ糸には芯糸をガラス繊維として、その周囲を融点が１２０℃の熱可塑系合成繊維でカバリング被覆させたカバリング糸を用いて、交織した。よこ糸の織り密度は２．４本／ｃｍであった。

温度制御には、温度立ち上がり時と安定時の２系統の制御パラメーターを使用し、温度立ち上がり時は、予め設定した出力量(約５０％)ですばやく立ち上げ、安定時は非接触温度計からのフィードバックと制御パラメーターを比例帯を大にすることにより、温度の立ち上がりの良さと安定性を両立させることができた。織機には、メインモーターの周波数変換機を調整し約１０秒のスロースタートをかけ、ヒーターと連動させた。また、織機停止時もほぼ瞬時に温度が下がり、織物の焦げつきを防止できた。

比較例１
図１に示した態様で、波長が５μｍの遠赤外線ヒーターを設置し、他は実施例１と同様にして、目付２００ｇ／ｍ^２の織物を１５０ｒｐｍで製織した。

このとき、織物に未融解の部分が発生した。この原因は熱量不足が原因と考えられるものであった。回転数１００ｒｐｍが限界速度であった。ヒーターの予熱には約１０分を要したが、織物に焦げつきが生じた。織機停止時にヒーターをすぐに切っても織物に焦げつきを生じた。

図１は、本発明の強化繊維布帛状物の製造方法を説明するための織機部分の概略モデル図である。

符号の説明

１：たて糸
２：ヘルド
３：よこ糸
４：織前
５：目止め前織物
６：キヌウケロール
７：ガイドロール
８：服巻きロール
９：プレスロール
１０：遮光板
１１：近赤外線ヒーター
１２：非接触温度計
１３：冷却パイプ
１４：目止め織物
１５：織物巻き取り部
１６：制御機

Claims

熱可塑性成分が被覆されたガラス繊維からなる補助糸と、炭素繊維糸条を交織して炭素繊維織物となした後、該炭素繊維織物を製織した織機上で、波長が０．８μｍ以上であり４μｍ以下である近赤外線〜中赤外線を、前記織機と連動されていてかつ前記炭素繊維織物生地の表面温度を非接触温度計で監視しながらコントローラーで加熱温度を制御して照射する赤外線照射機構により、線集光あるいは並行照射方式によって前記炭素繊維織物に対して照射し、非接触で前記熱可塑性成分を加熱、溶融させ、該溶融した熱可塑性成分で前記炭素繊維糸条を接着させることによる織物の目ずれ防止をした後、巻取ることを特徴とする強化繊維布帛状物の製造方法。
前記赤外線が、波長が０．８μｍ以上であり１．５μｍ以下の近赤外線であることを特徴とする請求項１記載の強化繊維布帛状物の製造方法。
前記赤外線が、波長が０．８μｍ以上であり１．０μｍ以下の近赤外線であることを特徴とする請求項１記載の強化繊維布帛状物の製造方法。
前記熱可塑性成分が、融点が８０〜１８０℃の低融点ポリマーであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の強化繊維布帛状物の製造方法。
前記炭素繊維織物のよこ糸密度が０．１本／ｃｍ以上であり３本／ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の強化繊維布帛状物の製造方法。