JP4617912B2 - Carbon fiber dividing method and sheet molding compound manufacturing method - Google Patents

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  • Yarns And Mechanical Finishing Of Yarns Or Ropes (AREA)

Description

本発明は、例えば自動車部材、スポーツ用具等に好適に用いられる短繊維強化プラスチックの強化繊維を製造する方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a reinforced fiber of a short fiber reinforced plastic that is suitably used for, for example, an automobile member, a sports equipment and the like.

強化繊維とマトリックス樹脂からなる繊維強化プラスチックは、比強度、比弾性率が高く、力学特性に優れること、耐候性、耐薬品性などの高機能特性を有することなどから産業用途においても注目され、その需要は年々高まりつつある。   Fiber reinforced plastic consisting of reinforced fiber and matrix resin is attracting attention in industrial applications because it has high specific properties, high specific modulus, excellent mechanical properties, weather resistance, chemical resistance, etc. The demand is increasing year by year.

強化繊維のなかでも、炭素繊維は、比強度、比弾性率が最も高く、部材を大幅に軽量化できることから、自動車部材や、人が利用するスポーツ用具に実用化が進んでいる。炭素繊維は、通常、繊維一本の太さが数ミクロン〜数十ミクロンの炭素繊維フィラメントが数万本から数十万本集合してなるストランド形態で使用される。(炭素繊維ストランドを構成する炭素繊維フィラメントの本数を、以降、フィラメント数と記載し、単位を付さずに表すこととする:業界では1000をKと表し例えば3000を3Kと称す)
近年では、炭素繊維自体の製造コストを下げる目的、部材の製造コストダウンを目的として、フィラメント数が1万(10K)以上で構成される炭素繊維ストランドが実用化されている。フィラメント数が1万以上の炭素繊維ストランドは、フィラメント本数が多い結果として外観的に太くなることから、太物ストランドと呼ばれる。(以降、簡略化のため、これに倣って、太物ストランドと記載する)
太物ストランドはコストが下がる一方で、これを強化繊維として用いた複合材料は、機械物性が低下する傾向にある。たとえば、非特許文献1には、炭素繊維ストランドのフィラメント数が増えるほど、シートモールドコンパウンド(SMC)成形で得られた複合材料の強度と弾性率が低下することが示されている。
Among the reinforcing fibers, carbon fibers have the highest specific strength and specific elastic modulus, and the members can be significantly reduced in weight, so that they are being put to practical use in automobile members and sports equipment used by humans. Carbon fibers are usually used in the form of strands in which tens of thousands to hundreds of thousands of carbon fiber filaments having a thickness of several microns to several tens of microns are aggregated. (Hereinafter, the number of carbon fiber filaments constituting the carbon fiber strand will be described as the number of filaments and expressed without units: in the industry, 1000 is represented as K, for example, 3000 is referred to as 3K)
In recent years, carbon fiber strands composed of 10,000 (10K) or more filaments have been put into practical use for the purpose of reducing the manufacturing cost of the carbon fiber itself and reducing the manufacturing cost of the member. Carbon fiber strands having a number of filaments of 10,000 or more are called thick strands because they increase in appearance as a result of the large number of filaments. (Hereafter, for simplification, this is referred to as a thick strand)
While the cost of the thick strands is reduced, the composite material using the thick strands as the reinforcing fibers tends to have reduced mechanical properties. For example, Non-Patent Document 1 shows that the strength and elastic modulus of a composite material obtained by sheet mold compound (SMC) molding decrease as the number of filaments of carbon fiber strands increases.

また、太物ストランドを細く分割して使用する検討がなされている。特許文献1では、スプリットトウという表現でフィラメント数が48000(48K)の炭素繊維ストランドを、頂部(crown)のある拡幅棒(spreading bar)と溝(groove)付きの分割棒(splitting bar)を通過させることで、フィラメント数が数千単位の細い炭素繊維ストランドに分割する装置が開示されている。   In addition, studies have been made to divide and use thick strands. In Patent Document 1, a carbon fiber strand having the number of filaments of 48000 (48K) expressed as split tow passes through a spreading bar with a crown and a splitting bar with a groove. By doing so, an apparatus for dividing the carbon fiber strand into thin carbon fiber strands having thousands of filaments is disclosed.

通常、炭素繊維ストランド中の炭素繊維フィラメント同士の位置関係は一定ではない。すなわち、炭素繊維ストランド中の炭素繊維フィラメントの一本を長手方向にトレースしていくと、炭素繊維ストランドの外側の見える部分にきたり、炭素繊維ストランドの内部の外からは見えない箇所に入り込んだり、また左右に振れたり、螺旋状になっていたりする。このため、特許文献1のように、太物ストランドを溝付きの棒/ロールを通過させて分割するという方法では、連続処理する炭素繊維のストランド長が長いと、次第に炭素繊維ストランドが回転し、撚りが溜まって、炭素繊維ストランドを巻き取ることができなくなったり、撚りによって炭素繊維ストランドが切断されたりして分割できなくなる。溜まった撚りを取り除くためには、装置を停機させなければならず、連続生産が出来ないという問題があった。
米国特許第6385828号明細書 N. Tsuchiyama, “The Mechanical Properties of Carbon Fiber SMC”, Proceedings of the Fourth International Conference on Composite Materials (ICCM−IV), 1982, p.497−503
Usually, the positional relationship between the carbon fiber filaments in the carbon fiber strand is not constant. In other words, when one of the carbon fiber filaments in the carbon fiber strand is traced in the longitudinal direction, the carbon fiber strand can be seen outside the carbon fiber strand, or the carbon fiber strand can be seen from outside the inside, It also swings from side to side or spirals. For this reason, as in Patent Document 1, in the method of dividing a thick strand through a grooved rod / roll, if the strand length of the carbon fiber to be continuously processed is long, the carbon fiber strand gradually rotates, Twist accumulates and the carbon fiber strand cannot be wound up, or the carbon fiber strand is cut by the twist and cannot be divided. In order to remove the accumulated twist, there was a problem that the apparatus had to be stopped and continuous production was not possible.
US Pat. No. 6,385,828 N. Tsuchiyama, “The Mechanical Properties of Carbon Fiber SMC”, Proceedings of the Fourth International Materials (ICCM-IV), 1988. 497-503

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み、連続した炭素繊維ストランドを、よりフィラメント数の少ない炭素繊維ストランドに連続的に分割する方法を提供する。   The present invention provides a method of continuously dividing continuous carbon fiber strands into carbon fiber strands having a smaller number of filaments in view of the problems of the prior art.

本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。すなわち、
(1)炭素繊維ストランドを、複数本のよりフィラメント数の少ない炭素繊維ストランドに分割する炭素繊維ストランドの分割方法であって、連続した炭素繊維ストランドに張力をかけながら連続走行させ、走行途中に配した、凸面の曲率半径(R)が50〜500mmの範囲内にある拡幅治具で該炭素繊維ストランドを拡幅すると同時に、拡幅状態の炭素繊維ストランドを、該炭素繊維ストランドの走行方向と平行に回転し、周速が、炭素繊維ストランドの走行速度より5〜20%速い切断刃により一部の炭素繊維フィラメントを切断することを特徴とする炭素繊維ストランドの分割方法。
(2)分割前の炭素繊維ストランドのフィラメント数が、10000(10K)〜400000(400K)である(1)記載の炭素繊維ストランドの分割方法。
(3)前記拡幅治具上でのストランドの幅(W2)と、拡幅前の走行中のストランドの幅(W1)の比(W2/W1)が、2〜10の範囲内である(1)ないし(2)のいずれかに記載の炭素繊維ストランドの分割方法。
(4)前記拡幅治具が、炭素繊維の走行方向に回転する円筒体である(1)〜(3)のいずれかに記載の炭素繊維ストランドの分割方法。
(5)走行中の炭素繊維ストランドに液体を切断工程直前に付与する(1)〜(4)のいずれかに記載の炭素繊維ストランドの分割方法。
(6)(1)〜(5)のいずれかに記載の分割方法を用いて分割した炭素繊維ストランドを切断して、不連続の炭素繊維ストランドとした後に、該不連続の炭素繊維ストランドを樹脂フィルム上に分散させる工程を有する、シートモールディングコンパウンドの製造方法。
The present invention employs the following means in order to solve such problems. That is,
(1) A carbon fiber strand dividing method for dividing a carbon fiber strand into a plurality of carbon fiber strands having a smaller number of filaments. The carbon fiber strand is continuously run while tension is applied to the continuous carbon fiber strand, and is arranged during the running. was, at the same time as the curvature of the convex surface radius (R) is widening the carbon fiber strands widening jig in the range of 50 to 500 mm, a carbon fiber strand of the expansion width state, parallel to the running direction of the carbon fiber strands A method for splitting carbon fiber strands, wherein a part of the carbon fiber filaments is cut with a cutting blade that rotates and has a peripheral speed 5 to 20% faster than the running speed of the carbon fiber strands.
(2) The carbon fiber strand splitting method according to (1), wherein the number of filaments of the carbon fiber strand before splitting is 10,000 (10K) to 400,000 (400K).
(3) The ratio (W2 / W1) of the width (W2) of the strand on the widening jig and the width (W1) of the running strand before widening is in the range of 2 to 10 (1) The division | segmentation method of the carbon fiber strand in any one of thru | or (2).
(4) The carbon fiber strand dividing method according to any one of (1) to (3), wherein the widening jig is a cylindrical body that rotates in a running direction of the carbon fiber.
(5) The carbon fiber strand dividing method according to any one of (1) to (4), wherein a liquid is applied to the running carbon fiber strand immediately before the cutting step.
(6) After cutting the carbon fiber strand divided by using the dividing method according to any one of (1) to (5) to form a discontinuous carbon fiber strand, the discontinuous carbon fiber strand is resinized. A method for producing a sheet molding compound, comprising a step of dispersing on a film.

本発明によれば、フィラメント数の多い炭素繊維ストランドからフィラメント数の少ない炭素繊維ストランドを効率よく連続生産することが可能となり、コストダウンが可能となる。これにより、フィラメント数の多い炭素繊維ストランドを原料として使いながらも、フィラメント数の少ない炭素繊維ストランドを用いた場合に近いコンポジットの強度や剛性を得ることが可能となり、部材の軽量化が可能となる。   According to the present invention, it is possible to efficiently and continuously produce carbon fiber strands having a small number of filaments from carbon fiber strands having a large number of filaments, thereby reducing costs. This makes it possible to obtain the strength and rigidity of a composite that is close to the case of using a carbon fiber strand with a small number of filaments while using a carbon fiber strand with a large number of filaments as a raw material, and the weight of the member can be reduced. .

さらに、フィラメント数の多い炭素繊維ストランドをフィラメント数の少ない炭素繊維ストランドに分割する効果として、梱包の形態が変化できたり、短繊維に切断しやすくしたり、製品の厚みを薄くしたりすること等、様々な工業的価値が期待できる。   Furthermore, as an effect of dividing a carbon fiber strand having a large number of filaments into carbon fiber strands having a small number of filaments, the form of packaging can be changed, the fiber can be easily cut into short fibers, the thickness of the product is reduced, etc. Various industrial values can be expected.

また、分割したフィラメント数の少ない炭素繊維ストランドを連続的に切断し、短繊維とすることで、SMCなどの不連続繊維基材にも適した強化繊維を連続的に生産することも可能となることから、SMC製の自動車部材、スポーツ用具部材などを軽量、低コストで生産可能となる。   Moreover, it becomes possible to continuously produce reinforcing fibers suitable for discontinuous fiber base materials such as SMC by continuously cutting carbon fiber strands with a small number of filaments into short fibers. Therefore, it is possible to produce SMC automobile members, sports equipment members, and the like at a light weight and low cost.

以下に本発明を実施するための最良の形態を図1(側面図)と図2(平面図)を用いて説明する。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to FIG. 1 (side view) and FIG. 2 (plan view).

まず、本発明は、連続した炭素繊維ストランドを、複数本のよりフィラメント数の少ない炭素繊維ストランドに分割する方法である。連続した炭素繊維とは、通常ボビンに巻かれたパッケージで取り扱われており、プリプレグやSMC(シートモールディングコンパウンド)等の成形基材の製造に使用される、長さが数百mから数千mの炭素繊維のことである。炭素繊維ストランドとは、1000本以上の炭素繊維フィラメントの集合体ことであり、生産効率を向上させるために、最近では数十万本の炭素繊維フィラメントからなる炭素繊維ストランドが実用化されている。   First, the present invention is a method of dividing a continuous carbon fiber strand into a plurality of carbon fiber strands having a smaller number of filaments. Continuous carbon fiber is usually handled in a package wound around a bobbin, and is used to manufacture molding base materials such as prepreg and SMC (sheet molding compound). The carbon fiber. A carbon fiber strand is an aggregate of 1000 or more carbon fiber filaments. Recently, carbon fiber strands composed of several hundred thousand carbon fiber filaments have been put into practical use in order to improve production efficiency.

炭素繊維は、90%以上が炭素からなり、弾性率は150〜800GPa、強度3〜7GPaのものが知られている。本発明が炭素繊維に限定するのは、炭素繊維は、ガラス繊維等に比べ繊維径が数μm(6〜9μm)と小さく、このため、成形中に繊維が丸まってしまい(所謂腰がない様態となり)、文献1にあるように、繊維の本数によって、強度低下が顕著となるからである。すなわち、この炭素繊維特有の取扱い上の問題に取り組んだものだからである。   The carbon fiber is known to have 90% or more of carbon, an elastic modulus of 150 to 800 GPa, and a strength of 3 to 7 GPa. The present invention is limited to the carbon fiber. The carbon fiber has a fiber diameter as small as several μm (6 to 9 μm) as compared with the glass fiber or the like. This is because, as described in Document 1, the decrease in strength becomes significant depending on the number of fibers. In other words, it is because the problem on handling peculiar to this carbon fiber was tackled.

汎用の炭素繊維ストランドのフィラメント数は、通常、10000(10K)以上であり、太物ストランドと呼ばれる。フィラメント数が多すぎると後述する拡幅と切断が困難になるので、上限は、400000(400K)程度である。また、10000(10K)以下は、機械物性にもそこそこ優れるので、分割する必要性は低い。本発明で最も好ましいストランドのフィラメント数は、24000〜60000(24K〜60K)である。また、分割する数は、多く(よりフィラメント数の少ない炭素繊維ストランドへと)分割すればするほど、部材中の繊維の分布が均一になり、機械物性(強度、弾性率)が向上すると同時に薄い肉厚の部材の製造が可能となり、好ましい。但し、多く分割するには、後述する切断刃の数が増えてコストアップにつながるので、1000〜4000(1〜4K)本の範囲が好ましい。すなわち、太物ストランドのフィラメント数が12000(12K)本の場合は、3〜12本の炭素繊維ストランドに分割することが適当である。   The number of filaments of a general-purpose carbon fiber strand is usually 10,000 (10K) or more and is called a thick strand. If the number of filaments is too large, widening and cutting described later will be difficult, so the upper limit is about 400,000 (400K). Moreover, since it is excellent also in a mechanical physical property below 10,000 (10K), the necessity for dividing | segmenting is low. The filament number of the most preferable strand in the present invention is 24,000 to 60000 (24K to 60K). Also, the more the number is divided (to a carbon fiber strand having a smaller number of filaments), the more uniform the fiber distribution in the member is, and the mechanical properties (strength, elastic modulus) are improved and the thickness is reduced. A thick member can be manufactured, which is preferable. However, in order to divide many, the number of cutting blades to be described later increases, leading to an increase in cost, so a range of 1000 to 4000 (1 to 4K) is preferable. That is, when the number of filaments of the thick strand is 12000 (12K), it is appropriate to divide into 3 to 12 carbon fiber strands.

本発明では、まず、連続した炭素繊維ストランドに張力をかけながら連続走行させることが必要である。張力をかけることでストランドの弛みを無くし、後述する切断刃での繊維の切断か可能となる(図1の矢印の方向が走行方向を示す)。連続走行とは、張力により連続した炭素繊維ストランドを一定方向に移動させることで、連続生産のために必要な動作である。連続走行させるためには、炭素繊維ストランドの一端に駆動力のあるワインダーや、回転ロールに炭素繊維ストランドを巻き付けたり、摩擦を有するチャックなどで炭素繊維ストランドを引っ張り駆動力を作用させて移動させる必要がある。同時に、分割前の炭素繊維ストランドは、ボビン(2)に巻き付けるなどして、糸が繰り出せるようにクリールスタンド等にセットしておく必要がある。好ましくは、ボビン(2)に巻いた炭素繊維ストランドをクリールスタンドに取り付け、ストランド端を切断刃(3)以後に設置したワインダーで巻き取って走行させる。   In the present invention, first, it is necessary to continuously run the carbon fiber strands while applying tension. By applying tension, loosening of the strand is eliminated and the fiber can be cut with a cutting blade described later (the direction of the arrow in FIG. 1 indicates the traveling direction). Continuous running is an operation necessary for continuous production by moving continuous carbon fiber strands in a certain direction by tension. In order to run continuously, it is necessary to move the carbon fiber strand by applying a driving force by pulling it with a winder with driving force at one end of the carbon fiber strand, winding the carbon fiber strand around a rotating roll, or chucking with friction There is. At the same time, the carbon fiber strands before being divided need to be set on a creel stand or the like so that the yarn can be fed out, for example, by winding it around a bobbin (2). Preferably, the carbon fiber strand wound around the bobbin (2) is attached to a creel stand, and the strand end is wound and run by a winder installed after the cutting blade (3).

次に、走行途中に配した拡幅治具(4)で分割前の炭素繊維ストランド(1)を拡幅する。拡幅することで、ストランドの厚みが減り、分割が容易となる。また、分割後の炭素繊維ストランド幅の精度も向上する。ストランド幅とは、文字通り、炭素繊維ストランドの長手方向に垂直な面内での最大長さを指し、ノギスなどで測定が可能である。   Next, the carbon fiber strand (1) before the division is widened by the widening jig (4) disposed in the middle of traveling. By widening, the thickness of the strand is reduced and the division becomes easy. Moreover, the precision of the carbon fiber strand width | variety after a division | segmentation improves. The strand width literally refers to the maximum length in a plane perpendicular to the longitudinal direction of the carbon fiber strand, and can be measured with calipers or the like.

尚、本発明では、炭素繊維ストランドを炭素繊維のストランド長手方向に切断することから、炭素繊維ストランドに張力をかけた状態で拡幅する必要があり、拡幅治具(4)は、円筒ローラーのように、炭素繊維ストランドの長手方向に対して凸面(5)を有していて、その凸面で炭素繊維ストランドと接触していることが必要である。具体的には、断面が円状や楕円形状をした丸棒や回転ロール、カマボコ形状の棒状体などあるが、炭素繊維ストランドに作用する張力で大きく変形したり、壊れない強度が必要である。凸面に張力の作用する炭素繊維ストランドが接触すると炭素繊維ストランドの厚み方向に力が作用して、炭素繊維ストランドは水平方向に広がる。また、炭素繊維ストランドは、張力で拡幅治具上に固定されることから弛まず、後述する切断刃(3)での切断が可能となる。 In the present invention, since the carbon fiber strand is cut in the longitudinal direction of the carbon fiber strand, it is necessary to widen the carbon fiber strand in a tensioned state. The widening jig (4) is like a cylindrical roller. Furthermore, it is necessary to have a convex surface (5) with respect to the longitudinal direction of the carbon fiber strand and to be in contact with the carbon fiber strand on the convex surface. Specifically, there are a round bar, a rotating roll, a stick-shaped bar-shaped body having a circular or elliptical cross section, etc., but it is necessary to have a strength that is not greatly deformed or broken by the tension acting on the carbon fiber strand. When the carbon fiber strand acting on tension comes into contact with the convex surface, a force acts in the thickness direction of the carbon fiber strand, and the carbon fiber strand spreads in the horizontal direction. Further, since the carbon fiber strand is fixed on the widening jig by tension, the carbon fiber strand does not loosen and can be cut with a cutting blade (3) described later.

拡幅治具の凸面の曲率半径(R)は、50〜500mmの範囲内である必要がある。本範囲内であると、炭素繊維ストランドが拡幅治具と接触している距離(区間)、時間を十分長くできて、切断刃を複数設置しても切断することが可能となるからである。 Curvature of the convex surface of the widening tool radius (R) is required in the range of 5 0-500 mM. This is because within this range, the distance (section) where the carbon fiber strand is in contact with the widening jig and the time can be made sufficiently long, and cutting can be performed even if a plurality of cutting blades are installed.

最も好ましい拡幅治具は、回転可能な円筒ローラーである。ローラーの凸面に張力の作用するストランドが接触するとストランドの厚み方向に力が作用して、炭素繊維ストランドは水平方向に広がる(潰れる)と同時に、回転が可能であるため、炭素繊維ストランドを複数回巻き付けて張力の調整(炭素繊維ストランドが解けるのを抑制する)が可能であり、かつ、後述する切断刃と最接近する箇所が逐次変化するので、ローラーの局所摩耗がなく、長時間の連続運転が可能となるからである。また、糸切れも抑制できる。   The most preferred widening jig is a rotatable cylindrical roller. When a strand with tension acts on the convex surface of the roller, a force acts in the thickness direction of the strand, and the carbon fiber strand spreads (collapses) in the horizontal direction and at the same time can be rotated. It is possible to adjust the tension by winding (to prevent the carbon fiber strands from unraveling), and since the location closest to the cutting blade, which will be described later, changes sequentially, there is no local wear on the rollers and continuous operation for a long time. This is because it becomes possible. Further, yarn breakage can be suppressed.

拡幅治具(4)の好ましい材質は、スチール、アルミニウムなどの金属製あるいはテフロン(登録商標)製などで、治具の表面は、摩擦による劣化を抑制するために、ニッケルやフッ素コーティングを施したり、ラバーやプラスチックフィルムなどの保護カバーを装着させてあっても差し支えない。さらに、拡幅治具は、切断刃と接触する可能性もあるので、取り替えが容易な保護カバーを施すことも好ましい一態様である。   The preferred material for the widening jig (4) is made of metal such as steel or aluminum, or made of Teflon (registered trademark), and the surface of the jig is subjected to nickel or fluorine coating to suppress deterioration due to friction. You can also put on a protective cover such as rubber or plastic film. Further, since the widening jig may come into contact with the cutting blade, it is also a preferable aspect to provide a protective cover that can be easily replaced.

尚、炭素繊維ストランドを拡幅する方法としては、拡幅治具を振動させながら炭素繊維ストランドの幅を大きくする技術(例えば、特開平1−280040)や、拡幅治具の前に、水力や空気力を利用した、ウオタージェット法やエアーで炭素繊維ストランドの幅を広げる技術(例えば、特開平1−321944)を適用することが可能である。但し、水力や空気力では、張力を緩めて繊維の幅を広げるため、炭素繊維ストランド中のフィラメントの一部が破断して、毛羽が発生したり、切断したフィラメントがローラーに巻き付くので、連続運転のためには、破断したフィラメントを空気を吹き付けるなどして除去する対策をすることが好ましい。   In addition, as a method of widening the carbon fiber strand, a technique of increasing the width of the carbon fiber strand while vibrating the widening jig (for example, JP-A-1-280040) or before the widening jig, hydraulic power or pneumatic force It is possible to apply a technique (for example, JP-A-1-321944) for expanding the width of the carbon fiber strands using a water jet method or air. However, in the case of hydraulic power or pneumatic power, the tension is relaxed to widen the fiber, so that part of the filament in the carbon fiber strand breaks and fluff is generated, or the cut filament is wound around the roller. For operation, it is preferable to take measures to remove the broken filament by blowing air or the like.

拡幅した炭素繊維ストランドの幅は、炭素繊維ストランド中のフィラメント数に依存するが、フィラメント数1000(1K)当たり、0.5〜3mmが適切である。拡幅が不十分で本範囲を満足させることができない場合には、分割工程を多段にすることが可能である。具体的には、4分割したい場合、まず最初に2分割して、続いて、前記2分割された炭素繊維ストランドをそれぞれ2分割する(この場合、分割用の拡幅治具と切断刃は3組必要となる)。バランスの取れた拡幅の目安としては、拡幅治具上での炭素繊維ストランドの幅(W2)と、拡幅前(ボビンから出た状態)の炭素繊維ストランドの幅(W1)の比(W2/W1)は、2〜10の範囲内が好ましい。本範囲以下では、切断の精度が不十分となる可能性があり、本範囲以上では、拡幅しすぎて炭素繊維ストランド中の炭素繊維フィラメントの一部が破断して、ローラー等に巻き付いて、連続運転の妨げとなる可能性があるためである。また、好ましい炭素繊維ストランドの厚みは、0.05〜1mmの範囲である。本範囲より薄く拡幅すると、炭素繊維フィラメントの一部が破断して毛羽が発生し、本範囲を越えると切断刃への負担が大きくなり、刃こぼれなどが発生して、連続運転の妨げとなる可能性があるからである。   Although the width of the expanded carbon fiber strand depends on the number of filaments in the carbon fiber strand, 0.5 to 3 mm is appropriate per 1000 (1K) of filaments. When the widening is insufficient and this range cannot be satisfied, the dividing step can be multistage. Specifically, when it is desired to divide into four, first divide into two, and then divide each of the two divided carbon fiber strands into two (in this case, three sets of dividing widening jigs and cutting blades). Required). As a standard of balanced widening, the ratio (W2 / W1) of the width (W2) of the carbon fiber strand on the widening jig and the width (W1) of the carbon fiber strand before widening (out of the bobbin) ) Is preferably within the range of 2-10. Below this range, the cutting accuracy may be insufficient. Above this range, the carbon fiber filaments in the carbon fiber strand are partially widened and broken and wound around a roller or the like. This is because it may interfere with driving. Moreover, the thickness of a preferable carbon fiber strand is the range of 0.05-1 mm. If the width is narrower than this range, part of the carbon fiber filament will break and fluff will occur. If this range is exceeded, the burden on the cutting blade will increase and blade spilling will occur, hindering continuous operation. Because there is a possibility.

次に、炭素繊維ストランドは、拡幅した状態で、炭素繊維ストランドの走行方向と平行に回転する切断刃(3)により、炭素繊維ストランド中の一部の炭素繊維を切断して、撚りが溜まらないよう、連続的に、より細い炭素繊維ストランドに分割される。   Next, the carbon fiber strand is cut in a part of the carbon fiber in the carbon fiber strand by the cutting blade (3) rotating in parallel with the traveling direction of the carbon fiber strand in a widened state, and the twist does not accumulate. As such, it is continuously divided into thinner carbon fiber strands.

拡幅した状態とすることで、所定の本数に精度良く分割でき、かつ、厚みが薄くなっているので、切断刃による切断が容易となる。切断刃は、ロータリーカッター等のことであり、回転していることから、動的な力で、張力のかかった炭素繊維ストランド中の炭素繊維フィラメントの一部を確実に切断する事が可能である。かつ、回転の方向が、炭素繊維ストランドの走行方向と平行であることから、炭素繊維ストランドに張力が付与された状態で炭素繊維ストランド中の炭素繊維フィラメントの一部が切断されるので、切断後の炭素繊維ストランドは弛むことがないため、弛みによる撚りの発生が防止できることから、より長時間の連続生産が可能となる。上述したように、炭素繊維ストランド中の炭素繊維フィラメント同士の位置関係は一定でい。すなわち、炭素繊維ストランド中の炭素繊維フィラメントの一本を長手方向にトレースしていくと、炭素繊維ストランドの外側の見える部分にきたり、炭素繊維ストランドの内部の外からは見えない箇所に入り込んだり、また左右に振れたり、螺旋状になっていたりするので、カッターブレードなどの固定刃では、ブレードの片側に在った炭素繊維フィラメントが切断されないので、撚りが溜まって、炭素繊維ストランドの走行が不可能(張力が極めて大きくなって)となって連続運転の妨げとなる。また、固定刃では、刃の冷却効率が低く、摩耗も大きく、刃の交換頻度が多くなるという問題もある。炭素繊維は、高強度であることから、本発明のように、切断刃を回転させて、動的な力を作用させながら、切断することが必要である。尚、切断を十分なものとするためには、切断刃の回転数を大きく、走行速度を遅く、張力を大きくすることが有効である。具体的には、切断刃の周速は、炭素繊維ストランドの走行速度より5〜20%程度早くすることが必要であり、絶対値としては通常0.3〜30m/分となる。また切断時の、炭素繊維ストランドの張力は切断前の炭素繊維ストランド当たり1〜8kg/ストランドが目安である。
By setting it in the widened state, it can be accurately divided into a predetermined number and the thickness is reduced, so that cutting with a cutting blade is facilitated. The cutting blade is a rotary cutter or the like, and since it is rotating, it is possible to reliably cut a part of the carbon fiber filament in the carbon fiber strand under tension with a dynamic force. . And since the direction of rotation is parallel to the running direction of the carbon fiber strand, a part of the carbon fiber filament in the carbon fiber strand is cut in a state where the tension is applied to the carbon fiber strand. Since the carbon fiber strands of the present invention do not loosen, the occurrence of twist due to loosening can be prevented, and therefore continuous production for a longer time becomes possible. As described above, the positional relationship of the carbon fiber filaments of the carbon fiber strand have good constant. That is, when one of the carbon fiber filaments in the carbon fiber strand is traced in the longitudinal direction, the carbon fiber strand can be seen outside the carbon fiber strand, or it can enter a portion that cannot be seen from outside the carbon fiber strand, In addition, since it swings from side to side or spirals, carbon fiber filaments on one side of the blade are not cut with a fixed blade such as a cutter blade. It becomes possible (the tension becomes extremely large) and hinders continuous operation. Further, the fixed blade has problems that the cooling efficiency of the blade is low, the wear is large, and the replacement frequency of the blade is increased. Since the carbon fiber has high strength, it is necessary to cut the carbon fiber while applying a dynamic force by rotating the cutting blade as in the present invention. In order to achieve sufficient cutting , it is effective to increase the rotation speed of the cutting blade, slow the traveling speed, and increase the tension. Specifically, the peripheral speed of the disconnect blade, it is necessary to quickly about 5-20% than the running speed of the carbon fiber strand, a normal 0.3~30M / min in absolute value. Moreover, the tension | tensile_strength of the carbon fiber strand at the time of a cutting | disconnection is 1-8 kg / strand per carbon fiber strand before a cutting | disconnection as a standard.

切断刃が鋭利で、走行速度や張力が適正な場合は、繊維が確実に切断されるため、撚りは発生しないが、さらに確実に撚りを抑制するためには、撚りの溜まった部分を挟んで、その部分を潰したり、拡幅治具を通過させる機能を付与しても差し支えない。   If the cutting blade is sharp and the running speed and tension are appropriate, the fiber will be cut reliably, so twisting will not occur, but in order to more reliably suppress twisting, sandwich the portion where the twist is accumulated. In addition, the function of crushing the portion or passing the widening jig may be given.

切断刃(3)は、通常ロータリーカッターが好ましいが、マイクログラインダーなどの回転する加工工具であっても、撚りが入らなければ、差し支えない。切断刃の刃先の材質は、超鋼やダイヤモンドが好ましく、刃先の厚さは2mm以下であることが好ましい。より好ましくは、1mm以下である。切断刃は一つの拡幅治具当たり、複数設置しても差しつかえない。この場合、炭素繊維ストランドを十分拡幅し、かつ、切断刃の刃先同士が接触しないように配慮することが肝要である。複数の切断刃は、平行に等間隔あるいは、非等間隔に配置しても、段違いに配置しても差しつかえない。また、状況によって切断刃は、空冷や水冷装置で冷却しても差し支えない。   The cutting blade (3) is usually preferably a rotary cutter, but even a rotating processing tool such as a micro grinder can be used as long as it does not twist. The material of the cutting edge of the cutting blade is preferably super steel or diamond, and the thickness of the cutting edge is preferably 2 mm or less. More preferably, it is 1 mm or less. A plurality of cutting blades can be installed per widening jig. In this case, it is important to consider that the carbon fiber strands are sufficiently widened and the cutting edges of the cutting blades do not contact each other. The plurality of cutting blades may be arranged in parallel at equal intervals, non-equal intervals, or in steps. Further, depending on the situation, the cutting blade may be cooled by air cooling or a water cooling device.

さらに、本発明の工程全体において、炭素繊維ストランドに、液体を付与することも好ましい。液体を付与することで、撚りや、糸切れの原因となる炭素繊維ストランドの毛羽が抑制でき、拡幅治具上での炭素繊維ストランドの幅も安定する。特に、切断刃で切断した直後に炭素繊維ストランド中の切断された炭素繊維フィラメントの一部が気流により浮き上がり、これが巻き付きの原因となる可能性があるが、液体を付与することで、このような巻き付きを防止し更なる長時間運転化が可能となる。また、拡幅前に液体を付与すると、液体によっては拡幅を阻害する場合もあるため、液体を付与する位置としては切断工程の直前が最も好ましい。液体としては、水、スチレン、アルコール、アセトン、MEKなどの溶媒や、SMC用の樹脂、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂などの粘性体が挙げられる。付着させた液体が水など揮発性物質または低沸点物質である場合は、切断工程後、乾燥して、除去しても差し支えない。また、付着させた液体がエポキシ樹脂などのように不揮発性物質の場合は、洗浄除去しても良いし、マトリックスとして、コンポジット中に残存させても差し支えない。   Furthermore, it is also preferable to apply a liquid to the carbon fiber strand in the entire process of the present invention. By applying the liquid, the fluffs of the carbon fiber strands that cause twisting and breakage of the yarn can be suppressed, and the width of the carbon fiber strands on the widening jig is also stabilized. In particular, immediately after cutting with a cutting blade, a part of the cut carbon fiber filament in the carbon fiber strand is lifted by the air flow, which may cause wrapping, but by applying a liquid, Winding can be prevented and operation can be continued for a longer time. In addition, if a liquid is applied before widening, the widening may be hindered depending on the liquid. Therefore, the position immediately before the cutting step is most preferable as the position where the liquid is applied. Examples of the liquid include solvents such as water, styrene, alcohol, acetone, and MEK, and viscous materials such as SMC resins, epoxy resins, polyester resins, and vinyl ester resins. If the deposited liquid is a volatile substance such as water or a low boiling point substance, it may be removed by drying after the cutting step. Further, when the adhered liquid is a non-volatile substance such as an epoxy resin, it may be removed by washing, or may be left in the composite as a matrix.

次に、上記した炭素繊維ストランドの分割工程に連続して(ワインダーで紙管に巻き上げることはせずに引き続いて)、分割した炭素繊維ストランドの長手方向とは直角方向に、長さ5〜150mmにカットして、不連続の炭素繊維ストランドとして製造することも可能である。さらに、不連続の炭素繊維ストランドを、樹脂を離型処理した紙やフィルム上にコーティングしたフィルム(業界では樹脂フィルムと称す)上にランダムあるいは、配向を持たせて分散させて、所謂、SMCシートを製造することが可能である(図3)。   Next, in succession to the above-described carbon fiber strand splitting process (continuously without winding up the paper tube with a winder), a length of 5 to 150 mm is perpendicular to the longitudinal direction of the split carbon fiber strand. It is also possible to produce a discontinuous carbon fiber strand. Further, discontinuous carbon fiber strands are dispersed randomly or with orientation on a paper or film coated with a resin release process (called a resin film in the industry), so-called SMC sheet. Can be manufactured (FIG. 3).

特許文献1のように、分割した炭素繊維ストランドをボビンに一旦巻き上げていたのでは、紙管が必要で、このためのワインダーも必要となることから、経済性が悪いが、連続生産することで、SMCシートがコストダウンでき、部材のコストも下げることが出きる。さらに、拡幅した状態で分割した直後に、カットするため、炭素繊維ストランドは拡幅状態にあるため、炭素繊維ストランドを順次重ねて巻いた状態(ボビンに巻いた状態)より繊維の傷みは少なく、より高い強度が発現する。   As in Patent Document 1, once the divided carbon fiber strands are wound up around the bobbin, a paper tube is necessary, and a winder for this purpose is also required. The cost of the SMC sheet can be reduced and the cost of the member can be reduced. Furthermore, since the carbon fiber strands are in the widened state to be cut immediately after being divided in the widened state, the fiber damage is less than the state in which the carbon fiber strands are sequentially stacked and wound (the state wound on the bobbin). High strength is expressed.

分割した炭素繊維ストランドをカットする装置としては、SMC製造装置に装着されている、ロービングカッター等のロータリーカッターや、ギロチンカッター装置を利用することができるが、これら装置の中で、好ましいのは、ギロチンカッターである。カッティングされる炭素繊維ストランドは細く分割されているため、刃の摩耗が少なく、寿命が長くなるため、従来以上の連続生産が可能となる。   As a device for cutting the divided carbon fiber strands, a rotary cutter such as a roving cutter or a guillotine cutter device, which is attached to an SMC manufacturing device, can be used, but among these devices, A guillotine cutter. Since the carbon fiber strand to be cut is finely divided, the wear of the blade is small and the life is extended, so that continuous production more than conventional can be achieved.

カティング装置には、カットされた不連続の炭素繊維ストランドをカッターに付着させずに樹脂フィルム(9)上に落下させるために、ブラシや空気を吹き付けたりしても差し支えない。また、ランダムに落下させるためにカットされた不連続の炭素繊維ストランドは、振動数10〜50ヘルツで振動させたり、ケージロールを通過させようにすることが好ましい。 The cutting device may be sprayed with a brush or air in order to drop the cut discontinuous carbon fiber strand onto the resin film (9) without adhering to the cutter. Moreover, it is preferable that the discontinuous carbon fiber strands cut to be dropped randomly are vibrated at a frequency of 10 to 50 Hertz or passed through a cage roll.

尚、樹脂フィルムの樹脂は、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化樹脂であっても、ポプロピレンやプリエチレンなどの熱可塑樹脂であっても、それらの混合樹脂であっても差し支えない。また、本発明の炭素繊維ストランドは、細く分割されているので、不連続の炭素繊維ストランドは樹脂フィルム上に均一分散するため、シートの目付(単位面積当たりの重さ)、および、シートの厚みが均一となり、再現性のある部材の生産が可能となる。本SMCシートを使ったコンポジットは、高強度、高弾性率となるため、部材を極限まで軽量化できる。さらに、従来にはない薄肉のコンポジット部材成形が可能となる。 The resin of the resin film may be a thermosetting resin such as an epoxy resin, a polyester resin, a vinyl ester resin, or a phenol resin, or a thermoplastic resin such as polypropylene or preethylene, or a mixed resin thereof. There is no problem. In addition, since the carbon fiber strands of the present invention are finely divided, the discontinuous carbon fiber strands are uniformly dispersed on the resin film. Therefore, the basis weight of the sheet (weight per unit area) and the thickness of the sheet Becomes uniform, and reproducible members can be produced. Since the composite using this SMC sheet has high strength and high elastic modulus, the weight of the member can be reduced to the limit. Furthermore, it is possible to form a thin composite member that is not conventionally available.

本発明の製造方法で製造される炭素繊維ストランドは細く、このため、SMCの製造工程に適用すれば、SMCの強度を大幅に向上させることが可能となる。SMCは、大量生産に向く製造方法であり、軽量な自動車部材(フードやドアやホイールハウスなどのパネル類、シャーシ等の構造部材類、バンパーなどのビーム類、フレーム類である)やスポーツ用具(例えば、クランク等の自転車部材、テニスラケットなどのラケット類、ゴルフクラブ等に用いられるシャフト類、スケートボード等のボード類、ポール類である)などの大量製造が可能となる。   The carbon fiber strands produced by the production method of the present invention are thin. Therefore, when applied to the SMC production process, the strength of the SMC can be greatly improved. SMC is a manufacturing method suitable for mass production, which includes lightweight automotive components (panels such as hoods, doors and wheel houses, structural members such as chassis, beams such as bumpers, frames) and sports equipment ( For example, mass production of bicycle members such as cranks, rackets such as tennis rackets, shafts used for golf clubs, boards such as skateboards, and poles) is possible.

(実施例1)
フィラメント数12000の炭素繊維ストランド(東レ(株)製品T700S−12K−60E:強度5GPa、弾性率235GPa)を、ボビンから横取りで巻きだし、拡幅治具、切断刃を通過させて、ワインダーで巻き上げるように糸道をセットした。拡幅治具は、アルミニウム合金製の梨地ローラー(表面粗さ1μm、半径100mm)で、切断刃は、刃の厚み0.3mm、半径20mmのロータリーカッター(オルファ社製 超鋼刃)とした。
Example 1
A carbon fiber strand having 12,000 filaments (Toray Industries, Inc. product T700S-12K-60E: strength 5 GPa, elastic modulus 235 GPa) is unrolled from a bobbin, passed through a widening jig and a cutting blade, and wound up by a winder. I set the thread path. The widening jig was a satin roller made of aluminum alloy (surface roughness 1 μm, radius 100 mm), and the cutting blade was a rotary cutter (ultra steel blade made by Olfa) with a blade thickness of 0.3 mm and a radius of 20 mm.

ワンダーの巻き取り速度を調整して、炭素繊維ストランドに3kgの張力を与えて、糸速度2m/分巻き取りを開始した。拡幅治具上で炭素繊維ストランドの幅(W2)は15mm、拡幅治具に入る直前の幅(W1)は3mm(両者の比は5倍)であった。   The winding speed of the wonder was adjusted, 3 kg of tension was applied to the carbon fiber strand, and winding of the yarn speed of 2 m / min was started. The width (W2) of the carbon fiber strand on the widening jig was 15 mm, and the width (W1) just before entering the widening jig was 3 mm (the ratio of the two was 5 times).

切断刃は、周速度2.2m/分で、炭素繊維ストランドの進行方向と同じ方向に回転させ、細い炭素繊維ストランド(幅8mm)へと2分割作業を開始したところ、炭素繊維ストランド長さ300mを分割処理しても撚りは発生しなかった。但し、切断した繊維の一部がワインダーに付着した。
(実施例2)
フィラメント数24000の炭素繊維ストランド(東レ(株)製品T700S−24K−50C:強度5GPa、弾性率235GPa)を、ボビンから巻きだし、拡幅治具、切断刃を通過させて、ワインダーで巻き上げるように糸道をセットした。ボビン上に蒸留水を均一付与(量は、炭素繊維の重さに対して3%)した以外は、実施例1と同一の拡幅治具、切断刃を用いて分割作業を開始した。
When the cutting blade was rotated in the same direction as the traveling direction of the carbon fiber strand at a peripheral speed of 2.2 m / min and started to be divided into two thin carbon fiber strands (width 8 mm), the carbon fiber strand length was 300 m. No twisting occurred even when the material was divided. However, a part of the cut fibers adhered to the winder.
(Example 2)
A carbon fiber strand having 24,000 filaments (Toray Industries, Inc. product T700S-24K-50C: strength 5 GPa, elastic modulus 235 GPa) is unwound from a bobbin, passed through a widening jig and a cutting blade, and then wound with a winder Set the road. The dividing operation was started using the same widening jig and cutting blade as in Example 1 except that distilled water was uniformly applied on the bobbin (the amount was 3% with respect to the weight of the carbon fiber).

拡幅治具上で炭素繊維ストランドの幅(W2)は45mm、拡幅治具に入る前の幅(W1)は6mm(両者の比は7.5倍)であった。   The width (W2) of the carbon fiber strand on the widening jig was 45 mm, and the width (W1) before entering the widening jig was 6 mm (the ratio of both was 7.5 times).

炭素繊維ストランド長さ800mを分割しても撚りは発生しなかった。また、実施例1で見られたワインダー付近での切断した繊維の持ち出しは見られなかった。
(比較例1)
実施例1において、切断刃の代わりに超鋼の固定刃(オルファ製 厚さ1mmのカッターブレード)を用いて、実施例1と同じ炭素繊維ストランドを分割した。走行長さ20mで、カッターブレードの直前に撚りが発生し、走行長さ40mで撚りがさらに増大して、もはや連続走行が不可能な状態となった。
Even when the carbon fiber strand length of 800 m was divided, no twist was generated. Moreover, the taking-out of the cut | disconnected fiber in the winder vicinity seen in Example 1 was not seen.
(Comparative Example 1)
In Example 1, the same carbon fiber strand as in Example 1 was divided using a super steel fixed blade (Olfa 1 mm thick cutter blade) instead of the cutting blade. Twisting occurred just before the cutter blade at a running length of 20 m, and twisting further increased at a running length of 40 m, making continuous running no longer possible.

本発明の代表的な製造方法の側面図の一例である。It is an example of the side view of the typical manufacturing method of this invention. 本発明の代表的な製造方法の平面図の一例である。It is an example of the top view of the typical manufacturing method of this invention. SMCシートを製造する方法の一例である。It is an example of the method of manufacturing an SMC sheet.

符号の説明Explanation of symbols

1:分割前の炭素繊維ストランド
2:ボビン
3:切断刃
4:拡幅治具
5:凸面
6:ロール
7:分割された炭素繊維ストランド
8:カッティング装置
9:不連続な炭素繊維ストランド
10:樹脂フィルム
11:SMCシート
12:シート巻き上げロール
1: Carbon fiber strand before division 2: Bobbin 3: Cutting blade
4: Widening jig 5: Convex surface 6: Roll 7: Divided carbon fiber strand 8: Cutting device 9: Discontinuous carbon fiber strand 10: Resin film 11: SMC sheet 12: Sheet winding roll

Claims (6)

炭素繊維ストランドを、複数本のよりフィラメント数の少ない炭素繊維ストランドに分割する炭素繊維ストランドの分割方法であって、連続した炭素繊維ストランドに張力をかけながら連続走行させ、走行途中に配した、凸面の曲率半径(R)が50〜500mmの範囲内にある拡幅治具で該炭素繊維ストランドを拡幅すると同時に、拡幅状態の炭素繊維ストランドを、該炭素繊維ストランドの走行方向と平行に回転し、周速が、炭素繊維ストランドの走行速度より5〜20%速い切断刃により一部の炭素繊維フィラメントを切断することを特徴とする炭素繊維ストランドの分割方法。 A carbon fiber strand dividing method for dividing a carbon fiber strand into a plurality of carbon fiber strands having a smaller number of filaments, wherein the carbon fiber strand is continuously run while tension is applied to the continuous carbon fiber strand, and is arranged in the middle of the run. at the same time the radius of curvature (R) is widening the carbon fiber strands widening jig in the range of 50 to 500 mm, a carbon fiber strand of the expansion width state, parallel to the rotation and travel direction of the carbon fiber strand, A method for dividing a carbon fiber strand, comprising cutting a part of the carbon fiber filaments with a cutting blade whose peripheral speed is 5 to 20% faster than the running speed of the carbon fiber strand. 分割前の炭素繊維ストランドのフィラメント数が、10000(10K)〜400000(400K)である請求項1記載の炭素繊維ストランドの分割方法。 The carbon fiber strand splitting method according to claim 1, wherein the number of filaments of the carbon fiber strand before splitting is 10,000 (10K) to 400,000 (400K). 前記拡幅治具上でのストランドの幅(W2)と、拡幅前の走行中のストランドの幅(W1)の比(W2/W1)が、2〜10の範囲内である請求項1ないし2のいずれかに記載の炭素繊維ストランドの分割方法。 The ratio (W2 / W1) of the width (W2) of the strand on the widening jig and the width (W1) of the running strand before widening is in the range of 2 to 10. The division | segmentation method of the carbon fiber strand in any one. 前記拡幅治具が、炭素繊維の走行方向に回転する円筒体である請求項1〜3のいずれかに記載の炭素繊維ストランドの分割方法。 The carbon fiber strand dividing method according to any one of claims 1 to 3, wherein the widening jig is a cylindrical body that rotates in a running direction of the carbon fiber. 走行中の炭素繊維ストランドに液体を切断工程直前に付与する請求項1〜4のいずれかに記載の炭素繊維ストランドの分割方法。 The carbon fiber strand dividing method according to any one of claims 1 to 4, wherein a liquid is applied to the running carbon fiber strand immediately before the cutting step. 請求項1〜5のいずれかに記載の分割方法を用いて分割した炭素繊維ストランドを切断して、不連続の炭素繊維ストランドとした後に、該不連続の炭素繊維ストランドを樹脂フィルム上に分散させる工程を有する、シートモールディングコンパウンドの製造方法。 A carbon fiber strand that has been divided using the dividing method according to any one of claims 1 to 5 is cut into a discontinuous carbon fiber strand, and then the discontinuous carbon fiber strand is dispersed on a resin film. A method for producing a sheet molding compound, comprising a step.
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