JP5101254B2 - 強化繊維組物の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、組物機による強化繊維組物の製造方法に関する。

強化繊維をマトリックス樹脂に含浸させた複合材料（以下では単に強化繊維材料という。）は、軽量で機械強度および加工性に優れ、各分野での使用量が増加する傾向にある。

強化繊維材料は、扁平糸または開繊糸などに加工され、たとえば、織物、編物、組物などの形態で使用される。

強化繊維材料を用いた組物は、たとえばゴルフのシャフト、釣竿、テニスやバドミントンのラケット、ホッケーのスティックなどに用いられ、ブレイダーと呼ばれる組物機を用いて連続的に製組される。ブレイダーは、断面が円形や方形等に形成されたマンドレル外周に、繊維束が巻きつけられたボビンを複数設け、このボビンを移動させながら繊維束を送り出して製組を行うものである（たとえば、特許文献１参照）。

図５は、従来の製組方法を示す模式図である。ブレイダーを用いた従来の製組方法では、紙面に垂直な組成方向に対して糸巻きボビンＤの中心軸が平行に設置されており、このように設置されたボビンを移動させながら製組すると、ボビンが八の字軌道を移動し、偏平糸または開繊糸を用いた場合、組成位置である中央部に集められた糸に撚りが入りやすいという問題がある。

糸に撚りが入った状態で製組すると、組紐の表面平滑性が劣化する。表面平滑性を満足するために、組物の表面を研磨することも可能ではあるが、研磨によって強化繊維が切断され、機械強度が低下してしまう。

特開２００５−２１９２８５号公報

本発明の目的は、撚りを発生させることなく表面平滑性に優れた強化繊維組物の製造方法を提供することである。

本発明は、予め強化繊維が巻回された複数のボビンを略円周状の軌道上で移動させ、巻き出された強化繊維を前記円周状の軌道の中心で所定の組成方向に組成することで強化繊維を製組して強化繊維組物を製造する強化繊維組物の製造方法であって、
前記ボビンの中心軸が、前記組成方向に対して垂直となるように、前記ボビンを軌道上で移動させて製組することを特徴とする強化繊維組物の製造方法である。

また本発明は、前記ボビンの中心軸が、前記組成方向に対して垂直となり、かつ前記ボビンの中心軸が、前記略円周状の軌道の半径方向に対して垂直となるように、前記ボビンを軌道上で移動させて製組することを特徴とする。

また本発明は、前記ボビンが軌道を一周する間に、ボビン自体が一回転するように、前記ボビンを軌道上で移動させて製組することを特徴とする。

また本発明は、前記強化繊維は、強化繊維に樹脂を含浸させた扁平糸または開繊糸であることを特徴とする。

本発明によれば、予め強化繊維が巻回された複数のボビンを略円周状の軌道上で移動させ、巻き出された強化繊維を前記円周状の軌道の中心で所定の組成方向に組成することで強化繊維を製組して強化繊維組物を製造する強化繊維組物の製造方法である。

このとき、前記ボビンの中心軸が、前記組成方向に対して垂直となるように、前記ボビンを軌道上で移動させて製組する。

これにより、製組中に発生する撚りをなくし、得られた強化繊維組物の優れた表面平滑性と、機械強度の向上を実現する。

また本発明によれば、前記ボビンの中心軸が、前記組成方向に対して垂直となり、かつ前記ボビンの中心軸が、前記略円周状の軌道の半径方向に対して垂直となるように、前記ボビンを軌道上で移動させて製組する。

これにより、より確実に製組中に発生する撚りをなくし、得られた強化繊維組物の優れた表面平滑性と、機械強度の向上を実現する。

また本発明によれば、前記ボビンが軌道を一周する間に、ボビン自体が一回転するように、前記ボビンを軌道上で移動させて製組する。

これにより、より確実に製組中に発生する撚りをなくし、得られた強化繊維組物の優れた表面平滑性と、機械強度の向上を実現する。

また本発明によれば、前記強化繊維は、強化繊維に樹脂を含浸させた扁平糸または開繊糸を用いることができる。

以下、本発明を実施の形態によって、より具体的に説明する。図１は、本発明の製組方法を用いたブレイダー１の構成を示す外観図である。

ブレイダー１はブレイダー本体２およびマンドレル装置３から構成されている。ブレイダー本体２は、軸線が水平で一側に開口を有する略円筒状の機台４内に配置された所定の曲率半径Ｒを有する曲面状の上板５、上板５に穿設された軌道に沿って走行するボビンキャリヤー６、ボビンキャリヤー６を軌道に沿って走行させるための駆動装置７、組成位置安定ガイド部材８などから構成されている。

曲面状の上板５は、図２の断面図に示されているように、略円筒状の機台４内に配置された略円筒状の機枠に所定の間隔を置いて適当な固着部材により取着されており、上板５には周方向に公知の軌道が穿設されている。

扁平糸または開繊糸（以下では単に開繊糸という場合がある。）は、ボビンキャリヤー６に載置されているボビンから巻き出され、マンドレル装置３に支持されているマンドレル上の組成点に向かう糸条である。

モーター等の適当な駆動手段によりボビンキャリヤー６の係合軸を移動させてボビンキャリヤー６を軌道に沿って走行させるように構成されている。上記のようにボビンキャリヤー６を曲面状の上板５に穿設された軌道に沿って走行させることにより、多数の開繊糸を交錯させてマンドレル上に組紐を組成するものであり、必要に応じて、機台４の側壁に略水平状に配置されたボビンキャリヤー６から開繊糸を、軌道に沿って走行するボビンキャリヤー６から巻き戻され組成される開繊糸に交絡させて組紐を組成する。

本発明に用いられる扁平糸および開繊糸は、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸したものである。

強化繊維の種類については、高強度・高弾性繊維、例として炭素繊維、アラミド繊維、ＰＢＯ繊維、ポリアリレート繊維、高強度ポリエチレン繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維、チラノ繊維、ステンレス繊維、ガラス繊維等の長繊維を束ねたストランドの扁平糸または開繊糸が好適である。繊度については、単繊度０．０１ｔｅｘから１０ｔｅｘが好適で、扁平糸または開繊糸であればあらゆる繊度の糸に対応可能。糸幅の好適範囲としては、１ｍｍ幅から６０ｍｍ幅である。より好ましくは２ｍｍ幅から２０ｍｍ幅が開繊糸の安定面で好適である。

マトリックス樹脂としては常温固体が好ましく、たとえば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂などが挙げられる。

強化繊維が樹脂により仮止めされているので、製組時に糸幅の収束が全く発生しないことから扁平糸または開繊糸に好適である。

特に炭素繊維の開繊糸は、マトリックス樹脂の含浸性が向上し、強化繊維材料中に樹脂リッチ部あるいは空隙が無くなり、機械強度特性が向上するので特に好ましい。

組物に対しては、扁平糸および開繊糸を用いるのが好ましいことは想像に難くないが、従来の製造方法をそのまま適用した場合、ボビンから巻き出された開繊糸が、組成箇所であるマンドレルに至るまでに撚りが発生してしまい、表面平滑性、機械強度に劣る。

これに対して、以下に示すような本発明の製造方法を用いることで撚りの発生をなくし、すぐれた表面平滑性と、機械強度の向上を実現している。

図３は、本発明の第１の実施形態である強化繊維組物の製造方法を示す模式図である。
模式図はブレイダー１を正面から見た図であり、組成箇所Ｃは円の中心に位置し、組成方向は、紙面に対して垂直な方向である。

ボビンＡは模式図において「エ」の形状で示しており、実線で描かれた２つの閉曲線Ｌ１，Ｌ２は、ボビンＤの軌道を示している。

ボビンＤを保持したスピンドルが円周形状に配置された２つの円周軌道Ｌ１，Ｌ２を半数は時計回りに、もう半数は反時計回りにすれ違いながら連続的に移動する。斜めの繊維と長手方向の繊維により組物が構成され、斜めの繊維（組糸）と長手方向の繊維（中央糸）が適宜設定可能となっている。組糸は、長手方向に対して±θの角度で配向するが、この組角度は、スピンドルの移動速度と組物の引上げ速度により制御され、０°＜θ＜９０°まで自由に変化させることができる。

開繊糸を組成する場合、まずボビンＤの糸の出口から中心（口金）までを糸に撚りを入れず、また糸の潰れが発生しないように引っ張ることが必要である。

開繊糸を組成する場合においては、組物機としてはボビンＤの糸巻きの中心軸が組成方向に対して垂直に配置して糸出しを行うことが好ましく、このようにボビンＤを配置して移動させることで糸の撚りを防止している。

さらに、口金部で糸同士の擦れ合いにより発生する糸幅の収束を防止することで、より表面平滑性の高い組物を実現することができる。

ボビンＤには通常、ばね力によってバックテンションを付勢しているが、バックテンションが強ければ強い程、口金部での糸の擦れ合いが強くなる。逆にバックテンションを付勢せずに組成を行うと、糸が、芯材であるマンドレルに沿って巻かれない為、組物としては成り立たない。したがって、ボビンＤに適切なバックテンションを付勢することにより、口金部での糸同士の擦れ合いを防ぐことが可能となる。付勢するバックテンション（張力）としては、０．１ｋｇ〜０．５ｋｇが好ましく、０．３ｋｇで糸幅の収束が発生しないことを確認した。

さらに、口金部からマンドレル間でも糸幅の収束が発生するので、これを防止することでさらに表面平滑性の高い組物を実現することができる。

口金部から芯材であるマンドレルまでの距離をできるだけ小さくすることで、この間の糸幅の収束を防止することができる。具体的には、口金部の開口径を芯材であるマンドレルの外径に近づけることにより糸同士の擦れ合いが少なくなり、口金部での糸幅の収束の発生を防ぐことが可能である。また、口金部から芯材であるマンドレルまでの距離を小さくするためには、できるだけ口金部の近く、つまりの開口の内部で開口を含む同一面内で組成を行うことが好ましい。

図４は、本発明の第２の実施形態である強化繊維組物の製造方法を示す模式図である。
図３に示した第１の実施形態とは、ボビンＤの動作が異なるだけであり、他の構成については同様である。

第１の実施形態では、ボビンＤの位置が０°，４５°，９０°など軌道の腹に当たる位置では、ボビンＤの中心軸が、組成方向に対して垂直であり、かつ円周軌道の半径方向に対しても垂直である。しかし、ボビンＤがＡおよびＢのような軌道の節の位置に来たときには、ボビンＤの中心軸は、組成方向に対しては垂直であるが、円周軌道の半径方向に対しては垂直とならない。このような位置Ａ，Ｂにおいては、開繊糸が無理な方向に引っ張られ、撚りが発生する可能性がある。

そこで第２の実施形態では、ボビンＤの中心軸が、組成方向に対して垂直であり、かつ円周軌道の半径方向に対しても常に垂直となるように移動させる。これにより開繊糸が無理な方向に引き出されることがなく、糸の反り返りによる撚りの発生を確実に防止することができる。

１つのボビンＤが軌道を一周（３６０°公転）し、同じ位置まで戻ってくるまでにボビン自体が一回転（３６０°自転）するものである。例を挙げると、０°位置ではボビンＤの中軸方向は９０°方向を指しており、４５°位置ではボビン自体も４５°傾き１３５°方向を指す。また９０°位置ではボビン自体も９０°傾き０°方向を指し、それぞれの位置でボビンの中心軸が常に円周軌道の半径方向に対して垂直になっているものである。こうすることにより、ボビンのから口金部までの間で糸に撚りを入れず、また糸の潰れが発生しないように引っ張り出すことが可能である。

口金部からマンドレルまでの糸幅の収束については、第１の実施形態と同様の構成とすることが好ましい。

上記のような製造方法によって得られた強化繊維組物は、表面平滑性に優れ、機械強度も向上される。ここで、組物で向上される機械強度は、引張り強度、曲げ強度、圧縮強度である。

また、強化繊維組物を構成する扁平糸および開繊糸は、糸幅と糸厚みの比（糸幅／糸厚み）であるアスペクト比が３０以上であることが好ましい。このようなアスペクト比にすることで、クリンプ角度が小さくなり優れた表面平滑性が得られる。

また、扁平糸および開繊糸の糸幅としては、１ｍｍ〜６０ｍｍが好ましく、糸厚みとしては１μｍ〜６０μｍが好ましい。

炭素繊維の開繊糸を用いる場合は、たとえば、２４Ｋ（フィラメント数２４０００）の炭素繊維原糸を２４ｍｍ幅に開繊し、得られた開繊糸を繊維方向に３ｍｍ幅で切断して３Ｋ相当の開繊糸（繊度２００ｔｅｘ）を得る。これにマトリックス樹脂としてエポキシ樹脂を含浸させ、強化繊維材料としての開繊糸を得る。

得た開繊糸を上記のような強化繊維組物の製造方法を用いて製組を行い、表面平滑性に優れ、機械強度が向上した強化繊維組物を得ることができる。

このようなアスペクト比の開繊糸を用いることで、強化繊維組物におけるクリンプ角度を十分に小さくすることができ、すぐれた表面平滑性を実現することができる。

実施例として、２４Ｋ炭素繊維原糸を開繊し、エポキシ樹脂を含浸させ、２ｍｍ幅（１２分割）または３ｍｍ幅（８分割）したものを強化繊維材料としての開繊糸とした。

得られた開繊糸を第２実施形態に応じて製組を行い、強化繊維組物を得た。
実施例には２４Ｋ炭素繊維原糸として、東邦テナックス株式会社製、ＩＭ６００２４Ｋ原糸、東邦テナックス株式会社製、ＳＴＳ２４Ｋ原糸を用いた。

比較例として、開繊していない炭素繊維原糸にエポキシ樹脂を含浸させたものを用いて製組を行った。

比較例には炭素繊維原糸として、東邦テナックス株式会社製、ＩＭ６００２４Ｋ原糸、
東邦テナックス株式会社製、ＳＴＳ２４Ｋ原糸、東邦テナックス株式会社製、ＨＴＡＷ０．５Ｋ原糸を用いた。

ＩＭ６００２４Ｋ原糸を２４ｍｍに開繊し、得られた開繊糸を３ｍｍ幅で切断した開繊糸を実施例１、２ｍｍ幅に開繊したものを実施例２、ＳＴＳ２４Ｋ原糸を３２ｍｍに開繊し、２ｍｍ幅で切断した開繊糸を実施例３とする。

ＩＭ６００２４Ｋ原糸を開繊せずに用いたものを比較例１、ＳＴＳ２４Ｋ原糸を開繊せずに用いたものを比較例２、ＨＴＡＷ０．５Ｋ原糸を開繊せずに用いたものを比較例３とする。

各実施例および比較例のアスペクト比を、断面２０点で糸幅および糸厚みを測定し、その平均値として算出した。

実施例１のアスペクト比は１２８であり、実施例２のアスペクト比は８０であり、実施例３のアスペクト比は５４であった。

いずれもアスペクト比が３０以上であり、得られた強化繊維組物は、表面平滑性に優れ、高い機械強度を示した。

これに対して、比較例１のアスペクト比は１６．６であり、比較例２のアスペクト比は１０．４であり、比較例３のアスペクト比は２６．１であった。

いずれもアスペクト比が３０より小さく、得られた強化繊維組物は、表面平滑性および機械強度ともに実施例に劣るものであった。

具体的な強度の測定結果を以下に示す。
（引張強度測定）
以下のような条件で引張強度を測定した。
組角度、糸幅を合わせ、開繊糸と原糸のアスペクト比（幅／厚）の倍数分、開繊組物を積層し、糸量を合わせた。

組物機のマンドレルを同一、ボビン設定数も同一にした。
開繊糸組物：実施例１の開繊糸を、マンドレル径２０ｍｍ、組角度６０°、ボビン２４本（１本組）で８層積層した。

原糸組物 ：比較例１をマンドレル径２０ｍｍ、組角度６０°、ボビン２４本（１本組）で１層作製した。

測定用試料サイズ：平板 幅３２ｍｍ×長さ２５０ｍｍ×厚み２ｍｍ （開繊糸、原糸それぞれｎ＝３、合計６）、タブはアルミ３２ｍｍ×５０ｍｍで、樹脂は不飽和ポリエステルで成形した。
試料２K60-2（開繊組物60°8層 ） 試料５N60-2（原糸組物60°1層）
試料３K60-3（開繊組物60°8層 ） 試料６N60-3（原糸組物60°1層）

測定機械は、インストロン社製、INSTRON 4206 ロードセル容量１０ｔ、スパン間は１５０ｍｍで測定した。
結果を表１に示す。

引張強度に関しては何れも開繊糸組物が原糸組物と比較し、高い値を示した。引張弾性率に関しては何れも開繊糸組物が低い値を示した。結果から、原糸組物は一気に破壊が起こるが、開繊糸組物は伸びがあり、徐々に破壊が起こるという特性がある。引張強度の差の原因としては、開繊糸組物においては開繊することにより炭素繊維一本一本のフィラメントテンションが揃っていること、クリンプ角度が小さいことで、繊維束に直進性が発現していることが影響している。

（曲げ強度測定）
以下のような条件で曲げ強度を測定した。
組角度、糸幅を合わせ、開繊糸と原糸のアスペクト比（幅／厚）の倍数分、開繊組物を積層し、糸量を合わせた。

組物機のマンドレルを同一、ボビン設定数も同一にした。
開繊糸組物：実施例１の開繊糸を、マンドレル径２０ｍｍ、組角度６０°、ボビン２４本（１本組）で８層積層した。

原糸組物 ：比較例１をマンドレル径２０ｍｍ、組角度６０°、ボビン２４本（１本組）で１層作製した。

測定用試料サイズ：平板 幅３２ｍｍ×長さ７５ｍｍ×厚み２ｍｍ（開繊糸、原糸それぞれｎ＝２、合計４）、樹脂は不飽和ポリエステルで成形した。
試料１K60-1b（開繊組物60°8層 ） 試料３N6 0-1b（原糸組物60°1層）
試料２K60-2b（開繊組物60°8層 ） 試料４N60-2b（原糸組物60°1層）

測定機械は、株式会社島津製作所製、オートグラフAG-500E、ロードセル5kN、スパン間は４０ｍｍ、試験速度は１ｍｍ／ｍｉｎで３点曲げ試験を行った。
結果を表２に示す。

曲げ強度、曲げ弾性率について、はっきりと差が表われ、開繊糸組物の有意性が明確となった。引張強度の差の原因としては、この結果からも開繊糸組物においては開繊することにより炭素繊維一本一本のフィラメントテンションが揃い、繊維の直進性が得られることまたクリンプ角度が小さいため繊維束の直進性が得られていることが影響している。
以上のように、開繊糸を用いることで組物内繊維の座屈の発生を抑え、圧縮特性などに優れた組物を得ることができた。

本発明の製組方法を用いたブレイダー１の構成を示す外観図である。 ブレイダー１の断面図である。 本発明の第１の実施形態である強化繊維組物の製造方法を示す模式図である。 本発明の第の実施形態である強化繊維組物の製造方法を示す模式図である。 従来の製組方法を示す模式図である。

符号の説明

１ ブレイダー
２ ブレイダー本体
３ マンドレル装置
４ 機台
５ 上板
６ ボビンキャリヤー
７ 駆動装置
８ 組成位置安定ガイド部材

Claims (4)

1. 予め強化繊維が巻回された複数のボビンを略円周状の軌道上で移動させ、巻き出された強化繊維を前記円周状の軌道の中心で所定の組成方向に組成することで強化繊維を製組して強化繊維組物を製造する強化繊維組物の製造方法であって、
   前記ボビンの中心軸が、前記組成方向に対して垂直となるように、前記ボビンを軌道上で移動させて製組することを特徴とする強化繊維組物の製造方法。
2. 前記ボビンの中心軸が、前記組成方向に対して垂直となり、かつ前記ボビンの中心軸が、前記略円周状の軌道の半径方向に対して垂直となるように、前記ボビンを軌道上で移動させて製組することを特徴とする請求項１記載の強化繊維組物の製造方法。
3. 前記ボビンが軌道を一周する間に、ボビン自体が一回転するように、前記ボビンを軌道上で移動させて製組することを特徴とする請求項１記載の強化繊維組物の製造方法。
4. 前記強化繊維は、強化繊維に樹脂を含浸させた扁平糸または開繊糸であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の強化繊維組物の製造方法。

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