JP5204424B2 - 繊維強化テープ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂と高強力繊維から成る繊維強化テープに関する。更に詳しくは、薄葉であり、且つ高強度と可撓性を両立した繊維強化テープに関する。

従来より、合成樹脂などのマトリックス樹脂に、強度、耐熱性、耐摩耗性を付与する目的で繊維等を混合した繊維強化複合材料が、航空宇宙、輸送、各種工業用部品、各種スポーツ資材等の幅広い分野で利用されている。
このような複合材料に用いられる繊維として、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の高機能繊維が一般的に用いられる。中でもアラミド繊維は強度、柔軟性に優れ、また軽量であることから、昨今様々な用途へ展開されてきており、また今後の拡大が期待される。

高機能繊維を補強繊維として含有する繊維強化複合材料の製造方法として、繊維マルチフィラメントトウに樹脂を塗布或いは含浸、被覆してテープ状とする方法が提案されている。
例えば特開２００４−１２２４１６号公報では、開繊された炭素繊維の表面が熱可塑性樹脂で覆われたテープ状軽量複合材、及びその製造方法が提案されている。

この方法は繊維マルチフィラメントトウに樹脂を含浸する上で生産性は良いものの、しかしながら、アラミド繊維の形態は直径１２μｍ程度のモノフィラメント（単糸）が千本集まった集合体を１本のマルチフィラメントとしており、厳密には単糸１本１本が直線に並んでおらず、かつ炭素繊維やガラス繊維に比べて柔軟性を持った繊維である為単糸同士が交絡しやすいという点やテンションによってテープ幅が変動するという問題がある。

更に開繊性を向上する方法として、あらかじめマルチフィラメントを十分に拡げた状態で熱可塑性樹脂を含浸する手法が特公平４−７９９０号公報で提案されている。確かにこの方法を用いるとある程度交絡を防ぐことができ、又単糸間に隙間を作ることができるので、均一に樹脂含浸されたテープ状繊維強化複合材料が得られ易いと思われるが、本特許にはマルチフィラメントを拡げる方法には触れているものの、熱可塑性樹脂の含浸方法については明記されていない為、やはりテンションにより幅変動が起きる問題がある。本特許で示している方法のみでは熱可塑性樹脂とアラミド繊維からなる薄葉テープを得る為には不十分である。

又特開２００３−７３９７８号公報ではアラミド繊維等の高機能繊維マルチフィラメントを樹脂処理し次いで特定の方法で開繊処理する高機能繊維テープ状糸状の製造方法が提案されているが、確かに交絡を防止し、開繊度の高いものが得られるが、テープ幅、厚さの変動が大きいという問題があった。
テープ幅、厚さの変動は単独或いは組み合わせて複合化する場合でも最小化する必要があり、幅や厚さの均一な繊維強化テープが大いに望まれていた。

特開２００４−１２２４１６号公報 特公平４−７９９０号公報 特開２００３−７３９７８号公報

本発明の目的は、熱可塑性樹脂と高強力繊維マルチフィラメントからなる繊維強化テープにおいて、単糸表面が十分に熱可塑性樹脂に被覆され、薄葉でありながら幅、厚さが均一であり、且つ高強度と可撓性を両立した繊維強化テープを提供することにある。

本発明者らは、前期課題を解決する為に鋭意検討した結果、該高強力繊維開繊マルチフィラメントが、長さ方向に破断強力の１／１００以上の張力をかけた時、幅の変動係数が７％以下、隙間間隔が全幅に対して５％以下、厚さ方向の単糸の重なりが１〜３層である高強力繊維開繊マルチフィラメントの少なくとも片面からフィルム状熱可塑性樹脂を貼り合わせ、その後加熱加圧加工を行うことにより、含浸時及びその後の巻き取り方向の張力の影響を大幅に少なくすることが出来、単糸表面に十分に熱可塑性樹脂が被覆され、幅と厚さが一定範囲の高品質の繊維強化テープが得られることを見出し、本発明に至った。

以上に説明したように高強力繊維マルチフィラメントにフィルム状熱可塑性樹脂を貼り合わした後、加熱加圧することによってフィルム状熱可塑性樹脂をフィラメント中に圧入含浸することで、高濃度含浸できるだけでなく、樹脂含浸に伴うテープ巻き取り方向のテンションの影響を大幅に少なくすることが出来ることにより、幅、厚さが均一な繊維強化テープとすることが出来、樹脂ベルト、あるいは筒状体など複合材料用として好適に使用できる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
本発明の繊維強化テープに用いられる繊維としては、芳香族ポリアミド（アラミド）繊維、炭素繊維、ガラス繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、芳香族ポリエステル繊維、超高分子量ポリエチレン繊維、ポリエーテルエーテルケトン繊維などのポリケトン繊維などが挙げられる。中でも高強度であり、且つ柔軟性も有するアラミド繊維が好適に用いられる。

芳香族ポリアミド繊維はパラ型とメタ型に分類され、パラ型は強力や弾性率が高く、メタ型は難燃性、長期耐熱性に優れる。本発明においてはそのどちらを使用しても構わない。具体的には、パラ型アラミド繊維としては、ポリパラフェニレンテレフタルアミド繊維（東レ・デュポン（株）製「ケブラー」、テイジントワロン社製「トワロン」など）、及びコポリパラフェニレン−３，４’−オキシジフェニレンテレフタルアミド繊維（帝人テクノプロダクツ（株）製「テクノーラ」）などが挙げられ、メタ系アラミド繊維としては、ポリメタフェニレンイソフタルアミド繊維（デュポン社製「ノーメックス」、帝人テクノプロダクツ（株）製「コーネックス」など）などが挙げられる。中でもポリパラフェニレンテレフタルアミド繊維やコポリパラフェニレン−３，４’−オキシジフェニレンテレフタルアミド繊維が好適に用いられる。

上記繊維の表面には、樹脂含浸性を向上させるために種々の界面活性剤を少量付着させたり、また、繊維製造工程で付与する処理剤（油剤など）を除去せずそのまま使用してもよい。

上記繊維の単繊維繊度は、０．１〜５．５ｄｔｅｘ、好ましくは０．３ｄｔｅｘ〜２．５ｄｔｅｘの範囲である。０．１ｄｔｅｘ未満の場合は製糸技術上困難な点が多く、断糸や毛羽が発生して良好な品質の繊維を安定して生産することが困難になるだけでなく、コストも高くなるため好ましくない。一方、５．５ｄｔｅｘを超えると繊維の機械的物性、特に強度低下が大きくなり、繊維強化テープとした時に薄葉で均一なテープを得ることが困難となる為好ましくない。

上記繊維のマルチフィラメントでの繊度は、２２０〜２００００ｄｔｅｘ、好ましくは４４０〜１００００ｄｔｅｘである。２００００ｄｔｅｘを超えると安定してマルチフィラメントを開繊することが困難であり、その結果複合材料とした時の機械的強度が低下する。

本発明の繊維強化テープは、幅／厚さの比が１０以上、好ましくは２０以上１０００以下である。幅／厚さの比が１０未満の場合、フィラメントを被覆しているマトリックス樹脂の含浸されていない部分が生じ易く、その結果複合材料とした時の性能、特に引張強度が低下する為好ましくない。また１０００を超える場合、繊維状物で補強された、幅方向に隙間のない繊維強化テープを得ることは実質的に困難である。

本発明の繊維強化テープは厚さ方向で単糸が１〜３層重なり合っているものが好ましい。３層以上重なっている場合は繊維間に樹脂が含浸されにくく強度が低下し好ましくない。１層以下であれば繊維強化されないため好ましくない。

また、本発明の繊維強化テープは、その幅の変動係数が７％以下より好ましくは５％以下であることを特徴とする。幅の変動係数が７％を超える場合、得られたテープの内部には繊維が全く配置されておらず、樹脂のみが存在する部分が発生し、そのようなテープを１〜２層重ねて薄葉の複合材料を賦形した場合、その隙間を起点として破壊しやすくなるため好ましくない。

本発明の繊維強化テープを得るには、樹脂含浸前にマルチフィラメントは、幅の変動係数（ＣＶ；単位％）が７％以下より好ましくは５％以下、隙間間隔が全幅に対して５％以下、で且つ厚さ方向の単糸の重なりが１〜３層の間となるように開繊したマルチフィラメントである必要があり、生産上はある張力で長さ方向に引っ張りながら開繊を行うことになるが、このような開繊マルチフィラメントを得る方法としては、具体的には特公平４−７９９０号に記載の、曲率の異なる２ヶの歯車に繊維を通した後、繊維を引張ってカールを伸ばして開繊する方法、ＷＯ２００５／００２８１９に記載のような、繊維軸と交差方向の一面に局部的に進退往復させて交互に弛緩・緊張・弛緩・緊張・・という状態を作り出した後に吸引流体により開繊を行う方法などが好適に用いられる。

開繊マルチフィラメントを引っ張る張力としては開繊マルチフィラメントの破断強力の１／１００以上の張力で行うことが必要である。１／１００未満の張力では幅、隙間、繊維の層重なりが範囲内に制御できず好ましくない。

好ましい熱可塑性樹脂の含浸方法としては、含浸前後でのマルチフィラメントの幅の変動を抑えられる方法を用いることが肝要であり、本発明においては開繊マルチフィラメントの厚さ方向の少なくとも片面からフィルム状熱可塑性樹脂或いは溶融したフィルム状熱可塑性樹脂を貼りあわせ、その後加熱した２ヶのロール間に通して樹脂を溶融しながら単糸間に浸透させる方法が好適に用いられる。貼り合わせるまでの張力をコントロールすることが重要でガイドロール等をテンションロールとして糸にかかる張力を測定しながら幅制御することが好ましい。又熱可塑性樹脂溶液を離型紙上に塗布し、熱可塑性樹脂が一定粘度に到達時に離型紙上で開繊マルチフィラメントと貼り合わせ、加熱加圧して熱可塑性樹脂を含浸圧入する方法も好ましく用いられる。
又熱可塑性樹脂の一部がマルチフィラメント上の少なくとも片面に被覆層を形成された形であっても良い。

マルチフィラメントに含浸させる熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂、ポリアミド６、ポリアミド６６などのポリアミド系樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレート、全芳香族ポリエステルなどのポリエステル系樹脂、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルサルホンなどのポリスルホン系樹脂、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンなどのポリケトン系樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、アクリル樹脂などが例示される。これらは共重合体、変性体、あるいは２種以上の樹脂を混合した樹脂であってもよい。あるいは樹脂中に、難燃剤、耐光剤、紫外線吸収剤、平滑剤、帯電防止剤、酸化防止剤、離型剤、可塑剤、着色剤、抗菌剤、顔料、導電剤、シランカップリング剤、無機系コーティング剤、無機系微粒子などの機能剤を包含してもよい。

本発明の繊維強化テープに占める樹脂の体積比率は、１０〜７０ｖｏｌ％の間に調整することが肝要であり、この範囲を外れると複合材料とした時の性能が十分に発揮できない恐れがある。１０％未満であると強度が不足し。７０％以上であれば可撓性が不足し好ましくない。好ましくは２５〜６０ｖｏｌ％である。

本発明の繊維強化テープは、単糸１本１本にほぼ均一にマトリックス樹脂が付与されているため、引張強度６５０ＭＰａ以上の繊維強化テープとなり、薄葉で可撓性に優れた樹脂テープ等として有用なものとなる。

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。なお、実施例で用いた試験片の作成方法、及びその評価方法は下記のとおりである。

（１）開繊マルチフィラメントの幅、幅の変動係数
レーザー変位計を用いてマルチフィラメントの幅を長さ方向に１ｃｍ毎にＮ＝５０個測定し、その平均値をマルチフィラメントの幅とした。また変動係数は、５０箇所の幅の標準偏差値とマルチフィラメント幅の平均値から下記式を用いて算出した。
幅の変動係数（％）＝（幅の標準偏差）／（幅の平均値）×１００

（２）開繊マルチフィラメントの隙間、隙間割合
前記（１）と同様の方法で隙間をＮ＝５０個測定し、その平均値をマルチフィラメント中の隙間とした。また隙間割合は、前記（１）で得た幅を用いて下記式を用いて算出した。
隙間割合（％）＝（フィラメント中の隙間）／（フィラメント幅）×１００

（３）マルチフィラメントの厚さ方向の単糸重なり本数
樹脂含浸前のマルチフィラメントを弛まないように引き出し、張力を維持しながら任意の１０点についてマイクロメーターを用いて厚さを測定し、この平均値を、単糸径と単糸本数とを掛けた値から割った値を単糸重なり本数とした。

（４）テープ中の体積樹脂含有率
テープの体積及び樹脂含浸前の繊維の体積を測定重量から算出し、下記式を用いて算出した。
体積樹脂含有率（％）＝｛［（テープ体積）−（繊維体積）］／（テープ体積）｝×１００

（５）テープの幅変動係数
繊維強化テープを用いて（１）と同様の方法で測定した。

（６）テープ幅と厚さの比
テープの任意の１０点について切断して幅、厚さを測定し、幅を厚さで割って算出し、１０点の平均をテープと厚さの比とした。

（７）テープの引張強度
ＪＩＳ Ｃ ２３１８に準拠して測定した。

［実施例１］
繊度１６７０ｄｔｅｘ、フィラメント本数１０００本のコポリパラフェニレン−３，４’−オキシジフェニレンテレフタルアミド繊維（帝人テクノプロダクツ（株）製「テクノーラ」）を用い、特公平４−７９９０号に記載の、曲率の異なる２ヶの歯車に繊維を通した後、繊維を６００ｇ（破断強力の１／６５）の張力で引張ってカールを伸ばして開繊する方法で繊維を幅方向に拡げ、開繊マルチフィラメントを得た。この時のマルチフィラメント幅は６．３ｍｍ、幅の変動係数は３．５％、隙間割合は１．５％、厚さ方向の重なり本数は１．９本であった。

このマルチフィラメントを、６００ｇの張力で引き出し、幅７ｍｍにカットした厚さ２０μｍのポリプロピレン未延伸フィルム（東洋紡績（株）製「パイレン−フィルムＣＴ」）を上下から貼り合わせ、直後に上下から離型紙を貼り合せた後、１５０℃に加熱した２ヶの金属ロール間に線圧５０ｋｇ／ｃｍで加圧し、更にその後に室温の２ヶの金属ロール間に線圧５０ｋｇ／ｃｍで通し、離型紙を剥がして繊維強化テープを得た。
このテープについて、前記（４）〜（７）に示した諸特性は、表１に示すとおりであった。

［実施例２］
繊度１６７０ｄｔｅｘ、フィラメント本数２０００本のコポリパラフェニレン−３，４’−オキシジフェニレンテレフタルアミド繊維（帝人テクノプロダクツ（株）製「テクノーラ」）を用い、特公平４−７９９０号に記載の、曲率の異なる２ヶの歯車に繊維を通した後、繊維を１２００ｇの張力で引張ってカールを伸ばして開繊する方法で繊維を幅方向に拡げ、開繊マルチフィラメントを得た。この時のマルチフィラメント幅は８．０ｍｍ、幅の変動係数は４．８％、隙間割合は０．９％、厚さ方向の重なり本数は２．２本であった。

このマルチフィラメントを用い、１２００ｇの張力で引き出し、９．５ｍｍにカットしたフィルムを用いた以外は、実施例１と同様の方法で行い、繊維強化テープを得た。このテープについて、前記（４）〜（７）に示した諸特性は、表１に示すとおりであった。

［比較例１］
実施例１に示した方法で得た開繊マルチフィラメントを用いる代わりに、繊度１６７０ｄｔｅｘ、フィラメント本数１０００本のコポリパラフェニレン−３，４’−オキシジフェニレンテレフタルアミド繊維（帝人テクノプロダクツ（株）製「テクノーラ」）を用い、１０００ｇの張力をかけながら、１０ｍｍ径のバーガイド５本を交互に上下させたラインに通して開繊させたマルチフィラメントを得た。この時のマルチフィラメント幅は４．２ｍｍ、幅の変動係数は８．７％、隙間割合は０．８％、厚さ方向の重なり本数は２．９本であった。

このマルチフィラメントを用い、５．５ｍｍにカットしたフィルムを用いた以外は、実施例１と同様の方法で樹脂含浸・固化を行い、繊維強化テープを得た。このテープについて、前記（４）〜（７）に示した諸特性は、表１に示すとおりであった。

［比較例２］
実施例１使用したマルチフィラメントを引き出し、１００ｇの張力下で、圧力１．０ｋｇ／ｃｍ^２の圧縮空気を、マルチフィラメントの扁平部の上から吹きつけて巻取り、開繊マルチフィラメントを得た。この時のマルチフィラメント幅は５．５ｍｍ、幅の変動係数は４．６％、隙間割合は１１．３％、厚さ方向の重なり本数は２．２本であった。

このマルチフィラメントを用い、実施例１と同様の方法で行い、繊維強化テープを得た。このテープについて、前記（４）〜（７）に示した諸特性は、表１に示すとおりであった。

本発明の繊維強化テープは、幅、厚さが均一で、かつ引張強度が格段に向上するので、樹脂ベルト、あるいは筒状体など複合材料用として好適に使用できる。

Claims (2)

1. 熱可塑性樹脂及び単繊維繊度が０．１〜５．５ｄｔｅｘの高強力繊維開繊マルチフィラメントからなる繊維強化テープの製造方法において、該高強力繊維開繊マルチフィラメントの長さ方向に破断強力の１／１００以上の張力をかけて、幅の変動係数が７％以下、隙間間隔が全幅に対して５％以下、単糸が厚さ方向に１〜３層重なるように開繊し、その状態を保ちながら、該高強力繊維開繊マルチフィラメントの少なくとも片面に、フィルム状熱可塑性樹脂を貼り合わせ、その後加熱加圧加工を行うことを特徴とする繊維強化テープの製造方法。
2. フィルム状熱可塑性樹脂が溶融押し出ししたフィルム状熱可塑性樹脂である請求項１記載の繊維強化テープの製造方法。