JP6121978B2 - プリプレグ製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂粉体を炭素繊維織物やＵＤテープなどのシート状繊維基材に付着させてプリプレグを製造するプリプレグ製造装置に関するものである。

従来、プリプレグはシート状繊維基材に樹脂を含浸させた後、加熱加圧成形する手法がとられていたが、その製造工程においてシート状繊維基材に対する樹脂の含浸や樹脂の均一性から多量の溶剤が使用されてきたため大気汚染や地球温暖化の原因となっていた。
そのため、多量の溶剤を使用しないように、樹脂粉体を帯電させた状態でシート状繊維基材に付着させてプリプレグを製造する方法が開示されている（例えば、特許文献１，２参照）。

ＰＣＴ ＷＯ ０３／０２４６０９ Ａ２ 特開平１１−１８９６６１号公報

特許文献１に記載の発明は、例えば、図４に示すように、ブロワーやコンプレッサなどから注入口１１を介して加速容器１２内に入力された空気を、高圧直流電源に接続された複数のブラシ１３を利用して帯電させ、その帯電させた空気に、流路の一部を狭くした圧縮部１４を設けることで圧力低下を生じさせるべンチェリー効果を利用することで格納ボックス１５内からチューブ１６を介して吸い上げられた粉体１７を混合させることにより粉体１７についても帯電させるようにしている。
そして空気と粉体１７を混合してなる固気二相流を加速容器１２の先端部に形成された穴１８から、チャンバー１９内において連続的に引き上げられる炭素繊維織物２０に向けて吐出することで、帯電させた粉体１７を炭素繊維織物２０に付着させてプリプレグを製造するものである。

また特許文献２に記載の発明は、導電シートを繊維基材の一方の面側に配置し、帯電した粉体樹脂を、繊維基材の他方の面から繊維基材に向けて吹き付けることで、静電気力を利用して繊維基材の繊維間に粉体樹脂を充填させながら繊維基材に粉体樹脂を付着させるものである。

しかしながら、図４で示したような従来の技術では、空気と粉体１７を混合してなる固気二相流の供給中において、加速容器１２の底部に粉体１７が落ちないように流速を高める必要があるのに加えて、流路が狭められた圧縮部１４が設けられていることから一層流速は増加するので、粉体１７の慣性エネルギーが大きくなる。すなわち、帯電された粉体１７にはたらく鏡像による静電力の作用で粉体１７は炭素繊維織物２０に吸引されるがその吸引力よりも粉体１７の慣性力のほうがかなり大きいため、粉体１７は炭素繊維織物２０に当接するが付着せずに跳ね返ってしまうという現像が生ずる。
また逆に、空気と粉体１７を混合してなる固気二相流の流速を遅くした場合には、加速容器１２の底部に粉体１７が落下して少しずつ堆積していくため、これにより圧縮部１４がさらに狭くなりかえって流速が速くなってしまう。

さらに、従来例は、べンチェリー効果を利用してチューブ１６を介して格納ボックス１５内から粉体１７を吸い上げるようにしているので、固気二相流の流速によって圧力が変化することに対応して粉体１７の吸い上げ量が変化して安定しない。また、粉体１７の凝集性や湿度等の影響によりチューブ１６の詰まりが生じやすく部分的に詰まった場合には、粉体１７は不均一に分散するので、正確な粉体量を時間的，空間的に均一に供給するように制御することは困難である。仮に不均一な状態で粉体１７を炭素繊維織物２０に付着させようとすると付着量にむらが生じるので、安定した品質のプレプレグを製造することはできない。
その上、従来例は、空気をまず帯電させた後にその空気を粉体１７にぶつけることにより粉体１７を間接的に帯電させるものであるため直接的に粉体１７を帯電させる場合と比較して帯電効率が悪いといった問題もある。

また特許文献２のものは、帯電した粉体樹脂を、繊維基材の他方の面から繊維基材に向け上から下に向けて吹き付けるものであるので、付着量のバラツキが生じやすいといった問題がある。

また特許文献１，２のいずれも繊維基材の一面だけに樹脂の粉体を付着させるものであるため、繊維基材の他面にまで樹脂の粉体を付着させるには２倍以上の時間を要する。さらに両者には装置全体を小型化することによって省スペース化を図るといった発想はまったくない。

そこで、本発明の目的とするところは、省スペース化を図るとともに、樹脂粉体を均一かつ効率的にシート状繊維基材に付着させて品質性能に優れたプリプレグを製造することにある。

上記の目的を達成するために、本発明のプリプレグ製造装置は、樹脂粉体（３０）をシート状繊維基材（５０）に付着させてプリプレグを製造するプリプレグ製造装置において、
前記シート状繊維基材（５０）を間にして左右に設けられ、外殻（３１ａ，３２ａ）とその外殻（３１ａ，３２ａ）に交わることなく仕切られた内殻（３１ｂ，３２ｂ）を有し、前記内殻（３１ｂ，３２ｂ）の前記シート状繊維基材（５０）に相対向する前面位置には開口部（３３，３４）が形成され、前記外殻（３１ａ，３２ａ）の前記シート状繊維基材（５０）側とは逆側になる後面位置には排出口（３５，３６）が形成されてなる左右２つのチャンバー（３１，３２）と、
前記２つのチャンバー（３１，３２）の内殻（３１ｂ，３２ｂ）内にそれぞれ設けられ、その一端が前記開口部（３３，３４）まで略水平に延びる供給管（３７，３８）と、
前記供給管（３７，３８）の他端側に設けられ、連続的に供給される樹脂粉体（３０）に空気を混合して高圧で押し込むコンプレッサ（３９，４０）が接続されるとともに、前記２つのチャンバー（３１，３２）の幅方向に延びる本体部（４１ａ，４２ａ）に形成された長穴状の噴射スリットから、前記樹脂粉体（３０）を前記空気とともに前記給供管（３７，３８）内に噴射して前記開口部（３３，３４）から吐出させて前記シート状繊維基材（５０）に吹き付けるフラット型エアーノズル（４１，４２）と、
前記供給管（３７，３８）に設けられ前記樹脂粉体（３０）を前記空気とともに帯電させる粉末樹脂帯電部（４３，４４）を備え、
前記２つのチャンバー（３１，３２）の前記開口部（３３，３４）から吐出し付着しなかった前記樹脂粉体（３０）を、前記外殻（３１ａ，３２ａ）と前記内殻（３１ｂ，３２ｂ）の間に形成された流路（４５，４６）を介して前記外殻（３１ａ，３２ａ）の後面側に流して前記排出口（３５，３６）から前記２つのチャンバー（３１，３２）の外側に排出するようにしたことを特徴とする。

なお、本発明でいうプリプレグにはシート状繊維基材（５０）に付着する樹脂粉体（３０）の量を抑えたいわゆるセミプレグも含まれることを意味する。

また、本発明は、前記２つのチャンバー（３１，３２）の前記開口部（３３，３４）と前記シート状繊維基材（５０）の間に高圧の電界をかける高電圧板（５１，５２）を前記開口部（３３，３４）の周囲に設置したことを特徴とする。

また、本発明は、前記排出口（３５，３６）から排出された前記樹脂粉体（３０）を集める集塵機（５３，５４）をさらに備え、
前記集塵機（５３，５４）で集められた前記樹脂粉体（３０）を、前記フラット型エアーノズル（４１，４２）に戻し再利用することを特徴とする。

また、本発明は、前記シート状繊維基材（５０）を上方向又は下方向に連続的に搬送可能な搬送装置をさらに備えることを特徴とする。

なお、括弧内の記号は、図面および後述する発明を実施するための形態に記載された対応要素または対応事項を示す。

本発明によれば、樹脂粉体をシート状繊維基材に付着させてプリプレグを製造するプリプレグ製造装置において、シート状繊維基材を間にして左右に外殻と内殻で構成されたチャンバーを設け、チャンバーの内殻にはそれぞれフラット型エアーノズルが設けられた構成であるので、装置全体が小型化され省スペース化が図られるとともにシート状繊維基材の両面に対して樹脂粉体が同時に付着させられる。

しかも、フラット型エアーノズルを採用したことで、樹脂粉体が空気と混合されて供給管の後側から高圧でかつ均一の流速で押し込まれるので、供給管内で帯電させられた樹脂粉体と空気からなる固気二相流の流速は速く、従来例で示したように固気二相流の流速が遅いことが原因で供給管内に樹脂粉体が沈殿、堆積することはない。
また、フラット型エアーノズルを採用したことにより、流速（風速）を均一化させるために、通常使用されていた整流装置やブロワーは不要となるため、これによっても装置全体の小型化が図れる。
そして、本発明は帯電させられた樹脂粉体と空気からなる固気二相流を供給管から吐出して速い流速の状態でシート状繊維基材に当接させるものではなく、固気二相流を供給管よりも開口面積の広いチャンバー内に一旦送り込むことでチャンバー内で固気二相流の流速を遅くしてその後にシート状繊維基材に吹き付けるにしたので、従来例で示したように、樹脂粉体が静電力の作用で炭素繊維織物などのシート状繊維基材に対して吸引される力よりも樹脂粉体の流速による慣性力のほうがかなり大きくなることはない。
これにより、従来例で示したように、樹脂粉体がシート状繊維基材に当接するが付着せずに跳ね返ってしまうことはなく、本発明では、樹脂粉体はシート状繊維基材に均一にムラなく付着して品質性能に優れたプリプレグが得られる。

また、本発明によれば、樹脂粉体は連続的に定量供給され、その後、コンプレッサによって空気と混合され、供給管の後側から高圧で押し込まれるので、従来例で示したようなべンチェリー効果を利用して粉体を吸い上げるものではなく、樹脂粉体の量を正確に供給することができる。また、２つのチャンバーの開口部から吐出した樹脂粉体を、外殻と内殻の間に形成された流路を介して外殻の後面側に流して排出口からチャンバーの外側に排出するようにしたので、樹脂粉体は上手く循環させられ一ヶ所に堆積することが抑えられる。

また、帯電方法についても従来例のように、空気を帯電させた後に樹脂粉体を間接的に帯電させるものではなく、最初から樹脂粉体を直接的に帯電させるため帯電効率を特に悪くするものではない。

また、本発明によれば、チャンバーの内殻に形成された開口部の周囲には高電圧板が設置され、開口部に相対向するシート状繊維基材との間に高圧の電界がかけられるので、シート状繊維基材に対する樹脂粉体の付着率をより一層高くすることができる。

また、本発明によれば、集塵機でチャンバーの外殻に形成された排出口から排出された樹脂粉体を集めるとともに集められた樹脂粉体を、定量フィーダー等に戻しフラット型エアーノズルに投入するように再利用することによって、樹脂粉体の回収率を９０％以上に向上させることも可能で経済的である。

また、本発明によれば、シート状繊維基材を上方向又は下方向に連続的に搬送可能な搬送装置をさらに備えるので、シート状繊維基材を連続的に搬送することでシート状繊維基材の両面に対して樹脂粉体を単時間に連続して付着させることができる。

なお、本発明のプリプレグ製造装置のように、シート状繊維基材を間にして左右に設けられたチャンバーの内殻側にフラット型エアーノズルを設けて小型化と作業効率を向上させて、品質性能に優れたプリプレグが得られるようにした点は、上述した特許文献１，２には全く記載されていない。また、フラット型エアーノズルは、通常空気だけを供給するものであり（例えば、特開２００７−６２０７５号公報，特許第５３３４３４５号公報など）、プリプレグ製造装置として空気とともに樹脂粉体を、フラット型エアーノズルを利用して供給する技術は従来より知られていない。

本発明の実施形態に係るプリプレグ製造装置の構成概要を示す平面図である。 本発明の実施形態に係るプリプレグ製造装置の構成概要を示す側面図である。 図１のＡ−Ａ矢視図である。 従来例に係るプリプレグ製造装置の構成概要を示す一部断面側面図である。

図１乃至図３を参照して本発明の実施形態に係るプリプレグ製造装置について説明する。

本発明の実施形態に係るプリプレグ製造装置は、樹脂粉体３０を炭素繊維織物やＵＤテープなどのシート状繊維基材５０に付着させてプリプレグを製造する装置であって、図１及び図２に示すように、シート状繊維基材５０を間にして左右に設けられた２つのチャンバー３１，３２と、チャンバー３１，３２内にそれぞれ設けられた供給管３７，３８と、供給管３７，３８の端部にそれぞれ接続されたフラット型エアーノズル４１，４２と、供給管３７，３８にそれぞれ設けられた粉末樹脂帯電部４３，４４を主に備えている。

チャンバー３１，３２は、矩形状の外殻３１ａ，３２ａと、外殻３１ａ，３２ａの内部に設けられた略矩形状で四角が丸みを帯びた内殻３１ｂ，３２ｂを有している。
外殻３１ａ，３２ａのシート状繊維基材５０側、すなわち、左側チャンバー３１の右端（前面）及び右側チャンバー３２の左端（前面）の位置は開放されていて、その間に樹脂粉体３０が付着されるシート状繊維基材５０が設置されている。また、外殻３１ａ，３２ａのシート状繊維基材５０側とは逆側、すなわち、左側チャンバー３１の左端（後面）及び右側チャンバー３２の右端（後面）の位置には排出口３５，３６が形成されている。排出口３５，３６には、排出口３５，３６から排出された樹脂粉体３０を集める集塵機５３，５４が取付けられている。

また、内殻３１ｂ，３２ｂのシート状繊維基材５０に相対向する前面位置、すなわち、左側チャンバー３１の内殻３１ｂの右端（前面）及び右側チャンバー３２の内殻３２ｂの左端（前面）の位置には開口部３３，３４が形成されている。開口部３３，３４の周囲には、全体を取り囲むように高電圧板５１，５２が設置されている。

また、チャンバー３１，３２の内殻３１ｂ，３２ｂは、外殻３１ａ，３２ａに交わることなく仕切られた状態で設けられていて、外殻３１ａ，３２ａと内殻３１ｂ，３２ｂの間には、上下左右に開口部３３，３４から空気とともに吐出され付着しなかった樹脂粉体３０が排出口３５，３６からチャンバー３１，３２の外側に排出されるような流路（隙間）４５，４６が形成されている。

供給管３７，３８は、２つのチャンバー３１，３２の内殻３１ｂ，３２ｂ内の略中央の高さの位置にそれぞれ設けられ、その一端が開口部３３，３４まで略水平に延びている。また、供給管３７，３８の他端には、フラット型エアーノズル４１，４２が接続されている。

フラット型エアーノズル４１，４２は、その本体部４１ａ，４２ａが２つのチャンバー３１，３２の幅方向（図２においては紙面の表裏方向）に延び、本体部４１ａ，４２ａのシート状繊維基材５０側端部に、本体部４１ａ，４２ａと同様にチャンバー３１，３２の幅方向に延びる長穴状の噴射スリット（図示しない）が形成され、噴射スリットからはカーテン状にエアーが噴射されるようになっている。
フラット型エアーノズル４１，４２の本体部４１ａ，４２ａの基端には、一端に樹脂粉体３０が投入される投入口４７ａ，４８ａが設けられた投入管４７，４８の他端が接続されている。投入管４７，４８の他端はチャンバー３１，３２の内殻３１ｂ，３２ｂ内に入り込んでいるが、投入管４７，４８の一端は、チャンバー３１，３２の外部に位置し、その一端に設けられた投入口４７ａ，４８ａから定量フィーダーなどによって定量の樹脂粉体３０が連続的に投入される。
また、投口管４７，４８の略中央には、空気増幅装置Ｔを介してコンプレッサ３９，４０が接続されている。これにより、コンプレッサ３９，４０から送られた圧縮空気は、空気増幅装置Ｔで流速がさらに高められるとともに、投入口４７ａ，４８ａから定量フィーダーなどによって供給される樹脂粉体３０に混合され、高圧の固気二相流としてフラット型エアーノズル４１，４２に押し込まれるようになっている。

粉末樹脂帯電部４３，４４は、供給管３７，３８の略中央に設けられ、樹脂粉体３０を空気とともにマイナス（逆にプラスでもよい）に帯電させるもので、高い電荷量が樹脂粉体３０に与えられる。

なお、樹脂粉体３０としては、一般的に熱硬化性樹脂が使用されるが熱可塑性樹脂や天然樹脂などであってもよい。また、シート状繊維基材５０は炭素繊維系以外の金属繊維や鉱物繊維やガラス繊維や合成繊維からなるものであってもよい。
また、シート状繊維基材５０はグランド接続されていて、チャンバー３１，３２の内殻３１ｂ，３２ｂに形成された開口部３３，３４の周囲に設置された高電圧板５１，５２との間に高圧の電界がかけられている。

このように構成されたプリプレグ製造装置を使用してプリプレグを製造する方法について説明する。
投入管４７，４８の投入口４７ａ，４８ａから定量フィーダーなどによって定量の樹脂粉体３０が連続的に投入されると、樹脂粉体３０は、コンプレッサ３９，４０から送られた圧縮空気が空気増幅装置Ｔによってその流速がさらに高められた高圧の空気と投入管４７，４８の内部で混合された後、フラット型エアーノズル４１，４２に押し込まれる。

これにより、フラット型エアーノズル４１，４２の噴射スリットから供給管３７，３８内に風速が均一化され、樹脂粉体３０と空気が混合された固定二相流がエアーカーテン状に送られるとともに、供給管３７，３８に設けられた粉末樹脂帯電部４３，４４によって樹脂粉体３０と空気がともにマイナスに帯電させられる。

そして、帯電された樹脂粉体３０と空気が混合された固定二相流は、チャンバー３１，３２の開口部３３，３４から吐出させられ、シート状繊維基材５０に吹き付けられる。このとき、開口部３３，３４の周囲に設置された高電圧板５１，５２によって、開口部３３，３４とグランド接続されたシート状繊維基材５０の間には、高圧の電界がかけられているとともに、開口部３３，３４側に負の高電圧がかけられるようにすると、マイナスに帯電された樹脂粉体３０は勢いよく開口部３３，３４からシート状繊維基材５０に向かって吐出してそのままシート状繊維基材５０に強固な接着力で付着され、プリプレグが製造される。
なお、樹脂粉体３０が粉末樹脂帯電部４３，４４によってプラスに帯電される場合には、高電圧板５１，５２によって開口部３３，３４側には正の高電圧がかけられる。
また、本発明の実施形態でいうプリプレグにはシート状繊維基材５０に付着する樹脂粉体３０の量を抑えたいわゆるセミプレグも含まれる。

なお、シート状繊維基材５０に付着されなかった樹脂粉体３０は、２つのチャンバー３１，３２の外殻３１ａ，３２ａと内殻３１ｂ，３２ｂの間に形成された流路４５，４６を介して外殻３１ａ，３２ａの後面側に流され、排出口３５，３６から２つのチャンバー３１，３２の外側に排出される。
排出された樹脂粉体３０は、排出口３５，３６に接続された集塵機５３，５４によって、集められ再利用できるようにしている。本実施形態では、図１に示したように、集塵機５３，５４で集められた樹脂粉体３０を再度、定量フィーダーなどを介して投入管４７，４８の投入口４７ａ，４８ａに投入し、コンプレッサ３９，４０を介して空気とともにフラット型エアーノズル４１，４２に押し込むようにしている。

これによれば、シート状繊維基材５０を間にして左右に外殻３１ａ，３２ａと内殻３１ｂ，３２ｂで構成されたチャンバー３１，３２を設け、チャンバー３１，３２の内殻３１ｂ，３２ｂにはそれぞれフラット型エアーノズル４１，４２が設けられた構成であるので、装置全体が小型化され省スペース化が図られるとともにシート状繊維基材５０の両面に対して樹脂粉体３０が同時に付着させられる。
しかも、フラット型エアーノズル４１，４２を採用したことで、樹脂粉体３０が空気と混合されて供給管３７，３８の後側から高圧でかつ均一の流速で押し込まれるので、供給管３７，３８内で帯電させられた樹脂粉体３０と空気からなる固気二相流の流速は速く、しかも均一化されるために、通常使用されていた整流装置やブロワーは不要となり、これによっても装置全体の小型化が図れる。

なお、本発明の実施形態では、２つのチャンバー３１，３２間にシート状繊維基材５０を固定して両面に樹脂粉体３０を同時に付着させるようにしたが、シート状繊維基材５０自体を上方向又は下方向に連続的に搬送可能な搬送装置をさらに備えるようにすることで、シート状繊維基材５０の両面に対して樹脂粉体３０を広範囲にわたってしかも単時間に連続して付着させることができる。
また、本発明の実施形態では、チャンバー３１，３２の開口部３３，３４の周囲に高電圧板５１，５２を設置してシート状繊維基材５０に対して樹脂粉体３０がより強固に付着するようにしたが、高電圧板５１，５２を省いてもシート状繊維基材５０に対して樹脂粉体３０を付着させることはできる。

１１ 注入口
１２ 加速容器
１３ ブラシ
１４ 圧縮部
１５ 格納ボックス
１６ チューブ
１７ 粉体
１８ 穴
１９ チャンバー
２０ 炭素繊維織物
３０ 樹脂粉体
３１，３２ チャンバー
３１ａ，３２ａ 外殻
３１ｂ，３２ｂ 内殻
３３，３４ 開口部
３５，３６ 排出口
３７，３８ 供給管
３９，４０ コンプレッサ
４１，４２ フラット型エアーノズル
４１ａ，４２ａ 本体部
４３，４４ 粉末樹脂帯電部
４５，４６ 流路
４７，４８ 投入管
４７ａ，４８ａ 投入口
５０ シート状繊維基材
５１，５２ 高電圧板
５３，５４ 集塵機
Ｔ 空気増倍装置

Claims (4)

1. 樹脂粉体をシート状繊維基材に付着させてプリプレグを製造するプリプレグ製造装置において、
   前記シート状繊維基材を間にして左右に設けられ、外殻とその外殻に交わることなく仕切られた内殻を有し、前記内殻の前記シート状繊維基材に相対向する前面位置には開口部が形成され、前記外殻の前記シート状繊維基材側とは逆側になる後面位置には排出口が形成されてなる左右２つのチャンバーと、
   前記２つのチャンバーの内殻内にそれぞれ設けられ、その一端が前記開口部まで略水平に延びる供給管と、
   前記供給管の他端側に設けられ、連続的に供給される樹脂粉体に空気を混合して高圧で押し込むコンプレッサが接続されるとともに、前記２つのチャンバーの幅方向に延びる本体部に形成された長穴状の噴射スリットから、前記樹脂粉体を前記空気とともに前記給供管内に噴射して前記開口部から吐出させて前記シート状繊維基材に吹き付けるフラット型エアーノズルと、
   前記供給管に設けられ前記樹脂粉体を前記空気とともに帯電させる粉末樹脂帯電部を備え、
   前記２つのチャンバーの前記開口部から吐出し付着しなかった前記樹脂粉体を、前記外殻と前記内殻の間に形成された流路を介して前記外殻の後面側に流して前記排出口から前記２つのチャンバーの外側に排出するようにしたことを特徴とするプリプレグ製造装置。
2. 前記２つのチャンバーの前記開口部と前記シート状繊維基材の間に高圧の電界をかける高電圧板を前記開口部の周囲に設置したことを特徴とする請求項１に記載のプリプレグ製造装置。
3. 前記排出口から排出された前記樹脂粉体を集める集塵機をさらに備え、
   前記集塵機で集められた前記樹脂粉体を、前記フラット型エアーノズルに戻し再利用することを特徴とする請求項１又は２に記載のプリプレグ製造装置。
4. 前記シート状繊維基材を上方向又は下方向に連続的に搬送可能な搬送装置をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか一つに記載のプリプレグ製造装置。