JP6773222B2 - 繊維強化樹脂成形材料の製造方法及び繊維強化樹脂成形材料の製造装置 - Google Patents
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Description
本願は、2018年4月4日に、日本出願された特願2018−072556号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
[1]裁断された繊維束に樹脂が含浸された繊維強化樹脂成形材料の製造方法であって、
繊維束を分繊機で長手方向に間隔を空けて分繊する分繊ステップと、
前記分繊ステップの後に前記繊維束を長手方向に間隔を空けて裁断する裁断ステップと、
を含み、
前記分繊機が、解放部を有する回転刃と、前記回転刃に隣接するスペーサー部材とを備える、繊維強化樹脂成形材料の製造方法。
[2]前記解放部が、前記回転刃に形成された切欠き部によって形成されている、[1]に記載の繊維強化樹脂成形材料の製造方法。
[3]前記切欠き部の切欠き角度をα(°)としたとき、100≦α≦200を満たす、[2]に記載の繊維強化樹脂成形材料の製造方法。
[4]前記回転刃における前記切欠き部以外の部分の外周の長さをx(mm)、前記回転刃における前記切欠き部がない状態の全周の長さ(mm)から前記xを差し引いた長さをy(mm)としたとき、x>2yを満たす、[2]又[3]に記載の繊維強化樹脂成形材料の製造方法。
[5]前記スペーサー部材の一部が側面視で前記回転刃の周縁に達して前記解放部が形成されている、[1]に記載の繊維強化樹脂成形材料の製造方法。
[6]前記回転刃の径をd5(mm)、前記スペーサー部材の最大の径をd4(mm)としたとき、0≦d4−d5≦1を満たす、[5]に記載の繊維強化樹脂成形材料の製造方法。
[7]前記スペーサー部材の回転の周速をV(m/min)、前記繊維束の搬送速度をW(m/min)としたとき、0.02≦V/W≦0.5を満たす、[1]〜[6]のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料の製造方法。
[8]前記分繊ステップ及び前記裁断ステップが、下記(1)及び(2)の条件を満たす、[1]〜[7]のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料の製造方法。
0<b/L<1 ・・・(1)
1<a/L≦1000 ・・・(2)
(ただし、式中、aは分繊した前記繊維束の長手方向の分繊部分の長さ(mm)であり、bは分繊した前記繊維束の長手方向の未分繊部分の長さ(mm)であり、Lは前記繊維束の長手方向の裁断の間隔(mm)である。)
[9]回転刃、及び前記回転刃に隣接するスペーサー部材を備え、前記回転刃を繊維束に突き刺して前記繊維束を間隔を空けて分繊する分繊機と、
前記分繊機で処理された前記繊維束を、前記繊維束の長手方向に間隔を空けて裁断する裁断部と、を備え、
前記回転刃には解放部が形成されている、繊維強化樹脂成形材料の製造装置。
[10]前記解放部が、前記回転刃に形成された切欠き部によって形成されている、[9]に記載の繊維強化樹脂成形材料の製造装置。
[11]前記切欠き部の切欠き角度をα(°)としたとき、100≦α≦200を満たす、[10]に記載の繊維強化樹脂成形材料の製造装置。
[12]前記回転刃における前記切欠き部以外の部分の外周の長さをx(mm)、前記回転刃における前記切欠き部がない状態の全周の長さ(mm)から前記xを差し引いた長さをy(mm)としたとき、x>2yを満たす、[10]又は[11]に記載の繊維強化樹脂成形材料の製造装置。
[13]前記スペーサー部材の一部が側面視で前記回転刃の周縁に達して前記解放部が形成されている、[9]に記載の繊維強化樹脂成形材料の製造装置。
[14]前記回転刃の径をd5(mm)、前記スペーサー部材の最大の径をd4(mm)としたとき、0≦d4−d5≦1を満たす、[13]に記載の繊維強化樹脂成形材料の製造装置。
[15]前記分繊機及び前記裁断部が、下記(1)及び(2)の条件を満たすように構成されている、[9]〜[14]のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料の製造装置。
0<b/L<1 ・・・(1)
1<a/L≦1000 ・・・(2)
(ただし、式中、aは分繊した前記繊維束の長手方向の分繊部分の長さ(mm)であり、bは分繊した前記繊維束の長手方向の未分繊部分の長さ(mm)であり、Lは前記繊維束の長手方向の裁断の間隔(mm)である。)
本発明の製造方法で製造される成形材料がSMCとして用いられる場合、熱硬化性樹脂が好ましい。成形材料がスタンパブルシートとして用いられる場合、熱可塑性樹脂が好ましい。
熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエーテルスルフォン樹脂、芳香族ポリアミド樹脂を例示できる。使用する熱可塑性樹脂は、1種でもよく、2種以上でもよい。
0<b/L<1 ・・・(1)
1<a/L≦1000 ・・・(2)
(ただし、式中、aは分繊した繊維束の長手方向の分繊部分の長さ(mm)であり、bは分繊した繊維束の長手方向の未分繊部分の長さ(mm)であり、Lは繊維束の長手方向の裁断の間隔(mm)である。)
本発明における解放部とは、回転刃による分繊状態が一時的に解消される当該回転刃の領域のことである。すなわち、解放部とは、回転刃を回転させながら繊維束に突き刺して連続的に分繊する際に、回転刃において繊維束に突き刺さらないようになっている部分的な領域のことである。繊維束がこの解放部を通過することにより、繊維束に上述の未分繊部分を形成させることができる。
本発明の成形材料の製造方法において、この解放部を有する回転刃の構成は特に限定されるものではないが、この回転刃を有する分繊機として、以下の2種類を例示することができる。それぞれの態様について、一例を示して説明する。
第1実施形態では、解放部を有する回転刃として、切欠き部が形成された回転刃を含む分繊機を備える製造装置を使用する。第1実施形態で使用する製造装置の一例について、図1〜3に基づいて説明する。なお、以下の説明において例示される図の寸法等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
以下の説明においては、XYZ直交座標系を設定し、各図に示すXYZ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。
本実施形態の繊維強化樹脂成形材料の製造装置100(以下、単に「製造装置100」と記す。)は、複数の炭素繊維が束ねられた繊維束と、不飽和ポリエステル樹脂からなる熱硬化性樹脂とを含み、裁断した繊維束のフィラメント間に熱硬化性樹脂を含浸させたシート状のSMCを製造する装置である。なお、繊維束としては、炭素繊維の他にも、ガラス繊維等の強化繊維を用いてもよい。樹脂としては、熱硬化性樹脂の他にも、熱可塑性樹脂を用いてもよい。
開繊部50は、繊維束f1の幅方向(Y軸方向)に延び、搬送方向(X軸方向)に間隔を空けて配置された複数の開繊バー17を備えている。
回転刃18aは、円盤の一部を直線的に切り欠く切欠き部18dが形成された欠円形状になっている。このように、回転刃18aには切欠き部18dが形成され、切欠き部18dが解放部になっている。この例では、回転軸18cの軸回りにおいて、各回転刃18aにおける切欠き部18dの位置がずれている。なお、回転軸18cの軸回りにおいて、各回転刃18aにおける切欠き部18dの位置が一致していてもよい。
d3−d1は、0.5mm以上40mm以下が好ましく、1mm以上20mm以下がより好ましく、1.5mm以上10mm以下がさらに好ましい。d3−d1が前記範囲内であれば、回転刃18aが繊維束f2に突き刺さりやすく、繊維束f2の分繊がより安定になる傾向にある。
回転刃における切欠き部は、切欠き角度αの値にかかわらず、回転刃に挿通される回転軸まで達しないように形成される。
なお、抱き角βは、搬送される繊維束の幅方向から見た側面視において、スペーサー部材18bの上流側の繊維束の長手方向と下流側の繊維束の長手方向とがなす角度である。
回転刃18aを回転させる機構としては、駆動モータを用いる機構等を例示できる。
裁断部13は、第1塗工部12よりも搬送方向の下流側に設けられており、繊維束供給部10から供給される繊維束f3を裁断機13Aで裁断してペーストP上に散布する。裁断機13Aは、コンベア23により搬送される第1シートS1の上方に配置されており、ガイドローラ25と、ピンチローラ26と、カッターローラ27とを有する。
第2塗工部15によりペーストPが塗工された第2シートS2は、第2搬送部28により含浸部16に搬送される。
これにより、第1シートS1の上に第2シートS2が重ね合わされる。第1シートS1と第2シートS2とは、その間に繊維束f4及びペーストPを挟み込みながら、互いに貼合された状態で加圧機構32側へと搬送される。以下、互いに貼合された第1シートS1及び第2シートS2を貼合シートS3と総称する。
第1実施形態の製造装置100を用いる成形材料の製造方法は、以下のステップを有する。
塗工ステップ:所定の方向に搬送される第1シートS1の上にペーストPを塗工する。
開繊ステップ:開繊部50により繊維束f1を幅方向に開繊する。
分繊ステップ:開繊された繊維束f2を分繊機52の回転刃18aにより長手方向に間隔を空けて分繊する。
裁断ステップ:分繊された繊維束f3を裁断部13で長手方向に間隔を空けて裁断する。
散布ステップ:裁断された繊維束f4を、塗工ステップで塗工されたペーストPの上に散布する。
含浸ステップ:繊維束f4が散布された第1シートS1の上に、ペーストPが塗工された第2シートS2を重ね合わせ、第1シートS1と第2シートS2との間に挟み込まれたペーストP及び繊維束f4を加圧して、繊維束f4のフィラメント間に樹脂を含浸させる。
分繊後の繊維束f3では、回転刃18aにより分割された分繊部分Aと、回転刃18aの切欠き部18dのタイミングとなって分割されなかった未分繊部分Bとが搬送方向において交互に並んでいる。これにより、ミシン目状の分繊処理列dが形成される。
V/Wは、0.02以上0.5以下であるのが好ましく、0.03以上0.4以下がより好ましく、0.04以上0.3以下がさらに好ましい。V/Wが前記範囲の下限値以上であれば、繊維束が切れたり、弛んだりすることで回転刃やロール等に巻付く工程トラブルを抑制しやすい。V/Wが前記範囲の上限値以下であれば、裁断後の繊維束に含まれる未分繊部分の割合を小さくできるため、得られた成形材料を成形した成形品の物性が向上する。
第2実施形態では、複数の回転刃と、隣り合う回転刃の間に設けられたスペーサー部材とを備え、スペーサー部材の一部の径が回転刃の径と同等以上である分繊機を備える製造装置を使用する。この回転刃の径と同等以上であるスペーサー部材の一部と隣接する回転刃の領域が、本発明における解放部に相当する。第2実施形態で使用する製造装置の一例について、図6A及び図6Bに基づいて説明する。
本実施形態の繊維強化樹脂成形材料の製造装置は、分繊機52の代わりに分繊機52Aを備える以外は、第1実施形態の製造装置100と同じである。
回転軸18cの軸回りにおいて、各スペーサー部材18gにおける突出部分18hの位置がずれても、位置が一致していてもよい。
d4−d5は、0mm以上1mm以下であるのが好ましく、0mm以上0.5mm以下がより好ましい。d4−d5が前記範囲の下限値以上であれば、分繊後の繊維束f3に十分な分繊部分を形成できる傾向にある。d4−d5が前記範囲の上限値以下であれば、分繊後の繊維束の未分繊部分を短くしつつ、分繊部分を長くすることが容易になる。
回転刃18f及びスペーサー部材18gを回転させる機構としては、駆動モータを用いる機構等を例示できる。
第2実施形態の製造装置を用いる成形材料の製造方法は、以下のステップを有する。
塗工ステップ:所定の方向に搬送される第1シートS1の上にペーストPを塗工する。
開繊ステップ:開繊部50により繊維束f1を幅方向に開繊する。
分繊ステップ:開繊された繊維束f2を分繊機52Aの回転刃18fにより長手方向に間隔を空けて分繊する。
裁断ステップ:分繊された繊維束f3を裁断部13で長手方向に間隔を空けて裁断する。
散布ステップ:裁断された繊維束f4を、塗工ステップで塗工されたペーストPの上に散布する。
含浸ステップ:繊維束f4が散布された第1シートS1の上に、ペーストPが塗工された第2シートS2を重ね合わせ、第1シートS1と第2シートS2との間に挟み込まれたペーストP及び繊維束f4を加圧して、繊維束f4のフィラメント間に樹脂を含浸させる。
開繊ステップにおいてボビンB1から繊維束f1を引き出して開繊部50で開繊し、開繊された繊維束f2を分繊ステップにおいて長手方向に間隔を空けて分繊する。そして、裁断部13において、分繊された繊維束f3を裁断機13Aにより裁断し、裁断された繊維束f4を第1シートS1に塗工されたペーストPの上に散布する。
本発明に使用する回転刃の形状は、円盤状には限定されず、本発明の効果を損なわない範囲で適宜変更できる。
(実施例1)
上記図1、図2A及び図2Bに例示した製造装置100を用いてSMCを製造した。
分繊機52には、4枚の回転刃18aを備えるものを用いた。それぞれの回転刃18aには解放部を形成する切欠き部18dを1つ設けたものを用い、それぞれの切欠き部18dの高さが全て一致するように取り付けた。スペーサー部材18bの径d1を14mm、回転刃18aの切欠き部18dにおける最短径d2を14mm、回転刃18aの切欠き部18d以外の部分18eの径d3を17mmとした。回転刃18aに形成される切欠き部18dの切欠き角度αは、180°とした。x/yは4であった。回転刃18aは繊維束に接触する部分の幅を0.3mm、スペーサー部材18bは繊維束に接触する部分の幅を2.5mmとした。スペーサー部材18bの部分での繊維束の抱き角βを155°とした。
繊維束としては、炭素繊維束(三菱ケミカル社製、製品名:TR50S15L、繊維数:15000本)を用いた。ペーストPに用いる樹脂として、ビニルエステル樹脂を用いた。
回転刃18aのx/yを5.1とした以外は、実施例1と同様の製造装置を用いてSMCを製造した。
開繊バー17では繊維束f1を幅15mmに拡幅した。分繊時の繊維束f2の搬送速度Wは40m/minとし、スペーサー部材の回転の周速Vを4m/minとした。V/Wは0.1であった。4枚の回転刃18aによる分繊により、分繊部分aの長さを、実施例1の3倍の2100mmとし、未分繊部分bの長さを2mmとした。裁断機13Aによる裁断は、分繊された繊維束f3の長手方向において25.4mm間隔(L)で行った。a/Lは83、b/Lは0.08であった。裁断した繊維束f4は、ロール等に巻付くことなく第1シートS1上に塗工したペーストP上に散布した。製造されたSMCの品質は、繊維束の少ない炭素繊維束(繊維数:3000本)を用い、分繊ステップなしで得られる同サイズのチョップド炭素繊維束を使用したSMCとほぼ同等であった。
開繊バー17を使用せず、回転刃18aの切欠き部の切欠き角度αを150°とし、x/yを6.7とした以外は、実施例1と同様の製造装置を用いてSMCを製造した。
分繊時の繊維束f2の搬送速度Wは40m/minとし、スペーサー部材の回転の周速Vを1m/minとした。V/Wは0.03であった。4枚の回転刃18aによる分繊により、分繊部分aの長さを、実施例1の3倍の2100mmとし、未分繊部分bの長さを5mmとした。裁断機13Aによる裁断は、分繊された繊維束f3の長手方向において25.4mm間隔(L)で行った。a/Lは83、b/Lは0.2であった。裁断した繊維束f4は、ロール等に巻付くことなく第1シートS1上に塗工したペーストP上に散布した。製造されたSMCの品質は、繊維束の少ない炭素繊維束(繊維数:3000本)を用い、分繊ステップなしで得られる同サイズのチョップド炭素繊維束を使用したSMCとほぼ同等であった。
開繊バー17を使用せず、回転刃18aの切欠き部の切欠き角度αを180°とし、x/yを7.6とした以外は、実施例1と同様の製造装置を用いてSMCを製造した。
分繊時の繊維束f2の搬送速度Wは40m/minとし、スペーサー部材の回転の周速Vを1m/minとした。V/Wは0.03であった。4枚の回転刃18aによる分繊により、分繊部分aの長さを700mmとし、未分繊部分bの長さを5mmとした。裁断機13Aによる裁断は、分繊された繊維束f3の長手方向において25.4mm間隔(L)で行った。a/Lは28、b/Lは0.2であった。裁断した繊維束f4は、ロール等に巻付くことなく第1シートS1上に塗工したペーストP上に散布した。製造されたSMCの品質は、繊維束の少ない炭素繊維束(繊維数:3000本)を用い、分繊ステップなしで得られる同サイズのチョップド炭素繊維束を使用したSMCとほぼ同等であった。
分繊部として、4枚の回転刃18fと5枚のスペーサー部材18gを備える以外は、実施例1と同様の製造装置を用いてSMCを製造した。回転刃18fの径d5を17mm、スペーサー部材18gの一部(突出部分18h)の最大の径d4を17mmとし、d4−d5を0mmとした。スペーサー部材18gの一部(突出部分18h)の高さが全て一致するように取り付けた。
回転刃18fは繊維束に接触する部分の幅を0.3mm、スペーサー部材18gは繊維束に接触する部分の幅を2.5mmとした。スペーサー部材18gの部分での繊維束の抱き角βを155°とした。
繊維束としては、炭素繊維束(三菱ケミカル社製、製品名:TR50S15L、繊維数:15000本)を用いた。ペーストPに用いる樹脂として、ビニルエステル樹脂を用いた。
開繊バー17を使用せず、分繊部として、実施例5と同様の製造装置を用いてSMCを製造した。
分繊時の繊維束f2の搬送速度Wは40m/minとした。スペーサー部材18gの回転の周速Vを1m/minとした。V/Wは0.03であった。4枚の回転刃18fによる分繊により、分繊部分aの長さを、実施例5の3倍の2100mmとし、未分繊部分bの長さを1mmとした。裁断機13Aによる裁断は、分繊された繊維束f3の長手方向において25.4mm間隔(L)で行った。a/Lは83、b/Lは0.2であった。裁断した繊維束f4は、ロール等に巻付くことなく第1シートS1上に塗工したペーストP上に散布した。製造されたSMCの品質は、繊維束の少ない炭素繊維束(繊維数:3000本)を用い、分繊ステップなしで得られる同サイズのチョップド炭素繊維束を使用したSMCとほぼ同等であった。
分繊機における回転刃を回転させずに固定刃とし、分繊機を回転させずに常に繊維束に突き刺した状態になるように保持した以外は、実施例1と同様にしてSMCを製造しようとした。その結果、分繊後の繊維束に一部切断が生じ、ロール等に巻付いてしまいSMCを製造することができなかった。
回転刃18aの切欠き部18dの切欠き角度αを90°とすることで回転刃の解放部がない状態とし、x/yを3とし、スペーサー部材18bの回転の周速Vを1m/minとし、V/Wを0.03とした以外は、実施例1と同様にしてSMCを製造しようとした。その結果、分繊後の繊維束に一部切断が生じ、ロール等に巻付いてしまいSMCを製造することができなかった。
分繊機における回転刃を回転させずに固定刃とし、分繊機を回転させずに常に繊維束に突き刺した状態になるように保持した以外は、実施例5と同様にしてSMCを製造しようとした。その結果、分繊後の繊維束に一部切断が生じ、ロール等に巻付いてしまいSMCを製造することができなかった。
回転刃の径d5を17mm、スペーサー部材の一部の最大の径d4を16mmとし、d4−d5を−1mmとすることで回転刃の解放部がない状態とした以外は、実施例5と同様にしてSMCを製造しようとした。その結果、分繊後の繊維束に一部切断が生じ、ロール等に巻付いてしまいSMCを製造することができなかった。
Claims (12)
- 搬送される繊維束を、スペーサー部材が隣接した円盤状の回転刃であって前記スペーサー部材の一部が側面視で当該回転刃の周縁に達している回転刃に押し付けることによって、長手方向に交互に並んだ分繊部分および未分繊部分を前記繊維束に形成する第一ステップと、
前記第一ステップの後に前記繊維束を長手方向に間隔を空けて裁断する第二ステップと、を含む、繊維強化樹脂成形材料の製造方法。 - 前記回転刃の半径をd5(mm)、前記スペーサー部材の最大の径をd4(mm)としたとき、0≦d4−d5≦1を満たす、請求項1に記載の製造方法。
- 前記第一ステップ及び前記第二ステップが、下記(1)及び(2)の条件を満たす、請求項1または2に記載の製造方法。
0<b/L<1 ・・・(1)
1<a/L≦1000 ・・・(2)
(ただし、式中、aは前記分繊部分の長さ(mm)であり、bは前記未分繊部分の長さ(mm)であり、Lは前記第二ステップにおける裁断の間隔(mm)である。) - 前記繊維束が炭素繊維束である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の製造方法。
- 搬送される繊維束を、スペーサー部材が隣接した円盤状の回転刃であって前記スペーサー部材の一部が側面視で当該回転刃の周縁に達している回転刃に押し付けることによって、長手方向に交互に並んだ分繊部分および未分繊部分を前記繊維束に形成する、繊維束の分繊方法。
- 前記回転刃の半径をd5(mm)、前記スペーサー部材の最大の径をd4(mm)としたとき、0≦d4−d5≦1を満たす、請求項5に記載の分繊方法。
- 前記繊維束が炭素繊維束である、請求項5または6に記載の分繊方法。
- スペーサー部材が隣接した円盤状の回転刃であって、前記スペーサー部材の一部が側面視で前記回転刃の周縁に達している、長手方向に交互に並んだ分繊部分および未分繊部分を繊維束に形成するための回転刃。
- 前記回転刃の半径をd5(mm)、前記スペーサー部材の最大の径をd4(mm)としたとき、0≦d4−d5≦1を満たす、請求項8に記載の回転刃。
- 請求項8または9に記載の回転刃を備える分繊機。
- 搬送方向に搬送される繊維束を前記回転刃に押し付けるために、前記搬送方向に関して前記回転刃の両側に配置された、一対のガイド部材を有する、請求項10に記載の分繊機。
- 請求項10または11に記載の分繊機と、
前記分繊機で処理された繊維束を、前記繊維束の長手方向に間隔を空けて裁断する裁断部と、を備える繊維強化樹脂成形材料の製造装置。
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