JP7085098B2 - 複合シートの成形方法及び成形装置 - Google Patents

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Description

本発明は、炭素繊維、ガラス繊維などの強化繊維束による繊維シートの片面に、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂材料を坦持させシート状となった複合シートを得る成形方法及び成形装置に関する。
従来から、熱硬化性樹脂をマトリクス樹脂とする繊維強化複合材料は、金属材料に比べて軽量で比強度、比剛性に優れ、樹脂材料のみに比べて高弾性かつ高強度である。このため、航空・宇宙分野、自動車分野、土木・建築分野、運動器具分野等の幅広い分野で注目されている材料である。
繊維強化複合材料の成形品は、炭素繊維、ガラス繊維などの強化繊維束からなる繊維シートにマトリックスとなる熱硬化性樹脂材料を含浸させたシート状のプリプレグシートを種々の方向に積層させた積層物に形成して、前記積層物をオートクレーブ成形、加熱プレス成形などの方法により強化繊維束に熱硬化性樹脂材料を含浸させた所要形状の積層成形体として製造するものが多い。
繊維束に熱硬化性樹脂材料を含浸させたプリプレグシートの製造方法は、非特許文献１では、湿式法と乾式法（ホットメルト法）に分けられて記載されている。湿式法とは、熱硬化性樹脂材料を溶剤で希釈した溶液に繊維束を浸漬する方法である。繊維束への樹脂の含浸性に優れた方法であるが、溶剤の蒸発乾燥工程が必要でシート中に残存溶剤による欠陥が入ることがある。乾式法（ホットメルト法）は繊維束に直接、熱硬化性樹脂材料を含浸させるため、溶剤処理の工程が不要で、シートへの悪影響がなく、信頼性あるプリプレグシートを製造できる。
乾式法（ホットメルト法）による繊維が一方向に強化されたプリプレグシートの製造方法として、例えば非特許文献１の図では以下のような方法が示されている。
炭素繊維束が巻かれたボビンが複数本セットされたクリルスタンドから、繊維束をシート状に並べ引き出す。そして、シート状の繊維束の両表面を離型紙に樹脂が塗布された樹脂コート紙で挟み込みながら、加熱加圧ユニットを通過させて熱硬化性樹脂材料を繊維束に含浸させたプリプレグシートに加工する。その後、プリプレグシートの両表面のどちらか一方の離型紙をプリプレグシートから剥離し、もう一方をプリプレグシートの片面に貼り合わせた状態でボビンなどに巻き取る。
前田豊編著「炭素繊維の最新応用技術と市場展望」(株)シーエムシー発行、２０００年１１月３０日第１刷発行、ｐ．５１
上述の乾式法（ホットメルト法）により、繊維目付けが重いつまり厚層のプリプレグシートを製造する場合、シート状の繊維束の上下両表面から熱硬化性樹脂材料を含浸させるが、繊維束の厚さ方向の繊維が多くなるため、加熱により熱硬化性樹脂材料の粘度が下がっても、熱硬化性樹脂の含浸時間は長くなる、つまり加工速度が遅くなる課題がある。さらに繊維束中にボイドが出来やすくなる課題がある。また、熱硬化性樹脂材料の含浸距離も長くなるため、樹脂の流れにより各繊維が厚さ方向に蛇行しやすくなり、真直な状態の繊維が減少し、厚層プリプレグシートを積層した成形品の力学的特性が劣る場合がある。
上述の乾式法（ホットメルト法）により、繊維目付けが軽いつまり薄層のプリプレグシートを製造する場合、離型紙に塗布される熱硬化性樹脂材料も少量となるため、繊維束への熱硬化性樹脂材料の含浸は、シート状の繊維束のどちらか片表面から行われる。このため、熱硬化性樹脂材料が繊維束の一方の片面からの移動となるため、樹脂と重ね合わさった側の繊維束の片面は樹脂が多めに存在し、もう一方の繊維束の片面は樹脂が少なく存在することとなる。よって、薄層による樹脂の繊維間移動距離が短くなったとしても、均一な樹脂の含浸を行うために、加工速度を速くすることが難しい。
なお、プリプレグシートにおいて熱硬化性樹脂材料が厚さ方向において均一に存在しない場合、プリプレグシート表面のタック性が異なり、プリプレグシートの自動積層時にプリプレグシートが貼り付かないなどのトラブルを生じ易くさせてしまう。また、成形品にしたとき、厚さ方向の熱硬化性樹脂材料の量が不均一となり、力学的特性に影響する場合もある。
また、副資材である離型紙は、上下で挟み込むようにして使用されるため、プリプレグシート生産長さの２倍長さを必要とする。また、離型紙は、熱硬化性樹脂材料を塗布する工程、プリプレグシートを製造する工程で加熱又は加熱加圧の負荷を受けるため、繰り返し使用することに限界がある。特に、プリプレグシートの製造により、高い加熱温度の状態で大きな加圧の負荷を受けた離型紙は表面状態が荒れたり、離型の度合いが変わったりするため、再度、熱硬化性樹脂材料を塗布することが難しくなり、樹脂コート紙としての使用ができない場合が多い。よって、プリプレグシートの製造においては、副資材である離型紙の大量使用は生産コストの点からも課題となっている。
さらに、繊維目付けが軽いつまり薄層のプリプレグシートを作成する場合、生産重量に対する離型紙の使用がさらに多くなるため、薄層のプリプレグシート製造においては、副資材である離型紙のコストがさらに重要な課題となっている。
そこで、本発明は、高品質かつ高速に、さらには、副資材である離型紙の使用を少なくして熱硬化性樹脂プリプレグシートを製造することを可能とする複合シートを得る成形方法及び成形装置を提供することを目的とする。
本発明に係る複合シートの成形方法は、繊維シートに熱硬化性樹脂材料を含浸させた熱硬化性樹脂プリプレグシートを製造するために用いられる複合シートの成形方法であって、転移シートの片面に密度ρＲｇ／ｃｍ３の熱硬化性樹脂材料を目付量ＷＲｇ／ｍ２で所定の厚さに担持させた樹脂転移シートを、密度ρＣｇ／ｃｍ３の繊維を目付量ＷＣｇ／ｍ２で構成した前記繊維シートの片面に重なり合うよう接触させ、重なり合った状態の前記樹脂転移シートと前記繊維シートを加熱又は加熱加圧処理し、加熱された重なり合った状態の前記樹脂転移シートと前記繊維シートを前記熱硬化性樹脂材料の粘度が１００００Pａ・ｓ以上となる温度まで冷却又は冷却加圧処理することで、前記熱硬化性樹脂材料を前記繊維シートに転移させて、厚さが［｛（ＷＣ／ρＣ）／１０００｝＋｛（ＷＲ／ρＲ）／１０００｝］ｍｍより厚く、かつ前記繊維シートの片面側に前記熱硬化性樹脂材料の一部が層状に形成されて一体化するように付着させる。さらに、重なり合った状態の前記樹脂転移シートと前記繊維シートを加熱又は加熱加圧処理するとき、加熱温度が３０℃～８０℃の範囲であり、前記加熱温度における前記熱硬化性樹脂材料の粘度が１０００００Ｐａ・ｓ以下である。さらに、前記転移シートの片面に前記熱硬化性樹脂材料を坦持させながら連続して前記繊維シートの片面に接触させる。さらに、前記繊維シートは、目付量が１０ｇ／ｍ２～８０ｇ／ｍ２である。さらに、前記転移シートに担持される熱硬化性樹脂材料は、目付量が１０ｇ／ｍ２～５５ｇ／ｍ２である。さらに、前記転移シートに坦持される前記熱硬化性樹脂材料は、前記転移シートに塗布されて坦持される。さらに、前記転移シートは、無端状に形成されている。さらに、前記繊維シートは、開繊処理により形成される。さらに、前記樹脂転移シートを前記繊維シートの片面に重なり合うよう接触させた後、前記繊維シートの前記樹脂転移シートと接触していないもう一方の片面に離型シートを重なり合うよう接触させる。
本発明に係る熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造方法は、前記のいずれかに記載された複合シートの成形方法により成形された複合シートを加熱加圧処理により前記繊維束中に熱硬化性樹脂材料を含浸させて成形する。さらに、前記複合シートに対して熱硬化性樹脂材料が転移された面側に別の繊維シートを付着させて両方の繊維シートに熱硬化性樹脂材料を含浸させる。さらに、前記複合シートを複数枚重ね合せて加熱加圧成形する。さらに、無端状に形成されている離型シートを前記複合シートに重ね合わせて加熱加圧成形する。
本発明に係る複合シートの成形装置は、繊維シートに熱硬化性樹脂材料を含浸させた熱硬化性樹脂プリプレグシートを製造するために用いられる複合シートの成形装置であって、転移シートの片面に密度ρＲｇ／ｃｍ３の熱硬化性樹脂材料を目付量ＷＲｇ／ｍ２で所定の厚さに坦持した樹脂転移シートを供給する樹脂転移シート供給部と、密度ρＣｇ／ｃｍ３の繊維を目付量ＷＣｇ／ｍ２で構成した前記繊維シートを供給する繊維シート供給部と、前記転移シートに担持された熱硬化性樹脂材料を前記繊維シートの片面に接触させた状態で加熱又は加熱加圧処理する転移加熱処理部と、前記転移加熱処理部で処理された重なり合った状態の前記樹脂転移シートと前記繊維シートを前記熱硬化性樹脂材料の粘度が１００００Pａ・ｓ以上となる温度まで冷却又は冷却加圧処理する転移冷却処理部を備え、厚さが［｛（ＷＣ／ρＣ）／１０００｝＋｛（ＷＲ／ρＲ）／１０００｝］ｍｍより厚く、かつ前記繊維シートの片面側に前記熱硬化性樹脂材料の一部が層状に形成されて一体化するように付着した複合シートを得る。さらに、前記樹脂転移シート供給部は、転移シートの片面に熱硬化性樹脂材料を所定の厚さでシート状に担持させる担持部を備えている。さらに、前記繊維シート供給部は、前記繊維シートを開繊処理により形成する開繊処理部を備えている。
本発明に係る熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造装置は、前記のいずれかに記載された複合シートの成形装置と、前記複合シートに対して加熱加圧処理により前記繊維束中に熱硬化性樹脂材料を含浸させて成形する含浸処理部を備えている。さらに、前記含浸処理部は、前記複合シートに対して熱硬化性樹脂材料が転移された面側に別の繊維シートを付着させる。さらに、前記含浸処理部は、前記複合シートを複数枚重ね合せて加熱加圧成形する。
本発明は、上記の構成を備えているので、繊維シートの片面側に所定の厚さの熱硬化性樹脂材料を転移させて付着させた複合シートを効率良く成形することができる。複合シートは、繊維シート全体に熱硬化性樹脂材料を含浸させる必要がないので、高速で成形することができ、含浸の際に必要となる離型紙又は離型シートの使用量を最小限に抑えることが可能となる。 また、得られた複合シートは、繊維シートの片面側に所定の厚さで熱硬化性樹脂材料が付着した状態となっているので、樹脂層部分の存在により熱硬化性樹脂材料が含浸している場合に比べてシートが裂けにくく容易に取り扱うことができる。 そして、複合シートを複数枚重ね合
わせて含浸処理することで、繊維シート内へ熱硬化性樹脂材料が短時間で満遍なく含浸するようになり、熱硬化性樹脂プリプレグシートを繊維の真直性及び樹脂含浸性に優れた高品質な状態で高速に製造することができる。 さらに、複合シートを重ね合わせて処理するので、加圧力を低減しても樹脂の含浸性良くプリプレグシートを製造でき、かつ加圧力を低減するため副資材である離型紙又は離型シートへのダメージを少なくでき繰り返し使用可能となるため、トータル的に副資材である離型紙又は離型シートの使用量を少なくすることが可能となる。
本発明に係る複合シートの成形装置に関する概略側面図である。 本発明に係る複合シートの成形方法に関する説明図である。 本発明に係る別の複合シートの成形装置に関する概略側面図である。 本発明に係るさらに別の複合シートの成形装置に関する概略側面図である。 本発明に係る複合シートを用いた熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造装置に関する概略側面図である。 本発明に係る複合シートを用いた熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造方法に関する説明図である。 本発明に係る複合シートの成形装置を組み込んだ熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造装置に関する概略側面図である。 本発明に係る複合シートを用いた別の熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造装置に関する概略側面図である。 本発明に係る複合シートを用いた別の熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造方法に関する説明図である。 開繊処理部に関する概略平面図である。 開繊処理部に関する概略側面図である。
以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。
図１は、本発明に係る複合シートの成形装置に関する概略側面図である。本発明の複合シートの成形装置Ｍ１は少なくとも繊維シート供給部１と、樹脂転移シート供給部２、転移加熱処理部３と、転移冷却処理部４から構成される。
繊維シート供給部１では、繊維束Ｃが巻かれたボビン１１が複数本セットされ、複数本の繊維束Ｃが図示されないブレーキ機構によってある張力で引き出され、幅位置ガイドロール１３及び高さ位置ガイドロール１４を走行してシート状の繊維シートＣＳとなって、次工程に供給される。
繊維シート供給部１では、高さ位置ガイドロール１４の走行方向下流側に、複数本のロール（図示されていない）を配置し、シート状となった複数本の繊維束Ｃを前記複数本のロールにジグザグに通過させ、前記複数本のロールの何本かを幅方向に振動させることで、複数本の繊維束Ｃを幅方向に擦り、若干の開繊を行ってもよい。
繊維束Ｃに用いられる繊維材料としては、炭素繊維束、ガラス繊維束、アラミド繊維束、セラミックス繊維束などの高強度繊維からなる強化繊維束が挙げられる。繊維束の集束本数は、例えば、炭素繊維束では１２０００本から２４０００本が主に用いられるが、本発明では２４０００本を超える集束本数（例えば、４８０００本）の繊維束を用いることもできる。
なお、繊維シートＣＳとして、強化繊維束による織物シート材または編物シート材などを使用しても良い。
樹脂転移シート供給部２では、転移シートＴＳに熱硬化性樹脂材料Ｒが塗布された樹脂転移シートＲＳが巻かれたボビンがセットされ、前記樹脂転移シートＲＳが図示されないブレーキ機構によってある張力で引き出され、次工程に供給されるようになっている。
転移シートＴＳとは、素材が紙、樹脂系フィルム、金属シートなどの連続したシート状のものであって、その片面に熱硬化性樹脂材料をはじきなく塗布でき、かつ、塗布された熱硬化性樹脂材料を繊維シートに転移させる時、前記熱硬化性樹脂材料がシート表面に残存しない離型性を有するシートのことである。転移シートＴＳの片面には熱硬化性樹脂材料が塗布される程度の離型処理が行われているが、もう一方の片面には、離型処理が行われていない場合もあるし、反対面の離型処理より熱硬化性樹脂材料が離型し易い処理を行ってある場合もある。
転移シートＴＳは、熱硬化性樹脂材料Ｒと離型性を有するものであれば如何なる材料であっても良い。例えば、低密度ポリエチレン樹脂、高密度ポリエチレン樹脂またはポリプロピレン樹脂等のようなポリオレフィン系樹脂の単独重合体もしくは共重合体、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリブチレンテレフタレート等のようなポリエステル系樹脂の単独重合体もしくは共重合体或いはこれらの混合物等の合成樹脂系フィルムがある。また、紙、不織布そして金属のシートなどが挙げられ。中でも合成樹脂系フィルムや紙、金属シートは適している。
上記の転移シートＴＳにおいて、そのもの自体が熱硬化性樹脂材料Ｒと離型性を有する場合には、そのままの状態で用いても良い。また、そのもの自体が熱硬化性樹脂材料Ｒと離型性を有しない場合には、上記転移シートＴＳの片面もしくは両面の表面に離型処理を施す。離型処理としては、シリコーン樹脂系離型剤、アルキッド樹脂系離型剤、長鎖アルキル系化合物離型剤、フッ素系離型剤やポリイミド系離型剤等により離型処理を施す場合もあるし、ポリエステル、ポリエチレンまたはポリプロピレン等の熱硬化性樹脂材料Ｒと離型性を有する樹脂フィルムを貼り合せラミネート処理する場合もある。
転移シートＴＳの熱硬化性樹脂材料Ｒが塗布されない片面が離型処理されているときは、前記転移シートＴＳの片面に熱硬化性樹脂材料Ｒが塗布された樹脂転移シートＲＳをそのままボビン形状に巻き上げることができる。しかし、転移シートＴＳの熱硬化性樹脂材料Ｒが塗布されない片面が離型処理されていないときは、前記転移シートＴＳの片面に熱硬化性樹脂材料Ｒを塗布し樹脂転移シートＲＳとした直後に、熱硬化性樹脂材料Ｒが塗布された面にポリエチレンフィルムなどのオレフィン系のカバーフィルムを重ねてボビン形状に巻き上げる。こうすることで、転移シートＴＳの熱硬化性樹脂材料Ｒが塗布されない片面に熱硬化性樹脂材料Ｒが付着することを防止してボビン形状に巻き上げることができる。
樹脂転移シートＲＳが、塗布された熱硬化性樹脂材料Ｒにカバーフィルムを重ねて、ボビン形状に巻き取られている場合、図１の複合シートの成形装置の樹脂転移シート供給部２では、ボビンにセットされた樹脂転移シートＲＳを巻き出す工程で、図示されない巻き取り機構によってカバーフィルムを巻き取りながら樹脂転移シートＲＳを次工程に供給する必要がある。
熱硬化性樹脂材料としては、熱又は光や電子線等のエネルギーにより硬化する樹脂であって、加熱されると硬化反応などによる増粘が起きるまでは粘度が下がる樹脂が好ましい。例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂が挙げられる。特に、エポキシ樹脂が好ましく用いられ、一般に硬化剤や硬化触媒、さらには靱性付与剤などの添加剤などと組み合せて用いられる。
熱硬化性樹脂材料の粘度と状態の目安として、粘度が１～１０Ｐａ・ｓの範囲は熱硬化性樹脂材料が流動し易く繊維束中に含浸し易い状態である。繊維束中に熱硬化性樹脂材料が含浸したプリプレグシートを製造する際の粘度範囲である。粘度が１０００Ｐａ・ｓ以下では混練できる流動性をもっており、かつ転移シートに一定の厚さで均一にコーティングできる状態の粘度になる。そして、１０００Ｐａ・ｓ以上になると半固形状態となり、さらに高粘度になると流動性が小さくなってくる。１０００００Ｐａ・ｓになると相当な加圧力がなければ流動しないが、タック性つまり粘着性は有した状態にある。１０００００Ｐａ・ｓ以上になると、タック性つまり粘着性は小さくなってくる。
本発明では、熱硬化性樹脂材料Ｒは常温では加圧しなければ流動し難い状態にあり、加熱すると流動性を増し、タック性つまり粘着性が向上した状態になることが望ましい。加熱においては、熱硬化性樹脂材料の硬化反応が促進せず、転移シートが加熱の影響で劣化することを防止でき、かつ加熱後の冷却が短時間で可能とするために、加熱温度が３０℃～８０℃の範囲が望ましい。そして、前記加熱温度において、前記熱硬化性樹脂材料がタック性つまり粘着性を有するために前記熱硬化性樹脂材料の粘度が１０００００Ｐａ・ｓ以下がよい。なお、粘度が１０００００Ｐａ・ｓ以上になると、タック性つまり粘着性は小さくなるため、繊維シートＣＳとの付着も可能ではあるが、付着の度合いが弱く十分ではなくなり、また部分的な付着であったりするため、転移シートからこの状態のシートを剥離する際、塗布されている熱硬化性樹脂材料を転移シートから剥離させることが困難となる。
前記繊維シートＣＳの片面に熱硬化性樹脂材料を付着させる際、前記加熱温度での状態において、前記熱硬化性樹脂材料の粘度が１０００Ｐａ・ｓ以上であれば、前記熱硬化性樹脂材料Ｒが半固形状態になり、層状に形成されて前記繊維シートＣＳに付着することが可能となる。前記繊維シートＣＳの片面に前記熱硬化性樹脂材料Ｒが層状に形成されて付着した複合シートＦＳとなると、前記複合シートＦＳを使用した熱硬化性樹脂プリプレグシートを作成した際、繊維シートＣＳに熱硬化性樹脂材料が厚さ方向に均一に含浸し易くなり、高速に高品質な熱硬化性樹脂プリプレグシートを作成できるようになる。
また、本発明では、前記熱硬化性樹脂材料が常温状態では、粘度が１００００Ｐａ・ｓ以上であることが望ましい。粘度が１００００Ｐａ・ｓ以上であれば、転移シートＴＳに塗布された熱硬化性樹脂材料が繊維シートＣＳに転移した後、転移シートから剥離する際、熱硬化性樹脂材料の部分的な残り無く全面がきれいに剥離することが可能となるためである。
繊維シート供給部１から供給された前記繊維シートＣＳと樹脂転移シート供給部２から供給された前記樹脂転移シートＲＳを、前記繊維シートＣＳの片面に前記樹脂転移シートＲＳの前記熱硬化性樹脂材料Ｒの面が重ね合うようにして、転移加熱処理部３に供給される。転移加熱処理部３では、重ね合っている前記繊維シートＣＳと前記樹脂転移シートＲＳを加熱し、前記樹脂転移シートＲＳに塗布されている前記熱硬化性樹脂材料Ｒの粘度を下げ、タック性つまり粘着性を向上させた状態にして、前記繊維シートの片面に前記熱硬化性樹脂材料Ｒを付着させた状態にする。
熱硬化性樹脂材料は常温で固形状態にあるときタック性つまり粘着性は小さい。よって、繊維シートの片面に熱硬化性樹脂材料を付着させることは難しい。熱硬化性樹脂材料のタック性が小さい状態で繊維シートと重ね合わせる、または加圧して重ね合わせると部分的な付着を生じる可能性はある。しかし、この状態にあるシートは容易に熱硬化性樹脂材料と繊維シートが全体的もしくは部分的に剥離してしまう。この状態にあるシートに張力を負荷すると繊維シートにしわや幅収縮を生じ易く、シートとしての取り扱いが困難となってしまう。
図１では、転移加熱処理部２では、加熱ロール３１を図示しない駆動モータと連結させて、一定の温度に加熱された加熱ロール３１を一定の速度で回転する機構となっている。前記加熱ロール３１の表面に、重ね合っている前記繊維シートＣＳと前記樹脂転移シートＲＳを接触させて走行させる。接触する長さが長いほど、前記繊維シートＣＳ及び前記樹脂転移シートＲＳへの加熱時間も長くなる。また、重ね合っている前記繊維シートＣＳと前記樹脂転移シートＲＳには張力が負荷されるため、加熱ロール３１に接触すると、重ね合っている前記繊維シートＣＳと前記樹脂転移シートＲＳには加熱ロール３１の中心方向に押し付けられる加圧力が作用
する。よって、前記樹脂転移シートＲＳに塗布されている前記熱硬化性樹脂材料Ｒは前記繊維シートＣＳの片面に加圧され、各繊維と接着又は各繊維間に浸透し易くなる。なお、図１では、加熱ロール３１は１本であるが、２本以上配列させ、重ね合っている前記繊維シートＣＳと前記樹脂転移シートＲＳの加熱ロールへの接触長さを長くして走行させても良い。このことで、成形速度を高速化させても熱硬化性樹脂材料Ｒは十分に加熱させることができる。
前記繊維シートＣＳ及び前記樹脂転移シートＲＳに張力を負荷する方法としては、例えば、繊維シート供給部１において、各給糸体１１に図示されないブレーキ機構を連結し繊維束Ｃにある張力を負荷して巻き出すことで前記繊維シートＣＳ全体に張力を負荷できる。樹脂転移シート供給部２では、前記樹脂転移シートＲＳが巻かれたボビンに図示されないブレーキ機構を連結して前記樹脂転移シートＲＳにある張力を負荷することができる。さらには、前記繊維シートＣＳと前記樹脂転移シートＲＳを重ね合わせた直後に、図示されない張力負荷機構により一定の張力を与えて、転移加熱処理部３１に供給することもできる。
前記加熱ロール３１の加熱温度を制御することで熱硬化性樹脂材料Ｒの粘度及びタック性を調整できる。また、前記繊維シートＣＳと前記樹脂転移シートＲＳに負荷される張力を制御することで前記熱硬化性樹脂材料Ｒが前記繊維シートＣＳの片面を加圧する力を調整できる。これらの加熱温度や加圧力を調整し設定することにより、前記熱硬化性樹脂材料Ｒを粘度が下がった流動した状態にするのではなく、層状に形成された状態で前記繊維シートＣＳに付着させることを可能とする。
転移加熱処理部３を通過した重ね合った前記繊維シートＣＳと前記樹脂転移シートＲＳは、前記転移冷却処理部４に供給される。前記転移冷却処理部４では、加熱されている重ね合った前記繊維シートＣＳと前記樹脂転移シートＲＳを冷却し、前記繊維シートＣＳの片面に付着している前記熱硬化性樹脂材料Ｒの粘度を高めて固形状態のようにする。
図１では、転移冷却処理部４では、冷却ロール４１を図示しない駆動モータと連結させて、冷却された冷却ロール４１を一定の速度で回転する機構となっている。前記冷却ロール４１の表面に、加熱された重ね合った前記繊維シートＣＳと前記樹脂転移シートＲＳを接触させて走行させる。接触する長さが長いほど、前記繊維シートＣＳ及び前記樹脂転移シートＲＳへの冷却時間も長くなる。また、重ね合っている前記繊維シートＣＳと前記樹脂転移シートＲＳには張力が負荷されるため、冷却ロール４１に接触すると、重ね合っている前記繊維シートＣＳと前記樹脂転移シートＲＳには冷却ロール４１の中心方向に押し付けられる加圧力が作用する。よって、前記繊維シートＣＳの片面に付着している前記熱硬化性樹脂材料Ｒの粘度は冷却により高められ、固形状態のようになる。なお、図１では、冷却ロール４１は１本であるが、２本以上配列させ、重ね合っている前記繊維シートＣＳと前記樹脂転移シートＲＳの冷却ロールへの接触長さを長くして走行させても良い。このことで、成形速度を高速化させても熱硬化性樹脂材料Ｒを十分に冷却させることができる。
冷却ロール４１の冷却温度は、前記熱硬化性樹脂材料Ｒが半固形であっても粘度が高まり転移シートＴＳから剥離できる温度であれば良い。本発明では、前記熱硬化性樹脂材料Ｒの粘度としては、１００００Ｐａ・ｓ以上になった状態であれば好ましい。
転移冷却処理部４を通過した重ね合った前記繊維シートＣＳと前記樹脂転移シートＲＳは、前記樹脂転移シートＲＳに塗布された前記熱硬化性樹脂材料Ｒが前記繊維シートＣＳの片面に転移し付着した状態の複合シートＦＳと、前記複合シートＦＳの熱硬化性樹脂材料側の面に転移シートＴＳが重なった状態となる。
ここで、繊維シートの片面に熱硬化性樹脂材料が付着するとは、図２の説明図のように、繊維シートの片面に存在する各繊維の表面に熱硬化性樹脂が接着している状態、または、繊維シートの片面から各繊維間を熱硬化性樹脂材料が浸透し、繊維シート内の途中まで熱硬化性樹脂材料が含浸した状態のことである。この状態になることで、繊維シートと固形状態にある熱硬化性樹脂材料は全体的もしくは部分的にも剥離することはなく、一体化した状態になる。そして、この状態にある複合シートＦＳは走行の張力が負荷されても繊維シートにしわ、幅収縮などが生じ難くなり、かつ、シートとしての取り扱い性も向上する。
また、繊維シートＣＳの片面に熱硬化性樹脂材料Ｒが付着して一体化した状態を確認する方法として、その断面を直接観察する方法、又は計算による方法がある。直接観察する方法として、例えば、パラフィンというロウで複合シートＦＳを固めた後、刃物でミクロン単位の厚さに薄切するミクロトームによって薄片の試料を作成し、その試料を顕微鏡などの拡大鏡で断面観察する方法がある。
計算による方法は、前記繊維束を構成する繊維の密度がρＣｇ／ｃｍ３、前記繊維シートの目付量がＷＣｇ／ｍ２、前記熱硬化性樹脂材料の密度がρＲｇ／ｃｍ３、前記転移シートに担持される前記熱硬化性樹脂材料の目付量がＷＲｇ／ｍ２とするとき、前記繊維シートの片面側に前記熱硬化性樹脂材料を付着し一体化させた複合シートＦＳの厚さが［｛（ＷＣ／ρＣ）／１０００｝＋｛（ＷＲ／ρＲ）／１０００｝］ｍｍ以上であるとき、繊維シートＣＳの片面に熱硬化性樹脂材料Ｒが層状に形成され付着していると考えられる。
上記の計算で、［｛（ＷＣ／ρＣ）／１０００｝＋｛（ＷＲ／ρＲ）／１０００｝］ｍｍは、繊維シートＣＳの繊維束中に熱硬化性樹脂材料Ｒがボイドなく含浸したときの厚さｔである。複合シートＦＳの厚さがｔ以上であれば、熱硬化性樹脂材料Ｒが繊維束中には含浸していないことになる。そして、本発明の成形方法によれば、転移シートに層状に塗布された熱硬化性樹脂材料が前記繊維シートの片面に付着するため、含浸していない熱硬化性樹脂材料の分がそのまま繊維シートＣＳの片面に層状に形成されていると考えられる。
転移冷却処理部４を通過した複合シートＦＳと重なり合った転移シートＴＳは、前記転移シートＴＳを剥離し、剥離された前記転移シートＴＳは図示されない回転駆動モータに連結されたボビンに巻き取られ、複合シートＦＳも図示されない回転駆動モータに連結された別のボビンに巻き取られる。なお、複合シートＦＳをボビンに巻き取るとき、複合シートＦＳの熱硬化性樹脂材料Ｒが、巻き取られる複合シートＦＳの繊維シート側と接触し、部分的に付着することを防止するため、樹脂製フィルムなどによるカバーフィルム８１を沿わせてボビンに巻き取ることが可能である。
カバーフィルムは、離型性のある紙、樹脂製フィルム、金属製シートなどが使用できるが、常温状態で使用するため、耐熱性は低いが、離型性のあるオレフィン系、例えば、ポリエチレン系の樹脂製フィルムを使用することができる。なお、熱硬化性樹脂材料Ｒと離型性を発揮し得るものであれば如何なる材料であっても良い。例えば、ポリエステル、ポリエチレンまたはポリプロピレン等の熱硬化性樹脂材料Ｒと離型性を有する樹脂フィルムや、紙、不織布または金属シートの表面に離型処理を施したシート基材等が挙げられる。
ボビンに巻き取られた前記転移シートＴＳは転移加熱処理部を走行し加熱又は加熱加圧処理されるが、転移シートに塗布された熱硬化性樹脂材料を繊維シートに転移させ付着させる程度の加熱又は加熱加圧であり、繊維束中に熱硬化性樹脂材料を含浸させる場合と異なり、加熱温度が低く、加圧力も小さくなるため、転移シートＴＳの加熱による劣化や損傷はほとんどなく、また、表面の離型性もほとんど劣化しないため、転移シートＴＳは繰り返し使用可能となり、転移シートＣＳの使用量を抑えることが可能となる。
また、本発明では、前記繊維シートＣＳの片面に前記樹脂転移シートＲＳに塗布された熱硬化性樹脂材料Ｒを転移させ付着させる方法であり、繊維束中への含浸とは異なるため、加工速度を高速化させることも可能である。本発明者等の実験によれば、加工速度３０ｍ／ｍｉｎ以上においても、繊維シートＣＳの片面に熱硬化性樹脂材料Ｒを転移させ付着させた複合シートＦＳを得ることができている。
なお、図１のように加熱ロールのような熱源に接して重ね合った繊維シートと樹脂転移シートを加熱する際、熱源に繊維シートが接触しその表面に樹脂転移シートが重なって加熱する方法が好ましい。繊維シートが加熱され樹脂転移シートに塗布される熱硬化性樹脂材料が加熱されると、転移シートが加熱され熱硬化性樹脂材料が加熱されるより効率的に熱硬化性樹脂材料を加熱し、繊維シートに付着できるようになる。
また、図１のように冷却ロールのような冷却源に接して重ね合った繊維シートと樹脂転移シートを冷却する際、冷却源に樹脂転移シートの転移シート側が接触してその反対面にある繊維シートも冷却する方法が好ましい。樹脂転移シートの転移シートを十分に冷却しその反対面に塗布される熱硬化性樹脂材料を冷却する方が、転移シートと熱硬化性樹脂材料が十分に冷却され、複合シートＦＳになってから転移シートを剥離する際に全面きれいに剥離でき易くなるためである。
図３は、本発明に係る別の複合シートの成形装置に関する概略側面図である。図３の別の複合シートの成形装置は、図１の複合シートの成形装置において、繊維シート供給部１に開繊処理部５を構成し、樹脂転移シート供給部２に坦持部６を構成している。さらに、転移加熱処理部３及び転移冷却処理部４にそれぞれ加圧ロール３２、４２を構成し、転移加熱処理部３及び転移冷却処理部４を走行する重ね合った前記繊維シートＣＳと前記樹脂転移シートＲＳの前記繊維シートＣＳの前記樹脂転移シートＲＳと重なり合っていない片面に離型シート３３を重ねて走行させる構成を追加している。
繊維シート供給部１に追加する開繊処理部５としては、各繊維束を繊維の分散性良く、幅方向に拡げる機構を有した装置であれば良い、例えば、複数本の幅方向に振動するロールがジグザグに配置された機構で、各繊維束がそのロールに接触して走行することで開繊するロール開繊装置、または、各繊維束に流体を作用させ放物線状に撓ませながら開繊する機構を有した空気開繊装置などがある。
図３の装置例では、空気開繊装置とロール開繊装置を組み合わせた開繊装置例となっている。図１０及び図１１に前記開繊装置による開繊処理部５の平面図及び側面図を示している。
図１０及び図１１の開繊処理部５では、空気開繊装置である空気開繊処理部５１とロール開繊装置である横振動開繊処理部５２から構成される。
複数本の繊維を集束した繊維束Ｃは、ボビン形式の給紙体１１に巻き付けられており、給紙体１１が回転することで繊維束Ｃが繰り出されていく。繊維束Ｃが所定の張力で繰り出されるよう駆動モータ１２により給紙体１１の回転は制御されている。なお、繊維束Ｃが所定の張力になるよう、図示されない張力測定装置及びその張力に応じて駆動モータ１２の回転を制御する制御装置が構成されている。そして、給紙体１１から繰り出された繊維束Ｃは、幅位置ガイドロール１３及び高さ位置ガイドロール１４により所定方向の引き出し方向に向かって引き出される。幅位置ガイドロール１３は繊維束Ｃの開繊幅に応じて一定の間隔で設置されるため、高さ位置ガイドロール１４を通過した複数本の繊維束Ｃは同一平面上を一定の間隔で走行する。
引き出された複数本の繊維束Ｃは、走行経路に配置された空気開繊処理部５１を通過する。空気開繊処理部５１は、走行方向に配列された一対のガイドロール５１１により繊維束Ｃを支持する。ガイドロール５１１の間には、風洞管５１３が設けられており、風
洞管５１３の上方開口部がガイドロール５１１の間に所定幅で形成されている。風洞管５１３の下側には流量調整バルブ５１４及び吸気ポンプ５１５が取り付けられている。吸気ポンプ５１５を作動させて風洞管５１３内の空気を吸引することで、ガイドロール５１１の間の上方開口部において吸引による下降気流が発生する。そして、流量調整バルブ５１４により下降気流の流量を調整することができる。
風洞管５１３の上方開口部には撓み形成部材５１２が設置される。撓み形成部材５１２は複数本の繊維束Ｃの全幅にわたって接触可能な長さに設定され、所定の厚みを有する板状体となっている。そして、長手方向の両側部には支持軸が突設しており、一方の支持軸が回転駆動モータ５１７と接続固定され、もう一方が図示されない側壁に回動自在に軸支された機構となっている。板状体の支持軸を結ぶ中心軸と所定間隔を置いて平行に設定された板状体の両側端の辺部には一対の曲面状の接触面が形成される。
回転駆動モータ５１７を回転駆動することで、撓み形成部材５１２が支持軸を中心にガイドロール５１１の間で回動する。回動する撓み形成部材５１２の両側端の接触面が繊維束Ｃと接触すると、繊維束Ｃは風洞管５１３内にて押し込まれ、撓み形成部材５１２がさらに回動して接触面が上方に向かって回動すると繊維束Ｃから離間するようになる。撓み形成部材５１２の接触面が繊維束Ｃから離間すると、繊維束Ｃは風洞管５１３内にて下降気流の作用により、放物線状に撓みながら幅方向に開繊が行われる。繊維束Ｃの走行速度より速く撓み形成部材５１２の接触面を回動させることで、繊維束Ｃは風洞管５１３内にて押し込みと撓みが交互に行われ、撓みと下降気流の作用により、繊維束Ｃは連続して開繊が行われることになる。
なお、熱風を繊維束Ｃに吹き付けて加熱する熱風ブロワー５１６が風洞管５１３の走行方向上流側に設けられている。開繊される繊維束を加熱することで、繊維束に付着したサイジング剤を軟化させることができる。そのため、繊維が容易に解きほぐされるようになり、風洞管５１３での開繊処理の際に繊維が均一に分散されるようになる。
また、繊維束を幅広に開繊させるとき、風洞管５１３に撓み形成部材５１２を組み合わせた図のような本機構を１セットで行うより、本機構を複数セット、走行方向に一定の間隔をもって配置し、繊維束を徐々に幅広に開繊させる方法を行うことにより、加工速度を高速にして、かつ繊維の分散性良く、繊維束を幅広に開繊させることが可能となる。
空気開繊処理部５１の走行方向下流側には開繊された複数本の繊維束に対して幅方向に摺接する横振動開繊処理部５２が設けられている。横振動開繊処理部５２は、開繊された繊維束の上側に全幅にわたって配列された一対の回転ロール５２１を有し、開繊された繊維束の下側に支持ロール５２２が配列されている。回転ロール５２１はクランク機構５２４に連結されており、クランク機構５２４をクランクモータ５２３により駆動することで、回転ロール５２１を開繊された繊維束の幅方向に進退移動させる。回転ロール５２１が進退移動して開繊された繊維束の繊維に摺接することで、繊維同士が付着した部分を解きほぐして、開繊された複数本の繊維束に対しより繊維が均一に分散した繊維シートＣＳを得ることができる。
繊維シート供給部１に開繊処理部５を追加した構成とすることで、複数本の繊維束Ｃが幅方向に引き揃えられて走行する繊維シートＣＳを、各繊維束を幅方向に拡げて薄く、かつ繊維分散性良い状態にすることが可能となり、複合シートＦＳの繊維目付量を自在にコントロールすることが可能となる。特に、本実施形態で説明した空気開繊処理部５１と横振動開繊処理部５２から構成される開繊処理部５は、繊維束を高速に開繊処理することができ、さらに、繊維本数が非常に多い太繊度繊維束に対しても非常に幅広く、薄く開繊処理することが可能となっている。
上述した開繊処理部を用いると、例えば、炭素繊維束などは目付量１０～８０ｇ／ｍ２の幅広く、薄い状態の開繊糸（開繊繊維束）ができるようになる。炭素繊維束１２Ｋ（単糸直径約７μｍ、集束本数１２０００本）を用いた場合、幅２０ｍｍに開繊すると目付量約４０ｇ／ｍ２、幅４０ｍｍに開繊すると目付量約２０ｇ／ｍ２、また幅５０ｍｍに開繊すると目付量約１６ｇ／ｍ２の開繊繊維束を得ることができる。炭素繊維束５０Ｋ（単糸直径約７μｍ、集束本数５００００本）を用いた場合、幅４２ｍｍに開繊すると目付量約７８ｇ／ｍ２、また幅８２ｍｍに開繊すると目付量約４０ｇ／ｍ２の開繊繊維束を得ることができる。そして、繊維束を幅方向に並べ複数本を同時に開繊することで、幅方向に複数本の開繊繊維束が並んだ、開繊糸シートを構成した繊維シートＣＳを得ることができる。
これらの開繊した繊維束は厚さ方向に並ぶ単糸の数が平均１０本以下と少なくなると考えられる。例えば、炭素繊維束１２Ｋを幅１６ｍｍに繊維の分散性を均一にして開繊した場合、幅方向に並ぶ単糸の最大数は１６ｍｍ／０．００７ｍｍ（炭素繊維の直径）で計算して約２２８６本程度と考えられるが、単糸の並びには隙間を生じるため、幅方向には約１５００～２０００本程度が並んでいると考えられる。１２Ｋは１２０００本より、厚さ方向には約６～８本程度が並んでいると考えられる。同様に考えると、炭素繊維束１２Ｋを幅２０ｍｍに開繊した場合は幅方向に約２０００～２５００本程度並び、厚さ方向には約４～６本程度、幅４０ｍｍに開繊した場合は幅方向に約５０００～５５００本程度並び、厚さ方向には約２～３本程度並んでいると考えられる。さらに、炭素繊維束５０Ｋを幅４２ｍｍに開繊した場合は、厚さ方向に約８～１０本程度並んでいると考えられる。
このように、繊維目付量を１０～８０ｇ／ｍ２にすることで、繊維束の厚さ方向に並ぶ繊維本数を少なくすることができる。このような繊維シートＣＳの片側に熱硬化性樹脂材料Ｒを付着させ、熱硬化性樹脂プリプレグシートを製造することは、繊維束中への熱硬化性樹脂材料の含浸が短時間でスムースに、かつ繊維の分散性良い状態で行われるようになる。
また、繊維目付量を１０～８０ｇ／ｍ２にすることで、製造される熱硬化性樹脂プリプレグシートの厚さを０．０２～０．０８ｍｍと薄層にすることができ、この薄層の熱硬化性樹脂プリプレグシートを積層することで力学的特性に優れた積層成形品を得ることができるようになる。
樹脂転移シート供給部２に追加する坦持部６は、熱硬化性樹脂材料Ｒを転移シートＴＳに連続して所定の厚みで塗工する機構を有している。本実施形態では、坦持部６として、コンマロール６１、コンマロール６１の下部にドクターエッジ６２、コンマロール６１の下方に配された塗工ロール６３、塗工ロール６３の一側部に配された液溜め部材６４、塗工ロール６３の他側部に配されたバックアップロール６５を備えたリバース型の塗工装置となっている。
コンマロール６１は、金属製のロールの下部にドクターエッジ６２が幅方向に沿って形成されることによって断面形状がコンマ型に形成されている。コンマロール６１は、図示されないフレームによって水平方向に支持され、塗工装置の運転中においては回転しないように固定されている。そして、塗工ロール６３は、図示されないフレームによって支持された金属製の駆動ロールであって、図示されない駆動モータによって走行速度に対応して回転する。
コンマロール６１を上下に移動させることで、コンマロール６１のドクターエッジ６２と塗工ロール６３の間隙を調整することができ、その間隙に応じた量の熱硬化性樹脂材料Ｒが塗工ロール６３の表面に塗布される。そして、間隙が狭くなるほど塗工ロール６３の表面に塗布される熱硬化性樹脂材料Ｒも量が少なくなる。
液溜め部材６４は、塗工間隙に熱硬化性樹脂材料Ｒを供給するものであり、塗工ロール６３の一側部から液溜め部材６４が斜め方向に配され、塗工ロール６３との間に熱硬化性樹脂材料Ｒをダム状に貯留している。熱硬化性樹脂材料Ｒの粘度を調整するため液溜め部材６４は加熱制御されている。なお、図示されていないが、液溜め部材６４には、熱硬化性樹脂材料Ｒを溜めるための両側板が設けられており、塗工ロール６３への塗工幅を規制することができる。
バックアップロール６５は、転移シートＴＳを搬送すると共に、塗工ロール６３の表面に転移シートＴＳを接触させ、コンマロール６１によって塗布された熱硬化性樹脂材料Ｒを転移シートＴＳの表面に塗工する回転自在の金属製又はゴム製のロールである。バックアップロール６５は、図示されないフレームによって、水平方向に支持されている。なお、バックアップロール６５は図示されない駆動モータにより積極的に回転駆動する機構としてもよいし、転移シートＴＳの走行に伴う回転自在な機構にしてもよい。なお、バックアップロール６５が駆動モータによって積極的に回転する機構の場合、その回転速度は転移加熱処理部３の加熱ロール３１の回転速度と関連した制御を行い、転移シートＴＳに過度な張力又はたるみを生じさせない速度とする。
コンマロール６１のドクターエッジ６２によって塗工ロール６３の表面に熱硬化性樹脂材料Ｒを塗布し、この塗工ロール６３の表面に塗布された熱硬化性樹脂材料Ｒをバックアップロール６５によって搬送される転移シートＴＳの表面に塗工し転移シートＴＳに熱硬化性樹脂材料Ｒを坦持させて樹脂転移シートＲＳを得る。この方法はコンマリバースコートと呼ばれる。このとき、転移シートＴＳの走行速度に対して、塗工ロール６３の回転速度が遅い場合、塗工ロール６３の表面に塗工された熱硬化性樹脂量Ｒは伸ばされながら転移シートＴＳに塗工されるため、塗工量をより少なく、つまり、塗工厚さをより薄くして、転移シートＴＳに熱硬化性樹脂Ｒを坦持させることができる。
その他の方式によって、転移シートＴＳに熱硬化性樹脂Ｒを坦持させてもよい。例えば、転移シートを塗工ロールに沿わせて供給し、コンマロールと転移シートとの間に熱硬化性樹脂材料をダム状に貯留しながら、コンマロールのドクターエッジと転移シートとの間隙によって調整された量を転移シートに坦持させることもできる。この方法は、コンマダイレクトコートと呼ばれる。また、熱硬化性樹脂材料を容器の中に溜めておき、その中にドライブロールを浸漬させ、ドライブロールを回転させることで熱硬化性樹脂材料をドライブロール表面上に汲み上げるようにして塗布し、ドライブロールの上部において転移シートを押し付けて、ドライブロール表面に塗布された熱硬化性樹脂材料を転移シートに塗布して坦持させる方法を採用しても良い。なお、この方法はキスコートと呼ばれる。
転移シートに坦持される熱硬化性樹脂材料の目付量は、製造したい熱硬化性樹脂プリプレグシートの厚さ、繊維体積含有率（Ｖｆ）などで決定される。本発明では、複合シートＦＳを構成する繊維シートＣＳの目付量を少なくすることで、熱硬化性樹脂プリプレグシートを高速かつ繊維分散性に優れた状態で製造することを可能とする。よって、繊維シートＣＳに付着させる熱硬化性樹脂材料の目付量も少なくしなければならない。
繊維束に炭素繊維束、熱硬化性樹脂材料にエポキシ樹脂を使用した熱硬化性樹脂プリプレグシートを製造する際、複合シートＦＳの繊維シートの目付量を１０～８０ｇ／ｍ２、得られる熱硬化性樹脂プリプレグシートの繊維体積含有率を５０～６０％の範囲に設定すると、熱硬化性樹脂材料の目付量は約４．４～５３．３ｇ／ｍ２の範囲になる。転移シートに熱硬化性樹脂材料を均一に塗布する際、本発明者等の実験によれば、塗布可能な最小目付量は約１０ｇ／ｍ２であった。よって、複合シートＦＳを得るための転移シートに塗布され坦持される熱硬化性樹脂材料の目付量は１０～５５ｇ／ｍ２の範囲が好ましい。
本実施形態のように、転移
シートＴＳに熱硬化性樹脂材料Ｒを坦持させながら、繊維シートＣＳの片面に熱硬化性樹脂材料を転移させ付着させる方法は、転移シートに熱硬化性樹脂材料を坦持させる工程と、繊維シートに熱硬化性樹脂材料を転移させ複合シートを製造する工程を同時に行うため、工程の短縮となり、成形コストの低減につながる効果がある。
なお、転移シートＴＳに塗布される熱硬化性樹脂材料Ｒの塗布量が少ないとき、繊維シートＣＳへの付着が十分でないと、転移冷却処理部４を通過した後、複合シートＦＳから転移シートＴＳを剥離する際、転移シートＴＳ上に熱硬化性樹脂材料Ｒが部分的に残ってしまう可能性がある。よって、本発明では、重ね合わされた繊維シートＣＳと樹脂転移シートＲＳを加熱又は加熱加圧して繊維シートと熱硬化性樹脂材料の付着を十分に行い、冷却又は冷却加圧によって熱硬化性樹脂材料が固形状態になって引き裂かれ難くなったところで、複合シートＦＳから転移シートＴＳを剥離する方法となっている。
繊維目付量が１０～８０ｇ／ｍ２、熱硬化性樹脂材料１０～５５ｇ／ｍ２で作成される熱硬化性樹脂プリプレグシートは厚さが約０．０２～０．０８ｍｍの薄層プリプレグシートとなる。繊維が一方向に配列された一方向強化の薄層プリプレグシートである場合、繊維方向に裂けやすく、離型紙から剥離した状態では、シートとしての取り扱いが難しい。しかし、繊維シートＣＳに熱硬化性樹脂材料Ｒを付着させた複合シートＦＳは、繊維シートの片面に熱硬化性樹脂材料が層状に付着しているため、固形状態の樹脂層が形成されており、この樹脂層の効果で繊維方向の裂けが生じ難くなる。よって、繊維及び樹脂が低目付量の複合シートＦＳにおいても、転移シートＴＳを剥離した状態にて取り扱いが行え、張力を負荷してもシート状態を維持できる。
図３の実施形態では、各繊維束が開繊された低目付けの繊維シートＣＳと転移シートＴＳに熱硬化性樹脂材料Ｒを坦持させながら得た樹脂転移シートＲＳを重ね合わせて、転移加熱処理部３に供給して走行させ、その後、転移冷却処理部４を走行させて複合シートＦＳを得ている。繊維シートＣＳと樹脂転移シートＲＳを重ねると同時に、繊維シートＣＳの樹脂転移シートＲＳが重なった片面とは反対面に離型シート３３を重ねて走行させ、転移冷却処理部４を走行後に複合シートＦＳから剥離してボビンに巻き取っている。
樹脂転移シートＲＳの熱硬化性樹脂材料Ｒは、繊維シートＣＳの片面に重なり転移し、繊維シートのＣＳ片面に層状に形成され付着する。よって、繊維シートＣＳの反対面に熱硬化性樹脂材料Ｒが浸透して染み出すことはほとんどないが、場合によっては、繊維間の隙間から熱硬化性樹脂材料Ｒが染み出すこともある。このようなとき、繊維シートＣＳに沿わせて離型シート３３を重ねて走行させると、染み出した熱硬化性樹脂材料が加熱ロール３１に付着して加熱ロールに繊維を巻き付けるなどのトラブルを回避できる。
なお、離型シートは、熱硬化性樹脂材料Ｒと離型性を有するものであれば如何なる材料であっても良い。例えば、合成樹脂系フィルム、紙そして金属のシートなどが挙げられる。シート自体が熱硬化性樹脂材料Ｒと離型性を有する場合には、そのままの状態で用いても良い。また、そのもの自体が熱硬化性樹脂材料Ｒと離型性を有しない場合には、上記離型シートの片面に離型処理を施す。離型処理としては、シリコーン樹脂系離型剤、アルキッド樹脂系離型剤、長鎖アルキル系化合物離型剤、フッ素系離型剤やポリイミド系離型剤等により離型処理を施す場合もあるし、ポリエステル、ポリエチレンまたはポリプロピレン等の熱硬化性樹脂材料Ｒと離型性を有する樹脂フィルムを貼り合せラミネート処理する場合もある。
転移加熱処理部３及び転移冷却処理部４において、重ね合わされた繊維シートＣＳと樹脂転移シートＲＳが走行する際、加圧を行い、繊維シートＣＳの片面に熱硬化性樹脂材料Ｒを付着させても良い。図３の実施形態では、加熱ロール３１及び冷却ロール４１にそれぞれ加圧ロール３１及び加圧ロール４２を設置し、重ね合わされた繊維シートＣＳと樹脂転移シートＲＳを加圧する構成になっている。本発明者等の実験によれば、加圧力としては、線圧で５～２０ｋｇｆ／ｃｍの範囲が好ましい。さらには、線圧５～１０ｋｇｆ／ｃｍの範囲がより好ましい。加圧力が２０ｋｇｆ／ｃｍ以上になると、粘度が高い状態にある熱硬化性樹脂材料を大きな力で繊維シートＣＳに押し込むことになるため、繊維シートを構成する繊維の配向を乱すことがある。また、転移シート及び離型シートに大きな加圧力が与えられるため、劣化や損傷を生じ、繰り返し使用できる回数が減少する。
また、重ね合わされた繊維シートＣＳと樹脂転移シートＲＳを加熱した際、加圧する方法として、加熱ロール３１と冷却ロール４１を接圧させる方法もある。加熱ロール３１に冷却ロール４１を押し当て加圧することで、加熱され熱硬化性樹脂材料の粘度が下がったところで、繊維シートに熱硬化性樹脂材料を押し込み付着状態にしても良い。なお、このときの線圧は５～２０ｋｇｆ／ｃｍの範囲が好ましく、さらには、５～１０ｋｇｆ／ｃｍの範囲がより好ましい。
図４は、本発明に係る別の複合シートの成形装置に関する概略側面図である。図４の別の複合シートの成形装置は、図３の複合シートの成形装置において、転移シートとして無端状に形成されている、つまり転移シートが連続してつながっているベルト状の転移シートを使用している構成となっている。無端状の転移シートは転移ベルトＴＢと呼べる。さらに、図３で使用していた離型シート３３の代わりに無端状の離型シート、つまり離型ベルト３４を構成している。
無端状の転移シートつまり転移ベルトＴＢとしては、素材が樹脂ベルト、金属ベルトなどがあって、その片面に熱硬化性樹脂材料をはじきなく塗布でき、かつ、塗布された熱硬化性樹脂材料を繊維シートに転移させる時、前記熱硬化性樹脂材料がシート表面に残存しない離型性を有するベルトのことである。
樹脂ベルトとしては、ガラスクロスやアラミドクロス等にフッ素樹脂をコーティングし長手方向の両端を接合しベルト状としたもの、ポリエステル帆布にシリコーンゴムをコーティングし長手方向の両端を接合しベルト状としたもの、熱硬化性ポリイミド樹脂によるポリイミドベルトなどがある。
上記の転移ベルトＴＢにおいて、そのもの自体が熱硬化性樹脂材料Ｒと離型性を有する場合には、そのままの状態で用いても良い。また、そのもの自体が熱硬化性樹脂材料Ｒと離型性を有しない場合には、上記転移ベルトＴＢの熱硬化性樹脂材料が塗布される面に離型処理を施す。離型処理としては、シリコーン樹脂系離型剤、アルキッド樹脂系離型剤、長鎖アルキル系化合物離型剤、フッ素系離型剤やポリイミド系離型剤等により離型処理を施す
図４の装置においては、転移ベルトＴＢは坦持部６でその表面に熱硬化性樹脂材料Ｒが塗布され、樹脂転移シートＲＳとなって、繊維シートＣＳの片面に重ね合わさる。重ね合わさった樹脂転移シートＲＳと繊維シートＣＳは、転移加熱処理部３及び転移冷却処理部４を走行し、転移ベルトＴＢに坦持された熱硬化性樹脂材料Ｒは繊維シートＣＳに転移し付着して複合シートＦＳに成形される。転移冷却処理部４を走行後、複合シートＦＳの片面に重なっていた転移ベルトＴＢは剥離される。熱硬化性樹脂材料Ｒが繊維シートＣＳに転移したことにより、転移ベルトＴＢの表面は再び、熱硬化性樹脂材料Ｒが残らず、離型処理された表面が露出し、そして、坦持部６に供給される。
離型ベルト３４は、重ね合わさった樹脂転移シートＲＳと繊維シートＣＳにおいて樹脂転移シートが重なっていない繊維シートＣＳの片面に重ね合わされ、転移加熱処理部３及び転移冷却処理部４を走行する。そして、離型ベルト３４は、転移冷却処理部４を走行後、複合シートＦＳから剥離され、再度、転移加熱処理部３に供給される。
無端状の転移シート、つまり転移ベルトを使用できるのは、繊維シートＣＳに転移ベルトに塗布された熱硬化性樹脂材料Ｒを転移させ付着させる際、転移加熱処理部３及び転移冷却処理部４において加熱温度が低温であり、かつ加圧力も小さいため、転移ベルトが加熱や加圧による劣化、損傷を生じ難く、何回も繰り返して使用ができるようになっているからである。
無端状の転移シートつまり転移ベルトＴＢ、そして無端状の離型シートつまり離型ベルト３４を使用することにより、転移シート、離型シートなどの副資材の長さに影響されることなく、繊維束長さと同等の長さ複合シートＦＳを成形することが可能となる。これは、副資材の使用量を少なくするため、副資材のコストを低減できることにもなる。さらに、副資材の切り替えなどを行う手間もないため、成形のコストも低減できる。
図５は、本発明に係る複合シートを用いた熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造装置に関する概略側面図である。図５の熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造装置Ｍ２は、開繊処理部５を組み込んだ繊維シート供給部１と、含浸処理部７を備えており、ボビンに巻き取られた複合シートＦＳを繊維シート供給部１から供給される繊維シートＣＳと重ね合わせて含浸処理部７に連続して供給し、含浸処理部７にて繊維シートＣＳを構成する繊維束Ｃの内部に熱硬化性樹脂材料Ｒを含浸させて熱硬化性樹脂プリプレグシートＰＳを製造する装置例となっている。
繊維シート供給部１では、図３及び図４の複合シートの成形装置Ｍ１の繊維シート供給部１と同様な機構となっている。複数本の繊維束Ｃを開繊処理し、低目付け量の繊維シートＣＳを得て含浸処理部７に供給する。繊維シートＣＳは各繊維束が開繊処理されているため、１０～８０ｇ／ｍ２の目付け量となるが、製造したい熱硬化性樹脂プリプレグシートによって繊維の目付け量が決まるため、複合シートＦＳの構成と関連して繊維シートＣＳの目付け量は定まる。
含浸処理部７には、ボビンから巻き出された複合シートＦＳが供給される。このとき、複合シートＦＳの片面にはカバーフィルム８１が重ね合わさっているため、前記カバーフィルム８１を図示しない巻き取り装置によって巻き取りながら、複合シートＦＳのみを含浸処理部７に供給している。そして、複合シートＦＳの熱硬化性樹脂材料が付着している片面を供給される前記繊維シートＣＳと重ね合わせるようにして、含浸処理部７に供給する。
本発明における含浸処理部７の装置例としては、一対の加熱加圧ロール７２、加熱板７３、さらに一対の加熱加圧ロール７２、加熱板７３を通過させることで、熱硬化性樹脂材料Ｒの粘度を下げ繊維束Ｃの内部に熱硬化性樹脂材料Ｒを含浸させる。その後、連続して冷却加圧ロール７４、冷却板７５、冷却加圧ロール７４を通過して加熱された熱硬化性樹脂材料Ｒを冷却し、熱硬化性樹脂プリプレグシートＰＳを製造する。図５の装置例では、走行方向の最も上流側に位置する一対の加熱加圧ロール間にボビンに巻かれた離型シート７１を一定の張力で巻きだして左右から供給し、離型シート７１を各加熱加圧ロール７２を介して加熱加圧するようになっている。そして、右側の離型シート７１は走行方向の最も下流側に位置する一対の冷却加圧ロール７４を通過した後、図示されない巻き取り装置によって、熱硬化性樹脂プリプレグシートＰＳから剥離されボビンに巻き取られる。左側の離型シート７１は製造される熱硬化性樹脂プリプレグシートＰＳの片面に剥離シートとして重ね合わされ、ボビンに巻き取られる。なお、本装置例Ｍ１では、一対の加熱加圧ロール７２を２組、加熱板２枚、一対の冷却加圧ロール２組、そして冷却板７５を１枚で構成しているが、それぞれの設置数は製造される熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造速度によって増加したり、減少したりする。
ボビンに巻かれている複合シートＦＳをカバーフィルムを取り外しながら一定の張力で巻き出し含浸処理部７に供給する際、複合シートＦＳには一定の張力が負荷される。このとき、複合
シートＦＳを構成する繊維シートＣＳの片面に熱硬化性樹脂材料Ｒが固形状態で付着する、好ましくは繊維シートＣＳの片面全面に付着することで、複合シートＦＳに張力が負荷されても、しわや幅収縮などが防止できる。繊維シートＣＳと熱硬化性樹脂材料Ｒが部分的に付着つまり繊維シートＣＳに熱硬化性樹脂材料Ｒが付着していない部分があったり、付着度合いが弱い場合つまり複合シートＦＳに張力が負荷したときに繊維シートＣＳが固形状の熱硬化性樹脂材料Ｒから離れる部分があったりすると、複合シートＦＳに張力が負荷されるとしわや幅収縮などを生じ、含浸処理部７への安定した供給ができなくなってしまう。
複合シートＦＳの熱硬化性樹脂材料が付着している片面を供給される前記繊維シートＣＳと重ね合わせるようにして供給し、前記複合シートＦＳと繊維シートＣＳを離型シート７１に挟み込んだ状態にして、含浸処理部７の一対の加熱加圧ロール７２に挟み込まれるようにして供給する。加熱加圧ロール７２、加熱板７３の加熱温度は熱硬化性樹脂材料Ｒが繊維シートＣＳに含浸する粘度になるよう設定される。熱硬化性樹脂材料Ｒの粘度が１～１０Ｐａ・ｓの範囲になるときに少なくとも1回以上は加熱加圧ロールで加圧力を受け繊維束中に熱硬化性樹脂材料が含浸できるよう加熱温度を設定することが好ましい。
また、加熱加圧ロールの設定される線圧は、本発明者等の実験によれば、１０～３０ｋｇｆ／ｃｍの範囲が好ましい。さらには、線圧２０～２５ｋｇｆ／ｃｍの範囲がより好ましい。加圧力が１０ｋｇｆ／ｃｍ以下であると繊維束中への熱硬化性樹脂材料の未含浸部分ができやすく、加圧力が３０ｋｇｆ／ｃｍ以上になると、熱硬化性樹脂材料がプリプレグシートの幅方向端部からはみだしたり、繊維蛇行を生じやすくなったりする。
なお、離型シート７１は、図３の装置例で使用していた離型シート３３と同様な材料を用いれば良い。
図６は、本発明に係る複合シートを用いた熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造方法に関する説明図である。複合シートＦＳの熱硬化性樹脂材料Ｒの付着面に繊維シートＣＳを重ね合わせるときの断面模式図と、熱硬化性樹脂材料を繊維束中に含浸させ熱硬化性樹脂プリプレグシートとなった際の断面模式図である。
従来の熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造方法は、繊維シートの両面もしくは片面から熱硬化性樹脂材料が含浸する方法となるが、本発明の複合シートＦＳを用いた製造方法では、熱硬化性樹脂材料を中央にしてその両表面に繊維シートを重ね合わせて加熱加圧することができ、中央に配置した熱硬化性樹脂材料が繊維シートに含浸して外側に向かって移動するようになる。このような方法となるため、熱硬化性樹脂材料の繊維束内を流動する距離を短くでき、かつ、厚さ方向に対称となる流動となるため、繊維の分散性に優れたプリプレグシートが製造できる、さらに、繊維束内のボイドが両表面に逃げやすくなるためボイドも生じ難い製造方法となる。つまり、高品質な熱硬化性樹脂プリプレグシートを高速で製造できることを可能とする。さらに、熱硬化性樹脂材料Ｒの繊維束中への樹脂含浸が行い易いことから、加熱加圧における加圧力を抑えることも可能となり、離型シート７１へのダメージを抑えることも可能となる。よって、離型シート７１を繰り返し使用できる回数も増え、副資材のコストを低減できる効果もある。
図７は、本発明に係る複合シートの成形装置を組み込んだ熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造装置に関する概略側面図である。図７は、図６の熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造装置において、ボビンに巻かれた複合シートＦＳを供給する機構部を取り外し、複合シートの製造装置Ｍ１を組み込んだ熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造装置Ｍ２の概略側面図である。
図７の熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造装置Ｍ２は、開繊処理部５を組み込んだ繊維シート供給部１と、複合シートの製造装置Ｍ２と、含浸処理部７を備えており、繊維シートＣＳの片面に熱硬化性樹脂材料Ｒを付着させた複合シートＦＳを製造しながら、前記複合シートＦＳの熱硬化性樹脂材料Ｒ側に別の繊維シートＣＳを製造しながら重ね合わせ、含浸処理部７に供給され、含浸処理部７で前記熱硬化性樹脂材料Ｒを前記繊維シートＣＳに含浸させて熱硬化性樹脂プリプレグシートＰＳを製造し、カバーフィルム８１と重ね合わせてボビンに巻き取る装置例となっている。
含浸処理部７において、図５の装置例では、重ね合わされた複合シートＦＳと繊維シートＣＳを離型シート７１に挟み込みながら加熱加圧、冷却加圧を行う機構となっていたが、図７の装置例では、重ね合わされた複合シートＦＳと繊維シートＣＳを離型ベルト７６に挟み込みながら加熱加圧、冷却加圧を行う機構となっている。
離型ベルト７６であるが、素材が樹脂ベルト、金属ベルトなどがあって、熱硬化性樹脂プリプレグシートＰＳと接する表面には、冷却加圧後に熱硬化性樹脂プリプレグシートＰＳが剥離できる離型性を有しているベルトである。
樹脂ベルトとしては、ガラスクロスやアラミドクロス等にフッ素樹脂をコーティングし長手方向の両端を接合しベルト状としたもの、ポリエステル帆布にシリコーンゴムをコーティングし長手方向の両端を接合しベルト状としたもの、熱硬化性ポリイミド樹脂によるポリイミドベルトなどがある。
上記の離型ベルト７６において、そのもの自体が熱硬化性樹脂プリプレグシートＰＳと離型性を有する場合には、そのままの状態で用いても良い。また、そのもの自体が熱硬化性樹脂プリプレグシートＰＳと離型性を有しない場合には、上記素材のベルト表面に離型処理を施す。離型処理としては、シリコーン樹脂系離型剤、アルキッド樹脂系離型剤、長鎖アルキル系化合物離型剤、フッ素系離型剤やポリイミド系離型剤等により離型処理を施す
繊維シートＣＳに熱硬化性樹脂材料Ｒを含浸させプリプレグシートを製造する際、加熱加圧及び冷却加圧を行うが、本発明の複合シートＦＳを使用すると、従来工程での素材の両表面から熱硬化性樹脂材料を含浸させる方法と異なり、熱硬化性樹脂材料の両表面に繊維シートを配置させ含浸させることが可能となることから、繊維束中への熱硬化性樹脂材料が含浸する距離が短くなり、繊維束中への樹脂含浸性に優れた製造方法となる。よって、加熱加圧工程及び冷却加圧工程における加圧力を低減できるため、離型ベルトへのダメージを抑えることが可能となる。よって、繰り返し加熱加圧及び冷却加圧を与えることができるようになり、離型ベルトを使用して熱硬化性樹脂プリプレグシートを製造することが可能となる。ただし、離型ベルトとなる樹脂ベルト及び金属ベルトは、加熱加圧及び冷却加圧におけるダメージを考慮し選定され、かつベルトの厚さなども考慮して選定される。
図７のように、複合シートＦＳの成形装置Ｍ１を組み込んだ熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造装置Ｍ２において、転移ベルトＴＢ、離型ベルト３４及び離型ベルト７６を用いて熱硬化性樹脂プリプレグシートを製造することは、副資材である離型シートの長さの制限を排除できるため、ボビンに巻かれた繊維束長さと同等の熱硬化性樹脂プリプレグシートまで製造することが可能となる。
従来の製造方法である、離型シートに樹脂コーティングを行った後、熱硬化性樹脂プリプレグシートを製造するとした２工程（繊維シートの両表面から熱硬化性樹脂を含浸させるときは樹脂コーティングを２工程行った後、熱硬化性樹脂プリプレグシートを製造するため３工程に）の手間を、本発明の複合シートＦＳを製造しながら熱硬化性樹脂プリプレグシートを製造する方法は、熱硬化性樹脂プリプレグシートを１工程で製造でき、製造工程の短縮となり、製造コストの低減になる。
図８は、本発明に係る複合シートを用いた別の熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造装置に関する概略側面図である。図８は、複合シートＦＳが巻かれたボビンを複数本、図示されない巻き出し装置に設置し、複数本の複合シートＦＳを厚さ方向に重ね合わせて含浸処理部７に供給し、熱硬化性樹脂プリプレグシートを製造する装置例となっている。
図８は、複合シートＦＳが巻かれているボビンを複数本、図示されない巻き出し装置に設置するが、各ボビンには複合シートＦＳにある張力を負荷して巻き出せるよう図示されないブレーキ機構が取り付けられている。そして、各ボビンから複合シートＦＳをある張力を負荷しながら巻き出すとともに、複合シートＦＳに重ね合わさっているカバーフィルム８１を剥離し巻き取る機構が取り付けられている。
図９は、本発明に係る複合シートを用いた別の熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造方法に関する説明図である。そして、複数の複合シートＦＳを厚さ方向に重ねる状態の概略が示されている。図９では、４枚の複合シートＦＳが厚さ方向に重ねられる。厚さ方向の中央を対称に外側に熱硬化性樹脂材料Ｒが配置されるように複合シートＦＳは重ね合わせられ巻き出されている。
４枚の複合シートＦＳを重ねた状態で含浸処理部７に供給し、加熱加圧及び冷却加圧の工程を経ることにより、熱硬化性樹脂材料Ｒが繊維シートＣＳに含浸し、熱硬化性樹脂プリプレグシートＰＳに製造される。複合シートＦＳを複数枚重ねることにより、繊維目付け量の重い、厚層の熱硬化性樹脂プリプレグシートを製造できる。
熱硬化性樹脂プリプレグシートの従来の製造方法では、幅方向に引き揃えられた複数本の繊維束に対し、両表面から熱硬化性樹脂材料を含浸させる。各繊維束を開繊せず束の状態で含浸処理部７に供給することにより厚層のプリプレグシートは製造できるが、樹脂の含浸距離が長く、含浸時間がかかるため加工速度を高速化できない。また、ボイド部分も多くなるため品質の低下が心配される。
本発明では、複合シートＦＳを用いることにより、熱硬化性樹脂材料Ｒを厚さ方向の途中に、複数箇所配置し連続して含浸処理部７に供給することが可能となる。このようにすることで、熱硬化性樹脂材料Ｒの繊維束中への樹脂含浸距離が短くなり、ボイドが少なく、かつ高速に熱硬化性樹脂材料Ｒの繊維束中への含浸が行えるようになる。
［実施例１］ 以下の材料、副資材を用いて複合シートＦＳを成形した。〈使用材料〉（繊維シートＣＳに使用した繊維束Ｃ）東レ株式会社製；Ｔ７００ＳＣ－１２Ｋ、繊維本数１２０００本、繊維目付け０．８ｇ／ｍ（熱硬化性樹脂材料Ｒ）エポキシ樹脂主剤 ｊＥＲ８２８：ｊＥＲ１００１＝４：６（重量比）（両主剤とも三菱ケミカル（株）製）硬化剤 ジシアンジアミド（ＤＩＣＹ－７、三菱ケミカル（株）製）硬化促進剤 ＤＣＭＵ（ＤＣＭＵ－９９、保土谷化学工業（株）製）〈転移シートＴＳ〉転移シートとして両表面に離型処理を施している離型紙ＷＢＥ９０Ｒ－Ｄ（リンテック（株）製）を使用した。なお、離型紙の幅は２５０ｍｍ、長さは５００ｍである。
〈樹脂転移シートＲＳの成形〉（１）プラネタリーミキサーＰＬＭ－２（（株）井上製作所製）を使用して、エポキシ樹脂主剤としてｊＥＲ８２８とｊＥＲ１００１を重量比で４対６の割合で混錬したところに、硬化剤及び硬化促進剤を重量比にて主剤１００部に対しそれぞれ８部及び３部を加えて混錬し、エポキシ樹脂を得た。なお、混練温度は５０℃で樹脂粘度は約３００Ｐａ・ｓであった。（２）樹脂コーティング装置Ｒ－ＨＣ（（株）ヒラノテクシード製）にて、工程（１）で作成したエポキシ樹脂を、コンマリバースコート方式にて、転移シートＴＳの片面に幅１９０ｍｍ、塗布量２２ｇ／ｍ２にて連続塗布して、樹脂転移シートＲＳを成形した。なお、成形条件は、コンマロール、塗工ロール、液溜め部材は温度６０℃に設定し、ドクターエッジと塗工ロールの隙間を０．０２ｍｍ、塗工ロール：バックアップロールの速度比を１００：１２０、そして、加工速度１０ｍ／ｍｉｎに設定した。温度６０℃で樹脂粘度は約８０Ｐａ・ｓであった。なお、熱硬化性樹脂材料の粘度測定は、動的粘弾性測定装置（Ａｎｔｏｎ Ｐａａｒ社
製 Ｐｈｙｓｉｃａ ＭＣＲ３０１）を用いて行った。
〈複合シートＦＳの成形〉（１）複合シートの成形装置として、図１に示す複合シートの成形装置Ｍ１のような装置を用い、繊維シート供給部１に開繊処理部５を組み込んだ装置を使用した。開繊処理部５では空気開繊処理部５１を２セット、横振動開繊処理部５２を１セット組み込んだ仕様となっている。また、加熱ロール３１を１本、冷却ロール４１を１本組み込んだ仕様となっており、加熱ロール３１に冷却ロール４１を押し付け加圧することができる機構となっている。そして、加熱ロール３１及び冷却ロール４１には図３のように離型シート３３を挿入した。離型シートには離型紙ＷＢＥ９０Ｒ－Ｄ（リンテック（株）製）を使用した。（２）繊維シート供給部１に炭素繊維束を５本、幅方向に４０ｍｍの間隔をもってセットし、開繊処理部５で１本約４０ｍｍに開繊を行い、幅２００ｍｍの繊維シートＣＳを作成した。繊維シートＣＳの繊維目付量は約２０ｇ／ｍ２であった。（３）繊維シートＣＳと樹脂転移シート供給部２にセットされた前記樹脂転移シートＲＳを重ね合わせて転移加熱処理部３の加熱ロール３１に供給する。加熱ロール３１の温度は５５℃に設定した。しかし、加熱ロール３１では離型シートを介して前記熱硬化性樹脂材料Ｒが加熱され、また加工速度が速いことから、加熱ロール３１から冷却ロール４１に移る直前の加熱ロール３１に接する離型シートの表面温度を測定したところ約４５℃であった。温度４５℃では熱硬化性樹脂材Ｒの粘度は約１０００Ｐａ・ｓ程度になる。そして、加熱ロール３１に冷却ロール４１を線圧１０ｋｇｆ／ｃｍで加圧した。（４）重ね合わされた前記繊維シートＣＳと前記樹脂転移シートＲＳは加熱ロール３１を走行後、冷却ロール４１を走行する。冷却ロールはロール内を水が循環して水冷されている。ロールの表面温度は約１５℃であった。冷却ロール４１では転移シートＴＳを介して前記熱硬化性樹脂材料Ｒ及び繊維シートＣＳが冷却され、また加工速度が速いことから、冷却ロール４１を排出する直前の冷却ロール４１に接する転移シートＴＳの表面温度を測定したところ約２５℃であった。温度２５℃では熱硬化性樹脂材Ｒの粘度は約１００００Ｐａ・ｓ以上になる。（５）重ね合わされた前記繊維シートＣＳと前記樹脂転移シートＲＳは冷却ロール４１を走行後、前記転移シートＴＳである離型紙を剥離して、前記繊維シートＣＳの片面に熱硬化性樹脂材料Ｒが転移した複合シートＦＳを、両端部をスリットして、ポリエチレン製のカバーフィルム８１と共にボビンに巻き取った。加工速度は２０ｍ／ｍｉｎであった。
〈複合シートＦＳの評価〉 繊維目付量２０ｇ／ｍ２、樹脂目付量２２ｇ／ｍ２の幅１８０ｍｍの複合シートＦＳが連続して成形され、見た目には繊維が真直に引き揃った状態で、かつ繊維シートＣＳにおいて繊維間隙間が大変少ない品質の良い状態で成形されていた。また、前記繊維シートＣＳの片面に前記熱硬化性樹脂材料Ｒが全面に形成されている状態が目視で確認でき、複合シートＦＳに張力を負荷させたり、弛ませながらしてシート状態を確認したところ、繊維シートの片面全面に熱硬化性樹脂材料Ｒが付着している状態が確認できた。厚さはマイクロメータを使用して測定し、平均として、約０．０５ｍｍであり、計算で示される樹脂含浸時の厚さ約０．０３ｍｍ以上の厚さがあり、目視の確認とあわせて、繊維シートＣＳの片面に熱硬化性樹脂材料Ｒが層状に形成されていると考えられる。
［実施例２］ 実施例１で成形した複合シートＦＳを用いて、熱硬化性樹脂プリプレグシートＰＳを製造した。〈熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造方法〉（１）熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造装置として、図５に示すような装置を用いた。繊維シート供給部１には、空気開繊処理部５１を２セット、横振動開繊処理部５２を１セット組み込んだ開繊処理部５を組み込んだ仕様となっている。また、含浸処理部７は、一対の加熱加圧ロール７２を２セット、加熱板７３を２セット、一対の冷却加圧ロール７４を２セット、冷却板を１セット組み込んだ仕様となっている。離型シート７１として離型紙ＷＢＥ９０Ｒ－Ｄ（リンテック（株）製）を使用した。（２）繊維シート供給部１に炭素繊維束を５本、幅方向に４０ｍｍの間隔をもってセットし、開繊処理部５で１本約４０ｍｍに開繊を行い、幅２００ｍｍの繊維シートＣＳを作成した。繊維シートＣＳの繊維目付量は約２０ｇ／ｍ２であった。（３）複合シートＦＳが巻かれたボビンをセットし、複合シートＦＳをカバーフィルム８１を取り外しながら巻き出し、繊維シート供給部から送り出されてくる繊維シートＣＳと重ね合わせるようにして一対の加熱加圧ロール７２に供給した。複合シートＦＳの熱硬化性樹脂材料が付着する面と繊維シートＣＳが重ね合うようにして供給した。（４）供給された、重ね合わされた繊維シートＣＳと複合シートＦＳは、離型シートに挟み込まれ、加熱加圧ロール、加熱板、冷却加圧ロール、冷却板を走行して繊維シート中に熱硬化性樹脂材料が含浸される。なお、加熱加圧ロール７２、加熱板７３は温度９０℃に設定し、冷却加圧ロール７４，冷却板７５は冷却水により冷却した。また、加熱加圧ロール、冷却加圧ロールとも線圧２０ｋｇｆ／ｃｍに設定した。加工速度は２０ｍ／ｍｉｎにして加工を実施した。（５）繊維シート中に熱硬化性樹脂材料が含浸した熱硬化性樹脂プリプレグシートＰＳは冷却加圧ロール７４を走行後、片面側の前記離型シート７１を剥離して、もう片面側の離型シートと共にボビンに巻き取った。
〈熱硬化性樹脂プリプレグシートの評価〉 繊維目付量４０ｇ／ｍ２、樹脂目付量２２ｇ／ｍ２の幅１８０ｍｍの熱硬化性樹脂プリプレグシートが連続して製造できた。製造された熱硬化性樹脂プリプレグシートＰＳは、見た目には繊維が真直に引き揃った状態で、かつ樹脂含浸の良い状態であった。また、両表面は、次工程の積層成形に積層できる十分なタック性を有していた。さらに、製造できた熱硬化性樹脂プリプレグシートで［４５／０／－４５／９０］の擬似等方に積層した厚さ約２ｍｍの積層板をオートクレーブ成形法で製造したところ、その積層版の断面観察において、ボイドのない積層板が成形された。また、前記積層板から試験片を取り出し、引張試験、圧縮試験を実施したところ、従来の製造方法で製造された厚さ０．１２ｍｍの熱硬化性樹脂プリプレグシートから成形された積層板と比べ、約５％前後強度が向上していた。つまり、繊維束を開繊して繊維を真直にさせた効果が現れていると考えられる。
［実施例３］ 実施例１で成形した複合シートＦＳを用いて、熱硬化性樹脂プリプレグシートＰＳを製造した。〈熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造方法〉（１）熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造装置として、図８に示すような装置を用いた。含浸処理部７の構成は実施例２の装置と同等である。離型シート７１として離型紙ＷＢＥ９０Ｒ－Ｄ（リンテック（株）製）を使用した。（２）複合シートＦＳが巻かれたボビンを４本セットし、複合シートＦＳをカバーフィルム８１を取り外しながら巻き出し、４本が重なり合うようにして一対の加熱加圧ロール７２に供給した。複合シートＦＳの重ね合わせ方として、図９に示すようにして重ね合わせた。（３）重ね合わされた４枚の複合シートＦＳは、離型シートに挟み込まれ、加熱加圧ロール、加熱板、冷却加圧ロール、冷却板を走行して繊維シート中に熱硬化性樹脂材料が含浸される。加熱加圧ロール７２、加熱板７３は温度９０℃に設定し、冷却加圧ロール７４，冷却板７５は冷却水により冷却した。また、加熱加圧ロール、冷却加圧ロールとも線圧２０ｋｇｆ／ｃｍに設定した。加工速度は１０ｍ／ｍｉｎにして加工を実施した。（４）繊維シート中に熱硬化性樹脂材料が含浸した熱硬化性樹脂プリプレグシートＰＳは冷却加圧ロール７４を走行後、片面側の前記離型シート７１を剥離して、もう片面側の離型シートと共にボビンに巻き取った。
〈熱硬化性樹脂プリプレグシートの評価〉 繊維目付量１６０ｇ／ｍ２、樹脂目付量８８ｇ／ｍ２の幅１８０ｍｍの熱硬化性樹脂プリプレグシートが連続して製造できた。製造された熱硬化性樹脂プリプレグシートＰＳは、見た目には繊維が真直に引き揃った状態で、かつ樹脂含浸の良い状態であった。また、両表面は、次工程の積層成形に積層できる十分なタック性を有していた。さらに、製造できた熱硬化性樹脂プリプレグシートで［４５／０／－４５／９０］の擬似等方に積層した厚さ約２ｍｍの積層板をオートクレーブ成形法で製造したところ、その積層版の断面観察において、ボイドのない、かつ繊維分散性の良い状態で積層板が成形された。
１ 繊維シート供給部１１ 給糸体１２ 駆動モータ１３ 幅位置ガイドロール１４ 高さ位置ガイドロール２ 樹脂転移シート供給部３ 転移加熱処理部３１ 加熱ロール３２ 加圧ロール３３ 離型シート３４ 離型ベルト４ 転移冷却処理部４１ 冷却ロール４２ 加圧ロール５ 開繊処理部５１ 空気開繊処理部５１１ ガイドロール５１２ 撓み形成部材５１３ 風洞管５１４ 流量調整バルブ５１５ 吸気ポンプ５１６ 熱風ブロワー５１７ 回転駆動モータ５２ 横振動開繊処理部５２１ 回転ロール５２２ 支持ロール５２３ クランクモータ５２４ クランク機構６ 坦持部６１ コンマロール６２ ドクターエッジ６３ 塗工ロール６４ 液溜め部材６５ バックアップロール７ 含浸処理部７１ 離型シート７２ 加熱加圧ロール７３ 加熱板７４ 冷却加圧ロール７５ 冷却板７６ 離型ベルト８１ カバーフィルムＣ 繊維束ＣＳ 繊維シートＴＳ 転移シートＴＢ 転移ベルトＲ 熱硬化性樹脂材料ＲＳ 樹脂転移シートＦＳ 複合シートＰＳ 熱硬化性樹脂プリプレグシートＭ１ 複合シートの成形装置Ｍ２ 熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造装置

Claims (19)

  1. 繊維シートに熱硬化性樹脂材料を含浸させた熱硬化性樹脂プリプレグシートを製造するために用いられる複合シートの成形方法であって、転移シートの片面に密度ρＲｇ／ｃｍ３の熱硬化性樹脂材料を目付量ＷＲｇ／ｍ２で所定の厚さに担持させた樹脂転移シートを、密度ρＣｇ／ｃｍ３の繊維を目付量ＷＣｇ／ｍ２で構成した前記繊維シートの片面に重なり合うよう接触させ、重なり合った状態の前記樹脂転移シートと前記繊維シートを加熱又は加熱加圧処理し、加熱された重なり合った状態の前記樹脂転移シートと前記繊維シートを前記熱硬化性樹脂材料の粘度が１００００Pａ・ｓ以上となる温度まで冷却又は冷却加圧処理することで、前記熱硬化性樹脂材料を前記繊維シートに転移させて、厚さが［｛（ＷＣ／ρＣ）／１０００｝＋｛（ＷＲ／ρＲ）／１０００｝］ｍｍより厚く、かつ前記繊維シートの片面側に前記熱硬化性樹脂材料の一部が層状に形成されて一体化するように付着させる複合シートの成形方法。
  2. 重なり合った状態の前記樹脂転移シートと前記繊維シートを加熱又は加熱加圧処理するとき、加熱温度が３０℃～８０℃の範囲であり、前記加熱温度における前記熱硬化性樹脂材料の粘度が１０００００Ｐａ・ｓ以下である請求項１に記載の複合シートの成形方法。
  3. 前記転移シートの片面に前記熱硬化性樹脂材料を坦持させながら連続して前記繊維シートの片面に接触させる請求項１から２のいずれかに記載の複合シートの成形方法。
  4. 前記繊維シートは、目付量が１０ｇ／ｍ２～８０ｇ／ｍ２である請求項１から３のいずれかに記載の複合シートの成形方法。
  5. 前記転移シートに担持される熱硬化性樹脂材料は、目付量が１０ｇ／ｍ２～５５ｇ／ｍ２である請求項１から４のいずれかに記載の複合シートの成形方法。
  6. 前記転移シートに坦持される前記熱硬化性樹脂材料は、前記転移シートに塗布されて坦持される請求項１から５のいずれかに記載の複合シートの成形方法。
  7. 前記転移シートは、無端状に形成されている請求項１から６のいずれかに記載の複合シートの成形方法。
  8. 前記繊維シートは、開繊処理により形成される請求項１から７のいずれかに記載の複合シートの成形方法。
  9. 前記樹脂転移シートを前記繊維シートの片面に重なり合うよう接触させた後、前記繊維シートの前記樹脂転移シートと接触していないもう一方の片面に離型シートを重なり合うよう接触させる請求項１から８のいずれかに記載の複合シートの成形方法。
  10. 請求項１から９のいずれかに記載された複合シートの成形方法により成形された複合シートを加熱加圧処理により前記繊維束中に熱硬化性樹脂材料を含浸させて成形する熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造方法。
  11. 前記複合シートに対して熱硬化性樹脂材料が転移された面側に別の繊維シートを付着させて両方の繊維シートに熱硬化性樹脂材料を含浸させる請求項１０に記載の熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造方法。
  12. 前記複合シートを複数枚重ね合せて加熱加圧成形する請求項１０又は１１に記載の熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造方法。
  13. 無端状に形成されている離型シートを前記複合シートに重ね合わせて加熱加圧成形する請求項１０から１２のいずれかに記載の熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造方法。
  14. 繊維シートに熱硬化性樹脂材料を含浸させた熱硬化性樹脂プリプレグシートを製造するために用いられる複合シートの成形装置であって、転移シートの片面に密度ρＲｇ／ｃｍ３の熱硬化性樹脂材料を目付量ＷＲｇ／ｍ２で所定の厚さに坦持した樹脂転移シートを供給する樹脂転移シート供給部と、密度ρＣｇ／ｃｍ３の繊維を目付量ＷＣｇ／ｍ２で構成した前記繊維シートを供給する繊維シート供給部と、前記転移シートに担持された熱硬化性樹脂材料を前記繊維シートの片面に接触させた状態で加熱又は加熱加圧処理する転移加熱処理部と、前記転移加熱処理部で処理された重なり合った状態の前記樹脂転移シートと前記繊維シートを前記熱硬化性樹脂材料の粘度が１００００Pａ・ｓ以上となる温度まで冷却又は冷却加圧処理する転移冷却処理部を備え、厚さが［｛（ＷＣ／ρＣ）／１０００｝＋｛（ＷＲ／ρＲ）／１０００｝］ｍｍより厚く、かつ前記繊維シートの片面側に前記熱硬化性樹脂材料の一部が層状に形成されて一体化するように付着した複合シートを得る複合シートの成形装置。
  15. 前記樹脂転移シート供給部は、転移シートの片面に熱硬化性樹脂材料を所定の厚さでシート状に担持させる担持部を備えている請求項１４に記載の複合シートの成形装置。
  16. 前記繊維シート供給部は、前記繊維シートを開繊処理により形成する開繊処理部を備えている請求項１４又は１５に記載の複合シートの成形装置。
  17. 請求項１４から１６のいずれかに記載の複合シートの成形装置と、前記複合シートに対して加熱加圧処理により前記繊維束中に熱硬化性樹脂材料を含浸させて成形する含浸処理部を備えている熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造装置。
  18. 前記含浸処理部は、前記複合シートに対して熱硬化性樹脂材料が転移された面側に別の繊維シートを付着させる請求項１７記載の熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造装置。
  19. 前記含浸処理部は、前記複合シートを複数枚重ね合せて加熱加圧成形する請求項１７又は１８に記載の熱硬化性樹脂プリプレグシートの製造装置。
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