JP7238908B2 - 繊維パッケージ - Google Patents

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Description

本発明は、繊維パッケージに関する。
本願は、2019年1月28日に、日本に出願された特願2019-011966号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
特許文献1には、繊度25,000~35,000デニールの炭素繊維束が、巻き始めの綾角を13~14°、巻き終わりの綾角を3°以上、ワインド比の小数点以下の端数を0.07~0.08としてボビン上に巻き取られたスクエアエンド型の炭素繊維パッケージが開示されている。
特許文献2には、ボビンから引き出した炭素繊維束を拡幅し、更に、部分的に2つのサブ束にスプリットしたうえで、別のボビンに巻き取って繊維パッケージとし、その繊維パッケージから炭素繊維束を繰り出してシートモールディングコンパウンド(SMC)を製造したことが記されている。
国際公開第2008/029740号 国際公開第2017/111056号
本発明は、部分的にスプリットされた炭素繊維束がボビンに巻き取られてなる繊維パッケージであって、解舒性に問題のない繊維パッケージを提供することを目的とする。
本発明は、以下の構成を有する。
[1]炭素繊維束がボビンにトラバース巻きされてなるスクエアエンド型の繊維パッケージであって、炭素繊維束が部分的にサブ束にスプリットされており、炭素繊維束の幅がサブ束の幅の総和よりも小さいことを特徴とする繊維パッケージ。
[2]炭素繊維束がボビンにトラバース巻きされてなるスクエアエンド型の繊維パッケージであって、炭素繊維束は部分的にサブ束にスプリットされており、サブ束同士の重なり合いが生じるようにボビンに巻かれていることを特徴とする繊維パッケージ。
[3]炭素繊維束の幅が、サブ束の幅の総和の90%以下である、[1]または[2]に記載の繊維パッケージ。
[4]5サイクル以上離れていないトラバースサイクルでボビンに巻かれた炭素繊維束の間では、最小でも炭素繊維束の幅の0.8倍以上のズレ幅で中央線の位置がずれている、[1]~[3]のいずれかに記載の繊維パッケージ。
[5]5サイクル以上離れていないトラバースサイクルでボビンに巻かれた炭素繊維束の間では、最小でも炭素繊維束の幅の1.0倍以上のズレ幅で中央線の位置がずれている、[4]に記載の繊維パッケージ。
[6]5サイクル以上離れていないトラバースサイクルでボビンに巻かれた炭素繊維束の間では、最小でも炭素繊維束の幅の1.3倍以上のズレ幅で中央線の位置がずれている、[5]に記載の繊維パッケージ。
[7]炭素繊維束が部分的に3以上のサブ束にスプリットされている、[1]~[6]のいずれかに記載の繊維パッケージ。
[8]前記サブ束のフィラメント数が5000本以下である、[1]~[7]のいずれかに記載の繊維パッケージ。
[9]前記炭素繊維束の総フィラメント数が12000本以上である、[1]~[8]のいずれかに記載の繊維パッケージ。
[10]炭素繊維束がボビンにトラバース巻きされてなるスクエアエンド型の繊維パッケージの製造方法であって、炭素繊維束を部分的にサブ束にスプリットするスプリット工程と、部分的にサブ束にスプリットされた炭素繊維束をボビンに巻き取るワインド工程とを含み、ワインド工程では炭素繊維束の幅がサブ束の幅の総和より小さくなるように炭素繊維束をボビンに巻き取ることを特徴とする製造方法。
[11]炭素繊維束がボビンにトラバース巻きされてなるスクエアエンド型の繊維パッケージの製造方法であって、炭素繊維束を部分的にサブ束にスプリットするスプリット工程と、部分的にサブ束にスプリットされた炭素繊維束をボビンに巻き取るワインド工程とを含み、ワインド工程ではサブ束同士の重なり合いが生じるように炭素繊維束をボビンに巻き取ることを特徴とする製造方法。
[12]ワインド工程では、炭素繊維束の幅が、サブ束の幅の総和の90%以下となるように炭素繊維束をボビンに巻き取る、[10]または[11]に記載の製造方法。
[13]ワインド工程において、5サイクル以上離れていないトラバースサイクルでボビンに巻かれる炭素繊維束の間では、最小でも炭素繊維束の幅の0.8倍以上のズレ幅で中央線の位置がずれるようにする、[10]~[12]のいずれかに記載の製造方法。
[14]ワインド工程において、5サイクル以上離れていないトラバースサイクルでボビンに巻かれる炭素繊維束の間では、最小でも炭素繊維束の幅の1.0倍以上のズレ幅で中央線の位置がずれるようにする、[13]に記載の製造方法。
[15]ワインド工程において、5サイクル以上離れていないトラバースサイクルでボビンに巻かれる炭素繊維束の間では、最小でも炭素繊維束の幅の1.3倍以上のズレ幅で中央線の位置がずれるようにする、[14]に記載の製造方法。
[16]スプリット工程において、炭素繊維束を部分的に3以上のサブ束にスプリットする、[10]~[15]のいずれかに記載の製造方法。
[17]前記サブ束のフィラメント数が5000本以下である、[10]~[16]のいずれかに記載の製造方法。
[18]前記炭素繊維束の総フィラメント数が12000本以上である、[10]~[17]のいずれかに記載の製造方法。
本発明によれば、部分的にスプリットされた炭素繊維束がボビンに巻き取られてなる繊維パッケージであって、炭素繊維束の解舒性に問題のない繊維パッケージを提供できる。
図1は、繊維パッケージの構成を示す模式図である。 図2Aは、部分的にスプリットされた炭素繊維束を示す模式図であって、平面図である。 図2Bは、部分的にスプリットされた炭素繊維束を示す模式図であって、繊維方向に垂直な平面で切断したときの断面図である。 図3は、繊維パッケージの製造装置を示す概念図である。 図4は、サブ束同士の重なり合いが生じるようにボビンに巻かれた炭素繊維束の、繊維方向に垂直な平面で切断したときの断面図である。
1.炭素繊維パッケージとその製造方法
以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る炭素繊維パッケージについて説明する。本明細書では、炭素繊維パッケージを単に繊維パッケージとも呼び、また、炭素繊維束を単に繊維束とも呼ぶ。
図1は、本実施形態の繊維パッケージ10を、ボビン14の回転軸に垂直な方向から見た模式図である。図1に示すように、繊維パッケージ10は、幅Wを有する繊維束12がボビン14上にトラバース巻きされてなるスクエアエンド型の繊維パッケージである。
繊維パッケージ10は、限定するものではないが、図3に概念図を示す製造装置100を用いて製造され得る。
製造装置100は、繊維束12を変形させて扁平にする(または、拡幅してより扁平とする)ためのスプレッダー110と、繊維束12を部分的にスプリットするためのスプリッター120と、繊維束12をボビン14に巻き取るためのワインダー130とを備えている。
スプレッダー110は、スプレッダーバー112を備えている。スプレッダーバー112は加熱してもよいし、繊維束12の走行方向と垂直な方向に往復動させてもよく、そのための機構は公知技術を参照することができる。供給ボビン102から供給され、繊維方向に走行する繊維束12は、スプレッダーバー112に擦り付けられることで扁平化または拡幅され、0.05~0.2mm程度の厚さとされる。
供給ボビン102から供給される繊維束12が既に十分に扁平なとき、スプレッダー110は省略することができる。
例えば、幅が厚さの50倍以上であるとき、繊維束12は十分に扁平といってよい。
スプリッター120は、繊維束12にスリットを形成するための回転刃122と、繊維束12の走行速度を制御するための複数のゴデットロール124とを備える。
回転刃122の回転軸は、繊維束12の幅方向に平行である。一定長さのスリットが一定周期で繊維束12の繊維方向(長手方向)に沿って、間欠的に形成されるように、回転刃122の外周には、複数の刃物123が周方向に一定間隔を置いて設けられている。
スプリッター120によって繊維束12に形成されるスリットの長さは、回転刃122の周速度と繊維束12の走行速度を調節することによって制御できる。
4個の回転刃122を走行する繊維束の幅方向に並べたスプリッター120を用いた場合に得られる、部分的にスプリットされた幅Wの繊維束12を図2Aおよび図2Bに示す。便宜のために、繊維束の繊維方向をx方向、幅方向をy方向、厚さ方向をz方向とすると、図2Aは繊維束12をz方向から見た平面図であり、図2Bは繊維束12のx方向に垂直な断面を示している。
図2Aに示すように、繊維束12には、第一スリット列13A、第二スリット列13B、第三スリット列13Cおよび第四スリット列13Dという4つのスリット列が形成されている。
第一スリット列13Aは、x方向に並んだ複数の第一スリット13aからなる。
第二スリット列13Bは、x方向に並んだ複数の第二スリット13bからなる。
第三スリット列13Cは、x方向に並んだ複数の第三スリット13cからなる。
第四スリット列13Dは、x方向に並んだ複数の第四スリット13dからなる。
これら4つのスリット列は、異なる回転刃によって形成されることから、y方向の位置が異なっている。
スリット長Lとスリット間ギャップ長Lは、いずれのスリット列内でも一定であり、また、異なるスリット列間においても共通している。
スリット長Lとスリット間ギャップ長Lの和に対するスリット長Lの比L/(L+L)は通常90%以上、好ましくは95%以上であり、例えば99%であってもよい。従って、繊維束12は殆どの部分で、図2Bに示すように、5つのサブ束11にスプリットされている。
第一スリット列13A、第二スリット列13B、第三スリット列13Cおよび第四スリット列13Dのy方向の位置は、5つのサブ束11が概ね同じ幅Wを有するように設定されている。
スリット長Lは25mm以上であることが好ましく、50mm超であることがより好ましく、500mm超であることが更に好ましい。なぜなら、シートモールディングコンパウンドに使用するために繊維束12をチョップしてチョップド繊維束にするとき、そのチョップド繊維束の繊維長は通常25~50mm程度だからである。スリット長Lが長い程、サブ束11と同等以下の束サイズを有するチョップド繊維束が多く得られる。
スリット長Lは、例えば、25mm超50mm以下、50mm超100mm以下、100mm超200mm以下、200mm超500mm以下、500mm超1000mm以下、1000mm超1500mm以下、1500mm超2000mm以下、2000mm超3000mm以下などであり得る。
スリット間ギャップ長Lは、例えば5~10mmであるが、この範囲より短くてもよい。
図2Aに示すように、第一スリット列13Aと第二スリット列13Bとでは、スリット間ギャップGのx方向の位置がずれている。第二スリット列13Bと第三スリット列13Cの間、および、第三スリット列13Cと第四スリット列13Dの間でも同様である。
このように、隣り合うスリット列の間でスリット間ギャップGのx方向の位置をずらすことによって、繊維束12が全くスプリットされていない部分を無くすことができる。ただし、かかる構成は必須ではなく、隣り合うスリット列の間でスリット間ギャップGのx方向の位置が同じであってもよい。
繊維束12をスプリッター120でいくつのサブ束に部分的にスプリットするかは、スプリッター120に設ける回転刃の数によって、適宜決定することができるが、好ましくは3以上、より好ましくは5以上であり、10以上であってもよい。
繊維束12の部分的なスプリットにより形成するサブ束のフィラメント数は、好ましくは5000本以下、より好ましくは3000本以下であり、2000本以下であってもよい。
図3に示すように、ワインダー130は、トラバースガイド132と、ボビン14に巻き取られる繊維束12を押圧するプレスロール134とを備えている。
ワインダー130を用いて繊維束12をボビン14上にトラバース巻きすることにより、繊維パッケージ10が得られる。
繊維パッケージ10における繊維束12の幅Wは、サブ束11の幅Wの総和よりも小さい。これは、図4に示すように、サブ束11同士の重なり合いが生じるように、繊維束12がボビン14に巻かれていることを意味する。なお、図4に示すサブ束11同士の重なり合いの態様は一例であり、サブ束11同士は他の態様で重なり合ってもよい。
サブ束11同士の重なり合いがあると、繊維束12同士の間での噛み込みが生じ難くなるので、繊維パッケージ10の使用時における繊維束12の解舒性が良好となる。
サブ束11同士の重なり合いが生じるように繊維束12をボビン14に巻くには、繊維束12がスプリットされた後、トラバースガイド132を経てボビン14に巻き取られるまでに経由する1つ以上の溝付きロールの溝幅を調節することにより、ボビン14に巻き取られるときの繊維束12の幅Wをサブ束11の幅Wの総和よりも狭くしていけばよい。溝幅の狭い溝付きロールを通すことで、繊維束12の幅Wは狭くなる。
繊維パッケージ10において、繊維束12の幅Wは、サブ束11の幅Wの総和の90%以下であることが好ましく、86%以下であることがより好ましい。ボビンに巻かれるまでの間に受ける変形のせいで、サブ束11の幅Wは、繊維束12のスプリット直後と同じではないことがあり得る。
繊維パッケージ10において、繊維束12の幅Wは、限定するものではないが、例えば2~15mmであり、3~12mmであってもよい。
繊維束12をボビン14にトラバース巻きするとき、巻き始めの綾角は好ましくは5~30°、巻き終わりの綾角は好ましくは2~17°である。
トラバース巻きにおいて、ワインド比R、トラバース長L、巻き直径Dおよび綾角θの間には、下記式で表される関係がある。
=2L/(πDtanθ)
図1に示すように、トラバース長Lは、ボビンの軸方向に往復動するトラバースガイドのストロークである。ワインド比Rは、トラバースガイドが1往復する間にボビンが何回転するかを表す。1トラバースサイクルあたりの巻き数と言い換えてもよい。巻き直径Dは、巻き始めにおいては、ボビンの直径Dである。
繊維パッケージ10の製造において、繊維束12はワインド比一定でボビン14に巻かれる。
一般に、ワインド比一定で糸をボビンに巻くとき、ワインド比が整数であると、全てのトラバースサイクルで糸がボビンの同じ位置に巻かれる、いわゆるリボン巻きとなり、解舒性が悪くなることが知られている。
ワインド比の小数点以下の端数が1/n(nは2以上の整数)の倍数である場合も、トラバースのnサイクル毎に糸がボビンの同じ位置に巻かれるので、特にnが小さいときには、ワインド比が整数の場合と同じく解舒性に問題が生じる。
そこで、好ましくは、5サイクル以上離れていないトラバースサイクルでボビン14に巻かれる繊維束12の間では中央線の位置が必ずずれるように、ワインド比の小数点以下の端数が設定される。ここで、中央線とは、繊維束の中央線のことであり、繊維束の長手方向に延び、厚さ方向から見たときに繊維束を二等分するラインのことをいう(以下においても同じとする)。
実際には、異なるトラバースサイクルで巻かれる繊維束12の間で中央線の位置をこのようにずらしたとしても、そのズレ幅が繊維束12の幅Wに比べて過小であるときは、解舒性が悪化し得る。
そこで、更に好ましくは、5サイクル以上離れていないトラバースサイクルでボビン14に巻かれる繊維束12の間では、最小でも繊維束12の幅Wの0.8倍以上、好ましくは1.0倍以上、より好ましくは1.3倍以上のズレ幅で、中央線の位置がずれるようにする。ここでいうズレ幅は、繊維束12の中央線と直交する方向をズレ方向としたときのズレ幅をいう。
トラバースサイクルについて補足説明すると、巻き始めからN回目のトラバースサイクルを第Nトラバースサイクルとしたとき、第Nトラバースサイクルから5サイクル離れたトラバースサイクルは、第(N-5)トラバースサイクルと第(N+5)トラバースサイクルである。
繊維束12の総フィラメント数は、限定するものではないが、例えば6000本以上であり、12000~15000本、15000~24000本、24000~40000本、40000~60000本等であり得る。
ボビン14は、特に限定されず、例えば、紙管である。
ボビン14の直径Dは、適宜設定でき、例えば、50~150mmとすることができる。
繊維パッケージ10は、ボビン14を抜き取って使用することもできる。
2.実験結果
本発明者等が行った実験の結果を以下に記す。
[実験1]
総フィラメント数15000本、初期幅8mm、厚さ0.1mmの扁平な炭素繊維束を準備し、これを部分的にスプリットしたうえで、直径82mm、長さ280mmの紙製ボビンにトラバース長254mmで巻き取ることにより、スクエアエンド型の繊維パッケージを作製した。スプレッダーによる拡幅は行わなかった。
炭素繊維束の部分的なスプリットには、4個の回転刃を持つスプリッターを使用した。スリット長1000mm、スリット間ギャップ長5mmであるスリット列を4列形成することにより、炭素繊維束は一部で互いにつながった1.6mm幅のサブ束5本にスプリットされた。スリット間ギャップの繊維方向の位置は、全スリット列とも同じとした。
巻き取りにおいては、巻き始めの綾角を9.9°、巻き終わりの綾角を5°、ワインド比を11.30、巻き取り量を5.0kgとした。この条件では、5サイクル以上離れていないトラバースサイクルで巻かれる炭素繊維束間での、中央線の位置のズレ幅は10mm以上であった。
スプリット処理後に炭素繊維束が経由する溝付きロールの溝幅を調節することにより、ボビンに巻き取られる炭素繊維束の幅を、サブ束の幅の総和の75%である6mmとした。よって、上記ズレ幅は最小で炭素繊維束の幅の1.7倍であった。
[実験2]
以下のように変更したこと以外は、実験1と同様にして繊維パッケージを作製した。
・最初に準備する炭素繊維束が、総フィラメント数50000本、初期幅14mm、厚さ0.2mmであった。
・炭素繊維束の部分的なスプリットには、16個の回転刃を持つスプリッターを使用した。スリット長700mm、スリット間ギャップ長5mmであるスリット列を16列設けることで、炭素繊維束は一部で互いにつながった0.8mm幅のサブ束17本にスプリットされた。
・巻き終わりの綾角を3°にするとともに、巻き取り量を9.5kgとした。このとき、5サイクル以上離れていないトラバースサイクルで巻かれる炭素繊維束間での、中央線の位置のズレ幅は、実験1と同じく10mm以上であった。
・ボビンに巻き取られる炭素繊維束の幅を、サブ束の幅の総和の86%である12mmとした。よって、上記ズレ幅は最小で炭素繊維束の幅の0.8倍であった。
[実験3]
以下のように変更したこと以外は、実験1と同様にして繊維パッケージを作製した。
・巻き始めの綾角を14°、巻き終わりの綾角を10°、ワインド比を7.91とした。この条件では、5サイクル以上離れていないトラバースサイクルで巻かれる炭素繊維束間での、中央線の位置のズレ幅は4mm以上であった。
・ボビンに巻き取られる炭素繊維束の幅を、サブ束の幅の総和の38%である3mmとした。よって、上記ズレ幅は最小で炭素繊維束の幅の1.3倍であった。
[実験4]
以下のように変更したこと以外は、実験3と同様にして繊維パッケージを作製した。
・ボビンに巻き取られる炭素繊維束の幅を、サブ束の幅の総和の75%である6mmとした。よって、5サイクル以上離れていないトラバースサイクルで巻かれる炭素繊維束間での、中央線の位置のズレ幅は、最小で炭素繊維束の幅の0.7倍であった。
[実験5]
以下のように変更したこと以外は、実験1と同様にして繊維パッケージを作製した。
・ボビンに巻き取られる炭素繊維束の幅を、サブ束の幅の総和と同じ8mmとした。よって、5サイクル以上離れていないトラバースサイクルで巻かれる炭素繊維束間での、中央線の位置のズレ幅は、最小で炭素繊維束の幅の1.3倍であった。
[実験6]
以下のように変更したこと以外は、実験2と同様にして繊維パッケージを作製した。
・巻き始めの綾角を14°、巻き終わりの綾角を10°、ワインド比を7.91、巻き取り量を9.5kgとした。この条件では、5サイクル以上離れていないトラバースサイクルで巻かれる炭素繊維束間での、中央線の位置のズレ幅は4mm以上であった。
・ボビンに巻き取られる炭素繊維束の幅を、サブ束の幅の総和の86%である12mmとした。よって、5サイクル以上離れていないトラバースサイクルで巻かれる炭素繊維束間での、中央線の位置のズレ幅は、最小で炭素繊維束の幅の0.3倍であった。
上記の各実験で作製した繊維パッケージからボビンを引き抜き、内側から炭素繊維束を引き出したときの解舒性を、以下の基準で評価した。
〇:炭素繊維束が絡まったり、切れたりしなかった。
×:炭素繊維束が絡まったり、切れたりする不具合が生じた。
上記の各実験で用いた条件と繊維パッケージの評価結果を表1に示す。
Figure 0007238908000001
実験5で作製した繊維パッケージにおいて、炭素繊維束の解舒性が良好でなかった理由は、サブ束同士が重なり合っていない状態で炭素繊維束がボビンに巻かれたためと考えられる。
実験4および6で作製した繊維パッケージにおいて、炭素繊維束の解舒性が良好でなかった理由は、5サイクル以上離れていないトラバースサイクルで巻かれる炭素繊維束間での、中央線の位置のズレ幅が、一部で、炭素繊維束の幅に比べ過小だったためと考えられる。
10 繊維パッケージ
11 サブ束
12 繊維束
13A 第一スリット列
13a 第一スリット
13B 第二スリット列
13b 第二スリット
13C 第三スリット列
13c 第三スリット
13D 第四スリット列
13d 第四スリット
14 ボビン

Claims (16)

  1. 炭素繊維束がボビンにトラバース巻きされてなるスクエアエンド型の繊維パッケージであって、炭素繊維束は部分的にサブ束にスプリットされており、サブ束同士の重なり合いが生じるようにボビンに巻かれており、5サイクル以上離れていないトラバースサイクルでボビンに巻かれた炭素繊維束の間では、最小でも炭素繊維束の幅の0.8倍以上のズレ幅で中央線の位置がずれていることを特徴とする繊維パッケージ。
  2. 素繊維束の幅がサブ束の幅の総和よりも小さい、請求項1に記載の繊維パッケージ。
  3. 炭素繊維束の幅が、サブ束の幅の総和の90%以下である、請求項1または2に記載の繊維パッケージ。
  4. 5サイクル以上離れていないトラバースサイクルでボビンに巻かれた炭素繊維束の間では、最小でも炭素繊維束の幅の1.0倍以上のズレ幅で中央線の位置がずれている、請求項1~3のいずれか一項に記載の繊維パッケージ。
  5. 5サイクル以上離れていないトラバースサイクルでボビンに巻かれた炭素繊維束の間では、最小でも炭素繊維束の幅の1.3倍以上のズレ幅で中央線の位置がずれている、請求項に記載の繊維パッケージ。
  6. 炭素繊維束が部分的に3以上のサブ束にスプリットされている、請求項1~のいずれか一項に記載の繊維パッケージ。
  7. 前記サブ束のフィラメント数が5000本以下である、請求項1~のいずれか一項に記載の繊維パッケージ。
  8. 前記炭素繊維束の総フィラメント数が12000本以上である、請求項1~のいずれか一項に記載の繊維パッケージ。
  9. 炭素繊維束がボビンにトラバース巻きされてなるスクエアエンド型の繊維パッケージの製造方法であって、炭素繊維束を部分的にサブ束にスプリットするスプリット工程と、部分的にサブ束にスプリットされた炭素繊維束をボビンに巻き取るワインド工程とを含み、ワインド工程ではサブ束同士の重なり合いが生じるように炭素繊維束をボビンに巻き取り、5サイクル以上離れていないトラバースサイクルでボビンに巻かれる炭素繊維束の間では、最小でも炭素繊維束の幅の0.8倍以上のズレ幅で中央線の位置がずれるようにすることを特徴とする製造方法。
  10. インド工程では炭素繊維束の幅がサブ束の幅の総和より小さくなるように炭素繊維束をボビンに巻き取る、請求項9に記載の製造方法。
  11. ワインド工程では、炭素繊維束の幅が、サブ束の幅の総和の90%以下となるように炭素繊維束をボビンに巻き取る、請求項または10に記載の製造方法。
  12. ワインド工程において、5サイクル以上離れていないトラバースサイクルでボビンに巻かれる炭素繊維束の間では、最小でも炭素繊維束の幅の1.0倍以上のズレ幅で中央線の位置がずれるようにする、請求項9~11のいずれか一項に記載の製造方法。
  13. ワインド工程において、5サイクル以上離れていないトラバースサイクルでボビンに巻かれる炭素繊維束の間では、最小でも炭素繊維束の幅の1.3倍以上のズレ幅で中央線の位置がずれるようにする、請求項12に記載の製造方法。
  14. スプリット工程において、炭素繊維束を部分的に3以上のサブ束にスプリットする、請求項13のいずれか一項に記載の製造方法。
  15. 前記サブ束のフィラメント数が5000本以下である、請求項14のいずれか一項に記載の製造方法。
  16. 前記炭素繊維束の総フィラメント数が12000本以上である、請求項15のいずれか一項に記載の製造方法。
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