JP7379093B2

JP7379093B2 - 開繊機構

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Publication number: JP7379093B2
Application number: JP2019198818A
Authority: JP
Inventors: 利宏粟野
Original assignee: Mitsui Chemicals Inc
Current assignee: Mitsui Chemicals Inc
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2023-11-14
Anticipated expiration: 2039-10-31
Also published as: JP2021070888A

Description

本発明は、たとえば、長繊維強化樹脂を製造する装置において、繊維束を開繊する際に用いられる開繊機構に関する。

繊維で強化された樹脂として、長繊維強化熱可塑性樹脂が知られている。この長繊維強化熱可塑性樹脂は、繊維と熱可塑性樹脂から成る複合材料であり、熱可塑性樹脂の特性と繊維の強度や耐熱性が複合化され、さまざまな構造部材、耐熱部材に使用されている。

従来より、かかる長繊維強化熱可塑性樹脂を製造する際には、繊維束を溶融された熱可塑性樹脂に含浸させて連続繊維強化ストランドを作成することが行われている。ここで、連続繊維強化ストランドに熱可塑性樹脂を十分に含浸させるために、繊維束は開繊バーによって予め開繊されてから熱可塑性樹脂に含浸される。

この開繊工程においては、繊維束の含浸性を高めるために開繊バーで繊維束に張力を加えて開繊を行うのが一般的である。かかる方法としては、たとえば、図６に示すように、開繊バー１０１を上下にずらして配置し、繊維束１０２を蛇行させることにより張力を加える方法などが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８－２４６７８２号公報特開平５－２４７７１６号公報

ところで、かかる開繊工程においては、繊維束１０２に負担が掛かるため、繊維破断が生じるおそれがある。繊維破断が生じた場合、切断された繊維が毛羽１０３になり、含浸ダイに毛羽１０３が侵入し、含浸ダイの排出口で毛羽詰まりが惹起され、連続繊維強化ストランドの破断に繋がる可能性がある。

また、繊維束１０２に塗布されている材質が開繊バー１０１の表面に付着し、繊維束１０２と開繊バー１０１との間の摩擦力が増大し、毛羽１０３の発生が促進されるおそれもある。

このため、このような問題を抑制する手段としては、開繊バーの上部に吸引部を備えた製造装置（例えば、特許文献１参照）、毛羽を吹き飛ばすためのノズルを形成した開繊機構（例えば、特許文献２参照）、および開繊バーの表面を掃除するための装置を設置した開繊機構などが存在する。

しかしながら、長繊維強化樹脂を製造する装置の運転を長時間続けると、運転中に毛羽や表面の汚れが少しずつ開繊バーの表面に蓄積されるため、これらの汚れを全て取り除くことは困難なものになる。すなわち、時間の経過とともに開繊バーが清浄ではなくなっていき、毛羽の発生が起こりやすくなるという問題があった。

本発明の目的は、汚れ難く確実に毛羽を除去することができる開繊機構を提供することである。

本発明の開繊機構は、
繊維束を開繊する開繊機構であって、
前記繊維束の開繊作用を行なうための複数本の開繊バーを備え、
各々の前記開繊バーは、
前記開繊バーを回動可能に保持する回動軸と、
第１開繊ロールと、
前記回動軸を挟んで前記第１開繊ロールと点対称に配置された第２開繊ロールと、
前記第１開繊ロールと前記第２開繊ロールのうち、待機中の開繊ロールの表面を清掃する清掃部と
を備え、
前記第１開繊ロールと前記第２開繊ロールとを交代させて前記繊維束の開繊を行うことを特徴とする。

これにより、それぞれの開繊バーが回動軸を挟んで点対称に配置された一対の開繊ロールを備えるため、開繊を行う開繊ロールを交代させ、待機中の開繊ロールの清掃を行うことができる。このため、繊維束との接触を気にすることなく容易に開繊ロールの汚れを取り除くことができ、汚れ難く確実に毛羽を除去することができる。

また、本発明の開繊機構は、
複数本の前記開繊バーは、該開繊機構において上下に配置され、
前記繊維束は、開繊される際に上下の前記開繊バーの間を蛇行しながら進行することを特徴とする。
すなわち、本発明は、複数本の開繊バーが繊維束の進行方向に沿って上下にジグザグに配置されたタイプの開繊機構において好適に適用される。

また、本発明の開繊機構は、
前記第１開繊ロールおよび前記第２開繊ロールのうち、開繊中の開繊ロールに所定量の汚れが蓄積されたか否かの判定を行う判定部と、
前記判定部により所定量の汚れが蓄積されていると判定された場合に、前記回動軸を回動させて前記第１開繊ロールと前記第２開繊ロールとを交代させる回動部と
を備え、
前記清掃部は、所定量の汚れが蓄積されている待機中の前記開繊ロールの表面を清掃することを特徴とする。

このように、所定量の汚れが蓄積されたか否かの判定を行う判定部を備えれば、目視で判定する場合のように汚れの蓄積を見逃すリスクも少なく、汚れの蓄積の有無を的確に判定することができる。

また、本発明の開繊機構は、
開繊中の前記開繊ロールを撮像するカメラを備え、
前記判定部は、前記カメラによって撮像された映像に基づいて前記開繊ロールに所定量の汚れが蓄積されたか否かの判定を行うことを特徴とする。
このように、カメラを用いることにより、開繊ロールに所定量の汚れが蓄積されたか否かを効率的に判定することができる。

また、本発明の開繊機構は、
前記清掃部として、待機中の前記開繊ロールに蓄積された所定量の汚れを吸引するノズルを備えたことを特徴とする。
すなわち、開繊ロールの近傍にノズルを配置することにより、人手を介してその都度汚れを吸引するよりも効率的に汚れを清掃することができる。

また、本発明の開繊機構は、
待機中の前記開繊ロールを回動させるロール回動部と、
前記清掃部として、前記開繊ロールの表面に近接するブレードと
を備え、
前記ブレードにより、前記ロール回動部によって回動する前記開繊ロールの所定量の汚れを掻き落すことを特徴とする。
これにより、開繊ロールにこびりついた汚れも的確に除去することができる。

また、本発明の開繊機構は、
所定量の汚れが蓄積された待機中の前記開繊ロールの表面に薬液を滴下塗布する薬液滴下塗布部をさらに備えることを特徴とする。
これにより、開繊ロールの表面に付着した汚れが溶解され、ブレードによる汚れの除去を効率よく行うことができる。

本発明によれば、汚れ難く確実に毛羽を除去できる開繊機構を提供することができる。

実施の形態に係る開繊機構を用いた長繊維強化熱可塑性樹脂製造装置の概略図である。実施の形態に係る開繊機構において上下に配置された一対の開繊バーを示す図である。実施の形態に係る開繊機構が備える制御装置の構成を示すブロック図である。実施の形態に係る開繊機構において第１開繊ロールと第２開繊ロールを入れ替える状況を説明する図である。他の実施の形態に係る開繊機構において上下に配置された一対の開繊バーを示す図である。従来の開繊機構において上下に配置された開繊バーを示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１は、実施の形態に係る開繊機構を備えた長繊維強化熱可塑性樹脂製造装置の概略図である。図１に示すように、長繊維強化熱可塑性樹脂製造装置２は、繰出機４、開繊機構５、押出機８、含浸ダイ１０、賦形ダイ１２、水槽１４、フォーミングロール１６、引取機１８、カッター部２０を備えている。

ここで、繰出機４には、繊維束３２が巻回された複数の炭素繊維ロービング４ａが収納されている。また、繰出機４は、炭素繊維ロービング４ａから繊維束３２を繰り出すための繰出ロール４ｂを備えている。なお、繊維束３２には、たとえば、ガラス繊維、炭素繊維などが用いられる。

開繊機構５は、繊維束３２を開繊するための機構であり、繰出ロール４ｂから繰り出された繊維束３２を開繊する開繊工程において開繊作用を実行する複数本の開繊バー６が繊維束３２の進行方向に沿って上下にジグザグに配置されている。また、開繊機構５には、開繊バー６の回動や吸引等の制御を行う制御装置５８が備えられている。なお、開繊バー６の構造、作用や制御装置５８の構造等については、後に詳しく説明する。

押出機８は、溶融した熱可塑性樹脂を含浸ダイ１０に供給する装置であり、含浸ダイ１０は、開繊された繊維束３２に溶融した熱可塑性樹脂を含浸する含浸工程を実行する装置である。かかる含浸工程において連続繊維強化ストランド３４が作成される。なお、熱可塑性樹脂には、たとえば、ポリプロピレン、ポリアミドなどが用いられる。

賦形ダイ１２は、連続繊維強化ストランド３４の径を絞るための装置であり、含浸ダイ１０の連続繊維強化ストランド３４が排出される側に取り付けられている。ここで、賦形ダイ１２は、含浸ダイ１０から離れた位置に配置すると熱可塑性樹脂が冷却されて固化し連続繊維強化ストランド３４の賦形がしづらくなるため、少なくとも含浸ダイ１０のごく近傍に配置される必要がある。

水槽１４は、賦形ダイ１２で径が絞られた連続繊維強化ストランド３４を水などの液体に浸し、冷却を行うための装置である。
フォーミングロール１６は、水槽１４で冷却された連続繊維強化ストランド３４の外径形状を成形するためのロールバーである。

引取機１８は、連続繊維強化ストランド３４を引き取る引取工程を実行するためのロールである。
カッター部２０は、引取機１８で引き取った連続繊維強化ストランド３４を所定の長さにカッティングするための装置である。このカッター部２０で連続繊維強化ストランド３４をカットすることにより、長繊維強化熱可塑性樹脂３８が製造される。

次に、本発明において長繊維強化熱可塑性樹脂製造装置２の要部を構成する開繊機構５について説明する。図２は実施の形態に係る開繊機構５において上下に配置された一対の開繊バー６を示す図である。図２に示すように、各々の開繊バー６は、開繊ロール４２、回動軸４６、および連結部材４８を備えており、それぞれの開繊ロール４２には、一対の第１開繊ロール４２ａと第２開繊ロール４２ｂが含まれている。

ここで、第１開繊ロール４２ａと第２開繊ロール４２ｂは、それぞれ開繊時に繊維束３２と摺接し回転するロールバーであり、それぞれ回動軸４６を挟んで点対称に配置されている。また、回動軸４６は開繊バー６を回動可能に保持している。連結部材４８は、長手方向中央に回動軸４６を備え、両端部の第１開繊ロール４２ａと第２開繊ロール４２ｂを連結している。
そして、回動軸４６を回動させることにより第１開繊ロール４２ａと第２開繊ロール４２ｂは、それぞれ交代して繊維束３２の開繊を行うことが可能である。

また、それぞれの第２開繊ロール４２ｂの近傍には、第２開繊ロール４２ｂ（待機中の開繊ロール４２）の表面に付着しているほこりや毛羽などの汚れを吸引するノズル５２が配置されている。ここで、ノズル５２は、第２開繊ロール４２ｂ（待機中の開繊ロール４２）と平行に配置された中空棒状の部品であり、清掃部として機能する。このノズル５２の第２開繊ロール４２ｂの位置する側には、長手方向に延びる溝５２ａが形成されている。

図３は、実施の形態に係る開繊機構５の制御装置５８の構成を示すブロック図である。図３に示すように、制御装置５８は、各部を統括的に制御する制御部６０を備えている。制御部６０には、回動軸４６を回動させる回動部６２、待機中の開繊ロール４２の汚れを監視するカメラ６４、ノズル５２に吸引力を発生させる吸引部６６、待機中の開繊ロール４２を回転させるロール回動部６７、汚れを溶解するための薬液を注入する薬液注入部６８が接続されている。なお、カメラ６４は、たとえば、開繊機構５の上方など、開繊機構５の近傍に取り付けられ、開繊機構５に含まれる開繊ロール４２を監視する。

次に、実施の形態に係る開繊機構５の作用について説明する。まず、開繊工程において、繊維束３２が開繊機構５に差し掛かると、繊維束３２は各開繊バー６間を蛇行しながら進行し、開繊されて徐々に幅を広げながら含浸ダイ１０に向かって進行する。ここで、制御部６０は、カメラ６４による開繊ロール４２の撮像を開始し、撮像された映像を用いて所定量の汚れが蓄積された開繊中の開繊ロール４２（ここでは第１開繊ロール４２ａ）があるか否かを判定する。そして、所定量の汚れが蓄積された開繊中の開繊ロール４２がある場合、回動軸４６を回動させ、該当する開繊中の開繊ロール４２を待機中の開繊ロール４２（ここでは第２開繊ロール４２ｂ）と交代させて清掃を行う。すなわち、第１開繊ロール４２ａと第２開繊ロール４２ｂを入れ替えて、第１開繊ロール４２ａの清掃を行う。

具体的には、図４（ａ）のように、第１開繊ロール４２ａに繊維束３２を摺接させて開繊を実行していたとする。ここで、制御部６０は、撮像された映像から第１開繊ロール４２ａに所定量の汚れが蓄積さていることを判定した場合、回動軸４６を回動させる。なお、撮像された映像から所定量の汚れが蓄積されたか否かについては、たとえば、所定の画像解析等の既存技術を用いて判定する。

制御部６０は、まず、図４（ｂ）のように、第１開繊ロール４２ａと第２開繊ロール４２ｂの双方を繊維束３２に接触させた状態を経て、図４（ｃ）のように、さらに９０°回動軸４６を回動させて第２開繊ロール４２ｂのみを繊維束３２に接触させた状態を経過させる。そして、図４（ｄ）のように、さらに回動軸４６を回動させ、図４（ａ）における第１開繊ロール４２ａと第２開繊ロール４２ｂを完全に交代させた状態に移行させる。

次に、制御部６０は、吸引部６６を駆動し、ノズル５２を介して第１開繊ロール４２ａの表面に付着した汚れを吸引する。このように、汚れが蓄積した開繊中の第１開繊ロール４２ａを汚れが蓄積していない待機中の第２開繊ロール４２ｂと交代させ、汚れが蓄積した第１開繊ロール４２ａが繊維束３２に接触していない状態を作り出すことにより、第１開繊ロール４２ａを汚れの清掃のみに専念させることが可能となる。

ここで、第１開繊ロール４２ａと第２開繊ロール４２ｂを完全に交代させた後さらに時間が経過し、制御部６０が、カメラ６４で撮像された映像により、第２開繊ロール４２ｂに所定量の汚れが蓄積さていることを判定したとする。この場合、制御部６０は、第２開繊ロール４２ｂを第１開繊ロール４２ａと交代させて再び第１開繊ロール４２ａによる繊維束３２の開繊を実施すると共に（図４（ａ）参照）、ノズル５２を介して吸引部６６による第２開繊ロール４２ｂの清掃を実施する。以後、開繊ロール４２の交代と清掃を繰り返す。

この実施の形態に係る開繊機構５によれば、それぞれの開繊バー６が回動軸４６を挟んで点対称に配置された一対の開繊ロール４２を備えるため、開繊を行う開繊ロール４２を交代させ、待機中の開繊ロール４２の清掃を行うことにより、繊維束３２との接触を気にすることなく容易に開繊ロール４２の汚れを取り除くことができる。これにより、汚れ難く確実に毛羽を除去できる開繊機構を提供することができる。

また、待機中の開繊ロール４２を清掃するため、清掃中に取り除いたほこりや毛羽などの汚れが誤って繊維束３２に付着する事態を抑制することができる。
なお、上述の実施の形態においては、カメラ６４で汚れを監視し、ノズル５２で汚れを吸引して開繊ロール４２の清掃を行っているが、他の手段を用いて清掃を行ってもよい。たとえば、図５に示すように、待機中の開繊ロール４２（第２開繊ロール４２ｂ）の表面の近傍に、表面に付着している汚れを掻き落すブレード５４を清掃部として配置してもよい。ここで、ブレード５４は、待機中の開繊ロール４２と平行に配置された平棒状の部品であり、尖った先端を待機中の開繊ロール４２の表面に近接させている。

ここで、制御部６０は、第１開繊ロール４２ａに所定量の汚れが蓄積すると、第１開繊ロール４２ａと第２開繊ロール４２ｂを入れ替える。そして、ロール回動部６７により、汚れが蓄積している待機中の第１開繊ロール４２ａを回動させることにより、ブレード５４で第１開繊ロール４２ａ（図４（ｄ）参照）の表面に付着している汚れを掻き落してもよい。これにより、開繊ロール４２にこびりついた汚れも的確に除去することができる。

ここで、図５に示すように、さらに待機中の開繊ロール４２（第２開繊ロール４２ｂ）の表面の近傍に、待機中の開繊ロール４２の表面に滴下塗布する薬液滴下塗布部５６を配置してもよい。薬液滴下塗布部５６は、待機中の開繊ロール４２の直上に配置された中空棒状の部品であり、待機中の開繊ロール４２に薬液を滴下する図示しない孔が長手方向に複数形成されている。

この場合、制御部６０は、ブレード５４で第１開繊ロール４２ａ（図４（ｄ）参照）の汚れが掻き落された後に薬液注入部６８から薬液を抽出し、薬液滴下塗布部５６から第１開繊ロール４２ａの表面に薬液を滴下塗布する。これにより、第１開繊ロール４２ａの表面に付着した汚れが溶解され、ブレード５４による汚れの除去を効率よく行うことができる。また、待機中の開繊ロール４２に薬液を滴下塗布するため、繊維束３２に薬液の一部が付着する危険性を低減することができる。なお、薬液には、たとえば有機溶剤、もしくは界面活性剤などが用いられる。また、余分な溶液は、ブレード５４で掻き落して図示しない回収部により回収する。

また、上述の実施の形態において、カメラ６４による監視に代えて他の検知手段を経由して汚れを判定してもよい。たとえば、長繊維強化熱可塑性樹脂製造装置２の運転開始から所定時間が経過した場合、制御部６０は、第１開繊ロール４２ａの表面に所定量の汚れが蓄積したと判定し、第１開繊ロール４２ａと第２開繊ロール４２ｂを交代させてもよい。

また、上述の実施の形態において、どうしても開繊ロール４２の汚れが除去し切れないが、長繊維強化熱可塑性樹脂の生産を継続したい場合は、待機中の開繊ロール４２を新しい開繊ロール４２と交換してもよい。
また、上述の実施の形態において、ノズル５２には、溝５２ａに代えて長手方向に複数の孔を形成し、この孔から汚れを吸引してもよい。

また、上述の実施の形態においては、開繊ロール４２の交代、清掃を制御装置５８を用いて自動制御にて行っているが、もちろん手作業でこれらの作業を行っても構わない。たとえば、回動部６２によらずに手作業で回動軸４６を街道させて開繊ロール４２を交代させてもよく、カメラ６４によらず、目視で所定量の汚れを検査してもよい。また、手作業で開繊ロール４２の汚れを清掃してもよい。具体的には、ロール回動部６７によらずに手作業で開繊ロール４２を回動させ、手持ちのブレードを開繊ロール４２に当てて開繊ロール４２の表面に付着している汚れを掻き落してもよい。この際、溶液が満たされたバスを開繊ロール４２の表面に接触させ、溶液を塗布してもよい。

また、上述の実施の形態において、開繊中の開繊ロール４２は複数存在するが（図１参照）、所定量の汚れの判定は、それぞれの開繊中の開繊ロール４２につき個別に行うことができる。すなわち、必ずしもすべての開繊中の開繊ロール４２を同時に回動させて同時に待機中の開繊ロール４２と交代させる必要はない。

２長繊維強化熱可塑性樹脂製造装置
４繰出機
４ａ炭素繊維ロービング
４ｂ繰出ロール
５開繊機構
６開繊バー
８押出機
１０含浸ダイ
１２賦形ダイ
１４水槽
１６フォーミングロール
１８引取機
２０カッター部
３２繊維束
３４連続繊維強化ストランド
３８長繊維強化熱可塑性樹脂
４２開繊ロール
４２ａ第１開繊ロール
４２ｂ第２開繊ロール
４６回動軸
４８連結部材
５２ノズル
５２ａ溝
５４ブレード
５６薬液滴下塗布部
５８制御装置
６０制御部
６２回動部
６４カメラ
６６吸引部
６７ロール回動部
６８薬液注入部
１０１開繊バー
１０２繊維束
１０３毛羽

Claims

繊維束を開繊する開繊機構であって、
前記繊維束の開繊作用を行なうための複数本の開繊バーを備え、
各々の前記開繊バーは、
前記開繊バーを回動可能に保持する回動軸と、
第１開繊ロールと、
前記回動軸を挟んで前記第１開繊ロールと点対称に配置された第２開繊ロールと、
前記第１開繊ロールと前記第２開繊ロールのうち、待機中の開繊ロールの表面を清掃する清掃部と
を備え、
前記第１開繊ロールと前記第２開繊ロールとを交代させて前記繊維束の開繊を行うことを特徴とする開繊機構。
複数本の前記開繊バーは、該開繊機構において上下に配置され、
前記繊維束は、開繊される際に上下の前記開繊バーの間を蛇行しながら進行することを特徴とする請求項１記載の開繊機構。
前記第１開繊ロールおよび前記第２開繊ロールのうち、開繊中の開繊ロールに所定量の汚れが蓄積されたか否かの判定を行う判定部と、
前記判定部により所定量の汚れが蓄積されていると判定された場合に、前記回動軸を回動させて前記第１開繊ロールと前記第２開繊ロールとを交代させる回動部と
を備え、
前記清掃部は、所定量の汚れが蓄積されている待機中の前記開繊ロールの表面を清掃することを特徴とする請求項１または２記載の開繊機構。
開繊中の前記開繊ロールを撮像するカメラを備え、
前記判定部は、前記カメラによって撮像された映像に基づいて前記開繊ロールに所定量の汚れが蓄積されたか否かの判定を行うことを特徴とする請求項３記載の開繊機構。
前記清掃部として、待機中の前記開繊ロールに蓄積された所定量の汚れを吸引するノズルを備えたことを特徴とする請求項４記載の開繊機構。
待機中の前記開繊ロールを回動させるロール回動部と、
前記清掃部として、前記開繊ロールの表面に近接するブレードとを備え、
前記ブレードにより、前記ロール回動部によって回動する前記開繊ロールの所定量の汚れを掻き落すことを特徴とする請求項４記載の開繊機構。
所定量の汚れが蓄積された待機中の前記開繊ロールの表面に薬液を滴下塗布する薬液滴下塗布部をさらに備えることを特徴とする請求項６記載の開繊機構。