JPH01104873A - 溶媒和した縮合樹脂を用いるフィラメントワインディング法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、フィラメントワインディングした複合物品に
係り、さらに詳細には、航空機のガスタービンエンジン
用複合部品に係る。

最近では、フィラメントワインディング法を利用して、
高性能樹脂を含浸したカーボンファイバー（炭素繊維）
やガラスファイバーのトウ（短線）から航空機用ガスタ
ービンエンジン部品（たとえば、ダクト、ケーシング、
チューブ、カウリングなど）を作製すると望ましいこと
が判明している。

現在のところ、たいていのフィラメントワインディング
は、室温で樹脂とファイバーを合わせた直後、樹脂が含
浸したトウを成形マンドレル上に巻取ることで行なわれ
る（ウェットワインディング法）。典型的な樹脂として
は、アミンや無水物の硬化剤と混合したエポキシ、また
は過酸化物触媒および反応性の希釈剤としてのスチレン
と混合したポリエステルがある。これらの樹脂−ファイ
バーすなわち複合系は、加工が比較的に容易であり、構
成成分の性質が複合材の性質として良好に移行されてお
り、また多くの用途に対して費用面で効果的である。し
かし、高温用途ではこれらの系は、ガラス転移温度Ｔｇ
が高い高性能樹脂を用いる系と比較して厳しい制限を受
ける。そのような樹脂系のひとつはＴＧＭＤＡ／ＤＤＳ
といわれるが、これは四官能性のエポキシ（テトラグリ
シジルエーテルメチレンジアニリン）と高温硬化剤（ジ
アミノジフェニルスルホン）の系である。この樹脂はチ
バ争ガイギ−（Ｃ１ｂａ−Ｇｅｌｇｙ）がアラルダイト
（Ａｒａｌｄｉｔｅ）　ＭＹ　７２０という商品名で商
業生産している。

高性能樹脂は、通常、ファイバートウを濡らしてこれに
浸透することがないくらいに高い室温粘度を有している
。そのため、これらの樹脂の粘度を低下するためにはこ
れらを加熱する必要があるが、そうするとこれらの樹脂
は速く反応し過ぎて実用的なポットライフが得られない
。ＴＧＭＤＡ／ＤＤＳ系は、その粘度を使用可能な値ま
で下げるにはおよそ１００℃に加熱しなければならない
。

しかし、このような温度では硬化反応が起こり始めるた
めに粘度が急激に上昇する。加えて、その反応熱は、加
熱されている樹脂の質量と考え合わせると、毒性の煙を
大量に発生し得る爆発的な反応を開始させるのに充分で
ある。

ＴＧＭＤＡ系でないエポキシ樹脂は、１９８３年４月の
第２８口金国ＳＡＭＰＥシンポジウム（２８ｔｈ　Ｎａ
ｔｌｏｎａｌ　ＳＡＭＰＥ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕａ）にお
けるリーマン（Ｓ、　Ｌｅｈｍａｎ）による「最近のフ
ィラメントワインディング用樹脂の開発（Ｒｅｃｅｎｔ
　Ｒｅ５ｉｎ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ　ｆ’ｏｒ　
Ｆｉｌａｍｅｎｔ　Ｗｉｎｄｌｎｇ）　Ｊ第３４７〜３
５８頁に開示されている。リーマン（Ｌｅｈｍａｎ）は
、デクスター社（Ｄｅｘｔｅｒ　Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏ
ｎ）のハイソール部門Ｃ１１ｙｓｏｌ　Ｄｊｖｉｓｌｏ
ｎ）が製造している一成分樹脂であるＥＡ９１０１樹脂
を使用した。ＥＡ９１０１は、ＴＧＭＤＡ樹脂の性質に
等しいかあるいは上回る性質を有すると報告されている
。この樹脂は、約８３℃（１８０’Ｆ）の温度に加熱さ
れたとき、ウェットワインディングに使用できる程度に
低い粘度を持つ［すなわち、はぼ１．４パスカル−秒（
Ｐａ−ｓｅｃ）ｌｏしかし、ＥＡ９１０１は従来のＴＧ
ＭＤＡ／ＤＤＳより反応性が低いが、それでもその巻取
り温度での粘度はほとんどの周囲（室温）巻取り樹脂よ
り速い割合で上昇する。

１９８４年４月の第２９口金国ＳＡＭＰＥシンポジウム
（２９ｔｈ　Ｎａｔｌｏｎａｌ　ＳＡＭＰＥ　Ｓｙａ＋
ｐｏｓ１ｕａ＋）におけるブラウン（Ｂｒｏｗｎ）らに
よる「高温フィラメントワインディング用の樹脂および
含浸系（Ｒｅｓ　１ｎｓａｎｄ　　ｌｓｐｒｅｇｎａｔ
ｉｏｎ　　５ｙｓｔｅ＋＋＋ｓ　　ｆｏｒ　　ｌｌｉｇ
ｈｅｒ　　Ｔｅａ＋ｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｆ１１ａａ＋ｅ
ｎｔ　Ｗｉｎｄｉｎｇ　Ｕｓａｇｅ）　Ｊ第１１４１〜
１１５４頁には２種の樹脂が開示されている。これらの
樹脂はデクスター社（Ｄｅｘｔｅｒ　Ｃｏｒｐｏｒａｔ
ｉｏｎ＞のハイソール部門（Ｈｙｓｏｌ　ＤｉｖＩｓｌ
ｏｎ）が製造していた。ひとつはエポキシド希釈剤で変
性された基本のＥＡ９１０１であり、反応性が低下して
いてＬＲｌｏｏ−６９７といわれていた。この樹脂は変
性によって６６℃（１５０＠Ｆ）の温度での粘度が低く
てかなり一定であった（０．３Ｐａ−ｓｅｃ）ｏ　しか
し、Ｔｇも２１３℃から１６０℃まで低下しており、こ
れは樹脂の性質の重大な妥協である。もうひとつの樹脂
は、ＬＲｌｏｏ−６９８と称される、末端がアセチレン
のビスフェノール樹脂であった。この樹脂は６６℃（１
５０”Ｆ）で非常に低い粘度（０，２Ｐａ−ｓｅｃ）を
もっており、８時間に及ぶ巻取り時間の間もほとんど増
大しない。しかも、この樹脂は２６０’Ｃ（５５０’　
Ｆ）という極めて高いＴｇをもっている。残念なことに
は、これらのすばらしい樹脂の性質はフィラメントワイ
ンディングした複合材の性質には移行されなかった。こ
れらの複合材は、機械的性質が低く、積層した層間に欠
陥が発生するトラブルが起き易かった。これは複合材の
一体性の重大な妥協である。

高温樹脂の高粘度の問題に対する別のアプローチは、予
め含浸した（すなわちプリプレグの）ファイバートウで
ある。プリプレグトウは、通常、フィラメントワインデ
ィング操作の前に別の操作で製造される。実際、外部の
業者が製造してもよいし、後の使用のために貯蔵してお
いてもよい。

プリプレグトウを作製するには、まず、適切な溶剤を用
いて樹脂の粘度を下げて溶媒和した樹脂を得る。乾燥し
たトウをこの溶媒和した樹脂の室温の浴中に通して引く
。そこでトウは濡れ、樹脂が浸透する。こうして樹脂が
含浸したトウを乾燥オーブンに通し、余分な溶媒を蒸発
させる。乾燥したトウは、後の使用のためにスプールに
巻いておく。

ブラウン（Ｂｒｏｗｎ）らも溶媒和したエポキシ樹脂Ｅ
Ａ９１０１を用いた［１９８４年４月の第２９目金国Ｓ
ＡＭＰＥシンポジウム（２９ｔｈ　Ｎａｔｉｏｎａｌ　
ＳＡＭＰＥ　Ｓｙｍｐｏｓｌｕｍ）の「高温で操作する
フィラメントワインディング用の樹脂および含浸系（Ｒ
ｅｓ　１ｎｓａｎｄ　ＩＩｐｒＯｇｎａｔｌＯｎ　Ｓｙ
ＳｔＯｍＳ　ｆ’ｏｒ　Ｈｌｇｈ　Ｔｅ１１ｐ（３ｒａ
ｔＬＩｒｅ　５ｅｒｖｉｃｅ　ＦｉｌａＩ！１ｅｎｔ　
Ｗｌｎｄｌｎｇ　Ｕｓａｇｅ）　Ｊ第１１４１〜１１５
４頁参照］。樹脂は７５／２５アセトン／メタノール溶
剤に溶かし、これを使用してハイソール・グラフアイル
（ｌｌｙｓｏｌ　Ｇｒａｆｌｌ）　ＸＡ　５６Ｋ（フィ
ラメント６．０００本）という高歪炭素繊維に含浸させ
た。乾燥した炭素繊維スプールでは、トウのけば立ちを
低減するために多少の通張力［１重量ポンド（１ｂ　ｆ
）未満］が必要であった。フィラメントの２％エポキシ
ドサイジングもけば立ちを防ぐのに有用であった。プリ
プレグトウの樹脂含量は、浴中の樹脂と溶剤の割合によ
って調節した。その結果、溶媒の蒸発が多過ぎるため操
作中に新たな溶媒を添加する必要があった。

余分の溶媒を蒸発させるには８３〜９９℃（１８０〜２
１０°Ｆ）の乾燥オーブン温度で充分であり、乾燥した
トウをスプールに巻取り、その後複合材のフィラメント
ワインディングに使用した。

プリプレグトウによって粘度の問題は克服されるが別の
問題が残っている。即ち、乾燥炭素繊維は完全に無傷で
なければならず、破断したフィラメントをもっていては
ならない。これは、トウが通常１〜３マイルの長さに巻
かれるスプールでの要件である。プリプレグトウはスプ
ール上でそれ自体粘着してはならない。そうでないと、
スプールから巻き戻すときにファイバーが破断して操作
の中断の原因となったりする。さらに、高粘度樹脂のプ
リプレグトウはフィラメントワインディング操作の間に
分散するのが困難であり、そのためフィラメントワイン
ディングした複合材の厚み全体に亘るファイバーの分布
が不均一になる。

ＰＭＲ１５樹脂を用いたいくつかのフィラメントワイン
ディング技術が、クレイトン（Ｋ、１．　Ｃｌａｇｏｎ
）により１９８５年３月のＡＦＷＡＬ−ＴＲ−８４−４
１９０におけるデイトン研究大学（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔ
ｙ　ｏｒ　Ｄａｙｔｏｎ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈ　Ｉｎ５ｔ
ｉｔｕｔｅ）　　（ＵＤＲｌ）の「高温プラスチック積
層体の評価（ＩｌｌｇｈＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｐｌ
ａｓｔｉｃ　Ｌａｍ１ｎａｔｅ　Ｅｖａｌｕａｔｌｏｎ
）　Ｊに報告されている。ＰＭＲ１５は、セラフィニ（
Ｓｅｒａｆ’１ｎｌ）らにより、１９７２年ナサ（ＮＡ
ＳＡ）ＴＮ　　Ｄ−６６１１の「モノマー反応体の溶液
からの熱的に安定なポリイミド（ＴＩｌｅｒａ＋ａｌ　
ｌｙ　ＳｔａｂｌｅＰｏｌｙｌｍｌｄｅｓ　ｆｒｏｍ　
５ｏｌｕｔｉｏｎｓ　ｏｆ’　Ｍｏｎｏａｅｒｌｃ　Ｒ
ｅａｃｔａｎｔｓ）に報告されている高性能ポリイミド
樹脂である。ＰＭＲ１５という表示は樹脂のタイプを示
しており（モノマー性反応体の重合）、調製された分子
量は１，５００である。クレイトン（Ｃ１ａｙｔｏｎ）
は、フィラメントワインディングしたＰＭＲ１５炭素繊
維シリンダーおよび耐圧びんをいくつかの構成で作製し
てＵＤＲＩによって機械的に試験したと説明している。

エアロジェット（Ａθｒｏｊｅｔ）とブランズウィック
（Ｂｒｕｎｓｖｌｅｋ）はびんに巻付けるのにプリプレ
グチーブを使用したが、このテープは配置して締付ける
のがかなり難しかった。チオコール゛（Ｔｈｉｏｋｏｌ
）はぴんとシリンダーの両者をウェットワインディング
するのに占有の方法を使用した。ローア（Ｒｏｈｒ）は
、ドライワインディングした後、三層巻く毎に含浸し、
嵩を減らして、厚い（３０層）シリンダーを製造した。

ＵＤＲ１は、ウェットワインディングした後−層か二層
巻く毎に嵩を減らしてシリンダーを製造した。この嵩を
減らすには、ナイロンの表面層を重ね、穴のあいた収縮
テープを手で包み、その後減圧下で１時間６６℃（１５
０”Ｆ）にした。このシリンダーを製造するプロセスは
極めて労働集約的であり、成形と後硬化の前におそらく
８〜１６時間の準備が必要であった。前記の報告に載っ
ている加工処理に関する情報は、ウェットワインディン
グはドライすなわちプリプレグワインディングより良好
であることを示している。

上述の従来技術において包み込んだ後硬化前にＰＭＲ樹
脂をグラファイトファイバーに含浸させる場合はすべて
、しわができないようにするために１〜３回包んだ後に
嵩を減らすかまたは押し固める必要があった。乾燥プリ
プレグを用いるいくつかの樹脂の場合、たとえばＰＭＲ
１５の場合に遭遇するもうひとつ別の問題は、ファイバ
ーを鋼製マンドレルにきつく押し当てて保持するのが困
難なことと、巻揚げ中にファイバー樹脂が多少剥げ落ち
ることであった。耐圧びんやシリンダーの多くで見られ
るしわの一因は、部分的に、化学反応と溶媒の損失によ
ってポリイミド樹脂の容積が変化するためであった。他
の樹脂にはない余分な準備のことを考えると、ＰＭＲ１
５で上記のプロセスを使用するフィラメントワインディ
ングはそれほど費用的に効果的とは言えないであろう。

ＰＭＲポリイミド樹脂に関するイミド化反応の速度論が
、ロウバー（Ｌａｕｖｅｒ）によって、１９７９年のポ
リマー科学誌（Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｒ　Ｐｏｌｙｍｅｒ
　５ｃｉｅｎｅｅ）　％ポリマー化学板（Ｐｏｌｙｍｅ
ｒ　Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ　Ｅｄｉｔｌｏｎ）　、第１７
巻、第２５２９〜２５３９頁のｒＰＭＲポリイミド樹脂
におけるイミド化と架橋の速度論（Ｋｌｎｅｔｉｃｓ　
ｏｒ　ｌ１ｉｄ１ｚａｔｌｏｎ　ａｎｄ　Ｃｒｏｓｓｌ
ｉｎｋｌｎｇ　ｉｎ　ＰＭＲＰｏｌｙｌｍｌｄｅ　Ｒｅ
５１ｎ）　Ｊに開示されている。ロウバー（Ｌａｕｖｅ
ｒ）は、このイミド化反応がふたつの異なる段階を経る
ことを指摘している。

最初反応速度は速く、次に反応の進行に伴って急激に遅
くなる。この反応の二段階挙動により、露出時間の慎重
な制御ではなく温度の選択によって段階的な進行または
部分的なイミド化を達成できるという意味において、Ｐ
ＭＲポリイミド樹脂の加工処理における重大な利点が得
られることが指摘されている。

ヤングズ（Ｙｏｕｎｇｓ）は、１９８５年４月２０日か
ら５月２日までのプラスチック・エンジニア協会（Ｓｏ
ｃｉｅｔｙ　ｏｆ’　Ｐｌａｓｔｉｃｓ　Ｅｎｇｉｎｅ
ｅｒｓ　）の第４３回年次技術会議議事録（４３ｒｄ　
Ａｎｎｕａｌ　ＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃ
ｅ、　Ｐｒｏｃｏｅｄｌｎｇｓ）の第１１８１〜１１８
３頁の「先進複合熱可塑性プラスチック。新しい構造材
料（Ａｄｖａｎｃｅｄ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｔｈｏｒ
ａｃｏｐｌａｓｔｉｅｓ：Ａ　Ｎｅｗ　５ｔｒｕｃｔｕ
ｒａｌ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）　Ｊで、熱可塑性プリプ
レグチーブのフィラメントワインディングの概念を提示
した。熱硬化性樹脂とは対照的に、熱可塑性プラスチッ
クは通常溶媒を含まず、硬化反応を経ることがない。し
かしながら、熱可塑性プラスチックは、熱によって低下
させることができる非常に高い室温粘度をもっている。

プリプレグテープをその樹脂の溶融温度まで加熱するた
めに高強度の熱源（赤外線、超音波、熱ガスまたはレー
ザー）を使用することが示唆された。この概念を用いて
熱可塑性プリプレグテープのフィラメントワインディン
グを行なっていると主張されてはいるが、写真、プロセ
スパラメーター、材料の性質、その他の証拠はまったく
提示されながった。

ポリイミドと炭素繊維の複合材は、航空機エンジンの重
量と費用を低減するのに極めて有効である。構成成分で
ある材料は優れた面をもってはいるものの、これらの成
分を複合材に変化させるのに必要な加工・処理は非常に
高価である。従来のプリプレグレイアップおよびオート
クレーブ硬化より労働集約的でない費用効果的なプロセ
スがいくつかある。そのようなプロセスのひとつがフィ
ラメントワインディングである。しかしながら、ＰＭＲ
１５などのような高揮発分含量のポリイミドを用いてフ
ィラメントワインディングすると高品質でボイドのない
複合材を得るのは困難である。

ＰＭＲ１５内の揮発分にはふたつの源がある。

すなわち、（１）樹脂の合成時に溶媒として使用され、
またモノマーが反応するときモノマーから生じるメタノ
ール、および（２）溶媒和した樹脂がイミド化すると凝
縮する水である。典型的な加工・処理温度では水もメタ
ノールも蒸気相である。

これらの揮発分により流動は容易になるが、複合材の内
部に捕捉されることにもなり、その結果性質を劣化させ
るボイドや収縮亀裂が生じる。揮発分の捕捉は、加熱し
た壁による加工争処理では特に厄介である。壁に近い樹
脂は加工・処理の間早期に反応し、その結果揮発分が外
に拡散するのを邪魔する障壁を形成する。さらに、大き
な質量の損失とそれに伴う容積の低下によって収縮とフ
ァイバーバックリングが起こる。フィラメントワインデ
ィングした典型的な形態は回転体であるが、これは上述
の問題を悪化させるだけである。

プリプレグトウ内に存在する樹脂の溶媒含量はこの樹脂
の約３０重量％以下である。典型的な場合、溶媒の一部
は出荷前に除かれるので、溶媒のレベルは樹脂の約８〜
１１重量％の範囲である。

したがって、本発明は従来技術では取りかかられること
もなく、又必ずしもその必要がなかったのである。

発明の概要 本発明のひとつの目的は、フィラメントワインディング
を含む改良された費用効果的な方法を使用して高性能の
樹脂ファイバー複合材を得ることである。

本発明のもうひとつ別の目的は、フィラメントワインデ
ィング用の含浸したファイバートウを製造するための改
良された装置を提供することである。

本発明のこれらの目的およびその他の目的ならびに利点
は、以下の詳細な説明、図面および特定実施例からより
良く理解できるであろう。以下の説明などは本発明の典
型例を示すものであって、限定する意図はまったくない
。

今や、少なくとも１種の溶媒和した縮合樹脂を含むかあ
るいは含浸したファイバートウを用い、含浸したトウを
まず少なくとも二段階の加熱過程によって処理して溶媒
を除去すると共に樹脂を部分的に反応させ、その後処理
したトウを前記加熱過程の最終段階のトウの温度と少な
くとも同じ程度に高い温度に加熱しながら圧密下でトウ
を巻取ることによって、本発明の目的を達成することが
できるということが発見されたのである。

本発明の装置のひとつの具体例は、操作の順に、溶媒和
した縮合樹脂が含浸したファイバートウを第一の温度に
加熱して溶媒を除去するための第一加熱手段と、このト
ウを第一の温度より高い第二の温度に加熱して少なくと
も部分的に樹脂を反応させるための第二加熱手段と、こ
のトウをフィラメントワインディングしながら樹脂とト
ウを第二の温度と少なくとも同じ程度に高い第三の温度
に加熱するための第三加熱手段と、このトウを第一、第
二および第三の加熱手段に順次通過させて移動するため
のトウ移動手段と、を含んでいる。

好ましい態様の説明 本発明の方法を実施す゛る際に、トウに溶媒和した樹脂
縮合生成物を含浸させ、溶媒の少なくとも一部を除き、
蒸発・反応器内などでファイバートウ上でその場で樹脂
を部分的に、しかし完全にではなく反応させると、所望
の目的が達成されることが判明した。通常、そのような
樹脂としては、ポリイミドやフェノール樹脂ならびに溶
媒和したエポキシなどのようなモノマー縮合樹脂がある
が、ポリイミドやフェノール樹脂は操作温度が高いので
これらを使用するのが好ましい。

適切なポリイミド樹脂の典型例はＰＭＲタイプのもので
あり、たとえば、分子量が１，５００のＰＭＲ１５、分
子量が１，０００のＰＭＲＩＯおよび分子量が１．６０
０のＬＡＲＣｌ　６０などである。これらの樹脂に使用
する溶媒はメタノールまたはメタノールとプロパツール
の混合物である。

これらの樹脂は、有用な複合マトリックスとなるために
はイミド化および架橋（反応）しなければならない。架
橋には独特の問題はないが、イミド化などのような反応
では、かなりの質量と容積のロス、ボイド、捕捉された
揮発性物質、収縮およびファイバーバックリングを引き
起こす、縮合水の分子が生成する。その結果、多くの場
合、ぎりぎりの性質をもった複合材が得られることにな
り、また、複雑で費用のかかる方法を使用することにな
り、そのため過度の処理段階、揮発性物質の輸送および
ブリージングならびにボイドおよび亀裂中への樹脂の逆
充填の可能性が生ずる。適したフェノール系の樹脂は、
酸性の触媒（ノボラックが生成する）かまたは塩基性の
触媒（レゾールが生成する）によるフェノールとホルム
アルデヒドの縮合反応生成物である。はとんどの樹脂の
溶媒含量（アセトンまたはメタノール）は、通常、樹脂
を溶液に保つために樹脂重量の少なくとも約３０重量％
以上である。溶媒含量は樹脂の３０〜５０ｆｆｉ量％の
範囲であるのが好ましい。本発明の方法は本来溶媒含量
が約１（ｌ量％より高い場合に有用であり、この含量よ
り低いときには一般に本発明の方法を必要としない。

本発明の方法では、トウがたとえば本発明の蒸発・反応
器中で連続した少なくともふたつの加熱ゾーンを制御さ
れて通過する間に、樹脂中に含まれる溶媒を除去し、樹
脂を反応させる。一般に、樹脂の重量は、溶媒の少なく
とも半分を有効に除くと３０％減少する。

好ましく使用されるファイバートウはカーボンファイバ
ートウであるが、カーボンファイバートウのもつ構造強
度と可撓性が必要とされない場合にはガラスファイバー
トウやアラミドファイバートウなども使用することがで
きる。

本発明で使用する樹脂が含浸したファイバートウを製造
するには、業界で知られておりかつ実施されているよう
にして、充分な量の溶媒和した樹脂をファイバートウに
塗布して樹脂がトウ中に含浸していくようにすることが
できる。塗布量は、トウに含浸するのに充分な量である
が、トウの表面に取扱いを妨げるほどに過度の樹脂が存
在することになるような量よりは少なくする。

この樹脂が含浸したファイバートウは、多段蒸発ｅ反応
器、たとえば二段階のものに通過させる。

第一の段階では、質量が低く束縛を受けていないトウの
温度が急速に上昇し、その結果溶媒の少なくとも一部が
蒸発する。残っている除去すべき溶媒は、次に、第一段
階の温度より高く樹脂の反応を可能にする温度に保った
第二段階で蒸発・除去される。第二段階ではトウ上の樹
脂が部分的に、しかし完全にではなく、反応を起こす。

この段階では樹脂の制御された反応（たとえば、ポリイ
ミドの場合のイミド化など）が起こり、縮合生成物が放
出される。そのような生成物は装置から除去されるが、
非酸化性の気体、たとえば不活性ガスなどを流すことに
よって実施すると便利である。

本発明の装置のひとつの具体例では、溶媒と縮合生成物
は、反応器中に前記のような気体の向流を維持すること
によって蒸発・反応器から追出すことができる。

第一段階の温度は、樹脂と化学的に結合していない溶媒
を蒸発させるのに充分な高い値に維持する。メタノール
などのような溶媒に対して好ましい範囲は少なくとも８
０℃から１３０℃までである。

ＰＭＲ１５樹脂をトウ中に使用する一例では、トウが第
一段階を通過する際の速さは約１〜５ｍｍ／秒であり、
２．６ｍｍ／秒が好ましい。第一段階の長さには臨界的
な意味はないが、溶媒を除去するのに約１５０秒の滞留
時間が必要な場合４００ｍｍまでの長さが好ましい。第
一段階の滞留時間は約７分を越えないのが好ましく、約
０．６〜７分の範囲が普通である。所望の量の溶媒を除
去するのに必要な温度と滞留時間に応じてこの段階の長
さを変えることが可能である。第一段階でファイバート
ウを加熱する際、溶媒のフラッシュ蒸発を避けるために
、トウの温度を１℃／秒未満の速度で室温から第一段階
の温度まで上昇させることが可能であることが判明した
。この例の場合的１５０℃を越える温度では溶媒のフラ
ッシュ蒸発が生起する傾向があり反応の促進が急激にな
り過ぎることも判明した。そのような高温では、蒸発の
速度と反応条件を制御するのが困難になるので問題が生
じるのである。

本発明の蒸発・反応器は安価な不活性ガス（通常は窒素
）を使用して不活性ガス雰囲気下に保つことができる。

この気体の流れはトウの供給方向に対して向流が好まし
い。不活性ガスは最後の段階の排出端から供給すること
ができ、全段階を通じて向流方向で連続的に通過させる
ことができる。

あるいはまた、不活性ガスはいろいろな中間地点で、好
ましくは向流方向で、装置中に供給することができる。

好ましい形態では、第二段階で維持される温度は約１１
０℃から約２００℃までの範囲でよい。

ＰＭＲ１５樹脂の場合温度範囲は１８０℃（３５５”　
Ｆ）より下の範囲が好ましい。加熱管中のふたつの段階
の全長は各段階で望ましい滞留時間に多少依存して変え
ることができるが、２．６ｍ＋ｓ／秒のスピードを使用
して必要とされる滞留時間が約７分未満、好ましくは約
２．５〜７分である場合第二段階の長さは１ｍまでが好
ましいことが判明している。

加熱管の第二段階から出て来る熱処理された樹脂含浸フ
ァイバートウを、第二段階で使用した温度と少なくとも
同程度に高い温度に維持されている加熱された圧密用ロ
ーラーと接触さする。この加熱された圧密ローラーを維
持する温度は２００〜２７０℃の範囲が好ましい。この
ローラーの温度は、樹脂を軟化して多少流れさせるため
に、蒸発・反応器の最後の段階の反応温度と少なくとも
同程度に高くなければならないことが判明した。

この樹脂が含浸したファイバートウは、このトウがマン
ドレル上に巻取られるときに、加熱されたローラーに接
触せしめられる。このローラーの位置は、樹脂が含浸し
たファイバートウがマンドレル上に巻取られているとき
にトウの表面に対してほぼ垂直に少なくとも多少の力が
かかり、それによってマンドレル上のファイバートウの
圧密化が助長されるようなものである。圧密化された形
態は揮発分含量が低くて圧密化後収縮をほとんどあるい
はまったく起こさない。

本発明の方法を実施するための改良された装置のひとつ
の形態は、段階的に設定された樹脂−フアイバー送出し
システム、蒸発・反応器、巻取り用マンドレル、および
通常は送り機構を含んでいる。これらの要素は、修正・
調整が容易にできる枠組み上に配置されている。

第１図は本発明の装置の一形態の略図である。

全体を１０で示した本発明の装置には、ファイバートウ
の巻揚げ技術の分野で普通使用されているようなファイ
バートウ７の配置・配分用デバイスすなわち供給手段６
が備わっている。この配置・配分デバイスの流れの方向
にテンションデバイスがある。これは通常一対のロッド
１１．１２であり、テフロン（Ｔｅｆ’１ｏｎ）などの
ようなポリテトラフルオロエチレンタイプの材料で作成
されているかあるいはそのような材料でコートされてい
るのが好ましい。典型的な場合、この対のうちの第一の
ロッド１１は、トウが巻取られている速さより遅い速さ
で、かつトウに摩擦抵抗を加えるためにトウの移動方向
と逆の方向で駆動されている。トウを案内するための溝
があるもうひとつのロッド１２は、トウと同じ方向、同
じスピードで回転が自由である。コンピューター制御シ
ステムと適合可能な機械的アナログ読取り機または電子
的ディジタル読取り機を使用してもよい。テンションデ
バイスの後ろに列をなして、樹脂供給管１６を有する樹
脂タンク１５から成る樹脂送出しシステム１４がある。

タンク１５に最も近いが間隔をもって固定された延展ロ
ッド１７があり、トウはこの上を通って引かれ、そのた
めトウは広がって分散され、したがって樹脂によって濡
らすのが容易になる。樹脂はタンク１５から送り出され
る。供給管１６は、広がったトウの上方、たとえば約１
〜２＋ａｍの所に位置している。樹脂タンク１５の後ろ
に続いて、トウを集合させるだけではなく余分な樹脂を
絞り出すファイバー集合用ローラー１８がある。

第１図の装置には、ファイバー集合ローラー１８に続い
て、全体を１９で示した蒸発・反応器が備わっている。

蒸発・反応器１９は、図示のように縦に並べられたふた
つの抵抗対流型管状炉、すなわち第一加熱手段８Ａと第
二加熱手段８Ｂからなるのが好ましい。そして、これら
の手段には細長い中央導管すなわちチューブ２０があり
、これは大体ローラー１８と並んでおり、両方の管状炉
を貫通して伸びており、この中をトウが通過するように
なっている。たとえば、第１図に断片的に示しである抵
抗加熱ロッド９を含むことができる。

導管２０は、その第一すなわち上流端に開口２０ａを、
また第二すなわち下流端に開口２０ｂを有している。業
界でよく知られているタイプの炉制御機２２を介してこ
の炉のモニターおよび制御をする助けとするために、通
常はクロメル−アルメル材で作成されている４つの熱電
対２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄが炉の内部でチュー
ブの外側に沿って配置されている。

第１図の具体例で、炉制御機２２は、あらかじめ選択し
たパターンに従って、かつ熱雷対からのシグナルに応じ
て、炉の加熱を制御するために、炉８Ａに対しては２２
ａと２２ｂおよび炉８Ｂに対しては２２ｃと２２ｄのよ
うな導体によって炉に接続されている。このような制御
と感知は業界でよく知られており普通に使われている電
気的デバイスを使用して達成することができる。蒸発・
反応器は第１図の２３ａと２３ｂおよび第２図の２３に
示した排出手段を備えており、これにより煙はこの蒸発
・反応器から出て行くことができ、分析、プロセスモニ
ターおよび／または環境コントロールすなわち安全性な
どの後処理のために、好ましくは調節されたやり方で集
められ凝縮されるようになっている。

蒸発−反応器１９に続いて、装置内を通してトウを引く
ようにあらかじめ選定された速さで駆動されるマンドレ
ル２４と、たとえばボールスクリューによって送り運動
力が与えられ、リミットスイッチによって逆の運動が達
成される送り機構２５とがある。第三の加熱手段を含む
圧密機２６などのような加重加熱トウ巻取り・圧密手段
によって、熱処理された樹脂含浸トつが軟化され、すで
に巻揚げられている表面上に押し付けられる。

本発明のもうひとつの形態の蒸発・反応器を第２図の部
分概略図に示す。ここで、類似の要素には上記のように
番号を付けた。第２図で、蒸発・反応器１９は透明なプ
ラスチックボックスなどのような囲い３０内に配置され
ており、この囲いにはその中をファイバートウ７が通過
できるように適当な開口がある。第２図では、排出手段
２３が囲い３０の壁中に配置され、第一加熱手段すなわ
ち炉８Ａの上流端からガスが除かれるようになっている
。

本発明の方法を実施する手段を以下の実施例で例示する
。

実施例１ 約７ニユートン（Ｎ）　　（１，５ｔｌｌｒ量ボンド）
の張力をかけである１２にのカーボンファイバートウを
横方向に広げた。このトウにＰＭＲ１５ポリイミド樹脂
の５０％メタノール溶液を塗布した。

塗布は、広がったトウ上に、樹脂を４０〜１００キロパ
スカル（ｋＰａ）すなわち約６〜１５ｐｓｉの窒素ガス
圧下に維持した密閉タンクから噴霧して行なった。塗布
速度はトウ１１１１当たり約０゜２ｍｌであった。こう
してファイバートウを飽和さ−せた。樹脂供給管は、樹
脂が空気にさらされる時間を最小にするために、広がっ
たトウの約１〜２關上方に配置した。次に、この広がっ
たトウをテフロン（Ｔｅｌ’１ｏｎ）ローラー下に通し
て、ファイバーを集合させてトウを再形成させると共に
余分の遊離樹脂をトウから絞り出した。こうして樹脂が
含浸されて再形成されたファイバートウを、ふたつの加
熱段階とするために縦に連結した一対の管状炉で構成さ
れた炉に通過させた。ふたつの炉を合わせた長さはほぼ
８００ｓ＋ｍ、内径は約２５ｍｍであった。非酸化性気
体すなわち不活性ガスたとえば室温の窒素を、たとえば
図示したチューブ２８を通して、図示のように下流側の
炉の出口の約１００＋ａｍ上流で炉中に導入した。

第一段階の長さは、壁の温度が最初に１１０℃（２３０
＠Ｆ）、すなわち過度のイミド化を誘導することなく溶
媒を蒸発させるのに充分に高い温度に達した炉内の距離
によって定義した。この段階の対流時間は、段階の長さ
と、樹脂が含浸したトウが炉を通過する際のスピードと
の関数である。

本実施例においては、トウが炉を通過して移動する速さ
は２．３５龍／秒（約０．５フイ一ト／分）であった。

この第一段階の長さは３００龍、滞留時間は１２８秒で
あった。第二段階は最高温度が１３８℃（２８０’Ｆ）
であったが、長さは５００＋＋ｓで、滞留時間は２１２
秒であった。

この第二段階を出て来たトつは、直径が１３０關で室温
の環状マンドレル上に幅２０ｍｍのリング状に巻取った
。この熱処理され樹脂が含浸したトウを、マンドレル面
に垂直の力を加えるように配置された加重のかかったシ
ーリングごて（図では圧密機２６で表わす）によりて、
すでに巻かれている面上に押付けた。このこては約２２
０℃（４３０’Ｆ）の温度に維持した。この温度だと熱
可塑化している樹脂が軟化して流動し、したがって圧密
化が容易になる。

フィラメントワインディングしたリングを３１５℃（６
００’Ｆ）の温度で成形して後硬化し、評価した。この
リングは、収縮に起因するしわをもっておらず、以下の
性質を示した。すなわち、比重は１．４５、樹脂重量は
２４％、ファイバー容積は６２％、モしてボイド容積は
１１％で生成した物品に望ましい最大の容量％である１
２％未満であった。

実施例２ 加熱段階を異なるものとした以外は実施例１の手順を繰
返した。すなわち、実施例２では、トウの炉内通過移動
速度は２．６３ｍｍ／秒（約０．５フイ一ト／分）とし
た。第一段階の長さは３７５關、滞留時間は１４３秒で
あった。第二段階は、最高温度が１３１℃（２６７”Ｆ
）、長さが４２５關、滞留時間が１６１秒であった。

実施例２で得られた、フィラメントワインディングされ
たリングを、実施例１と同様にして成形し後硬化した。

このリングは収縮に起因するしわをもたず、次の性質を
示した。すなわち、比重が１．４５、樹脂重量が３３％
、ファイバー容積が５５％、ボイド容積が８％であった
。

実施例３ 加熱段階を異なるものとした以外は実施例１の手順を繰
返した。すなわち、実施例３では、トウの炉内通過移動
速度は２．７０＋ｕ／秒（約０．５フイ一ト／分）とし
た。第一段階の長さは１１５鰭、滞留時間は４２秒であ
った。第二段階は、最高温度が１４７℃（２９５’Ｆ）
、長さが６８５＋ｎ、滞留時間が２５２秒であった。

フィラメントワインディングされたリングを実施例１お
よび２と同様にして成形し後硬化した。

このリングは収縮に起因するしわをもたず、次の性質を
示した。すなわち、比重が１．５０、樹脂重量が２８％
、ファイバー容積が６１％、ボイド容積が７％であった
。

特定実施例と態様を参照して本発明を説明してきたが、
他の例を使用することができるものと理解されたい。た
とえば、滞留加熱について記載したが、赤外線、マイク
ロ波、レーザーなどのような他の加熱手段を用いてもよ
い。また、マンドレル上でのトウの圧密化を実施するの
に、トウが巻き取られている際マンドレルに接触する部
分に熱と圧力をいろいろと組合せて加えることができる
。

本発明によると、含浸したトウは比較的束縛されてない
状態にあり、しかも溶媒と縮合水の拡散経路は圧密化後
におけるよりずっと短いので、従来技術で見られたよう
な前述の欠点を示すことなく、結果として生じる収縮の
許容限界内に質量と容積のロスを制御することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の方法を実施するのに適した本発明の
装置の一具体例の略図である。 第２図は、本発明の装置の別の具体例の部分的略図であ
る。 ６・・・ファイバートウ供給手段、７・・・ファイバー
トウ、８Ａ・・・第一加熱手段、８Ｂ・・・第二加熱手
段、９・・・抵抗加熱ロッド、１０・・・本発明の装置
、１１．１２・・・テンションロッド、１４・・・樹脂
送出しシステム、１５・・・樹脂タンク、１６・・・樹
脂供給管、１７・・・延展ロッド、１８・・・ファイバ
ー集合用ローラー、１９・・・蒸発・反応器、２０・・
・中央導管（チューブ）　、２０ａ、２０ｂ−・・開口
、２１ａ、２１ｂ。 ２１ｃ、２１ｄ・・・熱電対、２２・・・炉制御機、２
２ａｓ　２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ−’導体、２３．２３
ａ、２３ｂ・・・排出手段、２４・・・マシドレル、２
５・・・送り機構、２６・・・圧密機、２８・・・不活
性ガス導入用管、３０・・・囲い。

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. （１）溶媒和した縮合樹脂を含むファイバートウからフ
   ィラメントワインディングした物品を製造するための方
   法であって、 第一の温度で前記溶媒和した樹脂中の溶媒の少なくとも
   一部を除去し、 前記第一の温度より高い第二の温度で前記樹脂を完全に
   ではないが少なくとも部分的に反応させて縮合生成物を
   取り除き、そして 前記第二の温度以上の第三の温度で前記トウを加熱しな
   がら巻き取る ことからなるフィラメントワインディング法。
2. （２）除去した溶媒および縮合生成物を後の取扱のため
   に収集し凝縮させる請求項１記載の方法。
3. （３）巻き取りに先立つ溶媒の除去および樹脂の反応を
   非酸化性の雰囲気中で実施する請求項１記載の方法。
4. （４）第一の温度が８０℃から１６５℃までの範囲であ
   って溶媒がフラッシュ蒸発することのない温度であり、
   第二の温度が１１０℃から２００℃までの範囲である請
   求項１記載の方法。
5. （５）第一の温度が約１５０℃を越えず、第二の温度が
   約１８０℃を越えない請求項４記載の方法。
6. （６）硬化に先立ち少なくとも１種の溶媒和した縮合樹
   脂が含浸したファイバートウからなる回転体を製造する
   ための方法であって、 少なくとも１種の溶媒和した縮合樹脂をファイバートウ
   に接触させて含浸させ、 この樹脂が含浸したファイバートウを非酸化性の雰囲気
   中で少なくとも二段階の加熱処理にかけて、その前段階
   を前記トウがこの段階に滞留する時間の間に溶媒の少な
   くとも一部を蒸発させるのに充分な程高い第一の温度に
   維持し、そしてその後段階を、前記第一の温度より高く
   、かつ前記トウがこの段階に滞留する時間の間に縮合樹
   脂を完全にではないが少なくとも部分的に反応させるの
   に充分な程高い第二の温度に維持し、 前記後段階から出てくるトウを、前記第二の温度と少な
   くとも同じ高さの温度にし、それからトウを第二の温度
   以上に維持しながら圧密力の下で前記トウを巻き取る ことからなる方法。
7. （７）第一の温度が約８０℃〜１６５℃であり、第二の
   温度が約１１０℃〜２００℃である請求項６記載の方法
   。
8. （８）前記ファイバートウを、約０．５〜７分間前加熱
   段階に保持した後、約２．５〜７分間後加熱段階に保持
   する請求項７記載の方法。
9. （９）前記トウにかける圧密力を２００〜２７０℃の温
   度でかける請求項７記載の方法。
10. （１０）溶媒和した縮合樹脂が含浸したファイバートウ
    をフィラメントワインディングするための装置であって
    、 （ I ）（ａ）前記樹脂から溶媒を除去する第一の温度
    に前記ファイバートウを加熱するようにされている第一
    の加熱手段と、 （ｂ）前記第一の温度より高く前記樹 脂を少なくとも部分的に反応させる第二の温度に前記ト
    ウを加熱するようにされている第二の加熱手段とを操作
    順に含む蒸発・反応器、 （II）前記トウをフィラメントワインディングしながら
    前記蒸発・反応器から出てくるトウを前記第二の温度と
    少なくとも同じ高さの第三の温度に加熱するようにされ
    ている第三の加熱手段、ならびに （III）作順に前記第一、第二および第三の加熱手段に
    通して前記トウを移動させるためのトウ移動手段からな
    るフィラメントワインディング用装置。
11. （１１）前記第一および第二の加熱手段が連続した管状
    炉からなり、これら連続した管状炉を通して、前記トウ
    を通過させるようにされている導管を有し、かつ上流端
    および下流端の各々に開口を有しており、前記導管が前
    記連続した管状炉を貫通している請求項１０記載の装置
    。
12. （１２）前記導管中に非酸化性の気体を導入するための
    手段を含んでいる請求項１０記載の装置。
13. （１３）前記気体が前記下流端の付近で前記導管中に導
    入され、この気体が前記上流端に向かって流れることが
    できる請求項１２記載の装置。
14. （１４）前記上流および下流端の中間で前記導管に接続
    された排出手段を含んでいる請求項１１記載の装置。
15. （１５）前記第一の加熱手段の前記上流端から気体を取
    出すように配置された排出手段を含んでいる請求項１１
    記載の装置。
16. （１６）さらに、前記蒸発・反応器からのトウを受取る
    トウ巻取り・圧密手段も含んでおり、前記手段が前記第
    三の加熱手段によって加熱された荷重シーリングこてを
    含んでいる請求項１０記載の装置。
17. （１７）さらに、前記蒸発・反応器からのトウを受取る
    トウ巻取り・圧密手段も含んでおり、前記手段が前記第
    三の加熱手段によって加熱されたローラーを含んでいる
    請求項１０記載の装置。
18. （１８）樹脂含浸ファイバートウを巻取るための装置で
    あって、操作の順に、 （ I ）ファイバートウ供給手段、 （II）ファイバートウを含浸させるための手段を含む樹
    脂供給手段、 （III）（ａ）前記樹脂から溶媒を除去する第一の温度
    に前記ファイバートウを加熱するようにされている第一
    の加熱手段と、 （ｂ）前記第一の温度より高く、前記 樹脂を少なくとも部分的に反応させる第二の温度に前記
    ファイバートウを加熱するようにされている第二の加熱
    手段とを操作順に含む蒸発・反応器、（IV）前記蒸発・
    反応器から出てくるトウを前記第二の温度と少なくとも
    同じ高さの第三の温度に加熱するようにされている、第
    三の加熱手段を含むトウ巻取り・圧密手段および （Ｖ）前記ファイバートウ供給手段から当該装置を通っ
    て前記トウ巻取り・圧密手段まで前記トウを移動させる
    ためのトウ移動手段を含んでいることを特徴とする装置
    。
19. （１９）前記第一および第二の加熱手段が連続した管状
    炉からなり、これら連続した管状炉を通して、前記トウ
    を通過させるようにされている導管を有し、かつ上流端
    および下流端の各々に開口を有しており、前記導管は前
    記連続した管状炉を貫通している請求項１８記載の装置
    。