JPH01280031A - 複合繊維の製造方法 - Google Patents

複合繊維の製造方法

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JPH01280031A
JPH01280031A JP10893488A JP10893488A JPH01280031A JP H01280031 A JPH01280031 A JP H01280031A JP 10893488 A JP10893488 A JP 10893488A JP 10893488 A JP10893488 A JP 10893488A JP H01280031 A JPH01280031 A JP H01280031A
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fibers
yarns
thermoplastic
reinforcing
multifilament
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Toshimasa Kuroda
黒田 俊正
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Teijin Ltd
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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】 [技術分野] 本発明は、複合製品の成形に有用な柔軟性複合l!雑の
製造法に関するものであり、詳しくは補強i維のマルチ
フィラメント(以下、単に補強繊維と称することがある
)と母材である熱可塑性マルチフィラメント(以下、単
に熱可塑性フィラメントと称することがある)を層状に
複合結束させることからなる、複合製品に有用な柔軟性
複合繊維の製造方法に関する。
し従来技術] 一般に、補強l1iIffを含有する複合材料としては
、補強繊維トウ又は布帛に熱硬化性樹脂を塗布するか又
は被覆してテープ状物とするか、又は布帛状としたプリ
プレグがある。そしてこのプリプレグを熱硬化させるこ
とにより複合製品を得ている。
所で、このプリプレグは経時変化をする為、冷保存が必
要であり、更に柔軟性がない為の取扱性及び成形加工時
の条件及び時間等の面で問題を有していた。これらに対
し、融点の高い熱可塑性樹脂を溶融し補強繊維に含浸し
たテープも知られており、保存や成形時間の問題はなく
なったものの、柔軟性には依然として問題かあり、取扱
性の面で難点を残している。
上記欠点を解消する方法として、補強繊維と熱可塑性繊
維とを衣料用繊維等に適用されている、緊密ブレンド法
を採用することにより、補強繊維と熱可塑性樹脂との成
形時における濡れ性を改良し、しかもプリプレグの状g
(トウ又は布帛)では柔軟性も付与したものが提案され
ている(特開昭60−209033号公報、同60−2
09034号公報)。しかし、このものには以下に述べ
る欠点がある。つまり、補強繊維と熱可塑性繊維とを緊
密混合するに当って、空気ノズル(インターレイスノズ
ル)で混合するかコームやバーで摩擦する方法が開示さ
れているが、この処理の間は張力を極力Oに近づけるこ
とが必要な為、オーバーフィードが必要でおる。しかし
ながらこのオーバーフィードにより補強繊維、熱可塑性
繊維共にループが発生し、従って糸足差が生じ成形品中
での補強繊維の働きを弱くする。又、特に炭素繊維の場
合、空気や摩擦により破断が起り易く、長繊維の特徴を
損うだけでなく、製織時において毛羽、ループの為織り
にくく織欠点を発生させる原因となっていた。
そこで、これらの欠点を改良する方法として、特開昭6
2−135537号公報には上記緊密混合トウの周囲を
熱可塑性樹脂により被覆したものが提案されているが、
この方法も基本的には前記緊密混合トウの製造工程を経
なければならず、従って空気ノズルで炭素繊維は破断さ
れる。そして、この破断は空気ノズルに入る前にサイズ
を付着しても余り低減されず、毛羽立ちと状態が見え難
くなっているに過ぎない。このようなトウはスリーブ被
覆装置に導入されるが、この時熱可塑性繊維とスリーブ
も同一樹脂であり、溶融されたスリーブにより熱可塑性
繊維が溶融され易くなって柔軟性が損われる。と同時に
、この工程は非常に複雑であり、コストも高くなる。更
に出来たスリーブ被覆複合材料はモノフィラメント状で
且つ円断面であり、これを製織し成形加工した場合、織
物のクリンプが大きくなると共に丸断面を加圧成形する
為扁平化される。この時補強繊維の流れが起り、従って
交差点での破断ヤミダレが生じ、補強繊維の働きを低下
させる。又プリプレグの布帛もやはり柔軟性においては
前記混合トウより劣る。
[目的] 本発明の目的は、熱可塑性繊維と補強繊維とを、ループ
糸足差1毛羽の懸念なく、均一に積層し、積層物に形態
保持効果を付与し得る方法を提供することにある。更に
、本発明の他の目的は、その後各工程での取扱性が良好
であり、成形品の接着特性及び強化繊維の力学特性の有
効利用性が改善された、工業的に有利で、しかも柔軟性
に富んだ複合繊維の製造方法を提供することにある。
[構成] 本発明によれば、共に、油剤やサイジング剤が実質的に
付着されていない補強マルチフィラメントと母材となる
熱可塑性マルチフィラメントとを複合合糸するに当り、
両マルチフィラメントを共に無撚状態で応力として0.
03(]/de以上の張力下に夫々表面温度が50’C
以上で同一表面速度で回転するホットローラーに1回以
上巻回させて供給し、この表面速度より速い速度で回転
している単一のデリベリ−ローラー上で両者を扁平状に
て積層させ且つ形態保持処理を施した後巻き取ることを
特徴とする複合繊維の製造方法が提供される。
本発明の複合繊維を製造するには、補強繊維。
熱可塑性フィラメント共に油剤はサイジング剤等が付着
されていないことが必要である。これは、両者のフィラ
メントを無撚状態で取り出して開繊させてから所望の幅
(2〜5mm)に積層する際、ループ、糸足差1毛羽等
の発生を防止するためである。通常の糸条では取扱性の
面から油剤やサイジング剤が付与されている為開繊が困
難でおり、従って空気ノズルの空気流により大きな力で
強制的に開繊混合させる方法や、コームは摩擦体によリ
シゴキを与え強制的に開繊させる方法が従来性なわれて
きたが、一方ではこれに伴ってループや糸足差1毛羽及
び断糸の原因となっていたのは前述の通りでおる。これ
らの欠点をなりシくつまり摩1寮や空気ノズルを使用せ
ず)、開繊ざぜる方法として、油剤やサイジング剤を付
着していないマルチフィラメントを50℃以上のホット
ローラーに1回以上巻回して加熱すると熱可塑性フィラ
メントは水分が減少することと接触帯電により非常に強
く開繊する。又この加熱効果は70℃以上で特に顕著で
あり、熱可塑性フィラメントの熱処理効果即ち結晶性ポ
リマーでは結晶化を起す温度以上で、又非品性ポリマー
においては糸足差が生じているものでもそのガラス転移
温度以上を用いることによりその糸足差を揃える働きを
もする。一方の補強繊維が有機高分子であるアラミド繊
維、ボリアリレート繊維においてもこの原理は適用され
る。
又炭素繊維やセラミック繊維においてもホットローラー
を使用することにより少し扁平に開繊出来る。この効果
は明確ではないが、やはり水分により付与されていた集
束性が水分をなくすことにより低下して開繊され易くな
るのではないかと考えられる。これらの無機繊維の場合
、サイジング剤は300〜400℃の乾燥機中で10〜
120分処理することにより完全に除去できる。この乾
燥処理系を吸湿させないよう供給する場合にはホットロ
ーラーを使用しなくても無撚取り出しのみで十分開繊し
ているのでホットローラーの使用は不用となる。
これら無撚取り出しの糸条張力は応力にして0.03g
/de以上にする必要がある。これ以下の張力になると
取り出し糸条速度に変動を起し、目的とする複合繊維が
得られない。又この張力には最適範囲が存在するがそれ
は各糸条を傷付けないこと及び均一性を考慮して選定す
ればよい。通常は、この張力は0.2g/de〜0.5
(]/deの範囲にある。次にフィードローラーから出
た各糸条はデリベリ−ローラー上で扁平状に積層される
が、この間の張力も大切であり張力があまり大きくなる
と開繊した各糸条が集束してしまうし、張力がゼロでは
長時間安定して製造できない。通常この張力は各糸条共
に0.2(It/de以下であって、このローラー間が
オーバーフィードになっていないこと、即ちフィードロ
ーラー速度よりデリベリ−ローラー側は少し速くする必
要がある。この速度調整は大切であるので、これらのロ
ーラーは1つの駆動モーターからシャフト、タイシング
ベルト等にて行なわれる。
デリベリ−ローラー上に積層させる場合には、熱可塑性
フィラメントをローラー表面上にあき、その上に補強繊
維を重ねるようにする。このときの扁平幅が2〜5mm
になるよう集束ガイド等で規制しながら積層するとよい
。このとき、熱可塑性フィラメントを別個に設けて開繊
し、これを前記積層物に重ねて、熱可塑性フィラメント
、強化繊維。
熱可塑性フィラメントの順に積層するとより好ましい。
この扁平状で積層される幅が2mm以下では積層状態が
均一にならないし、他方その幅が5mm以上になっても
均一性が得られない。
この積層物には形態保持処理を施すが、その場合糸条を
集束させる作用を有する、水、油剤、糊剤も使用される
。唯これらの集束剤は、成形加工時には不用でむしろな
い方がよい。それ故布帛形成され、加熱加圧成形される
前にはこれらの剤を精練により除くことが好ましい。従
って精練時に容易に取り除かれる物質が良好であり、水
可溶性のものがより良好である。水で形態保持をしよう
とするとこの水が製織される迄十分に付着されているよ
う留意する必要があり、油剤や糊剤で行う場合には水可
溶性の、又精練で使用される洗剤や温水で除去できるも
のを使用するべきである。油剤としてはポリエーテル系
油剤、鉱物油、植物油等が使用できるし、糊剤としては
ポリビニールアルコール系が一般的である。これらの剤
で形体保持性を与える為には、巻取前のデリベリ−ロー
ラーを常にこれらの剤で濡れさせながら付与する方法が
経済的である。他の方法として、複合繊維中の熱可塑性
フィラメントに注目しこの熱可塑性フィラメントを加熱
することにより間隔的又は部分的又は連続的に可塑化さ
せ結合させる方法も採用される。この方法はデリベリ−
ローラー表面を加熱歯車状にしその歯先が加熱すること
により熱可塑性フィラメントを可塑化ざぜ半融着又は融
着させる方法が工業的には有利である。この時この歯車
上の複合繊維を耐熱ゴムローラー等で少し加圧するとよ
り効果的でおる。又伯の方法としては熱可塑性フィラメ
ント側により熱可塑化されやすい無配向、非品性繊維を
混繊又は複合し、これを長さ方向に連続的に加熱するこ
とにより、ドレープ性を消失させることなく結合された
複合繊維を得ることができる。又別の加熱結合手段とし
てレーザー加熱方法も有効でおり、間隔的に結合させる
にはミラーで振動させるか糸条を振動させる方法も考え
られる。連続的に行うには糸条、糸導を安定させておけ
ばよい。
本発明で特に耐熱性を要求される分野に使用される複合
材を得る為には熱可塑性フィラメントとして耐熱性のあ
るものを用いる必要があり、その為にはそのポリマーの
ガラス転移温度(Tg)が80℃以上、好ましくは13
0’C以上のものを用いるとよい。因みに、ボリフエニ
レンサルアイドは丁gが85〜93°C位でおり、ポリ
アリーレンエチルケトンの内ポリエーテルエーテルケト
ンは143°C位、又ポリエーテルケトンは152°C
位であり、ポリエーテルエーテルケトンケトンは150
℃位、ポリエーテルケトンケトンは165°C位である
以上の結合性熱可塑性樹脂に対し非品性でおるポリエー
テルイミドは217℃位であり、ポリスルフォンは19
0’C,ポリエーテルケトンtンは225℃のTgを有
する。耐熱性をあまり要求されない用途にはポリアミド
(ナイロン6、ナイロン66、ナイロン12.ナイロン
11.ナイロン6/68/12ターポリマーの如きホモ
ポリマー、コポリマーから得られる繊維、又ポリエステ
ルとしてはポリエチレンテレフタレート、ポリブチレン
テレフタレート。
ポリエチレン−2,6−ナフタレート、ポリオキシエト
キシベンゾエート及びボリアリレートなどのホモ、又は
コポリマー繊維が、又ポリオレフィンとしてはポリエチ
レン、ポリプロピレン等の繊維が、特に耐薬品分野には
ポリフッ化ビニリデン等のフッ化熱可塑性樹脂からの繊
維も用いられる。
以上の如き熱可塑性繊維の好ましい単糸Deの範囲は一
般的にlde〜201e位の範囲である。lde未満で
は各工程での取扱時毛羽立ちが多くなり、20deを越
えると均一積層化が困難であるばかりか積層物は柔軟性
にも欠けてくる。そして、より好ましい単糸Deの範囲
は2de〜15deであり、仝Deとしては補強繊維の
仝Deと体積分率をいかにするかにより決定される。
一般に、補強繊維の体積分率は30〜70%、好ましく
は55〜65%でおり、この分率が30%未満になると
補強効果が少なくなり、一方70%を越えると均一性や
母材となる熱可塑性樹脂の濡れが悪くなり品質バラツキ
が大きくなる。
一方、補強繊維としては、主として炭素繊維。
セラミック1iutt <炭化ケイ素系、炭化窒素系、
アルミナ系、ボロン系)、ガラス繊維、アラミド繊維が
使用される。これらの補強I!雑の直径は3〜50μで
あり、好ましくは3〜30μである。特に無機系の繊維
の場合、直径が大きくなるとドレープ性が低下すると共
に取扱時破断する。これら補強繊維のフィラメント数は
100〜10000のものが好ましい。
このことから、本発明の積層複合繊維は、補強繊維のフ
ィラメント数が100〜10000のものとこの体積分
率を選定して熱可塑性フィラメント単糸0eと仝Oeを
決定し、積層時の扁平幅は2〜5mmにするのが好まし
い。補強繊維として炭素繊維を例にとると、フィラメン
ト数が1000〜eoooのものに、単糸oeが2〜1
5deで仝Deが300〜1800deの熱可塑性フィ
ラメントを幅2〜5mm位に積層結合すると体積分率約
60%のものが得られる。
本発明で得られる積層複合繊維は、布帛(織。
編物等)にし、又はフィラメントワインド法により使用
され、加熱加圧成形され複合材となるが、この最終成形
加工時には熱可塑性繊維は溶融され固化されることから
、この溶融−固化時に強化繊維とよく濡れ接着させるこ
とが好ましい。熱可塑性樹脂と補強繊維との接着には他
の不純物の存在は好ましくなく、従って本発明の複合I
!維を油剤や糊剤で結束させたものの布帛を成形すると
きには、これら油剤や糊剤を除く必要がおる。若しこれ
ら不純物が残っていると接着力を低下し良好な特性を有
する成形品(複合材)が得られない。又不純物が成形温
度で分解しガス発生をする場合には、成形物中、又は表
面に空孔(ボイド)を作り表面も美しくなく、力学特性
にも劣るものになる。
これらに対し複合繊維を熱可塑性繊維で一部又は連続的
に結合させたものでは製織時油剤や糊を使用しないで製
織でき、従って成形加工前に不純物を取り除く必要がな
くなる。
なお、本発明は以下の態様を包含するものである。
a、 (1)又は(2)項記載の製造法において、形態
保持処理剤が水、油剤又は糊剤であること。
b、(1)又は(2)項記載の製造法において、形態保
持処理が、間隔的又は部分的又は連続的に熱可塑性繊維
を加熱し扁平積層複合繊維の幅が2〜5mmになるよう
に結合させること。
C1(1)又は(2)項の製造法において、フィードロ
ーラーとデリベリ−ローラー間の各糸条張力が応力にし
て0.20/de以下であり、この間がオーバーフィー
ドになっていないこと。
d、(1)又は(2)項の製造法において、デリベリ−
ローラー表面が常に水、油剤又は糊剤で濡らされること
e、(i)又は(2)項の製造法において、補強繊維の
フィードローラーが加熱されていないこと。
f、(1)又は(2)項記載の熱可塑性lli#iがポ
リアリーレンエーテルケトン、ポリフェニレンサルファ
イド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルフォン、
ボリアリレート、ポリスルフォン又はポリアリーレンサ
ルファイドであること。
Q、(1)又は(2)項記載の補強繊維が炭素繊維。
セラミック繊維又はガラス繊維であること。
[効果] 本発明の複合繊維は、前述の如く母材となる熱可塑性$
J11tのマルチフィラメントと、補強繊維のマルチフ
ィラメントを両者共に油剤やサイジング剤を実質付着さ
せていない状態で無撚状態で無撚状態で取り出し両者共
にホットローラーに別個に通し又は熱可塑性フィラメン
トのみをホットローラーを通し、補強繊維であるマルチ
フィラメント非加熱ローラーに通してから、低張力下に
デリベリ−ローラー上にて扁平状に積層しその状態が形
態保持処理を施して結合された複合繊維を製造すること
ができる。しかもこのものは、均一でループ、毛羽、糸
足差がなく、しかも強化繊維を破断することがなく、又
繊維の複合割合を一定にすることができ、しかもその後
の取扱性において柔軟であり、成形品にあってはその力
学特性で引張強度、モジュラス曲げ強度、モジュラスの
優れた成形品を与え、表面も美しいものとなる。又本発
明の製造法は繊維の種類を選ぶこともなく、又その工程
においても簡単で安価に実施することができるので、工
業化に極めて有利な製造法といえる。
[実施例] 以下実施例により本発明を置体的に説明する。
実施例1 1CI社製PEEK150Gを溶融紡糸し、全De90
0 、フィラメント数400で強度2.8g/de 、
伸度55%のものを温水97℃のバスで延伸し得た。又
、強化l11Mは東し■製T−300の3に品(全De
 1800 。
単糸数3000)を350℃電気炉中で30分処理しサ
イジング剤を完全に除去した。次にPEEK繊維を0、
3g/deの張力で無撚状態で取り出し120℃のフィ
ードホットローラー(直径12Cmのネルソンタイプ)
に7回巻回し、一方炭素繊維は0.35(1/deの張
力で無撚状態で取り出して150℃のホットローラー 
(PEEKローラー用と同じ)に5回巻回した。
次いで、それらの繊維を、次の松本油脂II製ママ−に
ソー/LzTS−104トDMA−705(7)糊剤ヲ
50 : 50(7)濃度8%のもので常に濡れている
デリベリ−ローラーに供給した。この時のPEEKI!
Ii維はフィードローラーを出た時4〜5mm幅に扁平
状になっており、ローラー間での張力は0.003(1
/deであった。一方の炭素繊維はフィードローラーを
出た時扁平化されており幅が3〜4mmになっており、
張力は0、0025g/deであった。この両者の糸条
をデリベリ−ローラー迄3mm幅にガイドで規制しPE
EK繊維をデリベリ−面上にし、その上に炭素繊維を積
層し4回巻回させその後巻き取った。
この巻き取られた糸条を60℃で15分間乾燥し、幅3
mmの扁平状積層複合繊維が出来た。この糸条をレピア
織機を用いて目付290(1/−rrtの平織物を得た
が、この場合毛羽、ループ、炭素繊維の破断が非常に少
なく、しかも各糸条の糸足差がない状態で製織された。
次にこの布帛を80℃の温水で精練し、糊剤を完全に除
き180 ’Cの乾燥機を通して乾燥させた。この布帛
をタテ、ヨコを揃え12枚積層し、200℃に加熱され
ているプレス機に入れ圧力10K(]/Cm2で330
°C迄昇温し、更に圧力を28KMCm2に上げた状態
で390°Cに昇温ざぜ5分間保持し、その圧力のまま
100℃迄20’C/分降温速度で冷却し取り出した。
成形品の表面及び断面にはボイドは見られず、又美しい
ものであった。この物の力学特性で3点曲げテストを行
った。曲げ強度は142 K(]/mm2でその弾性率
は7400K(]/mm2であった。引張強度は106
 K(1/mm2であり良好でめった。この物の炭素繊
維体積分率は59%でおる。
実施例2 溶融粘度2500ポイズ(320℃シアレイト1000
/5ec)のポリフェニレンサルファイド(PPS)を
325°Cで溶融紡糸し水のみを付着させ300デニー
ル/100フイラメントの未延伸糸を得た。一方溶融紡
糸後87°C温水バスで延伸乾燥非接触ヒーターでセッ
トし、強度2.3jJ/de 、伸度60%の600デ
ニール/200フイラメントのものを得た。一方炭素繊
維は実施例1と同一の条件で供給されPPSフィラメン
ト側は300デニール/100フイラメントを70℃の
フィードローラーに、600 /200を100℃のフ
ィードローラーにて夫々0.15g/de、 0.2g
/deで無撚取り出しで供給し、フィードローラー。
デリベリ−ローラー間張力は各0.002CI/deで
幅は夫々3〜4mm、4〜5mmであった。デリベリ−
ローラー上へは幅規制を3mmとし、PPSフィラメン
ト下に次に炭素繊維をその上に更にPPSフィラメント
300デニール未延伸糸を積層させ280℃の100m
/分デリベリーローラー上に5回巻回させ巻き取った。
この積層複合糸はPPSの未延伸繊維が融着状態で60
0デニールのPPS繊維は半融着状態でおり、結束され
た柔軟な複合繊維となっていた。この複合糸条をそのま
ま実施例と同一規格で織物とした。製織時には油剤、糊
剤を使用しなくても製織回転数をやや調整するだけでト
ラブルなく製織でき、目面品位も良好であり毛羽、ルー
プ、糸足差、破断の非常に少ないものであった。
この布帛を実施例1と同様に積層し100℃の成形機に
入れ圧力10KMcm2で加圧し280℃迄昇温し圧力
を20KMcmに上げ、その状態で310’Cに上げ5
分間保持し、50°C迄20’C/分で徐々に冷却し取
り出した。このものの引張強度は105にg/mmz 
3点曲げ強度は136 Kg/mm2 、弾性率は72
50KMmm2であり良好であった。又成形物の表面断
面にはボイドは見られなかった。炭素繊維の体積分率は
60%である。
比較例1 実施例1でPEEK繊維にはポリエーテル系油剤を0.
5%付看させたものを、炭素繊維にはサイジング剤を付
着させたままのものを、ローラーを加熱しない以外は実
施例1と同一プロセスで複合lIi維を作成し、その後
は実施例1と同様の織物。
成形法を用い成形物を得た。このプロセスでの複合繊維
は炭素I!維及びPEEKI維共に扁平状になっていな
く、ただ合糸された状態であり全体として丸くなってい
た。毛羽、断糸、ループは見られなかったが、この成形
物の3点曲げ強度は72K(]/ mm2で必り、その
破断面には炭素繊維がPEEK樹脂で濡れていない部分
が多く残っていた。
比較例2 比較例1のPEEK繊維と炭素繊維を用い、特開昭62
−135537号実施例1と同一方法で各工程張力を夫
々繊維に対し半分にして均一混繊糸を得た。
この混繊糸には炭素繊維が破断されている部分が多く見
られ、又PEEK繊維にもループが多く見られた。この
糸条を用い実施例と同一織物を作成したが、その製織性
は悪く、又織物の表面には多くの毛羽やループ及び糸足
差があった。
これを実施例1と同様の成形加工を行い、成形物を得た
が、その3点曲げ強度は95KMmm2 、弾性率は6
210KCI/ mm2であり、炭素繊維が有効に利用
されていないことを示していた。更に成形物の表面も炭
素繊維が美しく揃ってなくみだれていた。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)共に、油剤やサイジング剤が実質的に付着されて
    いない補強マルチフィラメントと母材となる熱可塑性マ
    ルチフィラメントとを複合合糸するに当り、両マルチフ
    ィラメントを共に無撚状態で応力として0.03g/d
    e以上の張力下に夫々表面温度が50℃以上で同一表面
    速度で回転するホットローラーに1回以上巻回させて供
    給し、この表面速度より速い速度で回転している単一の
    デリベリーローラー上で両者を扁平状にて積層させ且つ
    形態保持処理を施した後巻き取ることを特徴とする複合
    繊維の製造方法。
  2. (2)補強繊維を両側から熱可塑性フィラメントで挟み
    込むように積層する請求項(1)記載の複合繊維の製造
    方法。
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Cited By (4)

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