JPH01280034A

JPH01280034A - プリフォーム製造用縫糸およびその製造方法

Info

Publication number: JPH01280034A
Application number: JP4308588A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Honma; 清本間; Akira Nishimura; 明西村; Toru Hiramatsu; 徹平松
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1988-02-22
Filing date: 1988-02-24
Publication date: 1989-11-10
Anticipated expiration: 2010-03-22
Also published as: JPH0726273B2

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】［産業上の利用分野］この本発明は、炭素繊維強化プラスチック（ｃＦＲＰ）
や炭素繊維強化炭素（ｃＦＲＣ）　、炭素繊維強化金属
（ｃＦＲＭ）等の複合材料を成形する際に用いる炭素繊
維プリフォーム材を製造するのに適した炭素繊維糸およ
びそれを製造する方法に関する。

［従来の技術］ＣＦＲＰ等の、炭素繊維を用いる複合材料を成形する際
に、補強基材として、炭素繊維織物等を積層して使用す
ることはよく知られている。その場合、たとえば米国特
許筒４．６２２，２５４号明細書に記載されているよう
に、積層した織物等を縫糸であらかじめ一体に縫合し、
プリフォーム材としておくことがある。そうすると、成
形時に織物等をいちいち積層する手間が省けるばかりか
、縫糸による、基材、ひいてはＣＦＲＰ等の、層間剪断
強度や層間剥離強度等の向上が期待できるからでおる。

また、たとえば特開昭５９−’１５７３６１号公報には
、炭素繊維束を互いに並行に引き揃えてなる繊維束群を
、複数個、隣接する群間で繊維束が互いに交差するよう
に層状配置するとともに、その配置形態を編糸で編組織
することによって固定してなるプリフォーム材が記載さ
れている。

さて、そのような、炭素繊維からなるプリフォーム材を
製造するときに使用する縫糸や編糸とし°ては、ガラス
繊維糸や、ポリエステル繊維糸等の有機繊維糸が使われ
ることもあるにはあるが、これらは、吸水性が大きかっ
たり、耐熱性が低かつたり、複合材料の、たとえばマト
リクス樹脂との接着性が悪かったり、強度や弾性率等の
力学的特性が劣っているなどの問題があるため、そのよ
うな不都合が少ない炭素繊維糸の使用が最も好ましいと
いわれている。ところが、炭素繊維糸を単なる繊維束の
形態のまま用いると、炭素繊維は大変脆いために、縫合
時や編立時に、基材との擦過によって単繊維切れを起こ
したり、著しい毛羽立ちを生ずるなどの問題がでてくる
。

［発明が解決しようとする課題］この発明の目的は、従来の炭素繊維糸の上述した問題点
を解決し、ＣＦＲＰ等の複合材料における、炭素繊維か
らなるプリフォーム材を製造するときの縫糸や編糸とし
て使用した時、単繊維切れや毛羽を発生する心配がほと
んどないばかりか、基材、ひいては複合材料の機械的特
性をも向上させることができる炭素繊維糸と、そのよう
な炭素繊維糸を低コストで製造する方法を提供するにお
る。

［課題を解決するための手段］上述した目的を達成するために、この発明においては、
複数本の、炭素繊維束からなる単糸が合撚されて上撚が
できており、各単糸は、（ａ）　　撚を有し、（ｂ）　　単繊維の繊度が０．５デニール以下であり、（ｃ）　　単繊維の破断伸度が２．５％以上であり、（ｄ）　　単繊維の数が５００〜３０００本であり、上撚と各単糸の撚とは撚方向が逆になってあり、上撚数
は撚係数が１．２〜２．２となる範囲にあり、各単糸の
撚数は上撚数の０．１〜０．８倍の範囲にあり、かつ、
任意の一定長をみたとき、各単糸の長さが互いに等しく
なっていることを特徴とする複合材利用炭素繊維糸が提
供される。また、この発明においては、そのような炭素
繊維糸を製造する方法として、炭素繊維束かうなり、か
つ下撚を有する単糸を、複数本、一対のローラからなる
ニップローラの間に、互いに間隔を保って、かつ各単糸
が各ローラの表面にその周長の少なくとも１／３にわた
って接触するように供給する工程と、ニップローラから
出てくる複数本の単糸を合撚して各単糸の下撚方向とは
逆方向の上撚をかける工程とを含むことを特徴とする複
合材利用炭素繊維糸の製造方法が提供される。

この発明の詳細な説明するに、この発明においては、炭
素繊維束からなる単糸に下撚を加えてその単糸を構成し
ている各単繊維を拘束するとともに、そのような、下撚
を有する単糸の複数本を特定の条件下で合撚して下撚と
は逆方向の上撚をかける。かくして炭素繊維糸が得られ
るが、その炭素繊維糸は、上撚と単糸の撚とが特定の関
係になっていて、単糸が炭素繊維糸に与える解撚トルク
と、炭素繊維糸自身の解撚トルクとがバランスし、ねじ
れのない、安定した形態を維持することができる。

単糸は、それを構成している各単繊維が、繊度が０．５
デニール以下で、破断伸度が２．５％以上、好ましくは
３．５％以上であるものでなげればならない。すなわち
、繊度が０．５デニールを越えるような太い単繊維では
、曲げたときの発生応力が大きいために、単繊維切れや
毛羽の発生を有効に防止することができない。また、後
述する製造時において、単糸に安定した張力を付与する
ことかできなくなり、各単糸間で長さのばらつきができ
るようになる。加えて、単繊維切れや毛羽の発生の防止
には、繊度がＯｊ　５デニール以下でおるということの
みでは十分でなく、破断伸度が２．５％以上でおること
も合わせて必要でおる。

Ｖなわち、単繊維が曲げられると、その単繊維には引張
と圧縮の応力が同時に発生することになるが、引張と圧
縮を繰り返し受けたときの単繊維切れや毛羽の発生は、
破断伸度が２．５％以上と大きい単繊維でなければ防止
できない。

ここで、単繊維の破断伸度は、いわゆる単繊維ループ試
験法によって測定する。この方法は、グリセリンを１〜
２滴たらしたガラス板上に単繊維をそれがループを１回
形成するように起き、その上にプレパラートを置き、顕
微鏡で上記ループを視野にとらえながら単繊維の両端を
一定速度で引張って破断させ、次式から求める方法であ
る。

ε＝１．０６６ｘ　（ｄ１／ｄ２）Ｘｉ○○ただし、ε
　：破断伸度（％）ｄｌ：単繊維の直径（μｍ）ｄ２：破断直前のループの平均直径（μｍ）単糸を構成している単繊維の数は、５００〜３０００で
なければならない。単繊維の数が５００本よりも少なく
なると、結節強力が大きく低下してきて、上述した縫糸
や編糸として実用に供し得なくなる。一方、３０００本
よりも多くなると、結節強力は向上するものの、太くな
って縫合時ヤ編立時等にあける基材との摩擦抵抗が大き
くなり、また、プリフォーム材の表面平滑性、ひいては
複合材料の表面平滑性が大きく損われるようになる。

さて、この発明の炭素繊維糸は、単糸の撚とは逆方向の
上撚を有するが、上撚数は、撚係数が１゜２〜２．２と
なる範囲になければならない。また、単糸の撚数は上撚
数の０．１〜０．８倍でなげればならない。このような
上撚と単糸の撚との関係は、炭素繊維糸自身の解撚トル
クと単糸が炭素繊維糸に与える解撚トルクとをバランス
させ、ねじれをなくすために必須の要件である。また、
上撚数は、炭素繊維糸の結節強力や耐擦過性等にも大い
に関係し、結節強力は、撚係数が１．５〜１゜７の範囲
におるとき最大となる。ここで、撚係数は、次式で表わ
されるものである。

Ｋ−（ＴＸ’Ｄ）／７３ただし、Ｋ：撚係数Ｔ：上撚数（回／２５ｍｍ）Ｄ：炭素繊維糸の繊度（デニール）この発明において、合撚する単糸の数は、用途等によっ
て異なるものの、良好な横断面形状が得られるという理
由で、２〜６本程度であるのが好ましい。上述した縫糸
や編糸として使用するものにおっては、２〜３本である
のが好ましい。

さて、この発明の炭素繊維糸は、任意の一定長をみたと
き、それを構成している各単糸間に、長さのばらつき、
いわゆる糸長差がなく、すべての単糸の長さが等しくな
っていることが必要である。

すなわち、各単糸の長さが異なっていると、炭素繊維糸
が緊張されたとき、最も短い単糸にまず負荷がかかり、
次いでその次に長い単糸に負荷がかかるといった状況が
現出されるため、炭素繊維糸の強力が大変低くなってし
まう。もちろん、結節強力も低下してくる。ここで、長
さが互いに等しいということは、文字どおり同一である
場合はもちろんのこと、長さのばらつきが０．１％以内
と非常に少ない場合をも含むものである。

上述したような炭素繊維糸は、下撚を有する複数本の単
糸を、一対のローラからなるニップローラの間に、互い
に間隔を保って、かつ各単糸が各ローラの表面にその周
長の少なくとも１／３にわたって接触するように供給す
るとともに、ニップローラから出てきた複数本の単糸を
合撚して上撚をかけることによって製造することができ
る。このとき、得られる炭素繊維糸の上撚と単糸の撚と
の関係が、上述したように、上撚数は撚係数が１゜２〜
２．２となるように、また、単糸の撚数が上撚数の０．
１〜０．８倍になるような条件を選ぶことはいうまでも
ない。単糸に付与されている下撚は、合撚に際して解撚
され、撚数が減少する。

したがって、ニップローラに供給する単糸の下撚数は、
得られる炭素繊維糸における単糸の撚数よりも多い。ニ
ップローラは、駆動ローラと従動ローラとからなるよう
なものであるが、そのようなニップローラに供給する複
数本の単糸間に間隔を保っておくのは、複数本の単糸が
互いに絡み合ったのでは張力の制御ができなくなるから
でおる。

これは、一般の衣料用の糸の合撚にはみられないことで
おる。また、単糸が各ローラの表面にその周長の少なく
とも１／３にわたって接触するようにするのは、ニップ
ローラ上での滑りを防止し、炭素繊維糸を構成する単糸
間に、いわゆる糸長差ができないようにするためである
。この点も、衣料用の糸の製造においては、ニップロー
ラでは、供給される糸を単に挟んで把持するのが普通で
あるから、大きく相異する。なお、合撚には、繊維産業
においてよく知られたリング型撚糸機等を使用すること
ができる。

［実施態様］第１図において、炭素繊維糸１は、２本の、単繊維の繊
度が０．５デニール以下で、単繊維の破断伸度が２．５
％以上で、単繊維の数が５００〜３０００本である炭素
繊維束からなる単糸２．３を有する。各単糸２．３は、
撚を有している。また、炭素ｌ！維糸１は上撚を有して
いる。しかして、単糸２．３の撚はＳ撚であるが、上撚
はＺ撚でおる。上撚数は撚係数が１．２〜２．２となる
範囲にあり、また、単糸２．３の撚数は上撚数の０゜１
〜０．８倍になっている。また、炭素繊維糸１は、任意
の一定長りをみたとき、各単糸２．３の長さが互いに等
しくなっている。

第２図は、第１図に示したような炭素繊維糸を製造して
いる様子を示すもので、まず、図示しないパッケージか
らガイド等を介して引き出した、２本の、下撚を有する
炭素繊維束からなる単糸１０１１１を、矢印方向に駆動
されている駆動ローラ４と、その駆動ローラ４に接触し
て従動回転する従動ローラ５とからなるニップローラ６
に供給する。２本の単糸１０．１１の下撚数は、最終的
に得られる炭素繊維糸にあける単糸の撚数よりも多くな
っている。

単糸１０．１１は、駆動ローラ４と従動ローラ５との間
に、図示するように、絡み合いを防止するため、好まし
くは３〜１５ｍｍはどの間隔を保って、かつ図面左方か
ら児てＳ字形になるように供給する。これにより、各単
糸１０．１１は、駆動ローラ４および従動ローラ５の表
面にその周長の大部分にわたって接触するようになり、
ニップローラ６上での滑りが防止されるようになって後
のリング型撚糸機までの張力変動が大変少なくなる。

したがって、上述した、いわゆる糸長差の発生を防止す
ることができるようになる。

ニップローラ６から出てくる単糸１０．１１は、ガイド
７を経て周知のリング型撚糸機８に導かれ、合撚されて
所定の上撚が加えられ、パッケージ９として巻き取られ
る。上撚をかける際、その操作に伴って単糸の下撚数は
減少する。

［実施例］第２図に示した方法により、２本の、下撚を有する単糸
を用いて炭素繊維糸を得た。

すなわち、単繊維の繊度が０．４デニールであり、単繊
維の破断伸度が４．１％であり、単繊維の数が１０００
本であり、５．８８回／２５ｍｍのＳ方向の下撚を有す
る炭素繊維束からなる単糸を、２本、２４ｍ／分の速度
で、同一周速度のニップローラの間に、５ｍｍの間隔を
保って、かつ、第２図に示したように、Ｓ字形で、各単
糸がニップローラの各ローラの表面にその周長の約１／
２にわたって接触するように供給するとともに、そのニ
ップローラからでてくる２本の単糸をリング撚糸機で合
撚して４．２５回／２５ｍｍのＺ方向の上撚をかけた。

かくして得られた炭素繊維糸は、上撚数が４゜２５回／
２５ｍｍで、単糸の撚数が１．６３回／２５ｍｍであっ
た。したがって、撚係数は１．６５であり、単糸の撚数
は上撚数の０．３８倍にある。

各単糸間における糸長差は、全く認められなかつた。

次に、ＡＳＴＭ　　Ｄ２２５６に規定される方法により
、上記炭素繊維糸の結節強力を測定したところ、４２０
０Ｃ］であった。また、上記炭素繊維糸を縫糸とし、工
業用ミシンを用いて、単繊維径が７μｍで、単繊維数が
１０００本である炭素繊維束を織糸として織成した、経
糸および緯糸の密度がともに５本／ｃｍでおる炭素繊維
織物を１０枚積層したものを５０回／分の速度で単環縫
いし、プリフォーム材を製造したところ、炭素繊維糸に
は、単繊維切れも、毛羽の発生も、いずれも全く認めら
れなかった。

［比較例］単糸を、ニップローラで単に挟んで把持したほかは実施
例と全く同様にして、炭素繊維糸を得た。

この炭素繊維糸の糸長差には、０．５５％のばらつきが
あった。

次に、この炭素繊維糸について実施例と同様の試験をし
たところ、結節強力は３１６０Ｃ１であり、実施例のも
のの約７５％にすぎなかった。また、実施例と同様にプ
リフォーム材を￥Ａ造したところ、毛羽の発生は認めら
れなかったものの、各所で単繊維切れが多く発生した。

［発明の効果］この発明の複合材料用炭素繊維糸は、複数本の、炭素繊
維束からなる単糸が合撚されて上撚ができており、各単
糸は、（ａ）　　撚を有し、（ｂ）　　単繊維の繊度が０．５デニール以下であり、（ｃ）　　単繊維の破断伸度が２．５％以上であり、（ｄ）　　単繊維の数が５００〜３０００本であり、上撚と各単糸の撚とは撚方向が逆になっており、上撚数
は撚係数が１．２〜２．２となる範囲にあり、各単糸の
撚数は上撚数の０．１〜０．８倍の範囲におり、かつ、
任意の一定長をみたとき、各単糸の長さが互いに等しく
なっているもので必るから、実施例にも示したように、
隙過を受けても単繊維切れや毛羽の発生がほとんどない
。そのため、炭素ｐ！維を用いる複合材料にあけるプリ
フォーム材を製造する際の縫糸や編糸として大変好適で
おる。しかも、炭素繊維は補強繊維のなかでも力学的特
性が特に優れているから、基材、ひいては複合材料の機
械的特性をも向上させることができるようになる。

また、この発明においては、上述した炭素繊維糸を、炭
素繊維束からなり、かつ下撚を有する単糸を、複数本、
一対のローラからなるニップローラの間に、互いに間隔
を保って、かつ各単糸が各ローラの表面にその周長の少
なくとも１／３にわたって接触するように供給するとと
もに、ニップローラから出てくる複数本の単糸を合撚し
て各単糸の下撚方向とは逆方向の上撚をかけることによ
って製造するので、従来使われているリング型撚糸機等
をほとんどそのまま利用することができ、製造コストが
低くなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の炭素繊維糸の一実ｆＮ態様を示す
概略正面図、第２図は、この発明の炭素繊維糸を製造し
ている様子を示す、リング型撚糸機の概略斜視図である
。１：炭素繊維糸２：撚を有する単糸３：撚を有する単糸４：駆動ローラ５：従動ローラ６：ニップローラ７：ガイド８：リング型撚糸機９：炭素繊維糸のパッケージ１０：下撚を有する単糸１１：下撚を有する単糸

Claims

【特許請求の範囲】

（１）複数本の、炭素繊維束からなる単糸が合撚されて
上撚ができており、各前記単糸は、（ａ）撚を有し、（ｂ）単繊維の繊度が０．５デニール以下であり、（ｃ）単繊維の破断伸度が２．５％以上であり、（ｄ）単繊維の数が５００〜３０００本であり、前記上撚と各前記単糸の撚とは撚方向が逆になっており
、上撚数は撚係数が１．２〜２．２となる範囲にあり、
各前記単糸の撚数は前記上撚数の０．１〜０．８倍の範
囲にあり、かつ、任意の一定長をみたとき、各前記単糸
の長さが互いに等しくなっていることを特徴とする複合
材料用炭素繊維糸。
（２）炭素繊維束からなり、かつ下撚を有する単糸を、
複数本、一対のローラからなるニップローラの間に、互
いに間隔を保って、かつ各前記単糸が各前記ローラの表
面にその周長の少なくとも１／３にわたって接触するよ
うに供給する工程と、前記ニップローラから出てくる複
数本の前記単糸を合撚して各前記単糸の前記下撚方向と
は逆方向の上撚をかける工程とを含むことを特徴とする
、請求項（１）記載の複合材料用炭素繊維糸の製造方法
。