JPH02160508A - 繊維強化複合材の製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、強化繊維と熱可塑性樹脂とが一体化された繊
維強化複合材の製造方法に関する。

（従来の技術） ストランド状の連続する強化繊維を粉体状熱可塑性樹脂
の中を通過させて強化繊維に粉体状熱可塑性樹脂を保持
させた後、加熱炉を通過させることにより、粉体状熱可
塑性樹脂を溶融させて強化繊維と熱可塑性樹脂とを一体
化させる繊維強化複合材の製造方法は広く知られている
。

従来実施されている製造方法は、加熱炉の後方位置に引
き取り機を設置し、この引き取り機でストランド状強化
繊維を連続的に引き取り、粉体状熱可塑性樹脂の流動床
及び加熱炉を通過させるものである。

この方法によれば、強化繊維のフィラメントが一方向に
引き揃えられた繊維強化複合材を得ることができるため
、曲げ強度の比較的高い繊維強化複合材を得ることがで
きる。ところが、上記したように強化繊維は張力がかか
った状態で粉体状熱可塑性樹脂中を通過するため強化繊
維は充分開繊されていす、従って強化繊維の内部にまで
粉体状熱可塑性樹脂が侵入せず、製造された繊維強化複
合材の強度が不十分であった。

上記欠点を改善する方法として、特公昭５２−３９８５
号公報には、流動床中に螺条を切ったバーを複数本平行
に架設し、強化繊維をこのバーに交互に通すことにより
強化繊維を開繊して強化繊維の内部にまで熱可塑性樹脂
を侵入させる方法が提案され、特開昭５８−５０１９４
３号公報には流動床中に配設された複数のローラーの周
面に強化繊維を押し付けながら通過させることによって
、強化繊維の内部にまで熱可塑性樹脂を侵入させる方法
が提案され、さらに特開昭６３−２７０８号公報には流
動床中に架設された複数の湾曲バーの上下面に強化繊維
を交互に押し付けて強化繊維の幅を変化させながら通過
させることによって、強化繊維の内部にまで熱可塑性樹
脂を侵入させる方法が提案されている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記した方法はいずれも、強化繊維に張
力をかけた状態で機械的な開繊操作を行うものであり、
従って、開繊操作によってフィラメントと他の部材との
摩擦やフィラメント同志の摩擦等によるフィラメントの
切断が起こり易く、安定した操業が行えなかった。

本発明は上記欠点を解決するものであり、その目的とす
るところは、強化繊維のフィラメントが一方向に揃えら
れていると共に、強化繊維の内部にまで熱可塑性樹脂が
含浸されて強度の高い繊維強化複合材を得ることができ
、しかも安定した操業が行える繊維強化複合材の製造方
法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の繊維強化複合材の製造方法は、多数の非導電性
フィラメントより構成されるストランド状の強化繊維を
実質的に張力がかからない状態で帯電させた後、粉体状
熱可塑性樹脂の中を通過させてフィラメント間に粉体状
熱可塑性樹脂を保持させ、次いで強化繊維に張力をかけ
た状態で粉体状熱可塑性樹脂を加熱溶融させて強化繊維
と粉体状熱可塑性樹脂とを一体化することを特徴として
おり、そのことにより上記目的が達成される。

第１図は本発明に用いられる製造装置の一例を示したも
のである。

この製造装置は、ストランド状の強化繊維１が巻回され
たロール１ａをセットする巻戻しロール１０と、強化繊
維１を上下から挟持して図の矢印方向へ回転駆動するこ
とによりロール１ａから強化繊維１を巻戻すピンチロー
ル１１と、強化繊維ｌを通過させることによって強化繊
維１を帯電させる管状の電極５と、粉体状熱可塑性樹脂
２が供給されている容器２０と、容器２０を通過した強
化繊維１を引き取るピンチロール１２と、強化繊維１を
所定幅に広げる押圧ロール４０と、強化繊維１に保持さ
れた過剰の粉体状熱可塑性樹脂２を除去してその保持量
を一定にするスリッター５０．５１と、強化繊維に保持
された上記粉体状熱可塑性樹脂２を溶融させる遠赤外線
加熱炉６０と、溶融した熱可塑性樹脂を押圧して強化繊
維１と一体化させる加熱ロール６１と、その樹脂が保持
された強化繊維１の端部を引き取るピンチロール１３と
、を備えている。

第２図に示すように、管状電極５は直流高電圧発生装置
６に接続されており、この管状電極５の通口５ａを通過
する強化繊維１に電荷を付与できるようになっている。

通常、直流高電圧発生装置６の負極が管状電極５に接続
され、正極は接地されるのが良い。管状電極５の大きさ
は使用する強化繊維１の太さや本数により適宜決定され
る。通常通過口５ａの内径が１〜１００ｍｍ程度、長さ
が５〜３００閤程度の管状電極５が使用される。管状電
極５に付加する電圧は使用する強化繊維１の種類により
適宜決定されるが、通常５〜９０ＫＶ程度が好ましい。

上記容器２０の底部には多数の通気孔２５が設けられて
おり、気体供給路２１から送られた気体がこの通気孔２
５を通って容器２０の内部へ送られるようになっている
。従って、容器２０内に入れられた上記粉体状熱可塑性
樹脂２は、その気体の噴出によって流動化した状態とな
り流動床２６が形成されている。容器２０の壁の上端部
及び内部には、強化繊維１を案内するガイドロール２２
．２３．２４が配設されている。

上記ロール１ａとガイドレール２２との間に配設された
ピンチロール１１と、容器２０の後方位置に配設された
上記ピンチロール１２とは１．はぼ同速度で回転駆動す
るように構成されていて、両ピンチロール１１．１２の
間では強化繊維１に張力がかからないようになっている
。また、両ピンチロール１１．１２の間には、強化繊維
１の張力を検出する張力検出機３工が配設され、この張
力検出機３１からの検出信号をピンチロール１１及び／
又は１２の駆動部に伝えてピンチロール１１及び／又は
１２の駆動速度を変更することで強化繊維１にかかる張
力を調節することができるように構成されている。また
、ピンチロール１２と強化繊維ｌの端部を引き取るピン
チロール１３との間にも張力検出機３２が配設され、こ
の張力検出機３２からの検出信号をピンチロール１３に
伝えてピンチロール１３の駆動速度を変えることにより
、強化繊維１に作用する張力を調節することができるよ
うに構成されている。

次に、上記製造装置を用いて本発明の製造方法を説明す
る。

強化繊維１の端部は流動床２６の前後に配設されたビチ
ロール１１．１２で引き取られ、ロール１ａの外側より
撚りがかからないように順次巻戻される。

そして、強化繊維１は張力がかからない状態で管状電極
５の流通口５ａ及び容器２０内を通過する。強化繊維１
が管状電極５を通過する際に、強化繊維１のフィラメン
トに電荷が付与されて帯電される。

ここで、強化繊維１はほとんど張力がかかっていない状
態で帯電されるので、その帯電した静電気によりフィラ
メント同志が互いに反発して開繊されることになる。続
いて、強化繊維１はガイドロール２２．２３．２４で案
内されて容器２０内に導かれれると、ここでも強化繊維
１には張力が実質的にかからない状態で容器２０内を通
過するので、容器２０内に存在する粉体状熱可塑性樹脂
２が開繊された強化繊維１のフィラメント間に容易に侵
入して付着する。特に、上記したように、容器２ｏ内に
通気孔２５から気体を噴出させて粉体状熱可塑性樹脂２
の流動床２６を形成することにより、空気流によってフ
ィラメントの開繊状態をさらに良くして粉体状熱可塑性
樹脂２をフィラメント間にさらに容易に侵入させること
ができる。

流動床２６を通過し、ピンチロール１２により送り出さ
れた粉体状熱可塑性樹脂２を有する強化繊維１は、次に
押圧ロール４０で押え付けられながら通過することで一
定幅の帯状に広げられ、引き続いて強化繊維１がスリン
ター５０．５１の上下面を通過する際に過剰の粉体状熱
可塑性樹脂が除去されてその保持量が一定とされる。上
記押圧ロール４００強化繊維１に対する押圧力及び角度
を変更することにより、薄帯状に広げる強化繊維工の幅
を変化させて最終製品における繊維強化複合材の強化繊
維１と熱可塑性樹脂との比率を調整することができる。

引き続いて、上記粉体状熱可塑性樹脂２が所定量保持さ
れた強化繊維１を遠赤外線加熱炉６０に供給して、ここ
で加熱することにより粉体状熱可塑性樹脂を溶融する。

その後、加熱ロール６１を通過させ、溶融した樹脂を上
下両面から押圧することによって樹脂同志及び溶融した
樹脂と強化繊維１とを一体化して薄帯状プリプレグの形
態で繊維強化複合材が得られる。

本発明で用いられるストランド状の連続した強化繊維１
としては、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリエステル繊
維、ポリアミド繊維等の非導電性繊維であって、通常繊
維径２〜４０ｕｍのフィラメントを数百〜数十１本同方
向に束ねて構成されるストランド状の連続する繊維が用
いられる。また強化繊維１は樹脂との接着強度を向上さ
せるために通常行われるサイジング処理が施されていて
も良い。また、使用する粉体状熱可塑性樹脂の溶融温度
において熱的に安定な繊維が選ばれる。

本発明で用いられる粉体状熱可塑性樹脂２は、ポリエチ
レン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスルホン
、ポリアミド、ポリフッ化ビニリデン、ポリフェニレン
サルファイド、ポリエーテルエーテルケトン等の熱によ
り軟化溶融する樹脂が総て使用可能である。また、これ
らの熱可塑性樹脂の混合物も使用し得る。安定剤、潤滑
剤、加工助剤、可塑剤、染料、顔料のような添加剤を、
熱可塑性樹脂に混合して用いても良い。この粉体状熱可
塑性樹脂の平均粒子径は、１〜１０００μ曙が好ましい
。粉体状熱可塑性樹脂の平均粒子径が１０００μｍを上
回ると流動床中での粉体の流動が好適に起こらず、スト
ランド状の連続強化繊維のフィラメント間への熱可塑性
樹脂の付着が低下する傾向にある。

さらに、上記容器２０に繊維状微小充填材を供給して強
化繊維１のフィラメント間に粉体状熱可塑性樹脂２とと
もに微小充填材を侵入保持させても良い。この微小充填
材としては、ガラス繊維、炭素繊維等の無機繊維のミル
ドファイバー、あるいは窒化ケイ素、炭化ケイ素、チタ
ン酸カリウム等のウィスカーが好適に用いられる。この
ように、微小充填材を強化繊維１のフィラメント間に保
持させることにより、ランダムに配向する微小充填材に
よって製造される繊維強化複合材の繊維間の強度を上げ
ることができ、強化繊維１の長手方向に沿った割れ等を
防止することができる。

この繊維状微小充填材の平均アスペクト比（Ｌ／Ｄ）は
５以上であるのが好ましい。平均アスペクト比が５を下
回ると、繊維状としての機能がなくなり、強化繊維ｌの
幅及び厚み方向に対する強度が充分得られない、また、
繊維状微小充填材の繊維長は１０〜１０００μ麟の範囲
が好ましい。繊維長が１０００　、！／　ＩＢを上回る
と、流動床２６中での粉体の流動が好適に起こらず、ス
トランド状の強化繊維１のフィラメント間に繊維状微小
充填材が充分付着しない、　１０μｍを下回ると繊維状
としての機能がなくなり、繊維強化複合材の幅及び厚み
方向に対する強度が充分得られない。繊維状微小充填材
は、粉体状熱可塑性樹脂と繊維状微小充填材との混合組
成物２中において、１〜３０容量％の範囲で含有される
のが良い。１容量％を下回ると、繊維状微小充填材の添
加効果が小さいため繊維強化複合材の幅及び厚み方向に
対する強度が充分得られず、３０容量％を上回ると、熱
可塑性樹脂の結合力が低下し、強化繊維１への熱可塑性
樹脂の含浸性が損なわれる傾向にある。

上記流動床２６を形成するための気体としては、通常空
気が用いられ、コンプレッサーやブロアー等から供給さ
れるのが良い。必要に応じて窒素、二酸化炭素、ヘリウ
ム、アルゴン等の不活性気体が用いられる。

なお、本発明の他の製造方法として、上記では管状の電
極５を使用して強化繊維ｌを帯電させるようにしたが、
間隙を介して平行に配設される一対の電極板の間に強化
繊維１を通すことにより、帯電させるようにしても良い
。また、粉体状熱可塑性樹脂２が保持された強化繊維ｌ
を、粉体状熱可塑性樹脂の溶融温度以上の温度に加熱さ
れた所望形状のスリットを有する金型中を通過させるこ
とにより、粉体状熱可塑性樹脂２と強化繊維ｌとを一体
化させつつ所望の横断面形状を存する長尺の繊維強化複
合材を得ても良い。

本発明によれば、フィラメントが一方向に配向している
ため、特に曲げ強度の高い繊維強化複合材が得られる。

また、強化繊維１は充分開繊された状態でそのフィラメ
ント間に粉体状熱可塑性樹脂が侵入付着するので、強化
繊維１の周囲だけでなく内部にまで樹脂が含浸した強度
の高い繊維−強化複合材が得られると共に、従来のよう
に強化繊維１を張力がかかった状態で機械的に開繊する
こともなく、フィラメントの切断の少ない強度の高い繊
維強化複合材が得られる。

このようにして得られた熱成形性複合材料は、種々の形
状に成形することができ、単独であるいは複数枚を積層
し、又は他の部材と積層して板材、管等に用いることが
できる。

（実施例） 以下に本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。

実１１引Ｌ 〈使用材料〉 ストランド状の強化繊維としてガラス繊維ロービング（
フィラメント径２２μｍ　、４４００ｇ／ｋｍ）を用い
た。粉体状熱可塑性樹脂としてナイロン−６（平均粒子
径８０ｕｍ）を用いた。

〈製造条件〉 第１図に示した装置を用いて薄帯状の繊維強化複合材（
プリプレグとも称される）を製造した。

容器２０は硬質ポリ塩化ビニル製のものを用い、容器２
０内に上記粉体状熱可塑性樹脂２を投入し、コンプレッ
サーにより容器２０底部の通気孔２５から容器２０内へ
空気を噴出させて流動床２６を形成した。

ピンチロール１１の駆動により予め４０ｃｍのストラン
ド１を管状電極５内及び流動床２６に送り込んだ後、ピ
ンチロール１２．１３を駆動させた。ピンチロール１１
．１２は１５０　ａｍ／ｍｉｎの一定速度でストランド
１を引き取るように設定した。また、ピンチロール１３
は張力検出機３２と連動してストランド１に約３ｋｇの
張力が常にかかるようにその引き取り速度を調節した。

ストランド】に張力がほとんどかからない状態で、この
ストランド１を４５ＫＶの負の直流電圧が付与された管
状電極５　（内径８圓、長す１００薗）を通過させてフ
ィラメント状態に開繊した。引き続き、流動床２６を通
過させてフィラメント間に粉体状熱可塑性樹脂２を付着
させた後、ロール４０上で幅約４ｃｍに広げ、スリッタ
ー５０．５１で上下面に付着した過剰の粉体状熱可塑性
樹脂２を除去した。

引き続いて、表面温度約３８０　’Ｃに設定された遠赤
外線ヒーターを有する加熱炉６０中を通過させ、粉体状
熱可塑性樹脂２を溶融させた後、２２５°Ｃに設定され
た加熱ロール６１を通過させ、ストランド１と樹脂とを
一体化させつつ引き取り、幅約４０ｍｍ、厚み約０，２
印の薄帯状の繊維強化複合材を得た。

得られた繊維強化複合材は、ガラス繊維含有量が３５重
量％でフィラメントが一方向に良く配向し、かつフィラ
メント間に樹脂が良（含浸したものであった。また、上
記製造操作を５時間連続して実施したが、フィラメント
の切断によるトラブルは発生せず安定した操業が行えた
。

得られた繊維強化複合材を数枚積層してプレス成形によ
り厚み３．２Ｍの一方向強化板を得、この強化板の曲げ
試験を行ったところ、曲げ強度は６０ｋｇ／ｍｍ”であ
った・ 大庭医主 く使用材料〉 ストランド状の強化繊維としてガラス繊維ロービング（
フィラメント径２２μｍ　、４４００ｇ／ｋｍ）を用い
、粉体状熱可塑性樹脂として下記組成の配合物から生成
した平均粒子径３００μｍの粉末を用いた。

（以下余白） 塩化ビニル樹脂（重合度８００）・・・１００重量部ブ
チル錫含硫黄系安定剤　　・・・３重量部ステアリルア
ルコール　　　・・・１重量部ポリオレワインワックス
　　・・弓重量部〈製造条件〉 実施例１と同様に、容器２０内に流動床２６を形成した
装置を用い、以下の条件で薄帯状の繊維強化複合材を製
造した。

ピンチロール１１により予め４０ｃｍのストランド１を
管状電極５内及び流動床２６に送り込んだ後、ピンチロ
ール１２．１３を駆動させた。ピンチロール１１．１２
は１５０　ｃｍ／ｌｌ１ｉｎの一定速度でストランド１
を引き取るように設定した。また、ピンチロール１３は
張力検出機３２と連動してストランド１に約３　ｋｇの
張力が常にかかるように引き取り速度を調節した。

ストランド１に張力がほとんどかからない状態で、この
ストランド１を６０ＫＶの負の直流電圧を付与された管
状電極５　（内径８ｍｍ、長さ１００　ｍｍ）を通過さ
せてフィラメント状態に開繊した。引き続き、流動床２
６を通過させてフィラメント間に粉体状熱可塑性樹脂２
を付着させた後、ロール４０上で幅約４ｃｍに広げ、ス
リッター５０．５１で上下面に付着した過剰の粉体状熱
可塑性樹脂２を除去した。

引き続いて、表面温度約３４０°Ｃに設定された遠赤外
線ヒーターを有する加熱炉６０中を通過させ粉体状熱可
塑性樹脂２を溶融させた後、１９０°Ｃに設定された加
熱ロール６１を通過させ、ストランド１と粉体状熱可塑
性樹脂２とを一体化させつつ引き取り、幅約３０胴、厚
み約０．３鵬の薄帯状の繊維強化複合材を得た。

得られた繊維強化複合材はガラス繊維含有量が３０重量
％でフィラメントが一方向に良く配向し、かつフィラメ
ント間に樹脂が良く含浸したものであった。また、上記
製造操作を５時間連続して実施したが、フィラメントの
切断によるトラブルは発生せず、安定した操業が行えた
。

得られた繊維強化複合材を数枚積層してプレス成形によ
り厚み３．０皿の一方向強化板を得、この強化板の曲げ
試験を行ったところ、曲げ強度は４０ｋｇ／ｍｍ２であ
った。

此１旧舛 〈使用材料〉 実施例２と同様の強化繊維と粉体状熱可塑性樹脂を用い
た。

く製造条件〉 第１図に示した製造装置において、ピンチロール１２を
取り外し、電極５及び流動床２６を通過するストランド
１に約３ｋｇの張力がかかるようにした以外は、実施例
２と同様にして薄帯状の繊維強化複合材を製造した。

得られた繊維強化複合材はガラス繊維含有量が６０重量
％でフィラメントは一方向に良く配向したものであった
が、フィラメント間に樹脂が充分含浸していないもので
あった。

得られた繊維強化複合材を数枚積層してプレス成形によ
り厚み３．０　ｍ１１１の一方向強化板を得、この強化
板の曲げ試験を行ったところ、曲げ強度は１４ｋｇ／ａ
ｍ”であった。

（発明の効果） このように本発明の製造方法によれば、強化繊維のフィ
ラメントが一方向に揃えられていて曲げ強度の高い繊維
強化複合材を得ることができ、しかもストランド状の強
化繊維をほとんど張力をかけない状態で帯電させ、帯電
した静電気力によってフィラメントが充分開繊し、その
後粉体状熱可塑性樹脂中を通過させるので、粉体状熱可
塑性樹脂を強化繊維の内部にまで侵入させることができ
て樹脂含浸性の高い繊維強化複合材を得ることができる
。さらに、従来のように強化繊維に粉体状熱可塑性樹脂
を保持させるための機械的な開繊操作を必要としないの
で、フィラメントの切断がほとんど起こらず安定した操
業が行える。

４、　゛の　　　な量゛■ 第１図は本発明に用いる製造装置の一実施例を示す概略
図、第２図は管状電極部分の説明図である。

■・・・強化繊維、２・・・粉体状熱可塑性樹脂、５・
・・電極。

以上

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、多数の非導電性フィラメントより構成されるストラ
   ンド状の強化繊維を実質的に張力がかからない状態で帯
   電させた後、粉体状熱可塑性樹脂の中を通過させてフィ
   ラメント間に粉体状熱可塑性樹脂を保持させ、次いで強
   化繊維に張力をかけた状態で粉体状熱可塑性樹脂を加熱
   溶融させて強化繊維と粉体状熱可塑性樹脂とを一体化す
   ることを特徴とする繊維強化複合材の製造方法。