JPH04214327A

JPH04214327A - 繊維強化プラスチックの製造方法

Info

Publication number: JPH04214327A
Application number: JP2409646A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Ejiri; 宏江尻; Mitsugi Isezaki; 伊勢崎　貢
Original assignee: PETOCA KK; SEKIYU SANGYO KASSEIKA CENTER; Petroleum Energy Center PEC; Petoca Ltd
Current assignee: PETOCA KK; SEKIYU SANGYO KASSEIKA CENTER; Petoca Ltd; Japan Petroleum Energy Center JPEC
Priority date: 1990-12-11
Filing date: 1990-12-11
Publication date: 1992-08-05

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】

【０００１】本発明は、マンドレル上に樹脂含浸したフ
ィラメント及び／またはプリプレグシートをワインディ
ングにより成形して繊維強化プラスチックを製造する際
の離型方法の改良に関するものである。より詳細には、
本発明は、従来の離型方法の１つである、マンドレル上
にスプレー式で離型剤及び／又はフッ素樹脂等を施す、
マンドレルの表面加工法に代替えする離型方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】繊維強化プラスチックの強化繊維として
使用されるガラス繊維、炭素繊維等の無機繊維としては
、従来から殆ど長繊維が用いられている。特に、化学反
応装置の場合には、筒状の成形品や回転体状のタンク類
が多く、また、強度の大きいものが要求されるために、
ガラス繊維や炭素繊維の長繊維をフィラメントワインデ
ィング法あるいはプリプレグシートワインディング法に
より成形されることが多い。また、ローラー類や回転軸
等の成形に対しても、これらの成形法が使われることが
多い。

【０００３】これらのワインディング法による繊維強化
プラスチックは、概して寸法精度が良くかつ繊維含有率
が大きいので、成形品の品質は優れているが、成形品の
形状に合ったマンドレルを使用する必要があるため、成
形コストに対するマンドレルの償却費の割合が大きい問
題がある。このような問題があるにも拘らず、ワインデ
ィング法で成形する成形品は同一のものを多数製造しな
いことが多い。このために、マンドレルを安価に製造す
ることが重要になる。

【０００４】また、ワインディング法による繊維強化プ
ラスチックに競合する金属成形品は、管、ローラーなど
回転対称性を有するものが多いため、概して加工し易く
、コスト競争力の強いものが多い。このことからもマン
ドレルの製造コストの低減は重要と考えられる。特に、
炭素繊維を強化材とする繊維強化プラスチックの場合に
は、マトリックス樹脂として、エポキシ樹脂のような金
属に対する接着力の大きい熱硬化性樹脂を使用すること
が多いために、マンドレルの表面は必ず高度の離型性を
与えなければならない。

【０００５】マンドレルに離型性を与えるために、従来
から離型性の優れた樹脂やセラミックを表面にコーティ
ングするなどの表面加工が行われている。このような表
面加工を行ったマンドレルは、安定した離型性を有して
おり、優れた耐久性を示すが、コストが高いことが問題
である。

【０００６】マンドレルの償却費を低減するために、従
来から安価で加工性の優れた金属を用いてマンドレルを
作り、表面を液状の離型剤もしくは粉体状の離型剤で（
スプレー）塗装したものを使用することが広く行われて
いる。この方法は確かにマンドレルの償却費の低減には
有効であるが、離型剤の塗装には多量の有機溶剤を使用
するか、あるいはスプレー用ガスを使用する必要がある
。このような有機溶剤やガスとして、毒性が弱くて難燃
性のフロンやトリクロルエタンが従来から多く使われて
来た。しかし、フロンやトリクロルエタンは、オゾン層
破壊や大気の温室効果の増大のような、新しいタイプの
大気汚染の原因になることが明らかになり、今後の使用
が困難になって来ている。

【０００７】また、上記マンドレル表面に液状の離型剤
もしくは粉末状の離型剤を塗布する方法では、マンドレ
ル表面に均一に塗布することが難しく、成形物の内表面
には、その不均一な塗布により樹脂の未含浸部あるいは
含浸むらが生じ、内表面に欠陥のある凹凸ができてしま
う。このような方法で製造した管状物の内側を気体ある
いは液体等を圧力をかけて流すような場合、内表面の欠
陥は致命的となり、欠陥部からの気体や液体の浸透・拡
散が生じて機械的物性を低下し、寿命を短くしてしまう
問題がある。

【０００８】別の離型方法として、古くから行われてい
るが、最近あまり行われなくなった方法としてポリビニ
ルアルコールを用いる方法がある。この方法はポリビニ
ルアルコールが比較的合成樹脂接着剤による接着性が悪
いこと、及びフィルムが成形品やマンドレルに残っても
、水で洗い流せる利点があることを利用している。しか
し、フィルムが柔らか過ぎ、空気中の水分により変形す
るために取り扱いが難しく、マンドレルに付着して残留
するフィルムが多く、その後の成形品に欠陥を生じる問
題がある。

【０００９】さらに、別の離型方法として、特公昭５２
−９２２８１号公報には、合成樹脂フイルムもしくはテ
ープをマンドレルに巻き付ける技術が開示されている。この方法の中、合成樹脂フイルムの場合、フイルムとし
て二軸延伸ＰＥＴやフッ素樹脂を使用することが好まし
いと述べられている。これらは、ポリビニルアルコール
フィルムに比べ形態安定性が良くて硬いために、取り扱
い性が優れており、繰り返し使用が可能であるなどの利
点を有しているが、金属よりも熱膨張率が非常に大きい
ために、樹脂の熱硬化の際に密着性を失って層間に滑り
を生じたり、フィルムに皺を生じたり、成形品に歪みを
生じたりする問題を有する。

【００１０】また、合成樹脂テープをマンドレルに巻き
付ける場合では、マンドレル表面にテープの重ね合わせ
部が凹凸を作って、硬化した樹脂がテープの重ね合わせ
部に食い込み、脱型しにくくなる。また、巻くテープが
薄いために、脱型の際に切れて、マンドレルと成形パイ
プとの間に残り、容易に脱型できない状況がしばしば生
じ、過大な圧力を成形品にかけることになって良くない
。また、この薄いテープは上記の理由により、一度使用
すると、再使用することは困難となるために、成形する
度にマンドレルに巻く必要があり、操作性及び製造コス
トの低減を考えると、あまり好ましくない。

【００１１】これらの問題を解決するために、特公昭５
２−９２２８１号公報には、成形品の外側にラッピング
テープを巻き付け、その際に、巻き張力に変動を与える
技術が開示されている。この技術は、確かに成形品の表
面の凹凸や歪みを少なくするためには有効であるが、成
形時のマンドレルの外形から予想される形とは少し異な
る形状の成形品が得られることが多い問題がる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、ワインデイ
ング法により繊維強化プラスチックを製造する際に、フ
ロン等の大気汚染問題を有する助剤を使用せずに、低コ
ストでマンドレルに離型性を与える問題を解決すること
を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は：■　　１００
℃に加熱したときの面積収縮率が１０〜６０％のフッ素
樹脂フイルムを芯に被覆して加熱し、該フイルムを収縮
して密着させたものをマンドレルとして使用して、繊維
強化プラスチックを成形する、繊維強化プラスチックの
製造方法である。さらに、■　　繊維強化プラスチック
の成形がフィラメントワインディングによるものである
点に、また■　　繊維強化プラスチックの成形がプリプ
レグシートのワインディングによるものである点にも特
徴を有し、■　　フッ素樹脂フイルムを被覆する部位に
おける芯の表面積が、被覆するフッ素樹脂フイルムの面
積よりも小さく、該フッ素樹脂フイルムを１００℃に加
熱したときの面積よりも５％以上大きいものである点に
も特徴を有し、さらに、■　　フッ素樹脂が四フッ化エ
チレン系樹脂である点に、■　　フィラメントワインデ
ィングもしくはプリプレグシートのワインディングによ
る繊維強化プラスチック成形品が管状物である点にも特
徴を有し、さらに、■　　上記管状物の内表面が均一で
しかも内表面欠陥を極度に少なくした点にも特徴を有す
るものである。

【００１４】以下、本発明を詳細に説明する。本発明に
おいては、繊維強化プラスチックの製造に使用するマン
ドレルとして、１００℃に加熱したときの面積収縮率が
１０〜６０％と特定範囲のフッ素樹脂フイルムを芯に被
覆し加熱して、該フイルムを収縮・密着させたものを用
いる必要がある。

【００１５】該フィルムの面積収縮率が１０％未満の場
合には、概して収縮力が弱いためマンドレルの芯に密着
し難く、特に筒状フィルムを用いる場合には、芯の外形
との寸法差の少ないフィルムを用いる必要があるため、
被覆操作が難しくなるので好ましくない。また、面積収
縮率が６０％以上のフィルムは加熱時に、収縮に対する
抵抗の少ない方向に急速に収縮しようとする傾向がある
ため、収縮が不均一になり易いので好ましくない。

【００１６】次に、該フイルムを加熱して収縮させる方
法は、好ましくは生蒸気の吹き付け、もしくはヘアドラ
イヤーのようなものによる熱風の吹き付けである。

【００１７】本発明においてマンドレルの芯は、好まし
くはフッ素樹脂フィルムを被覆する部位における芯の表
面積が被覆するフッ素樹脂フィルムの面積よりも小さく
、該フィルムを１００℃に加熱したときの面積よりも５
％以上大きいものである。

【００１８】本発明において使用する離型材フィルムを
構成するフッ素樹脂としては特に制限されないが、四フ
ッ化エチレン系重合体、例えばポリ四フッ化エチレン、
四フッ化エチレンとその他のオレフィン性単量体（例え
ばエチレン、プロピレン、クロロトリフルオロエチレン
、パーフロオロ（プロピルビニルエーテル）、ヘキサフ
ルオロプロピレン、パークロロアルコキシエチレンなど
）との共重合体；フッ化ビニリデンとフルオロプロピレ
ンとの共重合体などを挙げることができるが、好ましく
は、成形加工性の点などから四フッ化エチレン系重合体
、より好ましくは四フッ化エチレン−パーフロオロ（プ
ロピルビニルエーテル）共重合体、四フッ化エチレン−
パークロロアルコキシエチレン共重合体である。

【００１９】本発明に使用する離型材フィルム、好まし
くは筒状フィルムは、例えばフッ素樹脂を常法に従って
押出成形し、次いで、所定の延伸温度で所望の面積収縮
率が得られる範囲の延伸倍率で延伸もしくは膨張延伸し
、冷却することにより容易に製造できる。

【００２０】本発明に使用する離型材フィルムの厚さは
特に制限されないが、脱型の際に切れることのない厚さ
で良く、０．１ｍｍ以上が好ましく、より好ましくは０
．５ｍｍ以上である。

【００２１】本発明に用いる強化用繊維としては特に制
限されないが、特に高剛性、高強度の用途には、例えば
ガラス繊維、炭素繊維が代表的であり、それに加えて、
芳香族ポリアミド繊維、炭化ケイ素繊維、ボロン繊維、
アルミナ−シリカ繊維などを単独にあるいは上記繊維と
併用しても良い。

【００２２】本発明に使用する強化樹脂としては、一般
的に任意の熱硬化性樹脂を使用できるが、例えばエポキ
シ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポ
リイミド樹脂などを挙げることができるが、エポキシ樹
脂の使用が好ましい。該エポキシ樹脂の代表例としては
、ビスフェノールＡ型のエポキシ樹脂、環状脂肪族エポ
キシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂などを挙げること
ができる。その強化樹脂の粘度は含浸操作に支障がなけ
れば特に制限されないが、通常５センチポイズ〜１０セ
ンチポイズ程度であり、粘度が高すぎる場合には、必要
に応じて溶剤で希釈して使用しても良い。強化樹脂の含
有量は、２０〜７０重量％程度が一般的であるが、使用
目的に応じて適宜変更できる。

【００２３】強化樹脂の硬化には、一般には加熱処理が
行われる。また、本発明では、必要に応じて、繊維強化
プラスチックの管状物にニッケル、チタンなどのメタル
コートを施しても良い。

【００２４】本発明の繊維強化プラスチックを形成する
のに利用する成形方法は、好ましくはフィラメントワイ
ンディングもしくはプリプレグシート（テープ）ワイン
ディングである。本発明によるフィラメントワインディ
ングもしくはプリプレグシート（テープ）ワインディン
グによる成形品としては、管状物が特に好ましい。

【００２５】本発明において、繊維強化プラスチックの
管状物は、好ましくは繊維の集合体、例えば長繊維（フ
ィラメント）の引き揃え物あるいは主に短繊維からなる
マット、フェルト又は不織布の繊維状シート状物を、上
記表面加工済みのマンドレルの上に筒状に成形し、樹脂
を含浸したものに或いは樹脂を含浸した繊維の集合体を
筒状に成形したものに、さらに熱収縮性を有する筒状フ
ィルム若しくはラッピングテープ、例えばテトロンフィ
ルム、ポリエステルフィルム等を被せ又は巻き付けるな
どして被覆した後、含浸樹脂を加熱硬化させることによ
り製造する。前記熱収縮性の筒状フイルムもしくはテー
プを用いて成形品の外周を被覆する成形方法は、特に最
外層にマンドレルの軸方向に平行に長繊維を配列した繊
維強化プラスチック成形品において、最外層の均一性や
管状物の真円度を高くするのに有効なものである。

【００２６】

【作用】繊維強化プラスチックの成形に用いるマンドレ
ルの表面に離型性を与えるために、フィルムを使用する
際の問題として、マンドレルの金属芯の熱膨張率が大き
いことが挙げられる。

【００２７】繊維強化プラスチック成形品を精度良く仕
上げ、成形操作を効率良く行うためには、離型材フィル
ムはマンドレルの芯に密着しているが、繊維強化プラス
チック成形品に強く密着していないことが望ましい。こ
のために、本発明の方法においては、離型材フィルムと
して熱収縮性の大きく、かつマンドレル芯に被覆した時
に芯に強く密着するものを見出し、それに必要な要件を
規定したものであり、この要件を満たすものであれば良
い。本発明は、特定の熱収縮性フィルムが収縮力により
極めて好都合に芯に密着することを利用するものである
。

【００２８】以上のとおり、本発明の離型方法は、繊維
強化プラスチック成形品、特に管状物の成形に用いて優
れた効果を発揮する。本発明の方法により製造される繊
維強化プラスチック管状物は、軽量かつ高い剛性を有し
ており、高速回転する動力伝達軸、遠心分離用の回転筒
、航空機部品、宇宙船部品、高圧配管材料、化学反応装
置材料等に使用できる。

【００２９】また、強化用繊維の配向を適宜にすること
により、高い強度と可撓性及び耐疲労性とを付与するこ
とができ、プラスチックフィルム等のカレンダーロール
、繊維もしくは紙、フィルム等のシート状物の巻取りの
際に、ボビンを支持するエアーシャフトに使用すること
ができる。

【００３０】本発明は、特に炭素繊維強化プラスチック
に対して好適な加工法であり、強化用の炭素繊維の長繊
維に適当な配向方向を与えることにより、線膨張係数を
極めて小さくすることができ、工作機械の基礎部材、機
械部品、光学機器材料等に使用できる。また、光線を遮
断し、Ｘ線を透過する材料として、金属に代わって医療
機器材料や測定機器材料に使用できる。

【００３１】

【実施例】次に、本発明を実施例により詳細かつ具体的
に説明するが、これらは本発明の範囲を制限しない。

【００３２】実施例１１００℃で１分間の加熱により２５％面積が縮小する（
面積収縮率２５％）フッ素樹脂〔厚さ０．５ｍｍ、グン
ゼ（株）製　　四フッ化エチレン−パークロロアルコキ
シエチレン共重合体（ＰＥＡ）〕の直径７１ｍｍの筒状
フィルムを直径６８ｍｍのマンドレル芯体上に被覆し、
ヘアードライヤーにて熱風を吹き付けて収縮させて密着
させ、離型加工付きマンドレルとして用い、フィラメン
トワインデイング法により繊維強化プラスチックを成形
した。

【００３３】すなわち、含浸樹脂としてビスフェノール
Ａ型エポキシ樹脂（油化シェル社製エピコート８２８）
の１００重量部に対し、硬化剤としてメチルテトラヒド
ロ無水フタル酸（日立化成（株）製　　ＨＮ−２２００
）の８０重量部及び２−エチル−４−メチルイミダゾー
ル（四国ファインケミカル製　　２Ｅ４ＭＺ）１重量部
を混合したエポキシ樹脂溶液を準備した。この溶液（液
温４５℃）に含浸した炭素繊維の長繊維をマンドレルの
軸方向に４５°方向に巻き付けて、炭素繊維の目付けが
９００ｇ／ｍ２　の層を形成した後、メルトブロー法に
より製造したピッチ系炭素繊維（高弾性率タイプ）の短
繊維シートに同様のエポキシ樹脂を含浸したものを、炭
素繊維の目付けが１８０ｇ／ｍ２　になるように巻き付
け、さらにその外側にエポキシ樹脂を含浸した炭素繊維
の長繊維をフィラメントワインデイング法により最内層
と逆傾斜になるようにマンドレルの軸方向に４５°方向
に巻き付けて炭素繊維の目付けが９００ｇ／ｍ２　の層
を形成し、さらに、その上にマンドレルの軸方向にほぼ
平行する方向に炭素繊維の長繊維を目付けが７０ｇ／ｍ
２　になるように並べた後、樹脂の半硬化条件（９０℃
、２時間）で半硬化させ、さらにその外周に熱収縮性を
有するポリエステルテープで周回し、該樹脂の硬化条件
（１４０℃×４時間）で加熱して樹脂を硬化させた。

【００３４】得られた炭素繊維強化プラスチックの管状
成形品は、高い剛性を有しており、均整度が高く真円度
が高いものであり、しかもその管状物の内表面は、繊維
の積層部での未含浸部がなく、均一に樹脂におおわれ滑
らかであった。

【００３５】比較例１実施例１と同様の操作で同様の管状成形品を製造するが
、ただし、離型材フィルムとして面積収縮率が９％のフ
ッ素樹脂フイルムのテープを螺旋状にマンドレル芯体に
周回した場合には、テープの層間が熱硬化時にすべって
該成形品が変形し、歪みを生じた。

【００３６】実施例２実施例１の離型材フィルムの代わりに、面積収縮率のみ
がそれぞれ３４％、４６％、５８％、６３％と異なる各
種のフッ素樹脂フィルムを用い、生蒸気を吹き付け収縮
させて密着させ、離型加工付マンドレルを得た。このマ
ンドレルを用いて実施例１と同様の操作で炭素繊維強化
プラスチックの成形を行った。

【００３７】その結果、面積収縮率が３４〜５８％の離
型材フィルムを用いた場合には、実施例１と同様に、寸
法精度の優れた成形品を得ることができたが、６３％の
ものは収縮にむらを生じて成形品に歪みを生じた。

【００３８】

【発明の効果】本発明は、従来から離型のためにマンド
レル上に施されるスプレー式の離型剤、及び／又はフッ
素樹脂等によるマンドレルの表面加工に代替えする離型
方法である。また、本発明は、フッ素樹脂系のスプレー
式の離型剤に使用されている、フロンガスによる大気汚
染を防ぐ効果があり、またフッ素樹脂により表面加工さ
れた高価なマンドレルに代替えすることが可能である。また、本発明の離型方法は、繊維強化プラスチック成形
品、特に管状物の成形に用いて優れた効果を発揮する。

【００３９】本発明により製造された繊維強化プラスチ
ックは、軽量かつ高い剛性を有していて、高速回転する
動力伝達軸、遠心分離用の回転筒、航空機部品、宇宙船
部品、高圧配管材料、化学反応装置材料等に使用して有
効である。

【００４０】また、強化用繊維の配列を適宜にすること
により、高い強度と可撓性及び耐疲労性を付与すること
ができ、プラスチックフィルム等のカレンダーロール、
繊維もしくは紙の脱液に用いるマングルロール、あるい
は布、紙、フィルム等のシート状物の巻取りの際に、ボ
ビンを支持するエアーシャフトに使用して有効である。

【００４１】本発明は、特に炭素繊維強化プラスチック
に対して好適な加工法であり、強化用炭素繊維の長繊維
に適当な配列方向を与えることにより、線膨張係数を極
めて小さくすることができ、工作機械の基礎部材、機械
部品、光学機器材料等に使用して有効である。また、光
線を遮断し、Ｘ線を透過する材料として、金属に代わっ
て医療機器材料や測定機器材料に使用できる効果がある
。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　１００℃に加熱したときの面積収縮率
が１０〜６０％のフッ素樹脂フイルムを芯に被覆して加
熱し、該フイルムを収縮して密着させたものをマンドレ
ルとして使用して、繊維強化プラスチックを成形するこ
とを特徴とする、繊維強化プラスチックの製造方法。
【請求項２】　　繊維強化プラスチックの成形がフィラ
メントワインディングによるものであることを特徴とす
る、請求項１記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
【請求項３】　　繊維強化プラスチックの成形がプリプ
レグシートのワインディングによるものであることを特
徴とする、請求項１記載の繊維強化プラスチックの製造
方法。
【請求項４】　　フッ素樹脂フイルムを被覆する部位に
おける芯の表面積が、被覆するフッ素樹脂フイルムの面
積よりも小さく、該フッ素樹脂フイルムを１００℃に加
熱したときの面積よりも５％以上大きいものであること
を特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強
化プラスチックの製造方法。
【請求項５】　　フッ素樹脂が四フッ化エチレン系樹脂
であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記
載の繊維強化プラスチックの製造方法。
【請求項６】　　フィラメントワインディングもしくは
プリプレグシートのワインディングによる繊維強化プラ
スチック成形品が管状物であることを特徴とする、請求
項１〜５のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製
造方法。
【請求項７】　　上記管状物の内表面が均一でしかも内
表面欠陥を極度に少なくしたことを特徴とする、請求項
６記載の繊維強化プラスチックの製造方法。