JPH10404A - プリプレグの製造方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】単糸同士が交絡していたり、撚りが残存してい
る強化繊維束２であっても、さらにはサイジング剤が付
与されている繊維束２であっても、十分に開繊できるプ
リプレグの製造方法およびその装置を提供する。 【解決手段】複数本の単糸が引き揃えられてなる強化繊
維束２を、複数本のローラ５ａ、５ｂ上を所定角度に屈
曲させながら通過させて開繊させる場合において、これ
ら複数本のローラのうちの少なくとも１本を繊維束２の
走行方向に対して交差する方向に振動させることにより
前記繊維束を開繊し、次いで、前記振動ローラ直後に設
けた振動させないローラ６ａ、６ｂに繊維束２を押し当
てることにより開繊状態を維持する。さらには、加熱手
段によってサイジング剤が軟化されるため、繊維束２の
開繊性は向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走行する１本もし
くは互いに並列して同時に走行する複数本の繊維束を開
繊してプリプレグを製造するための方法および装置に関
する。詳しくは、例えば炭素繊維やガラス繊維などの強
化繊維からプリプレグシートやヤーンプリプレグを成形
する前処理として、予め繊維束を十分開繊してからプリ
プレグを製造する方法およびその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、炭素繊維やガラス繊維といった複
数本の繊維からなる強化繊維束を互いに平行に引き揃え
た後、エポキシ樹脂や不飽和ポリエステル等のマトリク
ス樹脂を含浸させてシート化したプリプレグが、航空機
材料や一般用工業材料の他、例えばゴルフクラブシャフ
トや釣竿を始めとするスポーツレジャー用途の成形材料
として広く利用されつつあることは周知のとおりであ
る。

【０００３】このようなプリプレグの使用用途の多様化
にともない、プリプレグ自体としても、極薄プリプレグ
や熱可塑性樹脂によるプリプレグの需要が急速に拡大
し、またプリプレグの品位向上、すなわち厚み斑減少の
声が高まってきている。こういった需要を満たすために
は、プリプレグを成形する際のマトリクス樹脂含浸前に
予め繊維束を開繊して繊維束の厚みを薄くし、繊維束の
単糸間にまでマトリクス樹脂が十分浸透しやすくしてや
ることが必須条件である。

【０００４】かかる従来の開繊方法としては、例えば、
図３に示すような特開昭５６−４３４３５号公報に記載
の方法や、その他にも特開平２−３６２３６号公報や特
開平３−２５１４０８号公報に記載の方法が提案されて
いる。この従来方法では、パッケージから巻き出され、
互いに平行して走行する強化繊維束２を、コーム３を通
過させて繊維間ピッチを整えた後、加振源４によって軸
方向に振動させるローラ５に押し付け、繊維束２の幅方
向に擦ることで開繊を行っている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者等の知見によれば、上記従来技術では、開繊されるべ
き強化繊維束２の単糸同士が交絡していたり、繊維束自
身に撚りが残っている場合には、振動させるローラ５上
では繊維束は一旦は開繊するものの、ローラから離れて
しばらくすると張力によって再び単糸同士が集束し、繊
維束の幅は開繊前とほぼ同じ幅にまで戻ってしまうとい
う結果に至っている。このような繊維束に対して、その
後に樹脂含浸工程を加えても、得られるプリプレグはマ
トリクス樹脂が未含浸となり、実用上使用に耐えられる
ものではないという問題がある。

【０００６】また、個々の強化繊維２には、弾性率が高
くて単糸径が細いため折れ易く毛羽が多発するという理
由から、取扱い性を向上させるために、一般的に例えば
エポキシ系樹脂のようなサイジング剤が付与されてい
る。このサイジング剤は、いわゆる「糊」の働きをする
もので、単糸同士を接着しているため、繊維束を開繊す
るには妨げとなる。したがって、サイジング剤の接着力
に抗して開繊できる何らかの手段を講じなければ、開繊
性の向上は期待できない。

【０００７】本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑
み、単糸同士が交絡していたり、撚りが残存している強
化繊維束であっても、さらにはサイジング剤が付与され
ている繊維束であっても、十分に開繊し、かつその幅を
維持できるプリプレグの製造方法およびその装置を提供
することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のプリプレグの製造方法は、複数本の単糸が
引き揃えられてなる繊維束を複数個のローラ上に所定角
度に屈曲させるとともに、前記複数個のローラのうちの
少なくとも１本を前記繊維束の走行方向に対して交差す
る方向に振動させつつ通過させることにより、前記繊維
束を開繊させ、しかる後に合成樹脂を含浸させてプリプ
レグを製造する方法において、（Ａ）前記振動させるロ
ーラの直後に位置するローラを振動させずにその周面に
前記繊維束を押し当て、（Ｂ）次に該振動させないロー
ラの周面に、前記繊維束を前記振動させるローラの周面
に接触している繊維束の接触長の２倍以上の接触長さで
接触させることにより前記繊維束の開繊状態を維持させ
ることを特徴とする。

【０００９】この場合、前記「振動させるローラの直後
に位置するローラ」とは、振動させるローラから振動さ
せないローラまでの繊維束の自由長さ（ローラと接触し
ていない距離）が１００ｍｍ未満までの範囲内の距離に
位置するローラをいうものとする。１００ｍｍ以上にな
るとローラの振動による繊維束への開繊効果が弱くなる
からである。

【００１０】また、前記振動させないローラに接触して
いる繊維束の接触長は、前記振動ローラと繊維束の接触
長の２〜１０倍の範囲であるのが好ましい。また、前記
振動ローラと前記無振動ローラのうちの少なくとも１本
の接糸面を加熱することにより、前記繊維束に付与され
ているサイジング剤を軟化させつつ開繊するのが好まし
い。さらに、前記振動ローラの振動周波数は、１〜１０
０Ｈｚの範囲、振幅は、１〜５０ｍｍの範囲で開繊する
のが好ましい。そして、前記振動ローラと前記無振動ロ
ーラが２組以上設けられているとともに、各組の振動ロ
ーラの振動周波数と振幅はそれぞれ異ならせることがで
きるのが好ましい。

【００１１】一方、上記目的を達成するため、本発明の
プリプレグの製造装置は、複数本の単糸が引き揃えられ
てなる繊維束を所定角度に屈曲・支持する複数本のロー
ラと、前記複数本のローラのうちの少なくとも１本を前
記繊維束の走行方向に対して交差する方向に振動させる
加振手段と、前記繊維束を前記ローラ間を通過させつつ
引取る引取手段とを備えたプリプレグの製造装置におい
て、（Ａ）前記加振手段によって振動させるローラの直
後に位置するローラは振動させず、かつ、（Ｂ）前記振
動させないローラは、該ローラの周面に接触している繊
維束の接触長さが、前記振動させるローラの周面に接触
している繊維束の接触長さの２倍以上となる周面長さを
有することを特徴とする。

【００１２】ここで、前記振動させないローラに接触し
ている繊維束の接触長は、前記加振手段と接続されてい
る振動ローラと繊維束の接触長の２〜１０倍の範囲であ
るのが好ましい。また、前記振動ローラと前記無振動ロ
ーラのうちの少なくとも１本には、その接糸面を加熱す
る加熱手段が設けられているのが好ましい。また、前記
振動ローラと前記無振動ローラは、２組以上有するとと
もに、各組の振動ローラの振動周波数と振幅を異ならせ
る振動周波数・振幅調整手段が設けられているのが好ま
しい。

【００１３】なお、本発明でいう繊維束とは、複数本の
単糸が引き揃えられた１本の繊維束でもよいし、この繊
維束が複数本互いに平行に引き揃えられてシート状にな
っている繊維束でもよい。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るプリプレグの
製造装置の一実施形態例を図面に基づいて説明する。

【００１５】図１は、本発明に係るプリプレグ製造装置
の繊維束開繊部分の概略側面図、図２は該部分の概略斜
視図である。

【００１６】図１において、１は、例えば炭素繊維やガ
ラス繊維等の強化繊維束２が巻き取られている巻取パッ
ケージ、３は複数の繊維束の繊維間ピッチを整えるため
のコームである。

【００１７】４ａおよび４ｂは、後述する振動ローラ５
ａ、５ｂを繊維束２の走行方向と交差する方向である軸
方向に振動させるための加振源であり、公知の電磁式加
振機を始め、カム等を用いたメカニカル式などを用いる
ことができる。なお、この加振源４ａ、４ｂには、その
振動周波数と振幅を個々に調整するための図示しない調
整手段が設けられている。

【００１８】振動ローラ５ａ、５ｂは、強化繊維束２を
支持するとともに、上述したようにその走行方向と交差
する方向に振動して強化繊維束に開繊作用を与えるもの
で、その軸を中心にフリーで回転するもの、固定されて
いるものいずれであってもよい。この振動ローラの外径
は、開繊効果からいえば小さいほど望ましく、具体的に
はφ５０ｍｍ以下である。

【００１９】次に６ａ、６ｂは、振動ローラ５ａ、５ｂ
で開繊された繊維束２の開繊幅を維持するための無振動
ローラである。この無振動ローラは開繊後の糸幅を維持
するためのものであって、振動ローラ５ａ、５ｂのよう
に振動させると糸幅が不安定になったり、毛羽発生を促
進する等の悪い結果がでるので、振動せずに固定されて
いることが重要である。このローラは軸を中心にフリー
で回転するもの、駆動されているもの、固定されている
ものいずれであってもよく、要は繊維束が静止または回
転する曲面に適度の押圧力で押し当てられた状態で周回
するものであればよい。したがってこのような曲面は、
図ようなローラに限らず、半円筒面やその他の形状の曲
面であってもよい。この曲面は、開繊後の繊維束の幅を
維持するためには繊維束との接触長が大きいほど好まし
い。よって、前記振動ローラと繊維束の接触長と比較し
て、該無振動ローラと繊維束の接触長は２から１０倍で
あるのが好ましい。具体的長さとしては、無振動ローラ
ーと繊維束の接触長を１００ｍｍ以上にできることが好
ましい。

【００２０】また、振動ローラ５ａ、５ｂと無振動ロー
ラ６ａ、６ｂの間での繊維束の幅の狭まりを最小限に抑
えるには、繊維束がどちらのローラにも接触していない
長さが短いほど好ましい。具体的には２０ｍｍ以下とな
るように、無振動ローラ６ａ，６ｂを設置すべきであ
る。

【００２１】これら振動ローラ５ａ、５ｂと、無振動の
無振動ローラ６ａ、６ｂは、それぞれ少なくとも１本づ
つを１組として備えているものであれば開繊の効果を生
じるものであって、２組以上備えていればより一層の開
繊効果がある。

【００２２】７は、上記振動ローラおよび無振動ローラ
の接糸面を加熱することによって、繊維束に付与されて
いるサイジング剤を軟化させるための加熱手段であっ
て、繊維束をサイジング剤の軟化点である３４３〜３７
３Ｋ（７０〜１００℃）まで加熱できる能力を備えてい
れば、近赤外線ヒータや中赤外線ヒータ、遠赤外線ヒー
タ等いずれの加熱手段を用いてもよい。また、上記振動
ローラおよび無振動ローラ内部にヒータを埋め込むなど
振動ローラおよび無振動ローラ自身を直接加熱してもよ
く、このような形態も本発明の加熱手段に含まれる。

【００２３】最後に９は、強化繊維束２を振動ローラ５
ａ、５ｂおよび無振動ローラ６ａ、６ｂ上を通過させな
がら図の右方向に引取るための図示しない引取り手段で
あり、モータ等の適当な駆動手段によって強制回転され
る回転ドラム、ドライブステーション等を用いることが
できる。

【００２４】次に、本発明の繊維束の開繊方法の好まし
い実施の形態を、上記図１および図２を用いて説明す
る。

【００２５】まず、強化繊維束２は、巻き出し時の張力
が０．１〜５Ｎ（約１０〜５００ｇｆ）の範囲になるよ
うに巻き出すのが好ましい。張力が高すぎると開繊に不
利であり、逆に低すぎると繊維束は蛇行してしまう。ま
た、強化繊維束２の走行速度は小さいほど振動ローラ５
ａ、５ｂや無振動ローラ６ａ、６ｂとの接触時間を長く
できるため有利であるが、走行速度が大きくなった場合
であっても振動ローラと無振動ローラの組数を増やすこ
とで、適宜対応は可能である。

【００２６】次に、振動ローラ５ａ、５ｂの振動周波数
は１〜１００Ｈｚの範囲の中で大きいほど好ましいが、
機構的な制約から５〜２０Ｈｚでも十分である。また、
振動ローラの振幅は、１〜５０ｍｍの範囲でやはり大き
いほど好ましいが、振動によって発生する擦過毛羽抑制
の点から５〜２０ｍｍがより好ましい。

【００２７】

【実施例】本発明の実施例を、上記図面を参照して以下
に説明する。

【００２８】実施例１ 図１の装置において、強化繊維束２には、開繊前の繊維
幅約１ｍｍ、単糸数３，０００本の高弾性タイプ炭素繊
維５０本を用い、パッケージ１からの巻き出し張力は１
Ｎ（約１００ｇｆ）、走行速度は０．０４ｍ／ｓ（約
２．５ｍ／分）に設定した。

【００２９】一方、加振源４ａ、４ｂには、市販の電磁
式加振機（ボクスイ・ブラウン（株）、ＶＧ１００型）
を用いた。

【００３０】次に、振動ローラ５ａ、５ｂは各々フリー
回転とし、その径は５ａ、５ｂともφ３０ｍｍとした。
そして、各ローラの繊維束との接触長はそれぞれ２５ｍ
ｍ，４０ｍｍとし、いずれもその振動周波数を８Ｈｚ
に、振幅を１０ｍｍに設定した（条件）。

【００３１】また、無振動の無振動ローラ６ａ、６ｂ
は、各々フリー回転のローラとした。その無振動ローラ
の径および繊維との接触長は、それぞれ、６ａをφ７０
ｍｍ，１００ｍｍ、６ｂをφ１００ｍｍ，１５０ｍｍと
した（条件）。

【００３２】加熱手段７には遠赤外線ヒータを使用し、
強化繊維束２の温度がサイジング剤の軟化点である約３
５０Ｋ（７７℃）になるように設定した。この時ヒータ
表面温度は約５３０Ｋ（２５７℃）であった（条件
）。

【００３３】このような実施例の開繊の実測結果を示し
たのが次の表１である。

【００３４】

【表１】 この表１によれば、本発明の開繊方法および装置を用い
ることで、強化繊維束は１ｍｍから６ｍｍまで開繊幅が
向上したことがわかる。

【００３５】実施例２ 振動ローラ５ａの振動周波数を８Ｈｚ、振幅を１０ｍｍ
とし、また振動ローラ５ｂの振動周波数を１６Ｈｚ、振
幅を２０ｍｍとした（条件）。

【００３６】その他の条件は実施例１と全く同様に設定
した。

【００３７】このような実施例の開繊の実測結果を示し
たのが上記の表１である。この表によれば、開繊後の繊
維束幅は７ｍｍで、振動ローラ５ｂの振動周波数および
振幅を増加させたことにより、開繊効果が実施例１より
もさらに１ｍｍアップしたことが分かる。

【００３８】比較例１ 図３の従来技術の装置において、振動ローラ５は外径φ
３０ｍｍのフリー回転とし、繊維束との接触長は１０ｍ
ｍとした。そして、その振動周波数を８Ｈｚに、振幅を
１０ｍｍに設定した（条件）。また、フリー回転ロー
ラ８の径はφ２０ｍｍとした（条件）。なお、加熱手
段は使用していない（条件）。その他の条件は実施例
１と全く同様に設定した。

【００３９】このような比較例の開繊の実測結果を示し
たのが上記の表１の比較例である。この表によれば、開
繊後の繊維束幅は３ｍｍである。すなわち従来技術の方
法および装置を用いた場合、実施例１に比べると３ｍ
ｍ、実施例２に比べると４ｍｍ、それぞれ開繊性が劣っ
ていることがわかる。

【００４０】

【発明の効果】本発明によれば、以下のような効果を奏
することができる。

【００４１】請求項１および２記載のプリプレグの製造
方法によれば、互いに平行に引き揃えられた複数本の繊
維束が、複数本のローラ上を所定角度に屈曲しながら通
過する際に、ローラの少なくとも１本が前記繊維束の走
行方向に対して交差する方向に振動しているため、繊維
束と振動ローラ間に発生する擦過力によって十分に開繊
される。また、開繊された繊維束は、振動ローラ直後に
位置させた振動させないローラの周面上にその接触長さ
が振動ローラでの接触長の２倍以上で押し当てられるた
め、繊維束と無振動ローラの間に発生する摩擦力によっ
て、その開繊幅を維持することができる。

【００４２】請求項３および４記載のプリプレグの製造
方法によれば、少なくとも１本のローラを加熱すること
により、繊維束は、該繊維束に付与されているサイジン
グ剤が軟化する温度まで加熱されるため、単繊維間相互
の開繊性が向上する。

【００４３】請求項５および６記載のプリプレグの製造
方法によれば、振動ローラと無振動ローラは２組以上存
在し、各組の振動ローラの振動周波数および振幅がそれ
ぞれ異なるため、例えば１組目の振動ローラを小振幅、
低振動周波数に、２組目の振動ローラを大振幅、高振動
周波数といった具合にそれぞれ設定すれば、繊維束は徐
々に開繊するため、振動ローラとの擦過で繊維束を痛め
ずに、無理なく開繊させることができる。また、繊維束
の走行速度が大きくなっても、振動ローラと無振動ロー
ラの組数を増やすことで容易に対応できる。

【００４４】請求項７および８記載のプリプレグの製造
装置によれば、互いに平行に引き揃えられた複数本の繊
維束を、複数本のローラ上に所定角度で屈曲させながら
通過させる際に、ローラの少なくとも１本を繊維束の走
行方向に対して交差する方向に振動させるため、繊維束
と振動ローラ間に発生する擦過力によって繊維束を十分
に開繊することができる。また、この開繊された繊維束
を振動ローラ直後に設けた、前記繊維束の接触長さが振
動させるローラでの接触長さの２倍以上の周面長さを有
する振動させないローラ表面に押し当てて引取るため、
繊維束と無振動ローラの間に発生する摩擦力によって、
開繊された繊維束の開繊幅を維持したまま引取ることが
できる。

【００４５】請求項９記載のプリプレグの製造装置によ
れば、少なくとも１本のローラを加熱することが可能と
なるため、繊維束に付与されているサイジング剤が軟化
する温度まで加熱することができ、繊維束の開繊性が向
上する。

【００４６】請求項１０記載のプリプレグの製造装置に
よれば、振動ローラと無振動ローラを２組以上備えてお
り、さらに各組の振動ローラの振動周波数および振幅を
それぞれ別々に変化させることが可能なため、例えば１
組目の振動ローラを小振幅、低振動周波数に、２組目の
振動ローラを大振幅、高振動周波数といった具合にそれ
ぞれ設定すれば、繊維束を徐々に開繊させることが可能
となり、振動ローラとの擦過で繊維束を痛めずに無理な
く開繊させることが可能となる。また、繊維束の走行速
度を大きくしても振動ローラと無振動ローラの組数を増
設することで容易に対応できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプリプレグ製造装置の繊維束開繊
部の概略側面図である。

【図２】本発明に係るプリプレグ製造装置の繊維束開繊
部の概略斜視図である。

【図３】従来装置の繊維束開繊部の概略側面図である。

【符号の説明】

１ ：巻取パッケージ ２ ：強化繊維束 ３ ：コーム ４ ：加振源 ４ａ：加振源 ４ｂ：加振源 ５ ：振動ローラ ５ａ：振動ローラ ５ｂ：振動ローラ ６ａ：無振動ローラ ６ｂ：無振動ローラ ７ ：加熱手段 ８ ：フリー回転ローラ ９ ：引取り手段

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数本の単糸が引き揃えられてなる繊維束
   を複数個のローラ上に所定角度に屈曲させるとともに、
   前記複数個のローラのうちの少なくとも１本を前記繊維
   束の走行方向に対して交差する方向に振動させつつ通過
   させることにより、前記繊維束を開繊させ、しかる後に
   合成樹脂を含浸させてプリプレグを製造する方法におい
   て、 （Ａ）前記振動させるローラの直後に位置するローラを
   振動させずにその周面に前記繊維束を押し当て、 （Ｂ）次に該振動させないローラの周面に、前記繊維束
   を前記振動させるローラの周面に接触している繊維束の
   接触長の２倍以上の接触長さで接触させることにより前
   記繊維束の開繊状態を維持させることを特徴とするプリ
   プレグの製造方法。
2. 【請求項２】前記振動させないローラの周面に接触して
   いる繊維束の接触長さは、前記振動させるローラの周面
   に接触している繊維束の接触長さの２〜１０倍であるこ
   とを特徴とする請求項１に記載のプリプレグの製造方
   法。
3. 【請求項３】前記振動させるローラと前記振動させない
   ローラのうちの少なくとも１本のローラの接糸面を加熱
   することにより、前記繊維束に付与されているサイジン
   グ剤を軟化させつつ、開繊させることを特徴とする請求
   項１または２に記載のプリプレグの製造方法。
4. 【請求項４】前記軟化温度は、７０〜１００℃の範囲で
   あることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の
   プリプレグの製造方法。
5. 【請求項５】前記振動させるローラの振動周波数を１〜
   １００Ｈｚの範囲、振幅を１〜５０ｍｍの範囲で開繊さ
   せることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の
   プリプレグの製造方法。
6. 【請求項６】前記振動させるローラと前記振動させない
   ローラとをそれぞれ２組以上設け、各組の振動させるロ
   ーラの振動周波数と振幅とをそれぞれ異ならせて開繊さ
   せることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の
   プリプレグの製造方法。
7. 【請求項７】複数本の単糸が引き揃えられてなる繊維束
   を所定角度に屈曲・支持する複数本のローラと、前記複
   数本のローラのうちの少なくとも１本を前記繊維束の走
   行方向に対して交差する方向に振動させる加振手段と、
   前記繊維束を前記ローラ間を通過させつつ引取る引取手
   段とを備えたプリプレグの製造装置において、 （Ａ）前記加振手段によって振動させるローラの直後に
   位置するローラは振動させず、かつ、 （Ｂ）前記振動させないローラは、該ローラの周面に接
   触している繊維束の接触長さが、前記振動させるローラ
   の周面に接触している繊維束の接触長さの２倍以上とな
   る周面長さを有することを特徴とするプリプレグの製造
   装置。
8. 【請求項８】前記振動させないローラに接触している繊
   維束の接触長さは、前記振動させるローラに接触してい
   る繊維束の接触長さの２〜１０倍の周面長さを有するこ
   とを特徴とする請求項７記載のプリプレグの製造装置。
9. 【請求項９】前記振動させるローラと前記振動させない
   ローラのうちの少なくとも１本のローラの接糸面を加熱
   する手段を備えたことを特徴とする請求項７または８に
   記載のプリプレグの製造装置。
10. 【請求項１０】前記振動させるローラと前記振動させな
    いローラとをそれぞれ２組以上有するとともに、各組の
    振動させるローラの振動周波数と振幅とをそれぞれ異な
    らせる振動周波数・振幅調整手段が設けられていること
    を特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載のプリプレ
    グの製造装置。