JPS61501259A - 繊維強化プラスチック体を製作する方法と装置 - 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】 繊維強化プラスチツク体を製作する方法と装置技術分野 繊維強化プラスチック複合材は種々の技術分野において構造材としてますます多 く使用されつつある。中でもカーボン繊維樹脂複合材のような比較的新型の繊維 強化プラスチックは主として航空宇宙業界に浸透し、アルミニウムのような在来 型の材料に比し明らかに優利性を示している。例えば製造業などにおいてこのよ うな複合材が広く使用されない一つの障害は製造に用いられる技法がいまだに未 開発であることである。例えば高度の精度および高い生産性と共に高い品質を有 する最終製品を与える完成された製造工程が欠けている。

背景技術 今日、゛盛んに開発されつつある、利用可能の製造方法の一つは繊維巻付は技法 である。チューブ、軸、補強リングおよび円筒形圧力容器のような軸対称の物体 の製造に主としてこの技法が用れられている。最終製品の外形を決定するコア（ 芯材）の回りに成る模様を作って繊維が巻かれる。所要の模様すなわち繊維のピ ッチ（間隔）または角度を得るように回転速度および送り速度を調節し得る特殊 機械が人手できる。

使用する強化材およびマトリックスの選択は最終製品の特性および品質にとって 最も重要な因子である。その他に、フィラメント（糸）の張力、巻付は速度、ぬ らし率、樹脂温度およびぬらし法のような巻付はパラメータはしばしば決定的な 役割を演する。最終製品の品質はしばしば中の繊維量および層内に介入する空気 量に左右される。

巻付はパラメータに関して以前から言われているものは主として、エポキシ、ポ リエステルおよびビニール・エステルから成るマトリックス材を用いる、いわゆ るぬらし巻付は法（ウェットワインディング・メソード）に適用される。このよ うな方法を実施する場合、通常乾いた繊維束に液状樹脂を含浸させるように繊維 束を樹脂浴槽の中に送りこみ、その後で、一つには繊維に充分に含浸させ、一つ には添加される樹脂の量を制限するために数個のローラに繊維束を通す。

ぬらし巻付は法は多くの弱点を有する。この方法は何よりも先ず信頼性を欠き、 主に点検し制御すべきパラメータが多いことから、ばらついた結果を生ずる。こ の方法は健康に有害な熱硬化性液状樹脂を使用するから、実施上の困難をも伴う 。

液状エポキシ樹脂に代えて、樹脂を予め繊維束に結合させた材料形式を用いるこ との願望が長年あった。この材料形式は通常「プレプレグ」と名付けられ、主と して航空機産業において平らなパネルを製造するのに用いられる。この技法を適 用して幅の狭い、予め含浸させた繊維帯を巻付けることにより、製造上の不安の 多くを除去することができる。熱硬化性樹脂型式のマトリックス、例えばエポキ シ・マトリックスの代りに熱塑性型式のマトリックスを用いることの願望もある 。これは何よりも増して、エポキシの取扱いに伴う危険と、高温高湿の大気中で 使用する時のエポキシ・マトリックスの変動する特性を嫌うためである。

適当な熱望性型マトリックス材が市販されている。か、かる材料の例はポリスル ホン（ＰＳ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリフェニールスルホン（Ｐ ＰＳＵ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、およびポリエーテル・エー テルケトン（ＰＥＥＫ）である。これらの材料はエポキシに匹適し、多くの場合 エポキシの特性より優る。しかし、問題はこの型式の材料に合った適当な製造方 法を見出すことである。

発明の目的 よって本発明の目的は、合理的かつ高品質のやり方で繊維強化プラスチツク材の 複合体を製造する方法であって、前記プラスチック材とそれに結合された繊維を 含む帯状材をコアの回りに幾層にも巻き、加熱状態下で、前記層を相互に圧縮す ることにより積層を結合することにより物体を製造し得る方法を与えることにあ る。

発明の開示 本発明による方法は、電流を伝導することができる材料を繊維材として用い、材 料帯中の電導性繊維材に電流を通すことにより巻付は操作と共に材料帯を加熱す ることを特徴とする。

よって本発明により得られる解法は、例えばカーボン繊維のように強化の目的に 適し、電気抵抗を有して、電流を通すと損失を生じて繊維フィラメントおよび周 囲のマトリックス材の加熱をもたらす、繊維材の使用に基づいている。

この繊維から、すなわちマトリックスの内部から発する繊維フィラメントおよび 周囲のマトリックス材の加熱は、例えば高温空気による加熱のような既知の加熱 方法に優る重要な利点を与える。高温空気を使用する時は、熱の供給を正確に制 御することが難かしくで材料を過熱によりｔＡ　ｍする危険がある。材料の内部 に供給される熱の全てが外層を通過しなければならないからである。本発明によ り内部から加熱する時は、この問題は生ぜず、また周囲への熱伝導による損失も なくて、全ての発生熱がマトリックス材に伝わる。電流強さ、すなわちアンベヤ 数を制御することによりこの加熱工程も比較的簡単に制御することができる。電 流はまた存在する繊維の全てにほぼ一様に配分されるから、材料帯の全幅にわた って円滑に加熱が生ずる。

帯に電流を供給する目的で、帯をコアに巻付けると同時に、導電性材でできてい る、電圧源の異なる電極に接続される、２つの接点にまたがって帯を通過させ、 加熱電流が該接点間の帯を通って流れるようにすることが望ましい。あらたな層 を巻付ける時、最も近い下方層の帯も加熱することが望ましい。この下方層の加 熱も該層の繊維材に電流を流すか、または代りに加熱空気を用いて行うことかで きる。この場合、加熱の目的は、加熱状態で巻付けた後にその層を与熱温度に維 持するのが主であるからである。プラスチック材は巻付は操作中に融点まで加熱 される熱可塑性樹脂を含むことが適当であり、いっぽう使用する繊維材はカーボ ン繊維が適当である。

本発明は材料帯をコアに幾層にも巻付けることにより繊維強化プラスチツク材の 複合体を製造する装置にも関する。本装置は、材料帯に接触して電圧源に接続さ れる導電性装置を含み、前記巻付は操作と同時に前記帯を加熱するように材料帯 中の導電性繊維材に電流を流すように前記導電性装置が配置されていることを特 徴とする。

望ましい実施例によれば、前記装置は導電性のローラまたは同様の装置を含む。

この点に関し、該ローラの一つは帯を下方層に押し付ける加圧ローラとして、ま た一つの電極接続部として働くことが適当であり、前記下方層にある導電性繊維 材にも加熱電流を通過させるために該下方層に衝接して異性電極として働くもう 一つのローラまたは同様の装置と前記ローラが協働する。

発明を実施するための最良の形態 以下に本発明による装置の実施例を極く簡略に図解した添付図面を参照しつつ本 発明を記載する。

図中、番号（１）は電気的絶縁性材料から成る巻付は用コアを示す。繊維を結合 させたプラスチック材の帯（２）をコア（１）の回りに複数の積層に巻付けて均 質の物体を形成することにより、繊維強化プラスチツク体が形成される。帯り２ 〉は保存用リール（図示せず）から乾燥状態で取り出され、望ましくは、カーボ ン繊維により強化された熱可塑性樹脂、例えば、ＰＳ、ＰＥＳ、ＰＰ５ｕ。

ＰＰＳまたはＰＥＥＫを含む。送られてくる乾いた帯（２）は電極ローラ（３） および案内ローラ（４）の上を通過して、もう一つの電極ローラ（５）に至り、 該ローラ（５）は本実施例ではコア上に巻かれている下方層に帯（２）を押し付 ける加圧ローラとしても働く。図示するように、電極ローラ（３，５）は電流源 の反対極に、例えば摺動接点により接続される。ローラ（３，５）は、銅が適し ているが、導電性材料でできており、電源（８）から帯の全幅にわたって一様な 電流供給を生じ、この電流はローラ（３）からローラ（５）への帯の全長にわた ってほぼ均等に流れ、ローラ（５）は集電子として働いて電流を電源（Ｂ）に戻 す。

カーボン繊維により表わされる帯り２）の全電導面積により変わる電源（６）お よび帯の速度の数値を適当に選ぶおよび加圧ローラの組合せ（５）にほぼ接触す る時点でプラスチック材の融点に達するようにすることができる。

帯（２）はそこで効果的に下方の一層に結合され接着される。電Ｒ（６）および 帯の速度に関する前記の値は帯（２）の性質、特にその繊維成分に全面的に左右 される。しかし、当業者は計算および／または実験により帯の各型式に適した値 を決めることができるであろう。

接着性を向上し、さらにプラスチック体の中の空気介入の危険を減するために、 帯を巻付ける下方層を与熱温度に維持するか、または帯（２）に接触する直前に 再加熱することが望ましい。図示の実施例によれば、電極および加圧ローラの組 合せ（５）ともう一つの電極ローラ（８）との間に第２の電源（７）を接続して 下方層にも電流を通すことによりそれを行う二とができる。この場合、２つの布 状材は接触点において事実上溶融状態にあるので、層間に極く良好な結合を生じ 、はぼ均質の物体をもたらす。この加熱を生ずる精度は帯（２）の加熱に必要な 精度よりも重要でないから、下方層は高温空気によって温度を維持されるか、再 加熱されることもできる。

電源（８，７）の図示の結合の代りに、加圧ローラ（５）を介して電極ローラ（ ３，８）の間に電流を通すように電極ローラ（３，８）の間に結合される共通の 一つの電源を用いることができる。電極と加圧ローラの組合せ（５）の代りに、 別々の電極ローラと加圧ローラとを用いるこねもできる。

巻付けられる帯の加熱が帯の導電性強化材に通す電流を用いて行われるという本 発明の中枢概念を守りつつ、本発明による方法を実施する装置を種々の点で改造 することができる。例えば前記ローラの代りに、ブラシ、摺動接点、その他の接 触装置を用いることができる。自明のように、抵抗が所要の加熱を達成するのに 充分な程に高い限り、カーボンとは異なる材料の繊維、例えば金属繊維を用いる こともできる。繊維に導電性の外層または芯を設けるならば、非導電性の繊維を も用いることができる。材料に充分な導電性を持たせるように繊維材に添加剤を 与えるか、処理を施こす二ともできる。

国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １繊維を結合されたプラスチック材を含む材料帯がコア上に複数の層をなして巻 付けられ、それぞれの積層が加熱状態下で相互に圧縮されて結合される、繊維強 化プラスチック材の物体を製造する方法であって、前記繊維材として電流を伝導 し得る材料を用いること、および前記巻付け操作と同時に前記帯内の前記導電性 繊維材に電流を通すことにより前記材料帯を加熱すること、を特徴とする方法。 ２前記コア上に前記帯を巻付けると同時に、導電性材料を含み一つの電源の異な る電極に接続される２つの接点にわたって前記帯を通し、それにより前記接点間 にて前記帯に加熱用電流を流すことを特徴とする、請求の範囲第１項に記載の方 法。 ３前記コアにあらたな層を巻付ける時、最も近い下方の帯層をも加熱することを 特徴とする、請求の範囲第１項または第２項に記載の方法。 ４前記下方層内の導電性繊維材に電流を通すことにより前記加熱を行うことを特 徴とする、請求の範囲第３項に記載の方法。 ５前記下方層を高温空気により加熱することを特徴とする、請求の範囲第３項に 記載の方法。 ６使用される前記プラスチック材が熱可塑性樹脂であること、および前記巻付け 操作と同時に前記プラスチック材が融点まで加熱されること、を特徴とする、請 求の範囲第１項乃至第５項の任意の項に記載の方法。 ７使用される前記繊維材がカーボン繊維であることを特徴とする請求の範囲第１ 項乃至第６項に記載の方法。 ８プラスチック材と該材に結合された導電性繊維とを含む帯（２）をコア（１） の回りに複数の層をなして巻付け、それぞれの積層を加熱状態にて相互に圧縮す ることにより繊維強化プラスチック材の物体を製造する装置であって、前記帯（ ２）に接触して一つの電源に接続され、前記巻付け操作と同時に前記帯（２）を 加熱するために該帯内の前記導電性繊維材に電流を通すように配置される、導電 性装置（３，５）を含むことを特徴とする装置。 ９前記装置が導電性材を含むローラまたは同様装置（３，５）を含むことを特徴 とする、請求の範囲第８項に記載の装置。 １０前記ローラの一つ（５）が前記帯（２）を下方層に押し付ける加圧ローラで あると同時に電極接続部の役目を果し、前記下方層に衡接して異性電極として働 くいま一つのローラまたは同様装置（８）と協働し、それにより前記下方層にあ る前記導電性繊維材にも加熱用電流を流すこと、を特徴とする、請求の範囲第９ 項に記載の装置。