WO2020175315A1 - 筒状体の製造方法 - Google Patents

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WO2020175315A1
WO2020175315A1 PCT/JP2020/006800 JP2020006800W WO2020175315A1 WO 2020175315 A1 WO2020175315 A1 WO 2020175315A1 JP 2020006800 W JP2020006800 W JP 2020006800W WO 2020175315 A1 WO2020175315 A1 WO 2020175315A1
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bobbin
tow
preg
tow prepreg
resin
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永松大介
高橋潤平
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東レ株式会社
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    • B29C70/04Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28Shaping operations therefor
    • B29C70/54Component parts, details or accessories; Auxiliary operations, e.g. feeding or storage of prepregs or SMC after impregnation or during ageing
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B29C70/30Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core
    • B29C70/32Shaping by lay-up, i.e. applying fibres, tape or broadsheet on a mould, former or core; Shaping by spray-up, i.e. spraying of fibres on a mould, former or core on a rotating mould, former or core

Definitions

  • the present invention relates to a fiber-reinforced plastic (F i b e r R e i n f o r c e d
  • FRP is a composite material in which a resin is reinforced with a reinforcing fiber, and is lighter than metal materials such as iron and aluminum, but can exhibit strength and rigidity equal to or higher than that of metal materials. It's being used.
  • FRP can be formed into various shapes such as a flat plate, an H shape, and a tubular body.
  • the FRP tubular body is generally manufactured by filament winding (FilamentWindyng, FW) molding.
  • the F W molding method is a method of obtaining a tubular body by continuously unwinding a fiber bundle wound on a bobbin while applying tension and winding it on a mandrel.
  • a step of supplying and impregnating the liquid matrix resin composition to the fiber bundle before being wound around the mandrel is provided.
  • the liquid matrix resin composition is handled in the manufacturing process, the working environment is deteriorated, and the impregnation process is included, which makes it impossible to increase the process speed of the F W process. Therefore, instead of supplying the liquid matrix resin composition to the fiber bundle in the FW step, a tow prepreg in which the reinforcing fiber bundle is impregnated with the matrix resin composition in advance may be used.
  • the use of tow prepreg eliminates the need for resin impregnation in the process, and has the advantages of preventing resin scattering in the process, maintaining a favorable working environment, and increasing the FW process speed.
  • the prepreg (Fig. 1) contains the liquid matrix resin composition on the surface of the reinforcing fiber, the layers of the tow prepreg easily slip. Therefore, the ⁇ 02020/175315 2 ⁇ (: 171?2020/006800
  • the tow leg may lose its shape due to the tension generated when the tow leg is unwound from the bobbin during movement or molding (Figs. 2 and 3).
  • a tow-preg bobbin that has largely lost its shape cannot be used for molding.
  • Patent Document 1 describes a technique of helically winding the tow-preg on the entire surface layer of the tow-preg main body so that the tow-preg does not collapse due to vibration during transportation.
  • Patent Document 2 discloses a method in which a tow prepreg is provided with a bobbin cylindrical hole in a support material such as a cardboard box, the bobbin end is inserted into the hole, and the toe prepreg is stored in the cardboard while being supported by the support material. Proposed.
  • Patent Document 3 discloses a tow-preg bobbin that does not collapse (shape collapse) when unwound from a bobbin by devising a sizing agent for carbon fibers.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 2 0 1 8 _ 1 7 7 8 9 8
  • Patent Document 2 Japanese Unexamined Patent Publication No. 20000 _ 1 9 18 08 7
  • Patent Document 3 JP 2 0 1 6-1 6 0 5 4 9 Publication
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 can suppress the collapse of the roll during transportation, there is no mention of a method of avoiding the collapse of the shape of the tow prepreg during molding.
  • the present invention has no particular restriction on the material composition of the tow-preg, suppresses the tow-preg shape collapse during molding, and further collapses during transportation. ⁇ 02020/175315 3 ((171?2020/006800
  • a tow prepreg manufacturing process in which a tuple made by impregnating a matrix resin into a reinforcing fiber bundle made of continuous fibers is wound on a bobbin,
  • a process for manufacturing a tubular body that unwinds the tow prepreg from the bobbin and winds it around a mandrel
  • a method for manufacturing a tubular body comprising:
  • the center line average roughness (8 3) of the contact surface of the damming means that comes into contact with the tow prepreg end wound on the bobbin is from 0.43 to 25 3 (1)
  • the present invention provides a manufacturing method in which there is no restriction on the material composition of the tow-preg, the tow-preg shape collapse during molding is suppressed, and even the toe-preg that has lost its shape during transportation can be used for molding. be able to.
  • FIG. 1 is a schematic view showing an example of a bobbin wound with a tow-preg.
  • FIG. 2 is a schematic view showing an example of a bobbin in which the tow-preg has lost its shape due to vibration during transportation.
  • FIG. 3 is a schematic view showing an example of a bobbin in which the tow prepreg has lost its shape due to the tension when the tow prepreg is unwound from the bobbin during molding.
  • FIG. 4 is a schematic view showing an example of a tow-preg manufacturing process.
  • Fig. 5-3 is a schematic view showing an example of the damming means and the toepleg before mounting.
  • Fig. 5-1) Fig. 5-1) is a schematic view showing an example of a tow-preg provided with damming means.
  • Fig. 5- ⁇ is a schematic view of the toepreg (Fig. 5 _ ⁇ ) with damming means, taken along line 8-8.
  • FIG. 6 is a schematic view showing an example of a manufacturing process of a tubular body.
  • FIG. 7 is a schematic view showing an example of tension measurement in the tow prepreg manufacturing process.
  • FIG. 8 is a schematic view showing an example of tension measurement in the manufacturing process of the tubular body.
  • the present invention provides a tow prepreg manufacturing process of winding a tow prepreg impregnated with a matrix resin into a reinforcing fiber bundle composed of continuous fibers on a bobbin and both ends of the bobbin, and a dam to contact the ends of the tow prepreg wound on the bobbin. It comprises a mounting step for mounting the means and a manufacturing step for manufacturing a tubular body in which the tow prepreg is unwound from the bobbin and wound around a mandrel.
  • Reinforcing fiber bundle 4 0 2 is unwound from bobbin 4 0 1 with reinforcing fiber bundle winding installed on creel stand 4 0 5 equipped with tension control mechanism, and is guided through resin guide 4 0 3 and dancer roll 4 Guide to impregnation step 41 4. After that, the tow-preg 4 2 1 which is a resin-impregnated reinforcing fiber is wound on the bobbin 4 2 3 ⁇ 02020/175315 5 ((171?2020/006800
  • the tension control method of the creel stand 405 includes magnetic flux type using perm torque, computer control type using powder brake, and servo control type using servo motor. If it can be controlled by a creel stand, various tension control methods can be applied.
  • the illustrated guiding guide is only an example, and the guiding guide uses the unwound reinforcing fiber bundle 40 2 and tow prepreg 4 2 1 for the resin impregnation step 4 1 4 and the bobbin winding step 4 2
  • the guiding guide may be fixed, rotatable, or a combination of both.
  • the rotary type is preferable in order to avoid damage to the toepleg.
  • the resin impregnation step 4 14 is a process of adhering the resin 4 12 to the reinforcing fiber bundle 40 2.
  • the resin adhesion process 4 1 4 by the impregnating port type shown in the figure is only an example.
  • Various resin attaching means can be applied as long as the purpose is to attach and impregnate a predetermined amount of resin into the reinforcing fiber bundle, such as a constant-rate delivery method in which a separately measured resin is delivered.
  • the inside of the resin bath 4 1 3 containing the impregnation port 4 1 0 is filled with the resin 4 1 2, and the lower part of the impregnation port 4 1 0 passes through the resin 4 1 2.
  • the resin adheres to the surface of the impregnating port 410.
  • the reinforced fiber bundle is impregnated with the impregnating port 41 1. By passing over 0, an appropriate amount of resin 4 12 can be attached to the reinforced fiber bundle 40 2.
  • the bobbin winding step 4 23 is a process of winding the tow prepreg 4 2 1 on the bobbin to obtain the tow prep winding bobbin 4 2 2.
  • the package shape of the bobbin 422 with tow-preg winding but a square winding capable of increasing the tow-preg winding density is preferable.
  • the bobbin 10 1 is inserted into a cylindrical hole provided in advance in the damming means 50 1, and brought into contact with the damming means 5 0 1 and the ends of the tow prepreg 4 2 1. Then, the bolt 503 is inserted into the screw hole 502 of the damming means 501, and the damming means 501 and the bobbin 1O1 are fixed by the pressing force of the bolt 503 (Fig. 5). — 8, Figure 5 _ ⁇ , Figure 5 _ ⁇ ).
  • the shape of the tow-preg is corrected, so that even a tow-preg that has lost its shape can be used for forming. Further, since the tow-preg shape of the bobbin 4 2 2 wrapped around the tow-preg is restrained by the damming means 50 1, the tow-preg 4 21 does not lose its shape during molding.
  • the damming means may be an independent member as shown in Fig. 5_3, or may be attached to a clear stand described later. Further, it is preferable that the damming means is larger than the outer diameter of the tow-preg before use in order to prevent the tow-preg from losing its shape. Specifically, set the outside diameter of the tow-preg to 0 And of the coughing means ⁇ 02020/175315 7 ((171?2020/006800
  • Outer diameter is 0 0 2 In this case, it is preferable that ⁇ 1 ⁇ 0 0 2.
  • the disc damming means 501 shown in the figure is only an example, and various other damming means can be applied as long as the purpose is to prevent the towpreg from losing its shape such as a flat plate or a star. is there. Further, the fixing of the damming means 50 1 and the bobbin 1 0 1 by the bolts shown in the figure is only an example.
  • the weir restraint means 5 01 contacted the end of the towpreg of the towpreg wrapped bobbin 4 2 2 by pressing the weir restraint means 50 1 against the bobbin 1 0 1 or the towpreg wrapped bobbin 4 2 2 by a panel. As long as the purpose is to fix in the state, various shapes of fixing means can be applied.
  • the tow-preg wound bobbin 5 0 4 with the damming means attached is fixed to the creel stand 6 0 1, and the tow-preg 4 2 1 unwound from the bobbin is guided through the guide guide 6 0 3 and the dancer roll 6 0 4 to the mandrel 6 0 6.
  • the guiding guides shown are only examples, and as long as the purpose is to guide the unwound tow-preg 4 21 to the mandrel 6 06, the number of guides, guide materials, guides There are no restrictions on the installation location.
  • the guiding guide may be fixed type, rotary type, or a combination of both. A rotary type is preferred to avoid damage to the tow legs.
  • the creel stand 60 1 of the present invention includes a tension control mechanism.
  • Tension control methods such as magnetic torque type using perm torque, computer control type using powder brake, servo control type using servo motor, etc. can be used for various tension control if the tension of the tow leg 4 21 can be controlled by the creel stand. The method is applicable. It is desirable to have a dancer roll 60 4 to absorb the looseness of the tow-preg 4 21 during forming. To further improve the response accuracy of tension control, control the data acquired by the dancer roll 604. ⁇ 02020/175315 8 ((171?2020/006800
  • the data sent to the control unit 605 may be acquired by the guidance guide 603 or other sensors (not shown).
  • the tubular body manufactured using the tow-preg wound bobbin 504 with the damming means attached is a tow-preg at an angle of ⁇ 10 ° to ⁇ 70 ° with respect to the axial direction of the mandrel 606. It is desirable to include so-called helical winding, in which 4 2 1 is wound. While rotating the helical winding mandrel, the yarn feeding head is moved in the axial direction of the mandrel, and while being relatively rotated around the axis, the tow preg 4 2 1 is fed to the mandrel 60 6.
  • the surface roughness of the contact surface of the damming means 5 0 1, which comes into contact with the tow prepreg end of the tow prepreg winding bobbin 4 2 2 used in the present invention is as follows: "" 3 3 0 6 0 1 (1 9 9 4 It is preferable that the center line average roughness ([3 ⁇ 4 3)) described in () is from 0.43 to 25 3.
  • the center line average roughness (8 3) of the contact surface is larger than 2 53, the unevenness of the surface of the contact surface is large, and the unwound tow prepreg 4 2 1 and the contact surface rub against each other, and the tow prepreg 4 2 1 hurts. Occurs.
  • the center line average roughness of the contact surface is smaller than ⁇ 0.43, the surface roughness of the contact surface is small, and the contact area between the contact surface and the upper upreg 4 21 becomes large. The contact surface rubs against the surface, which causes pain on the tow prepreg 4 21.
  • the center line average roughness is preferably from 1.63 to 12.53, more preferably from 3.23 to 6.33.
  • the bobbin 4 2 ⁇ 02020/175315 9 ((171?2020/006800
  • the tension (Ting 2 [1 ⁇ 1]) at the time of unwinding the tow prepreg 4 2 1 is 2 1 1 ⁇ Ding 2.
  • the tension of Ding 1 is preferably 2 0 1 ⁇ 1 or less, more preferably 1 5 1 ⁇ 1 or less. If it exceeds 20 1 ⁇ 1, resin exudation of tow-preg resin will occur and the quality of tow-preg will deteriorate.
  • the shape of the tow preg can be avoided by making Ding 2 [1 ⁇ 1] smaller, it becomes a low-quality tubular body with many voids. Therefore, in order to obtain a tubular body with few voids, the tension of Ding 2 is preferably 3 0 1 ⁇ 1 or more, more preferably 4 0 1 ⁇ 1 or more.
  • the resin weight/total weight of tow prepreg) is preferably 24 to 35%. If the resin content of the tow-preg is less than 24%, the amount of resin on the surface of the tow-preg is small, and the shape is less likely to lose its shape. On the other hand, if the resin content of the tow-preg is more than 35%, the resin content of the tow-preg is too high and the properties of the tubular body deteriorate. More preferably, the resin content of the tow-preg is 26 to 33%.
  • the resin viscosity of the tow-preg used in the present invention is "" 3 I 8803 (20
  • the viscosity is measured by the cone-and-plate type rotary viscometer described in 11), and the resin viscosity at 25° is preferably from 1,000 to 30,000. If the resin viscosity is less than 1,000,000, the resin drips and it is difficult to form a prepreg. On the other hand, if the resin viscosity is more than 300,000, the tack of the tow-preg is large and it becomes difficult to unwind the tow-preg.
  • the resin viscosity of the u-preg is more preferably 5000-25000.
  • fibers constituting the fiber bundle used in the present invention include glass fibers, carbon fibers, graphite fibers, aramid fibers, boron fibers, alumina fibers and silicon carbide fibers. It is also possible to use a mixture of two or more of these reinforcing fibers. In order to obtain a molded product with higher strength, it is a preferred embodiment to use carbon fiber in the fiber bundle.
  • Carbon fibers having a tensile elastic modulus of 3 to 80 3 in a strand tensile test by the method described in 01 (1 986) are preferably used.
  • a liquid resin is preferably used.
  • an epoxy resin composition containing an epoxy resin and a curing agent is preferable in order to obtain the heat resistance and environment resistance required for the pressure vessel. Further, in order to shorten the curing time, it is possible to add a curing catalyst appropriately.
  • the pressure vessel manufactured according to the present invention is not limited to hydrogen gas vehicles and natural gas vehicles, but is also used for ships and aircraft, etc., as well as stationary types and diseases fixed on the ground. ⁇ 02020/175315 11 11 (:171?2020/006800
  • the substance stored in this pressure vessel may be a gas such as nitrogen, oxygen, argon, liquefied petroleum gas and hydrogen, and examples thereof include liquefied substances.
  • a bobbin with a length of 280, an outer diameter of 82.5 and an inner diameter of 76.5 was installed in a tow prepreg manufacturing device, and the carbon fiber “Torayca” manufactured by Toray Industries, Inc. was used as a reinforcing fiber in the bobbin.
  • Die 7 0 0 3 (3—2 4 yarn bundles are aligned, and bisphenol 8-type epoxy resin is attached to it while being attached with ⁇ [3 ⁇ 4 8 2 8 (manufactured by Mitsubishi Chemical Corporation)].
  • the viscosity of the epoxy resin used was 125° 00 at 25 ° ⁇ , in the axial direction of the bobbin,
  • the resin-impregnated fiber bundle was wound around the enclosure to obtain 41 ⁇ 9 tow prepreg. Based on the weight of carbon fiber used and the weight of the obtained tow prepreg, the resin adhesion amount of the tow prepreg was 26%.
  • the winding tension of the tow prepreg at this time was measured by Ding 3-100 (manufactured by Imada Co., Ltd.) and was 1 5 1 ⁇ 1.
  • a tow prepreg bobbin with a damming means is installed on the creel stand of the filament winding molding machine, and the unwound tow prepreg is attached to the outer diameter of the body.
  • Body length Mirror length Wrapped around the liner. A width of 7 at a wrap angle of ⁇ 20 ° to the liner axis
  • the tow prepreg specified in 1. was reciprocally wound 100 times and the fiber bundle was wound around the entire liner, and the molding was completed without the tow prepreg losing its shape.
  • the unwinding tension of the tow-preg was measured by Ding 3-100 (manufactured by Imada Co., Ltd.) and was 4 51 ⁇ 1.
  • the towpreg was wound around the liner in the same manner as in Example 1 except that no damming means was installed. It was planned to wind a tow of 100 round trips ⁇ 02020/175315 12 ((171?2020/006800
  • the tow prepreg fell on the 22nd round trip, and the tow prepreg collapsed to a level where it could not be used for molding.
  • the tow-preg was wound around the liner in the same manner as in Comparative Example 1 except that the tow-preg having a resin adhesion amount of 22% was used. Although the molding was completed without the shape of the towpreg losing its shape, the molded product on the mandrel had unevenness of the resin and there was a problem in quality.
  • the towpreg was wound around the liner in the same manner as in Comparative Example 1 except that the unwinding tension of the towpreg was 201 ⁇ 1. Although the molding was completed without the toupreg's shape collapse, the resin spread on the mandrel was small, and the toepreg's widening property was poor.

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Abstract

連続繊維からなる強化繊維束にマトリックス樹脂を含浸させたトウプレグをボビンに巻き取るトウプレグ製造工程、前記ボビンの両端に、前記ボビンに巻き付けた前記トウプレグ端部と接触させるようにせき止め手段を取り付ける取付工程、前記ボビンから前記トウプレグを巻き出しマンドレルに巻き付ける筒状体の製造工程、を少なくとも有することを特徴とする筒状体の製造方法。トウプレグを構成する材料組成に特別な制約が無く、FW成形時のトウプレグ型崩れを抑制し、更に輸送時に型崩れしたトウプレグがFW成形に使用できる製造方法を提供する。

Description

明 細 書
発明の名称 : 筒状体の製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、 繊維強化プラスチック (F i b e r R e i n f o r c e d
P l a s t i c, F R P) 製パイプや圧力容器などに係る、 筒状体の製造方 法に関する。
背景技術
[0002] F R Pは、 樹脂を強化繊維で補強した複合材料であり、 鉄やアルミ等の金 属材料と比較して軽量でありながらも金属材料と同等以上の強度および剛性 を発揮できることから、 広く利用されている。
[0003] F R Pは平板、 H形状、 筒状体など種々の形に成形することが可能である 。 このうち、 F R P製筒状体は、 一般にフィラメントワインディング (F i l ame n t W i n d i n g、 FW) 成形によって製造される。 F W成形 法は、 ボビンに巻き取られた繊維束に張力をかけながら連続的に巻き出し、 マンドレルに巻き取ることで、 筒状体を得る工法である。
[0004] 多くの場合、 マンドレルに巻きつける前の繊維束に液状マトリックス樹脂 組成物を供給して、 含浸させる工程を設けている。 しかしながら、 製造工程 において液状マトリックス樹脂組成物を取り扱うため、 作業環境が悪化する 、 また含浸工程を有しているため F W工程の工程速度をあげることができな いなどの課題がある。 そのため、 FW工程内で液状マトリックス樹脂組成物 を繊維束に供給するのではなく、 あらかじめ強化繊維束にマトリックス樹脂 組成物を含浸させたトウプレグを使用する場合がある。 トウプレグを使用す ると工程内で樹脂含浸工程が不要になるので、 工程内での樹脂飛散がなく良 好な作業環境が保たれる、 F W工程速度を上げることができるなどの利点が ある。
[0005] トゥプレグ (図 1 ) は強化繊維の表面に液状マトリックス樹脂組成物を含 んでいるため、 前記トウプレグの層間が滑りやすい。 そのため、 輸送時の振 \¥02020/175315 2 卩(:171?2020/006800
動や 成形時にボビンからトウプレグを巻き出す際の張力により、 トウプ レグが型崩れることがある (図 2、 図 3) 。 大きく型崩れたトウプレグボビ ンは 成形に使用できない。
[0006] 例えば特許文献 1 には、 輸送時の振動でトウプレグが巻き崩れないように トウプレグ本体部の表層全体にトウプレグをヘリカル巻きする技術が記載さ れている。
[0007] また、 特許文献 2には、 トウプレグをダンボール等の支持材にボビン円筒 形状の穴を設け、 その穴にボビン端部を差込み、 支持材で支持された状態で ダンボールに収納する方法が提案されている。
[0008] また、 特許文献 3には、 炭素繊維用サイジング剤を工夫することにより、 ボビンからの解舒の際に巻き崩れ (型崩れ) がないトウプレグボビンが開示 されている。
先行技術文献
特許文献
[0009] 特許文献 1 :特開 2 0 1 8 _ 1 7 7 8 9 8号公報
特許文献 2 :特開 2 0 0 0 _ 1 9 1 8 0 7号公報
特許文献 3 :特開 2 0 1 6 - 1 6 0 5 4 9号公報
発明の概要
発明が解決しようとする課題
[0010] しかしながら、 特許文献 1や特許文献 2に記載の方法では、 輸送時の巻き 崩れが抑制できるものの、 成形時のトウプレグの型崩れ回避方法につい てはなんら触れられていない。
[001 1 ] また、 特許文献 3に記載の型崩れが起きないトウプレグを得るためには、 トウプレグの材料を工夫する必要があり、 トウプレグを構成する炭素繊維束 や液状マトリックス樹脂組成物の組成が制約される懸念がある。
[0012] 本発明はかかる背景に鑑み、 トウプレグを構成する材料組成に特別な制約 が無く、 成形時のトウプレグ型崩れを抑制し、 更に輸送時に型崩れした \¥02020/175315 3 卩(:171?2020/006800
トウプレグでも 成形に使用できる製造方法を提供するものである。 課題を解決するための手段
[0013] 上記の課題は、 次の発明により解決される。
( 1) 連続繊維からなる強化繊維束にマトリックス樹脂を含浸させたトゥプ レグをボビンに巻き取るトウプレグ製造工程、
前記ボビンの両端に、 前記ボビンに巻き付けた前記トウプレグ端部と接触さ せるようにせき止め手段を取り付ける取付工程、
前記ボビンから前記トウプレグを巻き出しマンドレルに巻き付ける筒状体の 製造工程、
を少なくとも有することを特徴とする筒状体の製造方法。
(2) 前記ボビンに巻き付けた前記トウプレグ端部と接触する前記せき止め 手段の接触面の中心線平均粗さ (8 3) が〇. 4 3から 2 5 3であることを 特徴とする (1) に記載の筒状体の製造方法。
(3) 前記トウプレグを前記ボビンに巻き取る際の張力 (丁 1 [ 1\1 ] ) と、 クリールスタンドスタンドに取り付けられた前記ボビンから前記トウプレグ を巻き出す際の張力 (丁 2 [ 1\1 ] ) とが、 2X1 1<丁 2であることを特徴 とする (1) または (2) に記載の筒状体の製造方法。
(4) 前記トウプレグの樹脂含有率 (=トウプレグ中のマトリックス樹脂重 量/トウプレグ全体重量) が 2 4〜 3 5 %であることを特徴とする (1) 〜
(3) のいずれかに記載の筒状体の製造方法。
(5) 前記トウプレグの 2 5 °〇での樹脂粘度が 1 0 0 0〜 3 0 0 0 0〇 で あることを特徴とする (1) 〜 (4) のいずれかに記載の筒状体の製造方法 発明の効果
[0014] 本発明はかかる背景に鑑み、 トウプレグを構成する材料組成の制約が無く 、 成形時のトウプレグ型崩れを抑制し、 更に輸送時に型崩れしたトウプ レグでも 成形に使用できる製造方法を提供することができる。
図面の簡単な説明 \¥02020/175315 4 卩(:17 2020/006800
[0015] [図 1]トウプレグを巻きつけたボビンの一例を示す概略図である。
[図 2]輸送時の振動でトウプレグが型崩れしたボビンの一例を示す概略図であ る。
[図 3] 成形時にボビンからトウプレグを巻き出す際の張力により前記トウ プレグが型崩れを起したボビンの一例を示す概略図である。
[図 4]トウプレグ製造工程の一例を示す概略図である。
[図 5-3]取り付け前のせき止め手段とトウプレグの一例を示す概略図である。 [図 5-1)]せき止め手段を取り付けたトウプレグの一例を示す概略図である。
[図 5-〇]せき止め手段を取り付けたトウプレグ (図 5 _匕) の八_八断面概略 図である。
[図 6]筒状体の製造工程の一例を示す概略図である。
[図 7]トウプレグ製造工程における張力測定の一例を示す概略図である。
[図 8]筒状体の製造工程における張力測定の一例を示す概略図である。
発明を実施するための形態
[0016] 以下、 本発明の実施形態について順次説明する。 本実施形態は本発明を実 施する一例であって、 本発明は本実施例形態に限定されるものではない。 本 発明は、 連続繊維からなる強化繊維束にマトリックス樹脂を含浸させたトウ プレグをボビンに巻き取るトウプレグ製造工程と前記ボビンの両端に、 前記 ボビンに巻き付けた前記トウプレグ端部と接触させるようにせき止め手段を 取り付ける取付工程と前記ボビンから前記トウプレグを巻き出しマンドレル に巻き付ける筒状体の製造工程から構成される。
[0017] <トウプレグ製造工程 >
図 4に示す実施例を用いて、 本発明に係るトウプレグの製造方法について 説明する。
張力制御機構を備えるクリールスタンド 4 0 5に設置した強化繊維束巻き つきボビン 4 0 1から強化繊維束 4 0 2を巻き出し、 誘導ガイ ド 4 0 3、 ダ ンサーロール 4 0 4を介して、 樹脂含浸工程 4 1 4に誘導する。 その後、 樹 脂含浸済み強化繊維であるトウプレグ 4 2 1 をボビンへの巻取り工程 4 2 3 \¥02020/175315 5 卩(:171?2020/006800
に送り出し、 トウプレグ巻きつきボビン 4 2 2を得る。
[0018] クリールスタンド 4 0 5の張力制御方式はパーマトルクを使用した磁気卜 ルク式、 パウダーブレーキを使用したコンビユータ制御式、 サーボモーター を使用したサーボ制御式など、 強化繊維束 4 0 2の張力がクリールスタンド で制御できれば、 種々の張力制御方式が適用可能である。
[0019] トウプレグ製造中の強化繊維束 4 0 2のゆるみを吸収するために、 ダンサ —口ール 4 0 4を備えていることが望ましい。 更に張力制御の応答精度を向 上させるために、 ダンサーロール 4 0 4で取得したデータを制御部 4 3 0を 介してクリールスタンド 4 0 5にフイードバックすることが好ましい。 なお 、 ダンサ __ル 4 0 4で取得するデータはダンサーの位置情報、 張力情報 などクリールスタンド 4 0 5の張力制御に活用することが目的である限りは 、 取得するデータの種類に制限はない。 また、 制御部 4 3 0に送るデータは 誘導ガイ ド 4 0 3やその他センサー (図示せず) で取得してもかまわない。
[0020] 図示されている誘導ガイ ドは一例に過ぎず、 誘導ガイ ドは巻き出した強化 繊維束 4 0 2およびトウプレグ 4 2 1 を樹脂含浸工程 4 1 4やボビンへの巻 取り工程 4 2 3に誘導させることが目的である限りは、 ガイ ド数、 ガイ ド材 質、 ガイ ド設置場所に制限は無い。 また、 誘導ガイ ドは固定式、 回転式、 も しくは両方の組み合わせでも良い。 トウプレグの傷みを避けるためには回転 式が好ましい。
[0021 ] 樹脂含浸工程 4 1 4は、 強化繊維束 4 0 2に樹脂 4 1 2を付着させるプロ セスである。 図示されている含浸口ーラ式による樹脂付着工程 4 1 4は一例 に過ぎず、 他に、 樹脂中に強化繊維束を直接通過させるディップ方式、 含浸 ダイに強化繊維束を引き込み、 ダイ内部に別途計量された樹脂を吐出する定 量吐出方式など、 強化繊維束に所定量の樹脂を付着および含浸させることが 目的である限りは、 種々の樹脂付着手段が適用可能である。
[0022] 図示されている含浸口ーラ式においては、 強化繊維束 4 0 2が誘導ガイ ド 4 0 3を通過した後、 含浸口ーラ 4 1 0上を通過し、 別の誘導ガイ ド 4 0 3 を通過してトウプレグ 4 2 1 をボビンへの巻取り工程 4 2 3に送り出される \¥02020/175315 6 卩(:171?2020/006800
。 含浸口ーラ 4 1 0を収容している樹脂バス 4 1 3内は樹脂 4 1 2で満たさ れており、 含浸口ーラ 4 1 〇の下部が樹脂 4 1 2中を通過する配置とするこ とで含浸口ーラ 4 1 0の表面に樹脂が付着する。 搔き取り部材 4 1 1 によっ て含浸口ーラ 4 1 0上の余剰樹脂を搔き落として口ーラ上の樹脂量を適正に 制御した後に、 強化繊維束が含浸口ーラ 4 1 0上を通過することで、 強化繊 維束 4 0 2へ適正量の樹脂 4 1 2を付着させることができる。
[0023] ボビンへの巻取り工程 4 2 3は、 トウプレグ 4 2 1 をボビンに卷取り トウ プレグ巻きつきボビン 4 2 2を得るプロセスである。 トウプレグ巻きつきボ ビン 4 2 2のパッケージ形状に限定はないが、 トウプレグの巻き密度を大き くできるスクェアェンド巻きが好ましい。
[0024] <せき止め手段の取付工程>
図 5 - 3から図 5 -〇を用いて、 トウプレグ巻きつきボビン 4 2 2の両端 に、 ボビン 1 0 1 に巻き付けたトウプレグ 4 2 1端部と接触させるようにせ き止め手段を取り付ける取付工程について説明する。
[0025] せき止め手段 5 0 1 にあらかじめ設けていた円筒形状の穴にボビン 1 0 1 を差込み、 前記せき止め手段 5 0 1 とトウプレグ 4 2 1の端部に接触させる 。 その後、 前記せき止め手段 5 0 1のねじ穴 5 0 2にボルト 5 0 3を揷入し 、 前記ボルト 5 0 3の押し付け力により前記せき止め手段 5 0 1 とボビン 1 0 1 を固定する (図 5— 8、 図 5 _ 1〇、 図 5 _〇) 。 せき止め手段 5 0 1の 接触面 (側面) をトウプレグ 4 2 1の端部に接触させることにより、 トウプ レグの形状が矯正されるので、 型崩れたトウプレグでも 成形に使用する ことが可能になる。 また、 せき止め手段 5 0 1 によってトウプレグ巻きつき ボビン 4 2 2のトウプレグ形状が拘束されることにより、 成形中にトウ プレグ 4 2 1が型崩れを起すこともない。
[0026] せき止め手段は図 5 _ 3のように独立した部材でも良いし、 後述するクリ —ルスタンドに付属していても良い。 また、 せき止め手段はトウプレグの型 崩れを抑制するために、 使用前のトウプレグの外径よりも大きいものが好ま しい。 具体的にはトウプレグの外径を〇 0 1
Figure imgf000008_0001
とし、 せき止め手段の \¥02020/175315 7 卩(:171?2020/006800
外径を 0 0 2
Figure imgf000009_0001
とした場合、 〇口 1<〇 0 2であることが好ましい。 図示されている円盤のせき止め手段 5 0 1は一例に過ぎず、 他に、 平板、 星 状などトウプレグの型崩れを防止することが目的である限りは、 種々の形状 のせき止め手段が適用可能である。 更に、 図示されているボルトによるせき 止め手段 5 0 1 とボビン 1 0 1の固定は一例に過ぎず、 他に、 せき止め手段 5 0 1 とボビン 1 0 1の間にゴムを入れて摩擦で固定する方法、 パネにより せき止め手段 5 0 1 をボビン 1 0 1やトウプレグ巻きつきボビン 4 2 2に押 付ける方法など、 せき止め手段 5 0 1がトウプレグ巻きつきボビン 4 2 2の トウプレグ端部に接触された状態で固定させることが目的である限りは、 種 々の形状の固定手段が適用可能である。
[0027] <前記ボビンから前記トウプレグを巻き出しマンドレルに巻き付ける筒状体 の製造工程>
図 6を用いて、 本発明に係る筒状体の製造方法について説明する。
せき止め手段取り付け済みトウプレグ巻きつきボビン 5 0 4をクリールス タンド 6 0 1 に固定し、 ボビンから巻きだしたトウプレグ 4 2 1 を誘導ガイ ド 6 0 3 , ダンサーロール 6 0 4を介してマンドレル 6 0 6に撒き付けて筒 状体を製造する。 図示されている誘導ガイ ドは一例に過ぎず、 誘導ガイ ドは 巻き出したトウプレグ 4 2 1 をマンドレル 6 0 6に誘導させることが目的で ある限りは、 ガイ ド数、 ガイ ド材質、 ガイ ド設置場所に制限は無い。 また、 誘導ガイ ドは固定式、 回転式、 もしくは両方の組み合わせでも良い。 トウプ レグの傷みを避けるためには回転式が好ましい。
[0028] 本発明のクリールスタンド 6 0 1は張力制御機構を備えている。 張力制御 方式はパーマトルクを使用した磁気トルク式、 パウダーブレーキを使用した コンビュータ制御式、 サーボモーターを使用したサーボ制御式など、 トウプ レグ 4 2 1の張力がクリールスタンドで制御できれば、 種々の張力制御方式 が適用可能である。 成形中のトウプレグ 4 2 1のゆるみを吸収するため に、 ダンサーロール 6 0 4を備えていることが望ましい。 更に張力制御の応 答精度を向上させるために、 ダンサーロール 6 0 4で取得したデータを制御 \¥02020/175315 8 卩(:171?2020/006800
部 6 0 5を介してクリールスタンド 6 0 1 にフイードバックすることが好ま しい。 なお、 ダンサーロール 6 0 4で取得するデータはダンサーの位置情報 、 張力情報などクリールスタンド 6 0 1の張力制御に活用することが目的で ある限りは、 取得するデータの種類に制限はない。 また、 制御部 6 0 5に送 るデータは誘導ガイ ド 6 0 3やその他センサー (図示せず) で取得してもか まわない。
[0029] せき止め手段取り付け済みトウプレグ巻きつきボビン 5 0 4を使用して製 造する筒状体は、 マンドレル 6 0 6の軸方向に対して、 ± 1 0 ° 〜 ± 7 0 ° の角度でトウプレグ 4 2 1 を巻きつける、 いわゆるヘリカル巻きを含むこと が望ましい。 ヘリカル巻きマンドレルを回転させながら、 給糸ヘッ ドをマン ドレルの軸方向に移動させ、 かつ軸周りに相対回転させながら、 マンドレル 6 0 6にトウプレグ 4 2 1 を送り出す。 給糸へッ ドがマンドレル 6 0 6の一 端側から他端側まで移動し、 一時停止した後にさらに一端側へと戻る動作を 繰り返すと、 クリールスタンド 6 0 1 に取り付けたトウプレグに大きな力が 加わり型崩れが起こりやすくなる。 そのため、 せき止め手段 5 0 1 による卜 ウプレグ型崩れ抑制効果が得やすい。
[0030] 本発明で使用するトウプレグ巻きつきボビン 4 2 2のトウプレグ端部と接 触するせき止め手段 5 0 1の接触面の表面粗さは、 」 丨 3巳 0 6 0 1 (1 9 9 4) に記載の中心線平均粗さ ( [¾ 3) が〇. 4 3から 2 5 3であることが 好ましい。 接触面の中心線平均粗さ (8 3) が 2 5 3より大きいと接触面の 表面の凹凸が大きいため、 巻き出したトウプレグ 4 2 1 と前記接触面が擦れ て、 トウプレグ 4 2 1 に痛みが発生する。 また、 接触面の中心線平均粗さ ( が〇. 4 3より小さいと接触面の表面凹凸が小さいため、 接触面と卜 ウプレグ 4 2 1の接触面積が大きくなるので巻き出したトウプレグ 4 2 1 と 接触面が擦れて、 トウプレグ 4 2 1 に痛みが発生する。 更に中心線平均粗さ は 1 . 6 3から 1 2 . 5 3が好ましく、 更に 3 . 2 3から 6 . 3 3 が好ましい。
[0031 ] 本発明において、 トウプレグ製造工程でトウプレグ巻きつきボビン 4 2 2 \¥02020/175315 9 卩(:171?2020/006800
を製造するために、 トウプレグ 4 2 1 をボビンに巻き取る際の張力 (丁 1 [ !\1 ] ) と、 クリールスタンド 6 0 1 に取り付けられたせき止め手段取り付け 済みトウプレグ巻きつきボビン 5 0 4からトウプレグ 4 2 1 を巻き出す際の 張力 (丁 2 [ 1\1 ] ) とが、 2 丁 1<丁 2であることが好ましい。
[0032] 図 7を用いて、 トウプレグ 4 2 1 をボビンに巻き取る際の張力 (丁 1 [ ] ) の測定方法について説明する。 トウプレグ巻きつきボビン 4 2 2を取り 外した後にトウプレグ 4 2 1の先端にフォースゲージ 7 0 1 を取り付けてか ら、 フォースゲージ 7 0 1 を地面に対して水平方向 7 0 2に引っ張った時の 張力を丁 1 [ !\1 ] と定義する。
[0033] 続いて、 図 8において、 クリールスタンド 6 0 1 に取り付けられたせき止 め手段取り付け済みトウプレグ巻きつきボビン 5 0 4からトウプレグ 4 2 1 を巻き出す際の張力 (丁 2 [ 1\1 ] ) について説明する。
マンドレル 6 0 6を取り外した後にトウプレグ 4 2 1の先端にフォースゲ —ジ 8 0 1 を取り付けてから、 フォースゲージ 8 0 1 を地面に対して水平方 向 8 0 2に引っ張った時の張力を丁 2 [ 1\1 ] と定義する。
[0034] 丁 1 [ 1\1 ] を大きくすれば、 トウプレグ層間の摩擦力が大きくなるので卜 ウプレグの型崩れを抑えることができる。 しかしながら、 丁 1が大きくなる と、 トウプレグ樹脂染み出しが起こり、 トウプレグ内の樹脂ムラが発生する 。 そのため、 丁 1の張力は 2 0 1\1以下、 さらには 1 5 1\1以下が好ましい。 2 〇 1\1を超えるとトウプレグ樹脂の樹脂染み出しが発生して、 トウプレグの品 質が悪化する。 丁 2 [ 1\1 ] を小さくすればトウプレグの型崩れが回避できる ものの、 空隙が多い低品質の筒状体になる。 そのため、 空隙の少ない筒状体 を得るためには、 丁 2の張力は 3 0 1\1以上、 さらには 4 0 1\1以上が好ましい
[0035] 本発明であるボビンの両端に、 ボビンに巻き付けたトウプレグ端部と接触 させるようにせき止め手段を取り付けることにより、 型崩れが起こりやすい 前記張力条件でも安定して筒状体の製造が可能になる。
[0036] 本発明に使用するトウプレグの樹脂含有率 (=トウプレグ中のマトリック \¥02020/175315 10 卩(:171?2020/006800
ス樹脂重量/トウプレグ全体重量) は 24〜 35 %であることが好ましい。 トウプレグの樹脂含有率が 24 %より小さいと、 トウプレグ表面の樹脂量が 少なく、 型崩れが起こりにくい。 一方、 トウプレグの樹脂含有率が 35%よ り大きいと、 トウプレグの樹脂含有率が大きすぎて、 筒状体の特性が低下す る。 トウプレグの樹脂含有率は 26〜 33%がさらに好ましい。
[0037] 本発明に使用するトウプレグの樹脂粘度は、 」 丨 3 I 8803 (20
1 1 ) に記載の円すい一平板形回転粘度計における粘度測定方法により実施 し、 前記樹脂粘度は 25 °〇での樹脂粘度が 1 000〜 30000〇 である ことが好ましい。 前記樹脂粘度が 1 000〇 より小さいと、 樹脂が垂れ落 ちてトゥプレグ化が難しい。 一方、 前記樹脂粘度が 30000〇 より大き いと、 トウプレグのタックが大きく トウプレグの巻き出しが困難になる。 卜 ウプレグの樹脂粘度は 5000〜 25000〇 がさらに好ましい。
[0038] ここで、 本発明で使用する繊維束と樹脂について説明する。
本発明において用いられる繊維束を構成する繊維としては、 ガラス繊維、 炭素繊維、 黒鉛繊維、 アラミ ド繊維、 ボロン繊維、 アルミナ繊維および炭化 ケイ素繊維等が挙げられる。 これらの強化繊維を 2種以上混合して用いるこ とも可能である。 より高強度の成形品を得るために、 繊維束に炭素繊維を用 いることが好ましい態様である。
[0039] 本発明においては、 用途に応じてあらゆる種類の炭素繊維を用いることが 可能であるが、 高強度を有する成形品を得られることから」 丨 3
Figure imgf000012_0001
76
01 (1 986) に記載の方法によるストランド引張試験における引張弾性 率が 3〜 80 3の炭素繊維が好ましく用いられる。
[0040] また本発明で用いられる樹脂としては、 液状の樹脂が好ましく用いられる
。 具体的には、 圧力容器に必要な耐熱性や耐環境性能を得るために、 エポキ シ樹脂と、 硬化剤とを含むエポキシ樹脂組成物であることが好ましい。 また 、 硬化時間を短縮させるために、 硬化触媒を適宜加えることも可能である。
[0041] 本発明で製造される圧力容器は、 水素ガス自動車や天然ガス自動車に限ら ず、 船舶と航空機等、 および、 地上に固定されて使用される据え置き型や病 \¥02020/175315 11 卩(:171?2020/006800
院や消防士が使用する空気呼吸器等に好適に用いられる。 また、 この圧力容 器で保管される物質としては、 窒素、 酸素、 アルゴン、 液化石油ガスおよび 水素等の気体であってもよいし、 前記物質を液化したもの等が挙げられる。 実施例
[0042] (実施例 1)
3) トウプレグ製造装置に、 長さ 2 8 0 、 外径 8 2 . 5 、 内径 7 6 . 5 のボビンを設置し、 当該ボビンに、 強化繊維として東レ(株)製 炭素繊維 “トレカ” (登録商標) 丁 7 0 0 3(3— 2 4 の糸束 1本を引き揃 え、 それにビスフエノール八型エポキシ樹脂 し 巳[¾ 8 2 8 (三菱ケミカル (株) 製) を付着させながら給糸した。 使用したエポキシ樹脂の粘度は 2 5 °〇で 1 2 0 0 0〇 であった。 ボビンの軸方向に対して、
Figure imgf000013_0001
囲に樹脂含浸済み繊維束を巻き取り 4 1< 9のトウプレグを得た。 使用した炭 素繊維重量と得られたトウプレグ重量から、 トウプレグの樹脂付着量は 2 6 %であった。 この時のトウプレグの巻取り張力は 丁 3 - 1 0 0 ( (株) イマダ製) で測定し、 1 5 1\1であった。
[0043] 得られたトウプレグボビンの両端に、 せき止め手段として外径 3 0 0
Figure imgf000013_0002
、 厚み 2 0〇1〇1、 0 8 2 .
Figure imgf000013_0003
の貫通穴があいているアルミプレートを押 付けながら、 ボルトでトウプレグボビンとアルミプレートを固定した。
[0044] 続いて、 フィラメントワインディング成形機のクリールスタンドにせき止 め手段を取り付けたトウプレグボビンを設置し、 巻き出したトウプレグを胴 部外径
Figure imgf000013_0005
胴部長さ
Figure imgf000013_0006
鏡部長さ
Figure imgf000013_0004
のライナに巻き つけた。 ライナの軸方向に対して、 ± 2 0 ° の巻き付け角度で幅 7
Figure imgf000013_0007
に規 定したトウプレグを 1 0 0往復巻きつけてライナ全体に繊維束を巻きつけ、 トウプレグの型崩れが起きずに成形が完了した。 なお、 トウプレグの巻き出 し張力は 丁 3 - 1 0 0 ( (株) イマダ製) で測定し、 4 5 1\1であった。
[0045] (比較例 1)
せき止め手段を設置しなかった以外は、 実施例 1 と同じ方法でトウプレグ をライナに巻きつけた。 1 0 0往復のトウプレグを巻きつける予定であった \¥02020/175315 12 卩(:171?2020/006800
が、 22往復目にトウプレグの綾落ちが発生し、 トウプレグが成形に使用で きない水準まで型崩れした。
[0046] (比較例 2)
樹脂付着量が 22%のトウプレグを使用した以外は、 比較例 1 と同じ方法 でトウプレグをライナに巻きつけた。 トウプレグの型崩れが起きずに成形が 完了したものの、 マンドレル上の成形品には樹脂の付著ムラがあり品質に問 題があった。
[0047] (比較例 3)
トウプレグの巻き出し張力を 201\1にした以外は、 比較例 1 と同じ方法で トウプレグをライナに巻きつけた。 トウプレグの型崩れが起きずに成形が完 了したものの、 マンドレル上の成形品の樹脂染み出しが少ないためトウプレ グの拡幅性が悪く、 トウプレグのバンドギャップが発生し品質に問題があっ た。
符号の説明
[0048] 1 01 :ボビン
1 02 : トウプレグ
201 :輸送時の振動で型崩れしたトウプレグ
301 : 成形時にボビンから巻き出す際の張力で型崩れしたトウプレグ
401 :強化繊維束巻きつきボビン
402 :強化繊維束
403 :誘導ガイ ド
404 :ダンサーロール
405 : クリールスタンド
4 1 0 :含浸口ーラ
4 1 1 :搔き取り部材
4 1 2 :樹脂
4 1 3 :樹脂バス
4 1 4 :樹脂含浸工程 \¥02020/175315 13 卩(:171?2020/006800
42 1 : トウプレグ
422 : トウプレグ巻きつきボビン
423 :ボビンへの巻取り工程
430 :制御部
501 :せき止め手段
502 :ねじ穴
503 :ボルト
504 :せき止め手段取り付け済みトウプレグ巻きつきボビン
601 : クリールスタンド
603 :誘導ガイ ド
604 :ダンサーロール
605 :制御部
606 :マンドレル
701 : フォースゲージ
702 : フォースゲージの引っ張り方向
801 : フォースゲージ
802 : フォースゲージの引っ張り方向

Claims

\¥02020/175315 14 卩(:17 2020/006800 請求の範囲
[請求項 1] 連続繊維からなる強化繊維束にマトリックス樹脂を含浸させたトウ プレグをボビンに巻き取るトウプレグ製造工程、
前記ボビンの両端に、 前記ボビンに巻き付けた前記トウプレグ端部 と接触させるようにせき止め手段を取り付ける取付工程、
前記ボビンから前記トウプレグを巻き出しマンドレルに巻き付ける 筒状体の製造工程、
を少なくとも有することを特徴とする筒状体の製造方法。
[請求項 2] 前記ボビンに巻き付けた前記トウプレグ端部と接触する前記せき止 め手段の接触面の表面粗さ (83) が〇. 43から 253であること を特徴とする請求項 1 に記載の筒状体の製造方法。
[請求項 3] 前記トウプレグを前記ボビンに巻き取る際の張力 (丁 1 [!\1] ) と
、 クリールスタンドスタンドに取り付けられた前記ボビンから前記卜 ウプレグを巻き出す際の張力 (丁 2 [1\1] ) とが、 2X11<丁 2で あることを特徴とする請求項 1 または 2に記載の筒状体の製造方法。
[請求項 4] 前記トウプレグの樹脂含有率 (=トウプレグ中のマトリックス樹脂 重量/トウプレグ全体重量) が 24〜 35 %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筒状体の製造方法。
[請求項 5] 前記トウプレグの 25 °〇での樹脂粘度が 1 000〜 30000〇 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筒状体の製 造方法。
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