(57)【要約】【課題】予め開繊された繊維束を、糸切れ等の品質低下や、スタート時の作業効率の低下なく、十分に開繊された状態を維持して搬送する繊維束の開繊・搬送方法、ならびにそのような方法を用いた炭素繊維一方向性プリプレグの製造方法を提供すること。【解決手段】炭素繊維一方向性プリプレグの製造工程に供する炭素繊維束の開繊方法において、炭素繊維束の糸道がジグザク状になるように配置された複数の開繊部材に炭素繊維束を擦過又は接触させながら、該複数の開繊部材のうち炭素繊維束の搬送方向に対して上下方向に振動する開繊部材により炭素繊維束を開繊した後に、ラミネート装置導入時の繊維束の張力を開繊時の張力に対して低下させ、ラミネート工程に搬送することを特徴とする炭素繊維束の開繊・搬送方法である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維一方向性プリプレグの製造工程に供する炭素繊維束の開繊方法において、炭素繊維束の糸道がジグザグ状になるように配置された複数の開繊部材に炭素繊維束を擦過又は接触させながら、該複数の開繊部材のうち炭素繊維束の搬送方向に対して上下方向に振動する開繊部材により炭素繊維束を開繊した後に、ラミネート装置導入時の炭素繊維束の張力を開繊時の張力に対して低下させ、ラミネート工程に搬送することを特徴とする炭素繊維束の開繊・搬送方法。
【請求項２】
複数の駆動ロールに炭素繊維束を把持させながら、該駆動ロール速度をプリプレグ搬送速度に対して高速で回転させることによって、ラミネート装置導入時の炭素繊維束の張力を１５〜１００ｇ／束に制御する、請求項１に記載の炭素繊維束の開繊・搬送方法。
【請求項３】
駆動ロールを軸方向に揺動させる、請求項２に記載の炭素繊維束の開繊・搬送方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の開繊・搬送方法により開繊・搬送された炭素繊維束に樹脂を含浸させて一方向性プリプレグとする炭素繊維一方向性プリプレグの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維一方向性プリプレグ製造工程のラミネート装置に供給する炭素繊維束を予め開繊、拡幅して搬送する際、特に拡幅量が大きい薄物シートを製造するのに適した開繊・搬送方法、ならびにそのような方法を適用した炭素繊維一方向性プリプレグの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、炭素繊維等の強化繊維束にエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等のマトリクス樹脂を含浸させシート状に形成した一方向性プリプレグが、その軽量で高強度である特性から、例えばゴルフシャフト、釣り竿等のスポーツ・レジャー用途、あるいは航空機材料、医療用材、さらには産業用資材などの幅広い用途に使用されている。このような炭素繊維の軽量、高強度特性を活かして、繊維の目付が低い、所謂薄物プリプレグの需要が急増しており、さらには、薄物プリプレグにおいても厚み斑が少ない高品位プリプレグの要求が高まっている。一方向性プリプレグは、繊維束をシート状に引き揃えた状態で単糸間にマトリクス樹脂を含浸して製造される。この際、薄物プリプレグであるほど、樹脂を含浸させる前に繊維束を十分に開繊した状態に予備開繊しておくことが望ましいが、予備開繊後から、ラミネート装置に供給し、樹脂を含浸するまでの搬送部分を繊維束が通過する間に、予備開繊によって一旦開繊した繊維束が繊維束を構成する単糸の交絡等の影響により、幅方向に不均一に収縮するため、薄物プリプレグを製造しようとした場合、拡幅斑による厚み斑ができ、プリプレグの厚みが薄くならない、厚み斑が発生する、繊維の内部までマトリクス樹脂が含浸しない、繊維束間にワレができる等の問題が発生する。
【０００３】
従って、薄くて厚み斑が少なく、かつ繊維束の内部までマトリクス樹脂が充分に含浸された、ワレのない高品位の一方向性プリプレグを製造するためには、樹脂を含浸させる直前まで、繊維束を予め充分に均一開繊した状態に把持させておく必要がある。
【０００４】
予備開繊して炭素繊維束を薄いシート形状にして一方向性プリプレグとする方法としては、特に繊維束を大きく拡幅させるために、ロール又はバーによる衝打や振動によって炭素繊維束を長手方向に緊張、弛緩させながら開繊する方法が一般的に用いられる。この様な方法は、炭素繊維束を大きく拡幅させることが出来るので薄物の一方向性プリプレグを製造するのに有効であるが、通常炭素繊維束を引き揃えるためと、開繊効果を出すために、クリールにてある程度の張力を付加して開繊装置に供給され、開繊装置にてさらに振動により繊維束が緊張されるため、開繊後の繊維束に過大な張力がかかり、開繊装置を出てからラミネート装置に搬送されるまでのフリーゾーンにて、繊維束が幅方向に収縮することから、特に拡幅率が大きい場合などでは隙間無く一方向に均一に並べられた状態を維持してラミネート工程まで搬送することは困難であった。
【０００５】
従来技術では、これを防止するため、梨地面等の粗い表面を持つロールやバー等による衝打や振動により開繊した直後に、非振動ロールに把持させることで、再収縮を低減する技術が、特許文献１、あるいは特許文献２に開示されているが、これらの方法では、開繊された繊維束が再び集束しようとする力に打ち勝つのに十分な把持力を得るために、繊維束に結局は過大な張力をかけ、かつ繊維束に接触させるロールやバーの表面粗度をある程度粗くする必要があった。しかしながら、これらの方法では、繊維の擦過によって、単糸切れに伴う毛羽発生、更にはロールに単繊維がとられやすくなり、場合によっては繊維束が巻きつくといった問題があった。このため、開繊によって過剰な張力がかかるのを防止し、安定的に拡幅した状態を保持したままラミネート装置まで搬送する方法が望まれている。
【０００６】
上記課題に対して、予備開繊後に開繊された状態の繊維束を搬送する方法として、特許文献３には、繊維を開繊した後、軸をパウダーブレーキに連結したロールに接触・通過させることにより、張力を安定させることが開示されているが、ブレーキロールの回転速度は、プリプレグ搬送速度に対して低速で回転させるため、開繊工程での振動による張力変動は低減されるものの、必然的に張力が高くなり、ブレーキロール以降からラミネート装置までのフリーゾーンにて搬送させる間、開繊した繊維束が収縮し、一方向性プリプレグに厚み斑やワレが発生しやすいといった問題があった。
【０００７】
また、特許文献４には、開繊した繊維束の定幅移動法に関する技術が開示されているが、このような湾曲したベルトで搬送すると、繊維束はある程度張力がかかっているため、ベルトを支持しているロール上の点で強く接触するが、その他の箇所では、ベルトと繊維束が平行になっているため、ベルト部材には強く接触していないので、繊維束が収縮するのを十分に阻止することはできない。
また、緊張・弛緩を繰り返している繊維束の場合、このようなベルト上にのせているだけでは、張力の緊張・弛緩作用が伝播するため、依然収縮しやすい状態にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開昭５９−２２８０３６号公報
【特許文献２】特開平１０−４０４号公報
【特許文献３】特開２００４−２２５２２２号公報
【特許文献４】特開２００１−１６２６８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明においては、上述した従来技術の問題点に鑑み、炭素繊維束を開繊する場合において、炭素繊維束を、糸切れ等の品質低下や、スタート時の作業効率の低下なく、十分に開繊させながら、かつ当該状態を維持したままラミネート装置まで搬送することができる炭素繊維束の開繊・搬送方法、ならびにそのような方法を用いた炭素繊維一方向性プリプレグの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するため、本発明は次の構成を有する。すなわち炭素繊維一方向性プリプレグの製造工程に供給する炭素繊維束の開繊方法において、炭素繊維束の糸道がジグザグ状になるように配置された複数の開繊部材に炭素繊維束を擦過又は接触させながら、該複数の開繊部材のうち炭素繊維束の搬送方向に対して上下方向に振動するフリー回転ロールにより炭素繊維束を開繊した後、複数の駆動回転ロールに把持させて、搬送しながら、ラミネート装置導入時の炭素繊維束の張力を明細書中に定義される開繊時の張力に対して低下させ、ラミネート工程に搬送することを特徴とする炭素繊維束の開繊・搬送方法である。
【００１１】
また、前記記載の開繊・搬送方法において、前記記載の駆動ロールに炭素繊維束を把持させながら、該駆動ロール速度をプリプレグ搬送速度に対して高速で回転させることによって、ラミネート装置導入時の炭素繊維束の張力を１５〜１００ｇ／束に制御することが好ましい。
【００１２】
さらに、前記開繊・搬送方法により開繊、搬送された炭素繊維束に樹脂を含浸させて炭素繊維一方向性プリプレグを製造することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の開繊・搬送方法によって得られる炭素繊維束からなるシートを、炭素繊維一方向性プリプレグの製造に用いる場合、当該炭素繊維束からなるシートは必要量開繊されており、幅方向の収縮が非常に小さいため、樹脂を含浸させた後の炭素繊維一方向性プリプレグにワレによる隙間が非常に少なく、繊維目付が低いものであっても外観品位に優れた炭素繊維一方向性プリプレグの製造が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の一形態である炭素繊維束の開繊・搬送方法に用いる装置例の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、炭素繊維一方向性プリプレグの製造工程に供する炭素繊維束の開繊方法に関し、炭素繊維束の糸道がジグザグ状になるように配置された複数の開繊部材に炭素繊維束を擦過又は接触させながら、該複数の開繊部材のうち炭素繊維束の搬送方向に対して上下方向に振動する開繊部材により炭素繊維束を開繊した後に、ラミネート装置導入時の炭素繊維束の張力を開繊時の張力に対して低下させ、ラミネート工程に搬送することを特徴とする。以下、本発明の好ましい実施の形態を説明する。
【００１６】
本発明において用いられる炭素繊維束（以下、単に「繊維束」という）は、その種類、あるいは形状など特に制限されるものではないが、形状としては、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引き揃えられてシート状になっている繊維束でもよい。
【００１７】
本発明における開繊時の張力とは、開繊装置の最終出側にあるロール（図１の５）で検出する張力である。また、本発明において、開繊時の張力を制御する手段としては特に制限はないが、図示されないクリールの各繊維束を巻回してなるボビンを装着しているシャフトの回転軸に対して、空気圧、または電磁気的作用によりブレーキパッドのような摩擦材等の摺接力を制御しながら該軸に制動をかけることで繊維束に張力を与えるものが一般的である。
【００１８】
本発明では、前記張力を制御する手段により、開繊時の張力を１５０〜４００ｇ／束とすることが好ましい。開繊時の張力を１５０ｇ／束以上にすることによって、開繊時の振動による蛇行を防止でき、安定して開繊することができ、４００ｇ／束以下にすることによって、開繊部材との擦過による糸痛みを防止できるため好ましい。より好ましくは１５０〜２００ｇ／束とすることである。
【００１９】
本発明において、以下に説明されるプリプレグ搬送速度とは、開繊工程、開繊後の繊維束の搬送工程の後工程であるラミネート工程に配設されたニップロールにおいて、樹脂含浸後の炭素繊維一方向性プリプレグを樹脂フィルムごと挟みながら、引き出すロールの回転速度のことである。
【００２０】
本発明は、前記ロール速度（すなわち、プリプレグ搬送速度）に対して、駆動ロール（６ａ〜６ｅ）の回転速度を高速にするなどの方法により、繊維束のラミネート装置導入時の張力を低下させて、開繊後の繊維束をラミネート装置まで搬送するものである。
【００２１】
本発明において用いられる、炭素繊維束の糸道がジグザグ状になるように複数配置された開繊部材は、具体的には、繊維との接触部が丸みをもち、断面が多角形形状の棒状固定バーや、軸を中心として回転動が可能なロール等が挙げられる。
【００２２】
好ましい開繊部材の断面形状としては、均等に繊維束が擦過ないし接触するように回転中心に対して回転対称構造が好ましく、１つの部材あたりの接触部の個数は拡幅性能、幅方向での拡幅斑、蛇行との関係から、４〜３２個が好ましい。開繊部材の形状は、幅方向で撓みが生じにくいようなものであれば特に制限されるものではなく、上下方向の往復運動体またはラダーロールや、いわゆる偏心回転体等の回転体で叩く形式であっても良い。また繊維束との接触部の丸みは、繊維束の擦過性の観点から、接触部の曲率半径ｒが１〜１０ｍｍの範囲内にあるのが好ましい。
【００２３】
また、開繊部材を構成する素材としては、ステンレス鋼、セラミックス、一般炭素鋼等が好ましく使用できるが、撓み量が少なく、強度的にも不足のないものであれば、その他の素材でも使用することができる。
【００２４】
開繊部材のうち、上下方向に振動する部材の個数は、開繊斑、蛇行の観点から、１〜１０個、より好ましくは、１〜６個がよい。また、開繊部材として、前記するような形状の部材を、上下方向の振動だけではなく、部材の軸方向に振動させる部材を配してもよい。
【００２５】
本発明において、駆動ロールの回転速度を調整することで、ラミネート装置導入時の繊維束の張力を１５〜１００ｇ／束に制御することが好ましい。繊維束の張力を１５ｇ／束以上にすることによって、繊維束搬送時の蛇行を防止し、安定して搬送することができ、１００ｇ／束以下にすることによって、拡幅した繊維束の幅方向の収縮を防止しながら搬送することが可能となる。より好ましくは、ラミネート装置導入時の繊維束の張力を１５〜５０ｇ／束以下にすることである。
【００２６】
繊維束の張力を制御する方法としては、特に制限はないが、公知の張力検出ロールをラミネート装置供給前の繊維束に配して、張力が制御範囲になるように、駆動ロールの回転速度を調節して制御する方式が好ましい。なお、これらのロールの表面は繊維の巻きつきを防止するため、梨地処理がほどこしてあるものが好ましい。
【００２７】
前記駆動ロールの本数は、開繊工程での上下方向に振動する部材による繊維束の緊張作用を低減できるレベルであれば、特に制限はないが、装置の煩雑化、コストの観点から、２〜２０個が好ましく、より好ましくは２〜１４個である。
【００２８】
このような駆動ロールを開繊後からラミネート装置までに配して、繊維束を把持させながら、駆動ロール速度をプリプレグ搬送速度よりも高速回転させて張力緩和させることで、上下方向に振動する部材による張力の緊張作用を緩和し、繊維束の幅を維持したまま繊維束をラミネート装置まで搬送することが可能となる。さらにこの時、駆動ロールを高速回転させるのみではなく、軸方向にも揺動させることで、繊維束とロールとの摩擦力により、幅方向へ拡幅しやすい傾向になることから、繊維束の収縮を積極的に防止しながら、ラミネート装置まで搬送することも可能となる。
【００２９】
本発明において、上述したような構成を有する開繊・搬送方法を用いて搬送された繊維束を用いて、この繊維束に樹脂を含浸せしめて、炭素繊維一方向性プリプレグを製造することにより、厚みが薄く、またワレの発生が少なく、繊維束に十分樹脂が含浸した品質の高い炭素繊維一方向性プリプレグを製造することができる。
【００３０】
ここで、用いられる樹脂、あるいは樹脂の含浸方法は特に限定されるものでない。樹脂では、例えば、エポキシ樹脂やビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリエステル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテル樹脂、ポリアミド樹脂等の熱可塑性樹脂等が挙げられる。また、含浸方法は、例えば、離型処理が施されている紙あるいは樹脂フィルム等のシートに上記の樹脂を薄く、均一に塗布した樹脂シート２枚で繊維束を挟持し、これを、例えば加熱ロールなどで加圧する方法などが挙げられる。
【００３１】
本発明において好適に用いられる繊維束としては、炭素繊維の他、黒鉛繊維が挙げられ、特にこれら強化繊維の引張弾性率が、２００〜７００ＧＰａ、好ましくは２３０〜６５０ＧＰａの場合に効果が大きい。繊維束を構成する単繊維数は、１，０００〜１００，０００、好ましくは３，０００〜２４，０００である。
【００３２】
また、本発明において好適に製造される一方向性プリプレグとしては、強化繊維の目付が、１０〜２００ｇ／ｍ２、好ましくは１０〜１００ｇ／ｍ２の場合に効果が大きい。また一方向性プリプレグの繊維質量含有率としては、３０〜９０質量％、好ましくは６０〜９０質量％である。
【実施例】
【００３３】
以下、実施例によって本発明をさらに具体的に説明する。ただし、本発明の範囲は以下の実施例に限定されるものではない。なお、以下に説明される、繊維束幅の「縮小率」とは、開繊後の図１のフリーロール（５）上にあるときの繊維束幅（Ｗ０）に対して、図１のラミネート装置導入ロール（９ｂ）上での繊維束幅（Ｗ１）が狭くなった割合（［（Ｗ０−Ｗ１）／Ｗ０］×１００（％））を意味し、プリプレグ品位を表す「ワレ」とは、繊維間の幅方向隙間が０．５ｍｍ以上ある隙間を意味する。
【００３４】
（実施例１〜３）
図１に示した繊維束搬送装置（６ａ〜６ｅ、７）を用いて、炭素繊維一方向性プリプレグ幅が１０００ｍｍ、繊維目付が８０ｇ／ｍ２ 、繊維質量含有率が７０質量％になるように炭素繊維（東レ株式会社製Ｔ７００ＳＣ−１２Ｋ）を、搬送しながら、上下方向に振動するフリーロール（４ａ、４ｂ）を用いて予め所定の幅に開繊拡幅した。開繊時の張力は、ロール５で検出する張力が、１５０、２００ｇ／束となるようにクリールでの張力を制御した。その後、ロール７で検出する張力を１５、５０、１００ｇ／束となるように駆動ロール（６ａ〜６ｅ）の速度を制御しながら、さらに駆動ロール（６ａ〜６ｅ）を軸方向に揺動させたところ（表１）、その幅をほぼ維持したまま繊維束を搬送することができた。またこのとき得られた炭素繊維一方向性プリプレグシート中には、繊維間のワレがほとんどなく、品位良好であった。
【００３５】
（実施例４〜６）
実施例１〜３において、繊維束搬送装置の駆動ロール（６ａ〜６ｅ）を軸方向に揺動させなかった以外は、実施例１〜３と同様な方法で、ロール７で検出する張力を１５、５０、１００ｇ／束になるようにして、駆動ロール（６ａ〜６ｅ）の速度を制御させたところ（表１）、その幅をほぼ維持したまま繊維束を搬送することができた。またこのとき得られた炭素繊維一方向性プリプレグシート中には、繊維間のワレがほとんどなく、品位良好であった。
【００３６】
（比較例１、２）
比較例として、図１に示した駆動ロール（６ａ〜６ｅ）を用いて、実施例１〜３と同様に開繊を行った。ロール５および７で検出する張力を１５０、２００ｇ／束と等しくなるように、駆動ロール（６ａ〜６ｅ）速度を制御し、さらに軸方向に揺動させながら、開繊時の張力よりも低下させないようにさせたところ（表１）、開繊後の繊維束の幅は徐々に狭まり、ラミネート装置の入側における幅が、開繊直後の幅に対して、１０〜２０％まで縮小した（表１）。またこのとき得られた炭素繊維一方向性プリプレグは、ワレが多くみられ、品位不良となった。
【００３７】
（比較例３、４）
比較例１〜３において、駆動ロール（６ａ〜６ｅ）と張力検出ロール７を用いずに、ロール５で検出する張力を、１５０、２００ｇ／束になるようにクリール張力を制御したところ、開繊後の繊維束の幅は徐々に狭まり、ラミネート装置の入側における幅が、開繊直後の幅に対して、１５〜２５％まで縮小した（表１）。またこのとき得られた炭素繊維一方向性プリプレグは、ワレが多くみられ、品位不良となった。
【００３８】
【表１】
2014005580.tif 000002
【符号の説明】
【００３９】
１：繊維束
２：フリーロール
３ａ、３ｂ、３ｃ  ：振動ロールとの接触角調整フリーロール
４ａ、４ｂ  ：上下方向振動ロール
５：（開繊時の）張力検出ロール
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、６ｅ：駆動ロール
７：（ラミネート装置導入時の）張力検出ロール
８ａ、８ｂ  ：樹脂フィルム
９ａ、９ｂ  ：ラミネート装置導入ロール
１０ａ、１０ｂ：含浸ロール
１１ａ、１１ｂ：ニップロール
【図１】
2014005580.tif 000003