(57)【要約】【課題】  この発明は、熱可塑性合成樹脂を含浸させた繊維強化板を製造することを目的としたものである。【解決手段】  この発明は、強化繊維束を熱可塑性合成樹脂繊維で被覆した複合組紐又は複合撚紐を並列し、該並列繊維を縦方向、横方向、斜方向に積層して一体状の繊維シートとし、該繊維シートの単数シート又は複数シートを加熱、加圧して前記熱可塑性合成樹脂繊維を溶融し、強化繊維入りの板状に成形したことを特徴とする多方向繊維強化熱可塑性樹脂板により目的を達成した。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維束を熱可塑性合成樹脂繊維で被覆した複合組紐又は複合撚紐を並列し、該並列繊維を縦方向、横方向、斜方向に積層して一体状の繊維シートとし、該繊維シートの単数シート又は複数シートを加熱、加圧して前記熱可塑性合成樹脂繊維を溶融し、強化繊維入りの板状に成形したことを特徴とする多方向繊維強化熱可塑性樹脂板。
【請求項２】
強化繊維をアラミド繊維、ガラス繊維、セラミックス繊維、炭素繊維、又は超高分子量ポリエチレン繊維の連続長繊維としたことを特徴とする請求項１記載の多方向繊維強化熱可塑性樹脂板。
【請求項３】
熱可塑性樹脂繊維をＰＥＥＫ繊維、アクリル繊維、ナイロン繊維、ポリウレタン繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、又はレーヨンの連続長繊維としたことを特徴とする請求項１記載の多方向繊維強化熱可塑性樹脂板。
【請求項４】
強化繊維入りの複合組紐又は複合撚紐を並列し、該並列繊維を縦方向、横方向、斜方向に夫々積層させて一体化し、繊維シートを構成して、該繊維シートの単数繊維シート又は複数枚を積層した積層繊維シートを熱可塑性合成樹脂溶融温度に加熱すると共に、加圧し、強化繊維入り樹脂とした後、冷却固化して繊維強化樹脂板とすることを特徴とした多方向繊維強化熱可塑性樹脂板の製造法。
【請求項５】
加熱温度は、２００℃〜３５０℃とし、加圧時間を１分〜３０分とすることを特徴とした請求項４記載の多方向繊維強化熱可塑性樹脂板の製造法。
【請求項６】
加圧は一側から他側へ順次加圧とし、加圧の圧力は、３０ｋｇ／ｃｍ２〜７０ｋｇ／ｃｍ２とすることを特徴とした請求項４記載の多方向繊維強化熱可塑性樹脂板の製造法。
【請求項７】
加圧時の加圧面と繊維面との間に離型手段を介装することを特徴とした請求項４記載の多方向繊維強化熱可塑性樹脂板の製造法。
【請求項８】
離型手段は、薄金属板面にポリテトラフルオロエチレン加工を施し、又は薄金属板にポリテトラフルオロエチレンシートを積層することを特徴とする請求項７記載の多方向繊維強化熱可塑性樹脂板の製造法。
【請求項９】
強化繊維入りの複合組紐又は複合撚紐を繊維シートとする編成手段と、前記繊維シートを加熱加圧する加熱加圧手段と、冷却して樹脂板とする冷却手段と、切断手段とを組み合せたことを特徴とする多方向繊維強化熱可塑性樹脂板の製造システム。
【請求項１０】
加熱加圧手段は、加圧板を電熱加熱すると共に、前記加圧板の一方又は両方を順次近接して加圧することを特徴とした請求項９記載の多方向繊維強化熱可塑性樹脂板の製造システム。
【請求項１１】
加圧板を２軸降下方式とし、繊維シートの進行方向に対し、前記２軸を直列方向に設置すると共に、前記２軸の下降量に大小差を設けて順次加圧としたことを特徴とする多方向繊維強化熱可塑性樹脂板の製造に用いる加圧成形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、耐熱性強化繊維を芯とした熱可塑性繊維を縦方向、横方向、斜方向に準じ並列して、積層し、前記各繊維間を絡め、糸でまとめた積層繊維シートを加熱、加圧して繊維強化合成樹脂板とすることを目的とした多方向繊維強化熱可塑性樹脂板及びその製造法並びに加圧成形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維等で強化した熱硬化性樹脂複合材料は、強度、軽量性、耐食性等に優れる等の特徴があるので、各分野で使用されている。
【０００３】
一方熱可塑性樹脂複合材料は、強靭で、成形工程の簡素化と、短縮化、媒体となる樹脂の種類が豊富であり、リサイクルの可能性があるなどの反面、長繊維が使用できないので主として短繊維が使用され、例えば射出成形用とされているので、熱硬化性樹脂複合材料に比較して強度が小さいとされている。
【特許文献１】特開平１１−２９３５３５
【特許文献２】特開平５−１０６１１６
【特許文献３】特開平７−１１２５０１
【特許文献４】特開平７−１５６３４１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記熱硬化性樹脂の製品は、成形による再利用ができず、リサイクル性に難点がある。
【０００５】
また前記熱可塑性樹脂は、含浸性が悪いので長繊維の使用が困難であるから、強度が小さくなる問題点はある反面、リサイクルは容易である。
【０００６】
また熱可塑性合成樹脂繊維を加熱、加圧して合成樹脂板とする際には、加熱、加圧により溶融樹脂を含浸させる為に、加圧面に粘着する問題点がある。
【０００７】
また繊維積層物の加熱、加圧であるから、各繊維間に介在した空気は速やかに外界へ排出しなければならないが、これを有効に、しかも速やかに排出する手段がなく、製品板に微細気泡を内蔵するおそれがあり、よって気泡内蔵による強度不均一、又は強度低下のおそれがあった。
【０００８】
従来知られているフィルムスタッキング法は、未含浸のプリフォームを積層しているため複雑形状への適用は困難なもの、曲面の追従性はこれまでのプリプレグ材と比較すると向上している。しかし未含浸のプリフォームを使用しているため含浸性に乏しく、含浸には高温、高圧のもと成形に長時間を要する問題点がある。
【０００９】
またパウダーインプレグネーテッドヤーンは、熱可塑性樹脂を粉末化し、強化繊維にまぶすことにより含浸性の向上をねらったものであるが、樹脂パウダーの付着が不均一となり、それをコントロールするのが困難であるという問題点を有する。また樹脂パウダーがこぼれ落ちるため作業性が悪いが、これを防止する為に、前記樹脂パウダーと同じ樹脂からなる外殻で覆うことによって作業性を向上させた材料も開発されている。
【００１０】
次にコミングレッドヤーンは２種類の繊維を混織したもので、含浸性には優れているが、強化繊維と、マトリックス樹脂を混織する技術を完成するには、該ヤーンの製造工程で繊維の損傷度をいかに低くするか、特性の大きく異なる繊維をいかにそれぞれ同時に分散し均一に混合するかという問題を解決しなければならない。特に炭素繊維を強化繊維とするコミングレッドヤーンの作製時は、炭素繊維の損傷が顕著であり、繊維の損傷をなくし、また炭素繊維とマトリックス繊維を分散させ均一に混合するには高度な技術を必要とすることも問題点となっている。
【００１１】
前記特許文献３に示す発明は、一方向に配列された繊維に熱可塑性樹脂を含浸させたシートを樹脂発泡体に熱融着させた複合積層体の発明で、この出願とは、技術及び効果が異なっている。
【００１２】
また前記特許文献４に示す発明は、繊維状物質含有層と、繊維状物質含有層を有する繊維強化樹脂板状体及びその製造方法の発明であるが、繊維長５ｍｍ程度というきわめて短い繊維の含有であって、強度的には格段劣る問題点があり、自ら用途が異なる。即ち高強度を求めない建材などには使用することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この発明は、前記問題点を解決する為に、熱可塑性合成樹脂繊維の芯として強化繊維を用いること、この合成樹脂繊維を縦、横、斜に夫々並列し、これを上下に重ねて積層シートを作り、これを一枚又は複数枚重ね合わせた積層物に加熱板と被着して、加熱加圧することにより、前記従来の含浸不十分の問題点を解決したのである。
【００１４】
また前記加熱板と繊維との間にポリテトラフルオロエチレンなどの剥離性シート、又は剥離加工した鋼板を介在させることにより、接着性を回避したのである。
【００１５】
また加熱温度は、当該樹脂が溶融する温度とし、例えばナイロン樹脂の場合には２５０℃〜３００℃を用いる。次に加圧時に、加圧面が順次当接するように、スウィングプレスして、気泡を排出し、均質板の製造に成功し、前記従来の問題点を解決したのである。
【００１６】
また熱可塑性合成樹脂繊維としては、ＰＥＥＫ繊維、アクリル繊維、ナイロン繊維、ポリウレタン繊維、ポリプロピレン繊維、又はレーヨンなどが使用できる。また強化繊維としては、アラミド繊維、ガラス繊維、セラミックス繊維、炭素繊維、又は超高分子ポリエチレン繊維などが使用できる。
【００１７】
即ちこの発明は、強化繊維束を熱可塑性合成樹脂繊維で被覆した複合組紐又は複合撚紐を並列し、該並列繊維を縦方向、横方向、斜方向に積層して一体状の繊維シートとし、該繊維シートの単数シート又は複数シートを加熱、加圧して前記熱可塑性合成樹脂繊維を溶融し、強化繊維入りの板状に成形したことを特徴とする多方向繊維強化熱可塑性樹脂板であり、強化繊維をアラミド繊維、ガラス繊維、セラミックス繊維、炭素繊維、又は超高分子量ポリエチレン繊維の連続長繊維としたものであり、熱可塑性樹脂繊維をＰＥＥＫ繊維、アクリル繊維、ナイロン繊維、ポリウレタン繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、又はレーヨンの連続長繊維としたものである。
【００１８】
また製造法の発明は、強化繊維入りの複合組紐又は複合撚紐を並列し、該並列繊維を縦方向、横方向、斜方向に夫々積層させて一体化し、繊維シートを構成して、該繊維シートの単数繊維シート又は複数枚を積層した積層繊維シートを熱可塑性合成樹脂溶融温度に加熱すると共に、加圧し、強化繊維入り樹脂とした後、冷却固化して繊維強化樹脂板とすることを特徴とした多方向繊維強化熱可塑性樹脂板の製造法であり、加熱温度は、２００℃〜３５０℃とし、加圧時間を１分〜３０分とするものである。また、加圧は一側から他側へ順次加圧とし、加圧の圧力は、３０ｋｇ／ｃｍ２〜７０ｋｇ／ｃｍ２とするものであり、加圧時の加圧面と繊維面との間に離型手段を介装するものであり、離型手段は、薄金属板面にポリテトラフルオロエチレン加工を施し、又は薄金属板にポリテトラフルオロエチレンシートを積層するものである。
【００１９】
次にシステムの発明は、強化繊維入りの複合組紐又は複合撚紐を繊維シートとする編成手段と、前記繊維シートを加熱加圧する加熱加圧手段と、冷却して樹脂板とする冷却手段と、切断手段とを組み合せたことを特徴とする多方向繊維強化熱可塑性樹脂板の製造システムであり、加熱加圧手段は、加圧板を電熱加熱すると共に、前記加圧板の一方又は両方を順次近接して加圧するものである。更に、加圧板を２軸降下方式とし、繊維シートの進行方向に対し、前記２軸を直列方向に設置すると共に、前記２軸の下降量に大小差を設けて順次加圧としたことを特徴とする多方向繊維強化熱可塑性樹脂板の製造に用いる加圧成形装置である。
【００２０】
また、加圧板を２軸降下方式とし、繊維シートの進行方向に対し、前記に軸を直列方向に設置すると共に、前記２軸の下降量に大小差を設けて順次加圧としたことを特徴とする多方向繊維強化熱可塑性樹脂板の製造に用いる加圧成形装置である。
【００２１】
この発明は、強化繊維を内蔵した合成樹脂板であって、従来均等に樹脂を含浸させることが困難であったが、この発明は、強化繊維束の周囲を熱可塑性合成樹脂繊維で被覆した複合組紐又は複合撚紐を材料として編組した繊維シートを加熱加圧したので、熱可塑性合成樹脂が表面はもとより内部まで均等に分布している。従って熱可塑性合成樹脂が溶融すれば、全体が一様に合成樹脂溶融物となり、その中に、強化繊維が一体的に埋入されることになる。
【００２２】
前記加熱温度は、熱可塑性合成樹脂によって異なるが、前記のように２００℃〜３５０℃であり、圧力は、前記のように３０ｋｇ／ｃｍ２〜７０ｋｇ／ｃｍ２であって、比較的短時間（例えば１分〜３０分以内、好ましくは１分位）に均等含浸状態になることが好ましい。
【００２３】
然して均等含浸状態になったならば、速やかに冷却し（例えば５℃〜１５℃の冷風を吹きつける）、離型する。前記においては、プレス機による加圧であるから、加圧板（金属平盤）であるが、粘着力が高いので、離型用の鋼薄板にポリテトラフルオロエチレン加工を施して、前記当接型と繊維板との間に介装することが好ましい。
【００２４】
前記離型用としては、ポリテトラフルオロエチレンシートなども考えられるが、離型用の冷却も考えて対処する必要がある。例えば冷却用には、熱伝導度の大きい鋼板、アルミ板などにポリテトラフルオロエチレン加工を施すことも考えられる。
【００２５】
また加工能率を考えれば、離型ベルト（極薄鋼板ベルト又はポリテトラフルオロエチレンベルト）として無端方式に回転させるのが好ましく、ベルト化が無理の場合には、離型板として使用することもできる。
【００２６】
前記発明における繊維シートには多量の空気を含んでいるので、そのまま加熱加圧すると、多量の気泡を含むことになる。そこで、加圧板を順次加圧にして、一方向へ空気を逃すようにしている。この場合の加圧速度については、合成樹脂の粘度によって異なるが、例えばナイロン繊維の場合には、１分前後となる。また加圧機を２台並列した場合には、順次加圧と、二箇所で同時加圧する場合がある。何れにしても気泡を出すように工夫し、硬化時には気泡となることが好ましい。
【００２７】
この発明は、熱可塑性合成樹脂板の中へ、強化繊維を所定数量、所定位置、所定密度に埋設して、熱硬化性合成樹脂板と同一強度を得ようとするものである。
【００２８】
熱可塑性合成樹脂板の多くは、短繊維を混入した溶融合成樹脂を押し出し成型（射出成型も含む）しているが、この製法では、長繊維（例えば１ｍ以上とか）を埋設することができないからである。
【００２９】
そこで長繊維の編成物の上方から熱可塑性合成樹脂を供給し、加圧成形することも考えられるが、長繊維の編成シートに合成樹脂を供給すると、合成樹脂の浸透性が悪く、不均一材質となって強度低下の原因となっている。
【００３０】
前記問題点を解決する為に、この発明は強度繊維を芯とする熱可塑性合成樹脂紐などを作り、この紐によって編成物を作り、これを積層して任意の厚さにした後、加熱、加圧して合成樹脂板を成形したものである。
【００３１】
このことにより、肉厚各所に熱可塑性合成樹脂が介在すると共に、強化繊維は無端（必要長さだけ連続できる）である為に、強度が著しく向上し、ほぼ熱硬化性繊維強化合成樹脂板に匹敵する強度の合成樹脂板を得ることに成功したのである。
【発明の効果】
【００３２】
この発明によれば、強化繊維束を熱可塑性樹脂繊維で被覆した複合組紐又は複合撚紐を並列し、この並列繊維を縦方向、横方向、斜方向に積層して一体状繊維シートとし、これを加熱、加圧したので、強化繊維間に熱可塑性合成樹脂が介在しているからこれを加熱することによって、短時間に含浸状態となる効果がある（含浸状態が均等化できる利点がある）。
【００３３】
また加圧に際しては、順次加圧するので、繊維シート内に含まれた空気を合理的に排出し、気泡のない均質合成樹脂板を得る効果がある。
【００３４】
また強化繊維は、縦、横、斜に均等配置されているので、均等強度の強化繊維入り合成樹脂板ができる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
この発明は炭素繊維束を芯とし、その外側に熱可塑性合成樹脂繊維（例えばアクリル繊維、ポリウレタン繊維）を被覆した複合組紐又は複合撚紐を並列し、この並列繊維を、下方から縦方向、横方向、斜方向に順次積層した後、ステッチ糸で結束して繊維シートとし、この繊維シートを複数枚重ね合わせてから２５０℃に加熱しつつ、４０ｋｇ／ｃｍ２で加圧して、前記熱可塑性合成樹脂を溶解して強化繊維の内外に含浸させ、これを冷却して離型することを特徴とした多方向繊維強化熱可塑性樹脂板及びその製造方法である。従って強化繊維は条になっているが、熱可塑性繊維は溶融成形した樹脂板になる。
【００３６】
また複合組紐又は複合撚紐を従来技術により製造し、前記複合組紐又は複合撚紐を従来技術により編成して繊維シートとし、前記繊維シートを使用樹脂の溶解温度に加熱し、加圧して一体的合成樹脂板とする為の各種加工手段を組み合せて、多方向繊維強化熱可塑性樹脂板の製造システムである。
【００３７】
また前記繊維シートの加熱加圧は、一側より他側へ順次加圧することにより、繊維間に入っている空気を押し出すようにして、特殊な加圧装置を構成した。
【実施例】
【００３８】
この発明の実施例を図に基づいて説明すると、炭素繊維束１（例えば炭素繊維１０〜２０本）の外側に複数のナイロン繊維束２（例えばナイロン繊維１０〜２０本）を組み込んだ複合組紐４又は炭素繊維束１（例えば炭素繊維１０〜２０本）にナイロン繊維束２（例えばナイロン繊維１０〜２０本）の複数本を巻きつけた複合撚紐３（図１（ａ）、（ｂ））を、下から斜並列（ａ）、横並列（ｂ）、斜並列（ａ）、縦並列（ｃ）と積層した後、かがり糸５、５で一体化して繊維シート６を製造する（図２（ａ））。この繊維シート６は、横並列（ｂ）を２層にすることもできる（図２（ｂ））。
【００３９】
前記繊維シート６をロール状に巻き込み、繊維ロール７、７として上下に架設し、これを引き出して二枚積層して加熱加圧する（図３（ａ））。
【００４０】
前記は二枚の積層について説明したが、繊維ロール７、７を上下２束宛架設すれば（図３（ｂ））、４枚積層することができる。従って積層枚数に制約はないが、通常２枚〜４枚が用いられる。
【００４１】
前記繊維ロール７、７から、繊維シート６、６を巻き出し（或いは繊維シート６を４枚巻き出し）、加工装置１０に送り込む。加工装置１０は、引張機８、予備加熱器９、加熱、加圧機１１、冷却器１２、引張機１３、切断器１４が順次直列してあり、機体１５上に設置されている。図中１６は給気器、１７は排気ダクトである（図３）。
【００４２】
前記実施例において、図３中矢示１８のように繊維シート６の積層シートを引張機８で引き出し、予備加熱器９で１５０℃〜２００℃に予備加熱した後、矢示１９のように加熱、加圧機１１へ送り込む。
【００４３】
前記加熱、加圧機１１には加圧スタンド２０が設置され（図４（ａ））、繊維シート６の積層シート６ａは、矢示１９のように間欠的に引き出される。前記引出し量は、例えば加圧スタンド２０の加圧ヘッド２１、２１の長さによって決まる。
【００４４】
前記加圧ヘッド２１と、受台２２の内側には、加熱板２１ａ、２２ａが固定され、例えば３００℃に加熱されている。
【００４５】
前記加圧ヘッド２１の左右端は、油圧シリンダー２３、２３ａのロッド２４、２４ａに夫々連結され、ロッド２４、２４ａの下降（矢示２５、２６）に対応して下降される。従って図４（ｄ）のように、ロッド２４を早く、ロッド２４ａを遅れて下降させると、加圧ヘッド２１は、図４（ｄ）に示すように、斜に下降し、順次加圧される。従って繊維シート６ａ内に含まれた空気は、矢示２７のように合理的に排除される（気泡の残留がない）。前記において、ロッド２４の下降速度をロッド２４ａよりも遅くする。
【００４６】
前記加熱、加圧時に、繊維シート６ａの熱可塑性合成樹脂は溶融して粘着するので、図４（ｂ）のように、繊維シート６ａと、加圧ヘッド２１の加熱板２１ａと、受台２２の加熱板２２ａとの間に、ポリテトラフルオロエチレンフィルム２８を層着（例えばラミネート）した鋼シート２９を上下に挟み込み、熱接着を防止する。
【００４７】
前記鋼シート２９は、冷却器１２を経て、引張機１３まで挟着してある。従って、繊維シート６ａが加熱され、その耐引張力が低下した時においても、挟着した鋼シート２９に挟まれているので、引張力不足を生じるおそれはない。
【００４８】
前記のようにして、加工済繊維シートが繊維強化板６ｂとなったならば、粘着性がなくなると共に、強度も著しく大きくなるので、直接引張力を加えても何等の支障はない。
【００４９】
前記繊維シート６ａの送り込み、繊維強化板６ｂの取り出しについては、引張機８、１３をローラのように図示したが、単なる抽象図であって、ローラの外に、各種咬み込み引張機その他従来公知の引張機を使用することができる。
【００５０】
前記のようにして成形された繊維強化板６ｂは、切断器１４で所定の長さ（例えば１ｍ〜２ｍ）に繊維強化単板６ｃに切断され、コンベア３０により矢示３１のように次工程へ運ばれる。
【００５１】
前記繊維強化単板６ｃは、炭素繊維束を熱可塑性樹脂３２内へ埋設した状態となって、熱硬化性樹脂板の強度に近い強度（ほぼ８０％以上）を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】（ａ）この発明に用いる複合撚紐の一部拡大図、（ｂ）同じく複合撚組紐一部拡大図。
【図２】（ａ）同じく繊維シートの斜視図、（ｂ）同じく他の繊維シートの斜視図。
【図３】（ａ）同じく加工装置の模式図、（ｂ）同じく繊維シートの積層を示す図。
【図４】（ａ）同じく加工時の説明図、（ｂ）同じく剥離性を保有する為の例示拡大断面図、（ｃ）同じく一部拡大断面図、（ｄ）同じく順次加圧の説明図。
【図５】同じく繊維強化板の一部断面拡大図。
【符号の説明】
【００５３】
１  炭素繊維束
２  ナイロン繊維束
３  複合組紐
４  複合撚紐
５  かがり糸
６  繊維シート
７  繊維ロール
８  引張機
９  予備加熱器
１０  加工装置
１１  加熱加圧機
１２  冷却器
１３  引張機
１４  切断器
１５  機体
１６  空気吸入器
１７  排気ダクト
２０  加圧スタンド
【図１】
2006123417.tif 000003
【図２】
2006123417.tif 000004
【図３】
2006123417.tif 000005
【図４】
2006123417.tif 000006
【図５】
2006123417.tif 000007