(57)【要約】【課題】吸湿等の環境劣化に起因する硬化不良、型崩れに起因するＦＷ時の巻付け不良等を可及的に抑えることのできるトウプリプレグ捲回体の製造方法を提供する。【解決手段】トウプリプレグをボビン９に一定方向に巻き付けてトウプリプレグ本体部１１を形成する工程と、プリプレグ本体部１１の表層全体にトウプリプレグをヘリカル巻きし、プリプレグ本体部１１の表層全体を覆うトウプリプレグ表層部１２を形成する工程と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続繊維状の繊維束に樹脂を含浸してなるトウプリプレグがボビンに巻き付けられたトウプリプレグ捲回体の製造方法であって、
前記トウプリプレグを前記ボビンに一定方向に巻き付けてトウプリプレグ本体部を形成する工程と、
前記プリプレグ本体部の表層全体に前記トウプリプレグをヘリカル巻きし、前記プリプレグ本体部の表層全体を覆うトウプリプレグ表層部を形成する工程と、を含むトウプリプレグ捲回体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、連続繊維状の繊維束（トウ）に樹脂を含浸してなるトウプリプレグをボビンに巻き付けてなるトウプリプレグ捲回体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、曲面形状を有する繊維強化複合材料の成形においては、製造現場で樹脂を調合し、繊維束（トウ）にその樹脂を含浸させながら曲面マンドレルに巻付け成形するフィラメントワインド法（以下、ＦＷという）が採用されてきたが、樹脂特性に高性能なものが望めないことや、作業の簡便さから、予めトウに熱硬化性樹脂を含浸させたトウプリプレグ（ＴＰＰ：Tow-Prepreg）をボビンに巻き取っておき、使用に際して、当該トウプリプレグをボビンから繰り出して利用することが行われている（例えば、下記特許文献１等参照）。
【０００３】
ところで、例えば熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いる場合、このエポキシ樹脂は、通常、酸無水物等エポキシ樹脂と反応し得る官能基を有する硬化剤と組み合わせて用いられるが、使用に至るまでの間、トウプリプレグを巻き付けたボビンを放置しておくと、酸無水物が大気中の水等と反応して吸湿（吸水）してしまい（図４参照）、エポキシ樹脂（酸無水物）が変質して、硬化不良の原因となる。
【０００４】
このような吸湿等の環境劣化に対処するため、特許文献２には、マトリックス樹脂を含浸した強化繊維ストランドを１本又は複数本束ねて未硬化繊維強化プラスチック製素線の芯材を形成し、該芯材の周囲に第１外層として吸湿防止及び電食防止の効果を持つ被覆繊維を配し、次に該第１外層の周囲に第２外層としての紫外線防止及び摩耗防止の効果を持つ被覆繊維を配して３層構造を特徴とする未硬化繊維強化プラスチック製素線を形成し、該未硬化繊維強化プラスチック製素線を加熱硬化する方法が提案されている。
【０００５】
また、特許文献３には、撥水性ボビンに所定の水分率の炭素繊維束を巻き取る方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１９１８０７号公報
【特許文献２】特開２０００−０２７０８２号公報
【特許文献３】特開２００４−１６８５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２に所載の従来技術では、マトリックス樹脂を含浸した繊維束からなるトウプリプレグとしての未硬化繊維強化プラスチック製素線とは別に、第１外層を形成する吸湿防止及び電食防止の効果を持つ被覆繊維や第２外層を形成する紫外線防止及び摩耗防止の効果を持つ被覆繊維を用意する必要がある。
【０００８】
また、特許文献３に所載の従来技術では、ボビンの変形は抑えられるものの、炭素繊維束に樹脂を含浸させたトウプリプレグ自体の吸湿等による変質を抑止することはできない。また、トウプリプレグを構成する炭素繊維束の組成が制約されるといった懸念もある。
【０００９】
また、上記従来技術の他、使用に当たって、ボビンに一方向で巻き付けられたトウプリプレグの一部（外周部分）を剥がして廃棄することも考えられるが、前述した吸湿等による環境劣化は、トウプリプレグの上下両端部でも発生するため、トウプリプレグの外周部分のみを剥がすのみでは不十分である。
【００１０】
さらに、上記した吸湿等の環境劣化の問題に加えて、ボビンに巻き付けられたトウプリプレグの上下両端部では、型崩れが発生しやすく、ＦＷ時の繊維絡まりの原因となるという問題もある。
【００１１】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、繊維束に樹脂を含浸してなるトウプリプレグをボビンに巻き付けてなるトウプリプレグ捲回体を製造するに当たり、吸湿等の環境劣化に起因する硬化不良、型崩れに起因するＦＷ時の巻付け不良等を可及的に抑えることのできるトウプリプレグ捲回体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】
【００１２】
前記目的を達成すべく、本発明によるトウプリプレグ捲回体の製造方法は、連続繊維状の繊維束に樹脂を含浸してなるトウプリプレグがボビンに巻き付けられたトウプリプレグ捲回体の製造方法であって、前記トウプリプレグを前記ボビンに一定方向に巻き付けてトウプリプレグ本体部を形成する工程と、前記プリプレグ本体部の表層全体に前記トウプリプレグをヘリカル巻きし、前記プリプレグ本体部の表層全体を覆うトウプリプレグ表層部を形成する工程と、を含む方法である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、トウプリプレグ本体部を製造した後、トウプリプレグ本体部の表層全体を覆うトウプリプレグ表層部を製造することで、トウプリプレグ捲回体を放置した場合でも、トウプリプレグ表層部にしか吸湿されないため、使用の際には、トウプリプレグ表層部を引き剥がすことで、吸湿等により劣化していないトウプリプレグ本体部を利用できるので、吸湿等の環境劣化に起因する硬化不良、型崩れに起因するＦＷ時の巻付け不良等を可及的に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るトウプリプレグ捲回体の製造方法を説明する図であり、（Ａ）はトウプリプレグ本体部形成工程、（Ｂ）はトウプリプレグ表層部形成工程を説明する図である。
【図２】図１に示す製造方法で製造されるトウプリプレグ捲回体の一例を示す縦断面図である。
【図３】図１に示す製造方法で製造されるトウプリプレグ捲回体の一例を示す上面図である。
【図４】トウプリプレグにおける吸湿反応を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
【００１６】
＜繊維束について＞
本実施形態においてトウプリプレグに用いる補強用繊維としては、通常の繊維強化複合材料の補強に用いる強化繊維であればよく、特に限定はないが、例えば、炭素繊維、黒鉛繊維、ガラス繊維などの無機繊維、ボロンやアルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニアなどのセラミック繊維、銅や鋼、アルミニウム、ステンレスなどの金属繊維、ポリアミドやポリエステル、セルロース、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの有機繊維のいずれか一種もしくは二種以上の混合物等が挙げられる。中でも、高強度・高伸度かつ軽量の炭素繊維、黒鉛繊維が好適に用いられる。
【００１７】
＜樹脂について＞
本実施形態においてトウプリプレグに用いる樹脂（マトリックス樹脂）としては、熱可塑性樹脂あるいは熱硬化性樹脂のいずれでもよいが、熱硬化性樹脂が好ましく、熱硬化性樹脂の代表的な例としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン、マレイミド樹脂、ポリイミド樹脂、シアン酸エステル末端を有する樹脂、アセチレン末端を有する樹脂、ビニル末端を有する樹脂、アリル末端を有する樹脂、ナジック酸末端を有する樹脂等が挙げられ、熱可塑性樹脂としては、アクリル樹脂、ポリエーテルケトン等が挙げられる。中でも、エポキシ樹脂は、補強用繊維との接着性に優れ、得られる機械物性が向上するので、好適に用いられる。
【００１８】
熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を使用する場合、通常、硬化剤と組み合わせて用いられるが、本実施形態において用いられる硬化剤は、特に制限はなく、アミノ基、酸無水物等エポキシ樹脂と反応し得る官能基を有するものを適宜用いることが可能である。
【００１９】
＜トウプリプレグ捲回体について＞
図１は、本発明に係るトウプリプレグ捲回体の製造方法を説明する図であり、図１（Ａ）はトウプリプレグ本体部の形成工程、図１（Ｂ）はトウプリプレグ表層部の形成工程を説明する図である。また、図２及び図３は、図１に示す製造方法で製造されるトウプリプレグ捲回体の一例を示す図であり、図２はその縦断面図、図３はその上面図である。
【００２０】
例えば紙管やプラスチック管からなる円筒状のボビン９にトウプリプレグを巻き付けてなるトウプリプレグ捲回体（ＴＰＰボビンともいう）１０を製造する工程は、主に、トウプリプレグ本体部の形成工程とトウプリプレグ表層部の形成工程とで構成される。
【００２１】
《トウプリプレグ本体部形成工程》
すなわち、トウプリプレグ捲回体１０を製造するに当たっては、まず、前述の補強用繊維を複数本（例えば、数千〜数万本程度）束ねた繊維束（トウ）に樹脂を含浸してなる帯状ないし扁平状のトウプリプレグを円筒状のボビン９の外周に所定の張力で略一方向（例えば、ボビン９の軸線方向で視て時計回りもしくは反時計回り）に巻き付ける（フープ巻ともいう）。これにより、ボビン９周りに略円筒状のトウプリプレグ本体部１１が形成される（図１（Ａ）参照）。
【００２２】
《トウプリプレグ表層部形成工程》
次いで、前記ボビン９に巻き付けられたトウプリプレグ本体部１１の表面（表層）に、前記トウプリプレグをヘリカル巻きする（つまり、軸線に対して傾斜した向きで巻き付ける）。このときの張力は、トウプリプレグ本体部１１の変形（配向の乱れ）防止の観点から、前記トウプリプレグ本体部１１の形成時の張力より低く設定する。また、ここでは、トウプリプレグの交差点を極力少なくして隙間を空けないように（つまり、緊密に）巻き付ける（特に、図３参照）。これにより、トウプリプレグ本体部１１の外周面１１ａ、上端面１１ｂ、及び下端面１１ｃを含む表面（表層）全体を覆うトウプリプレグ表層部１２が形成される（図１（Ｂ）、図２参照）。
【００２３】
なお、トウプリプレグ表層部１２の形成時の張力や巻付け量（厚み）等は、当該トウプリプレグ捲回体１０の使用までの保管環境や保管期間等に応じて、適宜に設定することができる。
【００２４】
上記工程を経て、前記ボビン９周りに、内部にトウプリプレグ本体部１１が形成されるとともに、その外側にトウプリプレグ表層部１２が形成されたトウプリプレグ捲回体１０が製造される（特に、図２参照）。
【００２５】
なお、前述のトウプリプレグ本体部１１の形成工程とトウプリプレグ表層部１２の形成工程とは、連続的に（すなわち、途中で前記トウプリプレグの巻き方（角度）を変えて）実施してもよいし、別個に（すなわち、前記トウプリプレグの巻き方（角度）を変える段階で前記トウプリプレグを一旦切断して）実施してもよい。連続的に実施する場合には、後述する使用時に、トウプリプレグ表層部１２とトウプリプレグ本体部１１の一部のトウプリプレグを巻き剥がし、そこでトウプリプレグを切断してトウプリプレグ本体部１１のトウプリプレグを利用すればよい。
【００２６】
また、前述のトウプリプレグ本体部１１の形成工程で用いるトウプリプレグとトウプリプレグ表層部１２の形成工程で用いるトウプリプレグとは、同種あるいは異種のいずれでもよい。例えば、トウプリプレグ本体部１１への巻付けやすさの観点から、トウプリプレグ表層部１２の形成工程で用いるトウプリプレグを、トウプリプレグ本体部１１の形成工程で用いるトウプリプレグより柔軟なものを用いてもよいし、コスト削減の観点から、トウプリプレグ表層部１２の形成工程で用いるトウプリプレグを、トウプリプレグ本体部１１の形成工程で用いるトウプリプレグより安価なものを用いてもよい。また、同種のトウプリプレグを用いる場合には、生産性が良くなるという利点がある。
【００２７】
前記トウプリプレグ捲回体１０（のトウプリプレグ）の使用に当たっては、トウプリプレグ表層部１２のトウプリプレグを巻き剥がして廃棄した後、製品部分となるトウプリプレグ本体部１１のトウプリプレグを繰り出して利用すればよい。
【００２８】
＜トウプリプレグの適用について＞
前記トウプリプレグ捲回体１０の製品部分となるトウプリプレグ本体部１１から繰り出されたトウプリプレグは、例えばライナ（マンドレルともいう）の回転速度やトウプリプレグの送り出し速度や張力等を調整しながら、ＦＷにより製品形状を形作るライナ外周に繰り返し巻回される。なお、巻回の際には、例えば、フープ巻きによる巻回と低角度・高角度のヘリカル巻きによる巻回とが使い分けられ、こうした巻回の使い分けにより、前記トウプリプレグは、前記ライナの外表面全域を被覆する。その後、前記トウプリプレグをライナの周囲に巻き付けたものを、例えば加熱炉にて加熱して、前記トウプリプレグに含まれる樹脂（例えばエポキシ樹脂等）を硬化させることにより、外表面が繊維強化樹脂層で覆われた製品形状とされる。
【００２９】
なお、前記トウプリプレグ捲回体１０から繰り出されたトウプリプレグを用いて製造される製品としては、例えば、燃料電池自動車や天然ガス自動車等に搭載されて、燃料ガスとしての水素ガスや天然ガス等を貯蔵する高圧ガスタンク、車両や航空機等で用いられるプロペラシャフトやドアフレーム等がある。
【００３０】
このように、本実施形態では、トウプリプレグ本体部１１を製造した後、トウプリプレグ本体部１１の表層全体を覆うトウプリプレグ表層部１２を製造することで、トウプリプレグ捲回体１０を放置した場合でも、トウプリプレグ表層部１２にしか吸湿されないため、使用の際には、トウプリプレグ表層部１２を引き剥がすことで、吸湿等により劣化していないトウプリプレグ本体部１１を利用できるので、吸湿等の環境劣化に起因する硬化不良、型崩れに起因するＦＷ時の巻付け不良等を可及的に抑えることができる。
【００３１】
より詳しくは、ヘリカル巻により角度を変えて巻き付けたトウプリプレグ表層部１２が外部からの水分を吸湿して（すなわち、トウプリプレグ表層部１２が吸湿層として機能して）、製品部分となる内部のトウプリプレグ本体部１１への水分浸透が阻止されるため、ライナ等へのＦＷ時に、吸水していないトウプリプレグ（トウプリプレグ本体部１１のトウプリプレグ）を使用することができる。
【００３２】
また、トウプリプレグ（例えば、連続繊維状の炭素繊維束にエポキシ樹脂を含浸させた炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ））は柔らかいため、角度を変えて巻いたトウプリプレグ表層部１２が低張力でも製品部分となるトウプリプレグ本体部１１（のトウプリプレグ）に密着して水分の侵入防止と肩崩れ変形防止を両立することができる。また、トウプリプレグ表層部１２を低張力とすることで、製品部分となるトウプリプレグ本体部１１（のトウプリプレグ）の配向が乱れることを防止することができる。
【００３３】
さらに、トウプリプレグ化で使用するボビンをそのまま使用できるため、生産性が良いという利点もある。
【００３４】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３５】
９…ボビン、１０…トウプリプレグ捲回体、１１…トウプリプレグ本体部、１１ａ…トウプリプレグ本体部の外周面、１１ｂ…トウプリプレグ本体部の上端面、１１ｃ…トウプリプレグ本体部の下端面、１２…トウプリプレグ表層部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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