(57)【要約】【課題】強化繊維束に含浸されたマトリックス樹脂の飛散を防止するとともに、強化繊維束の幅の変化や強化繊維束の傷付きを抑制することのできるプリプレグの製造装置を提供する。【解決手段】マトリックス樹脂６を含浸させた強化繊維束７を搬送する搬送ローラ４１〜４５の表面が、周方向に沿って視たときに、曲率半径が35mm以上かつ200mm以下の凹状の曲面を有している。【選択図】図２
2018080743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維束にマトリックス樹脂を含浸してなるプリプレグの製造装置であって、
マトリックス樹脂を含浸させた強化繊維束を搬送する搬送ローラの表面が、周方向に沿って視たときに、曲率半径が35mm以上かつ200mm以下の凹状の曲面を有しているプリプレグの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強化繊維束にマトリックス樹脂を含浸してなるプリプレグの製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化複合材料（繊維強化プラスチック（ＦＲＰ））は、炭素繊維やガラス繊維等からなる強化繊維基材に熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂のマトリックス樹脂を一体化したものであり、軽量かつ高強度であることから、多くの分野で使用されている。
【０００３】
繊維強化複合材料を成形する方法の一つに、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させた中間体であるプリプレグを用いる方法があり、このようなプリプレグの形態として、強化繊維束からなるトウにマトリックス樹脂を含浸させたトウプリプレグ（ＴＰＰ：Tow-Prepreg）等が知られている。
【０００４】
前記プリプレグ、特にトウプリプレグの製造に当たっては、例えば、強化繊維を構成する繊維基材を巻出し用ボビンに巻かれた状態から巻出し、開繊、加熱等の前処理を施して強化繊維束（糸状の強化繊維（フィラメント）を数千〜数万本程度束ねたもの）を作製した後、樹脂溶液を貯留した浸漬槽に強化繊維束を浸漬して含浸させる方法、強化繊維束の上から樹脂を塗布した後に加圧ローラ等により加圧する方法、樹脂が塗工されたコーティングローラに強化繊維束を接触させる方法等によって、前記強化繊維束にマトリックス樹脂を含浸させる。その後、加熱等の後処理を経て、マトリックス樹脂が含浸された前記強化繊維束を巻取り用ボビンにて巻取る（例えば、下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−１４８５７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、前記プリプレグの製造においては、強化繊維束にマトリックス樹脂を含浸して搬送ローラで巻取り用ボビンまで搬送しているが、通常、この搬送ローラの表面（強化繊維束と接する外周面）は平坦面で形成されている。そのため、前記搬送ローラを回転軸周りで高速で回転させて強化繊維束を高速で搬送すると、搬送ローラに沿って搬送される強化繊維束に作用する張力による圧力集中等によって、前記強化繊維束に含浸されたマトリックス樹脂がその外側（両端部）に移動して（浸み出て）轍状に溜まるとともに、轍状に溜まったマトリックス樹脂が高速製造時の遠心力によって飛散するという問題がある（図５参照）。
【０００７】
また、上記特許文献１に所載のように、溝付きの搬送ローラで強化繊維束を搬送する場合、前記溝の幅が狭いと、前記マトリックス樹脂の飛散を防止できる可能性はあるものの、強化繊維束の幅が変化したり、強化繊維束が擦過のために傷付いたりするおそれがある。
【０００８】
本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、強化繊維束に含浸されたマトリックス樹脂の飛散を防止するとともに、強化繊維束の幅の変化や強化繊維束の傷付きを抑制することのできるプリプレグの製造装置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】
【０００９】
前記目的を達成すべく、本発明によるプリプレグの製造装置は、強化繊維束にマトリックス樹脂を含浸してなるプリプレグの製造装置であって、マトリックス樹脂を含浸させた強化繊維束を搬送する搬送ローラの表面が、周方向に沿って視たときに、曲率半径が35mm以上かつ200mm以下の凹状の曲面を有しているものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、マトリックス樹脂を含浸させた強化繊維束を搬送する搬送ローラの表面が、曲率半径が35mm以上かつ200mm以下の凹状の曲面を有しているので、搬送ローラに沿って通過する強化繊維束に作用する張力による圧力が分散され、当該強化繊維束全体に亘って張力による圧力が略均一にかかるようになる。そのため、前記強化繊維束に含浸されたマトリックス樹脂がその外側（両端部）に移動し（浸み出し）難くなり、前記マトリックス樹脂の飛散を防止できる。また、上記従来技術のような溝を形成する必要がないので、強化繊維束の幅の変化や強化繊維束の傷付きを抑制することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明によるプリプレグの製造装置の一実施形態の全体構成を示す概略図。
【図２】図１に示す搬送ローラの構成を示す図であり、（Ａ）は概略斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面図。
【図３】樹脂飛散量の測定方法を説明する図であり、（Ａ）は概略側面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図。
【図４】実施例における搬送ローラの表面の曲率半径と、樹脂飛散量及びトウ幅変化率との関係を示す図。
【図５】従来のプリプレグの製造装置における搬送ローラの構成を示す図であり、（Ａ）は概略斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明によるプリプレグの製造装置の実施形態を説明する。
【００１３】
なお、以下では、主に、例えば燃料電池自動車の水素を貯蔵する高圧タンクの外殻部分等に使用される、炭素繊維からなる強化繊維束であるトウにエポキシ樹脂からなるマトリクス樹脂を含浸させたトウプリプレグを製造するための製造装置について説明するが、本発明は、その他の形態のプリプレグを製造するための製造装置にも適用できることは勿論である。
【００１４】
図１は、本発明によるプリプレグの製造装置の一実施形態の全体構成を示す概略図である。また、図２は、図１に示す搬送ローラの構成を示す図であり、図２（Ａ）は概略斜視図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）のＡ−Ａ矢視断面図である。
【００１５】
図１に示すように、本実施形態のプリプレグの製造装置１は、主として、強化繊維束５を形成する繊維基材を巻出すための巻出し用ボビン１０と、強化繊維束５に未硬化のマトリックス樹脂６を含浸させるための含浸ユニット３０と、マトリックス樹脂６が含浸された樹脂含浸後強化繊維束７（以下、単に強化繊維束７ということがある）を搬送するための搬送ユニット４０と、樹脂含浸後強化繊維束７を巻取るための巻取り用ボビン２０と、を備えている。
【００１６】
含浸ユニット３０は、所定温度に加熱された複数（図示例では、２個）の含浸ローラ３１、３２で構成されており、巻出し用ボビン１０に巻かれた状態から巻出され、開繊、加熱等の前処理が施された強化繊維束５が当該複数の含浸ローラ３１、３２に沿って送られることにより、強化繊維束５にマトリックス樹脂６が含浸される。なお、ここでは、樹脂が塗工された含浸ローラ３１、３２に強化繊維束５を接触させる方法によって、強化繊維束５にマトリックス樹脂６を含浸しているが、樹脂溶液を貯留した浸漬槽に強化繊維束を浸漬して含浸させる方法、強化繊維束の上から樹脂を塗布した後に加圧ローラ等により加圧する方法等の他の工程によって、前記強化繊維束５にマトリックス樹脂６を含浸させても良い。
【００１７】
搬送ユニット４０は、複数（図示例では、５個）の搬送ローラ４１〜４５で構成されており、各搬送ローラ４１〜４５は、図２にその一部（搬送ローラ４４）が拡大図示されているように、ベアリング４７を介して回転軸４６（の回転軸心）周りに回転自在に配在されている。また、各搬送ローラ４１〜４５の表面（強化繊維束７と接する外周面であって、糸道面ともいう）は、中央部（回転軸心方向の中央部）が凹状に窪んだ曲面を有している。
【００１８】
ここで、各搬送ローラ４１〜４５の表面の曲率半径が小さい（つまり、曲がり具合がきつくなる）と、強化繊維束７の幅（トウ幅）の変化率が大きくなるとともに、各搬送ローラ４１〜４５の表面の曲率半径が大きい（つまり、平坦に近くなる）と、各搬送ローラ４１〜４５周りを通過する強化繊維束７に含浸されたマトリックス樹脂６の飛散量が多くなる。そのため、各搬送ローラ４１〜４５の表面は、周方向（回転方向）に沿って視たときに、曲率半径が35mm以上かつ200mm以下の凹状の曲面で形成されている（詳細は後述）。
【００１９】
なお、各搬送ローラ４１〜４５の表面は、一定の曲率半径を有する曲面で形成しても良いし、曲率半径が異なる複数の曲面を組み合わせて形成しても良い。
【００２０】
含浸ユニット３０にてマトリックス樹脂６が含浸された強化繊維束７は、前記複数の搬送ローラ４１〜４５の表面（の曲面部分）に順次に沿うようにして搬送され、加熱等の後処理が施された後に、所定の回転速度で回転する巻取り用ボビン２０に巻取られることになる。
【００２１】
このように、本実施形態によれば、マトリックス樹脂６を含浸させた強化繊維束７を搬送する各搬送ローラ４１〜４５の表面が、曲率半径が35mm以上かつ200mm以下の凹状の曲面を有しているので、各搬送ローラ４１〜４５に沿って通過する強化繊維束７に作用する張力による圧力が分散され、当該強化繊維束７全体に亘って張力による圧力が略均一にかかるようになる。そのため、前記強化繊維束７に含浸されたマトリックス樹脂６がその外側（両端部）に移動し（浸み出し）難くなり、前記マトリックス樹脂６の飛散を防止できる。また、上記従来技術のような溝を形成する必要がないので、強化繊維束７の幅の変化や強化繊維束７の傷付きを抑制することも可能となる。
【００２２】
＜搬送ローラの表面の曲率半径と、樹脂飛散量及びトウ幅変化率との関係を測定した実験とその結果＞
本発明者等は、表面の曲率半径が異なる複数の搬送ローラを用意し、各搬送ローラを用いてマトリックス樹脂が含浸された強化繊維束（トウ）を搬送したときの、樹脂飛散量及びトウ幅変化率を測定した。
【００２３】
＜マトリックス樹脂及び強化繊維束の仕様、並びに製造装置の仕様＞
本実験は、上述の図１に示される製造装置と同様の構成の製造装置を用いて実施されたが、本実験で使用された、マトリックス樹脂及び強化繊維束の仕様、並びに製造装置の仕様は、以下の通りであった。
マトリックス樹脂の種類        ：エボキシ樹脂
含浸時マトリックス樹脂の粘度  ：2〜3Pa・S
強化繊維束（トウ）の種類      ：36K（36,000フィラメント）炭素繊維
トウ幅                        ：7〜13mm
樹脂含有率                    ：22〜26wt%
含浸ローラ温度（≒温風温度）  ：40℃
処理（搬送）速度              ：200m/min
生産長さ                      ：2500m
【００２４】
また、本実験で使用した搬送ローラ表面の曲率半径は、3mm、5mm、35mm、50mm、75mm、100mmの６種類であった。
【００２５】
＜樹脂飛散量の測定方法＞
本実験における樹脂飛散量の測定方法を概説すると、図３に示すように、マトリックス樹脂含浸後の搬送ローラ（具体的には、図１に示す搬送ローラ４１〜４５のうちの上流側から４個目の搬送ローラ４４）の外周（搬送ローラに軽く接触する位置）に紙ウェスを設置し、その紙ウェスの生産前後の重量変化（すなわち、紙ウェスに付着した樹脂の重量）を測定した。
【００２６】
＜トウ幅変化率の測定方法＞
また、本実験におけるトウ幅変化率の測定方法を概説すると、生産中に、含浸ユニットにて強化繊維束にマトリックス樹脂を含浸する前のトウ幅（含浸前トウ幅）と、搬送ユニットにて搬送後かつ巻取り用ボビンに巻取る前のトウ幅（巻取り前トウ幅）とを、計測器（キーエンス製レーザセンサIL-100）にて0.1sec以下のサンプリングレートで測定し、含浸前トウ幅と巻取り前トウ幅の平均値（生産長さ2500mの平均値）を算出し、含浸前トウ幅平均値/巻取り前トウ幅平均値の算出式によってトウ幅変化率を算出した。
【００２７】
＜本実験による測定結果＞
図４は、本実験（実施例）における搬送ローラの表面の曲率半径と、樹脂飛散量及びトウ幅変化率との関係を示す図である。
【００２８】
図４から分かるように、搬送ローラの表面の曲率半径が35mmより小さい場合には、トウ幅の変化が大きいものの、搬送ローラの表面の曲率半径が35mm以上になると、トウ幅の変化が小さいことが確認された。また、搬送ローラの表面の曲率半径が100mm以下である場合には、樹脂飛散量が少なくなることが確認された。
【００２９】
なお、本実験で使用した搬送ローラの表面の曲率半径の上限は100mmであったが、搬送ローラの表面が平坦（すなわち、曲率半径≒∞）である場合には、トウ幅変化率が1.02程度、樹脂飛散量が5.6g程度であることが確認されており、搬送ローラで搬送されるトウプリプレグの平均的な形状である厚み0.1mm幅10mmの楕円の曲面形状から計算すると、搬送ローラの表面の曲率半径が200mm以下であれば、樹脂飛散量低減に一定の効果があると考えられた。
【００３０】
この実験結果より、強化繊維束（トウ）を搬送する搬送ローラの表面が、曲率半径が35mm以上かつ200mm以下、特に35mm以上かつ100mm以下の凹状の曲面で形成されることにより、強化繊維束に含浸されたマトリックス樹脂の飛散を防止できるとともに、強化繊維束の幅の変化や強化繊維束の傷付きを抑制できることが実証された。
【００３１】
なお、上記実施形態では、炭素繊維からなる強化繊維束であるトウにエポキシ樹脂からなるマトリクス樹脂を含浸させたトウプリプレグを製造するための製造装置について説明したが、プリプレグを形成する強化繊維（束）やマトリクス樹脂は、適宜のものを選択し得る。例えば、強化繊維としては、前述した炭素繊維の他、例えば、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、ガラス繊維などの無機繊維、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を採用し得る。また、マトリックス樹脂としては、前述したエポキシ樹脂の他、例えば、フェノール樹脂、メラミン樹脂などの熱硬化性樹脂、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、メタクリル樹脂、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエステル、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリフッ化ビニリデン、ポリフェニレンオキサイド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルフォン、ポリアミドイミド、熱可塑性エポキシ樹脂などのいずれか一種もしくは二種以上の混合物からなる熱可塑性樹脂を採用し得る。また、前記熱可塑性樹脂を主成分とする共重合体やグラフト樹脂やブレンド樹脂、例えばエチレン−塩化ビニル共重合体、酢酸ビニル−エチレン共重合体、酢酸ビニル−塩化ビニル共重合体、ウレタン−塩化ビニル共重合体、アクリル酸変性ポリプロピレン、マレイン酸変性ポリエチレンなどを導入することもできる。
【００３２】
また、本発明によるプリプレグの製造装置は、プリプレグの製造において一般に採用され得る範囲内、例えば、含浸時マトリックス樹脂の粘度が1〜1OPa・Sの範囲、強化繊維束（トウ）の幅が5〜30mmの範囲、樹脂含有率が15wt%以上の範囲、処理（搬送）速度が50m/min以上の範囲等においても、前述した効果と同様の効果を奏し得ることは詳述するまでも無い。
【００３３】
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】
【００３４】
１…プリプレグの製造装置、５…強化繊維束、６…マトリックス樹脂、７…樹脂含浸後強化繊維束、１０…巻出し用ボビン、２０…巻取り用ボビン、３０…含浸ユニット、３１、３２…含浸ローラ、４０…搬送ユニット、４１〜４５…搬送ローラ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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