(57)【要約】【課題】樹脂を含浸させた繊維束にボイドが発生した場合であっても、該ボイドの除去を容易にする。【解決手段】プリプレグ繊維２０の製造システムに用いられる巻取りボビン１６は、同心円状に、かつ直径の異なる複数の巻取り部２２ａ，２２ｂ，２２ｃを有する。繊維束に樹脂を含浸させたプリプレグ繊維２０を巻き取った巻取りボビン１６を減圧器で減圧することにより脱気され、ボイドを除去することができる。【選択図】図２Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続した糸状の繊維束に樹脂液を含浸させたプリプレグ繊維を製造するためのシステムであって、
搬送される繊維束を樹脂液に含浸させる含浸手段と、
樹脂液に含浸させた繊維束を巻き取る巻取り手段と、
を含み、
前記巻取り手段が、同心円状に、かつ直径の異なる複数の巻取り部を有する巻取りボビンであることを特徴とするプリプレグ繊維の製造システム。
【請求項２】
請求項１に記載のプリプレグ繊維の製造システムにおいて、
前記ボビンに巻き取った、樹脂液に含浸させた繊維束を減圧して脱気させる脱気手段をさらに含むことを特徴とするプリプレグ繊維の製造システム。
【請求項３】
連続した糸状の繊維束に樹脂液を含浸させたプリプレグ繊維を製造するための方法であって、
搬送される繊維束を樹脂液に含浸させる含浸工程と、
樹脂液に含浸させた繊維束を、同心円状に、かつ直径の異なる複数の巻取り部を有するボビンに巻き取る巻取り工程と、
を含むことを特徴とするプリプレグ繊維の製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載のプリプレグ繊維の製造方法において、
樹脂液に含浸させた繊維束を、複数の巻取り部のうち直径の小さな箇所から順に巻き取ることを特徴とするプリプレグ繊維の製造方法。
【請求項５】
請求項３または４に記載のプリプレグ繊維の製造方法において、
前記ボビンに巻き取った、樹脂液に含浸させた繊維束を減圧して脱気させる脱気工程をさらに含む、プリプレグ繊維の製造方法。
【請求項６】
連続した糸状の繊維束に樹脂液を含浸させたプリプレグ繊維を巻き取るボビンであって、
同心円状に、かつ直径の異なる複数の巻取り部を有することを特徴とするプリプレグ繊維巻取りボビン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プリプレグ繊維の製造システム、プリプレグ繊維の製造方法、プリプレグ繊維巻取りボビンに関する。
【背景技術】
【０００２】
酸素や窒素など、常温常圧状態における容積の大きな気体を高密度、小容量にて貯蔵するための容器として、所定の圧力により圧縮させて液体または気体として貯蔵する、圧力容器が使用されている。従来、耐圧性を有する鋼鉄製その他の金属製圧力容器が使用されてきたが、近年、天然ガスや水素ガスなどを貯蔵した圧力容器を車両などの移動体に搭載し、燃料として使用する技術に適用するため、圧力容器に対して要求される性能として、高密度化可能な耐圧性、耐久性はもちろんのこと、容器の軽量化も重要な課題となっていた。
【０００３】
一方、例えば炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）などの繊維強化樹脂（ＦＲＰ）を用いた圧力容器が知られている。ＦＲＰ製の圧力容器は一般に、金属製圧力容器よりも軽量であるため、車両などの移動体への搭載には有利であり、また、水素用圧力容器として使用する場合における、従来の鋼鉄製容器の課題であった水素脆化その他の懸念も少ないため、特に注目されている。
【０００４】
図６は、一般的なＦＲＰ製圧力容器の構成の概略を説明するための図である。図６に示す圧力容器２００は例えば、６−ナイロン（ナイロン６とも称する）、６，６−ナイロン（ナイロン６６とも称する）などのナイロン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリプロピレン樹脂などの熱可塑性樹脂で形成された中空形状のライナ３０と、ライナ３０の外周部分を被覆する繊維強化樹脂層（ＦＲＰ層）３２とを備え、構成されている。圧力容器２００にはまた、少なくとも一つの口金３８を有する。口金３８には、図示しないバルブが接続可能に構成されており、このバルブ操作により圧力容器２００の内外への高圧流体の流通を調節することができる。
【０００５】
図７は、図６に示すＡ−Ａ’断面の構成の概略を示す拡大図である。繊維強化樹脂層３２は一般に、長く連続した糸状の繊維束（フィラメント）に熱硬化性樹脂などの樹脂液を含浸させ、必要に応じて乾燥させたいわゆるプリプレグ繊維をライナの外周表面に巻きつけて、その後該樹脂液を硬化させることにより形成される。これにより、繊維強化樹脂層３２は、図７に示すように、ライナ３０の外周表面に複数回および／または複数本巻きつけられた繊維束３４の間を樹脂３６が埋めるような構成を有することとなる。このとき、ライナ３０の材質および／または厚みの他、例えば、繊維束３４の太さや巻き数を調整し、繊維強化樹脂層３２の厚みを調整することにより、圧力容器２００の設計圧力を制御することができる。
【０００６】
フィラメントへの樹脂液の含浸は、フィラメントワインディング（ＦＷ）とも称される、ライナへの巻き付け工程に先立つ工程として連続的に行なうことができる。また、別の手法として、ボビンに巻き付けたプリプレグ繊維を事前に用意し、これを別工程としてＦＷに利用することもまた、ＦＲＰ製の圧力容器を作製するための周知の技法として知られている（例えば、特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０８−１３４２３５号公報
【特許文献２】特開２００６−２４８７５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ＦＲＰ製圧力容器の作製に好適に用いられるフィラメントは一般に、直径が５〜７μｍ程度の細い繊維を、例えば３０００本〜２４０００本まとめた繊維束である。このようなフィラメントに樹脂液を含浸させる際には、この繊維間に空気が入り込んでいわゆるボイドが発生し、樹脂液の含浸が不均一なプリプレグ繊維が形成されうる。かかるプリプレグ繊維を用いて作製された圧力容器は、ボイドを含まないプリプレグ繊維を用いて作製された圧力容器と比較して、樹脂量または樹脂密度が低い箇所を有するため、例えば耐衝撃性、耐圧性、耐久性などの物理的強度が懸念される場合があり得た。
【０００９】
本発明は、樹脂を含浸させた繊維束にボイドが発生した場合であっても、該ボイドを容易に除去することのできるプリプレグ繊維巻取りボビン、プリプレグ繊維の製造システム、プリプレグ繊維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】
本発明の構成は以下のとおりである。
【００１１】
（１）連続した糸状の繊維束に樹脂液を含浸させたプリプレグ繊維を製造するためのシステムであって、搬送される繊維束を樹脂液に含浸させる含浸手段と、樹脂液に含浸させた繊維束を巻き取る巻取り手段と、を含み、前記巻取り手段が、同心円状に、かつ直径の異なる複数の巻取り部を有する巻取りボビンである、プリプレグ繊維の製造システム。
【００１２】
（２）上記（１）に記載のプリプレグ繊維の製造システムにおいて、前記ボビンに巻き取った、樹脂液に含浸させた繊維束を減圧して脱気させる脱気手段をさらに含む、プリプレグ繊維の製造システム。
【００１３】
（３）連続した糸状の繊維束に樹脂液を含浸させたプリプレグ繊維を製造するための方法であって、搬送される繊維束を樹脂液に含浸させる含浸工程と、樹脂液に含浸させた繊維束を、同心円状に、かつ直径の異なる複数の巻き取り部を有するボビンに巻き取る巻取り工程と、を含む、プリプレグ繊維の製造方法。
【００１４】
（４）上記（３）に記載のプリプレグ繊維の製造方法において、樹脂液に含浸させた繊維束を、複数の巻き取り部のうち直径の小さな箇所から順に巻き取る、プリプレグ繊維の製造方法。
【００１５】
（５）上記（３）または（４）に記載のプリプレグ繊維の製造方法において、前記ボビンに巻き取った、樹脂液に含浸させた繊維束を減圧して脱気させる脱気工程をさらに含む、プリプレグ繊維の製造方法。
【００１６】
（６）連続した糸状の繊維束に樹脂液を含浸させたプリプレグ繊維を巻き取るボビンであって、同心円状に、かつ直径の異なる複数の巻き取り部を有する、プリプレグ繊維巻取りボビン。
【発明の効果】
【００１７】
樹脂を含浸させた繊維束にボイドが発生した場合であっても、該ボイドを容易に除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態におけるプリプレグ繊維の製造システムの一例について、その構成の概略を説明するための図である。
【図２Ａ】図１に示す巻取りボビン１６の一例を示す拡大図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示す巻取りボビン１６にプリプレグ繊維を巻きつけた状態の一例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態におけるプリプレグ繊維の製造方法について示したフローチャートである。
【図４】プリプレグ繊維の巻き付け層数と脱気処理によるボイドの減少率との関係を例示するグラフである。
【図５】脱気処理による脱気時間とボイドの減少率との関係を例示するグラフである。
【図６】圧力容器の構成の概略を示す図である。
【図７】図６に示すＡ−Ａ’断面の構成の概略を示す拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を用いて詳細に説明する。
【００２０】
図１を参照し、本発明の実施の形態におけるプリプレグ繊維の製造システムの構成の概略について説明する。図１に示すプリプレグ繊維の製造システム１００は、巻出しボビン１２から巻き出され、搬送される繊維束１０に樹脂液を含浸させる含浸部１４と、樹脂液を含浸させたプリプレグ繊維２０を巻き取る巻取りボビン１６とを備える含浸−巻き取りシステム４０と、巻取りボビン１６に巻き取ったプリプレグ繊維２０を減圧して脱気させる減圧器２４を備える脱気システム５０と、を含み、構成されている。含浸−巻き取りシステム４０においては、必要に応じて、駆動または搬送ローラ１８，１９、ダンサーロールやアキュームレータなどの図示しない張力緩和装置その他の公知の搬送補助機構や、乾燥手段などを併用することもできる。
【００２１】
図２Ａは、図１に示す巻取りボビン１６の一例を示す要部拡大図である。図２Ａに示す巻取りボビン１６は、異なる直径を有する、同心円状に形成された複数の巻取り部２２ａ，２２ｂ，２２ｃを有する。図２Ａに示す実施の形態において、第１の巻取り部２２ａ，第２の巻取り部２２ｂ，第３の巻取り部２２ｃはそれぞれ、一方端から他方端に向けて直径が順に大きくなるように異ならせて形成されている。巻取り部２２ａ，２２ｂ，２２ｃがそれぞれ、同心円状に形成されていることにより、プリプレグ繊維を重なり合わせることなく巻き取ることができる。また、図２Ｂに示すように、このような構成を有する巻取りボビン１６への、プリプレグ繊維２０の巻き取りを、直径の最も小さな第１の巻取り部２２ａから直径の最も大きな第３の巻取り部２２ｃに向けて順に行うと、プリプレグ繊維を重なり合わせることなく巻き取ることができるため、好適である。
【００２２】
本発明の実施の形態において、第１の巻取り部２２ａおよび／または第２の巻取り部２２ｂに巻き取られたプリプレグ繊維２０の脱落を防止し、かつ／または第１の巻取り部２２ａから第２の巻取り部２２ｂへの巻き付け箇所の変更を容易にするために、第１の巻取り部２２ａと第２の巻取り部２２ｂとの間の境界領域である第１の面２３ａまたはその近傍に、図示しない脱落防止部材または巻き付け補助機構を設けても良い。また、第２の巻取り部２２ｂおよび／または第３の巻取り部２２ｃに巻き取られたプリプレグ繊維２０の脱落を防止し、かつ／または第２の巻取り部２２ｂから第３の巻取り部２２ｃへの巻き付け箇所の変更を容易にするために、第２の巻取り部２２ｂと第３の巻取り部２２ｃとの間の境界領域である第２の面２３ｂまたはその近傍に、図示しない脱落防止部材または巻き付け補助機構を設けても良い。
【００２３】
図１に戻り、脱気システム５０における減圧器２４は、真空ポンプまたは減圧ポンプ２６に接続されている。プリプレグ繊維２０を巻き取った巻取りボビン１６を減圧器２４内に収容し、真空または減圧ポンプ２６を作動させて減圧器２４内部を所定の圧力以下にまで減圧することにより、繊維間に発生したボイドを脱気して除去することができる。
【００２４】
図１に示す脱気システム５０を適用した場合における、プリプレグ繊維２０に生じたボイドの除去は、図１に示す繊維束１０に用いられた繊維の使用本数が多くなるにつれてより困難になる。そして、巻取りボビン１６への巻き取りの際に、プリプレグ繊維２０が層状に重なり合う回数が増えるにつれてもまた、脱気システム５０によるボイドの除去がより困難になる。繊維束１０に用いられた繊維の使用本数や樹脂液の種類にもよるが、一例では図４に示すように、プリプレグ繊維２０の巻き付けにより形成される巻き付け層数が３を超えると急激にボイドの除去が困難となる。そこで、巻取りボビン１６へのプリプレグ繊維２０の巻き取りは、図１に示す脱気システム５０により容易に脱気することができるよう、図２Ｂに示すように層状に重なり合わないように順に巻き取ることが好適である。なお、図１に示す繊維束１０に用いられる繊維の使用本数によっては、プリプレグ繊維２０を層状に重なり合うように巻きつけることで、ボイドを除去することは可能であるが、内層に行くにしたがってボイドを除去するための効果は減少するため、重なり合い度合いとしては２層程度に抑えることが好ましい。
【００２５】
本発明の実施の形態において、プリプレグ繊維２０を巻き取った巻取りボビン１６からボイドを除去するために要求される減圧器２４内の圧力は、繊維束１０に用いられた繊維の使用本数や樹脂液の種類にもよるが、例えば１０パスカル以下、より好ましくは０．１〜１．０パスカルとすることができる。また、減圧器２４内の減圧による脱気処理に要する時間は、繊維束１０に用いられた繊維の使用本数や樹脂液の種類にもよるが、例えば５時間以上、より好ましくは１５時間以上とすることができる。一方、処理時間が長くなると（図５に示す一例では、２０時間程度）、ボイドの除去が飽和し、以降継続して減圧させてもほとんどボイドは除去されず、ほぼ一定となる。そこで、脱気処理の継続時間が予め設定しておいた所定の時間を経過した後、または単位時間当たりのボイドの除去率が予め設定しておいた所定の減少率を下回り、飽和に達したと判断された後、脱気処理を終了することができる。
【００２６】
以上説明したように、プリプレグ繊維２０からのボイドの除去を実施する脱気システム５０は、１または複数の巻取りボビン１６ごとのバッチ処理となる。なお、巻取りボビン１６に形成された巻取り部は、図２Ａに示すような３箇所に限らず、巻き取るべきプリプレグ繊維２０の長さおよび太さに応じて、さらには減圧器２４に収容できるコンパクトな大きさとなるように適宜設計することができる。
【００２７】
図１〜３を参照して、本発明の実施の形態におけるプリプレグ繊維の製造方法の概略について説明する。まず、搬送される繊維束１０に、含浸部１４で樹脂液を含浸する（Ｓ１００）。次いで、樹脂液を含浸した繊維束（プリプレグ繊維２０）を、同心円状に、かつ直径の異なる複数の巻取り部を有する巻取りボビン１６に巻き取る（Ｓ１０２）。プリプレグ繊維２０を巻き取った巻取りボビン１６を、減圧器２４に入れて減圧、脱気して、ボイドを除去する（Ｓ１０４）。
【００２８】
本発明の実施の形態において、図１に示す繊維束１０の材料としては、例えばガラス繊維、炭素繊維、ケブラ繊維などを用いることが可能であり、特に比強度、比剛性の観点から炭素繊維が好適に用いられる。より具体的には、Ｔ８００繊維（東レ社製）、テナックスＩＭ６００（商品名）（東邦テナックス社製）などを挙げることができるが、これらに限定されない。また、繊維束１０の機械的強度として、引張り強度が１００〜３００ＧＰａ程度のものが好ましいが、これに限定されない。
【００２９】
また、繊維束１０の幅（繊維束幅）は、使用する材料の強度に応じて適宜選択することが可能である。具体的には、２〜５ｍｍ程度のものが好適に用いられるが、これに限定されるものではない。
【００３０】
一方、含浸部１４を用いて繊維束１０に含浸される樹脂液として、例えば液状の熱硬化性樹脂を用いることができ、要求される性能に応じて適宜選択することが可能である。かかる熱硬化性樹脂として、例えば、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂などを使用することができるが、これに限定されない。また、繊維束１０に樹脂液を含浸させる方法として、例えばキスロール法やスリットダイ方式など、公知のあらゆる手法を適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、ＦＲＰ製のあらゆる圧力容器の作製のために利用することが可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１０，３４  繊維束、１２  巻出しボビン、１４  含浸部、１６  巻取りボビン、１８，１９  搬送ローラ、２０  プリプレグ繊維、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ  巻取り部、２３ａ，２３ｂ  面、２４  減圧器、２６  減圧ポンプ、３０  ライナ、３２  繊維強化樹脂層、３６  樹脂、３８  口金、４０  含浸−巻き取りシステム、５０  脱気システム、１００  プリプレグ繊維の製造システム、２００  圧力容器。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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