(57)【要約】【課題】本発明は、装置や製品を結露させることなくトウプリプレグの幅精度を悪化させずに巻き取る方法および巻き取り装置を提供せんとするものである。【解決手段】本発明のトウプリプレグの巻き取り方法は、トウプリプレグをトラバースするボビン上へ巻き取る際、片面にトウプリプレグ幅の１．５〜１０倍の幅のテープ状支持体を密着させ、一体化して巻き取ることを特徴とするものである。また、本発明のトウプリプレグ用巻き取り装置は、トウプリプレグ用巻き取り装置において、巻き取りボビン直前のガイドロール上でのトウプリプレグの位置決め機構と、該巻き取りボビン直前のガイドロール上へテープ状支持体を巻出す機構とを設けたことを特徴とするものである。【選択図】図１
2004090256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トウプリプレグをトラバースするボビン上へ巻き取る際、片面にトウプリプレグ幅の１．５〜１０倍の幅のテープ状支持体を密着させ、一体化して巻き取ることを特徴とするトウプリプレグの巻き取り方法。
【請求項２】
該トウプリプレグの幅が２〜１０ｍｍであることを特徴とする請求項１記載のトウプリプレグの巻き取り方法。
【請求項３】
該テープ状支持体の単位幅当たりの巻出し張力が０．０２〜０．３Ｎ／ｍｍであることを特徴とする請求項１または２記載のトウプリプレグの巻き取り方法。
【請求項４】
該テープ状支持体の厚さが１０〜５０μｍであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のトウプリプレグの巻き取り方法。
【請求項５】
該テープ状支持体のヤング率が２〜６ＧＰａであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のトウプリプレグの巻き取り方法。
【請求項６】
トウプリプレグ用巻き取り装置において、巻き取りボビン直前のガイドロール上でのトウプリプレグの位置決め機構と、該巻き取りボビン直前のガイドロール上へテープ状支持体を巻出す機構とを設けたことを特徴とするトウプリプレグ用巻き取り装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、巻き取り後の幅精度の悪化の少ない巻き取り方法およびその巻き取り装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
補強用繊維とマトリックス樹脂からなる繊維強化複合材料は、力学特性、耐蝕性などが優れていることから、航空・宇宙、スポーツ、土木・建築などの一般産業用分野で広く用いられており、これまでにも様々な樹脂、特に種々な組成のエポキシ樹脂と様々な性質を有する補強繊維の組み合わせによるトウプリプレグが提案されている。補強繊維としては、強度、弾性率、取り扱い性、コストの面からガラス繊維、また特に炭素繊維が好適に使用される。
【０００３】
炭素繊維強化複合材料は、代表的には中間素材としてマトリックス樹脂が硬化していない状態のいわゆるプリプレグとして提供される。プリプレグは一般にシート状をしており、シート平面の中で連続繊維が一方向に配列したものや、連続繊維を織物状としたもの、不連続繊維を任意の方向に配列させたものなど、目的に応じて様々な補強形態のものがある。
【０００４】
上記シート状のプリプレグ以外に、幅がほぼ１０ｍｍ以下、特に好ましくは幅が７ｍｍ以下の細幅のいわゆるトウプリプレグと呼ばれるものがある。このトウプリプレグは、通常のシート状のプリプレグでは適用困難な用途、例えば橋梁用ケーブルやプレストレスドコンクリートの緊張材として、予め定められた本数を合糸又は合撚し、線状のロープに成形しての使用や、複雑な形状を有する成形体や、厚物の成形体を製造する際のフィラメントワインド用として、好適に使用される。また、近年、ファイバープレスメントと呼ばれる複数本のトウプリプレグを引き揃えてテープ状とし、複雑な形状のマンドレル面に配置し、成形体を得る方法が開発されている。
【０００５】
フィラメントワインドやファイバープレスメントに使用されるトウプリプレグは、複数本の糸条を揃えてマンドレル上に配列する必要があるため、その幅精度が重要である。すなわち、幅のばらつきが大きいトウプリプレグでは、積層する際に、トウプリプレグの幅の広い部分同士が隣接した場合、端部が重なることにより、厚みが通常より厚い部分が生じ、幅の狭い部分同士が隣接した場合には隙間が生じるため、厚みのバラツキが生じる。また、成形体を作成する場合は１層のみで積層成形することはほとんどなく、通常積層成形するため、隙間部周辺は十分に加圧されず、ボイドが発生しやすい。このように、幅のバラツキが大きなトウプリプレグを用いた場合、成形体の品位が低下する問題がある。
【０００６】
従来、幅精度が良好な製品を得るため、一旦幅が１５０ｍｍ以上のプリプレグを作製した後、それを所定の幅に切断してトウプリプレグを製造することが一般的であった。しかしながら、この方法によると、切断時に左右にいわゆる耳ロスを生じるほか、切断端に存在する補強繊維が切断されて品位が低下したり、力学的特性が不十分であるなどの問題を生じた。また、スリット時にプリプレグが経時変化したり、切断時のトラブルや、長尺ものを得る際に発生するプリプレグ同士の継ぎ目などの問題が避けられなかった。
【０００７】
また、１〜数本の補強繊維に樹脂を湿式又はホットメルトで供給し、含浸させてトウプリプレグにする方法が試みられている。この方法によれば、繊維目付、樹脂目付の良好なトウプリプレグが得られるが、幅精度が劣っていた。
【０００８】
また、特開平１１−１３０８８２号公報のように、樹脂を含浸した後、巻取前に幅を規制する固定または回転するガイドに接続させることにより、幅ばらつきの少ないトウプリプレグを得ることを開示しているが、巻き取りに当たってはボビン上での巻締まりにより幅ばらつきが増大するため巻取直前のトウプリプレグの温度を含浸樹脂のガラス転移点以下に冷却して対処していた（巻き取り装置についての記載はなく、条件については冷却温度が実施例中に開示されている他は綾角が示されているのみ）。かかる方法では巻き取り設備部分に大がかりな冷却設備が必要であること、また装置やトウプリプレグへの結露等を防ぐための乾燥空気での巻き取り設備部のパージする必要があることなど、量産には適さないものであった。
【０００９】
また、特開２０００−０７９６１４号公報には位置決め機構を有する巻き取り装置を用いた巻き取り方法が開示されており、効果として、巻き取り時の位置決め精度を良くすることでトウプリプレグの折れを抑制し、巻き取り時に生じる幅精度悪化を低減することが開示されている。しかし、該特開公報においては、ボビン巻き取り後の幅悪化については何ら考慮されていない。
【００１０】
このように、従来、トウプリプレグの幅精度の悪化防止については、巻き取り時については、特２０００−０７９６１４号公報の方法が現実的に適用しうる方法としてあるものの、巻き取り後については、特開平１１−１３０８８２号公報の如く改善の余地を残していた。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、装置や製品を結露させることなくトウプリプレグの幅精度を悪化させずに巻き取り、かつ巻き取り後の幅精度の悪化も低減する巻き取り方法および巻き取り装置を提供せんとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。すなわち、本発明の巻き取り方法は、トウプリプレグをトラバースするボビン上へ巻き取る際、片面にトウプリプレグ幅の１．５〜１０倍の幅のテープ状支持体を密着させ、一体化して巻き取ることを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明のトウプリプレグ用巻き取り装置は、巻き取りボビン直前のガイドロール上でのトウプリプレグの位置決め機構と該巻き取りボビン直前のガイドロール上へテープ状支持体を巻出す機構を有するものであるである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、巻き取り時の温度において半固形状態である樹脂をマトリックスとしたテープ状のトウプリプレグをトラバースするボビン上へ巻き取る方法および装置について鋭意検討し、巻き取り時にトウプリプレグの片面に特定幅のテープ状支持体を密着させ、一体化して巻き取ることにより巻き取り後の幅精度低減を一挙に解決することを究明したものである。
【００１５】
すなわち、本発明の巻き取り方法では、トウプリプレグをトラバースするボビン上へ巻き取る際、片面にトウプリプレグ幅の１．５〜１０倍の幅のテープ状支持体を密着させ、一体化して巻き取ることを特徴とするものである。これにより巻き取り後のトウプリプレグの幅精度の悪化が抑制されるものである。幅精度悪化の抑制機構は、以下の２つの効果によるものと推察される。
【００１６】
第１の効果は、該テープ状支持体を導入することによるトウプリプレグ幅方向の形状の拘束によると考えられる。これはトウプリプレグを巻き取り後、ボビン上では必ず外側に巻くトウプリプレグによる圧力で幅を広げようとする力（所謂巻締まりやトラバース端部での幅拡がり）が生じるが、片面にトウプリプレグ幅の１．５〜１０倍の幅のテープ状の該支持体を密着させ、一体化して巻き取ることにより、形状が拘束され、幅が拡がることによるばらつきの増加が抑制されるものと考えられる。
【００１７】
第２の効果は、トウプリプレグより薄く幅広の該支持体を導入することによる長手方向にかかる圧力むらの緩和によると考えられる。これはトラバースさせながら巻き取る時、ボビン上では必ずトウプリプレグを交差して巻き取ることになり、交差部では、トウプリプレグの厚みによる凹凸により、圧力むらが生じるが、片面にトウプリプレグ幅の１．５〜１０倍の幅のテープ状支持体を密着させ、一体化して巻き取ることにより、この圧力むらが緩和されるものと考えられる。
【００１８】
ここで、トウプリプレグの幅のバラツキは、工程中に光学的に非接触で幅を測定する装置を設置し、通過するトウプリプレグの幅を、測定精度１０μｍで連続して測定した幅（単位：ｍｍ）の標準偏差σをもって表す。かかる測定に適用する装置の例として、センサー部にキーエンス（株）製、型番：ＬＸ−１３２、信号取り込み装置（アナログ−デジタル変換器）として同社製、型番ＮＲ−２５０を用いることができる。サンプリング頻度はトウプリプレグの製造速度が、例えば１０ｍ／分の場合は、２回／秒とするのが良く、また、幅の全測定点数は１０００点以上とするのが好ましい。
【００１９】
ここで、巻き取り前のトウプリプレグの幅のバラツキは、コアボピンに巻き取る前、張力調整手段以前を走行しているトウプリプレグを前記測定装置にオンラインで通過させて測定すればよい。一方、パッケージに巻き取られた後のトウプリプレグの幅のバラツキについては、パッケージからトウプリプレグを解舒して、前記測定装置にオンラインで通過させて測定すればよい。
【００２０】
テープ状支持体は、トウプリプレグとの離型性を有していれば素材については特に限定されないが、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートなどのプラスチックフィルムのテープが好適に使用することができる。
【００２１】
また、本発明において、使用することができるトウプリプレグは、その幅が好ましくは２〜１０ｍｍ、より好ましくは２．５〜７ｍｍのものである。トウプリプレグ幅が２ｍｍに満たない場合、支持体とトウプリプレグの接触幅が少ないため支持体との固定が弱いため巻き取り時に支持体がはがれやすく、１０ｍｍを越える場合、支持体幅が広くなるため、トラバース方向が変わる部分でしわが生じやすいため好ましくない。
支持体の単位幅当たりの巻出し張力は０．０２〜０．３Ｎ／ｍｍであることがトウプリプレグと支持体を安定して密着させることができることから好ましく、０．０５〜０．２５Ｎ／ｍｍであればさらに好ましい。支持体の単位幅当たりの巻出し張力が０．０２Ｎ／ｍｍに満たない場合、支持体に弛みが生じトウプリプレグとの密着が不十分となりやすく、０．３Ｎ／ｍｍあれば十分に安定して密着させることができることから、これを越える支持体の単位幅当たりの巻出し張力は実質的に意味がない。該張力は支持体の巻き出し軸にバンドブレーキやパウダークラッチなどを設置し調整する。
【００２２】
支持体の厚さは１０〜５０μｍであることが好ましく、２０〜４０μｍであればさらに好ましい。支持体の厚さが１０μｍに満たない場合、支持体にしわが入りやすくなり、５０μｍを越える場合、支持体自体の厚みによる段差が加わることから好ましくない。
【００２３】
かかる支持体のヤング率は２〜６ＧＰａであることが好ましく、２．５〜５ＧＰａであればさらに好ましい。支持体のヤング率が２ＧＰａに満たない場合、巻き取り時支持体延びが生じ、解舒時にトウプリプレグにしわを生じさせることがあり好ましくなく、５ＧＰａあれば支持体の延びに起因する不都合は生じないことから、これを越える支持体のヤング率は実質的に意味がない。
【００２４】
また、本発明のトウプリプレグの巻き取り装置は、巻き取りボビン直前のガイドロール上でのトウプリプレグの位置決め機構と該巻き取りボビン直前のガイドロール上へテープ状支持体を巻出す機構とを設けたものである。すなわち、従来あったトウプリプレグの位置決め機構のみを有する巻き取り装置にテープ状支持体を巻き出す機構を追加したものである。このような装置構成とすることにより、トウプリプレグの片面にテープ状の支持体を密着させ、一体化して巻き取ることができることから、巻き取り後の幅精度の悪化の少ない巻き取りを可能とするものである。
【００２５】
図１は本発明のトウプリプレグの巻き取り装置の一例を示す概略正面図である。トウプリプレグ１は、ダンサーロール３による張力調整部２を経て、４ａ、４ｂ、４ｃの位置決め機構の各ロールを経て軸方向にトラバースするボビン７上へ巻き取られる。このとき、パウダークラッチにより張力制御された支持体の軸受け５より巻き出された支持体６を位置決め機構中の４ｃロールとトウプリプレグとの間に通すことにより、該支持体をトウプリプレグと密着させ一体化して巻き取りを行う。
【００２６】
図２は、４ｃロールの一例を示す概略平面図である。支持体（図１の６）が接触する部分９が平坦でロールの両端に周方向に少なくとも２つの凸部を有する、いわゆる溝付きロールの形状であるが、支持体が接触する部分８とボビン上のトウプリプレグの巻き取り体８に接する部分１０がそれぞれ独立して回転する構造となっている。
【００２７】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。
【００２８】
実施例１
補強繊維として、東レ（株）製、”トレカ”型番Ｔ８００Ｈ（引張強さ：５．６ＧＰａ、引張弾性率：２９４ＧＰａ、破壊歪みエネルギー：５３０００ＫＪ／ｍ３　、密度：１．８１ｇ／ｃｍ３　）の１２０００フィラメントの炭素繊維を使用した。
【００２９】
エポキシ樹脂としては、テトラグリシジルジアミノジフェニルメタンタイプのエポキシ樹脂と、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテルタイプのエポキシ樹脂、さらに硬化剤として４、４’ジフェニルジアミノスルフォンを使用し、熱可塑性ポリマーとしてポリエーテルスルフォンを添加し、原料樹脂の配合比を調整することにより樹脂の粘度を８０℃で９Ｐａ・ｓ（９０ポアズ）、ガラス転移点を５℃に合わせたものを使用した。
この樹脂の粘度をレオメトリック・サイエンティフィック・エフ・イー製粘弾性測定装置ＡＲＥＳ等を用い、２℃／分昇温で測定周波数０．５Ｈｚ、データ取り込み間隔１５秒で測定した。３０℃で５０００Ｐａ・ｓ（５００００ポアズ）、５０℃で４００Ｐａ・ｓ（４０００ポアズ）、６０℃で１２０Ｐａ・ｓ（１２００ポアズ）、８０℃で９Ｐａ・ｓ（９０ポアズ）、１１０℃で４Ｐａ・ｓ（４０ポアズ）であった。
【００３０】
上記エポキシ樹脂を、樹脂含有率が３５重量％になるよう付与して、平均幅３．１ｍｍ、幅のバラツキが０．０６ｍｍであるトウプリプレグを走行速度１０ｍ／分で製造し、図１に示す巻き取り装置を用いて巻き取った。このときテープ状支持体６として、３０μｍ厚、１８ｍｍ幅、ヤング率３ＧＰａのプリプロピレンテープを図１に示すように密着させ、一体化して巻き取った。
【００３１】
ボビン７に一番近い位置に配されたガイドロール４ｃは、テープ状支持体が接触する平坦な部分の直径が４０ｍｍ、幅が２０ｍｍであり、ガイドロール４ｂはＨ型で、ロール軸の直径が２５ｍｍ、凹部の幅が１５ｍｍであり、ガイドロール４ａはＵ型で、ロール軸の直径が５０ｍｍ、凹部、即ちロール軸の曲率半径が１０ｍｍ、凹部の深さが１０ｍｍである。
【００３２】
支持体の軸受け５は、パウダークラッチにより、支持体張力を０．２１Ｎ／ｍｍに調整した。
【００３３】
ここで、綾角を４°〜５°となるようにボビントラバース速度を選んで約１ｋｇ（約８００ｍ）のトウプリプレグをコアボビンに巻き取りトウプリプレグパッケージを得た。
【００３４】
ボビンに巻き取る際のトウプリプレグの樹脂温度は３０℃であった。
【００３５】
ここで、樹脂温度は、図１の４ａロール上部５ｃｍに赤外放射温度計を設置して測定した。ここでは赤外放射温度計としてキーエンス（株）製、赤外放射温度計、型番ＩＴ２−０２／ＩＴ２−５０（スポット径１．２ｍｍ）を使用した。
【００３６】
このパッケージからトウプリプレグを室温（２５℃）下、解舒し、巻き出しから約１０ｍ目から長さ１００ｍにわたって、パッケージにおけるトウプリプレグの幅のバラツキを測定したところ、０．１１ｍｍであった。
【００３７】
比較例１
テープ状支持体６を使用しない他は実施例１と同様にして、平均幅３．１ｍｍ、幅のバラツキが０．０６ｍｍであるトウプリプレグを巻き取った。
【００３８】
このパッケージからトウプリプレグを室温（２５℃）下、解舒し、巻き出しから約１０ｍ目から長さ１００ｍにわたって、パッケージにおけるトウプリプレグの幅のバラツキを測定したところ、０．３０ｍｍと幅精度の劣るものであった。
【００３９】
【発明の効果】
本発明の方法・装置によれば、巻き取り後の幅精度悪化の少ないトウプリプレグの巻き取りを結露等の問題なく実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のトウプリプレグの巻き取り装置の一例を示す概略正面図である。
【図２】図１の４ｃに示すガイドロールの概略平面図である。
【符号の説明】
１：トウプリプレグ
２：張力調整部
３：ダンサーロール
４ａ、４ｂ、４ｃ：位置決め機構のロール
５：支持体の軸受け
６：支持体
７：ボビン
８：ボビン上のトウプリプレグの巻き取り体
９：４ｃロールにおいて支持体６が接触する部分
１０：４ｃロールにおいてボビン上のトウプリプレグの巻き取り体８が接触する部分
【図１】
2004090256.tif 000003
【図２】
2004090256.tif 000004