(57)【要約】【課題】長期生産性良く、樹脂含有率のばらつきやボイドが少ないストランドプリプレグを連続的に製造する方法を提供する。【解決手段】互いに平行に連続走行する強化繊維束２ａ、２ｂの間に樹脂吐出口５から加熱溶融したマトリックス樹脂を供給した後、積層ローラー４ａ、４ｂにより強化繊維束２ａ、２ｂを積層し、次いで含浸ローラー８を通過させることにより、強化繊維束２ａ、２ｂを加熱下に積層方向に加圧して強化繊維束にマトリックス樹脂を含浸させると共に強化繊維束同士を貼着するストランドプリプレグの連続製造方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに平行に連続走行する複数の強化繊維束の間に溶融したマトリックス樹脂を供給した後前記強化繊維束を積層し、次いで積層した強化繊維束を加熱下に積層方向に加圧して強化繊維束にマトリックス樹脂を含浸させると共に前記強化繊維束同士を貼着することを特徴とするストランドプリプレグの連続製造方法。
【請求項２】
互いに平行に連続走行する複数の強化繊維束を所定幅に拡幅し、拡幅した強化繊維束の間に溶融したマトリックス樹脂を供給した後前記強化繊維束を積層し、次いで積層した強化繊維束を加熱下に積層方向に加圧して強化繊維束にマトリックス樹脂を含浸させると共に前記強化繊維束同士を貼着することを特徴とするストランドプリプレグの連続製造方法。
【請求項３】
強化繊維束が炭素繊維束である請求項１又は２に記載の連続製造方法。
【請求項４】
マトリックス樹脂がエポキシ樹脂を主成分とする熱硬化性樹脂である請求項１又は２に記載の連続製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繊維強化複合材料に用いられるストランドプリプレグの連続製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
炭素繊維、芳香族ポリアミド繊維等を強化繊維として用いた複合材料は、その高い比強度、比剛性を利用して、航空機等の構造材料として広く用いられている。これらの複合材料は、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸した中間製品であるプリプレグを積層あるいは治具に巻きつけた後、加熱、加圧による成型加工工程を経て製造する場合が多い。
【０００３】
プリプレグには通常マトリックス樹脂としてエポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられるが、最近ではポリエーテルエーテルケトン、熱可塑性ポリイミド等の熱可塑性樹脂も用いられるようになっている。何れの樹脂を用いた場合も、得られる複合材料は機械的強度が高く、優れた耐熱性、寸法安定性、耐薬品性、耐候性を有している。
【０００４】
従来、複合材料の中間製品であるプリプレグは、一方向に引き揃えた強化繊維に樹脂を含浸させて得たシート状のプリプレグや、強化繊維の織物に樹脂を含浸させた織物プリプレグが主であった。フィラメントワインディング成型法やオートトウプレイスメント（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ  Ｔｏｗ  Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ：以下ＡＴＰ）成型法の発展により、連続した強化繊維の束（ストランド）に未硬化の樹脂を含浸したプリプレグ、即ちストランドプリプレグが広く使用されるようになっている。これらの成型法によれば、ストランドプリプレグの連続強化繊維を切断することなく複合材料とすることができる。従って、シート状のプリプレグや織物プリプレグを用いた場合と比較して複合材料を構成する強化繊維の不連続箇所が少なく、強化繊維の機械的強度を最大限利用できる優れた方法である。
更に、ストランドプリプレグは、高速での成形や自動成形が可能であることから、低コストで機械的強度に優れた複合材料を製造することができる。このため、大型構造物、航空機、宇宙関連構造部材等への適用が期待されている。
【０００５】
ストランドプリプレグの製造方法としては、マトリックス樹脂を熱溶融させて樹脂フィルムとし、強化繊維ストランドにマトリックス樹脂の樹脂フィルムを圧着・含浸させるホットメルト法、熱溶融させたマトリックス樹脂を転写ローラー等を用いて強化繊維ストランドに直接含浸させる方法、マトリックス樹脂を希釈した溶媒にディッピングする方法等が提案されている。より具体的には以下の方法がある。
【０００６】
▲１▼  一方向に引き揃えた数十本の強化繊維ストランドの上下からマトリックス樹脂を塗布した剥離紙で挟み、ホットメルト法によりストランドに樹脂を含浸させた後ストランド単位に分割する方法（特許文献１）
▲２▼  溶融したマトリックス樹脂を転写ローラー上に吐出し、転写ローラーを強化繊維ストランドと接触させる方法（特許文献２）
▲３▼  溶融したマトリックス樹脂を吐出機により少なくとも強化繊維ストランドの片面へ供給する方法（特許文献３）
【０００７】
【特許文献１】
特開２０００−１９８１１２号公報（請求項７）
【特許文献２】
特開平９−２５５７９９号公報（請求項１）
【特許文献３】
特開平８−７３６３０号公報（図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの方法は以下の問題を有している。
上記▲１▼の方法によれば性能や幅が均一なプリプレグを得ることが可能であるが、一旦シート状プリプレグとするためにプリプレグの製造可能な長さが限定される。このため、高速での成形や自動成形する場合のストランドプリプレグの切り替え回数が増加し、低コストでの成形が困難となる。
【０００９】
また、前記▲２▼では、転写ローラー上の樹脂が経時的に増粘して転写ローラーを汚染するとともに、強化繊維が転写ローラーへ巻き付きやすい。
【００１０】
更に、前記▲２▼、▲３▼では、強化繊維ストランドの表面にマトリックス樹脂を供給した後、ローラーによりストランド内部まで樹脂を均一に含浸させるが、ローラーへ樹脂が転写しやすいため樹脂によるローラーの汚染や強化繊維のローラーへの巻き付き等のトラブルを誘発する。このため、長期生産性が低く、低コストでのストランドプリプレグの製造が困難となる。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
これら問題点を解決するために本発明者等は鋭意研究を行った結果、複数の強化繊維束を用いて強化繊維束の間にマトリックス樹脂を供給し強化繊維束を加熱下積層方向に加圧することにより、強化繊維束表面に存在する樹脂が原因となって生じていた種々のトラブルが生じることなく連続的にストランドプリプレグを製造することができることを見出した。上記課題を解決する本発明は、以下に記載するものである。
【００１２】
〔１〕  互いに平行に連続走行する複数の強化繊維束の間に溶融したマトリックス樹脂を供給した後前記強化繊維束を積層し、次いで積層した強化繊維束を加熱下に積層方向に加圧して強化繊維束にマトリックス樹脂を含浸させると共に前記強化繊維束同士を貼着することを特徴とするストランドプリプレグの連続製造方法。
【００１３】
〔２〕  互いに平行に連続走行する複数の強化繊維束を所定幅に拡幅し、拡幅した強化繊維束の間に溶融したマトリックス樹脂を供給した後前記強化繊維束を積層し、次いで積層した強化繊維束を加熱下に積層方向に加圧して強化繊維束にマトリックス樹脂を含浸させると共に前記強化繊維束同士を貼着することを特徴とするストランドプリプレグの連続製造方法。
【００１４】
〔３〕  強化繊維束が炭素繊維束である〔１〕又は〔２〕に記載の連続製造方法。
【００１５】
〔４〕  マトリックス樹脂がエポキシ樹脂を主成分とする熱硬化性樹脂である〔１〕又は〔２〕に記載の連続製造方法。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施態様は以下のとおりである。
（１）    規定幅に拡幅処理を施すとともに予め加熱した強化繊維束複数本を上下方向に互いに対向させて配置する。
（２）    強化繊維束を一定の隙間を有する一対の加熱ローラー（積層ローラー）に誘導し、強化繊維束の間に吐出機によりマトリックス樹脂を定量供給する。
（３）  強化繊維束間にマトリックス樹脂を定量供給すると同時に又はその直後に積層ローラーを通過させて強化繊維束を積層する。
（４）    含浸工程において、積層した強化繊維束を加熱下積層方向に加圧することにより強化繊維束にマトリックス樹脂を均一に含浸させストランドプリプレグとする。
（５）    冷却工程において、ストランドプリプレグを冷却し、凹ローラーでプリプレグの幅を規定すると同時に凸ローラーでストランドプリプレグを圧縮してプリプレグの断面形状を制御する。
（６）    ワインダーにて芯材に一定間隔で連続的に均一に巻き取る。
【００１７】
以下、上述した本発明の好ましい実施態様について図１を参照して説明する。
【００１８】
まず、クリール１ａ、１ｂからそれぞれ強化繊維束２ａ、２ｂを繰り出して、繊維束拡幅装置３ａ、３ｂを通過させ拡幅処理を行う。
【００１９】
強化繊維束の拡幅処理を行うことにより強化繊維束とマトリックス樹脂との接触面積が大きくなるためマトリックス樹脂が強化繊維ストランドに含浸し易くなる。均一で高品位のストランドプリプレグを得るために強化繊維束は一定の幅に拡幅することが望ましい。
【００２０】
次いで、拡幅処理を行った強化繊維束２ａ、２ｂに樹脂吐出口５から加熱溶融したマトリックス樹脂を供給する。樹脂吐出口５は、加熱管６を介してマトリックス樹脂を貯蔵した樹脂調整タンク７と接続している。樹脂調整タンク７に貯蔵されたマトリックス樹脂は、樹脂調整タンク７が内蔵するポンプ（不図示）により圧送され、加熱管６を経由して樹脂吐出口５から押し出される。
【００２１】
樹脂吐出口５から強化繊維束２ａ、２ｂの間にマトリックス樹脂を供給するとほぼ同時にマトリックス樹脂を介装した強化繊維束２ａ及び２ｂに積層ローラー４ａ、４ｂ間を通過させることにより強化繊維束２ａ、２ｂを互いに積層方向に押圧し強化繊維束２ａ、２ｂを一体化させると共に、マトリックス樹脂を強化繊維束２ａ、２ｂ内に浸透させる。
【００２２】
積層ローラー４ａ、４ｂ間のピッチは、樹脂の供給量、粘度および強化繊維束の厚さ等により適宜決定されるが、次の含浸工程でローラーへの樹脂の転写を防止するため、積層した強化繊維束の表面までマトリックス樹脂が浸透しない範囲に設定することが好ましい。
【００２３】
積層ローラー４ａ、４ｂ間を通過した強化繊維束２ａ、２ｂは、引き続き含浸工程にて含浸ローラー８を通過させる。含浸ローラー８は、加熱ローラーを兼ねており、強化繊維束２ａ、２ｂに与える張力の調整が可能である。含浸ローラー８により所定の温度と圧力が付与されるので、強化繊維束２ａ、２ｂ間のマトリックス樹脂は低粘度化し、積層した強化繊維束の積層方向表面へ向かって流動する。含浸工程により、最終的に強化繊維束にマトリックス樹脂が均一に含浸し、強化繊維束同士が貼着し一体化したストランドプリプレグ１３が得られる。
【００２４】
含浸工程を経たストランドプリプレグ１３は、冷却ローラー（凹ローラー）９と凸ローラー１０間を通過させる。
【００２５】
含浸工程でマトリックス樹脂が均一に含浸したストランドプリプレグ１３は、表面に粘度が低下したマトリックス樹脂が存在するため作業性が悪く、巻き取り工程でガイドローラー等への強化繊維の巻き付き等を誘発し、生産性を低下させる可能性がある。そのため、ストランドプリプレグ１３は含浸工程の後冷却して樹脂粘度を高めることが好ましく、またその手段としては、冷却ローラー表面にストランドを接触させる方法が簡便で好ましい。冷却温度は冷却ローラー等の表面にストランドプリプレグの樹脂が付着せずローラーからプリプレグが容易に剥がれる程度であれば良い。その温度はマトリックス樹脂により異なるが、およそ０〜３０℃の範囲内に下げることが好ましい。
【００２６】
また、樹脂を均一に含浸させたストランドプリプレグ１３は、凹ローラー９、凸ローラー１０によってストランド幅と厚みの制御が可能である。ストランド幅と厚みの制御は公知の方法を制限なく用いることができるが、凹ローラーを冷却ローラーとし、その円周上に凸ローラーを配置して行うことが冷却工程と同時に行うことができ好ましい。
【００２７】
その後、巻き取り工程にて一定トルクにてワインダー１２にストランドプリプレグ１３を巻き取る。ワインダーは市販のワインダーを使用することが出来る。
【００２８】
なお、図１においては強化繊維ストランドを拡幅する方法として複数のローラーからなる繊維束拡幅装置３ａ、３ｂを用いたが、他の公知の方法、例えば円筒バーや固定ローラー等で擦過する方法、振動を与える方法、機械的に押しつぶす方法等を用いることもできる。
【００２９】
強化繊維束２ａ、２ｂ間にマトリックス樹脂を供給する方法としては、樹脂吐出口５、加熱管６、樹脂調整タンク７からなる吐出機を使用する方法を用いたが、本発明はこれに限定されることなく強化繊維束の間に樹脂を供給する他の方法を用いることができる。他の方法としては、例えばキスタッチ法を使用することが可能であるが、長期生産性や樹脂供給量の精度等から吐出機を使用する方法が望ましい。
【００３０】
強化繊維束へのマトリックス樹脂の供給は、図１においては１の吐出口から強化繊維束２ａ及び２ｂに同時にマトリックス樹脂を供給する場合を示したが、本発明においては強化繊維束２ａ、２ｂのいずれか一方にのみに供給してもよいし、強化繊維束２ａ、２ｂのそれぞれに供給してもよい。
【００３１】
更に、強化繊維束の本数は２以上であればその数に制限はない。この場合においても強化繊維束の間にマトリックス樹脂の供給を行うが、樹脂の供給方法に制限はない。
【００３２】
強化繊維束２ａ及び２ｂは、マトリックス樹脂が含浸しやすいようにマトリックス樹脂供給の際に樹脂の温度以上に加熱されていることが好ましい。加熱方法としては加熱体と接触させる方法の他、雰囲気加熱や赤外線加熱等の非接触加熱法が使用できる。
【００３３】
また、任意により、積層ローラー４ａ、４ｂと含浸ローラー８との間には乾燥機等の加熱装置を設けてもよい。
【００３４】
本発明の製造方法においては、複数本の強化繊維束層間にマトリックス樹脂を供給し、その後マトリックス樹脂を挟んだ強化繊維束を重ね合わせて１本に積層し、更に積層した強化繊維束の間から表面方向へ樹脂を移動させて強化繊維束全体に樹脂を含浸させることが重要である。すなわち、強化繊維束の層間に樹脂を供給することにより積層直後はストランドの表面には樹脂が存在しておらず、その後の含浸工程にて使用する各ローラー等への樹脂の転写が発生し難い。このため、ストランドプリプレグの樹脂含有率のバラツキを小さくすることができるとともに、ローラーへ転写した樹脂の増粘によるローラーの汚染や強化繊維のローラーへの巻き付き等のトラブルが発生せず、長期間連続して生産することが可能となる。また、積層した強化繊維束の内側から表面方向へ樹脂が移動が生するため、プリプレグ内部に存在する空気が完全に除去され、複合材料を製造した場合に内部にボイドの少ない良好な成形物を得ることができる。
【００３５】
本発明で用いる強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、窒化ケイ素繊維、アルミナ繊維、チラノ繊維等の無機系繊維；芳香族ポリアミド繊維、ポリベンツビスオキサゾール繊維、芳香族ポリエステル繊維等の有機系繊維を単独でまたは２種以上を組み合わせて用いることができる。
【００３６】
また、マトリックス樹脂としては、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂；ＰＥＥＫ、ＰＥＩ、ポリアリレート、ポリスルフォン等の超エンジニアリングプラスチック；ナイロン、ポリエステル、ＡＢＳ等のエンジニアリングプラスチック；さらにアクリル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂等の汎用プラスチックを単独でまたは２種以上の混合して用いることができる。
【００３７】
本発明においては、マトリックス樹脂として熱硬化性樹脂を用いることが好ましく、中でもエポキシ樹脂を５０質量％以上含むものが好ましい。
マトリックス樹脂は、硬化剤等を含んでいてもよい。
【００３８】
強化繊維束に含浸する樹脂量としては、プリプレグ１００質量％中２０〜５０質量％とすることが好ましい。
【００３９】
【実施例】
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明する。
【００４０】
実施例１
図１に示す製造工程において、ストランドプリプレグを製造した。
強化繊維束には、東邦テナックス社製炭素繊維ＩＭ６００−６Ｋ（フィラメント数：６０００本、繊度：２０５ｔｅｘ、引張強度：５７９０ＭＰａ）を２本使用した。繊維束拡幅装置３にて前記炭素繊維束を３．５ｍｍに拡幅するとともに１２０℃に加熱処理し、積層ローラー４へ供給した。マトリックス樹脂は、グリシジルエーテル型エポキシ樹脂、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂を主成分とし、ジシアンジアミドを硬化剤とする熱硬化性樹脂を用いた。樹脂は樹脂調整タンク７で７０℃に保持され、ギヤポンプにより加熱管７を通して樹脂吐出口５から１２０℃で強化繊維束間に供給した。樹脂吐出口５から供給した樹脂は、繊維束幅方向への漏れ出しや積層ローラー入り口での停滞もなく、積層後のストランド表面にも過度の樹脂の漏れ出しは認められなかった。
【００４１】
その後、含浸工程にて加熱ローラーに接触させることによりストランドの温度を１２０℃まで加熱し、ストランド表面にまで樹脂を含浸させた。次いで冷却ローラーにて２５℃まで冷却し、ワインダーで巻き取った。生産速度は５０ｍ／ｍｉｎで、樹脂の含浸状態も良好であり、樹脂含有率は３５±１質量％とバラツキ範囲も非常に小さなものであった。また、各工程にて樹脂によるローラーの汚染や樹脂の転写は発生せず、安定した生産が可能であった。
【００４２】
実施例２
樹脂の供給を片方の炭素繊維束のみに行った以外は、実施例１と同様にしてストランドプリプレグを製造した。ストランドプリプレグは樹脂の含浸状態も良好であり、実施例１と同様に樹脂含有率のバラツキ範囲も小さく、安定した生産が可能であった。
【００４３】
実施例３
樹脂の供給を両方の炭素繊維束にそれぞれ実施例１の供給量の１／２づつ供給した以外は、実施例１と同様にしてストランドプリプレグを製造した。ストランドプリプレグは樹脂の含浸状態も良好であり、実施例１と同様に樹脂含有率のバラツキ範囲も小さく、安定した生産が可能であった。
【００４４】
実施例４
炭素繊維束の本数を３本とし、樹脂の供給を隣り合う炭素繊維束の間それぞれに行った以外は実施例１と同様にしてストランドプリプレグを製造した。ストランドプリプレグは樹脂の含浸状態も良好であり、実施例１と同様に安定した生産が可能であった。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、マトリックス樹脂のローラーへの転写や強化繊維のローラーへの巻き付き等を生じることなく、樹脂含有率のばらつきやボイドが少ないストランドプリプレグを連続的に長期生産性良く製造することができる。
また、本発明によれば、長尺のストランドプリプレグを連続製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のストランドプリプレグの製造方法の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ    クリール
２ａ、２ｂ    強化繊維束
３ａ、３ｂ    繊維束拡幅装置
４ａ、４ｂ    積層ローラー
５    樹脂吐出口
６    加熱管
７    樹脂調整タンク
８    含浸ローラー
９    冷却ローラー（凹ローラー）
１０    凸ローラー
１１    ガイドローラー
１２    ワインダー
１３    ストランドプリプレグ
【図１】
2004292604.tif 000003