(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯状に配列された連続繊維とＢ−ステージの樹脂シートとを厚さ方向に重合わせて前記連続繊維の長さ方向に走行させながら含浸ローラ間に供給し、該含浸ローラによる加圧および／または加熱によって前記樹脂シートの樹脂を連続繊維中に含浸させ、上面にスクリムクロスを貼付けるようにしたプリプレグの製造装置において、
前記連続繊維と前記樹脂シートとの間に介在する空気を前記連続繊維および前記樹脂シートの幅方向側端側に排出するように押圧する押圧手段を前記含浸ローラの上流側に設けるようにし、しかも前記押圧手段が幅方向の中央部が両側の部分よりも直径が大きな太鼓型またはビヤ樽型に構成された中高のローラであってしかもその外周面の縦方向の断面形状の曲率が異なる複数のフリーローラから成る押圧ローラから構成され、前記連続繊維または前記樹脂シートと接触する前記中高の押圧ローラの前記樹脂シートの進行方向上流側の押圧ローラの曲率半径が最も小さく、前記樹脂シートの進行方向下流側の押圧ローラの曲率半径が最も大きくなっており、これによって前記樹脂シートの進行方向下流側にゆくに従って曲率が順次小さくなるように配置したことを特徴とするプリプレグの製造装置。
【請求項２】
帯状に配列された連続繊維とＢ−ステージの樹脂シートとを厚さ方向に重合わせて前記連続繊維の長さ方向に走行させながら含浸ローラ間に供給し、該含浸ローラによる加圧および／または加熱によって前記樹脂シートの樹脂を連続繊維中に含浸させ、上面にスクリムクロスを貼付けるようにしたプリプレグの製造装置において、
前記連続繊維と前記樹脂シートとの間に介在する空気を前記連続繊維および前記樹脂シートの幅方向側端側に排出するように押圧する押圧手段を前記含浸ローラの上流側に設けるようにし、しかも前記押圧手段がその幅が漸次変化する押圧板から成り、前記連続繊維または前記樹脂シートとほぼ同一の速度で走行するベルトを介して前記連続繊維または前記樹脂シートと接触する幅が次第に増加するように前記押圧板が配置されていることを特徴とするプリプレグの製造装置。
【請求項３】
前記押圧手段と対向するように加熱手段が配されていることを特徴とする請求項1または請求項２に記載のプリプレグの製造装置。
【請求項４】
前記連続繊維と前記樹脂シートとの走行方向に沿って複数の含浸ローラが多段に配され、しかも複数の含浸ローラ間に前記押圧手段が配されていることを特徴とする請求項２に記載のプリプレグの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はプリプレグの製造装置に係り、とくに連続繊維とＢ−ステージの樹脂シートとを重合わせて含浸ローラ間に供給し、該含浸ローラによる加圧および／または加熱によって樹脂シートの樹脂を連続繊維中に含浸させるようにしたプリプレグの製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
繊維強化プラスチックを製造するための中間材料として、プリプレグが広く用いられている。プリプレグは炭素繊維やガラス繊維等の強化繊維をマトリックス樹脂に含浸し、加熱して半硬化状態でシート状にし、離型紙に貼付けた状態で巻取ったものであって、成形時には離型紙を取除き、プレス法、オートクレーブ法、フィラメントワインド法等によって加熱賦型して硬化することによって、繊維強化樹脂成形品が製造される。
【０００３】
このようなプリプレグの製造法は湿式法と乾式法とに分けられる。湿式法は粘稠な樹脂混合物を補強材に含浸する工程で、溶剤で希釈した溶液に浸漬するようにしたものである。これに対して乾式法は、マトリックス樹脂混合物を直接補強繊維に含浸するようにしたものであって、溶剤処理の工程を必要としていない。強化繊維を多数本平行に引き揃えてマトリックス樹脂を含浸させた一方向プリプレグはとくに乾式法によって製造されている。
【０００４】
乾式法による一方向プリプレグの製造方法は、例えば特公平２−２６８４５号公報に開示されている。平行にシート状に繰出された強化繊維の上下面にそれぞれ樹脂シートを重合わせるとともに、その積層物を加熱ロール間に供給して加圧および加熱することにより、樹脂を強化繊維側に含浸させてプリプレグを製造するようにしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
強化繊維を一方向に配列したシート状の連続繊維列にＢ−ステージのフィルム状の熱硬化性樹脂を含浸させるために押圧ローラによって積層物を圧着させると、連続繊維列と樹脂フィルムとの間に介在した空気溜りが抜けないでそのまま残存し、成形物のボイドの原因となる。また、このような空気溜りによってプリプレグの表面の剥離紙にしわを発生する原因になり、このようなしわが一方向プリプレグの欠陥として残るという問題がある。
【０００６】
このような問題を解消するために、特公平４−６０００９号公報には、マトリックス樹脂を連続繊維中に含浸させるための含浸ロールの直前に空気溜り防止ロールと空気溜り防止板とを上下に配置し、これらによって連続繊維と樹脂シートとの間に介在する空気溜りを押出すようにしていた。
【０００７】
ところが上記のような構成によれば、抱きこまれた空気溜りを上流側に押しやるだけであって、両者の間から空気溜りを効果的に排出することができず、単に空気溜りが押し潰されるだけであった。また空気溜り防止ロールの代りに空気溜り防止板を上側に設けると、このような防止板が強化繊維と擦れて傷をつけたり毛羽立ちを生じたりする問題があった。
【０００８】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであって、連続繊維にマトリックス樹脂を含浸させて一方向プリプレグを製造する際に、連続繊維と樹脂シートとの間に介在する空気を側方に排出するようにし、ボイドを含まない成形物に仕上げ、さらには工程安定性に優れるとともに、しわや欠陥がなくなるようにしたプリプレグの製造装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本願の製造装置に関する発明は、帯状に配列された連続繊維とＢ−ステージの樹脂シートとを厚さ方向に重合わせて前記連続繊維の長さ方向に走行させながら含浸ローラ間に供給し、該含浸ローラによる加圧および／または加熱によって前記樹脂シートの樹脂を連続繊維中に含浸させ、上面にスクリムクロスを貼付けるようにしたプリプレグの製造装置において、
前記連続繊維と前記樹脂シートとの間に介在する空気を前記連続繊維および前記樹脂シートの幅方向側端側に排出するように押圧する押圧手段を前記含浸ローラの上流側に設けるようにし、しかも前記押圧手段が幅方向の中央部が両側の部分よりも直径が大きな太鼓型またはビヤ樽型に構成された中高のローラであってしかもその外周面の縦方向の断面形状の曲率が異なる複数のフリーローラから成る押圧ローラから構成され、前記連続繊維または前記樹脂シートと接触する前記中高の押圧ローラの前記樹脂シートの進行方向上流側の押圧ローラの曲率半径が最も小さく、前記樹脂シートの進行方向下流側の押圧ローラの曲率半径が最も大きくなっており、これによって前記樹脂シートの進行方向下流側にゆくに従って曲率が順次小さくなるように配置したことを特徴とするプリプレグの製造装置に関するものである。
【００１１】
製造装置に関する別の発明は、帯状に配列された連続繊維とＢ−ステージの樹脂シートとを厚さ方向に重合わせて前記連続繊維の長さ方向に走行させながら含浸ローラ間に供給し、該含浸ローラによる加圧および／または加熱によって前記樹脂シートの樹脂を連続繊維中に含浸させ、上面にスクリムクロスを貼付けるようにしたプリプレグの製造装置において、
前記連続繊維と前記樹脂シートとの間に介在する空気を前記連続繊維および前記樹脂シートの幅方向側端側に排出するように押圧する押圧手段を前記含浸ローラの上流側に設けるようにし、しかも前記押圧手段がその幅が漸次変化する押圧板から成り、前記連続繊維または前記樹脂シートとほぼ同一の速度で走行するベルトを介して前記連続繊維または前記樹脂シートと接触する幅が次第に増加するように前記押圧板が配置されていることを特徴とするプリプレグの製造装置に関するものである。
【００１２】
このようなプリプレグの製造装置において、前記押圧手段と対向するように加熱手段が配されていてよい。また前記連続繊維と前記樹脂シートとの走行方向に沿って複数の含浸ローラが多段に配され、しかも複数の含浸ローラ間に前記押圧手段が配されていてよい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施の形態に係るプリプレグの製造方法およびその装置の全体の概略を示すものであって、強化繊維を構成する連続する炭素繊維１０を帯状にして配列するとともに、その上側に上側樹脂シート１１を重合わせ、下側に下側樹脂シート１２を重合わせ、これらの積層物を含浸ローラ１３、１４間および含浸ローラ１５、１６間を通過させるようにしている。このような含浸ローラ１３、１４および１５、１６間を通過する際に、これらの含浸ローラ１３〜１６によって与えられる圧力と熱とによって、上下の樹脂シート１１、１２上に担持されているマトリックス樹脂が炭素繊維１０に含浸し、これによってプリプレグが製造されるようになっている。
【００１４】
補強繊維を構成する炭素繊維１０はパッケージ２０から供給され、上下の樹脂シート１１、１２はそれぞれローラ２１、２２から供給される。そして炭素繊維１０はパッケージ２０から繰出されてローラガイド２３によって案内され、上側樹脂シート１１はローラ２１から繰出されてローラガイド２５によって案内され、下側樹脂シート１２はローラ２２から繰出され、ローラガイド２５によって案内され、ニップローラ２４によって３者が重合わされて所定の幅をもった積層物を構成するようになっている。
【００１５】
第２段目の含浸ローラ１５、１６を経た後に、上側の樹脂シート１１を担持するベースシート２８がニップローラ２９によって積層物から分離され、ローラ３０に巻取られるようになっている。
【００１６】
このようにベースシート２８が剥離された積層物の上面にはスクリムクロス３４が貼付けられるようになっている。スクリムクロス３４はスクリムクロス供給ローラ３５から繰出されるとともに、ローラガイド３６によって積層物の上面に接合され、貼合わせローラ３７、３８によって圧力と熱とが加えられてスクリムクロス３４が積層物の上面に貼合わされる。そしてこの後にプリプレグ巻取りローラ４０によって完成した一方向プリプレグが巻取られるようになる。
【００１７】
ここで使用される強化繊維としては、一般に繊維強化樹脂複合材料における強化繊維として使用される強化用繊維群であってよい。具体的には、無機繊維、有機繊維、金属繊維、金属被覆繊維またはそれらの混合から成り、無機繊維としては炭素繊維、黒鉛繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、タングステンカーバイト繊維、ボロン繊維、ガラス繊維等が用いられてよい。有機繊維の場合にはアラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維等の有機繊維が挙げられる。また金属繊維としては、ステンレス繊維が挙げられる。金属被覆繊維としては、上記の無機繊維および有機繊維の表面にニッケル、銅等の金属層を電解メッキまたは無電解メッキによって形成した繊維であってよい。とくに炭素繊維あるいは黒鉛繊維が好ましく、この場合に通常その目付は５０〜３００ｇ／ｍ２であってよい。
【００１８】
これに対して上側樹脂シート１１あるいは下側樹脂シート１２によって含浸されるマトリックス樹脂としては、通常強化繊維複合材料のマトリックス樹脂として用いられている熱硬化性樹脂であってよく、とくにエポキシ樹脂が好適に使用される。エポキシ樹脂硬化剤は、エポキシ基と反応し得る活性基を有する化合物であれば用いることができる。好ましくは、アミノ基、酸無水物基、アジド基を有する化合物が適している。具体的にはジシアンジアミド、ジアミノジフェニルスルホンの各種異性体やアミノ安息香酸エステル類が適している。エポキシ樹脂以外の熱硬化性樹脂としては、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂等が使用される。
【００１９】
なお上記の方法で製造される一方向プリプレグにおいては、上記の熱硬化性樹脂に熱可塑性樹脂を混合して用いることも好適である。好適な熱可塑性樹脂としては、ポリアクリレート、ポリアミド、アラミド、ポリエステル、ポリフェニレンスルフィド、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン等である。これらの熱可塑性樹脂を併用することによって、靭性の高い硬化性成形物を供給することが可能になる。
【００２０】
このようなマトリックス樹脂は、硬化剤および硬化促進剤その他の添加物を混合し、フィルム状の樹脂、すなわちＢ−ステージ状態の樹脂フィルムとして、離型紙に担持する。
【００２１】
なおここでは上記上側樹脂シート１１と下側樹脂シート１２とにそれぞれマトリックス樹脂を担持させているが、何れか一方を樹脂を担持していないベースシートのみから構成することも可能である。またマトリックス樹脂を担持させているベースシートは、予めスクリムクロスが貼合されたベースシートであってもよい。
【００２２】
マトリックス樹脂の含浸および一方のベースフィルム２８の剥離後において貼付けられるスクリムクロス３４は、上記の各種の強化繊維を平織または朱子織したものであってよく、炭素繊維や有機高弾性繊維から成るものである場合には、厚さが０．０１〜０．２０ｍｍであって、目付が５〜１００ｇ／ｍ２程度であってよい。ガラス繊維から成るスクリムクロスの場合には、目付が１０〜１００ｇ／ｍ２、より好ましくは２０〜３０ｇ／ｍ２から成る極めて薄いガラス繊維織物が用いられる。このようなガラス繊維織物は、一方向プリプレグの幅方向に強度を与え、強化繊維材の配列の乱れを防止することになる。
【００２３】
本実施の形態のプリプレグの製造方法および装置の特徴は、とくに第１段の含浸ローラ１３、１４と第２段の含浸ローラ１５、１６との間に樹脂シート１１、１２と炭素繊維１０との間に介在される空気を排出するための押圧手段を設けたものである。ここで押圧手段は図２〜図４に示すように、複数本の、例えば８本の押圧ローラ５１〜５８によって構成されている。これらの押圧ローラ５１〜５８はホットプレート５０上にフリーローラとして配列されている。
【００２４】
押圧ローラ５１〜５８はその直径が互いに等しく構成されているのに対し、その有効幅がプリプレグの走行方向に沿って次第に増加するように配列されていることである。すなわち有効接触長さがプリプレグシートの中心から幅方向両側に順次増加するように８本の押圧ローラ５１〜５８が配列されており、これによって強化繊維を傷つけることなくしかも積層物の中に抱きこんだ空気をシートの幅方向両側に追いやるようにし、これによって工程の安定化を図るようにしている。
【００２５】
このように押圧幅の異なる押圧ローラ５１〜５８の本数および間隔は任意であるが、とくに４本〜１５本が好ましく、７〜１０本がより好ましい。またその間隔は５〜１０ｃｍの値が熱効率およびローラのメインテナンスの点から好ましい。
【００２６】
このような押圧ローラ５１〜５８の設置場所はとくに限定されないが、強化繊維１０にフィルム状熱可塑性繊維樹脂１１、１２を含浸させる第１段の含浸ローラ１３、１４と第２段の含浸ローラ１５、１６との間がより好ましい。またこのような押圧ローラ５１〜５８はシリンダにより加圧されたローラでも、自重により押圧するフリーローラであってもよい。
【００２７】
これらの押圧ローラ５１〜５８は何れもがシートとの接触によって消極的に回転するフリーローラであることが、構造上および設備上の理由から好ましい。またこれらのローラ５１〜５８は内部に加熱手段を備え、含浸ローラ１３〜１６とほぼ同温に加熱するようにすることが好ましい。これらの押圧ローラ５１〜５８の下側には加熱板から成るホットプレート５０が配される。なおホットプレート５０はその表面が平滑であることが望ましい。ホットプレート５０の表面に溝があると、溝によって離型紙が剥離する可能性があるからである。
【００２８】
各押圧ローラ５１〜５８の線圧は０．０５〜１．０ｋｇ／ｃｍの範囲内であることが好ましく、０．１〜０．５ｋｇ／ｃｍの範囲内であることがより好ましい。またこの線圧はシートの進行方向に沿って同等か、あるいはまた進行方向下流側に行くに従って次第に大きくなるようにするのが、空気溜りを幅方向両側へ追いやる点から好ましい。またこれらの押圧ローラ５１〜５８の表面は鉄にハードクロムメッキを施して耐久性を高めたローラを用いることがより好ましい。
【００２９】
次に別の実施の形態を図５および図６によって説明する。この実施の形態においては、押圧手段として８本の押圧ローラ６１〜６８を用いるようにし、これらの押圧ローラ６１〜６８をホットプレート５０上に順次配列したものである。
【００３０】
ここで押圧ローラ６１〜６８は総て中高のローラから構成されており、その幅方向の中央部が両側の部分よりも直径が大きな太鼓型またはビヤ樽型に構成されている。そして太鼓またはビヤ樽の曲率半径が８本の押圧ローラ６１〜６８で互いに異なっており、シートの進行方向上流側の押圧ローラ６１の曲率半径が最も小さく、シートの進行方向下流側の押圧ローラ６８の曲率半径が最も大きくなっている。そして押圧ローラ６１〜６８はその順に曲率半径が次第に大きくなるように配列されている。
【００３１】
従ってこのような押圧ローラ６１〜６８の下側を炭素繊維１０と上下の樹脂シート１１、１２との積層物が通過する際に、これらの間に介在されている空気はシートの幅方向両側へ押圧ローラ６１〜６８によって順次押されるようにして排出されることになる。
【００３２】
なお押圧ローラ６１〜６８の本数および配列については、各種の組合わせが採用可能であって、製造されるプリプレグの種類に応じて任意に設計変更が可能である。一般にこれらの押圧ローラ６１〜６８は何れも加熱ローラであってよく、しかも表面にハードクロムメッキが施された平ローラから構成されてよい。またこれらの押圧ローラ６１〜６８は何れもシートと接触することによって消極的に回転するフリーローラから構成されてよい。
【００３３】
次に別の実施の形態を図７〜図９によって説明する。この実施の形態は、押圧手段を押圧板７０によって構成したものである。押圧板７０はガイドローラ７１、７２によって案内されるベルト７３と組合わせて用いられるようになっている。ここで押圧板７０はとくに図９に示すように、その幅がシートの進行方向に沿って次第に増大するほぼ２等辺３角形状の形状をなしている。
【００３４】
炭素繊維１０と上下の樹脂シート１１、１２との積層物は図８に示すように、ホットプレート５０とベルト７３との間を通過することになり、このときにホットプレート５０上の押圧板７０によってベルト７３を介して積層物が押圧されることになる。ここでベルト７３はシートと同一の速度で走行駆動されるようになっており、押圧板７０の押圧力を積層物に対して与えながらしかも押圧板７０と摺接して走行するようになっている。
【００３５】
従ってこのような構成によれば、押圧板７０の押圧力によって積層物中の炭素繊維１０と上下の樹脂シート１１、１２との間に介在する空気をシートの幅方向両側へ追いやるようにして排出することが可能になる。しかも固定配置された押圧板７０と積層物との間にベルト７３が配され、このベルト７３が積層シートと同一の速度で移動するために、たとえ押圧板７０で押圧しても積層シートの表面が乱れることがなく、このために炭素繊維１０等の強化繊維が乱れて毛羽立ったり損傷したりすることがなくなる。
【００３６】
【発明の効果】
【００３７】
【００３８】
【００３９】
本願の第１の発明であって、連続繊維と樹脂シートとの間に介在する空気を連続繊維および樹脂シートの幅方向側端側に排出するように押圧する押圧手段を含浸ローラの上流側に設けるようにし、しかも押圧手段が幅方向の中央部が両側の部分よりも直径が大きな太鼓型またはビヤ樽型に構成された中高のローラであってしかもその外周面の縦方向の断面形状の曲率が異なる複数のフリーローラから成る押圧ローラから構成され、連続繊維または樹脂シートと接触する中高の押圧ローラの樹脂シートの進行方向上流側の押圧ローラの曲率半径が最も小さく、樹脂シートの進行方向下流側の押圧ローラの曲率半径が最も大きくなっており、これによって樹脂シートの進行方向下流側にゆくに従って曲率が順次小さくなるように配置した構成によれば、曲率が順次小さくなるように配置されている中高のローラによって連続繊維と樹脂シートとの間に介在する空気が幅方向の側端側に効果的に排出されることになる。
【００４０】
本願の別の発明であって、連続繊維と樹脂シートとの間に介在する空気を連続繊維および樹脂シートの幅方向側端側に排出するように押圧する押圧手段を含浸ローラの上流側に設けるようにし、しかも押圧手段がその幅が漸次変化する押圧板から成り、連続繊維または樹脂シートとほぼ同一の速度で走行するベルトを介して連続繊維または樹脂シートと接触する幅が次第に増加するように押圧板が配置されている構成によれば、その幅が漸次変化する押圧板によって連続繊維と樹脂シートとの間に介在する空気を幅方向側端側に排出することが可能になる。また押圧板が直接連続繊維あるいは樹脂シートに直接接触するのがベルトによって回避されるために、連続繊維が乱れたり損傷したりすることが防止される。
【００４１】
押圧手段と対向するように加熱手段が配されている構成によれば、押圧手段による空気の排出の際に、加熱手段によって連続繊維と樹脂シートとが加熱されるようになる。
【００４２】
連続繊維と樹脂シートとの走行方向に沿って複数の含浸ローラが多段に配され、しかも複数の含浸ローラ間に押圧手段が配されている構成によれば、より効果的に空気の排出を行なうことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  プリプレグの製造工程の全体の概略を示す側面図である。
【図２】  押圧ローラの配置を示す側面図である。
【図３】  押圧ローラの配置を示す平面図である。
【図４】  押圧ローラの配置を示す縦断面図である。
【図５】  別の実施の形態の押圧ローラの配置を示す平面図である。
【図６】  押圧ローラの配置を示す縦断面図である。
【図７】  さらに別の実施の形態の押圧機構の外観斜視図である。
【図８】  同側面図である。
【図９】  押圧板の平面図である。
【符号の説明】
１０  炭素繊維
１１  上側樹脂シート
１２  下側樹脂シート
１３  含浸ローラ（上）
１４  含浸ローラ（下）
１５  含浸ローラ（上）
１６  含浸ローラ（下）
２０  パッケージ
２１、２２  ローラ
２３、２５  ローラガイド
２４  ニップローラ
２８  ベースシート
２９  ニップローラ
３０  ローラ
３４  スクリムクロス
３５  スクリムクロス供給ローラ
３６  ローラガイド
３７  貼合わせローラ（上）
３８  貼合わせローラ（下）
４０  プリプレグ巻取りローラ
５０  ホットプレート
５１〜５８  押圧ローラ
６１〜６８  押圧ローラ
７０  押圧板
７１、７２  ガイドローラ
７３  ベルト
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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