(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数本の炭素繊維糸を案内するガイド部と、該ガイド部を介して搬送されてくる炭素繊維糸を所定間隔に整列させる整列部と、該整列部により整列させた炭素繊維束に樹脂を含浸させる含浸部とを備える炭素繊維プリプレグの製造装置において、前記整列部と含浸部との間に、少なくとも一対のローラーまたはガイドからなり、それらが間隔を置いて配置されており、整経された炭素繊維束が、上下からローラーまたはガイドによってその接触角が合計して２０〜１８０°で把持される構造からなるとともに、表面に突起を有するローラーからなり、該ローラーが炭素繊維束の走行速度に比べて低速でかつ炭素繊維束と同一方向または逆方向に回転する、炭素繊維束の反転防止装置を設けたことを特徴とする炭素繊維プリプレグの製造装置。
【請求項２】
反転防止装置が、表面に突起を有するローラーとフリー回転ローラーからなり、これらのローラーの表面粗さが３Ｓ〜２０Ｓの梨地表面であることを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維プリプレグの製造装置。
【請求項３】
反転防止装置と含浸装置との間に炭素繊維束の開繊装置を有することを特徴とする請求項１または２に記載の炭素繊維プリプレグの製造装置。
【請求項４】
反転防止装置の上流側に加熱手段を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の炭素繊維プリプレグの製造装置。
【請求項５】
複数本の炭素繊維糸を解舒し、ガイド部を介して糸条を搬送し、整列部によって所定間隔に整列させ、および整列させた炭素繊維束に樹脂を含浸させる炭素繊維プリプレグの製造方法において、前記整列部から含浸部との間に設けられた、少なくとも一対のローラーまたはガイドからなり、それらが間隔を置いて配置されており、整経された炭素繊維束が、上下からローラーまたはガイドによってその接触角が合計して２０〜１８０°で把持される構造からなるとともに、表面に突起を有するローラーからなり、該ローラーが炭素繊維束の走行速度に比べて低速でかつ炭素繊維束と同一方向または逆方向に回転する反転防止装置に炭素繊維束を通し、該炭素繊維束の反転を防止することを特徴とする炭素繊維プリプレグの製造方法。
【請求項６】
炭素繊維束を予め５０〜１８０℃に加温させたのち反転防止させることを特徴とする請求項５に記載の炭素繊維プリプレグの製造方法。
【請求項７】
前記整列部と反転防止装置との間隔を０．３〜１．５ｍとし、反転防止装置に導入する炭素繊維束張力を５〜８０ｇ／Ｋ（１０００フィラメント）・本とすることを特徴とする請求項５または６に記載の炭素繊維プリプレグの製造方法。
【請求項８】
前記整列部が各糸条毎に１対のコーム状のガイドからなり、該ガイドの間隔が糸条の幅の１／２以下であり、炭素繊維のフィラメント数が１０，０００〜１００，０００フィラメントであることを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の炭素繊維プリプレグの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繊維強化樹脂複合材料用の素材として好適なプリプレグを製造する装置並びに製造方法に関する。特に、本発明は複数本の太糸条の炭素繊維を中厚ものプリプレグに加工する場合や、比較的細糸条の炭素繊維を薄ものプリプレグに加工する場合に適当な炭素繊維プリプレグの製造装置および製造方法に関する。
【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、特に炭素繊維と種々な樹脂との組み合わせによるプリプレグ、中間素材、複合材料が提案されている。
【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。炭素繊維プリプレグを製造するには、一般にチーズ状に巻かれた炭素繊維や、キャンなどに整列して収納された炭素繊維を撚りの入らないように解舒し、ガイドを通じて整経して、一定幅、ピッチでシート状に形成し、樹脂と含浸させてプリプレグを製造する。
【０００４】
この様にして得られる一方向プリプレグは、繊維の強度利用率が良好で、取り扱い性も良いため、プリプレグの主要な用途に幅広く使われており、また要求される品質も多様に亘っている。
【０００５】
近年、プリプレグ品種の多様化が進み、目付が５００ｇ／ｍ2 に至るものから、１０ｇ／ｍ2 を切るもの、樹脂含有率も２５％以下から２．５％程度のものが開発され、高度な表面均一性が要求されるようになってきた。また、使用する炭素繊維束のフィラメント数についても１０００から１００，０００と幅が広くなっている。この様な新規な性能を要求するプリプレグに関して、特にフィラメント数が大きい炭素繊維を使用するプリプレグや、低目付、低樹脂含有率プリプレグについて、表面のワレや平滑性などの品位が従来のプリプレグに対して劣る問題があった。
【０００６】
炭素繊維プリプレグを作製する際には、複数本の繊維をシート状に成形する必要があり、通常一定ピッチの溝を切ったローラーや櫛形の針を所定のピッチに並べたコーム型ガイドを用いて整経される。このようなガイドには炭素繊維を傷つける問題があり、特開平７−２２７８４０号公報のようにそれらを防ぐため繊維と直角方向にガイドを揺動させる工夫なども見られる。また、平滑性などの品位が良好なプリプレグを得るために例えば特開平３−１４６７３５号公報などのように５０〜２００℃に加熱した丸棒を接触させ、繊維束を開繊させる工夫が提出されている。しかしながら、これらの方法でも、特に本発明が対象とするようなプリプレグに関して表面の品位を解決する工夫については未だ十分ではなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、特に樹脂含有率が低いか、プリプレグ目付が低いプリプレグについて、そのワレ、平滑性などの表面品位を改善することができる炭素繊維プリプレグの装置と製造方法を提供することにある。また本発明は、特に太もののプリプレグ、あるいは樹脂含有率が低い太ものプリプレグのワレ、平滑性などの表面品位を改善することができる炭素繊維プリプレグの製造装置と製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような本発明の課題は、複数本の炭素繊維糸を案内するガイド部と、該ガイド部を介して搬送されてくる炭素繊維糸を所定間隔に整列させる整列部と、該整列部により整列させた炭素繊維束に樹脂を含浸させる含浸部とを備える炭素繊維プリプレグの製造装置において、前記整列部と含浸部との間に、少なくとも一対のローラーまたはガイドからなり、それらが間隔を置いて配置されており、整経された炭素繊維束が、上下からローラーまたはガイドによってその接触角が合計して２０〜１８０°で把持される構造からなるとともに、表面に突起を有するローラーからなり、該ローラーが炭素繊維束の走行速度に比べて低速でかつ炭素繊維束と同一方向または逆方向に回転する、炭素繊維束の反転防止装置を設けたことを特徴とする炭素繊維プリプレグの製造装置、または、
複数本の炭素繊維糸を解舒し、ガイド部を介して糸条を搬送し、整列部によって所定間隔に整列させ、および整列させた炭素繊維束に樹脂を含浸させる炭素繊維プリプレグの製造方法において、前記整列部から含浸部との間に設けられた、少なくとも一対のローラーまたはガイドからなり、それらが間隔を置いて配置されており、整経された炭素繊維束が、上下からローラーまたはガイドによってその接触角が合計して２０〜１８０°で把持される構造からなるとともに、表面に突起を有するローラーからなり、該ローラーが炭素繊維束の走行速度に比べて低速でかつ炭素繊維束と同一方向または逆方向に回転する反転防止装置に炭素繊維束を通し、該炭素繊維束の反転を防止することを特徴とする炭素繊維プリプレグの製造方法によって達成できる。
【０００９】
【発明の実施形態】
本発明の炭素繊維プリプレグ製造装置は、複数本の炭素繊維糸を案内するガイド部、該ガイド部を介して搬送されてくる複数本の炭素繊維糸を所定間隔に整列させる整列部、該整列部から導出された糸条の反転を防止し、糸条を平面上に整列させる反転防止装置、該反転防止装置から導出され、整列した糸条に樹脂を含浸させる含浸部を備えることを特徴とする。
【００１０】
ここに、ガイド部は必要本数の糸条を撚りが入ることなく、一定の低張力で糸条が解舒できるガイド群からなり、特にその仕様が限定されるものではない。
【００１１】
また整列部は、通常一定ピッチの溝を切ったローラーや櫛形の針を所定のピッチに並べたコーム型ガイドを用いて整経される。このガイドは、梨地メッキやセラミックス製であることが好ましい。特に整列部が各糸条毎に１対のガイドをなすコーム状のガイドであり、炭素繊維のフィラメント数が１０，０００以上の時には、ガイドの間隔が糸条の幅の１／２以下、更に好ましくは１／３以下であることが好ましい。
【００１２】
整列部の後方に設けられる反転防止装置は、少なくとも一対のローラーまたはガイドからなり、それらが間隔を置いて配置されており、整経された補強用繊維束が、上下からローラーまたはガイドによってその接触角が合計して２０°以上、好ましくは３０°以上、１８０°以下、好ましくは１００°以下で把持される構造である。ローラーまたはガイドの形態は、円筒形、または他の形であるものを用いることができる。反転防止装置のうち、糸条の入り口側は、より好ましくは表面に突起を有するローラーまたはガイドからなる。表面に突起を有するローラーまたはガイドは、糸条との接触長が短く、糸条張力によって変形することも少ないので、撚り止め、把持効果に優れる利点がある。またローラーの場合、糸速に比べて低速で糸条と同方向又は逆方向に回転することが、サイジング剤や毛羽などの脱落物の蓄積防止や耐久性の面で好適である。整列部に導入する糸張力は５〜８０ｇ／１０００フィラメント・炭素繊維本（以下Ｋと略する）の範囲が好ましく、５ｇより低い場合は糸条の糸道が安定せず、反転防止の効果が低下し、８０ｇより高い場合は、単繊維糸条の切断による製品品位の低下をもたらすので好ましくない。
【００１３】
ここで、図２に示すように、表面に突起を有するローラーの突起高さ（ｔ）を、ローラー半径（ｒ）に対して、ｒ｛［１／ＣＯＳ（θ／２）］−１｝を越える高さとし、隣接する突起間とローラー軸とのなす角度（θ）を１０〜５０°になるように設定することが好ましい。さらに、該ローラー軸方向に突起をもつ回転ローラーを複数本を備えたものであることが好ましく、このようにすることにより、撚り、反転のない炭素繊維束を得ることができる。
【００１４】
突起の高さは、ｒ（１／ＣＯＳ（θ／２）−１）を越える高さとすることによって、炭素繊維束をローラー表面に接触させないようにし、糸条の損傷を防ぐことができる。また隣接する突起間とローラー軸とのなす角度（θ）は５〜５０°とすることが好ましく、１０〜４０°とすることがより好ましい。５゜未満では突起のピッチが狭すぎて撚りを止める力が弱くなり、また、５０゜を越えると突起部の曲率が大きくなり、炭素繊維束の単糸切れ、および毛羽が発生する問題が生じる。
【００１５】
表面に突起を有するローラーまたはガイドは、その後方に各々回転ローラー設置し、それらを一対として、複数対間隔を置いて設けることが好ましい。
【００１６】
表面に突起を有するローラーとフリー回転ローラーとは、硬質クロムメッキ、セラミックス、ポリフッ化エチレン処理した金属などからなり、その表面粗さは３Ｓ〜２０Ｓの梨地表面とすることが好ましく、６Ｓ〜１６Ｓの表面粗さとすることがより好ましい。表面粗さが３Ｓ未満となると炭素繊維束のローラー表面への接触面積が多くなり、サイジング剤がローラー表面に転写し、汚れて炭素繊維束の単糸が巻き付き糸切れするため好ましくない。２０Ｓを越えるとローラー表面の凹凸で炭素繊維束が傷つきやすくなり、毛羽が発生する原因となるので好ましくない。
【００１７】
本発明において、前記整列部と反転防止装置との間隔は、０．３〜１．５ｍとすることが好ましく、より好ましくは０．５〜１ｍとし、反転防止装置に導入する炭素繊維束張力を３〜８０ｇ／Ｋ（１０００フィラメント）・本とする。整列部との距離が０．３ｍ未満では、撚り止めした撚りが反転防止装置を超えて含浸部に導入され易くなり、１．５ｍを超えると糸道の乱れなどが増大し、プリプレグの品位に悪影響を及ぼす。
【００１８】
炭素繊維束の張力が５ｇ／Ｋ・本未満である場合、撚り止め効果が小さくなり、また８０ｇ／Ｋ・本を超えると糸条の損傷を起こし好ましくない。より好ましい張力の範囲は５〜５０ｇ／Ｋ・本である。
【００１９】
上記炭素繊維束の反転防止装置において、炭素繊維束を予め加温できる加熱手段を設置することにより、炭素繊維束に付与されているサイジング剤を軟化させた後、反転防止できるので、さらに反転防止効果を高めることができる。この際の糸条の温度は５０〜１８０℃とすることが好ましく、より好ましくは７０〜１５０℃である。温度が５０℃より低いと軟化の効果が無く、１８０℃より高いとサイジング剤の変質などが生じ、摩擦係数が高くなり毛羽を発生したりするため好ましくない。
【００２０】
加熱手段としては熱風を吹き付ける、熱板に接触させる、ヒーターによって輻射加熱する等の装置があるが、炭素繊維束を効率的に加温するには近赤外、中赤外、遠赤外ヒーターによる輻射による装置が好ましい。
【００２１】
本発明者らが解析したところによれば、通常、工程で糸条に撚りを入れていないいわゆる非加撚・無撚炭素繊維束でも、巻き上げ、あるいはキャン収納、解舒時などに糸道の作用によって炭素繊維束自身に部分的な撚りが入っている。このような撚りがプリプレグの含浸部に混入すると炭素繊維束の開繊が阻害されるとともに、撚りにより、炭素繊維束が左右に移動し、炭素繊維束間のピッチがずれ、この炭素繊維束シートを用いてプリプレグを作成すると、ワレが発生する問題がある。本発明者らは、反転防止装置、特に表面に突起がある回転ローラーを用い突起部で炭素繊維束を屈曲して、炭素繊維束を扁平にすることにより、撚りを止め、上流側に設けたフリーゾーンで撚りを緩和することによって、撚り、反転のない状態の炭素繊維束を作ることができるため、ピッチを一定に保持でき、開繊状態の良好な炭素繊維束を供給することを見出した。
【００２２】
反転防止装置と含浸部との間に開繊装置を設置すると、プリプレグ品位が向上する。開繊装置は糸条のサイジングによる拘束を弱め、糸幅を拡幅する機能を有し、例えば特願平９−９２１０１号の機構を用いることができる。
【００２３】
この開繊装置は、例えば、図１の７で示すように、導入フリー回転ローラ７ａを介して供給された炭素繊維束を複数のローラ群上を所定角度に屈曲させながら通過させて開繊し、開繊装置出フリー回転ローラー７ｄを経て送り出す開繊装置において、ロールの軸方向に振動する振動フリー回転ローラー７ｂと無振動フリー回転ローラー７ｃとを１組とするロール組を、２〜１０組配列させてなるとともに、前記した振動フリー回転ローラー７ｂ径を５０〜１２０ｍｍとし、かつ上記それぞれのローラー間の、炭素繊維束がローラーに接触していない距離を、１０〜１００ｍｍになるように設定したものである。なお、前記振動フリー回転ローラー７ｂの上流側に加熱手段７ｅを設けることは好ましい態様である。
【００２４】
含浸部については、通常のプリプレグに用いる含浸部を使用することができる。特に含浸効果を上げるため予熱部分と多段の含浸ローラー、冷却部分を備えた含浸部が好ましい。
【００２５】
本プリプレグは、通常離型紙や担体フィルムなどと共に紙管などに巻いたローラー形態で提供され、糸条撚り等による反転がないため表面が平滑で糸割れなどが無い、表面品位が良好なものが得られる。
【００２６】
本発明において用いられる炭素繊維束としては、ポリアクリロニトリル系やピッチ系などのフィラメント数１０００〜１００，０００本の炭素繊維束を用いることができる。特に、フィラメント数が１２，０００〜１００，０００本の炭素繊維束に適用することで通常の方法では得ることが難しい均一な薄い炭素繊維束シートが得られ、有効である。１，０００未満のフィラメントでは、反転防止装置の効果が得られにくく、１００，０００以上のフィラメントでは、得られるプリプレグの品位が良好なものが得られにくい。
【００２７】
本発明に使用する含浸樹脂は、熱可塑性、熱硬化性いずれでも良いが、特に熱硬化性エポキシ樹脂を用いることが好ましい。熱硬化性エポキシ樹脂は、常温硬化タイプのエポキシ樹脂組成物の硬化剤を実質的に含まないものを、樹脂重量含有率１５％以下、好ましくは１０％以下としたものや、７０〜１３０℃で硬化するエポキシ樹脂を樹脂含有率１０〜５０％としたもの、あるいは１５０〜１８０℃で硬化するエポキシ樹脂をやはり樹脂含有率１０〜５０％含有したものが好ましい。
【００２８】
本発明に用いられるエポキシ樹脂としては、例えばビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、ウレタン変性エポキシ樹脂、ブロム化ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂などを使用することができる。これらのエポキシ樹脂は、単独または２種類以上を併用して使用することができ、さらには液状のものから固体状のものまで使用することができる。通常、エポキシ樹脂には硬化剤が加えられて用いられるが、目的によって実質的に硬化剤を含まず、エポキシ樹脂をバインダーとして用い、後で使用に際して硬化剤入りのエポキシ樹脂を付加することも好ましい実施態様である。
【００２９】
【実施例】
以下、図面に示す実施例に基づいて、本発明をさらに詳細に説明する。
【００３０】
図１は、本発明のチーズ状の炭素繊維を用いた場合の炭素繊維束の反転防止装置を備えた、プリプレグ製造装置の一例を示す側面概略図である。
【００３１】
図１において、炭素繊維束Ｙの巻き取りパッケージ１をガイド部（引き揃えフリー回転ローラー２）で炭素繊維束Ｙを揃え、整列部（分繊コーム３）を通して整列させ、反転防止装置５に供給する。ここでは反転防止装置５の上流側に加熱手段４を設置し、炭素繊維束Ｙを加温し、その後、表面に突起を有するローラーからなる反転防止装置５およびフリー回転ローラー６を通過させることで炭素繊維束Ｙの反転防止を行い、その後、開繊装置７を通過させ、含浸装置１１に導入するものである。
【００３２】
実施例１
単糸繊度が１０μｍで、本数５０，０００の炭素繊維（強度３２０ｋｇｆ／ｍｍ2 、弾性率２３×１０3 ｋｇｆ／ｍｍ2 ）を使用し、炭素繊維目付１２０ｇ／ｍ2 、樹脂含有率３０％、幅１ｍのプリプレグを作製した。この際、標準条件として、糸張力５００ｇ、糸を整列させるコームのガイド間隔３ｍｍ（糸条の幅約１０ｍｍ）、反転防止装置として、３０φの梨地硬質クロムメッキローラー（表面粗度６Ｓ）３ヶを直列で用い、糸を上下に通して反転を防止した。反転防止装置の突起の高さｔは１ｍｍ、隣接する突起間とローラー軸のなす角度θを３０°とした。糸とローラーの接触角はローラーの位置を上下させ変更した。その後、糸拡げ処理（開繊処理）し、１３０℃硬化タイプのエポキシ樹脂フィルムを離型紙を用いて炭素繊維に接触させ加熱加圧して含浸させプリプレグを作製した。得られたプリプレグの品位を下記表１に示す。
【００３３】
【表１】
0003814999.tif 000002
またＮｏ．５において、突起のあるローラーを糸条とは逆方向に糸速度の１／１０で回転させたところ、ローラー上への脱落物の減少が認められ、操業性が向上した。
【００３４】
実施例２
図１に示す装置を使用し、加熱手段４として遠赤外ヒーターを使用し、炭素繊維束のフリーな距離を０．５ｍになるように表面に突起を有するローラーからなる反転防止装置を１組セットし、ローラー半径１５ｍｍ、突起間の角度４５゜、突起高さ１．５ｍｍのローラー軸方向に突起のある回転ローラー５を設置した炭素繊維束反転防止装置を準備した。
【００３５】
炭素繊維束、東レ（株）製“トレカ”（登録商標）Ｔ７００ＳＣ−１２Ｋ（フィラメント数１２０００本）を４０本使用し、１５ｍ／分で走行させ、１２０℃に加熱した後、反転防止装置に導入した。
【００３６】
エピコート８２８およびエピコート１００１（ビスフェノールＡグリシジルエーテル（エポキシ当量１８９）：油化シェル・エポキシ（株）製１００重量部とジシアンジアミド４重量部および３（３、４−ジクロロフェニル）−１、１−ジメチル尿素４重量部とを均一に混合した一液硬化エポキシ樹脂組成を用いた樹脂フィルムを離型紙上に作製し、得られた均一で薄い炭素繊維シートとを合わせてホットローラー間に通して含浸させ、繊維含有率７０％、繊維目付５０ｇ／ｍ2 のプリプレグを作成した。
【００３７】
この際糸条の導入張力を下記表２のように変更した。
【００３８】
【表２】
0003814999.tif 000003
炭素繊維束の張力が５ｇ／Ｋ・本未満である場合、撚り止め効果が小さくなり、また８０ｇ／Ｋ・本を超えると糸条の損傷を起こし好ましくないことが分かる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００４０】
本発明の炭素繊維束反転防止装置および反転防止方法を用いた後、開繊することにより、炭素繊維束自身に撚りが残っている場合でも、安定にかつ、毛羽発生がほとんどなく開繊ができ均一な薄い炭素繊維シートが得られる。
【００４１】
また、本発明のプリプレグ製造方法とすることにより、ワレのない品位良好なプリプレグが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る炭素繊維束反転防止装置の一例を示す側面概略図である。
【図２】本発明に適用されるローラー軸方向に突起のある回転ローラーの一例を示す側面概略図である。
【符号の説明】
Ｙ：炭素繊維束
１：炭素繊維束の巻き取りパッケ−ジ
２：引き揃えフリー回転ローラー
３：分繊コーム
４：加熱手段
５：ローラー軸方向に突起のある回転ローラー
６：フリー回転ローラー
７：開繊装置
７ａ：導入フリー回転ローラ
７ｂ：振動フリー回転ローラー
７ｃ：無振動フリー回転ローラー
７ｄ：開繊装置出フリー回転ローラー
７ｅ：加熱手段
８：導入フリー回転ローラー
９：下樹脂フィルム
１０：上樹脂フィルム
１１：加熱手段
１２：含浸ローラー
ｒ：ローラー軸方向に突起のある回転ローラーの半径
θ：突起間の角度
ｔ：突起の高さ
Ｋ：フィラメント数
【図１】
0003814999.tif 000004
【図２】
0003814999.tif 000005