JP2015113393A - トウプリプレグの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 樹脂含有率が適切にコントロールされたトウプリプレグを、安価に製造することが出来る製造方法を提供する。本発明の製造方法により製造されたトウプリプレグはフィラメントワインディング法、オートテープレイアップ法、ドラムワインディング法等により、繊維強化複合材料の製造に好適に用いることが出来る。
【解決手段】 円筒形ロール（ａ）の表面に、マトリックス樹脂組成物からなる均一な厚みの樹脂層を形成し、該円筒形ロール（ａ）と異なる回転速度に制御が可能な円筒形ロール（ｂ）の表面に該樹脂層を転写した後、該円筒形ロール（ｂ）表面に転写された樹脂層と強化繊維束とを接触させることにより、該マトリックス樹脂組成物を該強化繊維束に供給することを特徴とする、トウプリプレグの製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は繊維強化複合材料の製造に好適に用いられる、トウプリプレグの製造方法に関する。

トウプリプレグは炭素繊維、ガラス繊維等の強化繊維束（トウ）に、熱硬化性樹脂組成物等のマトリックス樹脂組成物を含浸してなる中間材料である。トウプリプレグにおいて、樹脂含有率は複合材料成形品の強度、弾性率、熱膨張率等の物性の制御因子となるため、樹脂含有率のコントロールは極めて重要である。

トウプリプレグの製造方法としては、例えば（１）強化繊維束を熱硬化性樹脂に浸した後に絞りダイスで樹脂付着量を調整する方法（特許文献１）、（２）熱硬化性樹脂を入れた含浸槽にドクターブレードを有する回転ドラムを一部浸し、回転ドラムに付設したドクターブレードで薄膜状にした樹脂に強化繊維束を接触させることにより樹脂を付与する方法、（３）ダイから吐出した熱硬化性樹脂を強化繊維束に付与する方法が挙げられる。

（１）は初期投資を低く抑えることができ、メンテナンスも容易であるが、樹脂供給量の調整が困難であり、特に樹脂含有率が低い（３０質量％以下などの）トウプリプレグを製造することが困難である。

（２）は初期投資を低く抑えることができ、メンテナンスも容易であるが、樹脂供給量の調整が困難である。具体的には、細かい調整だけであれば回転ドラムの回転速度と強化繊維束の走行速度を調整することで可能であるが、大幅な変更には回転ドラムとドクターブレードのクリアランスを調整しなおさねばならない。更に、強い粘弾性を示すマトリックス樹脂組成物を用いてトウプリプレグを作る場合、樹脂層の厚みは回転ドラムとドクターブレード間のクリアランスに対して単純な比例関係を示さない上、薄い樹脂層を形成することが非常に困難となる。このため、樹脂含有率を調整する際の生産時のロスが極めて多い上、樹脂含有率が低いトウプリプレグを製造することが非常に困難となる。

（３）は樹脂の吐出に用いるポンプの精度さえ上げれば、樹脂供給量の調整は容易であるが、工業生産のためには多くのポンプ及びダイを用いる必要があるために、初期投資の増加やメンテナンスの手間がかかるといった問題がある。

特開平９−１７６３４６号公報

本発明の目的は、樹脂含有率が調整されたトウプリプレグを低コストで製造することが出来るトウプリプレグの製造方法を提供することにある。

本発明者らは鋭意検討の結果、以下の方法を見出した。

すなわち本発明は、円筒形ロール（ａ）の表面に、マトリックス樹脂組成物からなる均一な厚みの樹脂層を形成し、該円筒形ロール（ａ）と異なる回転速度に制御が可能な円筒形ロール（ｂ）の表面に該樹脂層を転写した後、該円筒形ロール（ｂ）表面に転写された樹脂層と強化繊維束とを接触させることにより、該マトリックス樹脂組成物を該強化繊維束に供給することを特徴とする、トウプリプレグの製造方法に存する。

本発明のトウプリプレグの製造方法により、樹脂含有率がコントロールされたトウプリプレグを安価に製造することが出来る。本発明の製造方法により製造されたトウプリプレグはフィラメントワインディング法、オートテープレイアップ法、ドラムワインディング法等により、繊維強化複合材料の製造に好適に用いることが出来る。

本発明のトウプリプレグ製造装置の一例を示す概略構成図である。

本発明は、ドクターブレードやコンマロールなどの塗工用治具と円筒形ロール（ａ）を組み合わせることにより、該円筒形ロール（ａ）表面に、マトリックス樹脂組成物からなる均一な厚みの樹脂層を形成し、該樹脂層を円筒形ロール（ａ）と異なる回転速度制御が可能な円筒形ロール（ｂ）に転写した後、該円筒形ロール（ｂ）表面に転写された樹脂層と強化繊維束２とを接触させるにより、該マトリックス樹脂組成物を該強化繊維束（トウ）に供給することを特徴とするトウプリプレグの製造方法である。

まず、本発明を図面に従って説明するが、本発明はこの例に限定されるものではない。

図１は、トウプリプレグを製造するための基本的な工程の一例を示す概略構成図である。

同図において、強化繊維束２はクリール１に仕掛けられたボビン（芯材）より引き出されて開繊ロールユニット３にて拡幅される。拡幅された強化繊維束２は溝ロール４により糸道を規制される。表面にマトリックス樹脂組成物６からなる樹脂層（図示せず）が設けられた円筒形ロール９（すなわち円筒形ロール（ｂ））と強化繊維束２とが接することで、マトリックス樹脂組成物６は強化繊維束２へ供給される。

マトリックス樹脂組成物６が供給された強化繊維束２は含浸ロールユニット１０を通過することでマトリックス樹脂組成物６を十分含浸させられ、次いでゴデットロール１１を通じて、ワインダ１２に導かれ巻き取られる。

円筒形ロール８は加熱溶融したマトリックス樹脂組成物６を貯める樹脂溜め５、及びコーティングロール（円筒形ロール８、すなわち本発明における円筒形ロール（ａ））上に塗工される樹脂層（図示せず）の厚みを調整するためのドクターブレード７を有している。円筒形ロール８と円筒形ロール９は円筒軸方向が並行となるように設置されており、円筒形ロール８に対し円筒形ロール９が接するように押し付けられている。これにより、円筒形ロール８の表面に形成された均一な厚みの樹脂層は円筒形ロール９に転写され、その速度比を変えることにより円筒形ロール９の表面に形成される樹脂層の厚みを容易に変更することが可能である。また、円筒形ロール９の表面に形成される樹脂層の厚みを薄くすることが容易である。すなわち強化繊維束２に、所望の量のマトリックス樹脂組成物を供給することが容易であり、特に、薄い膜厚の樹脂層の形成が容易であるので、低い樹脂含有率のトウプリプレグを得ることが容易である。

以下、本発明の実施態様につき、さらに詳細に説明する。

図１における円筒形ロール８及び円筒形ロール９は、本発明のトウプリプレグ製造方法にて取り扱うマトリックス樹脂組成物６が１Ｐａ・ｓ〜１００Ｐａ・ｓの粘度となる温度まで加熱できることが好ましい。マトリックス樹脂組成物６の粘度が１００Ｐａ・ｓより大きいと、マトリックス樹脂組成物６の強化繊維束２への供給が困難となり、かつ円筒形ロール９の表面から強化繊維束２が離れる際に、強化繊維束２の単糸が円筒形ロール９の表面に付着して巻き付きが発生する頻度が上がってしまう。一方、マトリックス樹脂組成物６の粘度が１Ｐａ・ｓより小さいと、円筒形ロール８と、ドクターブレード７や該ドクターブレード７の代わりに用いても良い円筒形のロールやコンマロール等の塗布用治具との間隔のみで、樹脂層の厚みを精度良く調整することが困難となる。

円筒形ロール８と円筒形ロール９はそれぞれ異なる温度で加温できることが好ましい。

円筒形ロール８の温度を円筒形ロール９の温度より高く設定する場合、円筒形ロール８から円筒形ロール９へ確実に樹脂層を転写することが可能となり好ましい。円筒形ロール９の温度を円筒形ロール８の温度より高く設定する場合、円筒形ロール９へ転写した樹脂層の表面が平滑となり、加工後のトウプリプレグに樹脂層の模様（塗布ムラ等）が転写されないため好ましい。

円筒形ロール８及び円筒形ロール９は駆動により回転速度を制御され、各々を異なる回転速度に制御できることが必須である。円筒ロール８の回転速度に対して円筒ロール９の回転速度を変えることにより、円筒形ロール８の表面に形成される樹脂層の厚みを変えずに円筒形ロール９の表面に形成される樹脂層の厚みを変えることができ、強化繊維束２に供給するマトリックス樹脂組成物の量を調整することが可能となる。ここで、円筒形ロール８と円筒形ロール９を異なる回転速度に制御するには、各々を別の駆動源を用いて駆動してもよく、共通の駆動源を用い、円筒形ロール８と円筒形ロール９の速度比を変更しうる機構を別途設けてもよい。

また、円筒形ロール８と円筒形ロール９の回転方向は順方向（両円筒ロールの最も近接する位置でのロール表面移動方向が同方向）であっても、逆方向（両円筒ロールの最も近接する位置でのロール表面移動方向が逆方向）であってもよいが、逆方向である方が円筒形ロール８から円筒形ロール９への転写が確実に行われるため好ましい。

円筒形ロール８及び円筒形ロール９の直径は、装置や装置を設置する場所の制約が無い限り大きいことが好ましい。具体的には、例えば強化繊維束２として炭素繊維からなる繊維束を使用する場合、円筒形ロール８及び円筒形ロール９の直径は１５０ｍｍ以上であることが好ましい。直径が１５０ｍｍより小さい場合、ロールの長さにもよるが、ロールのたわみにより、円筒ロール８及び円筒ロール９の表面に形成される樹脂層の厚みに場所による変動が起こりやすく、また円筒形ロール９の表面に塗工された樹脂層上に強化繊維束２が接する際に樹脂層は強化繊維束２の長手方向に対して垂直方向に大きく動いてしまい、マトリックス樹脂組成物６を強化繊維束２へ上手く供給することが出来ず、作製するトウプリプレグの樹脂含有率を精度良く調整することが困難となる可能性がある。

円筒形ロール９と強化繊維束２との接触長は１０ｍｍ〜３００ｍｍであることが好ましい。接触長が１０ｍｍより短い場合、マトリックス樹脂組成物６を強化繊維束２へ上手く供給することが出来ず、作製するトウプリプレグの樹脂含有率を精度良くコントロールするのが困難になる可能性がある。また接触長が３００ｍｍより長い場合、強化繊維束２の単糸が円筒形ロール９の表面に付着して持って行かれ、巻きつきが発生する頻度が上がる傾向がある。

円筒形ロール８の表面に、均一な厚みの樹脂層を形成する手段としては、特に制限は無いが、例えばドクターブレードやコンマロール、円筒形のロールなどの塗工用治具を、一定のクリアランスを取って円筒形ロール８に近接させ、その間隔に準じた厚みの樹脂層を円筒形ロール８の表面に形成させる方法を挙げることができる。

図１におけるクリール１は、芯材に巻かれた強化繊維束２の巻径が変化しても、同じ張力で強化繊維束２を解舒できるような機構を有することが好ましい。

強化繊維束２は、マトリックス樹脂組成物６の含浸性を高めるため、円筒形ロール９と接触する前に、加熱されたロールに強化繊維束２を擦過させるなどして開繊させておくことが好ましい。具体的には、例えば図１における開繊ロールユニット３をお受精する各ロールを加熱しておけばよい。

工程を安定させるためには、糸道に溝を有するガイドがあることが好ましい。ガイドとは強化繊維束２の位置を規制することが出来る公知のガイドであれば何れも用いることが出来る。具体的には、円筒形のロール表面の周方向に一定の幅と深さで加工された溝を有する溝ロール（図１における溝ロール４）や、長さ方向に一定の幅と深さで加工された溝を有する板等が挙げられる。ガイドとの擦過による強化繊維束２へのダメージを抑えるため当該ガイドは自由回転、又は強化繊維束２の搬送速度と同程度の周速で回転する溝ロール４であることが好ましい。

マトリックス樹脂組成物６を強化繊維束２に含浸させるための含浸ロール（すなわち、図１における含浸ロールユニット１０を構成するロール）は、表面が平滑な円筒形のロールである。当該含浸ロールは自由回転でも、モータ等により駆動されても良い。また含浸ロールは適宜加熱されてることが好ましい。

トウプリプレグを巻き取るワインダ１２としては、既知のワインダを用いることが出来る。

本発明において使用される強化繊維束２は、無機繊維、有機繊維、金属繊維またはそれらの混合からなる強化用の長繊維（フィラメント）の束である。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ド繊維、ボロン繊維、ガラス繊維等、有機繊維としてはアラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、その他一般のナイロン、ポリエステル等の有機繊維等が好適に用いられる。中でも炭素繊維からなる強化繊維束が特に好ましい。

また本発明において、トウプリプレグの製造に使用するマトリックス樹脂組成物６としては、繊維強化複合材料のマトリックス樹脂として通常用いられる熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂が用いられ、例えば熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ウレタンアクリレート樹脂、フェノキシ樹脂、アルキド樹脂、ウレタン樹脂等を挙げることができ、また熱可塑性樹脂としては、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挙げることができる。

１ クリール
２ 強化繊維束
３ 開繊ロールユニット
４ 溝ロール
５ 樹脂溜め
６ マトリックス樹脂組成物
７ ドクターブレード
８ 円筒形ロール（ａ）（コーティングロール）
９ 円筒形ロール（ｂ）
１０ 含浸ロールユニット
１１ ゴデットロール
１２ ワインダ

Claims (1)

1. 円筒形ロール（ａ）の表面に、マトリックス樹脂組成物からなる均一な厚みの樹脂層を形成し、該円筒形ロール（ａ）と異なる回転速度に制御が可能な円筒形ロール（ｂ）の表面に該樹脂層を転写した後、該円筒形ロール（ｂ）表面に転写された樹脂層と強化繊維束とを接触させることにより、該マトリックス樹脂組成物を該強化繊維束に供給することを特徴とする、トウプリプレグの製造方法。