JP5447665B2 - 繊維強化樹脂シートの製造方法及びその製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、シート状の強化繊維基材と熱可塑性樹脂とを一対のロール間に導入し、強化繊維基材に溶融した熱可塑性樹脂を好適に含浸することができる繊維強化樹脂シートの製造装置及び繊維強化樹脂シートの製造方法に関する。

従来から、強化繊維に、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂などのマトリクス樹脂を含浸した繊維強化複合材料（繊維強化樹脂材料）は、金属材料に比べて軽量かつ高弾性であり、樹脂材料のみに比べて高強度であるので、車両用の部材等の適用に注目されている材料である。

強化繊維の本来の特性である、引張に対する高強度及び高弾性の特徴を活かすためには、長繊維などの強化繊維を強化繊維基材とし、この強化繊維基材に予めマトリクス樹脂を含浸、または半含浸して、プリプレグシート（繊維強化樹脂シート）として使用されるのが一般的である。

一方、マトリクス樹脂として熱可塑性樹脂を含浸した繊維強化樹脂シートは、熱硬化性樹脂のものに比べて、熱可塑性樹脂の特徴から、靭性、短時間成形性、リサイクル性などに優れ、付加価値のある材料として注目されている。

しかしながら、熱可塑性樹脂は、一般的に熱硬化性樹脂に比べて高粘度であり、熱可塑性樹脂を成形する際には、これを高温に加熱する必要がある。従って、単に熱可塑性樹脂を均一な厚みのフィルムに成形する場合であっても、その成形は容易にできるものではない。例えば、このような技術として、押出成形機により押し出されたシート状溶融樹脂を、金属製の主ロールと金属製の押さえロールの間に導入して、押さえロールの薄肉外筒を主ロールの周面形状に倣うように変形させながら、これらのロール間で前記樹脂を冷却しながら挟圧して、フィルム状の熱可塑性樹脂を成形する技術などがある（例えば、特許文献１参照）。

このように、熱可塑性樹脂をフィルム状に成形するだけでもその成形は容易ではなく、ましてや、熱可塑性樹脂をマトリクス樹脂とした繊維強化樹脂シートを製造することは、熱硬化性樹脂の場合に比べてさらに難しい技術である。そして、これらの技術に対して、様々な研究がなされている。

例えば、熱可塑性樹脂を強化繊維基材に含浸して、繊維強化樹脂シートを製造する方法として、一対の金属加圧ロールにより、軟化した熱可塑性樹脂フィルムを、強化繊維基材に加圧して含浸する方法（例えば、特許文献２参照）や、強化繊維を一定の長さに切断し、この強化繊維と樹脂粉末とを混合して、複数の一対の圧熱ロールを用いて、これらの圧熱ロール間において熱可塑性樹脂を溶融し、溶融した熱可塑性樹脂を強化繊維の間に含浸する方法（例えば、特許文献３参照）などが提案されている。

特開平１１−２３５７４７号公報 特開平７−０１６９３６号公報 特開平５−１０４６４７号公報

ところで、樹脂を強化繊維束中に含浸するには、強化繊維束の厚みが薄く、成形圧力（含浸時の圧力）が高く、さらに、樹脂の溶融粘度が低いときに、強化繊維束中への熱可塑性樹脂の含浸時間が短くなる（熱可塑性樹脂を強化繊維基材に含浸させやすい）ことがわかっている。

しかしながら、熱可塑性樹脂の場合、熱硬化性樹脂に比べて高分子量であるため溶融粘度が高いので、熱硬化性樹脂の如く、毛細管現象を利用して樹脂を強化繊維間に含浸させることは容易ではない。

したがって、特許文献２および３に示す装置を用いて、溶融した熱可塑性樹脂を含浸させた場合、一対のロール間において、熱可塑性樹脂と強化繊維基材とに線圧を作用させることしかできない。これにより、熱可塑性樹脂と強化繊維基材とに圧力が作用する時間も瞬間的であり、強化繊維基材に熱可塑性樹脂を充分に含浸できないことがある。また、線圧を作用させた場合には、ロール幅方向に加圧ムラができ易く、熱可塑性樹脂が強化繊維基材に均一に含浸されず、ボイドが生成されることもある。

このような点を鑑みると、特許文献１の如き、金属製の主ロールと金属製の押さえロールを用いることが好ましいとも考えられる。しかしながら、これらの一対のロール間において強化繊維基材に作用する圧力が高い場合には、ロール間に、含浸時に必要な量の熱可塑性樹脂が入り込まず、強化繊維基材への熱可塑性樹脂の含浸が不十分な場合もある。

本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、溶融した熱可塑性樹脂を強化繊維基材に良好に含浸することができる繊維強化樹脂シートの製造方法及びその製造装置を提供することにある。

前記課題を解決すべく、本発明に係る繊維強化樹脂シートの製造方法は、シート状の強化繊維基材と、熱可塑性樹脂とを、一対の含浸ロール間に導入し、該一対の含浸ロールを回転させながら前記強化繊維基材に溶融した前記熱可塑性樹脂を含浸することにより、繊維強化樹脂シートを製造する方法であって、前記一対の含浸ロールのうち少なくとも一方の含浸ロールの表面に、前記一対の含浸ロール同士の押圧により厚さ方向に沿って弾性変形すると共に、前記押圧時に溶融した前記熱可塑性樹脂を放出可能なように、該溶融した熱可塑性樹脂を層内に保持する樹脂保持層が形成された含浸ロールを用い、前記一対の含浸ロールを押圧することにより、少なくとも前記樹脂保持層を弾性変形させながら、前記熱可塑性樹脂を前記強化繊維基材に含浸させることを特徴とする。

本発明によれば、一対の含浸ロールのうち少なくとも一方の含浸ロールの表面に、樹脂保持層が形成された含浸ロールを用いることにより、樹脂保持層の層内に溶融した熱可塑性樹脂を保持することができる。そして、この樹脂保持層は、一対の含浸ロール同士の押圧により厚さ方向に沿って弾性変形するので、押圧時に、樹脂保持層の層内に保持された熱可塑性樹脂を、樹脂保持層内の押圧された部分から、一対のロール間に放出させることができる。

このときに、樹脂保持層が形成された一方側の含浸ロールの表面は、樹脂保持層の弾性変形により他方側の含浸ロールの表面形状に倣うように変形する。これにより、樹脂保持層の層内から一対のロール間に溶融した熱可塑性樹脂を放出した状態で、ロール間にある熱可塑性樹脂と強化繊維基材とに面圧を作用させることができる。

このように強化繊維基材および熱可塑性樹脂に作用する圧力は、これまでの単なる剛体のロールを用いた場合に作用する線圧とは異なり面圧となる。したがって、強化繊維基材に過度の応力を作用させることなく、均一かつ安定的に熱可塑性樹脂を強化繊維基材に含浸することができる。この結果、幅方向に段状の筋のない均一な厚みの繊維強化樹脂シートを得ることができる。

また、含浸ロールを回転させながら一対の含浸ロール間に面圧を作用させ、面圧が作用した強化繊維基材の部分に、樹脂保持層の変形した部分から放出された熱可塑性樹脂を供給することができる。これにより、これまでよりも含浸時間をより長く確保し、含浸時に強化繊維基材の繊維間に介在する空気を好適に脱気しながら、適切な量の熱可塑性樹脂を繊維間に供給することができる。

さらに、押圧時に弾性変形していた樹脂保持層の部分（含浸ロール同士の接触部分）は、含浸ロールの回転に伴い、元の状態に復元するので、復元した樹脂保持層内の空間に、溶融した熱可塑性樹脂を供給し、樹脂保持層内に熱可塑性樹脂を再び保持させることができる。これにより、シート状の強化繊維基材と、熱可塑性樹脂とを、一対の含浸ロール間に導入し、強化繊維基材に溶融した熱可塑性樹脂を連続的に含浸（供給）することができる。

特に、含浸ロールの双方に、樹脂保持層を設けた場合には、前記一対の含浸ロール同士を相対的に押圧することにより、含浸ロール間にある熱可塑性樹脂と強化繊維基材とに面圧を作用させながら、双方の含浸ロールの対向する周面を平面状に変形させることができる。これにより、強化繊維基材との両面に均一な応力を作用させることができ、均一な厚みの均質な繊維強化樹脂シートを得ることができる。

ここで、前記樹脂保持層は、（１）一対の含浸ロール同士の押圧時に、弾性変形すること、（２）溶融した熱可塑性樹脂を層内に保持できること、（３）保持した溶融した熱可塑性樹脂を、弾性変形した部分から押圧時にロール間に放出することができること、の３つの条件を繊維強化樹脂シートの製造時に満たすことができるのであれば、その構造および材質は特に限定されるものではない。

たとえば、樹脂保持層の構造として、外部から内部に溶融した熱可塑性樹脂を浸透させて保持し、押圧時に内部から外部に溶融した樹脂を放出することができる複数の内部空間が形成され構造を挙げることができる。そして、この内部空間は、ロール表面（樹脂保持層の表面）と連通している。このような、構造の樹脂保持層を得るには、樹脂保持層は、例えば、繊維材料、発泡材料または、網目状の積層体などからなることが望ましい。また、樹脂保持層の材質としては、溶融した熱可塑性樹脂に対して溶融しないものであればよく、たとえば、樹脂や金属などを挙げることができる。

しかしながら、より好ましい態様としては、前記樹脂保持層に、金属製の繊維材料、または、金属製の発泡材料を用いる。この態様によれば、樹脂保持層は金属からなるので、樹脂保持層は、樹脂に比べて熱伝導性がよく、加熱装置などを用いて、樹脂保持層内に保持された熱可塑性樹脂を効率よく加熱することができる。また、繊維材料または発泡材料などを用いることにより、樹脂保持層内に、溶融した熱可塑性樹脂を保持する空間を容易に形成することができる。

ここで、本発明にいう「一対の含浸ロール」とは、ロール間において、強化繊維基材と、熱可塑性樹脂とを導入し、強化繊維基材に溶融した熱可塑性樹脂を含浸するためのロールであり、このような含浸を行なうことができるである。この条件を満たすのであれば、含浸ロールの配置、およびこれらのロールに供給される熱可塑性樹脂の供給方法は、特に限定されるものではない。

しかしながら、より好ましい態様としては、前記一対の含浸ロールは、水平方向に並設されており、前記一対の含浸ロールの上方に、前記溶融した熱可塑性樹脂の樹脂溜りが生成されるように、前記一対の含浸ロールに前記溶融した熱可塑性樹脂を供給する。

この態様によれば、水平方向に並設された一対の含浸ロールの上方に、前記溶融した熱可塑性樹脂の樹脂溜りが形成されるので、この樹脂溜りからの溶融した熱可塑性樹脂を、一対の含浸ロール間に、安定して供給することができる。

さらに、熱可塑性樹脂を含浸する際に、熱可塑性樹脂が溶融した状態であれば特に加熱方法は限定されるものではないが、より好ましい態様としては、前記熱可塑性樹脂の融点よりも高い温度に、前記樹脂保持層を加熱する。この態様によれば、前記熱可塑性樹脂の融点よりも高い温度に、前記樹脂保持層を加熱することにより、樹脂保持層に保持された熱可塑性樹脂の溶融状態を維持することができるばかりでなく、供給された熱可塑性樹脂が放熱されることによる粘度の上昇を抑制することができる。

また、別の態様として、前記一対の含浸ロールの双方を加熱し、樹脂保持層が形成された含浸ロールの周面に溶融した熱可塑性樹脂を供給することにより、供給された熱可塑性樹脂を樹脂保持層内に浸透させ、樹脂保持層内に溶融した熱可塑性樹脂を保持してもよい。

また、前記強化繊維基材を、前記一対の含浸ロールのいずれか一方の含浸ロールに巻き付けて、他方の含浸ロール（強化繊維基材が巻き付いていないロール）に、前記熱可塑性樹脂を供給してもよい。この態様によれば、ロールに巻き付いた強化繊維樹脂基材は、ロールの熱により加熱され、加熱されたロールの熱を利用して、強化繊維基材に熱可塑性樹脂が含浸させることができる。なお、含浸ロールを加熱する場合、例えば赤外線ヒータ等を用いて、ロール表面を加熱してもよく、含浸ロールの内部に、加熱された媒体を循環してもよい。

本願では、本発明として、本発明に係る製造方法を好適に実施するための製造装置をも開示する。本発明に係る繊維強化樹脂シートの製造装置は、シート状の強化繊維基材と、熱可塑性樹脂とを、一対の含浸ロール間に導入し、該一対の含浸ロールを回転させながら前記強化繊維基材に溶融した前記熱可塑性樹脂を含浸することにより、繊維強化樹脂シートを製造する装置であって、該製造装置は、前記一対の含浸ロール間に導入される前記強化繊維基材を供給する強化繊維供給部と、前記一対の含浸ロール間に導入される熱可塑性樹脂を供給する樹脂供給部と、前記一対の含浸ロール同士を押圧する押圧部と、を備えており、前記一対の含浸ロールのうち少なくとも一方の含浸ロールの表面には、前記一対の含浸ロールを押圧部により押圧する際に厚さ方向に沿って弾性変形すると共に、前記押圧時に溶融した前記熱可塑性樹脂を放出可能なように、前記溶融した熱可塑性樹脂を層内に保持する樹脂保持層が形成されていること特徴とする。

本発明によれば、一対の含浸ロールのうち少なくとも一方の含浸ロールの表面に、樹脂保持層が形成されている。これにより、押圧時に、樹脂保持層は、一対の含浸ロール同士の押圧により厚さ方向に沿って弾性変形し、樹脂保持層の層内に保持された熱可塑性樹脂を、樹脂保持層内の押圧された部分から、一対の含浸ロール間に放出させることができる。

このときに、樹脂保持層が形成された一方側の含浸ロールの表面は、樹脂保持層の弾性変形により他方側の含浸ロールの表面形状に倣うように変形する。この変形により、樹脂保持層の層内から一対のロール間に溶融した熱可塑性樹脂を放出した状態で、ロール間にある熱可塑性樹脂と強化繊維基材とに面圧を作用させることができる。このようにして、均一かつ安定的に熱可塑性樹脂を強化繊維基材に含浸することができ、幅方向に段状の筋のない均一な厚みの繊維強化樹脂シートを得ることができる。

さらに、押圧時に弾性変形していた樹脂保持層の部分（含浸ロール同士の接触部分）は、含浸ロールの回転に伴い、元の状態に復元する。これにより、復元した樹脂保持層内の空間に、溶融した熱可塑性樹脂を供給し、樹脂保持層内に熱可塑性樹脂を再び保持させることができる。

より好ましい態様としては、前記樹脂保持層は、金属製の繊維材料、または、金属製の発泡材料からなる。この態様によれば、樹脂保持層は金属からなるので、樹脂保持層は、樹脂に比べて熱伝導性がよく、加熱装置などを用いて、樹脂保持層内に保持された熱可塑性樹脂を効率よく加熱することができる。また、繊維材料または発泡材料などを用いることにより、樹脂保持層内に、溶融した熱可塑性樹脂を保持する空間を容易に形成することができる。

さらに、好ましい態様としては、前記含浸ロールには、前記樹脂保持層に保持された熱可塑性樹脂の融点よりも高い温度に、前記樹脂保持層を加熱するための加熱部が設けられている。

この態様によれば、加熱部からの熱で前記熱可塑性樹脂の融点よりも高い温度に、前記樹脂保持層を加熱することにより、樹脂保持層に保持された熱可塑性樹脂の溶融状態を維持することができるばかりでなく、供給された熱可塑性樹脂が放熱されることによる粘度の上昇を抑制することができる。

本発明によれば、熱可塑性樹脂を強化繊維基材に良好に含浸することができる。

本発明の実施形態に係る繊維強化樹脂シートの製造装置の模式的概念図。 図１に示す繊維強化樹脂シート製造装置の樹脂含浸部の模式的斜視図。 図１に示す繊維強化樹脂シート製造装置の一対の含浸ロール同士の押圧状態を説明するための模式的概念図であり、（ａ）は、押圧部により押圧する前の状態、（ｂ）押圧部により押圧した状態を説明するための図。 図２に示す一対の含浸ロールの回転軸を含む、水平方向における模式的断面図。 図２に示すＡ部（樹脂含浸部の表面）の拡大図。 図１に示す実施形態の別の変形例に係る繊維強化樹脂シートの製造装置の樹脂含浸部を示した模式的断面図。 図１に示す実施形態の別の変形例に係る繊維強化樹脂シートの製造装置の樹脂含浸部を示した模式的断面図。 実施例および比較例に係る繊維強化樹脂シートの断面写真の拡大図であり、（ａ）は、実施例に係る断面写真の拡大図、（ｂ）は、比較例に係る樹脂写真の拡大図。

以下に、図面に基づき、本発明に係る繊維強化樹脂シートの製造方法を好適に実施することができる製造装置のいくつかの実施形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る繊維強化樹脂シートの製造装置の模式的概念図である。図２は、図１に示す繊維強化樹脂シート製造装置の樹脂含浸部の模式的斜視図である。

図３は、図１に示す繊維強化樹脂シート製造装置の一対の含浸ロール同士の押圧状態を説明するための模式的概念図であり、（ａ）は、押圧部により押圧する前の状態、（ｂ）押圧部により押圧した状態を説明するための図である。

図４は、図２に示す一対の含浸ロールの回転軸を含む、水平方向における模式的断面図であり、図５は、図２に示すＡ部（樹脂含浸部の表面）の拡大図である。

本実施形態に係る繊維強化樹脂シート製造装置１は、繊維強化樹脂シートを製造するための装置である。該製造装置１は、シート状の強化繊維基材Ｆと、熱可塑性樹脂Ｐとを、後述する一対の含浸ロール１０Ａ，１０Ｂ間に導入し、一対の含浸ロール１０Ａ．１０Ｂを回転させながら強化繊維基材Ｆに熱可塑性樹脂Ｐを含浸することにより、繊維強化樹脂シートＳを製造することを目的とした装置である。

図１に示すように、本実施形態に係る製造装置１は、後述する樹脂含浸部４の一対の含浸ロール１０Ａ，１０Ｂ間に導入される強化繊維基材Ｆを供給する強化繊維供給部２と、一対の含浸ロール間に導入される熱可塑性樹脂Ｐを供給する樹脂供給部３と、を備えている。

強化繊維供給部２は、シート状に連続繊維が一方向に引き揃えられた強化繊維基材Ｆを供給するものである。供給前の強化繊維基材Ｆは、コイル状に巻き付けられた巻体２ａとされている。強化繊維供給部２は、この巻体２ａから巻き解かれたシート状の強化繊維基材Ｆが、後述する含浸ロール１０Ａ、１０Ｂ間に導入可能なように、搬送ロール２ｂ，２ｃを配置している。

一方、樹脂供給部３は、２軸押し出し成形装置３Ａを備えている。２軸押し出し成形装置３Ａは、熱可塑性樹脂ペレットＰａを軟化点以上に溶融して、樹脂吐出口であるダイ（ノズル）３ａを介してシート状の溶融した熱可塑性樹脂Ｐを連続して成形する装置である。ダイ３ａは、一方の含浸ロール１０Ａの上方に配置されており、ダイ３ａには、幅方向に沿って複数の孔が等間隔に形成され、この複数の孔を介して溶融した熱可塑性樹脂が押し出されることにより、熱可塑性樹脂がシート状に連続して押し出される。

同様に、他方の含浸ロール１０Ｂの上方にも、ダイ３ｂが配置されている。２軸押し出し成形装置３Ａと同様に、２軸押し出し成形装置（図示せず）を用いて、ダイ３ｂを介して溶融した熱可塑性樹脂が押し出される。これにより、熱可塑性樹脂が、シート状に連続して成形される。なお、ここで、図１および２において、各ダイ３ａ（３ｂ）に、個別に２軸押し出し成形装置を接続したが、各含浸ロール１０Ａ，１０Ｂに溶融した熱可塑性樹脂Ｐを供給することができるのであれば、１つの２軸押し出し成形装置から各ダイ３ａ（３ｂ）に、溶融した熱可塑性樹脂が流れるように構成してもよい。

樹脂供給部３の各ダイ３ａ（３ｂ）は、図２および図３（ａ）に示すように、各含浸ロール１０Ａ（１０Ｂ）の上方において、各含浸ロールの周面１０ａに向って、熱可塑性樹脂Ｐが供給されるように配置されている。なお、熱可塑性樹脂Ｐの供給される各周面１０ａは、後述する樹脂保持層１２の一部を構成しており、この周面１０ａ，１０ａを介して、供給された熱可塑性樹脂Ｐが樹脂保持層１２の内部に浸透（流入）することになる。

このようにして、含浸ロール１０Ａ，１０Ｂの周面１０ａ，１０ａに供給された熱可塑性樹脂Ｐは、樹脂含浸部４で、強化繊維基材Ｆに含浸される。ここで、樹脂含浸部４は、上述したように、熱可塑性樹脂Ｐを強化繊維基材Ｆの含浸するための一対のロール１０Ａ，１０Ｂを備えている。具体的には、一対の含浸ロール１０Ａ，１０Ｂは、同じ構造の一方の含浸ロール１０Ａと他方の含浸ロール１０Ｂとからなり、これらのロールは水平方向に並設されている。

図４に示すように、一対の含浸ロール１０Ａ，１０Ｂは、鋼又はアルミニウム等の金属製の芯材１１の周面に、樹脂保持層１２が被覆された剛体ロールである。また、各含浸ロール１０Ａ（１０Ｂ）の内部には、円柱空間Ｓ１が形成されている。円柱空間Ｓ１は、加熱部４０から、シャフト１３に形成された媒体導入口１３ａを介して、加熱された媒体（例えば水など）Ｍが導入される。また、円柱空間Ｓ１は、含浸ロール１０の内部を通過して排出された媒体Ｍが循環するように、加熱部４０に接続されている。これにより、各含浸ロール１０Ａ（１０Ｂ）の周面１０ａを常時加熱することができる。

一方の含浸ロール１０Ａが、他方の含浸ロール１０Ｂを押さえるためのロールとして作用するように（一対のロール１０Ａ，１０Ｂ同士を押圧するように）、含浸ロール１０Ａは、一対の押圧部５０，５０に連結されている。具体的には、各押圧部５０は、含浸ロール１０Ａの両側のシャフト１３に連結されたピストン５１及びシリンダ５２からなる。後述する押圧を行うことができるのであれば、押圧のための作動圧は、空圧または油圧のいずれであってもよい。

また、他方の含浸ロール１０Ｂは、回転可能に固定されており、カップリング３１を介してモータ３０に接続されている。これにより、押圧部５０による一方の含浸ロールＡの押圧と、モータ３０による他方の含浸ロール１０Ｂの回転により、一対の含浸ロール１０Ａ，１０Ｂは押圧された状態で回転することができる。

ここで、各含浸ロール１０Ａ（１０Ｂ）の表面に形成された樹脂保持層１２は、図４に示すように、一対の含浸ロール同士の押圧により厚さ方向に沿って、厚さｔ１からｔ２に（ｔ１＞ｔ２）弾性変形するように構成されている。さらに、各樹脂保持層１２は、押圧時に保持された溶融した熱可塑性樹脂Ｐがロール間に放出することが可能なように溶融した熱可塑性樹脂Ｐを層内に保持するように構成されている。

具体的には、図５に示すように、樹脂保持層１２は、複数の金属製（鉄製またはアルミニウム製など）の繊維材料１２ａからなり、樹脂保持層１２の層内に溶融した熱可塑性樹脂Ｐを保持することができるような複数の空隙（空間）が形成されている。空隙は、各含浸ロール１０Ａ（１０Ｂ）の周面１０ａを介して、ロール外部に連通している。

ここで、樹脂保持層１２のより好ましい条件として、含浸ロール同士の押圧がされていない部分（荷重が作用してない状態の部分）では、溶融した熱可塑性樹脂Ｐが層表面から層内に浸透し、熱可塑性樹脂Ｐを保持することができるように、複数の空隙が形成されている。一方、含浸ロール同士の押圧時には、樹脂保持層１２から保持された溶融した熱可塑性樹脂Ｐが放出され、強化繊維基材Ｆに溶融した熱可塑性樹脂Ｐが含浸し易いように、圧縮状態の樹脂保持層１２のかさ密度が、供給される強化繊維基材Ｆのかさ密度よりも大きい（すなわち、強化繊維基材の方が、空隙の占有率が高い）ことが望ましい。

さらに、含浸ロール同士の押圧時に、押圧された部分における圧縮された繊維材料１２ａが弾性変形し、含浸ロール同士の押圧が除荷された後は、元の形状に復元するように、繊維材料１２ａの材料、形状およびその量が選定されている。

さらに、上述した加熱部４０は、熱可塑性樹脂Ｐの軟化点温度（融点）以上にロール表面（具体的には樹脂保持層１２）が加熱されるように、内部で媒体Ｍを加熱する。加熱された媒体Ｍが、含浸ロール１０Ａ，１０Ｂの双方（具体的には樹脂保持層１２）を加熱するように、ポンプ等の装置を用いて含浸ロール１０Ａ，１０Ｂに圧送されるようになっている。これにより、含浸ロール１０Ａ，１０Ｂにおいて、樹脂保持層１２に保持された熱可塑性樹脂Ｐの粘度上昇を抑制し、この結果、熱可塑性樹脂Ｐが、強化繊維基材Ｆに含浸し易くなる。

さらに、樹脂含浸部４の含浸ロール１０Ａ，１０Ｂのさらに下流には、複数の搬送ロールが配置されており（図１参照）、装置１は、樹脂含浸部４で得られた繊維強化樹脂シートをさらに巻き取るための巻き取り部５が配置されている。なお、ここでは、含浸ロール１０Ａ，１０Ｂの下流に、一対の加熱ロール（ならしロール）をさらに配置し、この加熱ロール間に、繊維強化樹脂シートＳを押圧しながら搬送することにより、繊維強化樹脂シートＳの表面を平滑化してもよい。

このように構成された製造装置を用いた繊維強化樹脂シートＳの製造方法を、以下に説明する。まず、強化繊維基材Ｆとして、連続繊維が一方向に引き揃え、コイル状に巻かれた強化繊維基材を準備する。ここでは、強化繊維基材Ｆとして、一方向に引き揃えられた基材を用いた。しかしながら、例えば、シート状の強化繊維基材Ｆにすることができるのであれば、引き揃えられていない長繊維、または織布、不織布等の布状繊維であってもよい。織布である場合には、その織り方としては、平織、綾織、朱子織などの織組織いずれであってもよく、シート状であり連続して搬送しながら、後述するロール間において熱可塑性樹脂Ｐを含浸することができるのであれば、特にその繊維の状態は限定されるものではない。

強化繊維は、繊維強化樹脂シートの機械的強度を強化するための樹脂強化用の繊維であり、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、天然繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、スチール繊維、ＰＢＯ繊維、又は高強度ポリエチレン繊維などの繊維が挙げることができる。

一方、熱可塑性樹脂ペレットＰａを、樹脂供給部３に導入し、溶融したシート状の熱可塑性樹脂Ｐを、ダイ３ａ，３ｂから吐出する。このような熱可塑性樹脂としては、結晶性熱可塑性樹脂や非結晶性熱可塑性樹脂を使用でき、例えば、ナイロン系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリプロピレン系樹脂などのオレフィン系樹脂、アクリル系樹脂、またはＡＢＳ系樹脂などを挙げることができ、これらよりも、より融点の高い（軟化点の高い）熱可塑性樹脂であってもよい。

そして、シート状の強化繊維基材Ｆと、溶融したシート状の熱可塑性樹脂Ｐとを、一対の含浸ロール１０Ａ，１０Ｂの間に導入し、モータ３０の駆動力により、一対のロール１０Ａ，１０Ｂを回転させながら強化繊維基材Ｆに熱可塑性樹脂Ｐを含浸することにより、繊維強化樹脂シートを製造する。

具体的には、一方の含浸ロール１０Ａを他方の含浸ロール１０Ｂに対して押圧する。これにより、一方の含浸ロール１０Ａの周面１０ａと他方の含浸ロール１０Ｂの周面１０ａ同士に面圧が作用するように、双方の含浸ロール１０Ａ，１０Ｂの周面１０ａ，１０ｂを変形させる（図３（ｂ）参照）。この状態で図４に示すように、加熱部４０により、円柱空間Ｓ１に加熱された媒体Ｍを供給して、一対の含浸ロール１０Ａ，１０Ｂを加熱する。

各含浸ロール１０Ａ（１０Ｂ）の周面に向って溶融した熱可塑性樹脂Ｐを供給する。供給された熱可塑性樹脂Ｐを、樹脂保持層１２の表面から内部に浸透させて、これを保持する。保持された熱可塑性樹脂Ｐを、溶融状態を維持するために加熱（または保温）する。保持された熱可塑性樹脂Ｐを一対の含浸ロール１０Ａ，１０Ｂの回転により、一対のロール１０Ａ，１０Ｂ間に向って搬送しながら、熱可塑性樹脂Ｐを前記強化繊維基材Ｆに含浸させる。

本実施形態では、このときに、一対の含浸ロール１０Ａ，１０Ｂの上方に、溶融した熱可塑性樹脂Ｐの樹脂溜りＰ１が生成されるように、ダイ３ａ，３ｂを介して、一対の含浸ロール１０Ａ，１０Ｂに溶融した熱可塑性樹脂Ｐを供給する。樹脂溜りＰ１は、各含浸ロール１０Ａ（１０Ｂ）の回転速度、熱可塑性樹脂Ｐの粘度等を考慮して、各ダイ３ａ（３ｂ）から供給される熱可塑性樹脂Ｐの供給量を調節することにより、生成することができる。

本実施形態によれば、一対の含浸ロール１０Ａ，１０Ｂの双方の表面に、樹脂保持層１２が形成された含浸ロールを用いることにより、樹脂保持層１２の層内に溶融した熱可塑性樹脂Ｐを保持することができる。そして、この樹脂保持層１２は、一対の含浸ロール１０Ａ，１０Ｂ同士の押圧により厚さ方向に沿って弾性変形するので、押圧時に、樹脂保持層１２の層内に保持された熱可塑性樹脂Ｐを、樹脂保持層１２内の押圧された部分から、一対の含浸ロール１０Ａ，１０Ｂの間に放出させることができる。

本実施形態では、含浸ロール１０Ａ，１０Ｂの双方に、樹脂保持層１２を設けている。これにより、一対の含浸ロール１０Ａ，１０Ｂ同士を相対的に押圧することで、含浸ロール間にある熱可塑性樹脂Ｐと強化繊維基材Ｆとに面圧を作用させることができる。さらに、樹脂保持層から溶融した熱可塑性樹脂を放出した状態で、双方の含浸ロール１０Ａ，１０Ｂの対向する周面１０ａ，１０ａを平面状に変形させることができる。このようにして、強化繊維基材Ｆとの両面に均一な応力を作用させることができ、均一な厚みの均質な繊維強化樹脂シートＳを得ることができる。

このように強化繊維基材Ｆおよび熱可塑性樹脂Ｐに作用する圧力は、これまでの単なる剛体のロールを用いた場合に作用する線圧とは異なり面圧となる。これにより、強化繊維基材Ｆに過度の応力を作用させることなく、均一かつ安定的に熱可塑性樹脂Ｐを強化繊維基材Ｆに含浸することができる。この結果、幅方向に段状の筋のない均一な厚みの繊維強化樹脂シートＳを得ることができる。

また、本実施形態では、含浸ロール１０Ａ，１０Ｂを回転させながら面圧を作用させ、面圧が作用した強化繊維基材Ｆの部分に、樹脂保持層１２から放出された熱可塑性樹脂Ｐを供給することができる。これにより、これまでよりも含浸時間をより長く確保し、含浸時に強化繊維基材Ｆの繊維間に介在する空気を好適に脱気しながら、最適な量の熱可塑性樹脂を繊維間に供給することができる。

特に、本実施形態の場合には、水平方向に並設された一対の含浸ロール１０Ａ，１０Ｂの上方に、前記溶融した熱可塑性樹脂の樹脂溜りＰ１が形成されるので、この樹脂溜りＰ１からの溶融した熱可塑性樹脂を、一対の含浸ロール１０Ａ，１０Ｂ間に、安定して供給することができる。

さらに、押圧時に弾性変形していた樹脂保持層１２の部分（含浸ロール同士の接触部分）は、含浸ロール１０Ａ，１０Ｂの回転に伴い、元の状態に復元する。これにより、復元した樹脂保持層１２内の空間（空隙）に、溶融した熱可塑性樹脂Ｐを供給し、樹脂保持層１２内に熱可塑性樹脂Ｐを再び保持させることができる。このような結果、シート状の強化繊維基材Ｆと、熱可塑性樹脂Ｐとを、一対の含浸ロール１０Ａ，１０Ｂ間に導入し、強化繊維基材Ｆに溶融した熱可塑性樹脂Ｐを連続的に含浸（供給）することができる。

このようにして得られた繊維強化樹脂シートＳを、搬送ロールを用いて通過させて、巻き取り部５でこれをコイル状に巻き取る。なお、本実施形態では、直接、含浸ロール１０Ａ，１０Ｂの双方の上側の周面１０ａ，１０ａに熱可塑性樹脂Ｐを供給したが、強化繊維基材Ｆの内部に、熱可塑性樹脂Ｐを均一に含浸することができるのであれば、いずれか一方の含浸ロールの上側の周面から熱可塑性樹脂Ｐを供給してもよい。

図６は、図１に示す実施形態の別の変形例に係る繊維強化樹脂シートの製造装置の樹脂含浸部を示した模式的断面図である。図６に示す実施形態の装置が、図１に示すものと相違する点は、含浸ロールとして、樹脂保持層１２が形成された含浸ロール１０Ｂの代わりに、通常の円柱の金属ロールを用いた点である。その他の構成は、上述した図１に示す実施形態と同じであるので詳細な説明は省略する。

図６に示すように、本実施形態では、含浸ロール１０Ａと、鉄製の円柱の金属ロール６０を備えている。金属ロール６０の内部には、円柱空間Ｓ２が形成されており、この内部には、上述した実施形態と同じように、加熱部で加熱された媒体が循環するように、加熱部に接続されている。これにより、金属ロール６０に強化繊維基材Ｆを巻き付け、一対のロール１０Ａ，６０の間に、導入される繊維強化基材Ｆを予熱することができ、含浸時における熱可塑性樹脂Ｐの粘度の上昇を抑えることができる。また、上述した実施形態と同様に、金属ロール６０は、モータに連結されている。

このような金属ロール６０を用いることにより、樹脂保持層１２が形成された一方側の含浸ロール１０Ａの表面は、樹脂保持層１２の弾性変形により他方側の金属ロールの表面形状に倣うように変形するので、樹脂保持層１２の層内から一対のロール１０Ａ，６０間に溶融した熱可塑性樹脂Ｐを放出した状態で、ロール１０Ａ，６０間にある熱可塑性樹脂Ｐと強化繊維基材Ｆとに面圧を作用させることができる。

図７は、図１に示す実施形態の別の変形例に係る繊維強化樹脂シートの製造装置の樹脂含浸部を示した模式的断面図である。図７に示す実施形態の装置が、図１と相違する点は、ダイ３ａ，３ｂの代わりに、溶融した熱可塑性樹脂を収容した容器６５，６５を用いた点と、含浸ロール１０Ａ，１０Ｂの上方に、樹脂保持層１２を加熱するためのヒータ６６，６６を設けた点である。その他の構成は、上述した図１に示す実施形態と同じであるので詳細な説明は省略する。

図７に示すように、本実施形態では、各含浸ロール１０Ａ（１０Ｂ）の下方に、溶融した熱可塑性樹脂Ｐを収容した容器６５が設けられている。各容器６５には、溶融した熱可塑性樹脂が供給されると共に、供給された熱可塑性樹脂Ｐの温度が融点以上となるように、収容された熱可塑性樹脂を加熱するヒータ（図示せず）が配置されている。

さらに、含浸ロール１０Ａ（１０Ｂ）の樹脂保持層１２は、容器６５の開口部６５ａを介して、溶融した熱可塑性樹脂Ｐに浸漬されている。また、上述したように、含浸ロール１０Ａ，１０Ｂの上方に、樹脂保持層１２を加熱するためのヒータ６６，６６を設けられている。

このような構成とすることにより、容器６５内において、樹脂保持層１２の表面から層内に、溶融した熱可塑性樹脂Ｐが浸透して保持される。その後、保持された熱可塑性樹脂Ｐは、含浸ロール１０Ａ（１０Ｂ）の回転により、一対の含浸ロール１０Ａ，１０Ｂの間に向かって搬送される。このとき、一対の含浸ロール１０Ａ，１０Ｂの間に導入される直前で、ヒータ６６により、保持された熱可塑性樹脂Ｐが加熱されるので、より粘度の低い状態の熱可塑性樹脂Ｐを一対の含浸ロール１０Ａ，１０Ｂの間に供給することができる。

以下に実施例にもとづいて、本発明を説明する。

〔実施例１〕
直径７ｍｍ、１５０００本の連続繊維を束ねた炭素繊維束（束１本の幅６〜７ｍｍ）を、開繊した、厚さ０．０５ｍｍ、幅５０ｍｍのシート状の繊維強化基材を準備した。次に、図１に示す装置と同じ形態の装置を用いた。各含浸ロールは、直径２００ｍｍのスチール製ロールに、線径１００μｍのループ状にしたスチール製ワイヤ（金属製の繊維材料）を、空隙率（体積率）５０％となるように巻きつけたロールであり、この金属製の繊維材料からなる樹脂保持層の厚みは２ｍｍであり、含浸ロール同士の押圧により厚さ方向に沿って弾性変形することを確認した。

熱可塑性樹脂として、２７０℃で溶融した融点（２２５℃）のポリアミド６（２７０℃時に、樹脂粘度２０００ポイズ）を、一対の含浸ロールの上方から所定の割合で供給した（０．５ｇ／秒）。このときに、ポリアミド６が、樹脂保持層に染み込んだ。この状態で、各含浸ロールを加熱部により２３０℃に加熱して、繊維強化基材とポリアミド６とに、２ＭＰａの面圧が作用するように一対の含浸ロール同士を押圧しながら、一対の含浸ロールを回転させて（１．６ｒｐｍ）、ロール間に繊維強化基材を０．０７ｇ／秒で導入した。これにより、一対の含浸ロール間の上方に、ポリアミド６の樹脂溜りが形成されると共に、強化繊維基材に溶融した前記熱可塑性樹脂が含浸された繊維強化樹脂シートを作製した。なお、押圧時に、繊維強化基材とポリアミド６が、各含浸ロールの樹脂保持層に対して、面圧着していることが確認できた。

（比較例）
実施例と同じように、繊維強化樹脂シートを作製した。実施例と相違する点は、含浸ロールを、直径２００ｍｍのスチール製ロールとした点である。すなわち、比較例では、金属製の繊維材料からなる樹脂保持層を設けていない点のみが相違する。

〔断面観察〕
実施例および比較例に係る繊維強化樹脂シートの断面を観察した。図８は、実施例および比較例に係る繊維強化樹脂シートの断面写真の拡大図であり、（ａ）は、実施例に係る断面写真の拡大図、（ｂ）は、比較例に係る樹脂写真の拡大図である。

（結果および考察）
図８（ａ）、（ｂ）に示すように、実施例の繊維強化樹脂シートは、比較例のものに比べて、一様に熱可塑性樹脂が繊維間に含浸している。図８（ｂ）に示すように、比較例１の繊維強化樹脂シートには、実施例のものに比べて、大きなボイド（写真の黒色部分）が形成されていた。

実施例の場合には、含浸ロールの表面に、樹脂保持層を設けたことにより、このような結果になったと考えられる。すなわち、実施例の場合、押圧時に、樹脂保持層の層内に保持された熱可塑性樹脂を、樹脂保持層内の押圧された部分から、一対のロール間の繊維強化基材に放出させ、かつ、この状態で、樹脂保持層の弾性変形により、ロール間にある熱可塑性樹脂と強化繊維基材とに面圧を作用させることができたからである。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

例えば、図３および図６に示す含浸ロールの上方にも、図７に示したヒータをさらに設けてもよい。

１：繊維強化樹脂シート製造装置、２：強化繊維供給部、２ａ：巻体、２ｂ，２ｃ：搬送ロール、３：樹脂供給部、３ａ，３ｂ：ダイ（ノズル）、４：樹脂含浸部、５：巻き取り部、１０Ａ，１０Ｂ：含浸ロール、１０ａ：周面、３０：モータ、３１：カップリング、４０：加熱部、５０：押圧部、５１：ピストン、５２：シリンダ、Ｆ：強化繊維基材、Ｍ：媒体、Ｐ：熱可塑性樹脂、Ｐａ：熱可塑性樹脂ペレット、Ｓ：繊維強化樹脂シート、Ｓ１：円柱空間、Ｓ２：円柱空間

Claims (7)

1. シート状の強化繊維基材と、熱可塑性樹脂とを、一対の含浸ロール間に導入し、該一対の含浸ロールを回転させながら前記強化繊維基材に溶融した前記熱可塑性樹脂を含浸することにより、繊維強化樹脂シートを製造する方法であって、
   前記一対の含浸ロールのうち少なくとも一方の含浸ロールの表面に、前記一対の含浸ロール同士の押圧により厚さ方向に沿って弾性変形すると共に、前記押圧時に溶融した前記熱可塑性樹脂を放出可能なように、該溶融した熱可塑性樹脂を層内に保持する樹脂保持層が形成された含浸ロールを用い、
   前記一対の含浸ロールを押圧することにより、少なくとも前記樹脂保持層を弾性変形させながら、前記熱可塑性樹脂を前記強化繊維基材に含浸させることを特徴とする繊維強化樹脂シートの製造方法。
2. 前記樹脂保持層に、金属製の繊維材料、または、金属製の発泡材料を用いることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化樹脂シートの製造方法。
3. 前記一対の含浸ロールは、水平方向に並設されており、前記一対の含浸ロールの上方に、前記溶融した熱可塑性樹脂の樹脂溜りが生成されるように、前記一対の含浸ロールに前記溶融した熱可塑性樹脂を供給することを特徴とする請求項１または２に記載の繊維強化樹脂シートの製造方法。
4. 前記熱可塑性樹脂の融点よりも高い温度に、前記樹脂保持層を加熱することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化樹脂シートの製造方法。
5. シート状の強化繊維基材と、熱可塑性樹脂とを、一対の含浸ロール間に導入し、該一対の含浸ロールを回転させながら前記強化繊維基材に溶融した前記熱可塑性樹脂を含浸することにより、繊維強化樹脂シートを製造する装置であって、
   該製造装置は、前記一対の含浸ロール間に導入される前記強化繊維基材を供給する強化繊維供給部と、前記一対の含浸ロール間に導入される熱可塑性樹脂を供給する樹脂供給部と、前記一対の含浸ロール同士を押圧する押圧部と、を備えており、
   前記一対の含浸ロールのうち少なくとも一方の含浸ロールの表面には、前記一対の含浸ロールを押圧部により押圧する際に厚さ方向に沿って弾性変形すると共に、前記押圧時に溶融した前記熱可塑性樹脂を放出可能なように、前記溶融した熱可塑性樹脂を層内に保持する樹脂保持層が形成されていること特徴とする繊維強化樹脂シートの製造装置。
6. 前記樹脂保持層は、金属製の繊維材料、または、金属製の発泡材料からなることを特徴とする請求項５に記載の繊維強化樹脂シートの製造装置。
7. 前記含浸ロールには、前記樹脂保持層に保持された熱可塑性樹脂の融点よりも高い温度に、前記樹脂保持層を加熱するための加熱部が設けられていることを特徴とする請求項５または６に記載の繊維強化樹脂シートの製造装置。

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