JP5920764B2 - 繊維強化複合成形材料の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、繊維強化分野における、特に炭素繊維に熱可塑性の合成繊維糸を巻縫いした繊維強化複合成形材料の製造方法に関するものである。

一般的にプラスチック製品と呼ばれる製品の多くは、熱可塑性樹脂を原材料とする製品であり、熱可塑性樹脂ペレットを成形装置により成形加工して製品化されている。

このような熱可塑性樹脂製品の強度および弾性率などの特性改善の１つに、炭素繊維などの高強度・高弾性率繊維を混入した熱可塑性樹脂ペレットが使用されている。

このペレットは、従来、一般的に３mm程度の長さに切断したチョップドストランドと呼ばれる繊維と熱可塑性樹脂を混練押出する方法で短繊維ペレットを製造している。しかし、射出成形した場合、成形品中の強化繊維の長さが実質的に１mm以下となり、物性向上効果が小さいことが欠点である。

そこで、連続した強化繊維束の周囲を熱可塑性樹脂で被覆した長繊維ペレットが開発された。ところが、樹脂の強化繊維束への低い含浸性に伴い、切断工程で樹脂と繊維が分離する。また、含浸性向上を図るための開繊工程などの装置の大型化、さらには繊維と樹脂の比率の不安定性など多くの課題が存在している。

本発明は、上記のような点に鑑みたもので、上記の課題を解決するために、ロックミシンのメローミシンに炭素繊維束を供給して熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸の上糸と下糸をかがり縫いの巻縫い掛合して形成した複合繊維糸を利用する繊維強化複合編物材料の製造方法であって、上記炭素繊維束に熱可塑性の合成繊維糸を引き揃えて熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維糸を形成し、この巻縫いした複合繊維糸を内径を出口に近くなる程小さく形成したテーパー状の管状炉の加熱炉に挿入して加熱して熱可塑性の合成繊維糸を溶融して炭素繊維束に一体的に接合し、この一体的に接合した複合繊維糸を所定の長さに切断することを特徴とする繊維強化複合成形材料の製造方法を提供するにある。

また、マルチフィラメントを束ねた炭素繊維束の１束ないし複数束とナイロンやポリプロピレン、ポリエステルを含む熱可塑性の合成繊維糸の引き揃え糸を引き揃えて熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維糸とすることを特徴とする繊維強化複合成形材料の製造方法を提供するにある。

さらに、管状炉の加熱炉を、出口側の内径を入口側の内径の５０〜８０％のテーパー状としたことを特徴とする繊維強化複合成形材料の製造方法を提供するにある。

さらに、加熱溶融して一体的に接合した複合繊維糸を数ｍｍ〜十数ｍｍの長さのペレット状に切断することを特徴とする繊維強化複合成形材料の製造方法を提供するにある。

さらにまた、加熱溶融して一体的に接合した複合繊維糸を数十ｃｍ〜数ｍの長さに切断することを特徴とする繊維強化複合成形材料の製造方法を提供するにある。

またさらに、加熱炉をマイクロ波加熱のものとして複合繊維糸の炭素繊維束を加熱し、熱可塑性の合成繊維糸を溶融して炭素繊維束に一体的に接合して複合繊維糸とすることを特徴とする繊維強化複合成形材料の製造方法を提供するにある。

本発明は、請求項１のように、ロックミシンのメローミシンに炭素繊維束を供給して熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸の上糸と下糸をかがり縫いの巻縫い掛合して形成した複合繊維糸を利用する繊維強化複合編物材料の製造方法であって、上記炭素繊維束に熱可塑性の合成繊維糸を引き揃えて熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維糸を形成し、この巻縫いした複合繊維糸を内径を出口に近くなる程小さく形成したテーパー状の管状炉の加熱炉に挿入して加熱して熱可塑性の合成繊維糸を溶融して炭素繊維束に一体的に接合し、この一体的に接合した複合繊維糸を所定の長さに切断することによって、ロックミシンのメローミシンに炭素繊維束を供給して熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸の上糸と下糸をかがり縫いの巻縫い掛合して複合繊維糸を利用して繊維強化複合編物材料にでき、強化繊維に繊維状の熱可塑性樹脂を巻縫い掛合して複合繊維糸を作製するため、強化繊維と樹脂の比率を正確に調整できて樹脂の含浸性を向上できるとともに、簡易な装置で強化繊維と樹脂の比率を安定調整でき、強度のある繊維強化複合成形材料を得ることができる。
そして、強化繊維束と並べた熱可塑性樹脂糸の引き揃え糸および掛合糸の溶融で、樹脂の高い含浸性を実現でき、内径を出口に近くなる程小さく形成したテーパー状の管状炉の加熱炉を通過させることで、複合繊維糸へ周囲から押さえつけられる力が働き、溶融した樹脂が内側へ入り込むようにできて、複合繊維糸を加熱炉で加熱すると、その初期に熱可塑性樹脂糸が収縮して、炭素繊維束を広げて、表面積を増加させ、樹脂の含浸性が向上するとともに、炭素繊維の太さが増加して開繊し、射出成形時の繊維の樹脂内の分散性向上と繊維同士の絡みを防止できる。

また、請求項２のように、マルチフィラメントを束ねた炭素繊維束の１束ないし複数束とナイロンやポリプロピレン、ポリエステルを含む熱可塑性の合成繊維糸の引き揃え糸を引き揃えて熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維糸とすることによって、強化繊維と樹脂の比率を自在に調整できて樹脂の含浸性を向上でき、強度のある繊維強化複合成形材料を得ることができる。

さらに、請求項３のように、管状炉の加熱炉を、出口側の内径を入口側の内径の５０〜８０％のテーパー状としたことによって、上記のように溶融した熱可塑性樹脂の複合繊維糸への含浸性を向上でき、良好な繊維強化複合成形材料が得られる。

また、請求項４のように、加熱溶融して一体的に接合した複合繊維糸を数ｍｍ〜十数ｍｍの長さのペレット状に切断することによって、上記のような繊維強化複合成形材料をペレット化して射出成形やプレス成形することができる。

さらに、請求項５のように、加熱溶融して一体的に接合した複合繊維糸を数十ｃｍ〜数ｍの長さに切断することによって、強度の必要な長尺製品や大形製品をプレス成形することができる。

さらにまた、請求項６のように、加熱炉をマイクロ波加熱のものとして複合繊維糸の炭素繊維束を加熱し、熱可塑性の合成繊維糸を溶融して炭素繊維束に一体的に接合して複合繊維糸とすることによって、マイクロ波加熱で複合繊維糸中の炭素繊維束を発熱でき、迅速に樹脂を溶融できて複合繊維糸に一体的に含浸することができる。

本発明の一実施例の複合繊維糸の形成説明用図、 同上の複合繊維糸の拡大説明図（ａ）、強化繊維に引き揃え糸を引き揃えた拡大説明図（ｂ）、 同上の他の複合繊維糸の拡大写真 同上の加熱炉の斜視説明図、 同上の断面図、 同上の加熱炉の他の実施例の斜視説明図、 同上の切断したペレットの写真、 同上の切断した長尺の成形材料の写真、 同上の複合繊維糸の加熱前の拡大写真（ａ）と加熱直後の拡大写真（ｂ）、 同上のペレットの拡大断面写真、 同上の他の実施例のペレットの拡大断面写真。

本発明の繊維強化複合成形材料の製造方法は、ロックミシンのメローミシンに炭素繊維束を供給して熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸の上糸と下糸をかがり縫いの巻縫い掛合して形成した複合繊維糸を利用する繊維強化複合編物材料の製造方法であって、上記炭素繊維束に熱可塑性の合成繊維糸を引き揃えて熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維糸を形成し、この巻縫いした複合繊維糸を内径を出口に近くなる程小さく形成したテーパー状の管状炉の加熱炉に挿入して加熱して熱可塑性の合成繊維糸を溶融して炭素繊維束に一体的に接合し、この一体的に接合した複合繊維糸を所定の長さに切断することを特徴としている。

複合繊維糸１は、図１のようにオーバーロックやロックミシンのメローミシン２を利用してマルチフィラメントを束ねた炭素繊維束３の１束ないし複数束をこれらの張力を変化させてメローミシン２に供給し、図２（ａ）のように炭素繊維束３に熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸４を必要により張力を変化させて巻縫い掛合して形成するようにしている。

マルチフィラメントを束ねた炭素繊維束３は、ポリアクリロニトリルのＰＡＮ系の炭素繊維や石油ピッチのピッチ系の炭素繊維などが利用でき、ＰＡＮ系は樹脂をマトリックスとする複合材料として優れた特性を有するので、特に軽量構造用に適する。炭素繊維束３のフィラメントは、直径が約７〜１０μｍといった極細であり、これらのフィラメントを上記したように１０００〜１２０００本を束ねて０．数ｍｍ〜１ｍｍ位の太さとし、その際毛羽の発生を防止するのに少量の樹脂をコーティングするサイジング処理をしている。

炭素繊維束３は、１束毎等の所定量に掛合糸４を巻縫い掛合できるが、３〜７束、好ましくは３〜５束等の複数束毎に掛合糸５を巻縫い掛合するのが、複合繊維束糸１を太状ないし嵩高にできるものである。炭素繊維束３は、１束や３芯状、さらにこれらの外周部に軸対称に二重、三重状に配設することができる。

炭素繊維束３には、図２（ｂ）のように１００〜１２００デニールの所定径のナイロン、ポリプロピレンやポリエステルを含む熱可塑性の合成繊維糸の引き揃え糸５を引き揃えて、整列状やランダム状に３〜１０本程の適宜数挿入することができる。引き揃えて挿入する熱可塑性の合成繊維糸の引き揃え糸５としては、ナイロン、ポリエステルが安価で、加熱溶融も容易で好ましい。熱可塑性の合成繊維糸の引き揃え糸５を引き揃えることによって、強化繊維と樹脂の比率を容易に自在に調整できて樹脂の含浸性を向上でき、強度のある繊維強化複合成形材料を得るようにできる。

掛合糸４は、ナイロンやポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレンを含む熱可塑性の合成繊維糸の縫合糸が使用でき、０．１〜１０デニールの極細のものが嵩高とならずに掛合できて蜜な織物に形成できるが、太状や嵩高状の炭素繊維束３のものでは必要により１００〜３５０デニールの適宜の太さの糸を使用することができる。また、掛合糸４は、メローミシン２に供給して１〜５ｍｍピッチで炭素繊維束３、引き揃え糸５に係合していくのが好ましく、かつ炭素繊維束３がばらけたり、毛羽だったり、剥がれたりするのを有効に防止できて好ましい。熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸４の巻縫いのピッチを変えることで、容易に樹脂含有量を調整できて、糸の構造的な特徴を生かした所定の樹脂含有量の繊維強化複合成形材料を得ることができる。

複合繊維糸１は、上記のようにメローミシン２の縫合機構により作製され、縫製個所において各糸は複合化されて１本の複合繊維糸となるが、炭素繊維束３、引き揃え糸５、掛合糸４の張力を適宜に調整することにより、炭素繊維束３、引き揃え糸５にうねりを与えることもできて複合繊維糸１を作製することができる。本発明の趣旨の範囲で炭素繊維束３、掛合糸４、引き揃え糸５は、対象物によって適宜の太さ、適宜の数とすることができる。

このように炭素繊維束３の１束ないし複数束とナイロンやポリエステル等の熱可塑性の合成繊維糸の引き揃え糸５を引き揃えて掛合糸５で掛合し、メローミシン２の搖動昇降するミシン針のナイロンやポリエステル等の熱可塑性の合成繊維糸の針糸に掛合糸４と同一のナイロンやポリエステル等の熱可塑性の合成繊維糸の上糸、下糸をかがり縫いして巻縫いするなどによって複合繊維束糸１を得ることができる。

このように作製した複合繊維糸１は、図４のように加熱炉６に挿入して加熱処理し、合成繊維糸の引き揃え糸５、掛合糸４を炭素繊維束３に含浸して一体化する。複合繊維糸１の加熱炉６への挿入は、メローミシン２から直接に加熱炉６へ挿入したり、一旦、糸管に巻き取り、その糸を加熱炉６へ挿入して行うことができる。後者の方が、作業性の良さや加熱条件などを設定することが容易できて好ましい。

加熱炉６の設定温度は、熱可塑性樹脂糸の融点よりも３０〜５０度以上高温とし、このことで熱可塑性樹脂糸である引き揃え糸５および掛合糸４を連続的に溶融して複合繊維糸１を作製できる。加熱効果を向上させるため、加熱炉６の管状炉の加熱部は、図５に示すように金属製パイプの内側に密着した樹脂製チューブ７を設け、その中を複合繊維糸１を通過させることが好ましい。なお、樹脂製チューブ７は、テフロン（登録商標）およびシリコーンなどの耐熱性と低摩擦性のチューブを用いることができ、これらのチューブを用いることで、溶融した樹脂がチューブ内部に付着することなく、安定して連続加熱できる。

樹脂の溶融と含浸を高めるために、加熱炉６は内径ｄを出口に近いほど小さくするのが好ましく、図６のように内径ｄがｄ３＞ｄ２＞ｄ１の複数の管状炉を接合して用いることもできる。内径ｄを出口に近いほど小さくすることにより、溶融した熱可塑性樹脂が材料内部へ含浸しやすくなる。なお、最初の管状炉の内径ｄは、複合繊維糸１の見掛けの直径と同等程度とし、出口の管状炉の内径ｄは最初の内径ｄの５０〜８０％程度とするのが好ましい。図６の加熱炉６の場合は、樹脂製チューブ７の初めのテフロン（登録商標）チューブは、内径１．５〜３ｍｍのものを用いた。このように内径を入口よりも出口側が小さくなったテーパー状のチューブを用いることで、上記したように樹脂の含浸性が向上できる。

また、上記加熱炉６をマイクロ波加熱のものとすると、複合繊維糸１の炭素繊維束３をマイクロ波で加熱できて、複合繊維糸１中の炭素繊維束３を発熱でき、迅速に樹脂を溶融できて複合繊維糸１に一体的に含浸することができる。

このように加熱炉６に挿入して加熱溶融した複合繊維糸１は、自然冷却や乾燥空気および冷風などで溶融した樹脂を固め、熱可塑性樹脂が固まった複合繊維糸１をストランドカッターなどで数ｍｍ〜数ｍの長さに切断できる。数ｍｍから十数ｍｍ程度の長さで切断すると、図７のようにペレットを作製できる。十数ｍｍから数ｍの程度の長さで切断すると、図８のように長尺の成形材料を作製できる。

従来では、熱可塑性樹脂の溶融と塗布する装置が必要であった。また、樹脂の含浸性向上のため、含浸前に炭素繊維を開繊するなどして実施しているため、装置コストも高価であった。しかし、本発明では、上記のように簡易かつ小型の装置での製造ができ、また少量からの製造が可能で、製造コストを安価にでき、試作開発等のための多品種小ロット生産へも容易に対応できる。

また、従来では、熱可塑性樹脂を溶融した状態で強化繊維へ含浸させるため、付着量の制御が難しい。しかし、本発明では、強化繊維と繊維状の熱可塑性樹脂の複合繊維糸から作製するため、上記のように強化繊維糸と樹脂繊維糸を引き揃えたり、掛合することで、強化繊維と樹脂の比率を簡単に正確に調整できる。したがって、比率変更の容易さや繊維化可能な樹脂であれば、素材変更も簡単である。

さらに、樹脂の含浸性が低いと、例えば、切断工程で樹脂部と繊維が分離したり、運搬中に樹脂と繊維が分離したり、表面に繊維が多く存在する場合、射出成形時、繊維が絡んでしまって、繊維が均一に分散しない。また、繊維の損傷を多く受け、繊維が折れて繊維長が短くなる。その結果、強度不足となる。

しかし、本発明では、強化繊維束３と並べた熱可塑性樹脂糸の引き揃え糸５および掛合糸４の溶融で、樹脂の高い含浸性を実現できる。そして、上記のとおり管状の加熱炉６の内径を変化させることで、複合繊維糸１へ周囲から押さえつけられる力が働き、溶融した樹脂が内側へ入り込むようにできる。また、複合繊維糸１を加熱炉６で加熱すると、その初期に熱可塑性樹脂糸が収縮して、炭素繊維束３を広げ、表面積を増加させる。その結果、樹脂の含浸性が向上する。複合繊維糸１の加熱（300 ℃）前と直後の状態は、図９（ａ）、（ｂ）である。炭素繊維の見掛けの太さが増加し、開繊する。

１２Ｋ（φ７μｍ）の炭素繊維束３に８４０Ｄのマルチフィラメントのナイロン６の引き揃え糸５を引き揃えてメローミシン２に供給し、３本の３１５Ｄのモノフィラメントのナイロン６の掛合糸４を掛合して複合繊維糸１を作製した。作製した複合繊維糸１は、糸管に巻き取り、内部に設置したテフロン（登録商標）の樹脂製チューブ７の内径が３ｍｍと２ｍｍの２つの管状の加熱炉６の加熱部を通して、引き揃え糸５および掛合糸４を溶融含浸させた。テフロン（登録商標）の樹脂製チューブ１１の出口側の内径が２ｍｍと１．５ｍｍである。なお、加熱炉６は、両方とも２６０℃に温度設定した。

加熱炉６から引き出された加熱溶融した複合繊維糸１は、自然冷却後、図７のように約１０ｍｍピッチで切断した。複合繊維糸の通過速度は、約２ｍｍ／分である。自然冷却後の束状の加熱溶融した複合繊維糸１を切断したペレットの断面を図１０（ａ）、（ｂ）に示す。図１０（ａ）、（ｂ）のように炭素繊維束３がコの字の形に変形し、その内部に樹脂が存在している。ペレットの外側は、完全に樹脂により覆われており、炭素繊維束３が外側には現れていない。また、複合繊維糸１の加熱（300 ℃）前と直後の状態は図９（ａ）、（ｂ）に示すように、炭素繊維の見掛けの太さが増加しており、開繊していることが確認できる。

それは、加熱初期における掛合糸４と引き揃え糸５の熱収縮に伴い、炭素繊維束３が開繊したためである。炭素繊維束３が広がることで、射出成形時の繊維の樹脂内の分散性向上と繊維同士の絡み防止が期待できる。また、加熱炉６内のテフロン（登録商標）の樹脂製チューブ７の内径を変化させることで、どちらも直接熱が複合繊維糸１に付与でき、溶融した樹脂の糸内部への含浸、炭素繊維束３のペレット表面への露出防止などの効果があった。

つぎに、３Ｋ（φ７μｍ）の炭素繊維束３に６本の３００Ｄのモノフィラメントのポリエステル糸（ＰＥＴ共重合）の引き揃え糸５を引き揃えてメローミシン２に供給し、３本の３００Ｄのモノフィラメントのポリエステル糸（ＰＥＴ共重合）の掛合糸４を５回／インチのピッチで掛合して複合繊維糸１を作製した。さらに、作製した３本の複合繊維糸１をメローミシン２での作製時の強化繊維と引き揃え糸の替わりに挿入し、同時に３００Ｄのポリエステル糸で覆って複合繊維糸１を作製した。

作製した複合繊維糸１は、上記と同様に糸管に巻き取り、内部に設置したテフロンの樹脂製チューブ７の内径が３ｍｍと２ｍｍの２つの管状の加熱炉６の加熱部を通して、引き揃え糸５および掛合糸４を溶融含浸させた。なお、加熱炉６は、両方とも３００℃に温度設定した。

加熱炉６から引き出された加熱溶融した複合繊維糸１は、自然冷却後、約１０ｍｍピッチで切断した。複合繊維糸の通過速度は、約２ｍｍ／分である。図１１（ａ）、（ｂ）に作製したペレットの断面を示す。３本の複合繊維糸１から作製しているため、３本の炭素繊維束３による３カ所に炭素繊維束が確認できる。束状であるが、繊維が一定間隔で分散されており、射出成形時の繊維の分散性向上が期待できる。ペレットの内部には樹脂が存在し、その表面は、樹脂にほぼ覆われている。そのため、ペレット作製の切断工程での繊維と樹脂の分離や射出成形時の繊維の絡みなどのトラブルを防止することができる。

上記では、ペレットについて説明したが、長尺に切断する成形材料についても同様である。

本発明は、従来の金属や樹脂の成形品に代替して利用できるもので、機械部品、ＦＲＰやＣＦＲＰと同様に自動車のボディ、バンパーやそれらの部品、ボートやヨットの船のボディやそれらの部品、列車のボディやそれらの部品、スポーツ分野のテニスラケット、ゴルフのクラブシャフト、ヘッド、スキー板、スノーボート、日用品のヘルメット、安全靴、アタッシュケース、ＯＡ分野のパソコンや携帯電話などのケースや部品、土木、建築分野の補強材、ＴＶ、医療機器、レーザー装置、軍用のヘルメットや防弾チョッキ、その他の用途の軽量、高い強度を必要とする物品に広く利用することができる。

１…複合繊維糸 ２…メローミシン ３…炭素繊維束 ４…掛合糸
５…引き揃え糸 ６…加熱炉

特開２００１−１２９８２７号公報 特開２００９−２６３４８２号公報 特開２０１０−１２１２５０号公報

Claims (6)

1. ロックミシンのメローミシンに炭素繊維束を供給して熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸の上糸と下糸をかがり縫いの巻縫い掛合して形成した複合繊維糸を利用する繊維強化複合編物材料の製造方法であって、
   上記炭素繊維束に熱可塑性の合成繊維糸を引き揃えて熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維糸を形成し、この巻縫いした複合繊維糸を内径を出口に近くなる程小さく形成したテーパー状の管状炉の加熱炉に挿入して加熱して熱可塑性の合成繊維糸を溶融して炭素繊維束に一体的に接合し、この一体的に接合した複合繊維糸を所定の長さに切断することを特徴とする繊維強化複合成形材料の製造方法。
2. マルチフィラメントを束ねた炭素繊維束の１束ないし複数束とナイロンやポリプロピレン、ポリエステルを含む熱可塑性の合成繊維糸を引き揃えて熱可塑性の合成繊維糸の掛合糸を巻縫い掛合して複合繊維糸とする請求項１に記載の繊維強化成形材料の製造方法。
3. 管状炉の加熱炉を、出口側の内径を入口側の内径の５０〜８０％のテーパー状とした請求項１に記載の繊維強化複合材料の製造方法。
4. 加熱溶融して一体的に接合した複合繊維糸を数ｍｍ〜十数ｍｍの長さのペレット状に切断する請求項１ないし３のいずれかに記載の繊維強化複合成形材料の製造方法。
5. 加熱溶融して一体的に接合した複合繊維糸を数十ｃｍ〜数ｍの長さに切断する請求項１ないし３のいずれかに記載の繊維強化複合成形材料の製造方法。
6. 加熱炉をマイクロ波加熱のものとして複合繊維糸の炭素繊維束を加熱し、熱可塑性の合成繊維糸を溶融して炭素繊維束に一体的に接合して複合繊維糸とする請求項１ないし５のいずれかに記載の繊維強化複合成形材料の製造方法。