JP7300698B2

JP7300698B2 - プリプレグの製造方法及び製造装置

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Publication number: JP7300698B2
Application number: JP2018177788A
Authority: JP
Inventors: 寿秀菅原; 広明小林; 史武小林
Original assignee: 丸八株式会社
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2023-06-30
Anticipated expiration: 2038-09-21
Also published as: JP2020050685A

Description

本発明は、所定の方向に平行に延在する複数の強化繊維を熱可塑性樹脂シートに侵入させて一体化したプリプレグの製造方法及び製造装置に関し、特に、複数の強化繊維の平行度がその延在方向に対して均一に維持されたプリプレグの製造方法及び製造装置に関する。

従来、例えば自動車や航空機等の構造材料に適用するための繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）材料として、強化繊維に熱可塑性樹脂マトリックス材料を予め含侵させて半固形状態とした、いわゆるプリプレグが広く用いられている。このようなプリプレグを製造する手法として、繊維基材とシート状に加工した樹脂フィルムとを積層して高温・高圧でプレスするフィルムスタッキング（ＦＳ）法が知られている。

例えば、特許文献１では、開繊繊維シートを拡展状態で送り出す繊維束引取部と、この繊維束引取部から拡展状態に送り出される開繊繊維シートに対して熱可塑性樹脂シートを供給して上記繊維束引取部から送り出される開繊繊維シートに合わせて合流させ、当該開繊繊維シートの表面に熱可塑性樹脂シートを重ね合わせる樹脂シート供給部と、開繊繊維シートに重ね合わされた熱可塑性樹脂シートを熱溶融させ、溶融した熱可塑性樹脂を各繊維の間に含侵させてプリプレグシートに成形する樹脂加熱融合機構部と、を包含する開繊繊維シートの熱可塑性樹脂含侵装置及び当該装置を用いて熱可塑性樹脂含侵プリプレグシートを製造する方法が開示されている。この含侵装置においては、開繊繊維シート及び熱可塑性樹脂シートが、繊維束供給機構及び樹脂シート供給部からそれぞれ連続的に一対の押圧ロール間に供給され、当該押圧ロール間で開繊繊維シートと熱可塑性樹脂シートとが重ね合わされて積層体とされる。その後、上記積層体が樹脂加熱融合機構部に間欠的に送られ、当該樹脂加熱融合機構部の内部で加熱プレスが施されて開繊繊維シートの間に樹脂が均等に含侵されるようになっている。

また、特許文献２では、開繊される複数の強化繊維束を供給する第１の供給ローラと、強化繊維束の含侵される樹脂フィルムを供給する第２の供給ローラと、上記強化繊維束に超音波振動を印加する機構と、重ね合わされた複数の強化繊維束及び樹脂フィルムを加熱及び加圧する含侵装置と、を備えたプリプレグ製造装置が開示されている。この装置においては、供給される複数の強化繊維束に超音波振動を付与した後、内部に加熱機構及び冷却機構を備えた含侵装置により加熱・加圧されることにより、樹脂が繊維に含侵される構成となっている。

特開２００５－２９９１２号公報特開２０１６－１３０３７３号公報

一方向に延在する繊維を含ませて強化されたプラスチックにおいては、その含まれる繊維が均一に方向が揃っている（すなわち「整列度」が高い）方がより延在方向に対する強度が高くなる。しかしながら、特許文献１に記載された装置では、重ね合わされた開繊繊維シート及び樹脂シートが、樹脂加熱融合機構部に「間欠的に」送られて加熱プレスされる構成であるため、加熱プレス時に開繊繊維シートの繊維が加圧力によってずれることがあり、複数の繊維の間隔が不均一になったりあるいは隣り合う繊維が重なり合ってしまい、整列度が低下する場合等が考えられる。一方、特許文献２に記載された装置では、含侵装置に送られる前の複数の強化繊維束に対して、約１５～６０ｋＨｚの周波数でその延在方向と直交する方向に超音波振動が付与されることにより、強化繊維束の幅が広がって厚みが小さくなることが記載されており（例えば、引用文献２の図３等参照）、やはり隣り合う繊維の間隔が不均一になったりあるいは重なり合って整列度が低下する事象は避けられない。

また、特許文献１及び２に記載された装置においては、樹脂シートの樹脂がいったん溶融して強化繊維の間に「含侵」されるものであるため、含侵前に樹脂シートとして供給されたとしても、含侵時に溶融することにより形状安定性が低下する。また、いったん溶融することから、樹脂シートとしての性質が含侵の前後で変化することが避けられない。

本発明は以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、樹脂マトリックスに含まれる複数の強化繊維の整列度を高めるとともに、強化繊維との一体化の前後で樹脂マトリックスの性質変化を抑制し得るプリプレグの製造方法及び製造装置を提供することにある。

本発明による、所定の方向に平行に延在する複数の強化繊維を熱可塑性樹脂シートに侵入させて一体化したプリプレグの製造方法は、前記複数の強化繊維を前記熱可塑性樹脂シートと一体化させる際に、前記複数の強化繊維に対して前記所定の方向の張力を負荷しつつ行うこと、を特徴とする。このとき、前記複数の強化繊維及び前記熱可塑性樹脂シートは、一体化時にいずれも前記所定の方向に連続的に供給されるように構成されてもよい。

また、本発明による、所定の方向に平行に延在する複数の強化繊維を熱可塑性樹脂シートに侵入させて一体化したプリプレグの製造装置は、前記複数の強化繊維を供給する繊維供給機構と、前記熱可塑性樹脂シートを供給するシート供給機構と、前記複数の強化繊維を前記熱可塑性樹脂シートに侵入させて一体化する一体化機構と、を備え、前記繊維供給機構は、前記複数の強化繊維に対して前記所定の方向に張力を負荷する機能を有する、ことを特徴とする。このとき、前記繊維供給機構は、前記複数の強化繊維をそれぞれ巻き出す繊維巻出機構と、前記繊維巻出機構から巻き出された前記複数の強化繊維を前記一体化機構に導く繊維ガイド機構と、を備えるように構成してもよい。

かかる発明によれば、熱可塑性樹脂シートと一体化される際に、複数の強化繊維に対してその延在方向に張力が負荷されるため、これら複数の強化繊維が熱可塑性樹脂シートあるいは加工治具等に接触したとしても、各繊維間の位置関係が張力により保持されることとなり、強化繊維の整列度が均一に維持される。また、樹脂が溶融して繊維の間に「含侵」するものではなく、強化繊維が熱可塑性樹脂に「侵入」する態様で一体化するため、強化繊維との一体化の前後で樹脂マトリックスの性質変化を抑制し得るのである。

本発明の製造方法によって製造されたプリプレグの概要を示す部分斜視図である。本発明の第１の実施例によるプリプレグの製造方法の概要を示す側面図である。本発明の第２の実施例によるプリプレグの製造装置の概略を示す断面図である。図３に示した案内機構の要部の概要を示す部分断面図である。

以下、本発明の１つの実施例としてのプリプレグの製造装置、及びこれを用いた製造方法について、図１乃至図４を用いて説明する。

図１は、本発明の製造方法によって製造されたプリプレグの概要を示す部分斜視図である。図１に示すように、プリプレグ１０は、熱可塑性樹脂シート１２の内部に複数の強化繊維１４が一方向Ｘに延在するように侵入する態様で構成されている。

本発明に適用される熱可塑性樹脂シート１２は、用途に合わせて所定の幅や厚みに予め成形されたシート状の部材であって、例えばポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリウレタン（ＰＵＲ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等の汎用の樹脂材料が例示できる。一方、強化繊維１４は、例えばＰＡＮ系あるいはピッチ系等の汎用の炭素繊維を束として形成したものが例示できる。ここで、図１では、複数の強化繊維１４がＸ方向に所定の間隔をおいて整列されたものを例示しているが、均一な整列度を確保しているものであれば、隣り合う強化繊維１４が互いに接触している状態も含み得る。

図２は、本発明の第１の実施例によるプリプレグの製造方法の概要を示す側面図であって、図２（ａ）は強化繊維準備工程の状態を示し、図２（ｂ）は積層工程の状態を示し、図２（ｃ）は一体化工程の状態を示し、図２（ｄ）は製造後のプリプレグを示す。実施例１によるプリプレグの製造方法においては、図２（ａ）に示すように、まず下型１２０の上側に、複数の強化繊維１４をＸ方向（図２（ｄ）参照）に沿って配置する（強化繊維準備工程）。このとき、強化繊維１４の一端を一端側クランプ１１０で保持し、他端を他端側クランプ１１２で保持した状態で、両クランプを互いの距離がＸ方向に離間するように移動させることにより、強化繊維１４にＸ方向の張力Ｔ１を負荷する。

次に、図２（ｂ）に示すように、下型１２０上で上記複数の強化繊維１４を挟んで重なり合うように、熱可塑性樹脂マトリックスからなる下側シート１２ａと上側シート１２ｂとを積層配置する（積層工程）。続いて、図２（ｃ）に示すように、上側シート１２ｂの上方に上型１２２を配置し、下型１２０及び上型１２２で積層された下側シート１２ａと強化繊維１４と上側シート１２ｂとを加熱しつつ加圧力Ｐを負荷してプレスすることにより一体化する（一体化工程）。このとき、強化繊維１４には、一端側クランプ１１０と他端側クランプ１１２とにより張力Ｔ１が付与された状態を維持する。このような動作により、張力を負荷された状態で位置決めされた複数の強化繊維１４が、加熱により半溶融状態となった下側シート１２ａ及び上側シート１２ｂのそれぞれ対向面側から内部に「侵入」（すなわち「表面から入り込む」）する態様で一体化する。そして、図２（ｄ）に示すように、加熱及び加圧から解放されると、熱可塑性樹脂シート１２の内部に複数の強化繊維１４がＸ方向に延在するプリプレグ１０が形成される。

以上に述べた本発明の第１の実施例によるプリプレグの製造方法によれば、複数の強化繊維１４にＸ方向の張力Ｔ１を負荷した状態を維持しつつ加熱プレスを行うことにより、強化繊維１４の整列度を均一に確保することができる。また、複数の強化繊維１４に張力Ｔ１を負荷する一端側クランプ１１０と他端側クランプ１１２とが、積層された下側樹脂シート１２ａと上側樹脂シート１２ｂを加熱プレスする下型１２０及び上型１２２と独立した構成となっているため、半溶融状態の樹脂シート１２ａ及び１２ｂを加圧する際に、強化繊維１４が変位あるいは変形して整列度が低下するのを抑制できる。さらに、樹脂シート１２ａ及び１２ｂを完全に溶融した状態に加熱する必要がないため、一体化の前後で樹脂シート１２ａ及び１２ｂの形状や材質を維持することも可能となる。

図３は、本発明の第２の実施例によるプリプレグの製造装置の概略を示す断面図である。なお、図３に示す断面図は、第２の実施例によるプリプレグの製造装置における製造後のプリプレグの送給方向に沿った断面に対して、当該断面に直交する側方からみた図を示している。図３に示すように、第２の実施例によるプリプレグの製造装置２００は、熱可塑性樹脂マトリックスからなる樹脂シート１２と複数の強化繊維１４とを連続的に供給する供給機構２１０と、当該供給機構２１０から送られてきた樹脂シート１２及び強化繊維１４をプリプレグ１０として一体化する一体化機構２２０と、製造後のプリプレグ１０を巻き取って回収する回収機構２３０と、を備える。

供給機構２１０は、複数の強化繊維１４を巻き付けた状態で保持するとともに、連続的に巻き出して供給する第１のリール２１２と、樹脂シート１４を巻き付けた状態で保持するとともに、連続的に巻き出して供給する第２のリール２１４と、前記第１のリール２１２の下流側に配置され、上記複数の強化繊維１４を案内しつつさらに下流側に位置する一体化機構２２０に供給する案内機構２１６と、を含む。ここで、図３においては、図示を容易にするために第１のリール２１２が１つだけ設けられている場合を例示しているが、複数の強化繊維１４の送給本数に応じて複数の第１のリール２１２を設け、それぞれのリールから案内機構２１６に供給されるように構成してもよい。また、第２のリール２１４についても、連続的に供給される強化繊維１４に対して上方から供給する場合を例示しているが、当該第２のリールを下方に配置したり、あるいは上下両方から２枚の樹脂シートを連続的に供給するように構成してもよい。なお、案内機構２１６の詳細については後述する。そして、図３に示す第１のリール２１２及び案内機構２１６により繊維供給機構が形成され、第２のリール２１４と一体化機構２２０との間でシート供給機構が形成される。

一体化機構２２０は、本体部２２２と、当該本体部２２２の側面に回動自在に取り付けられた一対の加圧ローラー２２３ａ及び２２３ｂと、を含む。一対の加圧ローラー２２３ａ及び２２３ｂは、互いの中心距離が接近あるいは離反できるように本体部２２２に取り付けられている。これにより、一体化機構２２０は、送られてくる樹脂シート１２の任意の厚さに対応できるとともに、樹脂シート１２と強化繊維１４とを一体化する際の加圧力を付与する機能を有する。また、第２の実施例における一態様として、一対の加圧ローラー２２３ａ及び２２３ｂは、内部にヒーター等の加熱手段を備えており、樹脂シート１２を加圧すると同時に必要な加熱を行い、一体化工程において強化繊維１４が内部に容易に侵入できる程度に樹脂シート１２を軟化させる機能を有している。なお、樹脂シート１２を加熱する加熱手段は、樹脂シート１２が一対の加圧ローラー２２３ａ及び２２３ｂに挟持される時点で十分に加熱されていればよいため、第２のリール２１４や、あるいは第２のリール２１４から一体化機構２２０に至る搬送路の途中に配置するように構成してもよい。

回収機構２３０は、一体化機構２２０で製造されて連続的に送られてくるプリプレグ１０を巻き付けて保持する回収リール２３２と、上記一体化機構２２０及び回収リール２３２の間に配置されたバッファ部２３４と、当該バッファ部２３４の側面に設けられた第１乃至第３の搬送ローラー２３５ａ乃至２３５ｃと、を含む。第２の実施例において、第１及び第２の搬送ローラー２３４ａ及び２３５ｂは、一体化機構２２０から送られてくるプリプレグ１０を上下から挟むように配置されている。一方、第３の搬送ローラー２３５ｃは、第１及び第２の搬送ローラー２３５ａ及び２３５ｂの下流側に配置され、回収リール２３２に向けてプリプレグ１０の搬送方向を転換するために配置されている。そして、これら第１乃至第３の搬送ローラー２３５ａ乃至２３５ｃにより、プリプレグ１０の搬送路が形成される。ここで、第３の搬送ローラー２３５ｃは、バッファ部２３４に対する回収リール２３２の高さ等の位置に応じて設けられるものであり、特に必要でなければ設けなくてもよい。

図４は、図３に示した案内機構の要部の概要を示す部分断面図である。第２の実施例において、供給機構２１０に設けられた案内機構２１６は、方向転換ローラー２１６ａと、当該方向転換ローラー２１６ａの下流側に配置された張力付与機構２１７と、がそれぞれ側面に設けられている。張力付与機構２１７は、上下に一対で配置された案内ローラー２１７ａ及び２１７ｂを含む。そして、これら方向転換ローラー２１６ａと第１及び第２の案内ローラー２１７ａ及び２１７ｂにより、強化繊維１４の搬送路が形成される。なお、上述のとおり、複数の強化繊維１４に対して複数の第１のリール２１２を設けた場合、これに対応する方向転換ローラー２１６ａも複数配置されるのが好ましい。

また、図４に示すように、方向転換ローラー２１６ａは、一対の案内ローラー２１７ａ及び２１７ｂから一体化機構２２０へ至る強化繊維１４の搬送路に対して、敢えてその搬送方向を屈曲させるように、張力付与機構２１７の下側に配置されている。一方、図４に示すように、張力付与機構２１７は、一対の案内ローラー２１７ａ及び２１７ｂを含む全体が、案内機構２１６の本体に対して、左右方向Ｙ（すなわち、図４に示す搬送方向Ｆ）に相対的に平行移動できるような構造を備えている。これにより、第１のリール２１２から送られて方向転換ローラー２１６ａから搬送された強化繊維１４は、一対の案内ローラー２１７ａ及び２１７ｂで挟持される際に案内ローラー２１７ａで屈曲するようにして搬送される。このとき、張力付与機構２１７が一体化機構２２０に対して離間する方向（図４の矢印Ｙの方向）に移動することにより、強化繊維１４には、搬送方向Ｆに対して反対方向の張力Ｔ２が負荷される。

次に、図３及び図４を参照して、本発明の第２の実施例によるプリプレグの製造方法の概略を説明する。まず、図３及び図４に示すように、供給機構２２０において、複数の強化繊維１４を第１のリール２１２から案内機構２１６に巻き出して供給し、案内機構２１６の張力付与機構２１７を介して一体化機構２２０の一対の加圧ローラー２２３ａ及び２２３ｂに供給する（強化繊維準備工程）。これと同時に、樹脂シート１２を第２のリール２１４から巻き出して一対の加圧ローラー２２３ａ及び２２３ｂに供給する（積層工程）。

続いて、一対の加圧ローラー２２３ａ及び２２３ｂの間に挟持された樹脂シート１２及び強化繊維１４は、樹脂シート１２が所定の温度まで加熱されて軟化した状態で加圧される。このとき、連続的に供給される強化繊維１４は、一対の加圧ローラー２２３ａ及び２２３ｂで挟持されるとともに、上述した張力付与機構２１７が駆動することにより、搬送方向Ｆと反対方向に張力Ｔ２が負荷された状態を維持する。これにより、張力を負荷された状態で位置決めされた複数の強化繊維１４が、加熱により半溶融状態となった樹脂シート１２の表面から内部に「侵入」する態様で一体化する（一体化工程）。そして、一体化機構２２０を通過したプリプレグ１０は、回収機構２３０のバッファ部２３４を介して回収リール２３２に巻き取られて回収される。

以上に述べた本発明の第２の実施例によるプリプレグの製造方法及び製造装置によれば、連続的に供給される複数の強化繊維１４にＸ方向の張力Ｔ２を負荷した状態を維持しつつ、樹脂シート１２との一体化工程を実施するため、第１の実施例と同様に、強化繊維１４の整列度を均一に確保しつつプリプレグを連続的に形成することができる。また、樹脂シート１２を短時間で加熱及び加圧するため、一体化の前後で樹脂シート１２の形状や材質を維持しつつ、連続的なプリプレグの製造が可能となる。

ここまで本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれらの例に限定されるものではない。また、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

１０プリプレグ
１２樹脂シート
１４強化繊維
１１０一端側クランプ
１１２他端側クランプ
１２０下型
１２２上型
２１０供給機構
２１２第１のリール
２１４第２のリール
２１６案内機構
２１７張力付与機構
２２０一体化機構
２３０回収機構
２３２回収リール
２３４バッファ部

Claims

熱可塑性樹脂シートの長手方向に互いに平行に延在するように複数の強化繊維を該熱可塑性樹脂シートの内部に与えたプリプレグの製造方法であって、
一対の加圧ローラーの間に半溶融状態とした前記熱可塑性樹脂シート及び互いに平行に延在させた前記複数の強化繊維を重ねて連続的に供給し前記複数の強化繊維を前記熱可塑性樹脂シートの表面から内部に侵入させて一体化させる際に、互いに平行に延在させた前記複数の強化繊維を前記一対の加圧ローラーの上流で一対の案内ローラーの間に挟持させつつ前記一対の加圧ローラーから離間する方向に移動させて張力を負荷しつつ一体化させること、を特徴とするプリプレグの製造方法。
前記複数の強化繊維を前記一対の案内ローラーのうちの一方で屈曲させ挟持させること、を特徴とする請求項１に記載のプリプレグの製造方法。
熱可塑性樹脂シートの長手方向に互いに平行に延在するように複数の強化繊維を該熱可塑性樹脂シートの内部に与えたプリプレグの製造装置であって、
前記複数の強化繊維を供給する繊維供給機構と、前記熱可塑性樹脂シートを供給するシート供給機構と、前記複数の強化繊維を前記熱可塑性樹脂シートの表面から内部に侵入させて一体化する一体化機構と、を備え、
前記一体化機構は一対の加圧ローラーを含み、前記一対の加圧ローラーの間に、前記シート供給機構及び前記繊維供給機構からそれぞれ前記熱可塑性樹脂シート及び互いに平行に延在させた前記複数の強化繊維を重ねて連続的に供給され、前記複数の強化繊維を半溶融状態とした前記熱可塑性樹脂シートの表面から内部に侵入させて一体化させ、
前記繊維供給機構は、互いに平行に延在させた前記複数の強化繊維を前記一対の加圧ローラーの上流で挟持する一対の案内ローラーを含み、前記一対の案内ローラーを前記一対の加圧ローラーから離間する方向に移動させて互いに平行に延在させた前記複数の強化繊維に張力を負荷し前記一体化機構で前記熱可塑性樹脂シート及び互いに平行に延在させた前記複数の強化繊維を一体化させる、ことを特徴とするプリプレグの製造装置。
前記繊維供給機構は、前記複数の強化繊維をそれぞれ巻き出す繊維巻出機構と、前記繊維巻出機構から巻き出された前記複数の強化繊維を前記一対の案内ローラーのうちの一方で屈曲させ挟持させる方向転換ローラーと、を備える、ことを特徴とする請求項３に記載のプリプレグの製造装置。