JPH0580330B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は強化繊維を含浸させる方法に関する。
特に、本発明は合成樹脂で強化繊維糸又はトウを
含浸させるための溶媒を用いない方法及び樹脂含
浸トウを造る装置に関する。

樹脂マトリツクス中に埋められた強化繊維から
成る複合材はよく知られている。有機及び無機繊
維とも別々にあるいは組合せて、その様な複合材
を作るのに用いられうる。ヤーン、トウ、ロービ
ング、テープ、そしてモノフイラメントの形でさ
え織つた布や連続繊維ストランドは、この様な場
合の応用例に有効であり、又、切断された繊維に
基ずいた、広く種々の類似の複合材が成型された
品々を作るのに用いられている。複合材を作るた
めの一般的に用いられる方法の１つは硬化できる
樹脂で前もつて含浸された、平らなテープあるい
はリボンの形で連続繊維ストランドを使う。一般
に、繊維ストランドを含浸させるのに現在使われ
る方法は低粘度液状樹脂、あるいは更に高粘度の
液状樹脂や固体ポリマーの溶液及び分散液を用い
る湿式方法である。湿式方法は繊維束の更に完全
な浸透を確実にする傾向にあることが信頼されて
いる理由の一部である。湿式含浸されたストラン
ドは、直ちにフイラメント巻き取り操作に用いら
れようとも、あるいはその後の加工のためのプレ
プレグの形で保存されようとも、通常熱及び／又
は真空の適用によつて、残つた溶媒の様ないかな
る揮発性成分をもとり除くことが必要である。プ
レプレグ中で残つた溶媒、あるいは別の揮発性物
質のわずかな量の存在さえもが、次の硬化の段階
中に空所を作つたり、類似の欠陥をつくる傾向に
あり、複合材の完全性をおびやかす。熱硬化性樹
脂に於いては、硬化度を意味ある程に上げること
なくして、これらの揮発性物質をとり除くことは
困難である。

［従来の技術］ ストランド及びフイラメントの表面に溶融樹脂
を適用するメルト−コーテイング及び押出しコー
テイング工程は、針金やケーブル被覆工程によつ
て、並びにU.S.3874833に記載される様にラミネ
ーテイングウエブにコーテイングを適用するため
のカレンダーにかける操作によつて代表される様
に、よく知られている。コーテイング工程は、フ
イラメントやストランドへの含浸用途にも修正使
用されている。一般に熱せられても熱的に硬化し
ない様な熱可塑性樹脂がこれらの工程での使用に
好ましい。これらの方法及び装置の設計は、又例
えば米国特許No.4439387に示されたものを含めて、
熱可塑性樹脂マトリツクス中に直接ストランドを
埋込むのに役立て得る。熱硬化性樹脂マトリツク
ス中に埋められた繊維から成る、繊維強化された
構造の成形物は、引出し成形工程によりつくら
れ、その場合に繊維及び熱硬化性液体樹脂を一緒
にし、ダイを通して引つぱつてＩ−ビームチヤン
ネル、バー、ロツドの様な連続形状物品を与え
る。硬化は形成操作の間に熱的になされる。

近年、繊維樹脂含有量の調整を併つた、繊維ス
トランドに熱硬化性樹脂を高い割合で含浸させる
方法が知られるようになつた。例えば、米国特許
No.3908042に示される工程に於いては、樹脂は調
整された厚みの樹脂フイルムを運んでいる接触ロ
ールあるいはキスロールにより繊維ストランドの
各々の側に連続して適用される。ロールは加熱し
た樹脂浴中に部分的に浸され、それが回転すると
樹脂の表面皮膜が得られる。キスロールの表面上
の樹脂フイルムの厚さ、及びそれによつてストラ
ンドに適用される樹脂の量は繊維ストランドとの
接触点より先でロールと接触しているドクターブ
レードによつて調節されている。繊維ストランド
に用いられる樹脂の量を調節するための別の慣用
の方法は、ストランドが樹脂浴を出る時、ストラ
ンドから過剰の樹脂をぬぐい去るためのダイの使
用を含んでいる。例えば、米国特許No.4211818を
参照されたい。

［発明が解決しようとする問題点］ ワイピング（ぬぐいさる）操作によるストラン
ドから過剰の樹脂をとり除くことは一般に困難で
あり、そして非常に繊細でカーボンの様なもろい
場合が多い繊維から作られたストランドが使用さ
れる時には更に困難になる。毛羽あるいは毛玉と
よばれる様な半ぱな繊維がダイ表面で形成され、
蓄積する傾向にあり、又繊維ストランドをこわし
易い。更にキスロールによつて、あるいは樹脂浴
中の浸すかのいずれかで樹脂を適用することは、
実質的な量の樹脂が加熱され、高められた温度に
維持され、樹脂が進行したり、あるいは硬化する
可能性が増大することとなる。早すぎる硬化は、
増加した樹脂粘度により含浸をそこなうし、不完
全なかつ受け入れ難いプレプレグを造る。

均一かつ高い割合で、強化繊維糸（ヤーン）又
はトウを樹脂で含浸させる実用的方法は、それ故
に複合材産業に尚必要とされている。現在実施さ
れる溶媒を使うこと及び長い期間、熱硬化性樹脂
を熱することによつておこる問題点は減じるであ
ろうし、さけられるであろう。生じたプレプレグ
の樹脂含有量、品質、及び均一性に関してのより
正確な調整は本技術に於いて実質的な前進とな
る。

［問題を解決する手段］ 本発明は、含浸された強化繊維を調整するため
の改良方法及び装置であり、その場合、繊維スト
ランドは高い割合で加熱された溶媒のいらない熱
硬化性あるいは熱可塑性樹脂の調整された量でま
ず被覆することにより含浸され、次にストランド
に樹脂を十分に分配するよう操作され、次いで、
調整された前もつて決められた断面をもつテープ
あるいはバンドとして含浸された繊維ストランド
になるように冷やされる。樹脂の長い加熱時間が
さけられるし、繊維ストランド内での樹脂分配の
高い均一性が達成される。皮膜の薄さや樹脂含浸
の程度を調整する手段は、繊維の破損や毛羽の蓄
積に寄与することなく、広い範囲にわたり正確に
管理されうる。

本発明の実施に於いて用いられた装置は、操作
区域、含浸区域、及び冷却区域から成る。完全に
含浸させるラインは繊維の供給あるいはストラン
ドの支出の区域、樹脂配給システム、巻き付け区
域、及び適切な品質管理装置及び手段をも又含ん
でいる。

供給される繊維糸（ヤーン）又はトウは、一般
に横断面に於いてち密で円形である。ストランド
を均一に含浸させることは単にストランドの表面
あるいは外側の層を皮膜することより困難であ
る。本発明の実施にあたり、ストランドの繊維は
まずテープやバンドを形成するために横にひろげ
られ含浸させる段階で樹脂によりよく接近するこ
とができるように横断面が薄くされる。バンド
は、コーテイングホイールを使つて溶融樹脂で表
面を最初にコーテイングすることにより含浸され
る。各表面に使われる樹脂の量は、バンドの各表
面上に順々に溶融樹脂にドクターブレードをあて
ることにより調節される。被覆されたバンドは次
に、更に個々の繊維間に樹脂を押し込むためのこ
ねロールにより操作され、バンドに均一に樹脂を
分配する。樹脂で含浸したバンドは、次にストラ
ンドを更にひろげるために、ニツプロールを通
り、生じたテープは広くなり、平になるかあるい
は薄くなる。これらのこね操作の間、ストラン
ド、コーテイングロール、及びこねロールをとり
まく加熱された環境を維持することにより、樹脂
は溶融状態に保たれる。次いでテープ又はバンド
は、その最終断面に形成され、そしてすばやく冷
却され、樹脂を固くするか又は半固体とし、テー
プに固定した断面を与える。これらの操作は連続
的に高速度でテープの短い距離の間上で成しとげ
られ、そのため樹脂はほんのわずかの時間だけ高
温度に保持されるだけである。コーテイング区域
は溶融樹脂の非常にわずかな量のみを必要として
おり、それは急速に消費され、そして加熱樹脂の
小さな貯蔵器から供給することにより、連続的に
補充される。

［実施例］ 本発明の層に於いて、図１に示される様にスト
ランド２はまずストランドを操作し広げるための
一連のローラー１１からなるワーキングセクシヨ
ン（操作区域）１０を通り、個々の繊維は分離さ
れ、ほぼ平たい薄い横断面を有するストランドを
与える。高度にみがかれたローラー１１は、約30
〜180°の範囲にストランド巻き付け角度で、スト
ランドが進む道筋にそつて配列されている。操作
の程度及び生じたひろがりの量はストランドの厚
さ、個々の繊維の数及び標準寸法、及びストラン
ドをつくる有機及び無機繊維の種類によつて変わ
るであろう。

横断面の平たくされた繊維ストランドは、操作
区域１０を出て行き、ガイドロール１２を越えて
含浸区域２０へ移る。図２からわかる様に含浸段
階２０は２つの被覆ロール２１及び２２、混練ロ
ール２３、ニツプロール２４、及びバンドコント
ロール２５の成分から成る。被覆ロール２１及び
２２、即ちローリングダイは、それぞれコーテイ
ングブレード又はドクターブレード２９に接して
いるなめらかな、高度に磨かれたロール２６から
成る。先行技術の装置とは違つて、平らにした繊
維ストランド２が通り、ドクターブレイド２９に
最も近い表面上で被覆がなされることとなる。ダ
イ孔２８を持つているローリングダイをドクター
ブレード２９とローラー２６が協力して形成す
る。ストランドは２つの操作で被覆される。つま
り最初のローリングダイ２１で、樹脂３０はスト
ランド２の最初の表面３上に直接ぬぐうようにこ
すりつける。即ちドクターブレードにより付けら
れる。次いでストランド２は、同じような第２の
ローリングダイ２２まで進み、そこでストランド
２は同様の方法で第二の表面４に被覆される。

樹脂３０のローリングバンクは樹脂供給装置に
よつて各ローリングダイ領域中に維持される。一
般に供給装置は、粘性の樹脂を加熱された貯蔵所
４１から、ダイ開口２８に隣接した領域へ移動さ
せるための、少なくとも１つのポンプ手段４０を
含んでいるものとして記載出来る。供給ラインと
ポンプ手段は樹脂を溶融状態に維持するための加
熱手段を備えている。ポンピングは最小限の効果
的水準でローリング樹脂バンクを維持しつつ消費
する樹脂を置き換える速度で調節される。

コーテイングの薄さはローラー２６とドクター
ブレード２９の間のダイ間隙又は孔２８により調
節されており、また品質管理測定に応じて、手動
あるいは自動的に調節スクリユー（図示なし）に
より調整できる。せまくなつていくダイ孔２８を
通つた樹脂の流れは、カレンダーにかける操作に
対してU.S.3765817に記載されている工程と類似
の工程により、水圧で実質的な増加を生む。水
圧、これは樹脂の粘度、及び流速あるいは被覆速
度で変化し、ストランド表面で個々の繊維間に樹
脂のいくらかの浸透をひき起し、更にストランド
が被覆ロールを出て行く時、樹脂皮膜の良好な粘
着を確実にする。

被覆ロールを出て行くストランドは被覆された
バンドあるいはテープとして記載されるかもしれ
ない。繊維を含浸させることは、樹脂がストラン
ド中へ均一に押込まれることを要求し、こうして
個々の繊維間に浸透する。繊維の含浸を完成する
ために、ストランド２は次いで、更にストランド
を操作するために混練ロール２３を通りぬける。
混練ロール２３は、ストランドにかなりの作用を
与えるようストランドの進む線にそつて配列され
ており、示される様に六つのロールが使われてお
り、30°より大きく、好ましくは180°あるいはそ
れ以上大きい巻き付け角度を与えるように位置す
る。混練ロールは例えばテフロン又はテフロン被
覆金属の様な樹脂で被覆したストランドとくつか
ない様な材質で構成されている。この様なローラ
ーの表面は、装置に用いられているすべてのロー
ラーについてもそうであるように、高度のなめら
かさ、一般に８ミクロインチ（20.32ミクロセン
チメーター）よりも大きく仕上げられるであろ
う。混練ロールから出るストランドは、２つのロ
ールの圧縮区域２４のニツプに入り、そこで更に
操作し広い平らな横断面にストランドをひろげ
る。圧縮ロール２４は混練ロールに似た構造であ
る。圧縮ロールの圧力は、ストランド張力により
又は、ジヤツキスクリユー（図示なし）によつて
維持されており、そこで重い圧力が非常に広い平
らなトウを作るのに必要である。

含浸されたトウの樹脂部分は、混練ロール２３
及び圧縮ロール２１を通る間、輻射加熱器又は加
熱空気を使うように、外から加熱することにより
溶融状態を維持される。コーテイング領域も、高
温環境を維持することを更に助けるため周囲を囲
つてもよい。

操作の結果、樹脂で均一に含浸されたストラン
ドは樹脂温度を急速に下げるため冷却器５０に送
られ、かくして樹脂は固まり、ストランドを最終
的な形状に凍結する。最終的な形状又はストラン
ドの横断面は一部間隙５１の形状あるいは図３で
更にはつきりと示されているような含浸されたス
トランドを受けるよう設計されている冷却ロール
５２の表面にあるみぞにより決定されるであろ
う。一般に、長四角形のＵ−型を持つ間隙５１の
使用は長方形の横断面をもつ平らなストランドを
生じ、ストランドの幅はニツプロール２４に加え
られた圧力により、最初だいたいの寸法が決めら
れ、次いで間隙５１により最終的寸法が決められ
る。ストランドはバンド調節ホイール２５によ
り、間隙５１の中央に正確におかれる。冷却ロー
ル５２は金属でつくられても粘着をさけるために
例えば、テフロンで被覆されていてもよいものだ
が、低温で、一般的には−20℃〜30℃の範囲で、
例えば、冷却ロールの閉鎖された内部通路を通し
て冷却された流体を循環させることによるよう
な、冷却手段によつて維持されている。望むなら
ホイールとストランドの外の表面上を冷却した空
気を循環させることによつて、冷却を更に補助す
ることが出来る。

ストランドの樹脂含量の測定と調整はいろいろ
の方法により達成することができる。便利な、適
当に目盛られた通例のガンマ線後方散乱ゲージで
±１％以内で樹脂含量の正確な測定ができる。こ
の様な装置の出力結果は、樹脂やストランドの供
給速度、並びにローリングダイに於けるブレード
間隙によつて決定される皮膜の厚さを調整するの
に用いられる。

ストランドの供給は高いトルクプラー６０によ
り成し遂げられる。示される様にプラー６０はシ
リコンゴム表面を持つ２つのロールの装置からな
る。これらの及び類似の慣用のプラーは、特にト
ルクとスピードが広い範囲で調整できる場合にこ
れらの目的に合つている。プラーを出て行くスト
ランドはふつうワインダー（巻付器）７０で取り
上げられるが、種々の慣用の織物繊維まき取器
（ワインダー）が本目的に使われうる。

本発明の実施は、次の実施例を考慮することに
より更に理解されるであろう。そしてそれは例示
のために提供され、本発明を限定するものではな
い。

実施例 ほぼここに記述される様に、かつ図１と図２に
概略的に示される様に構成された装置を、12000
フイラメントカーボンフアイバー系をエポキシ樹
脂で含浸させ、0.130（0.33cm）インチ巾のプレプ
レグトウをつくるために使用した。糸（ヤーン）
は、Thornel T4012Kカーボンフアイバーとして
アモコパーフオーマンスプロダクツ、インコーポ
レイテツド（Amoko Performance Products，
lnc.）から入手し、エポキシ樹脂は、同様の入手
先から得たERLX1908である。２つのローラーを
ワーキング区域で用いほぼ160°の各ローラー上の
（巻き付き）角度が得られる様に配置した。65℃
で、約2500センチポアズの粘度をもつ加熱された
樹脂は、２つの加熱されたポンプによつて含浸区
域の２つの被覆ロールへ供給された。ダイ間隙
は、各ローラーダイに対して0.005”にセツトさ
れた。次いで被覆されたストランドを混練機及び
65℃に維持された圧縮ローラのニツプを通した。
被覆されたストランドは、次に0.130インチ（0.3
cm）の巾で30°Fに保たれた四角形のＵ−型溝又は
間隙をもつ冷却ロールを使つて一定の形にされ
た。含浸されたストランドを寸法安定性を維持す
るために冷却ロールを通して十分冷却し、一方積
出用の芯上におくためにプラーと巻取器を通して
進める。プラーは500〜560フイート／分（152.5
〜170.8m／分）の範囲のスピードで動き、巻取
器は通常の繊維技術で用いられる通常の典型的な
装置である。含浸されたストランドの最初のロー
ル又は芯は、30重量パーセントの平均樹脂含量の
8.16ポンドの重さの19020フイートのプレプレグ
を含有した。この実験で作られる次の５つのロー
ルは平均樹脂含量30，29，29，29、及び30パーセ
ントを持ち、本工程の再現性を実証している。

この装置は、長方形の横断面を持つ平らなより
のないストランドの製造用として記述されている
が、含浸区域にある平らなストランドを容易に撚
ることが出来、あるいは冷却する前に、例えば適
当な横断面をもつ形成みぞや間隙５１を用いるこ
とによつて、及び／又は、ニツプロール及びニツ
プロールがつくるストランドの広がり作業を排除
することにより、コンパクトで丸や円形の横断面
をもつストランドにつくりかえられてもよいとい
うことが認められるであろう。しかしながら、多
くのプレプレグの応用に対しては、平らなストラ
ンド形状またはテープが非常に望まれている。

【図面の簡単な説明】

図１はトウを含浸した樹脂を製造するために使
われる設備のフローシートである。図２は図１の
工程の樹脂を含浸させる区域の透視図である。図
３は図１の線分３−３にそつた冷却ロールの縁
（円周）からみた図であり、冷却ロールの縁の間
隙を示している。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 次の(a)〜(f)の段階を含むプレプレグの製造方
   法。 (a) 連続繊維ストランドを長手方向に運搬し移動
   させる。 (b) 繊維をその横断方向にひろげるように、動い
   ている繊維ストランドを操作し、それによりバ
   ンドを作る。 (c) 移動させながら溶融した、流動できる溶媒の
   ない樹脂で上記バンドの対抗する表面を皮覆す
   る。 (d) 動いている被覆したバンドをこね、バンドの
   繊維間に上記樹脂皮膜を分散させ、樹脂含浸バ
   ンドをつくる。 (e) 動いている樹脂含浸バンドを圧縮し、それを
   薄くし、樹脂含浸テープを作る。 (f) 動いている樹脂含浸テープを冷却して、上記
   樹脂を固め、寸法的に安定したプレプレグテー
   プを作る。 ２ 冷却する段階の前の段階に於て冷却前に上記
   樹脂含浸テープの幅をへらすことを含む特許請求
   の範囲１の方法。 ３ 冷却段階の間に樹脂含浸テープの横断面を新
   しい形にする特許請求の範囲１の方法。 ４ 上記バンドの対立した面の皮膜を溶融した、
   流動できる溶媒のない樹脂の層を各面上に別々に
   ドクターブレードで加えることにより達成する特
   許請求の範囲の方法。 ５ 連続ストランドを供給するためのストランド
   供給手段、ワーキング区域、含浸区域、冷却区
   域、及び作られたプレプレグを受け取るための取
   り上げ手段を含み、前記ワーキング区域はバンド
   を作る繊維ストランドを操作してある形に形成す
   るために繊維ストランドと係合する複数のロール
   手段から成り、前記含浸区域は上記バンドの両側
   表面を溶融した流動性の溶媒のない樹脂で被覆す
   るための複数のローリングダイ手段、含浸したバ
   ンドを作るために被覆されたバンドと係合し混練
   するための複数のロール手段、及び含浸したテー
   プを作るために上記の含浸したバンドを受け取り
   圧縮するニツプ開口を形成するよう配置された一
   対の逆方向に回転するロールから成り、そして上
   記冷却区域は樹脂を冷却し固くするために上記含
   浸されたテープと係合し、寸法的に安定したプレ
   プレグテープを提供する少なくとも１つの冷却ロ
   ール手段から成る連続繊維ストランドからプレプ
   レグを作るための装置。 ６ 上記ローリングダイ手段が、ロール及び上記
   ロールの表面に対して実質的に垂直に上記ロール
   の円筒形の巾にそつて位置して孔を形成している
   ドクターブレードから成り、上記ロールは上記バ
   ンドと係合しており、上記バンドは上記孔を通過
   している特許請求の範囲５の装置。 ７ 上記ロール及びドクターブレード間の間隙を
   上記被覆されたバンドの表面の皮膜の厚みを制御
   可能に限定するため調整できる特許請求の範囲６
   の装置。 ８ 上記ドクターブレードの上流側に溶融流動樹
   脂を供給する手段を含む特許請求の範囲６の装
   置。 ９ 溶融流動樹脂の回転バンクは上記ドクターブ
   レードの上流側で維持されている特許請求の範囲
   ８の装置。 １０ 冷却ロール手段が、含浸されたテープを受
   け取り、同時にある形に形成しかつ冷却するため
   に、その円筒形の表面にみぞを持つロールから成
   る特許請求の範囲５の装置。 １１ 含浸区域の繊維ストランドの温度を樹脂の
   融解温度以上に維持するための加熱手段を含む特
   許請求の範囲５の装置。 １２ プレプレグテープの樹脂含量を連続的に決
   定するための測定手段、及び上記ローリングダイ
   手段の被覆割合を調節するために上記測定手段に
   応答する調節手段を含む特許請求の範囲５の装
   置。