JPH0584838A - 長繊維強化樹脂構造物の製造法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 期待される力学的特性に極めて近い、優れた
特性をもち、かつ表面状態等も良い長繊維強化樹脂構造
物を効率よく製造する方法を提供する。 【構成】 装置フレームに回転可能に支承されたテーブ
ルと、テーブル中央部に突設された案内ロールと、案内
ロールにかかる繊維束の張力を検出するため案内ロール
に設けられた張力センサと、張力センサで検出した信号
に基づいてテーブルを回転させる回転駆動手段を有して
なる装置を用い、無芯円筒状に巻き取られた強化用繊維
束集合体をその空洞部に案内ロールが貫通する状態でテ
ーブルに載せ、繊維束を案内ロールに巻き付かせつつ無
芯円筒状繊維束集合体の内周から空洞外へ巻き出すに際
して繊維束に生じる張力を案内ロールの張力センサで検
出し、その検出信号に基づいてテーブルを繊維束巻き戻
し方向とは逆方向に断続的もしくは連続的に回転させな
がら連続的に繊維束の取出を行い、これを引きながら樹
脂を含浸させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は長繊維で強化された樹脂
構造物の製造方法に関する。更に詳しくは、無芯円筒状
に巻き取られた強化用繊維束集合体から内取り方式で繊
維束を取り出す際に生じる繊維束の撚れを効果的に解消
し、これに樹脂を含浸させることにより、繊維束に対す
る樹脂の均一な含浸とこれに伴う高強度かつ安定した物
性の繊維強化樹脂構造物の製造を可能にした長繊維強化
樹脂構造物の製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】熱可塑
性樹脂を連続繊維で補強した長尺の繊維強化樹脂構造物
は、短繊維で補強されたものに比べてはるかに優れた力
学的特性を有し、また、これを切断してペレット状等の
成形材料とすることもできるなどの利点があるため、近
年、特に期待されている。かかる長尺の繊維強化熱可塑
性樹脂構造物は、一般に、連続した強化用繊維束をクロ
スヘッド押出機を通して引きながら熱可塑性樹脂を含浸
した後、ダイを通して引き抜いたり（米国特許第399372
6 号明細書）、連続した強化用繊維束を引きながら溶融
熱可塑性樹脂に浸漬して濡らした後、ダイを通して引き
抜いたり（特開昭57−181852号公報）する、いわゆるプ
ルトルージョン法によって製造されており、所望により
任意の長さに切断される。

【０００３】一方、熱硬化性樹脂を用い、これを連続繊
維で補強した構造物も、ガラスロービング等の繊維に未
硬化樹脂を被覆した後、張力を加えながら回転する枠に
巻き付けた後に硬化させるいわゆるフィラメントワイン
ディング法や、半硬化状態のプレプレグにするプリフォ
ーミング法、更に異形断面に整形した後完全硬化させる
プルトルージョン法など特殊な方法で種々の強化物が製
造されている。

【０００４】かかる繊維強化樹脂構造物の製造におい
て、熱可塑性樹脂あるいは熱硬化性樹脂のいずれを用い
た場合にも、連続補強繊維束にマトリックス樹脂が充分
に含浸していることが必要であり、また、マトリックス
樹脂を均一に含浸させることは、機械的な特性はもちろ
んのこと製品の外観上からも重要である。このため、一
般には、集束された繊維束を張力下テンションバーある
いはロールを通過させることにより開繊して溶融状態あ
るいは液状の樹脂を含浸させる方法がとられるが、この
時、繊維束に撚りがかることは繊維束の不充分な開繊と
これに伴う不均一な含浸を引き起こすもとになるもので
あり、また、繊維束の開繊工程等において繊維の破断を
引き起こす原因にもなるものであり、このような撚れの
発生は避けなければならない。

【０００５】ところで、上記の如き繊維強化樹脂構造物
の製造において、通常使用される強化繊維束は、直径４
〜25μｍのガラス繊維、炭化繊維、金属繊維、有機繊維
等のモノフィラメントが適当なサイジング剤で集束され
偏平化された繊維束を無芯円筒状に巻き取った集合体、
いわゆるロービングパッケージ等として供給される。

【０００６】かかるパッケージから繊維束を取り出し樹
脂を含浸させるにあたり、パッケージから繊維束を取り
出す方法としては、外取り法と内取り法の２つの方法が
ある。外取り法はパッケージを回転させながらパッケー
ジ外周側から繊維束を取り出す方法であり、繊維束に撚
りがからない利点はあるが、パッケージに保護カバーを
使用することができないため運搬等の作業時にパッケー
ジくずれを起こし易く、また、パッケージ自体を回転さ
せるため取り出した繊維束にかかる負荷が大きくなり、
繊維の破断による毛羽立ちが起こりやすいという問題が
ある。また、取り出される繊維束がパッケージから離れ
る際に繊維の一部がパッケージ側に残り易く、解舒性が
悪いという欠点も有する。

【０００７】これに対し内取り法はパッケージ内周側か
ら繊維束を取り出す方法であり、取り出した繊維束にか
かる負荷が軽く、かつ荷崩れ及び汚染防止を兼ねた保護
カバーが使用できるため作業性が良い方法とされてい
る。また、解舒性も良好である。しかしながら、パッケ
ージを固定させて内周側から繊維束を取り出していく
と、繊維束をパッケージ内周に沿って一巻取り出す毎に
必ず一回の撚りが繊維束に加わるという短所をともな
う。このように繊維束に撚れが生じることは、前述した
如く、長繊維強化樹脂構造物の製造において、繊維束の
不充分な開繊とこれに伴う樹脂の不充分かつ不均一な含
浸の原因になり、また、開繊工程等における繊維の破断
とこれによる毛羽立ちの原因にもなる。かかる内取り法
において、繊維束の撚れを解消させるためには、繊維束
を一巻取り出す毎にパッケージ自体を繊維束巻き戻し方
向とは逆方向に１回転させることが考えられ、例えば、
中央部に円柱あるいは円筒状の突設物が設けられた回転
可能なテーブルにパッケージを載せ、繊維束を円柱ある
いは円筒状の突設物に巻き付かせつつ引き出すことによ
り、繊維束と突設物の摩擦抵抗を利用してテーブルひい
てはパッケージを回転させる方法が考えられるが、この
方法では引き出された繊維束にかかる負荷（張力）が大
きく、繊維の破断が起き易くなるため充分な改善策とは
言い難い。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の目的は、連続し
た強化用繊維束を引きながら樹脂を含浸させる長繊維強
化樹脂構造物の製造において、無芯円筒状に巻き取られ
た強化用繊維束集合体、即ちパッケージから繊維束を取
り出すに際して生じる上記の如き問題を解決し、撚れや
破断のない繊維束に樹脂を含浸させることにより、期待
される力学的特性に極めて近い、優れた特性をもち、か
つ表面状態等も良い長繊維強化樹脂構造物を効率よく製
造する方法を提供することである。

【０００９】本発明によれば、上記の如き本発明の目的
は、装置フレームに回転可能に支承されたテーブルと、
テーブル中央部に突設された案内ロールと、案内ロール
にかかる繊維束の張力を検出するため案内ロールに設け
られた張力センサと、張力センサで検出した信号に基づ
いてテーブルを回転させる回転駆動手段を有してなる装
置を用い、無芯円筒状に巻き取られた強化用繊維束集合
体をその空洞部に案内ロールが貫通する状態でテーブル
に載せ、繊維束を案内ロールに巻き付かせつつ無芯円筒
状繊維束集合体の内周から空洞外へ巻き出すに際して繊
維束に生じる張力を案内ロールの張力センサで検出し、
その検出信号に基づいてテーブルを繊維束巻き戻し方向
とは逆方向に断続的もしくは連続的に回転させながら連
続的に繊維束の取出を行い、これを引きながら樹脂を含
浸させることを特徴とする長繊維強化樹脂構造物の製造
法により達成される。

【００１０】以下、本発明を更に詳細に説明する。本発
明において長繊維強化樹脂構造物を製造するにあたり用
いられる強化用繊維の種類としては特に制約はなく、例
えばガラス繊維、炭素繊維、金属繊維、芳香族ポリアミ
ド繊維等の高融点（高軟化点）繊維等がいずれも使用で
きる。これらの繊維は、公知の表面処理剤で処理したも
のであってもよい。本発明は、かかる繊維が集束され、
無芯円筒状に巻き取られた集合体、例えばロービングパ
ッケージを用い、その内周側から繊維束を取り出し、こ
れに樹脂を含浸させる長繊維強化樹脂構造物の製造法の
改良に係わるものであり、無芯円筒状に巻き取られた強
化用繊維束の集合体から繊維束を取り出すにあたり、装
置フレームに回転可能に支承されたテーブルと、テーブ
ル中央部に突設された案内ロールと、案内ロールにかか
る繊維束の張力を検出するため案内ロールに設けられた
張力センサと、張力センサで検出した信号に基づいてテ
ーブルを回転させる回転駆動手段を有してなる装置を用
い、実質的に撚れがからない状態で繊維束を取り出し、
これに樹脂を含浸させることを特徴とする。より具体的
には、無芯円筒状に巻き取られた強化用繊維束の集合体
を、その空洞部に案内ロールが貫通するようにテーブル
に載せ、繊維束を案内ロールに巻き付かせつつ繊維束集
合体の内周部から空洞外へ取り出す。この時、繊維束に
生じる張力により案内ロールは引張り力及び巻き絞め力
等の圧力を受けるので、これを案内ロールに設けられた
センサ（張力センサ）で検出する。

【００１１】張力センサは、繊維束の張力を案内ロール
上において他の物理量に変換するものであり、案内ロー
ルに付設されるものでも案内ロール自体からなるもので
もよい。例えば、図２〜３に示す如く、案内ロールが張
力センサとして起立方向へ弾性的に付勢されると共に繊
維束の張力に応じて倒伏方向へ傾斜可能とされたもので
は、繊維束の張力に応じて案内ロールに加わる引っ張り
力が張力センサである案内ロール自体の傾斜によって検
出される。また、図４に示す如く、案内ロールが遠心方
向へ弾性的に付勢された揺動体を張力センサとして側面
に備えると共に該揺動体が繊維束の張力に応じて求心方
向へ傾斜可能とされたものでは、繊維束の張力に応じて
案内ロールに加わる巻き絞め力が揺動体の傾斜によって
検出される。さらに、図５〜６に示す如く、案内ロール
が遠心方向へ弾性的に付勢された複数の分割側壁を張力
センサとして備えると共に該分割側壁が繊維束の張力に
応じて求心方向へ傾斜可能とされたものでは、繊維束の
張力に応じて案内ロールに加わる巻き絞め力が分割側壁
の傾斜によって検出されることになる。

【００１２】前記張力センサの傾斜出力は、必要に応じ
て変位その他の物理量を介して検出信号とされる。例え
ば、テーブル回転軸に可動ロッドが軸線方向へ変位可能
に挿通されると共に張力センサ可動部分、即ち案内ロー
ル自体や揺動体及び分割側壁の可動部分が傾斜−変位変
換機構を介して該可動ロッドと係合され、可動ロッドに
対して変位センサが設置されたものでは、張力センサの
傾斜出力が可動ロッドの変位に変換されてテーブル回転
軸の軸線方向へ伝送され、可動ロッドの変位が変位セン
サで検出される。また、前記分割側壁からなる張力セン
サを備えるものにおいて、案内ロール内部の中心軸線上
に変位センサが分割側壁と対向して配置されたもので
は、張力センサの傾斜出力が変位センサによって半径方
向への分割側壁の変位に変換される。該変位センサとし
て例えば分割側壁の変位を静電容量によって検出する静
電容量式のものを好適に使用することが出来る。

【００１３】上記の如く、繊維束にかかる張力は、案内
ロールに設けられた張力センサによって検出され、必要
に応じて他の物理量を介して検出信号とされ、その検出
信号に基づいてテーブルの回転駆動手段を作動させ、テ
ーブルを繊維巻戻し方向（図７のＡの方向）とは逆方向
（図７のＢの方向）に断続的もしくは連続的に回転させ
る。テーブル上にのせられた繊維束集合体は、テーブル
と共に回転する。テーブルの回転は、無心円筒状繊維束
集合体の内周に沿って１巻き分繊維束を巻き戻す毎に平
均１回の割合で行われ、これによって、繊維束に生じる
撚れは実質上解消される。

【００１４】１例として、図２〜３の装置を例にとっ
て、繊維束の撚れ解消機構について説明する。案内ロー
ルには、繊維束にかかる張力によって傾斜し、特定張力
（案内ロール傾斜）でＯＮ−ＯＦＦする張力センサが設
けられ、その信号によりテーブル回転駆動機構が作動
し、テーブルが１回転するように設定されているものと
する。通常、無芯円筒状に巻き取られた繊維束集合体の
内周側から繊維束を取り出すと、内周に沿って１巻き分
取り出す毎に繊維束に１回の撚れが生じ、このままでは
この撚れは解消することはできない。

【００１５】これに対し上記の装置を用いた場合、繊維
束集合体の内周に沿って繊維束を１巻き分取り出す毎に
繊維束は案内ロールに１回ずつ巻き付けられ、取り出さ
れた繊維束には張力が生じる。この張力により案内ロー
ルは傾斜し、ある特定張力、即ち案内ロールが特定の傾
斜になった時張力センサが作動し、その信号によりテー
ブルが繊維束取り出し方向とは逆方向に１回転すること
により、張力が緩和されると共に、繊維束に生ずる撚れ
が１回分ずつ解消される。もし、何らかの事情により繊
維束が一度に複数回案内ロールに巻き付いた場合におい
ても、特定張力以下になるまで張力センサが複数回作動
し、テーブルを複数回回転させることにより張力が緩和
されると共に、繊維束に生ずる撚れが解消される。

【００１６】上記のようにして実質上撚れを起こすこと
なく引き出された繊維束は、好ましくはテンションロー
ル、テンションバー等により開繊したのち樹脂による含
浸に供される。含浸法としては特に制約はなく、含浸ダ
イを用いる方法、含浸浴槽を用いる方法等、公知の含浸
法がいずれも可能である。

【００１７】本発明において、かかる含浸に用いられる
樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれも
使用可能であり、熱可塑性樹脂としては例えばポリエチ
レン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートや
ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、ナイロ
ン６、ナイロン66、ナイロン11、ナイロン12、ナイロン
610 、ナイロン612 等のポリアミド、ポリアセタール、
ポリカーボネート、熱可塑性ポリウレタン、ポリフェニ
レンサルファイド、ポリフェニレンオキサイド、ポリス
ルフォン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルアミド、
ポリエーテルイミド等の公知の熱可塑性樹脂又はそれら
の共重合体、変性体等が、また熱硬化性樹脂としては例
えば不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、熱硬化性ポリ
ウレタン、等あるいはこれらのプレポリマー等が挙げら
れる。特に、得られる繊維強化構造物の成形加工が容易
な点で熱可塑性樹脂を用いて含浸したものが好ましく、
また、そのための含浸法としては、操作性の点で含浸ダ
イ、特に図１の如くクロスヘッドダイを用いるのが好ま
しい。

【００１８】次に、樹脂の含浸された連続繊維は、賦形
ダイ等を通すことにより所望の形状、例えばストランド
状、棒状、リボン状、テープ状、シート状、板状、ある
いは特殊形状等に整えられ、引取りロールを用いて引き
取られる。引き取った繊維強化樹脂構造物は、そのまま
の形であるいはこれを任意の長さに切断して、成形ある
いは他の加工に供することができる。

【００１９】本発明は、上記の如く、長繊維強化樹脂構
造物の製造法に特徴を有するものであり、その組成、例
えば、強化用繊維の含有量については特に制約はない
が、得られる構造物の諸物性の面から、強化用繊維の配
合量としては20〜80重量％（組成物中）が好ましく、特
に好ましいのは30〜70重量％（組成物中）である。

【００２０】また、本発明によって得られる長繊維強化
樹脂構造物には、目的、用途に応じて、一般に樹脂に添
加される各種の物質、例えば酸化防止剤、耐熱安定剤、
紫外線吸収剤等の安定剤、帯電防止剤、潤滑剤、可塑
剤、離型剤、難燃剤、難燃助剤、結晶化促進剤、染料や
顔料等の着色剤等あるいは粉粒状、板状の無機充填材や
有機充填材を配合することも可能である。

【００２１】

【実施例】以下、実施例により更に具体的に説明する
が、本発明はこれに限定されるものではない。

【００２２】実施例１〜３及び比較例１ 長繊維強化樹脂構造体を調製するにあたり、図１に示す
装置を用いた。図１中における繊維束集合体からの繊維
束の取り出し装置として、実施例１〜３においては、各
々、図２〜６の構造の繊維束取り出し装置を用いた。ま
ず、繊維束集合体としてガラスロービングパッケージを
用い、内取り方式でロービングを取り出すにあたり、図
２〜６に示した繊維束取り出し装置を用いることによ
り、ロービングを無撚状態で取り出した。次に、このガ
ラスロービングをテンションロールで開繊したのち、ク
ロスヘッドダイを通して引きながらポリプロピレン樹脂
を含浸させ、ダイで賦形しストランド状にして引取り、
これを12mmのペレット状に切断した。尚、繊維含有量は
40重量％になるよう調整した。

【００２３】比較のため、図２〜６の如き繊維束取り出
し装置を用いることなく、ガラスロービングパッケージ
を固定したままロービングを取り出し、撚れのあるロー
ビングに対し同様にしてポリプロピレン樹脂を含浸さ
せ、ペレット状のものを得た。

【００２４】評価は、下記の方法で行い、結果を表１に
示す。 〔ストランドの毛羽立ち状態〕ストランドの毛羽立ち状
態を肉眼で観察した。 〔ストランド切れ（運転停止頻度）〕５時間運転する際
のストランド切れの回数を測定した。 〔ペレタイザーにおける繊維の飛散〕ストランドを切断
しペレット化する際の繊維の飛散状態を観察した。不均
一な含浸、樹脂と繊維の密着性不良等により繊維の飛散
が多くなる。 〔物性〕ペレット状繊維強化構造物を用い、射出成形に
より試験片を作成し、物性を測定した。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【発明の効果】以上の説明並びに実施例により明らかな
ように、本発明の長繊維強化樹脂構造物の製造法によれ
ば、無芯円筒状に巻き取られた強化用繊維束集合体から
撚れを生じさせることなく繊維束を取り出すことが可能
であり、これに樹脂を含浸させることにより繊維束に対
する樹脂の含浸性、含浸の均一性は著しく向上する。こ
れにより毛羽立ち等が少なく表面状態の良い、高強度で
安定した物性の長繊維強化樹脂構造物を得ることが可能
であり、本発明の方法は極めて工業的価値の高いもので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に使用する製造装置全体の１例を示す略
示図である。

【図２】本発明に使用する繊維束取り出し装置の縦断面
図である。

【図３】図２に示す繊維束取り出し装置の案内ロール傾
斜時の要部縦断面図である。

【図４】本発明に使用する繊維束取り出し装置の別の例
の縦断面図である。

【図５】本発明に使用する繊維束取り出し装置の更に別
の例の縦断面図である。

【図６】図５に示す繊維束取り出し装置の案内ロールの
要部斜視図である。

【図７】繊維束巻き出し方向と、繊維束集合体（テーブ
ル）の回転方向の関係を示す平面図である。

【符号の説明】

１…繊維束取り出し装置 ２…ロービングパッケージ ３…クロスヘッドダイ ４…押出機 ５…装置フレーム ６…テーブル ７…テーブル回転軸 ８…軸受 ９…従動プーリ 10…案内ロール 12…繊維束集合体（パッケージ） 13…可動ロッド 14…球面体 15…クリップ 16…スライダ 17…クリップ 18…軸受 19…クリップ 20…圧縮コイルバネ 21…変位センサ 22…回転制御装置 23…モータ 24…原動プーリ 25…タイミングベルト 26…繊維束 27…揺動体 28…カム 29…クリップ 30…分割側壁 31…固定ロッド 32…変位センサ 33…増幅器

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 装置フレームに回転可能に支承されたテ
   ーブルと、テーブル中央部に突設された案内ロールと、
   案内ロールにかかる繊維束の張力を検出するため案内ロ
   ールに設けられた張力センサと、張力センサで検出した
   信号に基づいてテーブルを回転させる回転駆動手段を有
   してなる装置を用い、無芯円筒状に巻き取られた強化用
   繊維束集合体をその空洞部に案内ロールが貫通する状態
   でテーブルに載せ、繊維束を案内ロールに巻き付かせつ
   つ無芯円筒状繊維束集合体の内周から空洞外へ巻き出す
   に際して繊維束に生じる張力を案内ロールの張力センサ
   で検出し、その検出信号に基づいてテーブルを繊維束巻
   き戻し方向とは逆方向に断続的もしくは連続的に回転さ
   せながら連続的に繊維束の取出を行い、これを引きなが
   ら樹脂を含浸させることを特徴とする長繊維強化樹脂構
   造物の製造法。
2. 【請求項２】 案内ロールが張力センサとして起立方向
   へ弾性的に付勢されると共に繊維束の張力に応じて倒伏
   方向へ傾斜可能とされたものであり、案内ロールの傾斜
   によって繊維束の張力を検出し、その検出信号に基づい
   てテーブルを回転させながら繊維束の取り出しを行う請
   求項１記載の長繊維強化樹脂構造物の製造法。
3. 【請求項３】 案内ロールが遠心方向へ弾性的に付勢さ
   れた揺動体を張力センサとして側面に備えると共に該揺
   動体が繊維束の張力に応じて求心方向へ傾斜可能とされ
   たものであり、繊維束の張力に応じて案内ロールに加わ
   る巻き絞め力を揺動体の傾斜によって検出し、その検出
   信号に基づいてテーブルを回転させながら繊維束の取り
   出しを行う請求項１記載の長繊維強化樹脂構造物の製造
   法。
4. 【請求項４】 案内ロールが遠心方向へ弾性的に付勢さ
   れた複数の分割側壁を張力センサとして備えると共に該
   分割側壁が繊維束の張力に応じて求心方向へ傾斜可能と
   されたものであり、繊維束の張力に応じて案内ロールに
   加わる巻き絞め力を分割側壁の傾斜によって検出し、そ
   の検出信号に基づいてテーブルを回転させながら繊維束
   の取り出しを行う請求項１記載の長繊維強化樹脂構造物
   の製造法。
5. 【請求項５】 強化用繊維束に対する樹脂の含浸をクロ
   スヘッドダイを用いて行う請求項１〜４のいずれか１項
   記載の長繊維強化樹脂構造物の製造法。
6. 【請求項６】 長繊維強化樹脂構造物がストランド状、
   棒状、リボン状、テープ状、シート状または板状もしく
   はこれらを任意の長さに切断したものである請求項１〜
   ５のいずれか１項記載の長繊維強化樹脂構造物の製造
   法。