JPH0724830A

JPH0724830A - 熱可塑性一方向プリプレグシートの製造法

Info

Publication number: JPH0724830A
Application number: JP17030493A
Authority: JP
Inventors: Hideho Tanaka; 秀穂田中; Hideki Ichihashi; 秀樹市橋; Fumio Adachi; 文夫足立
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 1993-07-09
Filing date: 1993-07-09
Publication date: 1995-01-27

Abstract

(57)【要約】【構成】連続補強繊維のトウに熱可塑性樹脂を含浸さ
せると同時にテープ状にしたトウプリプレグを幅方向に
複数本引き揃えて並べた後、加熱下、加圧してシート状
にすることを特徴とする熱可塑性一方向プリプレグシー
トの製造法。【効果】本発明の製造法より樹脂の含浸が良好で繊維
の乱れが無い幅広の熱可塑性一方向プリプレグシートを
高速で生産できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱可塑性一方向プリプ
レグシートの製造方法に関するものである。さらに詳し
くは、広巾の熱可塑性一方向プリプレグシートの高速製
造法に係わる発明である。

【０００２】本発明の熱可塑性一方向プリプレグシート
は、広巾のものが高速で製造できるにもかかわらず、樹
脂のガラス繊維への含浸が良好で気泡が無く、かつ繊維
が好ましい状態で分散しているために、コスト／パーフ
ォーマンス特性に優れており、自動車用材料、電機・電
子材料建築材料、航空機材料などとして使用することが
できる。

【０００３】

【従来技術及びその問題点】熱可塑性樹脂をマトリック
スとする複合材料は、その優れた靱性、成形性、貯蔵特
性、補修性、リサイクル性などのために近年脚光を浴び
ている。熱可塑性複合材料の成形に使用する基本的な中
間素材は、熱可塑性一方向プリプレグシート（以下プリ
プレグシートと略す）である。

【０００４】その製造は、一般的には多数本の繊維を引
き揃えシート状にした後、これに樹脂を含浸させシート
状のプリプレグとするものである。しかし、その生産速
度は１ｍ／分以下という極めて遅いものであった。この
理由は、熱可塑性樹脂の溶融粘度が高いためガラス繊維
への含浸が困難であること、更には、高速生産時の繊維
の破断、毛羽立ち等によるものである。

【０００５】この欠点を改良して、プリプレグ生産速度
の向上を図ろうとする試みが成されている。その一つ
は、熱可塑性樹脂を粉末にして繊維に含浸させる方法で
ある。しかしこの方法は、樹脂が粉末に限定されると言
う他に、プリプレグから気泡を完全に除去することが困
難であり、一般には狭幅のストランド状あるいはテープ
状プリプレグの製造に限られているのが実状である（特
開昭６０−３６１５６、特表昭５８−５０１９４な
ど）。又溶融樹脂を直接繊維に含浸させる方法として、
加圧チャンバーを有するダイ（米国特許３９９３７２
６）やロッドを内蔵するダイ（特開昭６１−４０１１
３）なども提案されているが、プリプレグの形状は幅の
狭いものに限られている。更に、熱可塑性樹脂を繊維状
にして補強繊維と混繊する方法でも高速化が試みられて
はいるが、ストランド或いはテープ状のプリプレグの製
造を対象としている（特開平４−６２１０８、平４−６
２１１１、平４−１８５３１３、平２−１７３１２１な
ど）。

【０００６】なお、補強繊維束に熱可塑性樹脂が付着し
た付着物を作り、これらを多数本並べて加熱加圧して樹
脂を含浸したプリプレグシートを製造する方法も開示さ
れている（特開昭５９−６２１１４、昭６０−３６１３
６）、しかし、加熱加圧時に含浸操作を行うことが必要
であるため、工程の高速化は難しい。

【０００７】

【本発明が解決しようとする問題点】以上述べたよう
に、従来公知の技術はプリプレグシートは狭幅であり、
高速で製造することができなかった。本発明の目的は、
従来技術の欠点を改良した広幅シート状の熱可塑性一方
向プリプレグを高速で製造する方法を提供することであ
る。

【０００８】

【問題点を解決するための手段】本発明は、連続補強繊
維のトウに熱可塑性樹脂を含浸させると同時にテープ状
にしたトウプリプレグを幅方向に複数本引き揃えて並べ
た後、加熱下、加圧してシート状にすることで問題を解
決した。

【０００９】本発明における連続補強繊維は、ガラス繊
維、炭素繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、液晶
ポリマー繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維、アル
ミナ繊維、炭化ケイ素繊維、金属繊維あるいはこれらの
組合せなど公知のものが挙げられる。これらの繊維（モ
ノフィラメント）は直径が４〜３０μｍのものが一般的
である。これらの繊維には、樹脂との親和性を向上させ
るために公知の表面処理が施されるのが普通である。

【００１０】本発明の連続補強繊維のトウは、多数本、
代表的には１０００〜１５０００本程度のモノフィラメ
ントを集束したものである。この場合集束剤としては公
知の物が用いられる。

【００１１】本発明の熱可塑性樹脂としては通常よく知
られている熱可塑性樹脂が挙げられる。例えば、ポリエ
チレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニ
ル、ポリメチルメタクリレートナイロン６、ナイロン６
６、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフ
タレート、ポリカーボネート、ポリフェニレンノキサイ
ド、ポリアセタール、ポリスルホン、ポリエーテルスル
ホン、ポリアリレート、ポリフェニレンサルファイド、
ポリエーテルエーテルケトン、液晶芳香族ポリエステ
ル、ポリイミドなど及びそれらの共重合体、変性体そし
て前記の二種以上のブレンド物などである。又これらの
使用に際しては、公知の添加剤、改質剤、充填剤などを
添加することは差し支えない。

【００１２】本発明で使用するトウプリプレグは、連続
補強繊維のトウに熱可塑性樹脂を含浸してテープ状にし
たものである。この場合含浸方法としては特に制限はな
く、従来公知の各種方法が採用できる。即ち樹脂を溶液
やエマルジョンにして含浸させた後溶剤や水分を除去す
る方法、樹脂を粉末、フィルム、糸にして繊維間に導入
した後樹脂を溶融して含浸させる方法、モノマーやオリ
ゴマー状態で繊維中に含浸させた後重合させる方法、溶
融状態の樹脂を直接繊維に含浸させる方法（例えば溶融
したシート状の樹脂と繊維とを重ね合わせた後樹脂を繊
維中へ圧入するもの、溶融した樹脂中へ繊維を導入した
後ダイを通して引き抜くものなど）などである。これら
の中でも、特に押出機につけたクロスヘッドダイを使用
して行なう溶融引抜法が代表的な方法である。連続補強
繊維のトウに熱可塑性樹脂を含浸させる際、トウの本数
には特に限定されないが、１本のトウを使用するのが好
ましい。

【００１３】本発明のトウプリプレグの一般的な形状は
幅３〜２０ｍｍ、厚み１００μｍ〜１ｍｍである。又そ
の組成は、連続補強繊維が１５〜６５体積％好ましくは
２０〜６０体積％、熱可塑性樹脂が３５〜８５体積％好
ましくは４０〜８０体積％である。

【００１４】本発明の熱可塑性一方向プリプレグシート
は以下の通り製造される。これを図１に示す。図１に示
すようにボビンに巻いたトウプリプレグ１を複数本クリ
ルスタンド２に設置し送り出す。この場合、各トウプリ
プレグの張力が同一になるようにするのが好ましい。こ
れは送り出しトルクを制御する方法などによって達成で
きる。

【００１５】送り出されたトウプリプレグは、ガイドロ
ール３を介して引き揃え装置４によって縦方向に引き揃
えられ、幅方向に並べられる。引き揃え装置としては各
種のものが考えられるが、図２に示すようなくし型の形
状をした引き揃え装置５が最もよく知られている。しく
のピン６とピン６の間にトウプリプレグを通すことによ
って、複数本のトウプリプレグが引き揃えられる。

【００１６】一方向に引き揃えて並べられたトウプリプ
レグは加熱ロール７のような連続的に加熱下で加圧でき
る装置（加熱ベルトのようなものでも良い）に導入され
てシート状にする。この場合、加熱を十分にするために
予熱装置８を設けることが多い。予熱方式としては、熱
板との接触、熱風循環、赤外線放射など公知のものが用
いられる。

【００１７】加熱温度は、使用する熱可塑性樹脂の溶融
開始温度以上であることが必要である。加圧圧力は使用
するトウプリプレグの形状（幅、厚み）、本数、溶融粘
度、製品であるプリプレグシートの形状（幅、厚み）、
生産速度（加圧時間に関係する）などによって決定され
る。

【００１８】加熱加圧条件の選定に際しては、良好な繊
維分散を得るようにする事が重要であるが、同時に繊維
配列を乱さないようにすることが求められる。なお加熱
加圧操作は、例えば図３に示すような二個以上の熱ロー
ルを使用したり、予熱装置と熱ロールの対を複数使用す
るなどの多段工程によって行なってもよい。

【００１９】加熱加圧時にはトウプリプレグへの異物混
入防止や加熱加圧装置への樹脂付着防止などの目的のた
めにトウプリプレグをカバーフィルム又はシート間に挟
み込み加熱加圧を行なっても差し支えない。この場合、
トウプリプレグは、巻き出しロール９から巻き出される
カバーフィルム又はシート１０の間に挟み込み、抑えロ
ール１１を通した後加熱加圧される。カバーフィルム又
はシートは、トウプリプレグの加熱温度に耐える耐熱
性、加熱加圧装置への付着が無い、トウプリプレグと剥
離しやすいことが求められる。又、材質と厚みは加熱時
の熱伝導に影響を与えることも留意する必要がある。

【００２０】上記のようにしてシート状になったプリプ
レグは、冷却装置１２で冷却して固化させ、引き取り装
置１３によって引き取られ、製品であるプリプレグシー
ト１４となる。カバーフィルム又はシートを使用する場
合は、抑えロール１５を介して巻き取りロール１６によ
り上下に挟んでいたカバーフィルム又はシートを巻き取
る。

【００２１】冷却に関しては、冷却ロールや冷却プレー
トなどに接触させる方法や冷風を吹き付ける方法などが
一般的である。冷却温度は使用する熱可塑性樹脂溶融物
の固化温度（結晶性樹脂では結晶化温度、非結晶性樹脂
ではガラス転移温度）以下であればよい。

【００２２】本発明は、予め樹脂が含浸され、かつ繊維
が良く分散したトウプリプレグを用いたプリプレグシー
トを使用しているので、送り出し装置、ガイドロール、
引き揃え装置などでの繊維の損傷や毛羽立ちが全く無
く、樹脂の含浸操作が不要である。従って、全体の生産
速度を上げることができる。生産速度（引き取り速度）
は少なくとも３ｍ／分以上が可能である。なお引き取り
装置としては、ニップロールやキャタピラーベルトなど
公知のものが使用できる。

【００２３】このようにして製造されるプリプレグシー
トの形状には特に限定されないが、一般に幅が２００ｍ
ｍ〜１０００ｍｍの範囲で厚みが１００μｍ〜１ｍｍも
のが使用される。又その組成は、トウプリプレグの組成
と一致する。

【００２４】本発明によって製造されるプリプレグシー
トは、通常積層した後各種のシート成形法（例えばオー
トクレーブ、ホットプレス、スタンピング、ダイアフラ
ム等）を利用して成形される。温度、圧力、時間などの
成形条件は使用するプリプレグシート（樹脂、繊維、組
成、形状など）や採用する成形法によって変わるので一
概には言えないが、繊維配列の乱れ、ボイド、樹脂の劣
化等が生じないよう最適条件を選択すべきである。又特
に樹脂が結晶性の場合は、冷却条件が物性に著しい影響
を与えるので注意を要する。

【００２５】

【実施例】以下実施例を挙げて本発明の内容を詳細に説
明する。（１）繊維含有率ＪＩＳＫ７０５２に従い、プリプレグの樹脂を加熱分
解させ、その後残った繊維の質量と加熱分解前のプリプ
レグの質量を測定した。これらの質量の値と樹脂及び繊
維の比重から繊維の体積含有率を計算した。算出式Ｗｆ＝（Ｍ３−Ｍ１）／（Ｍ２−Ｍ１）＊１
００Ｗｆ：ガラス繊維の質量含有率Ｍ１：るつぼの質量Ｍ２：燃焼前のるつぼと試験片の質量Ｍ３：燃焼後のるつぼと試験片の質量Ｖｆ＝Ｗｆ＊ρｃ／ρｆＶｆ：ガラス繊維の体積含有率（％） ρｃ：試験片の密度（ｇ／ｃｍ³） ρｆ：ガラス繊維の密度（ｇ／ｃｍ³）

【００２６】（２）曲げ特性インストロン社製万能試験機モデル１１８５を使用し、
ＡＳＴＭＤ７９０に従って行なった（三点曲げ試
験）。測定は試験片の長さ方向が繊維の方向となるよう
にして行なった。

【００２７】（３）樹脂の含浸状態プリプレグシートの目視による観察及び、積層成形体を
長さ約１ｃｍに切断したものを不飽和ポリエステル樹脂
で包埋し、断面を研磨機（日本地科学社製システム研磨
機１−１０００）を用いて精密研磨した後、光学顕微鏡
で観察した。

【００２８】参考例１熱可塑性トウプリプレグの作成連続補強繊維のトウ（繊維径１７μｍ、２３００テック
ス、アミノシラン処理）、低分子量無水マレイン酸変性
ポリプロピレン（数平均分子量１５０００、酸価２６ｍ
ｇＫＯＨ／ｇ、「熱可塑性樹脂Ａ」）及び、ポリプロピ
レン（宇部興産製ＵＢＥポリプロＪ１３０Ｇ、「熱可塑
性樹脂Ｂ」）を用い、幅８ｍｍ、厚み５００μｍ、ガラ
ス繊維含有率２６体積％のトウプリプレグを製造した。
製造方法は、熱可塑性樹脂Ａが供給されるクロスヘッド
ダイ（温度１８０℃）にガラス繊維を通じ引き抜き、熱
風オーブン中（１５５℃）で繊維方向と垂直な複数のロ
ーラーに巻き掛けて引き取り予備含浸物を製造し、この
工程と連続した熱可塑性樹脂Ｂが供給されるクロスヘッ
ドダイ（温度２３０℃）へ前記予備含浸物を通して引き
抜き予備含浸物に熱可塑性樹脂Ｂを被覆した。この際の
引き取り速度（引き抜き速度）は２０ｍ／分であった。
樹脂全体（Ａ＋Ｂ）に対する樹脂Ｂの割合は８６体積％
であった。

【００２９】実施例１参考例１で製造したトウプリプレグ２４本をピン間隔
８．３ｍｍに調整した、くし型引き揃え装置によって引
き揃え、ヒータ温度１８０℃、加熱ロールの温度１８０
℃、加圧荷重７ｋＮ、製造速度３ｍ／分の条件で幅２０
０ｍｍのプリプレグシートを製造した。加熱加圧の工程
は図３に示すような加熱ヒータ２個、加圧ロール３個を
使用した。プリプレグシートの厚みは４００μｍであっ
た。得られたプリプレグシートは樹脂の含浸が良好でボ
イドが好なく、繊維が均一に分散し、且つ繊維の方向に
乱れが無いものであった。得られたプリプレグシートを
６層積層してプレス成形を行ない厚さ２ｍｍの積層成形
体を得た。プレス成形は１６０℃で１分間加圧せずに加
熱し、その後１６０℃で圧力１ＭＰａで１分間加圧を行
ない、更に加圧した状態で２０℃の水を金型内に流しプ
リプレグの温度が８０℃以下になるまで冷却した。この
積層成形体の３点曲げ試験を行ない物性の評価を行なっ
た。得られた評価結果を表１に示す。

【００３０】実施例２実施例１において、ヒータ温度を１８０℃から２００℃
に変えた以外は全く同様に行ないプリプレグシートを製
造した。プリプレグシートの厚みは４００μｍであっ
た。得られたプリプレグシートは樹脂の含浸が良好でボ
イドが少なく、繊維が均一に分散し、且つ繊維の方向に
乱れが無いものであった。実施例１と同様にして積層成
形体を得た。得られた評価結果を表１に示す。

【００３１】実施例３、４実施例１及び２において、製造速度を３ｍ／分から５ｍ
／分に変えた以外は全く同様に行ないプリプレグシート
を製造した。プリプレグシートの厚みは実施例３、実施
例４共に４００μｍであった。得られたプリプレグシー
トは実施例３、実施例４共に樹脂の含浸が良好でボイド
が少なく、繊維が均一に分散し、且つ繊維の方向に乱れ
が無いものであった。実施例１と同様にして積層成形体
を得た。得られた評価結果を表１に示す。

【００３２】参考例２熱可塑性トウプリプレグの作成連続補強繊維のトウ（繊維径１７μｍ、１１５０テック
ス、アミノシラン処理）、低分子量無水マレイン酸変成
ポリプロピレン（数平均分子量１５０００、酸価２６ｍ
ｇＫＯＨ／ｇ、「熱可塑性樹脂Ａ」）及び、ポリプロピ
レン（宇部興産製ＵＢＥポリプロＪ９５０ＨＫ、「熱可
塑性樹脂Ｂ」）を用い、参考例１と同様の製造方法によ
って幅７ｍｍ、厚み３００μｍ、ガラス繊維含有率３３
体積％のトウプリプレグを製造した。引き取り速度は２
０ｍ／分であった。樹脂全体（Ａ＋Ｂ）に対する樹脂Ｂ
の割合は８６体積％であった。

【００３３】実施例５参考例２で製造したトウプリプレグ２８本をピン間隔
７．２ｍｍに調整したくし型引き揃え装置によって引き
揃え、ヒータ温度１８０℃、加熱ロールの温度２００
℃、加圧荷重７ｋＮ、製造速度７ｍ／分の条件で幅２０
０ｍｍのプリプレグシートを製造した。プリプレグシー
トの厚みは２５０μｍであった。得られたプリプレグシ
ートは樹脂の含浸が良好でボイドが少なく、繊維が均一
に分散し、かつ繊維の方向に乱れが無いものであった。
得られたプリプレグシートを１０層積層してプレス成形
を行ない厚さ２ｍｍの積層成形体を得た。プレス成形の
条件は実施例１と同様に行なった。この積層成形体の３
点曲げ試験を行ない物性の評価を行なった。得られた評
価結果を表１に示す。

【００３４】

【表１】表１ ─────────────────────────────────── 繊維含有率曲げ弾性率曲げ強度（体積％）（ＧＰａ）（ＭＰａ） ─────────────────────────────────── 実施例１２６１９．２４７７．４実施例２２６２０．１４９０．５実施例３２６１９．０４７３．４実施例４２６１９．５４５６．２実施例５３３２２．３５９０．４ ───────────────────────────────────

【００３５】

【発明の効果】本発明により樹脂の含浸が良好でボイド
が少なく、繊維の乱れが無い幅広の熱可塑性一方向プリ
プレグシートを高速で生産できる。これは従来の技術で
は不可能であった。この結果、本発明によって製造され
る熱可塑性一方向プリプレグシートは安価で優れた物性
を有するために、特にコスト／パーフォーマンスを重視
する自動車材料をはじめとして、電気・電子材料、建築
材料、航空機材料などとして実用に供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造法に関する製造装置のフローチャ
ートの一例である。

【図２】くし型引き揃え装置の一例を示すものである。
分割されたくしの角度を変えることにより引き揃えの間
隔を調整することができる。

【図３】本発明の製造方法に関する製造装置の、特に加
熱装置及び加熱加圧ロールを複数使用した場合のフロー
チャートの一例を示す。

【符号の説明】１トウプリプレグ２クリルスタンド３ガイドロール４引き揃え装置５くし型引き揃え装置６ピン７加熱ロール８予熱装置９巻き出しロール１０カバーフィルム又はシート１１抑えロール１２冷却装置１３巻き取り装置１４プリプレグシート１５抑えロール１６巻き取り装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】連続補強繊維のトウに熱可塑性樹脂を含
浸させると同時にテープ状にしたトウプリプレグを幅方
向に複数本引き揃えて並べた後、加熱下、加圧してシー
ト状にすることを特徴とする熱可塑性一方向プリプレグ
シートの製造法。