JPH08183105A

JPH08183105A - フィラメントワインディング成形方法

Info

Publication number: JPH08183105A
Application number: JP6328575A
Authority: JP
Inventors: Makoto Ito; 伊藤　　誠; Noriyoshi Saitou; 則祥斎藤
Original assignee: Fujikura Rubber Ltd
Current assignee: Fujikura Composites Inc
Priority date: 1994-12-28
Filing date: 1994-12-28
Publication date: 1996-07-16

Abstract

(57)【要約】【目的】熱可塑性樹脂をマトリックスとする、フィラ
メントワインディング成形物を、従来法と比較して空隙
の生成を極力抑え、しかも均質な成形物を得ることを可
能とする。【構成】熱可塑性樹脂繊維と強化用繊維とを混合して
複合繊維１を形成する。この複合繊維１を上層に、熱可
塑性樹脂フィルム２を下層に配置して同時にマンドレル
８に巻付ける。このマンドレル８への巻付時に、複合繊
維１および熱可塑性樹脂フィルム２を加熱する。そし
て、複合繊維１中の熱可塑性樹脂および熱可塑性樹脂フ
ィルム２を溶融して強化用繊維に含浸させ、冷却後にマ
ンドレル８を成形物から抜き取る事により形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ミサイルや宇宙船のケ
ーシング、中型の圧力容器、小型のカップリング、釣
竿、ゴルフクラブのシャフト等を形成するためのマトリ
ックスとして、熱可塑性樹脂を使用するフィラメントワ
インディング成形方法に係るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、フィラメントワインディング成形
方法は、各種繊維強化プラスチックの成形方法の中で、
強化用繊維の性能を活用する手段として有効であるた
め、成形物の強度に対する要求が厳しい用途に利用され
ている。例えば、大型の成形物では、ミサイルや宇宙船
のケーシングから、中型の圧力容器、更には小型のカッ
プリング、釣竿、ゴルフクラブのシャフト等の広範囲な
構造物や製品がフィラメントワインディング法で成形製
造されている。

【０００３】フィラメントワインディング法は、一般に
ガラス繊維やカーボン繊維にエポキシ樹脂を含浸し、こ
れをマンドレルに巻き付けた後、オーブンに入れてキュ
アして固化させる。その後、マンドレルを引き抜いて、
コンポジット成形物が得られる。

【０００４】そして、従来、使用の中心であったエポキ
シ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂等の
熱硬化性樹脂に代わって、マトリックス樹脂として熱可
塑性樹脂が最近使われ始めてきている。これらの熱可塑
性樹脂には、エンジニアリングプラスチック若しくはス
ーパーエンジニアリングプラスチックと呼ばれるものが
ある。これらの、熱可塑性樹脂は、熱硬化性樹脂に比較
すると靭性が高く、その結果、耐衝撃性や耐疲労性に優
れたものである。特に、スーパーエンジニアリングプラ
スチックは耐熱性も高いため、コンポジットとして特性
が優れているものである。

【０００５】しかし、熱可塑性樹脂は、成形加工時には
常温で液体である熱硬化性樹脂と異なり、既に樹脂化し
ているため、常温で強化用繊維に含浸することは不可能
である。このため、いろいろな方法が提案されているが
必ずしも良い方法であるとは言えない。

【０００６】例えば、カーボン繊維にポリエーテルエー
テルケトン（ＰＥＥＫ）等の熱可塑性樹脂の粉末をまぶ
したものを、マンドレルに巻き付けつつ、この巻き付け
部分を局部的に加熱して樹脂を溶融し、フィラメントワ
インディング成形物を得る方法がある。

【０００７】また、別の方法は、溶剤に溶ける性質をも
った熱可塑性樹脂を溶剤に溶かし、この溶解溶液に強化
用繊維を含浸し、ただちにマンドレルに巻き付けて乾燥
することによってフィラメントワインディング成形物を
得る方法である。

【０００８】また、上記発明に類似した方法として、特
開平４ー１１５９３０号公報記載の発明の如く、熱可塑
性樹脂繊維と強化用繊維とを混織するか引き揃え、この
複合繊維をマンドレルに巻付ける時点ないしはその前後
に、熱可塑性樹脂繊維を溶解する溶剤を複合繊維に吹き
付け、熱可塑性樹脂繊維を溶解した後、溶剤を除去する
方法が知られている。

【０００９】更に、他の方法は、熱可塑性樹脂を繊維化
して強化用繊維と混合して複合繊維とし、このものをマ
ンドレルに巻き付けつつ、同時に巻き付く点を局部的に
加熱して、樹脂繊維を溶融し、フィラメントワインディ
ング成形物を得る方法が知られている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、カーボ
ン繊維等の強化用繊維に熱可塑性樹脂の粉末をまぶした
ものを、マンドレルに巻き付けつつ樹脂を溶融する方法
は、熱可塑性樹脂粉末の付着を強化用繊維に均一に行う
のが困難である。また、この方法は、マンドレルへの巻
付け操作中に、カーボン繊維等の強化用繊維から、熱可
塑性樹脂粉末が落下することは避けられず、均質なフィ
ラメントワインディング成形物を得るのは困難である。
このような均質性を有さないものは、成形物の物性不良
をもたらすものである。

【００１１】また、熱可塑性樹脂の溶解溶液に強化用繊
維を含浸し、これをマンドレルに巻き付けて乾燥する方
法とか、特開平４ー１１５９３０号公報記載の発明の如
く、熱可塑性樹脂繊維と強化用繊維との複合繊維をマン
ドレルに巻付ける時に溶剤を吹き付け、熱可塑性樹脂繊
維を溶解する方法は、高温を必要とせず実用的な方法で
あると考えられる。

【００１２】しかし、例えば熱可塑性樹脂を溶解するも
のとして実用的な溶剤である、塩化メチレンやアセトン
のような低沸点の溶剤を用いる場合、溶液中の熱可塑性
樹脂の濃度が、溶剤の蒸発によって変化するのを避けら
れない。そのため、均質なフィラメントワインディング
成形物を得るのが困難である。また、熱可塑性樹脂は溶
液状態なので、溶剤が蒸発する際にエアー溜りに代表さ
れるいわゆる空隙が生成するのは不可避である。上記の
ような均一性を有さないものや、空隙を有するものは、
成形物の物性不良をもたらすものである。

【００１３】また、熱可塑性樹脂を繊維化して強化用繊
維と混合して複合繊維とし、これをマンドレルに巻き付
けつつ加熱して樹脂繊維を溶融し、フィラメントワイン
ディング成形物を得る方法は、製品の均一性は改善され
る。しかしながら、実際には、連続している複合繊維が
マンドレルに巻かれる全長に亘って、必ずしも熱可塑性
樹脂フィラメントと強化用繊維フィラメントが均一にな
っていないものも多々ある。このようなものは、熱可塑
性樹脂フィラメントと強化用繊維フィラメントが偏在し
ているので、複合繊維がマンドレルに巻かれ加熱された
時、強化用繊維フィラメントは、溶融した熱可塑性樹脂
が必要とするだけ近傍に存在していないため、樹脂によ
り含浸されない場合が生じる。その結果、成型物に空隙
が生成してしまい、成形物の物性不良をもたらすもので
ある。

【００１４】本願は、上述の如き課題を解決し、熱可塑
性樹脂、特にエンジニアリングプラスチックないしスー
パーエンジニアリングプラスチックと呼ばれる熱可塑性
樹脂をマトリックスとする、フィラメントワインディン
グ成形物を、従来法と比較して空隙の生成を極力抑え、
しかも均質な成形物を得ることを可能とするものであ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は上述のごとき課
題を解決するため、熱可塑性樹脂繊維と強化用繊維とを
混合して複合繊維を形成し、この複合繊維を上層に、熱
可塑性樹脂フィルムを下層に配置して同時にマンドレル
に巻付けるとともにこのマンドレルへの巻付時に、巻付
け済みの複合繊維および熱可塑性樹脂フィルムを加熱し
て、複合繊維中の熱可塑性樹脂および熱可塑性樹脂フィ
ルムを溶融して強化用繊維に含浸させ、冷却後にマンド
レルを成形物から抜き取る事により形成する事を特徴と
して成るものである。

【００１６】また、複合繊維および熱可塑性樹脂フィル
ムの加熱は、加熱気体をノズルから加熱目的部に噴射し
て行うものであっても良い。

【００１７】複合繊維および熱可塑性樹脂フィルムの
加熱は、マンドレルへの巻付け済み位置であって巻付け
張力の及ぶ範囲であっても良い。

【００１８】また、熱可塑性樹脂と強化用繊維は、複合
繊維を構成する熱可塑性樹脂繊維と熱可塑性樹脂フィル
ムとの合計として２０〜８０％(容積比)、強化用繊維８
０〜２０％(容積比)の範囲で用いるものであっても良
い。

【００１９】

【作用】本発明は上述の如きものであって、マトリック
スとして使用される熱可塑性樹脂は、繊維形状とし強化
用繊維と混合して複合繊維として用いるものと、フィル
ム形状として用いるものとを併用するものである。

【００２０】そして、具体的には、強化用繊維と熱可塑
性樹脂繊維を混合した複合繊維(１)及び熱可塑性樹脂フ
ィルム(２)を、図１、図２に示すごとく、各々のスプー
ル(３)(４)から引き出す。この引き出した複合繊維(１)
と熱可塑性樹脂フィルム(２)とを、ガイド(５)に一定間
隔を介して形成したガイド穴(６)(７)に挿入する。この
ガイド穴(６)(７)を挿通した複合繊維(１)と熱可塑性樹
脂フィルム(２)とを、回転するマンドレル(８)に巻付け
る。この巻付けは、マンドレル(８)に対して複合繊維
(１)が外層で、熱可塑性樹脂フィルム(２)が内層になる
様に引き揃える。また、この引き揃えは、マンドレル
(８)の外周に、長手方向に対して一定の角度を設けて行
う。

【００２１】このマンドレル(８)に巻付ける複合繊維と
熱可塑性樹脂フィルムとは、加熱気体により局部的に加
熱し、複合繊維(１)中の熱可塑性樹脂と熱可塑性樹脂フ
ィルム(２)とを溶融させる。この溶融に用いる加熱気体
(１４)は、加熱空気、バーナーを用いた燃焼ガス、加熱
した窒素ガス等とする事ができる。

【００２２】また、この局部加熱による溶融位置は、マ
ンドレル(８)への巻付け以前では熱可塑性樹脂フィルム
(２)が切断されてしまうため好ましくない。そのため、
複合繊維(１)および熱可塑性樹脂フィルム(２)の加熱
は、図１に示す如く、マンドレル(８)への巻付を行って
いる複合繊維(１)および熱可塑性樹脂フィルム(２)の巻
付け済み位置(１１)の複合繊維(１)および熱可塑性樹脂
フィルム(２)に対して行う。

【００２３】また、この巻付け済み位置の加熱は、複合
繊維(１)および熱可塑性樹脂フィルム(２)の巻付け済み
位置であれば任意の位置を加熱することが可能である
が、複合繊維(１)による張力の及ぶ範囲が好ましい。ま
た、加熱気体(１４)による加熱は、マンドレル(８)に巻
付けた複合繊維(１)および熱可塑性樹脂フィルム(２)の
全てに対して行う必要がある。

【００２４】上記の如く、局部的に加熱することによ
り、複合繊維(１)中の熱可塑性樹脂及び熱可塑性樹脂フ
ィルム(２)を溶融させつつ、マンドレル(８)に巻きとら
せていく。この巻付けにおいて、複合繊維(１)の下層に
は、熱可塑性樹脂フィルム(２)が均一に配置される。そ
のため、強化用繊維の全てに熱可塑性樹脂が均一に溶融
浸透することができ、強化用繊維のフイラメント間の空
隙を確実に埋めることが可能となる。

【００２５】このようにして、複合繊維(１)と熱可塑性
樹脂フィルム(２)とを巻きつけたマンドレル(８)は、所
定量の複合繊維(１)及び熱可塑性樹脂フィルム(２)を巻
き付けた段階で、フィラメントワインディング機(図示
せず)から取り外す。

【００２６】そして、これを冷却後、複合繊維(１)と熱
可塑性樹脂フィルム(２)との溶融物からマンドレル(８)
を抜取ることにより、熱可塑性樹脂をマトリックスとす
るフィラメントワインディング法によるコンポジット成
形物が得られる。

【００２７】上記したように、マンドレル(８)に巻付け
られた強化用繊維は、溶融された状態になっている熱可
塑性樹脂繊維及び熱可塑性樹脂フィルム(２)と共に、回
転するマンドレル(８)に巻き取られて行く。そのため、
熱可塑性樹脂フィルム(２)は外部から加熱されるとただ
ちに溶融し、その上層にある複合繊維(１)中の、強化用
繊維のフィラメントの空隙に入り込もうする。同時に、
上層の複合繊維(１)中で溶融した熱可塑性樹脂と相乗的
に空隙を減少させる事ができる。また、複合繊維(１)は
張力をかけているため、マンドレル(８)に一定の圧力で
押圧され、更に空隙は減少することになる。このように
して得られた成形物は、マトリックス樹脂と強化用繊維
とがほぼ均質に存在し、空隙が殆どないため機械的特性
の優れたコンポジット成形物となる。

【００２８】本発明で使用される複合繊維を構成する熱
可塑性樹脂繊維としては、ポリエーテルエーテルケト
ン、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリカ
ーボネート、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルフ
ォン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアミドイミド、
ポリアリレート等を用いることができる。

【００２９】また、熱可塑性樹脂フィルム(２)も、上記
と同様の樹脂を用いて形成することができる。

【００３０】また、複合繊維(１)を構成する強化用繊維
としては、カーボン繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等
を用いることができる。

【００３１】また、上記の複合繊維(１)を構成する熱可
塑性樹脂繊維及び強化用繊維のヤーンテックスは、１０
０〜４０００テックスの範囲のものが使用可能である。
そして好ましくは２００〜２５００テックスのものが望
ましい。

【００３２】本発明で使用される熱可塑性樹脂フィルム
(２)としては、上述の如く熱可塑性樹脂繊維と同様のも
のを用いることができるが、好ましくは、上記複合繊維
を構成する熱可塑性樹脂と同種のものを用いるのが、溶
融状態を良好とし、強化用繊維の空隙を埋めるのに好都
合なものとなる。

【００３３】また、熱可塑性樹脂フィルム(２)の厚さは
１０〜１００ｕｍの範囲で選択でき、好ましくは１５〜
７０ｕｍの範囲とする。また、熱可塑性樹脂フィルム
(２)の幅は、マンドレル(８)に巻いた時の複合繊維の幅
の２倍から０．２倍の範囲で選択でき、好ましくは１〜
０．５倍とする。

【００３４】また、複合繊維(１)を構成する熱可塑性樹
脂繊維と熱可塑性樹脂フィルム(２)との合計量に対し、
強化用繊維の混合比を次の通りとする。つまり、合計量
の熱可塑性樹脂２０〜８０％(容積比)、強化用繊維８０
〜２０％(容積比)の範囲とすることができる。

【００３５】

【実施例】以下本発明の第１実施例を説明すれば、複合
繊維(１)をカーボン繊維(８００テックス)とナイロン６
繊維(４００テックス)とを混合して構成する。その混合
比は容積比で、カーボン繊維５３％とナイロン６繊維４
７％とする。また、熱可塑性樹脂フィルム(２)は、ナイ
ロン６フィルム(厚さ２５ｕｍ、幅５ｍｍ)とする。

【００３６】そして、上記の複合繊維(１)と熱可塑性樹
脂フィルム(２)を、各々のスプール(３)(４)から引き出
し、ガイド(５)のガイド穴(６)(７)に挿通する。そし
て、複合繊維(１)が外層で、ナイロン６フィルムから成
る熱可塑性樹脂フィルム(２)が内層になる様に、マンド
レル(８)に引き揃える。引き揃えた複合繊維(１)とナイ
ロン６フィルムから成る熱可塑性樹脂フィルム(２)は、
回転するマンドレル(８)に巻き取る。

【００３７】また、この巻きとりの際、ガイド(５)は駆
動機構(図示せず)により、マンドレル(８)の長手方向に
対し平行に移動するが、巻き角度はマンドレル(８)の長
手方向に対し、４０度２プライ、３０度１プライ、２０
度３プライ、４０度１プライの順に角度をつけて巻い
た。

【００３８】そして、上記の複合繊維(１)とナイロン６
フィルムから成る熱可塑性樹脂フィルム(２)をマンドレ
ル(８)に巻付け、この巻付を行っている複合繊維(１)お
よび熱可塑性樹脂フィルム(２)の、巻付け張力の影響が
及ぶ巻付け済み位置(１１)の複合繊維(１)および熱可塑
性樹脂フィルム(２)を、バーナーのノズル(１３)から噴
出する燃焼ガスの加熱気体(１４)により局部的に加熱す
る。そして、複合繊維(１)中の熱可塑性樹脂繊維及び熱
可塑性樹脂フィルム(２)を溶融させつつ、複合繊維(１)
と熱可塑性樹脂フィルム(２)をマンドレル(８)に順次巻
きとらせていく。

【００３９】また、マンドレル(８)に複合繊維(１)と熱
可塑性樹脂フィルム(２)を巻きとるに際しては、複合繊
維(１)に２ｋｇの張力をかけ、熱可塑性樹脂フィルム
(２)にはスプール(４)が空回りしない程度のブレーキを
かけている。このようにして複合繊維(１)と熱可塑性樹
脂フィルム(２)を巻きつけたマンドレル(８)は、フィラ
メントワインディング機(図示せず)から外す。そして、
これを冷却後、マンドレル(８)を成型物から抜取り、均
質でかつ空隙のない機械的特性に優れた管体が得られ
た。

【００４０】第２実施例本実施例に於いては、実施例１に於けるカーボン繊維
(８００テックス)をカーボン繊維(２００テックス)と
し、ナイロン６繊維(４００テックス)をポリエーテルエ
ーテルケトン(４００テックス)」とした。そして、複合
繊維の混合比を、容積でカーボン繊維３０％、ポリエー
テルエーテルケトン７０％の混合比とした。また、熱可
塑性樹脂フィルム(２)にポリエーテルケトン(厚さ１５
ｕｍ、幅４ｍｍ)を用いた。

【００４１】また、複合繊維(１)と熱可塑性樹脂フィル
ム(２)のマンドレル(８)への巻付け角度を、４０度２プ
ライ、３０度２プライ、２０度２プライ、４０度１プラ
イの順とした。他の条件は実施例１と同一とした。そし
て、得られた管体は均質でかつ空隙のない機械特性の良
好のものであったが、実施例１に比較すると空隙を僅か
に生じた。

【００４２】また、比較例として、ナイロン６フィルム
から成る熱可塑性樹脂フィルム(２)を除去した以外は、
実施例１と全く同様の方法によりフイラメントワインデ
イング成形を行ったが、肉厚中に空隙が多く物性不良の
ものであった。

【００４３】

【発明の効果】本発明のフィラメントワインディング法
を適用することにより、マトリックス樹脂として熱可塑
性樹脂を用いるフィラメントワインディング法に於て、
均質でかつ空隙のない機械的特性に優れたフィラメント
ワインディング成形物を得る事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の斜視図。

【図２】実施例の側面図。

【図３】実施例の平面図。

【符号の説明】

１複合繊維２熱可塑性樹脂フィルム８マンドレル１３ノズル１４加熱気体

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱可塑性樹脂繊維と強化用繊維とを混合
して複合繊維を形成し、この複合繊維を上層に、熱可塑
性樹脂フィルムを下層に配置して同時にマンドレルに巻
付けるとともにこのマンドレルへの巻付時に、巻付け済
みの複合繊維および熱可塑性樹脂フィルムを加熱して、
複合繊維中の熱可塑性樹脂および熱可塑性樹脂フィルム
を溶融して強化用繊維に含浸させ、冷却後にマンドレル
を成形物から抜き取る事により形成する事を特徴とする
フィラメントワインディング成形方法。
【請求項２】複合繊維および熱可塑性樹脂フィルムの
加熱は、加熱気体をノズルから加熱目的部に噴射して行
うものであることを特徴とする請求項１のフィラメント
ワインディング成形方法。
【請求項３】複合繊維および熱可塑性樹脂フィルムの
加熱は、マンドレルへの巻付け済み位置であって巻付け
張力の及ぶ範囲である事を特徴とする請求項１のフィラ
メントワインディング成形方法。
【請求項４】熱可塑性樹脂と強化用繊維は、複合繊維
を構成する熱可塑性樹脂繊維と熱可塑性樹脂フィルムと
の合計として２０〜８０％(容積比)、強化用繊維８０〜
２０％(容積比)の範囲で用いる事を特徴とする請求項１
のフィラメントワインディング成形方法。