JPH0825200B2 - Ｆｒｔｐ連続プリプレグの製造方法及び製造装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は連続した繊維を強化材とするFRTP（Fiber Re
inforced Thermo Plastic;繊維強化熱可塑性プラスチッ
ク）プリプレグに関し、詳細には連続繊維束への樹脂の
含浸を均一且つ確実に行なって高品質のFRTP連続プリプ
レグを製造する方法及び装置に関するものである。

［従来の技術］ FRTP連続プリプレグとは、金属繊維、植物繊維、鉱物
繊維、有機繊維、ガラス繊維などによって含浸された熱
可塑性樹脂成形材料であり、これを使用してペレット,F
W用リボン,UDシート或はクロスシート等を成形し、さら
にこれらをプレス成形、バッグ成形、FW成形等に付して
構造部材や各種機械部品等を製造することは広く知られ
ている。第４図はFRTP連続プリプレグを製造するための
溶液含浸装置の一例を示す膜式説明図である。この装置
は熱可塑性樹脂を適当な溶剤に溶解させて流動性の与え
られた樹脂溶液６を収容した含浸槽４を有し、ガイドロ
ーラ３及び５を介して連続繊維束１を樹脂溶液６中に導
入し繊維束１に樹脂溶液６を含浸させる様に構成したも
のである。尚符号２は繊維束送給ローラを示す。上記装
置によって樹脂溶液６中を通過して出てきた繊維束１は
次いで溶剤押出工程に付され、溶剤を消失することによ
って粘性の増加した成形性の良いFRTP連続プリプレグと
なるのである。ところが樹脂溶液中の溶剤を完全に除去
することは難かしく、どうしても樹脂中に若干量の溶剤
が混入し、できあがったFRTP連続プリプレグ、更にはそ
れらを用いて製造される成形品の特性を劣化させてしま
う原因となっていた。

そこで、樹脂溶液を使用しないでFRTP連続プリプレグ
を製造する方法としてホットメルト法（プルトルージョ
ン法）や流動床法が開発された。第５図はホットメルト
法による含浸例を示す概略説明図である。底部にオリフ
イス13を備え且つヒータ11を配設することによって高温
に保たれた高温槽10の内部に溶融樹脂12を収容してお
き、該高温槽10の上方開口部から繊維束１を導入する。
そして溶融樹脂12中に浸漬された後オリフイス13により
引き出されたプリプレグはバンディングローラ8a,8bに
おいて形状が整えられてさらに加熱ローラ９へ送られ、
該加熱ローラ９においてプリプレグを再加熱し樹脂に十
分な流動性を与え繊維束内部まで樹脂を含浸できる様に
配慮されている。

もうひとつの従来技術である流動床法は高温槽内に収
容した溶融樹脂中にクロスシート状或はUDシート状の繊
維シートを浸漬して通過させ一気にシート状のFRTP連続
プリプレグを製造する方法である。

［発明が解決しようとする問題点］ 上記したホットメルト法或は流動床法における欠点は
高温槽内の溶融樹脂温度を均一に保つことが非常に困難
な点にある。即ち溶融樹脂は熱伝導性が悪いため高温槽
内において温度不均一が生じ、それに基づいて溶融樹脂
中に粘度のばらつきを生じ、その結果樹脂の含浸が部分
的に不十分となり繊維束内部に気泡を残してしまうこと
が多い。そのため別途加熱ロール９等を設けて加熱プレ
ス工程を付加し樹脂液の強制的含浸と気泡の放出を図っ
ているが、繊維束内部に残存する気泡を完全に抜き出す
ことはできず、最終成形品の性質を低下させる原因にな
っている。

また前記した溶融樹脂粘度のばらつきに起因し、繊維
束への含浸が不十分な部分を生じてプリプレグ強度が不
均一となったり、或は繊維束と低温度の溶融樹脂部分と
の摩擦抵抗力の増大により、切れ易い部分ができてしま
うといった不具合を生じていた。さらに樹脂の流動性を
高める為に熱可塑性樹脂の分解温度近傍まで加熱してお
り、加熱ローラ９の付加があってもエネルギーの浪費量
は甚大なものである。特にポリエーテルエーテルケトン
やポリエーテルスルホン等の高融点耐熱性樹脂を使用す
るときは上記不都合は一層顕著なものとなる。

そこで本発明者等は必要以上のエネルギー消費を伴な
わなくても、繊維束内部まで溶融樹脂を均一且つ確実に
含浸でき、高品質のFRTP連続プリプレグを製造すること
のできる様な技術を開発すべく種々研究を重ねた結果、
本発明を完成し得るに至った。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成し得た本発明のFRTP連続プリプレグの製
造装置は、樹脂押出機の押出部に接続され、該押出部か
ら吐出された溶融樹脂を貯留する貯留部を有し、その一
方端に連続繊維束の導入口を、他方端に前記連続繊維束
の取出用ノズルを有する連続繊維束通過部と、該連続繊
維束通過部内における導入口と貯留部との間であって、
連続繊維束の走行経路上に配設され、連続繊維束と接触
することにより、連続繊維束を帯状に拡幅させる拡幅部
材と、貯留部内の記連続繊維束の走行経路上に配設さ
れ、拡幅された連続繊維束を集束する集束部材と、を備
えたことを特徴とする。

また、本発明のFRTP連続プリプレグの製造方法は、貯
留される熱可塑性溶融樹脂中に連続繊維束を通過させFR
TP連続プリプレグを得る製造方法において、溶融樹脂中
に進入させる前に連続繊維束を分散させて帯状に拡幅さ
せ、拡幅された状態を保持して押出機から押し出され貯
留される溶融樹脂中を通過させ、次いで該溶融樹脂中で
拡幅させた連続繊維を集束させ、集束後の連続繊維束を
ノズルを通して取り出すことを特徴とする。

［作用及び実施例］ 第１図は本発明装置の代表的な実施例を示す断面説明
図である。この装置は繊維束（以下トウともいう）１を
走行させる繊維束通過部Ta及び溶融樹脂押出部Raから構
成され、該樹脂押出部Raは円筒形ケーシング32内に回転
スクリュー21を設けて構成し、該回転スクリュー21の先
端側空間には、押出方向と交差させる様に繊維束通過部
Taを連通させる。前記繊維束通過部Taの導入部29にはト
ウ１の進行方向と交差する方向に拡幅部材としての３本
の円柱形平行バー24a,24b,24cを設け、繊維束１を交互
に架け渡して「く」の字状に屈曲した走行軌跡を形成す
る（第３図参照）。該平行バー24a〜24cの下流側には溶
融樹脂12を前記通過部Ta内へ導入する充満部28を形成
し、該充満部28の更に下流側にはトウ１の進行する方向
と交差する方向に平行バー25及び集束部材としての集束
バー26a,26bを設けると共に、ノズル部31を形成する。
さらにノズル部31の下流側には冷却機22及びプリプレグ
1Cの引取機27を設け、プリプレグ1Cを巻取機23へ連続的
に送給する。尚繊維束通過部Taを囲繞する様にヒータ11
を配設し、溶融樹脂12の温度を一定に維持する。

上記装置を用いてFRTP連続プリプレグを製造するに当
たっては次の様に実施する。ケーシング32の外周面に設
けられるヒータ（図示せず）や回転スクリュー21の摩擦
熱によって溶融された樹脂12は破線矢印Ｒ方向へ送給さ
れ、充満部28へ至る。一方繊維束１は引取機27によって
引取られ導入部29に設けられた平行バー24a,24b,24cの
間を蛇行して進入してくる。該繊維束１は平行バー24a
〜24cによって走行方向と直交する方向へ押しやられる
ことによって束自身が幅方向に広げられ（第２図参
照）、繊維束1Aは帯状に広がった状態で充満部28に至
る。従って繊維束1Aは溶融樹脂12中をばらけた状態で通
過することになるので、繊維糸条間に溶融樹脂を十分に
含浸して平行バー25に至る。なお、第１図において、空
気の巻き込みを防止するため及び走行抵抗を低減させる
ために、繊維束１は溶融樹脂中に侵入させる前に幅方向
に広げられていることが好ましいが、これに限らず、溶
融樹脂が平行バー24a〜24cの高さまで盛り上がり、溶融
樹脂中でその繊維束１を幅方向に広げるものであっても
よい。次いで繊維束1Aは中央部を縮径させた集束バー26
a,26bを通過させているので帯状に広がっていた繊維束1
Aが再び集束された状態（第１図においては1Bの状態）
に戻る。そしてこの集束された繊維束1Bは取出用ノズル
としてのノズル部31を通過し、繊維束に付着している余
分な樹脂が絞り上げられると共に気泡の残存を一層確実
に防ぎ、プリプレグ1Cの断面形状及び断面寸法を設定さ
れたものに仕上げる。尚ノズル部31の開口形状は円形や
矩形等種々の形状に設定でき、また開口面積を変えるこ
とによって繊維の含有率（プリプレグ断面積における繊
維の占める割合）も任意に選定できる。そしてこの繊維
束は冷却機22によって冷却しているから巻取機10に巻取
って行く。

上記した様に導入される繊維束１は平行バー24a〜24c
を蛇行する際に、集束した状態から幅方向に広げられ、
厚さ数十〜数百μｍの帯状とされるので、樹脂の含浸は
確実に行なえ、従来の様に繊維束内部に未含浸部を残す
といったことはなくなる。上記した例では平行バー24a
〜24c,25及び集束バー26a,26bとして固定式のものを用
いたが、自由回転又は積極的に回動できる様に枢支され
るものであっても良いし、或は配設位置は第２図及び第
３図（第２図の左側面図）の様に平行バー24a〜24bと集
束バー26a,26bを直交方向に配設しても良く、さらに平
行バーや集束バーの外周面を湾曲面によって形成した
り、繊維束走行軌跡に対して斜め方向へ傾けたものやバ
ーの間隔を調節可能としたもの等であっても構わず、要
は導入部29において繊維束１をばらして幅方向に広げる
構造を有し、且つノズル部31に至るまでに再び繊維束を
集束させる構造のものであれば、如何なるものであって
も良い。

また前記導入部29をN₂ガスやArガス等の不活性ガスで
シーリングするか、或は真空状態にしておけば、樹脂12
の酸化劣化を防止することができ、さらに１つの樹脂押
出部Raに複数の繊維束通過部Taを設ければ、複数条のプ
リプレグを同時に製造することもできる。

実施例１ 強化材として炭素繊維を用いマトリックスとしてナイ
ロン6,6を使用し、第１図に示す装置によって直径0.9mm
のTPCF（熱可塑性樹脂含浸連続繊維プリプレグ）を製造
し、そして該TPCFをストランドカッタによって繊維長3m
mに切断して射出用ペレットとし、該ペレットを使って
成形品を得た。さらに、射出成形用ペレットを製造する
従来技術である混練法、すなわち、押出機により短繊維
と熱可塑性樹脂とを混練，押出しその後カッティング
し、射出成形用ペレットとした該ペレットを使って成形
品を同様に作り、両成形品を引張強度試験並びに曲げ強
度試験によって比較した。その結果本発明によって得ら
れたTPCFを用いた成形品のほうが、従来品に比べて1.5
〜２倍程度高強度となることが分かった。

本発明の装置及び方法は上記した実施例に限定され
ず、前・後記の主旨に沿って設計変更を加えたものも全
て含まれる。また本発明によって製造されるTPCFはUDシ
ート用やクロスシート用等に汎用でき、さらに前記TPCF
を切断することによって繊維長を制限したペレットをも
製造でき、これらをもとにして各種の成形製品を成形す
ることができる。

［発明の効果］ 本発明により、気泡を残存させることなく均一且つ確
実に樹脂を含浸させることができ、高品質のFRTP連続プ
リプレグを製造できる様になった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の代表的な実施例を示す断面説明
図、第２図は平行バー及び集束バーの他の配設例を示す
説明図、第３図は第２図の左側面図、第４図は溶液含浸
装置の模式説明図、第５図はホットメルト法の概略説明
図である。 １…繊維束、２…送給ローラ 3,5…ガイドローラ、４…含浸槽 ６…溶液 8a,8b…バンディングローラ ９…加熱ローラ、10…高温槽 11…ヒータ、12…樹脂 13…オリフイス、20…長繊維供給筒 21…回転スクリュー、22…冷却機 23…巻取機、24a〜24c,25…平行バー 26a,26b…集束バー、27…引取機 28…充満部、29…導入部 31…ノズル部、32…ケーシング

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】樹脂押出機の押出部に接続され、該押出部
   から吐出された溶融樹脂を貯留する貯留部を有し、その
   一方端に連続繊維束の導入口を、他方端に前記連続繊維
   束の取出用ノズルを有する連続繊維束通過部と、 該連続繊維束通過部内における前記導入口と前記貯留部
   との間であって前記連続繊維束の走行経路上に配設さ
   れ、前記連続繊維束と接触することにより、前記連続繊
   維束を帯状に拡幅させる拡幅部材と、 前記貯留部内の前記連続繊維束の走行経路上に配設さ
   れ、前記拡幅された連続繊維束を集束する集束部材と、 を備えたことを特徴とするFRTP連続プリプレグの製造装
   置。
2. 【請求項２】貯留される熱可塑性溶融樹脂中に連続繊維
   束を通過させFRTP連続プリプレグを得る製造方法におい
   て、 前記溶融樹脂中に進入させる前に前記連続繊維束を分散
   させて帯状に拡幅させ、拡幅された状態を保持して押出
   機から押し出され貯留される前記溶融樹脂中を通過さ
   せ、次いで該溶融樹脂中で前記拡幅させた前記連続繊維
   を集束させ、集束後の前記連続繊維束をノズルを通して
   取り出すことを特徴とするFRTP連続プリプレグの製造方
   法。