JPH10296865A - 繊維強化シートの製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 樹脂の含浸が十分であり、シート形状を保持
可能な繊維強化シートの製造方法の開示 【解決手段】 熱可塑性樹脂中に強化繊維を配置した繊
維強化シートの製造方法において、熱可塑性樹脂と前記
強化繊維とを互いに絡めたマット状組成物２とし、この
マット状組成物２を熱可塑性樹脂の溶融温度以上に加熱
した後、固化温度を超え且つ溶融温度未満に冷却した状
態で加圧する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，熱可塑性樹脂中に
強化繊維を配してなる繊維強化シートの製造方法に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、熱可塑性樹脂に強化繊維を含めた
繊維強化樹脂製品の製造方法としては、繊維状熱可塑性
樹脂と繊維状補強材とを混合した後、熱可塑性樹脂を溶
融温度まで加熱して樹脂を溶融させ、必要に応じて加圧
する方法が提案されている（特開昭６１−１３０３４５
号公報）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，従来の
繊維強化シートの製造方法は，成型後も樹脂が溶融温度
以上に保持されるため、加圧解放後の繊維状補強材の弾
性回復により、空隙が発生すると共に、繊維状補強材の
表面を覆っていた溶融樹脂が表面張力により滴状に凝縮
してしまい、樹脂の含浸が不十分なものとなることがあ
った。又、冷却固化するまで企図するシート形状を保持
することが困難であった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に，本発明の請求項１の繊維強化シートの製造方法は、
熱可塑性樹脂中に強化繊維を配置した繊維強化シートの
製造方法において、前記熱可塑性樹脂と前記強化繊維と
を互いに絡めたマット状組成物とし、このマット状組成
物を前記熱可塑性樹脂の溶融温度以上に加熱した後、固
化温度を超え且つ溶融温度未満に冷却した状態で加圧す
ることを特徴とする。

【０００５】また、本発明の請求項２の繊維強化シート
の製造装置は、熱可塑性樹脂中に強化繊維を配置した繊
維強化シートの製造装置において、前記マット状組成物
を前記熱可塑性樹脂の溶融温度以上に加熱する加熱炉
と、この加熱炉において加熱されたマット状組成物を前
記熱可塑性樹脂の固化温度を超え且つ溶融温度未満に冷
却した状態で加圧することにより前記マット状組成物を
シート化する冷却固化装置と、この冷却固化装置にてシ
ート化された前記マット状混合物を更に加圧してシート
とする加圧装置とを有することを特徴とする。

【０００６】本発明の繊維強化シートの製造方法及び製
造装置によれば、繊維状熱可塑性樹脂を溶融温度以上に
加熱すると、樹脂は表面張力で繊維状から滴状へと変化
する。その際、滴状溶融樹脂はその表面エネルギーを低
く保つために、より多くの強化繊維と接触できる状態を
保ち、強化繊維が交差する点に溶融樹脂が集中して存在
することとなる。

【０００７】続いて、熱可塑性樹脂を溶融温度以下且つ
軟化温度以上まで冷却して熱可塑性樹脂の流動性を下げ
た状態で加圧することにより、不織布状マット内部の空
隙を減少させ、シート化される。

【０００８】これにより、樹脂を強化繊維の交点付近に
集中して存在させ、繊維への含浸を十分に行うことがで
きる。

【０００９】すなわち、樹脂温度を溶融温度以下として
樹脂の一部を結晶化させ、流動性を下げてから加圧する
ことにより、加圧圧縮された強化繊維の弾性による圧解
放後の形状復元を防止でき、加圧から樹脂固化までの繊
維強化シートの厚みが増すことを防ぐことができる。
又、強化繊維の形状回復に伴って、溶融樹脂中に空隙が
でき、繊維への含浸効果を低減してしまうことを防止で
きるため、樹脂への含浸効果が高まる。

【００１０】従って、強化繊維の中に樹脂が十分に含浸
して固化されることとなり、繊維強化シートの形状を保
持することが容易になる。

【００１１】

【発明の実施の形態】次に，本発明の好ましい実施形態
にかかる繊維強化シートの製造方法並びに製造装置を図
面に基づいて説明する。

【００１２】図１は、この実施の形態にかかる繊維強化
シートの製造装置である。図１において、符号の１はマ
ット状組成物２を繰り出す繰り出し機である。

【００１３】このマット状組成物２は、熱可塑性樹脂繊
維と強化繊維とからなるものである。ここにおいて、熱
可塑性樹脂は、その一部として結晶性を持ち、溶融温度
でその流動性が変化するものであれば、特に限定されな
いが、例として、ポリプロピレン、ポリエチレン等のポ
リオレフィン系樹脂、ポリエチレンテレフタレートやオ
キソベンゾイル構造等を持つポリエステル系樹脂、ナイ
ロン６等のポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂若しく
はそれらの共重合体や他の樹脂との混合物等が挙げられ
る。

【００１４】又、マット状組成物２の強化繊維として
は、炭素繊維（ＣＦ）、ガラス繊維（ＧＦ）等の無機繊
維、アラミド繊維、ナイロン繊維等の有機繊維、金属繊
維等、通常の樹脂の強化に用いられるものであれば、特
に限定されない。強化繊維のモノフィラメント径は、１
〜５０μmが好ましく、２〜３０μmが特に好ましい。径
が１μm未満であると繊維が折れ易く、取り扱いが困難
である。径が５０μmを越えると強化繊維としての性能
を十分に発揮することができない。

【００１５】更に、マット状組成物２の製造方法は限定
されないが、例として、熱可塑性樹脂繊維と強化繊維と
をエアにより混合積層し、ニードルパンチングにて一体
化させる方法などが挙げられる。

【００１６】図１の符号３は繰り出し機１から繰り出さ
れたマット状組成物２を加熱する加熱炉である。マット
状組成物２は繰り出し機１から加熱炉３の加熱溶融ゾー
ンＨＺを通過して加熱溶融される。加熱炉３には、多数
のヒータ３ａ及び反射板３ｂが多数上下に略等間隔で配
置されており、マット状組成物１の加熱手段ＨＭを構成
している。この上下に対向するように配列されたヒータ
３ａ及び反射板３ｂの間の領域が、マット状組成物２の
加熱領域とされている。

【００１７】加熱溶融ゾーンＨＺにおける、マット状組
成物２の溶融温度以上への加熱方法は、材料、温度、速
度などから適宜最適な方法が選択される。熱風、遠赤外
線、誘電加熱、特に限定されない。

【００１８】又、マット状組成物２の溶融温度以上での
加熱時間は、熱可塑性樹脂繊維が且つ滴状に溶融変形す
るのに十分な時間であればよい。この溶融変形に必要な
時間は材料により変化するが、通常、ポリプロピレン樹
脂は２３０度Ｃで１２秒以上、ポリエチレンテレフタレ
ート樹脂は２５０度Ｃで１０秒以上である。

【００１９】尚、溶融状態のマット状組成物２に振動を
与えて樹脂の変形を促進することにより、加熱時間を短
縮させることも可能である。又、振動により樹脂の強化
繊維の交わる点への局在化を促進することもできる。

【００２０】加熱溶融ゾーンＨＺにおいて薄肉化された
マット状組成物２は、次のシート化装置４において、溶
融温度未満固化温度以上の温度で加圧され、シート化工
程を経る。シート化工程を行うシート化装置４のケース
５内には、一組の加圧用のロール６が配備されており、
ケース５の下部には電熱ヒータ７とブロア８が設けられ
ている。ブロア８から送風される空気は電熱ヒータ７に
より、熱可塑性樹脂の溶融温度以下固化温度未満まで暖
められてケース５内を流れる。ブロア８から送風された
空気は、排気口９から排気される。加熱炉３において溶
融温度に加熱された熱可塑性樹脂は、このシート化工程
に至って、溶融温度以下固化温度以上に冷却され、加圧
用のロール６により加圧されてシート化される。尚、マ
ット状組成物２を溶融温度以下、固化温度以上に冷却す
る方法は特に限定されないが、空冷法が簡便である。

【００２１】図１の符号１０は、冷却固化装置である。
シート化装置４においてシート状に加圧処理されたマッ
ト状組成物２は、冷却固化装置１０のプレスロール１
１、１２により更に加圧されて、繊維強化シート１３に
薄肉化され、巻き取り機１４のロール１５に巻き取られ
る。なお、不織布法混合物２の冷却固化方法としては、
適切な温度に温調されたロールによって、加圧する方法
が通常用いられるが、特に限定されない。

【００２２】この実施の形態では、加熱溶融ゾーンＨＺ
において、熱可塑性樹脂を溶融温度以上に加熱すると、
熱可塑性樹脂は繊維状から滴状へと変化するが、滴状で
流動状態の溶融樹脂は、より多くの強化繊維と接触でき
る状態となって強化繊維が交差する点に溶融樹脂が集中
し、表面張力のエネルギーを放出する。これにより、樹
脂を強化繊維の交点付近に集中して存在させ、繊維への
含浸を十分に行うことができる。

【００２３】すなわち、熱可塑性樹脂を溶融温度以下且
つ軟化温度以上まで冷却し、樹脂温度を溶融温度以下と
して樹脂の一部を結晶化させると、熱可塑性樹脂の流動
性を下がる。この状態で加圧することにより、不織布状
マット内部の空隙が減少し、圧解放後に強化繊維の弾性
による原形に復元しようとすることが防止され、シート
形状が保持される。

【００２４】以下、この実施の形態の実施例１〜６並び
に比較例１〜６について説明する （実施例１）強化繊維と熱可塑性樹脂とのマット状組成
物２を図１に示す設備を用いてシート化を行った。

【００２５】実施例１では、加熱溶融ゾーンＨＺにおい
ては、遠赤外線により炉内温度を約２８５度Ｃに保持
し、マット状組成物２は２８０度Ｃ以上に昇温された
後、約１５秒かけて加熱溶融ゾーンＨＺを通過するよう
にした。

【００２６】又、シート化装置４では、ブロア１０及び
電熱ヒータ９により炉内雰囲気温度を約１８０度Ｃに保
持し、ロール間クリアランスを約０．４mmのプレスロー
ル６（ロール表面温度約１８０度Ｃ）により加圧した。

【００２７】冷却固化装置１０においては、表面温度約
２５度Ｃのプレスロール１１，１２（線圧約２０Ｋｇｆ
／ｃｍ）により冷却した。

【００２８】マット状組成物２としては、繊維径約１０
μm、平均厚さ約５０mmの炭素繊維と、繊維径約２０μm
平均長さ約５０mmのポリエステル（ポリエチレンテレフ
タレート）繊維（溶融温度２５５度Ｃ）のマット状組成
物を用いた。

【００２９】マット状組成物２の厚みは約１２mmとし、
強化繊維としてのカーボンファイバー（ＣＦ）と熱可塑
性樹脂であるポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の
重量配分比は、ＣＦ：ＰＥＴ＝約５０：５０（重量パー
セント）とし、カーボンファイバー（ＣＦ）の繊維目付
量は、約４５０ｇ／ｍとした。

【００３０】（実施例２）実施例２においては、マット
状組成物２の強化繊維と熱可塑性樹脂との素材が異な
り、その他は実施例１と同様である。実施例２のマット
状組成物２の素材の強化繊維の繊維径は約１８μm、平
均長さ約５０ミリのガラス繊維（Ｅガラス）であり、熱
可塑性樹脂の素材は繊維径約２０μm、平均長さ５０mm
のポリエステル（ポリエチレンテレフタレート）繊維
（溶融温度２５５度Ｃ）を用いた。

【００３１】実施例２のマット状組成物２の厚みは、約
１２mmであり、強化繊維とするガラス繊維（ＧＦ）と、
熱可塑性樹脂とするポリエチレンテレフタレート（ＰＥ
Ｔ）の重量配分比は、ＧＦ：ＰＥＴ＝５９：４１（重量
パーセント）とし、ガラス繊維の繊維目付量は、約５５
０ｇ／ｍとした。

【００３２】（実施例３）実施例３では、強化繊維と熱
可塑性樹脂繊維とのマット状組成物２を図１に示す設備
を用いてシート化を行った。この実施例３では、加熱溶
融ゾーンＨＺの炉内温度を遠赤外線により２９０度Ｃに
保持し、マット状組成物２を２８５度Ｃ以上に昇温した
後、約１５秒かけて加熱溶融ゾーンＨＺを通過させた。
シート化装置４では、ブロア８及び電熱ヒータ７により
炉内雰囲気温度を約１９０度Ｃに保持し、ロール間のク
リアランスを約０．４mmとしたプレスロール６，６（ロ
ール表面温度約１９０度Ｃ）により加圧した。冷却固化
装置１０では、表面温度を約２５度Ｃにコントロールし
たプレスロール１１，１２を線圧約２０ｋｇｆ／ｃｍと
して固化した。マット状組成物２としては、繊維径が約
１０μm、平均長さ約５０mmの炭素繊維（ＣＦ）からな
る強化繊維と、繊維径が約２０μm、平均長さ約５０mm
のポリアミド（ナイロン６６）（溶融温度２６５度Ｃ）
の繊維状の熱可塑性樹脂とを絡めたものを用いた。実施
例３のマット状組成物２の厚みは約１２mmであり、強化
繊維としての炭素繊維（ＣＦ）と熱可塑性樹脂であるナ
イロン６６（Ｎｙｌ）の重量配分比は、ＣＦ：Ｎｙｌ＝
約５５：４５（重量パーセント）とした。又、炭素繊維
の繊維目付量は、約４１０ｇ／ｍとした。

【００３３】（実施例４）実施例４では、強化繊維と熱
可塑性樹脂繊維とのマット状組成物２の素材を代えた他
は実施の形態３と同様である。マット状組成物２は、繊
維径約１８mm、平均長さ約５０mmのガラス繊維（Ｅガラ
ス）を強化繊維とし、繊維径約２０μm、平均長さ約５
０mmのポリアミド（ナイロン６６）繊維（溶融温度２６
５度Ｃ）を熱可塑性樹脂とした。マット状組成物２の厚
みは約１２mmとし、強化繊維となるガラス繊維（ＧＦ）
とナイロン６６（Ｎｙｌ）の重量配分比は、ＧＦ：Ｎｙ
ｌ＝約６４：３６（重量パーセント）とした。ガラス繊
維の繊維目付量は、約５００ｇ／ｍとした。

【００３４】（実施例５）実施例５では、強化繊維と熱
可塑性樹脂繊維とのマット状組成物２のを図１を用いて
シート化を図った。加熱溶融ゾーンＨＺでは、遠赤外線
により炉内温度を２２０度Ｃに保持し、マット状組成物
２を２１０度Ｃ以上に昇温し、約１５秒かけて加熱溶融
ゾーンＨＺを通過させた。

【００３５】シート化装置４では、ブロア８及び電熱ヒ
ータ７により炉内雰囲気温度を約１００度Ｃに保持し、
ロール間クリアランスを約０．４mmとしたプレスロール
６（ロール表面温度約１００度Ｃ）により加圧した。

【００３６】冷却固化装置１０では、表面温度約２５度
Ｃのプレスロール１１，１２（線圧約２０Ｋｇｆ／ｃ
ｍ）により冷却した。

【００３７】この実施例５では、マット状組成物２は、
繊維径約１０μm、平均長さ約５０mmの炭素繊維を強化
繊維として用い、繊維径約２０μm、平均長さ約５０mm
のポリプロピレン繊維（溶融温度１１０度Ｃ）を熱可塑
性樹脂とした。マット状組成物２の厚みは約１２mm、
又、炭素繊維（ＣＦ）とポリプロピレン（ＰＰ）の重量
配分比は、ＣＦ：ＰＰ＝約６１：３９（重量パーセン
ト）である。マット状組成物２の繊維目付量は、約３７
０ｇ／ｍであった。

【００３８】（実施例６）実施例６では、強化繊維と熱
可塑性樹脂繊維とのマット状組成物２に異なる素材を用
いた他は、実施例５と同様である。マット状組成物２
は、繊維径が約１８mm、平均長さは約５０mmのガラス繊
維（Ｅガラス）を強化繊維とし、繊維径約２０μm、平
均長さ約５０mmのポリプロピレン（ＰＰ）を繊維状熱可
塑性樹脂（溶融温度１１０度Ｃ）とした。

【００３９】マット状組成物２の厚みは約１２mmであ
り、ガラス繊維とポリプロピレン繊維（ＰＰ）との重量
配分比は、ＧＦ：ＰＰ＝約６９：３１（重量パーセン
ト）であり、ガラス繊維の繊維目付量は約４７０ｇ／ｍ
であった。

【００４０】以上いずれの実施例１〜６において、マッ
ト状組成物２における、強化繊維と熱可塑性樹脂との比
率は、体積換算で実施例１のものととほぼ同一になるよ
うに設定した。

【００４１】（比較例１）比較例１では、シート化装置
４の雰囲気温度及びロール表面温度を２８０度Ｃにした
他は実施例１と同様である。

【００４２】（比較例２）比較例２では、シート化装置
４の雰囲気温度及びロール表面温度を２８０度Ｃにした
他は実施例２と同様である。

【００４３】（比較例３）比較例３では、シート化装置
４の雰囲気温度及びロール表面温度を２９０度Ｃにした
他は実施例３と同様である。

【００４４】（比較例４）比較例４では、シート化装置
４の雰囲気温度及びロール表面温度を２９０度Ｃにした
他は実施例４と同様である。

【００４５】（比較例５）シート化装置４の雰囲気温度
及びロール表面温度を２２０度Ｃにした他は実施例３と
同様である。

【００４６】（比較例６）シート化装置４の雰囲気温度
及びロール表面温度を２２０度Ｃにした他は実施例４と
同様である。

【００４７】（実施例と比較例の比較）実施例１〜６、
比較例１〜６において得られたシートの厚み及び引張弾
性率を評価した。

【００４８】 材料構成 平均肉厚 引張弾性率 mm ｋｇｆ／ｃｍ² 実施例１ ＣＦ／ＰＥＴ ０．４２ ８２０ 実施例２ ＧＦ／ＰＥＴ ０．４１ ３５０ 実施例３ ＣＦ／Ｎｙｌ ０．４２ ８９０ 実施例４ ＧＦ／Ｎｙｌ ０．４１ ４１０ 実施例５ ＣＦ／ＰＰ ０．４３ ６９０ 実施例６ ＧＦ／ＰＰ ０．４２ ２２０ 比較例１ ＣＦ／ＰＥＴ ０．５１ ６３０ 比較例２ ＧＦ／ＰＥＴ ０．４８ ３１０ 比較例３ ＣＦ／Ｎｙｌ ０．４９ ６１０ 比較例４ ＧＦ／Ｎｙｌ ０．４８ ３５０ 比較例５ ＣＦ／ＰＰ ０．５２ ５２０ 比較例６ ＧＦ／ＰＰ ０．５０ ２１０ 以上の実施例と比較例との比較により、熱可塑性樹脂繊
維を一旦滴状に溶融させた後、一部を結晶化させて粘度
を高めてシート化することにより、樹脂の含浸状態が良
く、シート厚みの制御を正確に行えることがわかった。

【００４９】

【発明の効果】本発明の繊維強化シートの製造方法及び
製造装置によれば、樹脂温度を溶融温度以下として樹脂
の一部を結晶化させ、流動性を下げてから加圧すること
により、加圧圧縮された強化繊維の弾性による圧解放後
の形状復元を防止でき、加圧から樹脂固化までの繊維強
化シートの厚みが増すことを防ぐことができる。又、強
化繊維の形状回復に伴って、溶融樹脂中に空隙ができ、
繊維への含浸効果を提言してしまうことを防止できるた
め、樹脂への含浸効果が高まる。

【００５０】従って、強化繊維の中に樹脂が十分に含浸
して固化されることとなり、繊維強化シートの形状を保
持することが容易になると共に、熱可塑性樹脂繊維を一
旦滴状に溶融させた後、一部を結晶化させて粘度を高め
てシート化するので、樹脂の含浸状態が良く、シート厚
みの制御が正確に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に関わる繊維強化シートの
製造装置の構成を示す概念図

【符号の説明】

１ 繰り出し機 ２ マット状組成物 ３ 加熱炉 ４ シート化装置 ７ 電熱ヒータ ８ ブロア １０ 冷却固化装置 １４ 巻き取り機

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】熱可塑性樹脂中に強化繊維を配置した繊維
   強化シートの製造方法において、 前記熱可塑性樹脂と前記強化繊維とを互いに絡めたマッ
   ト状組成物とし、このマット状組成物を前記熱可塑性樹
   脂の溶融温度以上に加熱した後、固化温度を超え且つ溶
   融温度未満に冷却した状態で加圧することを特徴とする
   繊維強化シートの製造方法。
2. 【請求項２】熱可塑性樹脂中に強化繊維を配置した繊維
   強化シートの製造装置において、 前記マット状組成物を前記熱可塑性樹脂の溶融温度以上
   に加熱する加熱炉と、この加熱炉において加熱されたマ
   ット状組成物を前記熱可塑性樹脂の固化温度を超え且つ
   溶融温度未満に冷却した状態で加圧することにより前記
   マット状組成物をシート化する冷却固化装置と、この冷
   却固化装置にてシート化された前記マット状混合物を更
   に加圧してシートとする加圧装置とを有することを特徴
   とする繊維強化シートの製造装置。