含浸糸布及び含浸糸布の製造方法

本発明は、含浸糸を織布とした含浸糸布、及びこの含浸糸布の製造方法に関するものである。

一般に、繊維強化樹脂の成形品を成形する際の元材として、プリプレグなどのシート状の含浸布が用いられる。この含浸布は、予め繊維束を編織した編織布を基材として、この基材の表面を熱可塑性樹脂で被覆したものである。この含浸布を加熱すると基材の表面を被覆する熱可塑性樹脂が溶解し、熱可塑性樹脂によって拘束されていた基材の変形(造形)が可能となる。そして、含浸布を所望の形状に成形してから熱可塑性樹脂を冷却・凝固すれば、シート状の含浸布を成形体に成形することができる。

ところで、近年は自動車の内装材やボディなどのように複雑な形状の成形体を成形する場合が増えており、含浸布にもこういった複雑な形状に追従できるような高い造形性が求められる。 ところが、上述した含浸布のように、先に繊維束を編織してから熱可塑性樹脂をコートすると、コートした熱可塑性樹脂を可塑化しない限り基材の変形が困難となる。この結果、含浸布を任意の形状の成形体に変形させることが困難になる。

そこで、特許文献1では、繊維束を布状態に編織する前に繊維束の1本1本を熱可塑性樹脂で予め被覆して含浸糸とし、この含浸糸を編織して含浸糸布とする方法が開示されている。

特開平04−185313号公報

ところで、特許文献1の方法で得られる含浸糸布は、含浸糸の1本1本が比較的自由に動けるため上述した含浸布に比べて変形させやすく、造形性については良好である。 しかし、この含浸糸布を構成する1本1本の含浸糸は、一方向に沿って引き揃えられた単繊維を束ねた繊維束を熱可塑性樹脂で被覆して固めたものであり、非常に剛直であって、自由に曲げることができない。つまり、このような曲げにくい含浸糸を編織して形成した含浸糸布は、単繊維の折損を回避するために必然的に目開きが大きくなってしまう。その結果、成形体中での繊維束の密度が不足して、強度の高い成形体を得ることが困難となる虞がある。

また、目開きを小さくするために含浸糸を無理に撓めたり曲げたりしようとすると、含浸糸に余計な癖がついてしまったり、熱可塑性樹脂が繊維束の表面から剥離してしまったりして、かえって含浸糸布や成形体の強度を低下させる場合もある。 さらに、このように曲げにくい含浸糸を用いた編織作業には非常に手間がかかり、含浸糸布の生産性を高めることも難しい場合が多い。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、良好な造形性を有するものでありながら、含浸糸の目開きが小さく且つ強度的にも優れた成形体を生産性良く得ることができる含浸糸布の製造方法及び含浸糸布を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の含浸糸布の製造方法は以下の技術的手段を講じている。 即ち、本発明の含浸糸布の製造方法は、20回/m以上で700回/m以下の撚りを繊維束に加えつつ又は加えた上で、当該繊維束を熱可塑性樹脂が溶融状態で貯留された樹脂槽に含浸させることによって含浸糸を形成し、形成された含浸糸を編織して含浸糸布を得ることを特徴とするものである。

好ましくは、目開きが0mm以上で10mm以下となるように、前記含浸糸を編織する とよい。 一方、本発明の含浸糸布は、熱可塑性樹脂が表面に被覆された繊維束が互いに編織され、且つ前記繊維束が20回/m以上で700回/m以下で撚られていることを特徴とするものである。

好ましくは、目開きが0mm以上で10mm以下に編織されているとよい。 また、本発明に係る含浸糸布の製造方法の最も好ましい形態は、30回/mより多く、且つ70回/m以下の撚りを繊維束に加えつつ又は加えた上で、当該繊維束を熱可塑性樹脂が溶融状態で貯溜された樹脂槽に含浸させることによって、30回/mより多く、且つ70回/m以下の撚りが加えられた繊維束の表面が熱可塑性樹脂で被覆して固められた含浸糸を形成し、形成された含浸糸を編織して含浸糸布を得るものであって、前記熱可塑性樹脂が表面に被覆された繊維束を緯線及び経線として互いに編織していることを特徴とする。 さらに、本発明に係る含浸糸布の最も好ましい形態は、熱可塑性樹脂が表面に被覆された繊維束が緯線及び経線として互いに編織され、且つ前記繊維束が30回/mより多く、且つ70回/m以下で撚られていて、前記熱可塑性樹脂が30回/mより多く、且つ70回/m以下に撚られた繊維束の表面を被覆して固めていることを特徴とする。

本発明の含浸糸布の製造方法及び含浸糸布によれば、良好な造形性を有するものでありながら、繊維束の目が細かく、また強度的に優れた成形体を生産性良く得ることができる。

(a)は本発明の含浸糸布の平面図であり、(b)は図1(a)のA−A線断面図であり、(c)は図1(a)の含浸糸布から成形された成形体の平面図ある。

本発明の含浸糸布及び成形体の製造方法を示すフローチャートである。

含浸糸布の製造に用いられる製造装置を示す斜視図である。

含浸糸の撚り回数に対する引張強度の変化を示す図であり、(a)は繊維束がガラス繊維の場合であり、(b)は繊維束が炭素繊維の場合である。

本発明の実施形態を、図を基に説明する。なお、以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称及び機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。 図1(a)〜図1(c)に示すように、本発明の実施形態の含浸糸布1は、熱可塑性樹脂5が表面に被覆された繊維束2(強化繊維束)からなる含浸糸3を用いて形成されたものであり、複数本の含浸糸3を編織することで構成されている。つまり、本願発明の含浸糸布1は、樹脂複合材料である含浸糸3を織布することで得られたものである。

次に、本発明の含浸糸布1を構成する含浸糸3とこの含浸糸3の編織状態とについて以下に詳しく説明する。 含浸糸布1を構成する含浸糸3は、成形体4の機械的特性(引張強度など)を高める繊維束2と、この繊維束2の表面(周囲)を長手方向に亘って被覆する熱可塑性樹脂5とを有している。

繊維束2は単繊維を後述する本数だけ束ねたものであり、単繊維はマトリックスである熱可塑性樹脂5を補強可能な繊維から形成されている。この繊維束2には、例えばガラス繊維、炭素繊維、あるいはアラミドなどの繊維を用いることができる。 繊維束2は上述した単繊維を500tex以上で15000tex以下(JIS L 0101)に束ねたものであり、繊維束2の1本当たりの外径(直径)は0.3mmφ以上で3.0mmφ以下とされている。

熱可塑性樹脂5は、含浸糸3の繊維束2の表面を被覆するものである。この熱可塑性樹脂5は、成形体4を成形する際には互いに編織された繊維束2同士の間に介在されてこれらを結着するバインダとしても機能する。具体的には、熱可塑性樹脂5としては、ポリプロピレンやポリエチレンのようなポリオレフィン系樹脂を用いることができ、またポリオレフィン系樹脂以外にもナイロンなどのポリアミド系樹脂、PET,PBT,PEI、PEEKなどの樹脂を用いることができる。

次に、含浸糸3の編織の仕方について説明する。 上述した含浸糸3を編織する場合は、編み込んでも良いし、織り込んでも良い。例えば、含浸糸3を編み込む場合は、平編み、メリヤス編み、ゴム編み、鎖編み、あるいはガーター編みのような編み方を採用することができる。また、含浸糸3を織り込む場合は、図1に示すような平織り以外にも、斜文織り、サテン織りなどのような織り方を採用することができる。このように編織方法を上述した種類の中で変更することで、含浸糸布1の造形性を向上させることが可能となるからである。

ところで、従来の含浸糸3では、一方向に沿って引き揃えられた単繊維の周囲を熱可塑性樹脂5で被覆して固めることにより、1本1本の含浸糸3が形成されていた。このよう な方法で得られる含浸糸3は剛直で柔軟性がなく、編織しても目開きが大きくなるため含浸糸布1として十分な強度が得られない可能性がある。また、従来の方法で得られる含浸糸3は編織に際して曲げにくいので、含浸糸布1を効率的に生産することが難しい場合もある(発明が解決しようとする課題の説明を参照)。

そこで、本発明の含浸糸布1では、撚り数が20回/m以上で700回/m以下、好ましくは20回/m以上で200回/m以下となるように複数本の単繊維を撚って形成された繊維束2を含浸糸3に用いている。このように繊維束2の撚り数を20回/m以上で700回/m以下、好ましくは20回/m以上で200回/m以下とすれば、1本1本の含浸糸3の柔軟性が上がるので、含浸糸布1に編織した際の目開きを小さくすることができ、含浸糸布1の機械的強度(引張強度)を従来のものより向上させることができる。また、含浸糸3の柔軟性が上がれば、編織に際して含浸糸3を曲げることも簡単になって、含浸糸布1に編織する際の生産性を高めることも可能となる。

具体的には、本実施形態の含浸糸3は、繊維束2を撚り数20回/m以上で700回/m以下(言い換えれば、20回/m以上、及び/又は700回/m以下)、好ましくは20回/m以上で200回/m以下(言い換えれば、20回/m以上、及び/又は200回/m以下)となるように撚り合わせたものである。この繊維束2の撚り合わせ方向は右撚りでも左撚りでも良い。また、1本の含浸糸3に用いられる繊維束2の本数は2本以上で10本以下とされるのが良い。

また、本発明の含浸糸布1は、上述したような撚り数の含浸糸3を用いて編織されることで、目開きが0mm以上で10mm以下に編織されている。このような目開きの含浸糸布1であれば、成形体4中に繊維束2を十分な密度だけ供給して、機械的強度に優れる成形体4を成形することができる。 次に、上述した含浸糸布1を実際に製造する方法、言い換えれば本発明の含浸糸布1の製造方法について、説明する。

図2のフローチャートに示すように、本発明の含浸糸布1の製造方法は、熱可塑性樹脂5が溶融状態で貯留された樹脂槽(含浸部12)に繊維束2を含浸させることにより繊維束2に撚りが加えられた含浸糸3を形成する第1工程7と、第1工程7で形成された含浸糸3を編織して樹脂複合材料の含浸糸布1を得る第2工程8とを備えている。 第1工程7の内容を説明するのに先立ち、まず第1工程7に用いられる製造装置9の説明を行う。

図3に示すように、製造装置9は、熱可塑性樹脂5のペレットを供給するホッパ10を有している。このホッパ10から供給された熱可塑性樹脂5のペレットはホッパ10に隣接して配備される混練部11で混練される。混練部11で可塑化された熱可塑性樹脂5は含浸部12に送られ、含浸部12で貯留される。 この含浸部12は、可塑化された熱可塑性樹脂5を貯留可能なように、上下方向に軸心を向けた長い有底円筒状に形成されており、上方に向かって開口している。そして、この上側開口から含浸部12の内部に、含浸部12の側方に配備されるボビンから巻き出された複数本の繊維束2が送り込まれている。

これら複数本の繊維束2は、この繊維束2の本数に対応して同数だけ設けられたボビンからそれぞれ供給されており、プレヒータ13で予熱された後で上側のガイドロール14を経由して含浸部12に送り込まれている。 含浸部12の下側には上側開口から送り込まれた繊維束2を含浸部12の外側に取り出すダイノズル15が設けられており、このダイノズル15を用いて繊維束2の表面に熱可塑性樹脂5を所定の厚みだけ被覆できるようになっている。また、含浸部12内であって上側開口とダイノズル15の間には、繊維束2を掛け廻された状態で移送する下側のガイドロール(図示略)が、溶融された熱可塑性樹脂5に含浸された状態で配備されている。

この含浸部12の下流側には、繊維束2の表面を被覆する熱可塑性樹脂5を冷却・硬化を促す水槽16が設けられている。また、水槽16の下流側には、水槽16で冷却された繊維束2に撚りをかける引取機17(撚りローラ装置)が設けられている。この引取機17は、繊維束2の移送方向に対して直交する方向を向く軸回りにローラ(アンコイラ)で繊維束2を巻き取ると共に、このローラを繊維束2の移送方向を向く軸回りにねじるように回転させる構成とされている。このような引取機17で繊維束2を巻き取れば、上述したように20回/m以上で700回/m以下、好ましくは20回/m以上で200回/m以下の撚りを繊維束2に付与しつつ含浸糸3を形成することができる。

第2工程8は、第1工程7で形成された含浸糸3を編織して含浸糸布1を形成するものである。この第2工程8には公知の編み機や織り機を用いることができ、編み機や織り機を用いて含浸糸3を所望の編み方や織り方で編織することで含浸糸布1が形成される。なお、第2工程8に用いられる編み機や織り機については、図示を省略する。 このようにして第2工程8で編織により形成した含浸糸布1を所望の形状に沿わせつつ熱プレスすれば、図2に点線で示すように含浸糸布1から成形体4を形成することが可能となる。

本発明の含浸糸布1は、この含浸糸布1を構成する1本1本の繊維束2が20回/m以上で700回/m以下、好ましくは20回/m以上で200回/m以下で撚り合わされている。そのため、一方向に沿って引き揃えられたものに比べて繊維束2の柔軟性が高く、含浸糸3にした場合にも自由に曲げたり撓めたりすることが可能となる。当然、このように柔軟な含浸糸3から編織された含浸糸布1では目開きも小さくすることができ、含浸糸3の目を詰めることで含浸糸布1の機械的強度(引張強度)を従来のものより向上させることができる。

また、含浸糸3の柔軟性が上がれば、編織に際して含浸糸3を曲げることも簡単になって、含浸糸布1に編織する際の生産性を高めることも可能となる。 また、このような撚りを有する含浸糸3は引張強度などの機械的強度にも優れており、含浸糸布1自体の強度も高くなる。それゆえ、本発明の含浸糸布1を用いれば、図1(c)に示すように繊維束2が緻密に配備されかつ強度的にも優れた成形体4を得ることが可能となる。

次に、実施例を用いて、本発明の含浸糸布1の作用効果をさらに詳しく説明する。 まず、繊維束2の撚り数が含浸糸3の引張強度に及ぼす影響を検討するため、以下に示す実施例1〜実施例3を用意した。 具体的には、実施例1の含浸糸布1に用いられる繊維束2はガラス繊維の単繊維を4620texの番手となるように束ねたものであり、その外径は3.0mmφとされている。また、実施例2の含浸糸布1に用いられる繊維束2はガラス繊維の単繊維を575texの番手となるように束ねたものであり、その外径は1.05mmφとされている。さらに、実施例3の含浸糸布1に用いられる繊維束2は炭素繊維の単繊維を15000texの番手となるように束ねたものであり、その外径は1.7mmφとされている。

これらの実施例1〜実施例3の繊維束2に対して、引取機17での撚り数を0〜120回/mの範囲で変化させつつ熱可塑性樹脂5(ポリプロピレン)で被覆を行い、繊維束2が25〜30vol%含まれた含浸糸3を作製した。このようにして得られた含浸糸3に対しては、引張試験機を用いて引張強度を計測した。計測結果を、図4(a)及び図4(b)に示す。

図4(a)に黒塗りの菱形で示される実施例1の結果を見ると、引取装置での撚り数が0回/mから25回/mまで増加すると、この増加に合わせて引張強度も大きくなる。そして、撚り数が25〜70回/mの範囲では比較的大きな引張強度が維持されている。しかし、引取装置での撚り数が70回/mを超えると、撚り数の増加に反して引張強度が急激に小さくなる。

一方、図4(a)に黒塗りの四角で示される実施例2の結果でも、撚り数が10〜80回/mの範囲では比較的大きな引張強度が維持されているが、撚り数がこの範囲より小さいか大きいと引張強度は小さくなる。また、図4(b)に黒塗りの丸で示される実施例3の結果でも、同じ傾向が得られており、撚り数が18〜60回/mの範囲で比較的大きな引張強度が維持されている。

このことから、実施例1〜3のいずれに対しても含浸糸3における繊維束2の撚り数を 20〜50回/mの値にすれば、引張強度を高くすることができると判断される。 一方、繊維束2の撚り数を30回/mとした実施例1〜実施例3の含浸糸3に対して、曲げ半径を計測した。この曲げ半径の計測は、例えば曲率半径が異なる円柱に対して含浸糸を曲げていき、損傷がなく曲げられる曲率半径を計測する。この曲率半径を曲げ半径とした。また、比較例として、撚りを加えずに平行のまま単繊維を引き揃えられた繊維束2の周囲に熱可塑性樹脂5を被覆した含浸糸3(撚り数=0回/m)を用いた。実施例1〜実施例3及び比較例の含浸糸3に対して曲げ半径を計測した結果を表1に示す。

表1から明らかなように、「撚りなし」に比べて「撚りあり」は曲げ半径が少なくとも1/3程度まで小さくなっており、曲げやすくなっていることが分かる。このことから、「撚りあり」の含浸糸3では「撚りなし」に比べて、造形性も良好になっていると判断される。 なお、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な事項を採用している。

1 含浸糸布 2 繊維束 3 含浸糸 4 成形体 5 熱可塑性樹脂 7 第1工程 8 第2工程 9 製造装置 10 ホッパ 11 混練部 12 含浸部 13 プレヒータ 14 上側のガイドロール 15 ダイノズル 16 水槽 17 引取機