JP2013512351A - 指向性の繊維配向を有する有限長補強繊維からステープルファイバレイドファブリックを連続式に製造する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、指向性の繊維配向を有するステープルファイバレイドファブリックを連続式に製造する方法に関するものであり、レイドファブリックはカーディングされた繊維スライバの定義された積層角での周期運動をする搬送ベルト（１）への連続式のラッピングによって製作され、カード機（２）およびこれに後置されたラッピング機（３）は搬送ベルトの送り方向に対して鋭角に配置されている。このステープルファイバレイドファブリックは、風力発電設備、航空機製造、自動車産業などで用いられる高強度の繊維強化プラスチック複合体を製造するために利用される。この複合体は、特に応力方向で高い複合体強度と剛性を有しており、そのために定義された繊維配向が必要である。有限繊維の定義された配向のほか、このレイドファブリックは定義された単位面積当たり質量も有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、指向性の繊維配向を有するステープルファイバレイドファブリックを連続式に製造する方法に関するものであり、レイドファブリックはカーディングされた繊維スライバの定義された積層角での連続式のラッピングによって製作される。
このような種類の方法で製作されたステープルファイバレイドファブリックは、たとえば風力発電設備、航空機製造、自動車産業などで利用される高強度の繊維強化プラスチック複合体を製造するために用いられる。このような複合体は特に負荷方向で高い複合体強度と剛性を有しており、そのために定義された繊維配向が必要である。有限繊維の定義された配向のほか、レイドファブリックは、定義された単位面積あたり質量も必要とする。

繊維複合材料技術の分野では、近年、風力発電設備、航空機製造、自動車産業などでの一連の用途で数多くの新たな開発が実地に適用されている。繊維複合材料の利用の増加に関連して、経済的な加工方法の確立も高い位置価値を獲得している。このことが特に当てはまるのが、繊維複合材料半製品（織物、不織布、レイドファブリック）の製作である。

繊維レイドファブリックは、繊維複合素材の製作にあたって、ロービング、織物、不織布といった周知の繊維半製品とならんで非常に重要な意義を有している。延伸されて高度に配向された繊維層により、ＵＤレイドファブリックおよび多軸レイドファブリックを用いて非常に高い強度と剛性を、コンポーネントの少ない重量で実現することができる。レイドファブリックは、現在、多数の無限ロービングからいわゆる積層設備によって製作されている。このような種類の方法は、たとえば特許文献１に記載されている。すでに公知となっている積層設備により、繊維配向をそのケースの要求事項に応じて正確に調整することができる。通常、対称の全体的構造をもつ複合体は、異なる角度で積層された異なる個別層から製作される（０°、９０°、＋４５°、−４５°）。多軸レイドファブリックの層構造もこれに準じている。従来式のレイドファブリック構造に特徴的なのは、無限長の補強繊維が使用されることである。現在用いられている積層設備では、ロービングの高い引張強度が必要とされる。延伸された繊維層を具体化するために、高い糸応力を印加しなくてはならないからである。引張強度の低い有限長繊維の、または有限長繊維からなる半製品の、連続式の供給は、従来の積層設備では行うことができない。

定義された繊維配向を生起する別の選択肢はヤーンパッケージ法である。

多軸レイドファブリックを製造するためのこのテクノロジーの適用は、特許文献２に記載されている。この公知の方法は、巻きつけ平面と単軸レイドファブリックの備蓄部が相互に回転して、定義された繊維配向を有するレイドファブリックを製作することを特徴としている。繊維配向の角度は、重力方向に対する巻きつけ平面の長軸の角度によって調整される。ただしこの原理では、やはり無限ロービングまたは無限の単軸レイドファブリックが適用される。その場合、巻きつけられるべき材料に高い引張力が印加される。有限繊維の供給と積層は、この方法では不可能である。

無限繊維の適用のほか、複合素材の製作について、繊維長さが制限された繊維（ステープルファイバ）の利用も関心が持たれている。この理由により、過去においてこのテーマに関するいくつかの開発が知られている。

有限長繊維材料を加工する１つの態様は、繊維断片からレイドファブリックを作成することができ、補強材料の応力のない積層が可能であるテープ積層である。

そのために、たとえば特許文献３、特許文献４などに一連の公知の技術的解決法が記載されている。しかしながら、そこにはレイドファブリック素材の非連続式の積層しか記載されていない。有限長繊維の応力の生じない連続式の積層は、このプロセスでは可能ではない。不織布積層プロセスと従来式のレイドファブリック製造との組み合わせも知られている。特許文献５には、有限長カーボンファイバが無限繊維と組み合わされた方法が記載されている。しかしながらこの方法によっては、有限長繊維の定義された配向を実現することができない。

繊維業界では、有限長繊維をラッピング機によって連続式に積層することが知られている。横向きに配向された不織布および交差層不織布の製造は、たとえば非特許文献１に記載されている。これをもって同書の説明と図面、ならびに専門用語の定義を、本発明の全般的な理解のために援用する。このプロセスでは、カード機により作成される繊維スライバが相上下して複数回重ねられて、単位面積あたり質量と積層幅に関して定義された不織布製造のための供給材料を作成する。非常に頻繁に適用される１つの原理は、繊維スライバのクロスラッピングである。この場合、カーディングにより作成されたスライバが、カーディングの生産方向に対して９０°の角度で配置された、連続して進行する搬送ベルトの上に積層される。ベルトへ積層をする速度、搬送ベルトの積層幅および速度が、ベルトの上で作成されるレイドファブリックの単位面積あたり質量を規定する。搬送ベルトへスライバが積層されるとき、さまざまに異なる速度と積層幅とに依存して、繊維配向の特定の角度がレイドファブリックの内部で生じる。ラッピング機の型式、およびスライバ製造時の通常の速度によって、さまざまに異なる角度を具体化することができる。しかしながら、この角度は常に４５°よりも明らかに小さい。繊維スライバのラッピングについて特徴的なのは、特に、進行している搬送ベルトへの連続式の積層により、（定義されない角度の）２つの方向の優先配向が生起されることである。そのためこの原理は、定義された繊維配向（たとえば正確に＋４５°または−４５°の角度）を有するレイドファブリックを製作することは不可能である。

特許文献６には、繊維スライバがラッピング機により連続式に多層に相上下して積層される方法が記載されており、当初、個々の層の向きは不織布の長手方向に対して７５°から９０°であり、その後、ニードル延伸区域によって不織布が延伸されて、不織布の繊維の向きの角度を変更する。しかしながらこの方法によっては、所定の角度で正確に定義された繊維配向は可能ではなく、長手方向と横方向での不織布特性の調整だけが可能である。繊維配向は、この方法では定義されたとおりに調整可能ではなく、さまざまに異なる延伸度によって不織布内で局所的に相違している場合がある。

特許文献７には、幅が本来の不織布形成機械の作業幅を上回るスライバウェブおよび不織布ウェブを製造する方法が記載されている。この場合、２つのスライバウェブがそれぞれ不織布形成機械の作業方向に対して９０°だけ方向転換し、これらの方向転換部は、スライバウェブのうちの一方の幅に相当する間隔を互いにおいて配置されており、それにより、両方のスライバウェブは方向転換の後に相並んで位置することになり、２倍の幅をもつスライバベルトが得られる。ここで意図されているのは製作可能な商品幅を拡大することである。定義された角度でのステープルファイバの指向性の積層は、この公知の方法によっては可能でない。

特許文献８には、冒頭に述べた分野の指向性の繊維配向を有するステープルファイバレイドファブリックを連続式に製造する方法が記載されている。この方法では、クロスラッピング機によって不織布が製造されるが、このクロスラッピング機には、フィラメントスライバと繊維スライバからなる組み合わせが供給され、それによりこの不織布では、有限繊維と無限繊維からなる層が交互に相上下して位置しており、したがってこれは純粋なステープルファイバレイドファブリックではない。ここでは指向性の線維配向は作成されない。クロスラッピング機は通常どおり、搬送ベルトの送り方向に対して９０°の角度に向いており、搬送ベルトは連続式の送り部を有している。

ＥＰ２０２８３０７ ＤＥ１０２００６０５７６３３ ＤＥ１０３０１６４６ ＤＥ１０２００６０３５８４７ ＧＢ２０１２６７１ ＵＳ５，４７６，７０３ ドイツ特許出願公開第３２４２５３９Ａ１号明細書 ドイツ特許出願公開第１０３４５９５３Ａ１号明細書

Ｊｏａｃｈｉｍ Ｌｕｅｎｅｎｓｃｈｌｏｓｓ（ヨアヒム・リューネンシュロス）他著、「Ｖｌｉｅｓｓｔｏｆｆｅ（不織布）」、ゲオルク・ティーメ・フェアラーク出版社、１９８２年、９４−１０４頁、ＩＳＢＮ：３−１３−６０９４０１−８

そこで本発明の課題は、指向性の線維配向を有する有限長補強繊維からなるステープルファイバレイドファブリックの連続式の製造を可能にすることにある。このステープルファイバレイドファブリックは、たとえば風力発電設備、航空機製造、自動車産業などで利用される高強度の繊維強化プラスチック複合体を製造するために用いられる。その際に重要なのは、特に応力方向でこのような複合体が高い複合体強度と剛性を有していることであり、そのために定義された繊維配向が必要である。定義された配向のほか、このレイドファブリックは定義された単位面積あたり質量も有しているのがよい。

本発明によるとこの課題は、連続式の繊維積層中には所定の角度で静止していて意図される積層幅の積層後に初めて定義された距離（積層オフセット）だけ動く、周期運動をする搬送ベルトへの繊維スライバの積層が行われることによって解決される。それにより、所定の積層幅の範囲内で繊維配向が一定となる。このように繊維スライバの積層は、正確に定義された角度で行われる。

希望される配向は、搬送ベルトに対して所定の角度にカード機およびラッピング機をアライメントすることによって実現される（図１）。

繊維スライバを製作する少なくとも１つのカード機と、これに後置された、搬送ベルトへの繊維積層が行われるラッピング機とは、周期運動をする搬送ベルトの送り方向に対して鋭角に配置されるのが好ましい。このアライメントの角度は、搬送ベルトの送り方向に対して約３０°から約６０°の範囲内であるのが特別に好ましく、約４０°から約５０°の範囲内のオーダーの角度、すなわち４５°に数度をプラスマイナスした角度がきわめて特別に好ましい。連続的に動く搬送ベルトによって作動する従来式のラッピング機では、このような角度は実現できないのが普通である。

本発明によると、１つのカード機およびこれに後置されたラッピング機を用いて作業を行うことができ、あるいは、搬送ベルトに対して希望する角度で配置された複数のカード機およびこれに後置された複数のラッピング機を利用することも可能である。それにより、作成されるべきレイドファブリックの単位面積あたり質量を高めることができる。さらに、そのようにして同時に複数の積層角を生起することができる。このことは、非常に経済的な積層プロセスを可能にする。このように、少なくとも１つの第１のカード機は、これに後置された第１のラッピング機とともに搬送ベルトに対して、繊維積層について意図される第１の鋭角のもとで配置され、少なくとも１つの第２のカード機およびこれに後置された第２のラッピング機は搬送ベルトに対して、繊維積層について意図される第２の鋭角で配置されるのが好ましく、この第２の角度は第１の角度に対して直角に向いている。

本発明による方法は、ラッピング機の往路運動のときにそのつど繊維スライバが搬送ベルトの上に積層され、次いで、搬送ベルトが定義された距離（積層オフセット）だけ動かされ、次いで、ラッピング機の復路運動のときに再び静止した搬送ベルトであらためて繊維スライバの積層が行われるように作動するのが好ましい。

たとえば、１つまたは複数のラッピング機は運動を反転させる前に搬送ベルトの縁部を超えて移動し、ほぼその運動の反転の時点で搬送ベルトが定義された距離だけ送り方向へ動き、繊維スライバの積層後にレイドファブリックの長手縁部領域が裁断されることを意図することができる。このことは、搬送ベルトの短い送り運動によって生じる場合がある縁部領域でのレイドファブリックの歪みが、それによって取り除かされるという利点がある。

本発明の発展例では、出発材料として特に有限の補強繊維および／または結合繊維を含む、さまざまに異なる組成および／またはさまざまに異なる特性をもつステープルファイバの混合物からなる少なくとも１つの繊維スライバを使用することができ、または、特に有限の補強繊維および／または結合繊維を含む、さまざまに異なる組成および／またはさまざまに異なる特性をもつ少なくとも２つの繊維スライバを積層することができ、これは、たとえば２つのカード機およびそれぞれこれに後置されたラッピング機を用いて作業が行われる場合である。

繊維スライバは、２５から１５０ｍｍの範囲内の長さの有限長繊維で成り立っているのが好ましい。繊維スライバは特にあとから固化をさせるために結合剤を事後的に施すことができ、あるいは、さまざまに異なる組成もしくは特性をもつステープルファイバの混合物で成り立っていてよい（たとえば補強繊維と結合繊維）。結合剤または熱可塑性の結合繊維を好ましく利用することで、引き続いてレイドファブリックの熱による固化が可能である。補強繊維はたとえば天然繊維または高強度繊維、たとえばアラミド繊維、ガラス繊維、バサルト繊維、または炭素繊維であってよい。こうしたプロセスでは、定義された繊維配向と単位面積あたり質量を有するレイドファブリックの製造のために、たとえばリサイクルプロセスに由来する有限長補強繊維を使用することも可能である。

本方法の１つの利点は、連続式のプロセスで高い処理量により、一定の積層角と、高い繊維配向性と、定義された単位面積あたり質量とを有する、複合素材用のレイドファブリックをステープルファイバから製作することが可能なことにある。

カード機により形成される繊維スライバは高い長手方向配向性を有しているのが好ましく、それにより、繊維プラスチック複合体（ＦＫＶ）において、たとえば１：１．５から１：１０の範囲内の複合体強度および／または複合体剛性の異方性を実現することができる。

本発明に基づいて製造されるレイドファブリックは、少なくとも１つの別の機能層または支持層と組み合わせることができ、そのようにして、種々の利用分野用として適合化することができる。

本発明による方法の１つの好ましい発展例は、それぞれ互いに平行に積層されている繊維スライバの隣接する層が、それぞれの縁部領域で重なり合うことを意図している。わずかな程度の重なり合いがあるだけで、すでに好ましい場合がある。それにより、製作されるべきステープルファイバレイドファブリックの個々の層の改良された複合体が得られる。
積層される繊維スライバの歪みをレイドファブリックの縁部領域で回避するために、抑え具を利用することもできる。

本発明による解決策は、繊維スライバの平行な隣接層の角度の正確な積層を、比較的高い積層速度で可能にする。カード機およびこれに後置されたラッピング機は、搬送ベルトに対するアライメントに基づき、繊維配向の正確な角度を設定する。互いに独立して作動する２つのカード機およびラッピング機を用いて、２つの繊維スライバを相互に９０°の角度で、２つの位置と２つの層で相上下して搬送ベルトに積層すれば、定義された繊維の向きを有する異方性のステープルファイバレイドファブリックを作ることができる。

従属請求項に記載の構成要件は、本発明による課題解決法の好ましい発展例に関わるものである。本発明による方法のその他の利点は、以下の詳しい説明から明らかとなる。

次に、添付の図面を参照しながら、好ましい実施例を用いて本発明を詳しく説明する。

実施例１：

高い繊維長手方向配向性と３０ｇ／ｍ２の単位面積あたり質量とを有する繊維スライバが、１ｍの作業幅をもつカード機によって作成される。この繊維スライバが水平型ラッピング機により２ｍの積層幅で、周期運動をする搬送ベルトの上に積層される。このときカード機およびこれに後置されたラッピング機は、搬送ベルトの引出方向に対して＋４５°の角度で配置されている。繊維積層中に搬送ベルトは静止している。意図される幅の積層後（ラッピング機の往路運動）、搬送ベルトが０．７ｍだけ前進運動する。次いで、繊維スライバの積層が同じく行われる（ラッピング機の復路運動）。このような方式で、＋４５°の繊維配向と６０ｇ／ｍ２の単位面積あたり質量とを有するレイドファブリックを製作することができる。
実施例２：

２つのカード機を用いて、高い繊維長手方向配向性を有する２つの繊維スライバがそれぞれ１ｍの作業幅で作成される。この繊維スライバが水平型ラッピング機により３ｍの積層幅で、周期運動をする搬送ベルトの上に積層される。このときカード機およびこれに後置されたラッピング機は、搬送ベルトの引出方向に対して±４５°の角度で配置されている。繊維積層中に搬送ベルトは静止している。意図される幅の積層後（ラッピング機の往路運動）、搬送ベルトが０．７ｍだけ前進運動する。次いで、繊維スライバの積層が同じく行われる（ラッピング機の復路運動）。このような方式で、±４５°の繊維配向と１２０ｇ／ｍ２の単位面積あたり質量とを有するレイドファブリックを製作することができる。

１ 搬送ベルト
２ カード機１
３ ラッピング機１
４ カード機２
５ ラッピング機２

Claims (12)

1. 指向性の繊維配向を有するステープルファイバレイドファブリックを連続式に製造する方法であって、レイドファブリックはカーディングされた繊維スライバの定義された積層角での連続式のラッピングによって製作される、そのような方法において、連続式の繊維積層中には所定の角度で静止していて意図される積層幅の積層後に初めて定義された距離（積層オフセット）だけ動く、周期運動をする搬送ベルトへの繊維スライバの積層が行われることを特徴とする方法。
2. 繊維スライバを作成する少なくとも１つのカード機（２，４）と、これに後置された、搬送ベルト（１）への繊維積層が行われるラッピング機（３，５）とが、周期運動をする搬送ベルトの送り方向に対して鋭角で配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 少なくとも１つの第１のカード機（２）およびこれに後置された第１のラッピング機（３）が搬送ベルト（１）に対して繊維積層について意図される第１の鋭角で配置されており、少なくとも１つの第２のカード機（４）およびこれに後置された第２のラッピング機（５）が搬送ベルトに対して繊維積層について意図される第２の鋭角で配置されており、前記第２の角度は前記第１の角度に対して直角に向いていることを特徴とする、請求項１および２に記載の方法。
4. ラッピング機（３，５）の往路運動でそのつど繊維スライバが搬送ベルト（１）の上に積層され、次いで搬送ベルトが定義された距離（積層オフセット）だけ動き、次いでラッピング機の復路運動で同じく搬送ベルトの静止時にあらためて繊維スライバの積層が行われることを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. １つまたは複数のラッピング機（３，５）は運動の反転前に搬送ベルトの縁部を超えて移動し、ほぼこの運動の反転の時点で搬送ベルト（１）が定義された距離だけ送り方向へ動き、繊維スライバの積層後にレイドファブリックの長手縁部領域が裁断されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 出発材料として特に有限の補強繊維および／または結合繊維を含む、さまざまに異なる組成および／またはさまざまに異なる特性をもつステープルファイバの混合物からなる少なくとも１つの繊維スライバが使用され、または、特に有限補強繊維および／または結合繊維を含む、さまざまに異なる組成および／またはさまざまに異なる特性をもつ少なくとも２つの繊維スライバが積層されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 補強繊維は２５から１５０ｍｍの長さを有していることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
8. 繊維スライバはあとから結合剤で処理されることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 高い繊維長手配向性を有する補強繊維と結合繊維の定義された混合物からなる繊維スライバが使用されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. レイドファブリックがあとから熱で固化されることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
11. 上記のように製作されたレイドファブリックが少なくとも１つの別の機能層または支持層と組み合わされることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
12. それぞれ互いに平行に積層されている繊維スライバの隣接する層がそれぞれの縁部領域で重なり合うことを特徴とする、請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法。

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