JPH02160511A - 繊維強化複合材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、強化繊維と熱可塑性樹脂とが一体化された繊
維強化複合材の製造方法に関する。

（従来の技術） ストランド状の連続する強化繊維を、流動化された粉体
状熱可塑性樹脂（流動床）の中を通過させて強化繊維に
粉体状熱可塑性樹脂を保持させた後、加熱炉を通過させ
ることにより、粉体状熱可塑性樹脂を溶融させて強化繊
維と熱可塑性樹脂とを一体化させる繊維強化複合材の製
造方法は広く知られている。

従来実施されている製造方法は、加熱炉の後方位置に引
き取り機を設置し、この引き取り機でストランド状強化
繊維を連続的に引き取り、粉体状熱可塑性樹脂の流動床
及び加熱炉を通過させるものである。

この方法によれば、強化繊維のフィラメントが一方向に
引き揃えられた繊維強化複合材を得ることができるため
、曲げ強度の比較的高い繊維強化複合材を得ることがで
きる。ところが、上記したように強化繊維は張力がかか
った状態で粉体状熱可塑性樹脂中の流動床を通過するた
め強化繊維は充分開繊されていす、従って強化繊維の内
部にまで粉体状熱可塑性樹脂が侵入せず、製造された繊
維強化複合材の強度が不十分であった。

上記欠点を改善する方法として、特公昭５２−３９８５
号公報には、流動床中に螺条を切ったバーを複数本平行
に架設し、強化繊維をこのバーに交互に通すことにより
強化繊維を開繊して強化繊維の内部にまで熱可塑性樹脂
を侵入させる方法が提案され、特開昭５８−５０１９４
３号公報には流動床中に配設された複数のローラーの周
面に強化繊維を押し付けながら通過させることによって
、強化繊維の内部にまで熱可塑性樹脂を侵入させる方法
が提案され、さらに特開昭６３−２７０８号公報には流
動床中に架設された複数の湾曲バーの上下面に強化繊維
を交互に押し付けて強化繊維の幅を変化させながら通過
させることによって、強化繊維の内部にまで熱可塑性樹
脂を侵入させる方法が提案されている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記した方法はいずれも、強化繊維に張
力をかけた状態で機械的な開繊操作を行うものであり、
従って、開繊操作によってフィラメントと他の部材との
摩擦やフィラメント同志の摩擦等によるフィラメントの
切断が起こり易く、安定した操業が行えなかった。

本発明は上記欠点を解決するものであり、その目的とす
るところは、強化繊維のフィラメントが一方向に揃えら
れていると共に、強化繊維の内部にまで熱可塑性樹脂が
含浸されて強度の高い繊維強化複合材を得ることができ
、しがも安定した操業が行える繊維強化複合材の製造方
法を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明の繊維強化複合材の製造方法は、多数の連続する
フィラメントより構成されるストランド状の強化繊維を
実質的に張力がかからない状態で流動化された粉体状熱
可塑性樹脂の中を通過させてフィラメント間に粉体状熱
可塑性樹脂を保持させ、次いで強化繊維に張力をかけた
状態で粉体状熱可塑性樹脂を加熱溶融させて強化繊維と
粉体状熱可塑性樹脂とを一体化することを特徴としてお
り、そのことにより上記目的が達成される。

本発明の繊維強化複合材の他の製造方法は、多数の連続
する非導電性フィラメントより構成されるストランド状
の強化繊維を実質的に張力がかからない状態で、非導電
性の容器内で流動化された粉体状熱可塑性樹脂の中を通
過させてフィラメント間に粉体状熱可塑性樹脂を保持さ
せ、次いで強化繊維に張力をかけた状態で粉体状熱可塑
性樹脂を加熱溶融させて強化繊維と粉体状熱可塑性樹脂
とを一体化することを特徴としており、そのことにより
上記目的が達成される。

第１図は本発明に用いられる製造装置の一例を示したも
のである。

この製造装置は、ストランド状の強化繊維１が巻回され
たロール１ａをセットする巻戻しロール１゜と、強化繊
維１を上下から挟持して図の矢印方向へ回転駆動するこ
とによりロール１ａから強化繊維１を巻戻すピンチロー
ル１１と、粉体状熱可塑性樹脂２が供給されている容器
２０と、容器２０を通過した強化繊維１を引き取るピン
チロール１２と、強化繊維ｌを所定幅に広げる押圧ロー
ル４０と、強化繊維１に保持された過剰の粉体状熱可塑
性樹脂２を除去してその保持量を一定とするスリッター
５０．５１と、強化繊維１に保持された上記粉体状熱可
塑性樹脂２を溶融させる遠赤外線加熱炉６０と、溶融し
た熱可塑性樹脂を押圧して強化繊維１と一体化させる加
熱ロール６１と、樹脂が保持された強化繊維１の端部を
引き取るピンチロール１３とを備えている。

上記容器２０の底部には多数の通気孔２５．２５・・・
が設けられ、気体供給路２１から送られた気体がこの通
気孔２５を通って容器２０の内部へ送られるようになっ
ている。従って、容器２０内に入れられた粉体状熱可塑
性樹脂２は、その気体の噴出によって流動化した状態と
なり流動床２６が形成されている。

容器２０の壁の上端部及び内部には、強化繊維１を案内
するガイドロール２２．２３．２４が配設されている。

上記ロール１ａとガイドロール２２との間に配設された
ピンチロール１１と、容器２０の強化繊維１の移動方向
側に配設されたピンチロール１２とは、はぼ同速度で回
転駆動するように構成されていて、両ピンチロール１１
．１２の間では強化繊維１に張力がかからないようにな
っている。また、両ピンチロール１１．１２の間には、
強化繊維１の張力を検出する張力検出機３１が配設され
、この張力検出機３１からの検出信号をピンチロール１
１及び／又は１２の駆動部に伝えてピンチロール１１及
び／又は１２の駆動速度を変更することで強化繊維ｌに
かかる張力を調節できるように構成されている。また、
ピンチロール１２と強化繊維ｌの端部を引き取るピンチ
ロール１３との間にも張力検出機３２が配設され、この
張力検出機３２からの検出信号をピンチロール１３に伝
えてピンチロール１３の駆動速度を変えることにより、
強化繊維１に作用する張力を調節できるように構成され
ている。

次に、上記製造装置を用いて本発明の製造方法を説明す
る。

強化繊維ｌの端部は流動床２６の前後に配設されたピチ
ロール１１．１２で引き取られ、ロール１ａの外側より
撚りがかからないように順次巻戻される。

そして、強化繊維１は張力がかからない状態で容器２０
内へ導かれる。容器２０内では通気孔２５から気体が噴
出されていて粉体状熱可塑性樹脂２の流動床２６が形成
され、また強化繊維１は開繊され易い状態であるので、
その気体の勢いによって強化繊維１はフィラメント状に
開繊され、その開繊されたフィラメント間に粉体状熱可
塑性樹脂２は侵入して保持される。

流動床２６を通過し、ピンチロール１２により送り出さ
れた粉体状熱可塑性樹脂２を有する強化繊維１は、次に
押圧ロール４０で押え付けられながら通過することで一
定幅の帯状に広げられ、引き続いて強化繊維１がスリッ
ター５０．５１の上下面を通過する際に過剰の粉体状熱
可”塑性樹脂２が除去されてその保持量が一定とされる
。上記押圧ロール４゜の強化繊維１に対する押圧力及び
角度を変更することにより、薄帯状に広げる強化繊維１
の幅を変化させて最終製品における繊維強化複合材の強
化繊維１と熱可塑性樹脂との比率を調整することができ
る。引き続いて、上記粉体状熱可塑性樹脂２が所定量保
持された強化繊維１を張力でかけた状態で遠赤外線加熱
炉６０に供給して、ここで加熱することにより粉体状熱
可塑性樹脂を溶融し、加熱ロール６１を通過させ、溶融
した樹脂を上下両面から押圧することによって樹脂同志
及び溶融した樹脂と強化繊維１とを一体化して薄帯状プ
リプレグの形態で繊維強化複合材が得られる。

上記張力は熱可塑性樹脂の種類、量等により適宜決定さ
れればよいが、一般に２〜５０ｋｇ　テアリ、好ましく
は５〜３０ｋｇである。

本発明で用いられるストランド状の連続した強化繊維１
としては、ガラス繊維、炭素繊維、金属繊維等の無機繊
維、アラミド繊維、ポリエステル繊維、ポリアミド繊維
等の有機繊維であって、通常繊維径２〜４０μ国のフィ
ラメントを数百〜数十力木同方向に束ねて構成されるス
トランド状の連続する繊維が用いられる。ヤーン状のも
のを多数用いることもできる。また、強化繊維１は樹脂
との接着強度を向上させるために通常行われるサイジン
グ処理が施されていても良い。また、使用する粉体状熱
可塑性樹脂の溶融温度において熱的に安定な繊維が選ば
れる。

本発明で用いられる粉体状熱可塑性樹脂２は、ポリエチ
レン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスルホン
、ポリアミド、ポリフッ化ビニリデン、ポリフェニレン
サルファイド、ポリエーテルエーテルケトン等の熱によ
り軟化溶融する樹脂が総て使用可能である。また、これ
らの熱可塑性樹脂の混合物も使用し得る。安定剤、潤滑
剤、加工助剤、可塑剤、染料、顔料のような添加剤を、
熱可塑性樹脂に混合して用いても良い。この粉体状熱可
塑性樹脂の平均粒子径は、１〜１０００μｍが好ましい
。粉体状熱可塑性樹脂の平均粒子径がｉｏｏ。

μｍを上回ると流動床中での粉体の流動が好適に起こら
ず、ストランド状の連続強化繊維のフィラメント間への
熱可塑性樹脂の保持量が低下する傾向にある。

さらに、上記容器２０に繊維状微小充填材を供給して強
化繊維１のフィラメント間に粉体状熱可塑性樹脂２とと
もに微小充填材を侵Δ保持させても良い、この微小充填
材としては、ガラス繊維、炭素繊維等の無機繊維のミル
ドファイバー、あるいは窒化ケイ素、炭化ケイ素、チタ
ン酸カリウム等のウィスカーが好適に用いられる。この
ように、微小充填材を強化繊維１のフィラメント間に保
持させることにより、ランダムに配向する微小充填材に
よって製造される繊維強化複合材の繊維間の強度を上げ
ることができ、強化繊維１の長手方向に沿った割れ等を
防止することができる。

この繊維状微小充填材の平均アスペクト比（Ｌ／Ｄ）は
５以上であるのが好ましい、平均アスペクト比が５を下
回ると、繊維状としての機能がなくなり、強化繊維ｌの
幅及び厚み方向に対する強度が充分得られない、また、
繊維状微小充填材の繊維長は１０〜１０００μｍの範囲
が好ましい、繊維長が１０００μｍを上回ると、流動床
２６中での粉体の流動が好適に起こらず、ストランド状
の強化繊維１のフィラメント間に繊維状微小充填材が充
分保持されない。

１０μｍを下回ると繊維状としての機能がなくなり、繊
維強化複合材の幅及び厚み方向に対する強度が充分得ら
れない。繊維状微小充填材は、粉体状熱可塑性樹脂と繊
維状微小充填材の混合組成物２中において、１〜３０容
量％の範囲で含有されるのが良い、１容量％を下回ると
、繊維状微小充填材の添加効果が小さいため繊維強化複
合材の幅及び厚み方向に対する強度が充分得られず、 ３０容量％を上回ると、熱可塑性樹脂の結合力が低下し
、強化繊維１への熱可塑性樹脂の含浸性が損なわれる傾
向にある。

上記流動床２６を形成するための気体としては、通常空
気が用いられ、コンプレッサーやブロアー等から供給さ
れるのが良い。必要に応じて窒素、二酸化炭素、ヘリウ
ム、アルゴン等の不活性気体が用いられる。

本発明の他の製造方法においては、強化繊維工として、
非導電性フィラメントより構成されるストランド状の強
化繊維を使用し、非導電性の容器２０内で非導電性の粉
体状熱可塑性樹脂を流動化させて、この流動床２６中を
上記強化繊維１を通過させることにより、粉体状熱可塑
性樹脂２の強化繊維１への保持量を増大させたものであ
る。すなわち、非導電性の容器２０内に粉体状熱可塑性
樹脂を投入して流動床２６を形成することにより、静電
気が発生して粉体状熱可塑性樹脂２及び強化繊維１が帯
電し、強化繊維１のフィラメントはその静電気によって
互いに反発して開繊されることとなり、フィラメント間
に流動する粉体状熱可塑性樹脂が容易に侵入し易くなる
のである。

従って、使用される強化繊維１としては上記で挙げたも
ののうち、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリエステル繊
維、ポリアミド繊維等の非導電性繊維が用いられる。ま
た、容器２ｏ内に直流高電圧を付与した電極を配置して
、積極的に粉体状熱可塑性樹脂２を帯電させるようにし
ても良い。

さらに、粉体状熱可塑性樹脂２の保持量を調整した後、
強化繊維１を粉体状熱可塑性樹脂２の溶融温度以上の温
度に加熱された所望形状のスリットを有する金型中を通
過させることにより、粉体状熱可塑性樹脂２と強化繊維
１とを一体化させつつ所望の横断面形状を有する長尺の
繊維強化複合材を得ても良い。

本発明によれば、フィラメントが一方向に配向している
ため、特に曲げ強度の高い繊維強化複合材が得られる。

また、強化繊維１は充分開繊された状態でそのフィラメ
ント間に粉体状熱可塑性樹脂が侵入保持されるので、強
化繊維１の周囲だけでなく内部にまで樹脂が含浸した強
度の高い繊維強化複合材が得られると共に、従来のよう
に強化繊維１を張力がかかった状態で機械的に開繊する
こともなく、フィラメントの切断の少ない強度の高い繊
維強化複合材が得られる。

このようにして得られた熱成形性複合材料は、種々の形
状に成形することができ、単独であるいは複数枚を積層
し、又は他の部材と積層して板材、管等に用いることが
できる。

（実施例） 以下に本発明を実施例に基づいて詳細に説明する。

１覇」ロー く使用材料〉 ストランド状の強化繊維としてガラス繊維ロービング（
フィラメント径２２μｍ　、４４００ｇ／ｋｍ）を用い
、粉体状熱可塑性樹脂としてナイロン−６（平均粒子径
８０ｕｒＲ）を用いた。

〈製造条件〉 第１図に示した装置を用いて以下の条件で薄帯状の繊維
強化複合材（プリプレグとも称される）を製造した。容
器２０は硬質ポリ塩化ビニル製のものを用い、容器２０
内に上記粉体状熱可塑性樹脂２を投入し、コンプレッサ
ーにより容器２０底部の通気孔２５から容器２０内へ空
気を噴出させて流動床２６を形成した。

ピンチロール１１の駆動により予め４０ｃｍのストラン
ド１を流動床２６に送り込んだ後、ピンチロール１２．
１３を駆動させた。ピンチロール１１．１２は１５０ｃ
ｍ／ｗｉｎの一定速度でストランド１を引き取るように
設定した。また、ピンチロール１３は張力検出機３２と
連動してストランド１に約１０ｋｇの張力が常にかかる
ようにその引き取り速度を調節した。

ストランド１を張力がほとんどかからない状態で流動床
２６を通過させてフィラメント間に粉体状熱可塑性樹脂
２を保持させた後、ロール４０上で幅約４ＣＩに広げ、
スリッター５０．５１で上下面に保持された過剰の粉体
状熱可塑性樹脂２を除去した。

引き続いて、表面温度約３８０°Ｃに設定された遠赤外
線ヒーターを有する加熱炉６０中を通過させ粉体状熱可
塑性樹脂２を溶融させた後、表面温度２２５゛Ｃに設定
された加熱ロール６１を通過させ、ストランド１と樹脂
とを一体化させつつ引き取り、幅約４０園、厚み約０．
２　！Ｉｎの薄帯状の繊維強化複合材を得た。

得られた繊維強化複合材は、ガラス繊維含有量が３５重
景％でフィラメントが一方向に良く配向し、かつフィラ
メント間に樹脂が良く含浸したものであった。また、上
記製造操作を５時間連続して実施したが、フィラメント
の切断によるトラブルは発生せず安定した操業が行えた
。

得られた繊維強化複合材を数枚積層してプレス成形によ
り厚み３．２　ａｍの一方向強化板を得、この強化板の
曲げ試験を行ったところ、曲げ強度は６０ｋｇ／ｍｍ”
であった・ 大施皿主 く使用材料〉 ストランド状の強化繊維としてガラス繊維ロービング（
フィラメント径２２μｍ　、　４４００ｇ／ｋｍ）を用
い、粉体状熱可塑性樹脂として下記組成の配合物から生
成した平均粒子径３００μｍの粉末を用いた。

塩化ビニル樹脂（重合度８００）・・・１００重量部ブ
チル錫含硫黄系安定剤　　・・・　３重量部ステアリル
アルコール　　　・・・　１重量部ポリオレフィンワッ
クス　　・・・　１重量部〈製造条件〉 実施例１と同様に、容器２０内に流動床２６を形成した
装置を用い、以下の条件で薄帯状の繊維強化複合材を製
造した。

ピンチロール１工により予め４０ｃｍのストランド１を
流動床２６に送り込んだ後、ピンチロール１２、】３を
駆動させた。ピンチロール１１．１２は１５０　ｃｍ／
ｍｉｎの一定速度でストランド１を引き取るように設定
した。また、ピンチロール１３は張力検出機３２と連動
してストランドｌに約１５ｋｇの張力が常にかかるよう
に引き取り速度を調節した。

ストランド１に張力がほとんどかからない状態で、この
ストランド１を流動床２６を通過させてフィラメント間
に粉体状熱可塑性樹脂２を保持させた後、ロール４０上
で幅約３ｃＩＩ＋に広げ、スリッター５０．５１で上下
面に保持された過剰の粉体状熱可塑性樹脂２を除去した
。引き続いて、表面温度約３４０°Ｃに設定された遠赤
外線ヒーターを有する加熱炉６０中を通過させ粉体状熱
可塑性樹脂２を溶融させた後、表面温度１９０″Ｃに設
定された加熱ロール６１を通過させ、ストランド１と粉
体状熱可塑性樹脂２とを一体化させつつ引き取り、幅約
３０鵬、厚み約０．３　ｍｍＯｍ帯薄の繊維強化複合材
を得た。

得られた繊維強化複合材はガラス繊維含有量が３０重量
％でフィラメントが一方向に良（配向し、かつフィラメ
ント間に樹脂が良く含浸したものであった。また、上記
製造操作を５時間連続して実施したが、フィラメントの
切断によるトラブルは発生せず、安定した操業が行えた
。

得られた繊維強化複合材を数枚積層してプレス成形によ
り厚み３．０　ｍｍの一方向強化板を得、この強化板の
曲げ試験を行ったところ、曲げ強度は４０ｋｇ／ａｍ”
であった。

裏旌五主 〈使用材料〉 ストランド状の強化繊維としてＰＡＮ系炭素炭素繊維ス
トランドィラメント径８　ｕ　１ｍ　、フィラメント数
６０００本）を用い、粉体状熱可塑性樹脂としてポリフ
ッ化ぐニリデン樹脂（重合度１１００、平均粒子径２０
０μｍ）を用いた。

く製造条件〉 実施例１と同様に、容器２０内に流動床２６を形成した
装置を用い、以下の条件で薄帯状の繊維強化複合材を製
造した。

ピンチロール１１により予め３０ｃａ＋のストランド１
を流動床２６に送り込んだ後、ピンチロール１２．１３
を駆動させた。ピンチロール１１．１２は１２０　ｃｍ
／Ｉｆｉｉｎの一定速度でストランド１を引き取るよう
に設定した。また、ピンチロール１３は張力検出機３２
と連動してストランドｌに約８ｋｇの張力が常にかかる
ように引き取り速度を調節した。

ストランド１に張力がほとんどかからない状態で、この
ストランドｌを流動床２６を通過させてフィラメント間
に粉体状熱可塑性樹脂２を保持させた後、ロール４０上
で幅約２ｃ＋ａに広げ、スリッター５０．５１で上下面
に保持された過剰の粉体状熱可塑性樹脂２を除去した。

引き続いて、表面温度約３５０°Ｃに設定された遠赤外
線ヒーターを有する加熱炉６０中を通過させ粉体状熱可
塑性樹脂２を溶融させた後、表面温度２１０°Ｃに設定
された加熱ロール６１を通過させ、ストランド１と粉体
状熱可塑性樹脂２とを一体化させつつ引き取り、幅約２
０ｍｍ、厚み約０．３ｍの薄帯状の繊維強化複合材を得
た。

得られた繊維強化複合材は炭素繊維含有量が２０重量％
でフィラメントが一方向に良く配向し、かつフィラメン
ト間に樹脂が良く含浸したものであった。また、上記製
造操作を５時間連続して実施したが、フィラメントの切
断によるトラブルは発生せず、安定した操業が行えた。

得られた繊維強化複合材を数枚積層してプレス成形によ
り厚み２．０Ｍの一方同強化板を得、この強化板の曲げ
試験を行ったところ、曲げ強度は８０ｋｇ／ｍｍ”であ
った。

北較■ く使用材料〉 実施例２と同様の強化繊維と粉体状熱可塑性樹脂を用い
た。

〈製造条件〉 第１図に示した製造装置において、ピンチロール１２を
取り外し、流動床２６を通過するストランド１に約３ｋ
ｇの張力がかかるようにした以外は、実施例２と同様の
条件で薄帯状の繊維強化複合材を製造した。

得られた繊維強化複合材はガラス繊維含有量が６０重量
％でフィラメントは一方向に良く配向したものであった
が、フィラメント間に樹脂が充分含浸していないもので
あった。

得られた繊維強化複合材を数枚積層してプレス成形によ
り厚み３飾の一方向強化板を得、この強化板の曲げ試験
を行ったところ、曲げ強度は１４ｋｇ／ｍｍ”であった
。

（発明の効果） このように本発明の製造方法によれば、強化繊維のフィ
ラメントが一方向に揃えられており、また粉体状熱可塑
性樹脂の含浸性を高めることができて強度の高い繊維強
化複合材を得ることができると共に、従来のように強化
繊維に粉体状熱可塑性樹脂を保持させるための機械的な
開繊操作を必要とせず、フィラメントの切断がほとんど
起こらない安定した操業が行える。特に、非導電性の強
化繊維及び容器を使用して容器内で静電気を発生させる
ようにすると、強化繊維を充分開繊させることができ、
樹脂の含浸性を一層高めることができる。

゛の　　　なｉ′　■ 第１図は本発明に用いる製造装置の一実施例を示す概略
図である。

１・・・強化繊維、２・・・粉体状熱可塑性樹脂、１１
．１２．１３・・・ピンチロール、２０・・・容器、２
６・・・流動床。

以上

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、多数の連続するフィラメントより構成されるストラ
   ンド状の強化繊維を実質的に張力がかからない状態で流
   動化された粉体状熱可塑性樹脂の中を通過させてフィラ
   メント間に粉体状熱可塑性樹脂を保持させ、次いで強化
   繊維に張力をかけた状態で粉体状熱可塑性樹脂を加熱溶
   融させて強化繊維と粉体状熱可塑性樹脂とを一体化する
   ことを特徴とする繊維強化複合材の製造方法。 ２、多数の連続する非導電性フィラメントより構成され
   るストランド状の強化繊維を実質的に張力がかからない
   状態で、非導電性の容器内で流動化された粉体状熱可塑
   性樹脂の中を通過させてフィラメント間に粉体状熱可塑
   性樹脂を保持させ、次いで強化繊維に張力をかけた状態
   で粉体状熱可塑性樹脂を加熱溶融させて強化繊維と粉体
   状熱可塑性樹脂とを一体化することを特徴とする繊維強
   化複合材の製造方法。