JP2020190058A - 繊維ストランド、補強マット、ボード及び繊維ストランドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維ストランドの軽量化。【解決手段】繊維ストランド１０は、無機繊維、炭素繊維、その他の強化繊維２１を含む。また、繊維ストランド１０は、その強化繊維２１よりも比重の小さい樹脂繊維３１からなる芯材１１を有する。そして、繊維ストランド１０は、強化繊維２１を、芯材１１の周りに複数束ねてなる。【選択図】図２

Description

本開示は、繊維ストランドとその製造方法、並びに、繊維ストランドを含む補強マット及びボードに関する。

従来より、ガラス繊維等の強化繊維の束である繊維ストランドが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−２１３２９４号公報（段落［００３９］）

従来の繊維ストランドに対して、軽量化が求められている。

上記課題を解決するためになされた請求項１の発明は、無機繊維、炭素繊維、その他の強化繊維を、その強化繊維よりも比重の小さい樹脂繊維からなる芯材の周りに複数束ねてなる繊維ストランドである。

請求項２の発明は、前記強化繊維の束は、直径が１〜５０μｍのガラス繊維を、１０〜１０００本束ねてなる、請求項１に記載の繊維ストランドである。

請求項３の発明は、前記繊維ストランド全体の断面積に対する前記芯材の断面積の比率は、２０〜８０％である、請求項１又は２に記載の繊維ストランドである。

請求項４の発明は、前記芯材は、前記強化繊維よりも大径で直径が２〜１０００μｍの一本の前記樹脂繊維からなる、請求項１から３のうち何れか１の請求項に記載の繊維ストランドである。

請求項５の発明は、前記芯材は、直径が１〜６００μｍの前記樹脂繊維を、２〜１０００本束ねてなる、請求項１から３のうち何れか１の請求項に記載の繊維ストランドである。

請求項６の発明は、前記芯材は、熱可塑性樹脂からなり、その熱可塑性樹脂により前記芯材に前記強化繊維が固着されている、請求項１から５のうち何れか１の請求項に記載の繊維ストランドである。

請求項７の発明は、全長が１０〜６０ｍｍとなっている、請求項１から６のうち何れか１の請求項に記載の繊維ストランドである。

請求項８の発明は、請求項７に記載の繊維ストランドが、複数、平面状に分散した状態で接着されてなる補強マットである。

請求項９の発明は、前記繊維ストランド同士を接着するバインダを含み、前記樹脂繊維の融点は、前記バインダの融点よりも高い、請求項８に記載の補強マットである。

請求項１０の発明は、請求項８又は９に記載の補強マットを発泡シートに積層してなり、車両ボディの内面を覆うボードである。

請求項１１の発明は、金型の下面に設けられた複数の吐出口から溶融ガラスを吐出させて複数本のガラス繊維を成形しながら、それら複数本のガラス繊維を束ねる繊維ストランドの製造方法であって、前記ガラス繊維よりも比重が小さい樹脂繊維を、前記複数本のガラス繊維の中心部に供給し、前記樹脂繊維を芯材としてその芯材の周りに前記複数本のガラス繊維を束ねる繊維ストランドの製造方法である。

請求項１の繊維ストランドは、無機繊維、炭素繊維、その他の強化繊維を、芯材の周りに束ねてなる。そして、本発明の繊維ストランドでは、芯材が、強化繊維よりも比重の小さい樹脂繊維からなるので、強化繊維のみからなる繊維ストランドに比べて、繊維ストランドの軽量化が図られる。また、芯材の周りに強化繊維が束ねられるので、繊維ストランドの強度が低下することを抑制可能となる。

繊維ストランドを構成する強化繊維は、ガラス繊維であってもよいし、炭素繊維であってもよい。前者の場合、繊維ストランドの強化繊維の束を、直径が１〜５０μｍのガラス繊維が１０〜１０００本束ねられた構成とすることが好ましい（請求項２の発明）。

また、繊維ストランド全体の断面積に対する芯材の断面積の比率は、２０〜８０％であることが好ましい（請求項３の発明）。

芯材は、一本の樹脂繊維からなる構成であってもよいし、複数本の樹脂繊維が束ねられてなる構成であってもよい。前者の場合、樹脂繊維は、強化繊維よりも大径で直径が２〜１０００μｍであることが好ましい（請求項４の発明）。後者の場合、芯材は、直径が１〜６００μｍの樹脂繊維２〜１０００本からなることが好ましい（請求項５の発明）。

請求項６の発明のように、芯材を熱可塑性樹脂で構成し、その熱可塑性樹脂により芯材に強化繊維を固着すれば、芯材と強化繊維の固着を容易にすることが可能となる。

繊維ストランドの全長を１０〜６０ｍｍとすれば（請求項７の発明）、例えば、補強マットに好適に用いることができる。このような補強マットとしては、複数の繊維ストランドが、平面状に分散した状態で接着してなるものが好ましい（請求項８の発明）。

請求項９の補強マットのように、繊維ストランド同士がバインダで接着されている場合、そのバインダの融点よりも樹脂繊維の融点を高くすることで、補強マットを加熱して成形する際に、樹脂繊維が溶融することを防ぐことができる。これにより、繊維ストランドの形状が保持され、繊維ストランドの強度が低下することを抑制できる。

請求項１０の発明のように、繊維ストランドからなる補強マットを、発泡シートに積層して、車両ボディの内面を覆うボードとしてもよい。

請求項１１の製造方法で製造された繊維ストランドは、ガラス繊維を、芯材の周りに束ねてなる。そして、本発明の繊維ストランドでは、芯材が、ガラス繊維よりも比重の小さい樹脂繊維からなるので、ガラス繊維のみからなる繊維ストランドに比べて、繊維ストランドの軽量化が図られる。しかも、芯材の周りにガラス繊維が束ねられるので、繊維ストランドの強度が低下することを抑制可能となる。また、請求項１１の発明では、溶融ガラスを金型の吐出口から吐出させて、複数本のガラス繊維を成形しながら束ねる際に、それら複数本のガラス繊維の中央部に、ガラス繊維よりも比重が小さい樹脂繊維を供給する。これにより、樹脂繊維を芯材としてその芯材の周りに複数本のガラス繊維を束ねて繊維ストランドを形成することが容易となる。

（Ａ）本開示の一実施形態に係る補強マットの断面図、（Ｂ）補強マットを構成する繊維ストランドの拡大図 （Ａ）繊維ストランドの一例を示す断面図、（Ｂ）繊維ストランドの別の例を示す断面図 繊維ストランドの製造装置の模式図 補強マットを含むボードの断面図 （Ａ）車両に取り付けられたボードの斜視図、（Ｂ）車両に取り付けられたボードの断面図

図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示されるように、本実施形態の補強マット６０は、繊維ストランド１０が、複数、平面状に分散した状態で接着されてなる。補強マット６０では、繊維ストランド１０同士は、例えば、バインダにより接着される。補強マット６０を構成する繊維ストランド１０の全長は、１０〜６０ｍｍが好ましい。

図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示されるように、繊維ストランド１０は、複数の繊維の束である。具体的には、繊維ストランド１０は、強化繊維２１が、樹脂繊維３１からなる芯材１１の周りに複数束ねられてなる。なお、本実施形態の繊維ストランド１０では、強化繊維２１は、樹脂繊維３１に沿って直線状に延びているが、樹脂繊維３１を巻回するように螺旋状に延びていてもよい。

本実施形態では、複数の強化繊維２１は、芯材１１を全周に亘って包囲していて、強化繊維２１と芯材１１とが密着していると共に、強化繊維２１同士も密着している。

強化繊維２１としては、ガラス繊維、シリカ繊維、アルミナ繊維、セラミック繊維、ボロン繊維、バサルト繊維等の無機繊維や、炭素繊維等が挙げられ、この中でもガラス繊維が好ましい。強化繊維２１がガラス繊維である場合、例えば、強化繊維２１の束を、直径が１〜５０μｍのガラス繊維を１０〜１０００本束ねた構成とすることが好ましく、直径が３〜４０μｍのガラス繊維を３０〜８００本束ねた構成とすることがより好ましく、直径が５〜３０μｍのガラス繊維を５０〜６００本束ねた構成とすることがさらに好ましい。

なお、強化繊維２１をガラス繊維とする場合、補強マット６０（ガラスマット）は、例えば、チョップドストランドマットが好ましい。

芯材１１は、強化繊維２１よりも比重の小さい樹脂繊維３１からなる。繊維ストランド１０全体の断面積に対する芯材の断面積の比率は、２０〜８０％であることが好ましく、３０〜７０％であることがより好ましく、４０〜６０％であることがさらに好ましい。

芯材１１は、１本の樹脂繊維３１で構成されていてもよいし（図２（Ａ）参照）、複数本の樹脂繊維３１で構成されていてもよい（図２（Ｂ）参照）。前者の場合、繊維ストランド１０の形成が容易となる。また、この場合、樹脂繊維３１は、強化繊維２１よりも大径のものが好ましい。また、樹脂繊維３１は、直径が２〜１０００μｍのものが好ましく、直径が５〜８００μｍのものがより好ましく、直径が１０〜６００μｍのものがさらに好ましい。後者の場合、樹脂繊維３１間に隙間が設けられるので、芯材１１の軽量化が図られる。また、この場合、芯材１１は、直径が１〜６００μｍの樹脂繊維３１を２〜１０００本束ねてなるものが好ましく、直径が５〜５００μｍの樹脂繊維３１を２〜３００本束ねてなるものがより好ましく、直径が１０〜４００μｍの樹脂繊維３１を２〜１００本束ねてなるものがさらに好ましい。

樹脂繊維３１は、熱可塑性樹脂からなっていてもよいし、熱硬化性樹脂からなっていてもよいが、熱可塑性樹脂からなることが好ましい。樹脂繊維３１としては、ナイロン系樹脂の繊維、ポリエステル系樹脂の繊維、ポリオレフィン系樹脂の繊維等が挙げられる。樹脂繊維３１を熱可塑性樹脂で構成し、その熱可塑性樹脂により芯材１１に強化繊維２１を固着すれば（即ち、芯材１１と強化繊維２１を熱融着すれば）、芯材１１と強化繊維２１の固着するために別途接着剤を用いなくてもよくなり、芯材と強化繊維の固着を容易にすることが可能となる。また、樹脂繊維３１の融点は、繊維ストランド１０同士を接着する上記バインダの融点よりも高くなっていることが好ましい。

繊維ストランド１０は、例えば、図３に示す製造装置５０を用いて製造される。製造装置５０には、溶融ガラスを受容する箱形の金型５１（所謂、ブッシング）が備えられている。その金型５１の下面に設けられた複数の吐出口５２から溶融ガラスを吐出させ、冷却しながら引き下げて、複数本の強化繊維２１としてのガラス繊維２１Ｓ（ガラス繊維フィラメント）を成形する。そして、それら複数本のガラス繊維２１Ｓを、集束ローラ５３で集束させて束ねる。なお、集束ローラ５３は、軸方向の中央部が絞られた略砂時計形状となっていて、その集束ローラ５３の該中央部により複数本の繊維が集束する。また、金型５１と集束ローラ５３の間には、複数本のガラス繊維２１Ｓに集束剤を塗布する塗布ローラ５４が設けられている。

ここで、製造装置５０では、集束ローラ５３により複数本のガラス繊維２１Ｓが集束する前に、それら複数本のガラス繊維２１Ｓの中心部に、１本の樹脂繊維３１又は複数本の樹脂繊維３１の束が供給される。そして、その樹脂繊維３１を芯材１１として、その芯材１１の周りに複数本のガラス繊維２１Ｓが集束ローラ５３により束ねられることで、芯材１１と複数のガラス繊維２１Ｓとが一体となった繊維ストランド１０が形成される。なお、繊維ストランド１０は、製造装置５０のコレット５５により巻き取られ、その後、適宜、所望のサイズにカットされる。

繊維ストランド１０では、芯材１１とガラス繊維２１Ｓは、集束剤により固着されてもよいし、熱融着により固着されてもよい。後者の場合、例えば、樹脂繊維３１を熱可塑性樹脂で構成すると、その熱可塑性樹脂で芯材１１とガラス繊維２１Ｓを熱融着し易くなる。この熱融着は、例えば、ガラス繊維２１Ｓの余熱や、樹脂繊維３１を集束ローラ５３の直前でヒータ等により加熱することで、容易に行うことができる。また、溶融状態にした熱可塑性樹脂から樹脂繊維３１を成形した直後に、樹脂繊維３１とガラス繊維２１Ｓを束ねることで、樹脂繊維３１の余熱で芯材１１とガラス繊維２１Ｓとを熱融着させることもできる。このように、あらかじめ作製した芯材１１を集束剤によってガラス繊維２１Ｓと固着させてもよいし、ガラス繊維２１Ｓを作製する際に芯材１１を熱融着によってガラス繊維２１Ｓと固着させてもよい。

本実施形態の繊維ストランド１０からなる補強マット６０は、例えば、車両９０や建物に用いることができる。図４には、ガラスマットである補強マット６０を、発泡シート６１に積層したボード７０が示されている。具体的には、ボード７０は、例えば、補強マット６０が発泡シート６１の表裏の両面に積層されたものに、さらに１対の面材６２，６２を外側から積層した構造となっている。このようなボード７０は、図５（Ａ）及び図５（Ｂ）に示されるように、例えば、車体ボディ９０Ｂの内面を覆うボード、即ち、成形天井９２や、車体パネル（ルーフパネル９１やドアパネル等）に貼り合わされる補強ボード９３や、車両９０の荷室に配設されるラゲッジボード９４等、に用いることができる。

補強マット６０と発泡シート６１を積層してボード７０を形成する場合、補強マット６０と発泡シート６１を加熱プレス成形等して熱硬化性のバインダで接着することが考えられる。この場合、芯材１１の樹脂繊維３１の融点を、上記熱硬化性のバインダの硬化に必要な硬化温度よりも高くすることで、ボード７０の形成の際に、樹脂繊維３１が溶融することを防ぐことが可能となる。これにより、繊維ストランド１０の形状が保持され、繊維ストランド１０の強度が低下することを抑制できる。

また、補強マット６０が、繊維ストランド１０同士をバインダで接着した構成となっている場合、そのバインダの融点よりも樹脂繊維３１の融点を高くすることが好ましい。これにより、補強マット６０を加熱して成形する際に、樹脂繊維３１が溶融することを防ぐことができる。これにより、繊維ストランド１０の形状が保持され、繊維ストランド１０の強度が低下することを抑制できる。

本実施形態の繊維ストランド１０は、強化繊維２１を、芯材１１の周りに束ねてなる。そして、繊維ストランド１０では、芯材１１が、強化繊維２１よりも比重の小さい樹脂繊維３１からなるので、繊維ストランド１０の軽量化が図られる。しかも、本実施形態の繊維ストランド１０は、芯材１１の周りに複数の強化繊維２１が束ねられる構成となっているので、繊維ストランド１０の強度が低下することを抑制可能となる。詳細には、強化繊維２１よりも比重の小さい樹脂繊維３１の芯材１１を有する場合でも、繊維ストランド１０のうち中心から離れた外周側に強化繊維２１を配置することで、繊維ストランド１０の断面二次モーメントが低くなることを抑制可能となり、繊維ストランド１０の強度の低下を抑制可能となる。従って、繊維ストランド１０からなる補強マット６０や、繊維ストランド１０を含むボード７０では、軽量化を図りつつ剛性の低下を抑えることができる。これにより、ボード７０では、折れや変形が起こり難くなり、ハンドリング性の向上が図られる。

なお、本実施形態の繊維ストランド１０では、強化繊維２１のみからなる従来の繊維ストランドと同じ重さにしつつ、繊維ストランド１０を太くして、繊維ストランド１０の強度を向上させることも可能となる。

本実施形態の繊維ストランド１０の製造方法では、溶融ガラスを金型５１の吐出口５２から吐出させて、複数本のガラス繊維２１Ｓを成形しながら束ねる際に、それら複数本のガラス繊維２１Ｓの中央部に、ガラス繊維２１Ｓよりも比重が小さい樹脂繊維３１を供給する。これにより、樹脂繊維３１を芯材としてその芯材１１の周りに複数本のガラス繊維２１Ｓを束ねて繊維ストランド１０を形成することが容易となる。

［他の実施形態］
（１）繊維ストランド１０のうち、芯材１１を包囲する複数の繊維は、すべて同じ繊維径のものであってもよいし（図２（Ａ）及び図２（Ｂ）参照）、一部が異なる繊維径のものであってもよい。また、芯材１１を包囲する複数の繊維は、すべて強化繊維２１であってもよいし、一部に樹脂繊維３１が含まれていてもよい。図２（Ｂ）に示されるように芯材１１を複数の樹脂繊維３１で構成する場合、樹脂繊維３１の繊維径は、強化繊維２１の繊維径と同程度とすることが好ましい。

（２）上記実施形態では、芯材１１を囲む複数の強化繊維２１同士が密着していたが、間隔をあけて配置されていてもよい。

（３）上記実施形態では、ガラス繊維を強化繊維２１として含む繊維ストランド１０からなるものとして、ガラスマットが例示されていたが、繊維ストランド１０が例えば格子状に織られてなるガラスクロスであってもよい。

（４）上記実施形態では、芯材１１を構成する樹脂繊維３１及び芯材１１を包囲する複数の繊維（強化繊維２１）の断面形状を、円形としたが、三角形や四角形等の多角形、十字形、星形等としてもよい。また、芯材１１の軸方向と直交する方向の一方側と他方側とにおいて、強化繊維２１の断面形状や本数を異ならせてもよい。この場合、芯材１１の軸方向と直交する前記方向の一方側と他方側とに対して、繊維ストランド１０に異なる特性値（例えば、曲げ剛性等）を付与することができる。

（５）上記実施形態では、芯材１１を複数本の樹脂繊維３１で構成する場合、それら複数本の樹脂繊維３１を、同じ樹脂で構成すると共に、同じ形状（同じ繊維径の断面円形状）としたが（図２（Ｂ）参照）、異なる樹脂で構成してもよいし、異なる形状としてもよい（繊維径を異ならせたり、繊維の断面形状を異ならせる等してもよい）。

（６）上記実施形態では、繊維ストランド１０を、直線状の繊維を束ねた構成としたが、繊維を撚りながら束ねた構成としてもよい。その場合、繊維ストランド１０を、複数本の樹脂繊維３１が撚られてなる芯材１１を複数本の直線状の強化繊維２１で包囲した構成としてもよいし、芯材１１を包囲する複数本の強化繊維２１を芯材１１の周りに撚った構成としてもよい。また、強化繊維２１と樹脂繊維３１の両方を一緒に撚ってもよく、この場合、あらかじめ撚っておいた複数本の樹脂繊維３１と強化繊維２１とを一緒に撚ってもよい。これらの構成により、繊維ストランド１０の強度を高めることができる。

１０ 繊維ストランド
１１ 芯材
２１ 強化繊維
３１ 樹脂繊維
６０ 補強マット
７０ ボード

Claims (11)

1. 無機繊維、炭素繊維、その他の強化繊維を、その強化繊維よりも比重の小さい樹脂繊維からなる芯材の周りに複数束ねてなる繊維ストランド。
2. 前記強化繊維の束は、直径が１〜５０μｍのガラス繊維を、１０〜１０００本束ねてなる、請求項１に記載の繊維ストランド。
3. 前記繊維ストランド全体の断面積に対する前記芯材の断面積の比率は、２０〜８０％である、請求項１又は２に記載の繊維ストランド。
4. 前記芯材は、前記強化繊維よりも大径で直径が２〜１０００μｍの一本の前記樹脂繊維からなる、請求項１から３のうち何れか１の請求項に記載の繊維ストランド。
5. 前記芯材は、直径が１〜６００μｍの前記樹脂繊維を、２〜１０００本束ねてなる、請求項１から３のうち何れか１の請求項に記載の繊維ストランド。
6. 前記芯材は、熱可塑性樹脂からなり、その熱可塑性樹脂により前記芯材に前記強化繊維が固着されている、請求項１から５のうち何れか１の請求項に記載の繊維ストランド。
7. 全長が１０〜６０ｍｍとなっている、請求項１から６のうち何れか１の請求項に記載の繊維ストランド。
8. 請求項７に記載の繊維ストランドが、複数、平面状に分散した状態で接着されてなる補強マット。
9. 前記繊維ストランド同士を接着するバインダを含み、
   前記樹脂繊維の融点は、前記バインダの融点よりも高い、請求項８に記載の補強マット。
10. 請求項８又は９に記載の補強マットを発泡シートに積層してなり、
    車両ボディの内面を覆うボード。
11. 金型の下面に設けられた複数の吐出口から溶融ガラスを吐出させて複数本のガラス繊維を成形しながら、それら複数本のガラス繊維を束ねる繊維ストランドの製造方法であって、
    前記ガラス繊維よりも比重が小さい樹脂繊維を、前記複数本のガラス繊維の中心部に供給し、前記樹脂繊維を芯材としてその芯材の周りに前記複数本のガラス繊維を束ねる繊維ストランドの製造方法。