JP4872545B2

JP4872545B2 - 繊維束接合方法及び繊維束接合装置

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Publication number: JP4872545B2
Application number: JP2006237731A
Authority: JP
Inventors: 武範相山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-09-01
Filing date: 2006-09-01
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2026-09-01
Also published as: JP2008057087A

Description

本発明は、複数の繊維束の端部同士を接合する繊維束接合方法及び繊維束接合装置に関する。

高圧タンクとして、金属製タンクの外面に単位密度当りの強度が非常に高い炭素繊維強化プラスチック材（ＣＦＲＰ材）を巻き付けて補強した複合高圧タンクが用いられている。複合高圧タンクを製造する際、例えばフィラメントワインディング法のように炭素繊維の繊維束にエポキシ樹脂等の樹脂溶液を含浸させた状態で金属製タンクの外面に巻き付けた後、樹脂を硬化させる方法がある。

フィラメントワインディング法で複合高圧タンクを製造する場合、炭素繊維の繊維束を初めから開繊した状態で配列する方が、複合材の物性上好ましい。ここで、繊維束を開繊するとは、繊維束を構成するフィラメントを拡げて繊維束を扁平な状態にすることを意味する。

フィラメントワインディング法において、繊維束はボビンから繰り出されるため、ボビンに巻かれた繊維束が完全に使用し尽くされる前に、次のボビンの繊維束と接合する必要がある。そのため、繊維束の端部同士を接合する方法が各種提案されている。

例えば、特許文献１〜４には、多数本の連続繊維からなる繊維束の接続に際し、繊維束の端部と端部とを重ね合わせ、該重ね合わせ部の繊維を気体流により相互に絡み合わせる方法、さらに絡み合わせた接合部を加熱プレスする方法が提案されている。また、特許文献５には、ロールシートの終了端と新しいロールシートの開始端とを接着剤で接合することが、特許文献６には、強化繊維シートの終了端と新しい強化繊維シートの開始端とを接着用フィルムで接合することがそれぞれ記載されている。

また、その他の方法として、繊維束の端部同士を通常の糸のように結び付けて結節部を設けて接合する方法も知られている。

特開昭５１−１４７５６９号公報特開２００１−１５１４１８号公報特開２００３−２９２２４７号公報特開２００３−２９２２４８号公報特開２０００−９４４７２号公報特開平３−１１０１０８号公報

しかし、特許文献１〜４のような気体流により繊維束の重ね合わせ部の繊維を相互に絡み合わせる方法では、接合部の強度が低く、高圧タンク等に適用することができない。特に、炭素繊維等は接着剤等により複数本の繊維が束ねられており、気体流では十分に解束できないため、繊維束の重ね合わせ部を十分に絡み合わせることができない。また、強度を上げるために絡み合わせた接合部を加熱プレスすると、接合部の柔軟性が低下し、高圧タンク等の部材に巻き付けづらくなる。

また、特許文献５，６のような、繊維束の端部同士を接着剤等で接合する方法でも加熱プレスした場合と同様に接合部の柔軟性が低下し、高圧タンク等の部材に巻き付けづらくなる。

さらに、繊維束の端部同士を結び付けて接合する方法では、結節部は繊維束が開繊されない状態、すなわち玉状で製品内に存在する状態となり、強度等の物性が低下する。また、作業に時間がかかり、歩留まりも低い。

本発明は、柔軟性を保ったまま、高強度で繊維束の端部同士を接合する繊維束接合方法及び繊維束接合装置である。

本発明は、複数本の繊維を束ねた複数の繊維束の端部同士を接合する繊維束接合方法であって、各繊維束の端部同士を繊維方向に重ね合わせて重なり部を形成する重なり部形成工程と、前記重なり部の繊維束を梳くあるいは押し広げることにより解束する解束工程と、前記解束した繊維を加圧して接合する加圧工程と、を含み、前記重なり部の繊維束を梳くあるいは押し広げることにより解束を行いながら、前記加圧を行う繊維束接合方法である。

また、前記繊維束接合方法において、外面にブラシを備えた少なくとも一対の加圧ロールを使用して、前記ブラシにより前記重なり部の繊維束を梳くことにより解束しながら、前記加圧ロールにより前記加圧を行うことが好ましい。

また、前記繊維束接合方法において、少なくとも一対の加圧ロールを使用して、前記加圧ロールにより前記重なり部の繊維束を押し広げることにより解束しながら、前記加圧を行うことが好ましい。

また、本発明は、複数本の繊維を束ねた複数の繊維束の端部同士を接合する繊維束接合方法であって、各繊維束の端部同士を一対の摺動部材により挟持して、前記摺動部材の少なくとも一方を他方に対して相対移動させて擦り、繊維束の解束を行いながら加圧して、繊維を絡み合わせて接合する繊維束接合方法である。

また、本発明は、複数本の繊維を束ねた複数の繊維束の端部同士を接合する繊維束接合装置であって、各繊維束の端部同士を繊維方向に重ね合わせた重なり部の繊維束を梳くあるいは押し広げることにより解く解束手段と、前記解束した繊維を加圧して接合する加圧手段と、を有し、前記重なり部の繊維束を梳くあるいは押し広げることにより解束を行いながら、前記加圧を行う。

また、前記繊維束接合装置において、前記解束手段及び前記加圧手段として、外面にブラシを備えた少なくとも一対の加圧ロールを有することが好ましい。

さらに、本発明は、前記繊維束接合方法により得られる繊維束を外面に巻き付けた高圧タンクである。

本発明では、複数本の繊維を束ねた複数の繊維束の端部同士を接合する繊維束接合方法及び繊維束接合装置において、繊維束の端部同士を重ね合わせた重なり部の繊維束を梳くあるいは押し広げることにより解束し、解束した繊維を絡ませながら加圧することにより、柔軟性を保ったまま、高強度で繊維束の端部同士を接合することができる。

本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

本発明の実施形態に係る繊維束接合装置の一例の概略を図１に示し、その構成について説明する。繊維束接合装置１は、加圧手段である加圧ロール１０と、加圧ロール１０の外面に解束手段であるブラシ１２とを少なくとも一対備える。繊維束接合装置１において、外面にブラシ１２を備えた一対の加圧ロール１０が軸方向をそろえて、所定の間隔で対向して設置されている。この繊維束接合装置１により、繊維束１４ａと１４ｂとの端部同士を接合する。すなわち、各繊維束の端部同士を一対の摺動部材（ここでは、外面にブラシ１２を備えた一対の加圧ロール１０）により挟持して、摺動部材の少なくとも一方を他方に対して相対移動させて擦り、繊維を絡み合わせて接合する。

本実施形態に係る繊維束接合方法及び繊維束接合装置１の動作について説明する。

まず、図２（ａ）に示す複数本の繊維からなる繊維束１４ａと１４ｂとの端部同士を、図２（ｂ）のように繊維方向に重ね合わせて重なり部１６を形成する（重なり部形成工程）。

次に、図３のように、加圧ロール１０の回転方向と、繊維束１４ａ，１４ｂの繊維方向とがほぼ並行になるように、２つの加圧ロール１０を対向させて設置する。２つの加圧ロール１０を駆動部（図示せず）により、同じ方向（図３では、反時計回り）にそれぞれ回転させながら、ブラシ１２の先端部を繊維束１４ａ，１４ｂの少なくとも重なり部１６に接触させて、重なり部１６の繊維束を梳き解いて（ブラッシング（ブラシを通す）して）繊維間に隙間を設ける（解束工程）。重なり部１６の繊維束を所定の時間梳き解き、解束が十分にされ、繊維間に隙間が形成された後、図４のように、加圧ロール１０の表面を加圧制御手段（図示せず）により繊維に接触させて回転させながら加圧し、解束した繊維を絡ませながら接合する（加圧工程）。このようにして、図５のような、繊維束１４ａと１４ｂとの端部同士が接合部１８により接合された繊維束１４が得られる。接合部１８は通常、元の繊維束と厚みはほとんど同じであるが、幅が広がった状態となる。

このような方法により、繊維束の端部同士を高温で加熱加圧することなく、また接着剤や接着シート等を使用することなく、高い強度で繊維の柔軟性を保ちつつ接合することができる。また、元の繊維束が接着剤等により複数本の繊維が束ねられているものであっても、ブラシ等の解束手段により繊維束に接触して梳き解き解束することにより、十分に解束することができる。さらに、一旦十分に解束した上で繊維を絡ませているので、繊維束の重ね合わせ部が接合されやすい。特に、繊維束を解束しながら繊維を絡ませて加圧して接合しているため、高い強度で繊維の柔軟性を保ちつつ接合することができる。

また、繊維束の端部を加圧して接合しているため、接合部１８は十分扁平な状態となっており、玉状になることがほとんどない。よって、繊維束の端部同士を結び付けて接合する方法に比べて、玉状の欠陥として製品内に存在することが少なく、強度等の物性が低下することもほとんどない。また、短時間で接合することができるため、作業時間を短縮することができ、歩留まりも向上することができる。

本実施形態において、繊維束を解束する解束手段としては繊維束に直接接触して梳くあるいは押し広げることにより解束することができるものであればよく特に制限はないが、繊維束を梳き解いて解束するブラシ状の部材、櫛状の部材等、繊維束を押し広げて解束するロール状の部材等が挙げられる。このうち、繊維に損傷を与えにくく解束することができるブラシ状部材が好ましい。

ブラシ１２の毛の材質としては、繊維に損傷を与えにくいものであれば良く特に制限はないが、例えば、アクリル系繊維、ナイロンブラシ、ワイヤーブラシ等を使用することができる。櫛状部材の場合、材質としては、例えば、ＳＵＳ材、セラミック等を使用することができる。

ブラシ１２の毛足の長さは、繊維束の厚みと同程度か繊維束の厚みよりも長いものであればよく、特に制限はないが、例えば、繊維束の厚み＋５〜＋１０ｍｍとすることができる。

ブラシ１２の毛足の太さは、解束する繊維の太さ等に応じて決めれば良く特に制限はないが、例えば、０．３〜０．５ｍｍとすることができる。

加圧ロール１０は、繊維を加圧することができるものであれば良く特に制限はない。解束と共に加圧することができるため、外面に上記ブラシを備えたブラシ付き加圧ロールが好ましい。加圧ロール１０の材質としては、例えば、ＳＵＳ等の金属、ナイロン等の樹脂等を使用することができるが、損傷が少なく耐久性に優れる等の点からＳＵＳ等の金属が好ましい。

加圧工程において、加圧温度（加圧ロールの表面温度）は室温（２０〜３０℃）として行うことができるが、必要に応じて、繊維の柔軟性を失わない程度の温度（例えば、５０〜６０℃）で加熱して加圧してもよい。

本実施形態に係る繊維束接合方法及び繊維束接合装置により接合することができる繊維束としては特に制限はなく、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の樹脂繊維、金属繊維等の繊維束の接合に用いることができるが、接着剤等により複数本の繊維が束ねられている炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の繊維束の接合に好適に用いることができる。また、繊維の太さとしては例えば５〜７μｍのものを接合することができる。

本発明の実施形態に係る繊維束接合装置の他の例の概略を図６に示す。図６の繊維束接合装置３では、解束手段及び加圧手段として加圧ロールを使用している。図６の繊維束接合装置３は、解束手段及び加圧手段である加圧ロール２０を少なくとも一対備える。繊維束接合装置３において、一対の加圧ロール２０が軸方向をそろえて、所定の間隔で対向して設置されている。この繊維束接合装置３により、繊維束１４ａと１４ｂとの端部同士を接合する。すなわち、各繊維束の端部同士を一対の摺動部材（ここでは、一対の加圧ロール２０）により挟持して、摺動部材の少なくとも一方を他方に対して相対移動させて擦り、繊維を絡み合わせて接合する。以下に、繊維束接合装置３の動作について説明する。

まず、図２（ａ）、（ｂ）と同様にして、複数本の繊維からなる繊維束１４ａと１４ｂとの端部同士を、繊維方向に重ね合わせて重なり部１６を形成する（重なり部形成工程）。

次に、図７のように、加圧ロール２０の回転方向と、繊維束１４ａ，１４ｂの繊維方向とがほぼ直交になるように、２つの加圧ロール２０を対向させて設置する。２つの加圧ロール２０を駆動部（図示せず）及び加圧制御手段（図示せず）により、同じ方向にそれぞれ回転させながら、加圧ロール２０の表面を繊維束１４ａ，１４ｂの少なくとも重なり部１６に接触させて回転させながら加圧し、重なり部１６の繊維束を押し広げて解きつつ（解束工程）、解束した繊維を絡ませながら接合する（加圧工程）。このようにして、図５のような、繊維束１４ａと１４ｂとの端部同士が接合部１８により接合された繊維束１４が得られる。

この方法によれば、解束手段としてブラシや櫛を使用した場合に比べてブラシや櫛状部材が不用という利点がある。

本実施形態に係る繊維束接合方法及び繊維束接合装置により得られる繊維束は、樹脂溶液を含浸させて硬化した繊維強化プラスチック材（ＦＲＰ材）等として、各種素材の強化材等に用いることができる。例えば、炭素繊維の場合、炭素繊維の繊維束にエポキシ樹脂等の樹脂溶液を含浸させた炭素繊維強化プラスチック材（ＣＦＲＰ材）として、高圧タンク、自動車用シャフト、航空機の胴体、部品等の補強材として用いることができる。本実施形態に係る繊維束接合方法及び繊維束接合装置により得られる繊維束は、ＦＲＰ材としたときに接合部が成分的に欠陥、異常点となることがほとんどない。以下に、炭素繊維等の繊維束にエポキシ樹脂等の樹脂溶液を含浸させた状態で金属製タンク等のワークの外面に巻き付けた後、樹脂を硬化させて複合高圧タンク等を製造する、フィラメントワインディング法について説明する。

図８に、フィラメントワインディング法の一例の概略を示す。炭素繊維等の繊維束１４は、クリールスタンド２８に設置された複数のボビン２２（図８では４本のボビン２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ）から繰り出される。各ボビン２２から繰り出された繊維束１４は、並列に並べられた状態で樹脂含浸槽２４においてエポキシ樹脂等の熱硬化性の樹脂溶液が含浸される。含浸された繊維束１４は、金属製のボンベ２６の外面に巻き付けられる。含浸された繊維束１４が巻き付けられたボンベ２６は、その後加熱され、樹脂が硬化される。

ここで、本製造工程において、ボビン２２に巻かれた繊維束１４がなくなりかけた場合、繊維束１４が完全に使用し尽くされる前に、予備のボビンの繊維束と接合する必要がある。そのため、繊維束の残り量をクリールスタンド２８にて重量等によって検知し、ボビン２２に巻かれた繊維束がなくなりかけた場合、前記繊維束接合方法及び繊維束接合装置１により、別のボビンの繊維束の端部と接合する。図８の例では、ボビン２２ａの繊維束の残り量がなくなりかけた時点で、ボビン２２ｅから繊維束を送り出し、ブラシ付き加圧ロール３０により上下から押し付けて、ボビン２２ａの繊維束とボビン２２ｅの繊維束の端部同士を接合することができる。

このような方法により、繊維束の端部同士を加熱加圧することなく、接着剤や接着シート等を使用することなく、また結び付けることなく、高い強度で繊維の柔軟性を保ちつつ接合しているため、接合部が玉状になることがほとんどない。よって、繊維束の送り部や樹脂含浸槽において、繊維の送りや含浸をスムーズに行うことができる。またボンベ等のワークへの巻き付け時に接合部が欠陥、異常点となることがほとんどない。よって、強度等の物性が低下することもほとんどない。そのため、強度に影響しないコンビ層を形成している途中だけではなく、強度を必要とするフープ・ヘリカル層を形成している途中でも、繊維束の補充が可能である。また、複数のボビンの繊維束がなくなりかけても短時間で繊維束の補充が可能である。さらに、補充時にボビンを付け替える必要がない、あるいは新たな繊維束を接合せずに切断して新たな繊維束を巻き付ける必要もないため作業時間を短縮することができる。また、一本のボビンの繊維束を余すところなく使用でき、歩留まりを向上することもできる。

以下、実施例および比較例を挙げ、本発明をより具体的に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
図１に示すような繊維束接合装置を使用して、炭素繊維束の接合を行った。ブラシ付き加圧ロールとして、ＳＵＳ製の金属ロール表面に、ブラシ（材質：アクリル系繊維、長さ：５ｍｍ、太さ０．０４ｍｍ）を備えたものを使用した。一対のブラシ付き加圧ロールを軸方向をそろえて、対向して設置した。炭素繊維の繊維束（繊維２４，０００本がエポキシ樹脂により束ねられたもの）の端部同士を、繊維方向に重ね合わせて幅５０ｍｍの重なり部１６を形成した（重なり部形成工程）。次に、ブラシ付き加圧ロールの回転方向と、繊維束の繊維方向とがほぼ並行になるように、ブラシ付き加圧ロールを設置した。一対のブラシ付き加圧ロールを同じ方向にそれぞれ回転させながら、ブラシの先端部を繊維束の重なり部に接触させて、重なり部の繊維束を梳き解した（解束工程）。解束した後、ブラシ付き加圧ロールのロール表面を繊維に接触させて回転させながら加圧し、解束した繊維を絡ませながら接合した（加圧工程）。加圧ロールの表面温度は２０℃とした。このようにして、炭素繊維の繊維束の端部同士を接合した繊維束を得ることができた。

このようにして得た繊維束にフィラメントワインディング法により張力をかけたところ、４０Ｎ以上（炭素繊維２４，０００本当たり）の接合強度を示した。

本発明の実施形態に係る繊維束接合装置の一例を示す概略図である。本発明の実施形態に係る繊維束接合方法の一例を説明するための概略図である。本発明の実施形態に係る繊維束接合方法の一例を説明するための概略図である。本発明の実施形態に係る繊維束接合方法の一例を説明するための概略図である。本発明の実施形態において接合して得られる繊維束の一例を示す概略図である。本発明の実施形態に係る繊維束接合装置の他の例を示す概略図である。本発明の実施形態に係る繊維束接合方法の他の例を説明するための概略図である。本発明の実施形態におけるフィラメントワインディング法の一例を示す概略図である。

符号の説明

１，３繊維束接合装置、１０，２０加圧ロール、１２ブラシ、１４，１４ａ，１４ｂ繊維束、１６重なり部、１８接合部、２２，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅボビン、２４樹脂含浸槽、２６ボンベ、２８クリールスタンド、３０ブラシ付き加圧ロール。

Claims

複数本の繊維を束ねた複数の繊維束の端部同士を接合する繊維束接合方法であって、
各繊維束の端部同士を繊維方向に重ね合わせて重なり部を形成する重なり部形成工程と、
前記重なり部の繊維束を梳くあるいは押し広げることにより解束する解束工程と、
前記解束した繊維を加圧して接合する加圧工程と、
を含み、
前記重なり部の繊維束を梳くあるいは押し広げることにより解束を行いながら、前記加圧を行うことを特徴とする繊維束接合方法。
請求項１に記載の繊維束接合方法であって、
外面にブラシを備えた少なくとも一対の加圧ロールを使用して、前記ブラシにより前記重なり部の繊維束を梳くことにより解束しながら、前記加圧ロールにより前記加圧を行うことを特徴とする繊維束接合方法。
請求項１に記載の繊維束接合方法であって、
少なくとも一対の加圧ロールを使用して、前記加圧ロールにより前記重なり部の繊維束を押し広げることにより解束しながら、前記加圧を行うことを特徴とする繊維束接合方法。
複数本の繊維を束ねた複数の繊維束の端部同士を接合する繊維束接合方法であって、
各繊維束の端部同士を一対の摺動部材により挟持して、前記摺動部材の少なくとも一方を他方に対して相対移動させて擦り、繊維束の解束を行いながら加圧して、繊維を絡み合わせて接合することを特徴とする繊維束接合方法。
複数本の繊維を束ねた複数の繊維束の端部同士を接合する繊維束接合装置であって、
各繊維束の端部同士を繊維方向に重ね合わせた重なり部の繊維束を梳くあるいは押し広げることにより解く解束手段と、
前記解束した繊維を加圧して接合する加圧手段と、
を有し、
前記重なり部の繊維束を梳くあるいは押し広げることにより解束を行いながら、前記加圧を行うことを特徴とする繊維束接合装置。
請求項５に記載の繊維束接合装置であって、
前記解束手段及び前記加圧手段として、外面にブラシを備えた少なくとも一対の加圧ロールを有することを特徴とする繊維束接合装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の繊維束接合方法により得られる繊維束を外面に巻き付けたことを特徴とする高圧タンク。