ガイド装置、連続繊維束の巻取機、連続繊維束の製造方法、および炭素繊維束
【課題】後加工での工程通過性が良好で、かつトウ幅の変動率が小さく安定してボビンに巻き取ることができるガイド装置、そのガイド装置を具備する巻取機、その巻取機を用いた連続繊維束の製造方法、およびその方法により得られる炭素繊維束を提供する。
【解決手段】連続繊維束の走行路上に配され、前記連続繊維束をひねり案内する、軸線が空間上で互いにねじれた位置関係にある一組の第１のガイドおよび第２のガイドと、前記一組のガイドの前記走行路後流側に配され、前記ひねられた連続繊維束をひねり戻してボビンに導入案内する平行ガイドとを具備し、前記第１のガイドおよび前記第２のガイドは円錐状ガイドであり、前記平行ガイドはその一部が凹型に湾曲したガイドであるガイド装置を用いて、連続繊維束をボビンに巻き取る。
【解決手段】連続繊維束の走行路上に配され、前記連続繊維束をひねり案内する、軸線が空間上で互いにねじれた位置関係にある一組の第１のガイドおよび第２のガイドと、前記一組のガイドの前記走行路後流側に配され、前記ひねられた連続繊維束をひねり戻してボビンに導入案内する平行ガイドとを具備し、前記第１のガイドおよび前記第２のガイドは円錐状ガイドであり、前記平行ガイドはその一部が凹型に湾曲したガイドであるガイド装置を用いて、連続繊維束をボビンに巻き取る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、拡幅されて偏平な断面形状をもつテープ状の連続繊維束をボビンに巻き取るためのガイド装置、そのガイド装置を具備する巻取機、その巻取機を用いた連続繊維束の製造方法、およびその方法により得られる炭素繊維束に関する。特に、テープ状の連続繊維束の拡幅形態を保持した状態で安定して巻き取ることのできるガイド装置、そのガイド装置を具備する巻取機、その巻取機を用いた連続繊維束の製造方法、およびその方法により得られる炭素繊維束に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化複合材料には、強化材として、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等が使用されている。中でも、炭素繊維は、比強度、比弾性率、耐熱性、耐薬品性等に優れ、航空機用途、ゴルフシャフト、釣り竿等のスポーツ用途、一般産業用途の繊維強化複合材料の強化材として使用されている。高強度、高弾性率の炭素繊維を得るためには、炭素繊維前駆体糸条束として糸切れ、毛羽の発生が少なく品質に優れたものが必要である。
【０００３】
炭素繊維は、その形態および特性から繊維そのものだけで使用されることは少なく、大部分は繊維束を複数本平行に引き揃えた後、エポキシ樹脂等の樹脂を含浸させ（一般にはこれをプリプレグという。）、これを円筒状に巻きまたは被成形物に被せた後、樹脂を硬化させて繊維強化プラスチック成形体として製品化する。
【０００４】
炭素繊維は他の強化繊維材料に比べて軽量で且つ高強度であるため、この特性をさらに生かすために、炭素繊維にエポキシ等の樹脂を含浸したプリプレグについてもさらに軽量化させる方向で検討がなされている。
【０００５】
炭素繊維プリプレグを軽量化させるためには、炭素繊維束を薄く広げる必要があり、このためにプリプレグを製造している各製造会社は様々な工夫を凝らしている。
【０００６】
しかし、プリプレグの製造工程において供給される炭素繊維束等の強化繊維束が予め一定幅に広げられたものであれば、即ち、ボビンに巻き取られている強化繊維束が拡幅されたテープ状であれば、プリプレグの製造工程において強化繊維束の幅を広げるという作業を省くことができる。そのため、最近では薄物プリプレグの成形用として、予め拡幅されたテープ状の強化繊維束がボビンに巻取られた巻体を用いることが多くなっている。
【０００７】
また、近年、成型方法としてドラムワインドやフィラメントワインド、引き抜き成型など各種の成型方法へフィラメント数の大きい繊維束の適用が試みられている。これら成型方法に対しても繊維束が拡幅されたテープ状の形態であることが好ましく、さらに撚れや繊維束の幅の変動の少ないものであることがより好ましい。
【０００８】
このようなテープ状の繊維束は、繊維束の製造段階の最後において、エポキシ樹脂等を主成分とするサイジング剤を含浸させ、ニップロールによる絞り、あるいは乾熱ロールへの接触により幅出しを行った後、乾燥させることにより製造される。こうして製造されたテープ状の繊維束は、製品形態としてボビンに巻き取られた巻体の形態をとる。
【０００９】
巻取装置では、繊維束がボビンの長さ方向に均一に巻き付けられるよう、ボビンの軸線に平行に繊維束をトラバースさせている。ところが、既存の巻取装置ではテープ状の繊維束形態を維持することは考慮されていない。そのため、この一般繊維用の巻取装置を用いて、拡幅された繊維束をボビンへ巻き取る際に、メーカー仕様の一般繊維用の汎用ガイドを用いると、トラバースさせるときに繊維束が幅方向に押えられて収束したり、繊維束に軸線方向のねじれが生じたりして、上述のように拡幅されたテープ状の繊維束形態が崩れたまま巻き取られてしまい、薄物プリプレグの成形用という上記目的に適応することができなくなる。
【００１０】
そこで、既存の巻取装置を用いて、このような拡幅されたテープ状の繊維束を、その偏平形態を保ったままボビンに巻き取るための提案がなされている。従来は、例えば特許文献１〜３に記載されているように、既存の巻取装置にガイド装置をトラバースガイドとして取り付ける方法が提案されている。
【００１１】
特許文献１に記載されているガイド装置は、ボビンの軸線と平行に配されたトラバースアームに直交して立設され、前記トラバースアームに沿って摺動するプレート状のヤーンガイド用固定台を有しており、同ヤーンガイド用固定台の上下に繊維束をガイドするガイドロールが配されている。下部のガイドロールは巻取ボビンの軸線と平行に配された単一ロールからなり、ヤーンガイド用固定台の上部に配されるガイドロールは、同ボビンの軸線と直交する一対の平行なガイドロールからなる。拡幅された繊維束は上下のガイドロールの間で軸線方向に９０°捻転されるが、これら上下のガイドロールの間を通すことにより、テープ状の繊維束はその拡幅形態を保持した状態でボビンに巻き取ることができる。
【００１２】
特許文献２に記載されているガイド装置では、トラバースアームに直交して立設され、トラバースアームに沿って往復動するプレート部材の上部に、軸線が互いに直交して上下に配された複数の円錐状をなすガイドを有し、プレート部材の下部には巻取ボビンとほぼ平行な軸線を有する上下一対の平行なガイドロールを有している。上部に配された円錐状のガイドによって繊維束が軸線方向に９０°捻転され、同繊維束は下部に配された一対のガイドロールの間を同ロールに掛け回されて拡幅形態を保持した状態で送られたのち、前記ボビンに巻き取られる。
【００１３】
特許文献３に記載されているガイド装置では、繊維束の走行路上に配され、同繊維束がひねられて案内される軸線が空間上で互いにねじれた位置関係にある一組の第１および第２のガイドを有している。さらに前記ひねられた繊維束をひねり戻してボビンに導入案内するボビンと平行な軸線を有する平行ガイドを有している。前記第１のガイドが平ガイドまたは錐状ガイドからなり、前記第２ガイドが錐状ガイドから構成される。前記平行ガイドは前記連続繊維束の走行位置および連続繊維束の幅が安定化されて安定して前記ボビンに巻き取られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平４−１１９１２３号公報
【特許文献２】特開平１０−３３００３８号公報
【特許文献３】特開２００５−２５５４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
一方、多くの繊維束は、紙管に巻上げてパッケージにした後、連続解舒して加工していることが多い。その際、繊維束同士の摩擦が原因と推定される糸切れ回数が多いことが問題となっている。この糸切れ回数が多くなると最終的にはトウ切れを起こすために、後工程で使用する際に工程通過性に問題が発生する。本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、連続繊維束の後加工の工程通過性を改善するためには、連続繊維束のトウ幅をある一定の幅に安定に制御する必要が生じることを見出した。
【００１６】
本発明の目的は、後加工での工程通過性が良好で、かつトウ幅の変動率が小さく安定してボビンに巻き取ることができるガイド装置、そのガイド装置を具備する巻取機、その巻取機を用いた連続繊維束の製造方法、およびその方法により得られる炭素繊維束を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、連続繊維束をボビンに巻き取る際に用いるガイド装置であって、
前記連続繊維束の走行路上に配され、前記連続繊維束をひねり案内する、軸線が空間上で互いにねじれた位置関係にある一組の第１のガイドおよび第２のガイドと、
前記一組のガイドの前記走行路後流側に配され、前記ひねられた連続繊維束をひねり戻してボビンに導入案内する平行ガイドとを具備し、前記第１のガイドおよび前記第２のガイドは円錐状ガイドであり、前記平行ガイドはその一部が凹型に湾曲したガイドであるガイド装置である。
【００１８】
また、本発明は、上記のガイド装置と、ボビンとを具備し、前記ガイド装置が具備する平行ガイドの軸線は、前記ボビンの軸線と平行になっている連続繊維束の巻取機である。また、本発明は、その巻取機を用いて、連続繊維束を巻き取る連続繊維束の製造方法である。また、本発明は、その製造方法により、連続する炭素繊維束を巻き取って得られる炭素繊維束。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、後加工での工程通過性が良好で、かつトウ幅の変動率が小さく安定してボビンに巻き取ることができる。すなわち、既存の巻取機にガイド装置を取り付けるだけで、供給されるテープ状に拡幅された炭素繊維束を、撚りのない状態で安定してボビンに巻き取ることができ、しかも炭素繊維束を供給時の幅よりもさらに拡幅した状態でボビンに巻き取ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係るガイド装置を装着した巻取機による連続繊維束の巻取状態を概略で示す側面図である。
【図２】図１のガイド装置の配置を概略で示す正面図である。
【図３】図１のガイド装置の配置を概略で示す上面図である。
【図４】図１の巻取機による連続繊維束のトラバース状態の概略を示す正面図である。
【図５】凹型に湾曲した部分を有する平行ガイドロールの側面図である。
【図６】凹型に湾曲した部分を有しない平行ガイドロールの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。
【００２２】
炭素繊維束としては、通常、アクリル系の原料繊維を空気中で加熱して耐炎化した後、窒素中で加熱して炭素化し得られるＰＡＮ系炭素繊維束と、石油等のピッチを原料とするピッチ系炭素繊維束とがある。本発明は、いずれの炭素繊維束を巻き取る際にも適用可能である。また、炭素繊維束以外の繊維束を巻き取る際にも適用可能である。
【００２３】
テープ状の炭素繊維束は、例えば特公平６−６５７８７号公報に開示されているように、同繊維束にサイジング剤を含浸させた後、加熱ロールで接触乾燥させることにより得られる。この炭素繊維束は、成形後、巻取機によりボビンに巻き取られて、後のプリプレグ等の製造工程へと送られる。
【００２４】
図１は、本発明のガイド装置を装着した巻取機による連続繊維束の巻取状態を概略で示す側面図である。図２および３は、そのガイド装置の配置を概略で示す正面図および上面図である。図４は、図１の巻取機による連続繊維束のトラバース状態の概略を示す正面図である。図５は、凹型に湾曲した部分を有する平行ガイドロールの側面図である。図６は凹型に湾曲した部分を有しない平行ガイドロールの側面図である。
【００２５】
図１に示すとおり、巻取機本体の上方には、ボビン１の軸線１ａと平行な軸線を有する第１固定ガイドロール２と第２固定ガイドロール３が設けられる。
【００２６】
ガイド装置９は、図２に示すようにフレーム８に取り付けられた３つのガイドを有し、ボビン１の軸線１ａに平行に往復動する図示せぬ公知のトラバース機構に装着されて一緒に往復動する。ガイド装置９が有する第１ガイド４および第２ガイド５は、連続繊維束の走行路上に配され、連続繊維束をひねり案内する一組のガイドを構成し、第１ガイド４の軸線４ａと第２ガイド５の軸線５ａは、図３に示すように互いにねじれた位置関係となるように配置され、かつ図１に示すようにボビン１の軸線方向から見てボビン１の軸線１ａと直交する方向に配置されている。また、ガイド装置９が有する他の一つのガイドは、第２ガイド５の連続繊維束の供給後流側に配され、ひねられた連続繊維束をひねり戻してボビンに導入案内する平行ガイドロール６であり、その軸線は、ボビン１の軸線１ａと平行に配されている。なお、ボビン１の直前には、プレッシャーガイドロールが配されている。
【００２７】
第１ガイド４は、円錐状ガイドである。第１ガイド４は、鋼製の梨地メッキを施したもの、あるいは鏡面メッキを施したもの、さらにはテトラフルオロエチレンなどの樹脂をコーティングしたものなどを使用することができる。第１ガイド４は、その軸線が、図２に示すようにボビンの軸線と垂直な方向に配置される。また、第１ガイド４は、供給する連続繊維束の繊度あるいは連続繊維束の幅にもよるが、斜辺の長さが２０〜１２０ｍｍのものが好ましく、３０〜１００ｍｍのものがより好ましく、また底面の直径が１０〜５０ｍｍのものが好ましく、２０〜４０ｍｍのものがより好ましい。
【００２８】
第２ガイド５は、円錐状ガイドである。第２ガイド５の材質は、第１のガイド４と同様とすることができる。第２のガイド５は、その軸線が第１ガイド４とねじれた位置関係になるように配置される。また、第２ガイド５は、その軸線が、図１に示すようにボビン１の軸線方向から見てボビン１の軸線１ａと直交する方向に配置される。さらに、第２ガイド５は、その軸線５ａが、図３に示すように連続繊維束の供給方向から見てボビン１の軸線１ａに対して９０°以下の角度をもって設置される。第２ガイド５の円錐形状の頂角は、４５°以下に設定されることが好ましい。また、ボビン１の配列スペースの制約の観点から、狭いスペースの中で連続繊維束の接する斜辺の長さを充分確保することから、第２ガイド５は、底面の直径が１０〜５０ｍｍのものが好ましく、２０〜４０ｍｍのものがより好ましく、また斜辺の長さが２０〜１００ｍｍのものが好ましく、３０〜８０ｍｍのものがより好ましい。
【００２９】
平行ガイドロール６は、その上方に配置される第２ガイド５を経由して供給される連続繊維束をボビン１に平行な方向にさらに捻転させるものである。平行ガイドロール６もまた、第１ガイド４および第２ガイド５と共通の支持手段によって支持され、図示せぬトラバース機構によりボビン１の軸線１ａと平行な方向に往復トラバースされる。平行ガイドロール６の材質は、第１ガイド４と同様とすることができる。平行ガイドロール６は、巻取部内におけるボビン配列スペースの観点から、直径が１０ｍｍ〜４０ｍｍのものが好ましく、１５ｍｍ〜３０ｍｍのものより好ましい。また、平行ガイドロール６のロール面長は２０ｍｍ〜１００ｍｍが好ましく、さらにトラバース機構への取り付けなどのスペース要因をも考慮すると３０ｍｍ〜８０ｍｍがより好ましい。
【００３０】
通常は、平行ガイドロール６として、図６に示すような凹型に湾曲した部分を有しない１本の円筒形状のロールが用いられる。しかし、本発明では、トウ幅を縮小させるために、平行ガイドロールの一部が凹部に湾曲したガイドを用いる。凹部に湾曲した部分を通過させてトウ幅を縮小させることにより、巻き取った連続繊維束を巻き出した場合に糸切れ発生が少なくなる効果がある。
【００３１】
凹型に湾曲した部分の曲率半径Ｒは、製造する連続繊維束のトウ本数により適宜変更させればよいが、その曲率半径Ｒを５ｍｍ以上１５ｍｍ以下とすることが好ましい。曲率半径Ｒを５ｍｍ以上とすることで、連続繊維束に撚りや折れが入りにくく、巻きパッケージの悪化を抑制し、後加工で使用する際に均一に繊維束が拡がるようになる。また、曲率半径Ｒを１５ｍｍ以下とすることで、トウ幅を縮小させる効果を達成することができる。
【００３２】
なお、一組の第１ガイド４および第２ガイド５と、平行ガイドロール６とによって、連続繊維束をほぼその供給方向の軸線に対して９０°捻転されてから０°に戻し、またはさらに同一方向に９０°捻転させるためには、連続繊維束と接する斜辺の方向を、ボビン１の軸線１ａに対して３０°〜６０°に設定することが好ましく、４０〜５０°に設定することがより好ましい。
【００３３】
繊維束の製造段階の最後においては、エポキシ樹脂等を主成分とするサイジング剤を含浸させ、ニップロールによる絞りまたは乾熱ロールへの接触により幅出しを行った後、巻取部へ供給される。この連続繊維束は、巻取部の上部に設置された上部第１固定ガイドロール２と上部第２固定ガイドロール３に掛け回されてから、軸線が空間上で互いにねじれた位置関係にある一組の第１ガイド４および第２ガイド５に交互に掛け回されて、ボビンへと送られる。このとき、第１ガイド４および第２ガイド５はボビンの軸線１ａと平行にトラバースされ、さらに第１ガイド４は円錐状ガイドであり、その軸線がボビンの軸線と垂直、すなわちトラバース方向と直交する方向に配置されているため、ボビンの軸線と平行に移動しても連続繊維束は第１ガイド４のロール周面に沿って供給され、連続繊維束は安定した状態でトラバースがなされテープ状の形態を維持できる。
【００３４】
以上のようにして得られる連続繊維束、特に炭素繊維束は、高品質、高品位であることが要求される自動車用途や建材等の一般産業用途に好適に用いられる。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例等によりなんら限定されるものではない。
【００３６】
＜炭素繊維ボビンパッケージ上のトウ幅および変動率＞
張力をかけずに、捩れが生じないように炭素繊維ボビンパッケージから連続的に炭素繊維束を引き出し、２５ｃｍごとのトウ幅を１００点測定し、その平均値を算出した。また、トウ幅の変動率を下記式（１）から算出した。
【００３７】
トウ幅の変動率（％）＝（トウ幅の標準偏差／トウ幅の平均値）×１００ （１）
＜巻き出し時のトウ幅および変動率＞
５ｍ／分の速度、１００００ｄｔｅｘ当たり１５０ｇｆ（１．４７Ｎ）の張力で炭素繊維ボビンから巻き出した直後の炭素繊維トウ幅を５０ｍ測定し、その平均値を算出した。また、トウ幅の変動率を上記式（１）から算出した。
【００３８】
＜トウ幅の安定性＞
トウ幅の安定性評価は、以下のように判定した。
○：炭素繊維ボビンパッケージ上のトウ幅の変動率が１０％以下であり、かつ巻き出し時のトウ幅変動率が１０％以下である。
×：炭素繊維ボビンパッケージ上のトウ幅の変動率または巻き出し時のトウ幅変動率が１０％を超える。
【００３９】
＜解舒性＞
炭素繊維束パッケージを、１００００ｄｔｅｘ当たり１５０ｇｆ（１．４７Ｎ）の張力をかけた状態で１００ｍ／分の速度で解舒を行い、糸切れおよびトウ切れの発生を確認した。解舒性評価は、以下のように判定した。
○：解舒中に糸切れもトウ切れもなし。
×：解舒中に糸切れまたはトウ切れが１回以上あり、解舒を中断した。
【００４０】
〔実験例１〕
繊度６０，０００ｄｔｅｘ、フィラメント数６０，０００本のアクリル繊維束を、温度を２２０℃〜２６０℃として加熱処理を施し、耐炎化繊維束を得た。この耐炎化繊維束を７００℃の窒素雰囲気中で前炭素化処理し、続いて１，３５０℃の窒素雰囲気中で炭素化処理し、電解酸化処理およびサイジング処理を行って、炭素繊維束を得た。
【００４１】
図１および図２に示すガイド装置９を製作し、神津製作所製ＫＴＷ−Ｃ型巻取機（商品名）のガイド装置として使用した。このとき、図５に示すように、凹型に湾曲した部分を有する平行ガイドロールを用い、その凹型に湾曲した部分の曲率半径Ｒは１３．３ｍｍとした。このガイド装置９を上記巻取機に取り付けて、巻取部によって炭素繊維束を紙製の巻取ボビン（紙管）に巻き取った。紙管としては直径８２ｍｍ、長さ２８０ｍｍのものを使用し、トラバース幅は２５４ｍｍとした。炭素繊維束の巻取部への供給速度は３ｍ／分とし、炭素繊維束を上記紙管に１，０００ｍ巻き取った。
【００４２】
得られたボビンパッケージ上のトウ幅を測定したところ１０．４ｍｍであり、トウ幅の変動率は７．５％であった。また、巻き取った紙管から炭素繊維束を５ｍ／分の速度で巻き出した時のトウ幅を測定したところ、その幅の平均値は１５．２ｍｍであり、トウ幅の変動率は４．９％であった。炭素繊維束を１，０００ｍ引き出した場合でも糸切れおよびトウ切れの発生回数は０回であり、工程通過性は良好であった。
【００４３】
〔実験例２〕
平行ガイドロールの凹型に湾曲した部分の曲率半径Ｒを８．１ｍｍとした以外は、実験例１と同様の方法で、炭素繊維束を巻き取った。得られたボビンパッケージ上のトウ幅を測定したところ９．５ｍｍであり、トウ幅の変動率は６．１％であった。また、巻き取った紙管から炭素繊維束を５ｍ／分の速度で巻き出した時のトウ幅を測定したところ、その幅の平均値は１３．１ｍｍであり、トウ幅の変動率は７．１％であった。炭素繊維束を１，０００ｍ引き出した場合でも糸切れおよびトウ切れの発生回数は０回であり、工程通過性は良好であった。
【００４４】
〔実験例３〕
図６に示すように、凹型に湾曲した部分を有しない平行ガイドロールを用いた以外は、実験例１と同様の方法で、炭素繊維束を巻き取った。得られたボビンパッケージ上のトウ幅を測定したところ１２．０ｍｍであり、トウ幅の変動率は６．２％であった。また、巻き取った紙管から炭素繊維束を５ｍ／分の速度で巻き出した時のトウ幅を測定したところ、その幅の平均値は１８．０ｍｍであり、トウ幅の変動率は６．２％であった。炭素繊維束を引き出した際に糸切れが発生した。
【００４５】
〔実験例４〕
平行ガイドロールの凹型に湾曲した部分の曲率半径Ｒを４．５ｍｍとした以外は、実験例１と同様の方法で、炭素繊維束を巻き取った。得られたボビンパッケージ上のトウ幅を測定したところ７．５ｍｍであり、トウ幅の変動率は１２．５％であった。また、巻き取った紙管から炭素繊維束を５ｍ／分の速度で巻き出した時のトウ幅を測定したところ、その幅の平均値は９．１ｍｍであり、トウ幅の変動率は１２．１％であった。炭素繊維束を１，０００ｍ引き出した場合でも糸切れおよびトウ切れの発生回数は０回であった。ただし、巻きパッケージの状態は悪く、後加工で使用する際に均一に繊維が拡がらなかった。
【００４６】
〔実験例５〕
平行ガイドロールの凹型に湾曲した部分の曲率半径Ｒを１７．０ｍｍとした以外は、実験例１と同様の方法で、炭素繊維束を巻き取った。得られたボビンパッケージ上のトウ幅を測定したところ１１．９ｍｍであり、トウ幅の変動率は６．１％であった。また、巻き取った紙管から炭素繊維束を５ｍ／分の速度で巻き出した時のトウ幅を測定したところ、その幅の平均値は１７．９ｍｍであり、トウ幅の変動率は７．１％であった。そして、炭素繊維束を引き出した際に糸切れが発生した。
【００４７】
〔実験例６〕
繊度１４，４００ｄｔｅｘ、フィラメント数１２，０００本のアクリル繊維束を、温度を２２０℃〜２６０℃として加熱処理を施し、耐炎化繊維束を得た。この耐炎化繊維束を７００℃の窒素雰囲気中で前炭素化処理し、続いて１，３５０℃の窒素雰囲気中で炭素化処理し、電解酸化処理およびサイジング処理を行って、炭素繊維束を得た。
【００４８】
平行ガイドロールの凹型に湾曲した部分の曲率半径Ｒを８．０ｍｍとした以外は、実験例１と同様の方法で、上記で得られた炭素繊維束を巻き取った。得られたボビンパッケージ上のトウ幅を測定したところ６．５ｍｍであり、トウ幅の変動率は６．３％であった。また、巻き取った紙管から炭素繊維束を５ｍ／分の速度で巻き出した時のトウ幅を測定したところ、その幅の平均値は６．７ｍｍであり、トウ幅の変動率は３．９％であった。炭素繊維束を１，０００ｍ引き出した場合でも糸切れおよびトウ切れの発生回数は０回であり、工程通過性は良好であった。
【００４９】
〔実験例７〕
繊度２８，８００ｄｔｅｘ、フィラメント数２４，０００本のアクリル繊維束を、温度を２２０℃〜２６０℃として加熱処理を施し、耐炎化繊維束を得た。この耐炎化繊維束を７００℃の窒素雰囲気中で前炭素化処理し、続いて１，３５０℃の窒素雰囲気中で炭素化処理し、電解酸化処理およびサイジング処理を行って、炭素繊維束を得た。
【００５０】
平行ガイドロールの凹型に湾曲した部分の曲率半径Ｒを８．０ｍｍとした以外は、実験例１と同様の方法で、上記で得られた炭素繊維束を巻き取った。得られたボビンパッケージ上のトウ幅を測定したところ８．６ｍｍであり、トウ幅の変動率は８．８％であった。また、巻き取った紙管から炭素繊維束を５ｍ／分の速度で巻き出した時のトウ幅を測定したところ、その幅の平均値は９．７ｍｍであり、トウ幅の変動率は９．０％であった。炭素繊維束を１，０００ｍ引き出した場合でも糸切れおよびトウ切れの発生回数は０回であり、工程通過性は良好であった。
【００５１】
〔実験例８〕
繊度５７，６００ｄｔｅｘ、フィラメント数４８，０００本のアクリル繊維束を、温度を２２０℃〜２６０℃として加熱処理を施し、耐炎化繊維束を得た。この耐炎化繊維束を７００℃の窒素雰囲気中で前炭素化処理し、続いて１，３５０℃の窒素雰囲気中で炭素化処理し、電解酸化処理およびサイジング処理を行って、炭素繊維束を得た。
【００５２】
平行ガイドロールの凹型に湾曲した部分の曲率半径Ｒを１２．５ｍｍとした以外は、実験例１と同様の方法で、上記で得られた炭素繊維束を巻き取った。得られたボビンパッケージ上のトウ幅を測定したところ１０．４ｍｍであり、トウ幅の変動率は６．８％であった。また、巻き取った紙管から炭素繊維束を５ｍ／分の速度で巻き出した時のトウ幅を測定したところ、その幅の平均値は１４．７ｍｍであり、トウ幅の変動率は５．０％であった。炭素繊維束を１，０００ｍ引き出した場合でも糸切れおよびトウ切れの発生回数は０回であり、工程通過性は良好であった。
【００５３】
以上の実験例１〜８の結果を表１に纏めた。
【００５４】
【表１】
【００５５】
以上述べたように、本発明のガイド装置により、一組の第１ガイドおよび第２ガイドにより炭素繊維束の形状を保ちつつ、その軸線方向に９０°の捻転が安定して付与されて、最後の凹状のロールによりトウ幅を狭くすることで、テープ状に拡幅された炭素繊維束を安定した形態で巻き取ることができ、かつ後加工での工程通過性が良好な炭素繊維束が製造可能となる。
【００５６】
また、本発明の巻取機によってボビンに巻き取られた巻体から巻き出される炭素繊維束は、その幅寸法も安定しているため、炭素繊維プリプレグやドラムワインドおよびフィラメントワインドによる成形品を製造することが可能となる。
【符号の説明】
【００５７】
１ ボビン
１ａ ボビンの軸線
２ 上部第１固定ガイドロール
３ 上部第２固定ガイドロール
４ 第１ガイド
４ａ 第１ガイドの軸線
５ 第２ガイド
５ａ 第２ガイドの軸線
６ 平行ガイドロール
７ プレッシャーロール
８ フレーム
９ ガイド装置
Ｒ 曲率半径
φ 平行ガイドロールの直径
φ’ 平行ガイドロールの軸の直径
【技術分野】
【０００１】
本発明は、拡幅されて偏平な断面形状をもつテープ状の連続繊維束をボビンに巻き取るためのガイド装置、そのガイド装置を具備する巻取機、その巻取機を用いた連続繊維束の製造方法、およびその方法により得られる炭素繊維束に関する。特に、テープ状の連続繊維束の拡幅形態を保持した状態で安定して巻き取ることのできるガイド装置、そのガイド装置を具備する巻取機、その巻取機を用いた連続繊維束の製造方法、およびその方法により得られる炭素繊維束に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化複合材料には、強化材として、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等が使用されている。中でも、炭素繊維は、比強度、比弾性率、耐熱性、耐薬品性等に優れ、航空機用途、ゴルフシャフト、釣り竿等のスポーツ用途、一般産業用途の繊維強化複合材料の強化材として使用されている。高強度、高弾性率の炭素繊維を得るためには、炭素繊維前駆体糸条束として糸切れ、毛羽の発生が少なく品質に優れたものが必要である。
【０００３】
炭素繊維は、その形態および特性から繊維そのものだけで使用されることは少なく、大部分は繊維束を複数本平行に引き揃えた後、エポキシ樹脂等の樹脂を含浸させ（一般にはこれをプリプレグという。）、これを円筒状に巻きまたは被成形物に被せた後、樹脂を硬化させて繊維強化プラスチック成形体として製品化する。
【０００４】
炭素繊維は他の強化繊維材料に比べて軽量で且つ高強度であるため、この特性をさらに生かすために、炭素繊維にエポキシ等の樹脂を含浸したプリプレグについてもさらに軽量化させる方向で検討がなされている。
【０００５】
炭素繊維プリプレグを軽量化させるためには、炭素繊維束を薄く広げる必要があり、このためにプリプレグを製造している各製造会社は様々な工夫を凝らしている。
【０００６】
しかし、プリプレグの製造工程において供給される炭素繊維束等の強化繊維束が予め一定幅に広げられたものであれば、即ち、ボビンに巻き取られている強化繊維束が拡幅されたテープ状であれば、プリプレグの製造工程において強化繊維束の幅を広げるという作業を省くことができる。そのため、最近では薄物プリプレグの成形用として、予め拡幅されたテープ状の強化繊維束がボビンに巻取られた巻体を用いることが多くなっている。
【０００７】
また、近年、成型方法としてドラムワインドやフィラメントワインド、引き抜き成型など各種の成型方法へフィラメント数の大きい繊維束の適用が試みられている。これら成型方法に対しても繊維束が拡幅されたテープ状の形態であることが好ましく、さらに撚れや繊維束の幅の変動の少ないものであることがより好ましい。
【０００８】
このようなテープ状の繊維束は、繊維束の製造段階の最後において、エポキシ樹脂等を主成分とするサイジング剤を含浸させ、ニップロールによる絞り、あるいは乾熱ロールへの接触により幅出しを行った後、乾燥させることにより製造される。こうして製造されたテープ状の繊維束は、製品形態としてボビンに巻き取られた巻体の形態をとる。
【０００９】
巻取装置では、繊維束がボビンの長さ方向に均一に巻き付けられるよう、ボビンの軸線に平行に繊維束をトラバースさせている。ところが、既存の巻取装置ではテープ状の繊維束形態を維持することは考慮されていない。そのため、この一般繊維用の巻取装置を用いて、拡幅された繊維束をボビンへ巻き取る際に、メーカー仕様の一般繊維用の汎用ガイドを用いると、トラバースさせるときに繊維束が幅方向に押えられて収束したり、繊維束に軸線方向のねじれが生じたりして、上述のように拡幅されたテープ状の繊維束形態が崩れたまま巻き取られてしまい、薄物プリプレグの成形用という上記目的に適応することができなくなる。
【００１０】
そこで、既存の巻取装置を用いて、このような拡幅されたテープ状の繊維束を、その偏平形態を保ったままボビンに巻き取るための提案がなされている。従来は、例えば特許文献１〜３に記載されているように、既存の巻取装置にガイド装置をトラバースガイドとして取り付ける方法が提案されている。
【００１１】
特許文献１に記載されているガイド装置は、ボビンの軸線と平行に配されたトラバースアームに直交して立設され、前記トラバースアームに沿って摺動するプレート状のヤーンガイド用固定台を有しており、同ヤーンガイド用固定台の上下に繊維束をガイドするガイドロールが配されている。下部のガイドロールは巻取ボビンの軸線と平行に配された単一ロールからなり、ヤーンガイド用固定台の上部に配されるガイドロールは、同ボビンの軸線と直交する一対の平行なガイドロールからなる。拡幅された繊維束は上下のガイドロールの間で軸線方向に９０°捻転されるが、これら上下のガイドロールの間を通すことにより、テープ状の繊維束はその拡幅形態を保持した状態でボビンに巻き取ることができる。
【００１２】
特許文献２に記載されているガイド装置では、トラバースアームに直交して立設され、トラバースアームに沿って往復動するプレート部材の上部に、軸線が互いに直交して上下に配された複数の円錐状をなすガイドを有し、プレート部材の下部には巻取ボビンとほぼ平行な軸線を有する上下一対の平行なガイドロールを有している。上部に配された円錐状のガイドによって繊維束が軸線方向に９０°捻転され、同繊維束は下部に配された一対のガイドロールの間を同ロールに掛け回されて拡幅形態を保持した状態で送られたのち、前記ボビンに巻き取られる。
【００１３】
特許文献３に記載されているガイド装置では、繊維束の走行路上に配され、同繊維束がひねられて案内される軸線が空間上で互いにねじれた位置関係にある一組の第１および第２のガイドを有している。さらに前記ひねられた繊維束をひねり戻してボビンに導入案内するボビンと平行な軸線を有する平行ガイドを有している。前記第１のガイドが平ガイドまたは錐状ガイドからなり、前記第２ガイドが錐状ガイドから構成される。前記平行ガイドは前記連続繊維束の走行位置および連続繊維束の幅が安定化されて安定して前記ボビンに巻き取られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平４−１１９１２３号公報
【特許文献２】特開平１０−３３００３８号公報
【特許文献３】特開２００５−２５５４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
一方、多くの繊維束は、紙管に巻上げてパッケージにした後、連続解舒して加工していることが多い。その際、繊維束同士の摩擦が原因と推定される糸切れ回数が多いことが問題となっている。この糸切れ回数が多くなると最終的にはトウ切れを起こすために、後工程で使用する際に工程通過性に問題が発生する。本発明者らは、鋭意検討を重ねた結果、連続繊維束の後加工の工程通過性を改善するためには、連続繊維束のトウ幅をある一定の幅に安定に制御する必要が生じることを見出した。
【００１６】
本発明の目的は、後加工での工程通過性が良好で、かつトウ幅の変動率が小さく安定してボビンに巻き取ることができるガイド装置、そのガイド装置を具備する巻取機、その巻取機を用いた連続繊維束の製造方法、およびその方法により得られる炭素繊維束を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、連続繊維束をボビンに巻き取る際に用いるガイド装置であって、
前記連続繊維束の走行路上に配され、前記連続繊維束をひねり案内する、軸線が空間上で互いにねじれた位置関係にある一組の第１のガイドおよび第２のガイドと、
前記一組のガイドの前記走行路後流側に配され、前記ひねられた連続繊維束をひねり戻してボビンに導入案内する平行ガイドとを具備し、前記第１のガイドおよび前記第２のガイドは円錐状ガイドであり、前記平行ガイドはその一部が凹型に湾曲したガイドであるガイド装置である。
【００１８】
また、本発明は、上記のガイド装置と、ボビンとを具備し、前記ガイド装置が具備する平行ガイドの軸線は、前記ボビンの軸線と平行になっている連続繊維束の巻取機である。また、本発明は、その巻取機を用いて、連続繊維束を巻き取る連続繊維束の製造方法である。また、本発明は、その製造方法により、連続する炭素繊維束を巻き取って得られる炭素繊維束。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、後加工での工程通過性が良好で、かつトウ幅の変動率が小さく安定してボビンに巻き取ることができる。すなわち、既存の巻取機にガイド装置を取り付けるだけで、供給されるテープ状に拡幅された炭素繊維束を、撚りのない状態で安定してボビンに巻き取ることができ、しかも炭素繊維束を供給時の幅よりもさらに拡幅した状態でボビンに巻き取ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係るガイド装置を装着した巻取機による連続繊維束の巻取状態を概略で示す側面図である。
【図２】図１のガイド装置の配置を概略で示す正面図である。
【図３】図１のガイド装置の配置を概略で示す上面図である。
【図４】図１の巻取機による連続繊維束のトラバース状態の概略を示す正面図である。
【図５】凹型に湾曲した部分を有する平行ガイドロールの側面図である。
【図６】凹型に湾曲した部分を有しない平行ガイドロールの側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ具体的に説明する。
【００２２】
炭素繊維束としては、通常、アクリル系の原料繊維を空気中で加熱して耐炎化した後、窒素中で加熱して炭素化し得られるＰＡＮ系炭素繊維束と、石油等のピッチを原料とするピッチ系炭素繊維束とがある。本発明は、いずれの炭素繊維束を巻き取る際にも適用可能である。また、炭素繊維束以外の繊維束を巻き取る際にも適用可能である。
【００２３】
テープ状の炭素繊維束は、例えば特公平６−６５７８７号公報に開示されているように、同繊維束にサイジング剤を含浸させた後、加熱ロールで接触乾燥させることにより得られる。この炭素繊維束は、成形後、巻取機によりボビンに巻き取られて、後のプリプレグ等の製造工程へと送られる。
【００２４】
図１は、本発明のガイド装置を装着した巻取機による連続繊維束の巻取状態を概略で示す側面図である。図２および３は、そのガイド装置の配置を概略で示す正面図および上面図である。図４は、図１の巻取機による連続繊維束のトラバース状態の概略を示す正面図である。図５は、凹型に湾曲した部分を有する平行ガイドロールの側面図である。図６は凹型に湾曲した部分を有しない平行ガイドロールの側面図である。
【００２５】
図１に示すとおり、巻取機本体の上方には、ボビン１の軸線１ａと平行な軸線を有する第１固定ガイドロール２と第２固定ガイドロール３が設けられる。
【００２６】
ガイド装置９は、図２に示すようにフレーム８に取り付けられた３つのガイドを有し、ボビン１の軸線１ａに平行に往復動する図示せぬ公知のトラバース機構に装着されて一緒に往復動する。ガイド装置９が有する第１ガイド４および第２ガイド５は、連続繊維束の走行路上に配され、連続繊維束をひねり案内する一組のガイドを構成し、第１ガイド４の軸線４ａと第２ガイド５の軸線５ａは、図３に示すように互いにねじれた位置関係となるように配置され、かつ図１に示すようにボビン１の軸線方向から見てボビン１の軸線１ａと直交する方向に配置されている。また、ガイド装置９が有する他の一つのガイドは、第２ガイド５の連続繊維束の供給後流側に配され、ひねられた連続繊維束をひねり戻してボビンに導入案内する平行ガイドロール６であり、その軸線は、ボビン１の軸線１ａと平行に配されている。なお、ボビン１の直前には、プレッシャーガイドロールが配されている。
【００２７】
第１ガイド４は、円錐状ガイドである。第１ガイド４は、鋼製の梨地メッキを施したもの、あるいは鏡面メッキを施したもの、さらにはテトラフルオロエチレンなどの樹脂をコーティングしたものなどを使用することができる。第１ガイド４は、その軸線が、図２に示すようにボビンの軸線と垂直な方向に配置される。また、第１ガイド４は、供給する連続繊維束の繊度あるいは連続繊維束の幅にもよるが、斜辺の長さが２０〜１２０ｍｍのものが好ましく、３０〜１００ｍｍのものがより好ましく、また底面の直径が１０〜５０ｍｍのものが好ましく、２０〜４０ｍｍのものがより好ましい。
【００２８】
第２ガイド５は、円錐状ガイドである。第２ガイド５の材質は、第１のガイド４と同様とすることができる。第２のガイド５は、その軸線が第１ガイド４とねじれた位置関係になるように配置される。また、第２ガイド５は、その軸線が、図１に示すようにボビン１の軸線方向から見てボビン１の軸線１ａと直交する方向に配置される。さらに、第２ガイド５は、その軸線５ａが、図３に示すように連続繊維束の供給方向から見てボビン１の軸線１ａに対して９０°以下の角度をもって設置される。第２ガイド５の円錐形状の頂角は、４５°以下に設定されることが好ましい。また、ボビン１の配列スペースの制約の観点から、狭いスペースの中で連続繊維束の接する斜辺の長さを充分確保することから、第２ガイド５は、底面の直径が１０〜５０ｍｍのものが好ましく、２０〜４０ｍｍのものがより好ましく、また斜辺の長さが２０〜１００ｍｍのものが好ましく、３０〜８０ｍｍのものがより好ましい。
【００２９】
平行ガイドロール６は、その上方に配置される第２ガイド５を経由して供給される連続繊維束をボビン１に平行な方向にさらに捻転させるものである。平行ガイドロール６もまた、第１ガイド４および第２ガイド５と共通の支持手段によって支持され、図示せぬトラバース機構によりボビン１の軸線１ａと平行な方向に往復トラバースされる。平行ガイドロール６の材質は、第１ガイド４と同様とすることができる。平行ガイドロール６は、巻取部内におけるボビン配列スペースの観点から、直径が１０ｍｍ〜４０ｍｍのものが好ましく、１５ｍｍ〜３０ｍｍのものより好ましい。また、平行ガイドロール６のロール面長は２０ｍｍ〜１００ｍｍが好ましく、さらにトラバース機構への取り付けなどのスペース要因をも考慮すると３０ｍｍ〜８０ｍｍがより好ましい。
【００３０】
通常は、平行ガイドロール６として、図６に示すような凹型に湾曲した部分を有しない１本の円筒形状のロールが用いられる。しかし、本発明では、トウ幅を縮小させるために、平行ガイドロールの一部が凹部に湾曲したガイドを用いる。凹部に湾曲した部分を通過させてトウ幅を縮小させることにより、巻き取った連続繊維束を巻き出した場合に糸切れ発生が少なくなる効果がある。
【００３１】
凹型に湾曲した部分の曲率半径Ｒは、製造する連続繊維束のトウ本数により適宜変更させればよいが、その曲率半径Ｒを５ｍｍ以上１５ｍｍ以下とすることが好ましい。曲率半径Ｒを５ｍｍ以上とすることで、連続繊維束に撚りや折れが入りにくく、巻きパッケージの悪化を抑制し、後加工で使用する際に均一に繊維束が拡がるようになる。また、曲率半径Ｒを１５ｍｍ以下とすることで、トウ幅を縮小させる効果を達成することができる。
【００３２】
なお、一組の第１ガイド４および第２ガイド５と、平行ガイドロール６とによって、連続繊維束をほぼその供給方向の軸線に対して９０°捻転されてから０°に戻し、またはさらに同一方向に９０°捻転させるためには、連続繊維束と接する斜辺の方向を、ボビン１の軸線１ａに対して３０°〜６０°に設定することが好ましく、４０〜５０°に設定することがより好ましい。
【００３３】
繊維束の製造段階の最後においては、エポキシ樹脂等を主成分とするサイジング剤を含浸させ、ニップロールによる絞りまたは乾熱ロールへの接触により幅出しを行った後、巻取部へ供給される。この連続繊維束は、巻取部の上部に設置された上部第１固定ガイドロール２と上部第２固定ガイドロール３に掛け回されてから、軸線が空間上で互いにねじれた位置関係にある一組の第１ガイド４および第２ガイド５に交互に掛け回されて、ボビンへと送られる。このとき、第１ガイド４および第２ガイド５はボビンの軸線１ａと平行にトラバースされ、さらに第１ガイド４は円錐状ガイドであり、その軸線がボビンの軸線と垂直、すなわちトラバース方向と直交する方向に配置されているため、ボビンの軸線と平行に移動しても連続繊維束は第１ガイド４のロール周面に沿って供給され、連続繊維束は安定した状態でトラバースがなされテープ状の形態を維持できる。
【００３４】
以上のようにして得られる連続繊維束、特に炭素繊維束は、高品質、高品位であることが要求される自動車用途や建材等の一般産業用途に好適に用いられる。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明はこれらの実施例等によりなんら限定されるものではない。
【００３６】
＜炭素繊維ボビンパッケージ上のトウ幅および変動率＞
張力をかけずに、捩れが生じないように炭素繊維ボビンパッケージから連続的に炭素繊維束を引き出し、２５ｃｍごとのトウ幅を１００点測定し、その平均値を算出した。また、トウ幅の変動率を下記式（１）から算出した。
【００３７】
トウ幅の変動率（％）＝（トウ幅の標準偏差／トウ幅の平均値）×１００ （１）
＜巻き出し時のトウ幅および変動率＞
５ｍ／分の速度、１００００ｄｔｅｘ当たり１５０ｇｆ（１．４７Ｎ）の張力で炭素繊維ボビンから巻き出した直後の炭素繊維トウ幅を５０ｍ測定し、その平均値を算出した。また、トウ幅の変動率を上記式（１）から算出した。
【００３８】
＜トウ幅の安定性＞
トウ幅の安定性評価は、以下のように判定した。
○：炭素繊維ボビンパッケージ上のトウ幅の変動率が１０％以下であり、かつ巻き出し時のトウ幅変動率が１０％以下である。
×：炭素繊維ボビンパッケージ上のトウ幅の変動率または巻き出し時のトウ幅変動率が１０％を超える。
【００３９】
＜解舒性＞
炭素繊維束パッケージを、１００００ｄｔｅｘ当たり１５０ｇｆ（１．４７Ｎ）の張力をかけた状態で１００ｍ／分の速度で解舒を行い、糸切れおよびトウ切れの発生を確認した。解舒性評価は、以下のように判定した。
○：解舒中に糸切れもトウ切れもなし。
×：解舒中に糸切れまたはトウ切れが１回以上あり、解舒を中断した。
【００４０】
〔実験例１〕
繊度６０，０００ｄｔｅｘ、フィラメント数６０，０００本のアクリル繊維束を、温度を２２０℃〜２６０℃として加熱処理を施し、耐炎化繊維束を得た。この耐炎化繊維束を７００℃の窒素雰囲気中で前炭素化処理し、続いて１，３５０℃の窒素雰囲気中で炭素化処理し、電解酸化処理およびサイジング処理を行って、炭素繊維束を得た。
【００４１】
図１および図２に示すガイド装置９を製作し、神津製作所製ＫＴＷ−Ｃ型巻取機（商品名）のガイド装置として使用した。このとき、図５に示すように、凹型に湾曲した部分を有する平行ガイドロールを用い、その凹型に湾曲した部分の曲率半径Ｒは１３．３ｍｍとした。このガイド装置９を上記巻取機に取り付けて、巻取部によって炭素繊維束を紙製の巻取ボビン（紙管）に巻き取った。紙管としては直径８２ｍｍ、長さ２８０ｍｍのものを使用し、トラバース幅は２５４ｍｍとした。炭素繊維束の巻取部への供給速度は３ｍ／分とし、炭素繊維束を上記紙管に１，０００ｍ巻き取った。
【００４２】
得られたボビンパッケージ上のトウ幅を測定したところ１０．４ｍｍであり、トウ幅の変動率は７．５％であった。また、巻き取った紙管から炭素繊維束を５ｍ／分の速度で巻き出した時のトウ幅を測定したところ、その幅の平均値は１５．２ｍｍであり、トウ幅の変動率は４．９％であった。炭素繊維束を１，０００ｍ引き出した場合でも糸切れおよびトウ切れの発生回数は０回であり、工程通過性は良好であった。
【００４３】
〔実験例２〕
平行ガイドロールの凹型に湾曲した部分の曲率半径Ｒを８．１ｍｍとした以外は、実験例１と同様の方法で、炭素繊維束を巻き取った。得られたボビンパッケージ上のトウ幅を測定したところ９．５ｍｍであり、トウ幅の変動率は６．１％であった。また、巻き取った紙管から炭素繊維束を５ｍ／分の速度で巻き出した時のトウ幅を測定したところ、その幅の平均値は１３．１ｍｍであり、トウ幅の変動率は７．１％であった。炭素繊維束を１，０００ｍ引き出した場合でも糸切れおよびトウ切れの発生回数は０回であり、工程通過性は良好であった。
【００４４】
〔実験例３〕
図６に示すように、凹型に湾曲した部分を有しない平行ガイドロールを用いた以外は、実験例１と同様の方法で、炭素繊維束を巻き取った。得られたボビンパッケージ上のトウ幅を測定したところ１２．０ｍｍであり、トウ幅の変動率は６．２％であった。また、巻き取った紙管から炭素繊維束を５ｍ／分の速度で巻き出した時のトウ幅を測定したところ、その幅の平均値は１８．０ｍｍであり、トウ幅の変動率は６．２％であった。炭素繊維束を引き出した際に糸切れが発生した。
【００４５】
〔実験例４〕
平行ガイドロールの凹型に湾曲した部分の曲率半径Ｒを４．５ｍｍとした以外は、実験例１と同様の方法で、炭素繊維束を巻き取った。得られたボビンパッケージ上のトウ幅を測定したところ７．５ｍｍであり、トウ幅の変動率は１２．５％であった。また、巻き取った紙管から炭素繊維束を５ｍ／分の速度で巻き出した時のトウ幅を測定したところ、その幅の平均値は９．１ｍｍであり、トウ幅の変動率は１２．１％であった。炭素繊維束を１，０００ｍ引き出した場合でも糸切れおよびトウ切れの発生回数は０回であった。ただし、巻きパッケージの状態は悪く、後加工で使用する際に均一に繊維が拡がらなかった。
【００４６】
〔実験例５〕
平行ガイドロールの凹型に湾曲した部分の曲率半径Ｒを１７．０ｍｍとした以外は、実験例１と同様の方法で、炭素繊維束を巻き取った。得られたボビンパッケージ上のトウ幅を測定したところ１１．９ｍｍであり、トウ幅の変動率は６．１％であった。また、巻き取った紙管から炭素繊維束を５ｍ／分の速度で巻き出した時のトウ幅を測定したところ、その幅の平均値は１７．９ｍｍであり、トウ幅の変動率は７．１％であった。そして、炭素繊維束を引き出した際に糸切れが発生した。
【００４７】
〔実験例６〕
繊度１４，４００ｄｔｅｘ、フィラメント数１２，０００本のアクリル繊維束を、温度を２２０℃〜２６０℃として加熱処理を施し、耐炎化繊維束を得た。この耐炎化繊維束を７００℃の窒素雰囲気中で前炭素化処理し、続いて１，３５０℃の窒素雰囲気中で炭素化処理し、電解酸化処理およびサイジング処理を行って、炭素繊維束を得た。
【００４８】
平行ガイドロールの凹型に湾曲した部分の曲率半径Ｒを８．０ｍｍとした以外は、実験例１と同様の方法で、上記で得られた炭素繊維束を巻き取った。得られたボビンパッケージ上のトウ幅を測定したところ６．５ｍｍであり、トウ幅の変動率は６．３％であった。また、巻き取った紙管から炭素繊維束を５ｍ／分の速度で巻き出した時のトウ幅を測定したところ、その幅の平均値は６．７ｍｍであり、トウ幅の変動率は３．９％であった。炭素繊維束を１，０００ｍ引き出した場合でも糸切れおよびトウ切れの発生回数は０回であり、工程通過性は良好であった。
【００４９】
〔実験例７〕
繊度２８，８００ｄｔｅｘ、フィラメント数２４，０００本のアクリル繊維束を、温度を２２０℃〜２６０℃として加熱処理を施し、耐炎化繊維束を得た。この耐炎化繊維束を７００℃の窒素雰囲気中で前炭素化処理し、続いて１，３５０℃の窒素雰囲気中で炭素化処理し、電解酸化処理およびサイジング処理を行って、炭素繊維束を得た。
【００５０】
平行ガイドロールの凹型に湾曲した部分の曲率半径Ｒを８．０ｍｍとした以外は、実験例１と同様の方法で、上記で得られた炭素繊維束を巻き取った。得られたボビンパッケージ上のトウ幅を測定したところ８．６ｍｍであり、トウ幅の変動率は８．８％であった。また、巻き取った紙管から炭素繊維束を５ｍ／分の速度で巻き出した時のトウ幅を測定したところ、その幅の平均値は９．７ｍｍであり、トウ幅の変動率は９．０％であった。炭素繊維束を１，０００ｍ引き出した場合でも糸切れおよびトウ切れの発生回数は０回であり、工程通過性は良好であった。
【００５１】
〔実験例８〕
繊度５７，６００ｄｔｅｘ、フィラメント数４８，０００本のアクリル繊維束を、温度を２２０℃〜２６０℃として加熱処理を施し、耐炎化繊維束を得た。この耐炎化繊維束を７００℃の窒素雰囲気中で前炭素化処理し、続いて１，３５０℃の窒素雰囲気中で炭素化処理し、電解酸化処理およびサイジング処理を行って、炭素繊維束を得た。
【００５２】
平行ガイドロールの凹型に湾曲した部分の曲率半径Ｒを１２．５ｍｍとした以外は、実験例１と同様の方法で、上記で得られた炭素繊維束を巻き取った。得られたボビンパッケージ上のトウ幅を測定したところ１０．４ｍｍであり、トウ幅の変動率は６．８％であった。また、巻き取った紙管から炭素繊維束を５ｍ／分の速度で巻き出した時のトウ幅を測定したところ、その幅の平均値は１４．７ｍｍであり、トウ幅の変動率は５．０％であった。炭素繊維束を１，０００ｍ引き出した場合でも糸切れおよびトウ切れの発生回数は０回であり、工程通過性は良好であった。
【００５３】
以上の実験例１〜８の結果を表１に纏めた。
【００５４】
【表１】
【００５５】
以上述べたように、本発明のガイド装置により、一組の第１ガイドおよび第２ガイドにより炭素繊維束の形状を保ちつつ、その軸線方向に９０°の捻転が安定して付与されて、最後の凹状のロールによりトウ幅を狭くすることで、テープ状に拡幅された炭素繊維束を安定した形態で巻き取ることができ、かつ後加工での工程通過性が良好な炭素繊維束が製造可能となる。
【００５６】
また、本発明の巻取機によってボビンに巻き取られた巻体から巻き出される炭素繊維束は、その幅寸法も安定しているため、炭素繊維プリプレグやドラムワインドおよびフィラメントワインドによる成形品を製造することが可能となる。
【符号の説明】
【００５７】
１ ボビン
１ａ ボビンの軸線
２ 上部第１固定ガイドロール
３ 上部第２固定ガイドロール
４ 第１ガイド
４ａ 第１ガイドの軸線
５ 第２ガイド
５ａ 第２ガイドの軸線
６ 平行ガイドロール
７ プレッシャーロール
８ フレーム
９ ガイド装置
Ｒ 曲率半径
φ 平行ガイドロールの直径
φ’ 平行ガイドロールの軸の直径
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続繊維束をボビンに巻き取る際に用いるガイド装置であって、
前記連続繊維束の走行路上に配され、前記連続繊維束をひねり案内する、軸線が空間上で互いにねじれた位置関係にある一組の第１のガイドおよび第２のガイドと、
前記一組のガイドの前記走行路後流側に配され、前記ひねられた連続繊維束をひねり戻してボビンに導入案内する平行ガイドと
を具備し、
前記第１のガイドおよび前記第２のガイドは円錐状ガイドであり、
前記平行ガイドはその一部が凹型に湾曲したガイドであるガイド装置。
【請求項２】
前記平行ガイドが有する前記凹型に湾曲した部分の曲率半径Ｒが５ｍｍ以上１５ｍｍ以下である請求項１に記載のガイド装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のガイド装置と、ボビンとを具備し、
前記ガイド装置が具備する平行ガイドの軸線は、前記ボビンの軸線と平行になっている連続繊維束の巻取機。
【請求項４】
請求項３に記載の巻取機を用いて、連続繊維束を巻き取る連続繊維束の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の製造方法により、連続する炭素繊維束を巻き取って得られる炭素繊維束。
【請求項１】
連続繊維束をボビンに巻き取る際に用いるガイド装置であって、
前記連続繊維束の走行路上に配され、前記連続繊維束をひねり案内する、軸線が空間上で互いにねじれた位置関係にある一組の第１のガイドおよび第２のガイドと、
前記一組のガイドの前記走行路後流側に配され、前記ひねられた連続繊維束をひねり戻してボビンに導入案内する平行ガイドと
を具備し、
前記第１のガイドおよび前記第２のガイドは円錐状ガイドであり、
前記平行ガイドはその一部が凹型に湾曲したガイドであるガイド装置。
【請求項２】
前記平行ガイドが有する前記凹型に湾曲した部分の曲率半径Ｒが５ｍｍ以上１５ｍｍ以下である請求項１に記載のガイド装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のガイド装置と、ボビンとを具備し、
前記ガイド装置が具備する平行ガイドの軸線は、前記ボビンの軸線と平行になっている連続繊維束の巻取機。
【請求項４】
請求項３に記載の巻取機を用いて、連続繊維束を巻き取る連続繊維束の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の製造方法により、連続する炭素繊維束を巻き取って得られる炭素繊維束。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１１８３０（Ｐ２０１１−１１８３０Ａ）
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５４９９４（Ｐ２００９−１５４９９４）
【出願日】平成２１年６月３０日（２００９．６．３０）
【出願人】（０００００６０３５）三菱レイヨン株式会社 (2,875)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２０日（２０１１．１．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月３０日（２００９．６．３０）
【出願人】（０００００６０３５）三菱レイヨン株式会社 (2,875)
【Ｆターム（参考）】
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