樹脂被覆繊維、樹脂被覆繊維束及び繊維強化樹脂シート並びに織物
【課題】太さが１０μｍ以下の極細長繊維を複合材の基材として使用する場合に、特殊な機械や機器を使用せずに人手により取り扱うことができる樹脂被覆繊維を提供する。
【解決手段】樹脂被覆繊維１１は、コア繊維１２の周囲に樹脂１３が被覆されている。コア繊維１２には太さ１０μｍ以下に形成された単繊維が使用され、樹脂被覆繊維１１は外寸（直径）が１０μｍより大きく、例えば数十μｍになるように樹脂１３が被覆されている。コア繊維１２としては、強化目的に応じてポリアラミド繊維、炭素繊維、ガラス繊維、炭化珪素繊維等が使用される。樹脂１３は複合材のマトリックスとして使用される樹脂と同じ樹脂が使用される。樹脂１３は熱可塑性樹脂でも熱硬化性樹脂でもよい。
【解決手段】樹脂被覆繊維１１は、コア繊維１２の周囲に樹脂１３が被覆されている。コア繊維１２には太さ１０μｍ以下に形成された単繊維が使用され、樹脂被覆繊維１１は外寸（直径）が１０μｍより大きく、例えば数十μｍになるように樹脂１３が被覆されている。コア繊維１２としては、強化目的に応じてポリアラミド繊維、炭素繊維、ガラス繊維、炭化珪素繊維等が使用される。樹脂１３は複合材のマトリックスとして使用される樹脂と同じ樹脂が使用される。樹脂１３は熱可塑性樹脂でも熱硬化性樹脂でもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂被覆繊維、樹脂被覆繊維束及び繊維強化樹脂シート並びに織物に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化複合材の強化繊維として炭素繊維が優れていることは知られている。炭素繊維は数十本〜数千本の単繊維が束ねられた炭素繊維ロービングの状態で使用されるため、炭素繊維ロービングを製品の形状に成形した後に樹脂を含浸させると、樹脂が均一に含浸され難い。この問題を解消するため、１０以上１０００以下の本数の炭素繊維単繊維からなる糸を熱可塑性樹脂で被覆した熱可塑性樹脂被覆複合炭素繊維ロービングが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平４−１６３３３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来、繊維強化樹脂の基材（強化繊維）は人が目視できて人手により取り扱うことができるものが使用されていた。そのため、透明な繊維強化樹脂を得るには、強化繊維及び樹脂の両者とも透明である必要がある。また、強化繊維として人が目視し難い（又は目視できない）太さが１０μｍ以下の極細長繊維を使用したい場合、繊維が目視できないため取り扱いが難しくなり、特殊な機械や機器が必要になるという問題がある。また、強化繊維を織物の状態で使用するには極細長繊維で織物を織る必要があるが、繊維が細すぎて織機にかけることができないという問題がある。
【０００４】
特許文献１では、一般に使用されている数十本〜数百本の単繊維が束ねられた炭素繊維ロービングを複合材の強化材とする場合に、樹脂が繊維束内に良好に含浸された状態にすることを目的としており、人が目視し難い太さの単繊維の取り扱いを容易にすることに関しては何ら記載されていない。
【０００５】
本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その第１の目的は、太さが１０μｍ以下の極細長繊維を複合材の基材として使用する場合に、特殊な機械や機器を使用せずに人手により取り扱うことができる樹脂被覆繊維及び樹脂被覆繊維束を提供することにある。また、第２の目的はその樹脂被覆繊維及び樹脂被覆繊維束を利用した繊維強化樹脂シート及び織物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、太さ１０μｍ以下のコア繊維が樹脂で被覆されて外寸が１０μｍより大きく形成されている。ここで、「太さ」とは、コア繊維の断面における外周の２点間の長さが最大の部分の長さを意味し、コア繊維は断面円形に限らない。「外寸」とは、樹脂被覆繊維の断面が円形の場合は直径を意味し、円形でない場合は断面における外周の２点間の長さが最大の部分の寸法を意味する。また、コア繊維は１本に限らず、樹脂被覆繊維の断面において、複数本のコア繊維が分散された状態で樹脂中に存在する構成であってもよい。
【０００７】
この発明では、単独では目視できないか又は目視し難いコア繊維が樹脂で被覆されることで目視可能となり、太さが１０μｍ以下の極細長繊維を複合材の基材として使用する場合に、特殊な機械や機器を使用せずに人手により取り扱うことができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記コア繊維は、太さが１００ｎｍ以下である。この発明では、コア繊維の材料が透明でなくてもコア繊維単独では目視できないため、被覆樹脂及び複合材のマトリックス樹脂を透明にすれば、複合材全体を透明にすることができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記樹脂被覆繊維は外寸が２００μｍ以上である。繊維を織機にかけて作業性良く織布を織るためには、繊維の太さが２００μｍ以上あることが望ましい。この発明ではコア繊維の太さは１０μｍ以下と極めて細いが、コア繊維が樹脂で被覆された状態で１本の樹脂被覆繊維が構成された状態では太さが２００μｍ以上である。従って、織機で作業性良く織布にすることができる。
【００１０】
請求項４に記載の発明の樹脂被覆繊維束は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の樹脂被覆繊維が複数本束ねられて１本に形成されている。従って、この発明では、繊維強化樹脂を形成する場合、同じ量の強化繊維を配列するのに必要な手間が少なくなる。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記樹脂被覆繊維束は外寸が２００μｍ以上である。この発明では、１本の樹脂被覆繊維では太さが織機で作業性良く織布にすることが可能な太さに満たない場合でも、繊維束としては容易に前記太さにすることができ、織機で作業性良く織布にすることができる。また、複数本の樹脂被覆繊維が束ねられているため、織機において経糸あるいは緯糸として使用している際に樹脂被覆繊維の一部が破断しても織成を継続することができる。
【００１２】
請求項６に記載の発明の繊維強化樹脂シートは、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明の樹脂被覆繊維を基材とし、前記コア繊維を被覆する被覆樹脂と同じ樹脂をマトリックス樹脂とした。この発明では、被覆樹脂が透明であれば、繊維強化樹脂シート全体を透明にすることが可能になる。
【００１３】
請求項７に記載の発明の繊維強化樹脂シートは、請求項４又は請求項５に記載の樹脂被覆繊維束を基材とし、前記コア繊維を被覆する樹脂と同じ樹脂をマトリックス樹脂とした。この発明でも、被覆樹脂が透明であれば、繊維強化樹脂シート全体を透明にすることが可能になる。
【００１４】
請求項８に記載の発明の織物は、請求項３に記載の樹脂被覆繊維で織られた織物である。この発明の織物を使用して繊維強化樹脂を製造すれば、１０μｍ以下の太さの繊維が均一に配列された繊維強化樹脂を得ることができる。
【００１５】
請求項９に記載の発明の織物は、請求項５に記載の樹脂被覆繊維束で織られた織物である。この発明の織物を使用して繊維強化樹脂を製造しても、１０μｍ以下の太さの繊維が均一に配列された繊維強化樹脂を得ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１〜請求項５に記載の発明によれば、太さが１０μｍ以下の極細長繊維を複合材の基材として使用する場合に、特殊な機械や機器を使用せずに人手により取り扱うことができる。請求項６及び請求項７に記載の発明によれば、強化繊維の材料自身が透明でなくても全体として透明な繊維強化樹脂シートを得ることができる。また、請求項８及び請求項９に記載の発明によれば、１０μｍ以下の太さの繊維が均一に配列された繊維強化樹脂を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１及び図２に従って説明する。図１（ａ）は樹脂被覆繊維の模式断面図、（ｂ）は模式斜視図、図２は樹脂被覆繊維の製造方法を示す模式斜視図である。なお、図示の都合上、断面のハッチングを省略している。
【００１８】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、樹脂被覆繊維１１は、コア繊維１２の周囲に樹脂１３が被覆されている。コア繊維１２には太さ１０μｍ以下に形成された単繊維が使用され、樹脂被覆繊維１１は、断面円形となるように、かつ外寸としての直径が１０μｍより大きく、例えば数十μｍになるように樹脂１３で被覆されている。
【００１９】
コア繊維１２としては、強化目的に応じてポリアラミド繊維、炭素繊維、ガラス繊維、炭化珪素繊維等が使用される。
樹脂１３は複合材のマトリックス樹脂として使用される樹脂と同じ樹脂が使用される。樹脂１３は熱可塑性樹脂でも熱硬化性樹脂でもよい。
【００２０】
次に樹脂１３として熱可塑性樹脂を使用した樹脂被覆繊維１１の製造方法を説明する。図２に示すように、樹脂被覆繊維製造装置２０は、樹脂溶解槽２１を挟んで上方に繊維送り出し部２２が設けられ、下方に巻き取りローラ２３が設けられている。樹脂溶解槽２１は下部にノズル２１ａを備えている。ノズル２１ａの孔は、ノズル２１ａから溶融状態でコア繊維１２と共に引き出された樹脂１３の冷却による収縮を考慮して、樹脂被覆繊維１１の直径より若干大きな径（例えば数十μｍ）に形成されている。
【００２１】
繊維送り出し部２２は、コア繊維１２が巻かれたボビン２４ａが取り外し可能に装着される。巻き取りローラ２３は、樹脂被覆繊維１１を巻き取るボビン２４ｂが取り外し可能に装着され、かつ軸方向に所定周期で往復移動されて、樹脂被覆繊維１１の引き出し状態は殆ど変化せずにボビン２４ｂに均一に巻き取ることが可能に構成されている。繊維送り出し部２２及び巻き取りローラ２３は、両ボビン２４ａ，２４ｂを同期して回転させる。樹脂溶解槽２１の周囲には加熱装置２５が設けられている。樹脂溶解槽２１と巻き取りローラ２３との間には冷却装置２６が設けられている。冷却装置２６は、例えば空冷式でノズル２１ａから出た樹脂被覆繊維１１に空気を吹き付けるようになっている。
【００２２】
樹脂被覆繊維１１を製造する場合は、先ずコア繊維１２が巻き付けられたボビン２４ａを繊維送り出し部２２に取り付ける。また、巻き取りローラ２３に樹脂被覆繊維１１を巻き取るボビン２４ｂを取り付ける。そして、ボビン２４ａからコア繊維１２を引き出して樹脂溶解槽２１に導き、ノズル２１ａの孔から樹脂溶解槽２１の下方へ引き出し、巻き取りローラ２３に取り付けられたボビン２４ｂにコア繊維１２の端部を固定する。
【００２３】
ボビン２４ａから引き出されたコア繊維１２をノズル２１ａの孔から引き出す作業の際、樹脂溶解槽２１中の樹脂は溶解状態でも溶解前のチップ状のいずれであってもよい。いずれの場合も、コア繊維１２の先端付近を把持具で把持してノズル２１ａの孔の入口に導き、ノズル２１ａの出口側から吸引ノズルでコア繊維１２を引き出す。そして、引き出されたコア繊維１２をボビン２４ｂに固定する。
【００２４】
次に樹脂が溶解されていない場合は加熱装置２５を駆動して樹脂を溶解する。樹脂が溶解した後、冷却装置２６の駆動を開始するとともに、巻き取りローラ２３と繊維送り出し部２２とを同期状態で駆動する。その結果、両ボビン２４ａ，２４ｂが同期して駆動され、コア繊維１２が巻き取りローラ２３に取り付けられたボビン２４ｂに巻き取られる速度でボビン２４ａから繰り出される。ボビン２４ａから繰り出されたコア繊維１２は、樹脂溶解槽２１を通過する際にコア繊維１２の周囲に樹脂１３が付着し、樹脂１３が付着した状態でノズル２１ａから引き出される。そして、冷却装置２６と対応する位置を通過する間に樹脂１３が空冷され、樹脂被覆繊維１１としてボビン２４ｂに巻き取られる。
【００２５】
前記のように構成された樹脂被覆繊維１１は、繊維強化樹脂の基材（強化繊維）として使用され、繊維強化樹脂製品の製造に使用される。繊維強化樹脂製品の製造方法としては公知の方法を使用できる。その際、マトリックス樹脂として樹脂被覆繊維１１の樹脂１３と同じ樹脂を使用するのが好ましい。
【００２６】
この実施形態では以下の効果を有する。
（１）樹脂被覆繊維１１は、太さ１０μｍ以下のコア繊維１２が樹脂１３で被覆されて外寸（直径）が１０μｍより大きく形成されている。従って、単独では目視できないか又は目視し難いコア繊維１２に樹脂１３が被覆されることで目視可能となり、太さが１０μｍ以下の極細長繊維を複合材の基材として使用する場合に、特殊な機械や機器を使用せずに人手により取り扱うことができる。
【００２７】
（２）樹脂被覆繊維１１は、樹脂１３が繊維強化樹脂製品のマトリックス樹脂と同じ樹脂で形成されているため、繊維強化樹脂製品の成形時に樹脂１３とマトリックス樹脂との間の化学反応による樹脂の劣化や樹脂１３とマトリックス樹脂との接着性の低下等の不具合の発生を回避することができる。
【００２８】
（３）樹脂１３に熱可塑性樹脂が使用されている。従って、熱硬化性樹脂を使用する場合に比較して、樹脂被覆繊維１１の製造時にコア繊維１２に付着された樹脂１３同士が付着しないように樹脂被覆繊維１１をボビン２４ｂに巻き取る状態にするのが容易になる。なぜならば、熱可塑性樹脂の場合は付着した樹脂１３を冷却することで樹脂１３が互いに付着しない状態になる。一方、熱硬化性樹脂の場合は付着した樹脂１３が半硬化の状態では互いに付着するため、ボビン２４ｂに巻き取る前に完全硬化に近い状態まで硬化反応を進める必要があるからである。
【００２９】
（４）樹脂被覆繊維１１の外寸を２００μｍ以上にすれば、樹脂被覆繊維１１を織機にかけて作業性良く織布を織ることができる。また、その織布を基材に使用して繊維強化樹脂製品を製造すれば、極細の繊維が疎な状態で均一に配置された繊維強化樹脂製品を得ることができる。
【００３０】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように構成してもよい。
○ 樹脂被覆繊維１１は、外寸が１０μｍ以下のコア繊維１２が独立した１本の状態で樹脂１３中に配置されていれば、コア繊維１２の本数は１本に限らず、樹脂被覆繊維１１の断面において、複数本のコア繊維１２が分散された状態で樹脂１３中に存在する構成であってもよい。例えば、図３（ａ）に示すように、樹脂被覆繊維１１は扁平な断面形状で、複数のコア繊維１２が等間隔で配置された構成にしてもよい。
【００３１】
○ 図３（ｂ）に示すように、樹脂被覆繊維１１の断面形状が円形で複数のコア繊維１２を有し、互いに隣接するコア繊維１２の間隔が等しくなるように配置された構成にしてもよい。この場合、樹脂被覆繊維１１を織機を使用して織布にする際、織布を構成するコア繊維１２の密度を調整するのが容易になる。また、１本の樹脂被覆繊維１１中にコア繊維１２が均一に複数本存在する。従って、同じ太さの樹脂被覆繊維１１を同じ量使用して製造された複合材の物性に対する強化繊維の寄与率が高くなる。
【００３２】
○ 図３（ａ）の樹脂被覆繊維１１は、前記実施形態のノズル２１ａに代えて、孔が一列に形成されたノズルを使用し、同時に複数本のコア繊維１２をノズルから引き出すとともに各コア繊維１２の間隔を保った状態でボビン２４ｂに巻き取ることにより製造することができる。
【００３３】
○ 図３（ｂ）の樹脂被覆繊維１１は、ノズル２１ａに複数の孔をコア繊維１２の配置状態に対応して形成しても、ノズル２１ａから出てボビン２４ｂに巻き取られる途中でコア繊維１２同士の距離が縮まって所望の樹脂被覆繊維１１を得ることが難しい。図３（ｂ）の樹脂被覆繊維１１は、図３（ｃ）に示すように、樹脂１３の付着量の少ない樹脂被覆繊維１１を複数本束ねて製造する。複数本束ねられた樹脂被覆繊維１１の表面部分を溶融させて複数本の樹脂被覆繊維１１を１本にしたり、図３（ｃ）に鎖線で示すように、樹脂のみで形成された樹脂繊維１４を隣接する樹脂被覆繊維１１の間に配置して樹脂１３の一部及び樹脂繊維１４を溶融させて１本にしたりしてもよい。
【００３４】
○ 樹脂被覆繊維１１の断面は、コア繊維１２が１本の場合でも、円形以外の形状であってもよい。
○ 樹脂被覆繊維１１のコア繊維１２の太さを１００ｎｍ以下にする。この構成では、コア繊維１２の材料が透明でなくてもコア繊維１２単独では目視できないため、樹脂１３及び複合材のマトリックス樹脂を透明にすれば、複合材全体を透明にすることができる。
【００３５】
○ 繊維強化樹脂製品の成形時に樹脂１３とマトリックス樹脂との間の化学反応による樹脂の劣化や樹脂１３とマトリックス樹脂との接着性の低下等の不具合の発生を回避することができるならば、樹脂被覆繊維１１の樹脂１３と繊維強化樹脂製品のマトリックス樹脂は、必ずしも同じ樹脂とは限らず、樹脂の主成分が同じであれば良い。
【００３６】
○ 樹脂被覆繊維１１を製造する際、コア繊維１２に延伸可能な有機繊維を使用し、コア繊維１２を延伸する工程を設けてもよい。例えば、図４（ａ）に示すように、巻き取りローラ２３の巻き取り速度を繊維送り出し部２２の送り出し速度より速くしてコア繊維１２を延伸する。コア繊維１２は、樹脂溶解槽２１内で加熱され、冷却装置２６で冷却されるまでの間に延伸作用を受ける。この場合延伸倍率にもよるが、ボビン２４ａに巻かれている延伸前のコア繊維１２は、１０μｍより太くても、樹脂被覆繊維１１に製造された状態では１０μｍ以下になる。従って、最初から１０μｍ以下のコア繊維１２を使用する場合に比較して、コア繊維１２の取り扱いが容易になる。
【００３７】
○ コア繊維１２を延伸する手法としてレーザー延伸を使用してもよい。レーザー延伸では、レーザー（例えば、炭酸ガスレーザー）を用いて繊維を局所的に加熱して延伸するため、効率良く高分子鎖を配向させることができる。コア繊維１２の材料としては、例えば、ポリエステルやナイロンが使用できる。装置としては、図４（ｂ）に示すように、樹脂溶解槽２１と繊維送り出し部２２との間にレーザー照射部２７を設ける。この装置を使用した場合、ボビン２４ａから繰り出されるコア繊維１２は、レーザー照射部２７によってレーザー照射されつつ延伸され、延伸された後に樹脂溶解槽２１内に導かれる。そして、樹脂溶解槽２１内を通過する際に、周囲を樹脂で被覆されて引き出され、冷却装置２６で冷却された後、ボビン２４ｂに巻き取られる。この実施形態では、図４（ａ）で示す装置による延伸に比較して、延伸を効率良く行うことができる。
【００３８】
○ 樹脂１３に熱硬化性樹脂を使用する場合は、図５（ａ）に示すように、樹脂溶解槽２１に代えて未硬化の熱硬化性樹脂溶液を収容する樹脂槽３１を設け、冷却装置２６に代えて加熱装置３２を設ける。そして、ノズル３１ａから引き出されたコア繊維１２に付着している未硬化の樹脂１３を加熱装置３２で加熱して硬化させ、樹脂１３が硬化した後の樹脂被覆繊維１１をボビン２４ｂに巻き取る。熱硬化性樹脂としては例えばエポキシ樹脂が使用される。
【００３９】
○ レーザー延伸を行う製造方法において、コア繊維１２を繊維送り出し部２２と巻き取りローラ２３の回転速度の差で延伸を行う構成に代えて、樹脂溶解槽２１より上方に引取りローラを設け、繊維送り出し部２２と引取りローラの回転速度の差で延伸を行う構成としてもよい。巻き取りローラ２３は引取りローラと同じ速度で回転される。この場合、樹脂溶解槽２１内や樹脂溶解槽２１を出た後にコア繊維１２が延伸されるのを確実に回避でき、延伸率の調整が容易になる。
【００４０】
○ 前記のように構成された樹脂被覆繊維１１が複数本束ねられて１本に形成されている樹脂被覆繊維束で取り扱うようにしても、太さが１０μｍ以下の極細長繊維を複合材の基材として使用する場合に、特殊な機械や機器を使用せずに人手により取り扱うことができる。例えば、図５（ｂ）に示すよう、樹脂被覆繊維１１が複数本束ねられた樹脂被覆繊維束１５としてもよい。図５（ｂ）では樹脂被覆繊維１１が６本図示されているが、本数は６本より多くても、少なくてもよい。樹脂被覆繊維束１５は、全て同じ太さの樹脂被覆繊維１１で構成される必要はなく、太さの異なる樹脂被覆繊維１１が混在してもよい。樹脂被覆繊維束１５は撚りを掛けない状態であっても撚りを掛けた状態であってもよい。樹脂被覆繊維１１としては前述した各構成のものを使用できる。
【００４１】
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の発明において、前記コア繊維は延伸されている。
【００４２】
（２）請求項１〜請求項５及び前記技術的思想（１）のいずれか一項に記載の発明において、前記樹脂は透明な樹脂が使用されている。
（３）請求項１又は請求項２に記載の発明の樹脂被覆繊維の製造方法であって、太さが１０μｍより太いコア繊維をレーザー延伸により１０μｍ以下の太さになるまで延伸した後、樹脂を所定の厚さに付着させる工程を備えている。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】（ａ）は樹脂被覆繊維の模式断面図、（ｂ）は模式斜視図。
【図２】樹脂被覆繊維の製造方法を示す模式斜視図。
【図３】（ａ）は別の実施形態における樹脂被覆繊維の模式断面図、（ｂ）は別の実施形態における樹脂被覆繊維の模式断面図、（ｃ）は（ｂ）の樹脂被覆繊維の製造方法を説明する模式図。
【図４】（ａ），（ｂ）は別の実施形態の樹脂被覆繊維の製造方法を示す模式斜視図。
【図５】（ａ）は別の実施形態の樹脂被覆繊維の製造方法を示す模式斜視図、（ｂ）は樹脂被覆繊維束の模式断面図。
【符号の説明】
【００４４】
１１…樹脂被覆繊維、１２…コア繊維、１３…樹脂、１５…樹脂被覆繊維束。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂被覆繊維、樹脂被覆繊維束及び繊維強化樹脂シート並びに織物に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化複合材の強化繊維として炭素繊維が優れていることは知られている。炭素繊維は数十本〜数千本の単繊維が束ねられた炭素繊維ロービングの状態で使用されるため、炭素繊維ロービングを製品の形状に成形した後に樹脂を含浸させると、樹脂が均一に含浸され難い。この問題を解消するため、１０以上１０００以下の本数の炭素繊維単繊維からなる糸を熱可塑性樹脂で被覆した熱可塑性樹脂被覆複合炭素繊維ロービングが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平４−１６３３３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来、繊維強化樹脂の基材（強化繊維）は人が目視できて人手により取り扱うことができるものが使用されていた。そのため、透明な繊維強化樹脂を得るには、強化繊維及び樹脂の両者とも透明である必要がある。また、強化繊維として人が目視し難い（又は目視できない）太さが１０μｍ以下の極細長繊維を使用したい場合、繊維が目視できないため取り扱いが難しくなり、特殊な機械や機器が必要になるという問題がある。また、強化繊維を織物の状態で使用するには極細長繊維で織物を織る必要があるが、繊維が細すぎて織機にかけることができないという問題がある。
【０００４】
特許文献１では、一般に使用されている数十本〜数百本の単繊維が束ねられた炭素繊維ロービングを複合材の強化材とする場合に、樹脂が繊維束内に良好に含浸された状態にすることを目的としており、人が目視し難い太さの単繊維の取り扱いを容易にすることに関しては何ら記載されていない。
【０００５】
本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その第１の目的は、太さが１０μｍ以下の極細長繊維を複合材の基材として使用する場合に、特殊な機械や機器を使用せずに人手により取り扱うことができる樹脂被覆繊維及び樹脂被覆繊維束を提供することにある。また、第２の目的はその樹脂被覆繊維及び樹脂被覆繊維束を利用した繊維強化樹脂シート及び織物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、太さ１０μｍ以下のコア繊維が樹脂で被覆されて外寸が１０μｍより大きく形成されている。ここで、「太さ」とは、コア繊維の断面における外周の２点間の長さが最大の部分の長さを意味し、コア繊維は断面円形に限らない。「外寸」とは、樹脂被覆繊維の断面が円形の場合は直径を意味し、円形でない場合は断面における外周の２点間の長さが最大の部分の寸法を意味する。また、コア繊維は１本に限らず、樹脂被覆繊維の断面において、複数本のコア繊維が分散された状態で樹脂中に存在する構成であってもよい。
【０００７】
この発明では、単独では目視できないか又は目視し難いコア繊維が樹脂で被覆されることで目視可能となり、太さが１０μｍ以下の極細長繊維を複合材の基材として使用する場合に、特殊な機械や機器を使用せずに人手により取り扱うことができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記コア繊維は、太さが１００ｎｍ以下である。この発明では、コア繊維の材料が透明でなくてもコア繊維単独では目視できないため、被覆樹脂及び複合材のマトリックス樹脂を透明にすれば、複合材全体を透明にすることができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記樹脂被覆繊維は外寸が２００μｍ以上である。繊維を織機にかけて作業性良く織布を織るためには、繊維の太さが２００μｍ以上あることが望ましい。この発明ではコア繊維の太さは１０μｍ以下と極めて細いが、コア繊維が樹脂で被覆された状態で１本の樹脂被覆繊維が構成された状態では太さが２００μｍ以上である。従って、織機で作業性良く織布にすることができる。
【００１０】
請求項４に記載の発明の樹脂被覆繊維束は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の樹脂被覆繊維が複数本束ねられて１本に形成されている。従って、この発明では、繊維強化樹脂を形成する場合、同じ量の強化繊維を配列するのに必要な手間が少なくなる。
【００１１】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記樹脂被覆繊維束は外寸が２００μｍ以上である。この発明では、１本の樹脂被覆繊維では太さが織機で作業性良く織布にすることが可能な太さに満たない場合でも、繊維束としては容易に前記太さにすることができ、織機で作業性良く織布にすることができる。また、複数本の樹脂被覆繊維が束ねられているため、織機において経糸あるいは緯糸として使用している際に樹脂被覆繊維の一部が破断しても織成を継続することができる。
【００１２】
請求項６に記載の発明の繊維強化樹脂シートは、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明の樹脂被覆繊維を基材とし、前記コア繊維を被覆する被覆樹脂と同じ樹脂をマトリックス樹脂とした。この発明では、被覆樹脂が透明であれば、繊維強化樹脂シート全体を透明にすることが可能になる。
【００１３】
請求項７に記載の発明の繊維強化樹脂シートは、請求項４又は請求項５に記載の樹脂被覆繊維束を基材とし、前記コア繊維を被覆する樹脂と同じ樹脂をマトリックス樹脂とした。この発明でも、被覆樹脂が透明であれば、繊維強化樹脂シート全体を透明にすることが可能になる。
【００１４】
請求項８に記載の発明の織物は、請求項３に記載の樹脂被覆繊維で織られた織物である。この発明の織物を使用して繊維強化樹脂を製造すれば、１０μｍ以下の太さの繊維が均一に配列された繊維強化樹脂を得ることができる。
【００１５】
請求項９に記載の発明の織物は、請求項５に記載の樹脂被覆繊維束で織られた織物である。この発明の織物を使用して繊維強化樹脂を製造しても、１０μｍ以下の太さの繊維が均一に配列された繊維強化樹脂を得ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１〜請求項５に記載の発明によれば、太さが１０μｍ以下の極細長繊維を複合材の基材として使用する場合に、特殊な機械や機器を使用せずに人手により取り扱うことができる。請求項６及び請求項７に記載の発明によれば、強化繊維の材料自身が透明でなくても全体として透明な繊維強化樹脂シートを得ることができる。また、請求項８及び請求項９に記載の発明によれば、１０μｍ以下の太さの繊維が均一に配列された繊維強化樹脂を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１及び図２に従って説明する。図１（ａ）は樹脂被覆繊維の模式断面図、（ｂ）は模式斜視図、図２は樹脂被覆繊維の製造方法を示す模式斜視図である。なお、図示の都合上、断面のハッチングを省略している。
【００１８】
図１（ａ），（ｂ）に示すように、樹脂被覆繊維１１は、コア繊維１２の周囲に樹脂１３が被覆されている。コア繊維１２には太さ１０μｍ以下に形成された単繊維が使用され、樹脂被覆繊維１１は、断面円形となるように、かつ外寸としての直径が１０μｍより大きく、例えば数十μｍになるように樹脂１３で被覆されている。
【００１９】
コア繊維１２としては、強化目的に応じてポリアラミド繊維、炭素繊維、ガラス繊維、炭化珪素繊維等が使用される。
樹脂１３は複合材のマトリックス樹脂として使用される樹脂と同じ樹脂が使用される。樹脂１３は熱可塑性樹脂でも熱硬化性樹脂でもよい。
【００２０】
次に樹脂１３として熱可塑性樹脂を使用した樹脂被覆繊維１１の製造方法を説明する。図２に示すように、樹脂被覆繊維製造装置２０は、樹脂溶解槽２１を挟んで上方に繊維送り出し部２２が設けられ、下方に巻き取りローラ２３が設けられている。樹脂溶解槽２１は下部にノズル２１ａを備えている。ノズル２１ａの孔は、ノズル２１ａから溶融状態でコア繊維１２と共に引き出された樹脂１３の冷却による収縮を考慮して、樹脂被覆繊維１１の直径より若干大きな径（例えば数十μｍ）に形成されている。
【００２１】
繊維送り出し部２２は、コア繊維１２が巻かれたボビン２４ａが取り外し可能に装着される。巻き取りローラ２３は、樹脂被覆繊維１１を巻き取るボビン２４ｂが取り外し可能に装着され、かつ軸方向に所定周期で往復移動されて、樹脂被覆繊維１１の引き出し状態は殆ど変化せずにボビン２４ｂに均一に巻き取ることが可能に構成されている。繊維送り出し部２２及び巻き取りローラ２３は、両ボビン２４ａ，２４ｂを同期して回転させる。樹脂溶解槽２１の周囲には加熱装置２５が設けられている。樹脂溶解槽２１と巻き取りローラ２３との間には冷却装置２６が設けられている。冷却装置２６は、例えば空冷式でノズル２１ａから出た樹脂被覆繊維１１に空気を吹き付けるようになっている。
【００２２】
樹脂被覆繊維１１を製造する場合は、先ずコア繊維１２が巻き付けられたボビン２４ａを繊維送り出し部２２に取り付ける。また、巻き取りローラ２３に樹脂被覆繊維１１を巻き取るボビン２４ｂを取り付ける。そして、ボビン２４ａからコア繊維１２を引き出して樹脂溶解槽２１に導き、ノズル２１ａの孔から樹脂溶解槽２１の下方へ引き出し、巻き取りローラ２３に取り付けられたボビン２４ｂにコア繊維１２の端部を固定する。
【００２３】
ボビン２４ａから引き出されたコア繊維１２をノズル２１ａの孔から引き出す作業の際、樹脂溶解槽２１中の樹脂は溶解状態でも溶解前のチップ状のいずれであってもよい。いずれの場合も、コア繊維１２の先端付近を把持具で把持してノズル２１ａの孔の入口に導き、ノズル２１ａの出口側から吸引ノズルでコア繊維１２を引き出す。そして、引き出されたコア繊維１２をボビン２４ｂに固定する。
【００２４】
次に樹脂が溶解されていない場合は加熱装置２５を駆動して樹脂を溶解する。樹脂が溶解した後、冷却装置２６の駆動を開始するとともに、巻き取りローラ２３と繊維送り出し部２２とを同期状態で駆動する。その結果、両ボビン２４ａ，２４ｂが同期して駆動され、コア繊維１２が巻き取りローラ２３に取り付けられたボビン２４ｂに巻き取られる速度でボビン２４ａから繰り出される。ボビン２４ａから繰り出されたコア繊維１２は、樹脂溶解槽２１を通過する際にコア繊維１２の周囲に樹脂１３が付着し、樹脂１３が付着した状態でノズル２１ａから引き出される。そして、冷却装置２６と対応する位置を通過する間に樹脂１３が空冷され、樹脂被覆繊維１１としてボビン２４ｂに巻き取られる。
【００２５】
前記のように構成された樹脂被覆繊維１１は、繊維強化樹脂の基材（強化繊維）として使用され、繊維強化樹脂製品の製造に使用される。繊維強化樹脂製品の製造方法としては公知の方法を使用できる。その際、マトリックス樹脂として樹脂被覆繊維１１の樹脂１３と同じ樹脂を使用するのが好ましい。
【００２６】
この実施形態では以下の効果を有する。
（１）樹脂被覆繊維１１は、太さ１０μｍ以下のコア繊維１２が樹脂１３で被覆されて外寸（直径）が１０μｍより大きく形成されている。従って、単独では目視できないか又は目視し難いコア繊維１２に樹脂１３が被覆されることで目視可能となり、太さが１０μｍ以下の極細長繊維を複合材の基材として使用する場合に、特殊な機械や機器を使用せずに人手により取り扱うことができる。
【００２７】
（２）樹脂被覆繊維１１は、樹脂１３が繊維強化樹脂製品のマトリックス樹脂と同じ樹脂で形成されているため、繊維強化樹脂製品の成形時に樹脂１３とマトリックス樹脂との間の化学反応による樹脂の劣化や樹脂１３とマトリックス樹脂との接着性の低下等の不具合の発生を回避することができる。
【００２８】
（３）樹脂１３に熱可塑性樹脂が使用されている。従って、熱硬化性樹脂を使用する場合に比較して、樹脂被覆繊維１１の製造時にコア繊維１２に付着された樹脂１３同士が付着しないように樹脂被覆繊維１１をボビン２４ｂに巻き取る状態にするのが容易になる。なぜならば、熱可塑性樹脂の場合は付着した樹脂１３を冷却することで樹脂１３が互いに付着しない状態になる。一方、熱硬化性樹脂の場合は付着した樹脂１３が半硬化の状態では互いに付着するため、ボビン２４ｂに巻き取る前に完全硬化に近い状態まで硬化反応を進める必要があるからである。
【００２９】
（４）樹脂被覆繊維１１の外寸を２００μｍ以上にすれば、樹脂被覆繊維１１を織機にかけて作業性良く織布を織ることができる。また、その織布を基材に使用して繊維強化樹脂製品を製造すれば、極細の繊維が疎な状態で均一に配置された繊維強化樹脂製品を得ることができる。
【００３０】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように構成してもよい。
○ 樹脂被覆繊維１１は、外寸が１０μｍ以下のコア繊維１２が独立した１本の状態で樹脂１３中に配置されていれば、コア繊維１２の本数は１本に限らず、樹脂被覆繊維１１の断面において、複数本のコア繊維１２が分散された状態で樹脂１３中に存在する構成であってもよい。例えば、図３（ａ）に示すように、樹脂被覆繊維１１は扁平な断面形状で、複数のコア繊維１２が等間隔で配置された構成にしてもよい。
【００３１】
○ 図３（ｂ）に示すように、樹脂被覆繊維１１の断面形状が円形で複数のコア繊維１２を有し、互いに隣接するコア繊維１２の間隔が等しくなるように配置された構成にしてもよい。この場合、樹脂被覆繊維１１を織機を使用して織布にする際、織布を構成するコア繊維１２の密度を調整するのが容易になる。また、１本の樹脂被覆繊維１１中にコア繊維１２が均一に複数本存在する。従って、同じ太さの樹脂被覆繊維１１を同じ量使用して製造された複合材の物性に対する強化繊維の寄与率が高くなる。
【００３２】
○ 図３（ａ）の樹脂被覆繊維１１は、前記実施形態のノズル２１ａに代えて、孔が一列に形成されたノズルを使用し、同時に複数本のコア繊維１２をノズルから引き出すとともに各コア繊維１２の間隔を保った状態でボビン２４ｂに巻き取ることにより製造することができる。
【００３３】
○ 図３（ｂ）の樹脂被覆繊維１１は、ノズル２１ａに複数の孔をコア繊維１２の配置状態に対応して形成しても、ノズル２１ａから出てボビン２４ｂに巻き取られる途中でコア繊維１２同士の距離が縮まって所望の樹脂被覆繊維１１を得ることが難しい。図３（ｂ）の樹脂被覆繊維１１は、図３（ｃ）に示すように、樹脂１３の付着量の少ない樹脂被覆繊維１１を複数本束ねて製造する。複数本束ねられた樹脂被覆繊維１１の表面部分を溶融させて複数本の樹脂被覆繊維１１を１本にしたり、図３（ｃ）に鎖線で示すように、樹脂のみで形成された樹脂繊維１４を隣接する樹脂被覆繊維１１の間に配置して樹脂１３の一部及び樹脂繊維１４を溶融させて１本にしたりしてもよい。
【００３４】
○ 樹脂被覆繊維１１の断面は、コア繊維１２が１本の場合でも、円形以外の形状であってもよい。
○ 樹脂被覆繊維１１のコア繊維１２の太さを１００ｎｍ以下にする。この構成では、コア繊維１２の材料が透明でなくてもコア繊維１２単独では目視できないため、樹脂１３及び複合材のマトリックス樹脂を透明にすれば、複合材全体を透明にすることができる。
【００３５】
○ 繊維強化樹脂製品の成形時に樹脂１３とマトリックス樹脂との間の化学反応による樹脂の劣化や樹脂１３とマトリックス樹脂との接着性の低下等の不具合の発生を回避することができるならば、樹脂被覆繊維１１の樹脂１３と繊維強化樹脂製品のマトリックス樹脂は、必ずしも同じ樹脂とは限らず、樹脂の主成分が同じであれば良い。
【００３６】
○ 樹脂被覆繊維１１を製造する際、コア繊維１２に延伸可能な有機繊維を使用し、コア繊維１２を延伸する工程を設けてもよい。例えば、図４（ａ）に示すように、巻き取りローラ２３の巻き取り速度を繊維送り出し部２２の送り出し速度より速くしてコア繊維１２を延伸する。コア繊維１２は、樹脂溶解槽２１内で加熱され、冷却装置２６で冷却されるまでの間に延伸作用を受ける。この場合延伸倍率にもよるが、ボビン２４ａに巻かれている延伸前のコア繊維１２は、１０μｍより太くても、樹脂被覆繊維１１に製造された状態では１０μｍ以下になる。従って、最初から１０μｍ以下のコア繊維１２を使用する場合に比較して、コア繊維１２の取り扱いが容易になる。
【００３７】
○ コア繊維１２を延伸する手法としてレーザー延伸を使用してもよい。レーザー延伸では、レーザー（例えば、炭酸ガスレーザー）を用いて繊維を局所的に加熱して延伸するため、効率良く高分子鎖を配向させることができる。コア繊維１２の材料としては、例えば、ポリエステルやナイロンが使用できる。装置としては、図４（ｂ）に示すように、樹脂溶解槽２１と繊維送り出し部２２との間にレーザー照射部２７を設ける。この装置を使用した場合、ボビン２４ａから繰り出されるコア繊維１２は、レーザー照射部２７によってレーザー照射されつつ延伸され、延伸された後に樹脂溶解槽２１内に導かれる。そして、樹脂溶解槽２１内を通過する際に、周囲を樹脂で被覆されて引き出され、冷却装置２６で冷却された後、ボビン２４ｂに巻き取られる。この実施形態では、図４（ａ）で示す装置による延伸に比較して、延伸を効率良く行うことができる。
【００３８】
○ 樹脂１３に熱硬化性樹脂を使用する場合は、図５（ａ）に示すように、樹脂溶解槽２１に代えて未硬化の熱硬化性樹脂溶液を収容する樹脂槽３１を設け、冷却装置２６に代えて加熱装置３２を設ける。そして、ノズル３１ａから引き出されたコア繊維１２に付着している未硬化の樹脂１３を加熱装置３２で加熱して硬化させ、樹脂１３が硬化した後の樹脂被覆繊維１１をボビン２４ｂに巻き取る。熱硬化性樹脂としては例えばエポキシ樹脂が使用される。
【００３９】
○ レーザー延伸を行う製造方法において、コア繊維１２を繊維送り出し部２２と巻き取りローラ２３の回転速度の差で延伸を行う構成に代えて、樹脂溶解槽２１より上方に引取りローラを設け、繊維送り出し部２２と引取りローラの回転速度の差で延伸を行う構成としてもよい。巻き取りローラ２３は引取りローラと同じ速度で回転される。この場合、樹脂溶解槽２１内や樹脂溶解槽２１を出た後にコア繊維１２が延伸されるのを確実に回避でき、延伸率の調整が容易になる。
【００４０】
○ 前記のように構成された樹脂被覆繊維１１が複数本束ねられて１本に形成されている樹脂被覆繊維束で取り扱うようにしても、太さが１０μｍ以下の極細長繊維を複合材の基材として使用する場合に、特殊な機械や機器を使用せずに人手により取り扱うことができる。例えば、図５（ｂ）に示すよう、樹脂被覆繊維１１が複数本束ねられた樹脂被覆繊維束１５としてもよい。図５（ｂ）では樹脂被覆繊維１１が６本図示されているが、本数は６本より多くても、少なくてもよい。樹脂被覆繊維束１５は、全て同じ太さの樹脂被覆繊維１１で構成される必要はなく、太さの異なる樹脂被覆繊維１１が混在してもよい。樹脂被覆繊維束１５は撚りを掛けない状態であっても撚りを掛けた状態であってもよい。樹脂被覆繊維１１としては前述した各構成のものを使用できる。
【００４１】
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の発明において、前記コア繊維は延伸されている。
【００４２】
（２）請求項１〜請求項５及び前記技術的思想（１）のいずれか一項に記載の発明において、前記樹脂は透明な樹脂が使用されている。
（３）請求項１又は請求項２に記載の発明の樹脂被覆繊維の製造方法であって、太さが１０μｍより太いコア繊維をレーザー延伸により１０μｍ以下の太さになるまで延伸した後、樹脂を所定の厚さに付着させる工程を備えている。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】（ａ）は樹脂被覆繊維の模式断面図、（ｂ）は模式斜視図。
【図２】樹脂被覆繊維の製造方法を示す模式斜視図。
【図３】（ａ）は別の実施形態における樹脂被覆繊維の模式断面図、（ｂ）は別の実施形態における樹脂被覆繊維の模式断面図、（ｃ）は（ｂ）の樹脂被覆繊維の製造方法を説明する模式図。
【図４】（ａ），（ｂ）は別の実施形態の樹脂被覆繊維の製造方法を示す模式斜視図。
【図５】（ａ）は別の実施形態の樹脂被覆繊維の製造方法を示す模式斜視図、（ｂ）は樹脂被覆繊維束の模式断面図。
【符号の説明】
【００４４】
１１…樹脂被覆繊維、１２…コア繊維、１３…樹脂、１５…樹脂被覆繊維束。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
太さ１０μｍ以下のコア繊維が樹脂で被覆されて外寸が１０μｍより大きく形成されている樹脂被覆繊維。
【請求項２】
前記コア繊維は、太さが１００ｎｍ以下である請求項１に記載の樹脂被覆繊維。
【請求項３】
前記樹脂被覆繊維は外寸が２００μｍ以上である請求項１又は請求項２に記載の樹脂被覆繊維。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の前記樹脂被覆繊維が複数本束ねられて１本に形成されている樹脂被覆繊維束。
【請求項５】
前記樹脂被覆繊維束は外寸が２００μｍ以上である請求項４に記載の樹脂被覆繊維束。
【請求項６】
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の樹脂被覆繊維を基材とし、前記コア繊維を被覆する樹脂と同じ樹脂をマトリックス樹脂とした繊維強化樹脂シート。
【請求項７】
請求項４又は請求項５に記載の樹脂被覆繊維束を基材とし、前記コア繊維を被覆する樹脂と同じ樹脂をマトリックス樹脂とした繊維強化樹脂シート。
【請求項８】
請求項３に記載の樹脂被覆繊維で織られた織物。
【請求項９】
請求項５に記載の樹脂被覆繊維束で織られた織物。
【請求項１】
太さ１０μｍ以下のコア繊維が樹脂で被覆されて外寸が１０μｍより大きく形成されている樹脂被覆繊維。
【請求項２】
前記コア繊維は、太さが１００ｎｍ以下である請求項１に記載の樹脂被覆繊維。
【請求項３】
前記樹脂被覆繊維は外寸が２００μｍ以上である請求項１又は請求項２に記載の樹脂被覆繊維。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の前記樹脂被覆繊維が複数本束ねられて１本に形成されている樹脂被覆繊維束。
【請求項５】
前記樹脂被覆繊維束は外寸が２００μｍ以上である請求項４に記載の樹脂被覆繊維束。
【請求項６】
請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の樹脂被覆繊維を基材とし、前記コア繊維を被覆する樹脂と同じ樹脂をマトリックス樹脂とした繊維強化樹脂シート。
【請求項７】
請求項４又は請求項５に記載の樹脂被覆繊維束を基材とし、前記コア繊維を被覆する樹脂と同じ樹脂をマトリックス樹脂とした繊維強化樹脂シート。
【請求項８】
請求項３に記載の樹脂被覆繊維で織られた織物。
【請求項９】
請求項５に記載の樹脂被覆繊維束で織られた織物。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００７−１６３５８（Ｐ２００７−１６３５８Ａ）
【公開日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２００８４７（Ｐ２００５−２００８４７）
【出願日】平成１７年７月８日（２００５．７．８）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月８日（２００５．７．８）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
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