炭素繊維複合材料製造装置、これを用いた炭素繊維複合材料製造方法および炭素繊維複合材料
【課題】 生産性が高く、外観平滑性に優れた炭素繊維複合材料を得ることができる炭素繊維複合材料製造装置、これを用いた炭素繊維複合材料製造方法および炭素繊維複合材料を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の炭素繊維複合材料製造装置１は、炭素繊維束ＣＦを送出するボビン１０と、開繊化手段２０と、位置決め手段３０と、裁断手段４０と、樹脂含浸手段５０と、を主に有して構成されている。
また、本発明の炭素繊維複合材料製造方法は、開繊化工程Ｓ１０と、裁断工程Ｓ２０と、樹脂含浸工程Ｓ３０と、を含んでなる。
【解決手段】本発明の炭素繊維複合材料製造装置１は、炭素繊維束ＣＦを送出するボビン１０と、開繊化手段２０と、位置決め手段３０と、裁断手段４０と、樹脂含浸手段５０と、を主に有して構成されている。
また、本発明の炭素繊維複合材料製造方法は、開繊化工程Ｓ１０と、裁断工程Ｓ２０と、樹脂含浸工程Ｓ３０と、を含んでなる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維複合材料製造装置、これを用いた炭素繊維複合材料製造方法および炭素繊維複合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車のフェンダ、ドアやトランクなどの外板パネルに用いる材料として、ガラス繊維を強化繊維としたガラスＣｌａｓｓ−Ａ ＳＭＣが使用されてきた。ガラスＣｌａｓｓ−Ａ ＳＭＣは、金属材料と同等の比強度および比弾性率を得ることができるが、配合されるガラス繊維の密度が重いため、重量が重くなりがちであった。
【０００３】
一方、近年、自動車の環境負荷低減、具体的には、燃費の向上やエミッションの低減を図り、また、切れの良いハンドリング向上のため、車体軽量化のニーズがますます高まっている。
【０００４】
このような車体軽量化のニーズに対応し、従来のガラスＣｌａｓｓ−Ａ ＳＭＣに変わる材料として、炭素繊維を強化繊維とした炭素繊維強化複合材料の適用が試みられている。炭素繊維は、（１）ガラス繊維や金属等に比較して比重が小さく、（２）強度が高く（３０００〜６０００ＭＰａ）、（３）弾性率が高く（２００〜６５０ＧＰａ）、（４）疲労強度が高い等の特性を有する。このため、このような炭素繊維が配合された炭素繊維複合材料は、軽量であり、かつ、比強度、比弾性率が高いため、外板パネルへの適用が切望されている。
【０００５】
しかし、従来の炭素繊維は、収束断面形状が俵状であることから、繊維の凹凸が成形品表面に露出してしまい、外観平滑性が低かった。このため、高い商品性を要求される外板パネルに使用することができなかった。この点を改良すべく、炭素繊維の収束形状を扁平状に開繊化し、繊維の凹凸を均す開繊化技術が種々考案されている。
【０００６】
例えば、特許文献１には、引き揃えた炭素繊維束を超音波により軸方向に振動している丸棒の少なくとも２本以上に順次接触通過させることにより、炭素繊維束をしごいて開繊化する炭素繊維束の開繊化方法について記載されている。
【０００７】
また、例えば、特許文献２には、流送中の繊維束を加熱することにより繊維束のサイジング剤を帯熱柔軟化させ、このサイジング剤が帯熱柔軟化状態にある間に当該繊維束を所要のオーバーフィード量に保ちながら交差方向に気流を通過せしめ、弓なりに緊張する気流通過部位において繊維束の構成フィラメントを幅方向に解き分けて当該繊維束をシート状に展舒する一方、その際の強制放熱によりサイジング剤を硬化させて繊維束を展舒された状態のシート状形態にセットすることとし、繊維束に気流を吹き付けて開繊化する開繊化シートの製造方法、および開繊化シート製造装置について記載されている。
【特許文献１】特開平０１−２８２３６２号公報
【特許文献２】特開平１１−１７２５６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１および特許文献２に示すような従来の開繊化装置または開繊化方法によると、炭素繊維束を高速で振動させたり、エアを吹き付けたりして開繊化するため、炭素繊維への負担が大きかった。
【０００９】
また、炭素繊維束の製造と、炭素繊維束の開繊化と、炭素繊維への樹脂含浸とに別装置が用いられていた。このため、炭素繊維をボビンに巻きつけた後、ボビンから炭素繊維束を送出して炭素繊維束を開繊化した状態で再度ボビンに巻きつけ、さらに、ボビンから再度、開繊化した炭素繊維を送出して裁断し、樹脂含浸手段へ供給していた。このような工程数の増加により、炭素繊維複合材料の生産性が低くなり、結果として材料が高価となってしまい、自動車のような、廉価かつ汎用用途への適用が困難であった。
【００１０】
さらに、複数の工程で、炭素繊維のボビンへの巻取・送出を繰り替えすことで、炭素繊維への負担が大きくなり、その結果、炭素繊維が損傷してしまうことがあり、開繊化された炭素繊維束へ樹脂を含浸する際に、炭素繊維の著しい毛羽立ちや破断が生じることがあった。
このようにして得られた炭素繊維複合材料は、炭素繊維の毛羽立ちや破断のために表面に凹凸ができてしまい、なお外板パネルへの適用が困難であった。
【００１１】
本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、生産性が高く、外観平滑性に優れた炭素繊維複合材料を得ることができる炭素繊維複合材料製造装置、これを用いた炭素繊維複合材料製造方法および炭素繊維複合材料を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決した本発明の炭素繊維複合材料製造装置は、巻き付けられた炭素繊維束を自転により連続的に送出するボビンと、当該ボビンから送出された前記炭素繊維束を幅方向に平坦化して開繊化するための開繊化手段と、開繊化された前記炭素繊維束を裁断する裁断手段と、当該裁断手段に連続して配置され、裁断された前記炭素繊維束に樹脂を含浸させる樹脂含浸手段と、を備えた構成とした。
【００１３】
本発明によれば、ボビンにより、炭素繊維束を開繊化手段へ送出し、開繊化手段により、炭素繊維束を幅方向に平坦化させて開繊化し、裁断手段により、開繊化された炭素繊維束を裁断し、樹脂含浸手段により、裁断された炭素繊維束に樹脂を含浸させることにより、炭素繊維複合材料の製造プロセスを合理化することができる。
【００１４】
すなわち、炭素繊維束の開繊化から開繊された炭素繊維束への樹脂含浸までを単一の装置により連続して行うことで、炭素繊維束を裁断し、樹脂を含浸する直前に炭素繊維束を開繊化するため、炭素繊維の毛羽立ちや破断の発生を防止することができる。
また、炭素繊維束から直接炭素繊維複合材料を得ることができるので、炭素繊維複合材料の製造工程数を削減することができ、安価な炭素繊維複合材料を得ることができる。
【００１５】
また、本発明の炭素繊維複合材料製造装置において、前記開繊化手段は、前記炭素繊維束が当接する球体状の開繊化部を有し、当該開繊化部の曲率Ｒを１０．０〜２０．０ｍｍとすることが望ましい。
【００１６】
これによれば、開繊化手段は、炭素繊維束を球体状の開繊化部で押圧して炭素繊維束を開繊化するため、炭素繊維束を高速で振動させたり、炭素繊維束にエアを吹き付けたりする方法に比較して、炭素繊維束への負担を少なくすることができる。また、曲率Ｒを１０．０〜２０．０ｍｍとすることにより、炭素繊維束をより良好に開繊化することができる。
【００１７】
また、前記ボビンと前記開繊化手段の間に、前記炭素繊維束を整列させて前記開繊化手段に送出するための位置決め手段をさらに備えていてもよい。
【００１８】
これによれば、位置決め手段により、炭素繊維束が整列させられた状態で開繊化手段に送出されるため、炭素繊維束の中心部が開繊化手段の開繊化部を通過するように位置決めすることができる。これにより、炭素繊維束をより好適に開繊化することができる。
【００１９】
また、本発明の炭素繊維複合材料製造方法は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の炭素繊維複合材料製造装置を用いた炭素繊維複合材料製造方法であって、開繊化工程と、裁断工程と、樹脂含浸工程と、を含んでなる。
【００２０】
このような手順によれば、開繊化工程で、前記炭素繊維束を前記ボビンから送出し、前記開繊化手段で前記炭素繊維束を開繊化し、裁断工程で、開繊化された前記炭素繊維束を裁断し、樹脂含浸工程で、裁断された前記炭素繊維束に樹脂を含浸させる。
【００２１】
つまり、炭素繊維束に樹脂を含浸する直前に開繊化し、裁断することにより、繊維の毛羽立ちや破断を防止することができる。また、炭素繊維束の開繊化から開繊された炭素繊維束への樹脂含浸までを単一の装置で連続して行うことにより、炭素繊維複合材料の製造工程数を削減することができ、炭素繊維複合材料を安価に製造することができる。
【００２２】
また、本発明は、請求項５に記載の炭素繊維複合材料製造方法により製造されたことを特徴とする炭素繊維複合材料として構成した。
【００２３】
本発明の炭素繊維複合材料によれば、炭素繊維束に樹脂を含浸する直前に開繊化し、裁断することにより製造されたため、繊維の毛羽立ちや破断を防止することができたので、外観平滑性に優れる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の炭素繊維複合材料製造装置によれば、炭素繊維束の開繊化から開繊された炭素繊維束への樹脂含浸までを単一の装置により連続して行い、炭素繊維束を裁断し、樹脂を含浸する直前に開繊化することにより、炭素繊維束への負担を減らすことができ、炭素繊維の毛羽立ちや破断を防止することができる。これにより、外観平滑性に優れた炭素繊維複合材料を製造することができる。
【００２５】
また、本発明の炭素繊維複合材料製造方法によれば、炭素繊維束の開繊化から開繊された炭素繊維束への樹脂含浸までを同一工程で連続して行うことにより、製造プロセスを合理化することができる。また、炭素繊維束を裁断し、樹脂を含浸する直前に開繊化することにより、炭素繊維への負担を減らすことができ、炭素繊維の毛羽立ちや破断を防止することができる。これにより、外観平滑性に優れた炭素繊維複合材料を製造することができる。
【００２６】
また、本発明の炭素繊維複合材料は、外観平滑性に優れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、説明する。参照する図面において、図１は、本発明の炭素繊維複合材料製造装置の全体構成図、図２（ａ）は、図１に示す開繊化手段部分の拡大図であって、炭素繊維束を開繊化する様子を示す図、（ｂ）は、開繊化手段の他の実施形態であって、炭素繊維束を開繊化する様子を示す図である。
【００２８】
炭素繊維複合材料製造装置１は、炭素繊維束ＣＦを送出するボビン１０と、開繊化手段２０Ａと、位置決め手段３０と、裁断手段４０と、樹脂含浸手段５０と、を主に有して構成されている。なお、以下の説明では、ボビン１０側を上流側とする。
【００２９】
ボビン１０は、炭素繊維束ＣＦを連続的に開繊化手段２０Ａへ送出するためのものであって、予め、炭素繊維束ＣＦが巻きつけられた状態で、炭素繊維複合材料製造装置１の上流側に、着脱自在に取り付けられている。また、ボビン１０は、図示しない駆動装置によって回転可能となっている。
【００３０】
ここで、炭素繊維束ＣＦに使用される炭素繊維は、一般的な炭素繊維、例えば、ＰＡＮ（ポリアクリルニトリル）系炭素繊維であって、サイジング剤の塗布量を１％前後とし、エポキシ系、ウレタン系などのサイジング剤を塗布することが望ましい。また、収束本数は、３０００〜２４０００本（３〜２４Ｋ）の範囲とすることが望ましいがこれに限定されるものではない。
【００３１】
図１および図２（ａ）に示すように、開繊化手段２０Ａは、ボビン１０から連続的に送出される炭素繊維束ＣＦの幅を広げて開繊化するためのものであって、球体状の開繊化部２１を有して形成されており、炭素繊維束ＣＦの通路に隣接して配置されている。開繊化手段２０Ａとしては、例えば、図２（ａ）に示すような球体状部材そのものを用いることができる。
【００３２】
開繊化部２１は、曲率Ｒを有し、曲率Ｒを１０．０〜２０．０ｍｍとして形成することが望ましい。曲率Ｒを１０．０ｍｍより小さくすると、炭素繊維束ＣＦが幅方向に裂けてしまい開繊化することができないためであり、曲率Ｒを２０．０ｍｍより大きくすると、曲率Ｒが不足してしまい炭素繊維束ＣＦを開繊化することができないためである。
【００３３】
開繊化部２１の表面粗さＲａ（μｍ）は、０．３以下であることが望ましく、炭素繊維束ＣＦとの接触抵抗を低減するために、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）やテフロン（登録商標）などのフッ素樹脂で表面を覆うなどによって表面の平滑性を向上させる処理を行うと、なお望ましい。表面粗さＲａ（μｍ）を０．３より大きくすると、接触抵抗が大きくなりすぎるため、炭素繊維束ＣＦの擦過により、毛羽立ちや破断が起こりやすくなるためである。
【００３４】
開繊化手段２０Ａの材質は、特に限定されず、鉄やアルミニウムや樹脂材料などから適宜選択することができる。
【００３５】
このように構成された開繊化手段２０Ａは、図２（ａ）に示すように、開繊化部２１で、下流側に向かって流れる炭素繊維束ＣＦの略中心部を押圧し、炭素繊維束ＣＦを幅方向に解きほぐすようにして、例えば、図２（ａ）の右側に示すように、シート状に開繊化する。なお、以下では、開繊化手段２０Ａにより開繊化された炭素繊維束ＣＦを炭素繊維シートＣＦＳとして説明する。
【００３６】
なお、開繊化手段２０Ａに限らず、例えば、図２（ｂ）に示す開繊化手段２０Ｂのような球体状の開繊化部２１ｂを有する金属製の長棒状部材としてもよい。開繊化部２１ｂの曲率Ｒは、送出方向に対して、略直角方向に規定される。
【００３７】
位置決め手段３０は、炭素繊維束ＣＦを整列させて開繊化手段２０Ａに送出するためのものであって、例えば、中空円筒状部材であり、開繊化手段２０Ａより上流側かつ同軸上に配置されている。
このような位置決め手段３０に炭素繊維束ＣＦを挿通させることにより、炭素繊維束ＣＦの幅方向の揺れを防止することができ、炭素繊維束ＣＦを開繊位置に導くことができる。
【００３８】
裁断手段４０は、炭素繊維シートＣＦＳを所定の長さに裁断するためのものであって、裁断手段４０と樹脂含浸手段５０の間に配置されている。
裁断手段４０は、例えば、左右に対向して配置されたロール４１、４１と、このロール４１、４１の外周面にそれぞれ所定間隔で取り付けられた複数のカッタ４２、４２・・・と、を有して構成されている。裁断手段４０のロール４１、４１をそれぞれ内側方向へ回転させて炭素繊維シートＣＦＳを巻き込み通過させながら、カッタ４２、４２・・・により炭素繊維シートＣＦＳを所定長さに裁断することができる。
【００３９】
なお、ボビン１０と、開繊化手段２０Ａと、位置決め手段３０と、裁断手段４０は、図示しないが、例えば、紙面奥側方向に複数配置されており、炭素繊維複合材料製造装置１は、複数本の炭素繊維束ＣＦを同時に開繊化し、炭素繊維シートＣＦＳを裁断することができる。
【００４０】
また、本実施形態の炭素繊維複合材料製造装置１には、各部材間に、走行中の炭素繊維束ＣＦおよび炭素繊維シートＣＦＳの張力を調整するためのガイドリールＧＲが、適宜設置されている。
このようなガイドリールＧＲの外周面に炭素繊維束ＣＦを当接させながら通過させることにより、炭素繊維束ＣＦに所定の張力が付与される。なお、張力は、例えば、５００Ｎ〜２０００Ｎの範囲とすることが望ましい。炭素繊維束ＣＦの張力を５００Ｎより小さくすると、炭素繊維束ＣＦが撓んでしまい、十分に開繊化することができないためであり、炭素繊維束ＣＦの張力を２０００Ｎより大きくすると、炭素繊維束ＣＦと開繊化部２１との摩擦力が大きくなりすぎてしまい、炭素繊維束ＣＦに毛羽立ちや破断が起こりやすくなるためである。
【００４１】
樹脂含浸手段５０は、裁断手段４０により裁断された炭素繊維シートＣＦＳに樹脂を含浸させるためのものであって、基材５１と、この基材５１に対向する位置に配置される基材５２と、基材５１、５２を送出する送出リール５３ａ、５３ｂと、押圧手段５４と、巻取リール５５と、を主に有して構成されている。
【００４２】
基材５１は、裁断手段４０の下方に略水平に配置されており、送出リール５３ａから送出されて略水平に走行している。基材５１は、走行中に、裁断された炭素繊維シートＣＦＳを順次載置する。
【００４３】
また、基材５１の送出リール５３ａの近傍には、樹脂ペーストＰ１とこれに隣接するブレード５６が配置されており、基材５１を走行させると、ブレード５６により、樹脂ペーストＰ１が基材５１の表面に薄く敷延されることで、基材５１の表面に樹脂が塗布されるようになっている。
【００４４】
基材５２は、基材５１の下流側の上方に配置され、送出リール５３ｂにより送出されて基材５１と逆流する方向に走行し、折り返し用リール５３ｃで折り返して向きを変え、基材５１に沿って同方向に走行する。
【００４５】
基材５２の送出リール５３ｂの近傍には、樹脂ペーストＰ２とこれに隣接する、ブレード５６が配置されており、基材５２を走行させると、ブレード５６により、樹脂ペーストＰ２が基材５２の表面に薄く敷延されることで、基材５２の表面に樹脂が塗布されるようになっている。
【００４６】
これによれば、基材５１、５２の表面に樹脂を塗布して走行させ、走行中、裁断手段４０で裁断されて降下した炭素繊維シートＣＦＳを基材５１の表面に載置し、この状態でさらに走行させると、基材５１と、基材５１に沿うようにして走行する基材５２とにより炭素繊維シートＣＦＳが挟まれる。
このような基材５１、５２としては、オレフィン系樹脂系素材のフィルムを用いることができる。
【００４７】
押圧手段５３は、炭素繊維シートＣＦＳに樹脂を含浸させるためのものであって、例えば、基材５１、２２を挟むように上下に配置された、例えば、図示しない駆動手段により上下動可能に構成されたロール状部材である。
【００４８】
押圧手段５３は、例えば、炭素繊維シートＣＦＳを挟んだ状態の基材５１と基材５２とを互いに近接させる方向に押圧して、炭素繊維シートＣＦＳに基材５１、５２の表面に塗布された樹脂を含浸させる。
【００４９】
なお、炭素繊維シートＣＦＳに含浸する樹脂ペーストＰ１、Ｐ２としては、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂およびそれらの変性物等が好適に用いられる。
【００５０】
また、炭素繊維シートＣＦＳへの樹脂の含浸性を向上させるため、樹脂ペーストＰ１、Ｐ２の含浸時粘度を、１０００〜４００００ｍＰａ・ｓの範囲とすることが望ましい。さらに、炭素繊維複合材料６０の外観平滑性の向上のために、フィラー（例えば、炭酸カルシウム）や、低収縮化成分（例えば、スチレンブタジエン系エラストマー、酢酸ビニル系エラストマーなど）を適宜添加することが望ましい。
【００５１】
巻取リール５５は、押圧手段５４で得られた炭素繊維複合材料６０を巻取・回収するためのものであって、押圧手段５４の下流側であって、合流した基材５１、５２の延長線上に配置されている。
【００５２】
このように構成された炭素繊維複合材料製造装置１による炭素繊維複合材料製造方法について、以下に説明する。参照する図面において、図３は、本発明の炭素繊維複合材料製造方法による炭素繊維複合材料製造手順を示すフローチャートである。図３に示すように、炭素繊維複合材料製造方法は、開繊化工程Ｓ１０と、裁断工程Ｓ２０と、樹脂含浸工程Ｓ３０と、を含んでなる。
【００５３】
［開繊化工程］
開繊化工程Ｓ１０は、図示しない駆動手段によりボビン１０を回転させ、ボビン１０に巻かれた炭素繊維束ＣＦを開繊化手段２０Ａに送出し、開繊化手段２０Ａの、球体状の開繊化部２１により炭素繊維束ＣＦの表面を押圧し、炭素繊維束ＣＦを幅方向に平坦化していくことで開繊化して炭素繊維シートＣＦＳとし、裁断手段４０に送出する。
［裁断工程］
裁断工程Ｓ２０は、開繊化工程Ｓ１０により製造された炭素繊維シートＣＦＳを裁断手段４０によって、所定の長さに裁断し、樹脂含浸手段５０に送出する。
［樹脂含浸工程］
樹脂含浸工程Ｓ３０は、裁断工程Ｓ２０により裁断された炭素繊維シートＣＦＳに、樹脂含浸手段５０によって樹脂を含浸させる。例えば、まず、樹脂含浸手段５０の基材５１、５２を走行させて、その表面に樹脂ペーストＰ１、Ｐ２を敷延する。そしてその上に、裁断工程Ｓ２０で裁断手段４０により裁断された炭素繊維シートＣＦＳが、走行する基材５１上に順次載置される。次いで、基材５１、５２で炭素繊維シートＣＦＳを挟み、この状態で、基材５１、５２を、押圧手段５４により互いに近接させる方向に押圧し、裁断された炭素繊維シートＣＦＳに基材５１、５２の表面に塗布された樹脂を含浸させて炭素繊維複合材料６０を製造する。製造された炭素繊維複合材料６０は、巻取リール５５に巻取・回収される。
【００５４】
本実施形態に係る炭素繊維複合材料製造装置１によれば、炭素繊維束ＣＦの開繊化と、開繊化された炭素繊維束ＣＦ（炭素繊維シートＣＦＳ）の裁断と、炭素繊維シートＣＦＳへの樹脂含浸と、が一連の動作で行われるため、炭素繊維シートＣＦＳを裁断し、樹脂を含浸させる直前に、すなわち、炭素繊維束ＣＦの巻取・送出を繰り返さずに、開繊化手段２０Ａにより炭素繊維束ＣＦを開繊化することができる。このため、炭素繊維束ＣＦへの負担を少なくすることができ、炭素繊維束ＣＦの損傷を防止することができる。これにより、開繊化された炭素繊維シートＣＦＳの毛羽立ちや破断を防止することができ、外観平滑性に優れた炭素繊維複合材料６０を製造することができる。
さらに、開繊化手段２０Ａは、球体状の開繊化部２１で炭素繊維束ＣＦに当接して、炭素繊維束ＣＦを開繊化するものであるため、炭素繊維束ＣＦと開繊化部２１との摩擦が小さくすることができ、炭素繊維束ＣＦへの負担をさらに低減させることができる。
【００５５】
また、本実施形態に係る炭素繊維複合材料製造方法によれば、開繊化工程Ｓ１０と裁断工程Ｓ２０と樹脂含浸工程Ｓ３０と、を含んでなるため、炭素繊維束ＣＦを、開繊化工程Ｓ１０で開繊化した直後に、裁断工程Ｓ２０で裁断し、樹脂含浸工程Ｓ３０で樹脂を含浸させることができる。このため、炭素繊維束ＣＦへの負担を少なくすることができ、炭素繊維束ＣＦの損傷を防止することができる。これにより、開繊された炭素繊維シートＣＦＳの毛羽立ちや破断を防止することができ、外観平滑性に優れた炭素繊維複合材料６０を得ることができる。
【実施例１】
【００５６】
（１）開繊化状態の評価
以下、本発明に係る炭素繊維複合材料製造装置１の開繊化手段２０Ａによる開繊化状態の評価実験結果について説明する。
本実験では、開繊化手段の開繊化部２１の曲率Ｒを、５ｍｍから２５ｍｍまで５ｍｍ単位で増加させ、それぞれについて、炭素繊維束の開繊化状態を評価した。
具体的には、条件Ｎｏ．１は、開繊化部の曲率を２５ｍｍとし、条件Ｎｏ．２は、開繊化部の曲率を２０ｍｍとし、条件Ｎｏ．３は、開繊化部の曲率を１５ｍｍとし、条件Ｎｏ．４は、開繊化部の曲率を１０ｍｍとし、条件Ｎｏ．５は、開繊化部の曲率を５ｍｍとし、開繊化した。
また、炭素繊維束ＣＦとしては、（１）東邦テナックス製のＨＴＡ−３Ｋ−Ｅ３０、（２）同ＨＴＡ−１２Ｋ−Ｅ３０、（３）同ＳＴＳ−２４Ｋ−Ｆ３０１を用いた。条件Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５の一覧を下記表１に示す。
【００５７】
また、本実験では、アスペクト比を開繊化状態の評価指標とした。ここで、アスペクト比とは、炭素繊維束ＣＦの長さの直径に対する比を示すものである。アスペクト比が０．０１以下であれば、良好な開繊化状態であると評価することができる。
【００５８】
【表１】
【００５９】
表１に示す通り、条件Ｎｏ．１では、炭素繊維束（１）〜（３）のそれぞれにおいて、アスペクト比が０．０１以上となり、不適切な開繊化状態となった。条件Ｎｏ．２〜条件Ｎｏ．４では、炭素繊維束（１）〜（３）のそれぞれにおいて、アスペクト比が０．０１以下となり、良好な開繊化状態であった。条件Ｎｏ．５では、炭素繊維束ＣＦが幅方向に裂けてしまい（裂けＮＧ）、開繊化に失敗した。
以上のように、条件Ｎｏ．２〜条件Ｎｏ．４で良好な結果が得られた。
【実施例２】
【００６０】
（２）成形品とした場合における表面状態の確認
本実施形態の炭素繊維複合材料製造装置１により製造された炭素繊維複合材料６０を用いて炭素繊維複合材料成形品を試作し成形品の状態を評価した。また、本発明の要件を満たさないその他の方法で製造された炭素繊維複合材料を用いて試作した炭素繊維複合材料成形品と比較評価した。
【００６１】
実施例１は、本発明の炭素繊維複合材料製造装置１を用いて、前記した条件Nｏ．３で開繊化した炭素繊維シートを用い、炭素繊維複合材料を製造した。含浸させる樹脂は、一般的な高反応性ポリエステルに炭酸カルシウム９０ｐｈｒ（per hundred resin）を使用し、低収縮化材として、スチレンブタジエン系エラストマー６ｐｈｒを添加したものを使用した。
成形条件は、川崎油工製２００ｔプレスを用い、金型キャビティ寸法３００ｍｍに対して炭素繊維複合材料を１６０ｍｍに裁断したものを金型中央部に乗せ、金型温度を１４０℃とし、型締め圧力として１０ＭＰａを加えた状態で１８０秒間維持し、硬化させた。
【００６２】
比較例１は、炭素繊維として、東邦テナックス製のＨＴＡ−１２Ｋ−Ｅ３０を使用し、月島機械製ＳＭＣ（シートモールディングコンパウンド）含浸機を用いて樹脂を含浸させ、炭素繊維複合材料を製造した。含浸させる樹脂は、一般的な高反応性ポリエステルに炭酸カルシウム９０ｐｈｒ（per hundred resin）を使用し、低収縮化材として、スチレンブタジエン系エラストマー６ｐｈｒを添加したものを使用した。なお、比較例１では、炭素繊維束の開繊は行っていない。
成形条件は、実施例１と同様である。
【００６３】
比較例２は、炭素繊維として、東邦テナックス製のＨＴＡ−１２Ｋ−Ｅ３０を使用し、特開平１１−１７２５６２号公報に開示された開繊シート製造装置を用いてエア圧０．５ＭＰａ、送風スパン５０ｍｍ、繊維送出速度１ｍ／ｍｉｎで開繊化した。このようにして開繊された炭素繊維シートは、収束幅が１５ｍｍ、収束厚さが０．０６ｍｍであった。
次に、月島機械製ＳＭＣ（シートモールディングコンパウンド）含浸機を用いて樹脂を含浸させ、炭素繊維複合材料を製造した。含浸樹脂は、一般的な高反応性ポリエステルに炭酸カルシウム９０ｐｈｒ（per hundred resin）を使用し、低収縮化材として、スチレンブタジエン系エラストマー６ｐｈｒを添加したものを使用した。
成形条件は、実施例１と同様である。
【００６４】
比較例３は、ガラス繊維として、ガラスＣｌａｓｓ−Ａ ＳＭＣを使用し、日東紡製ＲＳ４８０ＰＫ６５０を使用して開繊化した。次に、月島機械製ＳＭＣ（シートモールディングコンパウンド）含浸機を用いて樹脂を含浸させ、炭素繊維複合材料を製造した。含浸させる樹脂は、一般的な高反応性ポリエステルに炭酸カルシウム９０ｐｈｒ（per hundred resin）を使用し、低収縮化材として、スチレンブタジエン系エラストマー６ｐｈｒを添加したものを使用した。
成形条件は、実施例１と同様である。
【００６５】
評価項目は、炭素繊維シートＣＦＳを樹脂含浸手段５０に供給した際の、炭素繊維シートＣＦＳの状態、成形品のＶｆ（％）と、成形品の密度（ｇ／ｃｍ３）と、成形品の表面粗さＲａ（μｍ）と、成形品の表面うねり（μｍ）と、成形品の外観平滑性についての外観目視判定である。炭素繊維シートＣＦＳは、目視観察し、破断の有無により合否を決定した。成形品のＶｆ（％）の評価方法は、ＪＩＳで定められた、硫酸による溶解法に準拠している。成形品の密度（ｇ／ｃｍ３）は、ＭＩＲＡＧＥ製ＳＤ−１２０Ｌを用いて測定した。成形品の表面粗さＲａ（μｍ）は、ミツトヨ製ＳＶ３０００ＣＮＣを用いて算出した。なお、成形品表面うねりは、成形品表面の任意の位置で５０ｍｍ測定し、波形の最大値（凸部）と最小値（凹部）の差の絶対値を算出し、７．0μｍ以下を合格とした。
【００６６】
前記のようにして製造された実施例１と比較例１〜３について、各評価項目について評価を行った。評価項目及び評価結果の一覧を下記表２に示す。
【００６７】
【表２】
【００６８】
実施例１は、本発明の要件を満たすので、各評価項目について合格基準を満たし、良好な結果が得られた。
比較例１〜３は、本発明の要件を満たさないので、各評価項目のいずれかについて合格基準を満たさなかった。
具体的には、比較例１では、炭素繊維束を開繊していないため、成形品の外観目視判定で、表面に凹凸が見られ不合格となった。比較例２では、炭素繊維束をエア開繊したため、含浸機に炭素繊維シートを供給する際に炭素繊維が破断してしまった。また、このため、表面に若干の凹凸が見られ不合格となった。比較例３では、強化繊維としてガラス繊維を用いたため、成形品の密度（ｇ／ｃｍ３）が合格基準値を超えてしまい不合格となった。
【００６９】
以上のように、本実施形態に係る炭素繊維複合材料製造装置１によれば、良好な炭素繊維複合材料６０を得ることができる。このため、自動車の外板パネルなどに広く利用することができる。
【００７０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の炭素繊維複合材料製造装置の全体構成図である。
【図２】図２（ａ）は、図１に示す開繊化手段部分の拡大図であって、炭素繊維束を開繊化する様子を示す図、（ｂ）は、開繊化手段の他の実施形態であって、炭素繊維束を開繊化する様子を示す図である。
【図３】本発明の炭素繊維複合材料製造方法による炭素繊維複合材料製造手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７２】
１ 炭素繊維複合材料製造装置
１０ ボビン
２０ 開繊化手段
３０ 位置決め手段
４０ 裁断手段
５０ 樹脂含浸手段
６０ 炭素繊維複合材料
ＣＦ 炭素繊維束
ＣＦＳ 炭素繊維シート
Ｓ１０ 開繊化工程
Ｓ２０ 裁断工程
Ｓ３０ 樹脂含浸工程
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維複合材料製造装置、これを用いた炭素繊維複合材料製造方法および炭素繊維複合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、自動車のフェンダ、ドアやトランクなどの外板パネルに用いる材料として、ガラス繊維を強化繊維としたガラスＣｌａｓｓ−Ａ ＳＭＣが使用されてきた。ガラスＣｌａｓｓ−Ａ ＳＭＣは、金属材料と同等の比強度および比弾性率を得ることができるが、配合されるガラス繊維の密度が重いため、重量が重くなりがちであった。
【０００３】
一方、近年、自動車の環境負荷低減、具体的には、燃費の向上やエミッションの低減を図り、また、切れの良いハンドリング向上のため、車体軽量化のニーズがますます高まっている。
【０００４】
このような車体軽量化のニーズに対応し、従来のガラスＣｌａｓｓ−Ａ ＳＭＣに変わる材料として、炭素繊維を強化繊維とした炭素繊維強化複合材料の適用が試みられている。炭素繊維は、（１）ガラス繊維や金属等に比較して比重が小さく、（２）強度が高く（３０００〜６０００ＭＰａ）、（３）弾性率が高く（２００〜６５０ＧＰａ）、（４）疲労強度が高い等の特性を有する。このため、このような炭素繊維が配合された炭素繊維複合材料は、軽量であり、かつ、比強度、比弾性率が高いため、外板パネルへの適用が切望されている。
【０００５】
しかし、従来の炭素繊維は、収束断面形状が俵状であることから、繊維の凹凸が成形品表面に露出してしまい、外観平滑性が低かった。このため、高い商品性を要求される外板パネルに使用することができなかった。この点を改良すべく、炭素繊維の収束形状を扁平状に開繊化し、繊維の凹凸を均す開繊化技術が種々考案されている。
【０００６】
例えば、特許文献１には、引き揃えた炭素繊維束を超音波により軸方向に振動している丸棒の少なくとも２本以上に順次接触通過させることにより、炭素繊維束をしごいて開繊化する炭素繊維束の開繊化方法について記載されている。
【０００７】
また、例えば、特許文献２には、流送中の繊維束を加熱することにより繊維束のサイジング剤を帯熱柔軟化させ、このサイジング剤が帯熱柔軟化状態にある間に当該繊維束を所要のオーバーフィード量に保ちながら交差方向に気流を通過せしめ、弓なりに緊張する気流通過部位において繊維束の構成フィラメントを幅方向に解き分けて当該繊維束をシート状に展舒する一方、その際の強制放熱によりサイジング剤を硬化させて繊維束を展舒された状態のシート状形態にセットすることとし、繊維束に気流を吹き付けて開繊化する開繊化シートの製造方法、および開繊化シート製造装置について記載されている。
【特許文献１】特開平０１−２８２３６２号公報
【特許文献２】特開平１１−１７２５６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１および特許文献２に示すような従来の開繊化装置または開繊化方法によると、炭素繊維束を高速で振動させたり、エアを吹き付けたりして開繊化するため、炭素繊維への負担が大きかった。
【０００９】
また、炭素繊維束の製造と、炭素繊維束の開繊化と、炭素繊維への樹脂含浸とに別装置が用いられていた。このため、炭素繊維をボビンに巻きつけた後、ボビンから炭素繊維束を送出して炭素繊維束を開繊化した状態で再度ボビンに巻きつけ、さらに、ボビンから再度、開繊化した炭素繊維を送出して裁断し、樹脂含浸手段へ供給していた。このような工程数の増加により、炭素繊維複合材料の生産性が低くなり、結果として材料が高価となってしまい、自動車のような、廉価かつ汎用用途への適用が困難であった。
【００１０】
さらに、複数の工程で、炭素繊維のボビンへの巻取・送出を繰り替えすことで、炭素繊維への負担が大きくなり、その結果、炭素繊維が損傷してしまうことがあり、開繊化された炭素繊維束へ樹脂を含浸する際に、炭素繊維の著しい毛羽立ちや破断が生じることがあった。
このようにして得られた炭素繊維複合材料は、炭素繊維の毛羽立ちや破断のために表面に凹凸ができてしまい、なお外板パネルへの適用が困難であった。
【００１１】
本発明は、前記問題に鑑みてなされたものであり、生産性が高く、外観平滑性に優れた炭素繊維複合材料を得ることができる炭素繊維複合材料製造装置、これを用いた炭素繊維複合材料製造方法および炭素繊維複合材料を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前記課題を解決した本発明の炭素繊維複合材料製造装置は、巻き付けられた炭素繊維束を自転により連続的に送出するボビンと、当該ボビンから送出された前記炭素繊維束を幅方向に平坦化して開繊化するための開繊化手段と、開繊化された前記炭素繊維束を裁断する裁断手段と、当該裁断手段に連続して配置され、裁断された前記炭素繊維束に樹脂を含浸させる樹脂含浸手段と、を備えた構成とした。
【００１３】
本発明によれば、ボビンにより、炭素繊維束を開繊化手段へ送出し、開繊化手段により、炭素繊維束を幅方向に平坦化させて開繊化し、裁断手段により、開繊化された炭素繊維束を裁断し、樹脂含浸手段により、裁断された炭素繊維束に樹脂を含浸させることにより、炭素繊維複合材料の製造プロセスを合理化することができる。
【００１４】
すなわち、炭素繊維束の開繊化から開繊された炭素繊維束への樹脂含浸までを単一の装置により連続して行うことで、炭素繊維束を裁断し、樹脂を含浸する直前に炭素繊維束を開繊化するため、炭素繊維の毛羽立ちや破断の発生を防止することができる。
また、炭素繊維束から直接炭素繊維複合材料を得ることができるので、炭素繊維複合材料の製造工程数を削減することができ、安価な炭素繊維複合材料を得ることができる。
【００１５】
また、本発明の炭素繊維複合材料製造装置において、前記開繊化手段は、前記炭素繊維束が当接する球体状の開繊化部を有し、当該開繊化部の曲率Ｒを１０．０〜２０．０ｍｍとすることが望ましい。
【００１６】
これによれば、開繊化手段は、炭素繊維束を球体状の開繊化部で押圧して炭素繊維束を開繊化するため、炭素繊維束を高速で振動させたり、炭素繊維束にエアを吹き付けたりする方法に比較して、炭素繊維束への負担を少なくすることができる。また、曲率Ｒを１０．０〜２０．０ｍｍとすることにより、炭素繊維束をより良好に開繊化することができる。
【００１７】
また、前記ボビンと前記開繊化手段の間に、前記炭素繊維束を整列させて前記開繊化手段に送出するための位置決め手段をさらに備えていてもよい。
【００１８】
これによれば、位置決め手段により、炭素繊維束が整列させられた状態で開繊化手段に送出されるため、炭素繊維束の中心部が開繊化手段の開繊化部を通過するように位置決めすることができる。これにより、炭素繊維束をより好適に開繊化することができる。
【００１９】
また、本発明の炭素繊維複合材料製造方法は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の炭素繊維複合材料製造装置を用いた炭素繊維複合材料製造方法であって、開繊化工程と、裁断工程と、樹脂含浸工程と、を含んでなる。
【００２０】
このような手順によれば、開繊化工程で、前記炭素繊維束を前記ボビンから送出し、前記開繊化手段で前記炭素繊維束を開繊化し、裁断工程で、開繊化された前記炭素繊維束を裁断し、樹脂含浸工程で、裁断された前記炭素繊維束に樹脂を含浸させる。
【００２１】
つまり、炭素繊維束に樹脂を含浸する直前に開繊化し、裁断することにより、繊維の毛羽立ちや破断を防止することができる。また、炭素繊維束の開繊化から開繊された炭素繊維束への樹脂含浸までを単一の装置で連続して行うことにより、炭素繊維複合材料の製造工程数を削減することができ、炭素繊維複合材料を安価に製造することができる。
【００２２】
また、本発明は、請求項５に記載の炭素繊維複合材料製造方法により製造されたことを特徴とする炭素繊維複合材料として構成した。
【００２３】
本発明の炭素繊維複合材料によれば、炭素繊維束に樹脂を含浸する直前に開繊化し、裁断することにより製造されたため、繊維の毛羽立ちや破断を防止することができたので、外観平滑性に優れる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の炭素繊維複合材料製造装置によれば、炭素繊維束の開繊化から開繊された炭素繊維束への樹脂含浸までを単一の装置により連続して行い、炭素繊維束を裁断し、樹脂を含浸する直前に開繊化することにより、炭素繊維束への負担を減らすことができ、炭素繊維の毛羽立ちや破断を防止することができる。これにより、外観平滑性に優れた炭素繊維複合材料を製造することができる。
【００２５】
また、本発明の炭素繊維複合材料製造方法によれば、炭素繊維束の開繊化から開繊された炭素繊維束への樹脂含浸までを同一工程で連続して行うことにより、製造プロセスを合理化することができる。また、炭素繊維束を裁断し、樹脂を含浸する直前に開繊化することにより、炭素繊維への負担を減らすことができ、炭素繊維の毛羽立ちや破断を防止することができる。これにより、外観平滑性に優れた炭素繊維複合材料を製造することができる。
【００２６】
また、本発明の炭素繊維複合材料は、外観平滑性に優れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、説明する。参照する図面において、図１は、本発明の炭素繊維複合材料製造装置の全体構成図、図２（ａ）は、図１に示す開繊化手段部分の拡大図であって、炭素繊維束を開繊化する様子を示す図、（ｂ）は、開繊化手段の他の実施形態であって、炭素繊維束を開繊化する様子を示す図である。
【００２８】
炭素繊維複合材料製造装置１は、炭素繊維束ＣＦを送出するボビン１０と、開繊化手段２０Ａと、位置決め手段３０と、裁断手段４０と、樹脂含浸手段５０と、を主に有して構成されている。なお、以下の説明では、ボビン１０側を上流側とする。
【００２９】
ボビン１０は、炭素繊維束ＣＦを連続的に開繊化手段２０Ａへ送出するためのものであって、予め、炭素繊維束ＣＦが巻きつけられた状態で、炭素繊維複合材料製造装置１の上流側に、着脱自在に取り付けられている。また、ボビン１０は、図示しない駆動装置によって回転可能となっている。
【００３０】
ここで、炭素繊維束ＣＦに使用される炭素繊維は、一般的な炭素繊維、例えば、ＰＡＮ（ポリアクリルニトリル）系炭素繊維であって、サイジング剤の塗布量を１％前後とし、エポキシ系、ウレタン系などのサイジング剤を塗布することが望ましい。また、収束本数は、３０００〜２４０００本（３〜２４Ｋ）の範囲とすることが望ましいがこれに限定されるものではない。
【００３１】
図１および図２（ａ）に示すように、開繊化手段２０Ａは、ボビン１０から連続的に送出される炭素繊維束ＣＦの幅を広げて開繊化するためのものであって、球体状の開繊化部２１を有して形成されており、炭素繊維束ＣＦの通路に隣接して配置されている。開繊化手段２０Ａとしては、例えば、図２（ａ）に示すような球体状部材そのものを用いることができる。
【００３２】
開繊化部２１は、曲率Ｒを有し、曲率Ｒを１０．０〜２０．０ｍｍとして形成することが望ましい。曲率Ｒを１０．０ｍｍより小さくすると、炭素繊維束ＣＦが幅方向に裂けてしまい開繊化することができないためであり、曲率Ｒを２０．０ｍｍより大きくすると、曲率Ｒが不足してしまい炭素繊維束ＣＦを開繊化することができないためである。
【００３３】
開繊化部２１の表面粗さＲａ（μｍ）は、０．３以下であることが望ましく、炭素繊維束ＣＦとの接触抵抗を低減するために、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）やテフロン（登録商標）などのフッ素樹脂で表面を覆うなどによって表面の平滑性を向上させる処理を行うと、なお望ましい。表面粗さＲａ（μｍ）を０．３より大きくすると、接触抵抗が大きくなりすぎるため、炭素繊維束ＣＦの擦過により、毛羽立ちや破断が起こりやすくなるためである。
【００３４】
開繊化手段２０Ａの材質は、特に限定されず、鉄やアルミニウムや樹脂材料などから適宜選択することができる。
【００３５】
このように構成された開繊化手段２０Ａは、図２（ａ）に示すように、開繊化部２１で、下流側に向かって流れる炭素繊維束ＣＦの略中心部を押圧し、炭素繊維束ＣＦを幅方向に解きほぐすようにして、例えば、図２（ａ）の右側に示すように、シート状に開繊化する。なお、以下では、開繊化手段２０Ａにより開繊化された炭素繊維束ＣＦを炭素繊維シートＣＦＳとして説明する。
【００３６】
なお、開繊化手段２０Ａに限らず、例えば、図２（ｂ）に示す開繊化手段２０Ｂのような球体状の開繊化部２１ｂを有する金属製の長棒状部材としてもよい。開繊化部２１ｂの曲率Ｒは、送出方向に対して、略直角方向に規定される。
【００３７】
位置決め手段３０は、炭素繊維束ＣＦを整列させて開繊化手段２０Ａに送出するためのものであって、例えば、中空円筒状部材であり、開繊化手段２０Ａより上流側かつ同軸上に配置されている。
このような位置決め手段３０に炭素繊維束ＣＦを挿通させることにより、炭素繊維束ＣＦの幅方向の揺れを防止することができ、炭素繊維束ＣＦを開繊位置に導くことができる。
【００３８】
裁断手段４０は、炭素繊維シートＣＦＳを所定の長さに裁断するためのものであって、裁断手段４０と樹脂含浸手段５０の間に配置されている。
裁断手段４０は、例えば、左右に対向して配置されたロール４１、４１と、このロール４１、４１の外周面にそれぞれ所定間隔で取り付けられた複数のカッタ４２、４２・・・と、を有して構成されている。裁断手段４０のロール４１、４１をそれぞれ内側方向へ回転させて炭素繊維シートＣＦＳを巻き込み通過させながら、カッタ４２、４２・・・により炭素繊維シートＣＦＳを所定長さに裁断することができる。
【００３９】
なお、ボビン１０と、開繊化手段２０Ａと、位置決め手段３０と、裁断手段４０は、図示しないが、例えば、紙面奥側方向に複数配置されており、炭素繊維複合材料製造装置１は、複数本の炭素繊維束ＣＦを同時に開繊化し、炭素繊維シートＣＦＳを裁断することができる。
【００４０】
また、本実施形態の炭素繊維複合材料製造装置１には、各部材間に、走行中の炭素繊維束ＣＦおよび炭素繊維シートＣＦＳの張力を調整するためのガイドリールＧＲが、適宜設置されている。
このようなガイドリールＧＲの外周面に炭素繊維束ＣＦを当接させながら通過させることにより、炭素繊維束ＣＦに所定の張力が付与される。なお、張力は、例えば、５００Ｎ〜２０００Ｎの範囲とすることが望ましい。炭素繊維束ＣＦの張力を５００Ｎより小さくすると、炭素繊維束ＣＦが撓んでしまい、十分に開繊化することができないためであり、炭素繊維束ＣＦの張力を２０００Ｎより大きくすると、炭素繊維束ＣＦと開繊化部２１との摩擦力が大きくなりすぎてしまい、炭素繊維束ＣＦに毛羽立ちや破断が起こりやすくなるためである。
【００４１】
樹脂含浸手段５０は、裁断手段４０により裁断された炭素繊維シートＣＦＳに樹脂を含浸させるためのものであって、基材５１と、この基材５１に対向する位置に配置される基材５２と、基材５１、５２を送出する送出リール５３ａ、５３ｂと、押圧手段５４と、巻取リール５５と、を主に有して構成されている。
【００４２】
基材５１は、裁断手段４０の下方に略水平に配置されており、送出リール５３ａから送出されて略水平に走行している。基材５１は、走行中に、裁断された炭素繊維シートＣＦＳを順次載置する。
【００４３】
また、基材５１の送出リール５３ａの近傍には、樹脂ペーストＰ１とこれに隣接するブレード５６が配置されており、基材５１を走行させると、ブレード５６により、樹脂ペーストＰ１が基材５１の表面に薄く敷延されることで、基材５１の表面に樹脂が塗布されるようになっている。
【００４４】
基材５２は、基材５１の下流側の上方に配置され、送出リール５３ｂにより送出されて基材５１と逆流する方向に走行し、折り返し用リール５３ｃで折り返して向きを変え、基材５１に沿って同方向に走行する。
【００４５】
基材５２の送出リール５３ｂの近傍には、樹脂ペーストＰ２とこれに隣接する、ブレード５６が配置されており、基材５２を走行させると、ブレード５６により、樹脂ペーストＰ２が基材５２の表面に薄く敷延されることで、基材５２の表面に樹脂が塗布されるようになっている。
【００４６】
これによれば、基材５１、５２の表面に樹脂を塗布して走行させ、走行中、裁断手段４０で裁断されて降下した炭素繊維シートＣＦＳを基材５１の表面に載置し、この状態でさらに走行させると、基材５１と、基材５１に沿うようにして走行する基材５２とにより炭素繊維シートＣＦＳが挟まれる。
このような基材５１、５２としては、オレフィン系樹脂系素材のフィルムを用いることができる。
【００４７】
押圧手段５３は、炭素繊維シートＣＦＳに樹脂を含浸させるためのものであって、例えば、基材５１、２２を挟むように上下に配置された、例えば、図示しない駆動手段により上下動可能に構成されたロール状部材である。
【００４８】
押圧手段５３は、例えば、炭素繊維シートＣＦＳを挟んだ状態の基材５１と基材５２とを互いに近接させる方向に押圧して、炭素繊維シートＣＦＳに基材５１、５２の表面に塗布された樹脂を含浸させる。
【００４９】
なお、炭素繊維シートＣＦＳに含浸する樹脂ペーストＰ１、Ｐ２としては、例えば、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂およびそれらの変性物等が好適に用いられる。
【００５０】
また、炭素繊維シートＣＦＳへの樹脂の含浸性を向上させるため、樹脂ペーストＰ１、Ｐ２の含浸時粘度を、１０００〜４００００ｍＰａ・ｓの範囲とすることが望ましい。さらに、炭素繊維複合材料６０の外観平滑性の向上のために、フィラー（例えば、炭酸カルシウム）や、低収縮化成分（例えば、スチレンブタジエン系エラストマー、酢酸ビニル系エラストマーなど）を適宜添加することが望ましい。
【００５１】
巻取リール５５は、押圧手段５４で得られた炭素繊維複合材料６０を巻取・回収するためのものであって、押圧手段５４の下流側であって、合流した基材５１、５２の延長線上に配置されている。
【００５２】
このように構成された炭素繊維複合材料製造装置１による炭素繊維複合材料製造方法について、以下に説明する。参照する図面において、図３は、本発明の炭素繊維複合材料製造方法による炭素繊維複合材料製造手順を示すフローチャートである。図３に示すように、炭素繊維複合材料製造方法は、開繊化工程Ｓ１０と、裁断工程Ｓ２０と、樹脂含浸工程Ｓ３０と、を含んでなる。
【００５３】
［開繊化工程］
開繊化工程Ｓ１０は、図示しない駆動手段によりボビン１０を回転させ、ボビン１０に巻かれた炭素繊維束ＣＦを開繊化手段２０Ａに送出し、開繊化手段２０Ａの、球体状の開繊化部２１により炭素繊維束ＣＦの表面を押圧し、炭素繊維束ＣＦを幅方向に平坦化していくことで開繊化して炭素繊維シートＣＦＳとし、裁断手段４０に送出する。
［裁断工程］
裁断工程Ｓ２０は、開繊化工程Ｓ１０により製造された炭素繊維シートＣＦＳを裁断手段４０によって、所定の長さに裁断し、樹脂含浸手段５０に送出する。
［樹脂含浸工程］
樹脂含浸工程Ｓ３０は、裁断工程Ｓ２０により裁断された炭素繊維シートＣＦＳに、樹脂含浸手段５０によって樹脂を含浸させる。例えば、まず、樹脂含浸手段５０の基材５１、５２を走行させて、その表面に樹脂ペーストＰ１、Ｐ２を敷延する。そしてその上に、裁断工程Ｓ２０で裁断手段４０により裁断された炭素繊維シートＣＦＳが、走行する基材５１上に順次載置される。次いで、基材５１、５２で炭素繊維シートＣＦＳを挟み、この状態で、基材５１、５２を、押圧手段５４により互いに近接させる方向に押圧し、裁断された炭素繊維シートＣＦＳに基材５１、５２の表面に塗布された樹脂を含浸させて炭素繊維複合材料６０を製造する。製造された炭素繊維複合材料６０は、巻取リール５５に巻取・回収される。
【００５４】
本実施形態に係る炭素繊維複合材料製造装置１によれば、炭素繊維束ＣＦの開繊化と、開繊化された炭素繊維束ＣＦ（炭素繊維シートＣＦＳ）の裁断と、炭素繊維シートＣＦＳへの樹脂含浸と、が一連の動作で行われるため、炭素繊維シートＣＦＳを裁断し、樹脂を含浸させる直前に、すなわち、炭素繊維束ＣＦの巻取・送出を繰り返さずに、開繊化手段２０Ａにより炭素繊維束ＣＦを開繊化することができる。このため、炭素繊維束ＣＦへの負担を少なくすることができ、炭素繊維束ＣＦの損傷を防止することができる。これにより、開繊化された炭素繊維シートＣＦＳの毛羽立ちや破断を防止することができ、外観平滑性に優れた炭素繊維複合材料６０を製造することができる。
さらに、開繊化手段２０Ａは、球体状の開繊化部２１で炭素繊維束ＣＦに当接して、炭素繊維束ＣＦを開繊化するものであるため、炭素繊維束ＣＦと開繊化部２１との摩擦が小さくすることができ、炭素繊維束ＣＦへの負担をさらに低減させることができる。
【００５５】
また、本実施形態に係る炭素繊維複合材料製造方法によれば、開繊化工程Ｓ１０と裁断工程Ｓ２０と樹脂含浸工程Ｓ３０と、を含んでなるため、炭素繊維束ＣＦを、開繊化工程Ｓ１０で開繊化した直後に、裁断工程Ｓ２０で裁断し、樹脂含浸工程Ｓ３０で樹脂を含浸させることができる。このため、炭素繊維束ＣＦへの負担を少なくすることができ、炭素繊維束ＣＦの損傷を防止することができる。これにより、開繊された炭素繊維シートＣＦＳの毛羽立ちや破断を防止することができ、外観平滑性に優れた炭素繊維複合材料６０を得ることができる。
【実施例１】
【００５６】
（１）開繊化状態の評価
以下、本発明に係る炭素繊維複合材料製造装置１の開繊化手段２０Ａによる開繊化状態の評価実験結果について説明する。
本実験では、開繊化手段の開繊化部２１の曲率Ｒを、５ｍｍから２５ｍｍまで５ｍｍ単位で増加させ、それぞれについて、炭素繊維束の開繊化状態を評価した。
具体的には、条件Ｎｏ．１は、開繊化部の曲率を２５ｍｍとし、条件Ｎｏ．２は、開繊化部の曲率を２０ｍｍとし、条件Ｎｏ．３は、開繊化部の曲率を１５ｍｍとし、条件Ｎｏ．４は、開繊化部の曲率を１０ｍｍとし、条件Ｎｏ．５は、開繊化部の曲率を５ｍｍとし、開繊化した。
また、炭素繊維束ＣＦとしては、（１）東邦テナックス製のＨＴＡ−３Ｋ−Ｅ３０、（２）同ＨＴＡ−１２Ｋ−Ｅ３０、（３）同ＳＴＳ−２４Ｋ−Ｆ３０１を用いた。条件Ｎｏ．１〜Ｎｏ．５の一覧を下記表１に示す。
【００５７】
また、本実験では、アスペクト比を開繊化状態の評価指標とした。ここで、アスペクト比とは、炭素繊維束ＣＦの長さの直径に対する比を示すものである。アスペクト比が０．０１以下であれば、良好な開繊化状態であると評価することができる。
【００５８】
【表１】
【００５９】
表１に示す通り、条件Ｎｏ．１では、炭素繊維束（１）〜（３）のそれぞれにおいて、アスペクト比が０．０１以上となり、不適切な開繊化状態となった。条件Ｎｏ．２〜条件Ｎｏ．４では、炭素繊維束（１）〜（３）のそれぞれにおいて、アスペクト比が０．０１以下となり、良好な開繊化状態であった。条件Ｎｏ．５では、炭素繊維束ＣＦが幅方向に裂けてしまい（裂けＮＧ）、開繊化に失敗した。
以上のように、条件Ｎｏ．２〜条件Ｎｏ．４で良好な結果が得られた。
【実施例２】
【００６０】
（２）成形品とした場合における表面状態の確認
本実施形態の炭素繊維複合材料製造装置１により製造された炭素繊維複合材料６０を用いて炭素繊維複合材料成形品を試作し成形品の状態を評価した。また、本発明の要件を満たさないその他の方法で製造された炭素繊維複合材料を用いて試作した炭素繊維複合材料成形品と比較評価した。
【００６１】
実施例１は、本発明の炭素繊維複合材料製造装置１を用いて、前記した条件Nｏ．３で開繊化した炭素繊維シートを用い、炭素繊維複合材料を製造した。含浸させる樹脂は、一般的な高反応性ポリエステルに炭酸カルシウム９０ｐｈｒ（per hundred resin）を使用し、低収縮化材として、スチレンブタジエン系エラストマー６ｐｈｒを添加したものを使用した。
成形条件は、川崎油工製２００ｔプレスを用い、金型キャビティ寸法３００ｍｍに対して炭素繊維複合材料を１６０ｍｍに裁断したものを金型中央部に乗せ、金型温度を１４０℃とし、型締め圧力として１０ＭＰａを加えた状態で１８０秒間維持し、硬化させた。
【００６２】
比較例１は、炭素繊維として、東邦テナックス製のＨＴＡ−１２Ｋ−Ｅ３０を使用し、月島機械製ＳＭＣ（シートモールディングコンパウンド）含浸機を用いて樹脂を含浸させ、炭素繊維複合材料を製造した。含浸させる樹脂は、一般的な高反応性ポリエステルに炭酸カルシウム９０ｐｈｒ（per hundred resin）を使用し、低収縮化材として、スチレンブタジエン系エラストマー６ｐｈｒを添加したものを使用した。なお、比較例１では、炭素繊維束の開繊は行っていない。
成形条件は、実施例１と同様である。
【００６３】
比較例２は、炭素繊維として、東邦テナックス製のＨＴＡ−１２Ｋ−Ｅ３０を使用し、特開平１１−１７２５６２号公報に開示された開繊シート製造装置を用いてエア圧０．５ＭＰａ、送風スパン５０ｍｍ、繊維送出速度１ｍ／ｍｉｎで開繊化した。このようにして開繊された炭素繊維シートは、収束幅が１５ｍｍ、収束厚さが０．０６ｍｍであった。
次に、月島機械製ＳＭＣ（シートモールディングコンパウンド）含浸機を用いて樹脂を含浸させ、炭素繊維複合材料を製造した。含浸樹脂は、一般的な高反応性ポリエステルに炭酸カルシウム９０ｐｈｒ（per hundred resin）を使用し、低収縮化材として、スチレンブタジエン系エラストマー６ｐｈｒを添加したものを使用した。
成形条件は、実施例１と同様である。
【００６４】
比較例３は、ガラス繊維として、ガラスＣｌａｓｓ−Ａ ＳＭＣを使用し、日東紡製ＲＳ４８０ＰＫ６５０を使用して開繊化した。次に、月島機械製ＳＭＣ（シートモールディングコンパウンド）含浸機を用いて樹脂を含浸させ、炭素繊維複合材料を製造した。含浸させる樹脂は、一般的な高反応性ポリエステルに炭酸カルシウム９０ｐｈｒ（per hundred resin）を使用し、低収縮化材として、スチレンブタジエン系エラストマー６ｐｈｒを添加したものを使用した。
成形条件は、実施例１と同様である。
【００６５】
評価項目は、炭素繊維シートＣＦＳを樹脂含浸手段５０に供給した際の、炭素繊維シートＣＦＳの状態、成形品のＶｆ（％）と、成形品の密度（ｇ／ｃｍ３）と、成形品の表面粗さＲａ（μｍ）と、成形品の表面うねり（μｍ）と、成形品の外観平滑性についての外観目視判定である。炭素繊維シートＣＦＳは、目視観察し、破断の有無により合否を決定した。成形品のＶｆ（％）の評価方法は、ＪＩＳで定められた、硫酸による溶解法に準拠している。成形品の密度（ｇ／ｃｍ３）は、ＭＩＲＡＧＥ製ＳＤ−１２０Ｌを用いて測定した。成形品の表面粗さＲａ（μｍ）は、ミツトヨ製ＳＶ３０００ＣＮＣを用いて算出した。なお、成形品表面うねりは、成形品表面の任意の位置で５０ｍｍ測定し、波形の最大値（凸部）と最小値（凹部）の差の絶対値を算出し、７．0μｍ以下を合格とした。
【００６６】
前記のようにして製造された実施例１と比較例１〜３について、各評価項目について評価を行った。評価項目及び評価結果の一覧を下記表２に示す。
【００６７】
【表２】
【００６８】
実施例１は、本発明の要件を満たすので、各評価項目について合格基準を満たし、良好な結果が得られた。
比較例１〜３は、本発明の要件を満たさないので、各評価項目のいずれかについて合格基準を満たさなかった。
具体的には、比較例１では、炭素繊維束を開繊していないため、成形品の外観目視判定で、表面に凹凸が見られ不合格となった。比較例２では、炭素繊維束をエア開繊したため、含浸機に炭素繊維シートを供給する際に炭素繊維が破断してしまった。また、このため、表面に若干の凹凸が見られ不合格となった。比較例３では、強化繊維としてガラス繊維を用いたため、成形品の密度（ｇ／ｃｍ３）が合格基準値を超えてしまい不合格となった。
【００６９】
以上のように、本実施形態に係る炭素繊維複合材料製造装置１によれば、良好な炭素繊維複合材料６０を得ることができる。このため、自動車の外板パネルなどに広く利用することができる。
【００７０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の炭素繊維複合材料製造装置の全体構成図である。
【図２】図２（ａ）は、図１に示す開繊化手段部分の拡大図であって、炭素繊維束を開繊化する様子を示す図、（ｂ）は、開繊化手段の他の実施形態であって、炭素繊維束を開繊化する様子を示す図である。
【図３】本発明の炭素繊維複合材料製造方法による炭素繊維複合材料製造手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７２】
１ 炭素繊維複合材料製造装置
１０ ボビン
２０ 開繊化手段
３０ 位置決め手段
４０ 裁断手段
５０ 樹脂含浸手段
６０ 炭素繊維複合材料
ＣＦ 炭素繊維束
ＣＦＳ 炭素繊維シート
Ｓ１０ 開繊化工程
Ｓ２０ 裁断工程
Ｓ３０ 樹脂含浸工程
【特許請求の範囲】
【請求項１】
巻き付けられた炭素繊維束を自転により連続的に送出するボビンと、
当該ボビンから送出された前記炭素繊維束を幅方向に平坦化して開繊化するための開繊化手段と、
開繊化された前記炭素繊維束を裁断する裁断手段と、
当該裁断手段に連続して配置され、裁断された前記炭素繊維束に樹脂を含浸させる樹脂含浸手段と、を備えた
ことを特徴とする炭素繊維複合材料製造装置。
【請求項２】
前記開繊化手段は、前記炭素繊維束が当接する球体状の開繊化部を有し、当該開繊化部の曲率Ｒを１０．０〜２０．０ｍｍとしたことを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維複合材料製造装置。
【請求項３】
前記ボビンと前記開繊化手段の間に、前記炭素繊維束を整列させて前記開繊化手段に送出するための位置決め手段をさらに備えた
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の炭素繊維複合材料製造装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の炭素繊維複合材料製造装置を用いた炭素繊維複合材料製造方法であって、
前記炭素繊維束を前記ボビンから前記開繊化手段へ送出し、当該開繊化手段で前記炭素繊維束を開繊化する開繊化工程と、
開繊化された前記炭素繊維束を裁断する裁断工程と、
裁断された前記炭素繊維束に樹脂を含浸させる樹脂含浸工程と、
を備えることを特徴とする炭素繊維複合材料製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の炭素繊維複合材料製造方法により製造されたことを特徴とする炭素繊維複合材料。
【請求項１】
巻き付けられた炭素繊維束を自転により連続的に送出するボビンと、
当該ボビンから送出された前記炭素繊維束を幅方向に平坦化して開繊化するための開繊化手段と、
開繊化された前記炭素繊維束を裁断する裁断手段と、
当該裁断手段に連続して配置され、裁断された前記炭素繊維束に樹脂を含浸させる樹脂含浸手段と、を備えた
ことを特徴とする炭素繊維複合材料製造装置。
【請求項２】
前記開繊化手段は、前記炭素繊維束が当接する球体状の開繊化部を有し、当該開繊化部の曲率Ｒを１０．０〜２０．０ｍｍとしたことを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維複合材料製造装置。
【請求項３】
前記ボビンと前記開繊化手段の間に、前記炭素繊維束を整列させて前記開繊化手段に送出するための位置決め手段をさらに備えた
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の炭素繊維複合材料製造装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の炭素繊維複合材料製造装置を用いた炭素繊維複合材料製造方法であって、
前記炭素繊維束を前記ボビンから前記開繊化手段へ送出し、当該開繊化手段で前記炭素繊維束を開繊化する開繊化工程と、
開繊化された前記炭素繊維束を裁断する裁断工程と、
裁断された前記炭素繊維束に樹脂を含浸させる樹脂含浸工程と、
を備えることを特徴とする炭素繊維複合材料製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載の炭素繊維複合材料製造方法により製造されたことを特徴とする炭素繊維複合材料。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００８−２５４１９１（Ｐ２００８−２５４１９１Ａ）
【公開日】平成２０年１０月２３日（２００８．１０．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−９５３５６（Ｐ２００７−９５３５６）
【出願日】平成１９年３月３０日（２００７．３．３０）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月２３日（２００８．１０．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月３０日（２００７．３．３０）
【出願人】（０００００５３２６）本田技研工業株式会社 (23,863)
【Ｆターム（参考）】
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