繊維強化樹脂シートの製造装置及びその製造方法
【課題】これまでに比べ、より短い時間かつ安価に、マトリクス樹脂を強化繊維基材内部に均一に含浸することができる繊維強化樹脂シートの製造装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】繊維強化樹脂シートを製造する製造装置は、含浸ロール１０に熱可塑性樹脂Ｐを加圧して供給する樹脂供給部３１と、含浸ロール１０を回転駆動させるモータ３２とを備える。含浸ロール１０は、軸芯ＣＬ周りの回転方向に対して固定されると共に樹脂供給部３１に接続された内筒部１１と、内筒部１１を内部に内挿すると共に、モータ３２に連結された外筒部１２と、を備える。内筒部１１には搬送方向Ｌの上流側に向った周方向の位置に、第１のスリット１１が形成されており、外筒部１２には、軸方向に沿って形成された複数の第２のスリットが、周方向に等間隔に設けられている。
【解決手段】繊維強化樹脂シートを製造する製造装置は、含浸ロール１０に熱可塑性樹脂Ｐを加圧して供給する樹脂供給部３１と、含浸ロール１０を回転駆動させるモータ３２とを備える。含浸ロール１０は、軸芯ＣＬ周りの回転方向に対して固定されると共に樹脂供給部３１に接続された内筒部１１と、内筒部１１を内部に内挿すると共に、モータ３２に連結された外筒部１２と、を備える。内筒部１１には搬送方向Ｌの上流側に向った周方向の位置に、第１のスリット１１が形成されており、外筒部１２には、軸方向に沿って形成された複数の第２のスリットが、周方向に等間隔に設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強化繊維基材とマトリクス樹脂とを一対の含浸ロール間に導入し、強化繊維基材にマトリクス樹脂を好適に含浸することができる繊維強化樹脂材の製造装置及び繊維強化樹脂シートの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、強化繊維にマトリクス樹脂を含浸した繊維強化樹脂材（ＦＲＰ）は、金属材料に比べて軽量であり、樹脂材料に比べて高強度であるので、車両用部材等の適用に注目されている材料である。
【０００３】
このような繊維強化樹脂材は、連続した長繊維などの強化繊維からなる強化繊維基材を用いて、この強化繊維基材に予めマトリクス樹脂を含浸した繊維強化樹脂シート（プリプレグシート）として使用されるのが一般的である。
【０００４】
このような繊維強化樹脂シートを製造する技術として、例えば、開繊した強化繊維基材の表面に、マトリクス樹脂の粉体を付着させ、これを加熱ローラにより加熱・加圧する技術（例えば、特許文献１参照）や、この粉体（粉末）を有機溶媒に分散させ、これを強化繊維に付着して、これをローラにより加熱・加圧する技術（例えば、特許文献２参照）などが提案されている。また、この他にもシート状のマトリクス樹脂とシート状の強化繊維基材とをロール間に導入しながらこれらを加熱及び加圧する技術（例えば、特許文献３）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２７８２１８号公報
【特許文献２】特開２００５−２３９８４３公報
【特許文献３】特開平１１−１１４９５３公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の製造装置を用いた場合、強化繊維基材に付着するマトリクス樹脂の形態は粉体であるので、強化繊維基材への付着量を管理にし難く、強化繊維基材へのマトリクス樹脂の付着量にばらつきが出易くなる。また、粉体が付着した強化繊維基材を加熱ロールで挟圧したとしても、強化繊維基材の内部に入り込んだ粉体に熱が届かないこともあり、均質にマトリクス樹脂が含浸されない場合がある。
【０００７】
この点を鑑みると、特許文献２に記載の製造装置を用い場合、有機溶媒に分散した粉体（粉末）を用いて含浸するので、上記装置を用いた場合に比べて、付着量のばらつきを抑え、均質にマトリクス樹脂を含浸させることができる。しかしながら、粉体を有機溶媒に分散する工程、及び有機溶媒を強化繊維基材から揮発させる工程が必要となり、工程が煩雑となり、これまでのものに比べて製造時間が長くなる傾向にある。
【０００８】
一方、特許文献３に記載の製造装置を用いた場合、シート状のマトリクス樹脂を強化繊維基材に充分に含浸させるためには、複数の一対ロールで連続して加熱しながら挟圧する必要がある。このため、上述したものに比べて、多くの加熱・加圧が必要となり、製造コストが増加する傾向にある。さらに、ＰＰなどの熱可塑性樹脂は、溶融状態でも粘度が高いため、仮にシート状に溶融した熱可塑性樹脂を強化繊維基材と共に加圧しても、充分に含浸できないことがある。
【０００９】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、未硬化の熱硬化性樹脂ばかりでなく、たとえ粘度の高い熱可塑性樹脂のようなマトリクス樹脂であっても、これまでの装置を用いた場合に比べてより短い時間かつ安価に、これを強化繊維基材内部に均一に含浸することができる繊維強化樹脂シートの製造装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決すべく、本発明に係る繊維強化樹脂シートの製造装置は、一対の含浸ロール間に向って搬送されるシート状の強化繊維基材を、前記一対の含浸ロールを回転させながら該含浸ロール間でマトリクス樹脂と共に挟圧することにより、該マトリクス樹脂を前記強化繊維基材に含浸して繊維強化樹脂シートを製造することを前提として、以下の特徴部分を有する。
【００１１】
すなわち、本発明に係る繊維強化樹脂シートの製造装置は、各含浸ロールに前記マトリクス樹脂を加圧して供給する樹脂供給部と、前記各含浸ロールを回転駆動させる回転駆動部とを備えており、前記一対の含浸ロールは、軸芯周りの回転方向に対して固定されると共に、前記マトリクス樹脂が内部に充填されるように前記樹脂供給部に接続された内筒部と、該内筒部を内部に内挿すると共に、軸芯周りに回転するように前記回転駆動部に連結された外筒部と、を少なくとも備えており、前記内筒部には、前記内部に供給されたマトリクス樹脂が、前記一対の含浸ロールから前記強化繊維基材の搬送方向の上流側に向って吐出される周方向の位置に、第１のスリットが軸方向に沿って形成されており、前記外筒部には、軸方向に沿って形成された複数の第２のスリットが、周方向に等間隔に設けられていることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明によれば、樹脂供給部により、強化繊維基材に含浸するためのマトリクス樹脂を加圧して、一対の含浸ロールの内筒部に供給する。マトリクス樹脂が熱硬化性樹脂である場合には、未硬化の熱硬化性樹脂を供給し、熱可塑性樹脂の場合には、加熱して軟化した熱可塑性樹脂を供給することができる。
【００１３】
そして、回転駆動部により、一対の含浸ロールの外筒部を回転させる。軸芯周りの回転方向に対して内筒部が固定されているので、内部に供給されたマトリクス樹脂が、搬送方向の上流側の一定方向に、第１のスリットを介して吐出される。さらに、内筒部から吐出されたマトリクス樹脂は、第１及び第２のスリットが一致したときに、回転している外筒部の第２のスリットを介して前記上流側の一定方向に吐出される。
【００１４】
このような状態で、一対の含浸ロール間に向って搬送されるシート状の強化繊維基材のうち、これら含浸ロールから上流側の強化繊維基材（すなわち、一対の含浸ロール間に導入される直前の強化繊維基材）の幅方向に沿った表面にマトリクス樹脂を断続的に供給することができる。
【００１５】
そして、マトリクス樹脂の供給の直後に、含浸ロールの回転により、マトリクス樹脂が供給された強化繊維基材が一対の含浸ロール間に導かれ、一対の含浸ロールの外筒部で挟み込んで加圧される（挟圧される）。これにより、強化繊維基材にマトリクス樹脂が含浸された繊維強化樹脂シートを製造することができる。
【００１６】
このように、マトリクス樹脂の供給直後にマトリクス樹脂を強化繊維基材に含浸するので、特に、融点以上に溶融した熱可塑性樹脂を用いる場合には、含浸までの間の温度低下に伴う溶融粘度の急激な上昇前に、熱可塑性樹脂を強化繊維基材に含浸することができる。
【００１７】
このような結果、未硬化の熱硬化性樹脂ばかりでなく、たとえ粘度の高い熱可塑性樹脂のようなマトリクス樹脂であっても、これまでの装置を用いた場合に比べて短い時間で、これを強化繊維基材内部に均一に含浸することができる。
【００１８】
また、内筒部に供給されたマトリクス樹脂は、強化繊維基材に充分に含浸することができる程度の粘度を有していればよく、特に、マトリクス樹脂に熱可塑性樹脂を用いた場合、樹脂供給部において粘度が低くなるように加熱されていればよい。しかしながら、より好ましい態様として、本発明に係る製造装置は、前記内筒部の内部及び外筒部の内部の少なくとも一方に、前記マトリクス樹脂を加熱するためのヒータが設けられている。
【００１９】
この態様によれば、このようなヒータを用いることにより、含浸ロールから吐出されるマトリクス樹脂を加熱して、この粘度を低下させることができる。これにより、強化繊維基材へのマトリクス樹脂の含浸をさらに高めることができる。特に、外筒部の内部にヒータを配置すれば、第２のスリットから吐出直前のマトリクス樹脂を加熱することができる。
【００２０】
また、マトリクス樹脂に熱可塑性樹脂を用い、これが結晶性ポリマである場合には、少なくとも熱可塑性樹脂の融点以上、非結晶性ポリマである場合には、少なくともガラス転移点以上に、ヒータの温度を設定すれば、含浸ロールからの吐出前の熱可塑性樹脂の粘度を下げるばかりでなく、このヒータの熱が外筒部に伝達されるため、含浸ロールから吐出後に一対の含浸ロール間に導入された熱可塑性樹脂の粘度を、再び下げることができる。このようにして、強化繊維基材内部への熱可塑性樹脂の含浸をより高めることができる。
【００２１】
さらに、マトリクス樹脂が強化繊維基材に均一に含浸することができるのであれば、一対の含浸ロールから上流側及び下流側に配置される装置は特に限定されるものではない。例えば、より含浸し易く、得られた繊維強化樹脂シートの強度を効率的に高めるために、上流側に、強化繊維が均一に分散した、より薄いシート状の強化繊維基材であることが好ましい。このような場合、上流側に強化繊維基材を開繊する開繊装置が配置されてもよい。また、繊維強化樹脂シートの取り扱い性を向上させるために、下流側に、繊維強化樹脂シートを巻き取るための巻き取り装置が配置されていてもよい。
【００２２】
さらに、より好ましい態様としては、前記一対の含浸ロールから前記搬送方向の下流側には、前記マトリクス樹脂が含浸された前記強化繊維基材を挟圧しながら加熱する一対の加熱ロールが配置されている。
【００２３】
このような態様によれば、加熱ロールにより、第２のスリット部分により充分に加圧できなかったマトリクス樹脂の部分を強化繊維基材の繊維内に確実に含浸できるばかりでなく、強化繊維基材の表面のマトリクス樹脂を平滑にすることもできる。
【００２４】
また、好ましい態様としては、前記樹脂供給部は、前記内筒部に供給されるマトリクス樹脂の圧力が調整可能であり、前記回転駆動部は、前記外筒の回転する回転速度の調整が可能である。
【００２５】
このような態様によれば、前記樹脂供給部により前記内筒部に供給されるマトリクス樹脂の加圧する圧力を調整し、かつ、前記回転駆動部により前記外筒部の回転する回転速度を調整することにより、前記強化繊維基材の単位面積あたりに供給されるマトリクス樹脂の供給量を精度良くコントロールすることができる。
【００２６】
本願では、上述した製造装置を用いて好適に繊維強化樹脂シートを製造することができる製造方法をも開示する。本発明に係る繊維強化樹脂シートの製造方法は、一対の含浸ロール間に向って搬送されるシート状の強化繊維基材を、前記一対の含浸ロールを回転させながら該含浸ロール間でマトリクス樹脂と共に挟圧することにより、該マトリクス樹脂を前記強化繊維基材に含浸して繊維強化樹脂シートを製造する製造方法であって、前記一対の含浸ロールを回転させる共に、該一対の含浸ロールから前記強化繊維基材の搬送方向の上流側に向って、前記一対の含浸ロールの内部で加圧されたマトリクス樹脂を、前記内部から前記強化繊維基材の幅方向に沿った表面に供給し、前記マトリクス樹脂が供給された強化繊維基材を、前記一対の含浸ロールの回転により、該一対の含浸ロール間に導入して、前記強化繊維基材と前記マトリクス樹脂とを一対の含浸ロール間で挟圧しながら前記マトリクス樹脂を前記強化繊維基材に含浸することを特徴とする。
【００２７】
本発明によれば、一対の含浸ロール間に向って搬送されるシート状の強化繊維基材のうち、一対の含浸ロール間に導入される直前の強化繊維基材の表面にマトリクス樹脂を供給することができる。そして、このマトリクス樹脂の供給の直後に、含浸ロールの回転により、マトリクス樹脂が供給された強化繊維基材が一対の含浸ロール間に導かれ、一対の含浸ロールで加圧される。これにより、強化繊維基材にマトリクス樹脂が均一に含浸された繊維強化樹脂シートを短時間で製造することができる。
【００２８】
なお、本発明にいう「繊維強化樹脂シート」とは、シート状ばかりでなく、フイルム状、またはテープ状の繊維強化樹脂材をも含むものである。また、この繊維強化樹脂材とは、強化繊維と、この強化繊維に含浸されたマトリクス樹脂とを含む複合材であり、強化繊維と合わせて所定の強度を保つことができるのであれば、特にこれらの種類は限定されるものではない。
【００２９】
本発明にいう「強化繊維基材」とは、強化繊維からなる基材であり、例えば、一方向に連続繊維が引き揃えられたマルチフィラメントからなる基材、強化繊維を多軸に積層した基材、布状繊維からなる基材いずれであってもよい。布状繊維の場合には、織布、不織布いずれであってもよく、織布である場合には、その織り方としては、平織、綾織、朱子織などの織組織いずれであってもよい。
【００３０】
さらに、強化繊維は、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、スチール繊維、ＰＢＯ繊維、又は高強度ポリエチレン繊維などの繊維が挙げることができ、繊維強化樹脂シートの機械的強度を強化するための樹脂強化用の繊維であればと特に限定されるものはない。
【００３１】
マトリクス樹脂は、熱可塑性樹脂、又は熱硬化性樹脂を使用できる。熱可塑性樹脂としては、結晶性熱可塑性樹脂や非結晶性熱可塑性樹脂を使用でき、例えば、ナイロン系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリプロピレン系樹脂などのオレフィン系樹脂、アクリル系樹脂、またはＡＢＳ系樹脂等を挙げることができる。熱硬化性樹脂としては、例えばビニルエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、繊維強化樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂等を挙げることができる。
【００３２】
しかしながら、前記マトリクス樹脂は、熱可塑性樹脂であることが好ましく、該マトリクス樹脂を前記一対の含浸ロールの内部で、前記熱可塑性樹脂の融点以上の温度に加熱することがより好ましい。なお、非結晶性熱可塑性樹脂（非結晶性ポリマ）の場合は、ガラス転移点以上であればよい。
【００３３】
このような態様によれば、融点以上の温度に加熱して溶融したマトリクス樹脂を強化繊維基材に供給し、マトリクス樹脂の供給直後に一対の含浸ロール間で加熱・加圧してマトリクス樹脂を強化繊維基材に含浸するので、供給から含浸までの間の温度低下に伴う、熱可塑性樹脂の溶融粘度の急激な上昇前に、熱可塑性樹脂を強化繊維基材に含浸することができる。
【００３４】
さらに、より好ましい態様としては、前記一対の含浸ロールから前記搬送方向の下流側において、前記マトリクス樹脂が含浸された前記強化繊維基材を挟圧しながら加熱する。これにより、強化繊維基材に含浸されたマトリクス樹脂をより確実に繊維内に含浸させることができる。
【００３５】
また、より好ましくは、前記一対の含浸ロールの内部のマトリクス樹脂の圧力を調整し、かつ、前記一対の含浸ロールの回転速度を調整することにより、前記強化繊維基材の単位面積あたりに供給されるマトリクス樹脂の供給量を調整することがより好ましい。
【００３６】
本発明によれば、マトリクス樹脂の加圧する圧力を調整することにより、含浸ロールから吐出されるマトリクス樹脂の吐出量を調整することができ、さらに、含浸ロールの回転速度を調整することにより、強化繊維基材に供給されるマトリクス樹脂の量を調整することができる。このようにして、前記強化繊維基材の単位面積あたりに吐出されるマトリクス樹脂の量（目付量）を精度よく調整することができる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、未硬化の熱硬化性樹脂ばかりでなく、たとえ粘度の高い熱可塑性樹脂のようなマトリクス樹脂であっても、これまでの装置を用いた場合に比べてより短い時間で、これを強化繊維基材内部に均一に含浸することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態に係る繊維強化樹脂シートの製造装置の模式的斜視図。
【図２】図１に示す一対の含浸ロールの模式的分解斜視図。
【図３】図１に示す一対の含浸ロールの第１スリットを含む軸方向に沿った模式的断面図。
【図４】図１に示す一対の含浸ロールにより含浸方法を説明するための模式的断面図。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、図面を参照して、本発明に係る本実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る繊維強化樹脂シートの製造装置の模式的斜視図であり、図２は、図１に示す一対の含浸ロールの模式的分解斜視図である。図３は、図１に示す一対の含浸ロールの第１スリットを含む軸方向に沿った模式的断面図、図４は、図１に示す一対の含浸ロールにより含浸方法を説明するための模式的断面図である。
【００４０】
図１に示すように、本実施形態に係る繊維強化樹脂シートの製造装置１は、１対の含浸ロール１０，１０間に向って搬送されるシート状の強化繊維基材Ｆを、一対の含浸ロール１０、１０を回転させながら、マトリクス樹脂である熱可塑性樹脂Ｐと共に含浸ロール１０，１０で挟み込んで加圧するものである。これにより、熱可塑性樹脂Ｐを強化繊維基材Ｆに含浸して、繊維強化樹脂シートＳが製造される。
【００４１】
製造装置１は、図１に示すように、一対の含浸ロール１０，１０を備えており、一対の含浸ロール１０，１０は、熱可塑性樹脂Ｐを強化繊維基材Ｆに供給することと、熱可塑性樹脂Ｐを強化繊維基材Ｆに含浸することとを兼用したロールである。
【００４２】
このような熱可塑性樹脂Ｐの供給及び含浸を行うために、樹脂供給部（例えば押出し成形機）３１と、回転駆動部（モータ）３２とを備えている。樹脂供給部３１は、各含浸ロール１０に熱可塑性樹脂Ｐを融点以上に加熱して軟化させ、この軟化した熱可塑性樹脂Ｐを加圧して、各含浸ロール１０に供給するように構成されている。
【００４３】
さらに、樹脂供給部３１には、含浸ロール１０に供給される熱可塑性樹脂Ｐの圧力を調整する圧力調整機構（例えばシリンダとピストンとを組合せた機構の場合、ピストンの推力及び速度を調整する機構）が設けられている。これにより、含浸ロール１０内(具体的には後述する内筒部１１内）の熱可塑性樹脂Ｐの圧力を調整することができる。一方、回転駆動部３２は、各含浸ロール１０を回転駆動させるように、各含浸ロール１０（具体的には後述する外筒部１２）に接続されている。
【００４４】
そして、図２に示すように、各含浸ロール１０は、内筒部１１と、これを内挿した外筒部１２とを備えている。内筒部１１は、図３に示すように、含浸ロール１０の軸芯ＣＬ周りに回転しないように、回転方向に対して一端側の軸部１１ｃで固定されている。内筒部１１の他端側の軸部１１ｄは、ベアリング１４ａを介して、外筒部１２に支承されている。内筒部１１の側壁の樹脂供給口１１ｂには、加圧及び加熱された熱可塑性樹脂Ｐが内筒部１１の内部Ｓ１に充填されるように、樹脂供給部３１に接続されている。
【００４５】
また、図１及び図２に示すように、内筒部１１には、内部Ｓ１に供給された熱可塑性樹脂Ｐが、一対の含浸ロール１０，１０から強化繊維基材Ｆの搬送方向Ｌの上流側に向って吐出することができる周方向の位置に、第１のスリット１１ａが軸方向に沿って形成されている。
【００４６】
一方、図３に示すように、外筒部１２は、その胴部において内挿された内筒部１１にベアリング１４ｂを介して支承されており、軸部１２ｃでは、ベアリング１８を介してハウジング等（図示せず）に支承されている。さらに、軸部１２ｃは、外筒部１２のみが回転駆動できるようにモータ３２に連結されている。
【００４７】
外筒部１２には、軸方向に沿って形成された複数の第２のスリット１２ａ，１２ａ…が、周方向に等間隔に設けられている。第１及び第２のスリットは、周方向幅１〜２ｍｍ程度であり、軸方向幅は、強化繊維基材Ｆの幅に致して１〜２ｍｍ程度である。また、回転時にこれらのスリットが、略一致するように、内筒部１１と外筒部１２とが配置されている。なお、内筒部１１と外筒部１２との周方向のクリアランスは、第１及び第２のスリットの周方向幅１〜２ｍｍよりも狭くなっており、これにより、内筒部１１から吐出される樹脂が、外筒部１２の内周面に回り込み難くなる。
【００４８】
外筒部１２の内部Ｓ２及び内筒部１１の内部Ｓ１には、樹脂供給部３１により供給された熱可塑性樹脂Ｐを加熱するためのヒータ１７ａ，１７ｂが周方向に等間隔で内蔵されており（図３及び図４参照）、これらのヒータ１７ａ，１７ｂは、電源３３からの電流Ｉが通電されることにより発熱するように、電源３３に接続されている。
【００４９】
なお、電源３３は、可変抵抗等を備えることでヒータ１７ａ，１７ｂに通電する電流Ｉを調整し、これによりヒータ１７ａ，１７ｂの発熱温度（加熱温度）が調整できるようになっている。また、モータ３２は、回転速度を調整するためのインバータ等を備えることにより、外筒部１２の回転速度を調整することが可能となっている。
【００５０】
製造装置１は、一対の含浸ロール１０，１０から搬送方向Ｌの上流側に、一方向に引き揃えられた強化繊維束である強化繊維基材Ｆ（マルチフィラメント）を開繊する開繊装置（図示せず）を備えている。これにより、繊維強化樹脂シートＳ内の強化繊維の分布を均一化すると共に、強化繊維基材Ｆに熱可塑性樹脂Ｐを好適に含浸することができる。
【００５１】
さらに、一対の含浸ロール１０から搬送方向Ｌの下流側には、熱可塑性樹脂Ｐが含浸された強化繊維基材Ｆを挟圧しながら加熱する加熱ロール２０，２０を備えている。各加熱ロール２０には、ヒータ（図示せず）が内蔵されており、このヒータに電流ｉを通電して発熱させるための電源３４が接続されている。
【００５２】
このようにして、構成された製造装置１を用いて、繊維強化樹脂シートＳを製造する方法を以下に説明する。
【００５３】
まず、一方向に引き揃えられた、例えば炭素繊維からなる強化繊維基材Ｆを開繊装置を用いて開繊する。この開繊方法は特に限定されるものではなく、たとえば空気による開繊、超音波による開繊などを挙げることができる。これにより、シート状の強化繊維基材Ｆの強化繊維を、幅方向に均一に分布させて、その厚みを薄くすることができる。
【００５４】
一方、樹脂供給部３１により、強化繊維基材Ｆに含浸するための例えばＰＰやナイロンなどの熱可塑性樹脂Ｐを融点以上に加熱して軟化させ、この軟化した熱可塑性樹脂Ｐの圧力調整を行いながら加圧して、各含浸ロール１０の内筒部１１の内部Ｓ１に予め加圧状態で供給する。
【００５５】
この際、熱可塑性樹脂Ｐの融点以上の温度になるように、電源３３を用いて電流を調整し、調整した電流Ｉをヒータ１７ａ，１７ｂに通電する。また、加熱ロール２０，２０も、同様に電源３４を用いて、ロール表面が熱可塑性樹脂Ｐの融点以上の温度になるように、電流ｉを通電する。このような状態で各モータ３２，３６を回転駆動させて、含浸ロール１０及び加熱ロール２０を駆動させる。
【００５６】
なお、モータ３２は、後述する熱可塑性樹脂Ｐの単位時間あたりの吐出量に応じて、最適な熱可塑性樹脂Ｐの供給量となるように、内筒部１１の内部Ｓ１の熱可塑性樹脂Ｐの圧力に基づいて回転速度を調整する。
【００５７】
そして、モータ３２により、一対の含浸ロール１０，１０の外筒部１２，１２を回転し、軸芯ＣＬ周りの回転方向に対して内筒部１１が固定されているので、内筒部１１の内部Ｓ１に供給された熱可塑性樹脂Ｐが、搬送方向Ｌの上流側の一定方向に、第１のスリット１１ａを介して吐出される。そして、定位置に固定された第１のスリット１１ａと、外筒部１２の回転により軸芯周りを移動する第２のスリットが一致したときに、内筒部１１から吐出された熱可塑性樹脂Ｐが、回転している外筒部１２の第２のスリット１２ａを介して、上流側の一定方向に吐出される（図４参照）。
【００５８】
このような状態で、開繊されたシート状の強化繊維基材Ｆを、一対の含浸ロール１０，１０間に向って搬送する。このとき、含浸ロール１０、１０から上流側の強化繊維基材Ｆ（すなわち、一対の含浸ロール１０，１０間に導入される直前の強化繊維基材Ｆ）の幅方向に沿った表面に、熱可塑性樹脂Ｐが断続的に供給される。
【００５９】
また、熱可塑性樹脂Ｐの供給の直後に、モータの回転駆動により含浸ロール１０，１０の回転により、熱可塑性樹脂Ｐが供給された強化繊維基材Ｆが一対の含浸ロール１０，１０間に導かれ、一対の含浸ロール１０，１０の外筒部１２，１２で挟み込んで加圧される（挟圧される）。これにより、強化繊維基材Ｆに熱可塑性樹脂Ｐが均一に含浸された繊維強化樹脂シートＳを製造することができる。
【００６０】
さらに、樹脂供給部３１により内筒部１１に供給される熱可塑性樹脂Ｐの圧力を調整し、かつ、モータ３２により外筒部１２の回転する回転速度を調整することにより、強化繊維基材Ｆの単位面積あたりに供給される熱可塑性樹脂Ｐの供給量を精度良くコントロールすることができる。
【００６１】
このように、熱可塑性樹脂Ｐの融点以上の温度に加熱して溶融した熱可塑性樹脂Ｐを強化繊維基材Ｆに供給し、熱可塑性樹脂Ｐの供給直後に一対の含浸ロール間で加熱・加圧して熱可塑性樹脂Ｐを強化繊維基材Ｆに含浸するので、供給から含浸までの間の温度低下に伴う、熱可塑性樹脂Ｐの溶融粘度の上昇前に、熱可塑性樹脂Ｐを強化繊維基材Ｆに含浸することができる。
【００６２】
また、外筒部１２の内部Ｓ２にヒータ１７ａを配置しているので、第２のスリット１２ａから吐出直前の熱可塑性樹脂Ｐの粘度上昇を抑制でき、ヒータ１７ｂの熱ばかりでなく、ヒータ１７ａの熱を外筒部１２にも直接的に伝達することができる。これにより、含浸ロール１０から吐出後に一対の含浸ロール１０，１０間に導入された熱可塑性樹脂Ｐの粘度を、再び下げることができる。このようにして、強化繊維基材内部への熱可塑性樹脂の含浸をより高めることができる。
【００６３】
さらに含浸後には、一対の加熱ロール２０，２０により、第２のスリット１２ａにより充分に加圧できなかった熱可塑性樹脂Ｐの部分を強化繊維基材Ｆの繊維内に確実に含浸できるばかりでなく、強化繊維基材Ｆの表面にある熱可塑性樹脂Ｐを平滑にすることもできる。
【００６４】
以上のようにして、未硬化の熱硬化性樹脂ばかりでなく、たとえ粘度の高い熱可塑性樹脂Ｐのようなマトリクス樹脂であっても、これまでの装置を用いた場合に比べて短い時間で、これを強化繊維基材内部に均一に含浸することができ、製造コストの安価化を図ることができる。
【００６５】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【００６６】
例えば、各含浸ロールには、軟化して溶融した熱可塑性樹脂の温度、及び圧力を測定する測定計を設けてもよい。また、熱可塑性樹脂を繊維強化基材に含浸できるのであれば、ロール間のギャップを所定の大きさにしてこれらを通過してもよく、一対の含浸ロール同士、一対の加熱ロール同士を押付けるように、両端から加圧するための油圧または水圧式の加圧機構（ピストンとシリンダ）をさらに設けてもよく、熱可塑性樹脂及び繊維強化基材の加圧方法は特に限定さられるものではない。
【符号の説明】
【００６７】
１：繊維強化樹脂シートの製造装置、１０：含浸ロール、１１：内筒部、１１ａ：第１のスリット、１１ｃ，１１ｄ：軸部、１２：外筒部、１２ａ：第２のスリット、１１ｂ：樹脂供給口、１２ｃ：軸部、１４：ベアリング、１７ａ，１７ｂ：ヒータ、１８：ベアリング、２０：加熱ロール、３１：樹脂供給部、３２：モータ（回転駆動部）、３３，３４：電源、ＣＬ：軸芯、Ｆ：強化繊維基材、Ｐ：熱可塑性樹脂、Ｓ：繊維強化樹脂シート、Ｓ１：内筒部の内部、Ｓ２：外筒部の内部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強化繊維基材とマトリクス樹脂とを一対の含浸ロール間に導入し、強化繊維基材にマトリクス樹脂を好適に含浸することができる繊維強化樹脂材の製造装置及び繊維強化樹脂シートの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、強化繊維にマトリクス樹脂を含浸した繊維強化樹脂材（ＦＲＰ）は、金属材料に比べて軽量であり、樹脂材料に比べて高強度であるので、車両用部材等の適用に注目されている材料である。
【０００３】
このような繊維強化樹脂材は、連続した長繊維などの強化繊維からなる強化繊維基材を用いて、この強化繊維基材に予めマトリクス樹脂を含浸した繊維強化樹脂シート（プリプレグシート）として使用されるのが一般的である。
【０００４】
このような繊維強化樹脂シートを製造する技術として、例えば、開繊した強化繊維基材の表面に、マトリクス樹脂の粉体を付着させ、これを加熱ローラにより加熱・加圧する技術（例えば、特許文献１参照）や、この粉体（粉末）を有機溶媒に分散させ、これを強化繊維に付着して、これをローラにより加熱・加圧する技術（例えば、特許文献２参照）などが提案されている。また、この他にもシート状のマトリクス樹脂とシート状の強化繊維基材とをロール間に導入しながらこれらを加熱及び加圧する技術（例えば、特許文献３）が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２７８２１８号公報
【特許文献２】特開２００５−２３９８４３公報
【特許文献３】特開平１１−１１４９５３公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の製造装置を用いた場合、強化繊維基材に付着するマトリクス樹脂の形態は粉体であるので、強化繊維基材への付着量を管理にし難く、強化繊維基材へのマトリクス樹脂の付着量にばらつきが出易くなる。また、粉体が付着した強化繊維基材を加熱ロールで挟圧したとしても、強化繊維基材の内部に入り込んだ粉体に熱が届かないこともあり、均質にマトリクス樹脂が含浸されない場合がある。
【０００７】
この点を鑑みると、特許文献２に記載の製造装置を用い場合、有機溶媒に分散した粉体（粉末）を用いて含浸するので、上記装置を用いた場合に比べて、付着量のばらつきを抑え、均質にマトリクス樹脂を含浸させることができる。しかしながら、粉体を有機溶媒に分散する工程、及び有機溶媒を強化繊維基材から揮発させる工程が必要となり、工程が煩雑となり、これまでのものに比べて製造時間が長くなる傾向にある。
【０００８】
一方、特許文献３に記載の製造装置を用いた場合、シート状のマトリクス樹脂を強化繊維基材に充分に含浸させるためには、複数の一対ロールで連続して加熱しながら挟圧する必要がある。このため、上述したものに比べて、多くの加熱・加圧が必要となり、製造コストが増加する傾向にある。さらに、ＰＰなどの熱可塑性樹脂は、溶融状態でも粘度が高いため、仮にシート状に溶融した熱可塑性樹脂を強化繊維基材と共に加圧しても、充分に含浸できないことがある。
【０００９】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、未硬化の熱硬化性樹脂ばかりでなく、たとえ粘度の高い熱可塑性樹脂のようなマトリクス樹脂であっても、これまでの装置を用いた場合に比べてより短い時間かつ安価に、これを強化繊維基材内部に均一に含浸することができる繊維強化樹脂シートの製造装置及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決すべく、本発明に係る繊維強化樹脂シートの製造装置は、一対の含浸ロール間に向って搬送されるシート状の強化繊維基材を、前記一対の含浸ロールを回転させながら該含浸ロール間でマトリクス樹脂と共に挟圧することにより、該マトリクス樹脂を前記強化繊維基材に含浸して繊維強化樹脂シートを製造することを前提として、以下の特徴部分を有する。
【００１１】
すなわち、本発明に係る繊維強化樹脂シートの製造装置は、各含浸ロールに前記マトリクス樹脂を加圧して供給する樹脂供給部と、前記各含浸ロールを回転駆動させる回転駆動部とを備えており、前記一対の含浸ロールは、軸芯周りの回転方向に対して固定されると共に、前記マトリクス樹脂が内部に充填されるように前記樹脂供給部に接続された内筒部と、該内筒部を内部に内挿すると共に、軸芯周りに回転するように前記回転駆動部に連結された外筒部と、を少なくとも備えており、前記内筒部には、前記内部に供給されたマトリクス樹脂が、前記一対の含浸ロールから前記強化繊維基材の搬送方向の上流側に向って吐出される周方向の位置に、第１のスリットが軸方向に沿って形成されており、前記外筒部には、軸方向に沿って形成された複数の第２のスリットが、周方向に等間隔に設けられていることを特徴とするものである。
【００１２】
本発明によれば、樹脂供給部により、強化繊維基材に含浸するためのマトリクス樹脂を加圧して、一対の含浸ロールの内筒部に供給する。マトリクス樹脂が熱硬化性樹脂である場合には、未硬化の熱硬化性樹脂を供給し、熱可塑性樹脂の場合には、加熱して軟化した熱可塑性樹脂を供給することができる。
【００１３】
そして、回転駆動部により、一対の含浸ロールの外筒部を回転させる。軸芯周りの回転方向に対して内筒部が固定されているので、内部に供給されたマトリクス樹脂が、搬送方向の上流側の一定方向に、第１のスリットを介して吐出される。さらに、内筒部から吐出されたマトリクス樹脂は、第１及び第２のスリットが一致したときに、回転している外筒部の第２のスリットを介して前記上流側の一定方向に吐出される。
【００１４】
このような状態で、一対の含浸ロール間に向って搬送されるシート状の強化繊維基材のうち、これら含浸ロールから上流側の強化繊維基材（すなわち、一対の含浸ロール間に導入される直前の強化繊維基材）の幅方向に沿った表面にマトリクス樹脂を断続的に供給することができる。
【００１５】
そして、マトリクス樹脂の供給の直後に、含浸ロールの回転により、マトリクス樹脂が供給された強化繊維基材が一対の含浸ロール間に導かれ、一対の含浸ロールの外筒部で挟み込んで加圧される（挟圧される）。これにより、強化繊維基材にマトリクス樹脂が含浸された繊維強化樹脂シートを製造することができる。
【００１６】
このように、マトリクス樹脂の供給直後にマトリクス樹脂を強化繊維基材に含浸するので、特に、融点以上に溶融した熱可塑性樹脂を用いる場合には、含浸までの間の温度低下に伴う溶融粘度の急激な上昇前に、熱可塑性樹脂を強化繊維基材に含浸することができる。
【００１７】
このような結果、未硬化の熱硬化性樹脂ばかりでなく、たとえ粘度の高い熱可塑性樹脂のようなマトリクス樹脂であっても、これまでの装置を用いた場合に比べて短い時間で、これを強化繊維基材内部に均一に含浸することができる。
【００１８】
また、内筒部に供給されたマトリクス樹脂は、強化繊維基材に充分に含浸することができる程度の粘度を有していればよく、特に、マトリクス樹脂に熱可塑性樹脂を用いた場合、樹脂供給部において粘度が低くなるように加熱されていればよい。しかしながら、より好ましい態様として、本発明に係る製造装置は、前記内筒部の内部及び外筒部の内部の少なくとも一方に、前記マトリクス樹脂を加熱するためのヒータが設けられている。
【００１９】
この態様によれば、このようなヒータを用いることにより、含浸ロールから吐出されるマトリクス樹脂を加熱して、この粘度を低下させることができる。これにより、強化繊維基材へのマトリクス樹脂の含浸をさらに高めることができる。特に、外筒部の内部にヒータを配置すれば、第２のスリットから吐出直前のマトリクス樹脂を加熱することができる。
【００２０】
また、マトリクス樹脂に熱可塑性樹脂を用い、これが結晶性ポリマである場合には、少なくとも熱可塑性樹脂の融点以上、非結晶性ポリマである場合には、少なくともガラス転移点以上に、ヒータの温度を設定すれば、含浸ロールからの吐出前の熱可塑性樹脂の粘度を下げるばかりでなく、このヒータの熱が外筒部に伝達されるため、含浸ロールから吐出後に一対の含浸ロール間に導入された熱可塑性樹脂の粘度を、再び下げることができる。このようにして、強化繊維基材内部への熱可塑性樹脂の含浸をより高めることができる。
【００２１】
さらに、マトリクス樹脂が強化繊維基材に均一に含浸することができるのであれば、一対の含浸ロールから上流側及び下流側に配置される装置は特に限定されるものではない。例えば、より含浸し易く、得られた繊維強化樹脂シートの強度を効率的に高めるために、上流側に、強化繊維が均一に分散した、より薄いシート状の強化繊維基材であることが好ましい。このような場合、上流側に強化繊維基材を開繊する開繊装置が配置されてもよい。また、繊維強化樹脂シートの取り扱い性を向上させるために、下流側に、繊維強化樹脂シートを巻き取るための巻き取り装置が配置されていてもよい。
【００２２】
さらに、より好ましい態様としては、前記一対の含浸ロールから前記搬送方向の下流側には、前記マトリクス樹脂が含浸された前記強化繊維基材を挟圧しながら加熱する一対の加熱ロールが配置されている。
【００２３】
このような態様によれば、加熱ロールにより、第２のスリット部分により充分に加圧できなかったマトリクス樹脂の部分を強化繊維基材の繊維内に確実に含浸できるばかりでなく、強化繊維基材の表面のマトリクス樹脂を平滑にすることもできる。
【００２４】
また、好ましい態様としては、前記樹脂供給部は、前記内筒部に供給されるマトリクス樹脂の圧力が調整可能であり、前記回転駆動部は、前記外筒の回転する回転速度の調整が可能である。
【００２５】
このような態様によれば、前記樹脂供給部により前記内筒部に供給されるマトリクス樹脂の加圧する圧力を調整し、かつ、前記回転駆動部により前記外筒部の回転する回転速度を調整することにより、前記強化繊維基材の単位面積あたりに供給されるマトリクス樹脂の供給量を精度良くコントロールすることができる。
【００２６】
本願では、上述した製造装置を用いて好適に繊維強化樹脂シートを製造することができる製造方法をも開示する。本発明に係る繊維強化樹脂シートの製造方法は、一対の含浸ロール間に向って搬送されるシート状の強化繊維基材を、前記一対の含浸ロールを回転させながら該含浸ロール間でマトリクス樹脂と共に挟圧することにより、該マトリクス樹脂を前記強化繊維基材に含浸して繊維強化樹脂シートを製造する製造方法であって、前記一対の含浸ロールを回転させる共に、該一対の含浸ロールから前記強化繊維基材の搬送方向の上流側に向って、前記一対の含浸ロールの内部で加圧されたマトリクス樹脂を、前記内部から前記強化繊維基材の幅方向に沿った表面に供給し、前記マトリクス樹脂が供給された強化繊維基材を、前記一対の含浸ロールの回転により、該一対の含浸ロール間に導入して、前記強化繊維基材と前記マトリクス樹脂とを一対の含浸ロール間で挟圧しながら前記マトリクス樹脂を前記強化繊維基材に含浸することを特徴とする。
【００２７】
本発明によれば、一対の含浸ロール間に向って搬送されるシート状の強化繊維基材のうち、一対の含浸ロール間に導入される直前の強化繊維基材の表面にマトリクス樹脂を供給することができる。そして、このマトリクス樹脂の供給の直後に、含浸ロールの回転により、マトリクス樹脂が供給された強化繊維基材が一対の含浸ロール間に導かれ、一対の含浸ロールで加圧される。これにより、強化繊維基材にマトリクス樹脂が均一に含浸された繊維強化樹脂シートを短時間で製造することができる。
【００２８】
なお、本発明にいう「繊維強化樹脂シート」とは、シート状ばかりでなく、フイルム状、またはテープ状の繊維強化樹脂材をも含むものである。また、この繊維強化樹脂材とは、強化繊維と、この強化繊維に含浸されたマトリクス樹脂とを含む複合材であり、強化繊維と合わせて所定の強度を保つことができるのであれば、特にこれらの種類は限定されるものではない。
【００２９】
本発明にいう「強化繊維基材」とは、強化繊維からなる基材であり、例えば、一方向に連続繊維が引き揃えられたマルチフィラメントからなる基材、強化繊維を多軸に積層した基材、布状繊維からなる基材いずれであってもよい。布状繊維の場合には、織布、不織布いずれであってもよく、織布である場合には、その織り方としては、平織、綾織、朱子織などの織組織いずれであってもよい。
【００３０】
さらに、強化繊維は、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、スチール繊維、ＰＢＯ繊維、又は高強度ポリエチレン繊維などの繊維が挙げることができ、繊維強化樹脂シートの機械的強度を強化するための樹脂強化用の繊維であればと特に限定されるものはない。
【００３１】
マトリクス樹脂は、熱可塑性樹脂、又は熱硬化性樹脂を使用できる。熱可塑性樹脂としては、結晶性熱可塑性樹脂や非結晶性熱可塑性樹脂を使用でき、例えば、ナイロン系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリプロピレン系樹脂などのオレフィン系樹脂、アクリル系樹脂、またはＡＢＳ系樹脂等を挙げることができる。熱硬化性樹脂としては、例えばビニルエステル系樹脂、エポキシ系樹脂、繊維強化樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂等を挙げることができる。
【００３２】
しかしながら、前記マトリクス樹脂は、熱可塑性樹脂であることが好ましく、該マトリクス樹脂を前記一対の含浸ロールの内部で、前記熱可塑性樹脂の融点以上の温度に加熱することがより好ましい。なお、非結晶性熱可塑性樹脂（非結晶性ポリマ）の場合は、ガラス転移点以上であればよい。
【００３３】
このような態様によれば、融点以上の温度に加熱して溶融したマトリクス樹脂を強化繊維基材に供給し、マトリクス樹脂の供給直後に一対の含浸ロール間で加熱・加圧してマトリクス樹脂を強化繊維基材に含浸するので、供給から含浸までの間の温度低下に伴う、熱可塑性樹脂の溶融粘度の急激な上昇前に、熱可塑性樹脂を強化繊維基材に含浸することができる。
【００３４】
さらに、より好ましい態様としては、前記一対の含浸ロールから前記搬送方向の下流側において、前記マトリクス樹脂が含浸された前記強化繊維基材を挟圧しながら加熱する。これにより、強化繊維基材に含浸されたマトリクス樹脂をより確実に繊維内に含浸させることができる。
【００３５】
また、より好ましくは、前記一対の含浸ロールの内部のマトリクス樹脂の圧力を調整し、かつ、前記一対の含浸ロールの回転速度を調整することにより、前記強化繊維基材の単位面積あたりに供給されるマトリクス樹脂の供給量を調整することがより好ましい。
【００３６】
本発明によれば、マトリクス樹脂の加圧する圧力を調整することにより、含浸ロールから吐出されるマトリクス樹脂の吐出量を調整することができ、さらに、含浸ロールの回転速度を調整することにより、強化繊維基材に供給されるマトリクス樹脂の量を調整することができる。このようにして、前記強化繊維基材の単位面積あたりに吐出されるマトリクス樹脂の量（目付量）を精度よく調整することができる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、未硬化の熱硬化性樹脂ばかりでなく、たとえ粘度の高い熱可塑性樹脂のようなマトリクス樹脂であっても、これまでの装置を用いた場合に比べてより短い時間で、これを強化繊維基材内部に均一に含浸することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態に係る繊維強化樹脂シートの製造装置の模式的斜視図。
【図２】図１に示す一対の含浸ロールの模式的分解斜視図。
【図３】図１に示す一対の含浸ロールの第１スリットを含む軸方向に沿った模式的断面図。
【図４】図１に示す一対の含浸ロールにより含浸方法を説明するための模式的断面図。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、図面を参照して、本発明に係る本実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る繊維強化樹脂シートの製造装置の模式的斜視図であり、図２は、図１に示す一対の含浸ロールの模式的分解斜視図である。図３は、図１に示す一対の含浸ロールの第１スリットを含む軸方向に沿った模式的断面図、図４は、図１に示す一対の含浸ロールにより含浸方法を説明するための模式的断面図である。
【００４０】
図１に示すように、本実施形態に係る繊維強化樹脂シートの製造装置１は、１対の含浸ロール１０，１０間に向って搬送されるシート状の強化繊維基材Ｆを、一対の含浸ロール１０、１０を回転させながら、マトリクス樹脂である熱可塑性樹脂Ｐと共に含浸ロール１０，１０で挟み込んで加圧するものである。これにより、熱可塑性樹脂Ｐを強化繊維基材Ｆに含浸して、繊維強化樹脂シートＳが製造される。
【００４１】
製造装置１は、図１に示すように、一対の含浸ロール１０，１０を備えており、一対の含浸ロール１０，１０は、熱可塑性樹脂Ｐを強化繊維基材Ｆに供給することと、熱可塑性樹脂Ｐを強化繊維基材Ｆに含浸することとを兼用したロールである。
【００４２】
このような熱可塑性樹脂Ｐの供給及び含浸を行うために、樹脂供給部（例えば押出し成形機）３１と、回転駆動部（モータ）３２とを備えている。樹脂供給部３１は、各含浸ロール１０に熱可塑性樹脂Ｐを融点以上に加熱して軟化させ、この軟化した熱可塑性樹脂Ｐを加圧して、各含浸ロール１０に供給するように構成されている。
【００４３】
さらに、樹脂供給部３１には、含浸ロール１０に供給される熱可塑性樹脂Ｐの圧力を調整する圧力調整機構（例えばシリンダとピストンとを組合せた機構の場合、ピストンの推力及び速度を調整する機構）が設けられている。これにより、含浸ロール１０内(具体的には後述する内筒部１１内）の熱可塑性樹脂Ｐの圧力を調整することができる。一方、回転駆動部３２は、各含浸ロール１０を回転駆動させるように、各含浸ロール１０（具体的には後述する外筒部１２）に接続されている。
【００４４】
そして、図２に示すように、各含浸ロール１０は、内筒部１１と、これを内挿した外筒部１２とを備えている。内筒部１１は、図３に示すように、含浸ロール１０の軸芯ＣＬ周りに回転しないように、回転方向に対して一端側の軸部１１ｃで固定されている。内筒部１１の他端側の軸部１１ｄは、ベアリング１４ａを介して、外筒部１２に支承されている。内筒部１１の側壁の樹脂供給口１１ｂには、加圧及び加熱された熱可塑性樹脂Ｐが内筒部１１の内部Ｓ１に充填されるように、樹脂供給部３１に接続されている。
【００４５】
また、図１及び図２に示すように、内筒部１１には、内部Ｓ１に供給された熱可塑性樹脂Ｐが、一対の含浸ロール１０，１０から強化繊維基材Ｆの搬送方向Ｌの上流側に向って吐出することができる周方向の位置に、第１のスリット１１ａが軸方向に沿って形成されている。
【００４６】
一方、図３に示すように、外筒部１２は、その胴部において内挿された内筒部１１にベアリング１４ｂを介して支承されており、軸部１２ｃでは、ベアリング１８を介してハウジング等（図示せず）に支承されている。さらに、軸部１２ｃは、外筒部１２のみが回転駆動できるようにモータ３２に連結されている。
【００４７】
外筒部１２には、軸方向に沿って形成された複数の第２のスリット１２ａ，１２ａ…が、周方向に等間隔に設けられている。第１及び第２のスリットは、周方向幅１〜２ｍｍ程度であり、軸方向幅は、強化繊維基材Ｆの幅に致して１〜２ｍｍ程度である。また、回転時にこれらのスリットが、略一致するように、内筒部１１と外筒部１２とが配置されている。なお、内筒部１１と外筒部１２との周方向のクリアランスは、第１及び第２のスリットの周方向幅１〜２ｍｍよりも狭くなっており、これにより、内筒部１１から吐出される樹脂が、外筒部１２の内周面に回り込み難くなる。
【００４８】
外筒部１２の内部Ｓ２及び内筒部１１の内部Ｓ１には、樹脂供給部３１により供給された熱可塑性樹脂Ｐを加熱するためのヒータ１７ａ，１７ｂが周方向に等間隔で内蔵されており（図３及び図４参照）、これらのヒータ１７ａ，１７ｂは、電源３３からの電流Ｉが通電されることにより発熱するように、電源３３に接続されている。
【００４９】
なお、電源３３は、可変抵抗等を備えることでヒータ１７ａ，１７ｂに通電する電流Ｉを調整し、これによりヒータ１７ａ，１７ｂの発熱温度（加熱温度）が調整できるようになっている。また、モータ３２は、回転速度を調整するためのインバータ等を備えることにより、外筒部１２の回転速度を調整することが可能となっている。
【００５０】
製造装置１は、一対の含浸ロール１０，１０から搬送方向Ｌの上流側に、一方向に引き揃えられた強化繊維束である強化繊維基材Ｆ（マルチフィラメント）を開繊する開繊装置（図示せず）を備えている。これにより、繊維強化樹脂シートＳ内の強化繊維の分布を均一化すると共に、強化繊維基材Ｆに熱可塑性樹脂Ｐを好適に含浸することができる。
【００５１】
さらに、一対の含浸ロール１０から搬送方向Ｌの下流側には、熱可塑性樹脂Ｐが含浸された強化繊維基材Ｆを挟圧しながら加熱する加熱ロール２０，２０を備えている。各加熱ロール２０には、ヒータ（図示せず）が内蔵されており、このヒータに電流ｉを通電して発熱させるための電源３４が接続されている。
【００５２】
このようにして、構成された製造装置１を用いて、繊維強化樹脂シートＳを製造する方法を以下に説明する。
【００５３】
まず、一方向に引き揃えられた、例えば炭素繊維からなる強化繊維基材Ｆを開繊装置を用いて開繊する。この開繊方法は特に限定されるものではなく、たとえば空気による開繊、超音波による開繊などを挙げることができる。これにより、シート状の強化繊維基材Ｆの強化繊維を、幅方向に均一に分布させて、その厚みを薄くすることができる。
【００５４】
一方、樹脂供給部３１により、強化繊維基材Ｆに含浸するための例えばＰＰやナイロンなどの熱可塑性樹脂Ｐを融点以上に加熱して軟化させ、この軟化した熱可塑性樹脂Ｐの圧力調整を行いながら加圧して、各含浸ロール１０の内筒部１１の内部Ｓ１に予め加圧状態で供給する。
【００５５】
この際、熱可塑性樹脂Ｐの融点以上の温度になるように、電源３３を用いて電流を調整し、調整した電流Ｉをヒータ１７ａ，１７ｂに通電する。また、加熱ロール２０，２０も、同様に電源３４を用いて、ロール表面が熱可塑性樹脂Ｐの融点以上の温度になるように、電流ｉを通電する。このような状態で各モータ３２，３６を回転駆動させて、含浸ロール１０及び加熱ロール２０を駆動させる。
【００５６】
なお、モータ３２は、後述する熱可塑性樹脂Ｐの単位時間あたりの吐出量に応じて、最適な熱可塑性樹脂Ｐの供給量となるように、内筒部１１の内部Ｓ１の熱可塑性樹脂Ｐの圧力に基づいて回転速度を調整する。
【００５７】
そして、モータ３２により、一対の含浸ロール１０，１０の外筒部１２，１２を回転し、軸芯ＣＬ周りの回転方向に対して内筒部１１が固定されているので、内筒部１１の内部Ｓ１に供給された熱可塑性樹脂Ｐが、搬送方向Ｌの上流側の一定方向に、第１のスリット１１ａを介して吐出される。そして、定位置に固定された第１のスリット１１ａと、外筒部１２の回転により軸芯周りを移動する第２のスリットが一致したときに、内筒部１１から吐出された熱可塑性樹脂Ｐが、回転している外筒部１２の第２のスリット１２ａを介して、上流側の一定方向に吐出される（図４参照）。
【００５８】
このような状態で、開繊されたシート状の強化繊維基材Ｆを、一対の含浸ロール１０，１０間に向って搬送する。このとき、含浸ロール１０、１０から上流側の強化繊維基材Ｆ（すなわち、一対の含浸ロール１０，１０間に導入される直前の強化繊維基材Ｆ）の幅方向に沿った表面に、熱可塑性樹脂Ｐが断続的に供給される。
【００５９】
また、熱可塑性樹脂Ｐの供給の直後に、モータの回転駆動により含浸ロール１０，１０の回転により、熱可塑性樹脂Ｐが供給された強化繊維基材Ｆが一対の含浸ロール１０，１０間に導かれ、一対の含浸ロール１０，１０の外筒部１２，１２で挟み込んで加圧される（挟圧される）。これにより、強化繊維基材Ｆに熱可塑性樹脂Ｐが均一に含浸された繊維強化樹脂シートＳを製造することができる。
【００６０】
さらに、樹脂供給部３１により内筒部１１に供給される熱可塑性樹脂Ｐの圧力を調整し、かつ、モータ３２により外筒部１２の回転する回転速度を調整することにより、強化繊維基材Ｆの単位面積あたりに供給される熱可塑性樹脂Ｐの供給量を精度良くコントロールすることができる。
【００６１】
このように、熱可塑性樹脂Ｐの融点以上の温度に加熱して溶融した熱可塑性樹脂Ｐを強化繊維基材Ｆに供給し、熱可塑性樹脂Ｐの供給直後に一対の含浸ロール間で加熱・加圧して熱可塑性樹脂Ｐを強化繊維基材Ｆに含浸するので、供給から含浸までの間の温度低下に伴う、熱可塑性樹脂Ｐの溶融粘度の上昇前に、熱可塑性樹脂Ｐを強化繊維基材Ｆに含浸することができる。
【００６２】
また、外筒部１２の内部Ｓ２にヒータ１７ａを配置しているので、第２のスリット１２ａから吐出直前の熱可塑性樹脂Ｐの粘度上昇を抑制でき、ヒータ１７ｂの熱ばかりでなく、ヒータ１７ａの熱を外筒部１２にも直接的に伝達することができる。これにより、含浸ロール１０から吐出後に一対の含浸ロール１０，１０間に導入された熱可塑性樹脂Ｐの粘度を、再び下げることができる。このようにして、強化繊維基材内部への熱可塑性樹脂の含浸をより高めることができる。
【００６３】
さらに含浸後には、一対の加熱ロール２０，２０により、第２のスリット１２ａにより充分に加圧できなかった熱可塑性樹脂Ｐの部分を強化繊維基材Ｆの繊維内に確実に含浸できるばかりでなく、強化繊維基材Ｆの表面にある熱可塑性樹脂Ｐを平滑にすることもできる。
【００６４】
以上のようにして、未硬化の熱硬化性樹脂ばかりでなく、たとえ粘度の高い熱可塑性樹脂Ｐのようなマトリクス樹脂であっても、これまでの装置を用いた場合に比べて短い時間で、これを強化繊維基材内部に均一に含浸することができ、製造コストの安価化を図ることができる。
【００６５】
以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。
【００６６】
例えば、各含浸ロールには、軟化して溶融した熱可塑性樹脂の温度、及び圧力を測定する測定計を設けてもよい。また、熱可塑性樹脂を繊維強化基材に含浸できるのであれば、ロール間のギャップを所定の大きさにしてこれらを通過してもよく、一対の含浸ロール同士、一対の加熱ロール同士を押付けるように、両端から加圧するための油圧または水圧式の加圧機構（ピストンとシリンダ）をさらに設けてもよく、熱可塑性樹脂及び繊維強化基材の加圧方法は特に限定さられるものではない。
【符号の説明】
【００６７】
１：繊維強化樹脂シートの製造装置、１０：含浸ロール、１１：内筒部、１１ａ：第１のスリット、１１ｃ，１１ｄ：軸部、１２：外筒部、１２ａ：第２のスリット、１１ｂ：樹脂供給口、１２ｃ：軸部、１４：ベアリング、１７ａ，１７ｂ：ヒータ、１８：ベアリング、２０：加熱ロール、３１：樹脂供給部、３２：モータ（回転駆動部）、３３，３４：電源、ＣＬ：軸芯、Ｆ：強化繊維基材、Ｐ：熱可塑性樹脂、Ｓ：繊維強化樹脂シート、Ｓ１：内筒部の内部、Ｓ２：外筒部の内部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の含浸ロール間に向って搬送されるシート状の強化繊維基材を、前記一対の含浸ロールを回転させながら該含浸ロール間でマトリクス樹脂と共に挟圧することにより、該マトリクス樹脂を前記強化繊維基材に含浸して繊維強化樹脂シートを製造する製造装置であって、
該製造装置は、各含浸ロールに前記マトリクス樹脂を加圧して供給する樹脂供給部と、前記各含浸ロールを回転駆動させる回転駆動部とを備えており、
前記各含浸ロールは、軸芯周りの回転方向に対して固定されると共に、前記マトリクス樹脂が内部に充填されるように前記樹脂供給部に接続された内筒部と、
該内筒部を内部に内挿すると共に、軸芯周りに回転するように前記回転駆動部に連結された外筒部と、を少なくとも備えており、
前記内筒部には、前記内部に供給されたマトリクス樹脂が、前記一対の含浸ロールから前記強化繊維基材の搬送方向の上流側に向って吐出される周方向の位置に、第１のスリットが軸方向に沿って形成されており、
前記外筒部には、軸方向に沿って形成された複数の第２のスリットが、周方向に等間隔に設けられていることを特徴とする繊維強化樹脂シートの製造装置。
【請求項２】
前記内筒部の内部及び外筒部少なくとも一方の内部には、前記マトリクス樹脂を加熱するためのヒータが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化樹脂シートの製造装置。
【請求項３】
前記一対の含浸ロールから前記搬送方向の下流側には、前記マトリクス樹脂が含浸された前記強化繊維基材を挟圧しながら加熱する加熱ロールが配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の繊維強化樹脂シートの製造装置。
【請求項４】
前記樹脂供給部は、前記内筒部に供給されるマトリクス樹脂の圧力が調整可能であり、前記回転駆動部は、前記外筒の回転する回転速度の調整が可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の繊維強化樹脂シートの製造装置。
【請求項５】
一対の含浸ロール間に向って搬送されるシート状の強化繊維基材を、前記一対の含浸ロールを回転させながら該含浸ロール間でマトリクス樹脂と共に挟圧することにより、該マトリクス樹脂を前記強化繊維基材に含浸して繊維強化樹脂シートを製造する製造方法であって、
前記一対の含浸ロールを回転させる共に、該一対の含浸ロールから前記強化繊維基材の搬送方向の上流側に向って、前記一対の含浸ロールの内部で加圧されたマトリクス樹脂を、前記内部から前記強化繊維基材の幅方向に沿った表面に供給し、
前記マトリクス樹脂が供給された強化繊維基材を、前記一対の含浸ロールの回転により、該一対の含浸ロール間に導入して、前記強化繊維基材と前記マトリクス樹脂とを一対の含浸ロール間で挟圧しながら前記マトリクス樹脂を前記強化繊維基材に含浸することを特徴とする繊維強化樹脂シートの製造方法。
【請求項６】
前記マトリクス樹脂は、熱可塑性樹脂であり、該マトリクス樹脂を前記一対の含浸ロールの内部で、前記熱可塑性樹脂の融点以上の温度に加熱することを特徴とする請求項５に記載の繊維強化樹脂シートの製造方法。
【請求項７】
前記一対の含浸ロールから前記搬送方向の下流側において、前記マトリクス樹脂が含浸された前記強化繊維基材を挟圧しながら加熱することを特徴とする請求項５または６に記載の繊維強化樹脂シートの製造方法。
【請求項８】
前記一対の含浸ロールの内部のマトリクス樹脂の圧力を調整し、かつ、前記一対の含浸ロールの回転速度を調整することにより、前記強化繊維基材の単位面積あたりに供給される前記マトリクス樹脂の供給量を調整することを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に繊維強化樹脂シートの製造方法。
【請求項１】
一対の含浸ロール間に向って搬送されるシート状の強化繊維基材を、前記一対の含浸ロールを回転させながら該含浸ロール間でマトリクス樹脂と共に挟圧することにより、該マトリクス樹脂を前記強化繊維基材に含浸して繊維強化樹脂シートを製造する製造装置であって、
該製造装置は、各含浸ロールに前記マトリクス樹脂を加圧して供給する樹脂供給部と、前記各含浸ロールを回転駆動させる回転駆動部とを備えており、
前記各含浸ロールは、軸芯周りの回転方向に対して固定されると共に、前記マトリクス樹脂が内部に充填されるように前記樹脂供給部に接続された内筒部と、
該内筒部を内部に内挿すると共に、軸芯周りに回転するように前記回転駆動部に連結された外筒部と、を少なくとも備えており、
前記内筒部には、前記内部に供給されたマトリクス樹脂が、前記一対の含浸ロールから前記強化繊維基材の搬送方向の上流側に向って吐出される周方向の位置に、第１のスリットが軸方向に沿って形成されており、
前記外筒部には、軸方向に沿って形成された複数の第２のスリットが、周方向に等間隔に設けられていることを特徴とする繊維強化樹脂シートの製造装置。
【請求項２】
前記内筒部の内部及び外筒部少なくとも一方の内部には、前記マトリクス樹脂を加熱するためのヒータが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化樹脂シートの製造装置。
【請求項３】
前記一対の含浸ロールから前記搬送方向の下流側には、前記マトリクス樹脂が含浸された前記強化繊維基材を挟圧しながら加熱する加熱ロールが配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の繊維強化樹脂シートの製造装置。
【請求項４】
前記樹脂供給部は、前記内筒部に供給されるマトリクス樹脂の圧力が調整可能であり、前記回転駆動部は、前記外筒の回転する回転速度の調整が可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の繊維強化樹脂シートの製造装置。
【請求項５】
一対の含浸ロール間に向って搬送されるシート状の強化繊維基材を、前記一対の含浸ロールを回転させながら該含浸ロール間でマトリクス樹脂と共に挟圧することにより、該マトリクス樹脂を前記強化繊維基材に含浸して繊維強化樹脂シートを製造する製造方法であって、
前記一対の含浸ロールを回転させる共に、該一対の含浸ロールから前記強化繊維基材の搬送方向の上流側に向って、前記一対の含浸ロールの内部で加圧されたマトリクス樹脂を、前記内部から前記強化繊維基材の幅方向に沿った表面に供給し、
前記マトリクス樹脂が供給された強化繊維基材を、前記一対の含浸ロールの回転により、該一対の含浸ロール間に導入して、前記強化繊維基材と前記マトリクス樹脂とを一対の含浸ロール間で挟圧しながら前記マトリクス樹脂を前記強化繊維基材に含浸することを特徴とする繊維強化樹脂シートの製造方法。
【請求項６】
前記マトリクス樹脂は、熱可塑性樹脂であり、該マトリクス樹脂を前記一対の含浸ロールの内部で、前記熱可塑性樹脂の融点以上の温度に加熱することを特徴とする請求項５に記載の繊維強化樹脂シートの製造方法。
【請求項７】
前記一対の含浸ロールから前記搬送方向の下流側において、前記マトリクス樹脂が含浸された前記強化繊維基材を挟圧しながら加熱することを特徴とする請求項５または６に記載の繊維強化樹脂シートの製造方法。
【請求項８】
前記一対の含浸ロールの内部のマトリクス樹脂の圧力を調整し、かつ、前記一対の含浸ロールの回転速度を調整することにより、前記強化繊維基材の単位面積あたりに供給される前記マトリクス樹脂の供給量を調整することを特徴とする請求項５〜７のいずれか一項に繊維強化樹脂シートの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−２３６３６１（Ｐ２０１１−２３６３６１Ａ）
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１１０２８１（Ｐ２０１０−１１０２８１）
【出願日】平成２２年５月１２日（２０１０．５．１２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１２日（２０１０．５．１２）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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