混纖絲及其製造方法與流程
2023-05-27 23:51:11 1
本發明涉及使碳纖維等加強纖維材料以及熱塑性樹脂等合成纖維材料混纖而成的混纖絲及其製造方法。
背景技術：
纖維加強複合材料由纖維材料和基體材料組合而成，是輕型、剛性高、且能夠實現各種各樣的功能設計的材料，被用於航空宇宙領域、輸送領域、土木建築領域、運動器具領域等廣泛的領域中。目前，將碳纖維或玻璃纖維這樣的加強纖維材料與熱硬化性樹脂材料或熱塑性樹脂材料等合成樹脂材料組合而成的纖維強化塑料(FRP；Fiber Reinforced Plastic)成為主流。由於FRP具有提高了再利用性、短時間成型性、以及成型品的抗衝擊特性等的優點，因此，認為今後會增加基於將碳纖維用作加強纖維、且將熱塑性樹脂材料用作基體樹脂的碳纖維加強複合材料(CFRP；Carbon Fiber Reinforced Plastic)的成型品開發。
關於將加強纖維材料與合成樹脂材料組合而成的纖維加強複合片材，例如，在專利文獻1中記載有如下內容：向將碳纖維在一方向上拉齊的纖維體重疊在脫模膜上層疊了樹脂的樹脂片並進行加熱，由此使樹脂浸入到纖維體而製造預浸料。除了這種使成為基體樹脂的合成樹脂材料重疊於加強纖維材料而製造纖維加強複合材料的方法以外，還提出有如下方法：使將成為基體樹脂的合成樹脂材料纖維化的合成纖維材料與加強纖維材料混纖來製造混纖絲，使用得到的混纖絲而製造纖維加強複合材料(參照非專利文獻1)。
在先技術文獻
專利文獻
專利文獻1：日本特開2009-91377號公報
非專利文獻
非專利文獻1：長谷部裕之外2名，「使用混纖絲的熱塑性碳纖維強化複合材料的試製與物性評價」，一般社團法人日本纖維機械學會北陸支部研究發表會講演要點集，p.11-p.12，一般社團法人日本纖維機械學會
技術實現要素：
發明要解決的課題
在專利文獻1中，向纖維體重疊樹脂片而使樹脂浸入到纖維體，因此，在纖維之間容易產生樹脂難以浸透的空隙(void)。另外，還需要樹脂片的製造工序等，工序增多而不得不使製造設備大型化以及設備的成本負擔增大。另外，在使用合成纖維材料與加強纖維材料混纖而成的混纖絲的方法中，使用預先在加強纖維材料之間配置了合成纖維材料的混纖絲，因此，與專利文獻1所記載的方法相比，樹脂容易浸透到加強纖維材料之間，從而抑制產生空隙。
在這種使用混纖絲的方法中，需要使用儘可能使合成纖維材料與加強纖維材料均勻混纖而成的材料。作為以往的混纖絲，舉出通過覆蓋而在芯絲上卷繞鞘絲的例子，但在這種混纖絲中，加強纖維材料和合成纖維材料被分為二層，因此，難以成為均勻地混纖的狀態。
另外，在非專利文獻1中，在以恆定的速度將碳纖維與由聚苯硫醚(PPS)構成的合成纖維送出的同時使它們重疊，利用空氣噴嘴向重疊的部分吹出空氣使兩者交絡，由此進行混纖。然而，在吹出空氣的空氣交絡中，難以使兩者充分地混纖，並且，碳纖維在空氣交絡時會被切斷而起毛，從而存在難以製造品質良好的混纖絲這一課題。
對此，本發明的目的在於，提供一種使合成纖維材料分散於加強纖維材料之間而混纖的具有良好的品質的混纖絲及其製造方法。
用於解決課題的手段
本發明所涉及的混纖絲通過使在規定的方向上拉齊的加強纖維材料與在同該加強纖維材料相同的方向上拉齊的合成纖維材料混纖而成，其中，所述合成纖維材料與所述加強纖維材料粘結而一體化，並且，所述合成纖維材料以如下方式分散，即，將混纖絲的截面分割後的區分區域中的與所述合成纖維材料的截面積的比率相關的標準偏差為25以下。
本發明所涉及的混纖絲的製造方法包括：重疊工序，在該重疊工序中，使合成纖維材料在如下狀態下重疊於被開纖且在規定的方向上拉齊的片狀的加強纖維材料，即，該狀態是合成纖維材料在與該加強纖維材料相同的方向上拉齊、並且與該加強纖維材料的密度配合地分散的狀態；以及一體化工序，在該一體化工序中，使重疊後的所述加強纖維材料以及所述合成纖維材料粘結而一體化。此外，在所述重疊工序中，對重疊後的所述加強纖維材料以及所述合成纖維材料進行開纖處理。此外，還包括絲形成工序，在該絲形成工序中，將通過粘結而一體化的所述加強纖維材料以及所述合成纖維材料形成為其他形態的絲。
發明效果
本發明通過具有上述結構，能夠獲得使合成纖維材料分散於加強纖維材料之間而混纖的具有良好的品質的混纖絲。在使用本發明的混纖絲獲得成型品的情況下，即便在比較溫和的成型條件下，也能夠獲得不存在空隙的高品質的成型品。
附圖說明
圖1是關於製造本發明所涉及的混纖絲的工序的說明圖。
圖2是關於重疊工序和一體化工序的說明圖。
圖3是混纖絲的示意性的剖視圖。
圖4是關於與實施例1相關的混纖絲的截面的攝影圖像。
圖5是關於與實施例2相關的混纖絲的截面的攝影圖像。
具體實施方式
以下，使用附圖對本發明的實施方式進行說明。需要說明的是，以下說明的實施方式是實施本發明時優選的具體例，因此，儘管在技術上進行了各種限定，但在以下的說明中，只要未明確說明為限定本發明的技術思想，則本發明就不局限於這些方式。
圖1是關於製造本發明所涉及的混纖絲的工序的說明圖。首先，進行將成為混纖絲的原料的加強纖維材料以及合成纖維材料形成為片狀的片材形成工序。在加強纖維材料的情況下，對纖維束進行開纖而形成為薄層的片狀。作為加強纖維材料的開纖方法，舉出使纖維束與開纖輥、振動輥等接觸而進行開纖的方法、使纖維束以與流體的流動交叉的方式行進並使纖維束撓曲而進行開纖的方法、以及組合了上述方法的開纖方法這樣的公知方法。特別是在使用流體使纖維束撓曲的同時進行開纖的方法(例如參照專利第3064019號公報)中，不會對加強纖維造成損害而能夠均勻地進行開纖，因此，作為加強纖維材料的開纖方法是優選的。另外，通過將多根纖維束沿寬度方向排列配置並同時進行開纖處理，能夠容易地形成為寬幅的片狀。
在合成纖維材料的情況下，通過整經機的整經處理以及與加強纖維材料同樣的開纖處理，能夠將纖維束的狀態下的合成纖維材料形成為薄層的片狀。另外，在從成為原料的合成樹脂材料進行紡絲來製造纖維材料時，通過在將纖維材料排列成片狀的狀態下進行紡絲，能夠獲得薄層且片狀的合成纖維材料。
作為加強纖維材料，例如舉出碳纖維、玻璃纖維、陶瓷纖維、芳綸纖維、PBO(聚對苯撐苯並二噁唑)纖維、金屬纖維等用於FRP的高強度、高彈性率的無機纖維或有機纖維等。另外，也可以組合多個將這些纖維集束而成的纖維束。需要說明的是，並不特別限定纖度。
作為合成纖維材料，使用成為母材(基體)樹脂的合成纖維材料，例如聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚醯胺(尼龍6、尼龍66、尼龍12等)、聚縮醛、聚碳酸酯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚對苯二甲酸丁二醇酯、LPC(液晶聚酯)、聚醯亞胺、聚醚醯亞胺、聚醚碸、聚苯硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮等。另外，也可以將這些熱塑性樹脂混合兩種以上而形成聚合物合金，作為母材(基體)樹脂來使用。
另外，為了在後述的一體化工序中提高合成纖維材料與加強纖維材料的粘結性，也能夠使用表面部分的熔點比中心部分的熔點低的複合纖維材料。例如，舉出使用高熔點的合成樹脂材料作為芯部分並使用低熔點的合成樹脂材料作為鞘部分的芯鞘構造的複合纖維材料。通過使用這樣的複合纖維材料，若以比芯部分的熔點低且比鞘部分的熔點高的溫度進行加熱，則能夠在維持纖維的形態的狀態下，使鞘部分與加強纖維材料可靠地粘結而實現一體化。
合成纖維材料的使用量與加強纖維材料的使用量配合地設定即可，能夠基於使用混纖絲的纖維加強複合材料的纖維體積含有率(以下簡稱為「Vf值」)來設定。而且，合成纖維材料的纖度優選具備相對於張力的抗老化性，該張力是在使合成纖維材料容易進入加強纖維之間而作為混纖絲進行處理時被賦予的張力。
接下來，進行使片狀的合成纖維材料重疊於片狀的加強纖維材料的重疊工序。圖2是關於重疊工序和一體化工序的說明圖。片狀的加強纖維材料T以及片狀的合成纖維材料S在沿規定的方向拉齊的狀態下一併被搬運而通過壓接輥R之間，由此，設定為使片狀的合成纖維材料壓接於片狀的加強纖維材料的單面而重疊的狀態。
合成纖維材料S以與片狀的加強纖維材料T的密度配合地分散的方式調整配置。例如，在加強纖維材料T為薄層且密度低的情況下，與該密度配合地，隔開規定的間隔地配置多根合成纖維材料S並使其重疊於加強纖維材料T。另外，在加強纖維材料T的密度低的情況下或者Vf值設定得高的情況下，也可以使加強纖維材料T重疊於合成纖維材料S的兩面。
另外，為了使合成纖維材料S進入加強纖維材料T之間，也能夠根據需要在重疊的狀態下進行開纖處理。在圖2中，在壓接輥R的搬運方向下遊側配置有開纖機構K，在開纖機構K中，一邊搬運重疊狀態下的加強纖維材料T以及合成纖維材料S一邊使氣流交叉而撓曲，由此進行開纖。作為開纖機構K，也可以採用組合了振動輥等的機構。需要說明的是，在進行開纖處理時，向加強纖維材料T以及合成纖維材料S施加的張力發生變動，但在與加強纖維材料T相比合成纖維材料S進行伸縮的情況下，通過預先在氣流流動的下遊側配置合成纖維材料S，從而在開纖處理中，合成纖維材料S的纖維通過伸縮而容易進入到加強纖維之間。
如以上說明那樣，能夠與開纖後的加強纖維材料的密度配合地使合成纖維材料分散地重疊於加強纖維材料，因此，能夠在更加均勻的狀態下進行混纖。另外，還能夠與後述的絲形成工序的處理配合地預先使合成纖維材料分散，並使合成纖維材料重疊於加強纖維材料，以使得最終製造出的混纖絲的混纖狀態變得均勻。
接下來，進行使重疊狀態下的加強纖維材料以及合成纖維材料一體化的一體化工序。在圖2所示的例子中，一邊搬運重疊狀態下的加強纖維材料T以及合成纖維材料S一邊使它們通過加熱輥H之間，由此使合成纖維材料S暫時粘結而一體化。在使合成纖維材料S暫時粘結的情況下，利用加熱輥H進行壓接，由此，合成纖維材料S局部發生熔融而相對於加強纖維材料T熱熔合，但合成纖維材料S在維持了纖維形態的狀態下被粘結。例如，在作為合成纖維材料S而使用了上述的複合纖維材料的情況下，若將加熱輥H的溫度設定為比芯部分的熔點低且比鞘部分的熔點高的溫度，則鞘部分與加強纖維材料T熱熔合，能夠在維持了纖維的形態的狀態下實現一體化。
而且，通過使合成纖維材料暫時粘結於加強纖維材料而一體化，開纖後的加強纖維材料不會散開，作為混纖絲而容易操作。另外，由於加強纖維材料以及合成纖維材料在維持了纖維形態的狀態下實現一體化，因此，能夠在使用混纖絲進行織造的情況下具備足夠的拉伸強度和懸垂性。需要說明的是，在將合成纖維材料暫時粘結於加強纖維材料的情況下，根據需要使合成纖維材料整面或局部地粘結即可，例如，能夠將粘結位置設定為點狀、線狀或帶狀，與混纖絲的用途配合地適當進行設定即可。
接下來，進行將混纖絲形成為多種不同形態的絲的絲形成工序。通過一體化工序得到的材料也能夠作為混纖絲直接使用，但在製造不同用途的混纖絲的情況下，通過對在一體化工序中得到的材料進行捻搓、摺疊、重疊、分切這樣的絲形成處理，從而能夠製造各種方式的混纖絲。圖3是混纖絲的示意性的剖視圖。圖3(a)示出利用公知的捻搓裝置對一體化了的加強纖維材料以及合成纖維材料進行捻搓而得到的混纖絲的剖視圖。一體化了的加強纖維材料以及合成纖維材料形成為片狀，並通過捻搓而進行了沿寬度方向卷繞的處理，因此，成為合成纖維材料分散至混纖絲的中心部的狀態，能夠獲得更加均勻的混纖絲。圖3(b)示出將一體化了的加強纖維材料以及合成纖維材料以沿絲長方向作出摺痕的方式摺疊多次而得到的混纖絲的剖視圖。在該情況下，加強纖維材料以及合成纖維材料成為交替被層疊的狀態，合成纖維材料分散至中心部，能夠得到更加均勻的混纖絲。作為摺疊的方法，還可以卷繞地進行摺疊、以Z字形進行摺疊，只要是將加強纖維材料以及合成纖維材料以交替地層疊的方式進行摺疊即可。圖3(c)示出使一體化了的加強纖維材料以及合成纖維材料重疊多片而得到的混纖絲的剖視圖。在該情況下，加強纖維材料以及合成纖維材料也成為交替被層疊的狀態，合成纖維材料分散至中心部，能夠得到更加均勻的混纖絲。圖3(d)是對一體化了的加強纖維材料以及合成纖維材料沿絲長方向進行分切而得到的混纖絲的剖視圖。預先將一體化了的加強纖維材料以及合成纖維材料形成為寬幅的片狀，並以較細的寬度進行分切並分別將它們集束，由此能夠同時製造多根相同品質的混纖絲，能夠大幅提高生產性。
如以上說明那樣，與開纖後的片狀的加強纖維材料的密度配合地使合成纖維材料分散並重疊而實現一體化，由此能夠製造更加均勻地進行了混纖的混纖絲。關於所得到的混纖絲的混纖狀態的均勻性，能夠通過在與混纖絲的絲長方向正交的方向的截面中定量地分析合成纖維材料的分散狀態來確認。例如，將截面分割為多個區分區域，並計算各區分區域中的合成纖維材料的截面積的比率，觀察與計算出的各區域的比率相關的標準偏差，由此能夠定量地分析分散狀態。在該情況下，標準偏差越小，則合成纖維材料越均勻地分散，表示能夠得到更加均勻地進行了混纖的混纖絲。另外，在使用混纖絲通過熱壓等進行成型的情況下，為了使合成纖維材料熔融並浸透於加強纖維材料之間而填充為不存在空隙的狀態，需要將標準偏差σ設定為25以下。
作為使用本發明的混纖絲通過熱壓進行成型的情況下的條件，能夠設加熱溫度為260℃～320℃，壓力為0.1MPa～3.0MPa，處理時間為3分～20分。另一方面，在使樹脂片重疊於拉齊的碳纖維並進行熱壓這樣的現有方法中，壓力需要10MPa以上，處理時間需要30分以上。通過使用本發明的混纖絲，能夠以更低的壓力和更短的處理時間獲得不存在空隙的成型品。即，能夠利用簡易的熱壓裝置而有效地製造高品質的成型品。
實施例
[實施例1]
使用以下的材料製造出混纖絲。
(加強纖維材料)
碳纖維(三菱人造絲株式會社制；50R15L)
纖維直徑7μm 纖維根數15000根
(合成纖維材料)
聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)制複合纖維(凱碧世聯株式會社制；BELLCOUPLE(PET芯鞘型熔合絲，芯鞘重量比1∶1))
纖度8dtex 纖維根數1000根
碳纖維以及複合纖維的使用量設定為，Vf值為49.0％。
通過專利第3064019號公報所記載的基於氣流的開纖方法而以寬度100mm對碳纖維進行了開纖處理。得到的片狀的碳纖維的密度為150根/mm。使用公知的整經機以寬度100mm對複合纖維進行了整經處理。得到的片狀的複合纖維的密度為10根/mm。接下來，在一邊搬運形成為片狀的碳纖維以及複合纖維一邊使它們重疊之後，進行與碳纖維的開纖方法同樣的開纖處理，形成寬度為100mm的重疊片材。然後，使形成的重疊片材通過加熱輥(170℃)之間，由此使複合纖維暫時粘結於碳纖維而實現一體化。將得到的暫時粘結片材沿著絲長方向的摺痕摺疊四次，由此製造出層疊了16層的混纖絲。
將製造出的混纖絲沿與絲長方向正交的方向切斷並利用掃描電子顯微鏡(株式會社日立高新技術制S-3500N)而拍攝了截面。圖4是關於混纖絲的截面的攝影圖像。為了評價混纖絲的均勻性，對混纖絲的截面的攝影圖像進行處理而評價出複合纖維的面積的分散狀態。在攝影圖像的處理中使用了在售的圖像處理軟體(奧林巴斯株式會社制Stream Essential)。首先，通過描繪與混合絲的截面外接的矩形而劃分出要分析的區域，將劃分出的矩形區域設定為縱橫三等分的九個區分區域。圖4中以白色的直線示出區分區域。
針對各區分區域以臨摹混纖絲的外形的方式描繪外形線，計算由描繪出的外形線與區分區域的邊界線圍成的混纖絲的面積S1。接下來，描繪僅包圍複合纖維的包圍線，計算所包圍的複合纖維的面積S2。在圖4中，以白色的曲線示出外形線以及包圍線。然後，通過下式計算混纖比率M。
M(％)＝S2/S1×100
然後，關於針對九個區分區域分別計算出的混纖比率M，計算標準偏差σ。關於實施例1的混纖絲，標準偏差σ為9.3。
[實施例2]
使用與實施例1同樣的材料，與實施例1同樣地進行了片材形成工序至一體化工序。利用公知的捻搓裝置對得到的暫時粘結片材進行100次/m的捻搓而製造出混纖絲。針對製造出的混纖絲，與實施例1同樣地拍攝了截面。圖5是關於混纖絲的截面的攝影圖像。為了進行均勻性評價，與實施例1同樣地對截面圖像進行圖像處理並計算出標準偏差。標準偏差σ為11.5。
[實施例3]
使用與實施例1同樣的材料，與實施例1同樣地進行了片材形成工序至一體化工序。將得到的暫時粘結片材沿寬度方向卷繞成旋渦狀而製造出混纖絲。針對製造出的混纖絲，與實施例1同樣地拍攝了截面。然後，為了進行均勻性評價，與實施例1同樣地對截面圖像進行圖像處理並計算出標準偏差。標準偏差σ為15.2。
[實施例4]
使用與實施例1同樣的材料，與實施例1同樣地進行了片材形成工序至一體化工序。利用公知的切割機以寬度2mm且沿絲長方向對得到的暫時粘結片材進行切割而製造出混纖絲。針對製造出的混纖絲，與實施例1同樣地拍攝了截面。然後，為了進行均勻性評價，與實施例1同樣地對截面圖像進行圖像處理並計算出標準偏差。標準偏差σ為19.2。
[比較例1]
(加強纖維材料)
使用了與實施例1同樣的碳纖維。
(合成纖維材料)
聚酯纖維(凱碧世聯株式會社制；BELLCOUPLE)280T/16f 30根
碳纖維以及聚酯纖維的使用量設定為，Vf值為47.5％。
將聚酯纖維分為每捆15根的兩個纖維束，以碳纖維為中心，通過覆蓋裝置並利用兩個纖維束進行雙層覆蓋處理而製造出混纖絲。纖維束的卷繞數設定為200次/m。
為了進行均勻性評價，針對製造出的混纖絲，與實施例1同樣地拍攝截面圖像並進行圖像處理，計算出標準偏差。標準偏差σ為30.6。
[實施例5]
接下來，使用在實施例1中得到的混纖絲，評價出基於熱壓的複合纖維的浸透性。在熱壓裝置(株式會社井元製作所制IMC-180C型)上設置混纖絲，並將加熱溫度設定為300℃以及加壓力設定為0.14MPa，進行5分鐘熱壓處理。混纖絲成型為寬度約4.5mm以及厚度約0.4mm的板狀體。將成型後的板狀體沿厚度方向切斷，利用電子顯微鏡觀察了截面，發現在露出於截面的碳纖維之間填充有樹脂，並且未觀察到空隙。
[實施例6]
與實施例5同樣地，對在實施例2中得到的混纖絲進行了熱壓處理，使其成型為板狀體。將成型後的板狀體沿厚度方向切斷，利用電子顯微鏡觀察了截面，發現在露出於截面的碳纖維之間填充有樹脂，並且未觀察到空隙。
[比較例2]
與實施例5同樣地，對在比較例1中得到的混纖絲進行了熱壓處理，使其成型為板狀體。將成型後的板狀體沿厚度方向切斷，利用電子顯微鏡觀察了截面，發現在露出於截面的碳纖維之間觀察到未浸透樹脂的空隙。
[實施例7]
除了加熱處理溫度設定為280℃、加壓力設定為1.29MPa以外，與實施例5同樣地進行了熱壓處理而成型為板狀體。將成型後的板狀體沿厚度方向切斷，利用電子顯微鏡觀察了截面，發現在露出於截面的碳纖維之間填充有樹脂，並且未觀察到空隙。
[比較例3]
拉齊碳纖維(三菱人造絲株式會社制；50R15L)並使其與聚對苯二甲酸乙二醇酯膜(藤森工業株式會社制；75-NT2-AS)重疊，在與實施例7同樣的條件下進行了熱壓處理而成型為板狀體。將成型後的板狀體沿厚度方向切斷，利用電子顯微鏡觀察了截面，發現在露出於截面的碳纖維之間觀察到未浸透樹脂的空隙。
通過觀察以上的實施例以及比較例可知，通過將表示混纖絲的合成纖維材料的分散狀態的標準偏差設為25以下，能夠得到不存在空隙的成型品。
附圖標記說明：
H...加熱輥，K...開纖機構，R...壓接輥，S...合成纖維材料，T...加強纖維材料。