本發明涉及一種包含連續的纖維及含浸于該纖維的熱塑性樹脂的纖維增強熱塑性樹脂帶的制造裝置以及制造方法。
背景技術:
專利文獻1中公開了碳纖維增強熱塑性樹脂帶及其制造方法。該制造方法包括通過下游側狹縫噴嘴拔出含浸了熔融樹脂的碳素纖維來作為帶的工序、以及通過被設置在所述下游側狹縫噴嘴的下游的帶冷卻機構,將剛從該下游側狹縫噴嘴拔出的所述帶以規定降溫速度以上的速度快速冷卻的工序。
在所述專利文獻1中記載了為了防止所述帶的變形,優選使構成所述帶冷卻機構的冷卻輥安裝于盡量接近所述下游側狹縫噴嘴的位置。在專利文獻1記載的實施例中,在所述下游側狹縫噴嘴的下游,所述冷卻輥被設置在噴嘴輥與冷卻輥之間的軸心距離為200mm的位置。
但是,根據本發明人進行的試驗判明,以所述專利文獻1記載的配置,制造出的纖維增強熱塑性樹脂帶在其寬度方向上發生纖維的疏密,在極端的情況下,產生完全沒有纖維而只存在熱塑性樹脂的部分或纖維以及熱塑性樹脂均無的缺損部分。
現有技術文獻
專利文獻
專利文獻1:日本專利公開公報特開2007-118216號
技術實現要素:
本發明的目的在于提供一種能夠制造缺陷部分少的纖維增強熱塑性樹脂帶的裝置以及方法。
所提供的纖維增強熱塑性樹脂帶的制造裝置包括:樹脂含浸裝置,用于將熔融的熱塑性樹脂含浸于纖維束,包括收容所述纖維束以及含浸于該纖維束的所述熱塑性樹脂的容器,其中,該容器具有出口部并且容許通過該出口部將含浸了所述熱塑性樹脂的所述纖維束排出;噴嘴,被設置在所述樹脂含浸裝置的所述容器的所述出口部,一邊使含浸了所述熱塑性樹脂的所述纖維束成為帶形狀,一邊容許該纖維束通過;以及至少一個主冷卻輥,被配置在所述噴嘴的下游側,一邊與通過了所述噴嘴的所述帶形狀的纖維束接觸,一邊將該纖維束向下游側輸送并冷卻,其中,容許所述纖維束通過的所述噴嘴的開口是具有長邊和短邊的長方形的狹縫,設所述噴嘴的遠端的所述短邊的尺寸為T(mm)、所述噴嘴的遠端與所述纖維束從所述噴嘴出來后最初接觸于所述主冷卻輥的接觸位置之間的距離為L(mm)時,該尺寸T及該距離L滿足下述的(A)式和(B)式的任意其中之一,
L≤1000×T-35;T<0.08 (A)
L≤785.7×T-17.9;T≥0.08 (B)。
此外,所提供的纖維增強熱塑性樹脂帶的制造方法包括以下工序:樹脂含浸工序,使熔融的熱塑性樹脂含浸于纖維束;噴嘴通過工序,使經過所述樹脂含浸工序而含浸了所述熱塑性樹脂的所述纖維束通過噴嘴的開口而使該纖維束成為帶形狀,其中,該開口是具有長邊和短邊的長方形的狹縫;以及冷卻工序,使通過所述開口后的所述帶形狀的所述纖維束接觸于被配置在所述噴嘴的下游側的至少一個主冷卻輥,并一邊向下游側輸送一邊冷卻該纖維束,其中,設所述噴嘴的遠端的所述短邊的尺寸為T(mm)、所述噴嘴的遠端與從所述噴嘴出來后的所述纖維束最初接觸于所述主冷卻輥的接觸位置之間的距離為L(mm)時,該尺寸T及該距離L滿足下述的(A)式和(B)式的任意其中之一,
L≤1000×T-35;T<0.08 (A)
L≤785.7×T-17.9;T≥0.08 (B)。
附圖說明
圖1是本發明的第一實施方式所涉及的纖維增強熱塑性樹脂帶的制造裝置的示意圖。
圖2是所述第一實施方式所涉及的送料機(feeding machine)的放大圖。
圖3A是放大圖1所示的噴嘴的剖視正視圖。
圖3B是從圖1的箭頭3B方向觀察圖1所示的噴嘴的圖。
圖4A是放大所述噴嘴的變形例的正視圖。
圖4B是從相當于圖1的箭頭3B方向的方向觀察圖4A所示的噴嘴的圖。
圖5是從所述箭頭3B方向觀察圖1所示的帶槽輥的圖。
圖6是圖1所示的樹脂含浸裝置的俯視圖。
圖7是放大圖1所示的噴嘴以及冷卻輥部的剖視正視圖。
圖8是表示使用圖1所示的裝置制造出的纖維增強熱塑性樹脂帶的外觀的照片。
圖9是表示所述樹脂含浸裝置以及所述冷卻輥部的第一變形例的正視圖。
圖10是表示所述樹脂含浸裝置以及所述冷卻輥部的第二變形例的正視圖。
圖11是放大本發明的第二實施方式所涉及的纖維增強熱塑性樹脂帶的制造裝置的噴嘴以及冷卻輥部的剖視正視圖。
圖12是表示使用圖11所示的裝置制造出的纖維增強熱塑性樹脂帶的外觀的照片。
圖13是表示表1的樣本No.8的剖面的照片。
圖14是表示表1的樣本No.8的剖面的照片。
圖15是表示表1的樣本No.1的剖面的照片。
圖16是表示制造出的纖維增強熱塑性樹脂帶的厚度T與距離L的關系的圖,所述距離L是主冷卻輥接觸于從噴嘴排出的帶形狀的纖維束的位置與噴嘴的遠端之間的距離。
具體實施方式
下面,參照附圖說明本發明的適合的實施方式。
圖1表示本發明的第一實施方式所涉及的纖維增強熱塑性樹脂帶的制造裝置100。該制造裝置100一邊沿規定的輸送方向輸送纖維束8,一邊進行所述纖維增強熱塑性樹脂帶的制造。該制造裝置100包括送料機1、纖維預熱機2、樹脂含浸裝置3、噴嘴18、冷卻輥部4、冷卻部5、取回機6以及卷取機7,它們依次沿所述輸送方向排列。
所述送料機1包括纖維繞線管11、導桿12、調節輥13以及導輥14。
在纖維繞線管11纏繞有纖維束8,該纖維束8是多根例如12000根程度的纖維互相束在一起而成。在本實施方式中,所述纖維是碳素纖維。但是,本發明中使用的纖維并不限定于碳素纖維,也可使用玻璃纖維、芳綸纖維、陶瓷纖維、金屬纖維、由包含聚苯并噻唑、聚苯并噁唑等的含雜環聚合物制得的纖維等連續纖維。此外,也能使用將非連續的纖維紡織成絲的天然植物纖維。此外,作為碳素纖維可使用聚丙烯腈(PAN)類、石油煤瀝青類、人造纖維類、木質素類等碳素纖維。
所述導桿12、所述調節輥13及所述導輥14均是引導所述纖維束8的部件,具有圓形的剖面。其中,導桿12被固定為不以其中心軸為中心旋轉,而所述調節輥13及導輥14被配置成以其中心軸為中心旋轉。而且,所述調節輥13能夠在上下方向上移動。
纖維束8從纖維繞線管11放出,分別接觸于導桿12、調節輥13及導輥14并被輸送。此時,向纖維束8施加恒定的張力。該張力主要通過調節輥13進行調整。
如圖2所示,送料機1具有將作用于所述纖維束8的張力保持為恒定的張力調整機構31。張力調整機構31包括:具有兩端部且其中之一端部連接于所述調節輥13的軸的棒部件32;設置于棒部件32的張力附加平衡塊33;連接于棒部件32的角度檢測器34;以及使所述纖維繞線管11旋轉的馬達35以及控制器36。
調節輥13被施加相當于作用于張力附加平衡塊33的重力的向下的恒定的力。角度檢測器34將所述棒部件32的兩端部中連接于所述調節輥13的軸的端部的相反側的端部支撐為能夠以水平軸為中心旋轉,并且,檢測該棒部件32的旋轉角度。
所述馬達35以及所述角度檢測器34與所述控制器36電連接。控制器36根據角度檢測器34檢測出的角度調節馬達35的旋轉速度,據此,使從纖維繞線管11放出的纖維束8的張力恒定。其結果,在后述的樹脂含浸裝置3中,纖維束8穩定地開松。在本實施方式中,纖維束8的張力例如被控制為300g。此外,纖維束8的輸送速度例如為3m/分鐘。
使從所述纖維繞線管11放出的所述纖維束8的張力恒定的機構并不限定于所述的張力調整機構31。例如,包括檢測纖維束8的輸送速度的檢測器;檢測纖維繞線管11的轉速的檢測器;基于檢測的輸送速度以及轉速計算出卷繞在所述纖維繞線管11的纖維束8的直徑,并使粉末離合器等工作從而調整所述纖維繞線管11的制動力矩的機構也能使纖維束8的張力恒定。此外,在制造寬幅的帶時,優選用于構成該帶的纖維從多個纖維繞線管11放出。例如,優選分別為相當于所述送料機1的多個送料機,且該多個送料機互相并列配置。
如圖1所示,從所述送料機1放出的纖維束8被輸送到所述纖維預熱機2。纖維預熱機2將纖維束8加熱至約100℃,據此,附著于纖維束8的上膠劑(sizing agent)軟化。該上膠劑用于使多個纖維上膠而容易處理。該上膠劑的軟化使接下來的工序的纖維束8的開松以及向纖維束8的熱塑性樹脂的含浸變得容易。纖維預熱機2可使用公知的裝置。
從所述纖維預熱機2搬出的纖維束8經由所述導輥15而被輸送到樹脂含浸裝置3。導輥15具有圓形的剖面并以其中心軸為中心旋轉。代替該導輥15也可以使用具有圓形的剖面但不以其中心軸為中心旋轉的導桿。
所述樹脂含浸裝置3用于使所述纖維束8開松,并且使熔融的熱塑性樹脂含浸于該纖維束8。樹脂含浸裝置3具有容器3a、擠出機17以及多個含浸輥16。
所述容器3a呈在所述纖維束8的所述搬送方向上長的筒狀,在該容器3a內貯存熔融的熱塑性樹脂。容器3a內的熔融的熱塑性樹脂的溫度例如為230℃。此外,所述容器3a具有出口部,容許含浸了所述熱塑性樹脂的所述纖維束通過該出口部從該容器3a排出。
所述擠出機17向容器3a內供給熔融的熱塑性樹脂。該熱塑性樹脂具有適當的MFR。該MFR是合成樹脂的流動性的指數(熔體流動速率:Melt Flow Rate),被設定為例如30~115[g/10分鐘]的范圍內的任意值。
在本實施方式中,所述熱塑性樹脂是聚丙烯。但是,本發明中使用的熱塑性樹脂并不限定于聚丙烯。該熱塑性樹脂可使用例如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)、聚酰胺(尼龍6、尼龍66等)、聚縮醛、聚碳酸酯、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、直鏈低密度聚乙烯、聚對苯二甲酸乙二酯、聚對苯二甲酸丁二酯、聚醚酰亞胺、聚苯乙烯、聚醚砜、聚苯硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮等。
所述多個含浸輥16分別是被配置在所述容器3a中的含浸用部件。這些含浸輥16沿所述纖維束8的所述輸送方向以規定的間隔而被配置。這些含浸輥16之間的間隔并不限定于等間隔。各含浸輥16具有圓形的剖面,通過以其中心軸為中心旋轉,一邊接觸于所述纖維束8,一邊將該纖維束8輸送到所述輸送方向的下游側。所述多個含浸輥16的至少一部分也可為具有圓形的剖面但不以其中心軸為中心旋轉的導桿。
所述纖維束8在貯存熔融的熱塑性樹脂的所述容器3a內分別接觸于所述多個含浸輥16,并以鋸齒狀通過容器3a內。即,纖維束8交替進行與特定的含浸輥16的下表面的接觸和與其下一個含浸輥16的上表面的接觸,并在容器3a內沿所述輸送方向通過。該通過時,所述各含浸輥16使所述纖維束8開松,進而熔融的熱塑性樹脂含浸于其開松的纖維束8。
所述含浸輥16的個數根據纖維束8的開松程度以及向纖維束8的熱塑性樹脂的含浸程度而被調整。如果含浸輥16的個數過多,則纖維束8過于開松,纖維束8的寬度方向的兩端的纖維密度變高。而且,如果含浸輥16的個數過多,則向纖維束8作用過度的張力而容易引起纖維斷開。反之,如果含浸輥16的個數過少,則纖維束8的開松不充分,纖維束8的寬度方向的中央的纖維密度變高,或向纖維束8的熱塑性樹脂的含浸不充分。
所述噴嘴18被設置在所述容器3a的所述出口部。該噴嘴18是一邊對從容器3a排出的纖維束8的形狀進行整形一邊容許其通過的部件。噴嘴18具有開口,該開口是具有長邊及短邊的長方形的狹縫s。因此,通過了噴嘴18的纖維束8呈扁平的帶形狀。即,噴嘴18一邊使含浸了熱塑性樹脂的纖維束8成為帶形狀,一邊容許其通過。下面,將含浸了所述熱塑性樹脂且通過了所述噴嘴18的纖維束8稱為帶9。所述噴嘴18的溫度例如為230℃。
圖3A是所述噴嘴18的放大圖,圖3B是從圖1的箭頭3B的方向觀察所述噴嘴18的圖。如這些圖3A、圖3B所示,所述噴嘴18具有一對噴嘴部件18a、18b。該一對噴嘴部件18a、18b在該實施方式中上下排列且具有互相上下相向的面。這些面中的遠端側的部分,也就是說,噴嘴部件18a的遠端側的內表面18c以及噴嘴部件18b的遠端側的內表面18c具有垂直于纖維束8的輸送方向的法線。
該第一實施方式所涉及的噴嘴18還包括左右一對墊片41及左右一對導板42。
所述一對墊片41分別夾在所述噴嘴部件18a的左右兩端與所述噴嘴部件18b的左右兩端之間,據此,規定所述噴嘴部件18a、18b的遠端側的內表面18c、18c之間的上下方向的間隙的尺寸。該尺寸相當于構成所述狹縫s的長方形的短邊的尺寸T。換言之,所述一對墊片41能夠使在所述噴嘴部件18a、18b之間形成具有所述尺寸T的短邊的長方形的狹縫s。所述纖維束8通過該狹縫s,從而制造出纖維增強熱塑性樹脂帶,且其厚度被控制為作為噴嘴18的遠端的開口的所述狹縫s的厚度、即所述開口的短邊的尺寸T。
所述一對導板42在所述噴嘴18的遠端以阻止所述墊片41接觸于通過所述噴嘴18的纖維束8的方式被配置。所述一對導板42使用螺絲等而被安裝于所述噴嘴18的遠端的開口部分。所述一對導板42被配置成該一對導板42之間隔開間隔W。該間隔W是相當于所制造的纖維增強熱塑性樹脂帶的寬度的尺寸,相當于構成所述狹縫s的長方形的長邊的尺寸。據此,以通過噴嘴18的纖維束8的寬度與要制造的纖維增強熱塑性樹脂帶的寬度一致的方式該纖維束8被整形。在本實施方式中,一對導板42的間隔W、即要制造的纖維增強熱塑性樹脂帶的寬度為15mm。但是,該間隔W的具體的尺寸并不限定。所述尺寸T及間隔W,也就是說,所制造的纖維增強熱塑性樹脂帶的厚度及寬度能夠通過所述墊片41的更換及所述一對導板42的位置的變更而容易變更。
圖4A、圖4B是放大表示所述噴嘴18的變形例的圖。如這些圖4A、圖4B所示,也可在所述一對噴嘴部件18a、18b的至少一方、在圖4A、圖4B中為噴嘴部件18a上形成有劃定狹縫s的槽18d。該結構無需所述一對墊片41及所述一對導板42而能夠削減部件個數。此外,通過更換形成有所述槽18d的噴嘴部件,能夠容易變更所要制造的纖維增強熱塑性樹脂帶的寬度以及厚度。
圖1所示的所述多個含浸輥16中靠近噴嘴18側的含浸輥16如圖5所示是設有槽19a的帶槽輥19。另外,本實施方式包括一個帶槽輥19,但也可在靠近噴嘴18的位置設置兩個以上的帶槽輥。此外,也可以代替含浸輥16而設置導桿來作為含浸用部件的情況下,該導桿也可以具有槽。
圖5是從圖1的箭頭3B的方向觀察所述帶槽輥19的圖。如該圖5所示,所述槽19a被設置在所述帶槽輥19的軸向中央,且具有與所述一對導板42之間的間隔W、即所制造的纖維增強熱塑性樹脂帶的寬度同等的寬度。所述纖維束18以通過該槽19a內的方式被輸送。由此,帶槽輥19防止開松的纖維束8的寬度大于所要制造的纖維增強熱塑性樹脂帶的目標寬度。
另外,考慮到變更所制造的纖維增強熱塑性樹脂帶的寬度時的便利性,相對于帶槽輥19位于上游側的含浸輥16也可為沒有槽的平輥。反之,也可為含浸輥16全部為帶槽輥19。
如作為所述樹脂含浸裝置3的俯視圖的圖6所示,纖維束8的中心、噴嘴18的中心以及帶槽輥19的中心相互一致。這些中心彼此一致則能夠抑制所要制造的纖維增強熱塑性樹脂帶內的纖維密度發生偏差。所述圖6除了示出所述樹脂含浸裝置3以外,還示出后述的主冷卻輥20。
如圖1所示,通過了所述噴嘴18的帶9被輸送到冷卻輥部4。冷卻輥部4包括從所述帶9的輸送方向的上游至下游依次排列的主冷卻輥20以及副冷卻輥21。該主冷卻輥20以及副冷卻輥21具有圓形的剖面,且以其中心軸為中心旋轉。通過轉動接頭(未圖示)向該主冷卻輥20以及副冷卻輥21供給冷卻水,該冷卻水將所述主冷卻輥20以及副冷卻輥21的溫度保持為恒定溫度(例如20℃前后)。所述主冷卻輥20被配置在所述噴嘴18的下游側,在規定的接觸位置接觸于所述帶9,一邊將該帶9輸送到下游側一邊冷卻。所述副冷卻輥21被配置在所述主冷卻輥20的下游側,一邊將帶9進一步向下游側輸送一邊冷卻。所述帶9以規定的接觸面積分別與所述主冷卻輥20以及副冷卻輥21面接觸。
通過了所述噴嘴18的帶9的溫度為所述熱塑性樹脂的熔點以上。因此,剛通過噴嘴18后的帶9中熱塑性樹脂未固化,具有在輸送過程中在寬度方向上發生纖維的疏密的傾向。對此,在該裝置中,主冷卻輥20以剛通過所述噴嘴18后的帶9首先被主冷卻輥20快速冷卻的方式被配置。該第一實施方式所涉及的主冷卻輥20冷卻帶9的表(表側)面、即圖1所示的上表面。而且,帶9在主冷卻輥20的下游側被副冷卻輥21冷卻。所述副冷卻輥21冷卻帶9的背面、即圖1所示的下表面。據此,在帶9的寬度方向上發生纖維的疏密之前包含在帶9的熱塑性樹脂固化。所述副冷卻輥21被配置在阻止所述帶9的厚度方向上產生的冷卻不均使所述帶9發生“翹曲”的位置。
圖7是所述噴嘴18及冷卻輥部4的放大圖。該圖7所示的距離L、即所述噴嘴18的遠端與所述接觸位置、即所述主冷卻輥20與所述帶9接觸的位置之間的距離L基于所述噴嘴18的遠端的開口的短邊的尺寸(圖3B所示的狹縫s的寬度)T而被設定。具體而言,該尺寸T(mm)及該距離L(mm)以滿足下述的(A)式及下述的(B)式的任意一方的方式被設定。
L≤1000×T-35;T<0.08 (A)
L≤785.7×T-17.9;T≥0.08 (B)
所述接觸位置是以所述噴嘴18的遠端作為始點時的距離L的終點,并且是從噴嘴18出來的帶9最初接觸于所述主冷卻輥20的位置。主冷卻輥20和帶9在該位置及其下游側的特定區域以規定的接觸面積面接觸。也就是說,所述接觸位置是所述帶9與所述主冷卻輥20接觸的區域的上游側端的位置。
如上所述,剛通過噴嘴18后的帶9被主冷卻輥20快速冷卻,這使得在纖維發生疏密之前使熱塑性樹脂固化,由此抑制在帶9的寬度方向上發生纖維的疏密。
另一方面,所述噴嘴18的遠端與所述纖維束8最初接觸于所述主冷卻輥20的接觸位置之間的距離L優選被設定為5mm以上。如果想縮小該距離L,則需也要縮小主冷卻輥20的直徑,但是想讓主冷卻輥20保持所需的強度以及所需的冷卻能力,則該主冷卻輥20需要具有某種程度的大小的直徑。考慮到這點,所述距離L優選被設定為5mm以上。
所述主冷卻輥20的周速被設定為大于所述帶9(通過了噴嘴18的纖維束8)的輸送速度的高速度。例如,該主冷卻輥20的周速被設定為帶9的輸送速度的1.5倍以上且2.0倍以下的速度。
如果所述主冷卻輥20的周速與帶9的輸送速度相同程度,則有時發生含浸于纖維束8的熱塑性樹脂的一部分附著于主冷卻輥20的表面的現象。如此附著于主冷卻輥20的表面的熱塑性樹脂使帶9的表面產生局部的凹凸,有可能使帶9的表面的平滑性下降。
圖8是表示制造出的纖維增強熱塑性樹脂帶的外觀的照片。圖8所示的兩根纖維增強熱塑性樹脂帶中,下側的帶表面平滑而上側的帶的表面的箭頭所示的部位局部地產生了凹凸。
作為抑制所述凹凸的方法,有效的是具備如圖6所示的使所述主冷卻輥20旋轉的馬達25等輥驅動部,通過該輥驅動部使所述主冷卻輥20的周速高于帶9的輸送速度。據此,能夠抑制主冷卻輥20的表面上附著熔融的熱塑性樹脂的一部分的現象。主冷卻輥20的周速只要是在帶9與主冷卻輥20之間發生打滑的速度即可。如果考慮裝置的元件的壽命,主冷卻輥20的周速如上所述優選帶9即通過了噴嘴18的纖維束8的輸送速度的1.5倍以上且2.0倍以下。
圖9是放大所述樹脂含浸裝置3及冷卻輥部4的第一變形例的圖。如該圖9所示,代替所述單一的主冷卻輥20,也可以具備以夾持帶9的方式配置的一對主冷卻輥22、23。而且,作為被設置在該一對主冷卻輥22、23的下游側的副冷卻輥,也可以具備至少一對(圖9中為排列在帶9的輸送方向上的兩對)副冷卻輥26、27。所述一對主冷卻輥22、23能夠同時冷卻所述帶9的表面及背面,據此,防止表背的任意一面偏向被冷卻,能夠有效地抑制因該冷卻的偏向而發生帶9的翹曲。
圖10表示所述樹脂含裝置3及冷卻輥部4的第二變形例。如該圖10所示,也可以單一的主冷卻輥24、至少一個(圖10中為排列在帶9的輸送方向的三個)副冷卻輥28沿所述輸送方向排列,所述帶9一邊分別接觸于這些冷卻輥24、28、…一邊以鋸齒狀被輸送。即,帶9也可以一邊交替地受基于該帶9的表面與主冷卻輥24及偶數號的副冷卻輥28的接觸的表面的冷卻和基于該帶9的背面與奇數號的副冷卻輥28的接觸的該背面的冷卻,一邊被輸送至下游側。該圖10所示的配置中,相較于圖7所示的主冷卻輥20及副冷卻輥21與帶9的總接觸面積,多個冷卻輥24、28與帶9的總接觸面積廣,能夠更有效率地冷卻帶9。
如上所述,在冷卻輥部4被冷卻的帶9被輸送到圖1所示的所述冷卻部5。冷卻部5對帶9進行水冷。冷卻部5例如為水冷池。冷卻部5也可為對帶9進行空冷的部件。此外,如果通過冷卻輥部4的冷卻充分,則也可省略冷卻部5。
在所述冷卻部5被冷卻的帶9被輸送到圖1所示的所述取回機6。取回機6回收被冷卻的帶9。卷取機7纏繞被取回機6回收的帶9。另外,取回機6是使帶9進而纖維束8以規定的速度輸送的裝置。為了簡化結構,也可以使卷取機7兼備取回機6的功能,即回收帶9并使該帶9以規定的速度輸送的功能。
如以上所述,在本實施方式中,噴嘴18的遠端與作為主冷卻輥20和帶9最初接觸的位置的接觸位置之間的距離L與噴嘴18的遠端的開口的短邊的尺寸T的關系被設定為滿足所述(A)式及(B)式的任意一方。即,剛通過所述噴嘴18后的帶9中熱塑性樹脂未固化,具有在輸送過程中在寬度方向上發生纖維的疏密的傾向,但是以滿足所述(A)式或(B)式的方式被配置的主冷卻輥20能夠將剛通過噴嘴18后的帶9快速冷卻,從而能夠在帶9的寬度方向上發生纖維的疏密之前使熱塑性樹脂固化,據此,能夠減少在帶9的寬度方向上發生纖維的疏密的情況。
具體而言,噴嘴18的遠端與主冷卻輥20和帶9接觸的位置之間的距離L被設定為:當噴嘴18的遠端的開口的短邊的尺寸(圖3B所示的狹縫s的寬度)T小于0.08mm時滿足所述的(A)式,當噴嘴18的遠端的開口的短邊的尺寸T為0.08mm以上時滿足所述的(B)式。據此,能夠在帶9的寬度方向上發生纖維的疏密之前使熱塑性樹脂適當地固化。此外,如果是滿足所述的(A)、(B)式的距離L,則無需使冷卻輥進一步接近噴嘴。
此外,除了所述主冷卻輥20以外還配置至少一個副冷卻輥21,這能夠將帶9更充分地冷卻。另外,只使用單一的主冷卻輥來只冷卻帶9的表面及背面的其中一方,則帶9會產生翹曲,相對于此,使用所述主冷卻輥20及副冷卻輥21來冷卻所述帶9的表面及背面,則能夠有效地抑制帶9的翹曲。
另外,所述樹脂含浸裝置3包含多個含浸用部件、以及這些含浸用部件中至少最靠近噴嘴18的含浸用部件如上所述為帶槽輥19,該帶槽輥19具有與所要制造的纖維增強熱塑性樹脂帶的寬度相同尺寸的寬度的槽19a,容許纖維束8通過該槽19a內,這些能夠防止開松的纖維束8的寬度大于要制造的纖維增強熱塑性樹脂帶的寬度。這使得能夠制造出具有所需的寬度的纖維增強熱塑性樹脂帶。
在所述第一實施方式中,所述噴嘴18包含一對導板42,一對導板42在噴嘴18的遠端的開口部分隔開與所要制造的纖維增強熱塑性樹脂帶的寬度相同尺寸的間隔而被安裝。該一對導板42容易使通過噴嘴18的開口的纖維束8的寬度與所要制造的纖維增強熱塑性樹脂帶的目標寬度一致。也就是說,能夠容易地制造出具有所需的寬度的纖維增強熱塑性樹脂帶。此外,即使在通過噴嘴18的開口的纖維束8的寬度方向上發生纖維的疏密,纖維束8的寬度被整形的同時纖維的疏密在寬度方向上均勻化。據此,能夠使纖維在所要制造的纖維增強熱塑性樹脂帶的寬度方向上均勻分布。
此外,在所述第一實施方式中,將作用于纖維束8的張力保持恒定則抑制所述纖維的疏密的效果提高。如果在樹脂含浸裝置3的容器3a內作用于纖維束8的張力較大地變動,則纖維束8的開松不穩定,在寬度方向上發生纖維的疏密。相對于此,將作用于纖維束8的張力保持恒定則能夠使纖維束8穩定開松,據此,能夠減少在寬度方向上發生纖維的疏密的情況。因此,能夠使所制造的纖維增強熱塑性樹脂帶的寬度方向的纖維均勻分布。此外,將作用于纖維束8的張力保持恒定,則能夠使纖維束8穩定地直線前進。
另外,主冷卻輥20的周速高于帶9(通過了噴嘴18的纖維束8)的輸送速度,優選帶9的輸送速度的1.5倍以上且2.0倍以下,則防止熔融的熱塑性樹脂的一部分附著于主冷卻輥20的表面的現象,據此,能夠制造出表面平滑的纖維增強熱塑性樹脂帶。
圖11是本發明的第二實施方式所涉及的噴嘴18及冷卻輥部4的放大圖。該實施方式所涉及的噴嘴18呈隨著朝向所述主冷卻輥20而平行于所述開口的短邊的方向的尺寸變小的形狀、即遠端越來越細的形狀。該形狀能夠使主冷卻輥20的一部分相對于噴嘴18的遠端配置在上游側。即,能夠將主冷卻輥20配置在噴嘴18的遠端與作為主冷卻輥20和帶9最初接觸的位置的接觸位置之間的距離L小于主冷卻輥20的半徑R的位置。由此,在圖11所示的第二實施方式中,主冷卻輥20被配置在噴嘴18的遠端與冷卻輥20和帶9的接觸位置之間的距離L小于冷卻輥20的半徑R的位置。此外,所述形狀能夠在使所述距離L小于所述主冷卻輥20的半徑R的情況下,使該主冷卻輥20的半徑R增大。這使得能夠更快速地冷卻剛通過噴嘴18后的帶9。另外,由于能夠在采用此種配置的情況下增大冷卻輥20的半徑R,因此,能夠使冷卻輥20大型化。據此,冷卻輥20的冷卻能力提高,因此,能夠高效率地冷卻帶9。
下面,說明所述距離L及所述尺寸T滿足所述(A)式或(B)式有效的根據。
本發明人為了找出所述距離L的適合的范圍,以不同的參數制造了纖維增強熱塑性樹脂帶,并進行了評價有無缺陷部分的試驗,該缺陷部分是沒有熱塑性樹脂和/或碳纖維的部分(以下稱為缺陷部分)。在此,使用將東麗株式會社制造的碳纖維東麗卡T300捆扎12000根的束作為纖維束8。此外,使用聚丙烯來作為熱塑性樹脂。另外,纖維束8的輸送速度為3m/分鐘。并且,將噴嘴18的遠端與冷卻輥20和帶9接觸的位置之間的距離L[mm](以下稱為距離L)、相當于所要制造的纖維增強熱塑性樹脂帶的厚度的狹縫s的短邊的尺寸T[mm]、以及作為合成樹脂的流動性的指數的樹脂的MFR(熔體流動速率)分別作為參數。在此,設所要制造的纖維增強熱塑性樹脂帶的厚度與噴嘴18的遠端的開口的短邊的尺寸T(參照圖3B)為相同尺寸(以下,有時將帶的厚度也標記為厚度T)。
在表1示出該試驗的結果的一部分。
表1
圖12是表示制造出的纖維增強熱塑性樹脂帶的外觀的照片。在該外觀照片中,纖維增強熱塑性樹脂帶的寬度是15mm,黑的部分是碳纖維,白的部分是沒有碳纖維的部分即缺陷部分。在圖12中,上側表示沒有白的部分的帶,下側表示有白的部分的帶。
評價的結果,在距離L為10mm的情況下,不管帶的厚度T以及MFR如何,沒有發生缺陷部分。另一方面,在距離L為180mm的情況下,不管帶的厚度T以及MFR如何,發生了缺陷部分。此外,在距離L為45mm的情況下,當帶的厚度T為0.08mm時沒有發生缺陷部分,但當帶的厚度T為0.06mm和0.07mm時發生了缺陷部分。
圖13及圖14是表示樣本No.8的剖面的照片。在圖13中,可知存在沒有熱塑性樹脂以及碳纖維的缺陷部分。在圖14中,可知存在沒有熱塑性樹脂的缺陷部分。另一方面,圖15是表示樣本No.1的剖面的照片。在圖15中,可知熱塑性樹脂以及碳纖維均勻分布。
圖16表示如上所述地制造了具有15mm的寬度的纖維增強熱塑性樹脂帶時的另外的綜合結果。圖16表示噴嘴18的遠端的開口的短邊的尺寸T、與冷卻輥20和帶9接觸的位置與噴嘴18的遠端之間的距離L之間的關系。與所述一樣,設制造出的纖維增強熱塑性樹脂帶的厚度與噴嘴18的遠端的開口的短邊的尺寸T(參照圖3B)相同尺寸,并將其標記為厚度T。圖中,“○”表示沒有發生不存在碳纖維的缺陷部分的帶,“×”表示發生了不存在碳纖維的缺陷部分的帶。
所述試驗的結果明確示出:當帶的厚度即所述短邊的尺寸T(mm)小于0.08mm時距離L(mm)滿足以下的(A)式、當帶的厚度T即所述短邊的尺寸T(mm)為0.08mm以上時距離L(mm)滿足以下的(B)式,這使得能夠制造出缺陷部分少的纖維增強熱塑性樹脂帶。
L≤1000×T-35 (A)
L≤785.7×T-17.9 (B)
以上說明了本發明的實施方式,但這只是例示了具體例,不特別限定本發明,具體的結構等能夠適當變更設計。此外,發明的實施方式中記載的作用及效果只是列舉了本發明產生的最適的作用及效果,本發明的作用及效果并不限定于本發明的實施方式中記載的作用及效果。
例如,在上述的本發明的實施方式中,樹脂含浸裝置3具有使纖維束8開松的功能,但本發明并不限定于此。例如,也可以具備被配置在樹脂含浸裝置3的上游、更具體而言纖維預熱機2與樹脂含浸裝置3之間的開松機,由開松機使纖維束8開松。或者,也可以已開松的纖維束被纏繞在纖維繞線管11上并從送料機1放出其已開松的纖維束8。
如上所述,提供能夠制造缺陷部分少的纖維增強熱塑性樹脂帶的裝置以及方法。
所提供的纖維增強熱塑性樹脂帶的制造裝置包括:樹脂含浸裝置,用于將熔融的熱塑性樹脂含浸于纖維束,包括收容所述纖維束以及含浸于該纖維束的所述熱塑性樹脂的容器,其中,該容器具有出口部并且容許通過該出口部將含浸了所述熱塑性樹脂的所述纖維束排出;噴嘴,被設置在所述樹脂含浸裝置的所述容器的所述出口部,一邊使含浸了所述熱塑性樹脂的所述纖維束成為帶形狀,一邊容許該纖維束通過;以及至少一個主冷卻輥,被配置在所述噴嘴的下游側,一邊與通過了所述噴嘴的所述帶形狀的纖維束接觸,一邊將該纖維束向下游側輸送并冷卻,其中,容許所述纖維束通過的所述噴嘴的開口是具有長邊和短邊的長方形的狹縫,設所述噴嘴的遠端的所述短邊的尺寸為T(mm)、所述噴嘴的遠端與所述纖維束從所述噴嘴出來后最初接觸于所述主冷卻輥的接觸位置之間的距離為L(mm)時,該尺寸T及該距離L滿足下述的(A)式和(B)式的任意其中之一,
L≤1000×T-35;T<0.08 (A)
L≤785.7×T-17.9;T≥0.08 (B)。
根據該裝置,以所述距離L滿足所述(A)式或(B)式的方式配置所述主冷卻輥,這使得所述主冷卻輥能夠快速冷卻剛從所述噴嘴出來后的纖維束,能夠在帶的寬度方向上發生纖維的疏密之前使熱塑性樹脂固化。這能夠抑制在帶的寬度方向上發生纖維的疏密。
此外,所述距離L(mm)優選被設定為5mm以上。
在該裝置中,優選:所述噴嘴呈平行于所述短邊的方向上的該噴嘴的尺寸隨著接近所述至少一個主冷卻輥而變小的遠端越來越細的形狀,所述主冷卻輥被配置在所述噴嘴的遠端與所述接觸位置之間的距離小于所述主冷卻輥的半徑的位置。該噴嘴的形狀能夠使主冷卻輥的一部分相對于噴嘴的遠端配置在上游側,據此,在使所述距離L小于所述主冷卻輥的半徑R的情況下,增大該主冷卻輥的半徑R。這使得能夠在縮短所述距離L的情況下使主冷卻輥大型化,以提高其冷卻能力。
也可以為:所述至少一個主冷卻輥包含隔著所述帶形狀的所述纖維束而配置在其兩側的一對主冷卻輥,該一對主冷卻輥一邊分別接觸于所述纖維束的兩面一邊冷卻該纖維束。該一對主冷卻輥通過同時冷卻所述纖維束的兩面,能夠有效地抑制任意其中一面被偏向冷卻而引起帶的翹曲。
所述裝置也可以還包括:至少一個副冷卻輥,被配置在所述至少一個主冷卻輥的下游側,一邊冷卻所述纖維束一邊輸送該纖維束。
所述樹脂含浸裝置優選還包括被配置在所述容器中的多個含浸用部件,其中,各所述含浸用部件具有圓形的剖面并與所述纖維束接觸,該多個所述含浸用部件中包含最接近所述噴嘴的含浸用部件的至少一個含浸用部件具有槽,且容許所述纖維束通過該槽內,其中,所述槽具有平行于所制造的纖維增強熱塑性樹脂帶的寬度的方向的寬度。具有該槽的含浸用部件能夠防止開松的纖維束的寬度大于所要制造的纖維增強熱塑性樹脂帶的寬度,據此,能夠制造出具有所需的寬度的纖維增強熱塑性樹脂帶。
作為所述噴嘴適合包括:噴嘴部件,規定所述開口的短邊方向的尺寸;以及一對導板,隔開規定所述開口的長邊方向的尺寸的間隔而安裝于所述噴嘴部件的遠端。在該噴嘴中,通過所述噴嘴部件的更換以及所述一對導板的位置變更,能夠容易進行所述開口的長邊以及短邊的調節。
該裝置優選還包括:張力調整機構,將作用于所述纖維束的張力保持恒定。該張力調整機構通過將所述張力保持恒定,能夠提高抑制所述纖維的疏密的效果。
所述裝置優選還包括:輥驅動部,以使所述主冷卻輥的周速高于所述纖維束的輸送速度的方式,更優選為該輸送速度的1.5倍以上且2.0倍以下的方式,使該主冷卻輥旋轉。該輥驅動部通過使所述主冷卻輥相對于所述纖維束打滑,抑制該纖維束所含的熱塑性樹脂附著于該主冷卻輥,據此,能夠制造出表面平滑的纖維增強熱塑性樹脂帶。
此外,所提供的纖維增強熱塑性樹脂帶的制造裝置包括以下工序:樹脂含浸工序,使熔融的熱塑性樹脂含浸于纖維束;噴嘴通過工序,使經過所述樹脂含浸工序而含浸了所述熱塑性樹脂的所述纖維束通過噴嘴的開口而使該纖維束成為帶形狀,其中,該開口是具有長邊和短邊的長方形的狹縫;以及冷卻工序,使通過所述開口后的所述帶形狀的所述纖維束接觸于被配置在所述噴嘴的下游側的至少一個主冷卻輥,并一邊向下游側輸送一邊冷卻該纖維束,其中,設所述噴嘴的遠端的所述短邊的尺寸為T(mm)、所述噴嘴的遠端與從所述噴嘴出來后的所述纖維束最初接觸于所述主冷卻輥的接觸位置之間的距離為L(mm)時,該尺寸T及該距離L滿足下述的(A)式和(B)式的任意其中之一,
L≤1000×T-35;T<0.08 (A)
L≤785.7×T-17.9;T≥0.08 (B)。
在該方法中,也優選以使所述主冷卻輥的周速高于所述纖維束的輸送速度的方式,更優選為該輸送速度的1.5倍以上且2.0倍以下的方式,使該主冷卻輥旋轉。