JP2004504502A - 複合材から作られた一方向性シート - Google Patents

Abstract

本発明は、伸長破壊及び長手の熱可塑性マトリクス繊維（１５）によって得られた長手の補強ステープル繊維（１４）の混合銀の密接混合物を成すウエブに関連するもので、それら異なる繊維は、混合物において並行である。

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、複合材から作られた一方向性シートに関する。
【０００２】
（背景技術）
そのようなシートは、複雑な形状の、特に引き伸ばされる領域を有した、工業用の部分を製造することを目的とし、航空分野または自動車分野のような、様々な分野に使用することができる。
【０００３】
複合材は、製造には高価であり、一端敵に非常に高度な応用のために取って置かれている。複合製品は、たいてい織物、編成物の形をしている。コストを抑えるため、フィラメントの一方向性シートを使用することは既に明らかである。
【０００４】
（発明の開示）
本質的に既知の方法で、フィラメントは、その重ね合わせを制限しており、互いに並置され且つ並行に保持される。
【０００５】
そしてそれらは、硬化シートを得るため、カレンダリングによって行われる熱可塑性パウダーコーティングオペレーションを受け、それらを滑らかなロールに通す。また並行フィラメントを、過剰な重合体を搾り出す前に、融解した重合体の水槽を通すことが可能である。
【０００６】
（発明を実施するための最良の形態）
そのようなシートの欠点は、その高い製造コストのほかに、フィラメントの連続アレイを、複雑形状の部分の製造、特に圧伸される部分の製造に含まれる変形に不適切な、長手方向に備えることである。
【０００７】
また欧州特許明細書ＥＰ ０ ４６６ ６１８から、織物、編物、編成物、または一方向性シートから種々の予備的形成品を得ることを目的に、不連続カーボン繊維と熱可塑性マトリクス繊維とを混合することによって得られる、ハイブリッド編糸を製造することが知られている。
【０００８】
そのような一方向性シートは、従って円形断面の編糸から製造され、それらは縦糸に整えて、重合体の編糸を使用し、共に横に結ばなければならない。この重合体の編糸は、編糸を含んだ融解可能な小部分から構成されたものと、同じ種類でなければならなく。縦糸を構成する編糸の空間は、マトリクスが融解した後、繊維を伸ばすのに充分で、裂け目を防止しなくてはならない。このシートは、編糸のアレイを開けなければならいので、壊れやすく且つ簡単には取り扱えない。それにより、統合部分の次の製品のための予備的形成品の切断には、不適切である。更に、編糸、すなわち一方向性シートの作成は、高価で且つ裂けやすく、経済的に不適切な製品が、産業の様々な部門で無理に使われている。
【０００９】
本発明の目的は、複合材から作られた一方向性シートを提供することであり、そのシートは、少なくとも一つのタイプの補強繊維から成り、経済的で、圧伸される個所を具備することが可能な、複合部分を製造するもので、工程及び製造時間を非常に短くできる。
【００１０】
この目的のため、本発明に関する一方向性シートは、クラッキング（ｃｒａｃｋｉｎｇ）によって得られる長い不連続補強繊維と、長い熱可塑性マトリクス繊維から成る混合テープの完全な混合物から成り、それら種々の繊維は、混合物内で並行である。
【００１１】
連続繊維熱分解の技術は、炭素繊維、ガラス繊維またはパラアラミド繊維のような、高率且つ高強度の繊維のために、長さが可変な不連続繊維から成るテープを得る可能性をもたらす。また、熱可塑性重合体繊維は、同じ加工をされるか、長さを変えることが可能な機械的な切り取りによって得られ、通常手段のカーディング、コーミング、及び引き伸ばしによって加工され得る。
【００１２】
このシートの一つの特徴によると、補強繊維の平均の長さが約８０ｍｍで、その平均の長さに関して３５％か、それ以下の長さの部分は末広がり（ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ）である。
【００１３】
熱可塑性繊維の長さに関連して、４０〜１８０ｍｍの間の範囲内で変化する。
【００１４】
本発明の別の特徴によると、補強繊維のトレースの数は、最終最大で３００個以上である。これによって素晴らしい密接を、可能な最短時間間隔で既に強化されたシートを得るため、得ることが可能になる。
【００１５】
このシートの一つの特徴によると、シートの構成補強繊維が、以下の材料の族の少なくとも一つから選択され、それらは：
ＰＡＮ、ピッチまたは、標準的なレーヨン先駆物質から成る炭素：１９０ ＧＰａ ＜ Ｅ ＜ ７００ ＧＰａ（Ｅは引張り係数）；
Ｅ、Ｒ、ＳまたはＤタイプのガラス
標準的なパラアラミド：６０ Ｇｐａ ＜ Ｅ ＜１４０ ＧＰａ（Ｅは引張り係数）；
標準的なＡＳ−Ｈ−Ｍタイプのポリベンゾイミダール（ＰＢＯ）：Ｅ ＞ １９０ ＧＰａ（Ｅは引張り係数）である。
【００１６】
一つの選択肢によると、シートの構成マトリクス繊維は、以下の熱安定材料の族、すなわち：
ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエテルエテルケトン（ＰＥＥＫ）、及びポリエテルケトン（ＰＥＫ）の中の少なくとも一つから選択される。
【００１７】
別の選択肢によると、シートの構成マトリクス繊維は、以下の標準的な熱可塑性物質、すなわち：
ポリエテルテレフル酸塩（ＰＥＴ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリブタジエンテレフタル酸塩（ＰＢＴ）、及びポリエチレン（ＰＥ）の中の少なくとも一つから選択される。
【００１８】
シートの密着を最適化するため、長手方向に形成し、補強繊維に対してほぼ垂直で、例えばシート上にジグザグの形で置かれた、混合テープと一致する編糸またはテープを備える。
【００１９】
シートを製造するプロセスは：
熱分解オペレーションを受けた補強繊維のテープと、クラッキングまたはチョッピングオペレーションを受けた熱可塑性マトリクス繊維のテープを製造する段階と；
繊維を並行配置にして、同時に繊維を混合するため、種々の並行テープを引いて、それらテープを針のシステム（７〜１０）に通すことによっ、ｎ_１補強繊維テープとｎ´_１マトリクス繊維テープによる二つの構成材料のテープの密接混合物を製造する段階と；
前のオペレーションにより各回で生じる複数の構成材料のテープを使用して、この同じオペレーションを連続して実行する段階と；
前のオペレーション中に得られたマトリクス繊維と補強繊維の密接混合物から成る、並行テープの組立体を、熱可塑性マトリクスの構成材料の融点よりも数十℃以上高い温度に、熱せられたチャンバに入れる段階と；
重合体の凝固温度を下げるため、シートの温度を下げ、固体熱可塑性重合体マトリクスに埋め込まれた、互いに平行な補強繊維から成る予備的形成体を形成するため、冷却ロールの間にシートを通して、シート上に圧力を加える段階と；
を含む。
【００２０】
有利には、シートを加熱したチャンバに案内する前に、このプロセスは、例えば補強繊維の方向に対して垂直な方向にジクグザグを形成するように、長手方向に形成した混合テープに一致した合成物による編糸またはテープを、連続してシートに置くことを含む。
【００２１】
どの場合でも、以下の記載を助けとし、本発明を制限しない一例として、このシートを得る装置の一実施形態を、繊維状の主要部の図と共に示した、概略的な添付図面を参照すると、本発明を明確に理解されるであろう。
【００２２】
実際に、補強繊維テープ及びマトリクス繊維テープは、補強繊維の場合に、繊維クラッキング及び混合オペレーションによって、マトリクスファイバーの場合に、クラッキングオペレーションまたはチョッピングオペレーションによって、得られる。
【００２３】
種々の補強繊維テープ及び熱可塑性マトリクス繊維テープは、テーブル４の下に配置され、個々にポット２、３に置かれる。ポットを出たテープは、テーブルに作られた開口部５を通過し、種々のポット用の開口部５は互いに横方向にずれていて、幾つかのポットは、互いに長手方向にずれている。各テープは、テーブル４を通過した後、モーター駆動ローラー６を通過し、そしてテーブルに対して長手方向に運ばれ、全てのテープは、互いに並行である。種々のテープは、二つの駆動ロール７の間を、引き伸ばしヘッド８に入る前に通る。この引き伸ばしヘッド８は、正方形の変位移動を行い、すなわち前方移動される、二つの向かい合った櫛９を備え、櫛の歯がテープを掛けて、前記と同じ方向に変位され、続いて再びテープを貫通する前に、テープから幾分か離れた後方位置に、櫛を引き込み且つ戻す。引き伸ばしヘッド８の下流に、前進ロール１０が配置され、それは駆動ロール７よりも、早く回転し、櫛９の移動動作よりも速い動作を伝達する。構成材料の組合せのためには、繊維を互いに並行に配置させ、補強繊維とマトリクス繊維とを混合させる。混合テープ１２は、収集ポット１３に集められる。続いて、このタイプの幾つかの混合オペレーションによって、各混合オペレーションに関して、第一のオペレーションに続いて、直前の混合オペレーションから得られた一連の混合テープを受け取る。
【００２４】
従って、
もし第一機械が、ｎ_１補強繊維テープとｎ´_１マトリクステープを混合し、
第二機械が、機械Ｎｏ．１から出るｎ_２複数の構成材料のテープを混合し、
第三機械が、機械Ｎｏ．２から出るｎ_３複数の構成材料のテープを混合し、
機械Ｎｏ．ｍ−１から出るｎｍ複数の構成材料テープを混合する機械ｍ−ｙｈ機械まで続ける。
【００２５】
もし製品が、：
条件：
もし ｎ_１ ＜ ｎ´なら、ｎ ＝ ｎ_１
もし ｎ´_１ ＜ ｎ_１なら、ｎ ＝ ｎ´_１、
で、
ｎ×ｎ_２×ｎ_３．．．．ｎｍ ＞ ３００ ＝ Ｔ
（Ｔ：トレースの数）
でれば、
この混合は有効であると考えられる。
【００２６】
密接混合は、可能な最短時間の間隔で、既に強化されたシートを得るため本質的な条件である。
【００２７】
図４及び図５は、個々に混合した後、すなわち上記に記載したオペレーション後、そして熱可塑性マトリクス繊維の遊離後における、繊維の塊の二つの横断面図を示している。それらの図面、特に図４では、補強繊維が参照符号１４によって示されており、マトリクス繊維が参照符号１５によって示されている。図５において、マトリクス繊維は、それらが融解しているので、もはや描かれていない。
【００２８】
補強繊維とマトリクス繊維を好ましく配置することにより、非常に短時間で既に強化されたシートを得ることを可能にする。
【００２９】
正確には、浸漬時間はダーシーの法則によって与えられる。
ｔ１＝ηｘ^２（１−ｖｆ）／ｋ（Ｐｅ−Ｐｘ）
ｔ１：浸漬時間（秒）
η：重合体融解の粘性係数（Ｐａ．ｓ）
ｘ：マトリクス繊維の間の平均距離（ｍ）
ｖｆ：マトリクスの十進法の値（ｄｅｃｉｍａｌ ｖｏｌｕｍｅ ｆｒａｃｔｉｏｎ）
ｋ：繊維状の二元混合物（ｍ^２）の浸透率
Ｐｅ：予備的形成品に加わる外部圧力（Ｐａ）
Ｐｃ：毛管圧（Ｐａ）
【００３０】
我々は、マトリクス繊維の平均距離と比べて、浸漬時間ｔｉの非常に強い依存状態を示すことができる。
【００３１】
この距離ｘは、逆にトレースＴの数で変わるが、圧縮不可能な最小値に達する。
【００３２】
図３は一方向性のシートを連続的に予め強化する機械を示している。この機械は、図１及び図２に示されている機械と同じ全体的な構造を有しており、同じ要素は前記と同じ参照符号によって示されている。この機械において、全てのポート２、３は、前記の混合オペレーションから得られて混合テープを含んでいる。二つのステンレス鋼駆動ロールの間を通った後、シートは重合体の融点よりも高い温度に加熱されたチャンバ１６を貫通し、この温度上昇は約６０℃であり得る。繊維の質量において、確実に最大エネルギー吸収するため、シーティングは適度な波長の赤外線によって造られ得る。加熱チャンバ１６は、シールされ且つ反射的である。有孔ステンレス鋼コンベアー１７は、重合体加熱／融解オペレーション中に、繊維シートを支える。シートの進行速度は、供給テーブル上のシートの進行速度と一致する。
【００３３】
二組のカレンダリングロール１８は、チャンバ１６の下流に配置されており、シートを加圧し、温度を重合体の凝固点の下に下げる。それらの金属ロール１８は、それらの底部において、ポリテトラフルオロエチレンでコーティングされており、それらの頂部において、シリコンラバーまたはフッ素処理ラバーを取り付けられている。様々なロールが、例えば流量に関して調整できるような、水循環システムによって冷却される。ロールによって予備的形成品に加えられる圧力は、１０ ｂａｒ（１ ｂａｒ＝１０１ ３００ Ｐａ）よりも大きくなくてはならない。
【００３４】
シートの厚さは０．５ｍｍか、それ以下であれば、既に強化されたシートは、そして受容装置１９上に巻き取られ、または例えば０．５ｍｍよりも大きな厚さの場合、長さ２ｍのパネルにカットされる。
【００３５】
ゆえに得られるシートは、固体の熱可塑性重合体マトリクスに埋め込まれた、互いに平行な補強繊維から成る。
【００３６】
そして製造者の家屋において、熱形成オペレーションを行うことを目的に、ブランクを直ぐにカットすることが可能である。繊維の向きは、応力の方向に関して、幾つかのカットブランクを重ねることによって、選択され得る。完成した製品は以下のように、
一方向性シートのブランクをカットすること；
赤外線によって加熱すること；
冷えた母型に詰めること；
打ち抜くこと；
取り外すこと；
によって得られる。
【００３７】
補強繊維の不連続性は、繊維のアレイを壊すことなく、例えば一分間〜三分間の短い製造サイクルで、圧伸される部分を得ることを可能にする自由度を生じさせる。
【００３８】
図示の例として本発明による複合材の一方向性シートは、以下の通りである。
複合材：
平均長さ８０ｍｍで、強度１９０〜７００ ＧＰａの、クラックカーボン繊維６９％、
平均長さ８０ｍｍのチョップナイロン１２ポリアミド繊維３１％；
第一混合機械：
二十三個のカーボンテープ、
六個のポリアミドテープ；
第二混合機械：
十二個のカーボン＋ポリアミド混合テープ；
第三混合及び強化機械
三十個のカーボン＋ポリアミド混合テープ；
最適な混合条件：
ｎ＝ｎ_１＝６　　ｎ_１＜ｎ_２　　ｎ_２＝２３で
Ｔ＝６×１２×３０＝２，１６０＞３００；
プレ強化後及び前の一方向性シートの単位領域当たりの質量：
幅：０．６ ｍ
テープの単位長さ当たりの質量：１４ ｇ／ｍ
単位領域当たりの質量：
１４×３０／０．６＝７００ ｇ／ｍ^２；
強化後の厚さ：
複合材の密度：
０．４４×１．０１＋０．５６×１．７８＝１．４５ ｇ／ｃｍ^３
［欠落文］
７００／１．４５×１０４＝０．０４５ ｃｍ：
加熱温度：
ポリアミドの融点：７８℃
オーブンの温度：１７８＋６０＝２３８℃
【００３９】
上記から明らかなように、本発明は、構造的にシンプル且つ安価で、加工処理が迅速で、多くの産業装置に使用することができる、複合材の一方向性シートを提供することによって、現在の技術を大きく改善する。
【００４０】
言うまでもなく、本発明は、一例として上記に記載された、このシートの位置実施形態にだけ、限定されるものではなく、それどころが、その全ての変形例も含んでいる。ゆえに特に、補強繊維は、本発明の範囲内で幾つか別のタイプでありえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】混合機械の側面図。
【図２】部分的な頂部の図。
【図３】シートのプレ強化機械の側面図。
【図４】このシートの製造及びプレ強化の間に、シートの構成繊維を混合した一つの状態。
【図５】このシートの製造及びプレ強化の間に、シートの構成繊維を混合した他の状態。

Claims (10)

1. 複合材から作られた一方向性シートにおいて、
   クラッキングによって得られた伸長不連続補強繊維（１４）と、伸長熱可塑性マトリクス繊維（１５）から成る混合テープの密接混合物により構成され、それら種々の繊維が混合物において並行配置することを特徴とする一方向性シート。
2. 補強繊維の平均長さが約８０ｍｍで、その平均の長さに対して３５％か、それ以下の長さの末広部分を有することを特徴とする請求項１に記載の一方向性シート。
3. 最終的な混合物である補強繊維のトレースＴの数が、３００個以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の一方向性シート。
4. シートの構成補強繊維が、以下の材料の族、すなわち：
   ＰＡＮ、ピッチまたは、標準的なレーヨン先駆物質から成る炭素：１９０ ＧＰａ ＜ Ｅ ＜ ７００ ＧＰａ（Ｅは引張り係数）；
   Ｅ、Ｒ、ＳまたはＤタイプのガラス
   標準的なパラアラミド：６０ Ｇｐａ ＜ Ｅ ＜１４０ ＧＰａ（Ｅは引張り係数）；
   標準的なＡＳ−Ｈ−Ｍタイプのポリベンゾイミダール（ＰＢＯ）：Ｅ ＞ １９０ ＧＰａ（Ｅは引張り係数）の中の少なくとも一つから選択され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一方向性シート。
5. シートの構成マトリクス繊維が、以下の熱安定材料の族、そすなわち：ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエテルエテルケトン（ＰＥＥＫ）、及びポリエテルケトン（ＰＥＫ）の中の少なくとも一つから選択されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の一方向性シート。
6. シートの構成マトリクス繊維は、以下の標準的な熱可塑性物質、すなわち：
   ポリエテルテレフル酸塩（ＰＥＴ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリブタジエンテレフタル酸塩（ＰＢＴ）、及びポリエチレン（ＰＥ）の中の少なくとも一つ選択されることを特徴とする請求項
   １〜４のいずれか一項に記載の一方向性シート。
7. チョッピングまたはクラッキングされたマトリクス繊維の平均長さが、４０〜１８０ｍｍの間であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の一方向性シート。
8. 長手方向に形成され、強化繊維にほぼ対して垂直な方向に配置され、例えばシート上でジグザグに置かれた、混合テープに一致する合成物のテープまたは編糸から成ることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の一方向性シート。
9. 熱分解オペレーションを受けた補強繊維のテープと、クラッキングまたはチョッピングオペレーションを受けた熱可塑性マトリクス繊維のテープを製造する段階と；
   繊維を並行配置にして、同時に繊維を混合するため、種々の並行テープを引いて、それらテープを針のシステム（７〜１０）に通すことによっ、ｎ_１補強繊維テープとｎ´_１マトリクス繊維テープによる二つの構成材料のテープの密接混合物を製造する段階と；
   前のオペレーションにより各回で生じる複数の構成材料のテープを使用して、この同じオペレーションを連続して実行する段階と；
   前のオペレーション中に得られたマトリクス繊維と補強繊維の密接混合物から成る、並行テープの組立体を、熱可塑性マトリクスの構成材料の融点よりも数十℃以上高い温度に、熱せられたチャンバに入れる段階と；
   重合体の凝固温度を下げるため、シートの温度を下げ、固体熱可塑性重合体マトリクスに埋め込まれた、互いに平行な補強繊維から成る予備的形成体を形成するため、冷却ロールの間にシートを通して、シート上に圧力を加える段階と；
   を含むことを特徴とする請求項１〜８にいずれか一項に記載の複合材から作られた一方向性シートを製造するプロセス。
10. シートを加熱したチャンバに案内する前に、例えば補強繊維の方向に対して垂直な方向にジクグザグを形成するように、長手方向に形成した混合テープに一致した合成物による編糸またはテープを、連続してシートに置くこと、を含むことを特徴とする請求項９に記載のプロセス