JPH08506773A - 製帆用改良材料並びにその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 セール或いはその他の可撓性シート又は膜用の改良強化積層材には、一方向押出モノフィラメントのプルトルージョン成形された薄手軽量強化シートが利用されるが、１枚又はそれ以上の上記強化シートはマイラーのようなポリマーフィルム又はその他の材料の延伸シートに積層された１又はそれ以上のユニテープを形成する。上記モノフィラメントは弾性高分子マトリックスを介して上記ユニテープ中に埋め込まれており、この強化シートを積層法でセールに組み込むと、従来のストランドア又はスレッドよりも直径が５倍小さい強化モノフィラメントを有するセールが得られる。直径の小さいモノフィラメントを使用すると、モノフィラメントとモノフィラメントとの重なる交差点密度が格段に増大して、剪断強度及びヤング率が劇的に増大するとともに、重量も劇的に軽量化される。一つの実施態様での比弾性率の増加は従来のセール積層材の約６倍である。例えば、ほんの３分の１の重量で、引張強さは２倍優れている。好ましい実施態様では、積層プロセスにオートクレーブ処理を用いて、剪断強度を３０％も低下させるような空隙を積層材から排除する。もう一つの無空隙積層プロセスにはシリコーン剥離ライナー／熱盤法が含まれる。

Description

【発明の詳細な説明】 製帆用改良材料並びにその製造方法 明細書 発明の分野 本発明は、製帆その他の高弾性・高剪断強度の可撓性布を必要とする用途のた めの可撓性強化材料に関し、さらに具体的には、押出モノフィラメントで強化さ れた積層材の製造に関する。 発明の背景 帆船、特にレース用帆船の帆（セール）を供給する際、製帆業者にとっては、 様々な条件の風の下で最大限の艇速を引き出すようにするために、セールの形状 だけでなく、使用すべき材料も問題となる。セールの形状だけが重要なのではな く、引裂抵抗も耐ＵＶ寿命もセールの重量もすべて競技用ヨットレースにおける 重要な因子である。 承知されていると思われるが、ヨットレースにおいて、セールが裂けたときの 損失はセール交換のために最低３０秒かかると見積もられ、その結果、レースに 負けてしまうことも多く、それどころかマストやフォアステーからセールが外せ なくなってしまうこともある。セールの裂けや破損は、また、最適とはいえない セールで代替することにもなりかねず、そのため艇の競争力が落ちてしまうこと もある。 さらに、特に向かい風効率に関して、セールの形状は決定的な重要性をもつ。 最初の突風荷重を受けた後でセールが当初の設計通りの形状を保つことができな ければ、そのようなセールを掲げたボートも競争力を失うはずである。 次に、引裂抵抗及び形状の問題が解決できたと仮定した場合、慣性効果のため にセールの軽い艇ほど競争力が高まる。 これらすべての点から、強度が補強されていて、柔軟で折りたたみ可能である と同時に設計通りの形状を保持するような新型軽量材料を提供することが望まれ ている。 長年にわたって、織帆布が製帆の好ましい材料として存在してきた。帆布には 一般にスレッド又はストランドが利用されているが、これらは複数の繊維を撚り 合わせ又は紡績したもので、ストランド当り一千乃至百万個の糸からなるスレッ ドやストランドが作られることが多い。これらのスレッド又はストランドの厚み は、直径４/１０００インチ（すなわち１００ミクロン）から直径１/１０インチ （すなわち２５００ミクロン）のオーダーである。織布であろうと不織布であろ うと、スレッド又はストランドの直径が比較的大きいために、スレッドやストラ ンドでセールを作ると性能の向上が望めなくなる。その主な理由は、こうして作 ったセールの強度が格段に増大することは有り得ないからである。こうしたセー ルの重量を格段に減らすことも不可能である。 公知の通り、このような帆布の剪断強度は縦糸と横糸の交差点の密度又は数に よって決定される。このことは、その構造が織布であったとしても或いは単にス トランドの上にストランドを重ねて得たものであったとしても、当てはまる。交 差点密度比は（直径／間隔）の二乗によって与えられる。１０ミルのストランド 又はスレッドを２００ミル間隔で交差させて用いる典型例では、上記密度はたっ たの１/４００である。これは交差点密度としては極めて低く、このようなスト ランドやスレッドを積層材（例えばマイラー（Ｍｙｌａｒ））の補強のために使 用したとしても、得られた材料において強化用ストランドから得られる剪断強度 上の利益は非常に小さい。こうした場合、セールの剪断強度はマイラーの剪断強 度のみに依存する。したがって、スレッド又はストランドの織布又は不織布構造 では、伝統的な手法で作ったセールの剪断強度を大きく向上させることはできな いことが理解されるであろう。 その理由は、剪断強度が交差点（すなわち、材料中で接着による貼り合わせが 形成される点）の数に直接依存するからである。従来のセールではスレッド又は ストランドの直径が比較的大きいので交差点密度は必然的に低くなり、多数の交 差点をもった緻密な織目又は格子を得ることは不可能である。 ストランド又はスレッドの直径を例えば５ミクロンまで減少させることができ れば、交差点密度が２桁増大することが理解されるであろう。典型的には、仮に ５ミクロン径のスレッドを利用することができるとすれば、非常に径の小さいス レッド又はストランドの提供に伴う軽量化のほかに、交差点密度が通常のスレッ ド又はストランド構造体に比べて１００倍から百万倍増大するはずである。しか し、このような径の小さなスレッド又はストランドは存在していない。 米国特許第４６７９５１９号（Ｌｉｎｖｉｌｌｅ）及び同第４７０８０８０号 （Ｃｏｎｒａｄ）に記載されている方法では、積層型帆材を提供するために、不 織ストランド又はスレッドを好ましい方向に整列させ、最初は交差点を一切作ら ない。しかる後に、これらのストランドの上に第２のストランド層を載せるが、 このとき、２組目のストランドは交差点ができるように異なる方向に整列させる 。しかし、こうした場合でも、ストランドの直径が大きいために交差点密度は極 めて小さい。著しく直径の小さいストランドを利用することによって交差点密度 を増大することができれば、剪断強度を高めることができるはずであり、目標と しては上記Ｌｉｎｖｉｌｌｅの材料よりも剪断強度を１０倍高くすることが望ま れる。 さらに、直径が５倍小さい強化用素材及びカーボン／ポリマーモノフィラメン トの最適混合ハイブリッド複合材で作った材料の比ヤング率に関しても、このよ うな帆材は現在生産されているものの少なくとも６倍優れている。 当然理解されるはずであるが、膨大な数の交差点が存在すると、ひときわ優れ た引裂抵抗が得られ、たとえ帆材が裂け始めたとしても裂けはすぐに止まるはず であり、このことは帆材がその極限まで引張られるヨットレースにおいては決定 的に重要なポイントである。 問題は、強化用素材の直径が極めて小さい強化材で、同時に増大又は優れた降 伏強さ及び弾性率をもつ強化材を製造する方法を見出だすことである。新たな材 料を用いて増大した交差点密度を与えることも重要である。ただし、交差点結合 を無事に作ることができることが前提となる。 このような剪断強度が格段に増大した軽量材料を開発することができたとして も、セールでは荷重を加えたときの伸張によって材料が変形しないことが重要で ある。織物でできたすべてのセールについていえることであるが、ヤーンは、製 織すると、スレッド又はヤーンが互いに屈曲して交絡した上下ジグザグパターン を形成するので、織物構造に荷重をかけると、縦糸と横糸のなす交差点が引張ら れて交差点が重複部分で平らになる。これは、材料に最初の大きな荷重がかかる と、材料がその最初の設計通りの形状には戻らないことを意味する。交差点がそ の元通りの形状に戻らなくなることは業界ではクリンプの問題と呼ばれ、交差点 がその元の織縮んだ上下ジグザグ形状に戻らずに展伸したままとどまることをい う。すなわち、クリンプは複合織物の応力-歪曲線にかなりの非線形性を生じる 。クリンプ緩和過程におけるヒステリシスは、布の永久展伸を引き起こして最初 に設計されたセール形状を変形させてしまう。 セールはすべて無荷重の材料で作られるので、このようにして作られたセール はすべて風荷重を受けると形が壊れてしまう。このことは製帆業者にとってセー ル設計上の問題となる。セールの変形の大きさは予測できないからである。この ような予測不能性のために、セールは、いったん裁断して使用した後で最終的に 所望の形状が得られるように再度裁断しなければならない。 クリンプの問題は、スレッド又はストランドの直径が大きいほど縦糸と横糸の 上下方向のジグザグが大きくなるので、深刻になる。したがって、従来の製帆作 業では使用されるストランド又はスレッドの直径が比較的大きくて上下のジグザ グ（すなわち、織縮み）が大きいために、セールの形状設計は面倒な試行錯誤法 で行われることが多い。 クリンプに関する問題は、一枚のセールの中の多数のパネルを取り扱う場合に 特に深刻になる。最初の風荷重を受けた後でこのようなセールを再度裁断するに は、個々のセールパネルの再裁断を要することが多く、非常に時間のかかるプロ セスであるが、クリンプ効果を実質的に除くことができれば解消することができ るはずである。 要するに、クリンプは、最初の風荷重を受けた時に制御することのできない変 形を引き起こす。このため、セールのレース耐用寿命が劇的に縮まり、試行錯誤 によるセール設計の回数が増えることになる。多数の特殊な配向及び形状の断片 を集成してなるセールを用いる場合、望ましいセール形状を得るのに要する再裁 断の量が増えるためにクリンプの問題はさらに深刻になる。したがって、上下ジ グザグ（すなわちクリンプ）の大きさの小さい帆材があれば非常に望ましい。こ れは、積層材中の縦糸及び横糸様の強化素材の直径を大きく減らすことによって 達成できることが理解されるはずである。 積層式セールに伴うもう一つの問題は空隙の問題である。通常の加圧積層法を 用いる上記Ｌｉｎｖｉｌｌｅの系では、積層プロセスの際に気体が発生するので かなりの空隙が存在する。一般に、３体積％の空隙があると剪断強度は３０％低 下し、積層材中の強化構造によって達成されるはずの剪断強度の増加が積層式セ ールから失われてしまう。 さらに背景的な説明を加えると、積層材の製造に用いられる技術の多くは航空 宇宙産業から生まれたもので、航空宇宙産業の分野においては炭素繊維構造材や 積層材は一般的なものではあるが、そうした構造材や積層材は柔軟で折りたたみ 可能な材料を必要とするものには余り適していない。例えば、炭素繊維のマスト や船底並びに航空機における炭素繊維の構造用素材は、剛性のエポキシ母材又は バインダ中にカーボン素材を提供するための製造技術を利用している。このよう な炭素繊維系は、柔軟で折りたたみ可能な材料の必要とされるものには使用でき ない。さらに、セールの設計には独特の動力学的条件が適用されるために、この ような系を製帆に適合させるのは容易ではない。 発明の概要 本願発明では、撚り合わせて作られたスレッド又はストランド又は繊維を利用 せずに、好ましくは５〜１０ミクロンのオーダーの直径を有するカーボン及び／ 又は延伸ポリマーの押出モノフィラメントを可撓性積層材の強化素材として利用 するが、モノフィラメントの直径が極めて小さいのでモノフィラメント交差点の 数を最大限に増やすことができるため、積層材の伸張抵抗及び剪断強度は劇的に 増大すると同時に、材料の総重量が軽くなる。 その他の利点として、強化素材の直径が少なくとも５倍小さくなるので、クリ ンプの問題が少なくなる。例えば、モノフィラメントの直径が小さいので、積層 プロセスの間に生ずる上下ジグザグは小さくなる。その結果、この材料ではクリ ンプに関連したセトリング（ｓｅｔｔｌｉｎｇ）の問題は起こらず、セールに理 想的な材料となる。５ミクロンのフィラメントが中心距離１０ミクロンで交差し たときの増大した交差点密度は、（１/２）²、すなわち１/４であり、Ｌｉｎｖ ｉｌｌｅ及びＣｏｎｒａｄの積層帆布を代表とする最良の積層材よりも少なくと も１桁向上した剪断強度を与える。このような剪断強度の増加は、部分的には１ ００倍増加した交差点密度によると同時に、押出モノフィラメント炭素繊維に伴 うヤング率の増加による。 さらに、高密充填されたモノフィラメント間の界面結合は、ストランドやスレ ッドや加撚繊維に伴うものよりも格段に安定である。これは、重なり合ったスト ランド又はスレッドは、加撚構造の中の外側の繊維の部分だけで機械的に接触し ているからである。その結果、重なり合ったストランド又はスレッド間で接触し ているのは、加撚ストランドの中の繊維のほんの数パーセントに過ぎない。スト ランド又はスレッドの中の大多数の繊維については、交差しているストランド又 はスレッドの繊維にほんの僅かに接着結合又は機械的結合しているに過ぎない。 一方、セールをモノフィラメントで強化する場合、各モノフィラメントがそれ と重なった個々のモノフィラメントに接触している。 このような性質の材料を作ることの成果は、このような材料で作られたセール は既に平らであるのでかかるセールにはクリンプの問題がないことである。これ らは極めて長い耐用寿命と高いＵＶ耐性をもち、軽量で、高い剪断強度と引裂抵 抗を併せもつので、スピンネーカーや多くの種類の追い風セールに理想的な材料 である。実際、その引裂抵抗は、たとえセールに穴が開いて裂け始めたとしても 、従来のセールとは異なり、膨大な数の交差構造のために裂け続けたりはしない ようなものであるので、ヨットレースにおいて裂けたセールを急いで下ろすとい うようなことは過去の話になる。 最も重要なことは、重量以外に、かかるセールではクリンプに関連した問題が ないためにセールがその最初の設計通りの高性能形状を維持することである。こ のようなセールは最初の荷重を受けても形状が変化せず、クリンプがないことか ら、セール設計の際にいつものような試行錯誤によるセールの再裁断を行う必要 がない。また、様々な方向における帆材の強度の点で、パネルの必要数が少なく て済むので、セール形状の問題を生じると同時にセールの総重量を増加するよう な平坦重複部分が少なくて済む。 実際、本発明の材料の中の強化構造は、格子構造を作るのに木の幹を互いに十 文字に交差させたときと爪楊枝を十文字に交差させたときの違いにうまくたとえ ることができ、それほど直径の差が大きい。モノフィラメント層での強化は真の マイクロコンポジットのレベルに近い。 要約すると、セール用或いはその他の可撓性シート又は膜用途に用いるための 改良強化材料は、ポリマー母材（マトリックス）中に均一に埋め込まれたカーボ ン又は延伸ポリエチレン又は液晶ポリマーの一方向押出モノフィラメントの薄い シートを利用する。１枚又はそれ以上のモノフィラメントの強化シートを所定の 方向に配向させてポリマーフィルム間に積層して構造体とするが、この構造体は 向上した比引張強さ及び剪断強度及び弾性率を与えるだけでなく、繰返荷重の下 での寸法安定性に優れる。一つの実施態様では、異なる方向に配向させた２〜８ 枚の強化シートをポリマーフィルム間の強化材として用いる。モノフィラメント の断面直径は通常は平均して約３〜１５ミクロンの間であり、織-及び不織-帆布 又は積層材の強化素材として通常使用されているストランド又はスレッドの５倍 以上小さい。 一つの実施態様では、積層材は炭素モノフィラメント及び／又はポリマーモノ フィラメントで強化されるが、これらは最初に保護コーティング又は「サイジン グ」を施した薄手バンドのロールとして供給され、その中には３〜１５ミクロン 径のモノフィラメントが６０〜１２０００本埋め込まれている。複数のバンドに 、接着性を改良するための前処理を施して、イソシアネート硬化剤を利用したポ リウレタン及びポリエステル樹脂からなる弾性熱硬化性樹脂と組み合わせて、裏 に剥離シートを付ける。この集成体を定間隙回転ダイに通してプルトルージョン 成形（ｐｕｌｌｔｒｕｓｉｏｎ，引抜き成形）して、樹脂マトリックス中に高密 充填・均一分散モノフィラメントが埋め込まれたフラットで連続した均一な厚さ の融合シートにする。このシートを、本願明細書中では、ユニテープと定義し、 約１０ミクロンの厚さと１０〜３０ｇ/ｍ²の重量をもつが、この重量は標準的な 炭素繊維含有テープよりも１桁軽い。この軽量薄手シートを強化材として利用し て、外層フィルムの間に挟み込んで柔軟で折りたたみ可能な強化シート又は膜を 作る。 さらに具体的には、セールその他の用途に用いられる改良引抜き成形材料には 、剪断強度を向上させるために積層構造中の押出モノフィラメントが利用される が、強化用モノフィラメントは積層材中の所定の方向に配向されており、当該モ ノフィラメントの断面直径は織-及び不織-帆布又は積層材の強度増加用又は強化 用 素材として通常使用されているストランド又は繊維の５倍以上小さい。一つの実 施態様では、積層材は、一時エポキシ又はサイジングを最初に施したカーボンモ ノフィラメントで強化するが、その際、６０〜１２０００本の５ミクロン径モノ フィラメントがかなりの横幅をもつが厚さは１０ミクロン程度しかないバンドと して提供される。並列に並べた１０００本ほどの多数のバンドを溶剤中に通して サイジングを除去し、弾性樹脂でコーティングし、次いで定間隙回転ダイに通し て複数のテープが統合されたフラットな融合バンド（ユニテープと呼ぶ）とする が、このユニテープが積層材の外側シートの中間の強化材として利用される。一 つの実施態様では、これらの外側シートはマイラー（Ｍｙｌａｒ）のような材料 でできたものである。別法として、ユニテープはマイラーのような材料のシート １枚だけに接着させてもよい。さらに、樹脂処理の前に、モノフィラメント外表 面の接合性を改良するために、例えば化学エッチングやプラズマアークエッチン グやコロナ放電加工などの、任意段階としてのモノフィラメント処理工程を設け てもよい。 サンドイッチ構造を利用しようが或いはフラットバンドを１枚のシートに接着 しようが、一つの実施態様では、材料は、サンドイッチ構造自体を２つのプラス チック層の間に挟み込むか或いは真空バッグを形成するような支持板に接した１ 層に差し込むというオートクレーブ法によって成形する。好ましい実施態様では 、マイラー製外側シートの間に、ユニテープのフラットなバンド（複数）を１枚 １枚異なる方向に積層するようにして、多方向の強化を図る。 オートクレーブに際しては、サンドイッチ構造を、例えば２００ｐｓｉ及び２ ５０°Ｆで１０時間、圧搾して加熱する。この加工処理は少なくとも２段階に分 けられるが、その一つは圧縮段階であり、それにより、ポリウレタン及びポリエ ステルの専用樹脂がすべての層の周囲及びモノフィラメント間の空隙に流れ込む ようになって、接着性及び可撓性が確保されることになる。その後に樹脂ポリマ ーの硬化段階が続く。その結果、モノフィラメント同士並びにモノフィラメント とオーバーレイシート又はアンダーレイシートとが最適に結合した３次元可撓性 マトリックスが得られる。結果的に、極めて長い耐用寿命と高いＵＶ耐性をもち 、軽量で、卓越した剪断強度と引裂抵抗を有すると同時に、荷重下でのクリン プに関連したセトリングの問題が全くないために最初の設計通りの高性能セール 形状が維持されるような帆材が得られる。 オートクレーブ処理の目的は発生した気体をすべて溶液中に追い込むことであ り、オートクレーブプロセスでは過圧によって気体が溶液中に追い込まれる。そ の結果、気体空隙のない積層構造が得られる。或いは、積層構造中の空隙を別の 技術で排除してもよい。このような技術の一つでは、積層素材にシリコーンのイ ンターリーフ又は層を与え、その構造を締め付けて加熱する。加熱でシリコーン が膨脹することにより、積層プロセスが完遂されると同時に発生した気体を溶液 中に追い込むための十分な圧力が提供される。積層後、シリコーン層又はインタ ーリーフを取り除く。 本願発明はその起源を製帆技術にもつが、本願発明の強化材料は、パラシュー ト類、各種バルーンやエアバッグのような空気で膨らませることのできるもの、 テント類、電磁透過ウインドー、ソナー音響伝達ウインドー、与圧宇宙服、タイ ヤ、駆動ベルト、防弾チョッキ、並びに建築業で屋根や天井用に利用されるテン ション構造などの、可撓性強化積層材が役立つ様々な用途に利用価値をもつ。 図面の簡単な説明 本願発明の上記その他の特色は、詳細な説明を図面と照らし合わせて参照する ことによってさらに深く理解されるはずである。図面については下記の通りであ る。 図１は、パネルをもつセールの概略図であり、各パネルにおける主な応力の方 向は図示した通りである。 図２は、本願発明の積層材の分解図であり、モノフィラメント強化用部材を様 々な方向に、主にそれらの方向に強化された材料を提供するために、互いに交差 して積んだ状態を示している。 図３は、縦糸素材と横糸素材が直径１０ミルを超えるストランド又はスレッド であって、そのため達成可能な交差点密度ひいては材料の極限強さが限られてい るような織物における交差点の概略図である。 図４は、ストランド又はスレッドの直径よりも小さい直径のモノフィラメント を用いた本願発明の強化系の概略図であり、その桁の違いは、上記小直径モノフ ィラメントによって可能となる格段に増大した交差点密度に比例して増大した強 度及び剪断抵抗を強化材料に与えるに十分である。 図５は、ユニテープ強化積層材を提供するために用いられるプロセスの略図で あり、複数の押出モノフィラメントでバンド又はトウを準備し、モノフィラメン トの外表面の接着結合を促進するために複数の並列したバンドを処理した後で、 プルトルージョン成形で一体化テープに加工する工程を示す。 図６は、図５のプロセスの平面図であり、１０００本ほどのバンド又はトウを 一体化テープに統合する工程を示す。 図７は、オートクレーブ操作の断面図であり、定盤上の内側バッグと外側バッ グの間に素材をサンドイッチ形に入れた後、２枚のポリエステルフィルムの間に 挟まれたユニテープ強化素材の積層材を提供するためのオートクレーブプロセス を行って、空隙のない積層材料を製造する。 図８は、本願発明の積層製品を製造する際の工程を図示したフローチャートで ある。 図９は、典型的なオートクレーブ法についての時間／温度・圧力特性の一具体 例を示すグラフである。 詳細な説明 図１を参照すると、典型的なセール１０には、セールのヘッド１４とタック１ ６又はクリュー１８の間に多数のパネル１２が与えられている。これらのパネル の各々は、典型的には、各パネルの強度の主方向が主な応力線（この図では参照 符号２０で示す）に沿うように設計される。セールに多数のパネルを用いること の目的は、帆材の特定方向の性質を利用して、セールの風荷重によって引き起こ される様々な力に適応させることにある。本願発明以前には、通常の積層材の剪 断強度は１枚のパネル又は少数のパネルでセールを組み立てることができるほど 高くなかったので、数多くのパネルが必要とされた。パネルの数が多いほど、必 要な縫合が加わるので総重量が増える。 過去に、ストランド又はスレッドが上記の主な応力方向に整列しているような 強化ストランド又はスレッドが帆布に利用されたこともあるが、ストランド又は スレッドを利用したときの交差点密度を直径の小さいモノフィラメントを利用し たときの交差点密度に近付けることは不可能であるので、セールの重量を差し置 いても、バイアス強度・剪断強度・弾性率は最適なものからはほど遠い。 次に図２を参照すると、積層材３０には一方向テープ（すなわち、ユニテープ ）３２，３４及び３６が上層フィルム４０と下層フィルム４２の間の位置で用い られているが、これらのユニテープの各々はプルトルージョン成形テープ中の多 数の押出モノフィラメントを含んでおり、各ユニテープは約１０ミクロンの厚さ を有する。各ユニテープには５０〜８５体積％のモノフィラメントが供給され、 これらのモノフィラメントには結合樹脂４４のキャリアーが供給されてモノフィ ラメントと樹脂を含んだマトリックスが形成される。 ユニテープ３２，３４及び３６の各々が、完成ユニテープの端から端まで単一 の方向に伸びた縦通モノフィラメント３８を有している。 これらのモノフィラメントは商業的に入手し得る強化材であり、そのような強 化材は下記の表１に示す通り幾つかの部類又は種類に分類される。 １番目の種類は、無機炭素／炭素繊維であるが、トウ当り１０００及び１２０ ００本のモノフィラメントを有するトウ又はバンドが入手可能である。次のモノ フィラメントのクラスは無機ケイ素であり、トウ当り２０〜１０００本のモノフ ィラメントを有するＨＳガラス繊維として入手可能である。３番目のクラスは５ ５〜３０００デニールのアラミドモノフィラメントである。さらに、トウ当り５ ０〜２５００本のモノフィラメントを有する液晶形の有機規則ポリマー（ｏｒｄ ｅｒｅｄ ｐｏｌｙｍｅｒ）によって特徴付けられるモノフィラメントのクラス もある。 さらには、トウ当り３０〜９６０本のモノフィラメントをもつ延伸ポリエチレ ンモノフィラメントもあるし、別のクラスには７〜２０００デニールのポリエス テルが含まれる。モノフィラメントのもう一つのクラスは、５〜２０００デニー ルのナイロンである。さらに、５〜１０００デニールのエンジニアリング熱可塑 性樹脂がある。最後に、トウ当り１０〜１０００本のモノフィラメントを有する ボロン及び／又はセラミックス配合モノフィラメントのクラスがある。 典型的には、トウ又はバンドは１／８インチ未満の幅をもち、１０００本ほど の数のトウ又はバンドを並列に並べて、回転ダイプルトルージョン法で個々のト ウ同士を一体化することによりプルトルージョン成形して２７〜６０インチ幅の テープにする。上記の組合わせは複合強化素材となり、プルトルージョンプロセ スに先だって、異なるモノフィラメントのトウを同時に配列すれば最終ユニテー プに利用できることが理解されるであろう。これに関して、最終ユニテープの幅 を挟んで異なる材料のトウがある間隔で交互に配列する。 モノフィラメントの直径が５〜２０ミクロンであることから、上述の交差点密 度が劇的に増大することが分かるであろう。 増大した交差点密度の効果について説明する前に、ユニテープをその間に積層 することのできるフィルムは、下記の表２に列挙したものなどの、よく知られた 商業的に入手可能なフィルム材である。これらの中には、一般に普及しているマ イラー（Ｍｙｌａｒ）やテドラー（Ｔｅｄｌａｒ）やベクトラン（Ｖｅｃｔｒａ ｎ）のような材料が含まれるだけでなく、場合によってはカプトン（Ｋａｐｔｏ ｎ）や液晶ポリマーフィルムを使用してもよい。 ユニテープに利用すべき樹脂は、エポキシ形硬質樹脂とは反対に、硬化したと き可撓性樹脂である点が重要である。 マトリックス中でモノフィラメントの集合を固着させる樹脂は、そのままでは 、下記の表３に示したような、弾性熱硬化材料、熱可塑性材料又はホットメルト 接着剤のいずれかであり、これらはすべて弾性高分子材料である。 次に図３を参照すると、一般的な縦糸と横糸の格子が図示されており、スレッ ド又はストランド５０がストランド５２と織り合わされている。典型的には、ス レッド又はストランドは全体直径が１０ミルであり、ストランド又はスレッド間 の中心距離は２００ミルである。スレッド又はストランドが比較的厚いために交 差点密度は約１/４００であり、そのため、モノフィラメントの使用によって達 成されるような剪断強度上の利益は到底得られない。 次に図４を参照すると、本願発明のモノフィラメント５４及び５６は直径約 ５ミクロンで中心距離１０ミクロンで並んでいる。この場合の交差点密度は１/ ４である。これらの直径はスレッド又はストランドにみられる直径の少なくとも ５倍は小さい。交差点密度が２桁増大するために、矢印５８で示す方向の剪断強 度は劇的に増加する。このことは、モノフィラメント強化材が、軽量で伸張抵抗 性の超高強度生地又は材料が望まれるすべての用途に好適であることを意味して いる。さらに、クリンプ及びそれに関連したセトリングの問題は事実上解消され る。 次に図５と図６を共に参照しながら、ユニテープの製造法について説明する。 トウ又はバンド６０は押出モノフィラメントを供給するが、これらの押出モノフ ィラメントは所望により処理槽６２に通して、化学エッチング、プラズマアーク エッチング又はコロナ放電エッチング法でモノフィラメントの外部の接着特性を 改良する。利用するモノフィラメント材料によっては、交差点の結合を確保する ためにこの工程を実施するのが望ましい。トウからの予備処理モノフィラメント は樹脂槽６４の中をロール６６，６８及び７０の上下を経て引き取られるが、そ こでモノフィラメントがマトリックス樹脂でコートされ取り囲まれる。 樹脂コートされたモノフィラメントは定間隙回転ダイ７２を通して引き取られ るが、その際、剥離紙７４をロール７６及び７８から上下両面に当ててからトウ を上記定間隙回転ダイから引き抜き、この定間隙回転ダイにおいて樹脂含量を調 節するとともにフィラメントを横に拡げる。このプルトルージョン（引き抜き） 過程の間に、個々のトウ同士が側部で一体化してテープを形成し、このテープを ヒーター８０で加熱して粘度を変化させ、しかる後にそのテープをロール８２を 介して圧縮する。この圧縮テープは次に冷却プレート上を経て巻戻しロール８６ に送られるが、その際、上側の剥離紙はロール８８にて剥がされてロール９０に 巻き取られる。ユニテープはこのようにしてロール上に供給されるが、このロー ルは２７インチ幅であってもよいし、装置次第ではもっと幅が広くてもよい。 次に図７を参照すると、オートクレーブ法による最終積層材の製造においては 、ユニテープ材の幾多の層１００が２枚のポリエステルフィルム１０２及び１０ ４の間に準備される。これらのフィルムは外側バッグ１０６と内側バッグ１０８ の 間に差し込まれて、図示した通りシール１１０で封止される。ブリーザー材１１ ２を上面フィルム１０２と外側バッグ１０６の間に置いてもよい。その目的は、 バッグ減圧操作時の気体圧力を平衡化するとともに、その後発生した気体を均一 に分布させて空隙が生じないように気体を積層材中に均等に運ぶためである。 最後に、全体の背面を剛性プレート又は定盤１１４の上に置き、バッグを真空 タップ１１６で真空に引く。 図８に示すオートクレーブプロセスに際しての、処理段階は次の通りである。 最初に、１２０に示す通り底面真空バッグ層を敷く。次に、積層すべき底面シー ト１２２を敷いた後、１２４に示す通り剥離シートを剥がして１番目のユニテー プを敷く。しかる後、１２６に示す通り２番目のユニテープをその剥離シートを 剥がしてから敷く。その後、１２８に示す通り上面又は外側シートを敷いた後、 １３０に示す通り上面真空バッグシートを敷く。このようにして形成した全体構 造を１３２に示す通りオートクレーブに入れて、１３４に示す通り真空バッグを その端を封止した後で真空に引く。 その後に１３６に示す通り所要の圧力及び温度での圧縮段階が続き、次に１３ ８に示す通り連合した圧力及び温度での硬化段階が続く。 一組の圧力及び温度を温度時間グラフ及び連合温度圧力グラフにより図９に示 す。 上述のオートクレーブバッグ硬化法を用いない積層方法は数多く存在している 。そのような方法としては、熱及び／又は紫外光での真空バッグ硬化処理、熱及 び圧力又は積層材を硬化するための紫外光と圧力を併用した回転積層処理の利用 、並びに熱盤プレスの使用が挙げられる。 次に、ユニテープの成形と積層材の成形プロセスについて説明する。 一つの実施態様では、積層材は次の方法で製造することができる。 １）カーボン又はポリマーのトウをクリール又はビームに装着する。 ２）トウを表面処理段階に通し、次にコーム（櫛）に通してできたウェブの中で のモノフィラメントの分布及びウェブの幅を調節する。回転ダイの間隙を、樹脂 含量を調節し材料を拡げるための所定の厚さにセットする。 ３）回転間隙ダイ装置に剥離紙を装着する。 ４）トウを樹脂槽に通してその両面を剥離紙でサンドイッチする。 ５）モノフィラメントのウェブを回転間隙ダイに通してプルトルージョン成形し てユニテープを形成する。材料は逐次複数のゾーンを通過するが、モノフィラメ ントと樹脂が合一化して薄いユニテーブを形成するのは材料が定間隙回転ダイを 通過するときである。ウェブは次に加熱ゾーンに通して、樹脂が材料の中に均一 に流れ込むとともに溶媒がすべて除去されるようにする。ウェブは次にウェブを 均一な層に拡げるための２組目のダイに通す。ウェブは次に冷却して樹脂を固め る。材料を次に、ユニテープが十分に緻密化されるように３組目のダイに通す。 上側の剥離紙を取り除いてウェブを巻心にぴったりと巻き取る。 ６）装置からロールを取り外してレイアップ（積層）台に移す。台の上で第１の 層を剥離紙が台に表面に面するように０度の方位で転がして展開する。 ７）次の層を第１の層の上に、これら２つのユニテープ層が接するように剥離紙 の面を上にして、所定の角度で整合させる。この材料に熱と圧力を簡単に加えて ２つの層を接合させる。すべての層が接合するまでこのプロセスを繰り返す。角 度を付けるためのユニテープについては、積層体の所要の幅に達するように、そ れら複数枚のユニテープを端と端を合わせて上記０度のユニテープの上に載せて もよい。 ８）外側の層から剥離紙を取り除いてポリマーフィルムで置き換える。次に、こ の複合材の下側から剥離紙を取り除いて第２のポリマーフィルム層で置き換える 。 ９）この材料を次にコール（ｃａｕｌ）シート上に載せてブリーザー材で覆う。 真空バッグフィルムをブリーザーの上に置いて、気密用粘着性シーラントでコー ルに対して封止する。バッグ内側の領域を約２９″Ｈｇの真空に付す。 10）このバッグ一式をオートクレーブ中に入れて、図９に例示したような所定の 時間及び温度プロフィールにて約２００ｐｓｉで硬化する。 異なる組成の異なるモノフィラメントを有するトウを並列に一緒に整列させて 、できたユニテープがそれらすべての異種モノフィラメント材から得られる好ま し い特性をもつようにしてもよい。特に、炭素繊維とポリマー繊維を合体したとき 、できた材料の性質は予想を超えていることが判明しており、異種モノフィラメ ント各々の個々の特性を合計したものよりも優れていた。一つの実施例では、カ ーボンモノフィラメントとポリマーモノフィラメントとを組み合わせると、軸外 特性が格段に増大する結果となる。このように、成分の異なるモノフィラメント を組み合わせて、個々の成分の弱点を呈することなく、優れた特性をもつハイブ リッドコンポジットを提供することも可能である。 本発明の好ましい具体的態様について記載してきたが、当業者には本発明の技 術的思想の範囲内で修正及び変更を行うことができるはずである。したがって、 本発明の技術的範囲は請求の範囲の記載のみによって限定されるべきである。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 排除する。もう一つの無空隙積層プロセスにはシリコー ン剥離ライナー／熱盤法が含まれる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．単体フィルムとそのフィルムを強化するための手段を含んだ積層体を含ん でなる製帆用の材料にして、当該強化手段が可撓性弾性高分子マトリックスの中 に交差モノフィラメントを含んでいることを特徴とする材料。 ２．請求項１記載の帆材にして、上記モノフィラメントが２０ミクロン未満の 直径を有することを特徴とする帆材。 ３．請求項２記載の帆材にして、上記モノフィラメントが、交差モノフィラメ ントの交差点密度が１/４のオーダーになるような中心距離の間隔にあることを 特徴とする帆材。 ４．請求項１記載の帆材にして、上記強化手段が多数のユニテープを含んでい て、各ユニテープが上記可撓性弾性高分子マトリックスの中に一方向に整列した モノフィラメントを含んでいることを特徴とする帆材。 ５．請求項４記載の帆材にして、上記ユニテープの各々がプルトルージョンを 含んだプロセスで製造されたものであることを特徴とする帆材。 ６．請求項５記載の帆材にして、上記トウのモノフィラメントが上記プルトル ージョンの前にエッチングされることを特徴とする帆材。 ７．請求項６記載の帆材にして、上記エッチング工程が、プラズマアークエッ チング、コロナ放電エッチング及び化学エッチングからなる工程の群から選択さ れることを特徴とする帆材。 ８．請求項４記載の帆材にして、上記ユニテープの各々が、押出モノフィラメ ントを有するトウを並列して樹脂の中に通した後で定間隙回転ダイに通して、そ こで並列トウ同士を合体して、並列に拡げたトウの幅の合計に対応した横幅及び それ含まれるモノフィラメントの直径と同程度の厚さをもつ一方向テープを作る プロセスによって作られたものであり、上記定間隙回転ダイから引き取られる際 にモノフィラメントがその強度を改良するために伸張されていることを特徴とす る帆材。 ９．請求項８記載の帆材にして、上記プロセスに上記ダイにユニテープを通し た後でユニテープを加熱する工程が含まれていることを特徴とする帆材。 １０．請求項１記載の帆材にして、上記モノフィラメントの少なくとも何本かが カーボンであることを特徴とする帆材。 １１．請求項１記載の帆材にして、上記モノフィラメントにカーボンモノフィラ メントと有機ポリマーモノフィラメントが含まれていることを特徴とする帆材 １２．請求項１１記載の帆材にして、上記モノフィラメント用ポリマーがアラミ ド、液晶、延伸ポリエチレン及びポリエステル、ナイロン及びエンジニアリング 熱可塑性樹脂のような規則ポリマーからなる群から選択されることを特徴とする 帆材。 １３．請求項１記載の帆材にして、上記モノフィラメントにカーボンモノフィラ メントと無機材料のモノフィラメントが含まれていることを特徴とする帆材。 １４．請求項１３記載の帆材にして、上記モノフィラメント用無機材料がケイ素 、ボロン、カーボン及びセラミックからなる群から選択されることを特徴とする 帆材。 １５．請求項１記載の帆材にして、上記積層体が積層体に熱及び圧力を加えるこ とを含んだオートクレーブ処理プロセスによって形成されたものであり、当該オ ートクレーブ処理によって、得られる材料中の空隙が取り除かれていることを特 徴とする帆材。 １６．請求項１５記載の帆材にして、上記オートクレーブ処理プロセスに、２つ の支持体の間に積層体を入れる工程と上記支持体の一方と積層体の間にシリコー ン層を設ける工程が含まれていて、それにより、積層体をオートクレーブ処理プ ロセスで形成する際に、オートクレーブ処理プロセスに伴う熱によってシリコー ンが膨脹して積層体に対して均等に圧力が加わり積層体から空隙が除去されるよ うにしておくことを特徴とする帆材。 １７．新調したてのセールに関連したセトリングを軽減すると同時にセールの形 状及び性能を改良するための方法にして、フィルム材料を準備し、そのフィルム に対して、可撓性弾性高分子マトリックスの中で交差したモノフィラメント層を 含んだ強化材を積層することを含んでなる方法。 １８．請求項１７記載の方法において、上記モノフィラメントが押出されたもの であることを特徴とする方法。 １９．請求項１７記載の方法において、上記モノフィラメントが２０ミクロン未 満の直径を有することを特徴とする方法。 ２０．請求項１７記載の方法において、上記交差モノフィラメントの交差点密度 が１/４０以上であることを特徴とする方法。 ２１．請求項１７記載の方法において、上記交差モノフィラメントの交差点密度 が１/５に５を乗除した範囲内にあり、それによって当該セールの剪断強度がス トランド又はスレッドを利用したセールよりも増大するとともに、それによって 当該セールの重量がストランド又はスレッドを利用した対応セールよりも軽量化 されるとともに、それによってヤング率がストランド又はスレッドを利用した対 応セールよりも増大することを特徴とする方法。 ２２．剪断強度に優れた柔軟で折りたたみ可能なシートとして使用される材料に して、当該材料は強化素材を含んだ積層体を含んでなり、その強化素材は押出モ ノフィラメントを含有する一方向テープを少なくとも２枚含んでいて、そのモノ フィラメントすべてがテープ内において所定の方向に整列していて、積層体の中 で複数のテープが交差して積み重なって一つテープのモノフィラメントが隣接テ ープのモノフィラメントとある角度をなしていることを特徴とする材料。 ２３．請求項２２記載の材料にして、上記一方向テープが、プルトルージョン成 形テープを提供するためのプルトルージョン法で形成されたものであることを特 徴とする材料。 ２４．請求項２２記載の材料にして、上記テープがモノフィラメント及び樹脂マ トリックスを含んでいて、得られる強化積層材が柔軟で折りたたみ可能なものに なるように当該樹脂は硬化したときも可撓性であることを特徴とする材料。 ２５．請求項２２記載の材料にして、上記積層体が上下両面にフィルムを含んで いて、上記強化素材はそれらのフィルムの間にサンドイッチされており、その積 層体には空隙がないことを特徴とする材料。 ２６．請求項２２記載の材料にして、交差点密度が増大し得るように上記モノ フィラメントが２０ミクロン未満の直径を有することを特徴とする材料。 ２７．積層材中に使用するための強化素材にして、当該強化素材は一つの方向に 整列したモノフィラメントを中に含んだ一方向テープを含んでなり、当該テープ は押出モノフィラメントを中に含んだ並列バンドを樹脂槽の中に通して、その樹 脂コートバンドを定間隙ピンチローラーに通して、そこで個々のバンド同士を合 体することによって作られたものであることを特徴とする強化素材。 ２８．請求項２７記載の強化素材にして、上記樹脂が硬化したときに可撓性であ ることを特徴とする強化素材。 ２９．請求項２７記載の強化素材にして、上記回転ダイから得られる合体テープ を最初に加熱してから冷却することを特徴とする強化素材。 ３０．上下両面のフィルム及び両面のフィルムの間に積層した一方向テープ強化 素材を含んでなる柔軟で折りたたみ可能な複合シートにして、各テープがその中 にモノフィラメントを有していて、隣接テープ間のモノフィラメント方向が異な っていることを特徴とする複合シート。 ３１．請求項３０記載の複合シートにして、上記積層体がオートクレーブ処理で 形成されていることを特徴とする複合シート。 ３２．請求項３０記載の複合シートにして、上記積層体が熱及び圧力で形成され ていることを特徴とする複合シート。 ３３．請求項３２記載の複合シートにして、上記積層体が紫外光で硬化されてい ることを特徴とする複合シート。 ３４．請求項３０記載の複合シートにして、上記積層体が上面と下面で画定され ていて当該積層に接したシリコーン剥離ライナーと共に形成されており、そのシ リコーン剥離ライナーが熱によって膨脹して、発生した気体を積層体の中に押し 戻すことによって空隙を生じずに積層を形成するような均等な圧力が加わること を特徴とする複合シート。 ３５．請求項３０記載の複合シートにして、各テープに異種材料のモノフィラメ ントが含まれていることを特徴とする複合シート。 ３６．請求項３５記載の複合シートにして、上記異種材料が炭素及びポリマーで あることを特徴とする複合シート。