JPH089165B2 - 配向した不連続繊維強化複合材料の製造方法及びその方法を実施するための装置 - Google Patents
配向した不連続繊維強化複合材料の製造方法及びその方法を実施するための装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、配向した強化用の不連続な繊維を有する複
合材料の製造方法に関するものである。
合材料の製造方法に関するものである。
[従来の技術および発明が解決しようとする課題] 複合材料の用途は、現代の製造産業技術において急速
に拡大している。複合材料及び製造技術のコストがさら
に低下するに従い、こうした材料は航空宇宙産業から自
動車関連及び工業市場へと進出するものと考えられてい
る。高強度の複合物を製造するための技術テクノロジー
には、三つの基本的な様式がある。
に拡大している。複合材料及び製造技術のコストがさら
に低下するに従い、こうした材料は航空宇宙産業から自
動車関連及び工業市場へと進出するものと考えられてい
る。高強度の複合物を製造するための技術テクノロジー
には、三つの基本的な様式がある。
(i)予め高強度繊維から作られた織物並びに各層に含
浸されかつそれらを結合させるのに適した樹脂を用い
て、連続的に積層して製品を得る技術。この技術はシェ
ル型製品(ポートの船体、自動車の車体、航空機の翼や
胴体など)を製造するのに主に使われる。様々な高強度
繊維(ガラス、カーボン、アラミド類)が、多くの異っ
たパターンの織物に用いられている。連続的な層ずけは
労働集約的である。製品内の繊維配向は、予め作られた
パターン及び層ずけ技術を用いることによって不自然に
なってしまう(constrained)ので、上記強化材料を最
適に使うことは困難である。
浸されかつそれらを結合させるのに適した樹脂を用い
て、連続的に積層して製品を得る技術。この技術はシェ
ル型製品(ポートの船体、自動車の車体、航空機の翼や
胴体など)を製造するのに主に使われる。様々な高強度
繊維(ガラス、カーボン、アラミド類)が、多くの異っ
たパターンの織物に用いられている。連続的な層ずけは
労働集約的である。製品内の繊維配向は、予め作られた
パターン及び層ずけ技術を用いることによって不自然に
なってしまう(constrained)ので、上記強化材料を最
適に使うことは困難である。
(ii)高強度繊維を製品へ直接組み込む技術。この技術
は、比較的単純な機械で所要のパターンにその繊維を収
めることが可能である外形に対しては最上の働きをす
る。この技術は、圧力容器などの単純な形状でかつ単純
な機能をもつ製品に対してもよく用いられる。複雑な部
品(パーツ)に対しては、この技術は非常に費用がかか
るものとなる。
は、比較的単純な機械で所要のパターンにその繊維を収
めることが可能である外形に対しては最上の働きをす
る。この技術は、圧力容器などの単純な形状でかつ単純
な機能をもつ製品に対してもよく用いられる。複雑な部
品(パーツ)に対しては、この技術は非常に費用がかか
るものとなる。
(iii)不連続な繊維(切り刻まれたもの)で強化され
た樹脂で製品を形成する技術。この技術はきわめて用途
が広いが、切り刻まれた繊維に最適な配向を与えること
ができず、したがってこの事により、複合物の強度は幾
分低い限界を有するものになる。切り刻まれた繊維の配
向は、伸長させるような流れ(elongational flows)を
与えることにより可能であるが、これは一般に、押出し
製品に限られる。
た樹脂で製品を形成する技術。この技術はきわめて用途
が広いが、切り刻まれた繊維に最適な配向を与えること
ができず、したがってこの事により、複合物の強度は幾
分低い限界を有するものになる。切り刻まれた繊維の配
向は、伸長させるような流れ(elongational flows)を
与えることにより可能であるが、これは一般に、押出し
製品に限られる。
特許請求の範囲に記載された本発明は、例えば上記の
単純な技術(技術テクノロジーの様式例(iii)として
前述したもの)の有用性を、一歩進んだ高強度複合物の
応用分野に広げるべく、複合材料における不連続(切り
刻まれた)繊維の配向という問題を解決するものであ
る。
単純な技術(技術テクノロジーの様式例(iii)として
前述したもの)の有用性を、一歩進んだ高強度複合物の
応用分野に広げるべく、複合材料における不連続(切り
刻まれた)繊維の配向という問題を解決するものであ
る。
[課題を解決するための手段] 本発明は、短い繊維を、材料中にゲルという物理的状
態で典型的に存在する、より微細で三次元的でかつ等方
性の網状組織に対する相対運動によって、配向させるこ
とができるという基本的な知見に基く。
態で典型的に存在する、より微細で三次元的でかつ等方
性の網状組織に対する相対運動によって、配向させるこ
とができるという基本的な知見に基く。
上記マトリックスのゲル状特性に対する必要条件は、
本発明の詳細な説明と共に明らかになるであろう。この
趣旨で、本発明に関連して用いられる“ゲル”という術
語の作用定義を以下に引用する。
本発明の詳細な説明と共に明らかになるであろう。この
趣旨で、本発明に関連して用いられる“ゲル”という術
語の作用定義を以下に引用する。
「ゲルとは、分散成分と分散媒体を有するコロイド組
織(系)であり、上記の成分と媒体は共にその組織中に
絶えず拡がり、そして時間に依存しない平衡弾性特性を
有している。つまりそれらは、永久的な変形あるいは流
動(フロー)を受けることなく、静剪断応力を維持する
ものである。上記の拡散成分は、実質的に無限の寿命を
もった接合点によって互いに保持された三次元網状組織
でなければならない。これらの接合点は、主原子価結
合、遠距離引力、あるいは重合鎖のセグメント間に結合
を生み出すか微小な結晶状領域の生成を促す副原子価結
合によって形成されると思われる。」(アメリカ物理学
協会ハンドブック(American In stitute of Physics H
andbook)、第2版、第2〜28ページ)。
織(系)であり、上記の成分と媒体は共にその組織中に
絶えず拡がり、そして時間に依存しない平衡弾性特性を
有している。つまりそれらは、永久的な変形あるいは流
動(フロー)を受けることなく、静剪断応力を維持する
ものである。上記の拡散成分は、実質的に無限の寿命を
もった接合点によって互いに保持された三次元網状組織
でなければならない。これらの接合点は、主原子価結
合、遠距離引力、あるいは重合鎖のセグメント間に結合
を生み出すか微小な結晶状領域の生成を促す副原子価結
合によって形成されると思われる。」(アメリカ物理学
協会ハンドブック(American In stitute of Physics H
andbook)、第2版、第2〜28ページ)。
上記材料が真のゲルであるとみなされるために接合点
が“実質的に無限の寿命”をもたなければならないとい
う必要条件は、本発明による前記マトリックスには不要
である。従ってより広い種類の材料を用いることが可能
である。例えば、濃い溶液中における重合鎖のかまり合
った3次元の網状組織は、平衡剪断剛性を有さない(つ
まり、上記鎖がほどけるにつれ、上記網状組織は、剪断
応力の下で永久的な変形を蒙るものである。)しかしそ
のゲル状時間依存特性は、前記繊維の配向を可能にする
のに十分である。同様に、モノマーからポリマーへの転
換の一定段階で、モノマー液体中のからみ合った重合鎖
は、分散することによって、強化用繊維の配向に適した
ゲル状特性を得る。
が“実質的に無限の寿命”をもたなければならないとい
う必要条件は、本発明による前記マトリックスには不要
である。従ってより広い種類の材料を用いることが可能
である。例えば、濃い溶液中における重合鎖のかまり合
った3次元の網状組織は、平衡剪断剛性を有さない(つ
まり、上記鎖がほどけるにつれ、上記網状組織は、剪断
応力の下で永久的な変形を蒙るものである。)しかしそ
のゲル状時間依存特性は、前記繊維の配向を可能にする
のに十分である。同様に、モノマーからポリマーへの転
換の一定段階で、モノマー液体中のからみ合った重合鎖
は、分散することによって、強化用繊維の配向に適した
ゲル状特性を得る。
前記マトリックスに適した他の種類の材料には、いわ
ゆるチキントロープ(搖変性)物質がある。これは、臨
界応力の下で網状組織の接合点が破れ、そしてゲルが等
温的にゾルに変るゲルである。攪拌が中断すると、上記
接合は再び確立される。
ゆるチキントロープ(搖変性)物質がある。これは、臨
界応力の下で網状組織の接合点が破れ、そしてゲルが等
温的にゾルに変るゲルである。攪拌が中断すると、上記
接合は再び確立される。
さらにもう一つの種類の好適なゲル状物質は、キセロ
ゲル(乾膠体)である。キセロゲルは適当な溶剤により
膨潤し、ゲルを形成する。こうしたものは、例えば加硫
ないし架橋結合したゴム、ゼラチンまたは寒天である。
ゲル(乾膠体)である。キセロゲルは適当な溶剤により
膨潤し、ゲルを形成する。こうしたものは、例えば加硫
ないし架橋結合したゴム、ゼラチンまたは寒天である。
本発明をさらに説明するにあたって、術語“ゲル”ま
たは“ゲル状”は、分散媒体中に分散した網状構造体を
有する複合物のマトリックス用の物質を説明するのに用
いることにする。ここで、この網状構造体は弾力性があ
る。上記網状組織の弾性は時間依存性のものである。網
状組織接合部の寿命は、網状組織の分散媒体を通して繊
維の運動を特徴づける時定数に(少なくとも)匹敵する
ものでなければならない。
たは“ゲル状”は、分散媒体中に分散した網状構造体を
有する複合物のマトリックス用の物質を説明するのに用
いることにする。ここで、この網状構造体は弾力性があ
る。上記網状組織の弾性は時間依存性のものである。網
状組織接合部の寿命は、網状組織の分散媒体を通して繊
維の運動を特徴づける時定数に(少なくとも)匹敵する
ものでなければならない。
前記繊維は、比較的に堅く、かつ上記網状組織の平均
開口の少なくとも数倍に等しい長さがなければならな
い。この網状組織を通して繊維の運動が強制されること
によって、繊維はその運動の方向に(わずか数本分の繊
維の長さの移動の間に)きわめて効果的に配向される。
対照的に、流動体中のこうした繊維の運動は、繊維がそ
れ自体を運動の方向に対して直角(90度)に配向すると
いう結果をもたらす。その配向力は、前記ゲル中の繊維
の運動のケースにおいても非常に強いものであり、その
力は網状組織の堅さ/強度に依存する。
開口の少なくとも数倍に等しい長さがなければならな
い。この網状組織を通して繊維の運動が強制されること
によって、繊維はその運動の方向に(わずか数本分の繊
維の長さの移動の間に)きわめて効果的に配向される。
対照的に、流動体中のこうした繊維の運動は、繊維がそ
れ自体を運動の方向に対して直角(90度)に配向すると
いう結果をもたらす。その配向力は、前記ゲル中の繊維
の運動のケースにおいても非常に強いものであり、その
力は網状組織の堅さ/強度に依存する。
網状組織の理論と数学は、ヒドロゲル(水で膨潤した
重合網状組織)の調製例と共に、「生物医学材料研究
(the journal of Biomedical Materials Research)」
第23巻、第1183〜1193頁(1989年)(T.Canal及びN.A.
Pappas共著)に広く述べられている。
重合網状組織)の調製例と共に、「生物医学材料研究
(the journal of Biomedical Materials Research)」
第23巻、第1183〜1193頁(1989年)(T.Canal及びN.A.
Pappas共著)に広く述べられている。
本発明の利点は、主にその適用の容易なこと、及び関
連コストが低いことである。
連コストが低いことである。
本発明を特徴づける新規な種々の特徴は添付された特
許請求の範囲に詳細に指摘されており、この開示の1部
を成している。本発明、その機能中の利点及びその使用
によって達成される特定の目的をより良く理解するため
に、本発明の好ましい実施態様を図示しかつ記述した添
付の図面及び説明を参照する。
許請求の範囲に詳細に指摘されており、この開示の1部
を成している。本発明、その機能中の利点及びその使用
によって達成される特定の目的をより良く理解するため
に、本発明の好ましい実施態様を図示しかつ記述した添
付の図面及び説明を参照する。
第1図は、本発明の基本原理を示す比較実験を示す略
図であり、 第2図は、前記ゲル中の繊維の運動と繊維に作用する
力を示す略図であり、 第3図は、本発明による方法を実施する装置を示す略
図であり(音波伝播(insonification)前)、 第4図は、本発明による方法を実施する装置を示す略
図であり(音波伝播後)、そして 第5図は、本発明による方法を実施する押出し機を示
す略図である。
図であり、 第2図は、前記ゲル中の繊維の運動と繊維に作用する
力を示す略図であり、 第3図は、本発明による方法を実施する装置を示す略
図であり(音波伝播(insonification)前)、 第4図は、本発明による方法を実施する装置を示す略
図であり(音波伝播後)、そして 第5図は、本発明による方法を実施する押出し機を示
す略図である。
[望ましい実施態様の説明] 第1図には本発明の基本原理の簡単な実証が図示され
ている。
ている。
1パーセントのゼラチン・ゾルを、ゼラチンを約70℃
で水に溶解することによって得、約600mlの容積をもつ
大試験管1(左側)に注入する。等しい容積をもつ別の
試験管2(右側)にグリセリンを満たす。ステンレス・
スティールのまっすぐなワイヤー3(直径0.6mm、長さ
約15mm)の小片を各試験管1.2に入れ、上部を試験管1.2
に空気を残さずに密閉する。左の試験管1内のゼラチン
・ゾルは、室温で約48時間後にゲルになる。次に試験管
1,2を、繰り返し逆さまにすると、各ワイヤー3が自身
の重さで動かされて試験管1,2中を下降する各ワイヤー
3の運動が観察される。両者のケースで、下降の速度は
ほぼ同じだが、第1図に示されるように、ワイヤー3の
配向は異っている。ワイヤー3の重さは弱い推進力であ
り、それ故にきわめて柔軟なゲル網状組織がワイヤーの
ゲル中の移動を可能にするために要求される。
で水に溶解することによって得、約600mlの容積をもつ
大試験管1(左側)に注入する。等しい容積をもつ別の
試験管2(右側)にグリセリンを満たす。ステンレス・
スティールのまっすぐなワイヤー3(直径0.6mm、長さ
約15mm)の小片を各試験管1.2に入れ、上部を試験管1.2
に空気を残さずに密閉する。左の試験管1内のゼラチン
・ゾルは、室温で約48時間後にゲルになる。次に試験管
1,2を、繰り返し逆さまにすると、各ワイヤー3が自身
の重さで動かされて試験管1,2中を下降する各ワイヤー
3の運動が観察される。両者のケースで、下降の速度は
ほぼ同じだが、第1図に示されるように、ワイヤー3の
配向は異っている。ワイヤー3の重さは弱い推進力であ
り、それ故にきわめて柔軟なゲル網状組織がワイヤーの
ゲル中の移動を可能にするために要求される。
第2図は、ゲル中の繊維に作用する力及びその結果生
じた繊維の運動を示す。力4は繊維5に作用し、その繊
維に対する法線と角度6をなす。力4は結果として生じ
る推進力(driving force)である。つまり、もしそれ
が重力ないし加速度によるものであれば、その推進力は
繊維5の重心(c.g.)7に作用する。力4の繊維5の方
向(軸方向)をめざす成分と、力4の繊維5と直角をな
す成分をそれぞれ数字8と9で示す。直角をなす成分9
は、ここでは点(網状組織の接続点)で表されるゲル網
状組織10の弾性変形(elastic deformation)をもたら
す。網状組織内の応力は、力9を相殺する。軸方向の力
8も網状組織に、網状組織を突き通すほどの応力を加え
る。もし力8が上記の突き通す力(これは繊維5と網状
組織10との間の摩擦力と考えられる)をしのぐならば、
その繊維は網状組織10内を移動し始める。その運動はま
た、ゲルの流動体(分散している)成分に対する粘性抗
力(viscous drag)によっても阻止されるものである。
繊維5が、弾性的に加圧された網状組織の地域11から進
み出ると、繊維5に作用する力はもはやそれ以上平衡を
保つことができなくなる。加圧されていない網状組織に
入る繊維5の先端12は、力9に対して生じた垂直応力を
受けなくなる。このことによって先端12は傾斜し(dipp
ing)、繊維5は、新しい位置5Aで示されるように、方
向(配向)を変える。これは、その繊維が位置5Bに示さ
れるような運動の方向に配向するまで続けられる。
じた繊維の運動を示す。力4は繊維5に作用し、その繊
維に対する法線と角度6をなす。力4は結果として生じ
る推進力(driving force)である。つまり、もしそれ
が重力ないし加速度によるものであれば、その推進力は
繊維5の重心(c.g.)7に作用する。力4の繊維5の方
向(軸方向)をめざす成分と、力4の繊維5と直角をな
す成分をそれぞれ数字8と9で示す。直角をなす成分9
は、ここでは点(網状組織の接続点)で表されるゲル網
状組織10の弾性変形(elastic deformation)をもたら
す。網状組織内の応力は、力9を相殺する。軸方向の力
8も網状組織に、網状組織を突き通すほどの応力を加え
る。もし力8が上記の突き通す力(これは繊維5と網状
組織10との間の摩擦力と考えられる)をしのぐならば、
その繊維は網状組織10内を移動し始める。その運動はま
た、ゲルの流動体(分散している)成分に対する粘性抗
力(viscous drag)によっても阻止されるものである。
繊維5が、弾性的に加圧された網状組織の地域11から進
み出ると、繊維5に作用する力はもはやそれ以上平衡を
保つことができなくなる。加圧されていない網状組織に
入る繊維5の先端12は、力9に対して生じた垂直応力を
受けなくなる。このことによって先端12は傾斜し(dipp
ing)、繊維5は、新しい位置5Aで示されるように、方
向(配向)を変える。これは、その繊維が位置5Bに示さ
れるような運動の方向に配向するまで続けられる。
前述のメカニズムから、ゲル網状組織10の決定的な性
質は、その弾性的反応であることは明らかである。しか
しながら網状組織の真の平衡剛性(true equillbrium s
tiffness)は不要である。十分にからみ合った網状組織
は、前述のメカニズムが機能することが可能なほど十分
長期にわたって剛性(stiffness)を示すものである。
質は、その弾性的反応であることは明らかである。しか
しながら網状組織の真の平衡剛性(true equillbrium s
tiffness)は不要である。十分にからみ合った網状組織
は、前述のメカニズムが機能することが可能なほど十分
長期にわたって剛性(stiffness)を示すものである。
第3図及び第4図に示すように、振動エネルギー、特
に音波(10Hzから20MHz)を用いることによって、ゲル
内で前記繊維を動かすのに必要な力を増大させることが
可能である。
に音波(10Hzから20MHz)を用いることによって、ゲル
内で前記繊維を動かすのに必要な力を増大させることが
可能である。
音波の周波数や振幅は、複合物製造に用いられる諸成
分の種類(繊維、ゲル、複合構造体の寸法および形)に
従って選ばれなければならず、またゲル13の網状組織と
流動体を共に動かすために十分に高く(典型的には、20
KHzから1MHzまでの領域)するべきである。ゲル13内に
漂うフィブリル14には、音波が通過するとき、流動体と
ゲル網状組織に対して、「滑り(slip)」が生じる(そ
の繊維の慣性によって、繊維は周辺のゲルの移動に追従
することができない。)滑りが網状繊維の平均開口より
大きければ、正弦(対称)波でさえ、繊維末端に掛かる
網状組織を選択的に“縫うように進むこと(threadi
n)”によってその繊維を配向させる。しかしながら鋸
歯状(非対称)波は繊維のネット運動(net movement)
をもたらし(なぜなら、繊維とゲルとの間の摩擦力は滑
り速度の関数であるから)、そしてその繊維をより効果
的に配向させる。全変位がほとの繊維数本分の長さだけ
で繊維は配向される。この目的のためには、低超音波周
波数の音波が適当であり、これはピエゾ・セラミック
(piezoceramic)変換器によって容易に発生させられ
る。作られるべき各製造物に応じて、上記波の伝播(wa
ve propagation)は、実際の試験によって、並びに処理
されるべき繊維/ゲル混合物を含んだ型(モールド)内
に捉えられた適当な変換器によって決定される。
分の種類(繊維、ゲル、複合構造体の寸法および形)に
従って選ばれなければならず、またゲル13の網状組織と
流動体を共に動かすために十分に高く(典型的には、20
KHzから1MHzまでの領域)するべきである。ゲル13内に
漂うフィブリル14には、音波が通過するとき、流動体と
ゲル網状組織に対して、「滑り(slip)」が生じる(そ
の繊維の慣性によって、繊維は周辺のゲルの移動に追従
することができない。)滑りが網状繊維の平均開口より
大きければ、正弦(対称)波でさえ、繊維末端に掛かる
網状組織を選択的に“縫うように進むこと(threadi
n)”によってその繊維を配向させる。しかしながら鋸
歯状(非対称)波は繊維のネット運動(net movement)
をもたらし(なぜなら、繊維とゲルとの間の摩擦力は滑
り速度の関数であるから)、そしてその繊維をより効果
的に配向させる。全変位がほとの繊維数本分の長さだけ
で繊維は配向される。この目的のためには、低超音波周
波数の音波が適当であり、これはピエゾ・セラミック
(piezoceramic)変換器によって容易に発生させられ
る。作られるべき各製造物に応じて、上記波の伝播(wa
ve propagation)は、実際の試験によって、並びに処理
されるべき繊維/ゲル混合物を含んだ型(モールド)内
に捉えられた適当な変換器によって決定される。
第3図は、本発明によって、繊維強化ロッド(rod)
内に軸配向を生じさせるための方法を実施する簡単な装
置を示す。型チューブ15の底部16は、変換器17によって
動かされる。チューブ15にはゲル/繊維混合物13、14が
満たされ、その上面は、定在波状態を避けるためにスポ
ンジ18によって覆われている。ピエゾ・セラミック変換
器17によって音波を伝播すると、繊維14は、第4図に示
されるように軸方向に向って整列する。
内に軸配向を生じさせるための方法を実施する簡単な装
置を示す。型チューブ15の底部16は、変換器17によって
動かされる。チューブ15にはゲル/繊維混合物13、14が
満たされ、その上面は、定在波状態を避けるためにスポ
ンジ18によって覆われている。ピエゾ・セラミック変換
器17によって音波を伝播すると、繊維14は、第4図に示
されるように軸方向に向って整列する。
第5図は、ピストン21の付いた押出器20を示す。混合
物23を押出すのに要する軸方向の力22(axial force)
に加えて、電気機械変換器24は混合物23中に軸波25を発
生させる。強化用繊維28は、シリンダー20内においても
押出機の軸に沿って配向する。そしてさらに、押出し成
形物(extrudate)27がノズル26を出た後(ノズルは波
動振幅(wave amplitude)を増幅するために形作られた
ものである)、軸波はそれが消散するまでその長さに沿
って一定の距離を進む。押出し成形物内の短繊維28は、
押出し成形物27がゲル状の状態にあれば、軸方向に完全
に配向される。軸振動は、波25に同調して、引く力31だ
けでなく軸振動30を伝える引っ張りローラー29(take−
up rollers)の使用によってさらに促進される。本プロ
セスによって、如何なる寸法の押出し異形材(profile
s)であれ、その全横断面にわたって軸方向に配向され
た強化用繊維がもたらされることになる。
物23を押出すのに要する軸方向の力22(axial force)
に加えて、電気機械変換器24は混合物23中に軸波25を発
生させる。強化用繊維28は、シリンダー20内においても
押出機の軸に沿って配向する。そしてさらに、押出し成
形物(extrudate)27がノズル26を出た後(ノズルは波
動振幅(wave amplitude)を増幅するために形作られた
ものである)、軸波はそれが消散するまでその長さに沿
って一定の距離を進む。押出し成形物内の短繊維28は、
押出し成形物27がゲル状の状態にあれば、軸方向に完全
に配向される。軸振動は、波25に同調して、引く力31だ
けでなく軸振動30を伝える引っ張りローラー29(take−
up rollers)の使用によってさらに促進される。本プロ
セスによって、如何なる寸法の押出し異形材(profile
s)であれ、その全横断面にわたって軸方向に配向され
た強化用繊維がもたらされることになる。
本発明に従った前述の処理に用いられるのに望ましい
ゲルは、低濃度のポリマーを、重合されるべきモノマー
に混合させることによって得られ、例えば低粘性のエポ
キシ樹脂内のポリウレタン網状組織である。上記ポリウ
レタンは先ずテトラヒドロフラン(5パーセント濃度)
に溶解させ、次に前記樹脂と混合される。テトラヒドロ
フラン溶媒を蒸発させると、ポリウレタンと樹脂は、短
繊維を配向させるのに適したゲル状マトリックスを形成
する。上記エポキシ樹脂は、従来の方法で硬化される。
ゲルは、低濃度のポリマーを、重合されるべきモノマー
に混合させることによって得られ、例えば低粘性のエポ
キシ樹脂内のポリウレタン網状組織である。上記ポリウ
レタンは先ずテトラヒドロフラン(5パーセント濃度)
に溶解させ、次に前記樹脂と混合される。テトラヒドロ
フラン溶媒を蒸発させると、ポリウレタンと樹脂は、短
繊維を配向させるのに適したゲル状マトリックスを形成
する。上記エポキシ樹脂は、従来の方法で硬化される。
本発明に従う前述の処理に用いられるのに適したもう
一つの種類のゲルは、もつれた重合鎖がモノマー(また
はオリゴマー)液中に分散した網状組織を形成する、モ
ノマーからポリマーへの変換の後期段階で生じるポリマ
ー/モノマー分散液である。強化用繊維の配向は、重合
化の適当な段階で行われるが、これはもし必要ならば遅
らせてもよく、ついで完成へと続行される。このような
システムは、遊離基によるメタクリル酸メチルの重合に
よって例証されている。ゲルから固体相へのマトリック
スの転移は、密閉型(モールド)の中で行われるが、こ
れは複雑な形態を考える場合に大きな利点である。エポ
キシやポリエステルのような熱硬化性樹脂も、重合/架
橋結合プロセスの一時的なゲル状態において使用するこ
とができる。ゲル化プロセスの動力学は、モノマーに適
当な溶媒を追加することによって、さらに制御すること
ができる。
一つの種類のゲルは、もつれた重合鎖がモノマー(また
はオリゴマー)液中に分散した網状組織を形成する、モ
ノマーからポリマーへの変換の後期段階で生じるポリマ
ー/モノマー分散液である。強化用繊維の配向は、重合
化の適当な段階で行われるが、これはもし必要ならば遅
らせてもよく、ついで完成へと続行される。このような
システムは、遊離基によるメタクリル酸メチルの重合に
よって例証されている。ゲルから固体相へのマトリック
スの転移は、密閉型(モールド)の中で行われるが、こ
れは複雑な形態を考える場合に大きな利点である。エポ
キシやポリエステルのような熱硬化性樹脂も、重合/架
橋結合プロセスの一時的なゲル状態において使用するこ
とができる。ゲル化プロセスの動力学は、モノマーに適
当な溶媒を追加することによって、さらに制御すること
ができる。
本発明に従って強化材用に一般的に使われる別のポリ
マー調製法は、ポリマーを適当な溶媒によって高濃度に
溶解する方法である。さらにまた、重合鎖はからみ合っ
た網状組織を形成する必要がある。一般的なポリマー/
溶媒に関する幾つかの例を以下に例挙する。
マー調製法は、ポリマーを適当な溶媒によって高濃度に
溶解する方法である。さらにまた、重合鎖はからみ合っ
た網状組織を形成する必要がある。一般的なポリマー/
溶媒に関する幾つかの例を以下に例挙する。
ポリ塩化ビニル/テトラヒドロフラン、シクロヘキサ
ノンまたはジクロロエチレン; ポリスルホン/クロロホルムまたはトルオール; ポリフェニレンオキシド/クロロホルム、トルオール
または塩化メチレン; ポリフェニレンサルファイド(polyphenylene sulfid
e)/クロロホルム、トルオールまたは塩化メチレン; ポリカーボネート/クロロホルムまたは塩化メチレ
ン; ポリウレタン/塩化メチレン、クロロホルム、テトラ
ヒドロフラン、ピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジ
メチルアセトアミド; ポリビニルアルコール/エチレングリコール水、テト
ラヒドロフランまたはフェノール; ポリ乳酸/クロロホルム、塩化メチレン、アセトン、
酢酸メチル; ゼラチン/水。
ノンまたはジクロロエチレン; ポリスルホン/クロロホルムまたはトルオール; ポリフェニレンオキシド/クロロホルム、トルオール
または塩化メチレン; ポリフェニレンサルファイド(polyphenylene sulfid
e)/クロロホルム、トルオールまたは塩化メチレン; ポリカーボネート/クロロホルムまたは塩化メチレ
ン; ポリウレタン/塩化メチレン、クロロホルム、テトラ
ヒドロフラン、ピロリドン、ジメチルホルムアミド、ジ
メチルアセトアミド; ポリビニルアルコール/エチレングリコール水、テト
ラヒドロフランまたはフェノール; ポリ乳酸/クロロホルム、塩化メチレン、アセトン、
酢酸メチル; ゼラチン/水。
さらにまた、上記溶媒に混和し得る非溶剤を追加する
ことによって、ゲル特性をさらに制御することが可能で
ある。これらのゲルを固化するために、溶媒は除去され
なければならない。これには少なくとも部分的に開口し
た型(モールド)が必要とされ、したがって溶媒が蒸発
することができるように製造物の厚さは制限される。本
技術は、シェル製造(shell manufacture)に最適であ
る。
ことによって、ゲル特性をさらに制御することが可能で
ある。これらのゲルを固化するために、溶媒は除去され
なければならない。これには少なくとも部分的に開口し
た型(モールド)が必要とされ、したがって溶媒が蒸発
することができるように製造物の厚さは制限される。本
技術は、シェル製造(shell manufacture)に最適であ
る。
さらにもう一つの可能性としては、繊維がランダムに
強化したマトリックスを膨潤させることによって、繊維
を後配向させる(post−orient)ことである。架橋結合
したマトリックスの場合には、膨潤は、流動体(flui
d)によって行うことが出来る。例えばシリコン・ゴム
はトルオールによって、あるいは分割した(segmente
d)ポリウレタンはエタノールによって膨潤し、(キセ
ロ)ゲルを形成することが可能である。次に、強化用繊
維が配向され、溶媒が除去される。架橋結合ではないポ
リマーを効果的に膨潤させるためには、溶媒の飽和蒸気
を所定の圧力(温度)の下に使うと、製造物の形を損う
ことなく、しかもゲル状態のポリマーを作りだすことが
可能である。
強化したマトリックスを膨潤させることによって、繊維
を後配向させる(post−orient)ことである。架橋結合
したマトリックスの場合には、膨潤は、流動体(flui
d)によって行うことが出来る。例えばシリコン・ゴム
はトルオールによって、あるいは分割した(segmente
d)ポリウレタンはエタノールによって膨潤し、(キセ
ロ)ゲルを形成することが可能である。次に、強化用繊
維が配向され、溶媒が除去される。架橋結合ではないポ
リマーを効果的に膨潤させるためには、溶媒の飽和蒸気
を所定の圧力(温度)の下に使うと、製造物の形を損う
ことなく、しかもゲル状態のポリマーを作りだすことが
可能である。
一般に使われる不連続の繊維のすべては、それらが比
較的(ゲル網状組織に対して)堅い(stiff)エレメン
トであると考えられる限り(例えばカーボン繊維、ガラ
ス繊維、アラミド繊維の切り刻まれたもの)、本発明に
よる強化材に適している。(中空のカーボン・フィラメ
ントの上で)蒸気成長した(vapour grown)短い炭素繊
維は殊に好適である。ウイスカー(ひげ結晶)の大きさ
の強化用エレメントでさえ、分子の大きさをもつゲル網
状組織で配向させることができる。このように本発明に
よる複合材料に、金属ないしセラミックのウイスカーを
使用することも可能である。
較的(ゲル網状組織に対して)堅い(stiff)エレメン
トであると考えられる限り(例えばカーボン繊維、ガラ
ス繊維、アラミド繊維の切り刻まれたもの)、本発明に
よる強化材に適している。(中空のカーボン・フィラメ
ントの上で)蒸気成長した(vapour grown)短い炭素繊
維は殊に好適である。ウイスカー(ひげ結晶)の大きさ
の強化用エレメントでさえ、分子の大きさをもつゲル網
状組織で配向させることができる。このように本発明に
よる複合材料に、金属ないしセラミックのウイスカーを
使用することも可能である。
性質が異なるもう一つのマトリックスが、不連続の繊
維の配向に必要とされる弾性反応を与えることができ、
それは泡である。既に例証したように、マトリックスの
弾性反応(elastic response)は、繊維を繊維軌道に沿
って配向させるための必要条件である。泡は、次の二
つ、即ち表面張力と泡箱内の気体の圧力(gas pressur
e)によって、このような弾性反応を生み出す。従っ
て、泡を通って動く繊維は(その長さが泡箱の平均直径
の数倍であるかぎり)第2図に関連して述べられたのと
同じ力に従うことになる。
維の配向に必要とされる弾性反応を与えることができ、
それは泡である。既に例証したように、マトリックスの
弾性反応(elastic response)は、繊維を繊維軌道に沿
って配向させるための必要条件である。泡は、次の二
つ、即ち表面張力と泡箱内の気体の圧力(gas pressur
e)によって、このような弾性反応を生み出す。従っ
て、泡を通って動く繊維は(その長さが泡箱の平均直径
の数倍であるかぎり)第2図に関連して述べられたのと
同じ力に従うことになる。
一般的に作られる、例えばポリウレタンまたはポリス
チレ、あるいは他の如何なる種類の泡にしろ、配向され
た繊維によって強化することができる。音波は、繊維の
運動を進めるには適していない。しかし繊維の運動に対
する抵抗はより小さいので、繊維の重さで繊維を泡を通
して動かすには十分である(繊維の重さは、ゆっくりと
した遠心作用を与えることによって増やすことができ
る)。
チレ、あるいは他の如何なる種類の泡にしろ、配向され
た繊維によって強化することができる。音波は、繊維の
運動を進めるには適していない。しかし繊維の運動に対
する抵抗はより小さいので、繊維の重さで繊維を泡を通
して動かすには十分である(繊維の重さは、ゆっくりと
した遠心作用を与えることによって増やすことができ
る)。
第1図は、本発明の基本原理を示す比較実験を示す略図
であり、 第2図は、前記ゲル中の繊維の運動と繊維に作用する力
を示す略図であり、 第3図は、本発明による方法を実施する装置を示す略図
であり(音波伝播前)、 第4図は、本発明による方法を実施する装置を示す略図
であり(音波伝播後)、そして 第5図は、本発明による方法を実施する押出し機を示す
略図である。 1,2:試験管、3:ワイヤー、 4:力、5:繊維、 6:繊維5の法線に対する力4の角度、 7:重心、 8:力4の繊維5の軸方向をめざす成分、 9:力4の繊維5と直角をなす成分、 10:ゲル網状繊維、 11:弾性的に加圧された網状組織の地域、 12:繊維5の先端、 13:ゲル、14:フィブリル、 15:型チューブ、16:底部、 17:変換器、18:スポンジ、 20:押出機、21:ピストン、 22:軸方向の力、23:混合物、 24:電気機械変換器、25:軸波、 26:ノズル、27:押出し成形物、 28:強化用繊維、29:引っ張りローラー、 30:軸振動、31:引く力。
であり、 第2図は、前記ゲル中の繊維の運動と繊維に作用する力
を示す略図であり、 第3図は、本発明による方法を実施する装置を示す略図
であり(音波伝播前)、 第4図は、本発明による方法を実施する装置を示す略図
であり(音波伝播後)、そして 第5図は、本発明による方法を実施する押出し機を示す
略図である。 1,2:試験管、3:ワイヤー、 4:力、5:繊維、 6:繊維5の法線に対する力4の角度、 7:重心、 8:力4の繊維5の軸方向をめざす成分、 9:力4の繊維5と直角をなす成分、 10:ゲル網状繊維、 11:弾性的に加圧された網状組織の地域、 12:繊維5の先端、 13:ゲル、14:フィブリル、 15:型チューブ、16:底部、 17:変換器、18:スポンジ、 20:押出機、21:ピストン、 22:軸方向の力、23:混合物、 24:電気機械変換器、25:軸波、 26:ノズル、27:押出し成形物、 28:強化用繊維、29:引っ張りローラー、 30:軸振動、31:引く力。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 B29K 105:14
Claims (17)
- 【請求項1】A)強化用不連続繊維を、該繊維の長さよ
りも劣る網状構造体の平均開口を有するゲル状マトリッ
クス物質と混合する工程と、 B)前記繊維と前記網状構造体の間に、所望の繊維配向
の方向へ相対運動を起こさせる工程と、 C)前記ゲル状マトリックスを固化する工程とを含む、
配向した強化用不連続繊維を有する複合材料の製造方
法。 - 【請求項2】A)強化用不連続繊維を、該繊維の長さよ
りも劣る網状構造体の平均開口を有するゲル状マトリッ
クス物質と混合する工程と、 B)前記ゲル状マトリックスを固化し、それによりラン
ダムに配向した繊維を有する中間強化複合材料を製造す
る工程と、 C)前記中間複合材料の固化したマトリックスを、適当
な溶媒または飽和溶媒蒸気で膨潤させてゲル状の状態に
する工程と、 D)前記繊維と前記の膨潤したマトリックスとの間に、
所望の繊維配向の方向へ相対運動を起こさせる工程と、 E)前記溶媒の除去により、前記の膨潤したゲル状マト
リックスを固化する工程と を含む、配向した強化用不連続繊維を有する複合材料の
製造方法。 - 【請求項3】前記繊維の長さが、前記網状構造体の前記
平均開口の少なくとも10倍に相当する、請求項1または
2に記載の方法。 - 【請求項4】前記繊維と前記網状構造体との間の前記相
対運動が、10ヘルツから20メガヘルツの領域、好ましく
は20キロヘルツから、1メガヘルツの領域の周波数を有
する音波の振動エネルギーによって起こされる、請求項
1、2または3に記載の方法。 - 【請求項5】前記音波が、非対称タイプのものであり、
好ましくは鋸歯状波形を有するものである、請求項4に
記載の方法。 - 【請求項6】前記繊維と前記網状構造体との間の前記相
対運動が、遠心機中における前記繊維と前記ゲル状マト
リックスとの比重の差により起こされる、請求項1、2
または3に記載の方法。 - 【請求項7】前記ゲル状マトリックスが、モノマー中に
からみ合ったポリマーが分散したものである、請求項1
または3〜6のうちのいずれかに記載の方法。 - 【請求項8】前記ゲル状マトリックスが、前記ポリマー
が形成されるモノマーないしオリゴマー中にからみ合っ
たポリマーあるいは架橋結合したポリマーが分散したも
のであって、それで前記ポリマーはモノマーからポリマ
ーへまたはオリゴマーからポリマーへの変換の移行状態
にある、請求項1または3〜6のうちのいずれかに記載
の方法。 - 【請求項9】前記ゲル状マトリックスが、適当な溶媒中
にからみ合ったポリマーが分散したものである、請求項
1または3〜6のうちのいずれかに記載の方法。 - 【請求項10】前記ゲル状マトリックスが、溶媒により
膨潤した架橋結合ポリマーないしは溶媒により膨潤した
からみ合ったポリマーである、請求項2〜6のうちのい
ずれかに記載の方法。 - 【請求項11】前記溶媒に混和性の非溶剤を追加する、
請求項9または10に記載の方法。 - 【請求項12】前記繊維が、切り刻まれた繊維、蒸気成
長による繊維またはウイスカーである、請求項7〜11の
うちのいずれかに記載の方法。 - 【請求項13】A)強化用不連続繊維を液状の泡生成物
質と混合する工程と、 B)前記の液状の泡生成物質から、前記繊維の長さより
劣る平均サイズの泡箱を有する泡を生じさせる工程と、 C)引き続き前記繊維と前記泡との間に相対運動を起こ
させる工程と、 D)前記の液状の泡生成物質を固化する工程とを含む、
配向した強化用不連続繊維を有する複合材料の製造方
法。 - 【請求項14】前記の液状の泡生成物質が、単量体物質
または重合体物質である、請求項13に記載の方法。 - 【請求項15】前記繊維と前記網状構造体との間の前記
相対運動が、前記繊維と前記ゲル状マトリックスとの比
重の差によって起こされる、請求項3に記載の方法。 - 【請求項16】強化用不連続繊維と、該繊維の長さより
も劣る網状構造体の平均開口を有するゲル状マトリック
ス物質との混合物を収める反応室と、 前記ゲル状マトリックス中の前記繊維を配向させるため
に前記反応室中に10ヘルツから20メガヘルツの領域の周
波数を有する音波の振動エネルギーを発生させるための
少なくとも1つの変換器とを含む、配向した強化用不連
続繊維を有する複合材料の製造装置。 - 【請求項17】前記反応室が前記複合材料を押出すため
の押出し機である、請求項16に記載の装置。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/437,683 US5093050A (en) | 1989-11-17 | 1989-11-17 | Method for producing oriented, discontinuous fiber reinforced composite materials |
| US437,683 | 1989-11-17 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03208609A JPH03208609A (ja) | 1991-09-11 |
| JPH089165B2 true JPH089165B2 (ja) | 1996-01-31 |
Family
ID=23737451
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2308950A Expired - Lifetime JPH089165B2 (ja) | 1989-11-17 | 1990-11-16 | 配向した不連続繊維強化複合材料の製造方法及びその方法を実施するための装置 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5093050A (ja) |
| EP (1) | EP0429929B1 (ja) |
| JP (1) | JPH089165B2 (ja) |
| AT (1) | ATE105770T1 (ja) |
| DE (1) | DE69009011T2 (ja) |
| ES (1) | ES2055276T3 (ja) |
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|---|---|---|---|---|
| GB8909376D0 (en) * | 1989-04-25 | 1989-06-14 | Wright Charles W | Improved golf club |
| DE69200343T2 (de) * | 1991-02-21 | 1995-01-26 | Synthes Ag | Implantat von hoher Festigkeit und hohem Modul bestehend aus einer Filament- oder Filmmasse sowie dessen Herstellungsmethode. |
| US5580512A (en) * | 1995-04-07 | 1996-12-03 | Northrop Grumman Corporation | Method for making low cost oriented composite molding compound |
| US5840241A (en) * | 1996-04-02 | 1998-11-24 | Bishop; Richard Patten | Method of aligning fibrous components of composite materials using standing planar compression waves |
| US5741382A (en) * | 1996-05-07 | 1998-04-21 | National Science Council | Method for preparing oriented discontinuous long fiber reinforced thermoplastic resin composite sheet product |
| US6004499A (en) * | 1997-03-06 | 1999-12-21 | Face International Corporation | Method of aligning fibrous components of composite materials using opposed oscillating reflectors |
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| DE102005025461B4 (de) * | 2005-06-02 | 2008-08-21 | Ems-Chemie Ag | Verfahren zum Ausgleichen der Orientierung von Füllstoffen und/oder der Verteilung von Füllstoffen in Spritzgussteilen |
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| US20080145647A1 (en) * | 2006-12-13 | 2008-06-19 | Rahul Ganguli | Metal impregnated composites and methods of making |
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| DE102010049195B4 (de) | 2010-10-21 | 2012-11-15 | Kl Technik Gmbh & Co. Kg | Verfahren zur generativen Erzeugung eines Bauteils sowie Fertigungseinrichtungen |
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| CN119754076B (zh) * | 2024-12-19 | 2026-03-03 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于流体诱导方法的不连续纤维定向装置及定向方法 |
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| US3066355A (en) * | 1959-05-29 | 1962-12-04 | Raytheon Co | Orientation of ferromagnetic particles |
| US3098401A (en) * | 1961-05-24 | 1963-07-23 | Western Electric Co | Drill plate and methods of making a drill plate |
| US3365351A (en) * | 1965-03-03 | 1968-01-23 | Siemens Ag | Rotational body having a magnetic marginal zone |
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-
1989
- 1989-11-17 US US07/437,683 patent/US5093050A/en not_active Expired - Fee Related
-
1990
- 1990-11-10 DE DE69009011T patent/DE69009011T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1990-11-10 AT AT90121550T patent/ATE105770T1/de not_active IP Right Cessation
- 1990-11-10 ES ES90121550T patent/ES2055276T3/es not_active Expired - Lifetime
- 1990-11-10 EP EP90121550A patent/EP0429929B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1990-11-16 JP JP2308950A patent/JPH089165B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
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| EP0429929B1 (en) | 1994-05-18 |
| ATE105770T1 (de) | 1994-06-15 |
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| DE69009011D1 (de) | 1994-06-23 |
| ES2055276T3 (es) | 1994-08-16 |
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