JP2001521449A

JP2001521449A - 複合体およびその製造方法

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Publication number: JP2001521449A
Application number: JP51128994A
Authority: JP
Inventors: ディスムカス・ジョン・ピー．; アンダーソン・マイケル・ピー．; ルスチガー・アーノルド; コー・フランク・ケイ．
Original assignee: エクソンリサーチアンドエンジニアリングカンパニー
Priority date: 1992-10-29
Filing date: 1993-10-27
Publication date: 2001-11-06
Also published as: EP0666795A1; WO1994009972A3; WO1994009972A2; CA2146435A1

Abstract

(57)【要約】熱可塑性物質の不連続状の繊維および強化用物質の不連続状の繊維を含む混合物をカーディングしてウェブを形成し、そのウェブを集めてスライバと成し、次いで１個以上のスライバを溶融して前記の強化用物質の一方向性の不連続状の繊維を囲む実質的に連続状の熱可塑性相を形成することによって、一方向性の不連続状の強化用繊維を組み入れる複合体は、一つのプロセスで製造される。別のプロセスでは、強化用物質の実質的に連続状の繊維の周りに熱可塑性物質を共押出して、その押出物を繊維方向と直角に切断して多数の小片を形成させて、各小片中の繊維は共に実質的に同一方向に延びるようにその小片を並列に配置して、その小片を溶融して単一体を形成して、繊維方向と平行に単一体にせん断力を負荷してその単一体中の繊維を再分配することによって複合体は製造される。これらのプロセスによる複合体は、一般的に繊維方向と直角の方向の荷重に関するよりも繊維方向の荷重に関する方が大きい物理的性質を有する。

Description

【発明の詳細な説明】複合体およびその製造方法発明の背景本発明は複合体物質およびそれを製造するプロセスの分野に関するものである。熱可塑性物質に種々の物質を組み入れると、熱可塑性物質基材の性質が改質される。従って、ガラス、金属、熱硬化性ポリマーまたは高強度熱可塑性物質のような強化用物質の細長い繊維は、熱可塑性基材よりも高強度を有する複合体を形成するために、たびたび、熱可塑性物質基材に組み入られる。所謂、“連続状の繊維”複合体は、複合体物品の全長に比べて相対的に長い強化用繊維を有する。そのような繊維は繊維の直径の幾千倍もの長さを有してもよい。連続状の繊維複合体は、ハンドレイアップ、共押出成形のような種々のプロセスで作ることができるが、それらのプロセスでは、繊維は基材、即ち母材の中に予め定められた場所に配置される。連続状の繊維複合体の製造プロセスは値段が高く、製造できる物品の形状および物品内の繊維の配向に関して制約がある。更に、高弾性率および低靭性を有する極めて長い繊維強化用物質を組み入れた連続状の繊維複合体は、比較的脆いことがある。そのような複合体では、複合体の伸び率は複合体自体の伸び率に等しいかまたは殆ど等しい繊維の伸び率となる。従って、布は、複合体の伸び率が比較的小さい時は破れることがある。所謂不連続状の繊維複合体の開発には多大の努力が払われてきた。不連続状の繊維複合体では、各繊維は、繊維の長さ方向の複合体物品の寸法よりも十分短い。不連続状の繊維複合体に負荷される荷重は母材と繊維の間に分かれている。従って、不連続状の繊維複合体は、比較的高い強度と伸び率とを組み合わせたような性質間の有用な組み合わせをもたらすことができる。複合体中の繊維の配向は、複合体の構造的性質に強く影響を及ぼす。所謂“一方向性の”不連続状の複合体においては、複合体全体または複合体の多大なる領域で、実質的に全繊維が予め選ばれた繊維方向に共に全体的に平行に延びているのに対して、所謂 “ランダムな”不連続状の複合体においては、繊維は実質的にランダムな方向に延びている。ランダムな複合体は二次または三次元方向で実質的に等方性の性質を有する。即ち、複合体の物理的性質は二次または三次元方向で実質的に同じである。対照的に、一方向性の複合体は一般的に異方性の物理的性質を有する。一般的に、これらの強度および弾性率は繊維方向と直角の荷重に関するよりも繊維方向の荷重に関する方が大きい。一般的に繊維方向における一方向性の複合体の物理的性質は、ランダム複合体の物理的性質よりも優れている。従って、一方向性の不連続状の複合体は、ある特定の方向の荷重に耐えさせるための構造的要素では特に有用である。一般的に、最大引張り荷重をかける方向と繊維方向とが平行になるように、一方向性の不連続状の複合体物品は作られる。不連続状の複合体を製造するのにこれまで利用されてきたプロセス、特に一方向性の不連続状の複合体を製造するのに使用されたプロセスは、重大な欠点に苦しんできた。熱可塑性主成分の樹脂を組み入れた不連続状の複合体は、熱可塑性物質中に繊維を分散させている溶融熱可塑性物質の単一体を形成することにより作られてきた。例えば、熱可塑性物質の単一体は、この溶融単一体を加圧下で金型に圧入する射出成形法に向けることができる。熱可塑性物の流れによって、繊維は或る程度までは配向する傾向がある。けれども、繊維を所望の方向に完全に配向させることは難しい。また、溶融単一体中に繊維が在ると、熱可塑性物の流れが大きく妨げられて、それがまた金型の設計、物品の設計およびプロセスに著しい制約を負わせる。不連続状の繊維複合体の製造に関する１つの方法は、欧州特許第０．０６２，１４２号に開示されている。この欧州’１４２特許は、“流体状の支持媒体”中で“短く切られた”熱可塑性繊維および短く切られた強化用繊維の懸濁物を形成した後、その懸濁物を多孔質の箔またはフリースのような多孔質壁の上に流すことを提案している。流体状の支持媒体は、その多孔質壁を通過するのに対して、繊維はその多孔質壁に対して保持される。このプロセスでは繊維は多孔質壁に対して共に実質的に一列になって配向していると言われている。次にこの配向した繊維層は“支持媒体の付着残分を洗い落とされ”て多孔質壁から取り外される。次いで洗い落とされた層は、熱可塑性物が溶融するように充分加熱されると、熱可塑性物質が溶融して、繊維が熱可塑性物中に埋め込まれた状態の結合単一体となる。明かなことは、その配向繊維を流体支持体から分離してしかも配向繊維から支持体残分を洗い落とさなければならないことは、プロセスには好ましくない負担である。また、特に多くの場合のように熱可塑性繊維は強化用繊維とは比重が著しく違うと，熱可塑性繊維と強化用繊維を懸濁液中で互いに均一に混合したままにしなければならないことは、プロセスには更に負担となる。従って、熱可塑性樹脂、および強化用物質のような添加物質を繊維の形で組み入れる不連続状の繊維複合体を製造するための改良プロセスに対して、これまで重要でありながら満たされないニーズとして存在していた。発明の要約本発明はこれらのニーズを取り扱うものである。本発明の１つの面は、繊維の形で熱可塑性物質および添加物質を含む一方向性の不連続状の複合体を製造する方法を提供する。本発明のこの面による方法は、熱可塑性物質の不連続状の繊維および添加物質の不連続状の繊維を混合して混合物を形成する段階、次いでこの混合物中で繊維が共に実質的に同一方向に配向するように、この混合物をカーディングする段階を含む。カーディングされた、一般的に一方向性の繊維混合物は、プレフォームとして使用する。このプレフォームは、溶融段階に向けるが、この段階では熱可塑性繊維は、溶融して添加物質の不連続状の繊維の周りで実質的に連続状の熱可塑性相を形成する。添加物質は、熱可塑性物質よりも高弾性率を有する強化用物質が好ましい。例えば、強化用物質は、ガラス、セラミックス、金属、炭素、非熱可塑性ポリマーおよび連続状の相を形成するのに使用される熱可塑性物質よりも高い熱変形温度を有する熱可塑性ポリマーから成る部類中から選んでよい。プレフォームを形成する段階は、カーディングされた繊維を長手方向に延ばされた中間体プレフォームに形成する段階を含んでもよく、そのプレフォームは、同じ方向に延びている繊維がその中間体プレフォームの長手方向と一般的に平行に延びるようなロープ状のスライバ等を含む。プレフォームを調製する段階は、複数の中間プレフォーム、即ちスライバが全体的に共に同一方向に延びるように共に並列にする段階をも含んでよい。溶融段階は、熱可塑性繊維の形をした熱可塑性物質を流動可能な状態にするようにプレフォームを加熱する段階、およびその熱可塑性物質を流動可能な状態に維持しながらこの加熱プレフォームを圧密化する段階を含んでいてよい。例えば、プレフォームは、圧縮用金型の対面部のような一対の対面部材の間で締め付けてよい。種々様々な熱可塑性物質を使用できる。けれども、ポリオレフィンが特に好ましい。カーディング工程では高度の配向が生じ、この配向は、それ以後のプロセスの段階全体を通して維持される。カーディング工程は環境面では安全であり、支持流体で物質を汚染することはない。実質的にあらゆる望ましい寸法の物品を、高品位で容易にかつ経済的に作り出すことができる。本発明のもう１つの面は、繊維の形で熱可塑性物質および添加物質を組み入れた一方向性の不連続状の複合体を製造するもう１つのプロセスを提供する。本発明のこの面によるプロセスは、熱可塑性物質を、実質的に連続状の添加物質の繊維上に押出して、連続状の繊維を縦方向、即ち押出方向に実質的に延びている押出物を形成する段階を含む。次にこの押出物を縦方向と直角の切断面に沿って切断して多数の小片を形成するが、この小片は各々熱可塑性物質と共に添加物質の比較的短い繊維を含む。小片中の短い繊維は、予め選ばれた繊維方向に共に実質的に同一方向に延びるようにこれらの小片は共に並列に置かれる。並列した小片中の熱可塑性物質は溶融されて繊維と共に熱可塑性物質を含む単一体を形成するが、繊維は実質的に繊維方向にまだ延びた状態に保たれている。単一体中の熱可塑性物質を流動可能な状態に維持しながら、繊維方向と平行な方向にこの単一体にせん断力をかける。せん断力によって繊維は繊維方向に再分配される。従って、単一体中の繊維は溶融直後は、当初の切断面および各小片の端部に対応する場所で実質的に縦の配列となることがあるけれども、負荷されるせん断力によってそれらの繊維が再分配されて横並び、重なり合いおよび割り込みした配列となる。これによって、複合体の物理的性質は著しく向上する。押出段階は、１個以上のストランドと共に熱可塑性物質を共押出する段階を含んでよく、各ストランドは多数の繊維を含む。この共押出は引抜成形を含んでよい、即ちその引抜成形では、押出ダイの川下で押出物に加えられる力によって繊維またはストランドはダイを経て引っ張られる。１対の対面部材のうち１つの面に対してもう１つの他の面を実質的に繊維方向に相対的に移動させながら、この対面部材の相対する面の間に単一体を通すことによって、この単一体にせん断力をかける事が出来る。例えば、等しくない表面速度でロールを回転しながら、１対の対向するロールの間で定まるニップに単一体を通すことがある。せん断段階および溶融段階は互いに同時に起こることがある。例えば、単一体を１回通し式のローラーミルに通して溶融とせん断力をかけてもよい。前記のカーディングおよび溶融プロセスで使用したのと実質的に同じような種々様々な物質をプロセスでも使用できる。本プロセスは、不連続状の一方向性の複合体を形成する簡単でかつ有効な方法を提供する。本発明のこれらおよび他の目的、特徴および利点は、付図と共に以下で述べる詳細な説明から容易に明らかになるであろう。図面の簡単な説明本発明の要旨および種々の利点をより完全に理解するためには、次の詳細な説明を参照することが必要であり、その中で付図について言及する：図１は本発明の１つの実施態様によるプロセスを示す概略図であり；そして図２は本発明の他の実施態様によるプロセスを示す概略図である。好ましい実施態様の詳細な説明本発明による１つのプロセスは、熱可塑性物質から形成されるテクスチャードストランドを利用する。一般的に、そのような熱可塑性物質は室温でその形状を一般的に保持するが、高温では変形可能な有機質ポリマーならいずれでもよい。この点に関してはポリオレフィンが特に好ましい。図１を参照すると、そのような熱可塑性物質は公知の技術によって連続状の繊維１０に形成される。次にこれらの繊維を集めて複数の結束された繊維から成るストランド２０にされる。ストランドを形成している繊維の数は、使用される特定の熱可塑性物質によって左右される。例えば、その熱可塑性物質がポリプロピレンから成っている時は、ストランド中のその繊維はおよそ７０−１５０本となろう。次いで、ストランド２０は、ストランドの例えばそのストランドを熱変形温度より高い温度に加熱したのちストランドの長さに沿ってギアを回転させるような通常のけん縮方法、又は公知のスタフィンボックス技術、等から成るテクスチャープロセス３０にかけられる。別の方法では、ストランドを熱変形温度より高い温度に加熱した後、ジェット気流をそのストランドに当ててストランドを変形させてテクスチャー加工をおこなうこともある。その後で、ストランドを冷却すると変形した形状がそのまま残る。テクスチャー加工の後、連続状の束またはストランド２０の繊維を、多数の不連続状の繊維束４０に切断する。これらの不連続状の繊維束の長さは約０．５インチと２．５インチの間が好ましいが、約１．５０インチと約２．０インチの間が更に好ましい。この不連続状の繊維束４０を強化用物質の不連続状の繊維と混合されて混合物が形成される。強化用物質は、熱可塑性物質よりも高弾性率を有する物質が好ましい。特に好ましい強化用物質は、ガラス、セラミックス、金属、炭素、非熱可塑性ポリマーおよび繊維束４０を形成している熱可塑性物質よりも高い熱変形温度を有する熱可塑性ポリマーからから成る部類中から選ばれる繊維である。従来の技術によって形成されるこれらの強化用物質の連続状の繊維５０は、集められてストランドまたは束６０とされるが、それらの各々は多数の繊維を含んでいてよい。各ストランド中の繊維の数は、使用される特定の強化用物質によって大いに左右されるが、２本ないし数万本の繊維が含まれることがある。ガラス繊維が強化用物質の場合は、このストランドは一般的に約2,000本から約4,000本のガラス繊維を含む。次にこれらの強化用物質繊維の連続状のストランド６０は多数の不連続状の繊維束７０に切断される。これらの不連続状の繊維束の長さは約０．５０インチと約２．５インチの間が好ましいが、約１．５０インチと２．０インチの間が更に好ましい。混合とそれに続く加工段階を容易にするために、強化用物質束７０は熱可塑性物質束４０の長さと同じような長さを有するのが好ましい。予め決められた量の不連続状の熱可塑性繊維束４０および不連続状の強化用物質繊維束７０は、次に従来型の予備カーディング装置８０に装入され、その装置の中での束４０，７０が少なくとも部分的に解けるので、各繊維がそこで離ればなれになって三次元的に互いに密に混合して均一な混合物９０が形成される。予備カーディング装置８０の１つの形式では、粗い針のベッドが反対方向に移動するように配置された一対の対面型ベルトコンベアの各々から突き出ている。束４０および７０が前記装置８０に装入されると、この針が束を分けて束中の各繊維を少なくとも部分的に引き剥すので強化用物質の繊維が熱可塑性物質の繊維と絡まれて密に混合し合う。予備カーディング装置８０を出る混合物９０中の繊維は方向性の強い配向を示さないが、それは熱可塑性物質繊維および強化用物質繊維が共にランダムに配列するからである。強化用物質は、この混合物の約１０重量％と約７０重量％の間で含まれるのが好ましいが、約２０重量％と約６０重量％の間で含まれるのが更に好ましい。予備カーディング装置８０から出た混合物９０はカーディング機１００へ装入され、その機械内でこの混合物は機械的に各繊維がばらばらにされたのち、凝集したウェブ１２０に形成される。カーディング機１００は、シリンダから突き出ている多数の細いワイヤーを有するワイヤークロスで覆われた回転シリンダ１０２を含む。同じようなワイヤークロスが回転シリンダ１０４および１０６を覆っている。シリンダ１０２は、同じ方向ではあるがシリンダ１０４および１０６よりも速い速度で回転している。この混合物９０が、シリンダ１０２とシリンダ１０４の間に形成されるニップ１０３、およびシリンダ１０２とシリンダ１０６の間に形成されるニップ１０５の間を通る時は１つのシリンダ上にあるワイヤーと、隣接しているシリンダ上にあるワイヤーとの間の相対的な動きによって繊維が引っ張られて梳解される。この引っ張りと梳解工程の結果、各繊維は縦方向、即ちシリンダの回転軸と直角方向に共に同一方向に実質的に配列されるようになる。それらの繊維が引き離されると、繊維は互いに絡み合って、厚さが繊維の直径数倍の、連続状の薄いベール状のもの即ちウェブ１２０が形成される。このウェブ１２０の幅はカーディング機１００の寸法によるが一般的に約１．０メートル程度である。熱可塑性繊維のテクスチャーによってこのウェブは結合が保たれている。この種のカーディングウェブは、カーディング物質及びその相対的含量および繊維長さによって左右されるが、一般的に混合物の真の密度の約０．２％と約０．７％の間のかさ密度を有する。ポリプロピレンストランド約７０重量％およびガラス繊維ストランド約３０重量％から成るウェブの場合は、この組成物の完全に密な複合体では約１．４ｇｍ/ｃｍ³であるのに対して、約０．００３ｇｍ/ｃｍ³と約０．０１ｇｍ/ｃｍ³の間のウェブ密度が得られる。カーディング機１００を出た後、ウェブ１２０はオリフィス１３２を有するダイ１３０に通される。ウェブ１２０がオリフィス１３２を通る時、ウェブ１２０は集められて一般的に約２．０ｃｍと約５．０ｃｍとの間、好ましくは約４．０ｃｍの直径を有するスライバ１４０となる。従って、代表的なプロセスでは、縦方向が１メートルで幅１メートルのウェブが、同じ縦方向１メートルで直径０．０４メートルのスライバに集結される。そこで生成したスライバのかさ密度は、勿論、混合物９０中の各成分割合だけでなく熱可塑性物および強化用繊維自体の密度に左右される。但し、ポリプロピレン約７０重量％とガラス繊維約３０重量％から成るスライバは、一般的に約０．００５ｇｍ／ｃｍ³の密度を有する。ウェブ１２０中の繊維の同一方向の配向性は、ウェブ１２０がスライバ１４０に形成される時には実質的に影響を受けないだろう。従って、スライバ１４０中の繊維は、スライバの長手方向と平行な方向に実質的に同一方向に延びる。スライバ１４０は以降の加工段階用のプレフォームとして使用してよい。従って、このスライバは別々の長さのもの１５０に切断してもよく、これらの多数の別々の長片１５０は互いに隣接して配置されると１つの層１６０を形成することができ、その層中では別々の長片１５０はすべて一般的に共に同一方向で延びる。更に付加の層１７０は実質的に同じ方法で形成して層１６０上に積み重ねて、未結合の堆積物１８０を形成させてよくその堆積物の中では全層中のスライバの長片１５０は一般的に同一方向に延びている。各層中のスライバの長片１５０と、層の数およびスライバ１５０の長さ寸法によって結合化以後に作り出される単一体の最終的寸法が定まることになる。次にこの堆積物１８０は、スライバ中の熱可塑性物質を軟らかくするように予備加熱段階にかけられる。この加熱段階が実施される時間および温度は、使用される特定の熱可塑性物質および堆積物１８０の寸法に大部分左右される。この堆積物１８０は炉または他の適当な装置の中で，ポリプロピレン物質の場合は約２００℃と約２６０℃の間、尚好ましいのは約２１５℃ と約２５０℃の間の温度まで，加熱してよい。堆積物１８０中の熱可塑性物質が完全に加熱されるのを確実にするために、加熱サイクル時間は少なくとも約２分間が好ましい。約４分間と約６分間との間の加熱サイクル時間が最も好ましい。強化用物質も熱可塑性物質である場合は、比較的低い熱変形温度を有する熱可塑性物質は軟化するが比較的高い熱変形温度を有する強化用物質は軟化させないことを確実にするために、加熱段階は注意深く制御しなければならない。更に加工する場合、堆積物１８０の炉からの出し入れを促進するために、堆積物１８０は熱的に安定性が大きく加熱中に変形しない物質のウェブ（示されていない）の間に置くのが望ましい。更に望ましいのは、ウェブ物質が堆積物１８０を更に加工した後でも堆積物に強く付着しないことである。これらの特性を有する特に好ましい物質はテフロン加工布である。堆積物１８０中の熱可塑性物質を軟化させて流動可能な状態になるまで堆積物１８０を充分加熱した後、その堆積物１８０は圧密化されて固形の単一体を形成する。一般的な圧密化プロセスでは、堆積物１８０は圧縮荷重をかけられるとその荷重下で熱可塑性物質の繊維は一緒に流動および共に溶融して強化用物質の不連続状の繊維を取り囲む実質的に連続状の熱可塑性相を有する複合体物品を形成する。荷重は一般的に繊維方向と直角方向に堆積物１８０にかけられるので、堆積物中の繊維の一方向性の配向は、実質的にそのまま残り、その後、熱可塑性物質が流動しない状態まで冷却されるのに充分な時間保持される。この時点では、複合体物品は、圧縮荷重を取り去っても変形しない。圧密化プロセスは約１５０気圧と約２５０気圧の間の圧力で実施されるのが好ましいが、約１８０気圧と約２２０気圧の間で実施されるのが更に好ましい。熱可塑性物質が完全に共に溶融してしまうのを確実にするために、圧縮荷重を約１５秒と約１．５分の間かけるのが望ましい。好ましい圧密化プロセスでは、荷重用部材は、望ましい形状が圧密化される物品に作り出されるような形状に作られている。そのような或る圧密化プロセスの１つの例では、形成対象の物品の最終形状を実質的に定める、対向する部材１９２および１９４を有する圧縮用金型１９０の中に加熱した堆積物１８０を入れる。これらの対向する部材は堆積物１８０の温度よりも実質的に低い温度にある。これらの対向する部材が互いに接近しながら堆積物１８０にかかる圧縮荷重によって、熱可塑性物質が一緒に流動し、溶融して実質的に連続状の相となる。対向する部材が開放されて所望の形状の複合体物品１９８を生成する前に、熱可塑性物質が流動化しない状態になるまで冷却されるのに充分な長さの時間圧縮荷重は保持される。前記したようなプロセスに実質的に従うことによって、一方向性の不連続状の複合体が形成される。複合体は、共に同一方向に配向された強化用物質である多数の不連続状の繊維を囲む熱可塑性物質の連続状の相を含むのが望ましい。前記プロセスによって形成される複合体は異方性の物理的性質を有する。従って、これらの複合体は、繊維方向と直角方向の荷重（複合体の平面で）に関するよりも繊維方向の荷重に関する方が一般的に大きい強度および弾性率を有する。これらの性質の度合いは、複合体を作る時の素材である特定の熱可塑性物質および強化用物質によって左右される。約３０重量％のガラス繊維と約７０重量％のポリプロピレンの比率で、ポリプロピレンの連続状の相によって囲まれる不連続状のガラス繊維ストランドから成る好ましい複合体は、一般的に、繊維方向と直角方向の室温引っ張り強度の約２−５倍の繊維方向の室温引っ張り強度を示す。繊維方向と直角方向よりも繊維方向の方が少なくとも１．５− ３倍大きい室温曲げ強度値は、好ましい複合体で一般的に得ることができる。更に，好ましい複合体の曲げ弾性率は、室温で測ると直角方向よりも繊維方向の方が一般的に少なくとも１．５−４倍大きい。加えて、前記のプロセスによる好ましいポリプロピレン／ガラス繊維複合体は異方性である靭性を示す。シャルピー衝撃試験での測定によるこれらの複合体の一般的な靭性値も直角方向よりも繊維方向の方が約１．５−４倍大きい。本発明の別の実施態様では、一方向性の不連続状の強化用繊維を組み入れる熱可塑性複合体は、熱可塑性物質の被膜で囲まれた強化用物質のストランドから成る引抜成形されたペレットから形成される。このプロセスは前記のプロセスと実質的に同じ熱可塑性物質および強化用物質を使用している。このプロセスは、また連続状の繊維またはストランドの形である強化用物質から始まるけれども、熱可塑性物質は繊維の形である必要はなくて、むしろ、ペレット、顆粒、フレーク、粉末の形、または他の分割された形ならいずれの形で供給されてもよい。本発明プロセスの第１段階２００では、熱可塑性物質および強化用繊維を共押出して、熱可塑性物質の被膜２１４によって囲まれる強化用物質の連続状の繊維２１２から成る連続状の紐２１０を形成する。この共押出段階は、この様な連続状に被覆された押出物を形成するための従来からの引抜成形プロセスから成っていてよい。このようなプロセスでは、熱可塑性物質は加熱されて溶融単一体を形成する。強化用物質の連続状の繊維がこの溶融単一体の中を通された後、形状を決められたオリフィス２２０を通過すると、この繊維の全周に熱可塑性物質の均一な被膜が形成される。好ましいプロセスでは、引抜成形に先だって多数の強化用物質繊維がまず集められストランドとされる。選ばれた特定の強化用物質にもよって、これらのストランドはわずか２本の繊維でもよいし、数千本という多数の繊維を含んでもよい。いったん、熱可塑性物質を熱変形温度より低い温度まで冷却してしまった後、引抜成形された紐は強化用物質ストランドの長手方向と直角平面で切断されて多数のペレット２３０にされるが、各ペレットはその胴回りは熱可塑性層で囲まれているが、その両端部は露出している比較的短いストランドから成っている。これらのペレットの長さは約０．６０ｃｍと約６．０ｃｍの間が好ましいが、約１．３ｃｍと約４．０ｃｍとの間が更に好ましい。本プロセスの説明を進めて行くにつれて明らかになるように、引抜成形された紐を個々の別々のペレットに切断するために、該紐を全体にわたって切断する事は必ずしも必要でない。むしろ、強化用物質ストランドだけを完全に切断するのに足る深さまでその紐を切断すればこのプロセスでは充分であろう。従って、引抜成形された生成物は、熱可塑性物質の被膜によって囲まれる比較的短い強化用物質ストランドを有するセグメントから成ることもあるもので、各セグメントは熱可塑性物質の薄いウェブのよって連結が保たれる。引抜成形プロセスは、熱可塑性物質を複数の共に同一方向に配列された強化用物質繊維またはストランドと一緒に引抜成形することにより、異形材を形成することを含んでよい。これらの引抜成形法の異形材の形状は、引抜成形ダイのオリフィス形状によって決まる。どの形状になっても、引抜成形後の異形材は、引抜成形方向へ同一方向に延びてかつ熱可塑性物質の実質的に連続状の相によって囲まれている多数の強化用物質繊維またはストランドから成っている。熱可塑性物は冷却されてしまった後、その異形材は多数の小片に切断することができ、各小片は熱可塑性物質内に埋め込まれた、比較的短い強化用物質のストランドを含むことになる。再び言うと、この切断法が異形材中の全ての強化用ストランドを完全に切断する限り、この切断法で異形材を完全に切断してしまう必要はない。次にペレットまたは小片２３０は、２４０におけるように共に並列に配置されるので、それらの中にある比較的短いストランドまたは繊維は、繊維方向に共に実質的に同一方向に延びている。次いで並列に配置された小片中の熱可塑性物質が溶融されると、強化用物質の不連続状の繊維またはストランドを囲む熱可塑性物質の実質的に連続状の相を含む単一体が形成されるので、単一体中では繊維またはストランドはやはり繊維方向に同一方向に延びている。この溶融段階は前記プロセスと関連して前記したような実質的に同じ方法で実施してよい。即ち、並列に配置された小片２４０を加熱して熱可塑性物質（強化用物質ではない）を軟化させた後、それらの小片に繊維方向と直角方向に負荷された圧縮荷重２５０をかけると、熱可塑性物質が一緒に流動し、溶融して単一体２５５となる。単一体は、熱可塑性相内に実質的に同一方向に延びている不連続状のストランドまたは繊維を含むけれども、これらの繊維またはストランドは、当初の各小片の端部に対応する場所で実質的に縦並びで配列していることがある。このような縦並びは複合体の物理的性質を著しく低下させる。従って、不連続状の繊維またはストランドを実質的な同一方向の配列を保持しながら、横並び、重なり合い、絡み合いの配列に再配分するせん断段階２６０をこの単一体２５５に負荷することは好ましい。せん断段階２６０では、単一体２５５は、熱可塑性物の熱変形温度より高く加熱（しかし、適切ならば、強化用物質の熱変形温度よりも低い温度で）されて、一対の対向する部材の表面が繊維方向と互いに相対的に移動している間にその部材の対面している表面の間に噛み合わされる。そのような１つのせん断プロセスは、等しくない表面速度で回転している一対の対向するローラ２６４と２６６の間のニップ２６２に、単一体２５５を供給するとシート２６８が形成されることを含む。この単一体が隙間２６２を通ると、より速い表面速度を有するロール２６６と接触する表面は、より低速度を有するロール２６４と接触している表面に相対して引っ張られる。これらの表面が相対的に位置を変えることによってシート２６８内にある不連続状の繊維又はストランドが再配分されるが、それらのストランドまたは繊維の共の実質的に同一方向の配列は影響されない。この溶融およびせん断段階を、単一操作で実施してよい。その単一操作の一つでは、個々のペレットまたは小片２３０は、等しくない表面速度で回転する一対の加熱ロールで定まる隙間を有するロールミル（示されていない）の間に供給される。これらの小片等がこの加熱隙間を通るにつれて、各小片中の熱可塑性物が流動可能な状態まで加熱されて、隣接する小片中の熱可塑性物と溶融することになる。それと同時に、ロール表面速度が違うことにより、単一体にはせん断力がかかり単一体中の不連続状の繊維が相互に実質的に再配分される。せん断力を負荷された一体物シート２６８は、複合体を最終形状物に成形する場合のプレフォームとして利用してよい。従って、このシート２６８を多数のパネル２７０に切断して、全てのパネル中の不連続状の繊維を実質的に同一方向に延ばすように、予め定められた厚さに達するまで、各パネルを相互の上に重ねることができる。次いでこの積層物を加熱すると、熱可塑性物質は流動可能な状態（強化用物質は流動可能ではない）となり、例えば、圧縮用金型２８０に入れて、繊維方向と直角に荷重をかけると、圧密化して所望の形状の物品２９０が形成される。この物品２９０は、共に同一方向に延びていてかつ熱可塑性物の実質的に連続状の相によって囲まれた不連続状の強化用繊維から成っている。共押出段階を用いるプロセスでは、繊維方向と直角方向に負荷される荷重に関してよりも繊維方向に負荷される荷重に関しての方が一般的に大きい物理的性質もを有する一方向性の不連続状の複合体が形成される。これらの性質の度合いは、再度言うが、これらの複合体の原料である特定の熱可塑性物質および強化用物質によって左右される。前記した両方のプロセス、即ちカーディング段階を用いるプロセスおよび共押出段階を用いるプロセスでは、繊維方向の複合体の物理的性質は、長さ方向に不均一な断面を有する連続状の強化用繊維を使用することにより更に向上することがある。そのような繊維の例には、繊維の長さに沿って調整された直径を有する繊維；捻られまたは螺旋状になった繊維；ジグザグまたはアコーディオン形状の断面を有する繊維；繊維の長さに沿って間隔おいた距離に放射状に突き出ている突起物を有する繊維が挙げられる。次の実施例は前記した本発明の或る特徴を説明している。実施例１約２８ミクロンの直径を有するポリプロピレンの押出繊維を集めて各７２本の繊維ストランドとした。次ぎに、このストランドを約１３０℃の温度に加熱された炉中で、熱変形温度を超えて加熱した後、このストランドに空気を吹き付けてキメを作り出した。ほぼ室温まで冷却した後、このストランドを別々の長片に切断した。オーエンス−コーニング社（Ｏｗｅｎｓ−ＣｏｒｎｉｎｇＦｉｂｅｒｇｌａｓｓ，Ｉｎｃ．，）によって製造された直径１０ミクロンのカーディング可能なガラス繊維を集めて各約２，０００本の繊維のストランドとして、予め決められた長さに切断した。カーディング可能なガラス繊維は、カーディング工程中にストランドを解き、個々の繊維にすることができるのにふさわしい表面処理剤またはサイジング剤で被覆されているガラス繊維であった。この実施例の別の実験では、予め決められた長さのガラス繊維ストランドは、約０．５、１．０、１．５、２．０および２．５インチであり、ポリプロピレンストランドの個々の長さは約２．０インチであった。重量パーセントで、切断したガラス繊維ストランド３０％およびキメを作り出した後、切断したポリプロピレンストランド７０％を、ポリプロピレンおよびガラス繊維ストランドの大半が少なくとも部分的に個々の繊維に離ればなれになる予備カーディング機に装入すると、三次元的に結合されて、繊維がランダムに配向した均一な混合物を得た。次に、この均一な混合物をカーディング機に装入すると、その機械の中で繊維が引きちぎられて、縦方向に実質的に同一方向に共に配列して、カーディング機の出口で幅が１メートルで厚さが繊維直径の数倍である連続状のベール即ちウェブを生成した。別の実験では、ウェブのかさ密度はストランド長さに左右されるが、その混合物の真の密度の約０．２％と約０．７％の間で変動する。次いで、このウェブがダイオリフィスを通るように装入すると、オリフィスではウェブが集められて繊維はスライバの長手方向に平行で同一方向に延びる、連続状のスライバが形成される。これらのスライバのかさ密度は、約０．００４ｇｍ／ｃｍ³ と約０．０１ｇｍ／ｃｍ³の間にあるが、このかさ密度はストランドの長さ、およびカーディング工程に続く処理中にスライバが受ける圧密の程度によって左右される。次いで、約４ｃｍの直径を有する連続状のスライバを、約３０ｃｍの長さに切断する。この長さの多数のストランドを並列に配置して、全スライバが共に同一方向に延びている幅２０ｃｍおよび長さ３０ｃｍの層を形成する。そのような３０個の層を互いにに積み重ねると、全部のスライバが同一方向にに延びている、パイプを平行にした形状物を形成した。このようにして形成された積層物を、２枚のテフロン加工した布の間に置き約２４０℃の温度で炉中で約５分間加熱すると、ポリプロピレン繊維が軟化して流動可能な状態となった。この加熱された積層物を圧縮成形用金型の対向する部材（部材は約７０ ℃の温度である）の間に置いた後、約３０秒間、約２００気圧の圧力をかけ圧縮成形すると、その間に熱可塑性繊維は溶融して不非連続状のガラス繊維を囲む実質的に連続状の熱可塑性相が形成された。この圧密化工程によって３０ｃｍ長さ ×２０ｃｍ幅×３．５ｍｍ厚さの複合体が生成した。表１は、実施例１のいろいろな実験で形成された複合体の物理的性質を、繊維方向および繊維方向と直角方向の両方で示している。複合体に含まれる不連続状のガラス繊維の長さに関係なく、各複合体は直角方向よりも繊維方向の方が著しく優れた強度及び靭性を示すことが、理解できる。本発明をこの明細書で特定の実施態様を参考にして説明してきたけれども、これらの実施態様は本発明の原理と応用を単に説明しているにすぎないと理解しなければならない。従って、付属の特許請求の範囲で定義される本発明の思想と範囲から逸脱することなくこの説明上の実施態様に多くの変更がなされてもよいことおよび他の取り合わせが工夫されてもよいことは理解すべきである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８【提出日】平成６年５月２６日（１９９４．５．２６）【補正内容】請求の範囲１．熱可塑性物質および添加物質を含む一方向性の不連続状の複合体の製造方法において：（ａ）前記熱可塑性物質の不連続状の繊維および前記添加物質の不連続状の繊維を混合して混合物を形成し、次に前記混合物中の前記繊維が一般的に共に同一方向に配向するように前記混合物をカーディングする工程；（ｂ）前記混合物からプレフォームを形成する工程であって、該形成工程は、前記カーディングされた混合物を長いスライバに形成して前記同一方向に延びる繊維が該スライバの長手方向と一般的に平行に延びるようにする工程を含むものであり；及び（ｃ）前記熱可塑性繊維を溶融して、前記添加物質の前記不連続状の繊維を囲む熱可塑性相を形成する工程、から成ることを特徴とする前記複合体の製造方法。２．該プレフォーム形成工程は、更に、複数の長さの該スライバーを互いに並列させて互いに一般的に平行に延びるようにする工程を含む請求の範囲（１）の方法。３．該熱可塑性樹脂の溶融工程は、該プレフォームを加熱して、該熱可塑性繊維の熱可塑性物質を流動状態にする工程を含む請求の範囲（１）の方法。４．該熱可塑性物質を流動状態に保ちながら、該プレフォームを圧密化する工程を更に含む請求の範囲（３）の方法。５．該プレフォームの圧密化工程は、該熱可塑性物質を流動状態に保ちながら、該プレフォームを一対の対向する部材の間で締め付ける工程を含む請求の範囲（４）の方法。６．該プレフォームの圧密化工程は、該プレフォームを圧縮成型する工程を含む請求の範囲（４）の方法。７．前記添加物質は、ガラス、セラミックス、金属、炭素、非熱可塑性ポリマーおよび前記熱可塑性物質の前記繊維よりも高い熱変形温度を有する熱可塑性ポリマーの中から選ばれるものである請求の範囲（１）の方法。８．前記熱可塑性物質はポリオレフィンの中から選ばれるものである請求の範囲（１）の方法。９．熱可塑性物質，および添加物質の繊維を含む一方向性の複合体の製造方法において：（ａ）前記添加物質の実質的に連続状の繊維の上に前記熱可塑性物質を押出して、前記連続状の繊維が実質的に縦方向に延びる押出物を形成する工程；（ｂ）前記押出物を前記縦方向と直角方向に切断して前記連続状の繊維を切断すると共に前記熱可塑性物質、及び前記添加物質の不連続状の繊維を含む個々のセグメントを有する物品を形成する工程；（ｃ）前記セグメント中の熱可塑性物質を溶融して、前記熱可塑性物質、及び実質的に繊維方向に延びる前記不連続状の繊維を含む単一体を形成する工程；及び（ｄ）前記単一体中の前記熱可塑性物質を流動可能な状態で保持しながら、前記単一体に対して前記繊維方向と平行な方向にせん断力を負荷して、前記繊維方向に前記繊維を再配分する工程、から成ることを特徴とする前記複合体の製造方法。１０．前記切断工程は、前記押出物を前記縦方向と直角方向に切断して、各々前記熱可塑性物質と共に前記添加物質の前記不連続繊維を含むところの多数の小片を形成すると共に、前記溶融工程の前に、該小片中の不連続繊維が実質的に同一方向に延びるように該小片を共に並列に配設する工程を含む請求の範囲（９）の方法。１１．前記押出工程は、多数の前記繊維を含むストランドと共に前記熱可塑性物質を共押出する工程を含む請求の範囲（９）の方法。１２．前記共押出工程は、前記ストランドを前記熱可塑性物質中に引抜成型する工程を含む請求の範囲（１１）の方法。１３．前記単一体に対してせん断力を負荷する工程は、一対の対向する部材の相対する表面の一方を他方の表面に対して相対的に実質的に前記繊維方向に移動させながら、該単一体を該部材のている間に噛み合わさせる工程を含む請求の範囲（９）の方法。１４．前記単一体に対してせん断力を負荷する工程は、一対のローラの間の隙間に、該ローラを回転させながら、該単一体を通過させる工程を含む請求の範囲（１３）の方法。１５．前記添加物質は、ガラス、セラミックス、金属、炭素、非熱可塑性ポリマーおよび前記熱可塑性物質の前記繊維よりも高い熱変形温度を有する熱可塑性ポリマーの中から選ばれるものである請求の範囲（９）の方法。１６．前記熱可塑性物質はポリオレフィンの中から選ばれるものである請求の範囲（９）の方法。１７．前記溶融工程は、前記単一体中の前記不連続繊維の少なくとも一部が該単一体の他の繊維に対し実質的に縦の配列となるように行われ、該単一体にせん断力を付加する工程は、該繊維の少なくとも幾らかを該縦の配列から互いに重なり合った配列へと再配分するように行われる請求の範囲（９）の方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｂ２９Ｋ 105:14 Ｂ２９Ｃ 67/14 Ｘ (72)発明者アンダーソン・マイケル・ピー. アメリカ合衆国、ニュージャージー州 08809、クリントン、ウェストウェイ 10 (72)発明者ルスチガー・アーノルドアメリカ合衆国、ニュージャージー州 08817、エディソン、ノースエイスアベニュー 401 (72)発明者コー・フランク・ケイ. アメリカ合衆国、ペンシルベニア州 19124、フィラデルフィア、キャスターアベニュー 5144

Claims

【特許請求の範囲】１．熱可塑性物質および添加物質を含む一方向性の不連続状の複合体の製造方法において：（ａ）互いに充分に混合されかつ共に一般的に同一方向に延びる前記熱可塑性物質の繊維および前記添加物質の不連続状の繊維を含むプレフォームを形成する工程；及び（ｂ）前記熱可塑性繊維を溶融して前記添加物質の前記不連続状の繊維を囲む熱可塑性相を形成する工程、からなることを特徴とする前記複合体の製造方法。２．前記熱可塑性樹脂が不連続繊維である請求の範囲（１）の方法。３．該プレフォーム形成工程は、前記熱可塑性物質の不連続繊維を前記添加物質の不連続状の繊維と混合して混合物を形成し、次いで該混合物をカーディングして混合物中の繊維を互いに同一方向に配向させる工程を含む請求の範囲（１）の方法。４．該プレフォーム形成工程は、更に、前記繊維を長いスライバーに形成して前記同一方向に延びる繊維が該スライバの長手方向と一般的に平行に延びるようにする工程を含む請求の範囲（３）の方法。５．該プレフォーム形成工程は、更に、複数の長さの該スライバーを互いに並列させて互いに一般的に平行に延びるようにする工程を含む請求の範囲（４）の方法。６．該熱可塑性樹脂の溶融工程は、該プレフォームを加熱して、該熱可塑性繊維の熱可塑性物質を流動状態にする工程を含む請求の範囲（１）の方法。７．該熱可塑性物質を流動状態に保ちながら、該プレフォームを圧密化する工程を更に含む請求の範囲（６）の方法。８．該プレフォームの圧密化工程は、該熱可塑性物質を流動状態に保ちながら、該プレフォームを一対の対向する部材の間で締め付ける工程を含む請求の範囲（７）の方法。９．該プレフォームの圧密化工程は、該プレフォームを圧縮成型する工程を含む請求の範囲（７）の方法。１０．前記添加物質は、ガラス、セラミックス、金属、炭素、非熱可塑性ポリマーおよび前記熱可塑性物質の前記繊維よりも高い熱変形温度を有する熱可塑性ポリマーの中から選ばれるものである請求の範囲（１）の方法。１１．前記熱可塑性物質はポリオレフィンの中から選ばれるものである請求の範囲（１）の方法。１２．熱可塑性物質および添加物質を組み入れる一方向性の複合体の製造方法において：（ａ）前記添加物質の実質的に連続状の繊維の上に前記熱可塑性物質を押出して、前記連続状の繊維が実質的に縦方向に延びる押出物を形成する工程；（ｂ）前記押出物を前記縦方向と直角方向で切断することにより前記連続状の繊維を切断し、かつ前記熱可塑性物質、および前記添加物質の不連続状の繊維を含む個々のセグメントを有する物品を形成する工程；（ｃ）前記セグメント中の熱可塑性物質を溶融して、前記熱可塑性物質、および繊維方向に実質的に延びる前記不連続状の繊維を含む単一体を形成する工程；及び（ｄ）前記単一体中の前記熱可塑性物質を流動可能な状態で保持しながら前記単一体に対して前記繊維方向と平行な方向にせん断力を付加して、前記繊維方向に前記繊維を再配分する工程、から成ることを特徴とする前記複合体を製造する方法。１３．前記切断工程は、前記押出物を前記縦方向と直角方向に切断して、各々前記熱可塑性物質と共に前記添加物質の前記不連続繊維を含むところの多数の小片を形成すると共に、前記溶融工程の前に、該小片中の不連続繊維が実質的に同一方向に延びるように該小片を共に並列に配設する工程を含む請求の範囲（１２）の方法。１４．前記押出工程は、多数の前記繊維を含むストランドと共に前記熱可塑性物質を共押出する工程を含む請求の範囲（１２）の方法。１５．前記共押出工程は、前記ストランドを前記熱可塑性物質中に引抜成型する工程を含む請求の範囲（１４）の方法。１６．前記単一体に対してせん断力を負荷する工程は、一対の対向する部材の相対する表面の一方を他方の表面に対して相対的に実質的に前記繊維方向に移動させながら、該単一体を該部材のている間に噛み合わさせる工程を含む請求の範囲（１２）の方法。１７．前記単一体に対してせん断力を負荷する工程は、一対のローラの間の隙間に、該ローラを回転させながら、該単一体を通過させる工程を含む請求の範囲（１６）の方法。１８．前記添加物質は、ガラス、セラミックス、金属、炭素、非熱可塑性ポリマーおよび前記熱可塑性物質の前記繊維よりも高い熱変形温度を有する熱可塑性ポリマーの中から選ばれるものである請求の範囲（１２）の方法。１９．前記熱可塑性物質はポリオレフィンの中から選ばれるものである請求の範囲（１２）の方法。２０．前記溶融工程は、前記単一体中の前記不連続繊維の少なくとも一部が該単一体の他の繊維に対し実質的に縦の配列となるように行われ、該単一体にせん断力を付加する工程は、該繊維の少なくとも幾らかを該縦の配列から互いに重なり合った配列へと再配分するように行われる請求の範囲（１２）の方法。