JP2002193649A - プラスチック結合軽量材、その製造方法および複合材料 - Google Patents

プラスチック結合軽量材、その製造方法および複合材料

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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】軽量で高い強度および延性を有する構造材を安
価に量産する。この軽量材料は自動車のシャシ部品など
の自動車構造部材および建築業や機械工学にも使用され
る。 【解決手段】軽量細粒（特に鉱物系発泡細粒）と有機バ
インダとを含む軽量材であって、軽量材中の軽量細粒の
容積量が少なくとも５０％であり、軽量材中の成分が構
造的に密な状態で結合されている軽量材。また、軽量細
粒を加工物用金型に導入する工程と、任意に軽量細粒の
原料粒子を加熱する工程と、軽量の細粒状バルク材が充
填された加工物用金型にバインダを導入する工程と、バ
インダを凝固させる工程と、を含む軽量材の製造方法。
さらに、軽量材のコアと、鋼、ステンレス鋼、ファイバ
ラミネートまたはプラスチックからなる、該コアを完全
にまたは部分的に囲む表面とを含む複合材料。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、軽量細粒体（特に
鉱物系発泡細粒体）と有機バインダとを含む軽量材に関
する。任意に、少量の添加剤を含むものであってもよ
い。さらに、本発明は、その製造方法と本発明による軽
量材を含む複合材とに関する。
【０００２】
【従来の技術】多くの技術分野で軽量材の利用度が高ま
りつつある。特に、自動車製造などの交通部門では、強
度が高い上にそれまで用いられてきた構造材料に比して
低密度であるため、省エネルギーで環境に優しい自動車
を製造できることから、軽量材が広く受け入れられてき
ている。密度１．０ｇ／ｃｍ３未満の軽量材が特に注目
されているが、これは大半のプラスチックより低密度で
ある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】プラスチックと無機成
分とを混合して特定の特性を改善および／またはさほど
高価ではない材料を製造することが従来技術から公知で
ある。この場合、プラスチックにチョークなどのフィラ
ーまたはガラス繊維などの強化材が配合されることが多
い。しかしながら、こうした公知の無機成分はプラスチ
ック材料の約２倍の密度であるため、プラスチックと無
機成分とによって得られる加工物の密度を下げる目的に
は適していない。
【０００４】さらに、いわゆる中空ミクロスフェアから
なる軽量の微粒子無機成分をプラスチックに配合するこ
とが知られている。しかしながら、現段階の製造技術で
は、このような成分を高い比率でプラスチック材料に取
り込むことは不可能である。加工物で達成できる中空ミ
クロスフェアの容積量は、構造的に密な材料の５０容量
％未満という値までである。したがって、得られた軽量
材の密度は高く、このような軽量材から加工物を製造し
ても多くの用途で重すぎるものとなる。また、中空ミク
ロスフェアは極めて高価であるため、この材料を大量生
産品に利用できないという欠点もある。さらに別の欠点
として、大量生産品では経済的な理由から高品質のプラ
スチックを利用できない大量のプラスチックがあげられ
る。
【０００５】したがって、構造的に密な方法ではなく多
孔性バルク材を用いて無機成分をプラスチック材料と結
合させることがすでに提案されている。これによって、
材料に含まれるプラスチックの量を５０容量％よりもか
なり低く抑えることが実用上可能となっている。しかし
ながら、このような材料では、構造的に密な方法で結合
させた材料よりも強度値が大幅に低くなるため、限られ
た度合いでしか利用することができない。
【０００６】しかしながら、従来技術では、たとえば軽
量細粒の８０容量％といった極めて高い充填密度で構造
的に密なプラスチック母材を製造することはできない。
これは、標準的な加工方法で標準的な製造条件を用いる
と軽量細粒が分離することが多く、結果として充填密度
が低くなるためである。
【０００７】このような分離は、実質的に軽量細粒とプ
ラスチック母材との密度の差が原因で生じるものであ
り、特に、粒度の異なる軽量の細粒状粒子各々の重量の
違いがあるため、結果として粒の大きな軽量細粒が加工
時に「浮いて」加工物用金型の下側に空隙が形成され、
さらには粒の小さな軽量細粒がそこに蓄積される。
【０００８】さらに、プラスチックの代わりに軽金属を
無機成分用のバインダとして利用することも知られてい
る。このような材料は極めて適していることが明らかに
なってはいるが、その用途には限りがある。ただし、軽
金属合金の原材料価格が高い上、製造温度を高くしなけ
ればならず加工コストも高くなるため、超軽金属からな
る加工物は複雑なシャシやエンジン部品などの特別な加
工物用としてのみ利用可能である。このような化合物は
重すぎる上にコスト高であるため、自動車の車体および
内装用の材料としては適していない。
【０００９】したがって、本発明の目的は、技術面での
高い要求（特に強度および延性の高さ）を満たし、さら
に、経済的な理由で大量生産品には使用できないといっ
たことが生じない程度に安価な軽量材を開発することに
ある。この軽量材の使用は、自動車のシャシ部品などの
自動車構造における特別な用途に限定されず、静置用交
通手段（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ ｔｒａｆｆｉｃ ｍｅ
ａｎｓ）および建築業や機械工学などの他の用途も含ま
れる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上述した目的は、軽量細
粒体（特に鉱物系発泡細粒体）と有機バインダとを含む
軽量材によって達成される。この軽量材は、軽量材中の
軽量細粒体の容積量が少なくとも５０容量％であり、成
分が材料中で構造的に密な状態で結合されていることを
特徴とする。
【００１１】好ましくは、本発明による軽量材は、軽量
細粒体を少なくとも８０容量％、特に好ましくは少なく
とも５０容量％含有する。本発明による軽量材は、現在
までのところ他の材料には認められない特徴を兼ね備え
ている。驚くべきことに、これらの軽量材は、極めて低
い密度で強度値が高く、特に圧縮強度が極めて高いこと
が特徴である。本発明による軽量材は延性であり、この
点で金属に匹敵するか、あるいは金属よりもかなり優れ
ている。本発明による軽量材を用いることで、被害者に
対する新規な人命救助策が可能になった。
【００１２】軽量細粒体が有機バインダの母材に実質的
に完全に埋没すれば、材料は構造的に密なものになると
言われている。したがって、有機バインダがほぼ無孔の
母材をなすことになる。
【００１３】本発明の意味での軽量細粒は、流動性で実
質的に球状の粒子である。その粒度は０．０１〜３０ｍ
ｍ、好ましくは０．０４〜１６ｍｍ、特に好ましくは
０．２〜８ｍｍである。
【００１４】本発明による軽量材の特性を得るには、軽
量細粒体の幾何学的形状およびサイズが特に重要であ
る。おしなべて言えば、粒子の形状についてはどのよう
なものであってもよいが、このとき、加工物の得られた
嵩密度が高く充填密度は低くなってしまうのをやむを得
ないとしなければならないこともある。主に球状または
ほぼ球状の流動性の極めて高い粉体で軽量材を構成する
とよいことが明らかになっている。球状粉体を用いる
と、充填作業を終えた後に軽量の細粒状バルク材が加工
物用金型に極めて密に充填されるという効果が得られ
る。これは、形状に規定のない軽量粉粒体とは対照的
に、球状の軽量細粒体では加工時（特に加工物の金型へ
の充填時）におけるバルク流動性（すなわち軽量の細粒
状バルク材の挙動）が良好で空洞が形成されることが少
ないためである。軽量細粒の密な充填に必要なのは、少
量のバインダを使用することだけである。
【００１５】本発明による細粒は嵩密度が０．０４０ｋ
ｇ／ｌ〜０．６００ｋｇ／ｌである。好ましくは、嵩密
度は０．３００ｋｇ／ｌ以下である。その表面の開放多
孔率は１５％未満、好ましくは５％未満である。
【００１６】軽量細粒は、密閉気孔を含むものであって
も、また特別な用途では、表面の開放多孔率が総体積に
対して１％〜１０％の範囲と低いものであってもよい。
粒子にどの程度までバインダが浸透すると考えられるか
は、その多孔率に左右される。さらに、粒子には孔に気
体が充満した閉鎖多孔率（ｃｌｏｓｅｄ ｖｏｌｕｍｅ
ｐｏｒｏｓｉｔｙ）もある。一般に孔は極めて小さ
く、直径で細粒のサイズの１／１０未満、好ましくは１
／５０未満である。特に、０．２ｍｍ以下の範囲といっ
たごく小粒度の場合、本発明では、単一の気泡を含む細
粒、いわゆる中空スフェアまたは他の中空の球形を利用
する。
【００１７】本発明において望ましい極めて高い充填密
度を得るには、軽量細粒の品質が高くなければならな
い。したがって、一粒度のみを有する充填物では、比較
的高い充填密度が得られるのは各粒子の直径が構想粒子
の直径とわずかしか違わず、球の形からさほどずれてい
ない場合のみである。
【００１８】各粒子のサイズからのずれに対する要件に
ついては、粒度の群（ｇｒａｉｎｓｉｚｅ ｇｒｏｕ
ｐ）で示すのが最も良く説明できる方法であることが分
った。原料粒子から単一の粒度を選ぶのは実用上不可能
であるため、粒度の群によって許容粒度範囲を特定す
る。充填密度を高くするには、選択する粒度の群の粒度
範囲が極めて狭く（４〜５ｍｍ、２〜３ｍｍなど）、か
つ、前記粒子群で粒子群の最小直径と最大直径とに基づ
く許容差範囲が±６％でなければならない。この許容差
範囲を±４％以下に抑えれば、実用上最適な充填密度を
達成できる。公差範囲が最大で１０％まで増しても、依
然として満足のいく充填密度を達成することができる。
１０％を超えると、必ずしも高品質の製品を製造できる
とは限らなくなる。関連のある粒子群に対する技術的な
分類を行う際には、これらの要件に適合するようにしな
ければならない。
【００１９】好ましくは、鉱物系軽量細粒を本発明によ
る軽量材に使用する。細粒を多孔性にするための加工工
程の前に、これらの細粒をペレット形成台でのペレット
形成によって成形し、最大高さ１５粒径のフィードで気
孔形成炉に細粒を通す。製造時の嵩密度をさらに高くす
ると、細粒が変形し、結果として、生成物は本発明の許
容差範囲におさまる球形ではなくなる。これとは対照的
に、プレスとローラとを用いるおよび／またはさらに多
くの量の原料を炉に送る従来の方法で製造した細粒は偏
差が大きい。
【００２０】さらに、球形からの粒子の最大偏差が球状
直径の±４％であれば、高い充填密度が達成され、±８
％の範囲の偏差でも満足のいく充填密度が得られるが、
偏差が±１０％を超えると極めて貧弱な結果しか得られ
ないことが分った。したがって、充填物での最大偏差が
±８％、好ましくは±４％の細粒を本発明による軽量材
に使用する。
【００２１】本発明によれば、充填物の形成が簡単で充
填密度に対する要求が緩い場合、単一の粒度の群の細粒
状粒子が使用される。さらに、充填密度に対する要求が
より厳しい場合は、２通りの粒度の群を有する粉体から
なる球状軽量細粒が適していることが分った。好ましい
のは、直径が大きめの球状粉体（以下、一次粒子と呼
ぶ）を少なくとも６０容量％、好ましくは少なくとも７
０容量％の量で含み、直径が小さめの球状粉体（以下、
二次粒子と呼ぶ）を４０容量％以下、好ましくは３０容
量％以下の量で含み、一次粒子の直径が二次粒子の直径
の６〜１２倍、好ましくは少なくとも１０倍の粒体混合
物である。
【００２２】充填密度に対する要求が極めて厳しい場
合、３通りの粒度の群からなる球状軽量細粒の混合物を
含む本発明によるタイプの軽量材を利用する。このう
ち、軽量細粒混合物に対して最大球状粉体（一次粒子）
の量が少なくとも５０容量％、中間球状粉体（二次粒
子）の量が３５容量％以下、最小球状粉体（以下、三次
粒子と呼ぶ）の量が１５容量％以下であり、大きい球状
粒体と中程度の球状粒体との直径の差ならびに中程度の
球状粒体と最小の球状粒体の直径の差が少なくとも６〜
１８倍、好ましくは１２倍である軽量細粒の混合物が特
に重要である。
【００２３】さらに、４通り以上の粒度（一次粒子、二
次粒子、三次粒子、四次粒子など）の球状軽量細粒の混
合物を使用してもよい。直径０．０３〜０．１５ｍｍの
ミクロスフェアを最小粒度として使用し、最小粒径画分
から最大粒径画分までの各画分間の粒度傾斜が常に許容
差±２０％の同一のファクターであると有利なことが明
らかになった。
【００２４】本発明によれば、材料品質の異なる軽量細
粒を使用する。たとえば、鉱物系軽量細粒を新規な材料
にて使用することができる。これには酸化物系組成物お
よび／または鉱物系組成物を含む物質が含まれる。一例
として、アルカリシリケート、アルカリ／アルカリ土類
ケイ酸塩、アルモシリケート、ホウケイ酸塩の他、系Ｃ
ａＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３に金属酸化物を加えたもの
が併用される変異形があげられる。
【００２５】本発明では、酸化アルミニウム（最大１０
０％Ａｌ２Ｏ３）、アルカリシリケート（最大１００％
水ガラス）などの鉱物系物質からなる細粒を用いると好
ましい。アルカリシリケートでは、４％〜１０％の酸化
亜鉛で安定化させ、マイクロ波によって発泡させた水ガ
ラスナトリウムの細粒を使用すると好ましい。このよう
な材料については、ドイツ特許出願第ＤＥ １９９ ０
９ ０７７．７号に詳細に説明されている。
【００２６】これに相当する鉱物系軽量細粒が最大１６
ｍｍの粒度で市販されており、ＫｅｒａＧｌａｓ、Ｋｅ
ｒａＢｉｍｓ、ＫｅｒａＰｌｕｓ、ＫｅｒａＬｉｇｈ
ｔ、Ｐｏｒａｖｅｒ、Ｌｉａｖｅｒ、Ｌｉａｐｏｒ、Ｌ
ｅｃａおよびＨｏｌｌｏｗ Ｓｐｈｅｒｅｓなどの名前
で入手可能である。
【００２７】さらに、組成が異なり、任意に容積量も異
なる２種類またはそれ以上の鉱物系軽量細粒を充填物に
併用してもよい。たとえば、（極めて強度の高い玄武岩
の砕石発泡体から得られる）特に耐圧性の高い鉱物系一
次粒子を、本発明によって、１種以上の耐性が低めの亜
粒子（ｓｕｂ−ｇｒａｉｎｓ）と併用してもよい。本発
明によれば、二次粒子の低めの密度を利用して材料密度
をさらに抑える。ここでは、プラスチック母材中で寸法
が小さい二次粒子の方が一次粒子よりも破損しにくいこ
とを利用する。いわゆるシェル体を好ましくは一次粒子
として利用してもよい。これは、孔の粗いコアと、孔が
細かいシェルまたは破損に対する耐性が極めて高い無孔
圧密シェルとで構成されている。結果として、特に強度
の高い材料を製造することが可能である。
【００２８】鉱物系軽量細粒以外に、金属物質または他
の非鉱物物質を軽量細粒として利用することもできる。
このような材料の一例として、すでに形成されている充
填物において加圧下で変形するため、充填密度をさらに
高めることのできる開放多孔率の低い延性金属およびプ
ラスチックがあげられる。本発明によれば、一次粒子と
して利用するのであれば金属製の中空スフェアが特に適
している。
【００２９】本発明によれば、有機バインダによって軽
量粉粒体同士を結合し、固体（ｓｏｌｉｄ ｂｏｄｙ）
を得る。このような目的に適しているのは、流動可能な
形態でのさまざまなクラスの有機化合物である。バイン
ダについては、固体状または液体状で、溶液として、あ
るいは懸濁液として、細粒混合物に導入することがで
き、導入後に、溶剤の除去、重合促進剤の添加、化学反
応を開始すべく加熱するなどの適当な手段で、硬化また
は凝固させることが可能である。
【００３０】もう１つの実施形態によれば、バインダを
固体状で軽量細粒に添加し、これを凝集液状（ｌｉｑｕ
ｉｄ ｓｔａｔｅ ｏｆ ａｇｇｒｅｇａｔｉｏｎ）に
転化し、場合によっては、特定の粘度に達するまでバル
ク材に浸漬させ、そして再度凝固する。通常、この方法
は、バインダが液化するまでバインダ／細粒混合物を加
熱した後、再度冷却するような場合に用いられる。
【００３１】さまざまな好適なバインダのうち一例をあ
げると以下のとおりである。ここに列挙したものは完全
であることを意味するわけではなく、本発明による軽量
材用のバインダとして機能し得る種々な化合物の代表例
をあげてあるにすぎない。
【００３２】好適なバインダとしては、エポキシ樹脂、
ポリウレタン、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル、
シリコーン樹脂などの熱硬化性材料があげられる。さら
に、ポリアミド、ポリオレフィン、ポリスチレン、ＰＶ
Ｃ、ポリアセタール、熱可塑性ポリエステルなどの熱可
塑性材料も有用であることが明らかになった。
【００３３】さらに、エラストマーをバインダとして利
用してもよい。この類の生成物としては、合成ゴム、天
然ゴム、シリコーンゴムなどがあげられる。
【００３４】一般に、球状細粒の方がバインダよりも軽
いと好ましいが、材料の特性という点でみたときに、延
性が高いことに加えて耐荷重性が高いことの方が重量の
小さいことよりも重要な条件であれば、バインダよりも
重い細粒を使用してもよい。
【００３５】たとえば、ローラベアリング用の市販のボ
ールとＰＡ６プラスチックとを成分として用いて、重量
のある機械や橋梁などの支承部を本発明による材料から
製造することが可能である。これらのベアリングは、延
性が高く圧縮強度が極めて高い点が特徴である。エレベ
ータロープ、鉱山鉄道、クレーンなどに用いられる撓み
ローラ（ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｒｏｌｌｅｒ）も本発
明によって製造可能である。このような材料は地震の危
険にさらされた家屋の支持用としても適している。
【００３６】好適な軽量細粒とバインダとを選択するこ
とで軽量材の特性を変え、それぞれの用途ごとに出され
る各要求に合わせて適合させることが可能である。特
に、充填物の構造によって力／変位図を修正できること
が明らかになっている。一方、たとえばＰＡ６の常に同
一の純プラスチック母材では、７．５Ｎ／ｍｍ２の力が
たとえば８％などの圧縮に相当し、粒の細かいＫｅｒａ
Ｂｉｍｓでは充填密度５０％で力が１２．５Ｎ／ｍ
ｍ２、粒が中程度の大きさのＫｅｒａＰｌｕｓではわず
か１．５Ｎ／ｍｍ２である。どの軽量細粒を選択するか
によって、圧縮強度を一度６７％高め、別のときに８０
％下げることが可能である。全てのタイプの車両におい
て事故を起こしやすいあらゆる構造部材はもちろんのこ
と、装置や建造物の他の多くの部品においても、このよ
うに広い範囲にわたるプラスチック材料の特性の本発明
の修正は重要である。
【００３７】また、本発明による軽量材は経済面からみ
ても非常に注目度が高いものである。鉱物系の充填体に
かかるコストは、プラスチックのバインダの場合と比し
て容積基準で約１／１０と極めて低く、非常に安価な加
工物を作製することが可能である。
【００３８】たとえば、軽量細粒：プラスチックの価格
関係は１：１０であるため、加工物に含まれる軽量細粒
の量が８０容量％、プラスチックバインダの量が２０容
量％である場合、軽量材の作製コストはプラスチック１
００％で加工物を形成した場合を１０とするとわずか
０．８×１＋０．２×１０＝０．８＋２．０＝２．８で
ある。これは、本実施例の加工物では、本発明を用いる
ことで体積作製（ｖｏｌｕｍｅ ｆｏｒｍａｔｉｏｎ）
コストが７２％まで削減されることを意味する。充填密
度を９７％まで高め、プラスチックの量を３％まで減ら
すことによって、作製コストをさらに９０％まで削減す
ることが可能である。
【００３９】加工物の重量が本発明によってさらに削減
されることから、上記の結果には重要性がある。車両構
造物では、重量を落とすには材料に対して払う価格を高
くするしかないというのが通例である。本発明による加
工物は、この通例に対する例外となる。
【００４０】たとえば、上述した例では、軽量細粒の密
度は１１０ｇ／ｌ、プラスチック材料の密度は１１００
ｇ／ｌである。軽量細粒対プラスチック材料の重量比は
１：１０である。この例では、本発明による加工物の重
量ならびに材料の価格が７２％削減されている。従来の
対応策の２５％〜３０％まで重量を実際に低減できるこ
とが試験によって分かっている機能的に同等である自動
車部品は多数ある。
【００４１】重量を抑えれば抑えるほど必ずコスト高に
なる軽量建造物の分野ではコスト削減ですら可能である
という点が、本発明による軽量材料に不可欠な新機軸に
よって得られる極めて重要な効果である。
【００４２】当業者にとって驚くべきものである上記の
ような効果は、一方では、充填物の量を最大にし、また
他方では、バインダ（特にプラスチックバインダ）の使
用量を最低限に抑えることで、本発明によって達成され
る。これらの２つの対応策は個別に行うこともできる
が、これを同時に行うことで特に、材料技術において全
く予想外であった進歩につながる。
【００４３】材料分野の技術者にとっては驚くべきこと
に、本発明による材料がこれまで全く知られていなかっ
た特性、特に、新規なレオロジー特性を有することが、
試験によって見出された。極めて高い圧縮力でも、専門
家にとって驚くべきことに、長時間の圧縮下（例えば、
衝突緩衝材（ｃｒａｓｈ ａｂｓｏｒｂｅｒ）として用
いられる場合など）でも軽量細粒の構造が維持される
が、これがプラスチックバインダであれば流動化してし
まい、いわば充填体によって形成された充填物内を強制
的に流動させられたようになる。
【００４４】本発明によれば、充填物の設計を特別な形
にすることで、レオロジー特性に影響を与えることが可
能である。材料と特定の圧縮強度および特定の表面構造
との組み合わせを、特定の幾何学的空間を持つ充填物と
軽量細粒によって得ることが可能である。この表面構造
は、変形による力の吸収、音の吸収、屈曲力および張力
の吸収、圧縮力の吸収など、機能の異なる加工物で使用
するのに特に適している。
【００４５】たとえば、試験において、本発明による加
工物は自動車の衝突緩衝材ならびに他の衝突関連部品と
しての特性に優れるだけでなく、本発明による軽量材に
よって、事実上特注の事故防止品を作製することもでき
ることが分った。したがって、専門家にとって驚くべき
ことであるが、事故に対する保護性をかなり改善するこ
とが可能である。圧縮強度の低い軽量細粒を選択する
と、頭蓋骨などの人体の各部に比べて圧縮強度が低い材
料が得られるため、事故の場合の頭蓋骨骨折を防止して
事故後の生存率を高めることができる。
【００４６】最後に、衝突に対する保護用の本発明によ
る材料と人間を保護するための本発明による材料とを併
用することで、歩行者を保護するのに適した加工物、た
とえば、（エンジン、バッテリー、サスペンションスト
ラットなどの硬い部分に頭蓋骨が当たるのを防止する）
負傷者が衝撃を受ける場所とその下に位置する危険な構
造部材とに応じて特注の異なる圧縮強度を有する生産品
を可能にするボンネット、を設計することができる。
【００４７】ＥＵ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ ｆｏｒ Ｖ
ｅｈｉｃｌｅ Ｓａｆｅｔｙ（ＥＥＶＣ）での提案によ
れば、歩行者を保護するための規則を出すべきとされて
いる。これらの規則によれば、特定の速度での事故によ
って歩行者が致命傷を負うことはなくすべきである。本
発明による軽量材で構成されるパッドを、エンジン、バ
ッテリー、サスペンションストラット、他の「硬い」部
品の上とボンネットの下に装着し、パッドの圧縮強度を
上記の要求が満たされるように調節することで、本発明
は上記の要件を満たすことができる。これは、たとえ
ば、パッド＋ボンネットの圧縮強度が、これに当たる本
体部分の圧縮強度よりも小さいような場合である。ある
いは、ボンネット全体を軽量材で構成し、「硬い」部品
の上ではボンネットの厚さが好ましくは内側に厚くなる
ようにして、この部分では好ましくは１００ｇ／ｌ以下
の範囲でパッドを形成すべく軽量細粒を充填し、残りの
部分にこれよりも重い細粒を用いる対処法によって、こ
の要求を満たすことができる。
【００４８】本発明の軽量材をこのような材料として利
用することができる。しかしながら、鋼、ステンレス
鋼、ファイバラミネート、プラスチックなどのホイル、
シート、押出成形によって得られた中空の部分または他
の中空の部分の一部の面または全面に、この軽量材を施
すことも可能である。このような軽量材を施した表面に
よって、加工物の強度は極めて高くなる。
【００４９】本発明のさらに他の用途に、フレーム、特
に自動車用フレーム、Ａピラー、ＢピラーまたはＣピラ
ー、鍛造部品、特にアルミニウムまたはマグネシウム製
の極めて肉薄で表面積の大きな鍛造部品（トランクの
蓋、ドアまたはボンネットなど）の補強があげられる。
【００５０】さらに、列車、路面線、バス、キャラバン
およびトラック（トレーラーを含む）の床面として使用
される平らな製品の製造に本発明を利用することが可能
である。この場合、本発明の材料の軽量、丈夫、衝突安
全性および耐摩耗性が特に重要である。
【００５１】発明による軽量材は耐用期間が長く非腐朽
性にすぐれるため、建築業界での使用にも適しており、
屋根のサブデッキ（ｓｕｂｄｅｃｋｉｎｇ）などの構造
部材が特に注目される。この軽量材を使用すれば、屋根
のトラス、板張り、屋根の覆い、木摺打ちおよび／また
は断熱などの現在の機能をさまざまな形で達成すること
ができ、特に設置が容易である。
【００５２】本発明のさらに他の用途は、建造物用の極
めて軽量かつ丈夫なコンクリート型枠の製造と、建築部
門用の足場ならびにその床板の製造についてのものであ
る。短繊維または長繊維の強化用繊維も本発明による軽
量材のさらに他の成分として適していることが明らかに
なっている。
【００５３】本発明の他の課題は、新規な複合材料を提
供することにある。本発明による複合材料は、軽量材か
らなる（好ましくは上述した軽量材で製造される）コア
と、鋼、ステンレス鋼、ファイバラミネートまたはプラ
スチックからなり、コアを完全にまたは部分的に囲む表
面とを含む。
【００５４】知られているように、１種またはそれ以上
のプラスチック成分を含む複合材料では、成分ごとに熱
膨張特性が異なっている。この特性は、プラスチックの
材料特性が金属および他の成分とは異なることによるも
のである。たとえば、プラスチックの熱膨張度は金属の
場合と比べて１００倍高い。さらに、プラスチックは２
００℃よりも高い温度で形成され、冷却されると約１０
％までの収縮を示す。このような望ましくない特性のた
めに、公知の複合材料の使用が限定される。
【００５５】公知の複合材料とは対照的に、本発明によ
る複合材料には、匹敵する熱膨張はなく、特に、軽量細
粒が軽量材中に５５〜９０容量％である場合には、熱膨
張係数がアルミニウムから銅の範囲である。ここでは、
軽量細粒の充填密度、粒子および充填物構造に応じて、
熱膨張係数を調節することが可能である。
【００５６】さらに、軽量細粒の充填密度が５５〜９０
容量％である場合、プラスチック母材の収縮が完全にも
しくはほぼ完全に防止されることが明らかになった。た
とえば、軽量細粒を使用せずに注型および重合温度約１
６０℃でＰＡ６を注型すると、６％の収縮が検出される
が、軽量細粒の充填密度を７０容量％とすると、０．５
％未満の収縮が観察される。
【００５７】本発明による複合材料は全くまたはほとん
ど収縮しないため、ほとんどの場合は注型プロセスの後
に必要な数時間にわたるアニーリングを省略することが
可能である。これによって、コストを大幅に削減できる
だけでなく、製造時間を１０〜２４時間から数分に短縮
することができるために、たとえば大きな自動車部品な
どの大量生産ではじめて注型材料を使用することが可能
になる。
【００５８】本発明による軽量材を製造する方法は以下
のとおりである。軽量細粒を加工物用型に導入し、場合
によっては、軽量の細粒状バルク材を加熱し、軽量の細
粒状バルク材を充填した加工物用型にバインダを導入
し、バインダを凝固させる。
【００５９】最適な充填密度を達成するために、最大の
粒子から開始して粒度の異なる粉体を連続的に金型に導
入する。続いて、二番目に大きな粒子を流入させる。バ
ルク材を圧密する方法によって各ステップを支持する。
【００６０】これに適しているのは、たとえば、振盪、
超音波または振動によって処理することおよび／または
負圧または過圧を利用することである。これらの方法を
利用すると、金型を充填するのに必要な時間を大幅に短
縮できるだけでなく、同時に充填密度をかなりの程度ま
で高めることができる。
【００６１】最大直径の軽量細粒（一次粒子）によって
金型が完全に充填された直後に、このプロセスを別の二
次粒子の場合に繰り返す。二次粒子を用いると、このプ
ロセスで一次粒子間に形成された空隙が埋められる。
【００６２】軽量の細粒状バルク材を形成するためのプ
ロセスを極めて容易かつ正確に自動化できることが明ら
かになった。別のコアバインダを用いて、まず、外部か
ら、すなわち加工物用金型内部以外のところで、軽量の
細粒状バルク材からなる浸透コアを製造することができ
る。この目的のために、コアの形成前に適当なバインダ
で軽量細粒を湿らせておくことができる。これによって
外部で製造される結合コアをロボットで加工物用金型に
挿入し、次いで上述したような方法でバインダを浸透さ
せることが好ましい。
【００６３】軽量細粒およびバインダをそれぞれ加工物
用金型に充填する際、正しい充填速度にすることが極め
て重要である。穏やかな均一に流動する充填フロント
（ｆｉｌｌｉｎｇ ｆｒｏｎｔ）が金型内に維持される
ように軽量細粒の流れを調節することが必要である。同
様に、均一に流動する充填フロントをバインダ流の調節
用の基準として利用する。
【００６４】本例では、バインダの方が軽量細粒よりも
密度が１０倍高く、バインダが蓄積されると細粒が浮い
てしまい、充填にむらが生じる可能性があるため、バイ
ンダ流が均一に流動していることは特に重要である。
【００６５】好ましくは、材料の充填前に加工物用金型
および／または軽量細粒および／またはバインダを加熱
する。以下、実施例および図面を参照して本発明につい
て説明する。もちろん、これは前記実施形態に限定され
るものではない。
【００６６】
【発明の実施の形態】以下の説明において使用する用語
をここで下記の通り定義する。一次粒子という用語は、
充填物の最も大きな粒子の群を示す。二次粒子とは、充
填物の二番目に大きな粒子の群を指す。三次粒子とは、
充填物の三番目に大きな粒子の群を指す。
【００６７】本発明によれば、以下の充填密度が達成さ
れる。 充填構造の内容 充填密度 （容量％） １． 最大粒度（一次粒子） ６６％ 粒度偏差最大±６％ 球形からの偏差±４％ ２． １．の場合と同様だか、さらに ８６％ 一次粒子サイズの１／１０の二次粒子を使用、 同一公差 ３． ２．の場合と同様だか、さらに ９４％ 一次粒子サイズの１／１００以下の三次粒子を使用、 同一公差
【００６８】本発明によれば、粒度が１／６〜１／１２
の単一粒度の二次粒子を使用する。三次粒子を用いる場
合、この三次粒子は二次粒子の１／６〜１／１８の粒度
のものである。
【００６９】ファクター１／１０による粒度傾斜の場
合、および粒度が１２ｍｍ、１．２ｍｍおよび０．１２
ｍｍである場合、実施例１から３による本発明の充填構
造によって以下の充填密度が得られる。 （Ｐ−粒子＝一次粒子、Ｓ−粒子＝二次粒子、Ｔ−粒子
＝三次粒子） 実施例 充填密度／プラスチックの量 １．６６％Ｐ−粒子 ６６％充填＋３４％プラスチック ２．６６％Ｐ−粒子＋２０％Ｓ−粒子 ８６％充填＋１４％プラスチック ３．６６％Ｐ−粒子＋２０％Ｓ−粒子＋ ９４％充填＋６％プラスチック ８％Ｔ−粒子 さらに、このプロセスを四次粒子によって継続してもよ
い。
【００７０】軽量材の品質にとって決定的に重要な点と
してプラスチックの量が少ないことがあげられるが、こ
れは本発明によって達成可能である。本発明によれば、
実用上好都合であることが明らかになっている粒子傾斜
に関してさらに次レベルの粒子をそれぞれ１／１０の比
率で導入することによって、プラスチックの量を半分に
することが可能である。
【００７１】結果として、原料混合物の低密度化および
低価格化という点で、それまでは達成できなかった利点
も得られる。以下の例は次の価格のものについて算出し
たものであるが、この価格はこの時点での平均値であ
る。密度：粒子１：１１０ｇ／ｌ、粒子２：５０ｇ／
ｌ、プラスチック１、１００ｇ／ｌ、価格：細粒ＤＭ
１．００／ｌ、プラスチックＤＭ１０．０００／ｌ。
【００７２】
【表１】
【００７３】ここで、極めて大きな一次粒子および二次
粒子、三次粒子および四次粒子を使用することで、ガー
ドレールなどの大きな加工物において、プラスチック量
３％、密度０．１ｋｇ／ｌ未満、価格約ＤＭ１．００／
ｌという極めてすぐれた解決策を得ることが可能であ
る。
【００７４】上述したように、本発明による鉱物系軽量
細粒は充填物内で粒度が傾斜づけされて分散している。
加工物の幾何学的形状に応じて一次粒子を定め、これが
加工物の容積に対して最大量を占め、５０容量％を超え
る量であるのが好ましい。
【００７５】本発明による軽量材の構造を図１から図３
に示す。図１は、一次粒子１と二次粒子２とを用いて製
造された材料の構造を示している。この材料における軽
量細粒の充填は、まず個々に丸いまたはほぼ丸い一次粒
子１によって画定され、これらの粒子を横方向ならびに
上下方向に互いに重ねて堆積させ、各粒子の間に空隙が
形成されるようにする。次に、二次粒子２を前記空隙内
に堆積させ、できるだけ密に材料に軽量細粒を充填す
る。これによって、必要になるバインダ量を抑えること
ができる。二次粒子間の空隙および二次粒子と一次粒子
との間の空隙のみを埋めればよいためである。
【００７６】軽量細粒のさらに密な充填物を図２および
図３に示す。これは、一次粒子１と、二次粒子２と、三
次粒子３とを含む細粒である。図１に示す構造から開始
して、二次粒子２間および二次粒子２と一次粒子１との
間に形成されている空隙に三次粒子３が充填されてい
る。バインダのために必要な空間はさらに少なくなって
いる。
【００７７】一次粒子および二次粒子からなるか、ある
いは、一次粒子、二次粒子および三次粒子からなる、上
記のようにして形成された充填物に、構造的に密な方法
で流動性の高いプラスチック材料を浸透させる。
【００７８】自動車の分野では、たとえば、力／変位特
性が規定されているかまたは可変である衝突緩衝材は、
本発明による材料を用いてはじめて実現することが可能
である。
【００７９】図４は、このような衝突緩衝材を自動車の
バンパーとフレームとの間に装着した状態を示す。図４
に示されるように、これは、フランジ５と本発明による
軽量材６からなる填材とを有する円形または矩形のカバ
ー面４によって作製可能なものである。あるいは、本発
明による材料で衝突緩衝材全体を製造することも可能で
ある。
【００８０】図５は、本発明による材料を用いた試験で
得られる力／変位図の一例である。本発明による材料に
おける軽量細粒からなる充填物の構造に応じて、単に充
填構造によってのみ、圧縮に依存して異なる変位／力条
件を設定することが可能である。
【００８１】曲線７は、軽量細粒を加えていない場合の
プラスチック材料の挙動を示している。この曲線を基準
曲線として利用する。曲線７で用いたプラスチック材料
に粒度範囲が８〜１２ｍｍの軽量細粒を充填すると曲線
８が得られる。図面から明らかなように、比較的大きな
一次粒子の圧縮力は、未充填のプラスチック材料の場合
よりも小さい。基準のプラスチックに粒度５〜６ｍｍの
軽量細粒を充填した場合には曲線９で示す値が得られ
る。曲線８と比較して、ここでは圧縮力が明らかに増大
しているのが分かる。曲線１０から明らかなように、粒
度１〜２ｍｍの軽量細粒を用いることで圧縮力をさらに
増すことができる。
【００８２】最後に、５〜６ｍｍの粒子群からなる一次
粒子と０．５〜０．６ｍｍの粒子群からなる二次粒子と
の軽量細粒状混合物を用いた場合に得られる力／変位曲
線が曲線１１である。この結果から、本発明による軽量
材を用いることで、当業者であれば、軽量細粒状充填物
を変更することで、未充填の基準プラスチックよりも圧
縮力の小さい材料や圧縮力の大きい材料を自由に製造で
きることが分かる。
【００８３】このように、充填密度と粒子群の組成を変
えることで圧縮強度をかなり大幅に調節できることが図
５から明らかである。また、図５から明らかであるが、
低圧縮の範囲では、本発明による軽量材を用いること
で、プラスチックが類似の条件下でクリープパス（ｃｒ
ｅｅｐ ｐａｔｈ）の約半分まで荷重下にてクリープす
るという、ほとんどの場合望ましくない傾向を低減する
ことが可能である。これは本発明の重要な利点である。
この充填構造のために極めて高い比荷重の範囲内でクリ
ープパスをかなり低減することも可能である。ここで、
どの程度まで低減できるかという可能性の制約となるの
は粒子の強度のみである。したがって、本発明によっ
て、実質的にクリープのないプラスチックおよび天然ゴ
ムを製造するのに、ボールベアリングのボールなどのよ
うな圧縮強度の極めて高い本体を用いることが可能にな
る。
【００８４】さらに、本発明による軽量材を用いること
で、車両全体または車両のほぼ全部の部品をエネルギ吸
収に関与させることで事故に対する保護性を大幅に改善
するような形で車両全体または車両の少なくとも一部を
構成または設計することが初めて可能になっている。こ
のエネルギ吸収は、球状の軽量細粒間に可鍛性プラスチ
ック母材が流れることで達成されるものである。結果と
して、プラスチック材料は極めて粘度の高い制振液のよ
うに作用することになる。
【００８５】本発明による軽量材のエネルギ吸収によっ
て得られる可能性について、以下の実施例を参照して一
層詳細に説明する。バス、トラック、トラクターおよび
オフロード車は、重心が高いため横転することが多い。
本発明による材料を用いてこれらの車両用の軽量ロール
バーを製造することができる。前記ロールバーは、座屈
（ｂｕｃｋｌｉｎｇ）に対する安全性の面では従来の構
造物よりかなり優れているが、これを用いても車両の重
量および重心が増すことはない。
【００８６】図６および図７にオフロード車用のロール
バー１２を示す。図６は、本発明による軽量材で強化さ
れていない市販のロールバー１２を示している。このバ
ーは、たとえば車両転倒時などの事故の場合に力「Ｆ」
に耐えることができず、乗客を保護できる保証がない程
度まで変形する。これとは対照的に、図７は、本発明に
よる軽量材６によって強化され、力「Ｆ」に耐えること
のできるバー１２を示している。ここでは、高強度金属
の薄い外管と、これに本発明による軽量材を充填したも
のとを組み合わせることで、座屈に対する耐性のある極
めて軽量なロールバーが得られる。
【００８７】ガードレール、高欄または他の境界区切り
手段（空港で利用されているものなども含む）などの静
置用交通手段の場合、従来技術よりもかなり改善された
本発明の軽量材を用いて解決策を実現することが可能で
ある。たとえば、鋼製のガードレールにはエネルギを吸
収できるという利点がある一方で、信頼できる形で車両
を誘導できないばかりか、逆に車両を車線に押し戻して
しまうという欠点もある。コンクリート製のガードレー
ルにはこのように車両を押し戻してしまうという欠点は
ないが、エネルギを吸収することはできない。本発明に
よる材料で製造したガードレールは、両方の機能、すな
わちエネルギ吸収と車両の誘導という両方の機能を初め
て低コストで満たすことができるものである。
【００８８】図８は、今日の交通運輸関係で利用されて
いる従来のガードレール１３を示している。このガード
レールは、厚さ３ｍｍの亜鉛メッキを施した鋼板で製造
されている。図９は、本発明による軽量材６を用いて製
造したガードレール１４を示している。このガードレー
ルは、厚さわずか約０．５ｍｍの金属またはプラスチッ
クの肌面１５と、充填密度が極めて高くエネルギ吸収力
が極めて良好な本発明の軽量材６からなるコアとを具備
している。このようにして構成されたガードレールであ
れば、車両を押し戻さずに誘導することが可能である。
さらに、このガードレールは前面側が丸みをおびている
ため、バスなどの重量のある車両を裂き開いてしまうこ
ともない。
【００８９】さらに、図１０は、バンの後部ドアを示し
ている。外側のシェル１６と内側のシェル１７との間の
中空の空間に本発明による軽量材６が充填されている。
このため、それまで必要であった強化用の装置を省略す
ることができる。軽量材によって十分なクッションが施
されているため本発明によるドアが鈍い音を立てること
もない。さらに、衝突に対する保護性も改善される。
【００９０】図１１は、装飾機能に加えて事故に対する
保護機能をもたせたホイールカバー１８を示している。
このホイールカバーは、装飾用シェル１９と本発明によ
る軽量材からなるコア６とで構成されている。歩行者が
事故に遭った場合、回転しているナットや車輪の他の凹
凸部分に当たることがあるが、このホイールカバー構造
を用いることでこうしたことによる怪我から歩行者を保
護することができる。
【００９１】図１２は、本発明による軽量材が充填され
た自動車のシャシ部品２０を示している。この部品は、
従来技術では溶接シーム２３によって相互に連結された
シートメタルのシェル２１、２２で構成されている。座
屈に対する耐性を持たせるために、シートメタルのシェ
ルを過剰に大きな寸法のものにしておく必要がある。残
りの中空の空間によって鈍い雑音が大きくなってしまう
ため、二次的な制振手段が必要になる。
【００９２】本発明による軽量の構造材料すなわち軽量
構造材料の充填材を用いた構造的に理想的な実施形態で
は、壁厚を一層小さくし、同時にシャシ部品の重量を軽
減し、さらにはノイズを効率よく取り除くことが可能で
ある。図１２には、本発明によって開口２４から軽量材
６を充填したシャシ部品のジョイント部２３も示されて
いる。
【００９３】図１３は、自動車のボンネットの一実施形
態を示している。衝突が起こった場合に通行人にとって
最も危険な場所、すなわち、歩行者が「硬い」部分に当
たる可能性が高い場所を３本の矢印Ａ、Ｂ、Ｃで示して
ある。矢印Ａは、頭部に衝突すると「硬い」抵抗物（ｒ
ｅｓｉｓｔａｎｃｅ）として損傷を受ける可能性のある
サスペンションストラットが原因の危険な箇所を示して
いる。矢印Ｂは、「硬い」抵抗物であるエンジンとバッ
テリーの位置を示している。さらに、矢印Ｃは、ボンネ
ットとフェンダーとの間のつなぎ部分における硬い抵抗
物を示している。他にもボンネットの内側の金属強化部
分による硬い抵抗物がある。
【００９４】このような相当な危険要因を排除するため
に、図１４から図１７に、本発明を用いたボンネットの
考え得る実施形態を一部断面で示す。強化材２２を構造
的に必要とせずにボンネット（好ましくはフェンダー
も）を完全に本発明による軽量材６で製造し、必要に応
じて、表面に金属ホイルなどからなる加飾処理を施す。
ボンネット２３およびフェンダー２４を平均圧縮強度を
もった本発明による材料から製造する。
【００９５】ボンネットには、圧縮強度の低い本発明の
軽量材からなる安全パッド２８を、エンジン２５または
バッテリ２６の上やサスペンションストラット２７の上
などの特に指定された危険な場所に設ける。好ましくは
３〜６ｍｍの範囲で、本発明によっておそらく低重量で
製造した部品の壁厚を増すことで、歩行者との衝突時に
おける優れた基本的エネルギ吸収能が得られ、さらに、
ボンネット２３とフェンダー２４との間のつなぎ部分を
エッジ強化材２２を使用せずに設計したり、または小さ
な壁面強化材のみを用いて設計することが可能となるた
め、これにより、強い抵抗性のある箇所がさらに別に形
成されるのを排除する。さらに、本発明によれば、従来
技術の場合よりも地面に近い位置につなぎ部分が設計さ
れるため、衝突する可能性のある部分には、もはやつな
ぎ部分が位置することはない。本発明によって、たとえ
ば、歩行者に対する自動車の交通安全性を保証すること
ができる。また、本発明による材料で製造されるボンネ
ットは、鋼板で製造されるボンネットに比べてかなり重
量が小さくなる。
【００９６】図１８は、自動車前部のフレーム半割２９
を示している。このフレームには、エンジン３０ならび
に他のユニットが取り付けられ、衝突緩衝材３１および
前側バンパー３２が保持され、さらに自動車の前側の部
品が保持されている。エンジンより下のフレームの高さ
とその抵抗モーメントはエンジン３０の寸法によって制
約される。図１８の矢印Ｄは限界位置を示している。衝
突によって、フレームの前部がエネルギを吸収して変形
する（望ましい状態）のではなく、エンジン側に曲がっ
てしまうと、エンジンが車内の座席にまで飛び出してく
る可能性がある。
【００９７】図１９は、本発明による軽量材６を有する
フレームの局所的な充填材３３によってこのような弱点
をどのようにして排除したかを示した図である。図２０
および２１はさらに自動車の車体底面を示している。従
来技術によれば、車体底面は、自動溶接装置によって接
合された複数の鋼板からなる。本発明の材料を使用する
場合には、車体底面３４は、金属またはプラスチック製
の薄い連結シェル（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ ｓｈｅｌｌ）
３５および３６と、本発明による軽量材６のコアとで構
成される。
【００９８】両シャシと全ユニット、座席などを直接に
車体底面部分に収容することが可能である。このため、
これらの場所において車体底面は強化される。さらに、
ガードレールのように、エネルギ吸収能と衝突した物体
を外に押し出す機能とを横方向に兼ね備えるようにし、
さらには車体底面全体の剛性を高めるようにして、事故
から最大限に保護できるような形状にする。
【００９９】図２２は、従来のバンの側面３７を示して
いる。このタイプのバンは、一般にさらに重量が加わる
ことが想定されていない乗用車のプラットホームに取付
けられている。したがって、バンの軽量構造はこの上な
く重要である。図２２は、特にＡ−ピラー３９、Ｂ−ピ
ラー４０、ボックス本体４１、車体底面４２およびルー
フ領域４３の位置で、Ｆ、Ｇ、Ｈとして図２３に示され
るように、本発明による材料を用いることで、どのよう
に強化方法を行っているかを示している。これらの補強
方法によって、金属部品の領域に軽量構造物を使用する
ことができるようになり、したがって重量を減らすこと
ができる。
【０１００】図２４は、スポーツ用マウンテンバイクの
フレーム４４を示している。従来型のアルミニウム溶接
構造では、アルミニウムフレームの重量が４．５ｋｇあ
る。これは競技スポーツ用の装置としては極めて高い値
である。それにもかかわらず、ステアリングヘッド４５
で得られる破損に対する保護性は十分とはいえない。極
めて肉薄の溶接アルミニウムシェルを使用し、中空の空
間に本発明による軽量材を充填することによって、４．
５ｋｇというフレーム重量を０．９９ｋｇまで減らすこ
とができるため、７８％の低減になる。
【０１０１】図２５は、天井用のコンクリート型枠を示
している。天井の仮枠がフレーム４８に載っている。周
知のコンクリート仮枠は、表面シーリングを施した合板
４６で構成されている。使用前にその都度合板を金型油
で処理しなければならない。膨潤が発生するため耐用寿
命は約２０回の使用に限られてしまう。本発明による軽
量材６からなる同一厚のプレート４７には金型油は不要
であり、５０回使用した後も耐用寿命の制約となるよう
な磨耗は認められない。
【０１０２】さらに、図２６、図２７、図２８は、足場
の一部を示している。図２６は、長さＨおよび幅Ｊの足
場床の上面図である。図２７は、前記足場床の断面図で
あり、金属フレーム４９と有実木材（ｓｏｌｉｄ ｗｏ
ｏｄ）５０の床板とで構成されている。この板は重量が
２０．４ｋｇであり、寸法は２．５７×０．６１ｍであ
る。
【０１０３】さらに、図２８は、本発明による材料で作
製された足場床を示している。この足場床は、表面５２
と本発明による軽量材６のコアとを含む。同一の寸法
で、この板の重量はわずか７．６ｋｇである。足場床を
組み立てたり解体したりする際の人手による作業荷重が
極めて小さくなるため、これは重要なことである。重量
が２／３になることで作業が容易になり、アセンブリも
安価になる。
【０１０４】以下、本発明の軽量構造材料を用いて製造
可能な製品について、２通りの粒度の群の例を用いて説
明する。ここでは、以下のような開始成分を用いた。 鉱物系発泡細粒：粒度５〜６ｍｍ±４％の一次粒子 鉱物系発泡細粒：粒度０．４〜０．５ｍｍ±４％の二次
粒子 プラスチックバインダ： ＰＡ６液体成分
【０１０５】まず、さらに圧密することなく原料一次粒
子を閉じた円筒金型（φ８０ｍｍ、高さ４００ｍｍ、
２．０リットル相当）の充填用開口に充填した。一次粒
子の容積量は６４．１５％であった。振動台で円筒金型
を振盪運動させることによって、容積量を６８．５０％
まで増した。
【０１０６】次に、原料二次粒子を圧密せず円筒金型の
充填用開口に充填した。二次粒子の容積量は２２．５０
％、充填時間は５．１分であった。次に、再度２．１５
分間の振盪運動を行って容積量を２４．５０％とし、負
圧（１５０Ｐａ）の作用下で２．１５分間かけて容積量
を２４．４８容量％にした。振盪運動と負圧による作用
によって、プロセスの最初の工程で一次粒子間に形成さ
れた空隙に二次粒子を堆積させることが可能であるた
め、この工程で細粒状材料がかなり圧密されることにな
る。
【０１０７】続いて、金型内で原料粒子を１５０℃まで
加熱し、バルク材用のプラスチックバインダ（反応温度
１３０℃）として液体成分であるＰＡ６（粘度３〜５ｍ
Ｐａ、活性化物質との混合後）を充填した。ここでは、
充填作業を重力によって行った。充填時間は４分とした
ところ、バインダの容積量は１３．３５％であった。さ
らに圧密するために、重力による作用を伴う振盪運動を
２．１５分間行った。これによって、容積量７．０％が
達成された。続いて、バルク材の浸透性を高めるべくシ
リンダ底部からの吸引によって１５０Ｐａの負圧をさら
に加えた。このプロセスを２．１０分間行ったが、容積
量に変化はなかった。底部の制御開口部から出る液体か
ら、バルク材が完全に充填されたことが分かった。重合
のための反応時間は３分とした。続いて、軽量材を円筒
金型から取り出した。
【０１０８】このようにして得た材料の試料における値
は以下の通りであった。
【０１０９】比較のために、同等のプラスチック体（Ｐ
Ａ６）の材料で得られる値を以下に示す。
【図面の簡単な説明】
【図１】一次粒子および二次粒子を含む本発明による軽
量材の一般的な構造を示す図である。
【図２】一次粒子、二次粒子、三次粒子を含む本発明に
よる軽量材の一般的な構造を示す図である。
【図３】図２に示す軽量材の拡大断面図である。
【図４】本発明による軽量材によって製造される衝突緩
衝材を示す図である。
【図５】プラスチック材料についての、および本発明に
よるさまざまな軽量材についての力／変位図を示す図で
ある。
【図６】自動車用の従来のロールバーを示す図である。
【図７】本発明による軽量材を用いて製造された自動車
用のロールバーを示す図である。
【図８】従来のガードレールを示す図である。
【図９】本発明による軽量材を用いて製造されたガード
レールを示す図である。
【図１０】本発明による軽量材を用いて製造されたバン
の後部ドアを示す図である。
【図１１】本発明による軽量材を用いて製造されたホイ
ールカバーを示す図である。
【図１２】本発明による軽量材を用いて製造された自動
車用シャシ部品を示す図である。
【図１３】自動車用ボンネットを示す図である。
【図１４】本発明による軽量材を用いて製造された自動
車用ボンネットを示す図である。
【図１５】図１４に示すボンネットの特定の箇所を部分
断面図として示した拡大図である。
【図１６】図１４に示すボンネットの特定の箇所を部分
断面図として示した拡大図である。
【図１７】図１４に示すボンネットの特定の箇所を部分
断面図として示した拡大図である。
【図１８】従来の車両フレームのフレーム半割を示す図
である。
【図１９】本発明による軽量材を用いて製造された車両
フレームのフレーム半割を示す図である。
【図２０】自動車の車体底面を示す図である。
【図２１】本発明による軽量材を用いて製造された自動
車の車体底面を示す図である。
【図２２】本発明による軽量材を用いて製造されたバン
の側面を示す図である。
【図２３】図２２に示すバン用の補強措置を示す図であ
る。
【図２４】本発明による軽量材を用いて製造された自転
車のフレームを示す図である。
【図２５】本発明による軽量材を用いて製造されたコン
クリート板を示す図である。
【図２６】本発明による軽量材を用いて製造された足場
材料の一部を示す図である。
【図２７】本発明による軽量材を用いて製造された足場
材料の一部を示す図である。
【図２８】本発明による軽量材を用いて製造された足場
材料の一部を示す図である。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１３年１１月１５日（２００１．１１．
１５）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００８１】曲線７は、軽量細粒を加えていない場合の
プラスチック材料の挙動を示している。この曲線を基準
曲線として利用する。曲線７で用いたプラスチック材料
に粒度範囲が８〜１２ｍｍの軽量細粒を充填すると曲線
８が得られる。図面から明らかなように、比較的大きな
一次粒子の圧縮力は、未充填のプラスチック材料の場合
よりも小さい。基準のプラスチックに粒度５〜６ｍｍの
軽量細粒を充填した場合には曲線９で示す値が得られ
る。曲線８と比較して、ここでは圧縮力が明らかに増大
しているのが分かる。曲線１０から明らかなように、粒
度１〜３ｍｍの軽量細粒を用いることで圧縮力をさらに
増すことができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８２
【補正方法】変更
【補正内容】
【００８２】最後に、５〜６ｍｍの粒子群からなる一次
粒子と０．４〜０．５ｍｍの粒子群からなる二次粒子と
の軽量細粒状混合物を用いた場合に得られる力／変位曲
線が曲線１１である。この結果から、本発明による軽量
材を用いることで、当業者であれば、軽量細粒状充填物
を変更することで、未充填の基準プラスチックよりも圧
縮力の小さい材料や圧縮力の大きい材料を自由に製造で
きることが分かる。
───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｃ０４Ｂ 16/06 Ｃ０４Ｂ 20/00 Ａ 20/00 Ｂ 26/32 26/32 Ｃ０８Ｋ 7/02 Ｃ０８Ｋ 7/02 7/16 7/16 Ｃ０８Ｌ 101/00 Ｃ０８Ｌ 101/00 Ｃ０４Ｂ 111:40 // Ｃ０４Ｂ 111:40 Ｂ２８Ｂ 1/08 Ｄ Ｆターム(参考） 4F100 AA17A AA19A AA20A AB03B AB03C AB04B AB04C AC00A AK01A AK01B AK01C AK03A AK07A AK15A AK23A AK33A AK44A AK46A AK51A AK52A AK53A AL09A AN01A AN02A AP10B AP10C BA02 BA03 BA10B BA10C BA42A BA44A CA23A DD32 DE01A DG01A DJ01A GB07 GB32 JA13A JB13A JB16A JL03 YY00A 4J002 AC011 AC021 BB001 BC021 BD031 CB001 CC031 CD001 CF001 CF031 CF211 CK021 CL001 CP031 DA066 DB006 DE146 DJ016 FA047 FA086 FD016 FD017 GF00 GL00 GL01 GN00

Claims (46)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 軽量細粒体（特に鉱物系発泡細粒）と有
    機バインダとを含む軽量材であって、 軽量材中の軽量細粒体の容積量が少なくとも５０％であ
    り、軽量材中の成分が構造的に密な状態で結合されてい
    ることを特徴とする、軽量材。
  2. 【請求項２】 軽量材中の軽量細粒体の容積量が少なく
    とも８０％であることを特徴とする、請求項１に記載の
    軽量材。
  3. 【請求項３】 軽量材中の軽量細粒体の容積量が少なく
    とも９０％であることを特徴とする、請求項１に記載の
    軽量材。
  4. 【請求項４】 軽量細粒体が、流動性かつ実質的に球状
    の粒子からなることを特徴とする、請求項１から３のい
    ずれか一項に記載の軽量材。
  5. 【請求項５】 軽量細粒体の粒度が、０．０１〜３０ｍ
    ｍ、好ましくは０．０４〜１６ｍｍ、特に好ましくは
    ０．２〜８ｍｍであることを特徴とする、請求項１から
    ４のいずれか一項に記載の軽量材。
  6. 【請求項６】 軽量細粒体が、０．０４０〜０．６００
    ｋｇ／ｌ、好ましくは０．０４０〜０．３００ｋｇ／ｌ
    の嵩密度および１５％未満、好ましくは５％未満の表面
    多孔率を有することを特徴とする、請求項１から５のい
    ずれか一項に記載の軽量材。
  7. 【請求項７】 球状の軽量細粒体粒子が実質的に単一粒
    度の群を有することを特徴とする、請求項１から６のい
    ずれか一項に記載の軽量材。
  8. 【請求項８】 軽量細粒体が２通りの粒度の群を有する
    球状粒子からなることを特徴とする、請求項１から６の
    いずれか一項に記載の軽量材。
  9. 【請求項９】 軽量細粒体の６０〜７０容量％が大きめ
    の粒径を有し、３０〜４０容量％が小さめの粒径を有す
    ることを特徴とする、請求項８に記載の軽量材。
  10. 【請求項１０】 粒径が大きめの軽量細粒体粒子の直径
    が、粒径が小さめの軽量細粒体粒子の直径の６〜１２
    倍、好ましくは１０倍であることを特徴とする、請求項
    ８または９に記載の軽量材。
  11. 【請求項１１】 小さめの粒度の群に属する軽量細粒体
    粒子が大きめの粒度の群に属する軽量細粒体粒子間に形
    成された空隙内に配置されていることを特徴とする、請
    求項８から１０のいずれか一項に記載の軽量材。
  12. 【請求項１２】 軽量細粒体が３通りの粒度の群を含む
    球状粒子からなることを特徴とする、請求項１から６の
    いずれか一項に記載の軽量材。
  13. 【請求項１３】 軽量細粒体粒子の混合物が、大粒度の
    粉体を少なくとも５０容量％と、中粒度の粉体を３５容
    量％以下と、小粒度の粉体を１５容量％以下とを含むこ
    とを特徴とする、請求項１２に記載の軽量材。
  14. 【請求項１４】 大粒度の軽量細粒体粒子の直径が、中
    粒度の軽量細粒体粒子の直径の６〜１８倍、少なくとも
    １２倍であり、中粒度の軽量細粒体粒子の直径が、小粒
    度の軽量細粒体粒子の直径の６〜１８倍、少なくとも１
    ２倍であることを特徴とする、請求項１２または１３に
    記載の軽量材。
  15. 【請求項１５】 中粒度の群に属する軽量細粒体粒子
    が、大きめの粒度の群に属する軽量細粒体粒子間に形成
    された空隙内に配置され、小粒度の群に属する軽量細粒
    体粒子が、中粒度の群に属する軽量細粒体粒子と中程度
    および大きめの粒度の群に属する軽量細粒体粒子との間
    に形成された空隙内に配置されていることを特徴とす
    る、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の軽量
    材。
  16. 【請求項１６】 軽量細粒体が、４通り以上の粒度の球
    状粒子からなり（最小粒度の粉子で直径が０．０３０〜
    ０．１５０ｍｍの範囲である）、常に許容差±２０％の
    同一のファクターで傾斜をつける方法で利用可能な最大
    サイズの粒子に基づいて粒度傾斜をつけることを特徴と
    する、請求項１から６のいずれか一項に記載の軽量材。
  17. 【請求項１７】 軽量細粒体が、アルカリシリケート、
    アルカリ／アルカリ土類ケイ酸塩、アルモシリケート、
    ホウケイ酸塩および別の金属酸化物と組合せた三成分系
    ＣａＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３の変異形からなる群より
    選択されることを特徴とする、請求項１から１６のいず
    れか一項に記載の軽量材。
  18. 【請求項１８】 軽量細粒体が酸化アルミニウムまたは
    ケイ酸ナトリウムであることを特徴とする、請求項１か
    ら１６のいずれか一項に記載の軽量材。
  19. 【請求項１９】 ２種類またはそれ以上の軽量細粒体が
    異なる容積量で任意に含有されることを特徴とする、請
    求項１から１８に記載の軽量材。
  20. 【請求項２０】 軽量細粒が金属または他の非鉱物材料
    であることを特徴とする、請求項１から１６、１９のい
    ずれか一項に記載の軽量材。
  21. 【請求項２１】 有機バインダが、流動性であり、特に
    液体または流動性粉末で構成されることを特徴とする、
    請求項１から２０のいずれか一項に記載の軽量材。
  22. 【請求項２２】 有機バインダが熱硬化性材料であるこ
    とを特徴とする、請求項２１に記載の軽量材。
  23. 【請求項２３】 熱硬化性材料が、エポキシ樹脂、ポリ
    ウレタン、フェノール樹脂、不飽和ポリエステルおよび
    シリコーン樹脂からなる群より選択されることを特徴と
    する、請求項２２に記載の軽量材。
  24. 【請求項２４】 有機バインダが熱可塑性材料であるこ
    とを特徴とする、請求項２１に記載の軽量材。
  25. 【請求項２５】 熱可塑性材料が、ポリアミド、ポリオ
    レフィン、ポリスチレン、ＰＶＣ、ポリアセタールおよ
    び熱可塑性ポリエステルからなる群より選択されること
    を特徴とする、請求項２４に記載の軽量材。
  26. 【請求項２６】 有機バインダがエラストマーであるこ
    とを特徴とする、請求項２１に記載の軽量材。
  27. 【請求項２７】 エラストマーが、合成ゴム、天然ゴム
    およびシリコーンゴムよりなる群から選択されることを
    特徴とする、請求項２６に記載の軽量材。
  28. 【請求項２８】 短繊維または長繊維の強化用繊維をさ
    らに他の成分として含有することを特徴とする、請求項
    １から２７のいずれか一項に記載の軽量材。
  29. 【請求項２９】 軽量材の一部の表面または全体の表面
    が別の材料からなることを特徴とする、請求項１から２
    ８のいずれか一項に記載の軽量材。
  30. 【請求項３０】 表面が、鋼、ステンレス鋼、ファイバ
    ーラミネートまたはプラスチックからなることを特徴と
    する、請求項２９に記載の軽量材。
  31. 【請求項３１】 好ましくは請求項１から２８のいずれ
    か一項に記載の軽量材からなるコアと、鋼、ステンレス
    鋼、ファイバラミネートまたはプラスチックからなり、
    該コアを完全にまたは部分的に囲む表面とを含むことを
    特徴とする複合材料。
  32. 【請求項３２】 軽量材が軽量細粒体を５５〜９０容量
    ％含むことを特徴とする、請求項３１に記載の複合材
    料。
  33. 【請求項３３】 請求項１から２８のいずれか一項に記
    載の軽量材の製造方法であって、 軽量細粒体を加工物用型に導入する工程、 任意に軽量細粒体の原料粒子を加熱する工程、 軽量の細粒状バルク材が充填された加工物用型にバイン
    ダを導入する工程、およびバインダを凝固させる工程を
    含むことを特徴とする製造方法。
  34. 【請求項３４】 最大粒度の軽量細粒体を最初に充填
    し、次に一粒度づつサイズを落として充填することを特
    徴とする、請求項３３に記載の方法。
  35. 【請求項３５】 軽量の細粒状バルク材を形成するため
    のプロセスを、振盪、振動、超音波および／または負圧
    の印加によって支持することを特徴とする、請求項３４
    に記載の方法。
  36. 【請求項３６】 特定サイズの軽量細粒体を充填した
    後、振盪、振動、超音波および／または負圧の印加によ
    ってプロセスを支持し、その後にのみ、さらに小さな粒
    度の軽量細粒体を充填することを特徴とする、請求項３
    ４に記載の方法。
  37. 【請求項３７】 バインダの充填を、振盪、振動、超音
    波、過圧または負圧によって支持することを特徴とす
    る、請求項３３から３６のいずれか一項に記載の方法。
  38. 【請求項３８】 型内で一様に流動する充填フロントを
    維持できるように軽量細粒体の体積流を調節することを
    特徴とする、請求項３３から３７のいずれか一項に記載
    の方法。
  39. 【請求項３９】 一様に流動するバインダ−充填フロン
    トが型内で維持されることを特徴とする、請求項３３か
    ら３８のいずれか一項に記載の方法。
  40. 【請求項４０】 充填前に加工物用型を加熱することを
    特徴とする、請求項３３から３９のいずれか一項に記載
    の方法。
  41. 【請求項４１】 加工物用型に充填する前に軽量細粒体
    を加熱することを特徴とする、請求項３３から４０のい
    ずれか一項に記載の方法。
  42. 【請求項４２】 加工物用型に充填する前にバインダを
    加熱することを特徴とする、請求項３３から４１のいず
    れか一項に記載の方法。
  43. 【請求項４３】 得られた軽量の細粒状バルク材をコア
    バインダと結合し、浸透コアを生成することを特徴とす
    る、請求項３３から４２のいずれか一項に記載の方法。
  44. 【請求項４４】 充填操作前に、バインダで軽量細粒体
    を濡らし、それによって、軽量の細粒状バルク材を結合
    して浸透コアを形成することを特徴とする、請求項３３
    から４３のいずれか一項に記載の方法。
  45. 【請求項４５】 まず多孔性バルク材と結合される軽量
    細粒体の浸透コアのみを生成し、コアを型から除去し、
    再度加工物用型に導入されるコアに別のタイミングでバ
    インダを充填することを特徴とする、請求項４３または
    ４４に記載の方法。
  46. 【請求項４６】 請求項４５に記載の方法によって形成
    された浸透コア。
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