JP2003517105A - 剛性複合物品用補強構造体 - Google Patents
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Abstract
Description
品の補強に関する。本発明は、さらに剛性複合物品および剛性複合物品を製造す
る方法に関する。
の補強にガラス繊維やカーボン繊維がよく用いられる。この場合、ポリマー素地
を繊維と共に成形することによって、補強成形品が得られる。成形プロセス中、
補強構造体の伸びが少ないので、ポリマー素地の曲げ特性が損なわれることがあ
る。
メントまたは金属繊維が複合材料に混入されることも多い。この場合、電磁波に
関する要求を満たすために、100μm以下の細径を有する金属フィラメントま
たは金属繊維が用いられる。このような例は米国特許第5089326号に記載
されている。一方、100μm未満の細径の金属繊維または金属フィラメントの
混入は、通常、複合材料の強度を向上させないことが業界において知られている
。
A1号、第546962A1号、および第392904A1号に記載されるよう
に、金属ワイヤまたは金属ワイヤ布地からなる補強構造体が知られている。複合
材料の成形性を向上させるために、好ましくは、金属ワイヤは編物として用いら
れている。
地とともに剛性複合物品の製造に用いることができる。
この補強構造体は、公知のワイヤまたはワイヤ網(メッシュ)と比較して曲げ特
性を改善することができ、編み構造を有するワイヤの代替品として用いることが
できる。
変形を「布地変形」と呼ぶ。布地が織物の場合、経糸要素および/または緯糸要
素として布地に織り込まれている金属要素は、波形状の布地変形を生じている。
布地が編物の場合、布地に編み込まれる金属要素は、編み目の形状であるループ
状の布地変形を生じている。
形を有している。以後、この変形を「構造変形」と呼ぶ。この構造変形は不規則
な形状、たとえば、金属要素の長さの全体にわたって変化する波長および/また
は振幅を有する波状起伏の場合もある。しかし、好ましくは、金属要素は、その
長さの全体にわたって一定のパラメータを有する規則的な波状起伏または螺旋形
状を有しているとよい。
得られた金属ワイヤ、金属ワイヤ束、金属撚り線または金属コードなどで理解さ
れるものである。
3%よりも大きい金属要素によって補強構造体としての布地を構成することによ
って、補強構造体の曲げ特性を改善することができる。さらに5%または7%、
たとえば、10%、最も好ましくは15%よりも大きい破断伸びを得ることもで
きる。本発明によれば、この伸びは構造変形を有する金属要素を用いることによ
って得られる。
コードからなる金属要素には、波長と振幅によって特徴付けられる起伏形状を与
えることができる。金属要素の波状起伏は、基本的に、その金属要素の軸線に対
して平行な1つの面内において生じる。他の構造変形として、たとえば、金属要
素に与えることができる螺旋形状が挙げられる。この螺旋形状は、その螺旋の径
と360°螺旋状に転回するに必要な金属要素の長さによって特徴付けられてい
る。
せることによって、成形プロセス中に、主に波状起伏の波長に依存して、金属要
素の弾性伸び、可塑性伸び、またはそれらの組合せが生じることになる。
形とは関係なく金属要素の負荷による弾性延びと可塑性伸びに加えて、構造変形
を除去させて金属要素を伸張させるには大きな力が必要である。この場合、構造
変形の除去によって、主に、金属要素の可塑性伸びが生じる。従って、金属要素
の構造変形が除去された後、金属要素はある長さだけ伸びた状態で元の波状起伏
の形状に戻ることはない。
合、小さい力でも十分に金属要素を伸張させることができ、構造変形をある程度
除去させることができる。この場合、構造変形とは関係なく金属要素に小さい力
の付加によって生じる弾性伸びに加えて、主に、金属要素の弾性伸びが生じる。
従って、金属要素の構造変形が緩和された後、金属要素は元の波状起伏の形状に
ほぼ戻ることができる。大きな力が付加された場合は、残りの構造変形が除去さ
れた後、金属要素の塑性変形が生じることになる。
れた時の伸び)は、0.3%、たとえば、0.4%、さらに0.5%、最も好ま
しくは1%よりも大きくなる。
60°転回させるのに必要な長さと螺旋の径にもよるが、金属要素の構造変形を
除去することによって、成形プロセス中に、金属要素の弾性延び、可塑性伸び、
またはそれらの組合せが生じることになる。
させる長さに依存して生じる弾性伸び、可塑性伸び、または弾性伸びと可塑性伸
びの組合せのいずれかである。
状起伏または螺旋状の構造変形を有することができる。
加された場合、力F1、F2、F3およびF4(F1<F2<F3<F4)によ
って定まる4つの連続区域を有する応力−歪み曲線が得られる。
F2よりも小さい場合、本質的な塑性変形が加わって、この塑性変形が主体とな
る。これらの伸びは、主に大きな波長を有する構造変形が除去されることによっ
て生じると考えられる。
主体となる。FがF3とF4の範囲に上昇すると、可塑性伸びが現われ、この塑
性伸びが主体となる。以後、F4において破断が生じるまで、可塑性伸びが継続
的に生じる。これらの2つの伸びは、主に小さい波長を有する構造変形が除去さ
れることによって生じると考えられ、破断まで構造変形なしで金属要素の塑性変
形が生じることになる。
を生じさせる力F1、F2およびF3は、波状起伏の波長と振幅、および金属要
素の他のパラメータ、たとえば、ワイヤの径、合金、引抜履歴および撚り線やコ
ードの構成に基づいて調整することができる。
金属要素は上記と同様の挙動を示している。
は金属要素の軸線に平行して延長する1つの面または互いに異なるいくつかの面
に含まれている。
は上記と同様の特性を示している。
上の布地を「補強層」と呼ぶ。本発明によれば、金属要素は補強層の少なくとも
1つに含まれている。
含むことができる。たとえば、当業者にとって容易に理解されるように、補強構
造体は、ガラス繊維、カーボン繊維、またはそれらの繊維からなるマットや織物
などの金属要素以外の材料も要素として含むことができる。
合物品の成形プロセスにおける補強構造体の曲げ特性などの挙動を改善すること
にある。この成形プロセス中、補強構造体とポリマー素地には、剛性複合物品を
得るために必要な熱および/または圧力が付加される。この成形プロセスは、1
つの工程で行われ、または2つ以上の工程からなる、その後に続く工程を要求し
てもよい。
ると、剛性複合物品を成形するための必要な力の一部は金属要素を伸張させるた
めに使われることがわかる。この付加された力によって、構造変形が部分的に除
去され、金属要素は伸張することになる。この金属要素の伸張は、前述した金属
要素の破断伸びの大きさに依存している。
の成形プロセスは、ポリマーを軟化させる加熱工程と、軟化された素地と補強構
造体を所定の形状に成形する成形工程と、素地を再び硬化させる冷却工程からな
っている。
て用いることによって、剛性複合物品の補強する利点とともに成形プロセス中の
曲げ特性を改善する利点が得られる。成形プロセスにおいて、補強構造体からな
る剛性複合物品を得るために付加される力Fが略F2の場合、補強構造体の曲げ
特性はF2以下の伸び区域における弾性伸びと可塑性伸びによって改善される。
しかし、このような成形プロセスによって得られた剛性複合物品に、たとえば、
F2とF3の範囲の力に相当する衝撃力が加えられると、剛性複合物品はその衝
撃力を形状の可逆変化によって吸収することができる。このような形状の可逆変
化は、主に補強構造体が弾性伸びを主とする区域において伸張することによって
生じることになる。
する成形プロセスは、1つまたは2つ以上の工程を含んでいる。まず、剛性複合
物品のポリマー素地をなすポリマー材料が補強構造体に加えられる。たとえば、
少なくとも1つの構造変形を有する金属要素からなる布地が2つ以上のポリマー
層間に積層される。補強構造体の他の要素も積層の前後に加えられる。あるいは
、少なくとも1つの構造変形を有する金属要素からなる布地の周囲にポリマー材
料が押出成形されてもよい。次いで、金属要素からなる補強構造体とポリマー材
料との組合せ体に成形が施される。成形プロセスとして、たとえば、プレス成形
、流動成形、熱折畳み、および膜成形が挙げられる。
2分割加工具内に載置し、圧力を付加して型押しすることによって剛性複合物品
を得るプロセスである。流動成形は、補強構造体とポリマー素地を処理温度まで
加熱し、2分割加工具に載置し、圧力を付加してポリマー素地を型の各凹部に流
動させることによって型キャビティに充填させ、剛性複合物品を得るプロセスで
ある。熱折畳みは、補強構造体とポリマー素地を部分的に加熱して、折畳むこと
によって、剛性複合物品を得るプロセスである。膜成形は、圧力釜を用いて、予
熱された補強構造体とポリマー素地を工具に被せるように成形して、剛性複合物
品を得るプロセスである。
熱分布を改善することができる。金属要素は高い熱伝導性と高い電気伝導性を有
しているので、ガラス繊維やカーボン繊維などの金属要素以外の要素を含む他の
補強構造体と比較して、サイクルタイムを短縮することができる。
と共に織り加工、編み加工、または編み組み加工されて、1つの布にされてもよ
い。あるいは、ワイヤ、撚り線またはコードが布に加工される前に、それらにポ
リマー皮膜が形成されてもよい。なお、金属要素の構造変形以外に、布地自身の
特性も補強構造体の伸び特性に貢献する。補強構造体の曲げ特性をさらに改善す
るために、布地自身を波状に起伏させてもよい。
属要素の周囲にポリマー皮膜が施される。たとえば、金属要素の周囲にポリマー
材料が押出成形される。このようなポリマー皮膜は、補強構造体の金属要素とポ
リマ−素地の付着性を改善することができる。
塑性材料は、どのような熱可塑性材料またはどのような熱可塑性エラストマであ
ってもよい。好適な熱可塑性材料として、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレ
ン(PP)、ポリスチレン(PS)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、
ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)
、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリエステル、ポリアミド(PA)、ポリエステ
ル(PES)、ポリイミド(PI)、ポリカーボネート(PC)、スチレンアク
リロニトリル(SAN)、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン(ABS)
、熱可塑性ポリウレタン(TPU)、熱可塑性ポリオレフィン(TPO)、熱可
塑性コポリエーテルエステル、これらの共重合体、または類似の材料が挙げられ
る。これらのポリマー素地は107Paよりも大きいヤング率、好ましくは、1
08Paないし5・109Paの範囲のヤング率によって規定することができる。
ヤング率は大気温度におけるポリマーの応力−歪み曲線に基づいて測定された値
である。
は、ポリマー素地を加えずに補強構造体を成形し、次いで、ポリマー素地として
の熱硬化性ポリマーを、たとえば、射出成形にて、成形された補強構造体に施す
ことにより、剛性複合物品が得られる。
留効果を増すために面積の大きい粗面を有する撚り線又はコードが用いられると
よい。単一撚りコードよりも多重撚りコードの方が好ましく、たとえば、(3×
3)コードまたは(7×3)コードが挙げられる。
合金の金属皮膜層によって被覆するとよい。好適な亜鉛合金として、2ないし1
0%のAl、0.1ないし0.4%のLaおよび/またはCeのような希土類元
素を含む合金が挙げられる。
属要素に塗布するとよい。付着促進剤として、シラン化合物のような2官能カッ
プリング剤が挙げられる。このようなカップリング剤の1つの官能基は金属また
は金属酸化物との結合を担い、他の官能基はポリマーと反応する。カップリング
剤についての詳細はPCT出願WO−A−99/20682に記載されている。
他の好適な付着促進剤として、アルミン酸塩、ジルコン酸塩、またはチタン酸塩
が挙げられる。
、種々の断面形状、例えば、円、楕円、または平面形状を有することができる。
ワイヤ、撚り線およびコードの範囲内から種々の材料が必要とされる機械的強度
に基づいて選択するとよい。撚り線またはコードの素線として用いられるワイヤ
は、0.04mmないし1.0mm、好ましくは0.1mmないし0.4mm、
たとえば、0.15mm、0.175mmまたは0.3mmの径を有していると
よい。
有するワイヤを用いることもできる。
はステンレス鋼合金のような合金を用いるとよい。
1500N/mm2から3000N/mm2以上の範囲内の値であるとよい。
の構成、ワイヤの数と撚り線またはコードを構成する各ワイヤの径、撚り線また
はコードを構成する各ワイヤの破断力等は、必要とされる破断力や破断伸びのよ
うな機械的性質を満たすように選定されるとよい。
示している。このような布地は補強構造体として知られている。この布地は、経
糸要素101と緯糸要素102から構成されている。緯方向に平行な断面図であ
る図1Bには、緯糸要素102の布地変形部が示されている。織物内にワイヤが
存在することによって生じるこの布地変形部は波状起伏の形状を有している。波
状起伏は各凹側に経糸要素101を挟み込んでいる。経方向に平行な断面図であ
る図1Cには、経糸要素101の布地変形部が示されている。織物内にワイヤが
存在することによって生じるこの布地変形部は波状起伏の形状を有している。波
状起伏は各凹側に緯糸要素102を挟み込んでいる。
方向のいずれかに伸び力が付加されたとき、布地変形部の各凹側に存在する金属
要素によって、布地変形部(この場合は波状起伏)の除去が阻止される。
の織物も経糸要素201と緯糸要素202から構成されている。しかし、図2B
および図2Cに明瞭に示されているように、本発明によるこの実施例は図1に示
された布地とは異なっている。図2Bおよび図2Cは、それぞれ、経方向および
緯方向に沿った図2Aの布地の断面図である。図2Bから明らかなように、緯糸
要素202は、布地に存在することによって生じる変形部以外に、構造変形(こ
の実施例においては、第2波状起伏)を有している。また、図2Cから明らかな
ように、経糸要素201も同様に、布地に存在することによって生じる変形部以
外に、第2波状起伏を有している。
素によって、その除去が阻止される。しかし、本実施例の布地は、構造変形が除
去されることによって、容易に伸張することができる。
ワイヤ301の側面図である。このワイヤは、1つの面内において、基準軸線3
02に対して波長303と振幅304を備える波状起伏を有している。なお、本
実施例において、ワイヤ径は0.3mmに設定されている。
いて説明する。
B、CはサンプルDのワイヤを用いて作製されている。
最初の長さに対する伸びの比率を示している。縦軸は破断時の力に対する付加さ
れた力の比率を示している。
0と比較して、構造変形が導入されたサンプルA、B、Cは著しく大きい伸びを
示している。4つのサンプル間の差は構造変形のみであり、異なる伸びは構造変
形によって生じていると判断される。
性変形域402が伸びの主体であり、伸びのより小さな部分のみが小さい塑性変
形域403で見られる。
弾性変形域405が占め、塑性変形域406の伸びは小さい。両方のサンプルは
波長が大きく、構造変形の除去によって大きな弾性伸びが得られている。
変形域408に見られ、一方、大きな伸びが塑性変形域409に見られる。比較
的小さい波長を有するサンプルCの構造変形は、本質的な可塑性伸びを伴なって
除去される。
ている。構造変形を有する金属要素の場合、破断力の10%の力を付加した時点
において、すでに構造的に変形していないワイヤの伸びと比較して大きな伸びが
得られている。このような小さい力に対する伸びは、大きな波長を用いることに
よって得られる。
の実施例が得られる。たとえば、撚り線またはコードの軸線と平行となる方向に
波状起伏を有する撚り線やコードにも本発明を適用することができる。
ることにより得ることができる。図5に示されるワイヤ501は、互いに重ねら
れた2つの波状起伏を有している。2つの波状起伏は同一の面内にある。本発明
において、このようなワイヤは織り込みまたは編み込みによって布地にされてい
る。
1波状起伏は、ワイヤの軸線507を基準とする短い波長505と低い振幅50
6を有する別の波状起伏に重ねられている。なお、ワイヤの軸線504は第1波
状起伏が存在しない場合のワイヤの軸線であり、ワイヤの軸線507は別の波状
起伏が存在しない場合のワイヤの軸線である。
)について説明する。
びを示し、縦軸は破断力に対する付加力を示している。
形を導入することによって、著しく大きい伸びが得られていることがわかる。こ
の構造変形のみがサンプルEと参考ワイヤサンプルD間の差であり、従って、両
者の伸びが異なっているのは構造変形によると判断される。
ほぼ弾性伸びが得られている。区域603においては、主として可塑性伸びが得
られ、区域604においては、再び、主として弾性伸びが得られている。区域6
05においては、破断が生じるまで可塑性伸びが生じている。
ている。波状起伏を有するワイヤ701が経方向に織られ、波状起伏を有するワ
イヤ702が緯方向に織られているので、補強構造体は、それらのワイヤが織物
に織り込まれることによって生じる変形以外に構造変形を有している。剛性複合
物品は、たとえば、高温下においてポリマーシートを補強構造体の両側に積層さ
せ、ポリマー素地703を補強構造体に対して一体化させることによって得るこ
とができる。熱および/または圧力を付加することによって、ポリマー素地70
3は補強構造体に付着する。この一体化と同時に、剛性複合物品を最終的な形状
に成形してもよい。あるいは、一体化工程において、平面状の剛性複合物品を得
て、別の工程において、その平面状の剛性複合物品に熱および/または圧力を付
加することによって最終的な形状に成形してもよい。
物構造に編み込まれている。ワイヤ801の構造変形は不規則な波状起伏を呈し
ている。ポリマー802が補強構造体に付加される。なお、補強構造体の伸び特
性をより改善するために編みパターンを任意に選択することができる。また、金
属要素は、構造変形である波状起伏以外に、編物に編み込まれることによって生
じる変形を有している。ここで、金属要素はループ編みされているが、引き上げ
編みまたは糸挿入編みで合ってもよい。
て構造的に変形しているスチールコード901および902がそれぞれ織物の経
方向および緯方向に織られている。ポリマー素地903が付加され、熱および/
圧力によって補強構造体に付着し、平面状の剛性複合物品が得られている。
各々が有するワイヤ1001および1002がそれぞれ織物の経糸および緯糸と
して用いられている。ポリマー素地1003が付加され、熱および/圧力によっ
て補強構造体に付着し、平面状の剛性複合物品が得られている。
102がそれぞれ織物の経糸および緯糸として用いられている。ポリマー素地1
103が付加され、熱および/圧力によって補強構造体に付着し、平面状の剛性
複合物品が得られている。
要素1202として含む織物1201からなる補強構造体が図12に示されてい
る。金属要素1202は織物の経方向または緯方向に織られ、ポリマーフィラメ
ント1203が織物の他の方向、すなわち、緯方向または経方向に織られている
。これらのポリマーフィラメントの材料となるポリマーは剛性複合物品のポリマ
ー素地と同じポリマーであってもよいし、異なっていてもよい。あるいは、各金
属要素または多数の金属要素の組にポリマー材料を被覆して、細片を形成しても
よい。ポリマーフィラメントおよび/または被覆としての熱可塑性材料の全容積
は、織物の全容積の40%を超えるように設定されるとよい。あるいは、ポリマ
ーフィラメント1203の代わりに、好ましくは1ないし10mmの範囲の幅お
よび好ましくは20ないし300μmの範囲の厚みを有するポリマーテープを用
いてもよい。補強構造体は、各々が上記の布地からなる1つ以上の補強層から構
成されてもよい。
素に皮膜を設けることによって改善される。ポリアミド(PA)素地の場合、金
属要素に亜鉛または亜鉛合金の皮膜を形成することによって、ポリマー素地と金
属要素間の付着性を改善することができる。亜鉛合金の一例として、2ないし1
0%のAlおよび0.1ないし0.4%のLaおよび/またはCeのような希土
類元素を含む合金が挙げられる。 さらなる付着性の改善は、シラン化合物、アルミン酸塩、ジルコン酸塩、また
はチタン酸塩のような付着促進剤を用いることによって得られる。
PVC、PA、PI、PC、SAM、ABS、TPU、TPO、熱可塑性コポリ
エーテルエステル、これらのポリマーの共重合体、または類似の材料を用いるこ
とによって、他の実施例を得ることができる。これらの実施例の各々について、
上記の皮膜または付着促進剤などを同様に適用することができる。
属要素の強度は、用いられる金属の合金の種類およびワイヤ、撚り線またはコー
ドの径、断面形状、および他の物理的性質によって影響される。
素を取巻くポリマー材料に対して機械的な係留効果を改善することができる。
Claims (18)
- 【請求項1】 1つ以上の布地からなる補強構造体であって、少なくとも前
記布地の1つは金属ワイヤ、金属ワイヤ束、金属撚り線または金属コードからな
る金属要素を含み、前記金属要素は布地変形を有するような補強構造体において
、 前記金属要素は、前記布地変形以外に、少なくとも1つの構造変形を有する ことを特徴とする補強構造体。 - 【請求項2】 前記金属要素は2つの構造変形を有することを特徴とする請
求項1に記載の補強構造体。 - 【請求項3】 前記構造変形の少なくとも1つは波状起伏であることを特徴
とする請求項1または2に記載の補強構造体。 - 【請求項4】 前記構造変形の少なくとも1つは螺旋状の構造変形であるこ
とを特徴とする請求項1または2に記載の補強構造体。 - 【請求項5】 前記構造変形は波状起伏であることを特徴とする請求項1又
は2に記載の補強構造体。 - 【請求項6】 前記波状起伏は前記金属要素の軸と平行に延長する1つの面
内において形成されていることを特徴とする請求項4に記載の補強構造体。 - 【請求項7】 前記波状起伏は前記金属要素の軸と平行に延長する互いに異
なる面内において形成されていることを特徴とする請求項5に記載の補強構造体
。 - 【請求項8】 前記金属要素はワイヤであることを特徴とする請求項1ない
し7のいずれかに記載の補強構造体。 - 【請求項9】 前記金属要素はコードであることを特徴とする請求項1ない
し7のいずれかに記載の補強構造体。 - 【請求項10】 前記金属要素は3%よりも大きい破断伸びを有しているこ
とを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の補強構造体。 - 【請求項11】 前記金属要素は、その破断力の10%の力が付加された場
合の伸びとして、0.3%よりも大きい伸びを示すことを特徴とする請求項1な
いし10のいずれかに記載の補強構造体。 - 【請求項12】 前記布地は編物であることを特徴とする請求項1ないし1
1のいずれかに記載の補強構造体。 - 【請求項13】 前記布地は織物であることを特徴とする請求項1ないし1
1のいずれかに記載の補強構造体。 - 【請求項14】 前記金属要素は前記織物の経糸および緯糸を構成すること
を特徴とする請求項13に記載の補強構造体。 - 【請求項15】 請求項1ないし14のいずれかに記載の補強構造体の用途
であって、剛性複合物品の製造に用いられることを特徴とする用途。 - 【請求項16】 剛性複合物品を製造する方法において、 請求項1ないし14のいずれかに記載の補強構造体とポリマー素地を準備する
工程と、 前記補強構造体と前記ポリマー素地に熱および/または圧力を付加することに
よって前記剛性複合物品を成形する工程と、 を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項17】 剛性複合物品を製造する方法において、 請求項1ないし14のいずれかに記載の補強構造体とポリマー素地を準備する
工程と、 前記補強構造体に熱を付加して、前記ポリマー素地を軟化させる工程と、 前記補強構造体と前記軟化したポリマー素地に力を付加して、剛性複合物品を
得る工程と、 前記剛性複合物品を冷却する工程と、 を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項18】 ポリマー素地と請求項1ないし14のいずれかに記載の補
強構造体に熱および/または圧力を付加することによって得られる剛性複合物品
。
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