JP2009525416A - ２つのテーパー付きの補強性繊維 - Google Patents

Abstract

コンクリートなどのマトリックス材料を補強するための非応壊性で非フィブリル化性の短い繊維は、引抜抵抗の効率を最大にするために長さに沿って実質的に均一な横方向の断面積と、長さ沿って２つの異なるテーパー特性を有する。本発明の好ましい２つのテーパー付きの繊維は、５−２５０ギガパスカルの範囲の高弾性率を有し、好ましくは両方のテーパー寸法でモジュレーションされている。繊維を含有するマトリックス材料、ならびに繊維を組み合わせ方法が開示されている。

Description

本発明は、コンクリートなどのマトリックス材料を構造的に補強するための繊維、特に長さに沿って２つのテーパー寸法において変動する一方で、実質的に均一な横方向の断面積を有する、非応力破壊性非フィブリル化性の短い繊維であって、両方のテーパー寸法において周期的にモジュレーションしている繊維に関する。

背景分野

モルタルおよびコンクリートは、水硬性セメント結合剤と、モルタルの場合には、砂などの細骨材、およびコンクリートの場合には、砕石砂利または小石などの粗骨材を含む脆性材料である。モルタルまたはコンクリートからできている構造物を最大引っ張り強さを超える応力に曝した場合、ひび割れが発生し、構造物中で伝播する可能性がある。

ひび割れ開始に抗する構造物の能力は、ひび割れ無しで構造物が持ちこたえ得る最大荷重に比例する「強度」として理解される。これは、ひび割れが開始するのに必要な最小応力荷重（例えば、「臨界応力強度係数」）を評価することにより測定される。

他方、存在するひび割れの伝播（または拡大）に抗する構造物の能力は、「破壊靭性」と記述される。このような性質は、繊維補強されたコンクリート（ＦＲＣ）はり試料を開口したひび割れにおいて変形もしくは「ゆがめる」のに必要な荷重を同時に測定することにより、ならびにたわみの程度を測定することによっても求められる。それゆえ、破壊靭性は、荷重たわみ曲線（ＦＲＣ試料のたわみに対して荷重をプロットすることにより得られる）下の面積を断面積により割ることにより求められる。

強度および破壊靭性の両方の性質を増加させるように設計された補強性繊維は、同一出願人により所有されている、特許文献１；特許文献２；特許文献３；特許文献４；特許文献５；および特許文献６において既知であり、議論されている。これらの特許においては、Ｒｉｅｄｅｒらは、ポリマー材料の不規則でランダムな変位、応力破壊、および顕微鏡的な高くなったリッジを有する「ミクロディアストロフィ（ｍｉｃｒｏ−ｄｉａｓｔｒｏｐｈｉｃ）」ポリマー繊維を開示している。

引き続いて、同一出願人により所有されている、特許文献７；特許文献８；特許文献９；および特許文献１０において、Ｒｉｅｄｅｒらは、分散性を保持する一方で、改善された強度および破壊靭性を有するポリマー繊維を開示した。Ｒｉｅｄｅｒらは、平らなポリプロピレンフィルムを押し出し、スリットし、極めて高い延伸速度を用いてスリット繊維を延伸することにより、２０ギガパスカルまでの弾性率を有する繊維を得た。前述のミクロディアストロフィ扁平化法の応力破壊を回避することにより、繊維の構造完全性が保持可能である。

コンクリート中で高い強度および破壊靭性をもたらすスリットポリプロピレン補強性繊維は、Ｇｒａｃｅ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ（Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ，ＭＡ）から商品名「ＳＴＲＵＸ（登録商標）」で市販されている。

本発明の目的の一つは、ひび割れ開始に抗する繊維補強されたマトリックス材料の能力を増大するために、少なくとも５ギガパスカルの、更に好ましくは少なくとも２０ギガパスカル以上の弾性率を有する繊維を使用することである。

もう一つの目的は、マトリックス材料の破壊靭性、たわみまたは存在するひび割れの拡
大に抗する能力を増強する繊維を提供することである。言い換えれば、本発明者らは、高弾性率の繊維材料の引抜抵抗の最良の制御方法を考えなければならない。この性質は、繊維がマトリックス材料中でひび割れまたは割れ目に橋架けする状況に関して考慮されなければならない。

特許文献１１において、Ｍａｔｓｕｍｏｔｏは突起を有するポリエチレン繊維を開示した。これらは、２．１６ｋｇの荷重下１９０℃で０．０１以下のメルトインデックスを有するポリエチレンを０．０１以上のメルトインデックスを有するポリエチレンと混合して、０．０１から１０のメルトインデックスを有する混合物を得ることにより製造される。ぎざぎざのある表面を生成するような条件下でこの混合物を押し出し、次に延伸して、表面突起を生成させた。延伸処理後に表面のこの極端なメルトフラクチュアを得るためには、押しされた製品の「凸形形状および凹形形状が可能な限り鋭く、深くなければならない」（欄３、行３５−３９）ということが重要であった。これらの問題のある（ｄｉｓｔｒｅｓｓｅｄ）突起および凹形形状は、疑いもなく繊維のコンクリートからの引抜を更に困難とするが、繊維の早期破壊および添加量に対する補強効率の低下を生じる可能性のある潜在的な破壊点または問題のある形状を作り出すと本発明者らは考える。

スチール繊維製品設計における関心の一つは、繊維がひび割れ伝播を抑える能力を増大させるために、繊維の「引抜」抵抗を増大させることであった。この点において、Ｍａｒｓｄｅｎの特許文献１２は、コンクリートからの引抜に抗するために「Ｊ」形状の末端を有する繊維を開示した。しかしながら、このような形態は、絡み合いの問題を生じ、繊維の未硬化コンクリート混合物内での取り扱いおよび均一分散を困難とする可能性がある。また、本発明者らは、Ｊ形状の末端が「Ｊ」形状の重なりにより引き起こされる応力点における早期破壊を生じると考えている。Ｍａｒｓｄｅｎは、欄１、行５４−５６において、彼の繊維の末端部分がフィラメントまたは繊維のシャンクの最小断面よりも断面で大きいと想定されるということを指摘した。Ｍａｒｓｄｅｎは、彼の繊維の末端部分が長手方向および横方向の平面断面の両方で大きいということを好ましいとした（例えば、欄１、行５４−５６を参照）。

Ｋａｊｉｍａの特許文献１３で類似の大きい末端のアプローチが教示され、両方の末端から繊維の中央部分に向かって徐々にテーパーの付いた補強性短繊維が示された。頂部で連結された２つの細い円錐形断面に類似するＫａｊｉｍａの繊維の形状は、繊維上の引っ張り応力のコンクリートまたは合成マトリックスの中への分散を可能とし、短い繊維を相互に圧縮、制限し、マトリックス中のひび割れ割れ目に抗するように設計されたものであった。Ｋａｊｉｍａの意図は、荷重が一点に集中しないように繊維上の荷重をマトリックスに分散し、力をマトリックス中に分散させることによりマトリックス中のひび割れの伝播が防止される。

本発明者らは、このような繊維が狭くなった中間部で破断する傾向があるために、ＭａｒｓｄｅｎおよびＫａｊｉｍａにおいて開示されているものなどの先行技術の繊維は補強効率を失うと考える。言い換えれば、小さなウエストまたは最小の直径が個別の繊維の最大荷重担持能力を規定する。

このような繊維の大きな末端においては、円周直径中の過剰な材料がひび割れ−開口事象時周囲のマトリックス中で繊維末端の径方向の圧縮により繊維の係止をもたらすということになる。しかしながら、両方の末端におけるこの過剰の繊維材料は、破壊が最小の直径において起こるように設計されているという事実により繊維の最大荷重担持能力に寄与しない。

それゆえ、繊維の補強性能は、繊維中で使用される材料の量に比例する。

Ｋａｊｉｍａのテーパー付き繊維は製造も困難である。Ｋａｊｉｍａは、二円錐形の形状の製造方法またはこのようなテーパー付きの形状の連続ベースでの高速度の製造方法を述べていない。テーパー付きの円錐形の形状を金属もしくはポリマー材料を金型中でキャストすることにより製造することができるということが推量され得るが、このような方法が補強性コンクリートなどの大量の用途に実用的であるということは疑わしい。ダイ開口を縮小し、もしくは押し出されたポリマー系材料を延伸して、円の直径を減少させるなどの押し出し条件の変動によりＫａｊｉｍａ繊維を製造する場合には、Ｍａｔｓｕｍｏｔｏにより追求されている表面フラクチュアが起こり；これは繊維の物体に沿って力を分散させようとするＫａｊｉｍａの目的を抑える。

「けん縮」ポリマー繊維は、コンクリートおよび他のマトリックス材料からの引抜抵抗を増大させるのに既知である。例えば、正弦波形の繊維がＢａｎｔｈｉａらの特許文献１４で開示され、プロフィール振幅を有する波形として図示されている。けん縮繊維の一つの問題は、Ｄｉｌｌ（Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｆｉｌａｍｅｎｔｓ）の特許文献１５で記されているように、コンクリート中での繊維ボール化（例えば、集塊）が回避困難であるということである。このように、Ｄｉｌｌは、繊維を相互に位置合わせして、自己絡み合いを最小とするために集束法を教示した。

分散の困難性を別にして、繊維の引抜抵抗性を増強するのには、けん縮は、全体的に満足な解決策を提供しないと考えられる。これは、所定の繊維の長手方向の中間部でひび割れが必ずしも起こるとは限らないためである。この結果は、けん縮繊維が「へび様の」の形でコンクリートまたは他のマトリックスから引抜可能であるということである。
米国特許第６，１９７，４２３号 米国特許第６，５０３，６２５号 米国特許第６，２６５，０５６号 米国特許第６，５９２，７９０号 米国特許第６，５９６，２１０号 米国特許第６，７７３，６４６号 米国特許第６，５２９，５２５号 米国特許第６，５６９，５２６号 米国特許第６，７５８，８９７号 米国特許第６，８６３，９６９号 米国特許第４，２９７，４１４号 米国特許第３，９５３，９５３号 日本特許出願Ｎｏ．ＪＰ０６２６３５１２Ａ２（Ｋａｊｉｍａ） 米国特許第５，９８１，６３０号 米国特許第５，９８５，４４９号（Ｄｉｌｌ（Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｆｉｌａｍｅｎｔｓ））

前出の難点を回避し、高い補強効率ならびに制御された引抜抵抗を得るには便宜的ならびに経済的に製造可能な、新規な改善されたテーパー付きの繊維が必要とされる。

先行技術の難点の回避において、本発明は、一方では、長さに沿って実質的に均一な横方向の断面積を有し；他方では、コンクリートまたは他のマトリックス材料からの引抜に抗するために、長さに沿って少なくとも２つのテーパー寸法を有する実質的に非応力破壊性で非フィルリル化性の短い補強性繊維を提供する。

繊維の最大荷重担持能力および制御された引抜抵抗は、繊維長さに沿って実質的に均一な断面積を有すること、機械的な扁平化により起こされる応力破壊を回避すること、およびメルトフラクチュア押し出しにより引き起こされる突起または凹形形状などの表面異常を回避することにより実現される。

例示の２つのテーパー付き繊維は、好ましくは繊維当り５−１００ｍｍの、更に好ましくは１０−６０ｍｍの長さ；１０−５００の、更に好ましくは２５−１００の範囲の等価直径に対する長さの形のアスペクト比；５−２５０ギガパスカルの範囲の、更に好ましくは２０−１００ギガパスカルの範囲の弾性率；４００−２，５００メガパスカルの引っ張り強さ；および繊維当り５０−５，０００ニュートンの荷重担持能力を有する。

繊維は、コンクリートなどのマトリックス材料中で使用される場合、マトリックス材料中に生じるひび割れを橋架けする時の係止と引抜の間のバランスをもたらす。ひび割れしたコンクリートの場合には、ひび割れを橋架けする繊維の半分がコンクリートから引き抜かれるように働き、コンクリート構造物がひび割れにおいて完全に引き離される点においてひび割れを橋架けする繊維の他の半分が完全に破壊するように、繊維を設計するのが好ましい。このように、最大エネルギーは、ひび割れしたコンクリートが変形し始める時からコンクリートの突発的な破壊が起こるまで吸収される。

語句「実質的に均一な横方向の断面積」は、繊維ボディのシャンク（Ｓｈａｎｋ）または細長い部分として規定される主軸Ｚに沿って繊維ボディの断面積が１０％以上変ってはならず、更に好ましくは多くとも５％しか変わってはならないということを意味する。本発明者らは、均一な断面積が最も高い補強効率を付与する（「背景技術」で述べられているＭａｒｓｄｅｎおよびＫａｊｉｍａ繊維の細いウエスト部の中間部と異なり）と考えている。本発明の繊維は、長さが５−１００ｍｍ、更に好ましくは１０−６０ｍｍであり、好ましくは１０−５００の等価直径に対する長さの形のアスペクト比を有するという点で短い。

語句「２つのテーパー寸法」は、所定の繊維の長さ内での２つの異なるテーパー挙動を指し、記述する。短い２つのテーパー付きの繊維のボディまたはシャンク部分が長手方向の主軸Ｚを規定する場合には、短軸ＸおよびＹは、軸Ｚおよび相互に垂直として規定され、ならびに主軸Ｚに沿って地点から地点で繊維の横方向の断面プロフィールは、横方向の断面積が実質的に均一状態を保っても短軸ＸおよびＹの方向で漸増もしくは漸減する。軸Ｚに沿って繊維を真っ直ぐに有することが好ましい。性能を減少させるようには予期されない繊維の加工および切断時に繊維の若干の曲がりが起こる可能性があるので、繊維を曲げ、彎曲、捩じり、さらにはけん縮（したがって、Ｚ軸はこの明細書中で定義の目的でこのような形状を有するとみなされる）することは可能であるが、繊維ボディまたはシャンク部分はできるだけ真っ直ぐであるということが好ましい。

このように、本発明の例示の繊維は、２つの相対する末端を有し、セメント質複合物、コンクリート、ショットクリート（ｓｈｏｔｃｒｅｔｅ）、モルタル、アスファルト、または合成ポリマーなどのマトリックス材料の中への混合時に実質的に非応力破壊で実質的に非フィルリル化性である、中間の細長いボディ（またはシャンク）部分をその間で規定する繊維ボディであって、ボディ部分が長手方向の主軸Ｚを規定し、（Ａ）長手方向の主軸Ｚを規定する細長いボディ部分の長さに沿って１０％以下、更に好ましくは５％以下しか偏倚しない実質的に均一な横方向の断面積；および（Ｂ）引抜に抗するために２つのテーパー寸法を有する横方向の断面プロフィールを含んでなり、第１のテーパー寸法が軸Ｚに垂直である第１の横方向の短軸Ｘにおいて生じ、第２のテーパー寸法が軸ＸおよびＺの両方に垂直である第２の横方向の短軸Ｙにおいて生じ；第１および第２のテーパー寸法が反転したテーパー挙動を有し、軸Ｚに沿って一つの地点からもう１つの地点に移動する時、（ｉ）軸Ｙに沿って第２のテーパー寸法が減少するにしたがって、軸Ｘに沿った第１のテーパー寸法が増加し、（ｉｉ）軸Ｙに沿って第２のテーパー寸法が増加するにしたがって、軸Ｘに沿った第１のテーパー寸法が減少し、および／または（ｉｉｉ）（ｉ）および（ｉｉ）で述べた前述のテーパ特性が存在する。

限定ではないが、円形、卵形、正方形、三角形、もしくは矩形の形状、他の四辺形の形状、および多角形の形状を含む、多数の繊維の横方向の断面プロフィールが可能であり、これらの形状のいずれかの間をモジュレーションすることができる。プロフィールは、第１のＸ／Ｙ比（短軸Ｙに沿った測定値により割った短軸Ｘに沿った測定値）を有する第１の形状と、第１のプロフィールと異なる第２のＸ／Ｙ比を有する第２の形状の間をモジュレーションすることができる。好ましくは、繊維のプロフィールは、第１と第２のＸ／Ｙ比の間を少なくとも１回、更に好ましくは２から１５回モジュレーションする。繊維とマトリックス材料の性状に依って、３０回までのモジュレーションを有することが可能であり得る。

本発明は、繊維を含有する水硬性セメント質材料を含むマトリックス材料、ならびに繊維を製造するための方法にも関する。

本発明更なる利点および特徴をこの明細書中これ以降に更に詳述する。

本発明の利点およびメリットの評価は、好ましい態様の次の説明を添付の図面と一緒に考慮することにより容易に理解され得る。

発明を実施するのに最良の形態

上記の「課題を解決するための手段」で述べたように、本発明の繊維は、実質的に非応力破壊性ならびに実質的に非フィルリル化性である。これら２つの繊維特性は、例えば同一出願人により所有されている、Ｒｉｅｄｅｒらの米国特許第６，５６９，５２６号で定義されている。

語句「応力破壊されていない」によって、本発明者らは、磨砕方法、機械的扁平化方法（例えば、Ｒｉｅｄｅｒらの米国特許第６，１９７，４２３号を参照）により、もしくは繊維の表面に損傷を及ぼす押し出し方法（例えば、Ｍａｔｓｕｍｏｔｏの米国特許第４，２９７，４１４号を参照）により生じるような、内部および外部応力の破壊を実質的に含まない個別の繊維ボディを意味し、指している。ここでの一般的な意図は、構造的な繊維の完全性のみならず、製造者が繊維バッチごとに引抜抵抗挙動を注意深く制御することができるように、周囲のマトリックス材料と接触する全表面積の完全性および均一性の形で個別の繊維ボディの完全性を維持することである。

「非フィブリル化性」によって、本発明者らは、混合物中で繊維の実質的に均一な分散を達成するのに必要な程度でマトリックス組成物内で機械的に混合、振盪される場合、小さい繊維もしくはフィブリル単位に実質的に縮小しない個別の繊維ボディを意味し、指している。例えば、砂および石の骨材を含有するコンクリートなどのマトリックス材料中に導入される場合、本発明の繊維は、コンクリート中で均一に分散させる繊維の混合に必要な時間の間小さなフィブリル状ボディに縮小してはならない。

用語「実質的に」は、語句「非応力破壊性」および「非フィルリル化性」の修飾に使用される。繊維の製造もしくはコンクリートの中への繊維の混合時、特に繊維を合成ポリマーから押し出す場合、一部の表面の傷または糸を顕微鏡レベルで見ることが可能だからである。このような顕微鏡的な現象は、ポリマーの不完全性または押し出し方法および／または骨材含有コンクリート中の混合による繊維表面の粗化による。したがって、このような顕微鏡的な事象は、本発明者の考える意味における応力フラクチュアまたはフィブリル化の発現とは考えられない。

用語「マトリックス材料」は、接着剤、アスファルト、セラミクス、複合材料（例えば、樹脂）、プラスチック、ゴムなどのエラストマー、およびこれらの材料から作られる構造物を含む、繊維により補強可能な広い範囲の材料を含む。

本発明の好ましいマトリックス材料は、乾式もしくは湿式混合の形で供給可能な、ペースト、モルタル、生コンクリート、プレキャストコンクリート、ショットクリート、グラウト、スクリード（ｓｃｒｅｅｄ）、せっこうベースのコンクリート（壁板などの組成物などの）、せっこう−および／またはポルトランドセメントベースの耐火性組成物、耐水性膜と被膜、および他の水硬性セメント質組成物などの水硬性セメント質組成物を含む。

本発明の繊維は、水硬性の未硬化の「セメント」、「モルタル」、または「コンクリート」のペースト部分中で使用される。これらは、すべて水硬性セメント質結合剤（通常、限定ではないが、ポルトランドセメント、メーソンリーセメント、またはモルタルセメントであり、石灰石、消石灰、フライアッシュ、顆粒化高炉スラグ、ポゾラン、およびシリカヒュームまたはこのようなセメント中で通常使用される他の材料も含み得る）と、水から構成される混合物であるペーストを有する。モルタルは、砂などの細骨材を追加的に含むペーストである。コンクリートは、小石および砕石砂利などの粗骨材を追加的に含むモルタルである。このように、本発明の「セメント質組成物」は、前出のものを全部指し、含む。例えば、セメント質組成物は、所望により水硬性セメント質結合剤、水、および細骨材および／または粗骨材などの所要量のしかるべき材料をこの明細書中で述べられている繊維と混合することにより形成され得る。

本発明の例示の繊維は、金属（例えば、鋼）または限定ではないが、ポリビニルアルコール、ポリエチレン（高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、および超高分子量ポリエチレンを含む）、ポリプロピレン、ポリオキシメチレン、ポリアミド、およびサーモトロピック液晶ポリマーからなる群から選択される１つ以上の合成ポリマーを含み得る。好ましい形状は、厚い「マクロ繊維」単位を形成するために好適な樹脂または無機結合剤により結合された細いフィラメントまたはフィブリルの束などの複合材料によっても入手可能である。例えば、個別の繊維ボディは、ナイロン、エポキシ、ポリオレフィン、およびその他などの樹脂により結合されて、複合繊維加工に所要の弾性率および強度をもたらす、極めて高い弾性率および強度の連続したファインカーボンもしくは芳香族ポリアミド（通常、ＫＥＶＬＡＲ（登録商標）材料として知られている）もしくはガラス／セラミックまたは超高分子量ポリエチレンもしくは更には金属繊維のフィラメントを含んでなり得る。繊維を成形することができる他の可能な材料は、金属（例えば、スチール、ステンレススチール）、無機物（例えば、ガラス、セラミック））を含む。

図面は、本発明の理解を容易にするために種々の例示の繊維を図示する。これらは、テーパー化の概念を強調するために提示され、正しい縮尺で描かれていない。この繊維は、２つの相対する末端を有し、長手方向ならびに中心に位置する主軸Ｚに合致し、規定する中間のボディまたはシャンク部分をその間で規定する。このように、曲げ、彎曲、もしくは捩れている場合には、繊維は、本発明の目的により三次元空間中で適切に眺め、考慮することができるように、手により物理的に真っ直ぐになされるか、もしくは他の手段により保持されなければならない。主軸Ｚに垂直な１つの横方向の短軸は軸Ｘと表示され（これは、繊維の幅、または幅広の寸法に相当する）；短軸Ｘおよび長手方向の主軸Ｚの両方に垂直な第２の横方向の短軸は軸Ｙと表示される（繊維が卵形、直方形、もしくは他の平らな断面形状もしくはプロフィールを有する場合、これは、通常、厚さ寸法に相当する）。

本発明者らは、２つ以上の異なるテーパー寸法を有することが可能であり、少なくとも２つのテーパー寸法が必ずしもお互いに対して９０度の角度にある必要はないと考えている。それゆえ、例えば、第２のテーパー寸法に対して４５度の角度にある一方のテーパー寸法を有することが可能である。しかしながら、本発明で想定される小さい繊維に対しては、少なくとも２つのテーパー寸法に対してほぼ９０度の角度（垂直）を有することが最も好都合であると考えられる。

図１Ａに示すように、本発明の例示の２つのテーパー付きの短い繊維１０は、横方向の短軸Ｘと長手方向の主軸Ｚに垂直である、横方向の短軸Ｙに沿って見た場合、第１のテーパー挙動もしくは特性を有する。主軸Ｚは、第１の位置Ｚ_１と表記されている一方の末端と第２の位置Ｚ_２と表記されている他方の末端の間で繊維１０の細長いボディ部分（またはシャンク）と合致し、これにより定義される。眼を図示の左から右に動かすと、繊維１０の長さに沿ったＺ_１からＺ_２への幅の漸次狭化として第１のテーパー挙動が見られる。

図ｌＢは、長手方向の主軸Ｚの周りに９０度回転された場合の図１Ａに図示した例示の２つのテーパー付きの繊維の第２のテーパー挙動もしくは特性を図示する。繊維は、図１Ｂに示すように、横方向の短軸Ｙと長手方向の主軸Ｚに垂直である、横方向の短軸Ｘに沿って見られる。眼を図示の左から右に動かすと、繊維１０の長さに沿ったＺ_１からＺ_２への幅の漸次厚化として第２のテーパー挙動が見られる。

図１Ｃは、図１および２に図示した例示の２つのテーパー付きの繊維１０の、長手方向の主軸Ｚに沿って見た場合第１の位置Ｚ_１および第２の位置Ｚ_２において見た横方向の断面プロフィールの複合図示である。横方向の短軸Ｘは、図１Ｃの水平方向で表示され、横方向の短軸Ｙは、図１Ｃの垂直方向で表示されている。したがって、Ｚ_ｌおよびＺ_２における例示の２つのテーパー付きの繊維１０の断面プロフィールが重複する複合図示として示される。短軸Ｘに沿って位置し、ΔＸ_Ｌ（Ｙ軸の左に位置する）およびΔＸ_Ｒ（Ｙ軸の右に位置する）と表示される斜線部分は、第１の位置Ｚ_２で出発し、第２の位置Ｚ_１に向かって進む繊維１０中に生じる断面積の変化を表す。短軸Ｙに沿って位置し、ΔＹ_Ｔ（Ｘ軸の上に位置する）およびΔＹ_Ｂ（Ｘ軸の下に位置する）と表示される斜線部分は、第１の繊維位置Ｚ_１と第２の繊維位置Ｚ_２の間で繊維中に生じる断面積の変化を表す。ΔＸ_ＬおよびΔＸ_Ｒの総計の間の差は、ΔＹ_ＴおよびΔＹ_Ｂの総計の１０％以下、更に好ましくは５％以下でなければならず；本発明の目的の一つは、長手方向の軸Ｚに沿って実質的に均一な横方向の断面積を有する繊維を得ることである。

本発明の更なる好ましい態様においては、テーパーの量は、

の関係により決定可能である。式中、「ΔＲ」はＺ_１における比ＲとＺ_２における比Ｒの間の変化を表し（ここで、Ｒ＝幅／厚さ）；「ΔＬ」は軸Ｚに沿った１モジュレーションの長さ（例えば、図１Ａおよび２ＡにおけるＺ_１とＺ_２の間の距離）を表し；「σ」は繊維の引っ張り強さを表し；「Ａ」は繊維の断面積を表し；「ε」は繊維の圧縮弾性率を表し；「ｎ」は繊維長さ当りのモジュレーション数を表し：ならびに「Ｌ_ｆ」は個別の繊維の末端から末端までの全長を表す。

繊維材料が柔軟であるほど、例えば横方向の軸ＸおよびＹに沿ったプロフィール寸法におけるテーパーまたは振幅は大きい。

本発明のもう一つの例示の２つのテーパー付きの繊維１０を図２Ａに示す。繊維１０は、横方向の短軸Ｙに沿って見ると、図の左から右に見て第１の繊維位置Ｚ_１と第２の繊維位置Ｚ_２の間の幅の漸次拡大と、第２の繊維位置Ｚ_２と第３の繊維位置Ｚ_３の間の漸次縮小を有する。図２Ｂに同一の繊維１０を横方向の短軸Ｘに沿って示す。これは、第１の位置Ｚ_１と第２の位置Ｚ_２の間の対応する厚さの漸次減少と、第２の位置Ｚ_２と第３の位置Ｚ_３の間の対応する厚さの漸次増加を有する。Ｚ_１、Ｚ_２、およびＺ_３において切断した断面プロフィールの複合図示は、主軸Ｚに沿った方向で見た場合、図１Ｃに示すプロフィールの複合重複図示に類似し得る。異なる断面プロフィールをＺ_１およびＺ_３に対して使用される異なる断面プロフィールが異なるということは可能であるが、これは好ましくない。

図２Ａおよび２Ｂに示す２つのテーパー付きの繊維１０は、２つのモジュレーション（すなわち、Ｚ_１からＺ_２およびＺ_２からＺ_３）を有するということができる。Ｚ_１およびＺ_３における断面プロフィールもしくは形状は同一であり、Ｚ_１からＺ_２の距離およびＺ_２からＺ_３の距離はほぼ同一であることが好ましく、繊維１０は２つのモジュレーションまたは１つの完結したモジュレーション周期もしくはモジュレーションサイクルを有すると言われる。

本発明の更なる例示の２つのテーパー付きの繊維１０を図３Ａおよび３Ｂに示す。繊維１０は、図３Ａで横方向の短軸Ｙに沿って見ると、Ｚ_１からＺ_２およびＺ_３からＺ_４の幅の漸次拡大と、Ｚ_２からＺ_３およびＺ_４からＺ_５の漸次縮小を有する。繊維１０は、図３Ｂで横方向の短軸Ｘに沿って見ると、Ｚ_１からＺ_２およびＺ_３からＺ_４の厚さの漸次減少と、Ｚ_２からＺ_３およびＺ_４からＺ_５の漸次増加を有する。好ましくは、Ｚ_２およびＺ_４の断面プロフィールは同一であり、Ｚ_１、Ｚ_３、およびＺ_５の断面プロフィールは同一であり、ならびにＺ_１、Ｚ_２、Ｚ_３、Ｚ_４、およびＺ_５の間の距離は同一であって、図３Ａおよび３Ｂに示す例示の繊維１０は、４つのモジュレーションまたは２つの完結したモジュレーション周期もしくはモジュレーションサイクルを有すると言われる。

最極端の断面プロフィール寸法（すなわち、軸Ｘまたは軸Ｙに沿った最大もしくは最小の寸法）に合致する繊維末端を持つ図１Ａ−１Ｂ、２Ａ−２Ｂ、および３Ａ−３Ｂの例示の繊維を示したが、これは、最大幅部分（Ｘ軸）または最も薄い部分（Ｙ軸）と合致するように繊維長さを正確に切断するということを必要であると本発明者らは、考えないために、例示の目的にのみ意図されたものである。これは、特に、個別の繊維ボディが２つ以上のモジュレーション（またはモジュレーションサイクル）を有する場合に当てはまる。

したがって、例示の繊維は、繊維の断面プロフィールが厚さの減少および増加に対応して幅が増加および減少する、少なくとも２つのモジュレーションを有することができる。更なる例示の繊維は、繊維の断面プロフィールが厚さの２回の減少および２回の増加に対応して幅において２回増加および２回減少する少なくとも４つのモジュレーションを有することができる。

繊維の特異な形状により、軸Ｚに沿った任意の２つの地点で切断することにより、単一の繊維を得ることができる。理論的には、繊維のＺ軸上の参照点の両側で幅／厚さ比（Ｘ／Ｙ）が異なる限り、単一の繊維中に必要とされる最小（もしくは小数の）もしくは最大数のモジュレーションは存在しない。好ましい繊維は、繊維ボディ当り少なくとも１つのモジュレーション、好ましくは３０以下のモジュレーションを有する。このように、ひび割れが周囲のマトリックス材料中で開口する場合には、マトリックス材料の処理に使用される繊維のバッチ内の更なる繊維は、ひび割れが個別の繊維の中間に向かうか、もしくは繊維の末端近くで存在するかとは無関係に、ひび割れ割れ目に抗する機会を有する。

図４は、繊維１０を製造するための本発明の例示の方法の図示である。合成ポリマー繊維の場合には、ダイ２０または他の押し出し器具から好ましくはモノフィラメント８またはシートの形で押し出されるポリマー材料は、例えば水浴の中もしくはチルロールの間を通すことにより冷却２４される。ポリマーは、シートの形である場合には、冷却段階後個別の繊維にスリットされなければならない。次に、個別の繊維ストランドは、長手方向の方向に配向（もしくは延伸）されて、（ヤングの）弾性率を増加させる。場合によっては、これは、ポリマーを相対するローラー２６の間で、熱軟化域２７（オーブン、熱風ブロワー、または他の加熱器具を用いて）中で、次にずっと速い速度で（例えば、ローラー２６よりも５−１０倍、更に好ましくは５−２５倍速く）回転するもう一つの組の相対するローラー中で引っ張ることにより実施可能である。随意の配向／延伸段階の後、ポリマーストランド８は、変形するためにポリマーを周期的なアンジュレーション（ｕｎｄｕｌａｔｉｏｎ）を有する外円周表面を有する相対するローラー３０の間でポリマーを引っ張ることにより、モジュレーションプロフィールを有し、少なくとも１つの寸法においてテーパー形状を作り出すように賦型される。本発明者らは、１組のローラー（３０において表示されているような）が繊維材料の２つの寸法（軸Ｘおよび軸Ｙ方向の両方）においてテーパーモジュレーションを誘起することが可能であり得ると考える。場合によっては、円周表面アンジュレーションを有する第２のローラー対３２を使用し得る。周期的なアンジュレーション付きの外円周表面を有する２つの相対するローラーが好ましいが、周期的なアンジュレーションを有する１つのみのローラーと、円の円周付きのもう１つのローラーから所望の結果を得ることが可能である。別法としては、両方のローラーを好適な直径を持つ円の円周とすることができ、これらの一方を繊維軸に垂直な方向で制御された振幅および周波数で振動させ、他方を静止させることができる。

図５は、繊維１０にモジュレーションされたテーパー効果を賦与するための円周表面中にアンジュレーション３１を有する相対するローラー３０の間で賦型される繊維材料８の図示である（図４に示すように、同一もしくは類似のアンジュレーションを有するこれらのローラーもう一つの組を垂直に角度を付けたローラー３２として使用することができる）。図５に示すように、１インチ（またはｃｍ）当りのアンジュレーション３１の数、アンジュレーションの曲率の量、ローラー３０表面の間の間隙、および繊維（ポリマーを随意の配向／延伸段階で加熱しない場合には、室温以上の若干の温度上昇が望ましい）の温度はすべて、所望の漸次テーパーを得るための当業者の制御の内にある。

再度、単に１組の相対するローラーを使用することにより、上述の二テーパー効果を得ることが可能であり得る。この場合、例えば、ポリマーの移動が主として横方向の軸方向（例えば、軸Ｘ）の一つで得られる。例えば、厚さテーパー（Ｙ軸の方向で）を制御し、移動されるポリマーが幅方向のテーパー（Ｘ軸の方向で）をもたらすのに、ローラー３０のアンジュレーション３１が使用される。場合によっては、図４に示すもう一つの組の相対するローラー３２が使用可能であり、今度は相対するローラー３２に垂直な寸法における正確なテーパー形状を得るのに、ローラー３０の回転軸に垂直な回転軸と位置合わせする。繊維ボディの長さに沿って実質的に均一な断面積を維持するために、この他の組の相対するローラー３２の円周表面上のアンジュレーションの曲率は、第１の組の相対するローラー３０の円周表面上のアンジュレーションの曲率と若干異なり得る。

好ましくは、ある組の相対するローラーで使用されるローラーの各々は、円周表面の周りに均等に間隔を付けられたアンジュレーションを有し、ならびに所定の組のローラー内のローラー内の各々は、例えばギアにより機械的に連結されて、同一の速度で回転し、各ローラーのアンジュレーションは、回転時に相対するローラーのアンジュレーションに合致する。

それゆえ、本発明の例示の方法は、前記相対するローラーの各々上で同一のパターンで周期的に繰り返すマッチしたアンジュレーションを有する円周表面を有する相対するローラーの間で金属もしくはポリマー繊維を圧縮し、それにより繊維の長手方向の主軸に垂直な２つの横方向の寸法の各々において繊維材料のテーパーを作り出す。

繊維を製造するための本発明の更なる例示の方法は、ポリマー系材料を押し出して、モノフィラメント繊維ボディを形成すること、場合によってはポリマーを延伸して、材料を配向させること、および繊維にテーパー効果を形押しするように一致させられた円周アンジュレーションを有する第１の組の相対するローラーを用いて、繊維材料を賦型することを含んでなる。相対するローラーは、他のローラーおよび繊維の長手方向の主軸に垂直（もしくは少なくとも４５度離れた）である２つの横方向の寸法においてテーパー効果を生み出すように動作することができる。そうでない場合には、別法としては、前記第１の組の相対するローラーの回転軸に垂直な回転軸を有して、第２の寸法においてテーパー効果を得るのに、第２の組の相対するローラーが使用可能である。ローラーおよびローラー組の回転および間隔は、繊維の断面積が繊維長さに沿って実質的に一定（すなわち、±１０％以下）であるように設計されるべきである。

本発明の更なる例示の態様においては、繊維は、第１の組の繊維が上述の２つのテーパー付きの繊維を含み、第２の組の繊維が異なる繊維ボディ形状またはボディ寸法を有する繊維ボディを含む、２つの異なる組の個別の繊維を含んでなることができる。例えば、第２の組の繊維は、２つのテーパー付きのボディを含まないが、平らなリボン（四辺形）、丸形、卵形、矩形、もしくは他の断面プロフィール形状などの異なる幾何学的な形状を有し得る。第２の組の繊維は、２つのテーパー付きであるが、第１の組の繊維と比較した場合モジュレーション距離（例えば、Ｚ_１とＺ_２の間）または膨張（幅または厚さの変化）の形の異なるテーパー寸法を有することもできる。

更には、製造包装方法時に若干の曲がり、彎曲、捩れ、またはけん縮が自然に起こり得るので、本発明の繊維は、細長いボディ（またはシャンク部分）を有しているが、必ずしも真っ直ぐである必要はない。

本発明は、例示の目的に提供されている、前出の実施例の例示により限定されるべきでない。

第１のテーパー挙動を第１の位置Ｚ_１と第２の位置Ｚ_２の間で示した、Ｙ軸（軸ＸおよびＺに垂直である）に沿って見た本発明の例示の短い繊維の図示である。 第２のテーパー挙動を第１の位置Ｚ_１と第２の位置Ｚ_２の間で示した、Ｘ軸（軸ＹおよびＺに垂直である）に沿って見た図１Ａの繊維の図示である。 第１の位置Ｚ_１および第２の位置Ｚ_２における断面積を重複して示した、図１Ａおよび１Ｂに示した繊維の図示である。 第１のテーパー挙動を示した、Ｙ軸（表示されている軸ＸおよびＺに垂直である）に沿って見た本発明の例示の繊維の図示である。 第２のテーパー挙動を示した、Ｘ軸（表示されている軸ＹおよびＺに垂直である）に沿って見た図２Ａの例示の繊維の図示である。 第１のテーパー挙動を示した、Ｙ軸（表示されている軸ＸおよびＺに垂直である）に沿って見た本発明の例示の繊維の図示である。 第２のテーパー挙動を示した、Ｘ軸（表示されている軸ＹおよびＺに垂直である）に沿って見た図３Ａの例示の繊維の図示である。 繊維を製造するための本発明の例示の方法の図示である。 繊維上に漸次テーパーもしくは２つのテーパーの形状を賦与するために円周表面中にアンジュレーションを有する相対するローラーの間で賦型される繊維材料の図示である。

Claims (33)

1. 実質的に均一な横方向の断面積と、コンクリートまたは他のマトリックス材料からの引抜に抗するための、長さに沿った２つのテーパー寸法を有する、実質的に非破壊性で非フィブリル化性の短い補強性繊維を含んでなる、マトリックス材料を補強するための繊維。
2. 前記繊維が５ｍｍ以上で１００ｍｍ以下の長さを有する、請求項１に記載の繊維。
3. 前記繊維が１０ｍｍ以上で６０ｍｍ以下の長さを有する、請求項２に記載の繊維。
4. 前記繊維が１０以上で５００以下の等価直径に対する長さとしてのアスペクト比を有する、請求項１に記載の繊維。
5. ５ギガパスカル以上で２５０ギガパスカル以下の弾性率を有する、請求項１に記載の繊維。
6. ２０ギガパスカル以上で１００ギガパスカル以下の弾性率を有する、請求項５に記載の繊維。
7. ４００メガパスカル以上で２，５００メガパスカル以下の引っ張り強さを有する、請求項６に記載の繊維。
8. 繊維当り５０ニュートン以上で繊維当り５，０００ニュートン以下の荷重担持能力を有する、請求項１に記載の繊維。
9. 繊維が繊維の長さに沿って１０％以上変動しない断面積を有する、請求項１に記載の繊維。
10. 繊維が繊維の長さに沿って５％以上変動しない断面積を有する、請求項９に記載の繊維。
11. 長手方向の主軸Ｚを規定するボディ部分を有し、軸Ｚおよび相互に垂直な横方向の短軸ＸおよびＹを有し、主軸Ｚに沿った地点において横方向の断面積が実質的に均一状態を保っても、繊維の横方向の断面プロフィールが短軸ＸおよびＹの方向で漸増もしくは漸減する、請求項１に記載の繊維。
12. 繊維の断面プロフィールが厚さの減少および増加に対応して幅において増加および減少する、少なくとも４分の１のモジュレーション（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を有する請求項１１に記載の繊維。
13. 繊維の断面プロフィールが厚さの減少および増加に対応して幅が１回増加し、および１回減少する、少なくとも１のモジュレーションを有する請求項１２に記載の繊維。
14. 繊維ボディ当り２以上のモジュレーションおよび３０以下のモジュレーションを有する、請求項１１に記載の繊維。
15. ２つの相対する末端を有し、セメント質複合物、コンクリート、ショットクリート、モルタル、アスファルト、または合成ポリマーなどのマトリックス材料の中への混合時に実質的に非応力破壊性で実質的に非フィルリル化性である、中間の細長いボディをその間で規定する繊維ボディであって、ボディ部分が長手方向の主軸Ｚを規定し、（Ａ）長手方向
    の主軸Ｚを規定する細長いボディ部分の長さに沿って１０％以下、更に好ましくは５％以下しか偏倚しない実質的に均一な横方向の断面積；および（Ｂ）引抜に抗するために２つのテーパー寸法を有する横方向の断面プロフィールを含んでなり、第１のテーパー寸法が軸Ｚに垂直である第１の横方向の短軸Ｘにおいて生じ、第２のテーパー寸法が軸ＸおよびＺの両方に垂直である第２の横方向の短軸Ｙにおいて生じ；第１および第２のテーパー寸法が反転したテーパー挙動を有し、軸Ｚに沿って一つの地点からもう１つの地点に移動する時、（ｉ）軸Ｙに沿って第２のテーパー寸法が減少するにしたがって、軸Ｘに沿った第１のテーパー寸法が増加し、（ｉｉ）軸Ｙに沿って第２のテーパー寸法が増加するにしたがって、軸Ｘに沿った第１のテーパー寸法が減少し、および／または（ｉｉｉ）（ｉ）および（ｉｉ）で述べた前述のテーパ特性が存在する繊維を含んでなる、請求項１に記載の繊維。
16. 第１のＸ／Ｙ比（短軸Ｙに沿った測定値により割った短軸Ｘに沿った測定値）を有する第１の形状と、第１のプロフィールと異なる第２のＸ／Ｙ比を有する第２の形状の間をモジュレーションする断面プロフィールを有する、請求項１５に記載の繊維。
17. 前記プロフィールが前記第１および第２のＸ／Ｙ比の間を３０回以下でモジュレーションする、請求項１６に記載の繊維。
18. 金属またはポリマーから形成される、請求項１に記載の繊維。
19. ポリビニルアルコール、ポリエチレン、低密度ポリエチレン、および超高分子量ポリエチレン）、ポリプロピレン、ポリオキシメチレン、ポリアミド、およびサーモトロピック液晶ポリマーからなる群から選択されるポリマーから形成される、請求項１に記載の繊維。
20. 前記繊維がポリプロピレンを含んでなる、請求項１に記載の繊維。
21. 前記繊維がポリビニルアルコールを含んでなる、請求項１に記載の繊維。
22. 前記繊維が結合剤または樹脂により結合されている小さいフィブリル単位を含んでなる、請求項１に記載の繊維。
23. ５ｍｍ以上で１００ｍｍ以下の長さ；
    ２５以上で５００以下の等価直径に対する長さとしてのアスペクト比；
    ５ギガパスカル以上で２５０ギガパスカル以下の弾性率；
    ４００メガパスカル以上で２，５００メガパスカル以下の引っ張り強さ；および
    繊維当り５０ニュートン以上で繊維当り５，０００ニュートン以下の荷重担持能力
    を更に含んでなる、請求項１に記載の繊維。
24. 金属から形成され、繊維当り断面プロフィール寸法中で１以上のモジュレーションおよび３０以下のモジュレーションを有する、請求項２３に記載の繊維。
25. ポリビニルアルコール、ポリエチレン（高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、および超高分子量ポリエチレンを含む）、ポリプロピレン、ポリオキシメチレン、ポリアミド、およびサーモトロピック液晶ポリマーからなる群から選択されるポリマーから形成され；繊維当り断面プロフィール寸法中２以上のモジュレーションおよび１８以下のモジュレーションを有する、請求項２３に記載の繊維。
26. 請求項１に記載の繊維を含有するマトリックス材料。
27. 前記相対するローラーの各々上で同一のパターンで周期的に繰り返すマッチしたアンジュレーション（ｕｎｄｕｌａｔｉｏｎ）を有する円周表面を有する相対するローラーの間で金属またはポリマーの繊維を圧縮し、繊維の長手方向の主軸に垂直の２つの横方向の寸法において繊維材料のテーパーを生じさせることを含んでなる、繊維を製造するための方法。
28. 繊維を押し出して、モノフィラメント繊維ボディを形成し、ポリマーを場合によっては延伸して、材料を配向させ、その後繊維の中にテーパー効果を形押しするように一致させられた円周のアンジュレーションを有する第１の組の相対するローラーを用いて、繊維をテーパー付けする、請求項２７に記載の方法。
29. 前記第１の組の相対するローラーの回転軸に垂直な回転軸を有するように配置されている第２の組の相対するローラーを用いて、繊維を賦型することを更に含んでなる、請求項２７に記載の方法。
30. 第１の組の繊維が請求項１に記載の２つのテーパー付きの繊維を含み、第２の組の繊維が前記第１の組の繊維と異なる繊維ボディ形状またはボディ寸法を有する少なくとも２つの異なる組の個別の繊維を含んでなる、請求項１に記載の繊維。
31. 前記第２の組の繊維が２つのテーパー付き（ｂｉ−ｔａｐｅｒｅｄ）のボディを含有しない、請求項３０に記載の繊維。
32. 前記第２の組の繊維が前記第１の組の繊維と比較してモジュレーション距離もしくは膨張として異なるテーパー寸法を有する２つのテーパー付きのボディを含む、請求項３０に記載の繊維。
33. 前記繊維ボディが曲がり、彎曲、もしくはけん縮している、請求項１に記載の繊維。

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