JP2010513064A - 低熱膨張係数を有するハニカム及びそれから作製された物品 - Google Patents

Abstract

本発明は、ハニカムおよびそれから作製された物品に関し、物品は、構造用樹脂またはマトリックス樹脂を備えたセル壁を有し、セル壁の面が、ハニカムのＺ寸法に平行であり、ハニカムセル壁が、融点が１２０℃〜３５０℃で、熱膨張係数が１８０ｐｐｍ／℃以下の５〜３５重量部の熱可塑性材料と、１デニール当たり５２５グラム（１ｄｔｅｘ当たり４８０グラム）以上の弾性率を有し、軸方向の熱膨張係数が２ｐｐｍ／℃以下の６５〜９５重量部の高弾性率繊維とを、ハニカムセル壁中の熱可塑材および高弾性率繊維の総量に基づいて含み、ＡＳＴＭ Ｅ８３１により測定される、ハニカムのＺ寸法における熱膨張係数が１０ｐｐｍ／℃以下である。

Description

本発明は、その厚さが実質的に温度変化の影響を受けない高性能ハニカムに関する。

高弾性率ハニカムは、航空機等、温度変化による寸法安定性が重要な様々な用途に用いられている。従来から、そのようなハニカムは、高弾性率パラ−アラミド繊維とメタ−アラミドフィブリドバインダーから作製された紙から製造されてきた。これらアラミド材料の性質のために、それらから作製されたハニカムは、非常に寸法安定性がある。熱可塑性バインダーから作製された紙は、ハニカムへ製造されるとき、所望の構成の最終のサンドイッチパネルへと加工している間、ハニカムを成型し易くするだろう。しかしながら、熱可塑性バインダーから作製されたハニカムは、温度変化により過剰の寸法変化を被る可能性がある。従って必要とされているのは、ハニカムへと作製したとき、広い温度範囲にわたって寸法的に温度の影響を実質的に受けないハニカムをもたらす、熱可塑性バインダーを用いる紙組成である。

本発明は、構造用樹脂またはマトリックス樹脂を備えたセル壁を有するハニカムに関し、セル壁の面が、ハニカムのＺ寸法(dimension)に平行であり、ハニカムセル壁が、融点が１２０℃〜３５０℃で、熱膨張係数が１８０ｐｐｍ／℃未満の５〜３５重量部の熱可塑性材料と、１デニール当たり５２５グラム（１ｄｔｅｘ当たり４８０グラム）以上の弾性率を有し、軸方向の熱膨張係数が２ｐｐｍ／℃以下の６５〜９５重量部の高弾性率繊維とを、ハニカムセル壁中の熱可塑材および高弾性率繊維の総量に基づいて含み、ＡＳＴＭ Ｅ８３１により測定される、ハニカムのＺ寸法における熱膨張係数が１０ｐｐｍ／℃以下である。本発明はまた、パネルや空力構造物をはじめとする、ハニカムから作製された物品にも関する。

六角形ハニカムの図である。 六角セル形ハニカムの他の図である。 フェースシートを備えたハニカムの図である。

本発明は、その厚さまたは「Ｚ」寸法が実質的に温度変化の影響を受けない、高弾性率繊維と熱可塑性材料とを含む紙から作製されたハニカムに関する。

図１ａは、本発明のハニカムの一例である。図１ｂは、図１ａに図示したハニカムの直交図であり、図２は、ハニカムの三次元図である。図示されているのは、六角セル２を有するハニカム１である。ハニカムの「Ｚ」寸法または厚さは、図２に示されている。六角セルが図示されているが、他の幾何学的配置も可能であり、四角およびフレックスコアセルが、他の最も一般的に可能な配置である。かかるセルタイプは当該技術分野において周知であり、可能な幾何学セルタイプのさらなる情報については、Ｔ．ＢｉｔｚｅｒによるＨｏｎｅｙｃｏｍｂ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｃｈａｐｍａｎ＆Ｈａｌｌ，ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ，１９９７）を参照のこと。

多くの実施形態において、ハニカムには、構造用樹脂またはマトリックス樹脂、典型的には、ハニカムのセル壁を完全に含浸、飽和または被覆する熱硬化性樹脂が提供されている。樹脂は、さらに架橋または硬化されて、最終的な特性（剛性や強度）をハニカムに与える。ある実施形態において、これら構造用樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂およびこれらの混合物が挙げられる。

本発明のハニカムは、ＡＳＴＭ Ｅ８３１により測定される、ハニカムのＺ寸法における熱膨張係数（ＣＴＥ）が１０ｐｐｍ／℃以下、好ましくは５ｐｐｍ／℃以下である。かかる寸法安定性は、材料が（回転する場合）、膨張および収縮する際、構造に著しい脆弱部を形成する、温度の２つの極限間でサイクルする宇宙空間用途等の用途にとって重要である。その他の用途としては、離着陸および飛行（約８０００メートルより上）の際に、ハニカムが極端な温度変化に露出される翼構造の前縁が挙げられる。かかる材料は、温度により寸法変化がない、またはＣＴＥができる限りゼロに近いのが望ましい。従って、本明細書で用いる、正のＣＴＥ制限とは、材料の寸法が、その量を超えて増大しない、または膨張しないことを意味し、負のＣＴＥ制限とは、寸法が、その量を超えて減少しない、または収縮しないことを意味する。

ハニカムのＣＴＥは、ＴＡ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓの熱機械分析機を用いて、ハニカムで直接測定することができる。好ましい試料サイズは、３ｍｍセルサイズのハニカムについて、６ｍｍ×６ｍｍ×２５ｍｍ（測定の方向）である。これらの測定はまた、フェースシートの特性が、複合体の特性から差し引かれる安定したハニカム（すなわち、１つ以上のフェースシートを備えたハニカム）でも行うことができる。

ハニカムのセル壁は、高弾性率繊維と熱可塑性材料とを含む紙から作製されているのが好ましい。ある実施形態において、紙という用語は、その通常の意味で用いられており、従来のウェットレイ製紙プロセスおよび設備を用いて作製された不織シートを指す。しかしながら、ある実施形態における紙の定義には、一般に、バインダー材料を必要とし、適切なハニカム構造を与えるのに十分な特性を有する不織シートが含まれる。

本発明で用いる紙の厚さは、ハニカムの最終用途または所望の特製に応じて異なり、ある実施形態においては、典型的に、１〜５ミル（２５〜１３０マイクロメートル）の厚さである。ある実施形態において、紙の坪量は、１平方ヤード当たり０．５〜６オンス（１平方メートル当たり１５〜２００グラム）である。

本発明のハニカムで用いる紙は、融点が１２０℃〜３５０℃で、熱膨張係数が１８０ｐｐｍ／℃未満の５〜３５重量部の熱可塑性材料と、５２５ｇｐｄ（１ｄｔｅｘ当たり４８０グラム）以上の弾性率を有し、軸方向のＣＴＥが２ｐｐｍ／℃以下の６５〜９５重量部の高弾性率繊維とを、紙中の熱可塑材および高弾性率繊維の総量に基づいて含む。ある好ましい実施形態において、熱可塑材は、１００ｐｐｍ／℃未満のＣＴＥを有し、ある好ましい実施形態においては、高弾性率繊維は、（−１）ｐｐｍ／℃以下の軸方向のＣＴＥを有する。ある実施形態において、高弾性率繊維は、紙に、約８０〜９５重量部の量で存在し、ある実施形態において、熱可塑性材料は、紙に、５〜２０重量部の量で存在する。ある実施形態において、紙組成中の少なくとも５０ｗｔ．％の高弾性率繊維は、フロックの形態である。

紙はまた、無機粒子も含むことができ、代表的な粒子としては、マイカ、バーミキュライト等が挙げられ、これらの粒子を添加すると、改善された耐火性、熱伝導率、寸法安定性等の特性を、紙および最終ハニカムに付与することができる。

本発明で用いる紙は、研究室スクリーンから、Ｆｏｕｒｄｒｉｎｉｅｒまたはインクラインドワイヤ製紙機のような通常使用される機械を含む、商業的なサイズの製紙機器まで、任意の規模の機器で形成できる。典型的なプロセスには、フロックおよび／またはパルプ等の高弾性率繊維状材料とバインダー材料の水性液体中での分散液を調製し、液体を分散液から流出させて、湿潤組成物とし、湿潤紙組成物を乾燥することが含まれる。分散液は、繊維を分散させてからバインダー材料を添加するか、またはバインダー材料を分散させてから繊維を添加するかのいずれかにより調製される。最終分散液はまた、繊維の分散液と、バインダー材料の分散液を混合することによっても調製することができ、分散液は任意により無機材料などの他の添加剤を含むことができる。バインダー材料が繊維の場合には、高弾性率繊維との混合物をまず作製することにより、繊維を分散液に添加する、または繊維を分散液に別個に添加することができる。分散液中の繊維の濃度は、分散液の総重量に基づいて、０．０１〜１．０重量パーセントとすることができる。分散液中のバインダー材料の濃度は、固体の総重量に基づいて、３５重量パーセントまでとすることができる。典型的なプロセスにおいて、分散液の水性液体は、通常、水であるが、ｐＨ調節材料、形成助剤、界面活性剤、消泡剤等の様々なその他の材料を挙げることができる。通常、分散液を、スクリーンまたはその他の穿孔支持体に導き、分散した固体を保持してから液体を通過させて、湿潤紙組成物を得ることにより、水性液体は分散液から流出される。湿潤組成物は、支持体に形成されると、通常、真空またはその他の圧力によりさらに脱水されて、残りの液体を蒸発させることによりさらに乾燥される。

ある好ましい実施形態において、高弾性率繊維状材料および熱可塑性バインダー、例えば、短繊維または短繊維とバインダー粒子の混合物を、一緒にスラリー化して、混合物を形成し、これを、ワイヤスクリーンまたはベルト上で紙へと変換することができる。様々な種類の繊維状材料およびバインダーから製紙する例示のプロセスについては、米国特許第３，７５６，９０８号明細書（Ｇｒｏｓｓ）、同第４，６９８，２６７号明細書および同第４，７２９，９２１号明細書（Ｔｏｋａｒｓｋｙ）、同第５，０２６，４５６号明細書（Ｈｅｓｌｅｒら）、同第５，２２３，０９４号明細書（Ｋｉｒａｙｏｇｌｕら）、同第５，３１４，７４２号明細書（Ｋｉｒａｙｏｇｌｕら）、同第６，４５８，２４４号明細書および同第６，５５１，４５６号明細書（Ｗａｎｇら）および同第６，９２９，８４８号明細書および米国特許出願公開第２００３−００８２９７４号明細書（Ｓａｍｕｅｌｓら）を参照のこと。

紙が形成されたら、ホットカレンダ加工するのが好ましい。これによって、紙の密度および強度が増大する。通常、紙の１つ以上の層を、金属−金属、金属−複合体または複合体−複合体ロール間のニップでカレンダ加工する。あるいは、紙の１つ以上の層を、プラテンプレスにおいて、特定の組成および最終用途にとって最適な圧力、温度および時間で圧縮することができる。このようにして紙をカレンダ加工するとまた、形成された紙の気孔率が減じる。ある実施形態においては、ハニカムで用いる紙はカレンダ加工された紙である。カレンダ加工や圧縮前、後、またはその代わりの独立した工程としての、放射ヒータやニップでないロール等での紙の熱処理は、緻密化なしで、または緻密化に加えて、強化またはその他特性修正が望ましい場合に実施することができる。

ハニカムは、高弾性率繊維を含むが、本明細書で使用される場合、高弾性率繊維は１デニール当たり５２５グラム（１ｄｔｅｘ当たり４８０グラム）以上の引張りまたはヤング率を有するものである。繊維の高弾性率によって、最終ハニカム構造および対応のパネルの必要な剛性が与えられる。好ましい実施形態において、繊維のヤング率は、１デニール当たり９００グラム（１ｄｔｅｘ当たり８２０グラム）以上である。好ましい実施形態において、高レベルの機械的特性を最終ハニカム構造に与えるには、繊維靭性は、１デニール当たり少なくとも２１グラム（１ｄｔｅｘ当たり１９グラム）であり、その伸びは、少なくとも２％である。高弾性率繊維の軸方向のＣＴＥは、２ｐｐｍ／Ｃ以下であり、好ましい実施形態においては（−１）ｐｐｍ／Ｃ以下である。

好ましい実施形態において、高弾性率繊維は、耐熱性繊維である。「耐熱性繊維」とは、空気中で５００℃まで、１分当たり２０℃の速度で加熱したときに、繊維が、繊維重量の９０パーセントを好ましくは保持することを意味する。かかる繊維は、通常、難燃性である。すなわち、繊維またはその繊維から作製された布の限界酸素指数（ＬＯＩ）が、繊維または布が空気中で燃えないようなものであり、好ましいＬＯＩ範囲は約２６以上である。

高弾性率繊維は、フロック、パルプまたはこれらの混合物の形態とすることができるが、多くの実施形態において、フロックは好ましくは繊維の形態である。「フロック」とは、長さ２〜２５ミリメートル、好ましくは３〜７ミリメートル、直径３〜２０マイクロメートル、好ましくは５〜１４マイクロメートルの繊維のことを意味する。フロックは、連続スパンフィラメントを特定の長さのピースに切断することによって一般に製造される。フロック長さが、２ミリメートル未満だと、通常、適切な長さの紙とするには短かすぎ、フロック長さが、２５ミリメートルを超えると、均一なウェットレイドウェブを形成するのは非常に難しい。５マイクロメートル未満、特に、３マイクロメートル未満の直径を有するフロックは、適切な断面均一性および再現性で製造するのが難しい。フロック直径が、２０マイクロメートルを超えると、軽〜中程度の坪量の均一な紙を形成するのは非常に難しい。

本明細書で用いる際「パルプ」という用語は、茎と通常そこから延びるフィブリルとを有する高弾性率材料の粒子を意味し、茎は、通常、円柱で、直径は約１０〜５０マイクロメートル、フィブリルは、通常、茎に付加した微細な毛髪状部材であり、直径はマイクロメートルの僅か何分の一または数マイクロメートルであり、長さは約１０〜１００マイクロメートルである。

ある実施形態において、本発明において有用な高弾性率繊維としては、パラ−アラミド、ポリベンズアゾール、ポリピリダゾールポリマー、液晶ポリエステル、炭素またはこれらの混合物から作製された繊維が挙げられる。好ましい１つの実施形態において、高弾性率繊維は、アラミドポリマー、特に、パラ−アラミドポリマーから作製される。特に好ましい実施形態において、高弾性率繊維は、ポリ（パラフェニレンテレフタルアミド）である。

本明細書で用いる際、アラミドという用語は、少なくとも８５％のアミド（−ＣＯＮＨ−）結合が、２つの芳香族環に直接付加したポリアミドのことを意味する。「パラ−アラミド」とは、２つの環またはラジカルが、分子鎖に沿って互いにパラ配位していることを意味する。添加剤をアラミドと共に用いることができる。実際、１０重量パーセントまでの他のポリマー材料をアラミドとブレンドできる、またはアラミドのジアミンに代えて、１０パーセントの他のジアミン、またはアラミドの二酸クロリドに代えて１０パーセントの他の二酸クロリドを有するコポリマーを用いることができることを見出した。ある実施形態において、好ましいパラ−アラミドは、ポリ（パラフェニレンテレフタルアミド）である。本発明に有用なパラ−アラミド繊維を製造する方法は、概して、例えば、米国特許第３，８６９，４３０号明細書、同第３，８６９，４２９号明細書および同第３，７６７，７５６号明細書に開示されている。かかる芳香族ポリアミド繊維およびこれらの繊維の様々な形態は、Ｅ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，Ｄｅｌａｗａｒｅ）から、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）繊維という商品名および帝人株式会社（Ｔｅｉｊｉｎ，Ｌｔｄ．）からＴｗａｒｏｎ（登録商標）という商品名で入手可能である。

本発明において有用な市販のポリベンズアゾール繊維としては、日本の東洋紡績株式会社（Ｔｏｙｏｂｏ）より入手可能なＺｙｌｏｎ（登録商標）ＰＢＯ−ＡＳ（ポリ（ｐ−フェニレン−２，６−ベンゾビスオキサゾール）繊維、Ｚｙｌｏｎ（登録商標）ＰＢＯ−ＨＭ（ポリ（ｐ−フェニレン−２，６−ベンゾビスオキサゾール））繊維が挙げられる。本発明において有用な市販の炭素繊維としては、Ｔｏｈｏ Ｔｅｎａｘ Ａｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．より入手可能なＴｅｎａｘ（登録商標）繊維が挙げられる。本発明において有用な市販の液晶ポリエステル繊維としては、Ｓｗｉｃｏｆｉｌ ＡＧ Ｔｅｘｔｉｌｅ Ｓｅｒｖｉｃｅｓより入手可能なＶｅｃｔｒａｎ（登録商標）ＨＳ繊維が挙げられる。

本発明のハニカムは、１２０°〜３５０℃の融点と、１８０ｐｐｍ／℃以下、ある好ましい実施形態においては、１００ｐｐｍ／℃以下のＣＴＥを有する熱可塑性材料を５〜３５重量部有する。熱可塑材とは、その従来のポリマー定義を有することを意味する。すなわち、これらの材料は、加熱すると粘性液体のように流れ、冷却すると固化し、後の加熱と冷却工程で、繰り返し可逆的にそうなる。他のある好ましい実施形態において、熱可塑材の融点は、１８０℃〜３００℃である。他のある好ましい実施形態において、熱可塑材の融点は、２２０℃〜２５０℃である。紙は、融点が１２０℃未満の熱可塑性材料で作製できるが、この紙は、製紙後に、望ましくない溶融流れ、張り付きおよびその他の問題を生じ易い。例えば、ハニカム製造中、交点線接着剤を紙に適用した後、通常、熱を加えて、溶剤を接着剤から除去する。他の工程で、紙のシートを併せてプレスして、シートを交点線で接着する。これらの工程のいずれかの間に、紙が低融点熱可塑性材料を有していると、その材料が流れて、紙のシートを、製造機器および／または他のシートに接合して望ましくない。従って、紙に用いる熱可塑性材料は、紙の形成およびカレンダ加工中に溶融したり流れるが、ハニカムの製造中には、明らかには溶融したり流れたりしない。融点が３５０℃より高い熱可塑性材料は望ましくない。それらは、軟化するのに高い温度を必要として、紙の他の成分が、紙製造中に分解し始めるからである。２種類以上の熱可塑性材料が存在するこれらの実施形態においては、熱可塑性材料の少なくとも３０％の融点が３５０℃を超えてはならない。

ポリマー、繊維またはハニカムのＣＴＥは、試験方法ＡＳＴＭ Ｅ８３１に指定されるようにして、熱機械分析機により測定される。ポリマー試料は、直接試験することができる。繊維試料は、一方向複合体として試験されることが多い。繊維は、単一方向に並べてから、熱硬化性樹脂、例えば、エポキシ樹脂で含浸される。熱膨張係数を軸方向で測定する。ハニカム試料は、Ｚ方向で試験される。試験は、セルを橋架けするか、セルの隅部で試験するかのいずれかにより、多数のセル壁で実施しなければならない。

熱可塑性材料は、ハニカムに用いる紙中の高弾性率繊維を結合する。熱可塑性材料は、フレーク、粒子、パルプ、フィブリド、フロックまたはこれらの混合物の形態とすることができる。ある実施形態において、これらの材料は、フィルム厚さが約０．１〜５マイクロメートルおよびその厚さに垂直な最低寸法が少なくとも３０マイクロメートルである離散したフィルム状粒子を形成することができる。好ましい一実施形態において、厚さに垂直な粒子の最大寸法は、最大で１．５ｍである。

本発明に有用な熱可塑性材料としては、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミド−イミド、ポリエーテル−イミド、ポリフェニレンスルフィド、液晶ポリエステルおよびこれらの混合物からなる群から選択される熱可塑性材料が挙げられる。ある好ましい実施形態において、熱可塑性材料としては、ポリプロピレンまたはポリエステルポリマーおよび／またはコポリマーが挙げられる。

本明細書で用いる際「フィブリド」という用語は、長さと幅が約１００〜１０００マイクロメートル、厚さが僅か約０．１〜１マイクロメートルとして知られる小さくフィルム状の実質的に二次元粒子の極微粉砕ポリマー生成物のことを意味する。フィブリドは、典型的に、ポリマー溶液を、溶液の溶剤と非混和性の液体の凝固浴へ流すことにより作製される。ポリマーが凝固する際、ポリマー溶液のストリームは、激しいせん断力および乱流を受ける。

ある実施形態において、本発明において紙に用いる好ましい熱可塑性ポリエステルは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）またはポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）ポリマーである。これらのポリマーは、様々なコモノマーを含み、例えば、ジエチレングリコール、シクロヘキサンジメタノール、ポリ（エチレングリコール）、グルタル酸、アゼライン酸、セバシン酸、イソフタル酸等が挙げられる。これらのコモノマーに加えて、トリメシン酸、ピロメリット酸、トリメチロールプロパン、トリメチロールオエタンおよびペンタエリスリトール等の分岐剤を用いてもよい。ＰＥＴは、テレフタル酸、その低級アルキルエステル（例えば、ジメチルテレフタレート）およびエチレングリコール、これらのブレンドまたは混合物のいずれかから公知の重合技術により得られる。ＰＥＮは、２，６−ナフタレンジカルボン酸およびエチレングリコールから公知の重合技術により得られる。

他の実施形態において、用いるのに好ましい熱可塑性ポリエステルは、液晶ポリエステルである。「液晶ポリエステル」（ＬＣＰ）とは、参考文献として援用される米国特許第４，１１８，３７２号明細書に記載されているようなＴＯＴ試験またはそれを適切に修正したものを用いて試験したときに、異方性であるポリエステルポリマーを意味する。ＬＣＰのある好ましい形態は、「全芳香族」、すなわち、ポリマー主鎖中の基の全てが芳香族（エステル基等の結合基以外）で、芳香族でない側鎖が存在している。本発明の熱可塑性材料として有用なＬＣＰの融点は、３５０℃までである。本発明の好ましいＬＣＰとしては、Ｅ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙより入手可能なＺｅｎｉｔｅ（登録商標）およびＴｉｃｏｎａ Ｃｏより入手可能なＶｅｃｔｒａ（登録商標）ＬＣＰの対応等級が挙げられる。

その他の材料、特に、熱可塑性組成物によく見出されるものや熱可塑性組成物での使用に好適なものが、熱可塑性材料に存在していてもよい。これらの材料は、好ましくは、化学的に不活性で、ハニカムの操作環境で適切に熱的に安定でなければならない。かかる材料としては、例えば、フィラー、強化剤、顔料および核剤のうち１つ以上が挙げられる。その他のポリマーが存在していて、ポリマーブレンドを形成してもよい。ある実施形態において、組成物の２５重量パーセント未満のその他のポリマーが存在しているのが好ましい。他の好ましい実施形態において、その他のポリマーは、潤滑剤や処理助剤として機能するような合計で少量（５重量パーセント未満）のポリマー以外は、熱可塑性材料に存在しない。

本発明の一実施形態は、高弾性率繊維と熱可塑性材料から作製されたハニカムを含む物品であり、熱可塑性材料の融点が、１２０℃〜３５０℃で、ＣＴＥが１８０ｐｐｍ／℃、好ましくは１００ｐｐｍ／℃以下であり、ＡＳＴＭ Ｅ８３１により測定される、ハニカムのＺ寸法における熱膨張係数が、１０ｐｐｍ／℃以下、好ましくは５ｐｐｍ／℃以下である。物品に用いると、ハニカムは、所望であれば、構造用部品として機能し得る。ある好ましい実施形態において、ハニカムは、空力構造物の少なくとも一部に用いられる。ある実施形態において、ハニカムには、衛星の構造用部品としての用途がある。ハニカムの軽量構造上の特性のために、ある好ましい用途は、軽量であることによって、空気を通して対象物を推進する必要のある燃料や出力を省力できる空力構造物である。

本発明の他の実施形態は、高弾性率繊維と熱可塑性材料とを含む紙から作製されたハニカムを含むパネルである。熱可塑性材料は、離散したフィルム状粒子の形態で紙に少なくとも部分的に存在している。１つ以上のフェースシートを、ハニカムの面に取り付けてパネルを形成してもよい。フェースシートによって、構造に一体性が与えられ、ハニカムコアの機械的特性を実現する補助となる。また、フェースシートは、ハニカムのセルをシールして、材料がセルから出ないようにするか、またはフェースシートが材料をセル中に保持するのを補助する。図３に、接着剤を用いて、一面に取り付けられたフェースシート６を有するハニカム５を示す。第２のフェースシート７は、ハニカムの反対の面に取り付けられており、２つの対向するフェースシートが取り付けられたハニカムでパネルを形成する。材料８の追加の層を、所望であればパネルのいずれかの側に取り付けることができる。ある好ましい実施形態において、ハニカムの両側に適用されたフェースシートは、材料の２層を含む。ある好ましい実施形態において、フェースシートは、織布またはクロスプライ単方向布を含む。ある実施形態において、クロスプライ単方向布は、０／９０クロスプライである。所望であれば、フェースシートは、エンボス加工やその他処理等、装飾面を有していて、見た目の良い外側表面を形成してもよい。ガラス繊維および／または炭素繊維を含む布が、フェースシート材料として有用である。

ある実施形態において、ハニカムは、米国特許第５，１３７，７６８号明細書、米国特許第５，７８９，０５９号明細書、米国特許第６，５４４，６２２号明細書、米国特許第３，５１９，５１０号明細書および米国特許第５，５１４，４４４号明細書に記載されたような方法により作製することができる。ハニカムを作製するこれらの方法では、通常、数多くの接着剤の線（交点線）を、高弾性率紙の一表面にある幅およびピッチで適用または印刷した後、接着剤を乾燥する必要がある。典型的に、接着樹脂は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂およびその他樹脂から選択されるが、熱硬化性樹脂を用いるのが好ましい。

交点線適用後、高弾性率紙を所定の間隔で切断して、複数のシートを形成する。切断したシートは、互いに積み重ねて、各シートが、適用された接着剤交点線のピッチの半分または間隔の半分、他のシートとずれるようにする。積み重ねた高弾性率繊維を含有する紙のシートを、圧力および熱を与えることにより、交点線に沿って互いにボンドする。ボンドしたシートを、シートの面に垂直な方向に引き離す、または膨張して、セルを有するハニカムを形成する。従って、形成されたハニカムセルは、数多くの線に沿って互いにボンドされ、膨張した紙シートから作製されたセル壁により分離された中空の円筒状セルの平面アセンブリで構成されている。

ある実施形態において、ハニカムは、膨張後、典型的に、構造用樹脂で含浸される。典型的に、これは、膨張したハニカムを、熱硬化性樹脂浴に浸漬することにより行われるが、他の樹脂またはスプレー等の手段を用いて、膨張したハニカムを被覆および完全に含浸したり、かつ／または飽和することもできる。ハニカムを樹脂で完全に含浸した後、飽和したハニカムを加熱して樹脂を架橋することにより、樹脂は硬化される。通常、この温度は、多くの熱硬化性樹脂について、１５０℃〜１８０℃の範囲である。

樹脂含浸および硬化前または後、ハニカムをスライスへと切断してもよい。このようにして、大きなブロックのハニカムから、ハニカムの多数の薄片またはスライスを得ることができる。ハニカムは、通常、セルエッジの面に垂直にスライスにされるので、ハニカムの細胞状の特徴は保持される。

ハニカムは、粒子形状、特定の紙組成および／またはその他理由に応じて、無機粒子をさらに含むことができ、これらの粒子を、製紙中に紙に組み込むか（例えば、マイカフレーク、バーミキュライト等）、またはマトリックスまたは構造用樹脂に組み込んでもよい（例えば、シリカ粉末、金属酸化物等）。

試験方法
ポリマーおよびハニカムの熱膨張係数は、ＡＳＴＭ Ｅ８３１により測定する。繊維の熱膨張係数は、ＡＳＴＭ Ｅ３８１に従って直接、または複合体構造から測定することができる。

融点は、試験方法ＡＳＴＭ Ｄ３４１８により測定される。融点は、最大融解吸熱とみなされ、１０℃／分の加熱速度での第２の熱で測定される。２つ以上の融点が存在する場合には、ポリマーの融点が、最大融点とみなされる。

繊維弾性率、強度および伸びは、ＡＳＴＭ Ｄ８８５を用いて測定する。紙密度は、ＡＳＴＭ Ｄ３７４により測定される紙厚さおよびＡＳＴＭ Ｄ６４６により測定される坪量を用いて計算する。繊維デニールは、ＡＳＴＭ Ｄ１９０７を用いて測定する。

これは、低熱膨張係数を有するハニカムの例である。ＬＣＰのストランド切断ペレットを、直径３０．５ｃｍのＳｐｒｏｕｔ−ＷａｌｄｒｏｎタイプＣ−２９７６−Ａ単一回転ディスクリファイナーに１回通過させて叩解する。プレート間のギャップは、約２５マイクロメートル、供給速度は、約６０ｇ／分であり、ペレット１ｋｇ当たり水約４ｋｇの量で、水を連続的に添加する。ＬＣＰは、米国特許第５，１１０，８９６号明細書の実施例５に開示された、モル比５０／５０／７０／３０／３５０のヒドロキノン／４，４’−ビフェノール／テレフタル酸／２，６−ナフタレンジカルボン酸／４−ヒドロキシ安息香酸から誘導された組成を有している。このＬＣＰについては、ガラス転移温度は観察できず、融点は約３４２℃である。圧縮したＬＣＰの面における熱膨張係数は、３５ｐｐｍ／℃である。得られるＬＣＰパルプを、Ｂａｎｔａｍ（登録商標）Ｍｉｃｒｏｐｕｌｖｅｒｉｚｅｒ，Ｍｏｄｅｌ ＣＦでさらに叩解して、３０メッシュのスクリーンに通す。７０重量部のパラ−アラミドフロックと３０重量部のＬＣＰパルプを含有するアラミド／熱可塑性紙を、従来の製紙設備で形成する。パラ−アラミドフロックは、Ｅ．Ｉ．ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙ（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ）（ＤｕＰｏｎｔ）より、ＫＥＶＬＡＲ（登録商標）４９という商品名で販売されているポリ（パラ−フェニレンテレフタルアミド）繊維であり、公称フィラメント線密度は、１フィラメント当たり１．５デニール（１フィラメント当たり１．７ｄｔｅｘ）、公称切断長さは、６．７ｍｍである。この繊維の引張り係数は１デニール当たり９３０グラム（１ｄｔｅｘ当たり８５０グラム）、引張り強度は２４グラム／デニール（２２グラム／ｄｔｅｘ）、伸びは２．５パーセント、軸方向の熱膨張係数は、−４ｐｐｍ／Ｃである。紙を、線圧力１２００Ｎ／ｃｍで、３３５℃でカレンダ加工する。これにより、密度０．７５ｇ／ｃｍ³のアラミド／熱可塑性紙が生成される。

ハニカムを、カレンダ加工された紙から形成する。接着剤の交点線を、幅２ｍｍおよびピッチ５ｍｍで紙表面に適用する。接着剤は、Ｓｈｅｌｌ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．より販売されているＥｐｏｎ８２６というエポキシ樹脂７０重量部、Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｒｐ（Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ，ＤＥ，ＵＳＡ）より販売されているＨｅｌｏｘｙ ＷＣ８００６というエラストマー変性エポキシ樹脂３０重量部、Ｕｎｉｏｎ Ｃａｒｂｉｄｅ Ｃｏｒｐ．より販売されているＵＣＡＲ ＢＲＷＥ ５４００というビスフェノールＡ−ホルムアルデヒド樹脂硬化剤５４重量部、Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙより販売されているＤｏｗａｎｏｌ ＰＭというグリコールエーテル溶剤中硬化触媒としての２−メチルイミダゾール０．６重量部、Ｍｉｌｌｅｒ−Ｓｔｅｐｈｅｎｓｏｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．より販売されているＥｐｏｎｏｌ ５５−Ｂ−４０というポリエーテル樹脂７重量部、およびＣａｂｏｔ Ｃｏｒｐより販売されているＣａｂ−Ｏ−Ｓｉｌというヒュームドシリカ１．５重量部を含む５０％固溶体である。接着剤を、紙の上で、１３０℃のオーブンにて６．５分間部分的に乾燥する。

接着剤交点線のあるシートを長さ５００ｍｍに切断する。４０のシートを互いに積み重ねて、各シートが適用された接着剤交点線のピッチの半分または間隔の半分、他のシートとずれるようにする。ずれは、片側から他方へ交互になされ、最後のスタックが、均一に垂直になるようにする。

積み重ねたシートを、接着剤の軟化点で、ホットプレスすると、接着剤の交点線が溶融し、熱を取り除くと、接着剤が硬化して、シートを互いにボンドする。上記の交点線接着剤については、ホットプレスは、１４０℃で３０分間、次に、１７７℃で４０分間、１平方ｃｍの圧力当たり３．５ｋｇで操作する。

ボンドされたアラミドシートを、積み重ね方向の反対の方向に膨張させて、等辺断面を有するセルを形成する。各シートを、互いに伸長させて、シートが、ボンドされた交点線のエッジに沿って折り曲げられ、ボンドされていない部分は、シートを互いに分離する引張り力の方向に伸長されるようにする。フレームを用いて膨張させ、ハニカムを膨張した形状に保持する。

膨張したハニカムを、Ｄｕｒｅｚ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＰＹＬＯＰＨＥＮ２３９００溶剤系フェノール樹脂を含む浴に入れる。フェノール樹脂は、樹脂を２−プロパノール、水およびエタノールに溶解または分散させた液体形態で用いる。樹脂は、セル壁の内部表面に張り付いてそれを覆い、紙の孔を充填し、貫通もする。

樹脂を含浸した後、ハニカムを浴から取り出し、１４０℃のホットエアにより３０分間、１７７℃で４０分間、乾燥炉にて乾燥させて、溶剤を除去し、フェノール樹脂を硬化する。樹脂浴における含浸工程と、乾燥炉における乾燥工程を、ハニカム中の熱硬化性樹脂の合計含量が約３３重量パーセントに達するよう、２回繰り返す。ハニカムを保持しているフレームを取り外す。サイズ６ｍｍ×６ｍｍ×２５ｍｍのハニカム試料を、ＡＳＴＭ Ｅ８３１に従って、ＴＡ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（Ｎｅｗ Ｃａｓｔｌｅ，Ｄｅｌａｗａｒｅ（ＵＳＡ））製Ｑ−４００ Ｔｈｅｒｍｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ａｎａｌｙｚｅｒを用いて試験すると、約３ｐｐｍ／℃のＣＴＥを示す。

Claims (18)

1. 構造用樹脂またはマトリックス樹脂を備えたセル壁を有するハニカムであって、前記セル壁の面が、前記ハニカムのＺ寸法に平行であり、前記ハニカムセル壁が、
   ａ）融点が１２０℃〜３５０℃で、熱膨張係数が１８０ｐｐｍ／℃未満の熱可塑性材料５〜３５重量部と、
   ｂ）１デニール当たり５２５グラム（１ｄｔｅｘ当たり４８０グラム）以上の弾性率を有し、軸方向の熱膨張係数が２ｐｐｍ／℃以下の高弾性率繊維６５〜９５重量部とを、前記ハニカムセル壁中の前記熱可塑材および高弾性率繊維の総量に基づいて含み、
   前記ハニカムの前記Ｚ寸法における熱膨張係数が１０ｐｐｍ／℃以下である、ハニカム。
2. 前記熱可塑性材料が、５〜２０重量部の量で存在する請求項１に記載のハニカム。
3. 前記高弾性率繊維が、約８０〜９５重量部の量で存在する請求項１に記載のハニカム。
4. 前記熱可塑性材料の熱膨張係数が、１００ｐｐｍ／℃以下である請求項１に記載のハニカム。
5. 前記高弾性率繊維の軸方向の熱膨張係数が、（−１）ｐｐｍ／℃以下である請求項１に記載のハニカム。
6. 前記ハニカムの前記Ｚ方向の熱膨張係数が、５ｐｐｍ／℃以下である請求項１に記載のハニカム。
7. 前記熱可塑材が、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミド−イミド、ポリエーテル−イミド、ポリフェニレンスルフィド、液晶ポリエステルおよびこれらの混合物からなる群から選択される請求項１に記載のハニカム。
8. 前記熱可塑性材料が、無機添加剤を含む請求項１に記載のハニカム。
9. 前記高弾性率繊維の少なくとも５０重量パーセントが、フロックの形態にある請求項１に記載のハニカム。
10. 前記フロックの切断長さが、２ｍｍ〜２５ｍｍである請求項９に記載のハニカム。
11. 前記高弾性率繊維が、ポリ（パラフェニレンテレフタルアミド）繊維を含む請求項１に記載のハニカム。
12. 前記高弾性率繊維が、パラ−アラミド、ポリベンズアゾール、ポリピリダゾールポリマー、液晶ポリエステル、炭素またはこれらの混合物からなる群から選択される請求項１に記載のハニカム。
13. 前記構造用樹脂またはマトリックス樹脂が、熱硬化性樹脂である請求項１に記載のハニカム。
14. 無機粒子をさらに含む請求項１に記載のハニカム。
15. 請求項１に記載のハニカムを含む物品。
16. 請求項１に記載のハニカムを含む空力構造物。
17. 請求項１に記載のハニカムを含むパネル。
18. 前記ハニカムの面に取り付けられたフェースシートをさらに含む請求項１７に記載のパネル。