JP2013519546A - 繊維複合材料からのシート状の半製品の製造法 - Google Patents

Abstract

本発明は、炭素単繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物を定義された異方性配向で含有し、かつ少なくとも１つの熱可塑性マトリックス材料を含有する繊維複合材料からのシート状半製品の製造法に関し、該方法は、炭素繊維の異方性を、炭素と異なる紡織繊維の良好な配向性を利用しながらカード法において発生させ、その際、炭素と異なる紡織繊維の少なくとも部分が熱可塑性であり、かつ炭素繊維は炭素繊維含有の廃材又は使用済み品から分離したことを特徴としている。カード法によって面状に作製された、長手方向において炭素繊維の特定の配向を有する繊維ウェブは、少なくとも１つの後続の工程において熱の作用下でシート材料へと圧縮する。本発明による方法により、炭素繊維を、例として、紡織繊維系の製造廃物、付着又は硬化した製造廃物から、調製された使用済みＣＦＫ部材等から、強化繊維として用いることが可能となり、それをもって、より費用対効果が大きい出発材料が提供され、かつ上述の使用済み品に含まれた炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物が、目的に適った使用に新たに供給される。

Description

本発明は、繊維と少なくとも１つの熱可塑性マトリックス材料とを含有する繊維複合材料からのシート状の半製品の製造法に関し、その際、繊維含有の廃材又は使用済み品から繊維を分離し、これらを熱可塑性繊維と混合し、かつカード法において面状にすることで、繊維ウェブを作製し、該ウェブを、少なくとも１つの後続の工程において熱の作用下でシート材料へと圧縮する。

炭素繊維は、熱可塑的に又は熱硬化的に結合された繊維複合材料（ＦＶＷ）の繊維強化物として用いられている。最大の補強効果を達成するために、これまで、繊維強化は、主として連続炭素繊維材料、例えばフィラメントヤーン、マルチフィラメントヤーン又はいわゆるロービングの形態で行われている。これに対して、炭素繊維は、古典的な紡織繊維系加工の分野から公知であるような、例えば２０ｍｍ〜８０ｍｍの範囲の不連続繊維長を有するカット繊維としては市場に提供されておらず、なぜなら、それらの加工には問題がより多く含まれているからである。

炭素繊維材料は、数年前から規模を増加して、高性能の繊維材料強化物として使用されてきている。主たる適用は、例えば、航空機製造、船舶製造、自動車製造や、風力設備においてである。大量適用がいっそう広がることによって、炭素繊維含有の製造廃材の量が、使い古された使用済み品の処理量と同様に増大する。

炭素繊維は、その煩雑な製造法に基づき非常に高価である。価格は、特殊なタイプでは、約１５ユーロ／ｋｇ〜約３００ユーロ／ｋｇの間で変動している。それゆえ、経済的及び環境保護対策的な理由から、廃材及び使用済み品を調製するための手段を生み、かつ、それらの中に含まれた炭素繊維分を新たな適用に供することが望まれており、そこでは、該炭素繊維が、高価な一次炭素繊維の代わりに少なくとも部分的に用いられることができる。

産業界では、廃材を切断及び／又は粉砕し、そして、例えばプラスチック又は建築材料中での補強のために用いることで炭素繊維含有の製造廃材を再利用する試みがすでに存在していたにも関わらず、これまで主に、これらの廃材の僅かな部分のみが集められ、市場に出されていた。これまで、大量の炭素繊維含有の廃材のための価値の高い再利用は存在していなかったことから、それらはゴミとして処分されなければならなかった。

一次炭素繊維の製造は、先行技術に従って、通常、適した前駆体有機繊維、例えばポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）又はビスコース繊維から、制御された熱分解によってか、又はピッチから（この場合、溶融紡糸によって、まずピッチ繊維が製造され、次いで該繊維は酸化及び炭化される）のいずれかによって行われる。相応する方法が、例えばＥＰ１６９６０５７Ａ１から公知である。そこでは、ピッチから製造された一次繊維がステープルファイバーマットへと加工され、その中で繊維は、有利な方向に向いた配向を有している。この公知の方法は、繊維を平行化するためのカーディング工程を包含する。しかしながら、この場合、炭素繊維ウェブから、最終的にヤーン、ひいては直状の最終生成物が製造される。

従来技術から基本的に公知なのは、ハイブリッドストリップからテープ条の固化された半製品を製造することであり、該半製品中には、不連続長の強化繊維と熱可塑性マトリックス繊維とが含まれている。ＤＥ１０１５１７６１Ａ１には、この種の方法が記載されており、該方法の場合、まずカードテープが熱可塑性マトリックス繊維と天然繊維とから製造され、次いでそれは貯蔵装置、案内装置及び最終的に布設ユニットを通過する。加熱ゾーン内での加熱及び固化後にテープ状半製品が得られる。この文献中では、天然繊維の代わりに炭素繊維も強化繊維として用いられることが言及されている。

ＷＯ９４／０９９７２Ａ２は、配向された不連続強化繊維を有する複合材料の製造法を記載し、該方法の場合、熱可塑性繊維と強化繊維からの混合物のカーディングによって、まず繊維材料ウェブが製造され、かつ、該ウェブから繊維テープが製造される。次いで複数の繊維テープが、連続的な熱可塑性相の製造のために互いに溶融され、該熱可塑性相は、次いで不連続強化繊維を取り囲む。この文献では、炭素繊維を強化繊維として使用することも言及されている。しかしながら、それらは一次生産からの従来の炭素繊維である。

ＤＥ１０２００８００２８４６Ａ１には、繊維強化半製品又は繊維含有半製品が再利用される廃材調製法が記載されている。この場合、マトリックス材料中で結合した繊維が該マトリックス材料から切り離され、かつ得られた独立した繊維が、その直後にバインダーで湿らせられる。しかしながら、半製品からの繊維のこの分離は、炉内で、つまり熱分解によって行われる。この方法の場合、最終生成物は、湿らせられた繊維からの繊維束であり、該刊行物中では、それの更なる加工についての記載は見当たらない。

ＤＥ１９８４５８６３は、それぞれケーシングに埋め込まれている炭素繊維強化プラスチックからの一方向繊維ストランドを包含する構造エレメントを記載する。航空機製造用に定められているこれらの構造エレメントの場合、大きな一方向剛性が得られるべきである。しかしながら、この場合、連続繊維を有する繊維ストランドが使用される。この文献は、繊維含有の廃材又は使用済み品のリサイクルからの繊維の使用に関する示唆を含んでいない。

ＤＥ１９７３９４８６Ａ１からは、冒頭で挙げた種類の繊維複合材料からのシート状の半製品の製造法が公知になっており、その際、リサイクルされた熱可塑性材料、すなわち、カーペット製造からの繊維廃材が、ルーフ製造からの廃材物質と混合され、そしてカード機によって梳かれる。熱可塑性繊維は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロン又はＰＥＴから成っていてよい。これらの繊維は、更なる加工前に、約５０ｍｍまでの長さのストリップに細断される。ルーフ製造からの廃材物質は、針状の隆起を有するローラーによってむしり取られ、そしてストリップに分割される。両方の廃材物質は混合され、そしてカード機によって梳かれる。この文献は、目的に応じた繊維の配向（配置方向）のための措置が行われることに関する更なる説明を含んでいない。さらに、この刊行物中には、廃材からの炭素繊維の使用についての情報は見出せない。

ＤＥ１９７３９４８６Ａ１では、このように製造された製品が、「緩衝用に役立つものを含む、装飾的な車体部分」にしか適していないことが説明される。使用が制限される原因は、この方法において、一方では、ルーフ内張りのリサイクルから生じるガラス繊維やポリエステル繊維が熱可塑性バインダーと一緒に使用されることと、他方では、カード技術がマット形成だけに用いられており、しかしながら、優先方向における補強繊維の目的に合わせられた高い配向には適していないことにある。

本発明の課題は、冒頭で挙げた種類の繊維複合材料からのシート状の半製品の製造法を提供することであり、その際、安価に得られる炭素繊維が強化繊維として用いられることができ、かつ負荷に適合した強化繊維配向を有するシート状の半製品が実現化されることができる。このようなシート状の半製品は、殊に、高い機械的負荷に対する構造エレメントの製造に適しているべきである。

この課題の解決手段は、主請求項の特徴部を有する冒頭で挙げたタイプの方法が提供する。

本発明によれば、炭素繊維含有の廃材又は使用済み品から、炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物を分離し、これらを熱可塑性の異種繊維と混合し、カード処理で面状にし、かつ繊維の適切な配向（長手方向に向く）を有する繊維ウェブが発生するように調整し、該繊維ウェブは、少なくとも１つの後続の工程で熱の作用下でシート材料へと圧縮することが定められている。

リサイクルプロセスから、安価な高性能炭素繊維が取得され、該炭素繊維は、熱可塑性の異種繊維と一緒にマット様の半製品の形で、負荷に適合した強化繊維構造が実現されるように適切に優先方向に向かって敷かれる。

炭素繊維は、従来のカード技術によっては加工され難く、かつ殊に、ある特定の優先方向でカードウェブに調整され難く、それというのも、炭素繊維は平滑であり、かつクリンプを有さないからである。ところで意想外にも、異種の紡績繊維、例えばポリプロピレンの添加によって、炭素繊維の繊維配向度を定義される形で本質的に高めることに成功した。カードウェブ中の炭素繊維の長手配向度は、なかでも混合された異種繊維の形状に依存し、殊に繊維長並びに添加量に依存する。僅かな、例えば約１０％の異種繊維割合と、例えば３５〜４０ｍｍの短さの異種繊維は、より度合いの小さい繊維配向をもたらす。例えば６０ｍｍを超える長さの、並びに例えば３０％を上回る割合の異種繊維は、炭素繊維の高い繊維配向をもたらす。

カードウェブ中での炭素繊維の繊維配向度に適切に影響を及ぼす補助繊維の利用は、前で引用した従来技術からの刊行物のいずれにも記載されていない。

例えば、炭素繊維は、製品類の織物、層状物、編物又はプレフォームの形のそれらのサンドイッチの使用済み品若しくは廃材から、製品類のカード可能な繊維における繊維複合材料及び／又は乱雑に絡み合った層における繊維束体の廃材物質又は使用済み品から、かつ有利には２０〜１５０ｍｍの範囲の、さらに好ましくは約４０ｍｍ〜約７０ｍｍの範囲の平均繊維長若しくは繊維束長で取得及び分離されることができる。紡織繊維束を単繊維に開繊するための例示的な適した装置が、ＤＥ１０２００９０２３６４１Ａ１に記載されており、この開示内容は参照をもって引用したものとする。別個の処理として、さらに例えば、熱分解又は溶媒処理による硬質炭素繊維複合材料（ＣＦＫ）の引裂又は調製が公知である。

本発明により、有利には、熱可塑性バインダー繊維と、不連続の炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物とからの可能な限り均一な混合物が、カード処理によって繊維マットへと加工される。炭素繊維は、多かれ少なかれ適切に配向され、熱可塑性繊維の部分が加熱によって粘着性状態にもたらされ、圧密化され、シート品へと圧縮され、その後に冷却される。

本発明による方法は、例として、紡織繊維系の製造廃材、付着又は硬化した製造廃材から、調製された使用済みＣＦＫ部材等から強化繊維として分離された炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物を用いることを可能にし、それをもって、より安価な出発材料が提供され、かつ上述の使用済み品に含まれた炭素繊維が、新たに目的に適った使用に供給されることになる。したがって、本発明による方法は、好ましくは、出発材料として切断された織物残糸に限られない。ずっと大量に発生する廃材の他の形態、例えば層状物、編物、スタック、接着された多層半製品、そればかりでなく硬化されたＣＦＫ残材及び使用済み品が、そこから分離された炭素リサイクル繊維用の供給源として用いられることができ、かつ、この方法において同様に使用可能である。同じことが、分離されたリサイクル繊維、リサイクル繊維束又はそれらの混合物にも適用され、これらは、独立したプロセス、例えば引裂処理、ハンマーミル処理又は熱的／化学的調製法から生じる。これらの炭素繊維は、単繊維及び存在する乱雑層及び堆積物における混ぜ織りにまで解繊するその高い度合に基づき、従来の方法を用いて適切かつ定義された形で配向させることができない。しかしながら、本方法はこれを可能し、それゆえ、係る由来の繊維／繊維束も単位面積当たりの質量を均一化してプリプレグへと加工する可能性を与える。

接着性樹脂で含浸されている炭素廃材又は使用済み品、又はＣＦＫ部材又は部材残材が、固体複合材料中に炭素繊維が埋め込まれているものである場合、炭素繊維はまず、不要なマトリックス物質から取り除かれる。このために、例えば熱分解手法を用いることができるか、又は廃材は超臨界溶媒で処理される。これらの分離処理からの生成物として、不連続の炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物が堆積物として生じる。

本発明による方法の有利な特徴は、出発材料として、紡織繊維系の炭素廃材の調製及び／又はＣＦＫ部材の材料リサイクルに由来している少なくとも一定の割合の炭素繊維、並びに場合により切断された一次繊維（新しい物）の一定の割合を使用することである。

まず不連続炭素繊維からの少なくとも１つの層を、カード法において不連続炭素繊維を面状にすることによって作り出す。従来技術とは異なり、最初にカードスライバーは作り出さず、カード装置に進入する繊維層を、薄くて目付均一の繊維ウェブへと直接加工する。

本発明の有利な発展形態によれば、ランダムに結合した熱可塑性繊維及びランダム不連続炭素繊維及び／又は乱雑に存在する炭素繊維束からの実質的に均一な混合物を、カード処理によって位置調整し、繊維マットへと加工し、熱可塑性繊維の少なくとも部分を熱によって接着性状態にし、圧密化し、かつシート材料へと圧縮し、その後に冷却することが定められる。

本発明により使用された炭素繊維若しくは炭素繊維束は、有利には１０ｍｍ〜１５０ｍｍの平均繊維長、好ましくは２５ｍｍ〜１５０ｍｍの平均繊維長を有する。１０ｍｍ〜１５ｍｍの平均繊維長を有する非常に短い炭素繊維若しくは炭素繊維束が使用される場合、カード性は、より長いバッキング繊維の必要とされる量によって決定される。ここで適用されるのは、炭素繊維が短ければ短いほど、それだけ一層多くの量で、付加的により長いバッキング繊維がカード機に供給されるべきことである。これらは、一方では、より長い炭素繊維であっても、より長い非炭素系の異種繊維であってよい。

本発明の範囲においては、炭素繊維及び／又は炭素繊維束を熱可塑性マトリックス材料と混合する様々の有利な可能性が存在する。例えば、カード装置の入口で炭素繊維と熱可塑性繊維とを、それぞれ別個の層として供給し、かつ、これらをカード機内で均質に混合してもよい。

例えば、不連続繊維の形態の熱可塑性成分を炭素繊維と、層形成の前又は層形成の間に、完全かつ均質に互いに混合してもよい。

例えば、個々の繊維成分、すなわち、炭素繊維、熱可塑性マトリックス繊維と、場合により、他の組成のさらに別の繊維とを、それぞれ分類して種々の層の形で繊維ウェブ又は不織布テープとして重ねて面状にし、かつ熱可塑性マトリックス成分による全ての層の十分な浸透と、熱固化後の層相互の緻密な結合を得るための措置を行ってもよい。

本発明の範囲においては、炭素ランダム繊維、ランダムな炭素繊維束又はそれらの混合物と熱可塑性バインダー繊維とからの混合物を、マット製造前の独立した繊維混合プロセスによってか又はマット形成中の繊維混合プロセスによって作り出すことが有利である。

本発明による半製品は、例えば、炭素繊維含有の廃材又は使用済み品からの炭素繊維の他にも、不連続一次品（新しい物）の形態の炭素繊維の割合を含有してよい。同様に、これらのシート状の半製品は、例えば、炭素繊維の他にも更なる補強作用を有する不連続形の繊維成分、殊にパラアラミド、ガラス繊維、天然繊維、不融性化学繊維及び／又はマトリックス繊維より高い融点を有する繊維を含有してもよい。

本発明による殊に質量−又は体積均一の炭素繊維含有の平面形成物を製造するための手法として、使用される不連続炭素繊維の種類に応じて、存在する繊維長、繊維長分布に優先的に依存して、例えば自体公知の乾燥技法、例えば不織布カーディング法を用いることができる。該方法のための炭素繊維出発材料は、例えば：
− 細分された一次繊維、
− 細分された及び／若しくは繊維状にほぐされた層状物、織物、若しくは編物の残地、
− 細分された及び／若しくは繊維状にほぐされた糸くず、ロービング残地、若しくは層状物製造若しくは残留スプール材料からのエッジカッティング、
− 細分された及び／若しくは繊維状にほぐされた及び／若しくは熱的に若しくは溶媒を用いて前処理されたプリプレグ廃材又は、
− 細分された及び／若しくは繊維状にほぐされた及び熱的若しくは溶媒で処理された樹脂含有廃材、ＣＦＫ硬質部材及び古い建築部材である。

以下では、例示的に、具体的かつ有利な本発明による方法の実施変更態様を詳細に説明する。

繊維状の混和成分、例えば後で結合作用する熱可塑性繊維材料を、層形成前の独立した処理工程において、例えば紡織繊維混合ベルトを介してか、又は層形成の間に直接、例えばカード機において炭素繊維と完全に均質に混合してもよい。例えば、紡織カード機（そのローラーフィッティングに関して炭素繊維の加工に適合させられており、かつ導電性炭素繊維塵の漏れに対して外に向けて隔てられている）によって、完全かつ均質な混合物の形の炭素繊維は、単位面積当たりの質量が均一な繊維ウェブへと加工される。有利には約１５〜６０ｇ／ｍ²の単位面積当たりの質量を有するこの繊維ウェブは、例えば、後続のライニング工程において、熱固化された半製品の所望の単位面積当たりの最終的な質量にまで縦ライナー若しくは横ライナーでライニングされるか、又はこれは連続して作動するｎ個のカード機のｎ個の数のウェブを重ねて供給することによって達成される。

カード機から搬出されるウェブの単位面積質量のパラメーターとライニングプロセスとにより、ウェブ層の単位面積質量が定義された形で調整されることができる。カーディングパラメーターの選択、殊に繊維進入速度と繊維搬出速度との比により、カードウェブにおける種々の繊維長配向を得ることができる。カード機におけるこの設定及び／又はさらに事前にライニング若しくは何度もダブリングされたカードウェブの後に行われる不織布延伸は、熱可塑性マトリックス、例えばポリプロピレンマトリックスを有するそこから製造されたＦＶＷシート内で、目的に合わせて複合体強度及び／若しくは複合体剛性の異方性が、殊に１：１．５〜１：１０、好ましくは１：２〜１：７の範囲に調節されることができる程度の繊維配向を生ぜしめることができる。求められる繊維配向（異方性）の測定は、繊維複合材料シート（ＦＶＷシート）について行われる。

その際、係るＦＶＷシートの製造は、例えば、以下の規定に従って行われる：
− 炭素繊維とポリプロピレン繊維との混合物から成るカードウェブを、ｘ ｃｍ長とｙ ｃｍ幅の断片（これは、例えば方形であってもよい）に打ち抜きする；
− カードウェブ中の炭素繊維割合が約４０％を超える場合、有利にはＰＰフィルムを、ほぼ同じ長さと幅の断片に打ち抜きする；
− 炭素カードウェブの複数の層を重ね敷きし、その際、ウェブを同じ流れ方向で重ね敷きする。カードウェブ中の炭素割合が４０％を上回る場合、有利には、付加的に打ち抜きされたＰＰフィルムを、初めは表面及び裏面に、必要とされる場合は、付加的に交互にカードウェブ層間に挿入する；
− そのようにして形成されたサンドイッチを、シートプレスにおいて、例えば約２００℃の温度と、プレスに調整された例えば約４００Ｎ／ｃｍ²の圧力で圧縮する；
− 冷却後、ＣＦ／ＰＰ複合体から、有利には長方形の試験体を、一回は縦に、一回は繊維配向に対して９０°の角度で切断し、その際、続けて、例えば引張応力［ＭＰａ］と引張弾性率［ＧＰａ］を測定することができる；
− その際、例えばカード機運転方向におけるのとカード機運転方向を横切った方向におけるそのつど少なくとも５つの引張応力及び／又は引張弾性率の個々の測定値の両方の平均値の商から異方性が判明する。

処理工程の繊維ブレンド、カーディング、ライニング／ダブリング、必要な場合には不織布延伸の他に、不連続の配向された炭素繊維と熱可塑性の紡織繊維とから成る目付均一で混合均一の束になっていないこの繊維層状物を、熱可塑性繊維が軟化又は溶融する強さで加熱してよく、引き続きプレス圧力により圧密化し、かつ加圧下で又は付加的な外部の機械的な圧縮力なしに冷却固化してよい。そのようにして製造されたウェブ品を、例えば、引き続き巻き取り、シートへと切断するか又は不規則に面状の形に打ち抜きしてよい。

有利には、熱可塑性成分の割合は、製品の達成可能な緻密度を決定する。炭素繊維中での熱可塑性繊維成分の技術的な限界は存在しない。製造観点から、炭素繊維成分の使用は、５％〜９５％の範囲で、好ましくは３０％〜８０％の範囲で変動してよい。

炭素繊維の他に、さらに別の不連続繊維、例えば天然繊維、パラアラミド繊維、ガラス繊維、セラミック繊維又はポリアクリロニトリル繊維を方法プロセスに導入してもよい。これらは、熱可塑性繊維と同じように、カーディング前に又はカーディングの間に完全かつ均一に混合される。

カード機による完全均一な混合は、有利には、カード機に単位面積当たりにつき正確な質量と単析面積当たりにつき一定の質量の繊維層を供給することによって行い、その際、該カード機内で混合される種々の繊維材料は、単位面積当たりにつき正確な質量と単析面積当たりにつき一定の質量とを有する重なり合う繊維層として供給する。このような単位面積当たりにつき正確な質量と単析面積当たりにつき一定の質量とを有する積層物は、例えば、連続的に接続された従来のカード供給装置、例えば供給シュート、繊維供給機又は僅かに固化された別個の不織布層を重ねて供給することによって生じさせられることができる。個々の層の繊維材料の組成は、それぞれ異なっていてもよく、その際、個々の層は、種々の繊維材料の定義された混合物からすでに成っていてもよい。

このようなカードプロセスによって作製可能である、配向された炭素繊維を有する繊維ウェブを付加的に、例えば、カードプロセス後に、連続繊維材料、例えば糸、ロービング、層状物、織物、格子状物、編物及びメリヤス生地と素材的に組み合わせてよく、これらは、熱固化プロセスにおいてカードの繊維ウェブ層と結合されて、熱可塑性マトリックスを有する繊維複合材料用の半製品を形成する。

存在する炭素繊維長に応じて、これらは層形成のプロセスに直接導入してよく、又は加工性の改善のためにさらに細分してよく、かつ／又は、例えばサイズ剤、接着促進物質又は後で形成されるプラスチックに効果をもたらす付加的な他の試剤、例えば難燃剤、染料、離型剤又はレオロジー助剤(Tribologiehilfsmittel)で仕上げるか若しくはそれらと混合してよい。さらに、炭素繊維材料に、例えば耐衝撃性改良又は機械的補強のための付加的に機能性を持つ異種材料、例えばパラアラミド、ガラス繊維、天然繊維又は不融性の化学繊維若しくはマトリックス繊維より高い融点を有する繊維を混合することが可能である。繊維状の混和成分、例えば後で結合作用する熱可塑性繊維材料を、層形成前の独立した処理工程において、例えば紡織繊維混合ベルトを介して、又は層形成の間に直接、例えばカード機において、その他の繊維分と完全かつ可能な限り均質に混合してもよい。システムミキシングの手段が利用される場合、個々の繊維成分は分類されて、例えば異なる層の形で、繊維ウェブ又は不織布ウェブとして重ねて敷く。ここで重要なことは、熱可塑性バインダー成分が、熱固化後に全ての層の相互の緻密な結合が保証されるように、全ての層に十分浸透することである。これは、全ての成分を互いに均質に混合することによって、例えば熱可塑性樹脂と補強成分とを有する薄層の交互構造により、又は、例えばニードリングプロセスを用いて熱可塑性バインダー繊維を炭素繊維層に完全に貫通させることによって達成されることができる。薄層の場合、又は熱可塑性溶融物による良好な浸潤度が得られる場合は、不融性成分がコア層として配置されているサンドイッチで十分である。

熱可塑的に結合する成分として、一般に、従来技術から公知の非常に多岐にわたった熱可塑性プラスチックマトリックスが考慮に入れられる。これは、低融点のポリエチレンから、ポリプロピレン、ポリアミドを経て、高融点の熱可塑性樹脂ＰＥＥＫ又はＰＥＩにまで至る。熱固化パラメーター、例えば温度、滞留時間、圧力と、場合によっては不活性ガス雰囲気の使用とは、これらのポリマーの特殊性に合わせられなければならない。熱可塑性バインダー成分の使用可能な形態は、小さい粒子、例えば粉末から、短繊維、紡織長繊維、不織布−又は繊維材料層、スパンボンド、フォイルを経て、ポリマー溶融物にまで至る。

面状の層配列における不連続炭素繊維と熱可塑性バインダーとの、炭素繊維対熱可塑性樹脂の可能な限り一定の質量比を伴う組合せに従って、この層は、熱可塑性成分が軟化若しくは溶融するように加熱される。しかしながら、ポリマー溶融物を使用した場合には、この工程は必要ではない。この場合、例えば拡張ダイにより炭素繊維層への塗布を行ってよく−引き続き加圧成形により圧密化が行われ、かつ加圧下で又は外部の付加的な機械的な圧縮力なしに冷却硬化される。

熱可塑性成分の割合は、シート品の達成可能な緻密度を決定する。熱可塑性樹脂成分の下限値は、好ましくは約５％であり、その際、固化効果を証明し得るには、炭素繊維と熱可塑性成分とが可能な限り均質に完全に互いに混合されているべきである。サンドイッチ法の場合、約１５〜２５％の最小割合が好ましい。

熱可塑性樹脂成分の割合により、例えば、シート状の半製品の硬度は幅広い範囲で変化させられることができる。これは、孔隙のない緻密な状態から、孔隙率が上昇している状態を経て、熱固化された僅かな密度の繊維不織布状態にまで至る。使用された炭素繊維材料に加えて、不連続形態の更に別の繊維材料を使用してもよい。これらは、炭素繊維成分と同じように、層形成前若しくは層形成の間に又は材料を積層する際の別個のシステムコンポーネントとして繊維混合工程によって供給されることができる。

本発明の対象は、さらに、前述の種類の方法において製造されており、かつ半製品中の熱可塑性マトリックス材料の割合が、約５％〜約９５％の範囲に、好ましくは約３０％〜約７０％にある繊維複合材料からのシート状半製品である。

有利なのは、炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物が不連続長及び／又は長分布を有し、かつ炭素繊維及び／又は炭素繊維束が半製品中で、それらの部分は半製品全体を間断なく貫かないように存在しているシート状の半製品の場合である。

さらに、このシート状の半製品が、不連続の炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物と、天然繊維、パラアラミド繊維材料及びガラス繊維から殊に選択された更なる不連続の補強繊維とから製造されていることが有利である。例えば、このようなシート状の半製品は、連続補強繊維、例えば連続炭素ロービング、パラアラミドヤーン及び／又はガラスフィラメントヤーンと糸、層状物、織物又は格子状物の形態で組み合わせられることができる。

従属請求項に挙げた特徴は、本発明による課題解決手段の有利な発展形態に関する。本発明の更なる利点は、以下の詳細な説明から明らかになる。

以下では、具体的に実施例に基づき本発明を詳細に説明する。自明の通り、これらの実施例は単に例を使って説明するものであり、本発明はこの実施例に挙げられた具体的な処置やパラメーターに限定されるものではない。

カード装置の原理の図式的に簡略化した図

実施例１
７ｄｔｅｘの繊度及び６０ｍｍの繊維公称長のポリプロピレン７０％と、６５ｍｍの平均繊維長を有する層状物製造からの廃材炭素繊維３０％との均質な繊維混合物を、３対のワーカー／ターナーが取り付けられていたカード機で、２５ｇ／ｍ²の単位面積質量の繊維ウェブへと加工した。このカードプロセスによって繊維ウェブ中で繊維長手配向を生み出し、係る長手配向は、このウェブの１０個の層を同じ材料方向で重ね敷きし、かつシートプレスにおいて２００℃及びプレスに調整された４００Ｎ／ｃｍ²の圧力で圧縮することによって加工した場合の繊維複合材料から得られ、この繊維強化された複合材料は、該繊維複合材料おけるカードウェブの流れ方向における引張弾性率が、該繊維複合材料に対して９０°の角度における引張弾性率の５倍であった。

実施例２
繊維／繊維混合物を加工してシート状の半製品を形成する例
シート状の炭素繊維含有半製品の製造のために、炭素織物廃材１００％から取得した平均繊維４０ｍｍを有する炭素リサイクル繊維と、３．３ｄｔｅｘ、６０ｍｍのＰＡ６−紡織ステープルファイバーとを出発材料として用いた。両方の材料を、ＰＡ６ ３０％とリサイクル炭素繊維（ＲＣＦ）７０％の質量比で、繊維工業において通常用いられる混合床と引き続くミックストオープニング技術(Mischoeffnertechnik)とにより、いわゆるフロック混合物として互いに密接に混合した。この繊維混合物を、引き続きカード装置に装入した。このカードプロセスによって繊維ウェブ中で繊維長手配向を生み出し、係る長手配向は、このウェブの１０個の層を、ＰＡ６フィルムを間に挿入することにより３５％の炭素繊維最終含有率にまでしながら同じ材料方向で重ね敷きし、かつ２４０℃でのシートプレスで圧縮することによって加工した場合の繊維複合材料から得られ、該繊維複合材料おけるカードウェブの流れ方向における引張弾性率は、該繊維複合材料に対して９０°の角度における引張弾性率の３倍であった。

実施例３
面状のシステムミクスチャを加工してシート状の半製品を形成する例
カード装置で、クロスラッパーと引き続くニードルパンチ機とを利用して、３．３ｄｔｅｘ、６０ｍｍの市販のＰＡ６−紡織繊維１００％より成る１８０ｇ／ｍ²の面積単位質量を有する２つの不織布ウェブを製造した。両方のフリースウェブを、１ｃｍ²当たり１２個の針で、上から一度ただ軽く突き刺した。続く作業工程において、織物廃材から取得した４０ｍｍの平均繊維長を有するリサイクル炭素繊維１００％を、炭素繊維の加工用に特別に技術的に改良されたカード技術によって、３０ｇ／ｍ²の均一な面積単位質量を有する面状のカードウェブへと加工し、かつ、この連続的にカード機から引き抜かれたウェブを、クロスラッパーにより、それに対して９０℃の角度で連続的に進む送出シートに交差して重なり合う形で、７８０ｇ／ｍ²の単位面積質量が生ずるように敷いた。送出シートと積重されるべき炭素繊維ウェブ層との間には、前もって作製していたニードル不織布ベルトが置かれており、そうして炭素繊維層はＰＡ６−ニードル不織布上に配置された。後続のニードルパンチ機に入る前に、１８０ｇ／ｍ²の第二のＰＡ６−ニードルフリースを被覆層として巻き取り、それによりＰＡ６ニードルフリース１８０ｇ／ｍ²−ＲＣＦウェブ層７８０ｇ／ｍ²−ＰＡ６−ニードルフリース１８０ｇ／ｍ²のサンドイッチを組み立てた。このサンドイッチを、そのつど１ｃｍ²当たり２５個の針で上と下から突き刺して固化した。ニードルプロセスによって、ＰＡ６不織布被覆層の部分を、ＲＣＦ層を通して突き刺したことで、ＰＡ６とＲＣＦ層との言わばある一定の混合が生じ、これは、後の段階で達成可能な熱固化度の安定性に良い効果を及ぼした。外側層にＰＡ６をコア領域にＲＣＦを有する、そのようにして製造されたニードル不織布を、３０ｃｍ×３０ｃｍ片として互いに重ね合わせ、そして多段プレスで２４０℃にて１００秒間５０ｂａｒで圧縮し、引き続き冷却した。生じるシートから、依然として固化されていない軟らかいエッジを裁断機で分離した。

以下では、本発明の範囲において使用可能なカード機の作動原理を、添付の図面を引き合いに出しながらに例示的に説明する。

ここで、図１は、カード装置の原理の図式的に簡略化した図を示し、該装置は、例えば、本発明による方法に従った、なかでも炭素繊維を包含する繊維ウェブの製造のために適している。

該図は、カード装置に進入する少なくとも１つの（図中左）繊維層１４を示し、これは、まずエントリーローラー１、２を介して、これらのエントリーローラーに対して逆向きの回転方向で回転するリッカーイン３に達する。このリッカーイン３と、このリッカーインと同じ回転方向で回転する主要ドラム（Ｔａｍｂｏｕｒ）５との間には転送ローラー４が配置されており、これはリッカーイン３及び主要ドラム５とは逆向きに回転する。主要ドラム５の周囲には、円周上の様々の位置に種々のワーカー６とターナー７とが配置されている。このデバイスの課題は、進入する繊維層１４をカード装置中で個々の繊維にまで細分し、かつ再び定義された単位面積質量を有する薄くて目付均一の繊維ウェブへと形作ることにある。ここで、好ましくは、繊維をその長さに沿って配向させることが目的とされる。

主要ドラム５の後方には、ホイールクリーナー９を有するホイール８の下流で、これとは逆の回転方向で回転する引取りドラム１０が配置されており、該ドラム１０には下流の方でくし型ブレード(Hacker)１１が存在する。この引取りドラム１０から、繊維ウェブ１２が、最大８０ｇ／ｍ²まで、好ましくは約１５〜３０ｇ／ｍ²の単位面積質量を有する連続ウェブの形態で搬出され、その際、ウェブ中に相応して存在する炭素繊維は、定義された調整された有利な繊維長配向を有する。

１ エントリーローラー、 ２ エントリーローラー、 ３ リッカーイン、 ４ 転送ローラー、 ５ 主要ドラム（Ｔａｍｂｏｕｒ）、 ６ ツール、 ７ ターナー、 ８ ホイール、 ９ ホイールクリーナー、 １０ 引き取りドラム、 １１ くし型ブレード、 １２ 有利には長手方向に配向された炭素繊維を有する繊維ウェブ、 １３ 材料フロー、 １４ 進入する繊維層

Claims (13)

1. 繊維と少なくとも１つの熱可塑性マトリックス材料とを含有する繊維複合材料からのシート状の半製品の製造法であって、その際、繊維含有の廃材又は使用済み品から繊維を分離し、これらを熱可塑性繊維と混合し、かつカードプロセスにおいて面状にすることで、繊維ウェブを作り出し、該ウェブを、少なくとも１つの後続の工程において熱の作用下でシート材料へと圧縮する、前記製造法において、炭素繊維含有の廃材又は使用済み品から、不連続の炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物を分離し、これらを熱可塑性の異種繊維と混合し、カードプロセスにおいて面状にし、かつ方向付けすることで、繊維の（ウェブ長手方向に向いた）適切な配向を有する繊維ウェブを作り出し、該繊維ウェブを、少なくとも１つの後続の工程において熱の作用下でシート材料へと圧縮することを特徴とする方法。
2. カードプロセスにおいて適切かつ高い長手配向を得るために、熱可塑性の異種繊維を、繊維ウェブ中で少なくとも１：２の範囲の繊維異方性が生じるような混合比で及び／又は繊維形状により添加することを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 添加した熱可塑性の異種繊維が、約２５ｍｍ〜約１２０ｍｍ、好ましくは約４０ｍｍ〜約１００ｍｍの繊維長を有することを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
4. 熱可塑性結合したランダム繊維と不連続のランダム炭素繊維とからの実質的に均一な混合物、ランダム炭素繊維束からの実質的に均一な混合物又はそれらの混合物を、カードプロセスによって方向付けし、繊維マットへと整え、熱可塑性繊維の少なくとも部分を熱によって接着性状態にし、圧密化し、かつシート材料へと圧縮し、その後に冷却することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載のシート状の半製品の製造法。
5. 使用した炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物が、１０ｍｍ〜１５０ｍｍ、好ましくは２５ｍｍ〜１５０ｍｍの平均繊維長を有することを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 紡織繊維系の炭素廃材の調製及び／又はＣＦＫ部材の材料リサイクルに由来している少なくとも一部の炭素繊維、並びに場合により、細断された一次繊維（新しい物）の一部を使用することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物と熱可塑性結合繊維とから成る混合物を、繊維混合プロセスによってマット形成の間に作製することを特徴とする、請求項１〜３、５又は６のいずれか１項記載の方法。
8. 最初に方向が不規則に存在している炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物の適切な配向度を、繊維複合材料（ＦＫＶ）中で１：１．５〜１：１０の範囲の複合材料強度及び／又は複合材料剛性の異方性が達成されるようにカード機により作り出すことを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
9. 複合材料強度及び／又は複合材料剛性の異方性に、ウェブ層を生むための繊維ウェブのライニングプロセス後に、付加的な不織布延伸によって影響を及ぼすことを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 請求項１から９までのいずれか１項記載の方法に従って、炭素繊維含有の廃材又は使用済み品から不連続の炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物を分離し、これらを熱可塑性の異種繊維と混合し、カードプロセスにおいて面状にし、かつ方向付けすることで、繊維の（ウェブ長手方向に向いた）適切な配向を有する繊維ウェブを作り出し、該繊維ウェブを、少なくとも１つの後続の工程において熱の作用下でシート材料へと圧縮することによって製造された、繊維と少なくとも１つの熱可塑性マトリックス材料とを含有する繊維複合材料から製造された、繊維複合材料からのシート状の半製品において、半製品中での熱可塑性材料の割合が、約５％〜約９５％の範囲にあり、好ましくは約３０％〜約８０％であり、かつ炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物が、不連続長及び繊維長分布を有することを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法に従って製造された繊維複合材料からのシート状の半製品。
11. 炭素繊維が半製品中で、それらの部分は半製品全体を間断なく貫かないように存在していることを特徴とする、請求項１０記載のシート状の半製品。
12. 不連続の炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物と、天然繊維、パラアラミド繊維材料及びガラス繊維から殊に選択された更なる不連続補強繊維とから製造されていることを特徴とする、請求項１０又は１１記載のシート状の半製品。
13. 連続補強繊維、例えば連続炭素ロービング、パラアラミドヤーン及び／又はガラスフィラメントヤーンと糸、層状物、織物又は格子状物の形態で組み合わせられていることを特徴とする、請求項１０から１２までのいずれか１項記載のシート状の半製品。

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