JP2013530855A - 強化引抜成形異形材の形成方法 - Google Patents

強化引抜成形異形材の形成方法 Download PDF

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Abstract

少なくとも１つの連続繊維層と少なくとも１つの不連続繊維層を含有する異形材を形成するための方法および装置を提供する。該方法のさまざまな特徴を選択的に制御して、増大した横断強度および曲げ弾性率を有する異形材を達成する。例えば、連続繊維層は、熱可塑性ポリマーマトリックス内に埋め込まれている繊維を含有する１以上の連続繊維強化リボン（“ＣＦＲＴ”）から形成される。該繊維は、ボイド率を最低限に抑えて曲げ弾性率を最適化する方法により、マトリックス内に埋め込まれる。さらに、連続繊維が実質的に長手方向（例えば、引抜成形の方向）に位置を合わせて固定されたままになるように、リボン（１以上）を圧密化する。異形材の引張特性の向上に加え、そのようなリボンを使用すると、連続繊維材料をより容易に処理し、引抜成形ダイ内の望ましい位置に置くことも可能になる。不連続繊維も熱可塑性マトリックス内に埋め込まれる。とりわけ、これは層の結合を助けることができ、その結果、望ましい強度を達成するのに接着剤が必要ではなくなる。同様に、どちらかと言えば長手方向に方向付けられるが、増大した横強度がもたらされるように、繊維の少なくとも一部は横断方向に方向付けられる。
【選択図】図１

Description

[0001]本出願は、２０１０年６月２２日提出の仮出願第６１／３５７２８９号に対する優先権を主張するものである。該出願の内容全体を本明細書中で参考として援用する。一般的に言えば、本発明は、少なくとも１つの連続繊維層と少なくとも１つの不連続繊維層を含有する異形材を形成するための方法および装置を対象とする。
[0002]繊維強化異形材は、連続繊維を樹脂に通して引っ張り（“引抜成形し”）、その後、該繊維強化樹脂を引抜成形ダイ内で造形することにより、形成することが多い。異形材は機械方向（長手）に方向付けられている連続繊維を有するので、機械方向において高い引張強度を示すことが多い。しかしながら、そのような異形材の横断強度特性は不十分であることが多く、これが、幅方向（横断）に応力がかけられた時に材料が割れる原因になる可能性がある。これに関連して、横断方向において異形材を補強するために、さまざまな試みがなされてきた。例えば、Ｄａｖｉｅｓらの米国特許第７５１４１３５号明細書には、長手の引抜成形方向に伸長している強化用ロービングの第１層を提供し、第１層の上に第２層を形成することにより形成される引抜成形品であって、第２層が、横断方向に伸長する強化用繊維を少なくともいくつか含有するものが、記載されている。しかしながら、この方法に伴う一つの問題は、望ましい強度特性の達成を熱硬化性樹脂による補助に依存している点である。そのような樹脂は、製造中の使用が難しく、他の材料と層を形成するのに良好な結合特性を必ずしも持っていない。さらに、該特許公報中に記載されている方法は、選択された場所（例えば、必要とされている場所）に横断の繊維を施用することが難しいという点でも、問題を有する。
[0003]したがって、連続繊維層および不連続繊維層を含有する引抜成形異形材を形成する方法および装置が、現在必要とされている。
米国特許第７５１４１３５号明細書
[0004]本発明の一態様に従って、ある横断面形状を有する引抜成形異形材の形成方法を開示する。該方法は、連続繊維リボンを長手方向で引抜成形ダイに通して引っ張ることを含み、これに関し、該連続繊維リボンは、実質的に長手方向に方向付けられ第１の熱可塑性ポリマーマトリックス内に埋め込まれている連続繊維を含有する。不連続繊維材料を引抜成形ダイに導入する。これに関し、該不連続繊維材料は、第２の熱硬化性マトリックス内に埋め込まれている不連続繊維を含有する。引抜成形ダイ内で、不連続繊維材料と連続繊維リボンを組み合わせて、異形材の第１層および第２層を形成する。第１層は第２層に隣接して位置決めされ、不連続繊維材料を含有する。第２層は連続繊維リボンを含む。
[0005]本発明の他の態様に従って、異形材を形成するための引抜成形装置を開示する。該装置は、内部キャビティを規定する引抜成形ダイ、１以上の連続繊維リボンを引抜成形ダイの内部キャビティに通して引っ張るように構成されている引取装置、引抜成形ダイの内部キャビティ中に不連続繊維材料を押し出すように構成されているクロスヘッド押出装置、および引抜成形ダイの内部キャビティ内に位置決めされているマンドレルを含む。該マンドレルは、不連続繊維材料が上方を流れて異形材の第１層を形成するように構成されている第１区画と、連続繊維リボンが上方を流れて異形材の第２層を形成するように構成されている第２区画を有する。
[0006]本発明の他の特徴および観点を、以下でより詳細に説明する。
[0008]図１は、本発明で採用することができる引抜成形システムの一態様の略図である。 [0009]図２は、本発明で使用するための含浸システムの一態様の略図である。 [0010]図３Ａは、図２に示す含浸ダイの横断面図である。 [0011]図３Ｂは、本発明で採用することができる含浸ダイ用のマニホールド集成体およびゲート通路の一態様の分解図である。 [0012]図３Ｃは、本発明で採用することができる含浸帯域を少なくとも部分的に規定するプレートの一態様の透視図である。 [0013]図４は、本発明で採用することができる予備造形および引抜成形ダイの一態様の側面図であり、これに関し、連続および不連続繊維材料の流れを、それらがダイを通過しているように例示している。 [0014]図５は、図４のダイの透視図である。 [0015]図６は、不連続繊維層を造形するために本発明で採用することができるマンドレルの一態様の上面図であり、これに関し、不連続繊維材料の流れを、同様に、それがマンドレルの上方を通過しているように例示している。 [0016]図７は、図６のマンドレル区画の透視図である。 [0017]図８は、連続繊維層を造形するために本発明で採用することができるマンドレル区画の一態様の分解透視図であり、これに関し、連続繊維材料の流れを、同様に、それがマンドレルの上方を通過しているように例示している。 [0018]図９は、図８のマンドレル区画の透視図である。 [0019]図１０は図８のマンドレル区画の他の透視図であり、図１０Ａは、マンドレル区画の右側透視図を示している。 [0019]図１０は図８のマンドレル区画の他の透視図であり、図１０Ｂは、マンドレル区画の左側透視図を示している。 [0020]図１１は、本発明に従って形成することができる長方形の中空異形材の一態様の横断面図である。 [0021]図１２は、本発明に従って形成することができる長方形の中空異形材の他の一態様の横断面図である。 [0022]図１３は、図１２の異形材を形成するために採用することができる予備造形および引抜成形ダイシステムの一態様の側面図である。 [0023]図１４は、図１３の予備造形および引抜成形ダイシステムの透視図である。 [0024]図１５は、本発明に従って形成することができる長方形の中空異形材のさらに別の一態様の横断面図である。 [0025]図１６は、本発明に従って形成することができるＬ字型の中空異形材の一態様の横断面図である。 [0026]図１７は、本発明に従って形成することができるＵ字型の中実異形材の一態様の横断面図である。 [0027]図１８は、本発明に従って形成することができる長方形の中実異形材の一態様の横断面図である。 [0028]図１９は、本発明に従って形成することがＩ字型の中実異形材の一態様の横断面図である。
[0007]本発明の完全な授権開示を、当業者にとって最良のその様式を含め、添付図面を参照することを含め本明細書の残りの部分でより詳細に説明する。
[0029]本明細書および図中で繰り返し用いられる参照文字は、本発明の同一または類似の特徴または要素を表すものとする。
定義
[0030]本明細書中で用いられる“異形材”という用語は、一般に引抜成形品をさす。異形材は中空または中実であることができ、多種多様な横断面形状、例えば、正方形、長方形、円形、楕円形、三角形、Ｉ字型、Ｃ字型、Ｕ字型、Ｊ字型、Ｌ字型、スロット形などを持つことができる。そのような異形材は、ウィンドウ・リニール(window lineal)、デッキ板、手すり、手すり子、屋根瓦、羽目板、トリムボード、管、フェンス材(fencing)、柱、電灯柱、幹線道路の看板、道路沿いの標識柱などのための構造部材として、採用することができる。
[0031]本明細書中で用いられる“中空”という用語は、一般に、異形材の内部の少なくとも一部がボイド空間であることを意味する。ボイド空間は、異形材の長さ全体に伸長していてもよい。
[0032]本明細書中で用いられる“連続繊維”という用語は、一般に、概して成形品の長さによってのみ限定される長さを有する繊維、フィラメント、糸、またはロービング（例えば繊維の束）をさす。例えば、そのような繊維は、約２５ミリメートルを超える長さ、いくつかの態様では約５０ミリメートル以上、いくつかの態様では約１００ミリメートル以上の長さを有することができる。
[0033]本明細書中で用いられる“不連続繊維”という用語は、一般に、連続していない繊維、フィラメント、糸、またはロービングをさす。そのような繊維は、典型的には２５ミリメートル以下の長さを有する。例えば、不連続繊維は短繊維または長繊維を含むことができる。“長繊維”は、典型的には約０．５〜約２５ミリメートル、いくつかの態様では約０．８〜約１５ミリメートル、いくつかの態様では約１〜約１２ミリメートルの長さを有する繊維である。“短繊維”は、典型的には約０．５ミリメートル以下、いくつかの態様では約０．０１〜約０．４ミリメートル、いくつかの態様では約０．０５〜約０．３ミリメートルの長さを有する繊維である。
詳細な説明
[0034]本解説は、代表的な態様の記載に過ぎず、本発明のより広範囲の観点を限定するものではないことを、当業者は理解すべきである。
[0035]一般的に言えば、本発明は、少なくとも１つの連続繊維層と少なくとも１つの不連続繊維層を含有する異形材を形成するための方法および装置を対象とする。該方法のさまざまな特徴を選択的に制御して、増大した横断強度および曲げ弾性率を有する異形材を達成する。例えば、連続繊維層は、熱可塑性ポリマーマトリックス内に埋め込まれている繊維を含有する１以上の連続繊維強化リボン（“ＣＦＲＴ”）から形成される。該繊維は、ボイド率を最低限に抑えて曲げ弾性率を最適化する方法により、マトリックス内に埋め込まれる。さらに、連続繊維が実質的に長手方向（例えば引抜成形の方向）に位置を合わせて固定されたままになるように、リボン（１以上）を圧密化する。異形材の引張特性の向上に加え、そのようなリボンを使用すると、連続繊維材料をより容易に処理し、引抜成形ダイ内の望ましい位置に置くことも可能になる。不連続繊維も熱可塑性マトリックス内に埋め込まれる。とりわけ、これは層の結合を助けることができ、その結果、望ましい強度を達成するのに接着剤が必要ではなくなる。同様に、どちらかと言えば長手方向に方向付けられるが、増大した横断強度がもたらされるように、繊維の少なくとも一部は横断方向に方向付けられる。
[0036]本発明の方法および装置により、ほとんど問題を生じることなく、そして得られる異形材の強度特性に悪影響を及ぼすことなく、多種多様の複雑な形状および大きさを形成することが可能である。ここで、本発明のさまざまな態様をより詳細に記載する。
[0037]異形材に採用される連続および不連続繊維は、同一または異なる材料から形成することができる。そのような材料としては、当分野で公知の従来の材料、例えば、金属繊維；ガラス繊維（例えば、Ｅ−ガラス、Ａ−ガラス、Ｃ−ガラス、Ｄ−ガラス、ＡＲ−ガラス、Ｒ−ガラス、Ｓ１−ガラス、Ｓ２−ガラス）、炭素繊維（例えばグラファイト）、ホウ素繊維、セラミック繊維（例えば、アルミナまたはシリカ）、アラミド繊維（例えば、デラウェア州ウィルミントン、Ｅ．Ｉ．ｄｕＰｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓにより市販されているＫｅｖｌａｒ（登録商標））、合成有機繊維（例えば、ポリアミド、ポリエチレン、パラフェニレン、テレフタルアミド、ポリエチレンテレフタレートおよびポリフェニレンスルフィド）、ならびに強化用熱可塑性組成物として公知のさまざまな他の天然または合成の無機または有機繊維材料を挙げることができる。ガラス繊維および炭素繊維が、連続および／または不連続繊維での使用にとりわけ望ましい。そのような繊維は、しばしば約４〜約３５マイクロメートル、いくつかの態様では約９〜約３５マイクロメートルの公称直径を有する。繊維は、撚られているか直線状であることができる。望ましい場合、繊維は、単一繊維タイプまたは異なるタイプの繊維を含有するロービング（例えば繊維の束）の形にあることができる。異なる繊維を個々のロービングに含有させることができ、あるいは、各ロービングが異なる繊維タイプを含有していることができる。例えば、一態様において、特定のロービングは連続炭素繊維を含有することができ、他のロービングはガラス繊維を含有することができる。各ロービングに含有される繊維の数は、一定であるか、ロービングによってさまざまであることができる。典型的には、ロービングは約１０００本の繊維〜約５００００本の個々の繊維、いくつかの態様では約２０００〜約４００００本の繊維を含有することができる。
[0038]さまざまな熱可塑性ポリマーのいずれかを、連続および不連続繊維が埋め込まれる熱可塑性マトリックスを形成するために採用することができる。本発明での使用に適した熱可塑性ポリマーとしては、例えば、ポリオレフィン（例えば、ポリプロピレン、プロピレン−エチレンコポリマーなど）、ポリエステル（例えばポリブチレンテレフタレート（“ＰＢＴ”））、ポリカーボネート、ポリアミド（例えばＮｙｌｏｎＴＭ）、ポリエーテルケトン（例えばポリエーテルエーテルケトン（“ＰＥＥＫ”））、ポリエーテルイミド、ポリアリーレンケトン（例えばポリフェニレンジケトン（“ＰＰＤＫ”））、液晶ポリマー、ポリアリーレンスルフィド（例えばポリフェニレンスルフィド（“ＰＰＳ”））、フルオロポリマー（例えば、ポリテトラフルオロエチレン−ペルフルオロメチルビニルエーテルポリマー、ペルフルオロ−アルコキシアルカンポリマー、テトラフルオロエチレンポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレンポリマーなど）、ポリアセタール、ポリウレタン、ポリカーボネート、スチレンポリマー（例えばアクリロニトリルブタジエンスチレン（“ＡＢＳ”））などを挙げることができる。ＡＢＳが、とりわけ適した熱可塑性ポリマーである。連続および不連続繊維材料を形成するために採用されるポリマー（１以上）は同一または異なっていることができることを、理解すべきである。
[0039]連続繊維リボンのボイド率を最低限に抑え、良好な含浸を確実にするために、本発明では押出手段を採用して連続繊維を熱可塑性マトリックス中に埋め込むことができる。とりわけ、押出手段は、繊維の表面全体への熱可塑性ポリマーの施用能力を促進する。例えば、ボイド率は、約３％以下、いくつかの態様では約２％以下、いくつかの態様では約１％以下であることができる。ボイド率は、当業者に周知の技術を用いて測定することができる。例えば、ボイド率は、試料を炉中に置いて（例えば６００℃で３時間）樹脂を燃やし尽くす“樹脂燃焼消費(burn-off)”試験を用いて測定することができる。その後、残存する繊維の質量を測定して、重量分率および体積分率を計算することができる。そのような“燃焼消費”試験をＡＳＴＭ Ｄ２５８４−０８に従って実施して繊維および熱可塑性マトリックスの重量を決定することができ、その後、これを用いて、以下の方程式に基づき“ボイド率”を計算することができる：
Ｖｆ＝１００×（ρｔ−ρｃ）／ρｔ
式中、
Ｖｆは、百分率でのボイド率であり；
ρｃは、公知の技術を用いて、例えば液体またはガスピクノメーター（例えばヘリウムピクノメーター）で測定した複合体の密度であり；
ρｔは、以下の方程式により決定される複合体の理論密度であり：
ρｔ＝１／［Ｗｆ／ρｆ＋Ｗｍ／ρｍ］
ρｍは、熱可塑性マトリックスの密度（例えば、適切な結晶化度における）であり；
ρｆは、繊維の密度であり；
Ｗｆは、繊維の重量分率であり；そして
Ｗｍは、熱可塑性マトリックスの重量分率である。
[0040]あるいは、ボイド率は、ＡＳＴＭ Ｄ３１７１−０９に従って樹脂を化学的に溶解することにより決定してもよい。“燃焼消費”および“溶解”法は、一般に溶融および化学的溶解に対し耐性を示すガラス繊維にとりわけ適している。しかしながら、他の場合では、ボイド率を、ＡＳＴＭ Ｄ２７３４−０９（方法Ａ）に従って熱可塑性ポリマー、繊維およびリボンの密度に基づき間接的に計算することができ、これに関し、密度は、ＡＳＴＭ Ｄ７９２−０８の方法Ａに従って決定することができる。言うまでもなく、ボイド率は、従来の顕微鏡機器を用いて評価することもできる。
[0041]図２を参照すると、繊維に熱可塑性ポリマーを含浸させるために採用することができる押出装置の一態様が示されている。より詳細には、該装置は、バレル１２２の内部に取り付けられているスクリュー軸１２４を含有する押出機１２０を含む。ヒーター１３０（例えば電気抵抗ヒーター）がバレル１２２の外部に取り付けられている。使用中に、熱可塑性ポリマー供給原料１２７を、ホッパー１２６に通して押出機１２０に供給する。熱可塑性供給原料１２７はスクリュー軸１２４によりバレル１２２の内部に運ばれ、バレル１２２内部の摩擦力およびヒーター１３０により加熱される。加熱されると、供給原料１２７はバレルフランジ１２８を通ってバレル１２２から出ていき、含浸ダイ１５０のダイフランジ１３２に入る。
[0042]連続繊維ロービング１４２または複数の連続繊維ロービング１４２は、単数または複数のリール１４４からダイ１５０に供給される。ロービング１４２は、含浸前に一般に一定の距離、例えば、少なくとも約４ミリメートル、いくつかの態様では少なくとも約５ミリメートル離しておく。供給原料１２７を、ダイ１５０の中または周囲に取り付けられているヒーター１３３によりダイ内部でさらに加熱してもよい。ダイは一般に、熱可塑性ポリマーの溶融および含浸をもたらすのに十分な温度で操作する。典型的には、ダイの操作温度は熱可塑性ポリマーの溶融温度より高く、例えば、約２００℃〜約４５０℃の温度においてである。このようにして処理すると、連続繊維ロービング１４２は、供給原料１２７から処理される樹脂２１４（図３Ａ）であることができるポリマーマトリックス中に埋め込まれる。その後、混合物は含浸ダイ１５０から押し出されて、押出物１５２が生じる。
[0043]スクリュー軸１２４の回転速度、または送り速度を制御することによって押出量の制御を行うことが可能になるように、圧力センサー１３７（図２）により含浸ダイ１５０付近の圧力を感知する。すなわち、繊維ロービング１４２との相互作用に適当な量の樹脂２１４が送り出されるように押出機１２０を操作することができるように、圧力センサー１３７を含浸ダイ１５０付近に位置決めする。含浸ダイ１５０から出た後、押出物１５２、または含浸繊維ロービング１４２は、２つの隣接するロール１９０の間に形成されるロール間隙に入る前に、所望による予備造形またはガイド区画（図示していない）に入ってもよい。所望によるが、ロール１９０は、押出物１５２をリボン（またはテープ）の形に圧密化するのを補助するほか、繊維の含浸を増進し、過剰なボイドを排除することができる。ロール１９０に加え、他の造形手段、例えばダイシステムを採用することもできる。得られた圧密化リボン１５６は、ロール上に取り付けられている軌道(track)１６２および１６４により引っ張られる。軌道１６２および１６４は、押出物１５２を含浸ダイ１５０からロール１９０に通して引っ張ってもいる。望ましい場合、圧密化リボン１５６を区画１７１で巻き上げてもよい。一般的に言えば、リボンは比較的薄く、典型的には約０．０５〜約１ミリメートル、いくつかの態様では約０．１〜約０．８ミリメートル、いくつかの態様では約０．２〜約０．４ミリメートルの厚さを有する。
[0044]含浸ダイ内では一般に、ロービングにポリマー樹脂２１４を含浸させるために、ロービング１４２が含浸帯域２５０を通って横切ることが望ましい。含浸帯域２５０において、ポリマー樹脂は、含浸帯域２５０で作り出される剪断および圧力により一般に横断方向でロービングに押し込まれることができ、これにより含浸度は著しく向上する。これは、繊維分が高いリボン、例えば約３５％以上の重量分率（“Ｗｆ”）、いくつかの態様では約４０％以上のＷｆのリボンから複合体を形成する時に、とりわけ有用である。典型的には、ダイ１５０は、ロービング１４２上に十分な浸透度および圧力が作り出されるように、複数の接触表面２５２、例えば少なくとも２、少なくとも３、４〜７、２〜２０、２〜３０、２〜４０、２〜５０、またはより多くの接触表面２５２を含む。それらの詳細な形はさまざまであることができるが、接触表面２５２は、典型的には、曲線を成す表面、例えば曲がったローブ、ロッドなどを持つ。接触表面２５２はまた、典型的には金属材料で作製されている。
[0045]図３Ａは、含浸ダイ１５０の横断面図を示す。図示するように、含浸ダイ１５０は、マニホールド集成体２２０、ゲート通路２７０、および含浸帯域２５０を含む。マニホールド集成体２２０は、ポリマー樹脂２１４を通して流すために提供されている。例えば、マニホールド集成体２２０は、溝２２２または複数の溝２２２を含むことができる。含浸ダイ１５０に提供される樹脂２１４は、溝２２２を通って流れることができる。
[0046]図３Ｂに示すように、溝２２２のいくつかの部分は曲線を成していることができ、代表的な態様において、溝２２２は中心軸２２４に沿って対称的な方向付けを有する。さらに、いくつかの態様において、溝は複数の分岐ランナー２２２であることができ、これは、第１の分岐ランナー群２３２、第２の群２３４、第３の群２３６、および望ましい場合は、より多くの分岐ランナー群を含むことができる。各群は、それより前の群のランナー２２２または最初の溝２２２から分岐している２、３、４またはそれより多くのランナー２２２を含むことができる。
[0047]分岐ランナー２２２およびその対称的な方向付けにより樹脂２１４は概して均等に分配され、その結果、マニホールド集成体２２０から出てきてロービング１４２をコーティングする樹脂２１４の流れは、ロービング１４２上に実質的に均一に分配される。これにより、ロービング１４２の概して均一な含浸が可能になることが望ましい。
[0048]さらに、マニホールド集成体２２０は、いくつかの態様において出口領域２４２を規定することができ、これは一般に、樹脂２１４が出てくる溝またはランナー２２２の少なくとも１つの下流部分を含む。いくつかの態様において、出口領域２４２に配置されている溝またはランナー２２２の少なくとも一部は、樹脂２１４の流れ方向２４４に増大していく面積を有する。増大していく面積により、樹脂２１４がマニホールド集成体２２０を通って流れるにつれ樹脂２１４の拡散およびさらなる分配が可能になり、これにより、さらに、ロービング１４２上での樹脂２１４の実質的に均一な分配が可能になる。
[0049]図３Ａおよび３Ｂにさらに例示するように、マニホールド集成体２２０を通って流れた後、樹脂２１４は、ゲート通路２７０を通って流れることができる。ゲート通路２７０は、マニホールド集成体２２０と含浸帯域２５０の間に位置決めされており、樹脂２１４がロービング１４２をコーティングするように、マニホールド集成体２２０から樹脂２１４を流すために提供されている。したがって、マニホールド集成体２２０から例えば出口領域２４２を通って出てくる樹脂２１４は、図示するように、ゲート通路２７０に入りそこを通って流れることができる。
[0050]図３Ａに示すダイ１５０のマニホールド集成体２２０およびゲート通路２７０から出てくると、樹脂２１４は、ダイ１５０を通って横切っているロービング１４２に接触する。上記のように、マニホールド集成体２２０およびゲート通路２７０における樹脂２１４の分配に起因して、樹脂２１４はロービング１４２を実質的に均一にコーティングすることができる。さらに、いくつかの態様において、樹脂２１４は、各ロービング１４２の上側表面上か、各ロービング１４２の下側表面上か、または各ロービング１４２の上側および下側表面上の両方に、衝突する(impinge)ことができる。ロービング１４２上での最初の衝突により、ロービング１４２への樹脂２１４のさらなる含浸がもたらされる。
[0051]図３Ａに示すように、コーティングされたロービング１４２は、ロービング１４２に樹脂２１４を含浸させるように構成されている含浸帯域２５０を通って送り方向２８２に横切っていく。例えば、図３Ａおよび３Ｃに示すように、ロービング１４２は含浸帯域において接触表面２５２の上方を横切っていく。接触表面２５２上でのロービング１４２の衝突により、ロービング１４２をコーティングする樹脂２１４をロービング１４２に含浸させるのに十分な剪断および圧力が作り出される。
[0052]いくつかの態様において、図３Ａに示すように、含浸帯域２５０は間隙を介して相対する２つのプレート２５６および２５８の間に規定される。第１のプレート２５６は第１の内側表面２５７を規定し、第２のプレート２５８は第２の内側表面２５９を規定する。接触表面２５２は、第１および第２の内側表面２５７および２５９の両方、または第１および第２の内側表面２５７および２５９の一方のみの上に規定されるか、またはそこから伸長していることができる。図３Ｃは、これらの態様に従った含浸帯域２５０の少なくとも一部を形成する第２のプレート２５８とその上のさまざまな接触表面を例示している。代表的な態様では、図３Ａに示すように、ロービングが第１および第２の表面２５７および２５９上の接触表面２５２に交互に衝突するように、接触表面２５２を第１および第２の表面２５７および２５９上に交互に規定することができる。したがって、ロービング１４２は、剪断が増進される波形、蛇行または正弦波タイプの通路で、接触表面２５２を通過することができる。
[0053]ロービング１４２が接触表面２５２を横切る角度２５４は、概して剪断を増進するのに十分な大きさであるが、繊維を破壊する過剰な力を生じさせるほど大きくはないことができる。したがって、例えば、角度２５４は、約１°〜約３０°、いくつかの態様では約５°〜約２５°の範囲にあることができる。
[0054]他の態様において、含浸帯域２５０は複数のピン（図示していない）を含むことができ、各ピンは接触表面２５２を有する。ピンは、固定状態にあるか、自由に回転するか、または回転するように駆動されていることができる。さらに他の態様において、接触表面２５２および含浸帯域２５０は、ロービング１４２に樹脂２１４を要望または要求通りに含浸させるのに適した任意の形状および／または構造を含むことができる。
[0055]ロービング１４２の含浸をさらに促進するために、含浸ダイ内に存在している間にそれらを張力下においておくこともできる。張力は、例えば、ロービング１４２または繊維のトウあたり約５〜約３００ニュートン、いくつかの態様では約５０〜約２５０ニュートン、いくつかの態様では約１００〜約２００ニュートンの範囲であることができる。
[0056]図３Ａに示すように、いくつかの態様では、ランド帯域２８０を、ロービング１４２の送り方向２８２において含浸帯域２５０の下流に位置決めすることができる。ロービング１４２はランド帯域２８０を通って横切ってからダイ１５０を出ることができる。図３Ａにさらに示すように、いくつかの態様では、面板２９０を含浸帯域２５０に接合することができる。面板２９０は一般に、ロービング１４２から過剰な樹脂２１４を測るように構成されている。したがって、ロービング１４２が通って横切る面板２９０の開口部は、ロービング１４２が通って横切る時に過剰な樹脂２１４が開口部の大きさによりロービング１４２から除去されるような大きさであることができる。
[0057]先に図示し記載した含浸ダイは、本発明で採用することができるさまざまな考えうる構成の一つに過ぎない。他の態様では、例えば、繊維を、ポリマー溶融体の流れ方向に対しある角度で位置決めされているクロスヘッドダイに導入することができる。繊維をクロスヘッドダイに通して移動させ、押出機バレルからポリマーが出てくる点に達したら、ポリマーを繊維と強制的に接触させる。他の押出機の設計、例えば二軸スクリュー押出機を採用することもできることも、理解すべきである。さらに、繊維の含浸を助けるために、他の部材を所望により採用することもできる。例えば、特定の態様では“ガス噴射”集成体を採用して、１つにまとめたトウの幅全体で最大２４０００本もの繊維をそれぞれ含有することができる個々の繊維の束またはトウを、均一に広げるのを補助することができる。これは、リボンの強度特性の均一な分布を達成するのに役立つ。そのような集成体は、出口ポートを通過する移動中の繊維トウに対し概して垂直に衝突する圧縮空気または他のガスの供給を含むことができる。その後、広がった繊維の束を、上記のように含浸用のダイに導入することができる。
[0058]採用する技術にかかわらず、連続繊維は、引張強度を高めるために長手方向（図１のシステムの機械方向“Ａ”）に方向付けられる。繊維の方向付けに加え、リボンおよび引抜成形プロセスの他の観点も、望ましい強度を達成するために制御される。例えば、比較的高い百分率の連続繊維をリボンに採用して、向上した強度特性をもたらすことができる。例えば、連続繊維は、典型的にはリボンの約４０重量％〜約９０重量％、いくつかの態様では約５０重量％〜約８５重量％、いくつかの態様では約５５重量％〜約７５重量％を構成する。同様に、熱可塑性ポリマー（１以上）は、典型的にはリボンの約１０重量％〜約６０重量％、いくつかの態様では約１５重量％〜約５０重量％、いくつかの態様では約２５重量％〜約４５重量％を構成する。
[0059]さらに、望ましい厚さを有する強い一体化構造を形成するために一緒に張り合わされている、複数の連続繊維リボンの組み合わせを採用してもよい。採用されるリボンの数は、異形材の望ましい厚さおよび強度、ならびにリボン自体の性質に基づき、さまざまであることができる。しかしながら、ほとんどの場合、リボンの数は２〜４０、いくつかの態様では３〜３０、いくつかの態様では４〜２５である。
[0060]上記のように、不連続繊維材料も熱可塑性マトリックス内に埋め込まれる。例えば、不連続繊維材料は、長繊維強化熱可塑性（“ＬＦＲＴ”）または短繊維強化熱可塑性（“ＳＦＲＴ”）であることができる。当業者に周知のように、ＬＦＲＴは、上記のように繊維に含浸させた後、含浸繊維を冷却し、約２５ミリメートル以下の長さを有するペレットに細断することにより、形成することができる。ＳＦＲＴは、従来の押出配合法を用いて熱可塑性ポリマーを短繊維と単に溶融ブレンドすることにより、形成することができる。熱可塑性ポリマー（１以上）と繊維の相対的重量百分率は上記範囲内にあることができる。形成方法にかかわらず、不連続繊維の少なくとも一部を長手方向（すなわち引抜成形方向）に対しある角度で方向付けると、増大した横断強度がもたらされる。例えば、約１０％以上、いくつかの態様では約２０％以上、いくつかの態様では約３０％以上の繊維を、長手方向に対しある角度で方向付けることができる。この角度は、例えば、約１０°〜約１２０°、いくつかの態様では約２０°〜約１１０°、一態様では約９０°であることができる。これは、繊維を望ましい方向に意図的に方向付けるか、無作為に分配することにより、達成することができる。
[0061]形成後、続いて連続繊維リボンおよび不連続繊維材料を本発明の引抜成形システムに供給することができる。上記段階は異形材の形成とインラインで形成することができることも、理解すべきである。そのような態様では、記載し図２に示した部材のいくつかを採用しなくてもよい。一態様では、例えば、含浸ダイ１５０から出てきた押出物１５２を、本発明の異形材の形成に用いられるシステムに直接供給することができる。
[0062]図１を参照すると、システムの特定の一態様であって、最初に１以上の連続繊維リボン１２がクリール２０の巻き上げパッケージに提供されているものが示されている。クリール２０は、パッケージをそれぞれ支持している水平回転スピンドル２２を備えるフレームを含む、アンリールクリール(unreeling creel)であることができる。とりわけ繊維に撚りを導入することが望ましい場合は、ペイアウトクリール(pay-out creel)を採用することもできる。リボンは異形材の形成とインラインで形成することもできることも、理解すべきである。一態様では、例えば、図２の含浸ダイ１５０から出てきた押出物１５２を、異形材の形成に用いられるシステムに直接供給することができる。リボン１２の張力度の制御を補助するために、張力調節手段４０を採用することもできる。手段４０は、クリール２０の回転スピンドル２２に平行な垂直平面に置かれている入口プレート３０を含むことができる。張力調節手段４０は、互い違いの構成に配列している円筒形バー４１を含有することができ、その結果、リボン１２はこれらのバーの上方および下方を通過して波形パターンを規定する。バーの高さを調整すると、波形パターンの振幅を修正し、張力を制御することができる。
[0063]望ましい場合、リボン１２を、さまざまな公知の構成のいずれかを有する炉４５、例えば、赤外線加熱炉、熱対流炉などで、加熱してもよい。加熱中、熱暴露を最適化し、異形材全体にわたり均等な熱を維持するために、繊維を一方向に方向付ける。リボン１２を加熱する温度は、概して、リボンが一緒に結合することができる程度まで熱可塑性ポリマーを軟化させるのに十分な高温である。しかしながら、温度は、材料の保全性を損なうほど高くはない。温度は、例えば約１００℃〜約３００℃、いくつかの態様では約１１０℃〜約２７５℃、いくつかの態様では約１２０℃〜約２５０℃の範囲であることができる。特定の一態様では、例えば、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）をポリマーとして用い、リボンを、約１０５℃であるＡＢＳの融点以上に加熱する。他の態様では、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）をポリマーとして用い、リボンを、約２２４℃であるＰＢＴの融点以上に加熱する。
[0064]加熱された後、異なるリボン層を一緒に結合するのを補助するほか、異形材の初期形状の位置合わせおよび形成のために、連続繊維リボン１２を圧密化ダイに提供することができる。図１、４および５を参照すると、例えば、“中空”異形材の形成に用いるための圧密化ダイ５０の一態様が、より詳細に示されている。本明細書中では単一ダイとしているが、圧密化ダイ５０は実際は多数の個々のダイ（例えば面板ダイ）から形成されていてもよいことを、理解すべきである。この特定の態様において、圧密化ダイ５０は、連続繊維リボンの第１層（または積層体）１２ａおよび連続繊維リボンの第２層（または積層体）１２ｂを入口末端５６で受け入れる。各層内のリボンを一緒に結合し、方向“Ａ”でダイ５０の溝（図示していない）に通して導く。望ましい強化スキームがもたらされるように、溝は、さまざまな方向付けおよび配列で提供されていることができる。例示している態様では、例えば、層１２ａおよび１２ｂは、最初は互いに垂直方向に間隔を開けて離れている。ダイ５０の溝を通過するにつれ、層１２ａおよび／または１２ｂの幅を所望によりリボン化(ribboned)して、圧力の割込みの防止を補助し、連続繊維が位置合わせされていて撚りがない状態を保つようにする。ダイ５０内では、一般にリボンに用いられる熱可塑性マトリックスの融点以上の温度でリボンを維持して、適切な圧密化を確実にする。
[0065]図１、４および５に具体的に示してはいないが、積層体１２ａおよび１２ｂを異形材の少なくとも一側面上で互いに接触させるのを補助するために、圧密化ダイ５０の内部にマンドレルを提供することもできる。例示した態様では、例えば、第１層１２ａの側面部分５７および第２層１２ｂの側面部分５３が、それらが互いに接触して中空異形材の側面を形成するように曲げられている。しかしながら、異形材の他の側面は、典型的には、続いて不連続繊維材料を引抜成形ダイで異形材の内部に施用することができるように、圧密化ダイ５０内では開いたままにしておく。言うまでもなく、不連続繊維材料を中空異形材の内部に施用しない態様では、異形材全体を所望により引抜成形ダイ内で造形することができるので、圧密化ダイ５０をまったく採用しなくてもよい。
[0066]望ましい位置になったら、連続繊維材料の層１２ａおよび１２ｂを引抜成形ダイ６０に入れる。一般に、圧密化ダイ５０を出た後、引抜成形ダイ６０に入る前に、層をそのまま短時間冷却することが望ましい。これにより、圧密化積層体が、さらにシステムを通って進む前に、その初期形状を保持することが可能になる。そのような冷却は、単に層を周囲雰囲気（例えば室温）に暴露することによるか、当分野で公知の能動的な冷却技術（例えば水浴または空気冷却）の使用により、達成することができる。一態様では、例えば、空気を層上に吹き込む（例えばエアリングで）。しかしながら、これらの段階の間の冷却は一般に、層がさらに造形するのになお確実に十分柔軟であるように、短時間にわたり行う。例えば、圧密化ダイ５０を出た後、第２のダイ６０に入る前に、層を約１〜約２０秒、いくつかの態様では約２〜約１０秒間だけ周囲環境に暴露することができる。
[0067]引抜成形ダイ６０の構成は、得られる異形材に望ましい形状および性質に部分的に依存する。中空異形材の場合、例えば、引抜成形ダイはその内部にマンドレルを含有することが多く、これにより、繊維材料はダイの内部表面とマンドレルの外部表面の間を流れて、望ましい形状を形成する。しかしながら、中実異形材は、典型的にはマンドレルなしで形成される。さらに、本明細書中では単一ダイとしているが、引抜成形ダイ６０は多数の個々のダイから形成されていてもよいことを、理解すべきである。実際、引抜成形ダイは、好ましくは、不連続材料が供給され造形される第１のダイ区画と、連続繊維材料が造形される第２のダイ区画を採用することができる。図４〜５では、例えば、不連続繊維材料６１を供給し造形する第１のダイ区画６２が採用され、連続繊維層１２ａおよび１２ｂを造形する第２のダイ区画６４が採用されている。
[0068]不連続繊維材料６１を第１のダイ区画６２に供給する特定の方法を、より詳細に図６〜８に示す。図示するように、不連続繊維材料６１は第１のダイ区画６２に入り、その内部キャビティに曲がって入る。必須ではないが、そのような曲がった入口により、不連続繊維材料６１が方向“Ａ”でダイ出口６７まで徐々に流入することが可能になる。そのような態様において、連続繊維層１２ａおよび１２ｂの流れ方向“Ａ”に対し不連続繊維材料が提供される角度βは一般にさまざまであることができるが、典型的には約４５°以上、いくつかの態様では約６０°以上、いくつかの態様では約７５°〜約９０°である。ある特定の場合では、垂直ではない流れ角が有利でありうる。これは、長繊維材料の高い圧力流により生じる可能性があり、望ましくない逆流をもたらすことがあるダイ中の背圧を、そのような角が最低限に抑えるか克服するためである。不連続繊維材料の角度の付いた投入の方向付けは、その曲がった構成と相まって、樹脂の分解、繊維の膠着、または切断を引き起こしうる固定点（死点）がダイの内部に形成しうる可能性を減じることもできる。
[0069]第１のダイ区画６２に入ると、不連続材料６１もマンドレル６８の上方を流れる。マンドレル６８は、マンドレルの周囲および上方で引っ張られている連続材料の前進力に影響されないように、片持ちばりの様式で支持されていることができる。さらに、本明細書中ではマンドレル全体を示していないが、マンドレルが上記圧密化ダイ５０中に伸長していて、上記のように連続繊維材料の“予備造形”を補助することができることを、理解すべきである。それとは関係なく、図６〜８に示すマンドレル６８は、異形材の望ましい造形を達成するために多数の区画を持つ。より詳細には、マンドレル６８は、中実で横断面が概して長方形である第１のマンドレル区画６９を含有する。したがって、不連続材料６１は、マンドレル区画６９の上方および周囲をその近位末端７１から遠位末端７３まで通過する。そのようにすることにより、材料６１は第１のダイ区画６２の内部表面とマンドレル区画６９の外部表面７５の間に規定される形状を帯び、この態様では、これは中空で長方形の形状である。
[0070]連続繊維層の最終形状は、引抜成形ダイ６０の第２のダイ区画６４において、図９〜１０に示すようにマンドレル６８の第２区画７９の上方および周囲で形成される。第２のマンドレル区画７９は、第１のマンドレル区画６９の突起部７７を接続するためにかみ合わせるＵ字型のくぼみ１０３を含有する。この態様において、第２のマンドレル区画７９は、材料の流れの方向“Ａ”に対し概して垂直である上側壁８３および下側壁８５も含有する。上に面した表面９１は上側壁８３の曲線状の縁９３と交わり、方向“Ａ”の軸方向に傾斜している。同様に、下に面した表面９５は下側壁８５の曲線状の縁と交わり、方向“Ａ”の軸方向に傾斜している。表面９１および９５は両方とも、縁９７で合流する。異形材の形成中に、連続繊維材料の第１層１２ａは表面９１の上方で引っ張られ、引抜成形ダイ６０の内部表面と上側壁８３の間に規定される形状を帯びる。連続繊維材料の第２層１２ｂは表面９５の上方で引っ張られ、同様に引抜成形ダイ６０の内部表面と下側壁８５の間に規定される形状を帯びる。層１２ａおよび１２ｂはまた、徐々に引っ張られて縁９７で互いに接触して、得られる異形材の一側面を形成する。必要な場合、材料を次の例えばランドダイ区画（図示していない）での圧縮段階に付すと、縁における層間の付着度をさらに上昇させることができる。
[0071]ダイ６０内では、成形品を造形し不連続繊維材料を一緒に混ぜ合わせる能力を促進するために、概して、リボンに用いられている熱可塑性マトリックスの融点より遙かに高い温度でリボンを維持する。しかしながら、温度は、材料の保全性を損なうほど高くはない。温度は、例えば約１００℃〜約３５０℃、いくつかの態様では約１２０℃〜約３２０℃、いくつかの態様では約１５０℃〜約３００℃の範囲であることができる。
[0072]望ましい場合、異形材の美的魅力を高め、および／またはそれを環境条件から保護するために、得られる異形材にキャッピング層を施用することもできる。図１を参照すると、例えば、そのようなキャッピング層を、キャッピングダイ７２に熱可塑性樹脂を導入するのに望ましい角度で方向付けられている押出機により施用することができる。該樹脂は、異形材の形成に用いられる熱可塑性ポリマーに概して適合する、当分野で公知の適した熱可塑性ポリマーを含有することができる。適したキャッピングポリマーとしては、例えば、アクリルポリマー、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ＡＢＳ、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアセタール、ポリアミド、ポリウレタンなどを挙げることができる。キャッピング樹脂は一般に繊維を含まないが、異形材の最終的性質を改善するための他の添加剤を含有することができる。この段階で採用される添加剤材料として、連続繊維または不連続繊維層に組み入れるのに適していないものを挙げることもできる。例えば、造形品の仕上げ作業を減らすために複合構造体に顔料を加えることが望ましいことがあり、または、造形品の難燃特性を高めるために複合構造体に難燃剤を加えることが望ましいことがある。多くの添加剤物質は感熱性なので、過剰量の熱により分解し、揮発性ガスを生じる可能性がある。したがって、感熱性の添加剤物質を高温加熱条件下で含浸樹脂と一緒に押し出す場合、添加剤物質の完全分解という結果になる可能性がある。添加剤物質としては、例えば、鉱物強化剤、潤滑剤、難燃剤、発泡剤、起泡剤、紫外線抵抗剤、熱安定剤、顔料、およびそれらの組み合わせを挙げることができる。適した鉱物強化剤としては、例えば、炭酸カルシウム、シリカ、マイカ、粘土、タルク、ケイ酸カルシウム、グラファイト、ケイ酸カルシウム、アルミナ三水和物、バリウムフェライト、およびそれらの組み合わせを挙げることができる。
[0073]本明細書中では詳細に示していないが、キャッピングダイ７２は、キャッピング層の望ましい施用の達成を補助するために、当分野で公知のさまざまな特徴を含むことができる。例えば、キャッピングダイ７２は、入ってくる異形材を位置合わせする入口ガイドを含むことができる。キャッピングダイは、適切な結合を確実にするのを補助するために、キャッピング層の施用に先立ち異形材を予備加熱する加熱機構（例えば加熱プレート）を含むこともできる。
[0074]所望によるキャッピングの後、造形品１５を続いて当分野で公知の冷却システム８０を用いて最終的に冷却する。冷却システム８０は、例えば、１以上のブロック（例えばアルミニウムブロック）を含む真空サイザー(vacuum sizer)であることができ、該ブロックは、冷却されるにつれ真空により高温の造形物がその壁に対して引っ張られる間、異形材を完全に封入している。冷却媒体、例えば空気または水をサイザーに供給して、異形材を的確な形状に固めることができる。
[0075]真空サイザーは、典型的には異形材を形成する時に採用される。しかしながら、真空サイザーを採用しなくても、キャッピングダイ（または、キャッピングが施用されない場合は圧密化もしくはキャリブレーション(calibration)ダイ）から出てきた後に異形材を冷却することが一般に望ましい。冷却は、当分野で公知の任意の技術、例えば、真空水槽、低温の空気流または空気ジェット、冷却ジャケット、内部冷却溝、冷却液循環溝などを用いて、行うことができる。それとは関係なく、材料を冷却する温度は、通常、最適な機械的性質、成形品の寸法公差、良好な加工、および美的に魅力のある複合体が達成されるように制御する。例えば、冷却ステーションの温度が高すぎると、材料が成形用具内で膨潤してプロセスを妨げる可能性がある。半結晶質材料の場合、同様に、温度が低すぎると材料が過度に迅速に冷却されて完全な結晶化が不可能になり、これにより、複合体の機械的および化学的抵抗性が危うくなる可能性がある。温度制御が独立している多数の冷却ダイ区画を利用すると、加工および性能特性の最適な均衡をもたらすことができる。特定の一態様では、例えば、約１０℃〜約５０℃、いくつかの態様では約１５℃〜約３５℃の温度で維持されている真空水層を採用する。
[0076]理解されるように、本発明のシステムの任意の区画を通って前進するにつれ異形材の温度を制御すると、最適な製造および望ましい最終複合体の性質を得ることができる。集成体の区画のいずれかまたはすべての温度を、電気カートリッジヒーター、循環流体冷却など、または当業者に公知の他の温度制御手段を用いて、制御することができる。
[0077]図１を再び参照すると、完成した異形材１６を複合体の最終サイジングのためのシステムに通して引っ張る引取装置８２が、冷却システム８０の下流に位置決めされている。引取装置８２は、望ましい速度で異形材をプロセスシステムに通して引っ張ることができる任意の手段であることができる。典型的な引取装置としては、例えば、キャタピラー式引取装置および往復式引取装置が挙げられる。望ましい場合、１以上のキャリブレーションダイ（図示していない）を採用することもできる。そのようなダイは、最初の大きすぎる形状から最終的な異形材の形状にまで徐々に変化していて正確な異形材の形状に切断されている開口部を含有する。異形材がこれを通過するにつれ、異形材が動くまたは垂れる傾向は相殺され、異形材はその的確な形状に（繰り返し）押し戻される。サイジング後、異形材を、切断ステーション（図示していない）において例えば横断面の切断を実施することができる切断のこを用いて、望ましい長さに切断することができる。
[0078]得られた異形材１６を、より詳細に図１１に示す。例示しているように、異形材１６は一般に中空で長方形の形状を有する。内側層４は不連続繊維材料により形成され、異形材全体の周囲に伸長し、内部表面５を規定している。同様に、外側層６は連続繊維材料により形成され、内側層４の外周の周囲に伸長し、これに隣接して位置決めされている。これらの層の厚さならびに不連続および連続繊維材料の相対的比率を戦略的に選択すると、異形材の特定の引張強度および横断強度（例えば曲げ弾性率）の達成を補助することができる。例えば、より高い百分率の不連続繊維材料（および／または厚さ）は一般により高い横断強度をもたらし、より高い百分率の連続繊維材料（および／または厚さ）は一般により高い引張強度をもたらす。
[0079]これらの性質を最適化するために、不連続繊維層の重量に対する連続繊維層の重量の比は、典型的には約０．２〜約１０、いくつかの態様では約０．４〜約５、いくつかの態様では約０．５〜約４である。例えば、連続繊維は、異形材の約１０重量％〜約９０重量％、いくつかの態様では約２０重量％〜約７０重量％、いくつかの態様では約３０重量％〜約６０重量％を構成することができる。同様に、長繊維は、異形材の約０．５重量％〜約５０重量％、いくつかの態様では約１重量％〜約４０重量％、いくつかの態様では約２重量％〜約３０重量％を構成することができる。この点に関し、内側層４の厚さは、約０．１〜約２．０ミリメートル、いくつかの態様では約０．５〜約１．５ミリメートル、いくつかの態様では約０．６〜約１．２ミリメートルであることができ、外側層６の厚さは、約０．２〜約４．０ミリメートル、いくつかの態様では約０．５〜約３．０ミリメートル、いくつかの態様では約１．０〜約２．０ミリメートルであることができる。層４と６の全体的厚さは、同様に、約１．０〜約４．０ミリメートル、いくつかの態様では約２．０〜約３．０ミリメートルであることができる。
[0080]図１１の異形材１６は、外側層６の外周の周囲に伸長し異形材１６の外部表面８を規定するキャッピング層７も含む。キャッピング層７の厚さは、成形品の意図した機能に依存するが、典型的には約０．１〜約５ミリメートル、いくつかの態様では約０．２〜約３ミリメートルである。
[0081]先に記載し示した態様において、不連続繊維材料は、実質的に異形材の内部外周全体の周囲に位置決めされている。しかしながら、これは必須ではなく、ある種の施用では、特定の設計に従って有利な具体的な場所にのみ材料を施用することが望ましいことがあることを、理解すべきである。そのような異形材の一例を、より詳細に図１２に示す。例示しているように、異形材２１６は一般に中空で長方形の形状を有する。この態様において、内側層２０６は連続繊維材料により形成され、異形材全体の周囲に伸長し、内部表面２０５を規定している。層２０６の厚さは、図１１に関し上記した連続繊維層と同様であることができる。しかしながら、図１１の態様とは異なり、異形材２１６は不連続繊維層を含有していない。その代わりに、不連続繊維材料は、異形材２１６の上側および下側表面２０８および２０９において別個の層２０４に位置決めされている。このように不連続繊維材料を別個に置くことにより、特定の施用に必要とされる場所にのみ増大した横断強度をもたらすことが可能になる。キャッピング層２０７が異形材２１６の外周を覆っていてもよい。
[0082]図１３〜１４は、異形材２１６の形成に採用することができる圧密化ダイ２５０および引抜成形ダイ２６０の一態様を例示している。上記態様と同様に、この態様における圧密化ダイ２５０は、連続繊維材料の第１層２１２ａおよび第２層２１２ｂを入口末端２５６で受け入れる。層２１２ａおよび２１２ｂは、方向“Ａ”でダイ２５０の溝（図示していない）を通って導かれる。溝を通過するにつれ、層２１２ａおよび／または２１２ｂの幅は所望によりリボン化され、上記のように一側面において接続される。望ましい位置になったら、層２１２ａおよび２１２ｂは、第１のダイ区画２６２、第２のダイ区画２６４、およびこれらを貫いて伸長するマンドレル２６８が採用されている引抜成形ダイ２６０中に引っ張られる。これらの各部材は、一緒になって連続繊維材料の造形を補助する。より詳細には、連続繊維層がマンドレル２６８の上方および周囲をその近位末端から遠位末端まで通過すると、それらは、ダイ２６０の内部表面とマンドレルの外部表面の間に規定される形状、この態様では中空で長方形の形状を帯びる。その後、不連続繊維材料２８１を、典型的には上記のようにある投入角で材料を押し出すクロスヘッドダイの形にある第３のダイ区画２８０に、入口部分を介して導入する。しかしながら、この特定の態様において、不連続繊維材料２８１は、第３のダイ区画２８０内で上側の流れ２４０および下側の流れ２４２に分割される。流れ２４０および２４２が材料が流れる方向“Ａ”で合流し、ダイシステムを通って引っ張られると、それらは異形材２１６のそれぞれ別個の上側および下側層２０４を形成する。その後、図示するようなキャッピングダイ２７２を用いてキャッピング層２０７を施用してもよい。
[0083]言うまでもなく、他の中空異形材を本発明において形成してもよい。図１５を参照すると、例えば、概して長方形である中空異形材３１６の他の態様が、より詳細に示されている。この特定の態様において、内側層３０４は不連続繊維材料により形成され、異形材全体の周囲に伸長し、内部表面３０５を規定している。層３０４の厚さは、図１１に関し上記した不連続繊維層と同様であることができる。しかしながら、図１１の態様とは異なり、異形材３１６は、異形材の外周の周囲に連続繊維層を含有していない。その代わりに、連続繊維材料は、異形材３１６の内部内の別個の垂直層３０６ａおよび水平層３０６ｂとして提供されている。同様に、内側層３０４の外周の周囲に伸長し、異形材３１６の外部表面３０８を規定する、キャッピング層３０７が提供されている。
[0084]中空異形材のさらに他の態様を図１６に示す。この態様において、異形材４１６は概してＬ字型の横断面を有する。Ｌ字型異形材４１６の内側層４０６は連続繊維材料を含むことができ、外側層４０４は不連続繊維材料を含むことができる。別個の連続繊維材料の別個の層４０９を採用することもできる。さらに、キャッピング層４０７が、異形材４１６の外周全体の周囲に伸長し、その外部表面４０８を規定していてもよい。
[0085]中空異形材に加え、本発明の独特の方法およびシステムを採用して、中実異形材を形成することもできる。そのような態様の一つは、図１７に示すようなＵ字型またはＣ字型の中実異形材５１６である。この特定の態様において、異形材５１６の内側層５０６は連続繊維材料を含むことができ、外側層５０４は不連続繊維材料を含むことができる。各層の厚さおよび相対的重量百分率は、図１１で示した態様に関し上記した範囲内にあることができる。キャッピング層５０７が異形材５１６の外周全体の周囲に伸長し、その外部表面５０８を規定していることもできる。さらに他の適した中実異形材は、図１８に示すような概して長方形の形状を有する。この態様において、異形材６１６は、典型的には不連続繊維材料から形成される基層６０４と、これに隣接し、典型的には連続繊維材料から形成される外部層６０６を含有する。そのような異形材のさらに他の態様を、Ｉ字型形状で図１９に示す。この特定の態様において、異形材７１６は、不連続繊維材料から形成される内部層７０４および不連続繊維材料から形成される外部層７０６を含むことができる。
[0086]理解されるように、上記特定の異形材の態様は、本発明により可能となる多数の設計の代表例に過ぎない。さまざまな考えうる異形材の設計では、連続および／または不連続繊維材料の追加的層を上記のものに加え採用してもよいことを、理解すべきである。さらに、上記態様は一般に、異形材がその長さ全体に沿って実質的に同じである横断面形状を保有する限り、“線状”異形材とみなす。しかしながら、さまざまな横断面形状、例えば、曲がった形状、撚った形状などを有する異形材も、本発明で形成することができることを、理解すべきである。
[0087]特定の設計に限定されないが、本発明の異形材は、上記のように向上した強度特性を達成することができる。例えば、異形材は、同じ形状および大きさを有するが本発明の選択的な不連続繊維強化材を含まない異形材と比較して、比較的高い曲げ弾性率および最大曲げ強度（横断方向の）を示すことができる。“曲げ弾性率”という用語は一般に、曲げ変形における応力と歪みの比（単位は面積あたりの力）、すなわち材料が曲がる傾向をさす。これは、“三点曲げ”試験（ＡＳＴＭ Ｄ７９０−１０、手順Ａ、またはＩＳＯ １７８など）により得られる応力−歪み曲線の勾配から決定される。例えば、本発明の異形材は、約２ギガパスカル（“ＧＰａ”）以上、いくつかの態様では約２〜約２５ＧＰａ、いくつかの態様では約４〜約２０ＧＰａ、いくつかの態様では約５〜約１５ＧＰａの曲げ弾性率を示すことができる。さらに、最大曲げ強度（破壊係数または屈曲強度としても知られる）は、約１２メガパスカル（“ＭＰａ”）以上、いくつかの態様では約１５〜約５０ＭＰａ、いくつかの態様では約２０〜約４０ＭＰａであることができる。“最大曲げ強度”という用語は一般に、“三点曲げ”試験（ＡＳＴＭ Ｄ７９０−１０、手順Ａ、またはＩＳＯ １７８など）により室温において横断方向で得られる応力−歪み曲線上で達する最大応力をさす。それは、材料が、破損に至るまで横断方向に加えられた応力に耐える能力を表す。横断強度と弾性率との均衡を取るために、最大曲げ強度に対する曲げ弾性率の比の制御も行う。例えば、該比は、約５０〜約２２００、いくつかの態様では約１００〜約１０００、いくつかの態様では約２００〜約８００、いくつかの態様では約２５０〜約６００の範囲であることができる。
[0088]異形材はまた、非常に低いボイド率、例えば約３％以下、いくつかの態様では約２％以下、いくつかの態様では約１％以下のボイド率を有することができる。ボイド率は、例えばＡＳＴＭ Ｄ２５８４−０８に従った“樹脂燃焼消費”試験を用いて、上記のように決定することができる。
[0089]本開示は、以下の実施例を参照すると、よりよく理解することができる。
[0090]最初に、連続繊維リボンを、実質的に上記し図２〜３に示したような押出システムを用いて形成した。ガラス繊維ロービング（Ｅ−ガラス、２２００テックス）を連続繊維に採用し、個々のリボンはそれぞれ三（３）本の繊維ロービングを含有していた。繊維に含浸させるのに用いた熱可塑性ポリマーは、約１０５℃の融点を有するアクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）であった。各リボンは６０重量％のガラス繊維および４０重量％のＡＢＳを含有していた。得られたリボンは、０．２〜０．４ミリメートルの厚さおよび１％未満のボイド率を有していた。
[0091]形成後、続いてリボンを毎分５フィートの速度で操作している押出／引抜成形ラインに供給した。圧密化に先立ち、リボンを赤外線加熱炉（電力設定１６０）内で加熱した。その後、加熱したリボンをＵ字型の溝を有する圧密化ダイに供給した。該圧密化ダイにより、リボンは受け入れられ、異形材の初期形状を形成しつつ一緒に圧密化された。ダイの内部において、リボンは、ＡＢＳマトリックスの融点より少し高い約１２１℃の温度で維持された。圧密化後、得られた積層体を続いて周囲空気で短時間冷却した。その後、積層体を図１に示す引抜成形ダイに通して通過させた。長繊維ペレットを、２４６℃においてＵ字型異形材の内部区画に施用した。その後、得られた成形品を１インチのランド区画に供給して最終的な中実“Ｕ字型”をもたらし、約２６℃の温度に設定した油冷サイジングユニットを用いて冷却した。その後、空気冷却を採用して冷却プロセスを完了させた。異形材は、約３．２ミリメートルの厚さおよび約４０ミリメートルの幅を有していた。
[0092]十（１０）種の異なるＵ字型異形材試料を、異なる量の連続繊維および長繊維を用いて上記のように形成した。長繊維の量は、ペレットに０重量％〜４０重量％の異なる百分率の長繊維を用いることにより変動させ、連続繊維の量は、２〜７本の異なる本数のリボンを用いることにより変動させた。各試料の形成方法を以下の表１に示す。
Figure 2013530855
[0093]異形材の強度特性を決定するために、ＡＳＴＭ Ｄ７９０−１０、手順Ａに従って三点曲げ試験を実施した。異形材の横断方向の縁の一つをジグで支持し、インストロン計測器からの荷重を、Ｕ字型異形材の支持されていない縁に加えた。以下の方程式を用いて、成形品に対する最大応力荷重を計算した：最大応力荷重＝（６×Ｐｍａｘ×Ｌ）ｗ×ｔ２［式中、Ｐｍａｘ＝最大荷重、Ｌ＝レバーアームの長さ、ｗ＝試料の幅、ｔ＝試料の厚さである］。試料の強度特性を以下の表２で説明する。
Figure 2013530855
[0094]当業者なら、本発明のこれらおよび他の修正および変動を、本発明の精神および範囲から逸脱することなく実行することができる。これに加えて、さまざまな態様の観点は、全体または一部分の両方において入れ替えることができることを、理解すべきである。さらに、当業者なら、上記記載がほんの一例に過ぎず、添付する当該請求項にさらに記載するように、本発明を限定するものではないことを、理解するであろう。
４ 内側層
５ 内部表面
６ 外側層
７ キャッピング層
８ 外部表面
１２ 連続繊維リボン
１２ａ 連続繊維リボンの第１層
１２ｂ 連続繊維リボンの第２層
１５ 造形品
１６ 完成した異形材
２０ クリール
２２ 水平回転スピンドル
３０ 入口プレート
４０ 張力調節手段
４１ 円筒形バー
４５ 炉
５０ 圧密化ダイ
５３ 第２層１２ｂの側面部分
５６ 入口末端
５７ 第１層１２ａの側面部分
６０ 引抜成形ダイ
６１ 不連続繊維材料
６２ 第１のダイ区画
６４ 第２のダイ区画
６７ ダイ出口
６８ マンドレル
６９ 第１のマンドレル区画
７１ 近位末端
７２ キャッピングダイ
７３ 遠位末端
７５ 外部表面
７７ 突起部
７９ 第２のマンドレル区画
８０ 冷却システム
８２ 引取装置
８３ 上側壁
８５ 下側壁
９１ 上に面した表面
９３ 曲線状の縁
９５ 下に面した表面
９７ 縁
１０３ くぼみ
１２０ 押出機
１２２ バレル
１２４ スクリュー軸
１２６ ホッパー
１２７ 熱可塑性ポリマー供給原料
１２８ バレルフランジ
１３０ ヒーター
１３２ ダイフランジ
１３３ ヒーター
１３７ 圧力センサー
１４２ 連続繊維ロービング
１４４ リール
１５０ 含浸ダイ
１５２ 押出物
１５６ 圧密化リボン
１６２ 軌道
１６４ 軌道
１７１ 区画
１９０ ロール
２０４ 別個の層
２０５ 内部表面
２０６ 内側層
２０７ キャッピング層
２０８ 上側層
２０９ 下側層
２１２ａ 連続繊維材料の第１層
２１２ｂ 連続繊維材料の第２層
２１４ 樹脂
２１６ 異形材
２２０ マニホールド集成体
２２２ 溝
２２４ 中心軸
２３２ 第１の分岐ランナー群
２３４ 第２のランナー群
２３６ 第３のランナー群
２４０ 上側の流れ
２４２ 出口領域
２４２ 下側の流れ
２４４ 流れ方向
２５０ 含浸帯域
２５０ 圧密化ダイ
２５２ 接触表面
２５４ 角度
２５６ 第１のプレート
２５６ 入口末端
２５７ 第１の内側表面
２５８ 第２のプレート
２５９ 第２の内側表面
２６０ 引抜成形ダイ
２６２ 第１のダイ区画
２６４ 第２のダイ区画
２６８ マンドレル
２７０ ゲート通路
２７２ キャッピングダイ
２８０ ランド帯域
２８０ 第３のダイ区画
２８１ 不連続繊維材料
２８２ 送り方向
２９０ 面板
３０４ 内側層
３０５ 内部表面
３０６ａ 垂直層
３０６ｂ 水平層
３０７ キャッピング層
３０８ 外部表面
３１６ 概して長方形である中空異形材
４０４ 外側層
４０６ 内側層
４０７ キャッピング層
４０８ 外部表面
４０９ 別個の層
４１６ Ｌ字型異形材
５０４ 外側層
５０６ 内側層
５０７ キャッピング層
５０８ 外部表面
５１６ 中実異形材
６０４ 基層
６０６ 外部層
６１６ 異形材
７０４ 内部層
７０６ 外部層
７１６ 異形材

Claims (39)

  1. 横断面形状を有する引抜成形異形材の形成方法であって、
    連続繊維リボンを長手方向で引抜成形ダイに通して引っ張ることであって、連続繊維リボンが、実質的に長手方向に方向付けられ、第１の熱可塑性ポリマーマトリックス内に埋め込まれている連続繊維を含有する；
    不連続繊維材料を引抜成形ダイに導入することであって、不連続繊維材料が、第２の熱可塑性マトリックス内に埋め込まれている不連続繊維を含有する；そして
    引抜成形ダイ内で、不連続繊維材料と連続繊維リボンを組み合わせて、異形材の第１層および第２層を形成することであって、第１層が、第２層に隣接して位置決めされ、不連続繊維材料を含み、第２層が、連続繊維リボンを含む；
    を含む、前記方法。
  2. 連続繊維、不連続繊維、または両方が、ガラス繊維、炭素繊維、またはガラス繊維および炭素繊維の組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。
  3. 第１の熱可塑性ポリマーマトリックス、第２の熱可塑性ポリマーマトリックス、または両方が、ポリオレフィン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアリーレンケトン、液晶ポリマー、ポリアリーレンスルフィド、フルオロポリマー、ポリアセタール、ポリウレタン、ポリカーボネート、スチレンポリマー、ポリエステル、ポリアミド、またはそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載の方法。
  4. 第１の熱可塑性マトリックスが第１の熱可塑性ポリマーを含み、第２の熱可塑性マトリックスが第２の熱可塑性ポリマーを含み、第１の熱可塑性ポリマーおよび第２の熱可塑性ポリマーが同一である、請求項１に記載の方法。
  5. 連続繊維リボンが、約２％以下のボイド率を有する、請求項１に記載の方法。
  6. 連続繊維リボンが、
    繊維に第１の熱可塑性ポリマーマトリックスを含浸させるための蛇行経路を規定する押出装置に通して連続繊維を通過させること；そして
    その後に、含浸繊維を圧密化してリボンにすること；
    を含む方法により形成される、請求項１に記載の方法。
  7. マニホールド集成体が、熱可塑性マトリックスを押出装置に供給し、マニホールド集成体が、熱可塑性マトリックスが通って流れる分岐ランナーを含む、請求項６に記載の方法。
  8. 連続繊維が、熱可塑性マトリックスを含浸させる時に張力下にある、請求項６に記載の方法。
  9. 熱可塑性ポリマーマトリックスが、リボンの約１０重量％〜約６０重量％を構成し、連続繊維が、リボンの約４０重量％〜約９０重量％を構成する、請求項１に記載の方法。
  10. 不連続繊維が、長繊維を含む、請求項１に記載の方法。
  11. さらに、引抜成形ダイの上流に位置決めされている圧密化ダイに通して連続繊維リボンを引っ張ることを含む、請求項１に記載の方法。
  12. 不連続繊維の少なくとも一部が、長手方向に対し傾斜して方向付けられる、請求項１に記載の方法。
  13. 不連続繊維材料が長手方向に対し投入角で引抜成形ダイに導入され、投入角が約７５°〜約９０°である、請求項１に記載の方法。
  14. 第１のマンドレル区画が引抜成形ダイの内部に位置決めされており、不連続繊維材料が第１のマンドレル区画の上方を流れて、第１のマンドレル区画の外部表面と引抜成形ダイの内部表面の間に規定される形状を帯びる、請求項１に記載の方法。
  15. 第２のマンドレル区画も引抜成形ダイの内部に位置決めされており、連続繊維リボンが第２のマンドレル区画の上方を流れて、第２のマンドレル区画の外部表面と引抜成形ダイの内部表面の間に規定される形状を帯びる、請求項１４に記載の方法。
  16. 多数の連続繊維リボン層を引抜成形ダイに通し、引っ張り一緒にして、異形材の第２層を形成する、請求項１に記載の方法。
  17. さらに、キャッピング層を第１層、第２層、または両方に施用することを含む、請求項１に記載の方法。
  18. さらに、造形された異形材を冷却して、第１層および第２層を所定の位置に固めることを含む、請求項１に記載の方法。
  19. 第１層の重量に対する第２層の重量の比が、約０．２〜約１０である、請求項１に記載の方法。
  20. 第２層が約０．５〜約３．０ミリメートルの厚さを有し、第１層の厚さが約０．５〜約１．５ミリメートルである、請求項１に記載の方法。
  21. 異形材が、中空である、請求項１に記載の方法。
  22. 中空異形材が、ほぼ長方形の形状を有する、請求項２１に記載の方法。
  23. 第１層が、中空異形材の内側層を形成する、請求項２１に記載の方法。
  24. 第２層が、実質的に第１層の外周の周囲に伸長している、請求項２３に記載の方法。
  25. 第２層が、第１層に隣接する１以上の別個の領域に位置決めされている、請求項２３に記載の方法。
  26. 第２層が、中空異形材の内側層を形成する、請求項２１に記載の方法。
  27. 第１層が、実質的に第２層の外周の周囲に伸長している、請求項２６に記載の方法。
  28. 第１層が、第２層に隣接する１以上の別個の領域に位置決めされている、請求項２６に記載の方法。
  29. 異形材が、中実である、請求項１に記載の方法。
  30. 中実異形材が、Ｕ字型またはＣ字型である、請求項２９に記載の方法。
  31. 異形材の横断面形状が、異形材の長さ全体に沿って実質的に同じである、請求項１に記載の方法。
  32. 請求項１に記載の方法により形成される、異形材。
  33. 異形材を形成するための引抜成形装置であって、
    内部キャビティを規定する、引抜成形ダイ；
    １以上の連続繊維リボンを引抜成形ダイの内部キャビティに通して引っ張るように構成されている、引取装置；
    引抜成形ダイの内部キャビティ中に不連続繊維材料を押し出すように構成されている、クロスヘッド押出装置；および
    引抜成形ダイの内部キャビティ内に位置決めされているマンドレルであって、マンドレルが、不連続繊維材料が上方を流れて異形材の第１層を形成するように構成されている第１区画と、連続繊維リボンが上方を流れて異形材の第２層を形成するように構成されている第２区画を有する；
    を含む、前記装置。
  34. さらに、引抜成形ダイの上流に位置決めされている圧密化ダイを含む、請求項３３に記載の引抜成形装置。
  35. クロスヘッド押出装置が、不連続繊維材料を引抜成形ダイに約７５°〜約９０°の角度で導入するように構成されている、請求項３３に記載の引抜成形装置。
  36. 第１のマンドレル区画が外部表面を規定し、第１層が第１のマンドレル区画の外部表面と引抜成形ダイの内部表面の間に形成される、請求項３３に記載の引抜成形装置。
  37. 第２のマンドレル区画が上側壁および下側壁を有し、１枚以上の連続繊維リボンが上側壁および下側壁の上方で引っ張られて第２層の少なくとも一部を形成する、請求項３３に記載の引抜成形装置。
  38. さらに、キャッピング層を第１層、第２層、または両方に施用するために、引抜成形ダイの下流に位置決めされているキャッピングダイを含む、請求項３３に記載の引抜成形装置。
  39. さらに、第１層および第２層を所定の位置に固めるために、引抜成形ダイの下流に位置決めされている冷却システムを含む、請求項３３に記載の引抜成形装置。
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