JP2014145075A

JP2014145075A - 導電性繊維強化ポリマー組成物

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Publication number: JP2014145075A
Application number: JP2014010236A
Authority: JP
Inventors: O Gaw Kevin; ケヴィンオー．ガウ，; Eddie Kwon; エディクォン，
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2013-01-28
Filing date: 2014-01-23
Publication date: 2014-08-14
Anticipated expiration: 2034-01-23
Also published as: US10102939B2; EP2759563A3; JP6611413B2; US20140212620A1; EP2759563A2

Abstract

【課題】繊維面に対して直交する方向に増大した導電性を有する繊維強化ポリマー組成物を提供する。
【解決手段】導電性繊維強化ポリマー組成物は、長手軸、垂直軸、および通し軸を有する複合構造を含むことができ、該複合構造は、ポリマーマトリックス、ポリマーマトリックスに組み込まれた導電性充填剤、およびポリマーマトリックスに組み込まれた強化材料を含む。
【選択図】なし

Description

本発明は、概して、繊維強化プラスティックに関連し、より具体的には、繊維面に対して直交する方向に増大した導電性を有する繊維強化ポリマー組成物に関連する。

繊維強化プラスティックが様々な用途に使用されることは、よく知られている。このような複合材料は、その強度と軽量性により、航空宇宙産業、自動車産業、海運産業、および建設業で一般的に用いられている。現在、繊維強化プラスティックが、主要な繊維強化材の線状配向に対して直交する方向に電流を伝導させる能力には、限界がある。

特に板厚（Ｚ軸）方向（例えば、相互作用方向）で十分な導電性が欠如すると、繊維強化プラスティックの表面の中および上に大きなボルテージポテンシャルが蓄積する結果となりうる。これらのボルテージは、“火花発生”、“エッジグロー”、または“エッジエミッション”と呼ばれるエネルギー現象を通して軽減される。これは、特に、可燃性環境で繊維強化複合材が使用され、連邦規則によって商業用航空機に厳しい基準が課せられている環境において、重大な懸念事項でありうる。これらの規則は、燃料タンクの中または周辺の燃料または燃料蒸気が放電や火花などの発火源によって発火する可能性を減少させる方向に向かっている。こうした放電は、直接的な落雷によって発生するような、電位や電流が加わることによって生じうる。

より大きな電流（すなわち、電流密度）の板厚方向における導電性が欠如すると、高電流伝導の間、炭素繊維および周囲のマトリックスが過度に加熱されることにより、導電性炭素繊維がマトリックスポリマーから分離する結果となりうる。さらに、電流の体積伝導が複合平面の局所加熱を誘発する可能性もあり、結果として粒子の排出をもたらすことができる。繊維強化プラスティック物品の端部の近くの粒子が特に懸念材料でありうる。

標準的技法は、ポリマーマトリックス内および繊維強化材の層の表面上に導電性充填剤量を増加させ、層間の電圧を減少させて、直交方向に電流経路が存在することを可能にすることであろう。過去の類似した解決法は、ポリマーマトリックス内に金属化された球体を組み込むことであった。金属化は、ニッケルなどの導電素子を使用して行うことができる。しかしながら、このような技法は、複合構造全体にわたる導電、金属の毒性、酸化、および湿度に対する感度における均一性を欠いてきた。

したがって、当業者は、繊維強化プラスティックの分野において、ｚ方向の導電性の問題を克服するために研究開発の努力を続けている。

１つの実施形態では、開示される導電性繊維強化ポリマー組成物は、長手（ｘ）軸、垂直（ｙ）軸、および通し（ｚ）軸を有する複合構造を含むことができ、該複合構造は、ポリマーマトリックス、ポリマーマトリックスに適用された（または組み込まれた）導電性充填剤、およびマトリックスによって補足された強化（および、任意選択により、導電性の）材料を含む。

別の実施形態では、開示される導電性繊維強化ポリマー組成物は、長手（ｘ）軸、垂直（ｙ）軸、および通し（ｚ）軸を有する複合構造を含むことができ、該複合構造は、ポリマーマトリックスと、導電性鉱物、炭素質材料およびポリマーマトリックス内の金属のうちの少なくとも１つと、繊維状強化材料とを含む。

別の実施形態では、導電性繊維強化ポリマーを形成する方法が開示されており、該方法は、（１）ポリマーマトリックスを提供するステップと、（２）導電性充填剤を提供するステップと、（３）導電性マトリックスを形成するために、配合工程でポリマーマトリックス内の導電性充填剤を使用するステップとを含むことができる。

さらに別の実施形態では、導電性繊維強化ポリマーを形成する方法が開示されており、該方法は、（１）ポリマーマトリックスを提供するステップと、（２）導電性充填剤を提供するステップと、（３）増大した導電率の樹脂システムを形成するポリマーマトリックスに導電性充填剤を組み込むステップと、（４）強化材料を提供するステップと、（５）複合構造を形成するために、導電性マトリックスを強化材料に適用するステップとを含むことができる。

開示される導電性繊維強化ポリマー組成物の他の態様は、以下の詳細な説明、添付の図面および請求の範囲から明らかになるだろう。

図１は、開示される導電性繊維強化ポリマー組成物の一実施形態の斜視図である。図２は、開示される導電性繊維強化ポリマー組成物の別の実施形態の斜視図である。図３は、図１の開示される導電性繊維強化ポリマー組成物の正面図である。図４は、図１の開示される導電性繊維強化ポリマー組成物の側面図である。図５は、図２の開示される導電性繊維強化ポリマー組成物の側面図である。図６は、図３のセクションラインＡ−Ａに沿った、開示される導電性繊維強化ポリマー組成物の断面図である。図７は、図４のセクションラインＢ−Ｂに沿った、開示される導電性繊維強化ポリマー組成物の断面図である。図８は、導電性繊維強化ポリマー組成物を作製する、開示される方法の一実施形態を示すフロー図である。

後に続く実施形態の詳細な説明は、添付の図面を参照することで、本開示の具体的な実施形態を示す。種々の構造及び動作を有する他の実施形態は、本開示の範囲から逸脱しない。類似の参照番号は、異なる図面の同じ要素またはコンポーネントを指すことができる。

図１および２を参照するに、導電性繊維強化ポリマー組成物の一実施形態は、概して１０で指定されているが、構成材料で作られた複合構造１２を含むことができる。複合構造１２は、単一のプライ１４（図１）で形成されることができ、または複数のプライ１４（図２）の積層アセンブリによって形成される積層物であることができる。複合構造１２は、長さＬ、幅Ｗ、および板厚Ｔを含むことができる。

図３〜５を参照するに、単一の複合プライ１４を有する複合構造１２は、長手軸Ｘ（すなわち、長さ）、垂直軸Ｙ（すなわち、幅）、および通し軸Ｚ（すなわち、板厚）を含むことができる。同様に、プライの積層スタック１４を有する複合構造１２は、長手軸Ｘ、垂直軸Ｙ、および通し軸Ｚも含むことができる。当業者であれば、長さＬ、幅Ｗ，および板厚Ｔの物理的な寸法は、最終設計および使用基準によって異なりうることを理解するであろう。

図６および７を参照するに、複合構造１２の各プライ１４の構成材料は、ポリマーマトリックス１６、強化材料１８、および導電性充填剤２０を含むことができる。本発明の範囲から逸脱しなければ、追加の構成要素が含まれてもよい。

ポリマーマトリックス１６は、ポリエーテルスルフォン、ポリオレフィン、ポリアルケン、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリアリールエーテルケトン、およびポリフタルアミドから成るグループから選択される高分子材料でありうる。例えば、ポリマーマトリックス１６は、エポキシ樹脂、ビニルエステル、またはポリエステル熱硬化性プラスティック樹脂、またはフェノールホルムアルデヒド樹脂でありうる。熱可塑性材料の使用も、本発明に包含される。ポリマーマトリックス１６の分子量および相対粘度は、強化要素および導電性充填剤の安定化に適した範囲を組み込むことができる。１つの実装形態では、相対粘度は１．０でありうる。別の実装形態では、相対粘度は２．０でありうる。別の実装形態では、相対粘度は２．０を上回り、適した機械的強度をもたらしうる。ポリマーマトリックス１６は、所定の抵抗率を有しうる。

強化材料１８は、短繊維強化材料または連続繊維強化材料でありうる。１つの実装形態では、強化材料１８は、複数の強化繊維２２を含みうる。繊維２２は、ガラス（例えば、ガラス繊維）、炭素（例えば、炭素繊維、炭素ナノチューブ）、およびポリアミドを含むポリマーから成るグループから選択されうる。繊維２２は、連続的に整列またはランダムに整列させることができる。別の実装形態では、強化材料１８は、複数の（例えば、何千もの）繊維２２を有する補強テープを含みうる。補強テープは一方向性であり、織りテープ、編みテープ、編組テープ、またはステッチされたテープでありうる。別の実装形態では、強化材料１８は、強化繊維２２および補強テープの両方を含むハイブリッドでありうる。繊維２２は、様々な長さや直径を有しうる。

単一のプライ１４は、一方向（すなわち、一方向性）、または二方向（すなわち、双方向性；例えば、織物）に配向する繊維２２を含みうる。図６および７では、図が明瞭になるように、単一のプライ１４の繊維２２は一方向で示されている。複数のプライ１４を有する複合構造１２では、繊維２２の方向は、複数のプライ１４のスタック全体にわたって変化することができ、それにより、複合構造１２に所望の機械特性を付与する。積層された複合材料１２は、特定の指定された積層順序で積まれ且つ硬化（または圧密化）された、任意の数のプライ１４を有しうる。

強化繊維２２は、部品の長さに沿って、平行に（一方向／長手方向、０度）、円周方向に（２軸方向、９０度）、らせん状に（±３３度から４５度に偏向）、またはランダムに走りうる。繊維２２の配向および種類も変化させることができ、それにより、全方向に均等な強度をもつ、実質的に等方性の積層物が生成される。例えば、図２に示される複合構造１２は、４つのプライ（または薄版）１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ、１４Ｄを有する積層物でありうる。第１のプライ１４Ａは、長手方向に配向する繊維２２を有しうる。第２のプライ１４Ｂは、第１のプライ１４Ａに対して４５度に配向する繊維２２を有しうる。第３のプライ１４Ｃは、第１のプライ１４Ａに対して９０度に配向する繊維２２を有しうる。第４のプライ１４Ｄは、第１のプライ１４Ａに対して４５度に配向する繊維２２を有しうる。当業者であれば、この対称的なレイアップは複合構造１２に典型的である一方で、他の非対称的な配向も使用されうることを理解するであろう。

導電性充填剤２０は、強化材料１８に適用される前に、ポリマーマトリックス１６に適用された（例えば、組み込まれた）導電性粒子２４を含みうる。導電性粒子２４は、小さな球体、フレーク、繊維などの任意の形状を有しうる。１つの表現では、導電性充填剤２０は、導電性鉱物、炭素質材料、金属、導電性炭素質材料、およびそれらの組み合わせから成るグループから選択されうる。別の表現では、導電性充填剤２０は、剥離モンモリロナイト、カーボンブラック、金属、グラファイト、および炭素から成るグループから選択されうる。導電性粒子２４は、導電性充填剤２０を生成するために、処理（粉砕または切断）しうる。導電性充填剤２０は、ポリマーマトリックス１６全体にわたって均一に分布されうる。例えば、図６および７に示すように、導電性粒子２４は、長手軸Ｘ、垂直軸Ｙ，および通し軸Ｚ全体にわたって均一に分布されうる。結果として生じる複合構造１２は、全方向で導電性が増大しうるが、追加の導電性充填剤２０が組み込まれるため、通し軸Ｚに沿った導電性が特に強化されうる。

結合されたとき、ポリマーマトリックス１６および追加の導電性充填剤２０は、具体的な目標体積抵抗率を有する導電性マトリックスを形成しうる。例えば、導電性マトリックスは、体積抵抗率が低い可能性がある。１つの具体的な例として、導電性マトリックスは、約１０^４Ｓｃｍの抵抗率をもつ熱可塑性材料を有しうる。別の具体的な例として、導電性マトリックスは、約１０^９Ｓｃｍの抵抗率をもつ熱可塑性材料を有しうる。さらに別の具体的な例として、導電性マトリックスは、約１０^４〜１０^１０Ｓｃｍの抵抗率をもつ熱可塑性材料を有しうる。

一構成例では、ポリマーマトリックス１６は、複合構造１２の２０％から８０％の間の重量を構成しうる。導電性充填剤２０は、複合構造１２の０．１％から２５％の間の重量を構成しうる。強化材料１８は、複合構造１２の１０％から８０％の間の重量を構成しうる。別の構成例では、ポリマーマトリックス１６は、複合構造１２の２０％から８０％の間の重量を構成しうる。導電性充填剤２０は、複合構造１２の０．１％から２５％の間の重量を構成しうる。強化材料１８は、複合構造１２の１０％から８０％の間の重量を構成しうる。さらに別の構成例では、ポリマーマトリックス１６は、複合構造１２の２０％から８０％の間の重量を構成しうる。導電性充填剤２０は、複合構造１２の０．１％から２５％の間の重量を構成しうる。強化材料１８は、複合構造１２の１０％から８０％の間の重量を構成しうる。

任意で、導電性マトリックスは、強化繊維にマトリックスを追加する前などの、配合工程の間にポリマーマトリックス１６に追加された強化剤を含むこともできる。強化剤は、複合構造のＺ軸の導電性に貢献することができる。

複合構造１２は、湿式レイアップ、スプレーアップ、圧縮、注入、樹脂トランスファー、真空を援用した樹脂注入、または類似した方法を含む、任意の適した製造技術を用いて形成されうる。代替的に、各プライ１４は、樹脂、すなわち、プリプレグで予め含浸された繊維強化材料１８の成形用シートでありうる。

図８を参照するに、概して１００で指定されている、導電性繊維強化ポリマー組成物を作製する方法が開示されている。方法１００は、ブロック１０２において、ポリマーマトリックス（例えば、樹脂）を提供するステップによって開始することができる。ポリマーマトリックスは、所定の抵抗率を有しうる。

ブロック１０４で示されるように、導電性充填剤が提供されうる。ブロック１０６で示されるように、導電性充填剤はポリマーマトリックスと混合されうる。導電性充填剤は、配合工程のいずれの段階（例えば、後半の段階）でも、ポリマーマトリックスに追加されうる。例えば、導電性充填剤は、配合押出機スクリューを通して中間まで追加されうる。後半の段階で導電性充填剤を適用することにより、充填剤またはポリマーマトリックスが劣化することなく、導電性マトリックス全体にわたって導電性粒子が組み込まれることを可能にすることができる。このアディティブ工程に対する変化は、熱可塑性材料全体にわたって、導電性の均一性（または不均一性）を提供しうる。導電性マトリックスの体積導電率は、材料選定および形成工程を通して、的確に制御しうる。

ブロック１０８で示されるように、導電性マトリックス（すなわち、ポリマーマトリックスおよび導電性充填剤）は、強化材料に適用されることができ、それにより、複合構造が形成される。例えば、強化材料は、導電性マトリックスのバスでコーティングされる補強テープでありうる。ブロック１１０で示されるように、余分な導電性マトリックスは除去されうる。ブロック１１２で示されるように、導電性マトリックスおよび強化材料は、硬化（または、熱可塑性ポリマーマトリックス材料の場合、圧密化）されることができ、それにより、複合構造１２が形成される。

したがって、開示される導電性繊維強化ポリマー組成物は、ポリマーマトリックスに適用された導電性充填剤を活用することができ、それにより、複合構造の通し軸Ｚ内の導電性が増大する。導電性充填剤が均一に分布されることにより、（複合構造の導電性の増大を通して）体積加熱の低下に至る可能性があり、Ｚ軸および他の軸内での導電性増大に潜在的に付随して、粒子排出の減少に至る。

開示される導電性繊維強化ポリマー組成物の様々な態様が示され説明されたが、本明細書を読んだ当業者には、多数の変更例が想起されるであろう。本発明はそのような変更例も含んでおり、請求の範囲によってのみ限定される。

１０導電性繊維強化ポリマー組成物
１２複合構造
１４単一のプライ
１４Ａ第１のプライ
１４Ｂ第２のプライ
１４Ｃ第３のプライ
１４Ｄ第４のプライ
１６ポリマーマトリックス
１８強化材料
２０導電性充填剤
２２強化繊維
２４導電性粒子

Claims

導電性繊維強化ポリマー組成物であって、
長手軸、垂直軸、および通し軸を含む複合構造を含み、該複合構造は、
ポリマーマトリックスと、
前記ポリマーマトリックス内の導電性充填剤と、
前記ポリマーマトリックス内の強化材料と
を含む、導電性繊維強化ポリマー組成物。
前記導電性充填剤が、導電性鉱物、炭素質材料、金属、およびそれらの組み合わせから成るグループから選択される材料を含む、請求項１に記載の組成物。
前記強化材料が、ガラス、ガラス繊維、炭素繊維、ポリアミド、炭素ナノチューブ、およびそれらの組み合わせから成るグループから選択される材料を含む、請求項１に記載の組成物。
前記強化材料が、複数の強化繊維を含む、請求項３に記載の組成物。
前記強化材料が、強化繊維テープを含む、請求項３に記載の組成物。
前記ポリマーマトリックスが、ポリエーテルスルフォン、ポリオレフィン、ポリアルケン、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリアリールエーテルケトン、ポリフタルアミド、およびそれらの組み合わせから成るグループから選択される材料を含む、請求項１に記載の組成物。
前記複合構造が、複合プライを含む、請求項１に記載の組成物。
前記複合構造が、複数の複合プライの積層スタックを含む、請求項１に記載の組成物。
前記強化材料が、前記長手軸に対して実質的に平行な面に沿って整列する、請求項１に記載の組成物。
前記強化材料が、前記垂直軸に対して実質的に平行な面に沿って整列する、請求項１に記載の組成物。
熱可塑性強化剤をさらに含む、請求項１に記載の組成物。
前記導電性充填剤が、低体積抵抗率を含む、請求項１に記載の組成物。
導電性繊維強化ポリマーを形成する方法であって、
ポリマーマトリックスを提供するステップと、
導電性充填剤を提供するステップと、
導電性マトリックスを形成するために、配合工程で前記ポリマーマトリックスに前記導電性充填剤を導入するステップと
を含む、方法。
強化材料を提供するステップと、
複合構造を形成するために、前記導電性マトリックスを前記強化材料に適用するステップと
をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
前記複合構造が、前記強化材料に対して直交の方向に低体積抵抗率を含む、請求項１４に記載の方法。
前記複合構造が、増大した導電性を含む、請求項１４に記載の方法。
前記導電性充填剤が、前記配合工程の後半の段階で前記ポリマーマトリックスに導入される、請求項１３に記載の方法。
前記導電性充填剤が、導電性鉱物、炭素質材料、金属、およびそれらの組み合わせから成るグループから選択される材料を含む、請求項１３に記載の方法。
前記導電性マトリックスが、低体積抵抗率を含む、請求項１３に記載の方法。
前記導電性マトリックスが、増大した導電性を含む、請求項１３に記載の方法。