JP2016516917A - 構造用部品のための高い強度重量比を有する成形可能な不織布およびその作成方法 - Google Patents

Abstract

成形可能な不織布材料およびその作成方法が提供される。不織布材料は、混合され結合された天然セルロース繊維と無水マレイン酸グラフト化ポリプロピレン繊維を含有するポリプロピレンとから形成された少なくとも１つの不織布マット（１４、１１４）を含む。スクリム層（１６、１１６）が、少なくとも部分的に溶融されて不織布マット内へと拡散されて、不織布マットおよびスクリム層双方の材料を含有する混和領域（１８、１１８）を形成し、それは、約３００〜１２００ｇｓｍの密度を有し、マシン方向を横断する曲げ強度が約７６Ｎである、成形可能な不織布材料を提供する。

Description

関連出願との相互参照
本願は、２０１３年３月１５日に出願された米国仮出願連続番号第６１／７９４，６３０号の利益を主張する。当該仮出願はその全体がここに引用により援用される。

発明の背景
１．技術分野
この発明は一般に、不織布材料およびそれらの作成方法に関し、より特定的には、少なくとも部分的に天然繊維から作成され、高い強度重量比を有する構造用不織布に関する。

２．関連技術
特に自動車業界用の今日の構造用および半構造用部品は、射出成形、熱成形、または吹込成形のいずれかにより、プラスチックなどの石油系材料を用いて作られる。また、製品は木または金属から作られるが、これらの最終製品は高い強度重量比を有する。業界、特に自動車、航空機および航空宇宙業界は、重量の減少および強度の増加を目指しており、このため、強度重量比が高い構造用材料を探している。これは主に、より軽量の車両を作る必要性によって駆り立てられており、それは次に、燃費および性能効率の向上をもたらす。さらに、業界は、寿命の終わりに環境に対して悪影響を与えないような、環境にやさしい構造用材料を探している。

この発明の一局面によれば、約３００〜１２００ｇｓｍの密度を有する不織布材料が提供される。不織布材料は、天然繊維と、無水マレイン酸グラフト化ポリプロピレンと混合された変性ポリプロピレン繊維とから形成された、少なくとも１つの不織布ウェブを含む。また、スクリム層が、少なくとも部分的に溶融され、不織布ウェブ内へと拡散されている。

この発明の別の局面によれば、スクリム層は、不織布ウェブの外面上にあり、不織布材料の外面を形成する。

この発明の別の局面によれば、不織布材料は、曲げ強度ＡＭＤが約７６Ｎである。
この発明の別の局面によれば、スクリム層は、１対の不織布ウェブ間に挟まれ、各不織布ウェブ内へと少なくとも部分的に拡散されている。

この発明の別の局面によれば、不織布材料は、曲げ強度ＡＭＤが約８０Ｎである。
この発明の別の局面によれば、不織布材料は、車両ドアボルスター（vehicle door bolster）または他の構造用部品を形成するために成形される。

この発明の別の局面によれば、約３００〜１２００ｇｓｍの密度を有する不織布材料を作成する方法が提供される。この方法は、天然セルロース繊維と、無水マレイン酸グラフト化ポリプロピレンと混合された変性ポリプロピレン繊維との混合物を混合するステップと、次に、混合された混合物から少なくとも１つの不織布ウェブを形成するステップと、さらに、マットを形成するために少なくとも１つの不織布ウェブを結合するステップと、次に、マットの表面にスクリム層を積層し、スクリム材料を少なくとも部分的に溶融してマットの表面内へと拡散させるステップとを含む。

この発明の別の局面によれば、この方法はさらに、１対のマットを形成して結合し、スクリム層を１対のマット間に挟まれる関係で積層して、マットおよびスクリム層の材料を含有する混和（alloy）領域を形成するステップを含む。

この発明の別の局面によれば、この方法はさらに、車両ドアボルスターまたは他の構造用部品を形成するために不織布材料を成形するステップを含む。

図面の簡単な説明
この発明のこれらのならびに他の局面、特徴、および利点は、以下の現在好ましい実施形態および最良の形態の詳細な説明、添付された請求項、および添付図面に関連して検討されると、より容易に理解されるようになるであろう。

この発明の一局面に従って成形された車両ドアボルスターの斜視図である。 図１の車両ドアボルスターを成形するために使用される、この発明の一局面に従って作成された不織布層の拡大された部分断面図である。 この発明の別の局面に従って作成された不織布層を示す、図２に似た図である。

現在好ましい実施形態の詳細な説明
図面をより詳細に参照すると、図１は、この発明の一局面に従って作成された不織布材料１２（図２）から作成された車両ドアボルスター１０を示す。ドアボルスター１０は、ドアハンドルを含む外側の装飾されたドアパネルが取付けられる、内側の車両ドアパネルである。したがって、ドアボルスター１０は、ドアを繰返し開閉することから受ける力、および車両ドアパネルが受ける他のルーティング力に耐えることができなければならない。そのようなドアボルスターに対して突きつけられた極端な要望を想定して、製造業者らは通常、ドアボルスターが満たさなければならない特定の仕様を有する。たとえば、そのような１つの要件は、ドアボルスター材料が１６００ｇｓｍを有していなければならないということである。この要件は、ドアボルスターが、典型的な車両ドア用途に耐えるために、（マシン方向（machine direction）の）曲げ強度が５５．５Ｎ、（マシン方向を横断する（across machine direction：ＡＭＤ））曲げ強度が７０．５Ｎ、（マシン方向の）曲げ靭性が９８．６％、（マシン方向を横断する）曲げ靭性が９７．５％、（マシン方向の）曲げ剛性が６．０２Ｎ／ｍ、および（マシン方向を横断する）曲げ剛性が８．８４Ｎ／ｍという要件を満たすには、この密度が必要である、という考えから生じている。この発明に従って作成された不織布材料１２は、ドアボルスター１０の構成へと圧縮成形されて、約１２００ｇｓｍしか有していないもののこれらの要件を満たすことまたは上回ることが可能であり、それは最終的には重量を減少させるものの、前述の構造要件を達成し、上回る。

不織布シートまたは不織布層１２とも呼ばれる不織布材料はまず、軽量の不織布ウェブとして作成される。ウェブは、竹、ケナフ、亜麻、麻、ジュートなどを含む天然靭皮繊維といった天然セルロース繊維から作成される。したがって、使用される繊維は自然に再生可能であり、石油系繊維と比べて二酸化炭素排出量が低く、石油系繊維は使用されない。靭皮繊維は、変性ポリプロピレン繊維（無水マレイン酸グラフト化ポリプロピレンと混合されたポリプロピレン、以下にＰＰ／ＭＡＰＰと呼ぶ）と混合され、ここで使用される変性ポリプロピレンは、標準的なポリプロピレン繊維に比べてより高い分子量を有する。ＰＰ／ＭＡＰＰの混合比率は、必要とされる最終的な構造特性に基づいて約２５％〜６０％であってもよく、一例では、ＰＰ／ＭＡＰＰ５０％と、ケナフ繊維５０％とが使用された。ポリプロピレン繊維にＭＡＰＰを加えることは、靭皮繊維とポリプロピレンとの結合を高めるのに役立つ。無水マレイン酸は極性および反応性を提供し、それらは必要とされる高い接着性を与える。なぜなら、セルロース繊維は極性および親水性を有し、一方、ＰＰは非極性および疎水性を有するためである。ＭＡＰＰはセルロースの−ＯＨ基と水素結合または共有結合し、それはまた、相溶化剤として作用して、セルロースとＰＰとの間の極性相互作用を提供する。それは合成物の強度を高め、一方、変性ＰＰの増加した分子量は、合成物の曲げ強度を高める。

ＰＰ／ＭＡＰＰ繊維と靭皮繊維とはまず、ともに混合されて、次に混合物がファインオープナー（fine opener）を通って処理される。それは、混合物をより均質化することを助け、また、繊維束を個々の繊維へと開繊する（open）ことを助ける。

混合物は次に、不織布ウェブを形成するために、ウェブ形成マシンを通って処理される。ウェブの重量は約３００ｇｓｍ〜５０００ｇｓｍであってもよく、作られたサンプルは約１２００ｇｓｍであった。ウェブは次に、マット１４を形成するために、２つのプロセスのうちの１つを介して結合される。まず、それは、空気炉にウェブを通すことによって熱結合されてもよく、炉の温度は、溶融されたＰＰ／ＭＡＰＰを天然セルロース繊維と結合するためにＰＰ／ＭＡＰＰを溶融するように設定されている。次に、結合されたウェブまたはマット１４は、熱可塑性層と積層される。それは、不織布の、たとえばスパンボンドのポリプロピレンスクリム、もしくは押出されたポリプロピレンシートまたはフィルム１６であり得る。第２のプロセスは、マット１４を形成するために、ウェブに針を刺して（needle）繊維同士を互いに絡ませることによって不織布を機械的に結合することを含む。この時点で、不織布のポリプロピレンスクリムは、マット１４に刺さり得る。その他の場合、押出されたポリプロピレンシートまたはフィルムは、針が刺された不織布マット１４に積層され得る。

完成した不織布材料１２は次に、ドアボルスター１０の仕上がり形状を呈するように成形され得る。成形されると、ドアボルスターの仕上がり厚さは約１〜３ｍｍであり、作られたサンプルは２ｍｍであった、仕上がり密度は１２００ｇｓｍであった。それは、１６００ｇｓｍを有する同じサイズの製品と比べると、車両１台につき約１Ｋｇ節減する。かなり減少したｇｓｍを有することに加えて、図２の不織布材料を使用するサンプルのドアボルスター１０は、約７６Ｎの曲げ強度ＡＭＤを有していた。それは、７０．５Ｎという必要な仕様を十分に上回っている。強度の向上および重量の減少は、スクリム１６によって可能とされ、それは、マット１４に結合されると、少なくとも部分的に溶融してマット１４の間隙内へと拡散して、マット材料とスクリム材料との混和領域１８を形成し、それにより、さもなければ応力集中部、ひいては弱い場所を作り出すであろうであろうマット１４内の空隙を充填する。加えて、スクリム１６の外向きに面する表面は、円滑で強靭な表面を形成する。

図３には、この発明の別の局面に従った不織布材料１１２が示されており、因数１００ずつずらされた同じ参照番号が、同様の形状構成を識別するために使用されている。不織布材料１１２は、スクリム層１６について上述したのと同じ材料から形成されたスクリム層１１６を有して作成されているが、スクリム層１１６は、不織布材料１１２の外面上にあるのではなく、１対の不織布マット１１４間に挟まれている。マット１１４の各々は、マット１４について上述したように作成されているが、それらの厚さは減少されており、それらの個々の密度は６００ｇｓｍであり、それにより、全体で約１２００ｇｓｍを有する不織布層１１２を形成する。不織布層１２、１１２は双方とも約１２００ｇｓｍを有するが、不織布層１１２は検査されて、８０Ｎの曲げ強度ＡＭＤを有することがわかった。したがって、それは強度がより高いものの、ドアボルスター１０を形成するために同等に成形可能である。追加された強度は、単一の混和領域が形成される代わりに、１対の混和領域１１８が、溶融されたスクリム層１１６の両側に形成されるという事実から生じるものと思われる。したがって、双方の不織布層１２、１１２が、ドアボルスターに対して要求される仕様を上回り、かつ著しく減少したｇｓｍを有するため、ますます要求が厳しくなる車両燃費要件を満たす能力を付与する重量節減が実現される。

上述の教示に鑑みて、この発明の多くの変更および変形が可能である。したがって、この発明は具体的に説明されたこと以外の態様で実践され得ること、およびこの発明の範囲は最終的に許可される請求項によって定義されることが、理解されるはずである。

Claims (11)

1. 不織布材料であって、
   天然セルロース繊維と、無水マレイン酸グラフト化ポリプロピレンと混合されたポリプロピレンを含有する変性ポリプロピレン繊維とから形成された、少なくとも１つの不織布ウェブと、
   スクリム層とを含み、前記スクリム層は、前記少なくとも１つの不織布ウェブの外面に結合され、前記少なくとも１つの不織布ウェブ内へと少なくとも部分的に拡散されて、前記少なくとも１つの不織布ウェブおよび前記スクリム層双方の材料を含有する混和領域を形成し、
   前記少なくとも１つの不織布ウェブは、約３００〜１２００ｇｓｍの総密度を有する、不織布材料。
2. 前記スクリム層は、前記少なくとも１つの不織布材料の外面を形成する、請求項１に記載の不織布材料。
3. 前記不織布材料は、マシン方向を横断する曲げ強度が約７６Ｎである、請求項２に記載の不織布材料。
4. 前記スクリム層は、１対の前記少なくとも１つの不織布ウェブ間に挟まれ、各々の前記不織布ウェブ内へと少なくとも部分的に拡散されて、前記スクリム層の両側に１対の混和領域を形成し、前記混和領域は、前記不織布ウェブおよび前記スクリム層のそれぞれからの材料を含有する、請求項１に記載の不織布材料。
5. 前記不織布材料は、マシン方向を横断する曲げ強度が約８０Ｎである、請求項４に記載の不織布材料。
6. 前記１対の不織布ウェブの各不織布ウェブは、約６００ｇｓｍの密度を有する、請求項４に記載の不織布材料。
7. 前記不織布材料は、車両ドアボルスターを形成するために成形される、請求項１に記載の不織布材料。
8. 不織布材料を作成する方法であって、
   天然セルロース繊維と、無水マレイン酸グラフト化ポリプロピレン繊維を含有するポリプロピレンとの混合物を混合するステップと、
   混合された混合物から少なくとも１つの不織布ウェブを形成するステップと、
   少なくとも１つの不織布ウェブを結合するステップと、
   結合された少なくとも１つのウェブの表面にスクリム層を積層し、スクリム材料を少なくとも部分的に溶融して、少なくとも１つの不織布ウェブの表面内へと拡散させて、前記少なくとも１つの不織布ウェブおよびスクリム層双方の材料を含有する混和領域を形成し、約３００〜１２００ｇｓｍの密度を有する完成した不織布材料を提供するステップとを含む、方法。
9. １対のウェブを形成して結合し、スクリム層を、結合された１対のウェブ間に挟まれる関係で積層して、不織布ウェブおよびスクリム層の材料を含有する１対の混和領域を形成するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
10. 車両ドアボルスターを形成するために不織布材料を成形するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
11. 天然セルロース繊維が約５０％、無水マレイン酸グラフト化ポリプロピレン繊維を含有するポリプロピレンが約５０％という比率を有する混合物を形成するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。

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