JP2016522105A - 静電結合により支持体層に組み合わされた補強材を含む多層素子 - Google Patents

Abstract

本発明は、補強材の複数の表面のうち少なくとも１つの面で支持体層に結合された複合部品を製造するのに適した補強材を含む多層素子において、前記補強材と前記支持体層とが、静電気力を用いて組み合わされることを特徴とする多層素子、及びこのような材料を製造する方法、並びに、このような素子から前記支持体層を除去した後に得られる、少なくとも１つの補強材から形成された複合部品を製造する方法に関する。

Description

本発明は、複合部品を作製するのに適した補強材の技術分野に関する。より正確には、本発明は、静電結合によって補強材を支持体層に結合することに関する。

複合部品又は複合物品は、即ち、第１に１つ若しくは複数の繊維シート又は複数片の繊維補強材、及び、第２にマトリックス（これは通常、主には熱硬化型であり、熱可塑性物質を含み得る。）を含むが、これは、例えば、液体複合成形（ＬＣＭ）としても知られている「直接的」であると称される方法によって作製されうる。直接法は、１片又は複数片の繊維補強材が、「乾燥」（即ち、最終的なマトリックスがない）状態において、後続の手段で提供される樹脂即ちマトリックスと共に使用されることにより定義され、この後続の手段の例としては、繊維補強材を含有する型にインジェクション（注入）すること（樹脂トランスファー成形法（ＲＴＭ）として知られている方法）、又は、繊維補強材の厚みを通じてインフュージョン（注入）すること（液体樹脂注入法（ＬＲＩ）又は樹脂フィルム注入法（ＲＦＩ））、又は、実際に手動で、ローラー又はペイントブラシを用いて、繊維補強材の個々の層のそれぞれにコーティング及び／又は含浸することであって、それらの層は、連続してシェーパー上で塗布されることが挙げられる。

間接法は、最終的な部品を作製するのに必要とされる量の樹脂を含む、予備含浸型の補強材を使用する。

種々の補強材をこのような方法における用途に利用できる。このような材料は、織布、不織布又は一方向タイプであってよく、それらは、１つ又は複数の層を含んでいてよく、そして任意選択で多量の熱可塑性又は熱硬化性の結合剤を含んでいてよい。本出願人は、とりわけ、一方向繊維シート、特に炭素繊維シートを含む中間材料の提案をしており、そのシートは、シートの複数面（両面）のそれぞれの上において、熱可塑性繊維の不織布と接着剤によって結合している（以下、ウェブＵＤと称する）。これらの補強材は、先行特許出願ＷＯ２０１０／０４６６０９及びＷＯ２０１０／０６１１１４に記載されている。

このような補強材は、可能な場合には、それらの操作をより容易にする支持体層に結合されることなく、リール又はロールの形態でそれ自体の上に供給される。これにより、支持体層を分離し、それを再び巻き取るための装置が必要ではなくなるので、廃棄物を減少させることができ、かつ、使用される設置装置を単純化することができる。

それにも関わらず、ある特定の用途においては、本出願人は支持体層を引続き有することが必要であることを見出した。これは、特に、広幅のストリップの補強材を切出す場合に当てはまる。今日、広幅のシートを扱う機械は一般的に超音波ナイフを使用することによって切断を行う。このような機械はカットアンビル（ｃｕｔｔｉｎｇ ａｎｖｉｌ）として支持体フィルムを使用する。このような機械では、支持体フィルムなしで真直ぐに切断（シートが一方向性の場合、繊維に９０°に）することはできるが、任意（ジグザグ）の切断はできない。これは、廃棄物の管理が経済的に非常に重要でありかつ切断の運営に直接関連していることから、支持体を備えない広幅の一方向シートを含む補強材を工業的規模で使用することについては許容されない。

ところが、予備含浸された一方向シートを専ら扱うために設計されたある機械は、「乾燥」（即ち、結合剤の量が１０重量％を超えない）していると称される一方向シートが支持体フィルムと共に供給される場合は、そのシートを受け入れることができる。

そこで、本出願人は、加熱された際の熱可塑性ウェブの接着性を使用するように、加熱によってウェブＵＤ材を種々のタイプの支持体フィルムに積層する試みを開始した。その後、本出願人は、積層中の加熱温度の調整に関連した困難に遭遇した。使用温度が高すぎる場合には、支持体フィルムから補強材を分離することが不可能になる。対照的に、使用温度が低すぎる場合には、結合が得られない。

更に、本出願人は、加熱による積層には次のある重大な欠点が存在すること見出した。
・オリジナルの補強材に変化が生じる。積層中に使用される条件（加熱温度、圧力、冷却）は、オリジナル材料を製造するための要件に必ずしも対応していない。例えば、冷却している間、補強材は支持体フィルムの表面に接触しているので、補強材の表面に影響を残し、最終的にオリジナルの構造とは異なる構造になる。
・積層のために使用される結合剤に関連する加熱温度は非常に高いので、多数の支持体フィルムとは適合しない。その後、支持体フィルムに由来する成分によって補強材が汚染される危険性が考えられるので、適切なフィルムの範囲が非常に狭められる。

これらの問題点から、結合剤を含む補強材を使用する場合、加熱による積層に置き換わるものを見つける必要性があることが明確になる。又は、より一般的には、上記問題点から、実施が容易で且つ最初の補強材がいかなる劣化にも至らず、同時に補強剤の取扱い及び切断を容易にするのに役立つ、補強材を支持体層に結合させる新規な方法を提案するのが有利であることが明確になる。

そこで、本発明は、複合部品を作製するのに適した補強材及び支持体層を含む多層素子を提案する。本発明において、補強材は、その複数の表面のうち少なくとも一面で、特には、その複数の表面のうち一面のみで支持体層に結合し、その結合は、静電気力によってもたらされ得る。

補強材と支持体層との間の本方法における結合により、オリジナルの補強材と同じ状態を保持することが可能になり、最初の特性は劣化しない。静電荷の作用の下で、本発明によれば、引力による結合が補強材と支持体層との間に起こり、静電結合が生じる。この結合は、特に、取扱い及び切断操作中、支持体層を補強材の適切な位置に保持するのに十分な強さであるが、その後、引続いて複合部品を作製する場合、補強材を適切に位置付けることができるように２つの部材を剥離することが容易であるような強さにする。如何なる加熱も利用しないこの方法における結合によって、補強材汚染の危険性及び温度安定性の点からの制約を除去することにより、使用できる支持体層の範囲を広げることが可能になる。

本発明は、１８℃から２５℃の範囲の温度に亘って、補強材が接着性を示さないので、残留粘着力を使用して周囲温度にて補強材を支持体層に接着により結合させることが不可能になる場合に特に有利である。更に、好ましい方法では、補強材は、熱硬化性材料を含まないか、あるいは補強材の全重量の１０％を超えない量の熱硬化性材料を含む。特に、補強材は、補強繊維のみにより、又は補強繊維と熱可塑性材料により構成されるが、その場合、その熱可塑性材料の重量は、補強材の全重量の１０％以下、好ましくは補強材の全重量の０．５％から１０％、より好ましくは補強材の全重量の２％から６％である。それにもかかわらず、本発明は、より多い量の熱可塑性材料又は熱硬化性材料を有する予備含浸タイプの補強材に適用することができる。加熱による接着を回避することにより、本発明は、存在し得る如何なる熱可塑性結合剤（単数又は複数）の再溶融を招くことなく、オリジナルの材料と同じ状態を保持することができる。

特に、本発明によれば、補強材は、一種以上の織布、不織布又は一方向材料布を含み得る。特に、補強材は、補強繊維製、特に炭素繊維製の、一種以上の織布、不織布又は一方向材料布を含み得る。本発明の素子（ｅｌｅｍｅｎｔ）は、補強材の層と支持体層を含むので、「多層」（“ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ”：複層）と称される。更に、補強材それ自体は、任意の適切な手段により一緒に結合される一種以上の層を含むことができる。

本発明は、複合部品を作製するのに適した如何なるタイプの補強材に対しても適用できる。このような材料は、特にガラス、炭素、アラミド又はセラミック製の繊維に基づく。

本発明は、特に熱可塑性結合剤にその両方の面で結合する一方向炭素繊維のシート、特に熱可塑性繊維製の不織布タイプのシートにより構成される補強材に適合する。このような補強材は、特に以下の文献に記載されている。即ち、ＥＰ １ １２５ ７２８；ＵＳ６ ８２８ ０１６； ＷＯ００/５８０８３号； ＷＯ２００７/０１５７０６号；ＷＯ ２００６/１２１９６１号；及びＵＳ６ ５０３ ８５６；並びに本出願人の名義の以下の特許出願、即ち、ＷＯ２０１０/０４６６０９及びＷＯ ２０１０/０６１１１４号であり、これらの文献は更なる詳細について参照されうる。

本発明によれば、支持体層は、好ましくは電気絶縁材料製である。特に、支持体層は、１０^８オームメーター（Ω．ｍ）から１０^１７Ω．ｍの範囲、好ましくは１０^１０Ω．ｍから１０^１７Ω．ｍの範囲にある抵抗率を示す。このような測定は、特に２０℃、相対湿度０％、好ましくはＩＥＣ標準６００９３（１９８０年）に準拠して行われる。抵抗率が高ければ高い程、支持体層と補強材との間の接着はより強くより耐久性となる。特に、支持体層は、ポリマーであってよく、好ましくは、熱可塑性ポリマー、例えばポリアミド、例えばポリエチレンテレフタラート、コポリアミド、ポリエステル、コポリエステル、又はセルロース、綿、天然絹、若しくは人造繊維から選択されてよい。

例えば、支持体層は、フィルム、紙、若しくは織物、又は、支持の役割を果たす、即ち取扱い及び切断を容易にする任意のタイプの層であり得る。有利には、支持体層は、１０マイクロメーター（μｍ）から５００μｍの範囲にある厚みを有する。

支持体層と補強材との間の接着は、これら２つの部材を適切な位置に保持するのに十分でなければならない。本発明によれば、補強材と支持体層とを結合させるために作用する静電気力は、好ましくは５０ミリニュートン（ｍＮ）から１０００ｍＮの剥離力に相当する。補強材と支持体層とを結合させるのに作用する静電気力は、特に、０．１キロボルト（ｋＶ）から３ｋＶの範囲にある電圧を示す残留電荷に相当する。更に、静電気力は時間を経ても充分に持続する。静電気力の減少は、補強材と支持体層間の界面に電荷を発生させた直後に見られ、その静電気力は特に０．１ｋＶから３ｋＶの範囲にある値にまで低下するが、その後、接着力の有意な減少はもはや生じない。特に、多層素子がその後、１か月間ロール又はリールの形態で貯蔵される間、優れた安定性が観察される。対照的に、剥離動作により２つの部分を分離するのは非常に容易である。更に、それら２つの部分は、剥離後再結合する明確な傾向を有するが、引力は再結合及び／又は剥離の各サイクルについて減少していくことが観察される。

有利には、多層素子は５０ミリメーター（ｍｍ）以上の幅のストリップの形態である。本発明は、このような広幅のストリップを切断する必要がある場合、支持体は必須であるので、特に有利である。数メートルの長さを有するこのようなストリップは特にロールの形態で貯蔵できる。本発明の多層素子は、複雑な切断を行うことができる手段を備える設置機械において使用するのに非常に適している。

更に、本発明は、補強材と支持体層とが、多層素子を静電気発生器にかけることによって結合される、本発明の多層素子を作製する方法に関する。

その目的のために、互いに接触している支持体層と補強材のスタックを、例えば、１０ｋＶから５０ｋＶの範囲、好ましくは１５ｋＶから３０ｋＶの範囲の電圧を印加することによって生じる電界に置く。本発明によれば、支持体層と補強材は熱又は圧力を適用することなく、このようにして結合される。

従来の方法では、静電界は、正電圧発生器に結合された導電性棒と、接地された導電性棒との間に発生する。スタックは、補強材が正電圧発生器に結合された導電性棒に向かい合わせて、又は接地された導電性棒に向かい合わせて、十分に均等に配置することができる。

最終的に、本発明は更に、支持体層を除去した後、本発明の多層素子から得られる少なくとも１つの補強材から作製される複合部品を作製する方法を提供する。通常、支持体層は、多層素子に、特にその幅に対して平行ではない方向に切断操作を行った後に除去される。従来のスタック技法は、補強材が十分な量の熱可塑性材料及び／又は熱硬化性材料を含有しない場合に、樹脂をインジェクション又はインフュージョンにかけることで実施される。使用できる技術に関する更なる詳細は、特許出願ＷＯ２０１０／０４６６０９を参照できる。

添付した図面を参照する以下の実施例は本発明の説明に役立つが、それらは、特徴を限定するものではない。
図１は、電圧測定の結果を示す。 図２は、剥離力測定の結果を示す。

本発明の多層素子を、以下のものを使用して作製した。
・厚み１１８μｍ及び重量６ｇ／ｍ^２を有するコポリアミド繊維のウェブ（フランス、６８７００セルネ、モンテーニュ通り、４１の供給者Ｐｒｏｔｅｃｈｎｉｃにより、参照番号１Ｒ８Ｄ０６にて、３ｇ／ｍ^２で販売される。）に、その複数の表面（両面）の各々の上に結合された一方向炭素繊維シート（供給者Ｈｅｘｃｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより、参照番号ＨＴ４０にて販売され、１平方メートル当たり１５０グラム（ｇ／ｍ^２）の重量を示す。）により構成される補強材。結合は、加熱時の熱可塑性ウェブの接着性を使用するように、加熱により行い、出願ＷＯ２０１０／０４６６０９の２７から３０頁に記載されている方法に準拠して行った。
・厚み７５マイクロメートルを有するポリエチレンテレフタラートのフィルム（イタリア、４３０５２コロルノ（パーマ）、５５、Ｖｉａ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌｅ ｐｅｒ Ｓａｃｃａの供給者Ｅｆｆｅｇｉｄｉ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓ．ｐ．Ａにより、参照番号ＰＥＰＯＬＩＴ １５０．８にて販売される）により構成される支持体層。

電荷の発生、及びこれによる静電気力結合の取得は、上記支持体層を重ねた上記補強材により構成される、１５０ｍｍ×１５０ｍｍのサンプルについて行った。

この目的のために、２つの巻出機を使用した。
・１つはプラスチックフィルムを支持するもの。
・もう一つは、補強材を支持するもの。

２枚のシートをガイドして、１枚を他方の上になるように位置させた。２枚のシート間を接触させること、さらには、電荷を発生させて静電気結合を生じさせる領域に入る前にこの接触を可能にすることが重要である。

手順の説明
静電荷を発生させることによる結合
３００ｍｍの長さの７０８０静電気発生器棒を有する、０−３００００ＶのＦｒａｓｅｒ７３００Ｐ正電圧発生器（１ミリアンペア（ｍＡ）の電流で０から３０ｋＶの範囲に亘って調整可能な電圧を供給するのに適している）（供給者はＢｏｕｓｓｅｙ Ｃｏｎｔｒｏｌである。）を使用した。その棒は、イオンの雲の形態で発生器から電気を放出する。棒は、サンプルの２５ｍｍ上に置いた。サンプルの下には、１４０ｍｍの長さを有する導電性プレート（アルミニウム角棒）を置き、接地し、その棒は電気発生器棒に平行に延びるように配された。更に、導電性プレートは、サンプルから２５ｍｍのところに位置させ、こうして、サンプルは電気発生器棒及び導電性プレートから等距離となった。導電性プレートの長さは、棒とプレート間にイオンが優先的に流れるのを避けるために、サンプルの幅を超えて突出するのを回避するように選択された。

サンプルを２つの非常に細かいナイロンヤーン上で支持し、棒にそして導電性プレートに平行に位置するように、７００グラム（ｇ）の重りを使用して引っ張った。導電性材料を発生器棒又は導電性プレートに、充分に均等に向かい合わせることができた。

発生器用に選択された電圧を、１０秒（ｓ）間継続して印加した。棒は、プラスチックフィルムの外側表面（発生器バーの近く）によって持ち上げられるイオンの雲を生じた。反対側表面（補強材サンプルの近く）には、電荷の鏡像が形成された。プラスチックフィルムは正電荷を保持し且つこうして鏡像の負電荷により引き付けられるバリヤーを形成した。こうしてフィルムを補強材に対して正負の電荷間の引力により「張り付かせ」た。このような引力は、印加される電圧が１５ｋＶ以上になると生じる。

残留電荷の電圧の測定
サンプルにおける残留圧を、Ｆｒａｓｅｒ ７１５静電圧測定装置を使用して測定した。装置の製造者の推奨に準拠して、荷電源から離れて較正し、接地し、その後サンプルに対して１００ｍｍ離れて直角に向けて測定を行った。

剥離力の測定
両面接着テープを用い、サンプルを、補強材と接触させて平面支持体上に固定した。フィルムの幅に等しい幅の小さな剛性棒を、棒が一方向繊維の方向に直角になるように、プラスチックフィルムの一端部に固定した。ビーカーを棒に固定し、フィルムが補強材から分離するまで、ピペットを用いて水をビーカーの中に連続的に注いだ。その後、棒、ビーカー及び水を含むユニットを秤量した。

表面電圧の測定結果
テストを行うために、６つのサンプルの２系列を、１系列を１５ｋＶ、そして他系列を３０ｋＶにて作製した。
サンプルは、全て同時に作製し、支持を行う２つの引っ張られたナイロンヤーン上に配置するように一度だけ処理された。
残留電圧を、所定の時間間隔で測定した。
定期的に、サンプルを、剥離強度試験に供するために採取した。この試験は破壊的であるため、サンプル数は時間とともに減少した。
図１は、サンプルにおける電圧の測定値の各読取値について平均した結果を示す。こうして、母集団の大きさは、経時的に定期的に減少した（６個から１個に）ことが分かる。
印加電圧が１５ｋＶ又は３０ｋＶのいずれであるかにかかわらず、充電後最初の数分で表面電圧はかなり低下することが分かる。その後、０．３ｋＶに近い値の前後に漸近的に安定化したが、このことは両方の初期電荷値について当てはまる。

表面電圧の測定結果
ある測定を、数時間経過したサンプルについて行ったが、他のものは、電荷発生工程の数分後に採取した。
図２は、採取した種々の測定値を示し、塗りつぶされていないマークの全ては、電荷発生工程の直後に測定されたものである。
初期電荷の電圧は、剥離性能への影響はないようである。表面電圧が減少し、その後に経時的に安定化する場合、所与の残留表面電圧は、種々の初期電荷の電圧に相当し得る。従って、充電後最初の数分で残留電圧を測定することの妥当性について疑問が生じるは、その時間間隔においてあまりに大きく変動している。
結論として、以下のことが分かる。
・残留表面電圧は、充電後最初の数分で急速に減少し、低いレベルで安定化し、このことは、初期の電荷にかかわらず当てはまる。
・初期の電荷電圧が少なくとも１５ｋＶの場合に剥離試験を充電後数十分行った場合、初期の電荷電圧は、剥離性能に影響しないことが分かる。
・行った試験では、測定された剥離力は平均値１１ｇ（即ち、１０７．９ｍＮ）±３０％であった。
同様の結果が、支持体層として他のタイプのプラスチックフィルム、具体的には、商標Ａｉｒｔｅｃｈ（登録商標）（レファレンス：ＷＬ３８００）の、厚さ５０μｍを有するポリエステルフィルムを用いて得られた。

Claims (19)

1. 補強材の複数の表面のうちの少なくとも一面で支持体層と結合した、複合部品を作製するのに適した補強材を含む多層素子であって、前記補強材と前記支持体層とが静電気力により互いに結合している、多層素子。
2. 前記支持体層が、電気絶縁材料から形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の多層素子。
3. 前記支持体層が、１０^８Ω・ｍから１０^１７Ω・ｍの範囲にある抵抗率を示すことを特徴とする、請求項２に記載の多層素子。
4. 前記補強材が、１つ若しくは複数の織布、不織布、又は、特にガラス、炭素、アラミド若しくはセラミックの補強繊維から形成されている一方向材料布を含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載の多層素子。
5. 前記補強材が、１８℃から２５℃の範囲の温度で接着性を示さないことを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の多層素子。
6. 前記補強材が、熱可塑性結合剤を含むことを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の多層素子。
7. 前記補強材が、補強繊維により、更に熱可塑性材料により構成されており、前記熱可塑性材料の重量が、補強材の全重量の１０％以下であり、そして、好ましくは補強材の全重量の０．５％から１０％であり、そして、より好ましくは補強材の全重量の２％から６％であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか１項に記載の多層素子。
8. 前記補強材が、一方向炭素繊維シートの複数の表面の各々の上で熱可塑性結合剤に結合された当該一方向炭素繊維シートにより構成されていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか１項に記載の多層素子。
9. 前記補強材が、一方向炭素繊維シートの複数の表面の各々の上で熱可塑性繊維の不織布に結合された当該一方向炭素繊維シートにより構成されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれか１項に記載の多層素子。
10. 前記支持体層が、フィルム、紙、又は織物であることを特徴とする、請求項１から９のいずれか１項に記載の多層素子。
11. 前記支持体層が、ポリマーから形成されている、好ましくは、ポリアミド、コポリアミド、ポリエステル、コポリエステルを含む熱可塑性ポリマー群から選択されるポリマーから形成されている、又は、セルロース、綿、若しくは天然の絹から形成されていることを特徴とする、請求項１から１０のいずれか１項に記載の多層素子。
12. 前記支持体層が、ポリエチレンテレフタラートから形成されていることを特徴とする、請求項１１に記載の多層素子。
13. 前記支持体層が、１０から５００μｍの範囲にある厚みを与えることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか１項に記載の多層素子。
14. 前記補強材を前記支持体層に結合させる前記静電気力が、５０から１０００ｍＮの範囲にある剥離力に相当することを特徴とする、請求項１から１３のいずれか１項に記載の多層素子。
15. 前記補強材を支持体層に結合させる前記静電気力が、０．１から３ｋＶの範囲にある電圧を示す残留電荷に相当することを特徴とする、請求項１から１４のいずれか１項に記載の多層素子。
16. 前記多層素子が、５０ｍｍを超えるか又はこれに等しい幅のストリップの形態であることを特徴とする、請求項１から１５のいずれか１項に記載の多層素子。
17. 前記補強材と前記支持体層とを、前記多層素子を静電気発生器にかけることにより、一緒に結合させることを特徴とする、請求項１から１６のいずれか１項に記載の多層素子を作製する方法。
18. 請求項１から１６のいずれか１項に記載の多層素子から前記支持体層を除去した後に得られる、少なくとも１つの補強材から形成された複合部品を作製する方法。
19. 前記支持体層が、前記多層素子について、特にその幅に平行ではない方向にて、切断操作を行った後に除去されることを特徴とする、請求項１８に記載の複合部品を作製する方法。