JP2016531960A - 布地の切断くずの使用方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、布地の切断くずを使用する方法であって、前記方法が：（ａ）切断くずをフレークに切断する工程、（ｂ）前記フレークを、ポリマー溶融物に混合する工程、（ｃ）前記フレークが、個々の繊維に分解するように、前記ポリマー溶融物を前記フレークと混練する工程、（ｄ）前記ポリマー溶融物を、前記混合された繊維とともに中間製品に成形する工程、を含むことを特徴とする方法を提供する。

Description

本発明は、布地の切断くず（fabric cutting scrap）を使用する方法に関連する。

布地は、例えば、連続ストランド（continuous strand）複合材料の製造において使用される繊維からの編物、織物、又はレイド（laid）ファブリック（fabric）である。

連続ストランド複合材料は、典型的には、金型（mold）中に布地を挿入し、その後、金型を、例えば、熱硬化性ポリマー、又は熱可塑性ポリマー等の、キャストポリマー（cast polymer）で満たすことによって形成される。使用される前記布地は、例えば、織物、編物、又はレイドファブリックであり得る。２種以上の布地を互いに相対的な回転（rotation）の有無に係わらず、重ね合わせることが可能である。

特に前記布地が、織物、編物の、又は補助糸（auxiliary thread）によって結びつけられた平行繊維（parallel fiber）の形態をとる場合、それらは、製造される部品の形状と一致しない形状を有する。そのため、前記部品を製造するために必要とされる前記繊維は、まず所定の寸法に切断されなければならない。その工程において生じる切断くずは、さらなる連続ストランド強化部品を製造するためには使用され得ない。したがって、前記切断くずは、典型的には廃棄処理に送られる。特に、炭素繊維の切断くずは、現在、焼却によって処分されているが、これは、炭素繊維の高い費用のため、望ましくない。

熱的な回収に加えて、ＤＥ−Ａ１０２００９０２３５２９は、含浸されていない炭素繊維の繊維複合材料くずを、まず規定された繊維長の断片に切断し、これらを繊維の個別化の点で分解化し（destructurize）、ランダムな形態で結果として得られた炭素繊維を、繊維状の不織布に、又は連続糸に紡がれる繊維状カードウェブ（fibrous car web）に再組織化することによる方法を開示する。ここで特に問題が生じることは、アラミド、又はケブラー（Kevlar）繊維のために実施される、反復衝撃（例えば、ハンマーミルにおける）の種類による個々の繊維への分解（disassembly）を介する、実質的に非破壊の再利用は、炭素繊維のためには使用され得ないことである。これは、特に、炭素繊維の脆弱性（fragility）のため、そのような方法が、測定可能な（meterable）、又は非常に短い繊維に粉砕できないので、これらの繊維でポリマー部品の十分な強化は達成され得ない。ＤＥ−Ａ１０２００９０２３５２９に記載される前記方法の特定の不利な点は、測定可能な材料を獲得するために必要な膨大な費用である。切断した断片の直接使用は、既存の方法においては不可能である。

ＤＥ−Ａ１０２００９０２３５２９

したがって、本発明によって取り組まれる課題は、先行技術の不利な点のない、布地の切断くずを使用する方法を提供することであった。

この課題は、布地の切断くずを使用する方法であって、前記方法が：
（ａ）切断くずをフレーク（flake）に切断する工程（cutting）、
（ｂ）前記フレークを、ポリマー溶融物（polymer melt）に混合する工程（admixing）、
（ｃ）前記フレークが、個々の繊維に分解する（disintegrate）ように、前記ポリマー溶融物を前記フレークと混練する工程（kneading）、
（ｄ）前記ポリマー溶融物を、前記混合された繊維とともに中間製品に成形する工程（molding）、
を含むことを特徴とする方法によって解決される。

前記くずをフレークに切断する工程は、個々のフレークをポリマー溶融物に混合する簡単な方法を提供する。前記くずが、フレークに粉砕されるという事実により、繊維間の元の結合は、もはや前記フレークがそれらの形態を保持には十分でなく、そのため、それらは、前記ポリマー溶融物中に混合され、混練される過程で、個々の繊維に分解する。このことは、前記フレークを、チョップドストランド（chopped strand）材料に相当する繊維強化ポリマーを製造するために使用することを可能にする。

好ましい一実施形態において、前記切断くずを生成する前記布地は、典型的に連続ストランド繊維から製造されている、織物（woven）、レイド（laid）、編物（knit）、ブレイズ（braid）、不織布（nonwoven）又はマット（mat）である。有用な織物は、連続ストランド繊維から得られる任意の織物を含む。任意の所望の編物を使用することも可能である。本発明の目的のためのレイドは、個々の繊維が平行配置である布地である。ここで、前記布地は、２種以上の層で構成されることも可能であり、さらに前記個々の層が互いに平行に配置されるか、あるいは互いに対して任意の所望の角度でねじられていてもよい。

前記繊維が、レイドファブリックの形態である場合、前記個々の平行繊維は、例えば、繊維又はポリマー繊維（polymer threads）によって相互接続される。ここで相互接続は、例えば、合成繊維、又は連続ストランド繊維から縫われた縫い目（seam）の形態をとる。前記縫い目は、好ましくは、合成繊維、例えばポリマー繊維を使用して形成される。ここで縫い目は、例えば、レイド繊維（laid-fiber）ファブリックに対して垂直の裏糸（underthread）、並びに前記裏糸の周囲に所定の間隔、及びループで前記繊維を通して縫われる上糸（overthread）を含む。

使用される前記布地は、サイズ剤組成物（サイジング組成物、sizing composition）で前処理されている繊維、又は未処理の繊維を含んでいてもよい。さらに、前記布地が、既に、ポリマーで、特に熱可塑性ポリマーで浸されている（drenched）ことも可能である。しかしながら、前記繊維は、未処理であるか、又はせいぜいサイズ剤組成物で前処理されていることが好ましい。

特に、前記切断くずの前記繊維が、未処理の場合、前記フレークは、前記切断くずが、フレークに切断された後、且つ前記フレークが、ポリマー溶融体に混合される前に、サイズ剤組成物で処理されることが好ましい。当業者に公知の任意のサイズ剤組成物が使用され得る。サイズ剤組成物での前記処理は、前記ポリマーの前記繊維への粘着性を改善し、したがって、本発明の方法によって得られる前記繊維強化ポリマーの特性における全体の改善をもたらすといった利点を有する。特に、個々の繊維が使用される場合、及び／又は前記フレークが、レイド繊維ファブリックから切断される場合、前記繊維の前処理は有利である。前記繊維は、測定可能な（meterable）形態に変換するため、バインダーで浸されていることが特に好ましい。フレークは、測定可能な形態の一例である。繊維フレークは、従来型の供給装置を介して、前記ポリマー溶融物を前記フレークと混練するための機械中に、例えば、押出機（extruder）、又は射出成形機中に、より混合しやすい点で、個々の繊維に有利である。

フレークに切断される前記切断くずを生成する布地は、任意の所望の公知の材料を含んでもよい。繊維に使用される慣例の材料は、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、鉱物繊維、又はポリマー繊維である。本発明の方法は、再生利用の既存の方法を使用することが実用的ではない、炭素繊維から製造されている布地からの切断くずに、特に適切である。

強化材として炭素繊維を含むポリマー、及び炭素繊維布地の切断くずは、現在は、熱回収に送られている。しかしながら、このことは、それが熱回収において焼却され、その元の目的に使用され得ない点で、高価値材料の膨大な浪費を意味する。本発明の方法は、炭素繊維に関して、強化ポリマーの製造のために切断くずを使用する方法を提供する。

前記切断くずをフレークに切断する工程は、例えば、打ち抜きブレード（diecutting blade）、若しくはローラーブレード（roller blade）等のブレード、打ち抜き格子（diecutting lattice）、又はレーザーで達成され得る。前記切断くずをフレークに切断する工程に、ＣＮＣカッターを使用することも同様に可能である。打ち抜き格子、又はレーザーを使用することが特に好ましい。フレークは、一般に、前記布地を連続ストランド強化成形品の製造のための形態に変換するためにも使用された同じ手段を使用して切断される。このためには、例えば、打ち抜き格子の、又はブレードの形態を、フレークを切断するために使用され得るように適応させることで十分である。

前記切断くずをフレークに切断する工程は、前記布地を、製造される繊維強化部品用の寸法に切断する工程と同時に達成され得る。あるいは、当然に、別の第二工程において、前記切断くずをフレークに粉砕することも可能である。同時の布地切断工程、及びくず切断工程は、そのような切断工程を可能とする工作機械（tool）を使用して達成される。この目的のため、適切に設計された打ち抜きブレード、又は打ち抜き格子が使用される必要がある。しかしながら、この場合、ＣＮＣカッターを使用することが好ましい。

前記切断くずが、別の工程においてフレークに粉砕される場合、任意の所望の適切な所定の寸法に切断する工作機械（cutting-to-size tool）が使用され得、その場合、前述の所定の寸法に切断する工作機械が、特に適切である。前記切断くずが、別の工程においてフレークに切断される場合、前記切断くずは、重畳層における切断くずの個々の層において、又は２種以上の層とともにフレークに切断され得る。同時に切断され得る層の最大数は、使用される工作機械によって決まる。効率性の理由で、例えば、レーザー切断のように、より遅い必要な前送り速度等のために、全体的な切断時間の増加を引き起こさない限り、一度にできる限り多くの層を切断することが好ましい。

前記布地の切断くずが、切断されるフレークの端長（edge length）は、好ましくは１０〜５０ｍｍの範囲であり、特に１０〜２０ｍｍの範囲である、ここで、端長は、前記フレークを前記ポリマー溶融物に混合するために使用される機械によっても決まる。

前記フレークが前記ポリマー溶融物に混合される際、前記個々のフレークは、個々の繊維に分解し、その後、前記ポリマー溶融物に混じり合う。使用されるフレークの寸法、及び前記フレークを混ぜるための装置におけるせん断効果に応じて、一部の前記繊維は壊れ、そのため、そのように得られた前記繊維強化ポリマーの特性は、チョップドストランド強化ポリマーの特性に相当する。

繊維の破損は、特に炭素繊維の脆弱性（brittleness）、及びスクリューの回転が材料のせん断の原因となる、スクリュープランジャー機械における加工が原因である。

前記フレークを前記ポリマー溶融物中に混合、及び混練するための適切な装置は、特にスクリュープランジャー機械、例えば、射出成形機、又は押出機、特に押出機である。前記フレークは、繊維の混合のための慣例の位置で、それらに添加される。繊維を混合するための位置は、典型的には、スクリュープランジャー機械に添加される前記ポリマーが、完全に溶融している領域における供給ゾーンの下流に位置される。スクリュープランジャー機械が、既にポリマー溶融物を供給されている場合、前記フレーク用の供給口は、前記ポリマー溶融物用の供給口の直後に位置され得る。スクリュープランジャー機械は、典型的にはポリマーペレット、すなわち固形状のプラスチックで、供給されるので、前記フレークが添加される前に、まずポリマーを溶融する必要がある。前記フレークをポリマー溶融物に添加することによって、前記フレークと前記ポリマーのより均質な混合物、及びそれにより、前記ポリマー溶融物中に結果として得られる個々の繊維のより均一な分布が得られる。

使用される前記スクリュープランジャー機械が、押出機である場合、１軸スクリュー押出機（single screw extruder）だけでなく、多軸スクリュー押出機、例えば、２軸スクリュー押出機が使用され得る。特に、１軸スクリュー押出機と比較してより良好な混合効果を有するので、２軸スクリュー押出機を使用することが特に好ましい。さらに、２軸スクリュー押出機は、充填剤（filler）のより容易な添加を可能とし、可変の所望の含有量で操作され得、また、良好な液化をもたらし、生成物特性のより良好な制御を達成することを可能とする。さらに、２軸スクリュー押出機は、１軸スクリュー押出機と異なり、非常に良好な自己洗浄特性を有する。

前記フレークは、前記スクリュープランジャー機械、例えば前記押出機に、好ましくは供給スクリューを含む供給口を介して導入される。供給スクリューは、前記ポリマー溶融物への前記フレークの添加の均一な速度を提供する。供給スクリューなしでの、例えば、供給開口部（feed aperture）を介するフレークの添加は、前記フレークが、前記ポリマー溶融物に吸収されないか、又は前記フレークが、極まれにしか前記ポリマー溶融物と共に入らず、そのためポリマー中の繊維の比率が低過ぎてしまうといった危険を伴う。

前記供給スクリューは、前記ポリマー溶融物に添加されるフレークの量に対する制御を提供する。特に、供給スクリューは、前記ポリマー溶融物中の最大５０質量％比率のフレーク、それにより、繊維を可能とする、前記フレークの強制的な供給を達成するために使用され得る。前記ポリマー溶融物中に測定された添加の後、フレークの、それにより繊維の比率は、好ましくは１〜５０質量％の範囲、特に１〜４０質量％の範囲である。

前記中間製品における前記繊維の長さは、第一に前記スクリュープランジャー機械における前記繊維のせん断に、第二に、前記ポリマー溶融物のペレット材料切片の寸法に起因する。最大繊維長は、個々のペレットの最大の長手の長さに相当する。より長い繊維を所望する場合、より長い端長を有するフレークを切断するだけでなく、より長いペレットを製造することも必要である。前記ペレットは、好ましくは、円筒状であり、その最も長い長さは、典型的には円筒の高さである。しかしながら、その代わりに、より長い直径で、より低い高さを選択することも可能である。ただし、前記繊維は、ポリマー溶融物の供給に起因し、ペレット化ダイにおける穴の軸に対して軸方向に実質的に平行配置で整列されるので、最大繊維長を測定するのは、典型的には、前記ペレットの軸の長さである。

前記フレークと混合される前記ポリマーは、熱可塑性ポリマー、熱硬化性ポリマー、又は弾性ポリマー（elastomeric polymer）であり得る。前記ポリマー溶融物は、熱可塑性ポリマーを含むことが特に好ましく、前記ポリマー溶融物が、熱可塑性ポリマーの溶融物であることが最も好ましい。

前記熱可塑性ポリマーは、好ましくは、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、又はそれらの２種以上の混合物から選択される。前述の熱可塑性ポリマーに加えて、任意のその他の所望の熱可塑性ポリマーも使用され得る。

本発明の方法によって得られる前記中間製品は、さらに好ましくはペレット材料である。しかしながら、ペレット材料に加えて、前記中間製品は、シート、又は押出成形品の形状を取ることもできる。前記中間製品が、繊維を含むペレット材料である場合、このペレット材料は、ペレットの通常の方法で、前記ポリマー溶融物が、ペレット化ダイを通して押出され、ペレット化ナイフによってペレットに細断されることによって製造される。これを実施するための可能な一方法は、まずポリマー押出成形品を製造し、それが冷却され、その後ペレットに細断されるものである。あるいは、慣例的に、前記ペレット化ダイを通して押出された前記ポリマーが、直接的に面切断される（face cut）。この切断は、大気中で行なわれ得、その場合、好ましくは、前記切断したペレットを、冷却液中に落として固める。適切な冷却液の例は、水である。あるいは、水中でのペレット化も可能であり、その場合、前記ポリマー溶融物は、前記ペレット化ダイを通して、冷却液中に押出され、直接的にペレットに面切断される。それぞれの場合、前記ペレットは、冷却液と共に排出され、その後冷却液を除去され、乾燥される。

このようにして得られる前記ペレット材料は、任意の所望の方法で、さらに加工され、これによりプラスチックペレットが、最終製品へ加工され得る。例えば、前記プラスチックペレットは、押出成形、または射出成形によって、最終製品に成形され得る。ここで、最終製品を製造するために有用である限り、さらに好ましくは、繊維強化プラスチックの加工に適切である限り、任意の所望の射出成形機、又は押出成形器が使用され得る。

本発明の方法によって得られた前記ペレット材料から得られる成形品は、市販の繊維強化熱可塑性樹脂でも得られる、例えば、シリンダーヘッドガスケット、ターボチャージャー用インテークマニホールド、スイッチハウジング等の、全ての具体的な幾何学的に要求が厳しい形状を含む。

繊維強化ナイロンを製造するため、市販の２軸スクリュー押出機に、炭素繊維フレーク用の計量ユニットを組み込んだ。この目的のため、その基部に適合した底部スピンドル（bottom-spindle）を有する貯蔵容器（stock reservoir vessel）を２軸スクリュー押出機の側面供給部（side feed）の上方中央に設置した。

２０質量％の炭素繊維で強化したナイロン−６，６を製造するため、第一工程では、レイドファブリック連続ストランド炭素繊維マットくずを、ＣＮＣカッターで、２０×２０ｍｍフレークに切断した。その後、このように切断された前記フレークを、前記２軸スクリュー押出機の側面供給部の上方の貯蔵容器に導入し、前記側面供給部を介して、前記ナイロン−６，６の溶融物中に、重力測定法で計量投入した。このように得られた材料を押出後、直接ペレット化した。

このように得られた前記材料を、さらなる加工工程において、射出成形機で、試験片を製造するために使用した。前記試験片で測定された値、さらに、市販の２０質量％のチョップド炭素繊維（chopped carbon fiber）で強化されたナイロン（Ｕｌｔｒａｍｉｄ（登録商標）Ａ３ＷＣ４（ＢＡＳＦ ＳＥ製））の試験片で測定された値を、表１に示す。「実施例」は、本発明に従って得られたナイロンから形成された試験片の測定値に言及し、「比較例」は、市販のナイロンから形成された試験片の測定値に言及する。

前記測定値の比較は、前記特性が、チョップド炭素繊維で強化された慣例のポリマーのものと、実質的に一致することを明らかにする。

Claims (11)

1. 布地の切断くずを使用する方法であって、前記方法が：
   （ａ）切断くずをフレークに切断する工程、
   （ｂ）前記フレークを、ポリマー溶融物に混合する工程、
   （ｃ）前記フレークが、個々の繊維に分解するように、前記ポリマー溶融物を前記フレークと混練する工程、
   （ｄ）前記ポリマー溶融物を、前記混合された繊維とともに中間製品に成形する工程、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記布地が、連続ストランド繊維からの織物、レイドファブリック、又は編物である請求項１に記載の方法。
3. 前記布地が、炭素繊維から製造されている請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記フレークを、前記ポリマー溶融物に混合する前に、サイズ剤組成物で処理する請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 前記切断くずを、ブレード、打ち抜き格子、又はレーザーを使用してフレークに切断する請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記フレークを混合するため、及び前記ポリマー溶融物を前記フレークと混練するために、スクリュープランジャー機械が使用される請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記スクリュープランジャー機械が、押出機である請求項６に記載の方法。
8. 前記押出機が、前記フレークを前記ポリマー溶融物に混合するための供給スクリューを有する供給口を含む請求項７に記載の方法。
9. 前記ポリマー溶融物が、熱可塑性ポリマーを含む請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記熱可塑性ポリマーが、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリオキシメチレン、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエーテルスルホン、又はそれらの２種以上の混合物から選択される請求項９に記載の方法。
11. 前記中間製品が、繊維を含むペレット材料である請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。