JP2017206685A5

JP2017206685A5 - 熱可塑性炭素繊維複合材量の外観修復

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Publication number: JP2017206685A5
Application number: JP2017091003A
Authority: JP
Filing date: 2017-05-01
Publication date: 2019-04-11
Anticipated expiration: 2037-05-01

Description

[0033]様々な態様において、本開示はポリマーパッチを用いたポリマー複合構造体の欠陥を修復する方法を提供する。ポリマー複合材料は、少なくとも１つのポリマーおよび少なくとも１つの補強材料を備える。ある態様において、ポリマーは熱可塑性ポリマーであり得る。たとえば、ポリマー複合構造体は熱可塑性炭素繊維補強複合材料であり得る。欠陥は、ひび割れ、くぼみ、もしくはピットなどの外観的欠陥、またはポリマー複合構造体の２面に広がる大きいひび割れもしくは穴などの構造的欠陥の場合がある。構造的欠陥はひび割れの拡散、または他の故障メカニズムを助長する位置である場合がある一方、外観的欠陥はポリマー複合構造体の露出領域の美観を損ねる。ポリマー複合構造体は、たとえばパネルのような、車両のポリマー複合材料から構成された任意の構造とすることができる。したがって、ポリマー複合構造体は、トラックの荷台または前述した任意の用途に使用されるパネルなどの、平滑なパネル、曲線パネル、または波状パネルとすることができる。ある態様において、ポリマー複合構造体の欠陥を修復するために使用されるポリマーパッチは、熱可塑性ポリマーを備える熱可塑性パッチである。他のある態様において、ポリマーパッチはポリマー複合材料であり得る。ポリマーパッチは、同程度の同じ補強材料（たとえば、同様の繊維含有量）を含むポリマー複合構造体の組成物と同じ組成物を有し得る。またはポリマー複合構造体とは異なるポリマー複合材料組成物および／または繊維含有量を有し得る。たとえば、ポリマーパッチはポリマー複合構造体の組成物と同じ組成物を有し得るが、ポリマー複合構造体の繊維含有量より少ないまたは多くの繊維含有量を含み得る。

[0035]図２Ａおよび図２Ｂは、図１のポリマー複合構造体１２と同様のポリマー複合構造体の断面を示す。図２Ａにおいてポリマー複合構造体１２ａの外観的欠陥１０ａが、一方で図２Ｂにおいてポリマー複合構造体１２ｂの構造的欠陥１０ｂが示される。図２Ａおよび図２Ｂに示すように、ある実施形態において、本方法は充填材１４を用いてポリマー複合構造体の欠陥を充填することを含む。より詳細には、図２Ａはポリマー複合構造体１２ａの傷または打痕の形状の外観的欠陥１０ａを示す。図２Ａにおける方法は、充填材１４を用いて外観的欠陥１０ａを充填することを含み得る。充填材１４は、硬化して欠陥１０ａを充填する任意の充填材でよい。好適な充填材１４の例として、非限定的例としてポリアミド、アクリル、ポリカーボネート、熱可塑性ポリエステル、ポリスルホン、およびそれらのコポリマーなどの熱可塑性樹脂、ならびに非限定的例として、ポリイミド、エポキシ樹脂、ビニルエステル、ポリエステル、アクリレイト、およびポリウレタンなどの熱硬化性物質が挙げられる。図２Ａに示すように、充填材１４はたとえばスクレイピングまたはスムージングによって平らにされ、その結果充填材１４は、ポリマー複合構造体１２の露出面、すなわち視認できる表面１６と同一平面となる。

[0038]再び図１を参照すると、方法はパッチ２２をポリマー複合構造体１２の欠陥１０の上に配置することを含む。パッチ２２の欠陥１０上への位置付けが、ポリマー複合構造体１２の上のパッチの輪郭２３によって図示されている。パッチ２２の配置は、欠陥１０が充填材で充填されるか否かによって行われる。欠陥が充填材で充填された場合、パッチ２２は、充填材が硬化した後に欠陥１０の上に配置される。パッチ２２は、熱可塑性ポリマーまたは未硬化の熱硬化性ポリマーなどのポリマー材料から構成される。したがって、パッチ２２は熱硬化性ポリマーパッチ、熱可塑性ポリマーパッチであり得る。ある変形において、ポリマーパッチは、ポリマーおよびその中に分散した補強材料を有する、ポリマー複合材料パッチである。パッチ２２は、修復した表面を覆いかつ隙間を充填するのに十分な厚みを有する一方、マスキングまたはカモフラージュするため、すなわち、ポリマー複合構造体１２に調和するように十分薄くする。そのため、パッチ２２は任意選択で、約１μｍ以上から約１ｍｍ以下の厚さを有する。ある態様において、方法が完了した後に、欠陥１０を覆ったパッチ２２が目立たないか僅かしか目立たないように、パッチ２２はポリマー複合構造体１２の色および／または組成物と実質的に整合する。あるいは、パッチ２２は透明であり得、そのためポリマー複合構造体１２の色はパッチ２２を通して見える。したがって、色の整合は外観検査によって行われる。カーボンブラックまたは二酸化チタンなどのフィラーは、非限定例として、パッチ材料に含めることができ、パッチ材料の色をポリマー複合構造体１２に整合させるために微調整ができる。別の態様において、パッチ２２は、ポリマー複合構造体１２の色および／または組成物と整合する必要がない。ある変形において、好適なパッチ材料はポリマー複合構造体１２と同じポリマーマトリックスまたは樹脂も含むが、補強繊維は含まない。

[0041]ポリマー複合材料またはパッチ内の繊維は、たとえば、実質的に二次元ランダムに配向されるランダム配向による方法、または特定の方向に配向される方法で構成され得る。ある変形において、繊維マットは、高度に平面配向された繊維、もしくは単一方向に配向された繊維、またはそれらの組合せで使用され得る。繊維マットは、成形性、生産性、機械的性能の良好なバランスの、ランダム配向された繊維を有し得る。ある変形において、ランダム繊維マットが使用されてよい。ランダムマットは、平均繊維長さが約３ｍｍ以上から約１００ｍｍ以下までの補強繊維、および熱可塑性樹脂を含み得る。このようなランダム繊維マットは、上述のＷＯ２０１２／１０５０８０でさらに説明されている。さらに、単一方向に配向された炭素繊維層が、局部剛性および載荷支持構造の強度を高めるために、含まれ得る。種々の実施形態において、パッチ材料は、ポリマー複合構造体の繊維濃度以下の繊維濃度を有する。

[0042]上述のように、パッチ材料は、ポリマーマトリックスまたは樹脂に分散された補強材料から構成され、パッチ材料はポリマー複合構造体材料と同じまたは異なる材料であり得る。ポリマー樹脂の非限定例として、ポリアミド樹脂（ＰＡ６、ＰＡ１１、ＰＡ１２、ＰＡ４６、ＰＡ６６、ＰＡ６１０、またはカプロラクタムなど）、ビニルエステル、フェノール樹脂、ビスマレイミド、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、塩化ビニル樹脂、塩化ビニリデン樹脂、酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリロニトリルスチレン樹脂、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリベンゾイミダゾール樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリアリルエーテルスルホン樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリラクチド樹脂、ポリカーボネート樹脂、またはこれらの樹脂の任意の組合せもしくはコポリマーを挙げることができる。したがって、パッチ材料すなわち熱可塑性パッチ材料の非限定例として、ポリエステル（ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を含む）、ポリウレタン、ポリオレフィン、ポリ（アクリル酸）（ＰＡＡ）、ポリ（メチルアクリレート）（ＰＭＡ）、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリアミド（ポリカプロラクタム（ナイロン）を含む）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリベンゾイミダゾール、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエチレン（ＰＥ、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）、中密度ポリエチレン（ＭＤＰＥ）
、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、架橋ポリエチレン（ＰＥＸ）を含む）、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、これらのコポリマー、およびこれらの組合せが挙げられる。

[0053]ポリマー複合構造体１２が加熱されるとポリマー複合材料は軟化し、それによって、ポリマー複合材料を製造するための元の処理の間に発達してポリマー複合材料によって維持された固有の圧縮力の結果として、ポリマー複合構造体１２内に取り込まれた繊維が露出面１６に向かって移動することが可能である。この現象は「スプリングバック」と称される。スプリングバックは、パッチ２２に囲まれて視覚的に不均一な領域をまねく。たとえば、スプリングバックが起こらない領域、すなわちポリマー複合構造体１２がほとんどまたは全く加熱されない領域よりも、スプリングバックのためにポリマー複合構造体１２の中の繊維はより目立つ。したがって、スプリングバックを防ぐまたは軽減するために、ポリマーパッチ２２に熱を加えることは、ポリマーパッチ２２を溶かすのに十分に高い温度であるが、スプリングバックもしくはポリマー複合構造体１２の熱変形を防ぐまたは最小限にする十分に低い温度で、パッチ２２を加熱することを含む。種々の実施形態において、温度はポリマー複合構造体の融点より約５０℃を超えず、或いは、当該融点より３０℃を超えない。したがって、温度はパッチ材料によって大きく変化し左右される。たとえば、パッチ２２を加熱することは、パッチ２２を約１９０℃以上から約２３０℃以下までの温度で加熱することを含み得る。加熱は約０．１分以上から約１２０分以下、または、加熱を停止してパッチを冷まして硬化させるときパッチ２２がポリマー複合構造体１２に接着するよう、パッチ２２の十分な部分が溶けるまで実行される。

Claims

ポリマー複合構造体の欠陥を修復する方法であって、
欠陥に充填材を充填させるステップであって、充填材は熱可塑性ポリマーまたは熱硬化性ポリマーを含むステップと、
ポリマー複合構造体の欠陥の上にポリマーパッチを配置するステップと、
前記ポリマーパッチの上にテクスチャードシートを配置するステップであって、前記テクスチャードシートは、前記ポリマー複合構造体の第２の表面テクスチャのネガ像である第１の表面テクスチャを有する、配置するステップと、
前記ポリマーパッチおよび前記テクスチャシートに圧力を加えるステップと、
前記ポリマーパッチを加熱してポリマーパッチを軟化、冷却するステップであって、圧力と加熱とにより軟化させたポリマーパッチ表面を第２の表面テクスチャに変形させ、冷却により、ポリマーパッチをポリマー複合構造体に接着するステップと、
を含む方法。
前記ポリマーパッチの第１の色は前記ポリマー複合構造体の第２の色と視覚的に同じである、請求項１に記載の方法。
前記ポリマーパッチは熱可塑性ポリマーを備え、前記ポリマーパッチは１μｍ以上から１ｍｍ以下までの厚さを有する、請求項１に記載の方法。
前記ポリマーパッチは前記ポリマー複合構造体と同じポリマーマトリックスを有するポリマー複合材料を備え、任意選択で、前記ポリマー複合構造体と同じ補強材料を備える、請求項１に記載の方法。
前記テクスチャードシートが可撓性のテクスチャードシリコーンシートである、請求項１に記載の方法。
可撓性テクスチャードシリコーンシートの上に加熱要素を配置するステップをさらに含み、前記加熱要素は熱を加えて前記ポリマーパッチを加熱する、請求項５に記載の方法。
前記圧力を前記ポリマーパッチおよび前記テクスチャードシートに加えるステップは、
減圧バッグの縁部が前記ポリマー複合構造体に対して密封されるように前記ポリマーパッチおよびテクスチャードシートの上に減圧バッグを配置し、前記減圧バッグに連通するポートを介して減圧を引くステップを含む、請求項１に記載の方法。
前記圧力を前記ポリマーパッチおよび前記テクスチャードシートに加えるステップは、前記テクスチャードシート上に配置した熱源の上部にサンドバッグを配置するステップと、任意選択で機械的力を前記サンドバッグに加えるステップとを含む、請求項１に記載の方法。
前記テクスチャシートの上に加熱要素を配置するステップをさらに含み、前記加熱要素はヒートブランケットまたは誘導加熱器である、請求項１に記載の方法。
前記ポリマーパッチを加熱するステップは、前記ポリマー複合構造体の融点よりも３０℃高い温度を超えない温度で前記ポリマーパッチを加熱するステップを含む、請求項１に記載の方法。
前記ポリマーパッチおよび前記ポリマー複合構造体は、ポリエステル、ポリウレタン、ポリオレフィン、ポリ（アクリル酸）、ポリ（メチルアクリレート）、ポリ（メチルメタクリレート）、アクリロニトリルブタジエンスチレン、ポリアミド、ポリ乳酸、ポリベンゾイミダゾール、ポリカーボネート、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリエチレン、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンスルフィド、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、これらのコポリマーからなる群から個々に選択される熱可塑性ポリマーを含み、前記ポリマー複合構造体は、炭素繊維、ガラス繊維、バサルト繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、セラミック繊維、ポリエステル繊維、高分子量ポリエチレン繊維、麻すさ、およびそれらの組合せからなる群から選択される補強材料をさらに含む、請求項１に記載の方法。
ポリマー複合構造体の欠陥を修復する方法であって、
表面テクスチャを有するポリマー複合構造体の欠陥を熱可塑性ポリマーまたは熱硬化性ポリマーを含む充填材で充填するステップと、
熱可塑性ポリマーを備えるポリマーパッチを前記欠陥の上に配置するステップであって、前記ポリマーパッチは前記ポリマー複合構造体の第２の色に整合した第１の色を有する、配置するステップと、
前記ポリマーパッチの上にテクスチャードシートを配置するステップであって、前記テクスチャードシートは前記ポリマー複合構造体の第２の表面テクスチャのネガ像である第１の表面テクスチャを有する、配置するステップと、
前記ポリマーパッチおよび前記テクスチャードシートに圧力を加えるステップと、
前記テクスチャードシートの上に配置した熱源を用いて前記ポリマーパッチを加熱して軟化させるステップと、
軟化させたポリマーパッチを冷却するステップと、を含み、
前記圧力を加えることおよび加熱することによって、前記テクスチャードシートはその第１の表面テクスチャを前記ポリマーパッチに転写し、それによって前記ポリマーパッチは、前記ポリマー複合構造体の前記第２の表面テクスチャに整合する第３の表面テクスチャを有し、前記冷却することによって、ポリマーパッチをポリマー複合構造体に接着する、方法。
前記欠陥を充填するステップは、前記充填材を前記ポリマー複合構造体の表面と同一平面になるように平坦にするステップと、を含む、請求項１２に記載の方法。
前記ポリマーパッチは前記ポリマー複合構造体と同じポリマーマトリックスを有する熱可塑性ポリマー複合材料を備え、任意選択で、前記ポリマー複合構造体と同じ補強材料を備える、請求項１２に記載の方法。
前記ポリマーパッチおよび前記テクスチャードシートに前記圧力を加えるステップは、０．００５ＭＰａ以上から１ＭＰａ以下までの圧力を加えるステップを含む、請求項１２に記載の方法。
前記ポリマーパッチを加熱するステップは、前記ポリマー複合構造体の融点よりも５０℃高い温度を超えない温度で加熱するステップを含む、請求項１２に記載の方法。
前記熱源はヒートブランケットであり、前記テクスチャードシートはヒートブランケットの表面である、請求項１２に記載の方法。
波状のポリマー複合構造体の欠陥を修復する方法であって、
欠陥に充填材を充填させるステップであって、充填材は熱可塑性ポリマーまたは熱硬化性ポリマーを含むステップと、
波状のポリマー複合構造体の第１の表面における欠陥の上にポリマーパッチを配置するステップと、
前記ポリマーパッチの上にテクスチャードシートを配置するステップであって、前記テクスチャードシートは、波状のポリマー複合構造体の第２の表面テクスチャのネガ像である第１の表面テクスチャを有する、配置するステップと、
前記パッチを有する前記第１の表面の領域上に、前記第１の表面に対して相補的な第２の表面を有する剛性板を配置するステップと、
前記ポリマーパッチ、前記テクスチャシート、前記剛性板に圧力を加えるステップと、
ヒートブランケットまたは誘導加熱器を用いて前記ポリマーパッチを加熱して軟化し冷却するステップであって、
圧力と加熱とによりポリマーパッチが波状のポリマー複合構造体の第２の表面テクスチャと一致する第３の表面テクスチャを有するように、テクスチャシートに第1の表面テクスチャをポリマーパッチに転写させ、冷却により前記ポリマーパッチが前記波状のポリマー複合構造の前記第1の波状の表面に接着するステップを含む、方法。
ポリマー複合構造体の欠陥の上にポリマーパッチを配置するステップの前に、欠陥に充填した充填材を硬化させるステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
ポリマー複合構造体の欠陥を修復する方法であって、
ポリマー複合構造体の欠陥の上にポリマーパッチを配置するステップと、
前記ポリマーパッチの上にテクスチャードシートを配置するステップであって、前記テクスチャードシートは、前記ポリマー複合構造体の第２の表面テクスチャのネガ像である第１の表面テクスチャを有する、配置するステップと、
前記ポリマーパッチおよび前記テクスチャシートに圧力を加えるステップと、
前記ポリマーパッチを加熱するステップと、
を含み、
前記テクスチャードシートは、前記ポリマーパッチの露出面に接触したヒートブランケットの表面であり、前記ヒートブランケットは前記ポリマーパッチを加熱するための熱を提供する、方法。