JP2018507128A - 繊維強化プラスチック部品のプロセス装置及び製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、反応性熱可塑性マトリックス材料を有する少なくとも１つの連続繊維強化半完成織物繊維製品（１５）から製造された繊維強化プラスチック部品（１）の製造方法及び製造装置に関連し、半完成繊維製品（１５）の製造中に生じる繊維と反応性熱可塑性マトリクス材料の複合体から成るトリミング残留物（ｍＲ、ｍＡ）と、完成したプラスチック部品（１）の仕上げ中に生じる繊維と重合された熱可塑性マトリックス材料から成る複合体である最終トリミング残留物（ｍＥ）とが、リサイクルユニット（ＶＩＩ）で更に処理されてリサイクレート（Ｒ）を生成する。半完成繊維製品（１５）の製造中に生じるトリミング残留物（ｍＲ、ｍＡ）は、予備ユニット（ＶＩＩＩ）で重合され、その後、本発明のリサイクルユニット（ＶＩＩ）に搬送される。【選択図】図５

Description

本発明は、請求項１の前提部に記載の繊維強化プラスチック部品の製造のためのプロセス装置、及び請求項９の前提部に記載のこのプラスチック部品の製造方法に関する。

繊維強化プラスチック部品は、プリプレグとして知られている半完成織物製品の助けを借りて製造することができる。反応性プリプレグは、織物繊維材料を、重合開始温度より低い温度で、活性成分、すなわちまだ未重合の熱可塑性マトリックス材料で予め含浸させることによって製造される。繊維強化プラスチック部品は、プリプレグを積み重ねて互いに重ね合わせ、レイアップ手順において層パッケージを生成し、これを熱成形プロセス又はプレスプロセスにかけることによって成形される。

特許文献１は、反応性プリプレグ、すなわちポリアミドマトリックスを有する連続繊維強化半製品シート製品の製造のためのこの一般的なタイプの方法を開示している。このプロセスは、繊維構造を、ポリアミドマトリックスの液体出発成分、すなわち添加された触媒及び／又は活性化剤を含む溶融ラクタムに、及び特別には連続プロセスで、予め含浸させることによって開始される。含浸後、予め含浸された連続繊維構造体は、繊維強化半完成品を得るために切断ユニットでサイズ調整され、スタックを形成するために積み重ねユニットに相互に重ね合わされる。このプロセスのさらなる過程において、予め含浸された半完成繊維製品は、半完成繊維製品がレイアップ手順において相互に重ね合わされ、必要な部品の最終形状に従うサイズに切断されるアセンブリユニットに輸送される。次いで、得られた層パッケージを金型に入れる。その後、プレス工程又は熱成形工程において重合開始温度より高い温度で成形が行われる。このように予備含浸ラクタムは重合してポリアミドを生成する。繊維強化された半製品シート製品を同時に熱成形／プレス加工することにより、要求された部品の意図された形状に変換される。

完成したプラスチック部品の最終的なトリミングは、仕上げユニット内で、具体的には繊維と重合したマトリックス材料の複合体から成る最終的なトリミング残留物の形成によって行うことができる。最終トリミング残留物は、リサイクルユニットに配送することができ、特許文献２の例として示されているように、射出成形又はプレスプロセスでの使用のためのリサイクレートを生成するためにリサイクルユニットで更に処理され得る。したがって、簡単な粉砕及び押出によって、熱可塑性マトリックスに基づく部品を射出成形部門における新しい用途に導入することが可能である。ここで熱可塑性マトリックスに基づく繊維複合体の基本的な利点は、優れたリサイクル特性にある。単純な溶融及び再顆粒化は、繊維及びマトリックスの均質混合をもたらす。得られたリサイクル顆粒は、非常に幅広い種類の用途のための高品質原料として再利用することができる。

上に概説したプロセスシーケンスの問題点は、前述の最終的なトリミング残留物に加えて複数の残留物もまた、プロセスのより早い接合部で生成されることである：エッジトリミング残留物（半完成繊維製品のサイズ調整からの）及びアセンブリトリミング残留物である。最終トリミング残留物とは異なり、エッジトリミング残留物及びアセンブリトリミング残留物は、まだ重合されておらず、したがって上記のリサイクルプロセスでは更に処理することができない。したがって、エッジトリミング残留物及びアセンブリトリミング残留物は、リサイクル不可能な廃棄物としてプロセスシーケンスから脇へそらされる。

WO 2012/116947 A1 EP 2 666 805 B1

本発明の目的は、繊維強化プラスチック部品を製造することができ、先行技術と比較して改良されたリサイクルのコンセプトを含む、製造装置更には製造方法を提供することにある。

本発明の目的は、請求項１又は請求項９に記載の特徴により達成される。従属する請求項は、本発明の好ましい実施の形態を開示している。

請求項１の特徴部分は、更に、予備ユニットをリサイクルユニットに関連付ける。繊維と未だ重合されていない、すなわち反応性である熱可塑性マトリックス材料との複合体で作られたトリミング残留物は、予備ユニットに供給することができる。反応性熱可塑性マトリックス材料を先ず予備ユニットで重合させ、次いで繊維と重合したマトリックス材料から成る得られた複合体をリサイクルユニットに送る。予備ユニットから送られた複合体は、リサイクルユニット内の最終トリミング残留物と共に更に処理され、射出成形プロセス又はプレスプロセスでの使用に適したリサクレートを生成する。

予備ユニット中の完全に満足できる重合に関して関連する点は、未だ重合されていないトリミング残留物が環境と接触しない、すなわち、加工性、特に重合反応を損なう大気中の水分、酸素、ＵＶ放射等と反応しないことである。このような環境との不都合な反応を避けるために、トリミング残留物は、予備ユニットで処理されるまで、空気、光及び／又は水分を排除する条件下で乾燥及び／又は貯蔵及び輸送することができる。トリミング残留物の重合は、オーブン中、例えばトンネルオーブン中で行われる。

製造プラントでは、繊維構造から成る少なくとも１つの連続ウェブに、連続プロセスの製造ユニット内で反応性熱可塑性マトリックス材料の液体出発成分を予備含浸させることができる。含浸後にエッジトリミングが行われる。その中では、予備含浸された連続構造が切断ユニット内でサイズ調整されて、反応性すなわち未重合の熱可塑性マトリックス材料を有する連続繊維強化半完成織物繊維製品（反応性プレプレグ）を生成する。サイズ調整は、繊維及び反応性熱可塑性マトリックス材料の複合体から成るエッジトリミング残留物の形成によって行われる。製造技術に関連する理由から、エッジトリミング残留物中の繊維は、マトリックス材料によって完全に濡らされていない。実際、マトリックス材料は、エッジトリミング残基のいくつかの部分には完全に存在しなくても良い。したがって、エッジトリミング残留物中の繊維の割合は非常に高い。

このプロセスの更なる過程において、反応性プリプレグは、積み重ねて相互に重ね合わされてスタックを生成し、貯蔵され、必要に応じてアセンブリユニットに搬送される。アセンブリユニットにおいて、プリプレグは、例として、最初に相互に積層されてレイアップ手順で層パッケージを生成する。その後、繊維強化プラスチック部品の最終形状に従うサイズに層パッケージを切断するアセンブリトリミング手順を行うことができる。これは、繊維及び反応性熱可塑性マトリックス材料の複合体から成るアセンブリトリミング残留物の形成で起こる。エッジトリミング残留物とは異なり、アセンブリトリミング残留物はマトリックス材料によって完全に取り囲まれている、すなわち完全に含浸されており、したがって繊維の割合は完成した繊維強化プラスチック部品中の繊維の割合に対応して比較的高い。これに代わる方法として、センブリトリミング手順が最初に行われ、続いてレイアップ手順が行われることも可能である。

設計変形例では、反応性プリプレグは、プレス手順及び／又は熱成形手順に必要な突出リムを形成する外装部品エッジを有することができる。プレス工程及び／又は熱成形工程が行われると、前記リムは機能を持たず、したがって仕上げユニット内の完成プラスチック部品から除去することができ、特に最終トリミング残留物を形成することができる。穿孔、切り抜き等も、仕上げユニットに同時に組み込むことができ、これらは同様に最終トリミング残留物を生成し、これをリサイクルユニットに送ることができる。プラスチック部品から除去された突出リム内の繊維の割合は、完成したプラスチック部品中の繊維の割合と同じであっても良い。また、除去された突出リム内の繊維の割合は、プレス成形金型／熱成形金型内のプラスチック部品の成形中に余分なマトリックス材料がオーバーフローすることにより時には小さくなり得る。

繊維含有量のない重合されたマトリックス材料は、リサイクルユニット内で生成されるリサイクレートの必要繊維容積含有量に従って、リサイクルユニットに通されるトリミング残留物に添加することができる。予備ユニット及び／又はリサイクルユニットに関連して、更に造粒器等の粉砕ユニットが存在し得る。そこでは、リサクレートを生成するために組み合わされ得るトリミング残留物が粉砕され得る。エッジトリミング残留物及びアセンブリトリミング残留物は、造粒機で処理する前に好ましく重合され得る。必要であれば、最終トリミング残留物は、造粒機の上流又は下流のそれぞれの場合に、アセンブリトリミング残留物及び／又はエッジトリミング残留物と様々な質量比で混合され、その後のみリサイクルユニットに配送される。次いで、短繊維又は長繊維で強化された重合トリミング残留物の更なる処理がその中で行われる。

定義された異なるプロセス単位で生じる他の言及したトリミング残基が、切断の時点で存在する条件は、重合度及び繊維体積含有量に関して異なる。

使用される反応性熱可塑性マトリックス材料は、好ましくはカプロラクタム（キャスティングＰＡとして周知）である。カプロラクタムではなく反応性熱可塑性マトリックス系の例は、ラウロラクタム及び環状ブチレンテレフタレート等である。繊維材料は、可能性のある繊維の何れでもあり得る。ガラス、炭素、玄武岩、アラミドで成る繊維を使用するか、又はこれらを組み合わせて使用することが好ましい。これらの配置は大きく変化可能であり、例えば織物、敷設スクリム及び一方向性材料である。カプロラクタムの重合は約１５０℃の反応温度を使用し、この温度でカプロラクタムがポリアミド（ＰＡ６）を生成する。ＰＡ１２又はＣＢＴ、ＰＢＴを生成するラウロラクタムのような他の反応性材料については、それぞれの材料に適した温度を選択しなければならない。

上記で説明した、及び／又は従属請求項に記載した有利な本発明の実施の形態は、明白な依存性がある場合や、組み合わせられない選択肢がある場合を除いて、個々に又は互いに所望の組み合わせで使用することができる。

本発明及びその有利な実施の形態、及びそれらの利点は、図面を参照して以下により詳細に説明される。

繊維強化プラスチック部品の製造のためのそれぞれのプロセスユニットを示す。 繊維強化プラスチック部品の製造のためのそれぞれのプロセスユニットを示す。 繊維強化プラスチック部品の製造のためのそれぞれのプロセスユニットを示す。 繊維強化プラスチック部品の製造のためのそれぞれのプロセスユニットを示す。 リサイクルユニット及び関連する予備ユニットを含むプロセスシーケンスのブロック図である。

図１〜４は、本発明の理解に必要な程度まで、繊維強化プラスチック部品１（図３及び図４）を製造するためのプロセスユニットＩ〜ＶＩを示す。適切な方法で、したがって、製造ユニットＩは最初に、例えば、連続プロセスにおいて、２つの繊維層２をポリアミド又は他の適切な材料で作られた第1のフィルム３をその間に挿入して、連続的な搬送ベルト５上に載せる。得られた織物層構造体７は、反応性熱可塑性マトリックス材料、例えばラクタム等の出発成分８で浸され、特に反応性熱可塑性マトリックス材料の出発成分の重合のための開始温度より低い温度で熱１０に晒されている。

このプロセスの次の過程で、第２のフィルム９もまた貼り付けられ、織物層構造体７は冷却ユニット１１で冷却され（すなわち、強化され）、また下流の切断ユニットＩＩでサイズ調整されて個々の予備含浸された半完成織物繊維製品１５を生成する。切断ユニットＩＩでは、エッジトリミングが行われ、そこでは予備含浸された連続構造体７がサイズ調整され、連続繊維強化半完成織物繊維製品１５（以下、プリプレグという用語も使用される）を生成する。図１は、長さ切断手順のみを示している。エッジトリミングは、図１において、図面の平面内での長さ切断手順に対して直角に行われる。

このようにして、繊維と反応性（すなわち未重合の）熱可塑性マトリックス材料の複合体から成るエッジトリミング残留物ｍ_Ｒが生成される。エッジトリミング残留物ｍ_Ｒは、廃棄物としてプロセスシーケンスから脇にそらされる。エッジトリミング残留物ｍ_Ｒ中の繊維は、反応性マトリックス材料によって完全に含浸されていないか、又はマトリックス材料が存在しない状態で存在するので、エッジトリミング残留物ｍ_Ｒ中の繊維の割合は非常に高い。

サイズトリミングされた半完成織物繊維製品１５は、後続の積み重ねユニットＩＩＩにおいて互いに重ね合わされてスタックを生成し、貯蔵される。スタックに互いに重ね合わされた半完成繊維製品１５は、必要に応じて、工程の下流にあるアセンブリユニットＩＶに移送され、図２に示されている。アセンブリユニットＩＶでは、予備含浸された半完成織物繊維製品１５は、サイズに切断され、層状に相互に重ね合わされて、層パッケージ1６を生成する（図２）。更に、層パッケージ１６を生成するために相互に重ね合わされたプリプレグ１５は、完成したプラスチック部品１にかかる積載要件に応じてサイズに切断される。これにより、アセンブリトリミング残差ｍ_Ａとしてプロセスシーケンスからそらされる更なる廃棄物をもたらす。アセンブリトリミング残留物ｍ_Ａは、繊維と反応性熱可塑性マトリックス材料から成る複合体を構成する。エッジトリミング残留物ｍ_Ｒにおけるものとは異なり、アセンブリトリミング残留物ｍ_Ａの繊維は、マトリックス材料によって完全に包囲されている、すなわち完全に含浸されている。したがって、アセンブリトリミング残留物ｍ_Ａにおける繊維の割合は、エッジトリミング残留物ｍ_Ｒにおけるよりも高く、本質的に、完成したプラスチック部品における繊維の割合と同じである。

このプロセスの更なる過程において、層パッケージ１６は、図３の概略図に示されているプレスユニット及び／又は熱成形ユニットＶに移送される。図３では、層パッケージ１６が重合温度より高い温度に加熱され、同時に熱成形／プレスされて所要のプラスチック部品１の形状が得られる。仕上げユニットＶＩ（図４）では、これはプロセスの下流であり、プラスチック部品１は、例えば、熱成形手順に必要な外装部品エッジ１７がプラスチック部品１から取り除かれるエッジトリミングを受け、具体的には最終トリミング残留物ｍ_Ｅの形成によって繊維と重合したマトリックス材料とから成る複合体を構成する。

図５のプラスチック部品１の製造のためのプロセスシーケンスＩ〜ＶＩの下流には、リサイクルユニットＶＩＩがあり、そこに最終トリミング残留物ｍ_Ｅが通過する。リサイクルユニットＶＩＩには、適切な場において、最終トリミング残留物ｍ_Ｅを粉砕するように配置された造粒機を設けることができる。最終トリミング残留物ｍ_Ｅは、リサイクルユニットＶＩＩにおいて更に処理されて、射出成形又はプレスプロセスにおける使用に適したリサイクレートＲを生成する。

図５から明らかなように、リサイクルユニットＶＩＩに付随する予備ユニットＶＩＩＩが存在する。エッジトリミング残基ｍ_Ｒ及びセンブリトリミング残基ｍ_Ａは、予備ユニットＶＩＩＩに搬送され得る。２つのトリミング残基ｍ_Ｒ、ｍ_Ａは、反応性（すなわち未重合の）熱可塑性マトリックス材料を有する繊維から成る複合体から構成されているので、リサイクルユニットＶＩＩからリサイクレートＲへ直接加工することはできない。

２つのトリミング残基ｍ_Ｒ、ｍ_Ａの反応性熱可塑性マトリックス材料は、予備ユニットＶＩＩＩにおいて重合される。繊維と重合されたマトリックス材料とから成る得られた複合体は、リサイクルユニットＶＩＩにおいて最終トリミング残留物ｍ_Ｅと組み合わされ、更にその中で処理される。

代替的に及び／又は付加的に、予備ユニットＶＩＩＩは、トリミング残基ｍ_Ｒ及びｍ_Ａが粉砕される造粒機を含むことも可能である。エッジトリミング残留物及び造粒機中のアセンブリトリミング残留物ｍ_Ｒ、ｍ_Ａの処理は、好ましくは、これらが重合された後にのみ行われる。

図５中に破線で示すように、リサイクルユニットＶＩＩの上流の収集ポイント２１において、最終トリミング残留物ｍ_Ｅが重合トリミング残留物ｍ_Ａ、ｍ_Ｒと組み合わされ、その後リサイクルユニットＶＩＩに搬送することが可能である。必要に応じて、リサイクレートＲの必要な繊維体積含有量のために、重合マトリックス材料がそれぞれのトリミング残留物ｍ_Ｒ、ｍ_Ａ、ｍ_Ｅに適切な場において順番に添加され、リサイクレートＲ中の繊維の割合を減少させることも可能である。

更に、リサイクルユニットＶＩＩで製造されたリサイクレートＲに混和剤を添加することも可能である。このプロセスの更なる過程において、リサイクレートＲは可塑化され得、スクリューベースの押出機に搬送し、次いで射出成形又はプレスプロセスで処理することができる。

Claims (9)

1. 繊維強化プラスチック部品（１）の製造のためのプロセス装置であって、
   反応性熱可塑性マトリックス材料を有し、特に、繊維と反応性熱可塑性マトリックス材料の複合体から成るトリミング残留物（ｍ_Ｒ、ｍ_Ａ）の形成を伴う少なくとも１つの連続繊維強化半完成織物繊維製品（１５）を提供するための製造及びアセンブリユニット（Ｉ、ＩＶ）と、
   反応性熱可塑性マトリックス材料を有する繊維強化半製品繊維製品（１５）が重合温度より高い温度に加熱されると同時に、必要なプラスチック部品（１）の形状に加圧及び／又は熱成形されるプレスユニット及び／又熱成形ユニット（Ｖ）と、
   プラスチック部品（１）の最終的なトリミングが行われ、特に繊維と重合したマトリックス材料との複合体から成る最終的なトリミング残留物（ｍ_Ｅ）の形成を伴う仕上げユニット（ＶＩ）と、及び、
   繊維と重合したマトリックス材料の複合体から成る最終トリミング残留物（ｍ_Ｅ）が更に処理されて、射出成形又はプレスプロセスで使用するためのリサイクレート（Ｒ）を生成するリサイクルユニット（ＶＩＩ）を有し、
   リサイクルユニット（ＶＩＩ）に関連して、繊維と反応性熱可塑性マトリックス材料から成るトリミング残留物（ｍ_Ｒ、ｍ_Ａ）が搬送され得る予備ユニット（ＶＩＩＩ）があり、反応性熱可塑性マトリックス材料は予備ユニット（ＶＩＩＩ）で重合され得、そして、得られた繊維と重合したマトリックス材料の複合体をリサイクルユニット（ＶＩＩ）に搬送され得るプロセス装置。
2. 織物構造体（７）で作製された少なくとも１つの連続ウェブが、連続プロセスの製造ユニット（Ｉ）で、反応性熱可塑性マトリックス材料の液体出発成分（８）で予備含浸され得、そして切断ユニット（ＩＩ）が備えられ、その中では含浸後に得られた含浸された連続構造体（７）をサイズ切断調整して反応性熱可塑性マトリックス材料を有する連続繊維強化半完成織物繊維（１５）を生成することができるエッジトリミングが行われ、特に、繊維と反応性熱可塑性マトリックス材料との複合体から成るエッジトリミング残留物（ｍ_Ｒ）の形成を伴う、請求項１に記載のプロセス装置。
3. アセンブリユニット（ＩＶ）において、連続繊維強化半完成織物繊維製品（１５）は、層状に相互に重ね合わされて、レイアップ手順で層パッケージ（１６）を生成し得、及び／又はアセンブリトリミングが行われ、その中で、半完成繊維製品（１５）は、繊維強化プラスチック部品（１）の最終形状に合わせてサイズトリミングし得、及び具体的には繊維と反応性熱可塑性マトリックス材料の複合体から成るアセンブリトリミング残留物（ｍ_Ａ）の形成を伴う請求項１に記載のプロセス装置。
4. 連続繊維強化半完成繊維製品（１５）は、プレス手順及び／又は熱成形手順に必要とされる外装部品エッジ（１７）を有し、外装部品縁部（１７）は、仕上げユニット（ＶＩ）でプラスチック部品（１）から取り除き得る突出リムを形成し、特に最終トリミング残留物（ｍＥ）の形成を伴う請求項１に記載のプロセス装置。
5. 仕上げユニット（ＶＩ）におけるプラスチック部品（１）に、特に最終トリミング残留物（ｍ_Ｅ）の形成と共に、ミシン目、切欠き等を組み込むことができる請求項１記載のプロセス装置。
6. 最終トリミング残留物（ｍ_Ｅ）及びアセンブリトリミング残留物（ｍ_Ａ）中の繊維含量は同一であり、エッジトリミング残留物（ｍ_Ｒ）中の繊維含有量は最終トリミング又はアセンブリトリミング残留物（ｍ_Ｅ、ｍ_Ａ）中の繊維含有量より低く、及び、重合したマトリックス材料（ｍ_matrix）は、リサイクレート（Ｒ）の必要繊維含有量に従いリサイクルユニット（ＶＩＩ）に渡されるトリミング残留物に加えられ得る請求項３に記載のプロセス装置。
7. 予備ユニット（ＶＩＩＩ）及び／又はリサイクルユニット（ＶＩＩ）は、粉砕ユニット、特に造粒機を有し、リサイクレート（Ｒ）を生成するために組み合わされ得るトリミング残留物を粉砕し得、エッジトリミング残留物（ｍ_Ｒ）及びアセンブリトリミング残留物（ｍ_Ａ）は好ましく造粒機で処理される前に重合され得る請求項１〜６の何れか１項に記載のプロセス装置。
8. 最終トリミング残留物（ｍ_Ｅ）は、アセンブリトリミング残留物（ｍＡ）及び／又はエッジトリミング残留物（ｍＲ）と様々な質量比で、それぞれの場合、造粒機の上流又は下流に混合され得、次いで、リサイクルユニット（ＶＩＩ）に搬送され得る請求項７に記載のプロセス装置。
9. 反応性熱可塑性マトリックス材料を有する少なくとも1つの連続繊維強化半完成織物繊維製品（１５）から製造された繊維強化プラスチック部品（１）の製造方法であって、半完成繊維製品（１５）の製造中に生成される繊維と反応性熱可塑性マトリックス材料の複合体から成るトリミング残留物（ｍ_Ｒ、ｍ_Ａ）と、最終プラスチック部品（１）の仕上げ中に生成される繊維と重合した熱可塑性マトリックス材料の複合体から成る最終トリミング残留物（ｍ_Ｅ）は、更にリサイクルユニット（ＶＩＩ）で処理されてリサイクレート（Ｒ）を生成し、半完成繊維製品（１５）の製造中に生じるトリミング残留物（ｍ_Ｒ、ｍ_Ａ）は、予備ユニット（ＶＩＩＩ）で重合され、次いでリサイクルユニット（ＶＩＩ）に搬送される製造方法。

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