JP2018532619A - 多層複合材部品 - Google Patents

Abstract

本発明は、以下の層構造：ａ）ポリエチレンから少なくとも部分的になる層（１１）、ｂ）ポリウレタンおよび／またはエラストマーから少なくとも部分的になる層（１２）、およびｃ）繊維（１４）によって強化されたプラスチック、または接着剤から少なくとも部分的になる、少なくとも１つの層（１３）を有する複合材部品（１０）に関する。本発明の複合材部品においては、層（１２）が、層（１１）と層（１３）とに直接接するように配置されており、層（１１）および層（１２）が、第１の工程において接合されて積層複合体を形成し、層（１３）が、層（１１）と層（１２）とを有する積層複合体に、第２の工程において接合されたものである。【選択図】 図１

Description

本発明は、複合材部品と、本発明の複合材部品の使用と、風力発電設備の風力タービンと、複合材部品を製造する方法とに関する。

風力発電設備のローターブレードはかなり以前から公知であり、例えば特許文献１および特許文献２に記載されている。ローターブレードは、その運転時、風圧、腐食、温度変動、紫外線、さらには降雨の結果としての高い負荷を受ける。特に、大きく変わりうる風化作用および高い大気湿度を特徴とする熱帯気候の場所（例えばブラジルや台湾、さらにはドイツなど）では、ローターブレードは腐食を受けやすい。

最大３００ｋｍ／ｈのブレード先端速度では、砂粒、塩の粒子、雨粒、昆虫、またはその他の浮遊物が、摩耗作用を及ぼす。特に、前縁領域では、結果としてローターブレードの表面に大きな負荷がかかり、これらの部分にはローター表面の腐食が存在し、したがって空力特性および安定性が損なわれる。ブレード前縁部の腐食と、保守および修理のための関連するコストおよび労働力とを低減する目的で、設備の最大速度を制限することが可能であるが、結果として出力が低下する。したがって、ローターブレードの耐食性を向上させることが理にかなっている。

しかしながら、これと同時に、存在するローターブレードハブと、風力発電設備の関連するベアリングおよびタワーとに作用する曲げ荷重を最小にする目的で、ローターブレードは極めて軽量であるべきである。

ローターブレードおよびローターブレード要素は、慣習的に成形工程において製造され、成形工程では、耐荷重性の複合材料を形成するため、ローターブレード要素の金型に繊維材料および／またはコア材料（特にバルサ材）を挿入し、硬化性樹脂によって処理する。ローターブレードまたはローターブレード要素の製造では、樹脂としてエポキシ樹脂が高い頻度で採用される。エポキシ樹脂は、繊維材料および樹脂からローターブレードまたはローターブレード要素の基部を構築するのに極めて適している。

ローターブレードまたはローターブレード要素を、風化の影響に対して、より具体的には腐食に対して保護する目的で、特許文献３に記載されているように、ゲルコート加工（gelcoat process）を施した表面層を使用することが試みられてきた。この場合の欠点として、この種類の加工では、ゲルコート混合物を繊維材料によって覆うことができるように、ゲルコート混合物がある程度反応するまで、最小限の作業時間だけ待機する必要がある。この待機によって、ローターブレードまたはローターブレード要素を製造する工程の望ましくない遅延が生じる。さらに、ゲルコート加工の場合、ゲルコート表面層と注入樹脂とを互いに接合させるためには、ローターブレード要素またはローターブレードの製造を任意の時点で中断することが可能ではない。

ローターブレードまたはローターブレード要素の上に表面箔を接着する、またはこのような箔をローターブレードまたはローターブレード要素の上に、場合によっては後から取り外すことができるように別の方法で固定する試みも行われてきた。例えば、ローターブレードにポリウレタン箔を接着する。従来技術からのさらなる可能な方法は、特許文献４によれば、表面箔と注入樹脂の架橋複合材（crosslinked composite）を作製することである。この工程も、特に、ポリウレタン箔を使用して可能である。ポリウレタンは、高い耐摩耗性を有する。しかしながら、ローターブレードまたはローターブレード要素の耐摩耗性をさらに向上させることが望ましい。

特許文献５には、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ：ultrahigh molecular weight polyethylene）からなる表面箔を備えた、風力発電設備のローターブレード要素が記載されている。ＵＨＭＷ−ＰＥは、摩耗性媒体（abrasive media）の存在下でも耐磨滅性および耐摩耗性が極めて良好である。その耐摩耗性は、ポリウレタンの耐摩耗性より６倍高い。さらにＵＨＭＷ−ＰＥは、優れた耐薬品性、低い摩擦係数、極めて優れた寸法安定性、低温においても高い衝撃強度を備える。しかしながらＵＨＭＷ−ＰＥは、従来の接着剤を使用して接合することが極めて難しく、特に、樹脂（例えばエポキシ樹脂など）に接着しない。したがって特許文献５に記載されている工程では、硬化性樹脂を含浸させた繊維材料を含む下層基部に、２つのゴム結合層によってポリエチレン箔を接合する。記載されている工程では、ローターブレード要素を被覆する目的に、合計で３回の硬化ステップまたは加硫ステップが必要である。

特許文献６に記載されているプラスチック複合材部品は、外層としての熱硬化性合成樹脂と、エラストマー層と、金属および／またはプラスチックの支持層とからなる。これらの層は、熱処理を使用する、または紫外線の照射下での単一工程において組み立てられる。さらに特許文献６には、他の用途分野のうち、ヘリコプターまたは風力タービンのローターブレードにおけるこのプラスチック複合材部品の使用が記載されている。

独国特許出願公開第１０２００４００７４８７号明細書 独国特許出願公開第１０３１９２４６号明細書 独国特許出願公開第１０３４４３７９号明細書 独国特許出願公開第１０２００９００２５０１号明細書 独国特許出願公開第１０２０１３２１７１２８号明細書 国際公開第２０１０／１１８８６０号

本発明の課題は、部品、より具体的にはローターブレードであって、極めて高い耐磨滅性および耐摩耗性が顕著であると同時に、製造時に要求される時間が短く温度が低い部品、を提供することである。

上記課題は、複合材部品（１０）によって達成される。当該複合材部品（１０）は、以下の層構造：
ａ）ポリエチレンから少なくとも部分的になる層（１１）、
ｂ）ポリウレタンおよび／またはエラストマーから少なくとも部分的になる層（１２）、および
ｃ）繊維（１４）によって強化されたプラスチック、または接着剤から少なくとも部分的になる、少なくとも１つの層（１３）
を有する複合材部品（１０）であって、
前記層（１２）が、前記層（１１）と前記層（１３）とに直接接するように配置されており、
前記層（１１）および前記層（１２）が、第１の工程において接合されて積層複合体を形成し、前記層（１３）が、前記層（１１）と前記層（１２）とを有する前記積層複合体に、第２の工程において接合されたものであることを特徴とする。

層（１２）に関連して、層が少なくとも部分的に「ポリウレタンおよびエラストマー」「からなる」という表現は、ここで言及されている材料がポリウレタンエラストマーでもよいことを意味する。表現「ポリウレタンまたはエラストマー」は、非エラストマー系のポリウレタン、またはウレタンエラストマー以外のエラストマーを意味する。この文脈において好ましいポリウレタンは、熱可塑性ポリウレタンである。

本発明において、本発明の設計の有利な特徴は、層（１１）および層（１２）を含む積層複合体がすでに完全に硬化しており、熱暴露によってさらに硬化させる必要がないことである。したがって、本発明における設計では、組立てに必要な温度を、ポリウレタン層（１２）またはエラストマー層（１２）も同様に硬化させる必要がある場合よりも低く維持することができる。結果として、組立ての簡易化および時間短縮という重要な利点が達成される。ポリウレタン層（１２）またはエラストマー層（１２）を層（１３）と同時に硬化し、２つの硬化工程にに同じ温度が適用される層構造と比較すると、個々の層の接着性が増大する。

特定の理論に縛られることを望むものではないが、弊社独自の調査・研究では、個々の層を硬化させるための理想的な温度範囲が存在することが認識された。温度が必要以上に高い場合、望ましくない二次反応によって硬化の過程において起こる重合反応が妨げられるため、結果として生じる層に悪影響が及ぶことがある。さらに、高すぎる温度では、望ましくない架橋反応が起こることもあり、結果として得られる層の特性に影響する。温度が極めて高すぎる場合には、層の脆化または分解が生じることがある。低すぎる温度では、層の硬化または重合の進行が不完全となるか、または全く進行しない。２つの層を同時に硬化する場合、これらの層のうち少なくとも一方の層は、必ずしもその層にとって理想的な温度範囲内で硬化されるわけではない。２つの層を同時に硬化させる場合、第１の層が低い温度で硬化するのに対し、第２の層がより高い温度で硬化するならば、第２の層の硬化不足、すなわち不完全な硬化を回避するために、高い方の温度で硬化させるのが従来の方法である。この場合、第１の層が大きすぎる熱応力を受けることと、過度に高い温度が、重合および結果として得られる層に悪影響を及ぼしうることは、容認されてきた。

したがって、層（１１）および層（１２）が、第１の工程において接合されて積層複合体を形成し、層（１３）が、層（１１）と層（１２）とを有する積層複合体に、第２の工程において接合されると、複合材部品（１０）の個々の層、したがって全体としての複合材部品（１０）が、より良好な特性を有することが認識された。驚くべきことに、この方法によって、個々の層の特性のみならず、個別の層間の接着性も高まることが判明した。

本発明の好ましい一実施形態においては、ポリエチレンは、高分子量ポリエチレン（ＨＭＷ−ＰＥ：high molecular polyethylene）、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）、またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ：polytetrafluoroethylene）であり、好ましくは超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）である。

超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）は、特に、摩耗性媒体の存在下でも極めて良好な耐磨滅性および耐摩耗性を特徴とする。弊社独自の調査・研究では、本発明の複合材部品において、ＵＨＭＷ−ＰＥから少なくとも部分的になる層（１１）を使用することによって、複合材部品（より具体的にはローターブレード）の耐磨滅性および耐摩耗性を大幅に向上させることが可能であることが判明した。

本発明の目的のための高分子量ポリエチレン（ＨＭＷ−ＰＥ）は、平均モル質量が５００〜１０００ｋｇ／ｍｏｌの高分子量ポリエチレンである。本発明の文脈における超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）は、平均モル質量が１０００ｋｇ／ｍｏｌを超える超高分子量ポリエチレンである。本発明の文脈においては、使用されるＵＨＭＷ−ＰＥの平均モル質量は１０００ｋｇ／ｍｏｌ〜１００００ｋｇ／ｍｏｌの間であり、より好ましくは平均モル質量が１０００ｋｇ／ｍｏｌ〜５０００ｋｇ／ｍｏｌの間であり、特に好ましくは平均モル質量が３０００ｋｇ／ｍｏｌ〜５０００ｋｇ／ｍｏｌの間である。平均モル質量は、マルゴリーズの式（Margolies equation）によって算術的に求められる。使用されるポリエチレンは、直鎖状ポリエチレンでも、架橋ポリエチレンでもよい。

使用される超高分子量ポリエチレンは、密度が０．９３〜０．９４ｇ／ｃｍ^３であることが好ましい。

本発明の好ましい一実施形態においては、層（１１）は、紫外線に起因する経年劣化に対してポリエチレンを保護する紫外線安定剤をさらに含む。好ましい紫外線安定剤は、有機および無機の紫外線吸収剤、より具体的には、ベンゾフェノン、ベンゾトリアゾール、オキサルアニリド、フェニルトリアジン、カーボンブラック、二酸化チタン、酸化鉄顔料、および酸化亜鉛を含むリスト、または（ビス（２，２，６，６−テトラメチル−４−ピペリジル）セバシン酸塩等の２，２，６，６−テトラメチルピペリジン誘導体（「ヒンダードアミン系光安定剤（ＨＡＬＳ）」）から選択される。

紫外線安定剤の存在によって、紫外線に対する長期安定性を高めることが可能である。

ポリエチレンから少なくとも部分的になる層（１１）が、主としてポリエチレンからなること、具体的には、この層の合計重量に対するポリエチレンの量が５０重量％超であることが好ましく、８０重量％超であることがより好ましく、９５重量％超であることがさらに好ましく、ポリエチレンが超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）であることが特に好ましい。

本発明の文脈におけるポリウレタンは、少なくともジアルコール（ジオール）および／またはポリオール（例：長鎖ジオール）とポリイソシアネートとの、ウレタン基（−ＮＨ−ＣＯ−Ｏ−）の形成を伴う重付加物である。

好ましくは、エラストマーは、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ：ethylene-propylene rubber）、エチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ：ethylene-propylene-diene rubber）、エチレン・アクリレートゴム（ＥＡＭ：ethylene-acrylate rubber）、フッ素ゴム（ＦＫＭ：fluorocarbon rubber）、アクリレートゴム（ＡＣＭ：acrylate rubber）、またはアクリロニトリル・ブタジエンゴム（ＮＢＲ：acrylonitrile-butadiene rubber）であり、好ましくはエチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）である。

弊社独自の調査・研究では、ポリウレタンとエラストマー（特に、好ましいもの）によって、（ポリエチレンから少なくとも部分的になる）層（１１）と層（１３）との間に、特に効果的な接合がもたらされることが判明した。このような場合では、驚くべきことに、層（１１）のポリエチレンが超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）であり、かつ層（１３）が、少なくとも部分的に繊維（１４）強化プラスチックであるときに、ポリウレタンおよびエチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）が特に良好な接着特性を発揮することが判明した。

本発明の好ましい一実施形態においては、ポリウレタンは、熱可塑性ポリウレタンである。

本発明の文脈における熱可塑性ポリウレタンは、特定の温度範囲内では（熱可塑的な）可逆的変形が可能なポリウレタンである。熱可塑性ポリウレタンは、特に、熱硬化性ポリウレタンとは区別され、熱硬化性ポリウレタンは、硬化した後にはもはや熱可塑的に変形させることができない。

本発明の好ましい一実施形態においては、ポリウレタンは、ポリウレタンエラストマーである。

本発明の文脈におけるポリウレタンエラストマーは、弾性変形可能であり、かつ好ましくは（加熱速度が１０Ｋ／分の示差走査熱量計（ＤＳＣ）によって求められる）ガラス転移温度（Ｔｇ）が最大２０℃であるポリウレタンである。

本発明によれば、ポリウレタンエラストマーのガラス転位温度Ｔｇ（加熱速度が１０Ｋ／分の示差走査熱量計（ＤＳＣ）によって求められる）が−５℃と−４５℃の間であることが好ましい。

本発明によれば、ポリウレタンエラストマーは、ＤＩＮ ＩＳＯ ７６１９−１に基づくショアＡ硬度が、好ましくは最大で９５、より好ましくは最大で８５、さらに好ましくは最大で７５である。

本発明によれば、ポリウレタンエラストマーは、ＤＩＮ ＩＳＯ ７６１９−１に基づくショアＡ硬度が、好ましくは４０より高い、より好ましくは５０より高い、さらに好ましくは６０より高い。

本発明によれば、ポリウレタンエラストマーは、ＤＩＮ ＩＳＯ ７６１９−１に基づくショアＡ硬度が、好ましくは４０〜９５の範囲内、より好ましくは５０〜８５の範囲内、さらに好ましくは６０〜７５の範囲内であることが好ましい。

驚くべきことに、熱可塑性ポリウレタンエラストマーの（ＤＩＮ ＩＳＯ ７６１９−１に基づく）ショアＡ硬度が上述した値または範囲内であると、本発明のプラスチック複合材部品をヘリコプターまたは風力タービンのローターブレードとして使用する場合に、特に良好な特性を示すことが判明した。

本発明によれば、熱可塑性ポリウレタンが、ポリオール（長鎖ジオール）（好ましくはポリエステルジオールまたはポリエーテルジオール）と、ジイソシアネートと、短鎖ジオールとの縮合物であることが好ましい。本発明の文脈においては、短鎖ジオールは、分子量が５００ｇ／ｍｏｌ未満のジオールであり、長鎖ジオールは、分子量が５００ｇ／ｍｏｌ以上、好ましくは最大８０００ｇ／ｍｏｌのジオールである。

驚くべきことに、層（１２）としてのポリウレタン（好ましくは熱可塑性ポリウレタンおよび／またはポリウレタンエラストマー）と、層（１１）としての超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）との組合せは、特に良好な腐食特性を特徴とすることが判明した。ポリウレタンエラストマー層（１２）は、接着を促進するように作用し、その一方で、外側のＵＨＭＷ−ＰＥ層（１１）は、耐食性が極めて高い。層（１２）のポリウレタン（好ましくは熱可塑性ポリウレタンおよび／またはポリウレタンエラストマー）と、層（１１）の超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）との組合せは、繊維（１４）によって少なくとも部分的に強化されたプラスチックに対する接着性と、他のポリマーとポリエチレンとの別の組合せではこれまで達成できなかった耐磨滅性および耐摩耗性とを兼ね備える。層（１２）のポリウレタン（好ましくは熱可塑性ポリウレタンおよび／またはポリウレタンエラストマー）と、層（１１）の超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）との組合せは、個々の層を組み合わせることによるプラスの効果が高まることから、相乗効果を発揮することが判明した。

驚くべきことに、層（１２）のエチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）と、層（１１）の超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）との組合せも、同様に特に良好な腐食特性を特徴とすることがさらに判明した。層（１２）のエチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）と、層（１１）の超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）との組合せは、少なくとも部分的に繊維（１４）によって強化されたプラスチックへの優れた接着性と、エラストマーとポリエチレンとの別の組合せではこれまで達成できなかった耐磨滅性および耐摩耗性とを兼ね備える。層（１２）のエチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）と、層（１１）の超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）との組合せは、個々の層を組み合わせることによるプラスの効果が高まることから、相乗効果を発揮することが判明した。

本発明によれば、層（１２）は、層（１１）と層（１３）とに直接接するように配置されており、層（１１）と層（１３）との間にさらなる（ポリマー）層は存在しない。このような構成の結果として、（さらなる利点に加えて）境界層の数を最小にすることが可能となり、層間の接着性が向上する。横断面においては、１つの層（１２）のみを有する本発明の複合材部品を、複数の（ポリマー）層を含む他の複合材部品と区別することができる。同様に、本発明の複合材部品は、本発明以外の部品（層（１１）および層（１２）が、第１の工程において接合されて積層複合体を形成し、層（１３）が、層（１１）と層（１２）とを有する層複合体に、第２の工程において接合されたもの）と区別することができる。これは特に境界層（特に、層（１２）と層（１３）との間の境界層）を考慮することによって可能である。

ポリウレタン（好ましくは熱可塑性ポリウレタンおよび／またはポリウレタンエラストマー）から少なくとも部分的になる層（１２）が、主としてポリウレタンからなること、具体的には、この層の合計重量に対するポリウレタンの量が５０重量％超であることが好ましく、８０重量％超であることがより好ましく、９５重量％超であることがさらに好ましい。

同様に、エラストマーから少なくとも部分的になる層（１２）が、主としてエラストマーからなること、具体的には、この層の合計重量に対するエラストマーの量が５０重量％超であることが好ましく、８０重量％超であることがより好ましく、９５重量％超であることがさらに好ましく、エラストマーがエチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）であることが特に好ましい。

本発明の好ましい一実施形態においては、層（１２）は、アクリレート、メタクリレート、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ノボラック、ヘキサメチレンテトラミン、ヘキサメトキシメチルメラミンおよびグアニジンからなる群から選択される、少なくとも１種類の添加剤をさらに含む。これら添加剤の使用は、層（１２）のエラストマーがエチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）である場合に特に好ましい。これらの添加剤は、層（１２）の強度を改善するためおよび／または、他の層への層（１２）の接着性を向上する上で適している。

本発明の好ましい一実施形態によれば、繊維（１４）によって強化されたプラスチックは、ＵＨＭＷ−ＰＥ繊維（例：ダイニーマ（Ｄｙｎｅｅｍａ）（登録商標）繊維）によって強化されたプラスチック、炭素繊維強化プラスチック（ＣＲＰ：carbon fiber reinforced plastic）、またはガラス繊維強化プラスチック（ＧＲＰ：glass fiber reinforced plastic）であり、好ましくはガラス繊維強化プラスチック（ＧＲＰ）である。

繊維強化プラスチック、特にガラス繊維強化プラスチック（ＧＲＰ）は、低い比重量と共に、高い機械的安定性および熱安定性を特徴とする。したがって、ローターブレードまたはローターブレード要素の基部の構造に極めて適している。

本発明に係る好ましい複合材部品においては、繊維（１４）によって強化されたプラスチックは、エポキシ樹脂マトリックス、ポリウレタン樹脂マトリックス、ポリメチル（メタ）アクリレートマトリックス、ポリ（メタ）アクリレートマトリックス、またはポリ（メタ）アクリルアミドマトリックスを有するプラスチック系樹脂であり、特に好ましくは、エポキシ樹脂マトリックスを有するプラスチック系樹脂である。

本発明に係る好ましい複合材部品においては、繊維（１４）によって強化されたプラスチックは、エポキシ樹脂マトリックスを有するプラスチック系樹脂であり、層（１３）は、アクリレート、メタクリレート、フェノール樹脂およびノボラックからなる群から選択される少なくとも１種類の添加剤をさらに含む。

本発明の同様に好ましい複合材部品においては、繊維（１４）によって強化されたプラスチックは、硬化する前は多成分系の形をとるエポキシ樹脂マトリックスを有し、アミン硬化剤を含む少なくとも１種類の成分を含むプラスチック系樹脂であり、当該アミン硬化剤は、ヘキサメチレンテトラミン、ヘキサメトキシメチルメラミンおよびグアニジンからなるリストから選択される少なくとも１種類の添加剤である。

さらに、層（１１）および／または層（１２）が、互いに独立して、厚みが１００〜５０００μｍ、好ましくは３００〜９００μｍ、より好ましくは４００〜６００μｍであることが好ましい。

弊社独自の調査・研究では、このような層厚の場合、耐磨滅性および耐摩耗性と、複合材部品の重量との間のバランスが極めて良好であることが判明した。層（１１）が厚すぎる場合、耐磨滅性および耐摩耗性が大幅には改善されずに複合材部品の重量が増す。しかしながら層（１１）が薄すぎる場合、耐磨滅性および耐摩耗性が低下する。

本発明の一実施形態においては、層（１１）および層（１２）を含む積層複合体が、第２の工程において層（１３）に接合される表面は、切り欠き部（notches）を有することが好ましい。この切り欠き部によって表面の面積が増大し、第２工程における接合後の積層複合体への層（１３）の接着性が向上する。

第１の工程において層（１１）と層（１２）を組み立てて積層複合体を形成した後には、ポリウレタンの場合は、ジアルコール（ジオール）および／またはポリオール（例：長鎖ジオール）は、ポリウレタンを形成するためのポリイソシアネートとの反応を経ている。重縮合反応が化学触媒作用によって生じた場合、この反応に使用される触媒は、反応によって消費されている、または不活性である。本発明の意味においては、層（１１）および層（１２）を含む積層複合体の含有する（活性）触媒は、０．５ｐｐｈ（百分の一、すなわちポリウレタンを１００としたときの触媒の割合）未満であり、（活性）触媒は好ましくは０．２ｐｐｈ未満であり、（活性）触媒を含まないことが極めて好ましい。

第１の工程において層（１１）と層（１２）を組み立てて積層複合体を形成した後には、エラストマーの場合は、このエラストマーは完全に架橋化または加硫化されている。架橋化または加硫化に使用した架橋剤は、架橋反応が化学的誘導（chemical induction）によって生じた場合、反応によって完全に消費されている。本発明の意味においては、層（１１）および層（１２）を含む積層複合体の含有する架橋剤は、０．５ｐｐｈ（百分の一、すなわちポリウレタンを１００としたときの触媒の割合）未満であり、架橋剤は好ましくは０．２ｐｐｈ未満であり、架橋剤を含まないことが極めて好ましい。

弊社独自の調査・研究では、層（１１）および層（１２）を含む積層複合体と層（１３）との組立てが、層（１３）の硬化によって行われることが有利であることが判明した。実際には、繊維（１４）によって少なくとも部分的に強化されたプラスチックが、例えば組立て少し前の硬化剤の添加、またはプラスチックへの光照射（プラスチックが光硬化性プラスチックである場合）によって、層（１１）および層（１２）を備えている積層複合体と組み立てられた後に硬化される。本発明の好ましい一実施形態においては、組立ての少し前に二成分混合物を混合することによって、繊維（１４）によって強化されたプラスチックのプラスチックマトリックスが作製される。

本発明の好ましい一実施形態によれば、層（１１）および層（１２）を含む積層複合体への層（１３）の組立ては、層（１２）がポリウレタンを含む場合、熱暴露によって実施するが、温度は好ましくは少なくとも２０℃、より好ましくは少なくとも３５℃、さらに好ましくは少なくとも５５℃、特に好ましくは少なくとも７５℃で実施する。

本発明の好ましい一実施形態によれば、層（１１）および層（１２）を含む積層複合体への層（１３）の組立ては、層（１２）がポリウレタンを含む場合、熱暴露によって実施するが、温度は好ましくは最大で１２０℃、より好ましくは最大で１１０℃、さらに好ましくは最大で９５℃、特に好ましくは最大で８５℃で実施する。

本発明の好ましい一実施形態によれば、層（１１）および層（１２）を含む積層複合体への層（１３）の組立ては、層（１２）がポリウレタンを含む場合、熱暴露によって実施するが、温度は好ましくは２０〜１２０℃、より好ましくは３５〜１１０℃、さらに好ましくは５５〜９５℃、特に好ましくは７５〜８５℃において実施する。

本発明の好ましい代替の一実施形態によれば、層（１１）および層（１２）を含む積層複合体への層（１３）の組立ては、層（１２）がエラストマーを含む場合、熱暴露によって実施するが、温度は好ましくは７０〜１２０℃、より好ましくは８０〜１１５℃、特に好ましくは１０５〜１１５℃で実施する。

本発明の好ましい一実施形態によれば、層（１３）が、エポキシ樹脂系接着剤またはポリウレタン系接着剤であるか、あるいはエポキシ樹脂系接着剤またはポリウレタン系接着剤を含むように、複合材部品を設計する。この場合、接着剤含有層（１３）で、繊維によって強化されたプラスチックから少なくとも部分的になる層（１５）を積層複合体に接合することが特に好ましい。

本発明の好ましい一実施形態によれば、エポキシ樹脂系接着剤またはポリウレタン系接着剤は、硬化前にチキソトロピックにする。この方法によって、たとえ数ミリメートルの厚さの隙間も、硬化前の接着剤によって満たすことが可能である。

特に好ましくは、層（１５）は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）、ＵＨＭＷ−ＰＥ繊維（例：ダイニーマ（Ｄｙｎｅｅｍａ）（登録商標）繊維）によって強化されたプラスチック、炭素繊維強化プラスチック（ＣＲＰ）、またはガラス繊維強化プラスチック（ＧＲＰ）であり、好ましくはガラス繊維強化プラスチック（ＧＲＰ）である。

さらに層（１５）は、好ましくは、エポキシ樹脂マトリックス、ポリウレタン樹脂マトリックス、ポリ（メタ）アクリレートマトリックス、ポリメチル（メタ）アクリレートマトリックス、またはポリ（メタ）アクリルアミドマトリックスを有するプラスチック系樹脂であり、特に好ましくは、エポキシ樹脂マトリックスを有するプラスチック系樹脂である。

この実施形態の場合、層（１３）の厚さは好ましくは１〜５０００μｍ、より好ましくは５〜４０００μｍ、さらに好ましくは１０〜３０００μｍである。

この実施形態においては、層（１１）および層（１２）を含む積層複合体への層（１３）の組立てにおいて、繊維によって強化されたプラスチックからなる層（１５）が完全に硬化するならば、接着剤含有層（１３）の硬化によって行われることが有利であることが判明し、したがって好ましい。本発明のこの実施形態においては、腐食および／または損傷の見られる部品（例えば風力タービンのローターブレードなど）に層（１１）および層（１２）を含む積層複合体を接着することによって修理することが可能であり、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）の極めて優れた耐磨滅性および耐摩耗性によって、将来的な腐食および／または損傷を防止することができる。

本発明のさらなる態様は、本発明の複合材部品を備えた風力タービンに関する。この場合、この風力タービンは、風力発電設備の風力タービンであり、かつ、本発明の複合材部品が、少なくとも１つのローターブレード要素、より具体的には少なくとも１つのローターブレード縁部、好ましくはローターブレード前縁部、に配置されていることが特に好ましい。本発明の複合材部品は、風力発電設備のすべてのローターブレード縁部に、好ましくはすべてのローターブレード前縁部に配置されていることが特に好ましい。

本発明に関連するさらなる態様は、風力タービン、風力タービンのローターブレード、飛行機またはヘリコプターの翼、飛行機またはヘリコプターのエアフォイル、飛行機またはヘリコプターのローターブレード、発電機のタービンブレード、自動車の車体構造部品、船の船体領域または竜骨領域、またはスポーツ器具の有効表面における、本発明のプラスチック複合材部品の使用に関する。風力発電設備のローターブレード縁部、好ましくはローターブレード前縁部における、本発明による使用が、特に好ましい。

しかしながら、本発明の複合材部品は、表面の腐食が回避される別の分野において採用することもできる。本発明によれば、そのような分野は、例えば以下である。
・ 飛行機またはヘリコプターの翼、エアフォイル、ローターブレード
・ 発電機のタービンブレード
・ 自動車の車体構造部品
・ 船の船体領域または竜骨領域
・ スポーツ器具の有効表面

本発明に関連するさらなる態様は、本発明の複合材部品を製造する方法であって、
層（１１）および層（１２）を含む積層複合体を作製または提供するステップと、
作製または提供した積層複合体と、層（１３）とを組み立てるステップと、
を含む、方法に関する。

本発明の好ましい方法においては、層（１２）のポリウレタンは熱可塑性ポリウレタンおよび／またはポリウレタンエラストマーである、および／または、層（１２）のエラストマーは、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ）、エチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、エチレン・アクリレートゴム（ＥＡＭ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、アクリレートゴム（ＡＣＭ）、またはアクリロニトリル・ブタジエンゴム（ＮＢＲ）であり、好ましくはエチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）である。

同様に好ましい方法においては、層（１１）のポリエチレンは、高分子量ポリエチレン（ＨＭＷ−ＰＥ）、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）、またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）であり、好ましくは超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）である。

特に好ましい方法においては、層（１２）のエラストマーはポリウレタン（好ましくは熱可塑性ポリウレタンおよび／またはポリウレタンエラストマー）であり、層（１１）のポリエチレンは超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）である。

同様に特に好ましい方法においては、層（１２）のエラストマーはエチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）であり、層（１１）のポリエチレンは超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）である。

本発明の方法の好ましい一実施形態によれば、繊維（１４）によって強化された層（１３）のプラスチックは、ＵＨＭＷ−ＰＥ繊維（例：ダイニーマ（Ｄｙｎｅｅｍａ）（登録商標）繊維）によって強化されたプラスチック、炭素繊維強化プラスチック（ＣＲＰ）、またはガラス繊維強化プラスチック（ＧＲＰ）を含み、好ましくはガラス繊維強化プラスチック（ＧＲＰ）を含む。

特に好ましい方法においては、層（１２）のポリウレタンは熱可塑性ポリウレタンおよび／またはポリウレタンエラストマーであり、層（１１）のポリウレタンは超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）であり、繊維（１４）によって強化された層（１３）のプラスチックはガラス繊維強化プラスチック（ＧＲＰ）である。

特に好ましい方法は、以下のステップを含む。
− 層（１１）および層（１２）を含む積層複合体を作製または提供するステップと、
− 作製または提供した積層複合体と、層（１３）とを組み立てるステップと、
− 層（１３）を硬化させるステップ。

本発明の好ましい方法においては、硬化していない層（１３）は、エポキシ樹脂である、好ましくは、作製または用意された積層複合体と組み立てる前に混合される二成分エポキシ樹脂である。

本発明に係る好ましい方法においては、層（１１）および層（１２）を含む積層複合体を作製するために、層（１１）および／または層（１２）を前処理に付す。当該前処理は、下記群から選ばれる１種、２種、３種、またはそれ以上の前処理である。
− 材料を除去する機械加工、特に研削、
− 化学的な表面処理、
− 接着促進剤（プライマー）および／または化学的剥離剤による処理、
− 熱的な表面処理、特に、プラズマ活性化、プラズマ表面処理、およびガス炎処理、
− 電気的な表面処理、特にコロナ処理、
− 表面のクリーニング、好ましくはブラッシング、サンディング（sanding）、および／またはブラスティング（blasting）、
− ダスト、油脂、および／または油の残留物の除去。
尚、層（１１）および／または層（１２）の前処理は、層（１１）および層（１２）を含む積層複合体の作製時に、他層となる層（１２）または層（１１）に対応する接合面に対して行うことが好ましい。

本発明に係る好ましい方法においては、層（１１）および層（１２）を含む積層複合体を作製または提供した後であって、作製または提供した積層複合体を未硬化の層（１３）と組み立てる前に、積層複合体を前処理に付す。当該前処理は、下記群から選ばれる１種、２種、３種、またはそれ以上の前処理である。
− 材料を除去する機械加工、特に研削、
− 化学的な表面処理、
− 接着促進剤（プライマー）および／または化学的剥離剤による処理、
− 熱的な表面処理、特に、プラズマ活性化、プラズマ表面処理、およびガス炎処理、
− 電気的な表面処理、特にコロナ処理、
− 表面のクリーニング、好ましくはブラッシング、サンディング、および／またはブラスティング、
− ダスト、油脂、および／または油の残留物の除去。
尚、層（１１）および層（１２）を含む積層複合体の前処理は、好ましくは層（１２）に対して行われる。

本発明の方法の好ましい一実施形態によれば、層（１１）および層（１２）を含む積層複合体と層（１３）との組み立ては、熱暴露によって実施するが、温度は好ましくは少なくとも２０℃、より好ましくは少なくとも３５℃、さらに好ましくは少なくとも５５℃、特に好ましくは少なくとも７５℃で実施する。

本発明の方法の好ましい一実施形態によれば、層（１１）および層（１２）を含む積層複合体と層（１３）との組み立ては、熱暴露によって実施するが、温度は好ましくは最大で１２０℃、より好ましくは最大で１１０℃、さらに好ましくは最大で９５℃、特に好ましくは最大で８５℃で実施する。

本発明の方法の好ましい一実施形態によれば、層（１１）および層（１２）を含む積層複合体と層（１３）との組み立ては、熱暴露によって実施するが、温度は好ましくは２０〜１２０℃、より好ましくは３５〜１１０℃、さらに好ましくは５５〜９５℃、特に好ましくは７５〜８５℃において実施する。

本発明に関連するさらなる態様は、本発明の方法によって製造される複合材部品に関する。

本発明に関連するさらなる態様は、ローターブレード要素、好ましくは風力発電設備のローターブレード要素を、本発明の複合材部品によって修理および／または修復する方法（本明細書の定義においては、製造方法と同様である。上記を参照。）であって、以下のステップを含む方法である。
− 損傷したローターブレード要素を準備するステップと、
− 層（１１）および層（１２）を含む積層複合体を作製または提供するステップと、
− 準備したローターブレード要素、および／または、層（１１）および層（１２）を含む作製または提供した積層複合体に、未硬化の層（１３）を塗布するステップと、
− 未硬化の層（１３）が、ローターブレード要素と積層複合体の層（１２）との間に位置するように、作製または提供した積層複合体を、ローターブレード要素と組み立てるステップと、
− 層（１３）を硬化させるステップ。

本発明の好ましい方法においては、損傷したローターブレード要素を準備するステップが、以下のステップの少なくとも１つを含む。
− 材料を除去する機械加工、特に研削、
− 化学的な表面処理、
− 接着促進剤（プライマー）および／または化学的剥離剤による処理、
− 熱的な表面処理、特に、プラズマ活性化、プラズマ表面処理、およびガス炎処理、
− 電気的な表面処理、特にコロナ処理、
− 表面のクリーニング、好ましくはブラッシング、サンディング、および／またはブラスティング、
− ダスト、油脂、および／または油の残留物の除去。

本発明の文脈においては、好ましい態様として上に識別されている態様のうちの２つまたは３つ以上を同時に実施することが好ましい。特に好ましいのは、添付の特許請求の範囲から明らかになる態様の組合せ、および対応する特徴の組合せである。

図１は、本発明に係るローターブレード要素を有する風力発電設備を示す概略図である。 図２は、本発明に係るローターブレード要素の一実施形態を概略的に示す図である。 図３は、図２のローターブレード要素の詳細を示す概略図である。 図４は、ローターブレード要素の代替の詳細を示す概略図である。

図１は、タワー１２００およびナセル（gondola）１３００を有する風力発電設備１０００を示している。ナセル１３００には、３枚のローターブレード１１００を有するローター１４００およびスピナー１５００が配置されている。運転時、風によってローター１４００が回転し、これにより、ナセル１３００の中の発電機を駆動する。風力発電設備１０００のローターブレード１１００は、少なくとも部分的に繊維によって強化されたプラスチックを含む基部（層１３）を有し、かつポリエチレンの表面箔（層１１）によって部分的に被覆されており、表面箔と基部の間にポリウレタン層および／またはエラストマー層（層１２）が配置されている。この構造を、以降の図を使用してさらに詳しく説明する。

図２は、ローターブレード１１００のローターブレード要素１１１０（すなわちローターブレード前縁部）を示している。ローターブレード前縁部１１００は、表面箔１１を有する。この例示的な実施形態においては、この箔は、超高分子量のポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）からなる。表面箔１１（層１１）は、結合層１２（層１２）を介してローターブレード要素の基部１３（層１３）に接合されている。この場合、ローターブレード要素の基部１３（層１３）は、繊維（１４）によって強化されたプラスチックから少なくとも部分的になる。この例示的な実施形態においては、繊維材料はガラス繊維強化プラスチック（ＧＲＰ）であり、硬化性樹脂はエポキシ樹脂である。結合層１２（層１２）は、ポリウレタンおよび／またはエラストマーから少なくとも部分的になる。弾性の結合層によって基部１３（層１３）に表面箔１１（層１１）を結合することによって、ＵＨＭＷ−ＰＥをエポキシ樹脂に接合することが可能である。ＵＨＭＷ−ＰＥの表面箔（層１１）は、風力発電設備の運転中に特にローター縁部に発生する種類の摩耗性負荷に対して特に耐性がある。

図３は、ローターブレード要素１１１０の詳細を示している。ローターブレード要素１１１０のこの部分においては、ローターブレード要素１１１０は、以下の層構造、すなわち、ポリエチレンから少なくとも部分的になる第１の層（１１）と、ポリウレタンおよび／またはエラストマーから少なくとも部分的になる層（１２）と、繊維（１４）によって強化されたプラスチックから少なくとも部分的になる、基部としての少なくとも１層（１３）とを有する。この例示的な実施形態においては、繊維材料はガラス繊維強化プラスチック（ＧＲＰ）であり、硬化性樹脂はエポキシ樹脂であり、ポリエチレンは超高分子量のポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）であり、ポリウレタンは熱可塑性ポリウレタンエラストマーである、またはエラストマーはエチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）である。

図４は、ローターブレード要素１１１０の代替の詳細を示している。ローターブレード要素１１１０のこの部分においては、ローターブレード要素１１１０は、以下の層構造、すなわち、ポリエチレンから少なくとも部分的になる第１の層（１１）と、ポリウレタンおよび／またはエラストマーから少なくとも部分的になる層（１２）と、接着剤から少なくとも部分的になる、少なくとも１つの層（１３）と、繊維（１４）によって強化されたプラスチックから少なくとも部分的になる層（１５）とを有する。この例示的な実施形態においては、繊維材料はガラス繊維強化プラスチック（ＧＲＰ）であり、硬化性樹脂はエポキシ樹脂であり、ポリエチレンは超高分子量のポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）であり、ポリウレタンは、熱可塑性ポリウレタンエラストマー、熱可塑性ポリウレタン、またはポリウレタンエラストマーとすることができる、またはエラストマーはエチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）であり、接着剤はそれぞれエポキシ系接着剤である。

Claims (10)

1. 以下の層構造：
   ａ）ポリエチレンから少なくとも部分的になる層（１１）、
   ｂ）ポリウレタンおよび／またはエラストマーから少なくとも部分的になる層（１２）、および
   ｃ）繊維（１４）によって強化されたプラスチック、または接着剤から少なくとも部分的になる、少なくとも１つの層（１３）
   を有する複合材部品（１０）であって、
   前記層（１２）が、前記層（１１）と前記層（１３）とに直接接するように配置されており、
   前記層（１１）および前記層（１２）が、第１の工程において接合されて積層複合体を形成し、前記層（１３）が、前記層（１１）と前記層（１２）とを有する前記積層複合体に、第２の工程において接合されたものである
   ことを特徴とする、複合材部品（１０）。
2. 前記ポリエチレンが、高分子量ポリエチレン（ＨＭＷ−ＰＥ）、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）、またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）であり、好ましくは超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）であることを特徴とする、請求項１に記載の複合材部品。
3. 前記ポリウレタンが、熱可塑性ポリウレタンおよび／またはポリウレタンエラストマーであることを特徴とし、前記エラストマーが、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＭ）、エチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、エチレン・アクリレートゴム（ＥＡＭ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、アクリレートゴム（ＡＣＭ）、またはアクリロニトリル・ブタジエンゴム（ＮＢＲ）であり、好ましくはエチレン・プロピレン・ジエンゴム（ＥＰＤＭ）であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の複合材部品。
4. 前記繊維（１４）によって強化されたプラスチックが、ＵＨＭＷ−ＰＥ繊維によって強化されたプラスチック、炭素繊維強化プラスチック（ＣＲＰ）、またはガラス繊維強化プラスチック（ＧＲＰ）であり、好ましくはガラス繊維強化プラスチック（ＧＲＰ）であることを特徴とする、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の複合材部品。
5. 前記繊維（１４）によって強化されたプラスチックが、エポキシ系プラスチック樹脂である、または、ポリウレタン系、ポリ（メタ）アクリレートマトリックス系、ポリメチル（メタ）アクリレートマトリックス系、またはポリ（メタ）アクリルアミドマトリックス系のプラスチック樹脂であることを特徴とする、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の複合材部品。
6. 前記層（１３）と、前記層（１１）および前記層（１２）を含む前記積層複合体との組立てが、前記層（１３）の硬化によって行われることを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の複合材部品。
7. 前記層（１３）が、エポキシ樹脂系接着剤またはポリウレタン系接着剤であるか、あるいはエポキシ樹脂系接着剤またはポリウレタン系接着剤を含むことを特徴とする、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の複合材部品。
8. 複合材料が、ローターブレードである、好ましくは風力タービンのローターブレードであることを特徴とする、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の複合材部品。
9. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の複合材部品を備えている風力タービン。
10. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の複合材部品を製造する方法であって、
    前記層（１１）および前記層（１２）を含む積層複合体を作製または提供するステップと、
    作製または提供した前記積層複合体と、前記層（１３）とを組み立てるステップと、
    を含む、方法。

Images