JP2018533514A - 構造物用組成物および方法 - Google Patents

Abstract

構造物用ポリマー複合材は補剛層を含む。複合材は、ポリマーが補剛層の上に押し出されるときに、補剛層がクロスヘッドダイを通じて引かれる連続押し出し工程において作成される。層は、フィルムまたは繊維製品のキャリア、マットを形成する炭素繊維、繊維ガラス、有機繊維または鉱物の充填剤を含む。結合剤が、マットおよび被着される第２のキャリアにわたって分散され得る。マットは、キャリアおよび結合剤を軟化させるために熱および圧力にさらされ、そのため、それらは充填剤の隙間に浸透してそれらと機械的に結合し、キャリアおよび結合剤は、互いに化学的に結合して、補剛層を形成する。その後、ポリマーが補剛層の上に押し出され、補剛層は、平坦に使用され、ポリマーとの複合作用のために穴またはパンチ穴を設けられ、プロファイルに形成され、セグメント化されて、離間された補剛層が提供される。

Description

本開示は、ポリマー複合材に関する。より詳細には、本開示は、強化ポリマー複合材に関する。

スタッド、梁、敷板、フレーム部材、トリムピース、および柵のような構造物用部材を必要とする多くの用途において、ポリマー材料が木材に取って代わっている。窓枠およびシャッタは、中空ビニルプロファイルから作成されている。インテリアモールディング、および、より最近では網戸が、発泡ポリ塩化ビニルから作成されている。

プラスチックは、コストがより低いこと、および、保守管理が楽であることを含め、木材にまさる利点を有するが、剛性を増大させるための二次強化として、木材または金属インサートのような他の材料を組み込まなければ、木材の本来の強度を有しないことが多い。これらのタイプの二次強化を加えることによって、材料のコストおよび労力が増大し、必要とされる追加のタイプの材料のために、複雑度がもたらされる。

構造物用複合材が既知である。例えば、米国特許第４９１００６７号明細書は、一方の側に熱可塑性層を有し、他方の側に繊維性材料の層を有する発泡体コアを備える構造物用複合材料を開示している。発泡体は、繊維性材料と接触して硬化する液体樹脂から形成され、液体樹脂は繊維性材料に浸透し、これに接着して、繊維強化構造になる。複合材を製造するための工程も、この引用文献において教示されている。

米国特許第５７００５５５号明細書は、両方とも共押し出しによって形成される、全体的にプラスチックから作成される第１のゾーンと、プラスチックに加えて１０％〜５５％の天然繊維から作成される第２のゾーンとを備える複合材製品を教示している。繊維含有ゾーンは、木目を模倣するためのエンボス加工を含み、天然木の外観をシミュレートするために塗料または染料を受け入れるのに十分に多孔性である。

米国特許第５７３８９３５号明細書および米国特許第５８５８５２２号明細書は、互いに、および、上述した米国特許第５７００５５５号明細書に関連しており、天然繊維と熱可塑性物質との複合材を調製するための工程および当該工程からもたらされる製品を開示している。工程は、混合物を形成するために、天然繊維と熱可塑性物質とを、多孔性補助剤および界面剤を用いてブレンダ内で混合するステップと、加熱された押し出し機に混合物を加えるステップと、混合物を複合材として押し出すステップと、複合材を真空キャリブレーション装置内で、所望のプロファイルに成形するステップとを含む。この工程は、いくつかの用途（例えば、窓、ドアおよび羽目板）のために、第２の熱可塑性物質を天然繊維／熱可塑性物質複合材へと共押し出しするステップをさらに含む。

欧州特許第０５９９４０４号明細書は、連続繊維によって強化された熱可塑性物質複合材を調製するための工程を開示している。工程は、（ａ）繊維束によって構成される連続フィラメントをボビンから解くステップと、（ｂ）本質的には、連続フィラメントを個々の連続繊維にばらすことによって、連続フィラメントを開繊するステップと、（ｃ）開繊したフィラメントを、連続的に振動させられているタンクに収容された熱可塑性ポリマー粉末によって構成される固定床に浸漬し、通過させるステップと、（ｄ）フィラメントを再構成し、フィラメントの周囲に熱可塑性ポリマーの柔軟な保護シースを構成するステップとを含む。

欧州特許第０６５３２９０号明細書は、加熱したファイバーマットコアの少なくとも１つの表面を融解した第１の熱可塑性樹脂で被覆し、その後、そのファイバーマットコアを押し出しゾーンに通して、このゾーンにおいて、融解した第２の熱可塑性樹脂をファイバーマットコアの少なくともひとつの表面上に押し出すことによって、少なくともひとつの表面の樹脂濃度が高い熱可塑性の繊維強化成形品を連続的に製造する工程を開示している。その後、ファイバーマットコアおよび熱可塑性樹脂は成形されて完成品とされる。開示されている連続工程は、屋根用タイル、自動車用外部パネル、住宅用羽目板などのような成形された完成品を提供する。

米国特許第５５６５０５６号明細書は、高分子化合物の融解した第１のウェブおよび第２のウェブを、離間した型開口を通じて押し出し、ランダムに配向されたガラス短繊維からなるマットを、第１のウェブと第２のウェブとの間に位置決めし、ウェブとマットとをともにプレスし、結果もたらされる建築用パネルを冷却することによって作成される、ガラス繊維強化建築用パネルを開示している。

欧州特許第０７４７２１３号明細書は、おがくず、木粉、または経木によって充填されたポリプロピレンからなる第１の層と、圧縮および同時の部分的な融着によって第１の層の１つの面に接合される熱可塑性繊維材料から少なくとも部分的に構成される少なくとも１つの追加の層とを備えるパネルを開示している。この追加の層は、繊維パターンおよび構造を保持する。

米国特許第６６０７７９８号明細書は、熱可塑性樹脂からなる中空状中芯が、熱可塑性樹脂によって互いに接合されている補強用長繊維を含有する中間層によって一体化されている、繊維強化中空状中芯複合中空構造体を開示している。当該構造体はその後、熱可塑性樹脂からなる外層によって被覆される。

米国特許第９０７９３８０号明細書は、その後好都合な長さに切断することができる連続したストリップを形成する、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）の、複合材料との共押し出しを開示している。ＰＶＣは、背面上の取り付けフランジおよび換気スタンドオフのみを形成し、正面のすべての部品は、セルロース繊維と熱可塑性樹脂との複合材から形成される。

構造物用レベルの剛性および低い製造コストを有するポリマー組成物が、特に、これが以前使用された材料をリサイクルすることによって天然資源を節約する場合に有利である。

米国特許第４９１００６７号明細書 米国特許第５７００５５５号明細書 米国特許第５７３８９３５号明細書 米国特許第５８５８５２２号明細書 欧州特許第０５９９４０４号明細書 欧州特許第０６５３２９０号明細書 米国特許第５５６５０５６号明細書 欧州特許第０７４７２１３号明細書 米国特許第６６０７７９８号明細書

主にポリマー材料から構成されるが、良好に接合された不均質な複合材をもたらす連続した製造工程において少なくとも１つの強化する補剛層を組み込んでいる構造物用複合材が、本明細書において開示される。したがって、結果もたらされる複合材の外観およびその耐久性は、ポリマー材料の利点を保持し、構造物用途のために、低い製造コストで強化複合材の強度を提供する。

本発明の方法は、複合材が、その特定の用途のために必要な剛性を有するように、プロファイルの内部または上の１つまたは複数の補剛層の位置および組成を計画することによって設計されているポリマープロファイルを形成するために使用することができる。加えて、方法および材料は、補剛層が、短繊維を含む、容易に入手可能なリサイクル材料から作成することができるため、複合材の製造コストを低くすることができるようなものであり、強度を損なわず、構造物用複合材の外観に悪影響を与えない。

構造物用複合材を作成するための開示されている方法は、マットを形成するために、充填剤をキャリアへと分散させるステップを含む。結合材も、マットへと分散されてもよい。キャリア上のマットはその後、加熱およびプレスされて、キャリア、および、使用される場合は結合材を液化させ、マット全体を通じて浸透させ、それによって、補剛層を形成する。補剛層は、３つの寸法を有するプロファイルに成形することによって、または、ポリマー層との複合作用を促進するために、穴またはパンチ穴を用いてその表面を改質することによって、さらに改質することができる。ポリマー層はその後、完成製品を作成するために、補剛層の上に押し出される。ポリマーは、キャリアと化学的に適合性があり、すなわち、ポリマーとキャリアとの間に、層間剥離に耐える化学結合が形成される。

結合剤もまた、キャリアと化学的に結合し、マットと機械的に、かつ好ましくはまた化学的にも結合し、押し出しポリマープロファイルと化学的に結合するように選択される。層の結合は、強度を負荷し、層間剥離を回避する。充填剤がキャリアにより良好に接着するようにするために、キャリアに接着剤を被着させることができる。

本開示の特徴は、プレスおよび加熱ステップが、少なくとも一対の加熱されたジャケットローラを使用して行われ、第２の対の加熱されたジャケットローラが使用されるとき、マットの充填剤全体を通じた液化結合剤の流れを増大させるために、後続の対のローラは、第１の対よりも、ともに近くに離間され得ることである。第２の対のローラはまた、マットが冷却する前にマットを伸張させるために、第１の対よりも速く回転され得る。マットを伸張させることによって、繊維が整列するのを助けることができ、より強固な補剛層をもたらすことができる。

本開示の別の特徴は、リサイクルされた短炭素繊維または炭素繊維リボン、短繊維ガラス繊維、廃棄石膏由来の無水石膏繊維、木綿、絹および合成品を含む繊維製品廃棄物またはリサイクルされた布製品由来の繊維、廃木材、紙、厚紙または竹由来のセルロース繊維、金属ワイヤまたは他の金属繊維、または上記の任意の組み合わせ、ならびに、フライアッシュ、ゼオライトおよびポゾランのような通常は廃棄される鉱物成分を使用することである。繊維は長いものである必要はなく、マットの幅よりも短いなど、短いものであってもよい。

本開示のまた別の特徴は、キャリア、使用される場合は結合材、および、それらの上に押し出されるポリマーがまた、キャリアおよび結合材についてはポリエチレンテレフタレートまたは高密度ポリエチレン、および、押し出しポリマーについてはポリ塩化ビニルのような、リサイクルされた材料から作成することもできることである。これらの材料は、それらの間に化学結合を形成する傾向にあるという点で、化学的に適合性がある。

本開示の別の特徴は、補剛層が、複数のタイプの繊維、少なくとも１つのキャリアおよび２つ以上の充填剤層を備えることができるということである。

本開示のまた別の特徴は、キャリアがコンベヤ上に回転しているときにキャリア上に振り落とすことによって、繊維を分散させることができることであり、結果もたらされるランダムな配向は、キャリアの横方向において、および、その長さに平行に、ほぼ等しい強度をもたらす。

本開示のまた別の特徴は、作成されている製品の設計されている構成に従って、１つまたは複数の補剛層がクロスヘッドダイを通じて引かれるときに、ポリマーを１つまたは複数の補剛層の上に押し出すことができることである。

本開示のさらに別の特徴は、補剛層が、押し出しポリマーマトリクス内の１つまたは複数の三次元プロファイルへと形成される、適切に離間されている１つまたは複数の平坦な層、または、構造物用レベルのせん断および曲げ強度を提供しながら製造するのに好都合であり得るような、これらの組み合わせのいずれかを含むことができることである。

これらのおよび他の特徴ならびにそれらの利点は、図面を添付されている詳細な説明を慎重に読むことから、ポリマー押し出しの技術分野の熟練者に明らかになるであろう。

本発明の構造物用複合材を作成するための装置の概略図である。 本発明の構造物用複合材を作成するための方法の流れ図である。 剛性および曲げ強度を増強するための強化構成および位置の例を示す図である。 剛性および曲げ強度を増強するための強化構成および位置の例を示す図である。 剛性および曲げ強度を増強するための強化構成および位置の例を示す図である。 剛性および曲げ強度を増強するための強化構成および位置の例を示す図である。 剛性および曲げ強度を増強するための強化構成および位置の例を示す図である。 剛性および曲げ強度を増強するための強化構成および位置の例を示す図である。 剛性および曲げ強度を増強するための強化構成および位置の例を示す図である。 剛性および曲げ強度を増強するための強化構成および位置の例を示す図である。 本発明の方法および装置に従って作成される、構造物用複合材製品の一例、すなわち、ドア枠を示す図である。 その剛性および曲げ強度の保守的な予測をもたらす、図４のドア枠を例として使用した、構造物用複合材製品内の強化の分布を分析するための単純な方法を示す図である。

本明細書に記載の構造物用複合材は、建築基準法要件が適用されるものを含む幅広い用途において木材の代用として使用されることを可能にする圧縮強度および剛性の両方を有する物質からなる不均質な組成物である。加えて、本発明の構造物用複合材は、アルミニウムのような、木材よりも高い強度弾性を有する他の材料の代用とすることができる。不均質という用語は、構成物質の少なくとも一部が、構造物用複合材内で、均質に分散されている構成物質よりも集中していることを意味する。本発明の組成物は、その外形およびその構成要素の選択ならびにそれらの位置および形状を、その組成物が置かれるべき特定のタスクに必要な強度および剛性を満たすように選択することができるという意図をもって設計することができる。単純な例として、本発明の構造物用複合材は、Ｉビームのフランジと同様に、強化が中立軸から離間されて、断面に垂直な一方または両方の軸において強度および剛性を増大させることを可能にするように計画することができる。そのような構造物用複合材は、耐荷重性であるように計画することができるため、組成物は、本明細書においては構造物用複合材としても参照される。

ここで図１および図２を参照すると、本発明の組成物は、完成した構造物用複合材の剛性を増大させる少なくとも１つの補剛層を有する。補剛層は、補剛層が一方の側にあり、ポリマーが他方の側にあり、それゆえ、補剛層が外部から見えるように、ポリマーを補剛層の上に押し出すことによって、または、ポリマーが補剛層を部分的にまたは完全に包囲するように、この場合、補剛層は外部から見えない場合がある、ポリマーを押し出すことによってのいずれかで、ポリマー押し出しに組み込まれる。

補剛層は、第１のキャリア１０を含む。本明細書において使用される場合、キャリアという用語は、連続製造工程の部分として使用するために圧延することができるように、例えば、スプールまたはコア１４に巻くことができる、柔軟な材料の連続シートである布地またはフィルムを意味する。キャリア１０は、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）もしくはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、または、改質ポリエチレンテレフタレートグリコール（ＰＥＴＧ）のような、選択されるポリマーと化学的もしくは機械的に結合する他の材料から作成することができ、これは、低融点のような、本発明の方法において有用な特性を有する。本発明の組成物中のＨＤＰＥの密度は、０．９３ｇ／ｃｍ^３から０．９７ｇ／ｃｍ^３または９７０ｋｇ／ｍ^３に及ぶことができる。

布地がキャリア１０として使用される場合、布地は、織物または不織であってもよく、本明細書において説明されるように、補剛層の他の構成物質を堆積し、機械的に結合するための表面としての役割を果たすことが可能であり、また、ポリマーおよび結合剤と化学的に結合することもできる。

充填剤１８が、キャリア１０錠に分散される。充填剤１８は、人工および天然の繊維、有機物質、ならびに鉱物を含むことができる。繊維が充填剤１８として使用される場合、それらは、リサイクルされた短炭素繊維または炭素繊維リボン、廃棄繊維ガラス繊維、廃棄石膏由来の無水石膏繊維、木綿、絹および合成品を含む繊維製品廃棄物またはリサイクルされた布製品由来の繊維、廃木材、紙、厚紙または竹由来のセルロース繊維、金属ワイヤまたは他の金属繊維、または上記の任意の組み合わせであってもよい。ゼオライト、ポゾラン、および石炭燃焼から廃棄物であるフライアッシュのような鉱物も、充填剤として使用されてもよく、補剛層の特性を改変する他の物質が、製造工程を促進し、または、単純にかさを増す。ポリマーはポリ塩化ビニルであってもよい。

繊維が充填剤１８として使用される場合、繊維は任意の長さであってもよい。短炭素繊維および繊維ガラス繊維が良好に作用し、特に、それらが他の製造作業由来の廃棄物である場合、ほとんどの用途について長繊維よりもコスト効率的であり得る。同様に、無水石膏ウィスカを、多くの産業工程の廃棄物である石膏から経済的に作成することができ、これは非常に強固であり、特にポリビニルアルコールおよびグルタルアルデヒドによって前処理される場合、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）に化学的に結合する。長繊維と短繊維との混合物も、充填剤１８として使用することができる。一態様において、充填剤１８は、第１のキャリア１０を端から端までほぼ充填し、キャリア１０と同じくらいに長い層を形成する。

充填剤１８の材料の分散は、第１のキャリア１０が圧延されているときに充填剤１８を第１のキャリア１０上に振り落とすまたは拡散させることなどによって、第１のキャリア１０のほとんどにわたる材料の分布を生成する任意の方法によって達成することができる。例えば、一定量の充填剤１８を、ホッパ２２内に配置することができる。充填剤１８がホッパ２２の底部へと降下するにつれて、ローラ２６は、最も下の充填剤を、前方に通される充填剤１８の量を制御するブレード３０を越えて移動させる。その後、充填剤はブラシローラ３４上に落下する。ブラシローラ３４は、第１のキャリア１０が動くときに、充填剤１８を第１のキャリア１０上に払い落とす。

第１のキャリア１０上の充填剤１８のマット３８の確立を支援するために、充填剤１８が分散する前に、接着剤４０を第１のキャリア１０に被着させることができる。充填剤１８が分散される前に、ホッパ４２内の接着剤４０を、ノズル４６を通じてキャリア１０上に噴霧することができる。おそらくは一連のホッパ２２を使用して、マット３８が層状に構築される場合、所望の深さおよび均一性まで充填剤層を形成するために、追加の接着剤噴霧を行うことができる。

マット３８を形成するために使用することができる充填剤１８の量は、その機械的特性、および利用可能な１つまたは複数の充填剤の選択、ならびに、それらの特性および価格を含む、複合材製品の目的に依存する。したがって、第１のキャリア１０上に分散される充填剤１８の量は、少なくとも１センチメートルの厚さを有することができる。

第１のキャリア１０上のマット３８に、結合剤５０を被着させることができる。結合剤５０は、液体、または、加熱されると液体を形成する粉末の形態であってもよい。結合剤５０は、堆積された充填剤１８によって形成されるマット３８の表面上の間隙および空間に落下するように、マット３８上に分散される。結合剤５０は、ホッパ５４からの噴霧、振り落とし、滴下、または吹き付けのような、その分布に適した任意の様式において被着させることができる。結合剤５０は、ＨＤＰＥまたはＰＥＴ（ＰＥＴＧもしくはＰＥＴＥ）のような、第１のキャリア１０と適合性があるように選択される材料であってもよく、霧状、液体、粉末、または粉砕されたリサイクルＰＥＴＧのような粒子の形態であってもよい。

第２のキャリア５８を、第２のコア４８からマット３８の上に被着させることができる。第２のキャリア５８は、ＨＤＰＥまたはＰＥＴ（ＰＥＴＧもしくはＰＥＴＥ）のような、第１のキャリア１０と同じ材料から作成されてもよい。第１のキャリア１０および充填剤１８、ならびに任意選択的に結合剤５０および接着剤４０は組み合わさって、補剛層６２を形成する。

補剛層６２は、加熱されたジャケットローラ６０、６４に通され、ジャケットローラは、熱および圧力を加えて、第１のキャリア１０、結合剤５０、および第２のキャリア５８を軟化および液化し、それによって、それらはマット３８の充填剤１８全体を通じて流れる。ジャケットローラ６０、６４が、加熱とプレスの両方を行うために使用されてもよく、または、最初に赤外線ヒータのような別個の手段によって加熱が行われ、その後、プレスが行われてもよい。２セット以上のジャケットローラ６０、６４が使用されてもよい。ジャケットローラ６０、６４は、キャリア１０を有するマット３８が、ジャケットローラの間の通るときに段階的に圧縮されるように、離間され得る。ジャケットローラ６４は、結合剤５０を、マット３８全体を通じて注入し、それによって、結合剤５０がマット３８内に浸透して第１のキャリア１０および第２のキャリア５８と結合するようにするために、増分的により大きい圧力を加えるために、ジャケットローラ６０よりもともに近くに離間され得る。

任意選択的に、ジャケットローラ６０、６４の連続したセットが、連続的により速い速度で回転することができ、それによって、依然として冷却しながら補剛層６２が伸張し、それによって、特に短繊維である場合に、木材の繊維と同様に伸長方向において充填剤１８の繊維が部分的に整列し、したがって、長繊維によって達成可能であるものと同等のより大きい強度が、層６２に付与される。

結合剤５０は充填剤１８に結合し、第１のキャリア１０および第２のキャリア５８の材料の選択に応じて、第１のキャリア１０および第２のキャリア５８に機械的または化学的に結合することができる。第１のキャリア１０および第２のキャリア５８がＰＥＴ（ＰＥＴＧもしくはＰＥＴＥ）またはＨＤＰＥのフィルムである場合、この同じ材料から作成される結合剤５０が、これと化学的に結合する。キャリア１０が布地である場合、結合剤は布地の糸および繊維の間に浸透するため、結合は、機械的であり得る。

本明細書において、化学結合とは、２つの異なる材料の原子または分子の間に化学結合が形成されることを意味する。機械的結合、または、複合作用は、流体材料が固体材料の周りを流れ、冷却されると、固体材料を冷却された材料のマトリクス内に取り込むことを意味するために使用される。

補剛層６２は、上述したように、バッチ工程または連続押し出し工程において作成されてもよい。

第１のキャリア１０および第２のキャリア５８、ならびに結合剤５０が冷却されると、補剛層６２はクロスヘッドダイ６６へと前方に動き、そこで、１つまたは複数のポリマー層７２、７６がその上に押し出されて構造物用複合材６８が形成される。ポリマー層７２、７６は、発泡剤とともに、または、発泡剤を伴わずに押し出されるポリ塩化ビニルであってもよい。

複数の補剛層６２を形成すること、または、１つの補剛層６２を形成してこれをより狭いストリップに切断することのいずれかによって、２つ以上の補剛層６２が構造物用複合材６８内に含まれてもよい。補剛層６２は、（作成されたままの）薄い平坦な層として使用されてもよく、または、所望に応じて、多次元剛性を提供するために第３の寸法を有するように変形されてもよい。補剛層６２は、同じ補剛層６２が一体として使用される場合に、または、さらには、補剛層６２から切り出されるストリップがより近接して配置されている場合よりも大きい曲げ強度を付与するために、好ましくは、対またはグループ内で離間される２つ以上のストリップまたは部分に切断することができる。

補剛層６２は、補剛層６２とポリマー層７２、７６との間に機械的結合を提供するためにクロスヘッドダイ６６を通じて引かれる前に改質することができる。両方とも、そうでなければ補剛層６２によって画定される平面の外側に補剛層６２の部分を押しやる、補剛層６２内の穴またはパンチ穴を形成することによって、ポリマーは、補剛層６２によって画定される平面内へと、かつ、平面にわたって流れ、それによって、補剛層６２とポリマー層７２、７６との間の相互係止を増大することができる。これらの改質は、補剛層６２が通される追加のローラ、ダイ、パンチプレスまたはカッタによって行うことができる。

構造物用複合材６８が押し出された後、構造物用複合材は、ソー、レーザ、ウォータージェット、または他の切断デバイスによって所望の長さに切断される。

構造物用複合材を作成するための方法が、図２に概略的に示されている。方法は、プラスチックフィルムまたは布地から作成することができる第１のキャリア１０を圧延するステップを含む。充填剤１８が第１のキャリア１０上に分散されて、マット３８が形成される。充填剤１８を含む材料を、第１のキャリア１０上の適所に保持するために、第１のキャリア１０に接着剤４０を被着させることができる。マット３８上に、結合剤５０も分散させることができる。

マット３８が形成されると、マットは、第１のキャリア１０、および、使用される場合は結合剤５０が充填剤１８へと流れるようにそれらを融解させるために、加熱を受ける。液化された第１のキャリア１０および結合剤５０が充填剤１８へと流れるように強制するために、マット３８がプレスされる。これら２つのステップは、マット３８の加熱とプレスの両方を行う、加熱されたジャケットローラ６０、６４の対を使用して同時に行うことができる。その上、ジャケットローラ６４が先行するジャケットローラ６０よりもわずかに速く回転するようにされている場合、加熱されたジャケットローラ６０、６４は、マット３８を伸張させることができる。結合剤５０が固化している間にマット３８を伸張させることは、剛性を改善するために充填剤１８を整列させるのに役立つ。ジャケットヒータローラ６４の増分的な速度は、適度な量の実験によって決定することができる。

その後、完成した補剛層６２を、２つ以上の方向における剛性を提供するプロファイルを有するように、形成することができる。プロファイルという用語は、補剛層が、Ｕ字状、Ｗ字状、またはＬ字状など、第３の次元においても延伸するように、二次元層から屈曲または成形されることを意味する。完成した補剛層６２はまた、複数の異なる方向において全体的な剛性を改善するように位置決めされるストリップまたはセグメントに切断することもできる。ストリップは、ポリマーを添加する前に、複合材構造物用要素の中立軸から離して外方に離間され得る。ポリマーを補剛層６２のストリップの周りに押し出すために、クロスヘッドダイを使用することができる。

ここで図３Ａ〜図３Ｈを参照すると、１つまたは複数の補剛層を複合材製品内に分散させることができるいくつかの代表的な方法が示されている。単純にするために、各構造物用複合材は、単純な矩形断面として示されており、その中で、１つまたは複数の補剛層がポリマー内に示されている。技術解析における慣例により、外部負荷が、下向きの矢印によって示されている。

図３Ａに示す例において、補剛層８０は、概して、相対的に薄い完成した複合材製品８４の上面と底面との間に平行にかつその中ほどに延在する。補剛層８０の剛性を増大させるために、補剛層は、穴８８を開けられ、穴８８を通じて、ポリマー９２が、補剛層８０がポリマー９２のマトリクス内に組み込まれるときに生じる結合効果である複合作用によって、それ自体を補剛層８０に固定するために流れることができる。

図３Ｂに示す例において、単一の補剛層９６が、概して、相対的に物完成した複合材製品１００の上面と底面との間に平行にかつその中ほどに延在する。補剛層９６の剛性を増大させるために、補剛層は、図示されているように１つの側または２つの側から、同じく補剛層９６とポリマー１０８のマトリクスとの間に複合作用をもたらす窪み１０４を有するように、型打ちされ得る。

図３Ｃは、本開示の一態様による、ポリマーマトリクス１２０内での補剛層１１２、１１６の単純で効率の高い強化分散を示す。補剛層１１２、１１６は、水平方向において、互いに平行に、かつ負荷の方向に対して垂直に設置され、複合材製品１２４の断面内でその方向において離間される。その結果は、上部および底部にある厚い水平フランジが、一般的により薄い垂直な鋼製ウェブによって分離されている鋼製Ｉビームのように挙動する。上から荷重されると、Ｉビームの上側フランジ、すなわち補剛層１１２は、ビームの断面に垂直な圧縮下に置かれ、一方で、下側フランジ、すなわち補剛層１１６は張力下に置かれる。補剛層１１２、１１６の幅に沿った各点が同様の張力または圧縮を受けるため、破壊が発生するまでに、幅全体が、ほぼ、複合材製品１２４の組成物の破壊応力まで荷重され得る。

図３Ｄは、別の単純な分散を示しており、ここでは、複数の補剛部材１２８、１３２、１３６が、垂直方向において、荷重の方向に平行に設置されている。ポリマー１３８内の各補剛部材１２８、１３２、１３６の縁部しか、破壊応力近くまで荷重され得ず、一方で中心により近い部分が受ける加重はより少ないため、この構成は幾何学的形状の利点が少ないが、多くの事例において依然として有用であり得る。

図３Ｅの例は、破壊までに様々な方向からの加重に耐えることが可能な箱状の複合材製品１５６を形成する、垂直と水平とが組み合わさった補剛層１４０、１４４、１４８、１５２を示している。

図３Ｆは、複合材製品１６２内の単一の補剛層１５８を示している。補剛層１５８は、垂直ウェブ１７４によって接合されている上部強化面１６６および底部強化面１７０を含む三次元形状に折り畳まれている。いくつかの事例において、製造業者が、切り離すのではなく、単一の補剛層１５８をこのように変形させることが好都合である場合がある。

図３Ｇおよび図３Ｈは、図３Ｆに示す構成よりも大きい水平対称性を有する三次元プロファイルへと単一の補剛層１７８、１７８’を折り畳む代替的な方法を示す。加えて、繊維含有強化は一般的に、十分に支持されない場合に潰れる傾向にある圧縮下よりも、張力下においてより強固であるため、これらのプロファイルは、圧縮を受けるために上部により多くの補剛材料を配置し、一方で、張力を受けるために底部に配置される量はより少ない。機械技術者は、鋼で作製されると、わずかな変更でＵＮＩ−ＳＴＲＵＴ（Ａｔｋｏｒｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌの商標）および同様の鋼製フレームシステムのチャネル構造物を形成するため、特に図３Ｇに示す分散を認め得る。

ここで図４を参照すると、本発明の方法を使用して形成され、元々はより広い補剛層から分離されている可能性がある狭いストリップを各々が含む複数の補剛層１８２、１８４、１８６、１８８、１９０、１９２、および１９４を組み込んでいる、ドア枠のための複合材製品１８０が示されている。補剛層１８２、１８４、１８６、１８８、および１９０、ならびに、補剛層１９２および１９４の離間は、主に水平方向における剛性を提供し、一方、補剛層１９２、１９４、ならびに、補剛層１８２，１９０および１８４、１８６、１８８の離間は、垂直方向における剛性を提供する。補剛層１８２、１８４、１８６、１８８、１８０、１９２、および１９４は、図示されているように平坦である必要はなく、湾曲していてもよく、または、所与の用途に必要とされるせん断および曲げ強度を提供しながら製造するのに好都合であり得るような任意の他の形状に形成されてもよい。

本開示の態様を使用して作成される製品の剛性および曲げ強度を推定するための単純な方法が存在し、そのため、１つまたは複数の補剛層の任意の分散を推定することができ、最適な構成を選択することができる。方法は、ビームの曲げを計算するための技術教本、特にＥ．Ｐ．Ｐｏｐｏｖ，Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｓｅｃｏｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ，(c)１９７６ ｂｙ Ｐｒｅｎｔｉｃｅ−Ｈａｌｌ，Ｉｎｃに見られることが多いものに基づくが、ここでは便宜上、単純化されている。単純化は、安全率をより大きくするために剛性および強度をわずかに過小評価する傾向にある、保守的なものである。

例示を目的として、図４に示す構造物用部材の断面を、図５に再び示す。荷重は上から来ると仮定され、この方向における剛性および曲げ強度が推定される。任意の他の方向からの力への抵抗における剛性および曲げ強度については、断面は単純に、力の方向を再び上に置くように回転され得る。

最初に、断面が、実際のサイズ、または、その何らかの好都合な整数分の１（１／２、１／５など）もしくは整数倍（２、５など）のいずれかにおいて、方眼紙、またはより好ましくは、ＣＡＤのような設計アプリケーションを作動させているコンピュータ画面のいずれかにおいて描画される。これは例えば、図５Ａに示すように写真または図面をトレースし、その後、スケールを調整することによって行うことができる。

その後、包囲しているポリマーが図面から「取り除かれる」（言い換えれば、保守的に、ポリマーが寄与し得る強度または剛性は一切信用されない）。図面上の任意の場所、ただし、最も好都合には、図５Ｂに示すように底部に、ゼロ軸２００が描画される。

各補剛層（ここでは１８２〜１９４）の幅Ｗおよびそのゼロ軸からの距離Ｙが測定され、実際の（スケーリングされていない）インチ単位で表現され、補剛層が水平に向いているかまたは垂直に向いているかを示す「ｈ」または「ｖ」とともに、表形式で、例えば、スプレッドシートに記録される。こうするのは、その二者は解析の後の段階において別様に処理されるためである。スプレッドシートの使用において、「ｈ」は便宜上「０」に置き換えられ、「ｖ」は「１」に置き換えられる。

各層について、ＷおよびＹはともに乗算される。幅は合計もされ、ＷおよびＹの積が合計され、その後、積の合計が幅の合計によって除算されて、ゼロ軸２００の上の中立軸２１６の位置が求められる。
Ｙ’＝Σ（Ｗ＊Ｙ）／ΣＷ
これは、図５Ｃの右側の表に示すとおりである。

この例について、中立軸２１６は、ゼロ軸の０．４８２インチ上に位置する。その後、中立軸２１６を表す線が、図面に加えられる。各補剛層の中立軸からの距離Ｙ−Ｙ’が求められ、２乗され、その後、幅によって乗算される。
（Ｙ−Ｙ’）^２＊Ｗ

この式は、全体的な剛性および曲げ強度に対する、各層の相対寄与分を表す。

図５Ｃの表から明らかであるように、中立軸から最も遠い層は、不相応に寄与し、一方で、中立軸に近い層の寄与分は無視できるほどに小さいものであり得る。本開示のこの特徴は、たとえ短繊維、長繊維と短繊維との混合物、および異なる種類の繊維の混合物を使用するときであっても、より大きい剛性および曲げ強度を達成するように、補剛材料の配置を変更することができるという点において、既知の従来技術にまさる利点を実証している。また、補剛部材は切断することができるため、単一幅の補剛部材が、クロスヘッドダイを通じた単回の押し出しにおいて複数の補剛層を提供することができる。

垂直な補剛層についてのみ、それらの強度は中立軸から様々な距離にわたって分散されるため、１つのさらなるステップが必要である。そのような層の幅が３乗され、その後１２によって除算される。構造物技術者であれば、これは、保守的に、かつ単純にするために、すべての補剛層がここでは単純な平面として扱われるために、その底項が失われている矩形ビームの慣性モーメントの式Ｉ＝ｂｈ^３／１２であると認識するであろう。垂直な補剛層を表すためにスプレッドシート内で「１」を使用することによって、この追加のステップが呼び出され、一方、水平な補剛層については、「０」によってこのステップが省略される。

（Ｙ−Ｙ’）^２＊Ｗ項のすべて、および、垂直な層についてはＷ^３／１２項のみが合計されて、合計慣性モーメントが得られる。
Ｉ_{ｔｏｔａｌ}＝Σ（Ｙ−Ｙ’）^２＊Ｗ＋Σ_ｖｅｒｔＷ^３／１２

この結果は、長さの３乗の単位で与えられる。解析されている例について、結果は、０．５８９立方インチである。慣性モーメントは通常、長さの４乗の次元において表現される。ここでの相違は、補剛層の強度および弾性について、ポンド毎平方インチではなく、ポンド毎インチ幅が使用されていることに起因する。

構造物用部材の剛性の保守的な推定値は、Ｉ_{ｔｏｔａｌ}を、ここでもポンド毎インチ幅で表現される、補剛層材料の弾性率Ｅによって乗算することによって求めることができる。開示されている方法に従って生成されるサンプルについて、Ｅは約５５０，０００ポンド毎平方インチである。このとき、０．０８インチの一般的な厚さは、４４，０００ポンド毎インチ幅をもたらす。したがって、ちょうど解析されている構造物用部材の剛性は４４，０００ｌｂｆ／ｉｎ＊０．５８９ｉｎ^３＝２５，９１６ｉｎ^２ｌｂｆにおいて保守的に推定され、これは、ほとんどの構造計算において通常のＥＩ（Ｉ＝ｉｎ^４単位の慣性モーメント）に置き換わる。

例えば、端部において支持されている、中心で荷重されるビームの最大のたわみ（ビーム自体の重量は無視する）は、通常、以下のように計算される。
ｖ_ｍａｘ＝ＰＬ^３／４８ＥＩ

式中、Ｐはポンド単位の加重であり、Ｌはインチ単位のビームの長さであり、ＥおよびＩは上記で定義したとおりである。Ｐを１ポンドとし、Ｌを９６インチとし、ＥＩを２５，９１６ｉｎ^２ｌｂｆに置き換えることによって、１＊６４^３／２５，９１６＝０．７１１インチに等しいたわみｖ_ｍａｘがもたらされ、これは妥当な値である。

同様に、ビームの曲げ強度、すなわち、ビームが損傷することなく支持することができる最大曲げモーメントは通常、以下のように求められる。
Ｍ_ｍａｘ＝σ_ｍａｘ＊Ｉ_{ｔｏｔａｌ}／ｃ

式中、σ_ｍａｘはポンド毎平方インチ単位の最大許容応力であり、ｃは中立軸２１６から最も離れた負荷保持要素までの距離である。

この単純化された手法において、σ_ｍａｘはポンド毎インチ幅単位の補剛層の引張または圧縮強度である。これは、既知の安全率を提供するために、２０％だけ低減されることが望ましい。図５Ｃに見られるＩ_{［ｓｕｂｔｏｔａｌ］}は、Ｉに置き換わる。開示されている方法に従って炭素繊維強化ＰＥＴについて予測されるσ_ｍａｘは１００，０００ｌｂ／ｉｎ^２であり、これは厚さを０．０８インチとすると、６４００ポンド毎インチ幅になる。図５における例について最も遠い距離Ｙ−Ｙ’は０．４３８インチである。再びＩ_{ｔｏｔａｌ}＝０．４５１ｉｎ^３を使用すると、６４００ｌｂｆ／ｉｎ＊０．５８９ｉｎ^３／０．４３８ｉｎ＝８６０６インチ・ポンドに等しい値Ｍ_ｍａｘの許容可能な曲げモーメントがもたらされる。これは、天然木材について予測されるよりも確実に高い、ドア枠のような小型の強化複合材製品にとっては驚くほど高い値であるが、試験されているサンプルの性能に基づけば現実的である。

このように、すべての既知の従来技術にまさる、開示されている組成物および方法の利点が明らかにされた。すなわち、可能にされる補剛層の柔軟性は、単純な数学を使用して扱いやすく、スプレッドシートを使用して容易に実施されて、実質的に任意の所望の剛性または曲げ強度を、優れて経済的な材料を用いて達成するために、複合材製品または構造物用部材内の配置が評価および最適化される。この利点は、開示される方法がリサイクルされた材料を用いて実行することができるという事実に照らせばいっそう明らかである。

本開示またはその例示的な態様もしくは実施形態（複数可）の要素を紹介するとき、冠詞「１つの（ａ）」、「１つの（ａｎ）」、「その（ｔｈｅ）」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、その要素が１つまたは複数あることを意味するように意図されている。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包括的であるように意図されており、リストされている要素に加えて追加の要素があってもよいことを意味する。本開示が特定の実施形態に関連して説明されているが、これらの実施形態の詳細は、限定として解釈されるべきではない。

１０ キャリア
１８ 充填剤
２２ ホッパ
２６ ローラ
３０ ブレード
３４ ブラシローラ
３８ マット
４０ 接着剤
４２ ホッパ
４６ ノズル
４８ 第２のコア
５０ 結合剤
５８ 第２のキャリア
６０ ジャケットローラ
６２ 補剛層
６４ ジャケットローラ
８０ 補剛層
８４ 複合材製品
８８ 穴
９２ ポリマー
９６ 補剛層
１００ 複合材製品
１０４ 窪み
１０８ ポリマー
１１２ 補剛層
１１６ 補剛層
１２４ 複合材製品
１３８ ポリマー
１５８ 補剛層
１６２ 複合材製品
１７４ 垂直ウェブ
２００ ゼロ軸
２１６ 中立軸

Claims (20)

1. 構造物用複合材を作成するための方法であって、
   キャリアを圧延するステップと、
   マットを形成するために前記キャリア上に充填剤を分散させるステップと、
   前記キャリアを液化するために前記キャリアを加熱するステップと、
   少なくとも１つの補剛層を形成するために、前記キャリアが冷却するときに前記マットおよび前記キャリアをともにプレスするステップと、
   構造物用複合材を形成するために、前記少なくとも１つの補剛層の上にポリマーを押し出すステップと、を含む、方法。
2. クロスヘッドダイを通じて、前記少なくとも１つの補剛層の上に前記ポリマーを押し出すステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記充填剤は、短炭素繊維、短繊維ガラス繊維、無水石膏ウィスカ、およびそれらの混合物からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
4. 前記マットを伸張するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記加熱するステップおよび前記プレスするステップは、少なくとも一対の加熱されたジャケットローラの間で、前記マットを上部に有する前記キャリアを圧延するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記伸張するステップは、第１のセットのローラの間で、次いで、第２のセットのローラの間で前記マットを上部に有する前記キャリアを圧延するステップをさらに含み、前記第２のセットのローラは、前記第１のセットのローラよりも高速である、請求項４に記載の方法。
7. 前記少なくとも１つの補剛層は、第１の補剛層および第２の補剛層を含み、前記方法は、前記ポリマーとともに前記第１の補剛層および前記第２の補剛層を押し出す前に、前記第１の補剛層を前記第２の補剛層から離間させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 前記キャリアと前記ポリマーとは、化学的に適合性がある、請求項１に記載の方法。
9. 前記充填剤を分散させる前に、前記キャリアに接着剤を被着させるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記充填剤の上に第２のキャリアを圧延するステップをさらに含み、前記第１のキャリア、前記充填剤および前記第２のキャリアが前記マットを形成する、請求項１に記載の方法。
11. 前記ポリマーはポリ塩化ビニルである、請求項１に記載の方法。
12. 前記少なくとも１つの補剛層内に穴またはくぼみを形成するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
13. 複合材構造物用要素であって、
    少なくとも１つの補剛層であって、第１のキャリアと、前記第１のキャリア上の充填剤とを有し、前記充填剤および前記第１のキャリアが該少なくとも１つの補剛層を形成するためにともに融着されている、少なくとも１つの補剛層と、
    前記少なくとも１つの補剛層上の少なくとも１つのポリマー層と、を備え、
    前記第１のキャリアおよび前記少なくとも１つのポリマー層は、化学的に適合性のある材料から作成される、複合材構造物用要素。
14. 前記複合材構造物用要素は中立軸を有し、前記少なくとも１つの補剛層は、前記中立軸から外方に配置される、請求項１３に記載の複合材構造物用要素。
15. 前記少なくとも１つの補剛層はプロファイルを有する、請求項１３に記載の複合材構造物用要素。
16. 前記充填剤は、短炭素繊維、短繊維ガラス繊維、および、短炭素繊維と短繊維ガラス繊維との組み合わせからなる群から選択される、請求項１３に記載の複合材構造物用要素。
17. 第２のキャリアをさらに備え、前記充填剤は、前記第１のキャリアと前記第２のキャリアとの間にある、請求項１３に記載の複合材構造物用要素。
18. 前記少なくとも１つのポリマー層はポリ塩化ビニルから作成される、請求項１３に記載の複合材構造物用要素。
19. 前記キャリアはポリエチレンテレフタレートまたは高密度ポリエチレンから作成される、請求項１３に記載の複合材構造物用要素。
20. 前記補剛層は内部に形成されている穴またはパンチ穴を有する、請求項１３に記載の複合材構造物用要素。

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