JP2021507956A - 熱可塑性複合材料、その調製のための方法、そこから作製した複合構造、及び複合構造の調製のための方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明による熱可塑性複合材料中の炭素繊維の量は、広範囲に亘って変動し得、そこから作製された構造的複合体のための必要性に合わせることができる。適切には、炭素繊維は、熱可塑性複合材料の総重量に対して、少なくとも20重量%(重量パーセント)、好ましくは、少なくとも30重量%、より好ましくは、40〜75重量%の範囲の量で存在する。
熱可塑性ポリマーとは、本明細書において、加熱によって融解し、冷却によって再凝固し得るポリマーであると理解される。これは、加熱によって架橋及び凝固する熱硬化性材料と対照的である。その効果は、熱可塑性ポリマーを融解物中で複数回加工することができることである。本発明において、熱可塑性ポリマーは、レーザー溶接によって、熱可塑性ポリマー及びレーザー吸収添加剤を含む組成物を作製するために、熱可塑性複合材料を作製するために、並びにその複合構造を作製するために、融解加工することができる。
本発明による熱可塑性複合材料は、炭素繊維を含む繊維性材料、及び熱可塑性ポリマーを別にして、レーザー吸収添加剤を含む。本明細書において、レーザー吸収添加剤は、熱可塑性ポリマーに分散されており、熱可塑性ポリマー及びレーザー吸収添加剤の両方は、熱可塑性マトリックスの構成要素を構成する。レーザー吸収添加剤は、有効な様式でレーザー光を吸収し、それによって、レーザー溶接を増進することができる任意の添加剤でよい。本質的に、吸収材として、特定の波長のレーザー光を吸収することができるそれらの物質を使用することができる。実際に、この波長は、レーザーの通例の波長帯である157nm〜10.6μmである。より大きな又はより小さな波長を有するレーザーが利用可能となる場合、本発明による熱可塑性複合材料のために他の吸収材をまた考慮し得る。前記領域において作動するこのようなレーザーの例は、CO2レーザー(10.6μm)、Nd:YAGレーザー(1064、532、355、266nm)、並びに下記の波長のエキシマーレーザー:F2(157nm)、ArF(193nm)、KrCl(222nm)、KrF(248nm)、XeCl(308nm)及びXeF(351nm)である。このような吸収材は、それ自体公知であり、その中で吸収材がレーザー放射を吸収することができる波長帯も同様である。適切なレーザー吸収添加剤の例は、カーボンブラック、アントラキノン、アゾ色素、及び金属化合物、例えば、金属酸化物、金属水酸化物、金属硫化物、金属硫酸塩及び金属リン酸塩である。適切には、金属は、本明細書において、銅、ビスマス、スズ、アルミニウム、亜鉛、銀、チタン、アンチモン、マンガン、鉄、ニッケル及びクロムの1つ若しくは複数である。
− カーボンブラック、又は
− 金属酸化物、金属水酸化物、金属硫化物、金属硫酸塩及び金属リン酸塩からなる群から選択される1種若しくは複数の金属化合物(ここで、金属は、銅、ビスマス、スズ、アルミニウム、亜鉛、銀、チタン、アンチモン、マンガン、鉄、ニッケル及びクロムの1つ若しくは複数である)、
− 又はカーボンブラック及び金属化合物の1つ若しくは複数の両方
を含む。
熱可塑性マトリックスは、熱可塑性ポリマー及びレーザー吸収添加剤を別にして、熱可塑性複合材料のレーザー溶接を防止しないこのような量で1種若しくは複数の他の構成要素を含み得る。熱可塑性マトリックスは任意選択で、下記の成分のいずれか、例えば、熱安定剤、難燃剤、潤滑剤、離型剤、加工助剤、安定剤、衝撃改質剤、成核剤、帯電防止剤、顔料及び染料、並びにサイジング剤若しくはバインダー、又は任意のこれらの組合せを含む。これらの成分は当業者には公知であり、通常、熱可塑性マトリックスの総重量に対して少量、例えば、0.001重量%〜10重量%で存在する。
− 85〜99.98重量%の熱可塑性ポリマー;
− 0.02〜5重量%のレーザー吸収添加剤;及び
− 0〜12重量%の1種若しくは複数の他の構成要素
からなる。
− 90〜99.95重量%の熱可塑性ポリマー;
− 0.05〜3重量%のレーザー吸収添加剤;及び
− 0〜7重量%の1種若しくは複数の他の構成要素
からなる。
・少なくとも500の、長さを直径で割った商(L/D)の重量平均アスペクト比を有する少なくとも20重量%の炭素繊維、及び0〜20重量%の他の繊維を含む、20〜75重量%の繊維性材料;及び
・熱可塑性ポリマー、0.01〜3重量%のレーザー吸収添加剤及び0〜5重量%の1種若しくは複数の他の構成要素を含む、25〜80重量%の熱可塑性マトリックス、
からなり、
ここで、重量パーセント(重量%)は、組成物の総重量に対してである。
本発明はまた、熱可塑性マトリックスと、熱可塑性マトリックスを含浸させた繊維性材料とを含む熱可塑性複合材料の調製のための方法、及び熱可塑性複合材料を用いる複合構造を調製するための方法、及びそこから作製した複合構造に関する。
− 少なくとも炭素繊維を含む繊維性材料を提供するステップと;
− 熱可塑性ポリマーと、熱可塑性ポリマーに分散したレーザー吸収添加剤とを含む熱可塑性組成物の融解物を提供するステップと;
− 繊維性材料に融解物を含浸させ、それによって、含浸された材料を得るステップと;
− 含浸された材料を冷却し、融解物を凝固させるステップと
を含む。
(i)炭素繊維及び任意選択で1種若しくは複数の他の繊維性材料を提供するステップと、(ii)熱可塑性ポリマーと、熱可塑性ポリマーに分散したレーザー吸収添加剤とを含む熱可塑性材料を提供するステップと;(iii)繊維、及び存在する場合、他の繊維性材料又は他の繊維性材料に熱可塑性材料を含浸させるステップとを含む。
(i)炭素繊維を少なくとも含む一方向性連続繊維を提供するステップと;
(ii)熱可塑性ポリマーと、熱可塑性ポリアミドに分散したレーザー吸収添加剤とを含む熱可塑性組成物を提供するステップと;
(iii)繊維に熱可塑性材料を含浸させ、それによって、熱可塑性ポリアミドとレーザー吸収添加剤とを含む熱可塑性マトリックス中に包埋された一方向性連続繊維を含む連続繊維熱可塑性複合材料を形成させるステップと
を含む、連続繊維熱可塑性複合材料又は強化されたテープの調製のための方法に関する。
− 連続的な巻付けが、重複領域において互いに部分的に重複するように、上記のようなテープを巻き付けるステップと;
− テープの重複領域を統合し、それによって、中空体を生じさせるステップと;
− 中空体を冷却し、固体とするステップと
を含む。
sc−PPA−I PA6T/4T(60モル%/40モル%)、80のVN、Tg151℃及びTm338℃、(例 DSM)
sc−PPA−II PA6T/4T(60モル%/40モル%)、100のVN、Tg151℃及びTm338℃、(例 DSM)
am−PPA Novamid X21F07PA6I/6T(70モル%/30モル%)半芳香族アモルファスコポリアミド、Tg127℃、(例 DSM)
CB−MB 20重量%のBlack Pearls880及び80重量%のsc−PPAを含有するsc−PPAをベースとするカーボンブラックマスターバッチ
CF 連続炭素繊維
ポリアミド組成物は、350rpmで作動するBerstorff ZE25/48UTX(同時回転二軸スクリュー押出機)上で、及び360℃の壁温度設定を使用して、ポリマーsc−PPA−I又はsc−PPA−IIと、所望の比のam−PPA、及び任意選択で、マスターバッチCB−MBを融解混合することによって調製した。全てのポリマー材料及び添加剤を、押出機の供給口へと供給した。使用した設定は、概ね370〜380℃のダイヘッドを出る融解物の温度をもたらした。押出機における溶融ポリマーの平均滞留時間は、約120秒であった。組成物を、表1において列挙する。
[粘度数(VN)]
VNは、ISO307、第4版による方法によって、0.005g/mlのポリマー濃度を伴って25℃にて96%硫酸中で測定した。
融解温度(Tm)の測定は、N2雰囲気中で20℃/分の加熱及び冷却速度を使用してMettler Toledo Star System(DSC)で行った。測定のために、約5mgの事前乾燥させた粉末状ポリマーの試料を使用した。事前乾燥は、高真空、すなわち、50ミリバール未満にて、及び105℃にて16時間行った。試料を、20℃/分の加熱速度を伴って0℃から360℃へと加熱し、20℃/分の冷却速度を伴って直ちに0℃に冷却し、それに続いて、20℃/分にて再び360℃へと加熱した。融解温度Tmについて、第2の加熱サイクルにおける融解ピークのピーク値を決定した。融解エンタルピー△Hmについて、第2の加熱サイクルにおける融解ピークの融解エンタルピーを決定した。
ガラス転移温度(Tg)の測定は、Tmについて上で記載したのと同様に、N2雰囲気中で20℃/分の加熱及び冷却速度を使用してMettler Toledo Star System(DSC)で行った。本明細書において、Tgは、第2の加熱サイクルについての親熱曲線の変曲点に対応する、(時間に関して)親熱曲線の第1の誘導体のピークにおける温度として決定した。
テープは、ポリマー組成物(カーボンブラックを伴う(実施例I及びII)、並びにカーボンブラックを伴わない(比較実験A及びB))並びに炭素繊維から生成した。次いで、円筒の周りにテープを巻き付け、巻き付けたテープをレーザーニップ溶接することによってチューブを生成した。テープ構築物の接着及び剪断強度は、巻付け及び溶接ステップの後に測定した。結果を、表1において示す。
Claims (18)
- 熱可塑性マトリックスと、前記熱可塑性マトリックスを含浸させた繊維性材料とを含む熱可塑性複合材料であって、
− 前記繊維性材料は、少なくとも500の、長さを直径で割った商(L/D)の重量平均アスペクト比を有する炭素繊維を含み;
− 前記熱可塑性マトリックスは、熱可塑性ポリマー及びレーザー吸収添加剤を含む、熱可塑性複合材料。 - 前記炭素繊維が、連続炭素繊維である、請求項1に記載の熱可塑性複合材料。
- 一方向性に配向された連続炭素繊維を含む少なくとも1層を含むテープである、請求項1又は2に記載の熱可塑性複合材料。
- 50μm〜1000μmの範囲の厚さを有し、且つ/又は5mm〜50cmの範囲の幅を有するテープである、請求項1から3のいずれか一項に記載の熱可塑性複合材料。
- 前記炭素繊維が、熱可塑性複合材料の総重量に対して少なくとも20重量%の量で存在する、請求項1から4のいずれか一項に記載の熱可塑性複合材料。
- 前記熱可塑性ポリマーが、熱可塑性ポリアミド、好ましくは、半結晶性半芳香族ポリアミドを含む、請求項1から5のいずれか一項に記載の熱可塑性複合材料。
- 前記レーザー吸収添加剤が、カーボンブラックを含む、請求項1から6のいずれか一項に記載の熱可塑性複合材料。
- 前記レーザー吸収添加剤が、前記熱可塑性複合材料の総重量に対して0.01〜2重量%の範囲の量で存在する、請求項1から7のいずれか一項に記載の熱可塑性複合材料。
- (i)炭素繊維を含む繊維性材料を提供するステップと;
(ii)熱可塑性ポリマーとレーザー吸収添加剤とを含む熱可塑性組成物の融解物を提供するステップと;
(iii)前記繊維性材料に前記融解物を含浸させ、それによって、含浸された材料を得るステップと;
(iv)前記含浸された材料を冷却し、前記融解物を凝固させるステップと
を含む、請求項1に記載の熱可塑性複合材料の調製のための方法。 - 複合テープ材料の調製のための方法であって、一方向性連続繊維を提供することと、前記繊維に熱可塑性材料を含浸させることとを含み、ここで、前記一方向性連続繊維は、炭素繊維を含み、前記熱可塑性材料は、半芳香族ポリアミドと、前記半芳香族ポリアミドに分散したレーザー吸収添加剤とを含む、方法。
- 第2の材料の第2のピース上へと請求項1から9のいずれか一項に記載の熱可塑性複合材料の少なくとも第1のピースを統合することを含む、アセンブリーステップを含む、熱可塑性複合材構造を調製するための方法。
- 前記第2の材料が、前記第1のピース中の材料と同一であるか、又は異なる、請求項1から9のいずれか一項に記載の熱可塑性複合材料である、請求項11に記載の方法。
- 前記統合が、少なくとも部分的に加熱又は溶接することによって、好ましくは、レーザー溶接によって、より好ましくは、ニップレーザー溶接によって行われる、請求項11又は12に記載の方法。
- 前記第1のピースが、前記第2のピースの周りに任意選択でラップされているか、又は巻き付けられている、請求項4又は5に記載のテープのピースである、請求項11〜13のいずれかに記載の方法。
- (a)連続的な巻付けが、重複領域において互いに部分的に重複するように、請求項4又は5に記載のテープを巻き付けるステップと;
(b)前記テープの前記重複領域を統合し、それによって、中空体を生じさせるステップと;
(c)前記中空体を冷却し、固体とさせるステップと
を含む、請求項14に記載の方法。 - 第2の材料の第2のピース上へと統合された請求項1から9のいずれか一項に記載の熱可塑性複合材料のピースを含む、複合構造。
- 前記ピースが、レーザー溶接によって統合されている、請求項16に記載の複合構造。
- プラスチック材料でできているコアパーツを含む中空体又はパイプ、又は三次元パーツ、及び前記コアパーツ上に統合された、請求項1から9のいずれか一項に記載の熱可塑性複合材料でできている局部強化エレメントである、請求項16又は17に記載の複合構造。
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