JP2022512926A - 熱可塑的に変形可能な繊維強化平面状半製品の製造方法 - Google Patents

Abstract

（Ａ－Ｂ－Ａ’）又は（Ａ－Ｂ）の複合構造を有する熱可塑的に成形可能な繊維強化平面状半製品の製造方法であって、熱可塑的に成形可能な繊維強化平面状半製品は、面積重量が３００～３０００ｇ／ｍ２、繊維含有量が２０～６０ｗｔ％、空隙含有量が５～８０ｖｏｌ％の多孔質強化繊維熱可塑性材料からなるコア層（Ｂ）と、熱可塑性物質が含浸されると共に、コア層（Ｂ）に一体的に結合された織布または不織布の強化繊維布からなる１つまたは２つのカバー層（Ａ，Ａ′）であって、各カバー層の厚さが０．２～２．５ｍｍ、面積重量が２００～４０００ｇ／ｍ２、空隙含有量が３ｖｏｌ％未満の（Ａ，Ａ′）とを備え、本発明による方法は、面積重量が３００～３０００ｇ／ｍ２、繊維含有量が２０～６０ｗｔ％、空隙含有量が５～８０ｖｏｌ％の多孔質強化繊維熱可塑性材料からなる平面状のコア層前駆体の一方又は両方の面に対して、面積重量が１００～１０００ｇ／ｍ２である少なくとも一つの織布または不織布の強化繊維布と、コア層前駆体の熱可塑性材料よりも低い粘度を有すると共に面積重量が５０～１０００ｇ／ｍ２である熱可塑性物質の層を付与することと、低粘度熱可塑性物質の層の熱可塑性物質が溶融して、付与された織布または不織布の強化繊維布とコア層とに浸透するように、形成された層構造（Ａ－Ｂ）または（Ａ－Ｂ－Ａ’）を加熱およびプレスしてから、冷却後、コア層とカバー層とを一体的に結合することと、を備える。

Description

本発明は、熱可塑的に成形可能な繊維強化平面状半製品の製造方法に関する。また、本発明は、平面状複合材部品の製造方法に関する。

繊維強化熱可塑性物質製の複合材部品は、さまざまな技術分野の成形部品としてますます使用されている。
例えば、特許文献１は、発泡体コアと、発泡体コアの表面上に設けられかつ発泡体コアの両側面に一体的に結合されたカバー層とを含む複合材部品を記載している。複合材部品を製造するため、カバー層と発泡体コアとを加熱してから、カバー層を発泡体コアの表面上に配置したものを、複合材部品の完成形に形成されたプレスまたは型の中に配置する。加熱は金型内でのみ行うこともできる。続いて、発泡体コアと外層とが成形され、一定の成形時間後に冷却されることにより、発泡体コアとカバー層との間に一体的な接続が形成される。可能性があるカバー層について言及されているが、一方では、特にアルミニウム製の金属カバー層がある。別の方法として、繊維強化プラスチック製のカバー層についても記載している。成形工程中に、カバー層がコアの表面上で変位可能であるため、上記の方法は、複雑な形状を有する非平面状複合材部品の製造に特に有利であることが証明されている。

関連する複合材部品およびその製造方法は、特許文献２に記載されている。これは、以下を含む曲げ剛性複合材シートに関連している。
Ａ．１つ又は２つのカバー層であって、ガラス繊維強化ポリプロピレン製で、厚さ０．５～５ｍｍであり、ガラス含有量が２０～６０ｗｔ％であり、気孔の含有量が５ｖｏｌ％未満であるカバー層。

Ｂ．コア層であって、ガラス繊維強化ポリプロピレン製で、厚さ２～４０ｍｍであり、ガラス含有量が３５～８０ｗｔ％であり、気孔の含有量が２０～８０ｖｏｌ％未満であるコア層。

上記の製造方法では、使用されるコア層は、多孔質プレートとして提供され、例えば、特許文献３に記載されているように、ポリプロピレン繊維とガラス繊維の乾式混合、混合不織布のニードリングとホットプレスとによって調製することができる。カバー層として、従来のガラスマット熱可塑性プレート（一般に「ＧＭＴプレート」と称す）が提供される。カバー層およびコア層の強化繊維は、先行する加熱およびプレス工程とそれに続く曲げ剛性プレート要素としての中間貯蔵によって、曲げ剛性複合材シートを製造する前に、すでに熱可塑性物質で含浸されている。実際の複合材シートを製造するため、プレスされる複数の層がプレートとして提供され、プレス内で互いに積み重ねられ、１８０～２２０℃の温度で５～５０分間プレスされる。上記の複合材シートは、特に、建設（建築）業で仕切り壁や型枠パネルとして使用されるが、家具製造の合板の代替品としても使用される。

上記の方法により、曲げ剛性複合材部品を、カバー層とコア層とを既に強固に固定した剛性プレートとして製造するには、合計９つの製造ステップが必要となる。
コア層の提供、（１）不織布の製造、（２）ホットプレス（圧力および温度下）による強化繊維の含浸、（３）冷却プレスによる固化。

カバー層の提供、（１）マットの製造、（２）押し出し、（３）ホットプレスによる含浸、（４）冷却プレスによる固化。
複合材プレートの製造、（１）ホットプレスによるカバー層とコア層との加熱、（２）カバー層とコア層との冷却。

特許文献４は、ガラスマットの復元力により加熱時に膨張すると共に、不均一に分布する気泡を含む繊維強化ＧＭＴプレートについて記載している。この種のＧＭＴパネルの製造では、対応するガラスマットが最初に製造される。続いて、ガラスマットに、ホットプレス内で、押し出されたポリプロピレン溶融物の層が含浸されるか、ポリプロピレン箔が含浸されてから、冷却プレスにより固められる。こうして調整されたＧＭＴプレートは、必要に応じ、膨張を誘発するために、固化後に、再加熱される。補助コアとして使用される膨張したＧＭＴプレートは、カバー層と一緒にプレスされることで、サンドイッチ成形部品が形成される。特許文献４に記載の製造方法は、補助コアの熱プレスに基づくものであり、補助コアは室温にまで冷却され、その結果、未膨張のＧＭＴ箔として提供される外層と一緒に固化される。

特許文献４の方法に従って曲げ剛性複合材部品を製造するには、１２の製造工程を実行する必要がある。
コア層の提供、（１）マットの製造、（２）マット上への溶融層の押出、（３）ホットプレス（圧力および温度下）による強化繊維の含浸、（４）冷却プレスによる固化、（５）加熱により、固化後のコア層を膨張させること、（６）コア層の冷却。

コア層の提供、（１）マットの製造、（２）押し出し、（３）ホットプレスによる含浸、（４）冷却プレスによる固化。
複合材プレートの製造、（１）カバー層の加熱、（２）冷却後のコア層と共にカバー層をプレスすること。その製造は平面状プレートに限定することを意味し、３Ｄ部品の場合には、コアを前の追加手順で成形してから、カバー層と共にプレスする必要がある。

繊維強化平面状複合材部品を製造するための別の方法は、特許文献５に記載されており、コア層およびカバー層の両方について、強化繊維および熱可塑性繊維の固化していない層から始める。そして、これらの層は、複合材部品を形成するように、プレス中に固化される。

特に、曲げ剛性を有し、平面状の、また必要に応じて、三次元形状の複合材部品だけでなく、簡単で安価な製造方法についても、依然として要求されている。特に、特定用途のための特性が大幅に向上した複合材部品の製造方法が望まれている。

国際公開第２０１５／１１７７９９号 国際公開第２００６／１３３５８６号 国際公開第２００６／１０５６８２号 独国特許出願公開第１９５２０４７７号明細書 国際公開第２０１８／１８５０９０号

本発明の目的は、（Ａ－Ｂ－Ａ’）又は（Ａ－Ｂ）の複合構造を有する、熱可塑的に成形可能な繊維強化平面状半製品の製造方法を提供することである。

これらの目的は、請求項１１に記載の製造方法によって達成される。
本発明の有利な実施形態は、以下に記載され、従属請求項に定義されている。
本発明の第一の態様によれば、（Ａ－Ｂ－Ａ’）又は（Ａ－Ｂ）の複合構造を有する、熱可塑的に成形可能な繊維強化平面状半製品の製造方法を開示する。半製品は、
面積重量が３００～３０００ｇ／ｍ^２、繊維含有量が２０～６０ｗｔ％、空隙含有量が５～８０ｖｏｌ％、特に１０～５０ｖｏｌl％の多孔質強化繊維熱可塑性材料からなるコア層（Ｂ）と、
熱可塑性物質が含浸されると共に、コア層（Ｂ）に一体的に結合された織布または不織布の強化繊維布からなる１つまたは２つのカバー層（Ａ，Ａ’）であって、各カバー層の厚さが０．２～２．５ｍｍ、面積重量が２００～４０００ｇ／ｍ^２、空隙含有量が３ｖｏｌ％未満の（Ａ，Ａ’）とを備える。

本発明による方法は、
（ａ）面積重量が３００～３０００ｇ／ｍ^２、繊維含有量が２０～６０ｗｔ％、空隙含有量が５～８０ｖｏｌ％の多孔質強化繊維熱可塑性材料からなる平面状のコア層前駆体の一方又は両方の面に対して、面積重量が１００～１０００ｇ／ｍ^２である少なくとも一つの織布または不織布の強化繊維布と、コア層前駆体の熱可塑性材料よりも低い粘度を有すると共に面積重量が５０～１０００ｇ／ｍ^２である熱可塑性物質の層を付与すること、
（ｂ）低粘度熱可塑性物質の層の熱可塑性物質が溶融して、付与された織布または不織布の強化繊維布とコア層とに浸透するように、形成された層構造（Ａ－Ｂ）または（Ａ－Ｂ－Ａ’）を加熱およびプレスしてから、冷却後、コア層とカバー層とを一体的に結合することと、
任意選択で、更なる加熱およびプレス工程を実施することとを備える。

ステップ（ａ）に関し、面積重量が１００～１０００ｇ／ｍ^２である、例えば４つの織布または不織布補強繊維布をコア層前駆体の一方又は両方の面に付与することで、結果として得られるカバー層の面積重量が増加することに留意すべきである。

ステップ（ｂ）に関し、加熱中に、特に低粘度熱可塑性物質の層だけでなく、コア層前駆体の熱可塑性材料も溶融することに留意すべきである。低粘度熱可塑性物質の層の溶融した熱可塑性物質は、加えられた圧力によって、強制的にコア層の中へと浸透する。この工程は、低粘度熱可塑性物質の層の熱可塑性物質が、コア層前駆体の熱可塑性材料の粘度よりも低い粘度を有するという事実によって支持されている。

本発明の別の態様によれば、平面状複合材部品の製造方法に関する。この製造工程では、熱可塑的に成形可能な繊維強化平面状半製品は、本発明による方法によって製造されてからブランクに切断され、形成されたブランクは、熱可塑性物質の融点を超えて加熱されると共に、金型で平面状複合材部品に形成される。

本明細書中、単独で使用される「熱可塑的（性）」という用語は、すべての層で単独の熱可塑性材料からなる繊維、箔、又は最終的にはマトリックスとして提供される熱可塑性材料であることを、必須としない。特に、異なる種類であるが、混合可能な熱可塑性物質である混合繊維を使用することができる。「混合可能」とは、一体的な結合による形成を可能にする熱可塑性物質を指すと理解すべきである。

「低粘度熱可塑性物質の層」という用語は、コア層前駆体の熱可塑性材料よりもかなり低い粘度を有する熱可塑性材料の層を指している。この事実により、低粘度熱可塑性物質の層の熱可塑性材料は、カバー層の織られた強化布を通ってコア層前駆体の中へと容易に浸透するのに対し、同時に、コア層前駆体の熱可塑性材料の移動は比較的小さい。熱可塑性物質の粘度は、通常は、メルト・フロー・インデックス（ＭＦＩ）によって特徴付けられる。ポリプロピレンの場合、ＤＩＮ５３７５３に準拠したメルト・フロー・インデックス（ＭＦＩ）（２３０℃、２．１６ｋｇ）は、５０～１２００ｇ／１０ｍｉｎの範囲であり、好ましくは、１００～４００ｇ／１０ｍｉｎの範囲である。例えば、メルト・フロー・インデックスが約２５ｇ／１０ｍｉｎのポリプロピレンが低粘度熱可塑性物質の層に使用され、メルト・フロー・インデックスが約２５ｇ／１０ｍｉｎのポリプロピレンがコア層に使用される。

プレス目的で「加熱する」という用語は、熱可塑的な成形に適した温度になっているという意味に理解すべきである。したがって、成形を目的とした熱可塑性領域では、熱可塑性溶融温度よりわずかに高い温度に加熱する必要がある。

使用する熱可塑性材料に応じて、複合材部品のプレスは、ポリプロピレンを使用する場合には、約１８０℃の範囲の対応する温度で実行され、１～１００ｂａｒ（１００００ｋＰａ）の圧力で実行される。

層配置のために、本発明の平面状複合材部品は、「サンドイッチ部品」とも呼ばれる。そのような部品は、平板または曲げ板として形成されるが、様々な厚さや曲げ量を有する部品としても形成される。それらは、抵抗力があり比較的硬い外層と、比較的低密度で容積があり遮音性と断熱性とを有する内層とを特徴としている。したがって、部品は、ある程度剛性を有するにしては、比較的軽量である。

多孔質コア層前駆体として提供される平面状多孔質強化繊維熱可塑性材料は、基本的に知られている。有利な実施形態によれば、コア層前駆体は、布地不織布製造工程で提供される（請求項２）。そのような製造工程は、例えば、特許文献３（ＷＯ２００６／１０５６８２Ａ１）に記載されており、強化繊維と熱可塑性繊維の乾式混合、混合不織布のニードリング及びホットプレスに基づいている。

有利なことに、コア層前駆体の強化繊維は、互いに針状にされている無指向性繊維であり、平均長さ（重量平均）が１０～６０ｍｍである（請求項３）。
低粘度熱可塑性物質の層は、好ましくは、箔または粉末として付与され（請求項４）、それにより、一実施形態では、付与される箔が、特に押し出しによって、液体の状態で供給される。このようにして、隣接するカバー層（ＡまたはＡ’）の所望の含浸が、その後の加熱およびプレス工程で達成される。

一実施形態（請求項５）によれば、加熱およびプレスは連続的に実行される。それにより、最初に形成された層構造（Ａ－Ｂ）または（Ａ－Ｂ－Ａ’）は、ラミネーターへと連続的に（インラインで（一列に並んで））供給される。その中で、熱可塑性物質が溶融されて、コア層とカバー層の強化繊維が圧力下で含浸される。

あるいは、加熱およびプレスは、平面状ブランクをプレス機械に配置し順次処理しながら、不連続的に実行することができる（請求項６）。
用途分野に応じて、このように製造された複合材料は、第２の加熱および固化工程で熱可塑性物質の溶融温度を超えて再び加熱することができ（請求項７）、その結果、コア層が上方に反転する（ロフティング）。次に、ロフトティングされた複合材料をプレスして、所望の肉厚にすることができる。あるいは、第２の加熱および固結工程を使用して、不織布、接着フィルム、または（装飾）箔などのカバー層をサンドイッチ複合材製品上にラミネートすることもできる（請求項８）。

原則として、本発明の方法は、複数の確立された熱可塑性物質が利用可能であり、それらの選択は専門家の知識の範囲内である。有利な実施形態（請求項９）によれば、熱可塑性物質は、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ＰＡ）、およびポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）から選択される。

また、強化繊維の選択のために、複数の確立された繊維材料が利用可能である。有利な実施形態（請求項１０）によれば、強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、玄武岩繊維、および温度安定性合成繊維から選択される。後者の用語は、本発明の加熱およびプレス工程での動作温度を超える融点を有する熱可塑性物質からなる繊維を含む。専門家の知識によれば、本明細書中「温度安定性繊維」という用語は、使用される熱可塑性材料と比較して理解すべきである。比較的低融点のポリプロピレンと一緒に使用する場合、融点が２００℃を超える繊維は温度安定性があると理解すべきである。

熱可塑性物質ならびに繊維材料の選択、熱可塑性物質と繊維材料の組み合わせも、製造される部品の用途に強く影響されることが理解される。
本発明による平面状複合材部品の製造方法を使用して、例えば、実質的に平面状である曲げ剛性サンドイッチ部品を製造することが可能である。本方法の一実施形態（請求項１２）によれば、局所的に異なる厚さを有するサンドイッチ部品、すなわち、様々な種類の３次元構造化平面状複合材部品は、適切なプレス機械によって製造することができる。

本発明の例は、以下を示す図面を参照することにより、より詳細に説明される。

本発明に係る熱可塑的に成形可能な繊維強化平面状半製品の層構造を模式的に示す図。 本発明に係る方法を実施するシステムを示す図。 サンドイッチ複合材の形態の半製品の断面図。 平面状複合材部品の写真。 図４の平面状複合材部品の断面を示す写真。

図１は、熱可塑的に成形可能な繊維強化平面状半製品を示し、複合構造（Ａ－Ｂ－Ａ’）を有している。後者は、多孔質強化繊維熱可塑性材料からなるコア層（Ｂ）と、コア層（Ｂ）に一体的に結合され、熱可塑性物質を含浸させた強化繊維織物からなる２つのカバー層（Ａ、Ａ’）とを含む。ここに示す例では、２つのカバー層は、同一であり、対称的な複合構造（Ａ－Ｂ－Ａが存在する）を備えている。一般に、各カバー層は、通常は、２～４の複数の層であって、好ましくは、互いに積層された同一の織布または不織布の強化繊維布の層からなる。

２つのカバー層Ａは、半製品のコア層上に直接設けられ、各カバー層は、フィルム（Ｆ）からなる低粘度熱可塑性物質の層により覆われている。図示の例では、装飾フィルム（Ｄ）が熱可塑性フィルムの外面に付与されている。

この方法を連続的に実行するためのシステムを図２に示す。処理方向は、主に、右から左に向かう方向である。対応する供給ロールから供給される織布または不織布の強化繊維布６および高粘度熱可塑性フィルム８が、ニードリング装置２から供給されるコア層前駆体４の両面に付与される。このように形成された層構造は、第１のラミネータＬ１に供給され、そこで加熱およびプレスされて、複合製品１０が形成される。

図示の例では、更なる加熱およびプレス工程が第２のラミネータＬ２で実行される。そして、第２のラミネータＬ２内では、カバー層１２が層構造の両面に再付与される。
本発明に従って製造された複合材部品を図３から図５に示す。

Claims (12)

1. （Ａ－Ｂ－Ａ’）又は（Ａ－Ｂ）の複合構造を有する熱可塑的に成形可能な繊維強化平面状半製品の製造方法であって、
   熱可塑的に成形可能な繊維強化平面状半製品は、
   面積重量が３００～３０００ｇ／ｍ^２、繊維含有量が２０～６０ｗｔ％、空隙含有量が５～８０ｖｏｌ％の多孔質強化繊維熱可塑性材料からなるコア層（Ｂ）と、
   熱可塑性物質が含浸されると共に、コア層（Ｂ）に一体的に結合される織布または不織布の強化繊維布からなる１つまたは２つのカバー層（Ａ，Ａ’）であって、各カバー層の厚さが０．２～２．５ｍｍ、面積重量が２００～４０００ｇ／ｍ^２、空隙含有量が３ｖｏｌ％未満の（Ａ，Ａ’）とを備え、
   製造方法は、
   面積重量が３００～３０００ｇ／ｍ^２、繊維含有量が２０～６０ｗｔ％、空隙含有量が２０～８０ｖｏｌ％の多孔質強化繊維熱可塑性材料からなる平面状のコア層前駆体の一方又は両方の面に対して、面積重量が１００～１０００ｇ／ｍ^２である少なくとも一つの織布または不織布の強化繊維布と、コア層前駆体の熱可塑性材料よりも低い粘度を有すると共に面積重量が５０～１０００ｇ／ｍ^２である熱可塑性物質の層を付与することと、
   低粘度熱可塑性物質の層の熱可塑性物質が溶融して、付与された織布または不織布の強化繊維布とコア層とに浸透するように、形成された層構造（Ａ－Ｂ）または（ＡＢ－Ａ’）を加熱およびプレスしてから、冷却後、コア層とカバー層とを一体的に結合することと、
   任意選択で、更なる加熱およびプレス工程を実施することとを備える、製造方法。
2. 請求項１に記載の製造方法において、
   コア層前駆体が布地不織布製造工程で提供される、製造方法。
3. 請求項２に記載の製造方法において、
   コア層前駆体の強化繊維は、互いに針状にされている無指向性繊維であり、平均長さ（重量平均）が１０～６０ｍｍである、製造方法。
4. 請求項１～３のうちいずれか一項に記載の製造方法において、
   低粘度の熱可塑性層は、箔または粉末として付与される、製造方法。
5. 請求項１～４のうちいずれか一項に記載の製造方法において、
   加熱およびプレスは連続的に実行される、製造方法。
6. 請求項１～４のうちいずれか一項に記載の製造方法において、
   加熱およびプレスは不連続的に実行される、製造方法。
7. 請求項１～６のうちいずれか一項に記載の製造方法において、
   更なる加熱およびプレス工程中に、熱可塑性物質が最初にコア層の付随する膨張を伴って溶融され、次いでプレスされて所定の複合材料の厚さに達する、製造方法。
8. 請求項１～６のいずれか一項に記載の製造方法において、
   更なる加熱およびプレスプロセス中に、少なくとも１つの別のカバー層が適用される、製造方法。
9. 請求項１～８のいずれか一項に記載の製造方法において、
   熱可塑性物質がＰＰ、ＰＡおよびＰＥＴから選択される、製造方法。
10. 請求項１～９のいずれか一項に記載の製造方法において、
    強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、玄武岩繊維、および温度安定性合成繊維から選択される、製造方法。
11. 平面状複合材部品の製造方法であって、
    熱可塑的に成形可能な繊維強化平面状半製品が、請求項１～１０のうちいずれか一項に記載の方法によって製造されてからブランクに切断され、形成されたブランクは、熱可塑性物質の融点を超えて加熱されると共に、金型で平面状複合材部品に形成される、製造方法。
12. 請求項１１に記載の製造方法において、
    前記平面状複合材部品が、局所的に異なる厚さで形成される、製造方法。

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