JP3068186B2 - 繊維補強多孔質シート - Google Patents

繊維補強多孔質シート

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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 本発明は、繊維補強多孔質熱可塑性シート、より詳細
には、繊維補強熱可塑性樹脂製品の製造で用いるための
上記シートに関する。
成形品の製造で熱可塑性シート材料が幅広く用いられ
ている。これらのシートは、しばしば数多くの用途で、
強度および堅さを上昇させるための繊維で補強されてい
る。上記シート材料の１つが米国特許番号4,734,321に
記述されている。この特許には、成形品で用いるため
の、固化されていない粒子状プラスチック材料で接着さ
せた補強用繊維を含んでいる、空気透過性を示すシート
様構造物が記述されている。成形に先立って、この多孔
質シートは、この構造物全体を均一に加熱するための熱
風透過によって予め加熱されていてもよい。成形で有効
な透過性シート材料を製造する方法が米国特許番号4,88
2,114に記述されている。この特許では、個別の繊維と
未固化熱可塑性もしくは熱硬化性粒子とから成る発泡さ
せた水分散液を下地に置き、ドレン抜きした後、この生
じたウエブを乾燥さすることで、多孔質シートが製造さ
れている。この得られるウエブを予め加熱した後、圧縮
成形することで、成形された繊維補強プラスチック製品
が作られている。成形に先立つこの予熱段階中、そのプ
ラスチック粒子を溶融させる結果として該成形段階中に
それが流れるに充分な熱を供給する必要がある。熱風対
流オーブン中で、この複合多孔質シートに伝えられる熱
は、加熱すべき媒体を通る加熱された空気の質量流量に
依存しており、そして質量流量は、加熱時間およびこの
シートを横切る圧力低下に依存している。これらの最後
の２つのパラメータは逆関係にあり、圧力低下が小さい
場合は加熱時間を長くする必要があり、そして加熱時間
を短くするためには、圧力差を大きくすることが必要と
されている。高い圧力差が必要とされている場合、この
加熱用オーブンのデザインは更にずっと複雑になると共
に高価になる。経済的な理由で、この必要とされている
圧力差を10″H2O未満、好適には６″H2O未満に保つこと
が望ましい。従って、このシートに対する適当な熱伝達
を達成するためには、より長い加熱時間が必要である。
しかしながら、上昇させた温度にポリマー類を暴露する
とポリマー劣化が促進されるため、長い加熱時間も同様
に望ましくない。劣化は、温度における時間の関係であ
る。劣化を避けるためには、このポリマーが高温にさら
される時間を最小限にすることが重要である。
発明の要約 成形に先立ってウエブをより有効に予熱することを可
能にする、繊維の交差している位置が熱可塑性樹脂の小
塊（globules）で互いに保持されているランダム分散し
た繊維の空気透過性ウエブを製造する方法を開発した。
この方法では、何らかの適切な方法、例えばエアレイ
（air lay）、ウエットレイ（wet lay）、カーディング
（carding）などを用い、高モジュラスの補強用繊維を
樹脂マトリックス形成ポリマー繊維とブレンドして、ウ
エブを生じさせる。次に、このウエブを、該樹脂マトリ
ックス形成繊維を溶融させるに充分な温度に加熱する。
溶融した後、この樹脂マトリックス形成繊維は、該補強
用繊維を包み込み、その結果としてそれらを交差点で互
いに粘着させる。この得られるウエブは、その後、成形
の目的で非常に有効に直接加熱され得る。
このウエブは、高度の多孔性を示し、その結果とし
て、次の予熱段階中、中程度の圧力差における急速加熱
を可能にする。該樹脂マトリックス形成繊維が最初に溶
融している時作り出されるミクロ構造によって、更に、
加熱容量が増強される、と言うのは、この構造は、成形
に必要とされている次の加熱段階中、多孔性を維持して
いるからである。更に、この樹脂マトリックス形成繊維
と該高モジュラス補強用繊維とは元から均質にブレンド
されているため、これらのポリマー樹脂小塊は該補強用
繊維と均質および親密に混ざり合っている。
多孔質の繊維補強ポリマー複合シートを製造するため
のこの方法は、これに限定されるものではないが、ポリ
エステル類、コポリエステル類、ポリアミド類、ポリメ
チルフェニレン、ポリアリレート類、ポリフッ化ビニリ
デン、ポリエチレンおよびポリプロピレンを含む如何な
るポリマー類を取り扱う時でも有効である。これは、縮
合ポリマー類、例えばポリエステル類、コポリエステル
類およびポリアミド類を含んでいるシートを製造する時
特に有効である、と言うのは、縮合ポリマー類は急速な
加水分解を受け易いからである。従って、縮合ポリマー
類を用いる場合、このポリマーを溶融させるに先立って
水分子を取り除く必要があり、さもなければ、この分子
量が低下し、その結果として粘り強さが低くなる。加水
分解を回避する目的で、通常、２段階の予熱を用いる。
最初に、溶融および鋳込み段階に必要な高温を受けさせ
るに先立つ低温乾燥段階を用いる。繊維補強ポリマー複
合シートを製造するためにこの改良された方法は、非常
に小さいポリマー小塊を生じさせることから、乾燥と溶
融を同時に行うことを可能にする。このポリマーを溶融
させるに先立って、そのポリマーから実質的に水を除去
する。
更に、記述した製品を得る目的でこの方法を用いる
と、このマトリックス樹脂形成繊維が縮合ポリマーであ
る場合、対流加熱工程中に分子量を急速にそして大きく
上昇させることが可能である。分子量を上昇させるため
には、窒素、アルゴン、ヘリウムなどの如き不活性雰囲
気中でこの加熱を行う。高い分子量を有する樹脂は、こ
れを有効な部品に成形する場合、産業で通常に用いられ
ているところの、より通常で中間的な分子量を有する樹
脂に比べて、実質的により高い粘り強さを示す利点を有
している。高い分子量を有する樹脂の製造は、時間のか
かる重合過程が用いられているため極めて高価である。
成形に先立つ加熱工程で、上述した如き重合を用いるこ
とにより、このような重合の出費が大きく回避される。
また、高い分子量を有する樹脂は極めて高い粘性を示
し、このような樹脂の中に補強用繊維を均一に分散させ
るのは非常に困難である。本発明では、この樹脂の中に
補強用繊維を分散させ、そして分子量の成長が始まる以
前にこの樹脂による該繊維の湿潤を達成する。
本発明は、 安定なバルクウエブ生成過程を用いて製造すること
で、コストのかかる固化段階を用いる必要なく更に一層
の処理を行うことが可能な自己接着型シートを得ること
ができ、 次の工程において、中間的圧力低下で、該ポリマー成
分の溶融温度と同等か或はそれ以上の温度まで非常に急
速および有効に加熱することが可能であり、 強制対流加熱工程中に多孔性を保持しており、その結
果として、２ポンド／平方フィート以下の坪量を有する
バット（batt）を製造する目的で層にして置いた時でさ
え、非常に有効な熱伝達と短い加熱時間をもたらし、 成形で必要とされているように室温から溶融温度以上
にまで急速に加熱させる時、個々の乾燥段階を必要とせ
ず、そして 樹脂繊維中および樹脂繊維と補強用繊維との間の隙間
中両方に非接着剤である種々の添加剤および充填材を有
する樹脂マトリックス繊維と長い補強用繊維との密なブ
レンド物である、 多孔質ウエブまたはシート製品を提供する。
本方法で得られるウエブを、中程度の圧力低下で、該
樹脂マトリックス成分の溶融温度以上にまで非常に急速
にそして有効に加熱することが可能である。更に、縮合
ポリマーでは、このポリマーの乾燥と加熱を同時に行う
利点を有しており、従って工程効率を犠牲にすることな
く加水分解を回避する利点を有している。最後に、加工
中に該生成物の分子量を上昇させることができる。
図の簡単な説明 図１は、本発明で製造したウエブの顕微鏡写真であ
る。
図２は、本発明で製造したウエブの端部を見た顕微鏡
写真である。
詳細な説明 この補強用繊維は、ポリアミド類、ガラス、炭素、ポ
リエステル類および高温ナイロン類などの如き如何なる
高モジュラス繊維であってもよい。少なくとも100,000M
パスカルのモジュラスが好適である。これらの補強用繊
維は、一定の長さを有するものか或は種々の長さを有す
る繊維の混合物であってもよい。一般に、１から８セン
チメートルの範囲の長い繊維が好適である、と言うの
は、これらは優れた最終製品を生じさせるからである。
この熱可塑性樹脂マトリックス成形繊維は、この用途
に適切な如何なる熱可塑材であってもよいか、或はいく
つかの組み合わせであってもよい。適切な熱可塑材の例
には、これに限定されるものではないが、ポリエチレ
ン、ポリプロピレン、ポリエステル類、コポリエステル
類、ABS、ナイロン６、ナイロン6/6、ナイロン11、ナイ
ロン12およびJ2を含むポリアミド類、ポリエーテルケト
ン（PEEK）、ポリエーテルケトンケトン（PEKK）、ポリ
メチルフェニレン、ポリアリレート類およびポリフッ化
ビニリデンが含まれる。この熱可塑性繊維のデニールお
よび長さは、単一繊維の体積が特定の範囲、好適には1.
5x10-4から10x10-3mm3（これは、加熱すると、約0.5x10
-4から1x10-3mm3の範囲の溶融小塊の体積を生じる）の
範囲内になるように選択される。この体積範囲を決めた
後、一般に、経済的考慮を基にして、この熱可塑性繊維
の直径を選択する。例えば、最も経済的なポリエステル
ステープルは、フィラメント当たり1.5デニール（DPF）
である。好適な範囲の体積を達成するためには、長さが
1/4インチで1.5DPFのフィラメントが適当である。しか
しながら、特定の用途では他のデニールも好適であり、
その体積範囲を考慮する限り同様に用いられる。一般
に、長さが１−50mmであり、そして0.5DPF以上の直径が
好適である。
ウエットレイ、エアレイ、カーディングなどを含む如
何なる通常の手段を用いても、上記ウエブは生じる。こ
のブレンド物は、20−60重量％の補強用繊維と40−80重
量％の熱可塑性繊維から成る。
この生じるウエブの基本重量は、１平行フィート当た
り0.05−0.2ポンドの範囲である。この生じるウエブ
を、対流加熱オーブンに通す。該ポリマーステープル繊
維の溶融温度以上の空気温度で、該ウエブの平面に対し
て垂直に空気を流すことで、残存している水分を除去
し、そして個々のステープル繊維を溶融させることで、
該補強用繊維を湿らす溶融小塊を生じさせ、その結果と
して、交差部分のブリッジを生じさせると共に、他の補
強用繊維の上に溶融小塊を付着させる。この溶融段階
が、別個の結合材料を用いる必要なく正常なウエブ取り
扱いと巻き取りおよびシート形成操作を行うに充分な実
質的引張り強度を有するウエブを製造するための鍵であ
る。この溶融段階はまた、成形を行うための製造におけ
る次の対流加熱に必要とされている高い多孔質を有する
ウエブを得ることにとって重要である。Frazer多孔度試
験で測定した多孔度は、好適には、60％ポリプロピレン
/40％ガラスから成る単一シートでは１平方フィート当
たり0.1ポンドの基本重量で250cfm以上であるか、或は6
0％PET/40％ガラスから成る単一シートでは１平行フィ
ート当たり0.32ポンドの基本重量で175cfm以上である。
次に、このウエブに外部圧力をかけないで該補強用繊
維が湿潤することによる表面張力および空気−ポリマー
表面張力の影響下、主にポリマーの固化した小塊が自由
に生じるような条件下で、そのマットを、該ポリマーの
溶融温度よりも充分に低い温度まで冷却し、その結果と
して、この得られるウエブが自己支持型でありそして全
ての固化した熱可塑性樹脂の小塊が充分にその構造物に
接着するようにする。
この得られる生成物であるウエブは、特に、これを熱
圧縮成形用材料として用いる場合、次の強制対流加熱に
適合している。熱圧縮成形に適切な仕込みを与えるよう
に多層に積み重ねた場合、これは高い多孔質を有してお
り、その結果として、10インチ未満の水から成る圧力低
下で強制対流加熱を用いることを可能にし、多孔質のま
まであり、そしてこの加熱工程全体を通して崩壊に抵抗
力を示す。全体的基本重量が、PETおよびガラスに関し
ては１平方フィート当たり約0.43ポンドであり、そして
ポリプロピレンおよびガラスに関しては１平方フィート
当たり0.29ポンドである、この材料の重ねた層に関する
成形温度に典型的な加熱時間は、15−30秒間である。
上述したように、用いる樹脂が縮合ポリマーの場合、
個々の樹脂構成要素が小さい小塊サイズを有している
と、乾燥と加熱を同時に行うことを可能にし、従って別
々の乾燥段階を用いる必要なく、加水分解による分子量
損失を回避することができる。更に、望まれるならば、
窒素、ヘリウム、アルゴンなどの如き気体を用いた不活
性雰囲気中で加熱することにより、樹脂ポリマーの分子
量を上昇させることができる。
小塊10の形状は、必ずしも球ではない。むしろ、これ
らは、図１に見られるように実際は、予め溶融した熱可
塑性材料の塊である。この図は、この構造物のＸ−Ｙ面
の図を示している。また、図２に、これらの小塊に対す
るＺ方向が示されている。一般に、これらの小塊はＸお
よびＹ方向で大きくなる傾向を示し、そしてＺ方向で小
さくなる傾向を示すが、必ずしもそうであるとは言えな
い。上述したように、縮合ポリマー類に望まれている同
時乾燥および加熱に適した最小寸法、一般にＺの最小寸
法は、10ミル未満であるべきである。この最小寸法が10
ミルを越える場合、このポリマー内にいくらかの水分が
残存して加水分解をもたらす可能性がある。
実施例１ 0.25″で1.5DPFのPET繊維が60重量％でありそして
１″で直径が13umのガラス繊維が40重量％でありそして
0.50％の濃度で抗酸化剤（Irganox 1010）を含んでいる
ウエットレイド（wet−laid）シートを製造した。この
シートが有するガーレー多孔度を測定し、１平方フィー
ト当たり0.101ポンドの基本重量に関して323cfmであっ
た。シートを積み重ねて最終厚を1.4″にし、そして基
本重量を１平方フィート当たり1.27ポンドにした。この
バットを、5.0インチH2Oの圧力差を用い、310℃の空気
中で予熱した。このバットを成形温度にするには30秒間
の加熱時間が必要であった。次に、このバットを成形し
て、サイズを小さくした標準品質コントロールボックス
（standard quality control box）を生じさせた。最終
的引張り強度は29,290kpsiであり、引張りモジュラスは
1,963,000psiであり、そして破壊伸びは2.01％であっ
た。分子量は、最初の21,698からの最終値の22,144に上
昇した。
実施例２ 0.25″で1.5DPFのPET繊維が60重量％でありそして
１″で直径が13umのガラス繊維が40重量％でありそして
抗酸化剤を含んでいないウエットレイドシートを製造し
た。このシートが有する多孔度を測定し、１平方フィー
ト当たり0.174ポンドの基本重量に関して257.5cfmであ
った。シートを積み重ねて最終厚を1.8″にし、そして
基本重量を１平方フィート当たり1.27ポンドにした。こ
のバットに対する予熱を行わず、従ってこの樹脂は繊維
形態のままであった。このバットを、5.0インチH2Oの圧
力差を用い、300℃の空気中で加熱した。このバットを
成形温度にするには125秒間の加熱時間が必要であっ
た。次に、このバットを成形して、標準品質コントロー
ルボックスを生じさせた。最終的引張り強度は19,650kp
siであり、引張りモジュラスは1,437,000psiであり、そ
して破壊伸びは1.76％であった。分子量は、最初19,724
でありそして成形後27,400であった。この部品はその鋳
型を完全には満たしておらず、このバット全体を加熱す
るには、125秒は実際上不充分であることを示してい
た。
実施例３ 0.39″で5DPFのポリプロピレン繊維が59.4重量％であ
りそして１″で直径が13umのガラス繊維が40重量％であ
りそして抗酸化剤（Hercules）を0.25％濃度で含んでい
るウエットレイドシートを製造した。このシートが有す
る多孔度を測定し、１平方フィート当たり0.093ポンド
の基本重量に関して290cfmであった。このバットを予熱
することで、上述した形態を得る、即ち樹脂が溶滴状態
で存在している。このバットを、5.0インチH2Oの圧力差
を用い、232℃の空気中で加熱した。このバットを成形
温度にするには15秒間の加熱時間が必要であった。次
に、このバットを成形して、サイズを小さくした標準品
質コントロールボックスを生じさせた。最終的引張り強
度は13,760kpsiであり、引張りモジュラスは821,000psi
であり、そして破壊伸びは2.96％であった。
実施例４ 0.25″で1.5DPFのPET繊維が60重量％でありそして
１″で直径が13umのガラス繊維が40重量％でありそして
抗酸化剤を含んでいないウエットレイドシートを製造し
た。このシートを、90fpmの速度でそのシートの面に垂
直にこのシートを通って移動している300℃の窒素の中
で、300秒間加熱した。この分子量は、最初の18,000か
ら最終値の62,000に上昇した。
上記実施例における鋳型圧力は典型的に2,000psiであ
った。PETの場合の鋳型温度は150−160℃の範囲であ
り、そして密封時間は約45秒間であった。材料の重量は
560−600グラムの範囲であった。ポリプロピレンの場合
の鋳型温度は50−60℃の範囲であり、そして密封時間は
約30秒間であった。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭53−73267（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−71754（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−70059（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−318045（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) D04H 1/00 - 1/74

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】熱可塑性樹脂の固化した小塊が繊維をその
    交差位置で包み込んでいることにより繊維の交差位置で
    互いに保持されているランダム分散繊維を有しており、
    そして上記ランダム分散繊維のいく分かが、その交差位
    置以外の長さ方向に沿った位置においてそれに付着して
    いる熱可塑性樹脂の固化した小塊を有している、空気透
    過性ウエブ。
  2. 【請求項２】上記小塊が不規則な形状を有しており、そ
    して断面の幅が約250ミクロメートル未満である、請求
    の範囲１のウエブ。
  3. 【請求項３】上記繊維が、炭素、ガラスおよびアラミド
    繊維から成る群から選択される高モジュラス繊維であ
    る、請求の範囲１のウエブ。
  4. 【請求項４】約13から約30x103psiの範囲の引張り強度
    を有する、請求の範囲１のウエブから成形した複合体。
  5. 【請求項５】長さが１−8cmの個別の高モジュラス繊維
    を20−60重量％と、0.5デニール以上であり長さが１か
    ら50mmの熱可塑性樹脂マトリックス形成繊維40−80重量
    ％とをブレンドし；上記ブレンド物のウエブを生じさ
    せ、上記ウエブは、１平方フィート当たり約0.05から約
    0.2ポンドの基本重量を有しており；上記ウエブを、第
    一加熱段階で加熱することにより、上記熱可塑性樹脂マ
    トリックス形成繊維を溶融させて、熱可塑性ポリマーの
    溶融した小塊を生じさせ、ここで、上記溶融した小塊は
    上記高モジュラス繊維を繊維交差位置で包み込むと共に
    高モジュラス繊維の長さ方向に沿った位置に付着し；次
    いで上記ウエブを冷却し、上記溶融した小塊を固化させ
    て上記高モジュラス繊維を固着させることにより、空気
    透過性構造物を生じさせる；ことを含む、ランダムに分
    散している繊維のウエブの製造方法。
  6. 【請求項６】請求の範囲１のウエブを加熱して上記固化
    した小塊を溶融させ、次いで上記ウエブを形成する、こ
    とから成る成形製品の製造方法。
  7. 【請求項７】請求の範囲１のウエブの多数を１つ１つ積
    み重ねてバットを生じさせた後、上記バットを加熱して
    上記固化した小塊を溶融させ、次いで上記バットを成形
    する、ことから成る成形製品の製造方法。
  8. 【請求項８】上記加熱段階が強制対流加熱である、請求
    の範囲６又は７に記載の方法。
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