JP3393551B2 - 三次元織物構造に基づく複合材料と複合構造 - Google Patents

三次元織物構造に基づく複合材料と複合構造

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、実質的にサンドイッチ様構造を有する複合
材料に関するものである。このサンドイッチ構造は、パ
イル糸により相互に結合され、織糸により構成される２
層を含む。
公知の複合材料は、織布層の形状の２層を含み、パイ
ル糸がこの２つの織布層を結合している。しかし、三次
元織布構造に基づく複合材料には、層が実質的に蒸気お
よび／または水分を通さないため、人間や動物の身体に
接触する利用には適さないという欠点がある。更に、織
布層の片方または両方に基材が設けられると、閉鎖され
た層が形成され、これは水分や蒸気を通過しないという
欠点もある。三次元織布に基づく複合材料が蒸気や水分
を透過する場合もあるが、これは強度と剛性が不十分で
ある。これは、平らな強化材でニット層を覆うことによ
り改善できるが、透過性がなくなってしまう。Kunststo
ffe,vol.80,no.9,1990年９月、1003〜1007ページに、サ
ンドイッチ構造に十分な強度を与えるための付加的な被
覆層を備えた複合材料が開示されている。
本発明は、その目的から、上述の欠点を実質的に呈さ
ず、横方向および／または側方方向に蒸気および／また
は水分が透過する特性を備え、人間または動物の身体に
結合あるいは接触させて使用するのに適した複合材料を
提供するものである。このように応用するにあたって重
要なことは、可能な限りの軽量で、剛性、衝撃に対する
抵抗性、通気性を組み合わせることである。
この目的は、織物層の少なくとも１つが基質に埋封さ
れ（embedded）ており、織物層の少なくとも１つが蒸気
／水分を透過するという特徴を有し、相互に一定の距離
に配置され、ループ状のパイル糸によって相互に結合さ
れた少なくとも２つの織物層から成る三次元織物構造か
ら成る複合材料により達成される。
最適な剛性は、多方向に曲がることができる複合材料
の曲率に関係しており、これは、織物層の構造を調節す
ることによって達成される。ニット材料の場合、セル
（cell）の大きさは例えば３〜5mmに変えることがで
き、セルの形状は六角形か菱形が可能である。ニット材
料層に、引き伸ばした横糸、あるいは引き延ばした糸ま
たは横糸を編み込むことによって、剛性を更に増強する
ことができる。
衝撃に対する至適抵抗性は、パイル糸の密度とパイル
糸の曲げに対する抵抗特性を選択することにより達成さ
れる。後者は、パイルヤーン（yarn）の慣性モーメント
を増大させることによって達成できる。これは、例えば
支持ヤーン（支持糸）（ガラス、アラミド、ポリエステ
ル、その他）を、例えばサーモセット（熱硬化性物質）
（液体で含浸後）またはサーモプラスト（熱可塑性物
質）（この場合、パイル糸は編まれ、および／または糸
状に加工されてから、融解される）のようなより厚い基
質層に封入することによって達成できる。
皮膚への適合性は、織物層（編まれた、織られた、ま
たは織られていない材料等）の糸を任意で選択すること
によって、また２つの織物層の間の空間の少なくとも一
部に、オープンまたはクローズド−セル−フォーム（セ
ルが開放性または閉鎖性のフォーム）を任意で充填する
ことによって達成される。この複合材料は、隣接する別
の複合材料に、その上に付着させる等の方法により結合
することができる。一方、複合材料は、本発明に従っ
て、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を用いてそれぞれ
硬化または融解することによって、別の複合材料と統合
することができる。
蒸気／水分を透過する織物層は、どちらかと言うとユ
ニット材料層から構成されている。なぜならば、編まれ
た糸は相互に曲がった形態を取り、二方向に曲がるた
め、編まれた材料層（織物層）とループ状のパイル糸に
テンションを生じないからである。ニット材料層の代わ
りに、織布層を利用することもできる。しかし、三次元
織物構造に使用される公知の織布層は閉鎖されている。
そこで、織布層は、パイルを付着させた鎖糸と横糸の列
の間に正方形または長方形の開口部を作成するように改
変することができる。例えば、横糸を除去したり、ある
いは鎖糸を一緒に織り込むことができる。
糸は含浸により基質材料で少なくともコーティングさ
れる。含浸は、コーティング、液浸、（ホイル）融解等
の種々の方法により実施できる。更に、例えばニット材
料の密度によって異なるが、１つ以上の織物層の含浸時
に開放性または閉鎖性の層を形成することができる。
従って、片方の織物層だけに基質が含浸された本発明
による複合材料は、硬い面と柔らかい面を持っている。
より望ましくは織物層とパイル糸に基質を含浸させる
ことによって、このような複合材料の衝撃に対する抵抗
性を増強することができる。これらの複合材料は、衝撃
に対する抵抗性が高く、水分または蒸気を通し、二重の
曲面を持つ物質の重量と比較して優れた機械的特性を有
する。
意図する応用を得るために（特に、衝撃に対する抵抗
性と水分または蒸気の透過性の見地から）、織物層用基
質とパイル糸用基質に使用する基質材料は、同じでも異
なっていても構わない。
本発明では、圧縮剛性と圧縮強度、剪断強度、および
ある程度のハガレ強度を増大させるために、上気した２
つの織物層同士の間に形成される空間を少なくとも部分
的に充填材で充填することが更に推奨される。この場
合、充填材料はオープン−セル−フォーム（open−cell
foam）が望ましい。
複合材料の圧縮抵抗は、適切な単位面積当たりのパイ
ル糸密度を選択することによって更に改変することがで
きる。単位面積当たりのパイル糸密度は一般に10〜1000
パイル糸/cm2であり、30〜500パイル糸/cm2が望まし
い。
採用される織物構造は、例えば、織る、編む、組む、
層にする、ふさを付ける、織らずに形成する、縫う、接
着剤で付ける、融解および／または付着させる等の手段
により三次元または二次元の形状で作製することができ
る。
織物層とパイル糸に、多種類の材料を利用できる。糸
は、モノフィラメント、マルチフィラメント、あるいは
スパンヤーンから形成できる。適切な糸は単一糸または
混成糸で、この場合融点が異なるため、任意に圧をか
け、特定の熱を加えると、ある糸は融解し、ある糸は強
化成分を形成する。異なる種類の糸の使用は、所謂２成
分系の形態で具体化できる。この場合、融点が異なるフ
ァイバーが組み合わされる。
糸は、例えば織る等の織物工程中に、定められた、あ
るいは定められていない順番で様々な組成の鎖糸および
／または横糸を使用することにより混合することもでき
る。使用される材料は、0/90゜の角度で、あるいは傾斜
角度で配置できる。
織物層は、ふさを付けること（tufted）もでき、その
後融解されたパイル糸の先端全体または一部が結合する
ことにより、パイル糸が密度に結合した統一体を形成す
るように、熱可塑性（または混合）パイル糸をその曲が
り目で融解する。これらの部分的に融解されたパイル糸
の先端は、皮膚に適合する層に迅速に結合させるための
付着部位として利用することもできる。これは、縮れた
繊維の鉤状部分に付着することによって、あるいはこの
皮膚に適合する層の熱可塑性繊維の一部に熱可塑性結合
することによって行われる。
熱可塑性複合パイル糸の一実施例は、ガラス封入す
る、あるいは同時成型されるポリエステル（PET）の容
積比が40％対60％のガラス繊維から構成される糸を含
む。皮膚に適合する材料の一実施例は、60％ビスコース
レーヨンと40％ポリエチレンから成るスパンファイバー
によって得られる。
一般に糸は、ガラス繊維、カーボン繊維、アラミド繊
維、ポリエステル繊維等の合成繊維、綿繊維や亜麻繊維
のような天然繊維、金属繊維やセラミック繊維等も可能
である。
織布層またはパイル糸を基質材料で包み込む場合、お
よび／またはそれらに基質材料を含浸させる場合には、
ガラス繊維、ポリエステル繊維、アラミド繊維またはそ
の組み合わせを使用するのが望ましい。
含浸を行わずに、複合材料を例えば人体に接触させる
場合には、ニット材料層および適切なパイル糸として、
皮膚に適合する繊維（ビスコース繊維、綿繊維およびそ
の他の吸湿性繊維）のような生体に適合する繊維を使用
することが推奨される。
基質として、含浸により織物層の糸と適切なパイル糸
に塗布できるエポキシ樹脂やポリエステルのような熱硬
化性ポリマー、ポリカーボネートのような熱可塑性ポリ
マー、最終的にシリコンゴムの他に天然または合成ゴム
のようなエラストマーを使用できる。
複合材料は、相互に異なる融点を持つ複合ヤーン（ya
rn）を部分的に、あるいは全体に含む糸からも構成でき
る。低温で融解する部分は、複合材料全体の繊維基質と
して使用される。例えば、モノフィラメントPETから成
るパイル（pile）は、PETよりも低温で融解する繊維で
その周囲を囲まれている。
フォームとして、任意で木くず、おが屑、織物繊維お
よびその他の充填材料等の繊維性物質を充填された熱硬
化性または熱可塑性ポリマーまたはエラストマーの他
に、セルが開いた、あるいは閉じたフォームを使用でき
る。
フォームに望ましい材料は、ポリウレタンフォームを
含む。特定の応用には、活性炭素等のフィルター材料も
任意で使用できる。
二方向に曲げることができる本発明による複合材料
は、多くの製造方法に従って製造することができる。従
来の方法は、ディープ−ドロウプレッシング（deep−dr
aw pressing）、真空−形成、非等温プレッシング等で
ある。
本発明による複合材料は、非常に多様な物品に利用で
きる。例えば、人体および動物の身体を保護する物品ま
たは人体を支持する物品で、例として、ヘルメット、脚
部、上腕および肩のプロテクター、座席、ストレッチャ
ー、コルセット、マットレス等が挙げられる。
最後に、本発明は、ルーピング（ループ状のパイル糸
で相互に結合すること）、織る、または縫う等の方法に
より、織物層を相互に隣接させて結合された本発明によ
る１つ以上の複合材料により構成される複合構造に関す
るものである。この場合、本発明による複合構造の二方
向への屈曲が最大限まで保証されるため、ルーピングが
望ましい。
本発明による複合材料および複合構造の既述された特
徴およびその他の特徴は、多くの実施例に基づいて下記
において更に解説される。実施例は、例に過ぎず、本発
明を制限するものではない。
実施例１ 片方のニット材料層に基質を含浸させ、もう片方のニ
ット材料層とパイル糸には基質を殆ど含浸させない三次
元ニット材料（セルサイズ8mm、セルの形状六角形）を
形成する。複合材料の片面は非常に固くなるが、この面
は多孔性を保持している。
基質を含浸させる硬いニット材料層に使用されるの
は、ガラス繊維、ポリエステル繊維またはアラミド繊維
である。もう一方のニット材料層とパイル糸には、生体
に適合し、皮膚に適合する繊維が使用される。
基質としては、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を利
用できる。エポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂の場合、
ニット材料層は所謂ホット−メルトホイルを用いて含浸
させることができ、これによって実質的にニット材料の
糸に含浸させることができるので、間隙は開いたまま残
る。鋳型内で硬化が起こるので、複合材料に目的の湾曲
を付けることができる。
ポリカーボネートまたはポリプロピレンのような熱可
塑性樹脂が利用される場合、やはりホイルにより熱可塑
性樹脂が添加される。この場合、鋳型内で、あるいは加
熱後変形することによって、複合材料に湾曲が付けられ
る。
片面に硬いニット材料層を持つ成型された複合材料
は、座席、コルセット、マットレス、ストレッチャー、
身体の一部のプロテクターに利用できる。
２つのニット材料層の間隙とパイル糸の間隙とが両方
とも開いているため、複合材料から水分等を排出するこ
とができる。
実施例２ 両方のニット材料層に基質材料を含浸させた複合材料
を製造する。その結果、弾力のあるパイル糸の層を間に
挟んだ２つの硬いニット材料層が形成される。実施例１
の複合材料と比較して、より大きな衝撃に対する抵抗性
が得られる。
更に、ニット材料層を辺縁部で相互にプレスし、基質
材料を辺縁に沿って融解することによって、この複合材
料の縁を結合することも可能である。すね当て用に使用
するためのこの成型複合材料は、開放性の織られていな
い層にオープン−セル−フォームが充填された形態の二
次元織物構造と共に凹凸面に提供される。この織物構造
は融解により、隣接する熱可塑性樹脂糸のニット材料に
付着される。
実施例３ パイル糸と共に両方のニット材料層に基質材料を浸み
込ませ、複合材料を製造する。
ニット材料の糸とパイル糸には、アラミド繊維、ポリ
エステル繊維、ガラス繊維、およびその組み合わせを利
用できる。パイル糸にはガラス繊維を使用するのが望ま
しい。
基質材料は、ポリカーボネートのような熱可塑性樹
脂、またはエポキシ樹脂のような熱硬化性樹脂を利用で
きる。
２つのニット材料層とパイル糸の含浸は、液状の基質
材料中に浸して行う。続いて、鋳型の中で複合材料を硬
化する。これによって複合材料を目的の複雑な形状に成
型することができる。このような材料は、衝撃に対する
抵抗性が非常に高く、ヘルメット等に利用できる。この
場合、蒸発水分はヘルメットを通って外部に出られる。
この目的で製造された複合材料を、実施例１で作製され
た複合材料と組み合わせる。この場合、含浸されていな
い柔らかいニット材料層は、皮膚に適合する繊維から製
造される。
生産工程の更に先の過程において、結合が行われる。
熱可塑性樹脂の場合には、２つの複合材料の含浸された
相互に隣接するニット材料層を融解することによって、
あるいは熱硬化性樹脂の場合には一緒に硬化することに
よって結合させる。
実施例４ 前記実施例２において製造された複合材料に、ポリウ
レタンフォームのようなオープン−セル−フォームの形
態の充填材を加えることができる。フォームを利用する
ことによって、複合材料は更に大きな圧縮剛性と圧縮強
度、より大きな剪断強度と更に大きな衝撃に対する抵抗
性を得ることができる。フォームの挿入は、複合材料が
完全に硬化した後、フォーム材料を導入し、フォーム化
することによって行われる。これらの複合材料は、非常
に軽量で非常に衝撃に対する抵抗性が高いヘルメットや
ボディープロテクターに利用できる。
閉鎖されたニット材料層が作製されるようにニット材
料層に基質材料を含浸させた場合には、フォームの代わ
りに、液体や気体等の充填材料を複合材料に組み入れる
ことができる。これによって複合材料は、気体および／
または液体の貯蔵タンクとして利用でき、このようなタ
ンクは複雑な外形を取ることができる。
実施例５ 相互に隣接するニット材料層を接着剤で結合すること
によって、あるいは別の方法で機械的に結合することに
よって、実施例１において作製された複合材料と実施例
３において作製された複合材料を結合して、複合構造が
形成される。このように作製されたものは、極めて過酷
な条件で使用するのに適した非常に優れた圧縮剛性、圧
縮強度、衝撃吸収力を備えている。実施例においては、
ニット材料に基づく織物構造を備えた複合材料が主に使
用されているが、織布、編み物、ふさ構造、織られてい
ない構造等も、別々に、あるいは組み合わせて利用でき
ることは明白である。
実施例６ 実施例３において作製された複合材料を使用する。こ
の場合、パイル糸は編まれており、パイル糸の直径は約
1mmまでである。この十分に含浸された複合材料を、間
にプラスチック製保護プレートを挟み、実施例３におい
て作製された複合材料に結合させる。プラスチック製保
護プレートは穴が開いていても、開いていなくても構わ
ない。複合材料と保護プレートを、アクリレートに基づ
く接触接着剤を用いて相互に結合させる。これによっ
て、ヘルメットの外殻は非常に硬くなり、プレートを介
して、その下にあり水分と蒸気を透過する柔らかい複合
材料への荷重付加の分布が至適となる。
実施例７ 実施例１において作製された複合材料の織物層の１つ
に、ポリカーボネートのような熱可塑性樹脂に基づく硬
いプレートを付ける。複合材料と硬いプレートは、隣接
する織物層の位置において、熱可塑性樹脂を融解するこ
とにより結合される。このようにして、至適保護特性
と、柔らかい複合材料中の空間を通して水分と蒸気が排
出されるため至適皮膚適合特性を有する脚部ガードが作
製される。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴァン・ラームドンク，ヨリス・カミエ ル・マリア ベルギー国、ベー‐9150 バゼル、パル クラーン 95 (56)参考文献 特開 平１−314760（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−30917（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B29B 11/16 B29B 15/08 - 15/14 C08J 5/04 - 5/10 C08J 5/24 B29C 70/00 - 70/88 B32B 1/00 - 35/00 D03D 11/00 ＥＵＲＯＰＡＴ（ＱＵＥＳＴＥＬ) ＷＰＩ／Ｌ（ＱＵＥＳＴＥＬ)

Claims (16)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】織物層の少なくとも１つが熱硬化性樹脂、
    熱可塑性樹脂、エラストマーから選ばれた一の基質に埋
    封されており、織物層の少なくとも１つが蒸気または水
    分を透過するという特徴を有し、相互に一定の距離に配
    置され、ループ状のパイル糸によって相互に結合された
    少なくとも２つの織物層から成る三次元織物構造から成
    る予備成形複合材。
  2. 【請求項２】織物層がニット材料層である請求項１記載
    の予備成形複合材。
  3. 【請求項３】パイル糸に基質が供給されている請求項１
    記載の予備成形複合材。
  4. 【請求項４】蒸気または水分を透過する織物層が開放性
    の織布層または開放性の織られていない層である請求項
    １または請求項３記載の予備成形複合材。
  5. 【請求項５】蒸気または水分を透過する織物層が身体に
    適合する織物層である請求項１〜請求項４のいずれか一
    に記載の予備成形複合材。
  6. 【請求項６】２つの織物層の間に位置する空間の少なく
    とも一部が充填材料で充填されている請求項１〜請求項
    ５のいずれか一に記載の予備成形複合材。
  7. 【請求項７】充填材料が連続気泡体である請求項６記載
    の予備成形複合材。
  8. 【請求項８】単位面積当たりのパイル糸密度が10〜1000
    パイル糸/cm2である請求項１〜請求項７のいずれか一に
    記載の予備成形複合材。
  9. 【請求項９】基質が、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、エ
    ラストマーのような有機材料を含む請求項１〜請求項８
    のいずれか一に記載の予備成形複合材。
  10. 【請求項１０】含浸された織物層がガラス繊維、ポリエ
    ステル繊維、カーボン繊維、アラミド繊維またはその組
    み合わせから形成される請求項１〜請求項９のいずれか
    一に記載の予備成形複合材。
  11. 【請求項１１】蒸気または水分を透過する織物層が、皮
    膚に適合する繊維のような身体に適合する繊維から形成
    される請求項１〜請求項10のいずれか一に記載の予備成
    形複合材。
  12. 【請求項１２】相互に隣接する織物層を介してサンドイ
    ッチ構造を有する別の予備成形複合材に結合される少な
    くとも１つの請求項１〜請求項11記載のいずれか一の予
    備成形複合材から成る複合構造。
  13. 【請求項１３】相互に隣接する織物層を介して結合され
    る請求項１〜請求項11記載のいずれか一の予備成形複合
    材から成る複合構造。
  14. 【請求項１４】相互に隣接する織物層が、ループ形成、
    織る、または縫う等の方法により結合されている請求項
    12または請求項13記載の複合構造。
  15. 【請求項１５】請求項１〜請求項11のいずれか一に記載
    の予備成形複合材の層から成るボディープロテクター。
  16. 【請求項１６】ヘルメットである請求項15記載のボディ
    ープロテクター。
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