JP4056742B2 - 熱伸張性の発泡性材料を有する筒状の構造補強部材 - Google Patents

Description

【０００１】
［発明の属する技術分野］
本発明は、フレーム、車枠（ｒａｉｌ）、キャビティおよび他の構造部材に局部的に付加的な剛性を与える目的での、筒状の支持体と結合する熱伸張性の発泡性材料、特に熱伸張性の発泡性の構造補強材料、の使用に関する。そのような部材は、建設、自動車、航空、船舶または他の用途において、振動、騒音、および／または疲労の伝播を減少させるため、若しくは機械的強度を増加するための補強を与えるため、または衝突時若しくは衝撃を受けた際のエネルギー処理を与える目的で支持もしくは剛性を増加させるのに有効である。
【０００２】
［従来の技術］
独立した複数の要素を結合するのに発泡性材料を使用できることが長く知られている。音響性能を向上させるため、および構造的剛性を与えるために構造用フォーム、ウレタン類および他の熱伸張性の発泡性材料が使用されている。自動車分野の支持体に使用可能な熱伸張性の構造補強材料の具体例は、Ｔｈｕｍの米国特許ＵＳ５，１９４，１９９号公報、ＢｉｅｎらのＵＳ５，３４４，２０８号公報、ＷｙｃｅｃｈのＵＳ５，５７５，５２６号公報およびＵＳ５，７５５，４８６号公報に示されている。バッフル構成物として主として使用される、支持体上での熱伸張性材料の他の使用例は、Ｏｔｔｏらの米国特許ＵＳ５，５０６，０２５号公報に示されている。杭打ち用のビーム形状の構造物での発泡性材料の使用例は、Ｆｏｘらの米国特許ＵＳ４，０１９，３０１号公報に示されている。
【０００３】
これらの特許公報では、補強、バッフルおよびシーラント用途における伸張性の材料の種々の使用を開示しているが、周辺の構造部材に剛性および補強を与えるために単純化した部材を使用することが必要となる。製造場面において、初期に乾燥しており、かつ非粘着性である伸張性の補強部材を使用することが好ましい。そのような材料は輸送上および取り扱い上利点を有し、特にこの種の補強材料は、製造時および設置時に輸送コンテナや作業員に容易に接着せず、または補強材料が接触する可能性のある他の重要な面にも容易に接着しない。これらの補強材料は、非粘着性であるため、汚れ、ほこりまたは他の汚染物質が容易に付着しない。さらに、これらの補強材料は、構造部材内に配置した支持体に意に反して容易に接着することがなく、補強材料を伸張させる前に配置することを容易にする。
【０００４】
［発明の要約］
本発明の補強部材は、従来の支持体と伸張性の発泡性材料との組み合わせに比べて、製造、取り扱いおよび使用上際立った利点を与える。具体的には、本発明は、初期時に非粘着性である補強材組成物と、補強材料を容易に受け、優れた荷重分布を与える支持体の使用による利益を享受する。
【０００５】
概して、本発明は、筒状の支持体と、構造部材に支持体を接合させ、および連結させるための熱伸張性の発泡性補強材料と、支持体上に補強材料を保持するために機械的な連結を与える留め具とを含む。筒状の支持体は、連続した弓形の壁部を有し、補強材料は、好ましくは初期時に非粘着性で、熱伸張性で、かつ内部の化学反応、より好ましくは外的な熱施与により発泡する。機械的な連結は、支持体と補強材料との相対的な移動を禁止するように作用し、例えば筒状部材に与えられたタブ、またはプッシュピンのような独立した留め具のように、種々な方法で与えてもよい。補強材料中の通路は、留め具を通過させ、支持体に補強材料を固定させることができる。
【０００６】
支持体の連続した弓形の壁面は、重量を増加させることなく良好な荷重分布を促進する。支持体は、好ましくは中空であり、補強材料をその壁面の外側に配置させる。補強材料は、構造部材の内側縁部（角部）で構造部材を受け、構造部材の配置を補助する環状リング、細長いスリーブまたは細長い角柱として、代わりに配置されてもよい。
【０００７】
補強材料は、熱伸張性であり、内部の熱エネルギーまたは外部からの熱施与により活性化される。本明細書において、熱伸張性とは、内的に発生する熱エネルギーおよび外的な熱施施与により、補強材料が発泡し、伸張することを意味する。熱伸張性の材料は、製造工程における焼付け時（例えば、自動車製造工程における塗料および粉末コートの焼付け時）に到達する温度条件下で発泡する合成樹脂ベースの物質である。したがって材料の伸張温度は、少なくとも約３００°Ｆである。
【０００８】
これらおよび他の利点は、以下の図面および記載を参照することにより当業者に容易に理解される。
【０００９】
［好ましい実施形態の説明］
図面を参照すると、補強部材１０は、構造部材１２を補強するために与えられている。図示するように、補強部材１２は、平板１６によって囲まれた細長いチャンネル１４を含み、補強部材１０をその内部に受けるキャビティ１８を与える。補強部材は、該して鋼、アルミニウム若しくは他の金属製であってもよく、またはナイロンのような合成樹脂の代替材料製であってもよい筒状の支持体２０を含む。支持体２０の外側２４には、初期時に乾燥しており、非粘着性である補強材料２２が与えられており、両者は留め具２６によって機械的に接続されている。
【００１０】
より詳細には、図示した支持体２０は、実質的に連続した細長い筒状体２８であり、筒状体２８は、内部の穴３２を定義する連続した弓形の壁部３０を有する。支持体は、用途により異なる材料であってもよく、異なる厚さであってもよい。例えば、ある用途においては、比較的壁厚は薄くても充分であり、支持体が比較的脆弱な物質である場合若しくは構造部材が追加の補強を得ることが必要な場合、支持体は比較的肉厚であることが必要となる。しかし、補強材料２２が実質的な剛性および強度を与えるので、多くの用途において支持体の壁３０は比較的薄くて充分である。鋼またはアルミニウムは、熱伝導性が良好であり、質量当たりの強度が高いため、材料選択において優れている。一方、ナイロンまたは他の合成樹脂も、比較的融点が高いので、多くの用途を満足する。
【００１１】
本発明で使用される補強材料２２は、乾燥しており、初期時に非粘着性であって、伸張時に接着性を発現し、活性化された際に周辺にある補強部材と接着する。活性化は、自動車組立工場で発生するような、加熱によるものであってもよい。熱伸張性の発泡性物質は、充分な構造補強と圧縮強度を与えるため、少なくとも約３００°Ｆの温度下で、少なくとも約４０％、好ましくは少なくとも約１２５％、より好ましくは約１５０〜３００％の伸張率を有する。伸張率は下記式で定義される。
１００×｛［（加熱前の物質２２の比重）−（加熱後の物質２２の比重）］／加熱後の物質２２の比重｝
【００１２】
物質２２として使用される特に好ましい組成物は、ＳｉｋａＲｅｉｎｆｏｒｃｅｒの名称で市販されている（Ｓｉｋａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｍａｄｉｓｏｎ Ｈｅｉｇｈｔｓ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ）。より詳細には、最も好ましい物質２２の１つは、以下の組成を有する。
・スチレン−ブタジエン−スチレン（ＳＢＳ）ブロック共重合体（例：Ｆｉｎｅ Ｃｌｅａｒ ５３０（商標名）） 約２０〜３０質量％
・ポリスチレン（例：Ｆｉｎｅ Ｃｒｙｓｔａｌ ５００（商標名）およびＦｉｎａ Ｃｒｙｓｔａｌ ５３５（商標名）） 約５〜２０質量％
・ビスフェノールＡ型液状エポキシ樹脂（例：Ａｒａｌｄｉｔｅ ６０１０（商標名）およびＥｐｏｎ ７１（商標名）） 約３０〜４５質量％
・顔料（カーボンブラック等） 約０．５〜５質量％
・ブタジエンアクリロニトリルゴム（Ｎｉｐｏｌ １４１１） 約５質量％以下
・水和されたアモルファスシリカ（ＨｉＳｉｌ ２３３） 約１〜１０質量％
・ガラス小球（Ｓｃｏｔｃｈｌｉｔｅ Ｓ６０） 約１０〜２０質量％
・発泡剤（アゾジカルボンアミド等）（例：Ｃｅｌｏｇｅｎ ＡＺ ７６５（商標名）、Ｃｅｌｏｇｅｎ ＡＺ ７５４Ａ（商標名）およびＣｅｌｏｇｅｎ ＡＺ １３０（商標名）） 約０．１〜５質量％
・触媒（Ｎ，Ｎ−ジメチルフェニルウレア（Ｕ４０５）等） 約０．１〜５質量％
・硬化剤（ジシアンジアミド（ＤＤＡ１０）等） 約０．１〜５質量％
・酸化亜鉛のような、発泡温度を低下させる“ｋｉｃｋｅｒ” 約５質量％以下上記質量％は、物質の合計質量に対する質量％である。
【００１３】
物質２２の特に好ましい組成物は、以下の組成を有する。
・ポリスチレン 約１２．９４質量％
・ＳＢＳブロック共重合体 約２３．２２質量％
・カーボンブラック 約０．５７質量％
・ブタジエンアクリロニトリルゴム 約１．９０質量％
・水和されたアモルファスシリカ 約４．２８質量％
・ビスフェノールＡ型液状エポキシ樹脂 約３８．０７質量％
・ガラス小球 約１４．７５質量％
・酸化亜鉛 約０．４６質量％
・ジシアンジアミド 約２．８５質量％
・Ｎ，Ｎ−ジメチルフェニルウレア 約０．３８質量％
・アゾジカルボアミド 約０．５７質量％
圧縮強度を増加させ、発泡性および伸張性を減少させることが望ましい特定の用途において、前記組成は、ポリスチレンを約１２．６３質量％まで減少させ、ＳＢＳブロック共重合体を約２２．５９質量％まで減少させ、ブタジエンアクリロニトリルゴムを約２．８５質量％まで増加してもよい。
【００１４】
物質２２は、ＳＢＳブロック共重合体を、少量（総量の約４０分の１）のビスフェノールＡ型液状樹脂とともに、加熱したミキサ中で、ミキサの温度が２４０〜２６０°Ｆ（ミキサ内の混合物の温度は、少なくとも約１７５°Ｆ）に達し、混合物が実質的に均一になるまで攪拌し、続いてポリスチレンを加えて攪拌を続けることにより製造することができる。ポリスチレンが、ＳＢＳブロック共重合体／エポキシ樹脂混合物を実質的に混合された後、残りのビスフェノールＡ型エポキシ樹脂をゆっくりとミキサに加え、必要に応じてミキサの起動および停止を行って成分を充分に攪拌させて実質的に均一な混合物を得る。所望の量の混合物を加熱したミキサ（約２５０°Ｆに設定）内に入れて攪拌を開始する。攪拌しながらカーボンブラックおよびゴムをミキサに加えて、ミキサ内の均一な混合物を得るために攪拌を一度停止する。シリカまたはガラス小球のいずれかをミキサに加え、攪拌を再開し、混合物が均一になるまで攪拌しつづける。シリカまたはガラス小球をさらに加えながら、この工程を繰り返す。
【００１５】
その後、ミキサの温度を１６０°Ｆ未満の温度に設定し、発泡剤、触媒、ｋｉｃｋｅｒおよび硬化剤を加えて、攪拌を再開し、混合物が均一になるまで攪拌しつづける。得られた混合物は、好ましくはストランドに押し出し加工され（温度１７０〜１８０°Ｆ、スクリュー回転速度約４００ｒｐｍの押し出し機で）、ペレットに切断する。得られたペレットは、支持体に接続する部分の所望の形状に成形するように設計された射出成形機を用いて約１８０〜２００°Ｆの温度で射出成形される。
【００１６】
図１〜３に示すように補強材料２２は、長手方向に間隔を開けて配置された複数の独立した環状の補強要素３４，３６および３８が与えられている。各要素３４，３６および３８は、好ましくは周囲にある構造部材１２と少なくとも２個所でかみ合い、活性化して要素が伸張した際に、キャビティを完全には満たす大きさでないが、要素の周囲にある部材の内面と実質的にかみ合うのに充分な厚さを有する。したがって、補強材料は、少なくとも約４０％、より好ましくは約１２５％、最も好ましくは約１５０〜３００％、の伸張時に、キャビティを完全には充填しない。通常要素の厚さは、約５ｍｍ〜５ｃｍで充分である。外周に配置された複数のスロット４０は、厚さＴの材料要素３４，３６、および３８を通過する。
【００１７】
留め具２６は、支持体２０に形成された弾性または柔軟性を有するタブとして与えられている。タブが合成樹脂材料である場合、金属製の支持体２０に切断部を形成し、支持体２０の成形時にタブを形成してもよい。タブ４２は、材料要素の厚さに近似した伸張部４４と、好ましくはスロット４０の幅よりも大きく、回転方向または長手方向の変位により、材料要素３４，３６および３８を把持し、保持する指部４６を含む。
【００１８】
補強部材１０は、使用時にキャビティ１８内に配置され、所望により、構造部材１２上に形成されたラグまたはベンドによって一時的に保持する。粘着的または機械的な留め具等は、活性化前に補強部材を長手方向に移動させない目的に充分である。構造部材は、その後オーブン内に置かれ、少なくとも３００°Ｆ、より好ましくは約３２５°Ｆの温度で、約１０〜３０分間ベーキングし、材料を発泡させる。その後室温まで冷却し、再度オーブン内で同様の時間ベーキングしてもよい。冷却後、補強材料は、発泡により伸張し、図３に示すように構造部材の内側に結合する。得られた補強された構造部材４８は、補強材２２により結合され、それにより付加的な剛性および強度を付与する筒状の支持体２０を含む。この筒状の支持体は、キャビティ１８を補強材料で完全に充填した場合と違い、部材の重量を増加させない。
【００１９】
図４および図５に、本発明の筒状補強部材１０Ａの第２の実施形態を示す。本実施形態において、支持体２０は、前記したように、伸張性または弾性を有するタブとして与えられた留め具２６を含んで配置されている。しかし、補強材２２は、支持体２０の末端部分５６，５８から各々内側に後退している末端縁部５２，５４を有する細長いスリーブ５０として与えられている。この配置において、付加的な補強材料２２は、加熱により伸張し、結合した後、実質的に支持体の長さにわたって結合し、付加的な強度を与える。図５は、補強部材１０Ａの端部正面図を示す。図３もまた、加熱し、発泡により伸張し、結合した後の補強部材１０Ａを含んだ、補強された構造部材の断面の様子を好ましく示している。
【００２０】
図６、図７および図８に、筒状補強部材１０Ｂの第３実施形態を示す。筒状支持体６２は、タブを省略し、連続する弓形の壁部６６に沿って外周上に長手方向に間隔を開けて配置された複数の穴部６４を含む点以外は、上記と同様に与えられている。補強材料２２は、細長い実質的に角柱形状をした複数の要素６８，７０，７２および７４として与えられており、補強材料２２は、弓形で、かつ筒状支持体の壁部６６の外面７８と実質的に一致する放射状の内縁部７６を有する。要素６８，７０の外部面８０，８２は、側部壁８４，８６およびプレート１６間の構造部材１２の対応する角部に一致するように直角に交差している。同様に、要素７２，７４は、壁部８４，８６および底部９２の壁面内側に密着して該面とかみ合うように直角に配置された外部面８８，９０を有している。要素７２，７４は、さらに構造部材１２の傾斜した壁面９６，９８の内側に密着して該面とかみ合う斜めの面９４を含む。なお、上記は説明を目的とするものであり、要素６８，７０，７２および７４の配置は、種々の形状をした構造部材の内面に一致するように成形してもよい。各要素６８，７０，７２および７４は、好ましくはナイロンプッシュピン１００またはねじ部品である留め具２６によって位置決めされ、伸張および結合前の降伏性ないし衝撃時の衝撃吸収性を付与し、要素６８，７０，７２および７４を所望の配置で保持する作用をする。したがって、各要素は、図６〜８に示すように、穴部６４と一致して、そこを通してピン１００を挿入することができる凹部１０２および開口部１０４が与えられている。
【００２１】
上記したように、構造部材１２内の補強部材１０Ｂのベーキング時、補強された構造部材１０６は、図８に示すように、発泡することで伸張し、支持体を周囲の構造部材と結合させる要素６８，７０，７２および７４が与えられている。
【００２２】
本発明によれば、補強された構造部材は、キャビティ１８を構造用の発泡剤で単純に充填した場合よりも重量が軽く、剛性が増加し、強度に余裕を与え、振動を減衰させる。
【００２３】
本発明の好ましい実施形態を上記したが、そのような開示は説明のためであり、本発明の範囲を解釈する上で限定的な意味で利用すべきではない。例示した実施形態への自明の改変は、本発明の精神から外れることなしに、当業者が容易に実施することができる。例えば、本明細書に開示した支持体は、鋼やアルミニウムのような金属一般で示されているが、補強材２２が溶融し、伸張する温度よりも実質的に高い融点を持ったナイロンまたは他の合成樹脂製であってもよい。さらに、補強材は、組み合わせた際に発熱化学反応して発泡し、硬化後に支持体を構造部材に結合させる２成分の発泡性組成物であってもよい。
【００２４】
本発明者らは、請求項に説明した発明の文字通りの範囲から実質的に外れていない装置を含むように本発明の合理的に正当な範囲を決定し、評価するのに同等物の原則を信頼する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 チャンネル形状をした構造部材内にある本発明の筒状補強部材を示す斜視図であり、補強部材の支持体は、長手方向に間隔を開けて設置された複数の環状リングとしての補強材料を有している。
【図２】 構造部材内に配置された図１の筒状補強部材の縦断面図であり、補強材料が非伸張状態で示されている。
【図３】 図２と類似の縦断面図であり、補強材料は活性化後の伸張した状態で示されている。
【図４】 本発明の筒状補強部材の第２実施態様の斜視図であり、補強材料が支持体の周囲にスリーブとして与えられている。
【図５】 構造部材のキャビティ内に配置された図４の補強部材の端面図である。
【図６】 本発明の第３実施態様を示す斜視図であり、補強材料は、間隔を開けて配置され、筒状の支持体に接続している細長い角柱として示されている。
【図７】 図６の補強部材の縦断面図であり、補強材料は非伸張状態で示されている。
【図８】 図７に類似の縦断面図であり、補強材料は伸張状態で示されている。

Claims (20)

1. キャビティを定義する構造部材と、
   前記キャビティに受けられる筒状の支持体と、
   乾燥しており、初期時に非粘着性である熱伸張性の補強材料と、
   前記熱伸張性の補強材料を前記支持体に機械的に固定する留め具と、を含み、
   前記補強材料の伸張後、前記支持体は、前記構造部材と結合する、補強された構造部材。
2. 前記筒状の支持体は、外部面を含み、前記補強材料は、前記支持体の外部面に対向して配置されている請求項１に記載の補強された構造部材。
3. 前記筒状の支持体は、環状の縁部を含み、前記補強材料は、前記縁部の実質的全体にわたって前記支持体の前記外部面に対向している請求項２に記載の補強された構造部材。
4. 前記筒状の支持体は、ある長さを含み、前記補強材料は、前記筒状の支持体に沿ってスリーブを形成するために、前記長さの実質的全体に沿って前記支持体の外部面に対向している請求項２に記載の補強部材。
5. 前記補強部材は、前記筒状の支持体のある長さの実質的全体に沿った複数の細長いストリップを含む請求項２に記載の補強部材。
6. 前記ストリップは、各々断面形状が弓形をした側部面を含み、前記弓形をした側部面は、前記支持体の外部面に対向して配置されている請求項５に記載の補強部材。
7. 前記筒状の支持体は、少なくとも２つの開口部を含み、前記ストリップの少なくとも１つは、前記ストリップの長手軸に直角をなし、かつ前記支持体の開口部と一致する少なくとも２つの開口部を含み、前記留め具は、前記ストリップの開口部の１つと前記支持体の開口部の１つとをかみ合わせ、前記支持体に前記ストリップを固定する請求項６に記載の補強された構造部材。
8. 前記留め具は、プッシュピンよりなる請求項７に記載の補強された構造部材。
9. 前記筒状の支持体は、環状の縁部を含み、前記補強材料は、前記筒状の支持体の一部を覆う環形状の部材を含む請求項２に記載の補強された構造部材。
10. 前記留め具は、ベンドタブよりなる請求項２に記載の補強された構造部材。
11. 前記ベンドタブは、前記筒状の支持体と一体形成されている請求項１０に記載の補強された構造部材。
12. 前記ベンドタブは、前記補強材料の開口部を通過して前記補強材料を前記支持体に固定する請求項１１に記載の補強された構造部材。
13. 前記留め具は、ベンドタブを含む請求項３に記載の補強された構造部材。
14. 前記留め具は、ベンドタブを含む請求項４に記載の補強された構造部材。
15. 前記構造部材は、自動車の車枠（ｒａｉｌ）である請求項１に記載の補強された構造部材。
16. 前記構造部材は、自動車のフレームである請求項１に記載の補強された構造部材。
17. 前記筒状の支持体は、鋼、アルミニウムおよびナイロンからなる群から選択される材料で形成される請求項１に記載の補強された構造部材。
18. 前記補強材料は、ＳＢＳブロック共重合体、ポリスチレン、ゴム、ビスフェノールＡ型の液状エポキシ樹脂、カーボンブラック、シリカ、ガラス小球、発泡剤、触媒および硬化剤を含む請求項１に記載の補強された構造部材。
19. キャビティを定義する構造部材と、
    前記キャビティに受けられる筒状の支持体と、
    乾燥しており、初期時に非粘着性である熱伸張性の補強材料と、
    前記熱伸張性の補強材料を前記支持体に機械的に固定する留め具と、を含み、
    前記筒状の支持体は、外部面を含み、
    前記筒状の支持体は、ある長さを含み、
    前記筒状の支持体は、少なくとも２つの開口部を含み、
    前記補強材料は、前記筒状の支持体に沿ってスリーブを形成するために、前記ある長さの実質的全体に沿って前記支持体の外部面に対向して配置される複数の細長いストリップを含み、
    前記ストリップは、各々断面形状が弓形をした側部面を含み、前記弓形をした側部面は、前記支持体の前記外部面に対向して配置されており、
    前記ストリップの少なくとも１つは、前記ストリップの長手軸に直角をなし、かつ前記支持体の開口部と一致する少なくとも２つの開口部を含み、
    前記留め具は、前記ストリップの開口部の１つと前記支持体の開口部の１つとをかみ合わせ、前記支持体に前記ストリップを固定し、
    前記補強材料の伸張後、前記支持体は、前記構造部材と結合する、補強された構造部材。
20. キャビティを定義する構造部材と、
    前記キャビティに受けられる筒状の支持体と、
    乾燥しており、初期時に非粘着性である熱伸張性の補強材料と、
    前記熱伸張性の補強材料を前記支持体に機械的に固定する留め具と、を含み、
    前記筒状の支持体は、外部面を含み、
    前記補強材料は、前記支持体の外部面に対向して配置され、
    前記留め具は、前記筒状の支持体と一体形成されたベンドタブよりなり、
    前記ベンドタブは、前記補強材料の開口部を通過して前記補強材料を前記支持体に固定し、
    前記補強材料の伸張後、前記支持体は、前記構造部材と結合する、補強された構造部材。

Images