JP4533373B2 - 高強度、長期耐久性の構造用布帛／シーム系 - Google Patents

Description

発明の分野

本発明は、全般的に処理済みの織布、編布または一方向布、より具体的には高レベルの作業負荷および極限環境条件に耐えうる構造体を得るために用いられる、処理済みの織布、編布または一方向布に関する。

発明の背景

樹脂、たとえばポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ウレタンまたは他の適切な樹脂で被覆した織布または編布が、構造体を得るために用いられている。織布の繊維または繊維束を樹脂で被覆し、これにより繊維を取り囲むマトリックスを形成する。マトリックス材料は一般に、それにより構築体中のシームが布帛内の接合部を越えて負荷を伝達できる媒体である。そのような構造体の一例は、レードーム、すなわちレーダーアンテナを覆うのに用いられるドーム形の保護ハウジングである。レードームは、極限の温度および湿度で長期間にわたって重負荷を支えるなど、一連の苛酷な条件に曝される可能性がある。

従来の布帛構造体では、樹脂ベースの被膜を’ロール式ナイフ塗布機’またはフィルム積層法により布帛基材に付与する。布帛構造体の構造上の利点を利用するためには、付与された負荷をある繊維束から他の繊維束へ伝達できなければならず、布帛の全負荷容量は布帛内の接合部を越えて伝達できなければならない。布帛に付与された樹脂系は、負荷の伝達を補助する。しかし、この負荷伝達能の効率は、繊維と樹脂の界面に正比例する。この界面は、接触表面の量、繊維表面と樹脂の結合、および樹脂の特性のいずれにも依存する。布帛を樹脂で被覆する場合、被膜は繊維束の露出した外面と接触するにすぎず、事実上、繊維／樹脂製品（布帛製品とも呼ぶ）は繊維束内に多数のボイドやエアポケットをもつ。付加された負荷がボイドに遭遇すると、負荷を繊維フィラメントからフィラメントへ伝達または運搬することができない。負荷の伝搬は事実上停止し、応力濃縮が発生する。これは最終的に布帛の耐負荷性を超え、その結果、布帛製品が破損する。この作用は、繊維束が接合部前後で不連続となる布帛シーム位置で最も顕著である。

これらの被覆織布およびシームに伴う欠点は、それらをレードームなどの構造体の作成に用いた場合、それらは一般に長期間の高レベル作業負荷および極限環境条件に耐えないことである。

前記の欠点を解決するための試みのひとつは、既存の布帛製織設計を改変することにより基材布帛の負荷運搬能、負荷伝達能および繊維束の負荷共有能を高めることであった。これらの試みでは、前記の作業負荷および環境条件に耐えうる布帛／シーム系製品は得られなかった。前記の欠点を克服するための他の試みは、新たな布帛／繊維技術の開発を伴うものであった。この試みには革新的な繊維および布帛の設計が用いられたが、この試みは伝統的な布帛被覆技術に依存しており、繊維系と樹脂マトリックス間に要求される特性の組合わせを達成できず、シームが早期破損した。両方の試みの最終的な結果は、構造体のシーム性能領域での操作が許容できないというものであった。

発明の概要
高強度、高モジュラスの構造用布帛製品およびその製品の製造方法を提供する。繊維／布帛処理と樹脂含浸および被覆プロセスの組合わせを採用して、複合材料を製造する。この複合材料は、樹脂マトリックス材料が繊維束のフィラメントレベルにまで浸透するようにマトリックスに埋め込まれてそれと結合した、高強度および高モジュラスの繊維を含む。得られた布帛製品は、極限環境条件下でシームを越えて高レベルの負荷を運搬および分散する構造体の作成に使用できる。

本発明は、以下の詳細な記述を添付の図面と合わせて考慮することによって、より十分に理解されるであろう。
発明の詳細な記述
本発明は、高強度、高モジュラスの構造用布帛製品およびその製品の製造方法に関する。繊維／布帛処理と樹脂含浸および被覆プロセスを利用して、浮揚（空気支持）構造体に使用できる布帛製品が得られ、これは極限環境条件下でシームを越えて高レベルの負荷を運搬および分散でき、高度の耐久性を備えている。繊維／布帛処理と樹脂含浸および被覆プロセスの組合わせを採用して、複合材料を製造する。この複合材料は、樹脂マトリックス材料が繊維束のフィラメントレベルにまで浸透するようにマトリックスに埋め込まれてそれと結合した、高強度および高モジュラスの繊維を含む。この形態で、繊維およびマトリックスの両方ともそれらの物理的および化学的性質を保持し、さらにいずれかの成分単独では達成されない組合わせ特性が得られる。

一般に布帛の繊維は主要な負荷運搬部材である。布帛は周囲の樹脂マトリックスと結合し、これが繊維を目的の位置および配向に保持する。周囲のマトリックスはさらに繊維間の負荷伝達媒体として作用し、シームを越える剪断負荷媒体を提供し、温度、湿度および日光などの環境条件による損傷から繊維を保護する。

本発明は、樹脂が繊維および繊維束を取り囲み、フィラメントのレベルにまで繊維束に浸透するように、布帛基材を効率的に’含浸させる’樹脂付与技術を利用する。その結果、負荷伝達能を得るための樹脂と負荷を運搬する繊維／布帛系の特性を兼ね備えた布帛構造体が得られる。

図１には、本発明を採用した布帛製品１の具体的態様の等尺断面図を示す。布帛製品１には、樹脂含浸布帛層６０が含まれる。樹脂含浸布帛層は、樹脂を含浸したＶｅｃｔｒａｎ（登録商標）、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）または他の高性能繊維などの繊維から作成した布帛を含有する。前記のように、樹脂は布帛の繊維束を取り囲み、そのフィラメントのレベルにまで浸透している。

樹脂含浸層６０は、上面全体に配置された樹脂被覆層５０および下面全体に配置された樹脂被覆層５２をもつ。したがってこれらの樹脂被覆層は樹脂含浸布帛層の上下面をカバーする。第２の樹脂含浸層６２も示される。これも上面全体に配置された樹脂被覆層５４および下面全体に配置された樹脂被覆層５６をもつ。２層の樹脂層−樹脂含浸布帛層−樹脂層のグループを含む布帛製品１を示すが、布帛製品は任意数の樹脂含浸布帛層および樹脂層を含みうることを認識すべきである。

得られた布帛製品１は１以上の樹脂含浸布帛層６０および６２を含むことができる。これらは、布帛の個々のフィラメントにまで樹脂を浸透させうるキャスチング適性二液ウレタンその他の適切な樹脂系を用いて作成される。一例として従来のキャスチング適性二液ウレタン系は、樹脂−対−硬化剤の化学量論量範囲８５〜１１０％理論値を用いる。硬化剤の化学量論量は、化学成分の比率および各成分に対する反応体の比率を表わす。一般的な化学量論量は、９５％の範囲にある。化学量論量範囲８５〜１１０％の樹脂系を用いて製造した布帛製品は、目的性能を達成しなかった。

８５％未満の化学量論量範囲レベルは使用できないポリマーを生成すると考えられ、従来は採用されていない。しかし、７５％の化学量論量範囲レベルを採用することにより、生成した複合材料（含浸用配合物とも呼ぶ）は高いシーム負荷の下での高い剪断強さおよび複合材料全体にわたる均一な強度を共に備えていた。この結果は、樹脂製造業者の従来の経験および推奨と正反対である。

具体的態様において、含浸用配合物は３成分を含有する：ウレタンプレポリマー、共反応体硬化剤、および希釈剤、たとえばトルエン。この態様の含浸用配合物は、下記に従って配合される：

次いでこの混合物をトルエンで全固形分７５％に希釈する。硬化剤対プレポリマー比を次式により求める：

式中の６．３４はプレポリマーのイソシアネート含量であり、０．７５は目的とする化学量論量であり、２３０は硬化剤の当量であり、４２はイソシアネートの当量である。

前記のように、従来の布帛構造体は樹脂ベースの被膜を布帛に付与する。布帛を樹脂で被覆する場合、被膜は繊維束の露出した外側フィラメントと接触するにすぎず、事実上、繊維／樹脂製品は繊維束内に多数のボイドやエアポケットをもつ。付加された負荷がボイドに遭遇すると、負荷を伝達または運搬することができない。負荷の伝搬は事実上停止し、応力濃縮が発生する。これは最終的に繊維／布帛の強度より大きくなる。これらの被覆法は樹脂を布帛の間隙部位内へ誘導せず、布帛の個々の繊維束または繊維フィラメント内へも誘導しない。

含浸用配合物を布帛内へ付与するための本明細書に開示する方法のフローチャートを図２に示す。図中の方形の要素は”加工ブロック”を示し、指示または一群の指示を表わす。

布帛製品を製造する方法を、図２のフローチャートに関連づけて記載する。方法１００は、処理ブロック１１０から開始する。ここでは基材布帛を精練して、製糸業者が付与した潤滑剤または製織業者が付与した潤滑剤を除去する。これらの潤滑剤は、基材布帛界面に達する高統合性樹脂の生成を妨害する可能性がある。精練の後、加工は加工ブロック１２０へ進む。

加工ブロック１２０は、布帛への含浸用配合物の付着を高めるために布帛を高分子イソシアネートで処理することを示す。次いで加工ブロック１３０を実施する。ここでは基材布帛の含浸を行う。布帛の含浸は、含浸用配合物を収容したタンクに布帛を連続的に浸漬することを伴う。

加工ブロック１４０では、布帛がタンクから出た後、一組のニップロールで布帛を絞って含浸用配合物をさらに布帛繊維内へ誘導し、かつ過剰の含浸用配合物を除去する。
次いで、加工ブロック１５０に示すように、布帛を乾燥オーブンに供給する。好ましくは、乾燥オーブンは布帛−樹脂複合材料から希釈剤を除去するために必要な温度に設定される。

次いで加工ブロック１７０を実施する。ここでは、得られた含浸布帛を樹脂系の硬化に必要な温度で後硬化させる。加工ブロック１７０の後、布帛は後続加工できる状態となる。

得られた含浸布帛を布帛製品に組み込み、布帛構造体の製造に使用する。本発明を採用したレードームの場合、レードーム布帛は８８０ポンド／インチ幅に及ぶ作業負荷に３５℃の温度で加湿環境において５６時間耐えることができる。本発明によれば、これらの要求条件に適合する熱溶接シームを使用できる。オーバーラップシーム構築法を用いてこの材料から形成されたシームは、８８０ポンド／インチの負荷に、高湿度、３５℃で５６時間以上耐えることができる。このシーム性能は、他の柔軟複合材料を用いて達成されなかった。

高強度、高モジュラスの構造用布帛製品およびその製品の製造方法を記載した。特定の繊維／布帛処理と樹脂含浸および被覆プロセスの組合わせを採用して、複合材料を製造する。この複合材料は、マトリックスに埋め込まれてそれと結合した、高強度および高モジュラスの繊維を含む。得られた布帛製品は、極限環境条件下で高レベルの負荷を運搬および分散するシーム構造体の作成に使用できる。

本発明の好ましい態様を記載したが、これらの概念を採用した他の態様を使用できることは当業者に明らかになったであった。したがって、本発明は記載された態様に限定すべきではなく、特許請求の範囲の精神および範囲によってのみ限定されることを述べる。本明細書に引用したすべての刊行物の全体を本明細書に援用する。

本発明の布帛製品の図である。 本発明の布帛製品の製造に用いられる方法のフローチャートである。

Claims (6)

1. 布帛製品であって、該布帛製品が、高強度および高モジュラスの複数の繊維を有する布帛層を含み、ここで、該布帛層が含浸用配合物で含浸されており、布帛層の各々の側が含浸用配合物で被覆されており、
   含浸用配合物が、
   プレポリマーであって、４２の当量を有するイソシアネートを含み、６．３４のイソシアネート含量を有するプレポリマー、
   ２３０の硬化剤の当量を有する共反応体硬化剤、並びに
   希釈剤であって、プレポリマーおよび硬化剤の混合物を溶媒和する希釈剤、
   を含む混合物から得られるものであり、
   含浸用配合物が８５％未満の硬化剤の化学量論量範囲を有し、
   高強度および高モジュラスの繊維が少なくとも１つのアラミド繊維または芳香族ポリエステル繊維を含み、
   硬化剤対プレポリマーの比が次式により求められる、
   

   

   （式中の６．３４はプレポリマーのイソシアネート含量であり、０．７５は目的とする混合物の化学量論量であり、２３０は硬化剤の当量であり、４２はイソシアネートの当量である）
   布帛製品。
2. 含浸用配合物が７５％の硬化剤の化学量論量範囲を有する、請求項１に記載の布帛製品。
3. プレポリマーがウレタンプレポリマーを含む、請求項１に記載の布帛製品。
4. 希釈剤が溶剤を含む、請求項１に記載の布帛製品。
5. アラミド繊維がポリアラミドポリパラフェニレンテレフタルアミド繊維を含む、請求項１に記載の布帛製品。
6. 芳香族ポリエステル繊維がポリエステル-ポリアリーレート繊維を含む、請求項１に記載の布帛製品。

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