JP4814102B2 - 改良構造用サンドイッチ板 - Google Patents

Description

本発明は、一対の外側プレートと、この外側プレートに接合されたプラスチック又はポリマー材料からなるコア（芯材）とを具備してなる構造用サンドイッチ板であって、このコアがこのサンドイッチ板の構造強度に実質的に寄与するような十分な強度で前記外側プレートに接合されてなるものに関する。

構造用サンドイッチ板は特許文献１並びに特許文献２（いずれも参照としてここに組み込まれるものとする）に記載されており、これはスチールなどの外側金属板(複数)を具備してなり、これらが例えば未発泡ポリウレタンからなる中間エラストマーコアに接合されたものとなっている。このような構造用サンドイッチ板システムは補剛スチール板、成形スチール板、強化コンクリート又は複合スチール／コンクリート構造に代って多くの形の構造に使用することができる。しかも、結果的に得られる構造を簡素化し、重量を軽減させながら強度および構造性能(例えば、剛性、防振性)を改善させるものとなる。このような構造用サンドイッチ板を更に改善させたものが特許文献３（参照としてここに組み込まれるものとする）に記載されている。この文献に記載されているように、コア層に気泡形状を組み込み、重量を軽減させ、横断金属シアプレートを加えて剛性を改善することもできる。

この特許文献３の教示によれば、上記の気泡形状は中空であっても、あるいは中実であってもよい。中空の気泡形状は重量を著しく軽くするという点で有利である。この特許文献３に記載されている形状は軽量の発泡材料から作られるものに限定されず、ウール又はスチールボックスのような他の材料からなるものでもよいとされている。

国際特許出願である下記の特許文献４は、中空形状を含む構想を更に発展させたもので、製造および組立てが容易になる形状物を記載している。ここには特に、スナップ嵌め片から作られた中空長尺形状のものが記載されている。

特許文献１および２に記載されている構造用サンドイッチ板の基本形状のものは、構造的耐火防護が施されなくても、すぐれた耐火性を有する。爆発又は爆風事象により損傷を受けたり、プレートから離れて吹き飛ばされたりする虞のある外部構造的耐火防護を備えた補剛スチールプレートとは異なり、構造用サンドイッチ板のエラストマーコアは耐火性を付与するとともに、内部にあるから無傷のままでその機能を維持することができる。

特許文献１および２に記載されている構造用サンドイッチ板は更に、従来のスチールプレートと比較して銃弾の脅威に対する防護性が大きい。例えば、実験により、３−３０−３タイプの構造用サンドイッチ板（３mmの軟鋼−３０mmのポリウレタン−３mmの軟鋼）が、従来の同等重量の補剛スチールプレートよりも、7.62mm径の銃弾に対する防護性が７０％高くなることが実証されている。しかし、米国国家治安協会基準（US National Institute of Justice standard）NIJ 0108.01のような基準に適合させるためには更なる改善が求められている。

弾丸に耐えるようにした防護服の従来の形の多くのものは、セラミックスなどの硬質プレートと、例えばＫｅｖｌａｒ(登録商標)又はＳｐｅｃｔｒａ(登録商標)などの高張力繊維の層との組合せからなるものである。しかし、これらの構成のものは製造費が高くなり、重量も大きく、その通常の使用においてプレートが損傷し易い。

米国特許第５，７７８，８１３号明細書 米国特許第６，０５０，２０８号明細書 国際公開第０１／３２４１４号パンフレット 国際公開第０２／７８９４８号パンフレット

本発明は、爆発および銃弾に対する防護性を改善した構造用サンドイッチ板を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、第１および第２の外側プレートと、これら外側プレートに対し、これらの間のせん断力を伝達させるのに十分な強度で、接合されたプラスチック又はポリマー材料からなるコアと、このコア内に設けられた少なくとも１つの中間層であって、前記外側プレートにほぼ平行に設けられ、前記コアの材料よりも大きい引張り強度を有するものとを具備してなる構造用サンドイッチ板を提供するものである。

このコア内に中間層又は心地(中間膜)を設けることにより、単に追加材料を付加することにより予想されるものと比較して、前記サンドイッチ板の爆風及び/又は銃弾抵抗が実質的に非常に改善される。この中間層の具体的な形は、防護の対象となる脅威の種類に依存して決定される。

爆風防護のためには、前記外側層と同様の寸法の例えばスチール又はアルミニウムからなる付加的金属層が好ましい。これにより、外側層の１つが銃弾の破片により貫通され、若しくは爆発力により完全に剥がされたとしても、前記サンドイッチ構造の実質的強度および耐火性の維持が確保される。中実の金属プレートも銃弾に対する更なる防護を提供するものとなる。

銃弾に対する抵抗および防護の強化のために、より軽量の層、例えば金属(例えばスチール)メッシュ又は高張力繊維(例えばＫｅｖｌａｒ(登録商標)又はＳｐｅｃｔｒａ(登録商標))を使用してもよい。この層は、外側金属層を貫通する銃弾を遮断ないし抑制するとともに、この銃弾の衝撃により発生した外側金属層又はコア層の破片を捕捉するものとなる。セラミックシートも銃弾及び/又は爆風防護を提供するために使用することができる。

前記中間層は波形又は窪み付きのものが好ましい。これは、銃弾がより多くの中間層と係合したり、中間層とより好ましい衝撃角度で係合する機会を増大させる。

中間層を多重にし、銃弾又は爆風抵抗を更に向上させてもよい。波形又は窪み付き中間層を多重にした場合、これら異なる層中の波形又は窪みが異なる配向及び/又は偏りを有することになる。

本発明の構造用サンドイッチ板の外側プレートの材料、寸法および一般的特性は、この構造用サンドイッチ板が使用される具体的用途に適応させて選択することができ、一般に、特許文献１および特許文献２に記述されているようなものでよい。スチール又はステンレススチールは通常、０．５ないし２０mmの厚みのものが使用され、アルミニウムは、軽量な製品が望ましい場合に使用することができる。同様に、プラスチック又はポリマーコアは任意の適当な材料、例えば特許文献１および特許文献２に記載されているように、ポリウレタンなどのエラストマーからなるものでよい。

更に、本発明は構造用サンドイッチ板の製造方法を提供するものであり、この方法は、第１および第２の外側プレートを互いに離間させ、その間に少なくとも１つの中間層をこれら外側金属プレートのそれぞれから離間させた状態で配置させる工程と、未硬化のプラスチック又はポリマー材料を、前記外側プレートと前記中間層の両側との間に形成された空間に注入、充填する工程と、このプラスチック又はポリマー材料を硬化させ、これらの間のせん断力を伝達させるのに十分な強度で前記外側プレートを互いに接合させる工程とを具備してなり、前記中間層がこの硬化させたプラスチック又はポリマー材料よりも大きい引っ張り強度を有することを特徴とする。

この中間層が未硬化のプラスチック又はポリマー材料に対して完全に又は非常に不透過性のものであるときは、コア材料の注入は前記外側プレートの両側から同時に、又は２段階で行うことができる。

この中間層は外側金属プレート間の間隙への挿入の前に、プラスチック又はポリマー材料で塗布又は含浸を行い、更なる剛性を付与し、注入プロセスの間において、この中間層の形状および位置を維持させるようにしてもよい。これは例えば、中間層が高張力繊維からなる場合、及び/又はコア材料への接着性を改善させたい場合である。中間層に塗布又は含浸させる前記プラスチック又はポリマー材料がコア材料と同じでない場合は、プラスチック又はポリマー材料としてコア材料との相容性があるものを使用する。

以下、本発明を、添付図面を参照して具体例について説明する。これら図面において、同一部分に対しては同一の参照符号が付されている。
図１に示す構造用サンドイッチ板は、上方外側プレート１１および下方外側プレート１２（これらをフェースプレートとも呼ぶ）を具備してなり、これらは厚みが例えば０．５ｍｍないし２０ｍｍのスチール又はアルミニウム製のものである。これらプレートは厚みが３ｍｍ以上のものが多くの用途において有利となる。これらフェースプレート１１，１２間にはその外側周縁に沿ってエッジプレートが溶接され、それにより閉塞キャビティが形成されている。これらフェースプレート１１，１２間のキャビティ内にはプラスチック又はポリマー材料、好ましくはポリウレタンエラストマーなどのコンパクトな（緻密な）熱硬化性材料からなるコア１３が配置されている。このコアは厚みが１５ないし２００ｍｍの範囲のものでよく、ここでは５０ｍｍの厚みが適当である。このコア１３は、これらフェースプレート１１，１２に対し十分な強度で接合され、これらプレート間で使用時に予想されるせん断力を伝達するのに十分な機械的特性を有している。このコア１３と、これらフェースプレート１１，１２との間の接着強度は３ＭＰａよりも大きく、好ましくは６ＭＰａよりも大きいことが要求される。コア材料の弾性率は２００ＭＰａよりも大きく、好ましくは２５０ＭＰａよりも大きいことが要求される(特に、使用時に高温に曝されると予想される場合である)。例えば通常の使用および占有荷重が１．４ｋＰａないし７．２ｋＰａの程度である床パネルなどの低荷重での用途においては、この接着強度はより低いもの、例えば、約０．５ＭＰａであってもよい。このコア層の存在により、この構造用サンドイッチ板は、厚みが実質的に大きく、剛性を有意に付加した剛性スチールプレートと同程度の強度および耐荷力を有することになる。このプレートはもちろん、平坦である必要はなく、使用目的に応じて必要な任意の形状のものであってよい。

この材料の対銃弾抵抗を改善するため、高張力繊維からなる中間層１４がコア１３内に配置されている。図示のように、この中間層１４はコア１３の中間に配置されているが、この中間層のいずれの側にも妥当な量のコア材が存在するものであれば、この配置方法は種々変化させることができる。この中間層は高引張り強度、例えばスチールと同等の引張り強度を有すると共に、公知のように対銃弾抵抗を向上させるため高弾性率および高粘弾性などの他の特性を有することが求められる。繊維又はネットの複数層を設けて所望の強度を持たせるようにしてもよい。この中間層はサンドイッチ板全体に延在させてもよいし、あるいは防護が必要な領域にのみ局在させてもよい。この中間層の厚みは均一である必要もなく、同様の付加的材料を最も防護が必要な箇所に付加してもよい。

この中間層の適当な材料としては、ポリパラフェニレン・テレフタルアミド(アラミド)から作られた分子鎖からなる繊維、例えば、E.I.du Pont de Nemours and Company社によりＫｅｖｌａｒ(登録商標)のブランドで市販されているものが好ましい。このものの適当なグレードとしては、Ｋｅｖｌａｒ２９、Ｋｅｖｌａｒ ＫＭ２、Ｋｅｖｌａｒ１２９およびＫｅｖｌａｒ４９が含まれる。その他の適当なものとして、超高分子量ポリエチレンから作られた繊維であり、好ましくはHoneywell Performance Fibres社によりＳｐｅｃｔｒａ(登録商標)のブランドで市販されているものである。更に他の適当な材料としては、パラアラミド繊維であり、好ましくは帝人社によりＴｅｃｈｎｏｒａ(登録商標)およびＴｗａｒｏｎ(登録商標)のブランドで市販されているものが含まれる。

軽量の製品が好ましい場合は、上記特許文献３に記載されている軽量構造のものをコアに用いてもよい。好ましくは、この軽量構造は、本願と共に係属する英国特許出願０３０６１９５．９（２００３年３月１８日出願）に記載されている耐火材から作られる。英国特許出願第０３２６６０８．７号（２００３年１１月１４日出願；発明の名称：「型枠（フォーム）を備えた改良構造用サンドイッチ板」）に記載されている非整合形状（すなわち、実質的に隙間なくぴったりと合致していない）からなる形態のものは特別の利点を有する。その文献に記載されているように、耐銃弾性および破片捕捉性を向上させるべく、この形態のものを硬質材料から作ることもできる。これらの文献はいずれもその全体を参照としてここに組み込まれるものとする。

構造用サンドイッチ板１０を製造するため、エッジプレートを下方フェースプレート１２の周縁に沿って溶接し、ついで中間層１４およびこの中間層１４を所定位置にて保持するスペーサーが、得られた開口キャビティ内に配置される。この段階で、コアの任意のプレキャスト(成形済み)部分を所定位置に配置することができる。同じく、所望のせん断プレート又は他の取付け部品も所定位置に配置することができる。ついで、上方フェースプレート１１をエッジプレートに溶接し、閉塞したキャビティを形成し、これにプラスチック又はポリマー材料を注入しコア１３を形成する。ついで、注入された材料を硬化させ、この注入工程で使用された注入ポートをつぶし、通気孔と共に封止する。これらの工程は現場又は工場内条件でのオフサイトで行うことができる。完成したパネルは設置現場に輸送される。

中間層を形成する繊維の取り扱いを改善するために、これを塗布したり、プラスチック又はポリマー材料で含浸させ、キャビティ内への挿入の前に、より硬直にしてもよい。この含浸又は塗布材料はコア材料を形成するのに使用したものと同じでもよいが、同じでない場合は、コアと相容性を有するもの、すなわち、コア材料に良好に接着するものを使用する。このコアと、繊維質中間層１４との間の接着強度は、コアと、フェースプレート１１、１２との間のものよりも小さいものであってもならない。場合によっては、この繊維は化学的に処理し、コア１３に対し十分な接着を確保する必要がある。

繊維が高密の場合、特に数層を設ける場合で、未硬化のコア材料を容易に浸透させることができない場合は、コア材料の注入を前記プレートの両側から同時に、又は逐次的に行うことができる。

本発明の第２の実施例が図２に示されている。この本発明の第２の実施例による構造用サンドイッチ板２０は、以下に説明するように中間層の性質が異なる以外は第１の実施例と同様である。

この第２の実施例において、中間層１５は、スチール、ステンレススチール又はアルミニウムなどの金属プレートからなり、複数層の構造用サンドイッチ板を形成している。この金属プレートは一般に外側プレートと同じ材料から形成されるが、必ずしも同じでなくともよい。この中間層１５の厚みは、所望の銃弾又は爆風防護の程度、更に必要な残留構造強度を考慮して決定される。多くの場合、中間層として作用する金属プレートは外側プレートの１つのものと同じ厚みのものでよいが、その厚みから±５０％異なるものでもよい。

この第２の実施例のものは、第１の実施例の同様の方法で製造されるが、金属プレートの含浸又は塗布は一般に必要としない。その代わりに、この金属プレートはフェースプレートと同じようにして清浄処理及び/又は前処理され、コア１３に対し同等の接着強度が得られるようにする。この金属プレート１５は支持部材に対し単に仮付け溶接ないし接着し、コア材の注入の間に所定位置に保持させるようにする。

図３は、本発明の第３の実施例を示すもので、第２の実施例と異なる点は、中間層１６がこの場合、孔あきのものとなっていることである。これらの孔は重量を軽減させ、機械的インターロックによりコアへの接合を向上させ、未硬化コア材料がキャビティ内全体に自由に流れることを可能にする。この有孔プレートの適当なものとしては、３ないし２０mmの範囲のサイズの孔の規則的パターンを有し、プレートの全平面領域に対する孔の全面積の割合で表される密度が０．２５ないし０．５の範囲のものである。このようなプレートは広く入手可能である。なお、耐銃弾並びに爆風性を向上させるため、孔のパターン、サイズおよび密度を変化させてもよい。この有孔プレートは硬質セラミック材料又は金属から作成することができる。

有孔プレートの代りに金属メッシュを使用してもよい。これが本発明の第４の実施例である図４に示されている。このメッシュは前記の第３の実施例と同じ利点を有すると共に、フェースプレートとの関係で、中間層の配向の変化を与えるものとなる。これにより銃弾抵抗が大きくなる。特に、プレートに対し４５ないし９０度の角度で発射された銃弾についてこのことが言える。エクスパンデッド・スチールメッシュ（例えば、スチールメッシュＮｏ．１２９２；Expanded Metal社製、Hartlepool、英国）は、本発明での使用に適している。これはメッシュサイズ（中心距離）が３０．４８mmｘ１２．７０mmで、ストランド（素線）幅が４．７５mm、厚みが２．５mm、全開口面積が２５％のものである。このメッシュのサイズ、ストランド幅、厚みおよび全開口面積は、対抗すべき銃弾の脅威および必要な防護のレベルとの相関で選択することができる。

図５は前記第１の実施例の更なる変形例である。この場合、中間層１８はジグザグな波形となっている。ほとんどの銃弾について、この構成は銃弾が接触するところの中間層の材料の量を最大化するものであり、外側層に垂直に衝突する銃弾がこの中間層に鋭角で入射し、この中間層の有効貫通強度を増大させることになる。仮に、この中間層が高張力繊維からなる場合、このジグザグ形状は、適当に造形させた型内にて繊維に熱硬化性材料を含浸させることにより形成することができる。金属又は金属メッシュ層の場合、このジグザグ形状はロール成形又はプレスにより形成することができる。

このジグザグ形状の変形例として、図６に示すように、中間層に波のようなうねりを持たせてもよい。これは前記同様の作用を有し、また、同様の方法で達成することができる。図６は更に、多重の中間層（この場合、２つの中間層１９ａおよび１９ｂ）の使用を示している。これらの中間層は互いにずらしたもの（図示のように）、あるいは互いに垂直に配向させたものでもよい。窪み付きの中間層あるいは２方向に波形にしたシートなども使用することができる。

なお、以上の記載は本発明の制限を意図したものではなく、その他の改良、変形も、添付の特許請求の範囲に規定されている本発明の範囲に包含されるものであることを理解されたい。

本発明の第１の実施例に係る構造用サンドイッチ板を示す断面図である。 本発明の第２の実施例に係る構造用サンドイッチ板を示す断面図である。 本発明の第３の実施例に係る構造用サンドイッチ板を示す断面図である。 本発明の第４の実施例に係る構造用サンドイッチ板を示す断面図である。 本発明の第５の実施例に係る構造用サンドイッチ板を示す断面図である。 本発明の第６の実施例に係る構造用サンドイッチ板を示す断面図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０，５０，６０…構造用サンドイッチ板、１１…フェースプレート、１２…フェースプレート、１３…コア、１４，１５，１６，１７，１８，１９ａ，１９ｂ…中間層

Claims (15)

1. 第１および第２の金属製の外側プレート（１１，１２）と；
   これら外側プレートに対し、これらの間のせん断力を伝達させるのに十分な強度で、接合されたプラスチック又はポリマー材料（１３）からなるコアと；
   このコア内に設けられた少なくとも１つの中間層（１４）であって、前記外側プレートにほぼ平行に設けられ、前記コアの材料よりも大きい引張り強度を有するものと；
   を具備してなる構造用サンドイッチ板であって、
   前記コアが１５mm以上の厚みを有し、
   前記外側プレートが３mmよりも厚い厚みを有することを特徴とする構造用サンドイッチ板。
2. 前記中間層が、スチール、ステンレススチール又はアルミニウムからなる金属層（１５）からなる請求項１記載の構造用サンドイッチ板。
3. 前記中間層（１５）が、前記外側プレートの１つの厚みの５０％ないし１５０％の範囲の厚みを有する請求項２記載の構造用サンドイッチ板。
4. 前記中間層が、金属(例えば、スチール、ステンレススチール又はアルミニウム)メッシュ（１７）からなる請求項１記載の構造用サンドイッチ板。
5. 前記金属メッシュ（１７）がエキスパンデッドメタルからなる請求項４記載の構造用サンドイッチ板。
6. 前記中間層が高張力繊維（１４）からなる請求項１記載の構造用サンドイッチ板。
7. 前記中間層が硬質セラミックプレートからなる請求項１記載の構造用サンドイッチ板。
8. 前記中間層（１８，１９ｃ，１９ｂ）がひだ付き、窪み付き又は波形のものからなる請求項１ないし７のいずれかに記載の構造用サンドイッチ板。
9. 前記中間層（１９ａ，１９ｂ）を複数有する請求項１ないし８のいずれかに記載の構造用サンドイッチ板。
10. 前記中間層（１６）が孔開きのものである請求項１ないし９のいずれかに記載の構造用サンドイッチ板。
11. 前記中間層（１４）が全面には施されていない請求項１ないし１０のいずれかに記載の構造用サンドイッチ板。
12. 前記コア（１３）が緻密な材料からなる請求項１ないし１３のいずれかに記載の構造用サンドイッチ板。
13. 構造用サンドイッチ板の製造方法であって：
    第１および第２の金属製の外側プレート（１１，１２）を互いに離間させ、その間に少なくとも１つの中間層をこれら外側金属プレートのそれぞれから離間させた状態で配置させる工程と；
    未硬化のプラスチック又はポリマー材料を、前記外側プレートと前記中間層の両側との間に形成された空間に注入、充填する工程と；
    このプラスチック又はポリマー材料を硬化させ、これらの間のせん断力を伝達させるのに十分な強度で前記外側プレートを互いに接合させる工程と；
    を具備してなり、前記中間層がこの硬化させたプラスチック又はポリマー材料よりも大きい引っ張り強度を有することを特徴とする方法であって、
    前記コアが１５mmよりも厚い厚みを有し、
    前記外側プレートが３mmよりも厚い厚みを有する
    ことを特徴とする構造用サンドイッチ板の製造方法。
14. 前記注入工程を前記外側プレートの両側から同時に又は２段階で行う請求項１３記載の方法。
15. 前記中間層を前記外側金属プレート間の間隙への挿入の前に、前記中間層をプラスチック又はポリマー材料で塗布又は含浸を行う工程を更に具備してなる請求項１３又は１４記載の方法。

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