JP5113193B2 - 半結晶基材及びアモルファス表層を有する予備含浸物質 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルによる予備含浸物質に関する。

知られているように、予備含浸物質（また一般にプリプレッグとして知られている）は、様々な産業分野及び特に航空産業で用いられる複合材料である。プリプレッグは、一般に、強化用繊維及び繊維が埋め込まれた樹脂基材を備えた半製品である。繊維は、様々な形態において、例えば、一方向層にて、異なる配向を有する二層にて、あるいは織物として配列可能である。プリプレッグは、一般にテープの形で用意され、ロールに巻かれている。

主に航空産業で用いられるプリプレッグは、重合に先立って粘着性特性を有する熱硬化性樹脂基材を有する。従ってそれらは、様々な層の配向の適切な順序とともに互いの上部に別の層を設けることにより、レイアップを形成するために用いることができる。その後、レイアップは、材料を重合させて、その分子量を増加し、使用に適切な構造特性を有する材料へ変換する高分子間の接合の形態を促進する、温度及び圧力のサイクル（真空バッグ内で、及びオートクレーブ内で）にさらされる。

ラミネーションも、コスト、生産性、及び繰り返し性の観点から重要な利点をもたらす自動方法によって行なうことができる。平坦なあるいは適度に曲がったレイアップのために、自動テープ層機械として知られている装置が使用される。かなり狭いプリプレッグ・テープ（スリットとして知られている）の使用により、湾曲面及びさらに閉じられた（円筒状）表面をラミネートすることを可能にする技術も、また最近確立された。この技術は、繊維配置（Fibre Placement）として知られており、熱硬化性基材を有する複合部品に既に用いられている。

熱可塑性物質の基材を有するプリプレッグもまた航空産業にて用いられている。熱可塑性物質に基づくプリプレッグについて、樹脂は、高い分子量を持っており、従って、一方では、重合サイクルにさらす必要はないが、他方では、粘着性特性を有しない。熱可塑性基材を有するプリプレッグは、第１近似として、単層によって形成され、最終状態において製品と見なすことができる。従って、ラミネートを形成可能とするために、圧力下でそれを圧縮し、次にそれを冷やして組み立てられる熱可塑性の予備含浸層を溶かすようにそれを加熱する必要がある。その溶解のために到達する温度は、アモルファス熱可塑性物用のガラス転移温度Ｔｇ、及び半結晶熱可塑性物用の融点Ｔｆである。

そのとき、自動テープ層技術（ＡＴＬ）及び繊維配置技術（ＦＰ）は、もっぱら熱硬化性基材を有する複合部品に用いられる。それらは、また、熱可塑性基材を有するプリプレッグにも理論的に可能であるが、いくつかの追加の技術的な要求を有する技術である。即ち、実際、この場合、熱可塑性のプリプレッグに基づいたラミネートを製造するための装置は、また樹脂を溶かし、よってラミネートの層間の接着を達成するような温度（それは材料により、非常に高いかもしれない）に達するために熱を供給しなければならない。さらに、半結晶熱可塑性物に関して、過度に迅速な冷却は、その部分のアモルファス化につながり、性能特性のロスをもたらす。補償として、もしそれらの問題が解決されたならば、ＡＴＬとＦＰの技術は、オートクレーブではそれ以上の加工なしで、部品の生産コストの大幅低減と共に、完成部品を生産可能とするであろう。

これらの問題は、発明によれば、請求項１に規定する特徴を有する予備含浸物質によって解決される。

発明による予備含浸物質により、圧縮しそしてラミネートを生産するために、アモルファス熱可塑性物に基づいた層のガラス転移温度Ｔｇにのみ達することが必要であるので、過度に面倒な操作上の要求なしで自動ラミネートプロセスを実行することが可能である。さらに、プロセスにおいて、アモルファス層は単独で溶融され、半結晶の熱可塑性物に基づいた層は溶融されないので、冷却速度を制御する必要はない。

発明の好ましい実施形態は、従属クレーム中で規定されている。

発明のさらなる対象は、発明による予備含浸物質を製造する方法、及び発明による複数の予備含浸層の自動ラミネーションのための方法である。

発明の、幾つかの好ましい、しかし限定されない実施形態は、添付した図面を参照して記述されるであろう。

図１は、発明によるプリプレッグを断面にて示す模式的な図である。 図２は、図１のプリプレッグの製造方法の考えられる実施を示す図である。 図３は、図１のプリプレッグの製造方法のさらに考えられる実施を示す図である。

図１に関して、発明によるプリプレッグ１は模式的に示されている。プリプレッグ１は、繊維材料で強化された樹脂に基づいた基材を備える。繊維材料は、当該分野で既知の任意のタイプの繊維、例えばガラス繊維、炭素繊維、及びこれらの組み合せ、から構成可能である。さらに、繊維は、異なった形態、例えば一方向の層において、異なる配向を有する幾つかの層において、あるいは繊維として、配列することができる。いずれの場合も、繊維の構成及び配置は、発明の目的のために本質的なものではない。

発明によるプリプレッグ１は、その基材が融点Ｔｆを有する半結晶の熱可塑性樹脂に基づいた中間層１０を含む。上記半結晶の熱可塑性樹脂は、例えばポリエーテル・エーテル・ケトン（すなわちＰＥＥＫ）であり、それは約３５０℃の融点Ｔｆを有する。ガラス転移温度Ｔｇを有するアモルファス熱可塑性樹脂に基づく外側層２２、２３は、中間層１０の少なくとも一面、及び好ましくは両面に適用され、アモルファス熱可塑性樹脂のガラス転移温度Ｔｇは、半結晶の熱可塑性樹脂の融点Ｔｆよりも下である。アモルファス熱可塑性樹脂は、例えばポリ（エーテル・イミド）、すなわちＰＥＩであり、それは約２００℃のガラス転移温度Ｔｇを有する。

表現「基づいた、基づく」は、基材、あるいは基材の外側層２２、２３が樹脂に加えて例えばフィラー、スタビライザなどのような、よく用いられる添加剤をも備えることができることを意味する。

本発明によるプリプレッグを製造する方法の実施形態は、図２を参照して記述される。まず最初に、半結晶の熱可塑性樹脂用のローラー３１、及びアモルファス熱可塑性樹脂用の２つのローラー３２、３３が準備される。半結晶の熱可塑性樹脂フィルムのテープＰ１、及びアモルファス熱可塑性樹脂フィルムの２つのテープＰ２_Ｓ、Ｐ２_Ｉは、ローラー３１、３２、３３からそれぞれ供給される。全てのテープは、皆、製造されるプリプレッグの幅に等しい幅を有する。自動ラミネーション用のプリプレッグは、一般的に、７．６２ｃｍから３０．４８ｃｍまで（３インチから１２インチまで）の幅を有する。

テープＰ１、Ｐ２_Ｓ、及びＰ２_Ｉは、加熱チャンバＡを通過し、加熱チャンバＡにおいて、半結晶の熱可塑性樹脂の融点Ｔｆを超える温度に加熱され、ローラー４１で単一のフィルムＰへ圧縮される。圧縮直後に、高温のフィルムＰのテープは、一定温度区域Ｂ内へ搬送され、該一定温度区域Ｂでは、一つ若しくは複数のローラー５１から、例えば糸あるいは織物テープの形態にて当該区域Ｂへ供給される強化用繊維Ｆと接触する。区域Ｂにおいて、多層の樹脂フィルムは、熱間圧延によって繊維間に浸透される。繊維と樹脂との相互浸透（含浸）の直後に、製造物（強化フィルムＰ’のテープ）は、チャンバＣ内で連続するローラー６１を通過し、半結晶の熱可塑性樹脂の融点より下の温度まで徐々に冷え、チャンバＣの出口に到達する。発明によるプリプレッグ１はこのように得られる。半結晶熱可塑性樹脂のアモルファス化を防ぐために、冷却速度は、使用される材料に依存する所定のしきい値Ｋ（単位時間当たりの度として表現される）より上であってはならない。チャンバＣの入力と出力との間の温度差をΔＴで示し、チャンバＣの長さをＬで示し、製造物の移動速度をＶで示したとき、チャンバＣの長さＬは、Ｖ・ΔＴ／Ｋ以上である。

当然に、制御された冷却ステージの後、アモルファス熱可塑性樹脂のガラス転移温度より下で、次に室温に達するような、次の冷却ステージ（図示せず）が存在する。

発明によるプリプレッグの好ましい実施例は、繊維が中間モジュール（Intermediate Module）あるいは中間強度（Intermediate Strength）タイプ（例えばＡＳ４又はＩＭ７）の炭素繊維であり、基材が２つのＰＥＩフィルムの間にＰＥＥＫフィルムを設けることにより得られた熱可塑性樹脂であるプリプレッグである。さらにより好ましくは、プリプレッグは、プリプレッグの全重量の約３７％の熱可塑性樹脂の重量パーセントで約０．２５０ｍｍの厚みを有し、約２９０ｇ／ｍ^２の単位面積当たりの重量の炭素繊維を有し、基材は、約０．０８０ｍｍの厚みを有するＰＥＥＫフィルム、及びそれぞれ約０．０２０ｍｍの厚みを有する２つのＰＥＩフィルムから得られる。これらのフィルム厚の選択は、特に望ましい。なぜならば、それは、構造特性を維持するためにアモルファス部分を最小に減らす必要と、ラミネーション工程においてプリプレッグ間の良好な粘着のために十分な量を有する必要との間の妥協を表す半結晶／アモルファス比率を提供するからである。

この場合、チャンバＡで、及び区域Ｂにて図２に示されるようなプロセスにおいて到達する最高温度は、ＰＥＥＫのＴｆを超えるもの、例えば約３８０℃、でなければならないだろう。この温度は、加工性の要件に関し樹脂の流動性の程度を許可するのに十分に高く、熱劣化現象を防ぐために十分に低いことから、好まれる。ＰＥＥＫのアモルファス化のリスクを可能な限り低減するため、融点までの降下だけでなく、より低い温度、例えば３２０℃、までの降下についても、冷却速度を制御することが必要である。したがって、チャンバＣの出力での温度が３２０℃である場合、ΔＴ＝６０℃である。ＰＥＥＫのアモルファス化を防ぐために、冷却速度は、≦１００℃／分でなければならない。この値は、１０℃／分から３００℃／分まで変化する冷却帯内で控えめであるように選択された。この冷却帯がＰＥＥＫの略一定の結晶度を実現することは文献の中で報告されている（J. Kenny、 A. D'Amore、 L. Nicolais、 M.Iannone 及びB. Scatteia による"Processing of Amorphous PEEK and Amorphous PEEK Based Composites" - SAMPE Journal, 25 (4), 1989）。≦１００℃／分の冷却速度を有することが必要なので、Ｖ＝０．１ｍ／ｓの場合、Ｌは３．６ｍよりも大きくなければならないだろう。

本発明によるプリプレッグを製造する方法の別の実施形態を記述する。

図３は、好ましい実施例による、補強材として中間モジュール（Intermediate Module）あるいは中間強度（Intermediate Strength）タイプ（例えばＡＳ４又はＩＭ７）の炭素繊維、及びＰＥＥＫ半結晶熱可塑性樹脂の基材を有する、予め製造されたプリプレッグ３１’のロールを示している。さらにより好ましくは、プリプレッグは、約０．０８０ｍｍの厚みの樹脂、及び２９０ｇ／ｍ^２の炭素繊維から始めて得られる、約０．２１０ｍｍの厚みを有する。これらの量の選択は、アモルファスＰＥＩフィルムの後の追加を考慮して樹脂が減じられるとともに、ＰＥＥＫ／炭素繊維プリプレッグに関して最適化された選択から得られる。

プリプレッグは、フィルムの冷却速度（≦１００℃／分；この選択理由は上で説明している）の制御により正確な結晶化内容量を達成するようなプロセスである、ＰＥＥＫ／炭素繊維プリプレッグのための標準プロセスにより、注意を払いながら製造される。

連続したプリプレッグテープＰＲは、ロール３１’から引き出される。好ましくはＰＥＩでありそれぞれが約０．０２０ｍｍの厚みを有するアモルファス熱可塑性樹脂フィルムの２つのテープＰ２_Ｓ、Ｐ２_Ｉが、熱いローラー４１’を使用し、ＰＥＩフィルム及びプリプレッグＰＲの表面をきれいに溶融するような約３７０℃の表面温度にて、プリプレッグテープＰＲに加えられる。このようにして、単一のテープＰＲ’が得られる。

２つのアモルファス熱可塑性フィルムが結合されたプリプレッグにて構成されるテープＰＲ’は、その後、２つの冷たいローラー４１”を通過する。本例では、プリプレッグの大部分がプロセスの間に融点より下の温度のままであるので、アモルファス化の問題はない。

図２又は図３の方法の使用にて発明によって製造されたプリプレッグ、あるいは当業者によって工夫可能であるそれのいかなる変形は、アモルファス熱可塑性樹脂のＴｇを超える温度、及び半結晶の熱可塑性樹脂のＴｆより下の温度での自動ラミネーション方法（ＡＴＬ又はＦＰ）によって、複合部品の製造に用いることができる。発明によるプリプレッグにより、ラミネーション工程は、比較的低い温度で行うことができる。該比較的低い温度とは、もっぱらアモルファス樹脂層の溶融を引き起こしてプリプレッグ層の粘着性を得るのに十分な温度であり、一方、半結晶の樹脂層は溶融せず、かつそのような溶融と関連し本説明の導入部分に記載した必然の冷却速度制御と関連するであろう問題は発生しない温度である。

発明によるプリプレッグの自動ラミネーションが基づく原理は、アモルファス接合として既知である（C. Voto 及び M. Iannone による「Environmental Resistance of Amorphous Bonded Thermoplastic Joints」 AGARD Report 785 - 1991）、半結晶熱可塑性基材を有する複合材料で作られた部品の溶接技術といくぶん類似している。この技術は、アモルファス熱可塑性外側層を有する部品の製造から成る。このように作製された部品がアモルファス材料のＴｇを超えたとき、それらは外側で粘着性があるが、それらの形状を維持する。それらが共に圧力及び加熱下に置かれたとき、それらは粘着する傾向があり、部品が冷えたとき、粘着し続ける。即ち、それらの間のいかなる不完全な接合を補償するために、プロセスは、また、粘着フィルム間にアモルファス材料の追加フィルムを設けることができる。しかしながら、この既知の技術とは対照的に、本発明は、プリプレッグ、即ち、自動ラミネーションプロセスによる複合部品の製造のために準備された半製品、を含んでいる。

上述の例に記載したように製造されたプリプレッグから得られる複合材料と、ＰＥＥＫ及び炭素繊維を有する従来のプリプレッグから得られた複合材料とを比較した場合、単位面積当たりの所定の繊維重量及び樹脂の内容量に関して、発明によるプリプレッグから得られた複合材料の機械的性質（引張、圧縮、面内せん断、開放孔引張及び圧縮、衝撃後圧縮）は、発明によるプリプレッグから得られた複合材料に関する層間せん断特性を除いて、従来のプリプレッグから得られた複合材料における機械的性質に実質的に等しく、上記層間せん断特性は、従来のプリプレッグから得られた複合材料の層間せん断特性の９０％以上である。

さらに、複合材料を製造するプリプレッグの自動ラミネーション用のプロセスの観点から、プロセスは非常に単純化される。なぜなら、圧縮のため、発明によるプリプレッグは、従来のプリプレッグについて到達すべき約３５０℃の温度に比べて、約２１０℃の温度（その遷移を保証し粘着性を可能にするためにＰＥＩのＴｇを十分に超える温度）に達すればよいからである。さらに、従来のプリプレッグでは、冷却温度を制御する必要があるが、一方、発明によるプリプレッグには必要ない。

Claims (5)

1. 複合部品を製造する方法であって、
   以下のサブ工程を備える表面アモルファス含浸材料テープを準備し、
   −繊維材料で強化された半結晶の熱可塑性樹脂の連続的なテープ（ＰＲ）を前進させ、上記半結晶の熱可塑性樹脂は、融点Ｔｆを有し、及び複合部品用に最適化された既定の結晶化度容量を有する、
   −アモルファス熱可塑性樹脂の２つの連続的なテープ（Ｐ２_Ｓ、Ｐ２_Ｉ）を、半結晶の熱可塑性樹脂のテープの反対側からそれぞれ前進させ、上記アモルファス熱可塑性樹脂は、半結晶の熱可塑性樹脂の融点Ｔｆより下のガラス転移温度Ｔｇを有し、
   −アモルファス樹脂のテープを溶融させる温度で、半結晶樹脂の外側表面のみにて半結晶樹脂のテープを溶融させる温度へ半結晶のテープ及びアモルファスのテープを加熱し、並びに、それらのテープが単一の連続的な圧縮されたテープ（ＰＲ’）へ接合するように、半結晶樹脂のテープに対してアモルファス熱可塑性樹脂のテープをロール加圧し、
   −この圧縮されたテープを冷却し、
   表面アモルファス含浸物質テープの複数の層を、アモルファス熱可塑性樹脂のガラス転移温度Ｔｇを超える温度で半結晶の熱可塑性樹脂の融点Ｔｆより下の温度にて、自動的にラミネートを行う、
   ことを備えた、複合部品の製造方法。
2. 複合部品を製造する方法であって、
   以下のサブ工程を備える表面アモルファス含浸物質テープを準備し、
   −半結晶の熱可塑性樹脂の連続的なテープ（Ｐ１）を前進させ、上記半結晶の熱可塑性樹脂は融点Ｔｆを有し、
   −アモルファス熱可塑性樹脂の２つの連続的なテープ（Ｐ２_Ｓ、Ｐ２_Ｉ）を、半結晶の熱可塑性樹脂のテープの反対側からそれぞれ前進させ、上記アモルファス熱可塑性樹脂は、半結晶の熱可塑性樹脂の融点Ｔｆより下のガラス転移温度Ｔｇを有し、
   −アモルファスのテープ及び半結晶樹脂のテープが溶融するように、半結晶の熱可塑性樹脂の融点Ｔｆより上の温度へ半結晶のテープ及びアモルファスのテープを加熱し、並びに、それらのテープが単一の連続的な圧縮されたテープ（Ｐ）へ接合するように、半結晶樹脂のテープに対してアモルファス熱可塑性樹脂のテープをロール加圧し、
   −繊維材料（Ｆ）を前進させ、
   −強化テープ（Ｐ’）を製造するように、上記圧縮されたテープに上記繊維材料を含浸させ、及び
   −半結晶の熱可塑性樹脂の融点Ｔｆより下の温度に達するまで上記圧縮されたテープを冷却し、該冷却は、半結晶樹脂のアモルファス化を防ぐのに十分に低い冷却速度にて行われる、
   表面アモルファス含浸物質テープの複数の層を、アモルファス熱可塑性樹脂のガラス転移温度Ｔｇを超える温度で半結晶の熱可塑性樹脂の融点Ｔｆより下の温度にて、自動的にラミネートを行う、
   ことを備えた、複合部品の製造方法。
3. 上記半結晶の熱可塑性樹脂はＰＥＥＫである、請求項１又は２に記載の複合部品の製造方法。
4. 上記アモルファス熱可塑性樹脂はＰＥＩである、請求項１から３のいずれかに記載の複合部品の製造方法。
5. 上記繊維材料は炭素繊維から構成される、請求項１から４のいずれかに記載の複合部品の製造方法。

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