JP5882240B2 - ポリマー不織布を有する多軸積層体 - Google Patents
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Description
本発明は、マルチフィラメント強化ヤーンからなる互いに積み重ねて配置された少なくとも２つの層からなる積層体において、前記積層体は、マルチフィラメント強化ヤーンからなる層上に及び／又はマルチフィラメント強化ヤーンからなる層間に、熱可塑性ポリマー材料からなる不織布からなる少なくとも１つの層を有する積層体に関する。
強化繊維又は強化ヤーンからなる積層体は、以前から市場において公知である。この場合、多方面で、複数の互いに積み重ねて配置された繊維層からなる構造を有する多軸積層体が使用され、前記繊維層は相互に平行に配置された多数の強化繊維からなる。これらの繊維層は、これらの層の強化繊維が互いに平行に又は交互に交差して整列するように互いに積み重ねて載置されている。この角度は、ほとんど任意に調節することができる。しかしながら、通常では多軸積層体の場合に０°、９０°、プラス又はマイナス２５°、プラス又はマイナス３０°、プラス又はマイナス４５°又はプラス又はマイナス６０°の角度が設定され、この構造は、ゼロ度方向に対して対称の構造を生じるように選択される。
上述の多軸積層体のような積層体は、その構成に基づいて、複雑な構造の作成のために特別に使用することができる。この場合、上記積層体はマトリックス材料なしで型中に置かれ、この型の輪郭に適合させる。それによりいわゆるプリフォームが得られ、そのプリフォーム中へ、引き続き複合部材の製造のために必要なマトリックス材料が、真空の適用下でも、注入又は射出により導入される。公知の方法は、この場合、いわゆる液体成形（ＬＭ法）又はそれに類似する方法、例えば樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）、真空アシスト樹脂トランスファー成形（ＶＡＲＴＭ）、樹脂フィルム注入（ＲＦＩ）、液体樹脂注入（ＬＲＩ）又は樹脂注入フレキシブルツール（ＲＩＦＴ）である。
強化繊維からなるこの種の積層体を用いて製造された繊維複合部材は、この部材の荷重方向から生じる力に直接対抗し、それにより高い強度を提供することに特に適している。その際、多軸積層体において、繊維密度及び繊維角度に関して部材中に存在する荷重方向への適合が僅かな比重を可能にする。
互いに積み重ねて配置された繊維層は、多数の相互に並んで配置されかつ相互に平行に延在するメッシュを形成する縫い糸又は編み糸によって相互に結合されかつ相互に固定されていて、この多軸積層体はこうして安定化される。この縫い糸又は編み糸は、この場合、多軸積層体のゼロ度方向を形成する。このような多軸積層体は、例えば、通常のたて編み機又はステッチボンド機、例えば当業者に公知のLIBA機又はKarl Mayer機を用いて製造することができる。縫い糸又は編み糸で結合された多軸積層体及びその製造は、例えばDE 102 52 671 C1、DE 199 13 647 B4、WO 98/10128又はEP 0 361 796 A1に記載されている。
EP 1 352 118 A1は、強化繊維の層を溶融可能な縫い糸で結束した多軸積層体を開示しており、この縫い糸は、縫い糸の溶融温度を上回る際に多軸積層体の良好な成形性を可能にし、引き続き冷却時に形状の安定化を可能にする。頻繁に、例えばEP 1 057 605に開示されているように、熱可塑性ポリマー、例えばポリアミド又はポリエステルからなる縫い糸が使用される。
US 2005/0164578には、複合材料−プリフォーム（Preform）用の中間生成物が記載されており、この中間生成物は、強化繊維布からなる少なくとも１つの層を有し、かつこれらの層の少なくとも１つには安定化のために繊維が組み込まれていて、この繊維はプリフォームが高めた温度にさらされた場合にプリフォームを安定化し、かつ後に複合部材の製造のために使用されるマトリックス樹脂中に溶解する。WO 02/16481も、例えばプリフォーム用の強化繊維からなる構造体を開示しており、この構造体はフレキシブルなポリマーコンポーネントを有し、このポリマーコンポーネントは、例えば強化繊維の間に繊維の形状で導入されているか又は縫い糸として強化繊維を相互に結合する。このフレキシブルなポリマーコンポーネントは、使用された硬化可能なマトリックス材料中に溶解する材料からなる。
DE 198 09 264 A1によると、ここに開示された繊維積層体構成物の強化繊維からなる、互いに縫い合わされた層の間に、熱可塑性ポリマーからなる接着不織布が導入されていることができる。この溶融接着不織布により、この不織布を構成するポリマーの溶融温度より高く加熱した場合に、この積層体構成物は簡単に三次元構造に変形させることができ、この三次元構造は冷却後に実際に復元力なしにこの形状を維持する。
例えばこの積層体の透過性を改善するか又は例えば衝撃強さを改善するために、部分的に、非配向繊維マット又は非配向不織布又は繊維積層体又は繊維積層マットも、強化繊維からなる繊維層の間に導入される。この種のマット状の中間層を有する多軸積層体は、例えばDE 35 35 272 C2又はUS 2007/0202762に記載されており、この場合、この不織布又はマットについて、DE 35 35 272 C2には、１００〜１２００ｇ／ｍ2の単位面積重量及びUS 2007/0202762には、４０ｇ／ｍ2及び１６１ｇ／ｍ2の単位面積重量が開示されている。
EP 1 473 132は、多軸積層体及びその多軸積層体の製造方法並びにこの多軸積層体から製造されたプリフォームが主題となっている。ここに記載の多軸積層体は、単一方向に設置された強化繊維の間に熱可塑性繊維からなる中間層を有し、上記中間層は、二成分繊維からなる不織布又は互いに混合された異なる繊維からなるハイブリッド不織布であることができる。この中間層を構成するポリマーは、後にプリフォーム内へ注入されるマトリックス樹脂と適合するのが好ましい。特に、この中間層は、樹脂注入の際にマトリックス樹脂に対して透過性であるのが好ましく、この強化層を樹脂注入の間に及び樹脂注入の後に固定するように構成される。エポキシ樹脂を使用する場合に、この不織布はポリアミド繊維から構成される。この不織布は、強化繊維からなる層と編み目によって結合させるか又は溶融接着によって結合させることができる。
EP 1 772 258も、繊維強化プラスチック部材の製造用のラミネート構造が開示されている。このラミネート構造体は、コア層として１００〜５００ｇ／ｍ2の単位面積重量を有する不織布層と、強化繊維からなる少なくとも１つのカバー層とを有する。この不織布層は、例えば、支持体繊維と熱可塑性結合繊維とからなる繊維混合物であり、この結合繊維の融点は支持体繊維の融点よりも低い。結合繊維の融点を上回るが、支持体繊維の融点を下回る温度での熱処理下で、EP 1 772 258によると、不織布層の熱的固定が達成され、それにより前記不織布層のより高い内部強度及び寸法安定性が達成される。同時に、この不織布層は、マトリックス樹脂の注入の際に高い透過性を保証する。
US 2008/0289743 A1は、中間層として強化繊維と熱可塑性繊維からなる不織布とが交互に配置された層からなる多軸積層体を開示しており、前記中間層は、強化層の間に配置され、これらの強化層とともに編み目によって又は溶融接着によって結合されている。一実施態様の場合に、この不織布は２つ以上の材料から構成されていてもよく、それによりハイブリッド不織布又は二成分不織布又は三成分不織布等であることができる。特別な実施態様の場合に、ポリアミドからなるコアとポリウレタンからなるシェルとを有する、コア−シェル型繊維からなる不織布を挙げることができる。この不織布は、単一方向に整列した強化繊維を固定し、かつ樹脂注入の間の樹脂の流れを保証するために用いられる。特に有利な実施態様の場合に、この中間層の熱可塑性繊維の溶融温度を下回る温度で硬化が行われるのが好ましい。
この先行技術の予め記載された積層体構造の欠点は、強化繊維からなっていない、従って生じる部材の強度に寄与しない材料の比較的高い割合である。このマトリックス材料は、強化繊維及び不織布の全体量に対していなければならないため、部材体積に対して、部材中での強化繊維の低い割合が生じ、ひいては比較的低い強度が生じる。
EP 1 705 269は、ポリヒドロキシエーテルからなる熱可塑性繊維材料を開示し、この熱可塑性繊維材料は例えば強化繊維からなる多軸積層体の場合に、強化繊維からなる層の間の不織布として導入することができる。熱の作用下で、ポリヒドロキシエーテル材料は粘性及び接着性になるので、強化繊維をマトリックス中に埋め込む前に定義された幾何学的配置で強化繊維を固定することを達成することができる。このポリヒドロキシエーテル繊維材料は、後にそのガラス転移温度を越える温度でマトリックス材料中に完全に溶解する。
US 2006/0252334には、強化繊維の複数の層からなる積層体が記載されており、この積層体は、この積層体から製造される部材の耐衝撃性を改善するために強化層の間に、例えばポリマー繊維からなる不織布を有する。この場合、上記ポリマー繊維はマトリックス樹脂中に溶解されるのが好ましく、それにより、US 2006/0252334の記載によると、溶融可能であるが不溶性の熱可塑性プラスチックと比較して、この繊維を構成するポリマーの樹脂マトリックス中での均一な分布が可能となる。
このポリマー繊維は、US 2006/0252334及びEP 1 705 269の積層体の場合にマトリックス材料中に可溶であり、従って積層体に樹脂マトリックスを注入する間に溶解するため、部材製造の段階での強化層の確実な固定は十分には保証されない。
従って、プリフォームへ変形後に良好なドレープ適性及び寸法安定性を有し、並びにマトリックス樹脂の注入の際に良好な透過性を有する強化繊維を基礎とする積層体の必要性が生じる。同時に、この積層体から製造した部材は、特に圧縮荷重下での高い強度値及び高い耐衝撃性を有するのが好ましい。
従って、本発明の根底をなす課題は、この種の積層体を提供することである。
前記課題は、互いに平行に並んで配置されたマルチフィラメント強化ヤーンからなる、互いに積み重ねて配置された少なくとも２つの層からなり、マルチフィラメント強化ヤーンからなる層上に及び／又はその層間に熱可塑性ポリマー材料からなる不織布からなる少なくとも１つの層を有し、前記不織布は第１のポリマー成分と第２のポリマー成分とを有し、これらのポリマー成分の溶融温度が前記強化ヤーンの溶融温度又は分解温度を下回る積層体において、第１のポリマー成分は、第２のポリマー成分よりも低い溶融温度を有し、第１のポリマー成分はエポキシドマトリックス樹脂、シアナートエステルマトリックス樹脂又はベンゾオキサジンマトリックス樹脂又はこれらのマトリックス樹脂の混合物中に可溶であり、前記第２のポリマー成分はエポキシドマトリックス樹脂、シアナートエステルマトリックス樹脂又はベンゾオキサジンマトリックス樹脂又はこれらのマトリックス樹脂の混合物中に不溶であることを特徴とする、積層体により解決される。
好ましくは、第１のポリマー成分は、８０〜１３５℃の範囲内の溶融温度を有し、第２のポリマー成分は１４０〜２５０℃の範囲内の溶融温度を有する。
この特別な構造に基づき、本発明による積層体は、良好なドレープ適性及びプリフォーム中での積層体の固定性により傑出しており、マトリックス樹脂での含浸の際の良好な透過性並びに高い機械強度及び高い耐衝撃性を有する部材を製造可能であることにより傑出している。本発明によるポリマーの組合せからなる少なくとも１つの不織布層により、第１のポリマー成分の溶融温度に加熱下で、この積層体の層の相互の可動性を達成することができる。この不織布の溶融した第１の成分はいわば潤滑剤として機能するため、この強化ヤーンの層を変形プロセスの際にプリフォーム中の所望の層内へ滑り込ませることができる。このプリフォームの冷却時に、この第１のポリマー成分は溶融接着剤として作用し、強化層をその位置に固定する。
次にこの積層体構造をマトリックス樹脂で含浸する際に（この含浸は原則として第１の成分の溶融温度を上回るが、第２の成分の溶融温度を下回る温度で行われる）、本発明による少なくとも１つの不織布の高融点の第２のポリマー成分はマトリックス樹脂に対して良好な透過性を保証する。それに対してこの第１のポリマー成分は、マトリックス樹脂中に溶解し、このようにマトリックス樹脂に対するその独自の相としての独自性は失われる。従って、第１のポリマー成分の割合は、従ってマトリックスに数えられ、マトリックス樹脂の含浸されるべき割合を第１のポリマー成分の割合だけ減じることができる。従って、生じる部材中での強化繊維の高い繊維体積割合を生じさせることができ、それにより機械強度値の水準を比較的高い水準に維持することができる。
本発明による積層体中に使用される不織布は、この場合、異なる溶融温度を有する単一成分繊維の混合物からなることができ、つまりハイブリッド不織布であることができる。しかしながら、この不織布は、二成分繊維からなることもでき、例えばコアシェル繊維からなることができ、前記繊維のコアは高い融点を有するポリマーから形成され、シェルは低い融点を有するポリマーから形成されている。二成分繊維からなる不織布に似て、この不織布は、例えば第２のポリマー成分からなる繊維の非配向層から構成され、第１のポリマー成分は、吹き付け又はコーティングにより第２のポリマー成分の繊維上に塗布されていてもよい。このコーティングは、例えば、第１のポリマー成分の分散液又は溶液を用いた含浸によって行うことができ、含浸の後に分散液の液体成分又は溶剤は除去される。同様に、第２のポリマー成分の繊維から構成された不織布は、第１のポリマー成分を、第２のポリマー成分の繊維の間に堆積された微細な粒子の形態で含有することができる。好ましくは、この不織布はハイブリッド不織布である。この不織布は第１のポリマー成分を２〜４０質量％の割合で含有し、かつ第２のポリマー成分を６０〜９８質量％の割合で含有する場合が好ましいことが判明した。第１のポリマー成分の割合が５〜３５質量％の範囲内であり、第２のポリマー成分の割合が６５〜９５質量％の範囲内であるのが特に好ましい。さらに好ましい実施態様の場合に、この不織布は第１のポリマー成分を２０〜４０質量％の割合で含有し、かつ第２のポリマー成分を６０〜８０質量％の割合で含有する。
マトリックス樹脂、つまりエポキシ樹脂、シアナートエステル樹脂、又はベンゾオキサジン樹脂の硬化温度で、有利な実施態様の場合には、第１のポリマー成分は、硬化されるマトリックス樹脂と化学的に架橋反応によって反応し、均質なマトリックスの組み込まれた部分となる。従って、この第１のポリマー成分は、好ましくはエポキシマトリックス樹脂、シアナートエステルマトリックス樹脂又はベンゾオキサジンマトリックス樹脂と化学的架橋反応によって反応するポリマーである。特に、この第１のポリマー成分は、ポリヒドロキシエーテルであるのが好ましい。この種のポリヒドロキシエーテルは、例えばEP 1 705 269に記載されており、これに関する開示は明確に援用される。
本発明の場合に、第２のポリマー成分は、第１のポリマー成分よりも高い溶融温度を有する。好ましくは、この第２のポリマー成分は、使用されたマトリックス樹脂の硬化温度で又は第１のポリマー成分の溶融温度とマトリックス樹脂の硬化温度との間の範囲の温度で溶融する。このように、第２のポリマー成分は、同様にマトリックス材料中に組み込まれるが、しかしながら第１のポリマー成分とは異なり、硬化したマトリックス樹脂中で独自の相を形成する。第２のポリマー成分により形成された相は、硬化の際に及び後の部材中で、亀裂の拡大を制限することを補助し、かつ耐衝撃性の向上のために決定的に寄与する。
第２のポリマー成分として、本発明による積層体中に使用される不織布は、要求する条件を満たす限り、熱可塑性のフィラメントに加工可能な通常のポリマー、例えばポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエステル、ポリブタジエン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリールアミド、ポリケトン、ポリフタルアミド、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタラート又はポリエチレンテレフタラート又はコポリマー又はこれらのポリマーの混合物が使用される。
上記のマトリックス樹脂に関して、第２のポリマー成分がポリアミドホモポリマー又はポリアミドコポリマー又はポリアミドホモポリマー及び／又はポリアミドコポリマーからなる混合物である場合が好ましい。特に、ポリアミドホモポリマー又はポリアミドコポリマーは、ポリアミド６、ポリアミド６．６、ポリアミド６．１２、ポリアミド４．６、ポリアミド１１、ポリアミド１２又はポリアミド６／１２を基礎とするコポリマーであるのが好ましい。
この積層体の厚さにわたる材料特性の均質性に関して、本発明による積層体においてマルチフィラメント強化ヤーンのそれぞれの層の間に不織布層が配置されている場合が好ましい。本発明による積層体を用いて製造された部材の特性に関して、及び機械特性のできる限り高い特性値水準に関して、同様に、この不織布が５〜２５ｇ／ｍ2の範囲内の単位面積重量を有する場合が好ましい。特に、この単位面積重量は６〜２０ｇ／ｍ2の範囲内にあるのが好ましい。
本発明による積層体において、強化繊維として、繊維強化複合材料の製造のために通常の強化繊維又は強化ヤーンを使用することができる。好ましくは、マルチフィラメント強化ヤーンは炭素繊維ヤーン、ガラス繊維ヤーン又はアラミドヤーンであるか、又は高延伸のＵＨＭＷポリエチレンヤーンであり、特に好ましくは炭素繊維ヤーンである。
生じる部材中での機械特性の高い水準に関して、この強化ヤーンはマルチフィラメント強化ヤーンからなる層内で互いに平行でかつ互いに接して相互に並んで配置されている場合に有利である。それにより、高い繊維体積割合を達成でき、部材中で僅かな繊維割合を有する区域を避けることができる。
さらに有利な実施態様の場合に、積み重ねて配置された層の強化ヤーンは、層の平面に対して垂直方向で見て相互に一定の角度を形成する。従って、後の部材中での荷重方向に関して強化ヤーンの配向の適合を行い、かつこの荷重方向での必要な強度を提供することが可能である。この場合、強化ヤーンの層は、ゼロ度方向に対して定義された角度で、対称の構造又は擬似等方性の構造が生じるように交互に配置される場合が好ましい。本発明による積層体は、例えば＋４５°、−４５°、＋４５°及び−４５°の層を備えた構造を有する、つまり個々の層内で単一方向に配置された強化ヤーンは、ゼロ度方向に対して＋４５°、−４５°、＋４５°及び−４５°の角度を有することができる。通常では、この種の多軸積層体の場合に、角度αは、±２０°〜約±８０°の範囲内にある。典型的な角度αは±２５°、±３０°、±４５°及び±６０°である。
例えば、後の部材中での他の荷重方向も考慮するために、本発明による積層体は、好ましくは、この強化ヤーンはゼロ度方向に対して０°の角度のマルチフィラメント強化ヤーンの層を有し、及び／又は強化ヤーンはゼロ度方向に対して９０°の角度を形成するマルチフィラメント強化ヤーンの層を有することができる。この０°又は９０°の層は、好ましくは角度αに配向した層の間に存在する。しかしながら、例えば次の方向を有する構造も可能である：９０°、＋３０°、−３０°、０°、−３０°、＋３０°、９０°、つまり、外側の層は９０°の層から構成されている構造。
本発明による積層体の場合に、マルチフィラメント強化ヤーンの層は、マルチフィラメント強化ヤーンの予め製造された単一方向布からなる。この単一方向布において、それぞれの層を構成し、相互に平行に配置された強化ヤーンは、複数の緩い結合糸からなる縦糸により相互に結合され、この結合糸は上記強化ヤーンを主に横断する方向に伸びる。この種の単一方向布は、例えばEP 0 193 479 B1又はEP 0 672 776に記載されており、これらの文献の単一方向布に関する開示はここで明確に援用される。
本発明による積層体において、特に樹脂注入の際に高い安定性を保持し、例えば強化積層体の不所望なずれを抑制するために、本発明の好ましい実施態様の場合に、マルチフィラメント強化ヤーンからなる層と、少なくとも１つの不織布層とは相互に、互いに平行に延在しかつ相互に一定のステッチ幅を空けてかつメッシュを形成する縫い糸又は編み糸で相互に結合されているか又は相互に固定されている。この場合、縫い糸が積層体のゼロ度方向を規定する。
本発明による積層体のマルチフィラメント強化ヤーンから個別に形成された層は、この場合、通常の方法及び装置で製造され、かつこのゼロ度方向に対して規定された角度で相互に重ねて載置することができる。すでに述べたように、この分野における公知の機器は、LIBA機又はKarl Mayer機である。従って、この強化ヤーンは層内で互いに、この強化ヤーンが相互に隣接する、つまりほとんど間隔を空けずに相互に並ぶように位置決めすることもできる。
縫い糸として、ヤーン積層体の製造のために通常使用されるヤーンを挙げられる。この場合、本発明の範囲内で、縫い糸とは、縫い付けを介して本発明による多軸積層体中に導入されているのではなく、他のメッシュを形成する製布プロセスを介して、特に編み付けプロセスを介して導入される糸であると解釈される。縫い糸が多軸積層体の層を相互に結合するメッシュは、多軸積層体において通常の結合タイプ、例えばトリコット結合又はフリンジ結合を有することができる。フリンジ結合が好ましい。
この縫い糸はマルチフィラメントヤーンであるのが好ましい。この場合、後の樹脂注入で、例えば樹脂注入温度より高いが、使用された樹脂の硬化温度より低い温度で溶融する縫い糸を使用することができる。この糸は、硬化温度で初めて溶融可能であってもよい。この縫い糸は、マトリックス樹脂中で、例えば注入の間又はその硬化の間に溶融可能である縫い糸であってもよい。この種の縫い糸は、例えばDE 199 25 588、EP 1 057 605又はUS 6 890 476に記載されており、これら文献の縫い糸に関する開示は明確に援用される。この縫い糸は、ポリアミド、ポリアラミド、ポリエステル、ポリアクリル、ポリヒドロキシエーテル又はこれらのポリマーのコポリマーからなるのが好ましい。この縫い糸は、ポリエステル、ポリアミド又はポリヒドロキシエーテル又はこれらのポリマーのコポリマーからなるマルチフィラメントヤーンであるのが特に好ましい。
この縫い糸は、室温で≧５０％の破断点伸びを有する場合が有利である。この高い破断点伸びにより、本発明による多軸積層体の改善されたドレープ適性が達成でき、それにより複雑な構造又は複雑な部材も実現することができる。
縫い付けられ又は編み込まれた本発明による積層体の特別な実施態様の場合に、この縫い糸は、１０〜３５ｄｔｅｘの範囲内の繊度を有する。つまり、積層体中の縫い糸の繊度が所定の範囲内にある場合に、圧縮荷重に対する安定性が明らかに改善されることが判明した。これは、このような縫い糸の使用の場合に、個々の繊維層の繊維像が、公知の多軸繊維積層体よりも明らかに均質化されていることに起因する。特に、この強化ヤーンのフィラメントが、従来技術の積層体の場合のフィラメントよりもより直線的な延在を示すことを確認することができる。特に、この縫い糸は１０〜３０ｄｔｅｘの範囲内の繊度を有するのが好ましく、殊に１５〜２５ｄｔｅｘの範囲内の繊度を有するのが好ましい。
上述のように、この縫い糸は、メッシュを形成し、積層体のゼロ度方向を規定する。これらの層の強化ヤーンは、この積層体のゼロ度方向に対して対称に配置されていて、かつこの強化ヤーンの延在方向についてゼロ度方向に対して９０°ではなくまた０°ではない角度を形成する場合、本発明による多軸積層体を用いて製造された複合材料部材の圧縮荷重及び衝撃荷重に対する強度に関して、さらに意外にも、縫い糸により形成されるメッシュのステッチ長さｓが、ステッチ幅ｗに依存して、並びに本発明による多軸積層体中の強化ヤーンの角度α1に依存して、次の関係（Ｉ）及び（ＩＩ）を満たす場合に、特に良好な強度レベルが達成されることが確認された：
２ｍｍ≦ｓ≦４ｍｍ （Ｉ）
及び
この場合、乗数Ｂは、０．９≦Ｂ≦１．１の値を、ｎは０．５、１、１．５、２、３又は４の値を採ることができ、それによりｗ・｜ｔａｎ α1｜／２．３の小さな値に対しても、ステッチ幅ｓは式（Ｉ）により要求される範囲内にある。ステッチ幅ｗは、つまり縫い糸の間の距離であり、この場合、ｍｍで示される。
２ｍｍ≦ｓ≦４ｍｍ （Ｉ）
及び
角度α1とは、この場合、多軸積層体を上から見て最初の層の強化ヤーンがゼロ度方向に対して配置されている角度であり、前記層の強化ヤーンはゼロ度方向に対して９０°及び０°とは異なる１つの角度を有する。多軸積層体の最も上側の単数の層又は最も上側の複数の層の強化ヤーンが、ゼロ度方向に対して９０°又は０°の角度を有する場合には、この単数の層又はこの複数の層の直下に配置された層が考慮され、この層の強化ヤーンは９０°又は０°とは異なる角度を有する。
この積層体の層中でのマルチフィラメント強化ヤーンの繊維像、つまり繊維又はフィラメントの延在を調査する際に、条件（Ｉ）及び（ＩＩ）を維持する場合に、ヤーンの明らかに低減されたうねり及びヤーン束間の間隙の明らかに低減された出現を有する極めて均質な繊維の延在が生じることが確認された。このため、ヤーン束又は繊維ストランドの延在に沿って、縫い糸は繊維ストランドの幅にわたってできる限り異なる位置で繊維ストランドに突き通されることが明らかに重要となる。ステッチ長さ及びステッチ幅に関して条件（Ｉ）及び（ＩＩ）により定義された範囲外にある通常設定される値の場合に、強化ヤーンの延在に沿ったこの縫い糸の刺入は、ほぼ同じ繊維又は繊維フィラメントの間で又は繊維ストランド又は強化ヤーンの同じ領域の間で生じることが観察される。それにより、このヤーンの延在においてはっきりとしたうねり又はウェーブが生じ、かつフィラメント間での間隙が形成される。
全体として、本発明による低繊度の縫い糸を使用しかつ上述の条件（Ｉ）及び（ＩＩ）を維持する場合、この強化ヤーンの層を上から見て、この積層体中への縫い糸の刺入箇所により生じる繊維の偏向（ウェーブ角度とも言う）は、約２５％にまで低減させることができることが確認された。同時に、この生じるウェーブ面、つまりフィラメント又は糸が偏向を示す面及び領域は、約４０％減少し、高い樹脂の割合を生じさせかつ特に圧縮荷重の際に部材中の低い強度を生じさせる繊維間の空間はそれにより明らかに低減される。
同時に、本発明による多軸積層体を基礎とする複合ラミネートの顕微鏡写真に基づき、本発明による低繊度縫い糸の使用によって意外にも、強化ヤーンの層に対して垂直でかつ強化ヤーンに対して平行の観察方向で、強化フィラメントの延在の明らかな均質性を確認することができた。２３ｄｔｅｘの繊度を有する縫い糸を使用する場合に、ほぼ線形の延在が得られた。好ましい範囲外の繊度を有する縫い糸を使用する場合、すでに４８ｄｔｅｘの繊度で、複合ラミネートの上記の横断面で見て、全てのフィラメントは、強化フィラメントの層の厚さの大きさにおいて変動する振幅を有する極めて不安定な波形の延在を示した。
この場合、このステッチ長さは２ｍｍ及び４ｍｍの範囲内にあることができる。４ｍｍを越えるステッチ長さの場合には、本発明による積層体の十分な安定性はもはや保証されない。それに対して２ｍｍを下回ると、積層体中に多すぎる欠陥箇所が生じる。更に、多軸積層体の製造の経済性も著しく低下する。
本発明による積層体は、良好なドレープ適性及び良好な樹脂透過性により傑出している。更に、本発明による積層体は、圧縮荷重に対する高い安定性及び衝撃荷重に対する高い許容性を有する部材の製造を可能にする。従って、本発明による積層体は、特別に、複雑な繊維複合部材を製造するいわゆるプリフォームの製造のために適している。従って、本発明は、特に、本発明による積層体を含む繊維複合部材の製造のためのプリフォームにも関する。
Claims (17)
- 互いに平行に並んで配置されたマルチフィラメント強化ヤーンからなる、互いに積み重ねて配置された少なくとも２つの層からなり、マルチフィラメント強化ヤーンからなる層上に及び／又はその層間に熱可塑性ポリマー材料からなる不織布からなる少なくとも１つの層を有し、前記不織布は第１のポリマー成分と第２のポリマー成分とを有し、これらのポリマー成分の溶融温度が前記強化ヤーンの溶融温度又は分解温度を下回る積層体において、第１のポリマー成分は、第２のポリマー成分よりも低い溶融温度を有し、前記積層体にエポキシドマトリックス樹脂、シアナートエステルマトリックス樹脂又はベンゾオキサジンマトリックス樹脂又はこれらのマトリックス樹脂の混合物を含浸させる際に、第１のポリマーは、前記マトリックス樹脂又は前記マトリックス樹脂混合物中に可溶であり、第２のポリマー成分は不溶であることを特徴とする、積層体。
- 第２のポリマー成分は、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエステル、ポリブタジエン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアリールアミド、ポリケトン、ポリフタルアミド、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタラート又はポリエチレンテレフタラート又はコポリマー又はこれらのポリマーの混合物から選択されることを特徴とする、請求項１記載の積層体。
- 第１のポリマー成分は、エポキシマトリックス樹脂、シアナートエステルマトリックス樹脂、ベンゾオキサジンマトリックス樹脂、又はこれらのマトリックス樹脂と均質なマトリックスの組み込まれた部分となり、かつ第２のポリマー成分は、硬化したマトリックス樹脂中で独自の相を形成することを特徴とする、請求項１又は２項記載の積層体。
- 第１のポリマー成分は８０〜１３５℃の範囲内の溶融温度を有し、第２のポリマー成分は１４０〜２５０℃の範囲内の溶融温度を有することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の積層体。
- 前記不織布はハイブリッド不織布であることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の積層体。
- 第２のポリマー成分は、ポリアミドホモポリマー又はポリアミドコポリマー又はポリアミドホモポリマー及び／又はポリアミドコポリマーからなる混合物であることを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の積層体。
- ポリアミドホモポリマー又はポリアミドコポリマーは、ポリアミド６、ポリアミド６．６、ポリアミド６．１２、ポリアミド４．６、ポリアミド１１、ポリアミド１２又はポリアミド６／１２を基礎とするコポリマーである、請求項６記載の積層体。
- 第１のポリマー成分は、エポキシドマトリックス樹脂、シアナートエステルマトリックス樹脂又はベンゾオキサジンマトリックス樹脂と、前記マトリックス樹脂の架橋の際に化学的に反応するポリマーであることを特徴とする、請求項１から７までのいずれか１項記載の積層体。
- 第１のポリマー成分はポリヒドロキシエーテルであることを特徴とする、請求項８記載の積層体。
- 前記不織布は第１のポリマー成分を２〜４０質量％の割合で含有し、第２のポリマー成分を６０〜９８質量％の割合で含有することを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の積層体。
- 前記少なくとも１つの不織布層は、５〜２５ｇ／ｍ2の範囲内の単位面積重量を有することを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項記載の積層体。
- 前記マルチフィラメント強化ヤーンのそれぞれの層間に１つの不織布層が配置されていることを特徴とする、請求項１から１１までのいずれか１項記載の積層体。
- 前記マルチフィラメント強化ヤーンは、炭素繊維ヤーン、ガラス繊維ヤーン又はアラミドヤーン又は高延伸されたＵＨＭＷ−ポリエチレンヤーンであることを特徴とする、請求項１から１２までのいずれか１項記載の積層体。
- 互いに積み重ねて配置された複数の層の前記強化ヤーンは、層平面に対して垂直方向で見て、互いに一定の角度を形成することを特徴とする、請求項１から１３までのいずれか１項記載の積層体。
- マルチフィラメント強化ヤーンからなる前記層と少なくとも１つの前記不織布層は、互いに平行方向に延在しかつ互いに間隔を空けた縫い糸で、相互に結合されていることを特徴とする、請求項１から１４までのいずれか１項記載の積層体。
- 一方の層内の強化ヤーンと隣接する層内の強化ヤーンとが相互にステッチ幅ｗの間隔を空けた縫い糸によって相互に結合されかつ相互に固定されていて、前記縫い糸はステッチ長さｓのメッシュを形成しかつ前記縫い糸によって前記積層体のゼロ度方向が規定され、前記層の強化ヤーンは前記積層体のゼロ度方向に関して対称に配置されていて、かつ前記強化ヤーンの延在方向についてはゼロ度方向に対して、９０°とは異なりかつ０°とは異なる角度αを形成し、前記縫い糸は１０〜３５ｄｔｅｘの範囲内の繊度を有し、前記縫い糸のステッチ長さｓは、前記ステッチ幅並びに強化ヤーンの角度α1に依存して、次の関係（Ｉ）及び（ＩＩ）：
２ｍｍ≦ｓ≦４ｍｍ （Ｉ）
ｗ＝ステッチ幅［ｍｍ］、
０．９≦Ｂ≦１．１及び
ｎ＝０．５；１；１．５；２；３又は４］を満たし、
及び、角度α1とは、多軸積層体を上から見て最初の層の強化ヤーンがゼロ度方向に対して配置されている角度であり、前記層の強化ヤーンはゼロ度方向に対して９０°及び０°とは異なる１つの角度を有することを特徴とする、請求項１５記載の積層体。 - 複合材料部材を製造するためのプリフォームであって、前記プリフォームは請求項１から１６までのいずれか１項記載の積層体を有することを特徴とする、複合材料部材を製造するためのプリフォーム。
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