JP6045566B2 - 繊維ロービングを含浸するためのダイの含浸区分及び方法 - Google Patents

繊維ロービングを含浸するためのダイの含浸区分及び方法 Download PDF

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Description

[0001]繊維ロービングは広範な用途で使用されてきた。たとえば、そのようなロービングは繊維強化複合ロッド(fiber-reinforced composite rod)を成形するのに利用されてきた。ロッドは軽量の構造補強材として利用することができる。たとえば電力供給パイプライン(power umbilical)は、海底に設置された装置と海面との間の流体及び/または電気シグナルの伝達で使用されることが多い。そのような供給パイプラインを強化し易くするために、別々の載荷部材(load carrying element)として引き抜き成形した炭素繊維ロッドを使用する試みがなされてきた。
[0002]繊維ロービングの使用に特に向いている別の用途は、形材(profile)の成形である。形材は広範な断面形状をもつ引抜成形部品であり、窓の線(window lineal)、敷板(decking plank)、手すり、手すり子(baluster)、屋根タイル、羽目板(siding)、飾り板、パイプ、垣根、標柱(post)、軽量標柱、高速道路信号、路辺標示柱(roadside marker post)用の構造部材として使用することができる。中空形材は、樹脂の中を通して連続繊維ロービングを引張り(引き抜き(pultruding))、次いで引き抜きダイの中に前記繊維強化樹脂を造形することによって成形されてきた。
[0003]さらに、繊維ロービングは通常、好適な繊維強化プラスチックなどを成形するための任意の好適な用途で利用することができる。当業界では一般的に公知のように、これらの用途で利用されるロービングは通常、ポリマー樹脂と組み合わされている。
[0004]しかし、現在公知のロービング及び、そのようなロービングを利用する用途に関しては、多くの重大な問題がある。たとえば、多くのロービングは、所望の強度特性を達成し易くするために、熱硬化性樹脂(たとえばビニルエステル)に依存している。熱硬化性樹脂は、製造の間に使用するのが困難であり、他の材料と一緒に層を成形するのに良好な結合特性をもっていない。さらに、他のタイプの用途で熱可塑性ポリマーからロービングを成形するための試みもなされてきた。たとえば米国特許公開第2005/0186410号(Bryantら)(特許文献１)は、送電ケーブルの複合コアを成形するために、炭素繊維を熱可塑性樹脂に埋め込む試みについて記載している。意外にも、Bryantらは繊維が不十分に湿潤するため、これらのコアは傷やあれ(dry spot)を示し、これによって耐久性及び強度が低いことに言及している。そのようなコアに関する別の問題は、熱可塑性樹脂は高温では操作できないということである。
[0005]それ故に、目下、繊維ロービングを含浸するためのダイの改善された含浸区分及び方法に対する必要性が存在する。特に、現在、特定の用途に要求される所望の強度、耐久性及び温度性能を提供する繊維ロービングを製造する含浸区分及び方法に対する必要性が存在する。
米国特許公開第2005/0186410号(Bryantら)
[0006]本発明の一態様に従って、複数の繊維ロービングにポリマー樹脂を含浸するためのダイの含浸区分を開示する。この含浸区分は、含浸ゾーンとゲート通路を包含する。含浸ゾーンは、複数のロービングに樹脂を含浸するように構成されている。ゲート通路は、樹脂がゲート通路に面する複数のロービングそれぞれの表面に衝突して、複数のロービングを実質的に均一にコーティングするように、含浸ゾーンの中を通して樹脂を流すために含浸ゾーンと流体連通している。
[0007]本発明の別の態様に従って、複数の繊維ロービングにポリマー樹脂を含浸するための方法を開示する。本方法は、複数の繊維ロービングの表面上にポリマー樹脂を衝突させること、及び複数のロービングを樹脂で均一にコーティングすることを包含する。本方法はさらに、複数の樹脂でコーティングされたロービングを含浸するために、含浸ゾーンの中を通して複数のコーティング済ロービングを横に移動させる(traverse)ことを包含する。複数のロービングはそれぞれ、含浸ゾーン内では、約5ニュートン〜約300ニュートンの張力下にある。
[0008]本発明の他の特徴及び側面は、以下詳細に記載する。
[0009]当業者にとってその最適形態を含む本発明の完全且つ権限を付与される開示は、付記図面を参照して、本明細書の以下の部分で詳細に説明する。
これらに限定されるものではないが、本発明は以下の態様の発明を包含する。
［１］複数の繊維ロービング(142)にポリマー樹脂(214)を含浸するためのダイ(150)の含浸区分であって、
複数のロービング(142)に樹脂(214)を含浸するように構成されている含浸ゾーン(250)；及び
樹脂(214)がゲート通路(270)に面する複数のロービング(142)それぞれの表面(216)に衝突し、複数のロービング(142)を実質的に均一コーティングするように、その中を通して樹脂(214)を流すための含浸ゾーン(250)と流体連通しているゲート通路(270)を含む、前記含浸区分。
［２］ゲート通路(270)が含浸ゾーン(250)に対して垂直に伸長する、［１］に記載の含浸区分。
［３］ゲート通路(270)の少なくとも一部は、樹脂(214)の流れ方向(244)の断面プロフィールが徐々に縮小する、［１］または［２］のいずれかに記載の含浸区分。
［４］前記含浸ゾーン(250)が複数の接触面(252)を含む、［１］〜［３］のいずれかに記載の含浸区分。
［５］前記含浸ゾーン(250)は２〜５０の接触面(252)を含む、［４］に記載の含浸区分。
［６］前記複数の接触面(252)のそれぞれが曲線の接触面を含む、［４］または［５］に記載の含浸区分。
［７］前記複数の接触面(252)のそれぞれは、複数のロービング(142)が１度〜30度の範囲のある角度(254)で接触面(252)を横に移動するように構成される、［４］、［５］または［６］に記載の含浸区分。
［８］前記含浸ゾーン(250)は波形の断面プロフィールをもつ、［１］〜［７］のいずれかに記載の含浸区分。
［９］含浸ゾーン(250)は複数のピン(260)を含む、［１］〜［８］のいずれかに記載の含浸区分。
［１０］前記複数のピン(260)のそれぞれは、固定されている、［９］に記載の含浸区分。
［１１］前記複数のピン(260)のそれぞれが回転駆動される、［９］に記載の含浸区分。
［１２］第一の内部表面(257)を画定する第一のプレート(256)と、前記第一のプレート(256)から相隔てられ、且つ第二の対立する内部表面(259)を画定する第二のプレート(258)をさらに含み、ここで前記含浸ゾーン(250)は前記第一のプレート(256)と第二のプレート(258)との間で画定され、前記含浸ゾーン(250)は、前記第一の内部表面(257)または第二の内部表面(259)の一方のみの上で画定された複数の接触面(252)を含む、［１］〜［１１］のいずれかに記載の含浸区分。
［１３］複数のロービング(142)の走行方向(282)で含浸ゾーン(250)の下流にランドゾーン(280)をさらに含む、［１］〜［１２］のいずれかに記載の含浸区分。
［１４］前記ランドゾーン(280)の少なくとも一部は、走行方向(282)の断面プロフィールが徐々に増大する、［１３］に記載の含浸区分。
［１５］前記含浸ゾーン(250)に隣接している面板(290)をさらに含み、前記面板(290)は複数のロービング(142)内の過剰の樹脂(214)を計量するように構成されている、［１］〜［１４］のいずれかに記載の含浸区分。
［１６］前記樹脂(214)は熱可塑性樹脂(214)である、［１］〜［１５］のいずれかに記載の含浸区分。
［１７］前記樹脂(214)が熱硬化性樹脂(214)である、［１］〜［１５］のいずれかに記載の含浸区分。
［１８］複数の繊維ロービング(142)にポリマー樹脂(214)を含浸する方法であって、
複数の繊維ロービング(142)の表面(216)上にポリマー樹脂(214)を衝突させる；
前記複数のロービング(142)に樹脂(214)を実質的に均一にコーティングする；及び
複数のコーティング済ロービング(142)に樹脂(214)を含浸するために、含浸ゾーン(250)の中を通して複数のコーティング済ロービング(142)を横に移動させる、各段階を含み、ここで前記複数のロービング(142)のそれぞれは含浸ゾーン(250)内で約5ニュートン〜約300ニュートンの張力下にある、前記方法。
［１９］ゲート通路(270)の中を通して樹脂(214)を流すことをさらに含み、ここで前記ゲート通路(270)の少なくとも一部は、樹脂(214)の流れ方向(244)の断面プロフィールが徐々に縮小する、［１８］に記載の方法。
［２０］前記複数のロービング(142)は前記含浸ゾーン(250)からランドゾーン(280)の中を通って横に移動し、前記ランドゾーン(280)は、複数のロービング(142)の走行方向(282)の含浸ゾーン(250)の下流に配置されている、［１８］または［１９］に記載の方法。
[0010]図１は、本発明で使用するための含浸システムの一態様の略図である。 [0011]図２は、本発明で使用するためのダイの一態様の斜視図である。 [0012]図３は、本発明で使用するためのダイの一態様の反対側の斜視図である。 [0013]図４は、図２に示されているダイの断面図である。 [0014]図５は、本発明で使用しえるダイの多岐管アセンブリ及びゲート通路の一態様の分解図である。 [0015]図６は、本発明で使用しえる多岐管アセンブリの一態様の平面図である。 [0016]図７は、本発明で使用しえる多岐管アセンブリの別の態様の平面図である。 [0017]図８は、本発明で使用しえる多岐管アセンブリの別の態様の平面図である。 [0018]図９は、本発明で使用しえる多岐管アセンブリの別の態様の平面図である。 [0019]図１０は、本発明で使用しえる多岐管アセンブリの別の態様の平面図である。 [0020]図１１は、本発明で使用しえる多岐管アセンブリの別の態様の平面図である。 [0021]図１２は、本発明で使用しえる含浸ゾーンを少なくとも部分的に画定しているプレートの一態様の斜視図である。 [0022]図１３は、本発明で使用しえる含浸ゾーンの一部の一態様の、図４に示されているような拡大断面図である。 [0023]図１４は、本発明で使用しえる含浸ゾーンの一部の別の態様の拡大断面図である。 [0024]図１５は、本発明で使用しえる含浸ゾーンの一部の別の態様の拡大断面図である。 [0025]図１６は、本発明で使用しえる含浸ゾーンの一部の別の態様の拡大断面図である。 [0026]図１７は、本発明で使用しえる含浸ゾーンの一部の別の態様の拡大断面図である。 [0027]図１８は、本発明で使用しえるランドゾーンの一態様の斜視図である。 [0028]図１９は、本発明で使用しえるランドゾーンの別の態様の斜視図である。 [0029]図２０は、本発明で使用するための強化リボンの一態様の斜視図である。 [0030]図２１は、図２０に示されているリボンの断面図である。
[0031]本明細書及び図面における参照文字を繰り返して使用するとき、本発明の同一または類似の特徴または部材を示すことを目的とする。
[0032]当業者は、この議論は単なる例示的な態様の記載であって、本発明のより広い側面を限定しようとするものではないことは理解すべきである。
[0033]一般に、本発明は繊維ロービングにポリマー樹脂を含浸するダイの含浸区分及び方法に関する。含浸繊維ロービングは複合ロッド、形材または、任意の他の好適な繊維強化プラスチック用途に利用することができる。本発明に従った含浸区分は、一般に、含浸ゾーン(impregnation zone)及びゲート通路を包含する。樹脂はゲート通路の中を通して流れ、これは含浸ゾーンと流体連通している。ロービングは、ゲート通路を出る際に、樹脂がゲート通路に面しているロービング表面上に衝突し、ロービングを実質的に均一コーティングするように、ダイの中を通って横に移動する。樹脂でコーティングされた後、ロービングは含浸ゾーンの中を通って横に移動し、その中で樹脂で含浸される。
[0034]本発明のさらなる側面に従って、押出装置は、ロービングにポリマーを含浸するためのダイと併せて使用することができる。特に、押出装置は、以下に述べるように、ポリマーを繊維の全表面に適用する能力をさらに促進する。
[0035]図１を参照すると、そのような押出装置の一態様が示されている。特に本装置は、バレル122の内部に据え付けられたスクリューシャフト124を含む押出機120を包含する。ヒーター130(たとえば電気抵抗ヒーター)を、バレル122の外側に据え付ける。使用する間は、ポリマー供給原料127は、ホッパー126の中を通して押出機120に供給する。供給原料127はスクリューシャフト124によりバレル122内側に運ばれて、バレル122内の摩擦熱とヒーター130により加熱される。加熱されると、供給原料127はバレルフランジ128の中を通ってバレル122を出て、含浸ダイ150のダイフランジ132に入る。
[0036]連続繊維ロービング142または複数の連続繊維ロービング142は、単数または複数のリール144からダイ150に供給される。ロービング142は通常、含浸前に並べて配置され、隣接するロービングとの距離は最小〜すぐ近く(no distance)である。供給原料127はさらに、ダイ150に、またはその周囲に据え付けられたヒーター133によりダイの内側で加熱することができる。ダイは通常、ポリマーの融解温度をもたらす及び/または維持するのに十分な温度で操作し、これによってポリマーによるロービングの所望のレベルの含浸が可能になる。通常、ダイの操作温度はポリマーの融解温度よりも高く、たとえば約200℃〜約450℃の温度である。このようにして加工すると、連続繊維ロービング142はポリマーマトリックス内に埋め込まれ、これは供給原料127から加工された樹脂214(図4)でありえる。次いでこの混合物は、湿潤複合体または押出物152として含浸ダイ150から出る。
[0037]本明細書中で使用するように、「ロービング(roving)」なる用語は、通常、個別(individual)繊維の束をさす。ロービング内に含まれる繊維は撚ることができるか、まっすぐであることができる。ロービングは、単一種の繊維(single fiber type)または異なる種類の繊維を含むことができる。異なる繊維は個別ロービングで使用することができるか、あるいは、ロービングのそれぞれが、異なる繊維種を含むことができる。ロービングで使用される連続繊維は、その質量に対して高度の引張り強さをもつ。たとえば、繊維の極限引張り強さ(ultimate tensile strength)は通常、約1,000〜約15,000メガパスカル(MPa)であり、態様によっては約2,000MPa〜約10,000MPaであり、態様によっては約3,000MPa〜約6,000MPaである。そのような引張り強さは、繊維が比較的軽量、たとえば約0.05〜約2グラム/メートル、態様によっては約0.4〜約1.5グラム/メートルの単位長さ当たりの質量(mass per unit length)であっても達成することができる。引張り強さ対単位長さ当たりの質量の比はかくして、約1,000メガパスカル/グラム/メートル(MPa/g/m)以上であり、態様によっては約4,000MPa/g/m以上であり、態様によっては約5,500〜約20,000MPa/g/mである。そのような高い引張り強さの繊維は、たとえば金属繊維、ガラス繊維(たとえばE-ガラス、A-ガラス、C-ガラス、D-ガラス、AR-ガラス、R-ガラス、S1-ガラス、S2-ガラスなど)、炭素繊維(たとえばアモルファス炭素、グラファイト炭素、または金属-コーティング化炭素など)、ホウ素繊維、セラミック繊維(たとえばアルミナまたはシリカ)、アラミド繊維(たとえばKevlar(登録商標)、E.I.duPont de Nemours製, Wilmington, Del.)、合成有機繊維(たとえばポリアミド、ポリエチレン、パラフェニレン、テレフタルアミド、ポリエチレンテレフタレート及びポリフェニレンスルフィド)、並びに熱可塑性及び/または熱硬化性組成物を強化することに関して公知の様々な他の天然または合成の無機または有機繊維状材料でありえる。炭素繊維は連続繊維として使用するのに特に好適であり、これは通常、約5,000〜約7,000MPa/g/mの範囲の引張り強度対質量比をもつ。連続繊維は、約4〜約35マイクロメートルの公称直径、態様によっては約9〜約35マイクロメートルの公称直径をもつことが多い。各ロービングに含まれる繊維の数は一定であるか、ロービングごとに変動することがある。通常、ロービングは個別の繊維を約1,000本〜約50,000本、態様によっては約5,000本〜約30,000本含む。
[0038]様々な熱可塑性または熱硬化性ポリマーのいずれかを使用して、連続繊維が埋め込まれる熱可塑性マトリックスを成形することができる。本発明で使用するのに好適な熱可塑性ポリマーとしては、たとえばポリオレフィン類(たとえばポリプロピレン、プロピレン-エチレンコポリマーなど)、ポリエステル類(たとえばポリブチレンテレフタレート(PBT))、ポリカーボネート、ポリアミド(たとえばNylon(商標))、ポリエーテルケトン(たとえばポリエーテルエーテルケトン(PEEK))、ポリエーテルイミド、ポリアリーレンケトン(たとえばポリフェニレンジケトン(PPDK))、液晶ポリマー、ポリアリーレンスルフィド(たとえばポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリ(ビフェニレンスルフィドケトン)、ポリ(フェニレンスルフィドジケトン)、ポリ(ビフェニレンスルフィド)など)、フルオロポリマー類(たとえばポリテトラフルオロエチレン-パーフルオロメチルビニルエーテルポリマー、パーフルオロ-アルコキシアルカンポリマー、ぺトラフルオロエチレンポリマー(petrafluoroethylene polymer)、エチレン-テトラフルオロエチレンポリマーなど)、ポリアセタール、ポリウレタン、ポリカーボネート、スチレン性ポリマー(たとえばアクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS))などを挙げることができる。
[0039]マトリックスの特性は通常、加工性及び性能の所望の組み合わせ(combination)を達成するように選択される。たとえば、ポリマーマトリックスの溶融粘度は通常、ポリマーが繊維を好適に含浸できるように十分に低い。この点において、溶融粘度は通常、ポリマーに関して使用される操作条件(たとえば約360℃)で測定して、約25〜約1,000パスカル-秒(Pascal-second：Pa-s)、態様によっては50〜約500Pa-s、態様によっては約60〜約200Pa-sを変動する。同様に、含浸ロービングを高温を含む用途(たとえば高圧送電ケーブル)で使用しようとするときは、比較的高い融解温度を持つポリマーを使用する。たとえばそのような高温ポリマーの融解温度は約200℃〜約500℃、態様によっては約225℃〜約400℃、態様によっては約250℃〜約350℃を変動しえる。
[0040]ポリアリーレンスルフィドは、所望の溶融粘度を持つ高温マトリックスとして本発明での使用に特に好適である。たとえばポリフェニレンスルフィドは、通常、以下の一般式：
Figure 0006045566
により表される繰り返しモノマー単位を含む半結晶質樹脂である。
[0041]これらのモノマー単位は通常、ポリマー中、繰り返し単位の少なくとも80モル％、態様によっては少なくとも90モル％を構成する。しかしながら、ポリフェニレンスルフィドは、本明細書中、その全体がすべての目的に関して参照として含まれる米国特許第5,075,381号(Gotohら)に記載されているような追加の繰り返し単位を含むことができる。使用する場合、そのような追加の繰り返し単位は、通常、ポリマーのわずかに約20モル％を構成する。市販の高溶融粘度ポリフェニレンスルフィドは、商品名FORTRON(登録商標)のもと、Ticona LLC(Florence、ケンタッキー)より入手可能なものを含むことができる。そのようなポリマーは、約285℃の融解温度(ISO11357-1,2,3に従って測定)及び、310℃で約260〜約320パスカル-秒の溶融粘度を持つことができる。
[0042]圧力センサ137(図2及び3)は含浸ダイ150の近くの圧力を検知して、スクリューシャフト124の回転速度、またはフィーダーの供給速度を制御することにより、押出速度を制御できるようにする。すなわち、押出機120が繊維ロービング142との相互作用に関して正確な量の樹脂214を送達するために操作できるように、圧力センサ137は含浸ダイ150の近く、たとえば多岐管アセンブリ220の上流に配置される。含浸ダイ150を離れた後、押出物152、または含浸繊維ロービング142は任意選択の予備造形、または誘導区分(示されていない)に入ってから、二つの隣接するローラー190の間に形成されたニップに入ることができる。任意選択であるが、ローラー190は押出物152をリボン形状に強化(consolidate)し、並びに繊維の含浸を促進し、過剰の空隙を絞り出しやすくできる。ローラー190に加えて、他の造形装置、たとえばダイシステムも使用することができる。得られた強化リボン156はローラー上に据え付けられたトラック162と164により引っ張られる。トラック162及び164も、含浸ダイ150から、及びローラー190の中を通して押出物152を引っ張る。所望により、強化リボン156は区分171で巻き取ることができる。一般的に言えば、リボンは比較的薄く、通常約0.05〜約1ミリメートル、態様によっては約0.1〜約0.8ミリメートル、態様によっては約0.2〜約0.4ミリメートルの厚さを有する。
[0043]本開示に従ったダイの一態様の斜視図は、図２及び３に示されている。示されているように、樹脂214は、樹脂の流れ方向244により示されているようにダイ150の中に流れる。樹脂214はダイ150の中に分配され、そしてロービング142と相互作用する。ロービング142はロービング走行方向282でダイ150の中を通って横に移動され、そして樹脂214でコーティングされる。次いでロービング142は樹脂214で含浸されて、これらの含浸ロービング142はダイ150を出る。
[0044]含浸ダイの中では、ロービングにポリマー樹脂214を含浸するために、含浸ゾーン250の中を通ってロービング142が横に移動するのが通常、好ましい。含浸ゾーン250では、ポリマー樹脂は通常、含浸ゾーン250に作り出された剪断力と圧力とによりロービングの中を通って横方向に推し進められて、これにより含浸の程度を大きく増進させる。これは、高い繊維含有量、たとえば約35％重量分率(weight fraction：Wf)以上、態様によっては約40％Wf以上のリボンから複合体を成形する際に特に有用である。通常、ダイ150は複数の接触面252、たとえば少なくとも2つ、少なくとも3つ、4〜7つ、2〜20、2〜30、2〜40、2〜50、またはより多くの接触面252を含んで、ロービング142上に十分な程度の浸透力及び圧力を作りだす。これらの特有の形状は変動することができるが、接触面252は通常、湾曲した突出部片(curved lobe)、ピンなどの曲線のある表面をもつ。接触面252も通常、金属材料から製造される。
[0045]図４は、含浸ダイ150の断面図を示す。示されているように、含浸ダイ150は、多岐管アセンブリ220及び含浸区分を含むことができる。含浸区分は、ゲートアセンブリ270及び含浸ゾーン250を包含する。多岐管アセンブリ220は、その中を通ってポリマー樹脂214が流れるように設けられている。たとえば多岐管アセンブリ220は、チャネル222または複数のチャネル222を含むことができる。含浸ダイ150に提供される樹脂214は、チャネル222の中を通って流れることができる。
[0046]図５〜１１に示されているように、例示的な態様では、チャネル222のそれぞれの一部は曲線をなすことができる。曲線部分によって、多岐管アセンブリ220の中を通って樹脂214を分配するために様々な方向に樹脂214を比較的滑らかに向けなおす(redirection)ことができ、チャネル222の中を通って樹脂214を比較的滑らかに流すことができる。あるいは、チャネル222は線状でありえ、樹脂214を向けなおすのは、チャネル222の直線部分の間の比較的角張った移行領域を経ることができる。チャネル222は任意の好適な形状、サイズ及び/または輪郭を有することができると理解すべきである。
[0047]図５〜１１に示されているように、例示的な態様では、複数のチャネル222は複数の分岐ランナー222でありえる。ランナー222は、第一の分岐ランナー群232を含むことができる。前記第一の分岐ランナー群232は、樹脂214を多岐管アセンブリ220に提供する最初の単数または複数種類のチャネル222から分岐している複数のランナー222を含むことができる。第一の分岐ランナー群232は、最初のチャネル222から分岐する2つ、3つ、4つまたはそれ以上のランナー222を含むことができる。
[0048]所望により、ランナー222は、図５及び７〜１１に示されているように、第一の分岐ランナー群232から分岐する第二の分岐ランナー群234を含むことができる。たとえば、第二の分岐ランナー群234からの複数のランナー222は、第一の分岐ランナー群232の一つ以上のランナー222から分岐することができる。第二の分岐ランナー群234は、第一の分岐ランナー群232のランナー222から分岐する２つ、３つ、４つ以上のランナー222を含むことができる。
[0049]所望により、ランナー222は、図５及び８〜９に示されているように、ダイ二の分岐ランナー群234から分岐する第三の分岐ランナー群236を含むことができる。たとえば、第三の分岐ランナー群236からの複数のランナー222は、第二の分岐ランナー群234の一つ以上のランナー222から分岐することができる。第三の分岐ランナー群236は、第二の分岐ランナー群234のランナー222から分岐する２つ、３つ、４つ以上のランナー222を含むことができる。
[0050]図５〜１１に示されているように、例示的な態様によっては、複数の分岐ランナー222は、中心軸224に沿って対称の位置づけになっている。分岐ランナー222及びその対称の位置づけは、多岐管アセンブリ220を出て、ロービング142をコーティングする樹脂214の流れが実質的にロービング142上に均一に分配されるような具合に、樹脂214を均一に分配する。これによって、通常、ロービング142の均一な含浸が可能になる。
[0051]さらに、多岐管アセンブリ220は、態様によっては出口領域242を画定する。出口領域242は、樹脂214が多岐管アセンブリ220を出る多岐管アセンブリ220のその部分である。従って、出口領域242は、通常、樹脂214が出るチャネルまたはランナー222の少なくとも下流部分を含む。態様によっては、図５〜１０に示されているように、出口領域242に配置されたチャネルまたはランナー222の少なくとも一部は、樹脂214の流れ方向244の面積が次第に増加する。面積が次第に増加すると、樹脂214が多岐管アセンブリ220の中を通って流れるにつれて樹脂214を拡散でき、より分配することができるので、ロービング142上に樹脂214を実質的に均一に分配できる。これに加えて、またはあるいは、出口領域242に配置された様々なチャネルまたはランナー222は、図１１に示されているように、樹脂214の流れ方向244に一定の面積を持つことができ、また、樹脂214の流れ方向244の面積が減少することもできる。
[0052]図５に示されているように、態様によっては、出口領域242に配置されたチャネルまたはランナー222のそれぞれは、そこから流れる樹脂214が、出口領域242に配置された他のチャネルまたはランナー222からの樹脂214と混和する(combine)ように配置される。出口領域242に配置された様々なチャネルまたはランナー222から樹脂214が混和することにより、多岐管アセンブリ220から樹脂214の単一且つ均一に分配した流れを生み出して、ロービング142を実質的に均一にコーティングする。あるいは、図１０及び１１に示されているように、出口領域242に配置された様々なチャネルまたはランナー222は、そこから流れる樹脂214が、出口領域242に配置された他のチャネルまたはランナー222からの樹脂214とは別々になる(discrete)ように配置することができる。これらの態様において、複数の別々の、しかし通常、均一分配された樹脂の流れ214は、ロービング142を実質的に均一にコーティングするための多岐管アセンブリ220により生み出すことができる。
[0053]図４に示されているように、出口領域242に配置されたチャネルまたはランナー222の少なくとも一部は、曲線の断面プロフィールをもつ。これらの曲線プロフィールにより、樹脂214は、チャネルまたはランナー222からロービング142の方へ、通常、徐々に下向きに向けることができる。あるいは、これらのチャネルまたはランナー222は、任意の好適な断面プロフィールをもつことができる。
[0054]本開示は、多岐管アセンブリ220の上記開示の態様に限定されないと理解すべきである。むしろ、任意の好適な多岐管アセンブリ220は本開示の趣旨及び範囲内に含まれる。特に、コートハンガー、馬蹄、フレックスフリップ(flex-flip)または調節可能なスロット多岐管アセンブリなどの、通常、樹脂214の均一分配を提供しえる多岐管アセンブリ220は、本開示の趣旨及び範囲内である。
[0055]図４及び５にさらに示されているように、多岐管アセンブリ220の中を通って流れた後、樹脂214はゲート通路270の中を通って流れることができる。ゲート通路270は多岐管アセンブリ220と含浸ゾーン250との間に配置され、樹脂214がロービング142をコーティングするように、多岐管アセンブリ220から樹脂214を流すために設けられる。従って、たとえば出口領域242の中通って多岐管アセンブリ220を出る樹脂214は、ゲート通路270に入り、その中を通って流れることができる。
[0056]図４に示されているように、態様によっては、ゲート通路270は、多岐管アセンブリ220と含浸ゾーン250との間を垂直に伸長する。あるいは、ゲート通路270は、樹脂214がその中を通って流れるように、垂直と水平との間の任意の好適な角度で伸長することができる。
[0057]さらに図４に示されているように、態様によっては、ゲート通路270の少なくとも一部は、樹脂214の流れ方向244で断面プロフィールが縮小する。ゲート通路270の少なくとも一部がテーパー状になっていると、その中を通って流れる樹脂214の流速が増加してからロービング142と接触できるので、ロービング142上で樹脂214を衝突(impinge)させることができる。樹脂214によるロービング142の初期衝突により、以下に記載するように、ロービングのさらなる衝突を提供する。さらに、ゲート通路270の少なくとも一部がテーパー状になっていると、ゲート通路270と多岐管アセンブリ220の背圧を増加することができ、これにより樹脂214がより均一に分配して、ロービング142をコーティングすることができる。あるいは、ゲート通路270は、所望によりまたは必要により、増加する断面プロフィールまたは、通常一定の断面プロフィールをもつことができる。
[0058]図６に示されているように、ダイ150の多岐管アセンブリ220及びゲート通路270を出ると、樹脂214は、ダイ150の中を通って横に移動するロービング142と接触する。上記のように、多岐管アセンブリ220及びゲート通路270に樹脂214が分配されるため、樹脂214はロービング142を実質的に均一にコーティングすることができる。図１３〜１７に示されているように、さらに態様によっては、樹脂214はロービング142のそれぞれのゲート通路270に面している上部表面216、若しくは表面216、またはロービング142それぞれの下部表面、またはロービング142それぞれの上部及び下部表面の両方に衝突することができる。ロービング142上で最初に衝突することによって、さらにロービング142に樹脂214を含浸する。ロービング142上での衝突は、樹脂がロービング142に衝突するときは樹脂214の速度、樹脂が多岐管アセンブリ220若しくはゲート通路270を出るときはロービング142の樹脂214への近接性、または他の様々な変数により促進することができる。
[0059]図４に示されているように、コーティング済ロービング142は、含浸ゾーン250の中を通って走行方向282に横に移動する。含浸ゾーン250は、たとえばその間に配置されたゲート通路270の中を通って多岐管アセンブリ220と流体連通している。含浸ゾーン250は、ロービング142に樹脂214を含浸するように構成されている。
[0060]たとえば上述のように、図４及び１２〜１７に示されているように態様によっては、含浸ゾーン250は複数の接触面252を包含する。ロービング142は、含浸ゾーンの接触面252上を横に移動する。接触面252上にロービング142が衝突すると、ロービング142をコーティングする樹脂214をロービング142に浸み込ませるのに十分な剪断力と圧力を生み出す。
[0061]図４及び図１３〜１７に示されているように、態様によっては、含浸ゾーン250は、二つの相隔たって対立するプレート256と258の間に画定される。第一のプレート256は第一の内部表面257を画定し、第二のプレート258は第二の内部表面259を画定する。含浸ゾーン250は第一のプレート256と第二のプレート258との間に画定される。接触面252は、第一及び第二の内部表面257と259の両方の上で画定されるか、若しくはその両方から伸長するか、または第一及び第二の内部表面257と259の一方のみの上で画定されるか、若しくはそこから伸長することができる。
[0062]図４、１３及び１５〜１７に示されているように、例示的な態様では、接触面252は、ロービングが第一及び第二の表面257と259の上の接触面252上で交互に衝突するように、第一及び第二の表面257と259上で交互に画定することができる。かくして、ロービング142は、波形、蛇行または正弦曲線型の通路で接触面252を通過して、これにより剪断力が増強する。
[0063]ロービング142が接触面252を横断する角度254は、通常、剪断力及び圧力を増強するのに十分に大きくてもよいが、繊維を破壊する過剰な力をもたらすほど大きくてはいけない。かくして、たとえば角度254は約1°〜約30°の範囲、態様によっては約5°〜約25°の範囲でありえる。
[0064]上記のように、接触面252は通常、湾曲した突出部片、ピンなどの曲線のある表面をもつ。さらに多くの例示的な態様では、含浸ゾーン250は波形の断面プロフィールをもつ。図４、１２及び１３に示されているように例示的な態様では、接触面252は第一及び第二のプレート256及び258の両方の波形表面の一部を形成し、波形の断面プロフィールを画定する突出部(lobe)である。図１２は、これらの態様に従った含浸ゾーン250の少なくとも一部を形成する、その上の第二のプレート258及び様々な接触面を示す。
[0065]図１４に示されているように他の態様では、接触面252は、第一または第二のプレート256または258のたった一方が波形表面の一部を形成する突出部である。これらの態様において、衝突は、一つのプレートの表面上の接触面252の上でのみ起きる。もう一つのプレートは、通常、平坦であるか、またはコーティング済ロービングと相互作用が全くおきないように形作ることができる。
[0066]図１５〜１７に示されているように他の態様では、含浸ゾーン250は、複数のピン(またはロッド)260を含むことができ、それぞれのピンは接触面252を有する。ピン260は、図１５及び１６に示されているように固定(static)されているか、自由回転であるか(示されていない)、または図１７に示されているように回転駆動でありえる。ピン260は、図１５に示されているように、含浸ゾーンを画定しているプレート表面に直接据え付けることができるか、または図１６及び１７に示されているように表面から隔てることができる。ピン260はヒーター133により加熱することができるか、または個別に若しくは所望により若しくは必要により加熱することができることに留意すべきである。さらにピン260はダイ150内に含まれるか、またはダイ150から外側に伸長することができ、その中に完全に包み込まれなくてもよい。
[0067]さらなる態様では、接触面252及び含浸ゾーン250は、所望により若しくは必要により、ロービング142に樹脂214を含浸するための任意の好適な形状及び/または構造体を含むことができる。
[0068]ロービング142をさらに含浸し易くするために、これらはダイ150の中、特に含浸ゾーン250の中にある間は、張力下に保持することもできる。たとえば張力は、ロービング142当たり、または繊維のトウ当たり、約5〜約300ニュートンを変動し、態様によっては約50〜約250ニュートン、態様によっては約100〜約200ニュートンを変動しえる。
[0069]図４並びに図１８及び１９に示されているように、態様によってはランドゾーン(land zone)280は、ロービング142の走行方向282の含浸ゾーン250下流に配置することができる。ロービング142はランドゾーン280の中を通って横に移動してから、ダイ150を出ることができる。図１８に示されているように、態様によっては、ランドゾーン280の面積が増加するように、ランドゾーン280の少なくとも一部は走行方向282に増加する断面プロフィールをもつことができる。増加する部分は、ロービング142がダイ150を出やすくするために、ランドゾーン280の下流部分でありえる。あるいは、断面プロフィールまたはその任意の部分は縮小することができるか、図１９に示されているように一定であることができる。
[0070]図４にさらに示されているように、態様によっては、面板290は含浸ゾーン250に隣接することができる。面板290は通常、含浸ゾーン250、含まれる場合には走行方向282のランドゾーン280の下流に配置することができる。面板290は通常、ロービング142から余分の樹脂214を計量(meter)するように構成される。かくしてロービング142がその中を通って横に移動する面板290の開口部は、ロービング142がその中を通って横断するときに、開口部のサイズが、ロービング142から余分の樹脂214を除去するような大きさにすることができる。
[0071]さらに他の構成成分を場合により使用して、繊維の含浸を助けることができる。たとえば、「ガスジェット」アセンブリを特定の態様で使用して、個別の繊維のロービングを均等に分散しやすくすることができ、これは合体させたトウの幅全体にわたって、24,000本もの繊維まで含むことができる。これにより強度特性を均等に分散させるのに役立つ。そのようなアセンブリとしては、出口ポートを通過する移動ロービング上に通常、垂直様式で衝突する圧縮空気または他の気体の供給を含むことができる。次いで分散したロービングを、上記のように含浸させるためにダイに導入することができる。
[0072]本開示に従ったダイ及び方法を使用して得られた含浸ロービングは、非常に低い空隙比(void fraction)をもつことができ、これによりその強度を高めやすくなる。たとえば、空隙比は約3％以下、態様によっては約2％以下、態様によっては約1％以下、態様によっては約0.5%以下である。空隙比は、当業者に公知の方法を使用して測定することができる。たとえば空隙比は、サンプルをオーブン(たとえば約600℃で3時間)に設置して樹脂を燃やし尽くす、「樹脂燃焼(resin burn off)」試験を使用して測定することができる。次いで、残った繊維の質量を測定して、重量と容積比(volume fraction)を計算することができる。そのような「燃焼」試験は、ASTM D 2584-08に従って実施して、繊維とポリマーマトリックスの重量を測定することができ、次いでこれを使用して、以下の等式：
Figure 0006045566
｛式中、Vfは百分率としての空隙比である；
ρcは、公知方法、たとえば液体または気体比重瓶法(pycnometer)(たとえばヘリウム比重瓶法)を使用して測定した複合体の密度である；
ρtは、複合体の理論密度であり、以下の等式より決定される：
Figure 0006045566
(ρmはポリマーマトリックスの密度である(たとえば好適な結晶度における)；
ρfは繊維の密度である；
Wfは繊維の重量分率である；及び
Wmはポリマーマトリックスの重量分率である)}をベースとした「空隙比」を計算することができる。
[0073]あるいは、空隙比は、ASTM D 3171-09に従って樹脂を化学的に溶解させることによって測定することができる。「燃焼」及び「溶解」法は、通常、融解及び化学溶解に耐性であるガラス繊維に特に適している。しかしながら他の場合には、空隙比は、ASTM D 2734-09(方法A)に従ってポリマー、繊維、及びリボンの密度をベースとして間接的に計算することができ、ここで密度はASTM D792-08方法Aにより測定することができる。もちろん、空隙比は慣用の顕微鏡装置を使用して見積もることができる。
[0074]本開示は、少なくとも一つの繊維ロービング142または複数の繊維ロービング142にポリマー樹脂214を含浸するための方法に関する。本方法は、上記のように、複数の繊維ロービング142の表面216に樹脂214を衝突させること、及び複数のロービング142を樹脂214で実質的に均一にコーティングすることを包含する。さらに本方法は、上記のように複数のコーティング済ロービング142に樹脂214を含浸するために、含浸ゾーン250の中を通して複数のコーティング済ロービング142を横に移動させることを包含する。
[0075]上記のように、態様によっては、本方法はさらに、ゲート通路270の中を通して樹脂214を流すことを含みえる。さらに本方法は、上記のように、含浸ゾーン250からランドゾーン280の中を通してロービング142を横に移動させること及び/または面板290の中を通してロービング142を横に移動させることを包含する。
[0076]上記のように、含浸ダイ150を出た後、含浸済ロービング142、または押出物152は、リボンの形状に強化することができる。それぞれのリボンで使用されるロービング数は変動しえる。しかしながら、通常、リボンは2〜20個のロービングを含み、態様によっては2〜10個のロービング、態様によっては3〜5個のロービングを含むことができる。態様によっては、ロービングは、リボンの中で互いにほぼ同一距離で離れているのが望ましい。たとえば図２０及び２１を参照すると、−x方向に互いに等距離に離れた三つ(3)のロービング5を含む、強化リボン4の一態様が示されている。
[0077]特定の用途に関しては、本開示に従って押出プロセスをさらに利用することができる。たとえば態様によっては、そのようなプロセスを使用してロッドを成形することができる。このような態様では、ロービング142の連続繊維は縦方向に配向されて(図１のシステムの機械方向A)、引張り強さを強める。繊維の配向に加えて、押出プロセスの他の側面も制御して所望の強度を達成する。たとえば比較的高い割合の連続繊維を強化リボンで使用して、強化された強度特性を提供する。たとえば、連続繊維は通常、リボンの約25重量％〜約80重量％、態様によっては約30重量％〜約75重量％、態様によっては約35重量％〜約60重量％を構成する。同様に、(単数または複数種類の)ポリマーは、リボンの約20重量％〜約75重量％、態様によっては約25重量％〜約70重量％、態様によっては約40重量％〜約65重量％を構成する。
[0078]通常、リボンは含浸ダイ150から直接押出システムに供給することができるか、またはスピンドル若しくは他の好適な貯蔵装置から供給することができる。張力を制御する装置を使用して、リボンが押出システムの中を通して引っ張られるのにつれて、リボン内での張力の程度を制御し易くするのに使用することができる。リボンを加熱するデバイスには、オーブンを供給することができる。次いでリボンを強化ダイに供給することができ、この強化ダイは、リボンを一緒にプレフォーム(preform)に圧縮し、並びに整列し、ロッドなどの所望の製品の初期形状を成形するように操作することができる。所望により、プレフォームを最終形状に圧縮する、第二のダイ(たとえばキャリブレーションダイ)も使用することができる。ダイの間及び/またはいずれかのダイの後に冷却システムをさらに組み入れることができる。下流の引き取り装置は、システムの中を通して、製品を引っ張るために配置することができる。
[0079]本発明のこれら及び他の変形及び変更は、本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく、当業者により実施しえる。さらに様々な態様の側面は、全体においてまたは一部分において交換可能であることは理解すべきである。さらに、当業者は、上記記載は単なる例示であって、付記請求の範囲に記載された発明を限定するものではないことを理解するだろう。

Claims (7)

  1. 複数の繊維ロービング(142)にポリマー樹脂(214)を含浸するためのダイ(150)の含浸区分であって、
    複数のロービング(142)に樹脂(214)を含浸するように構成されている含浸ゾーン(250)、ここで、含浸ゾーン(250)が複数の曲線の接触面(252)を含み、複数の接触面(252)のそれぞれは、複数のロービング(142)が１度〜30度の範囲のある角度(254)で接触面(252)を横に移動するように構成され、含浸ゾーン(250)は波形の断面プロフィールをもつ；及び
    樹脂(214)がゲート通路(270)に面する複数のロービング(142)それぞれの表面(216)に衝突し、複数のロービング(142)を実質的に均一コーティングするように、その中を通して樹脂(214)を流すための含浸ゾーン(250)と流体連通しているゲート通路(270)、ここで、前記ゲート通路(270)は、含浸ゾーン(250)に対して垂直に伸長し、複数のロービング(142)の走行方向(282)において、含浸ゾーン(250)の全ての接触面(252)の上流に配置されており、ゲート通路(270)の少なくとも一部は、樹脂(214)の流れ方向(244)の断面プロフィールが徐々に縮小する；
    を含む、前記含浸区分。
  2. 前記複数の接触面(252)のそれぞれが曲線の接触面を含む、請求項１に記載の含浸区分。
  3. 複数のロービング(142)の走行方向(282)で含浸ゾーン(250)の下流にランドゾーン(280)をさらに含む、請求項１に記載の含浸区分。
  4. 前記ランドゾーン(280)の少なくとも一部は、走行方向(282)の断面プロフィールが徐々に増大する、請求項３に記載の含浸区分。
  5. 前記含浸ゾーン(250)に隣接している面板(290)をさらに含み、前記面板(290)は複数のロービング(142)内の過剰の樹脂(214)を計量するように構成されている、請求項１〜４のいずれかに記載の含浸区分。
  6. 前記樹脂(214)は熱可塑性樹脂(214)である、請求項１〜５のいずれかに記載の含浸区分。
  7. 前記樹脂(214)が熱硬化性樹脂(214)である、請求項１〜５のいずれかに記載の含浸区分。
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