JP6696975B2 - 成形材料およびそれを形成する方法 - Google Patents

Description

本発明は、複合材料を分離する方法、並びに分離された複合材料、成形体および複合要素に関し、特に、しかしそれだけではないが、複合材料スタック（ｓｔａｃｋ）を分離する方法に関する。

樹脂強化材料を含む複合材料、特に繊維および熱硬化樹脂を含むプリプレグは、積み重ねられてプリフォームを形成し得る。これらのプリフォームは、その後硬化されて、強化複合材料を形成する。そのような複合材料は公知であり、それらは軽量で強度が高く、自動車および航空宇宙産業などの多くの構造用途および翼を作るために使用されるスパーおよびシェルなどの風力タービン部品などの産業用途に使用される。

プリプレグは、未硬化状態で、および硬化の準備のために、樹脂で含浸される繊維および織物を記載するために使用される用語である。繊維は、トウ（ｔｏｗ）または織物であってもよい。トウまたは織物は、一般的に、フィラメントと呼ばれる複数の細い繊維を含む。プリプレグで使用される繊維状材料および樹脂の選択は、硬化複合材料の要求される特性、また複合材料を使用する用途に依存する。

様々な方法がプリプレグの製造のために提案されてり、好ましい方法の１つは、液体、溶融または半固体の未硬化熱硬化性樹脂による、動いている繊維状ウェブの含浸である。次に、この方法によって製造されるプリプレグは、所望の寸法のセクションに切断され、セクションのスタックは、加熱によって硬化されて、最終的な繊維強化積層体を製造する。硬化は、翼およびスパーのためのシェルなどの風力エネルギー構造の製造において好ましいように硬化のための金型に配置され得る真空バッグ内で行われ得る。あるいは、スタックは、閉じられた金型で圧縮によって形成され、加熱によって金型で直接硬化され得る（圧縮成形）。

そのような応用で使用のための樹脂の１つの好ましいファミリーは、硬化性エポキシ樹脂および硬化剤であり、硬化剤は、通常、樹脂に含まれており、硬化サイクル時間を短縮する。エポキシ樹脂は、非常に適切な樹脂であるが、それらは、硬化後に脆くなり、衝撃の際に最終積層体に割れまたは割れ目を生じさせることがあり、したがって、エポキシ樹脂中に熱可塑性樹脂またはゴムなどの強化材料を含めることが一般的な慣行である。

プリプレグは、強化材料の一体化層の形態であることができ、またはそれは、ランダムな方向に配向される要素の形態であり、準等方性材料層を形成することができる。複数のプリプレグ層または要素は、従来は、組み合わせられて、複合積層体構造を形成する。プリプレグ層は、平行に、面内方向のランダム（準等方性）に、または等方性に若しくは準等方性プリプレグ要素として、配置され得る。

積層体の形成に続いて、それを切断し得る。これは、切断品を生成する。しかしながら、他の目的のための切断品の利用は、積層体の構成が特定の目的または用途に合わせて調整されるので、問題を有する。再使用の機会を増やすために、積層体の複数のプレプレグ層または要素への分離が望ましい。また、積層体プレフォームの分離は、一般的に、望ましく、再加工または再使用されることを可能にする。

本発明は、上記の問題を回避および／または軽減し、および／または一般的に改善を提供することを目的とする。

本発明によると、添付の特許請求の範囲のいずれか１項に定義されるように、方法、成形体、成形複合体および要素を提供する。

本発明の１つの態様において、互いに接触する複数の要素を含む複合材料スタックを分離する方法を提供し、各要素は強化繊維および樹脂マトリックスを含み、ここで該方法は、スタックを温度処理するおよびスタックに応力を加えて要素を分離するステップを含む。

温度処理およびスタックに加えられた応力または力の組み合わせは、組み合わせられる要素および／または個々の要素の分離をもたらす。組み合わせられた要素は、さらなる温度処理および／または応力に供されて、組み合わせられた要素を個々の要素または組み合わせられる要素にさらに分離し得る。

応力が、以下の応力の１つ以上から選択され得る：
ａ．曲げ応力
ｂ．ねじり応力
ｃ．圧縮応力
ｄ．せん断応力
ｅ．剥離応力
ｆ．引張応力、および
ｇ．振動応力。

１つの態様において、曲げ応力は、要素が互いに対して曲がることを可能にする応力の印加である。ねじり応力は、要素が互いに対して回転することを可能にする応力である。圧縮応力は、要素が互いに対して圧縮されることを可能にする応力である。せん断応力は、要素が互いに対して滑らせるまたはせん断することを可能にする応力である。剥離応力は、要素が互いに対して剥がれることを可能にする応力である。引張応力は、要素が互いに対して伸ばされることを可能にする応力である。振動応力は、要素に振動を与えている。

好ましい態様において、加えられる応力は、上記に列挙した応力ａ〜ｇの２つ以上の組み合わせを含む。応力は、スタック、個々の要素、組み合わせられる要素および／またはそれらの組み合わせに対して１つ以上の方向で印加され得る。これは、要素が正常に分離されることを可能にする。

要素は、好ましくは、積層体スタックを形成するように互いに平行に配置される。応力ａ〜ｆは、好ましくは、積層体スタックに対して垂直な方向で加えられる。このようにして、応力は、組み合わせられる要素および／または個々の要素に対して垂直に働く。振動応力ｇは、好ましくは、積層体または組み合わせられる要素および／または個々の要素に平行な方向で印加される。

要素は、強化繊維および未硬化樹脂マトリックスを含み得る。繊維は、好ましくは、マトリックスが予備含浸されプリプレグを形成する。

好ましくは、応力は、連続的に、同時にまたは周期的に加えられる。

さらなる態様において、温度処理および応力印加は、少なくとも部分的に同時に起こる。それらはまた、温度処理および／または応力印加の１つ以上のサイクルの、連続的および／または周期的な方法で印加され得る。サイクルは、要素が分離されるまで、繰り返され得る。

好ましくは、応力印加は、温度処理に続く。我々は、これが、要素を分離するのに成功する方法を提供することを見出した。

さらなる態様において、温度処理は、個々にマトリックスを加熱または冷却することによって、樹脂マトリックスのＴｇ（ガラス転移温度）を増加または減少させる。我々は、−８０〜１０℃、好ましくは、−６０〜７℃、−４０〜５℃、−３０〜３℃、−２０〜０℃の低下した温度での応力ａ〜ｇの印加、および／または上述の温度の組み合わせは、組み合わせられる要素および／または個々の要素を分離する有効性を高めることを見出した。低下した温度は、樹脂マトリックスのＴｇを低下させる。

別の態様において、温度処理は、−３０〜１０℃、または−２０〜５℃、または−１０〜０℃、または−５〜０℃および／または上述の温度の組み合わせの範囲の温度に、樹脂マトリックスを冷却することを含む。マトリックスの冷却は、樹脂マトリックスタックを低下させる効果を有する。我々は、これがまた、分離の有効性を増加させることを見出した。

樹脂マトリックスは、冷却されて、室温で樹脂のタック値の４０％未満、または３０％未満、または２０％未満、または１０％未満、または好ましくは５％未満の値に樹脂のタックを低減させ得る。樹脂のタック値またはタックは、ツール表面またはアセンブリ内の他のプリプレグプライに対する樹脂の接着の大きさである。タックは、「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｐｒｅｐｒｅｇ ｔａｃｋ（プリプレグタックの実験的分析）」Ｄｕｂｏｉｓら, （ＬａＭＩ）ＵＢＰ／ＩＦＭＡ, ２００９年３月５日で開示される方法に従って、樹脂自体またはプリプレグとの関係で測定され得る。この刊行物は、タックが、そこに記載されているような装置を使用することによって、３０Ｎの初期圧力で、３０℃の一定温度で樹脂またはプリプレグを接触させるプローブの最大剥離力を測定することによって、客観的かつ反復可能に測定されることができ、これは、続いて５ｍｍ／分の速度で動かされることを開示する。これらのプローブ接触パラメータについて、樹脂に対するタックＦ／Ｆｒｅｆは、０．１〜０．６の範囲であり、Ｆｒｅｆ＝２８．１９ＮおよびＦは、最大剥離力である。プリプレグについて、タックＦ／Ｆｒｅｆは、０．１〜０．４５の範囲であり、Ｆｒｅｆ＝２８．１９ＮおよびＦは、最大剥離力である。

別の態様において、温度処理は、樹脂マトリックスの加熱を含む。加熱は、樹脂マトリックスの粘度を低下させる効果を有する。

樹脂マトリックスを加熱して、室温（２０℃）で、樹脂のタック値の６０％未満、好ましくは４５％未満である値に樹脂の粘度を低下させ得る。

温度処理および／または応力の印加は、同時に、部分的に同時に、続いて、または周期的に実施され得るものであり、その間温度および／または印加される応力が変化しうる。温度処理および／または応力印加は、要素が分離されるまで、継続され得る。

別の態様において、スタックは、樹脂マトリックス（プリプレグ）で予め含浸された繊維強化材料の層の未反応成形体または積層体および／または樹脂含浸された刻んだ強化繊維から形成される成形体および／またはそれらの組み合わせから形成される。要素は、プリプレグを含み得る。

さらなる態様において、複合要素が提供され、各要素は、強化繊維および樹脂マトリックスを含み、前記要素は、要素を分離するための温度処理および応力印加の後、結合要素のスタックから形成される。

スタックは、樹脂マトリックスで予め含浸された繊維強化材料の層（プリプレグ）の成形体または積層体および／または樹脂含浸された刻まれた強化繊維から形成される成形体および／またはそれらの組み合わせの切断の後に形成され得る。

１つの態様において、成形体は、複数の要素を含んでもよく、各要素は、強化繊維および樹脂マトリックスを含み、前記要素は、上記のような方法のいずれかに従って、スタックを分離することによって形成される。

スタックは、複数の要素に分離する前に、より小さなスタックに切断され得る。あるいは、またはさらに、分離された要素は、それらの分離後、より小さな要素に切断され得る。
なお、下記［１］から［１５］は、いずれも本発明の一形態又は一態様である。
［１］
互いに接触する複数の要素を含む複合材料スタックを分離する方法であって、各要素は強化繊維および樹脂マトリックスを含み、ここで該方法は、スタックを温度処理するおよび／またはスタックに応力を加えて要素を分離するステップを含む、上記方法。
［２］
加えられた応力が、以下の応力の１つ以上から選択される、［１］に記載の方法：
ａ．曲げ応力
ｂ．ねじり応力
ｃ．圧縮応力
ｄ．せん断応力
ｅ．剥離応力
ｆ．引張応力
ｇ．振動応力。
［３］
応力は、スタックに対して１つ以上の方向で加えられる、［２］に記載の方法。
［４］
応力は、連続的にまたは同時に加えられる、［２］または［３］のいずれかに記載の方法。
［５］
温度処理および応力印加は、少なくとも部分的に同時に起こる、［１］〜［４］のいずれかに記載の方法。
［６］
応力印加は、温度処理の後に続く、［１］〜［５］のいずれかに記載の方法。
［７］
温度処理は、樹脂マトリックスを冷却することを含む、［１］〜［６］のいずれかに記載の方法。
［８］
樹脂マトリックスは、冷却され、室温で樹脂のタック値の１０％未満、好ましくは５％未満である値に樹脂のタックを低下させる、［７］に記載の方法。
［９］
温度処理は、樹脂マトリックスの加熱を含む、［１］〜［６］のいずれかに記載の方法。
［１０］
樹脂マトリックスは加熱されて、室温で樹脂のタック値の６０％未満、好ましくは４５％未満である値に樹脂の粘度を低下させる、［９］に記載の方法。
［１１］
スタックは、樹脂マトリックスで予め含浸された繊維強化材料の層（プリプレグ）の未硬化成形体または積層体、および／または樹脂含浸された刻んだ強化繊維から形成された成形体、および／またはその組み合わせから形成される、［１］〜［１０］のいずれかに記載の方法。
［１２］
要素は、未硬化樹脂マトリックスまたはプリプレグを含む、［１］〜［１１］のいずれかに記載の方法。
［１３］
スタックは、樹脂マトリックス（プリプレグ）で予め含浸された繊維強化材料の層の成形体または積層体、および／または樹脂含浸された刻んだ強化繊維から形成された成形体、および／またはその組み合わせの切断に続いて形成される、［１］〜［１２］のいずれかに記載の方法。
［１４］
応力印加および温度処理が循環されるか、または繰り返される、［１］〜［１３］のいずれかに記載の方法。
［１５］
複数の要素を含む成形体であって、各要素は、強化繊維および樹脂マトリックスを含み、前記要素は、［１］〜［１４］の方法に係る要素を分離するための温度処理および応力印加の後に、結合要素のスタックから形成されている、上記成形体。
［１６］
複数の要素を含む成形体であって、各要素は、強化繊維および樹脂マトリックスを含み、前記要素は、［１］〜［１４］のいずれかに従ってスタックを分離することによって形成される、上記成形体。

発明の詳細な説明
本発明を、以下の図面を参照して、単なる例示として記載する。

図１は、本発明の態様による積層体製品を分離する方法の概略図を示す。

積層体レイアップは、樹脂マトリックスで含浸される繊維強化の結合される層から形成されることができる。好ましくは、繊維強化層は、一方向繊維トウを含み、層は、準等方性レイアップを形成する互いに関連して配置される。好ましくは、層は、＋９０／＋４５／０／−４５／−９０方向に延びており、それらは、それらの倍数に配置され得る。

これらのレイアップは、圧縮成形体としてその後加工される積層体部品に（ダイ）切断され得る。切断プロセスは、余剰な積層体レイアップ材料をもたらす。この余剰な材料は、別の目的のために使用可能であり、本発明は、これに対処し、並びに一般的に改善を提供することを目指す。

図１は、再利用プロセス１０を示す。ダイカット積層プリプレグシートからのオフカット１２は、より小さい積層体要素１４に切断され、またはそれらは、プロセス１０の完了後に切断され得る。これらの要素は、加熱または冷却のいずれかにって、または両方の温度処理の組み合わせによって、温度処理される１６、１８。加熱１８は、樹脂の粘度を低下させ、Ｔｇを増加させ、分離を助けることができるが、冷却は、樹脂マトリックスのＴｇおよび／またはタックを減少させ、層をより容易に分離させる。

温度処理後、要素は応力２０の印加によって、分離される。応力は、積層体要素に対して異なる方向および／または形態で加えられ得る。ステップ２０、１６および１８は、要素が分離されるまで、部分的に同時にまたは周期的に組み合わせられるか、または実行され得る。分離２０の後、ランダムに分布した単一層プリプレグ要素２２は、シート成形複合体（ＳＭＣ）２４としてシート形態に一緒に組み合わされる。次に、このＳＭＣは、複合部品を製造するための再利用に適している。

したがって、上記に記載されるような方法およびモールディング複合体が提供される。

Claims (11)

1. シート成形複合体を形成する方法であって、
   樹脂マトリックスで予め含浸された繊維強化材料の層の成形体または積層体、および／または樹脂含浸された刻んだ強化繊維から形成された成形体を切断して、互いに接触する複数の要素を含む複合材料スタックであって、各要素は強化繊維および樹脂マトリックスを含む上記複合材料スタックの形態の、１以上の切断品を製造する工程；
   上記複合材料スタックの形態の切断品を、それぞれ強化繊維および樹脂マトリックスを含む、複数の組み合わせられた要素および／または個々の要素へと分離する工程；並びに、
   上記要素をランダムに分布させ、かつ組み合わせて、シート成形複合体を形成する工程、を有し、
   ここで該方法は、該複合材料スタックを温度処理するおよび該複合材料スタックに応力を加えて要素を分離するステップを含む、上記方法。
2. 加えられた応力が、以下の応力の１つ以上から選択される、請求項１に記載の方法：
   ａ．曲げ応力
   ｂ．ねじり応力
   ｃ．圧縮応力
   ｄ．せん断応力
   ｅ．剥離応力
   ｆ．引張応力
   ｇ．振動応力。
3. 応力は、スタックに対して１つ以上の方向で加えられる、請求項２に記載の方法。
4. 応力は、連続的にまたは同時に加えられる、請求項２または３のいずれかに記載の方法。
5. 温度処理および応力印加は、少なくとも部分的に同時に起こる、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 応力印加は、温度処理の後に続く、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 温度処理は、樹脂マトリックスを冷却することを含む、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 樹脂マトリックスは、冷却され、室温で樹脂のタック値の１０％未満である値に樹脂のタックを低下させる、請求項７に記載の方法。
9. 温度処理は、樹脂マトリックスの加熱を含む、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
10. 樹脂マトリックスは加熱されて、室温で樹脂のタック値の６０％未満である値に樹脂の粘度を低下させる、請求項９に記載の方法。
11. 応力印加および温度処理が循環されるか、または繰り返される、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。