JP6703541B2 - 繊維複合材料を製造する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明の対象は、１つまたは複数の繊維束に溶融物を含浸させることができる、繊維複合材料を製造する方法および装置である。特殊な構造によって、比較的大きなテックス数（例えば重いトウ）を有するものを含む、種々様々な繊維材料および繊維型式を加工することができる。特殊性は、極めて広い粘度範囲における強固な個別繊維含浸体に対する対応である。これによって、従来技術の通常の解決策とは異なり、高粘度の系をも加工することができる。

溶融物含浸時における繊維束の延展は公知である。例えば欧州特許出願公開第００５６７０３号明細書（EP 0 056 703 A1）に記載された方法では、強化繊維ロービングが、熱可塑性プラスチックの溶融物を通して引っ張られ、この溶融物内に、加熱された延展ロッドとして形成された、ロービングを延展させるための少なくとも１つの加熱された表面が浸漬している。しかしながら実際には常に複数の延展装置が必要である。しかしながら加えなくてはならない引出し力は、延展装置の数、溶融物の粘度および引出し速度と共に強く高まる。これによって生じる高い引出し力およびストランドにおける機械的な摩擦は、強化繊維を損傷し、ひいては複合材料の特性を劣化させるので、この公知の方法を使用することができる範囲は極めて小さい。さらに含浸品質ひいては製品の品質は、溶融物の粘度の上昇および引出し速度の上昇と共に低下するということがある。したがって欧州特許出願公開第００５６７０３号明細書の方法は、３０Ｐａｓまでの溶融物粘度および（０.３ｍ／ｍｉｎ未満の）低い引出し速度においてしか、良好な結果を得ることができない。

１〜８００バールの圧力室において強化繊維を含浸することは、欧州特許出願公開第０３６４８２９号明細書（EP 0 364 829 A2）に記載されている。この刊行物における記載によれば、この場合、繊維束の延展は不要である。

低いマトリックス粘度は、比較的高い含浸作用を可能にする。粘度が高ければ高いほど、含浸作用は低下する。このような効果を和らげる可能性は、滞在時間を高めるための極めて低いプロセス速度による解決策において得られるか、または極めて多くの変向点を使用することによって得られるが、このような多くの変向点は、繊維損傷を高める原因となり、かつ同様にプロセスを遅延させることになる。これらの変向点は、例えば米国特許第４８８３６２５号明細書（US 4 883 625）に記載されているような成形型幾何学形状によって成形することができるか、または変向ロッドが取り付けられている（例えば特開２００７−０７６２２４号公報（JP 2007076224A））ことによって得られる。結果として生じる繊維損傷を減じるために、極めて小さな変向角度を有する複数の連続する変向点によって、極めて正確なマトリックス塗布を行うことも可能である（独国特許出願公開第４１１２１２９号明細書（DE 41 12 129 A1）；国際公開第２０１２／１４９１２９号（WO 2012/149129））。別の可能性としては、単純なマトリックス塗布および次いで行われる、任意の配置形態におけるカレンダローラを用いた含浸が挙げられる（例えば中国特許出願公開第１０１４７４８６８号明細書（CN101474868A））。この場合には、熱に敏感なもしくは熱酸化的に不安定な物質および結果として生じるウェブ速度において制限がある。他の技術的な解決策は、大きなマトリックス過剰を含浸室または含浸浴において必要とし、このことは、使用されるポリマの滞在時間を大幅に長くすることになる。この場合においても敏感なポリマを加工することは不可能である。

特開２００６−２８９７１４号公報（JP 2006289714A）に記載された含浸方法では、繊維は含浸工程のために延展される。このとき重点は、振動によって促進される含浸にある。一実施形態では、予備延展が、溶融物を満たされた室内に支持された振動する変向ローラを用いて行われる。この実施形態における欠点は、溶融物の長い滞在時間および振動運動による繊維損傷のおそれである。振動運動および複数の変向点は、高いプロセス速度を阻止する。

国際公開第２０１４１４００２５号（WO2014140025A1）に記載された、繊維強化された熱可塑性の半製品を引抜き成形する装置では、繊維束はマトリックスポリマによる湿潤の前に荷重を加えられて広げられる。応力上昇および拡張は、成形型における複数の変向体によって行われる。装置は、異なった温度に調整された２つの室、つまり予備含浸用の室と形状付与のための室とに分割されている。例えば高度に繊維強化された薄いフォイルのような比較的精密な構造体を製造する場合に、この装置は大きな問題を引き起こす。成形型における多くの変向体によって、糸応力が高まり、これによって繊維が裂断する傾向がある。この抵抗はマトリックスポリマの添加によって高められる。相応にこの技術は、比較的厚い壁厚および制限された繊維容量配分を有する半製品の範囲においてしか使用することができない。

国際公開第２０１２／１４９１２９号には、ロービングを連続的に含浸する含浸プロセスが記載されている。含浸原理は、均一なフィルム塗布と予備延展されたロービング内への溶融物のゆっくりとした揉み込みとから成っている。含浸を保証するために、繊維・溶融物混合体は、波形形状または類似の形状における極めて多くの小さな異形材を介して引っ張られる。小さな変向角度での短時間の接触は、繊維内への溶融物の注意深い進入および均一な分布を可能にする。この含浸技術における大きな欠点は、含浸室における溶融物の滞在時間が部分的に極めて長いことにある。短時間の後に、幾何学形状に基づいて存在する中空室が閉塞し、かつ温度に敏感な材料が劣化するかまたは凝結してしまう。さらに含浸作用は、含浸室内に取り付けられていて所望の速度で調節され得る加熱された回転するローラによって得られる。これによって広げられた繊維には、この領域において所望の繊維応力を加えることができる。さらに、後方のローラ対は、調節されたローラ対を通して行われる圧力下における追加的な含浸のために働く。これらのローラ対は、含浸成形型内に配置されていて、持続的に液状溶融物によって取り囲まれているので、ここにおいても、フィラメント残留物および劣化するポリマとしての汚れが短時間のうちに集まることになる。このようにして熱に敏感な物質を連続的に用いることは、困難を伴ってしか可能でない。

したがって本発明の課題は、上に述べた問題を解決すること、および特に、溶融物の短い滞在時間において高い含浸率を簡単に得ることが望ましく、しかも繊維の損傷を回避し、それにもかかわらず高い引出し速度を得ることができる方法を提供することである。この方法のために使用される装置は、デッドゾーンを有しておらず、セルフクリーニング機能を有していて、これによりポリマの比較的短い滞在時間を可能にすることが望ましい。方法は、特に、繊維型式における広い帯域幅においても比較的高いマトリックス粘度においても、極めて良好な含浸品質が得られることが望ましい。極めて良好な含浸品質というのは、極めて精確に分配された個別フィラメント繊維が存在し、これらの個別フィラメント繊維が理想的にはそれぞれ個々に完全にマトリックスによって取り囲まれており、かつ含浸されていないフィラメント束またはフィラメント域がほとんど存在しないことを意味する。さらにまた、製品内にはほとんど空気含有が存在しない。含浸品質は、検鏡試片または走査型電子顕微鏡写真を用いて基準通りに判定される。

この課題は、湿潤技術と別の含浸との特殊な組合せを実現する、複合材料を製造する方法によって解決される。この方法は、下記のステップ、すなわち、
ａ）繊維層を、延展装置を介して引き込み、かつこのとき最終製品の幅に相当する値よりも、少なくとも係数１.２の倍率で、好ましくは係数１.４だけ、かつ特に好ましくは係数１.６だけ大きく延展させ、このとき繊維層を、その平均厚さがフィラメント直径の１〜５０倍に相当するように大きく延展させるステップと、
ｂ）延展された状態において、溶融物を、少なくとも１つの塗布ノズルを用いて塗布するステップと、
ｃ）横断面狭窄部を通して、成形型により、湿潤された繊維層を少なくとも、製品が引出しノズルから出るときの横断面に導くステップと、
ｄ）次いで変向部により、湿潤された繊維を５〜６０°の角度だけ、好ましくは８〜５０°の角度だけ、特に好ましくは１２〜４０°だけ、かつ特に好ましくは１５〜３５°の角度だけ変向させるステップと、
ｅ）鎮静ゾーンが、繊維分布を一様な密度に均一化するステップと、
ｆ）成形型終端部における引出しノズルによって、第１の形状付与を行うステップと、
を有する。

製品は次いで、カレンダ成形されかつ冷却されることができる。

この方法では、繊維層は、引込み部から引出しノズルに到るまで延びる搬送通路を通して引っ張られる。

１つの好適な実施形態は、ステップｃ）において、湿潤された繊維層の幅を、製品が引出しノズルから出るときの横断面よりも小さな横断面に戻し、かつ追加的に、ステップｄ）の前または後で、湿潤された繊維層の幅を、製品が引出しノズルから出るときの横断面に導く。一般的にステップｃ）において、湿潤された繊維層の幅は、製品が引出しノズルから出るときの横断面の９９〜１０％である横断面に戻される。この値は、特に好ましくは９８〜１６％、特に好ましくは９６〜２４％、かつ極めて特に好ましくは９６〜２４％である。このとき特に下記の変化形態が可能である：
１. ステップｃ）において、湿潤された繊維層の幅を、製品が引出しノズルから出るときの横断面よりも小さな横断面に戻し、かつその後直ぐに、湿潤された繊維層の幅を、製品が引出しノズルから出るときの横断面に導く。次いで後続のステップｄ）、ｅ）およびｆ）が行われる。
２. ステップｃ）において、湿潤された繊維層の幅を、製品が引出しノズルから出るときの横断面よりも小さな横断面に戻す。その後直ぐにステップｄ）を行う。その後で、湿潤された繊維層の幅を、製品が引出しノズルから出るときの横断面に導く。次いで後続のステップｅ）およびｆ）が行われる。
３. ステップｃ）において、湿潤された繊維層の幅を、製品が引出しノズルから出るときの横断面よりも小さな横断面に戻す。その後直ぐにステップｄ）およびｅ）を行う。その後で、湿潤された繊維層の幅を、製品が引出しノズルから出るときの横断面に導く。次いでステップｆ）が行われる。

「繊維層」というのは、多数の個別フィラメントから成る束であると理解すべきである。通常、数千の個別フィラメントが使用される。繊維層は、１つのロービングまたは複数のロービングから成っていてよく、好ましくは、繊維層は最大１０００までのロービングから成っており、かつ特に好ましくは、最大８００までのロービングから成っている。これらのロービングは、本発明に係る方法では、個々にボビンから繰り出されるかまたは引き出され、かつ延展装置の前または延展装置の始端部においてまとめられ、これによってただ１つの繊維層が形成される。「ロービング」というのは、この場合一般的に、個別フィラメントの束を意味しており、この束は、ただ１つの繊維型式から成っていても、または複数の異なる繊維型式から成っていてもよい。基本的には、十分な長さを有するすべての繊維が適しており、無機繊維、ポリマ繊維および天然繊維を使用することができる。適した繊維の例としては、金属繊維、ガラス繊維（例えば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、金属被覆された炭素繊維、ホウ素繊維、セラミック繊維（例えばＡｌ_２Ｏ_３またはＳｉＯ_２製）、玄武岩繊維、炭化ケイ素繊維、アラミド繊維、ポリアミド繊維、ポリエチレン繊維、ポリエステル繊維（例えばポリブチレンテレフタレート製）、液晶ポリエステル繊維、ポリアクリルニトリル繊維、ならびにポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン製の繊維、ビスコース法を用いて紡糸されて通常ビスコース繊維と呼ばれるセルロース繊維、麻繊維、亜麻繊維、ジュート繊維およびこれに類したものがある。繊維の横断面は、例えば円形、方形、卵形、楕円形または繭形であってよい。円形とは異なる横断面を有する繊維（例えばフラットガラス繊維）によって、完成品における比較的高い繊維充填率を、ひいては比較的高い硬度を得ることができる。

方法ステップａ）における延展は、最終製品の幾何学形状に関連している。最終製品がテープである場合は、繊維層は、比較的高い係数だけ延展される。それに反して最終製品が比較的厚く、例えば方形または正方形の横断面を有している場合には、繊維層は、最終製品の幅に関連して比較的低い係数だけ延展されることができ、これによって合理的な一般的な上限値を設定することはできない。最終製品の幾何学形状に応じて、延展は、それぞれ最終製品の幅に関連して、好ましくは最大で係数３０だけ、特に好ましくは最大で係数２０だけ、特に好ましくは最大で係数１４だけ、かつ極めて特に好ましくは最大で係数８だけ行うことができる。

このとき繊維層は、その平均厚さがフィラメント直径の１〜５０倍に、好ましくはフィラメント直径の１〜４０倍に、特に好ましくはフィラメント直径の１.５〜３５倍に、かつ極めて特に好ましくはフィラメント直径の１.８〜３０倍に相当するように大きく延展される。平均化は、このとき繊維層の幅にわたって行われる。円形ではない横断面を有する繊維では、フィラメント直径として最も短い横断面軸線が選択される。繊維横断面に関しては、繊維メーカのデータに従うことができる。異なる繊維の混合時には、フィラメント直径として、個別フィラメントの数に関連した算術平均が選択される。メーカのデータが利用できない場合、または異なった幾何学形状を有する同じ形式の繊維、例えば天然繊維では、平均のフィラメント直径は、走査型電子顕微鏡写真（ＲＥＭ写真）、測定、および個別フィラメントの数に関する算術平均の計算によって確定される。

複合材料のマトリックスは、熱可塑性の成形材料、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂・熱硬化性樹脂のハイブリッド系、熱可塑性のエラストマまたは架橋されたエラストマであってよい。熱可塑性の成形材料は、主成分またはただ１つの成分としての熱可塑性樹脂から成っている。別の成分は例えば、安定剤、加工助剤、顔料、防火剤、ブレンドコンポーネントとしての他の熱可塑性樹脂、衝撃改質剤またはこれに類したものであってよい。適宜な熱可塑性樹脂は、例えばポリオレフィン（ポリエチレンまたはポリプロピレンのような）、ポリエステル（ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアリーレートまたは液晶ポリエステルのような）、ポリカーボネート、ポリエステルカーボネート、ポリアミド（ＰＡ４６、ＰＡ６、ＰＡ６６、ＰＡ６１０、ＰＡ６１２、ＰＡ１０１０、ＰＡ１１、ＰＡ１２のような）、部分芳香族のポリアミド（ＰＰＡ）または透明のポリアミド（例えば直鎖状のまたは分枝鎖状の、脂肪族、脂環式または芳香族のジカルボン酸およびジアミンを基礎とする）、ポリアリーレンエーテルケトン（ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンまたはポリエーテルエーテルケトンケトンのような）、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリスチロール、スチロール、スチロール・アクリルニトリル・コポリマ（ＳＡＮ）、スチロール・アクリルニトリル・ブタジエン・コポリマ（ＡＢＳ）、ポリアセタール、ポリウレタン、ポリイミド、ポリスルフォン、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニレンオキシドまたはフルオロポリマ（ＰＶＤＦまたはＥＴＦＥのような）である。

適宜な熱硬化性樹脂は、例えば不飽和のポリエーテル樹脂、エポキシ樹脂、アミノ樹脂、フェノール樹脂、架橋されたポリアクリレート、ポリウレタン、メラミン樹脂、ビニルエステル樹脂またはビスマレイミド樹脂である。方法ステップｂ）において塗布される溶融物は、この場合樹脂・硬化剤混合物またはその他の適宜な前駆物質、例えばプレポリマである。

適宜な熱可塑性のエラストマは、例えばＴＰＥ-Ｏ（オレフィンを基礎とする熱可塑性エラストマ、例えばＰＰ／ＥＰＤＭ）、ＴＰＥ-Ｖ（オレフィンを基礎とする架橋された熱可塑性エラストマ、特にＰＰ／架橋されたＥＰＤＭ）、ＴＰＥ-Ｕ（ポリウレタンを基礎とする熱可塑性エラストマ）、ＴＰＥ-Ｅ（熱可塑性のポリエステルエラストマ）、ＴＰＥ-Ｓ（スチロールブロックコポリマ、例えばＳＢＳ、ＳＥＢＳ、ＳＥＰＳ、ＳＥＥＰＳまたはＭＢＳ）ならびにＴＰＥ-Ａ（ポリアミドエラストマ）である。

適宜な架橋されたエラストマは、従来技術に相応して加硫剤、および場合によっては加硫助剤、充填剤、オイルおよびその他の添加剤を含有するゴムコンパウンドから得られる。例えばこのようなエラストマは、ＥＰＤＭ、スチロール／ブタジエン・ゴム、ブチルゴム、シリコンゴム、エポキシゴム、クロロプレンゴム、アクリルゴムおよびこれに類したものである。

方法ステップｃ）における横断面狭窄部によって、湿潤された繊維層の延展が減じられる。つまり繊維層の幅は、引出しノズルの幅に向かって導かれる。一実施形態では、湿潤された繊維層の幅は、引出しノズルの幅に導かれる。別の好適な実施形態では、湿潤された繊維層の幅は、引出しノズルの幅よりも小さな幅へと導かれる。この場合、引出しノズルに向かう途中で、湿潤された繊維層の幅は、新たな延展によって再び拡幅される。方法ステップｃ）における横断面狭窄は、好ましくは、ここにおいて見られるすべての実施形態において、湿潤された繊維層の幅が少なくとも係数１.２だけ、かつ特に好ましくは少なくとも係数１.４だけ減じられるように実施される。

次いで行われる方法ステップｄ）において、変向部の半径は、好ましくは２〜９０ｍｍ、特に好ましくは３〜６０ｍｍ、特に好ましくは４〜４０ｍｍ、極めて好ましくは４〜３０ｍｍである。幾何学形状の変化形態が可能であり、例えば変向箇所において半径を短い隆起部と組み合わせることができ、このようにすると、例えば繊維における糊を破壊することができる。好ましくは、ただ１つの変向箇所が設けられており、このようになっていると、方向は１回だけ変更される。そしてこれにより、繊維応力が不必要に高くなることが回避され、ひいては繊維の損傷が効果的に抑制される。

引出しノズルは、通常、一体に組み込まれた引出し装置を有していない。ストランドは通常、むしろ引出しノズルの直後に取り付けられた引出し装置によって、またはカレンダローラによって引っ張られる。例えばローラまたはロールおよびカレンダとして形成されたこのような引出し装置は、従来技術である。

設備コンセプトを概略的に示す図である。 湿潤された繊維層を後の製品横断面に導く横断面狭窄部を示す図である。 設備の一実施形態を示す図である。

図１に示すように、例えばロービングの形態の繊維層がボビン１０から繰り出される。このとき複数のボビン１０を使用することができる。繊維層は、延展装置２０において延展若しくは開繊され、次いで成形型内に引き込まれる。このとき通常の延展装置を使用することができる。ロービングの移動方向は、図１において符号３０で示されている。このとき繊維層は、追加的に、例えば赤外線を用いてまたは循環空気によって予加熱されてよい。２つの塗布ノズル６０を通して、繊維層には、上下から溶融物が供給される。その代わりに、溶融物塗布を上からだけまたは下からだけ行うことも可能である。溶融物および必要な塗布圧は、押出し機４０，５０によって提供される（その代わりに、可塑化ユニットに後置された溶融物ポンプを使用することも可能である）。後続の横断面狭窄部、変向半径部、鎮静ゾーンおよび引出しノズルは、図１には示されていない。引き出された異形材は、最終的な形状付与のためにさらにカレンダ８０を用いてカレンダ成形されることができる。このようにして形成されたストランドは、次いで冷却されて巻成されるか、または所定長さに切断される。あるいは択一的に、ストランドは直ちに、例えばコア周りへの巻成、および次いで行われる冷却によって（熱可塑性マトリックスの場合）、または次いで行われる硬化によって（熱硬化性マトリックスの場合）、さらなる加工を施されてよい。

図２には、延展された繊維層が横断面狭窄部に引き込まれる様子が示されている。塗布ノズル６３を介して溶融物が塗布される。択一的な実施形態では、塗布ノズル６３は、図２に示されているように横断面狭窄部の開始部に配置されている代わりに、横断面狭窄部の前における１つの箇所に位置決めされていてよく、このように構成されていると、湿潤の第１の段階が既に完全に延展された状態において行われる。横断面狭窄部の終端部には変向部６６が位置しており、この箇所において繊維層の横断面は幅６７に減じられている。

図３には、装置を側方から見た図が示されている。延展された繊維層は、引込み部６１を介して成形型内に導入される。走入兼湿潤ゾーン６２において溶融物が供給される。走入兼湿潤ゾーンの長さは、符号６４で示されている。マトリックス塗布は、延展された状態において塗布ノズルを用いて行われ、次いで行われる横断面狭窄によって、マトリックスは、繊維移動の相対運動によって中間繊維層内に進入することができる。横断面狭窄部の終端部において、湿潤された繊維層は変向部６５において角度αだけ変向される。半径は、ここでは示されていない。

この変向によって、さらなる相対的な繊維運動および変向部から残留キャビティへの局部的な圧力降下が発生し、これによってさらなるマトリックス浸透が可能になる。横断面狭窄の終了後に変向部を配置することによって、横断面狭窄中に変向が行われる従来技術における構成と比較して、特に良好な含浸品質が得られる。

長さ６９を有する後続の鎮静ゾーン６８は、繊維分布を一様の密度に均一化する。この工程およびさらなる含浸は、この室領域が溶融物によって満たされ得ることによって促進される。成形型終端部にはノズル７０が取り付けられており、このノズル７０は、後の製品の第１の形状付与を引き受ける。このとき圧力は、通常、塗布ゾーンからノズルに到るまでの途中で上昇し、正確な圧力変化は材料に関連している。最終的な形状付与は、ここではカレンダ８０によって引き受けられる。

本発明に係る方法では、好ましくは１０ｍＰａｓ〜４００Ｐａｓまでの、かつ特に好ましくは３００Ｐａｓまでの粘度を有する溶融物が塗布される。熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂・熱硬化性樹脂のハイブリッド系の硬化後に生じるプレポリマもしくは樹脂硬化剤系では、このとき粘度は１０ｍＰａｓまでのまたはさらに低い低粘度範囲にある。熱可塑性の成形材料、熱可塑性エラストマまたはエラストマコンパウンド製の溶融物では、粘度は通常、少なくとも１Ｐａｓである。粘度というのは、本発明では、ＡＳＴＭ Ｄ４４００による機械式のスペクトロメータにおいて測定された、方法に適した温度における静的・剪断粘度のことを意味する。

溶融物の塗布時には、特に高粘度の溶融物では、溶融物過剰なしに、または僅かな溶融物過剰だけを伴って作業が行われる。溶融物過剰を伴う作業時には、過剰の溶融物をそのために設けられた開口を通して流出させることができる措置が施されねばならない。繊維と溶融物との比は、製品における繊維の容積配分が、約１０〜８５％、好ましくは１５〜８０％、かつ特に好ましくは２０〜７５％の値であるように調節される。

得られた複合材料のマトリックスが熱硬化性樹脂である場合には、硬化反応は通常主として鎮静ゾーンにおいて行われる。このようにすると、引き出されたストランドは、既にほぼ硬化している。

鎮静ゾーンの長さは、例えば溶融物粘度、行われる引出し速度および設備サイズに関連している。例えばＥガラスまたはＳガラスおよびＰＡ１２製の、４０ｍｍ幅のテープが製造されるラボ設備では、１００ｍｍの長さにおいて極めて良好な結果が得られる。しかしながらこれは、単に大凡の手掛かりに過ぎない。鎮静ゾーンはまたさらに短くてもまたは明らかにさらに長くてもよい。

引出し速度は、必要に応じて調節可能である。引出し速度は、好ましくは０.１〜３０ｍ／ｍｉｎ、かつ特に好ましくは０.５〜２５ｍ／ｍｉｎである。

本発明に係る方法では、得られるストランドは、それぞれ所望の幾何学形状を有することができる。得られるストランドは、フォイル、テープ、プレート、円形異形材、方形異形材または複雑な異形材であってよい。得られるストランドは、好ましくはテープまたはプレートであり、このことは特に、ステップｃ）において湿潤された繊維層の幅が、製品が引出しノズルから出るときの横断面よりも小さな横断面に戻され、かつ追加的にステップｄ）の後で、湿潤された繊維層の幅が、製品が引出しノズルから出るときの横断面に導かれるようになっている方法に対して言える。

請求項１または請求項２に記載の本発明に係る方法の一変化形態では、熱可塑性マトリックスを含有する得られたストランドは、４〜６０ｍｍ、好ましくは５〜５０ｍｍ、特に好ましくは６〜４０ｍｍ、特に好ましくは５〜３０ｍｍ、かつ極めて特に好ましくは６〜２５ｍｍの長さを有する、長繊維強化されたペレット（Staebchengranulat）に切断される。次いでこのペレットから成形部材を、射出成形法、押出し成形法、プレス成形法またはその他の通常の形状付与法を用いて製造することができ、このとき丁寧な加工方法による成形部材の特に良好な特性が得られる。これに関連して、丁寧なというのは特に、過剰の繊維破断およびこれに基づく繊維長さの大幅な減少が十分に回避されることを意味する。このことは射出成形時には、好ましくは、大きな直径および小さな（tief）圧縮比を有するウォームと、大規模に寸法設定されたノズル通路およびスプルー通路とが使用されることを意味する。補足的に、ペレットが、高いシリンダ温度を用いて迅速に溶融され（接触加熱）、かつ繊維が過度の剪断応力によってあまり強く粉砕されないように配慮されることが望ましい。このような処置を考慮すると、短繊維強化された成形材料から製造された同等の成形部材よりも長い繊維長さを平均的に有する成形部材が得られる。これによって特性、特に引張りＥモジュールにおける特性、裂断強度および切欠き靱性の大幅な改善が得られる。

本発明の対象は、繊維複合材料を製造する装置であって、以下に記載の構成要素、すなわち、
ａ）繊維層を引き込み、かつ同時に繊維層を、最終製品の幅に相当する値よりも、少なくとも係数１.２、好ましくは少なくとも係数１.４、かつ特に好ましくは係数１.６の倍率で大きく延展させることができる延展装置と、
ｂ）搬送方向において後続の、延展された繊維層に溶融物を塗布することができる１つまたは複数の塗布ノズルと、
ｃ）湿潤された繊維層を少なくとも引出しノズルの横断面に導くことができる、搬送通路の後続の横断面狭窄部と、
ｄ）５〜６０°、好ましくは８〜５０°、特に好ましくは１２〜４０°かつ特に好ましくは１５〜３５°だけ変向させる変向部を有する後続の変向箇所と、
ｅ）鎮静ゾーンと、
ｆ）引出しノズルと、
を有する、繊維複合材料を製造する装置でもある。

この装置の詳細は、当該装置が本発明に係る方法を実施するために働くことに基づいて、上に述べた方法の記載から明らかである。

図２が示すように装置は、好ましくは、該装置が、構成要素ｄ）の変向箇所における変向によって生ぜしめられた走入傾斜部を有するように構成されており、つまりこのとき走入傾斜部の角度は、構成要素ｄ）における変向部の角度に相当している。さもなければ引出しノズルは斜めに配置されていなくてはならず、このような配置形態は、設備技術的にあまり容易に実現することができない。

好適な実施形態では、構成要素ｃ）の横断面狭窄部は、湿潤された繊維層の幅が引出しノズルの横断面よりも小さな横断面に戻され得るように構成され、かつ追加的に構成要素ｄ）による変向箇所の前または後で、湿潤された繊維層の幅が、引出しノズルの横断面に導かれ得るように構成されている。

記載の実施形態では、装置は、その内部において繊維層が湿潤されかつ横断面が狭窄される室を有している。特に製造のために所望のスケールでは、しかしながら、装置は複数の室を有していて、複数の部分ストランドが変向箇所においてまたは変向箇所の後でまとめられると好適である。例えば装置および方法の下記の実施形態が好適である。すなわち、
・２つ、３つまたはそれ以上の室が互いに上下に位置しており、各室において１つの部分ストランドが、溶融物によって湿潤され、搬送通路の横断面が狭窄される。これらの部分ストランドは、次いで変向箇所においてまたは変向箇所の後で互いに上下にまとめられる。個々の部分ストランドが異なった繊維を含有している場合には、このとき複雑な異形材の製造時における所望の層構造が可能である。
・２つ、３つまたはそれ以上の室が互いに上下に位置しており、各室において１つの部分ストランドが、溶融物によって湿潤され、搬送通路の横断面が狭窄される。これらの部分ストランドは、次いで変向箇所においてまたは変向箇所の後で互いに並べられてまとめられる。
・２つ、３つまたはそれ以上の室が互いに並んで位置しており、各室において１つの部分ストランドが、溶融物によって湿潤され、搬送通路の横断面が狭窄される。これらの部分ストランドは、次いで変向箇所においてまたは変向箇所の後で互いに上下にまとめられる。
・２つ、３つまたはそれ以上の室が互いに並んで位置しており、各室において１つの部分ストランドが、溶融物によって湿潤され、搬送通路の横断面が狭窄される。これらの部分ストランドは、次いで変向箇所においてまたは変向箇所の後で互いに並べられてまとめられる。

従来の解決策に対する明らかな違いは、本発明によれば、強く延展された状態における所望の湿潤および次いで行われる縦横方向における相対運動による個別繊維への含浸にあり、このようなことは、横断面狭窄、次いで行われる変向および場合によっては次いで行われる新たな横断面拡大によって実現される。これによって、高い引出し速度においても、極めて広い粘度範囲にわたって極めて良好な含浸品質が得られる。

１０ ボビン
２０ 延展装置
３０ 繊維層の移動方向
４０ 押出し機
５０ 押出し機
６０ 塗布ノズル
６１ 引込み部
６２ 走入兼湿潤ゾーン
６３ 塗布ノズル
６４ 走入兼湿潤ゾーンの長さ
６５ 変向部
６６ 変向部
６７ 変向後における横断面幅
６８ 鎮静ゾーン
６９ 鎮静ゾーンの長さ
７０ ノズル
８０ カレンダ

Claims (14)

1. 繊維複合材料を製造する方法であって、下記のステップ、すなわち、
   ａ）繊維層を、延展装置を介して引き込み、かつこのとき最終製品の幅に相当する値よりも、少なくとも係数１.２の倍率で大きく延展させ、このとき前記繊維層を、その平均厚さがフィラメント直径の１〜５０倍に相当するように大きく延展させるステップと、
   ｂ）延展された状態において、溶融物を、少なくとも１つの塗布ノズルを用いて塗布するステップと、
   ｃ）横断面狭窄部を通して、成形型により、湿潤された前記繊維層の幅を少なくとも、製品が引出しノズルから出るときの横断面に導くステップと、
   ｄ）次いで変向部が、前記湿潤された繊維を５〜６０°の角度だけ変向させるステップと、
   ｅ）鎮静ゾーンが、繊維分布を一様な密度に均一化するステップと、
   ｆ）成形型終端部における引出しノズルによって、第１の形状付与を行うステップと、
   を有する、繊維複合材料を製造する方法。
2. 前記ステップｃ）において、前記湿潤された繊維層の幅を、前記製品が前記引出しノズルから出るときの前記横断面よりも小さな横断面に戻し、かつ追加的に、前記ステップｄ）の前または後で、前記湿潤された繊維層の幅を、前記製品が前記引出しノズルから出るときの前記横断面に導く、請求項１記載の方法。
3. 前記複合材料のマトリックスが、熱可塑性の成形材料、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂・熱硬化性樹脂のハイブリッド系、熱可塑性のエラストマまたは架橋されたエラストマである、請求項１または２記載の方法。
4. 前記ステップｄ）において、前記変向部の半径は２〜９０ｍｍである、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 前記ステップｄ）において、ただ１つの変向部が存在する、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 前記引出しノズルから出た後の得られたストランドを、カレンダ成形する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. 前記得られたストランドを、４〜６０ｍｍの長さを有する、長繊維強化されたペレットに切断する、請求項６記載の方法。
8. 前記得られたストランドは、フォイル、テープ、プレート、円形異形材または方形異形材である、請求項６または７記載の方法。
9. 繊維複合材料を製造する装置であって、下記の構成要素、すなわち、
   ａ）繊維層を室内に引き込み、かつ同時に前記繊維層を、最終製品の幅に相当する値よりも、少なくとも係数１.２の倍率で大きく延展させる延展装置と、
   ｂ）搬送方向において後続の、延展された前記繊維層に溶融物を塗布することができる１つまたは複数の塗布ノズルと、
   ｃ）湿潤された前記繊維層を少なくとも引出しノズルの横断面に導くことができる、搬送通路の後続の横断面狭窄部と、
   ｄ）前記繊維層を５〜６０°だけ変向させる変向部を前記横断面狭窄部の終端部に有する後続の変向箇所と、
   ｅ）鎮静ゾーンと、
   ｆ）引出しノズルと、
   を有する、繊維複合材料を製造する装置。
10. 前記延展装置を用いて、前記繊維層は、その平均厚さがフィラメント直径の１〜５０倍に相当するように大きく延展可能である、請求項９記載の装置。
11. 構成要素ｃ）において、湿潤された前記繊維層の幅を、前記引出しノズルの横断面よりも小さな横断面に戻すことができ、かつ追加的に、構成要素ｄ）による前記変向箇所の前または後で、前記湿潤された繊維層の幅を、前記引出しノズルの横断面へと導くことができる、請求項９または１０記載の装置。
12. 前記変向箇所において前記変向部の半径は、２〜９０ｍｍである、請求項９から１１までのいずれか１項記載の装置。
13. 前記構成要素ｄ）に、ただ１つの変向部が存在する、請求項９から１２までのいずれか１項記載の装置。
14. 複数の室が設けられていて、このとき部分繊維層を前記変向箇所においてまたは前記変向箇所の後でまとめることができる、請求項９から１３までのいずれか１項記載の装置。

Images