JP6748187B2 - 不連続繊維複合材及びその製造方法 - Google Patents
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Description
本出願は、35U.S.C.§119に従って、2015年8月11日に出願された米国仮出願第62/203,810号の優先権を主張するものであり、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本発明は、不連続繊維及び1種以上のポリマー及び/又はオリゴマーを含む複合材料と、その製造方法とに関する。
強化された複合材は、自動車、建設、航空宇宙、エネルギーなどの多くの産業に応用されている。ポリマーマトリックス中に調製された連続炭素繊維、ガラス繊維、及びアラミド繊維を含むいくつかの繊維強化複合材は、高性能金属及び金属合金と比較して、優れた比強度(単位質量当たりの強度)及び/又は比剛性(単位質量当たりの剛性)を示している。例えばエポキシなどの熱硬化性マトリックス中に埋め込まれた連続高強度炭素繊維を含む高性能繊維強化複合材は、軍用機の構造材料などの要求が厳しい用途に使用されている。しかしながら、高い材料コストと製造プロセスの高いコストが、比強度及び/又は剛性特性が高い材料に対する市場が大きい大量消費の産業及び/又は消費者用途における、これらの高度な材料の使用を排除してきた。例えば自動車業界は、54.5マイル/ガロンの2025年CAFE平均燃料消費基準を満たすために車両の構造及び半構造部品の重量を低減することが緊急に必要であるが、従来の方法で製造された繊維強化複合材の高いコストが、自動車用途へのこれらの材料の採用を大きく阻害している。
本発明は、不連続繊維を含む強化複合材料と、その製造方法とに関する。本発明は、複合シートを含む組成物、積層物、及び/又は成形複合材製品、及びこれらを製造する方法に関する。組成物、積層物、及び/又は成形複合材製品は、不連続繊維と、1種以上のポリマー及び/又はオリゴマーを含む。この組成物は、不連続繊維と、1種以上のポリマー及び/又はオリゴマーを混合して混合物を形成する工程と、混合物を圧延して複合シートを形成する工程と、そして任意選択で(optionally)複合シートを延伸する工程とにより、調製することができる。本方法は更に積層工程を含むことができる。この方法はさらに、複合シート、複合シートから形成されたペレット、及び/又は積層物を成形複合材製品に成形することができる成形工程を含むことができる。本発明のある態様において、組成物、複合シート、積層物、及び/又は成形複合材製品は、改良された特性を有する。
本発明では、商業的に実現可能なコストで複合シートの大量生産を可能にするプロセスにより、不連続な繊維強化を含む複合材において、優れた工学機械的及び/又は物理的特性が達成される。本発明の方法は、加工中の繊維長さの減少が最小限に抑えられるように設計され、かつプロセスの1つ以上の段階で起きる繊維の整列の結果として繊維が一方向にはっきり配向されるように、設計される。繊維長さと繊維の配向状態の優れた保持の結果として、得られる繊維強化シート及びこれらを固めることにより製造される積層複合材は、従来法で製造された不連続繊維強化複合材と比較して、繊維配向の方向に非常に高い強度と剛性を示す。この方法は、要求が厳しいコストに厳しい用途のための複合材料の作成において新たな自由度を可能にし、リサイクルされた、再生された、及び/又は回収された繊維の安価な利用に充分適している。
図1に一般的に示されるように本発明のある態様は、不連続繊維を用いた強化複合材を調製する方法10である。好ましくは、本発明の方法は連続プロセス12用であるが、いくつかの実施態様において、製造をバッチプロセス14で行うことができる。方法10は、連続プロセス又はバッチプロセスであってもよい。供給システム18は、不連続繊維22、及びポリマー24、及び任意的な成分28を提供することができる。任意の適切な供給システム18を使用することができる。不連続繊維22、ポリマー24、及び任意的な成分28は、組合わされる(20)。組合せ20は、供給システム18内で又は供給システム18の外で行うことができる。本発明のある態様において、組合せ20は、種々の構成要素を個別に、押出機又は混合装置又は他の容器などの組合せ位置に供給する供給システム18により行うことができる。不連続繊維22、ポリマー24、及び任意的な成分28を混合(30)して混合物を形成することができる。混合30は、所望の最終製品に適した任意の適切な方法で行うことができ、製造が連続プロセスであるかバッチプロセスであるかどうかに依存し得る。次に混合物は圧延工程50を経て送られ、複合シートを形成することができる。場合により、複合シートは延伸することができる(60)。
出口にダイが取り付けられていないCoperion ZSK-25 噛み合い共回転2軸押出機(48:1 L/D)を用いて配合を行った。押出機には水冷システムと、閉じ込められた空気及び揮発性物質を除去するための真空システムが備えられていた。押出機には、2つのK-Tron2軸重量フィーダーを介して材料、マトリックスポリマー、及び強化材が備えられていたが、タイプ40の炭素繊維及びTP1サイズの炭素繊維は、制御された間隔で手動で供給しなければならなかった。強化繊維は、噛み合い共回転2軸サイドフィーダーを用いて押出機に供給した。ポリマー質量流量は10kg/時間であった。可変速駆動システムに後付けされたFarrel 6x13 2本ロールミルを使用してシートを製造した。この駆動システムは、2本ロールミルがシートカレンダーシステムと同様に使用されることを可能にし、この2本ロールミル上に、2軸押出機(ダイは無し)からの押出物が堆積されてシート材料が形成された。ロールの回転速度は5rpmであった。純粋なポリマーのシートを同じ方法で製造したが、繊維を導入しなかった。積層物材料は、所望の厚さの積層物を製造するために、シート材料のいくつかの層をオーブン中で真空バッグ下で固めることにより製造された。
繊維強化シート及び積層物を実施例1の記載に従って製造したが、全ての場合において、繊維充填レベルは約20重量%(炭素繊維の場合、約11容量%)であった。実施例1と同様に、ASTM D638(タイプI試料)に従って引張試験を行い、ASTM D790に従って曲げ試験を行った。0°(又は機械)方向の引張試験及び曲げ機械試験の結果を表3に示したが、そこからポリプロピレン繊維強化複合材が0°方向に高い強度値と弾性率値を示すことが分かる。
出口にダイが取り付けられていないCoperion ZSK-25 噛み合い共回転2軸押出機(48:1 L/D)を用いて配合を行った。押出機には水冷システムと、閉じ込められた空気及び揮発性物質を除去するための真空システムが備えられていた。押出機には、2つのK-Tron2軸重量フィーダーを介して材料、マトリックスポリマー、及び強化材が供給されていたが、タイプ40の炭素繊維及びTP1サイズの炭素繊維は、制御された間隔で手動で供給しなければならなかった。強化繊維を、噛み合い共回転2軸サイドフィーダーを用いて押出機に供給した。ポリマー質量流量は10kg/時間であった。可変速駆動システムに後付けされたFarrel 6x13 2本ロールミルを使用してシートを製造した。この駆動システムは、2本ロールミルがシートカレンダーシステムと同様に使用されることを可能にし、この2本ロールミル上に、2軸押出機(ダイは無し)からの押出物が堆積されてシート材料が形成された。ロールの回転速度は5rpmであった。純粋なポリマーのシートを同じ方法で製造したが、繊維を導入しなかった。積層物材料は、所望の厚さの積層物を製造するために、シート材料のいくつかの層をオーブン中で真空バッグ下で固めることにより製造された。MTS Q-Test 10 電気機械試験システム又はMTS 810 ロードフレームのいずれかで、機械的試験を行った。どちらのシステムも MTS TestWorks 4 ソフトウェアを使用している。引張り試験は、ASTM D638に従って実施した(タイプI試料)。曲げ試験は、ASTM D790に従って実施した。使用したポリマーは、DuPont Zytel(登録商標)7301 NC010 ポリアミド6(PA6)である。3種類の繊維を使用した:(1)「Carbon-APS」 SGL Groupにより供給された不連続炭素繊維であり、SGLの独自のAPSサイズ処理機による長さ1/4インチの細断トウとして受け取られた;(2)「Carbon T-40」(Recafil(登録商標)) SGL Groupにより供給され、長さが平均40mmの束中に種々の長さの再生された細断繊維を含み、90重量%の炭素繊維含量と、4重量%のガラス繊維含量と、3重量%のポリマー繊維含量と、3重量%のバインダー含量を有する;(3)Glass-TF674 Johns Manvilleより供給された不連続ガラス繊維であり、Johns Manvilleの独自のThermoflow(登録商標)674サイズ処理機による長さ4mm(0.16インチ)の細断ストランドとして受け取られた。すべての場合において、繊維充填レベルは約20重量%(炭素繊維の場合は約14容量%であり、ガラス繊維の場合は約10容量%)であった。0°(又は機械)方向の引張試験及び曲げ機械試験の結果を表4に示し、90°(又は横断)方向の機械試験の結果を表5に示す。繊維強化ポリアミド6材料の特性が高度に異方性であり、0°方向に高い強度値と弾性率値を示すことがわかる。
繊維強化シート及び積層物を実施例3の記載に従って製造したが、全ての場合において、繊維充填レベルは約30重量%(炭素繊維の場合は約21容量%であり、ガラス繊維の場合は約16%)であった。実施例3と同様に、ASTM D638(タイプI試料)に従って引張試験を行い、ASTM D790に従って曲げ試験を行った。0°(又は機械)方向の引張試験及び曲げ機械試験の結果を表6に示し、そこから繊維強化ポリアミド6複合材が0°方向に高い強度値と弾性率値を示すことが分かる。
繊維強化シート及び積層物を実施例3の記載に従って製造したが、押出機中の質量流量は、10kg/hrと15kg/hrの2つの異なる流速で行い、この実施例で使用したCarbon-APS繊維の繊維充填レベルは約15重量%(約10容量%)であった。表7から、この範囲の質量流量の変化は、これらの繊維強化ポリアミド6複合材の機械的特性に大きく影響しないことが分かる。
繊維強化シート及び積層物を実施例3の記載に従って製造したが、シート成形ロールを5、10、15、及び20rpmの4つの異なる速度で回転させ、本例で使用したCarbon-AP繊維の繊維充填レベルは、約15重量%(約10容量%)であった。表8から、回転数が増加するにつれて引張強度及び弾性率の小さく系統的な上昇があるようであるが、機械的特性は全体的に、この範囲のロールの回転速度によりほとんど影響されないことがわかる。
約15重量%の不連続炭素繊維(Carbon-T 40)で強化したポリプロピレンシートを実施例1に記載したように形成し、次に寸法4×1インチのストリップに切断した。より長い寸法は0°方向である。垂直方向に0.2インチ離し、水平方向に0.2インチ離して、試料の中央の2インチに亘ってグリッド線を引いて、延伸工程後に寸法が測定され得るセグメントを作成した。次にストリップを、2インチのゲージ長さを提供するように、環境チャンバーを備えた50KNのロードセルを有するMTSのジョーにクランプ留めした。効果的な延伸が可能な温度(試料に近い熱電対で測定して約230℃)までチャンバーを加熱した後、試料を0.1%/sの歪率で所望の延伸比に延伸した。積層物材料は、所望の厚さの積層物を製造するために、延伸された材料のいくつかの層をオーブン内で真空バッグ下で固めることにより製造した。機械的試験は、MTS TestWorks 4ソフトウェアを使用するMTS 810ロードフレームで実施した。引張り試験は、ASTM D638に従って実施したが、2インチのゲージ長さと0.5インチの幅を有するより小さい長方形の試料を使用した。試験した試料の記録された延伸比は、MTSグリップ間の領域内にある固めたストリップ内の全てのマークされたセグメントの平均延伸比として用いた。0°(延伸)方向の引張試験の結果を表9に示すが、ここから、繊維強化PP積層物の引張強度及び引張弾性率の両方が延伸比とともに著しく増加することがわかる。
約15重量%の不連続炭素繊維(Carbon-APS)で強化したポリアミド6シートを実施例3に記載したように形成し、次に寸法2.5×2インチのストリップに切断した。より長い寸法は0°方向である。垂直方向に0.125インチ離し、水平方向に0.5インチ離して、試料の中央の0.5インチに亘ってグリッド線を引いて、延伸工程後に寸法が測定され得るセグメントを作成した。次にストリップを、0.75インチのゲージ長さを提供するように、環境チャンバーを備えた50KNのロードセルを有するMTSのジョーにクランプ留めした。効果的な延伸が可能な温度(試料に近い熱電対で測定して約250℃)までチャンバーを加熱した後、試料を0.5%/s又は1%/sの歪率で所望の延伸比に延伸した。積層物材料は、所望の厚さの積層物を製造するために、延伸された材料のいくつかの層をオーブン内で真空バッグ下で固めることにより製造した。機械的試験は、MTS TestWorks 4ソフトウェアを使用するMTS 810ロードフレームで実施した。引張り試験は、ASTM D638に従って実施したが、0.75インチのゲージ長さと0.5インチの幅を有するより小さい長方形の試料を使用した。試験した試料の記録された延伸比は、MTSグリップ間の領域内にある固めたストリップ内の全てのマークされたセグメントの平均延伸比として用いた。0°(延伸)方向の引張試験の結果を表10に示すが、ここから、繊維強化PA6積層物の引張強度、特に引張弾性率が延伸比とともに著しく増加することがわかる。
約15重量%の不連続炭素繊維(Carbon-APS)で強化したポリプロピレンシートを実施例1に記載したように形成し、次に寸法64×6インチのストリップに切断した。より長い寸法は0°方向である。垂直方向に1インチ離し、水平方向に1インチ離して、試料の中央の32インチに亘ってグリッド線を引いて、延伸工程後に寸法が測定され得るセグメントを作成した。手作業による延伸は、最初にストリップの一端をクランプ留めし、これを赤外線加熱オーブン(それより上及び下にIRヒーターのバンクを有する)中を通過させることにより行った。このようにして、ストリップの32×6インチの領域を加熱源に直接暴露した。効果的な延伸を可能にする温度(試料表面上のパイロメーターで測定して約185℃)までチャンバーを加熱した後、試料を自由端を手でゆっくり引っ張ることにより、所望の延伸比に延伸した。積層物材料は、所望の厚さの積層物を製造するために、延伸された材料のいくつかの層をオーブン内で真空バッグ下で固めることにより製造した。機械的試験は、MTS TestWorks 4ソフトウェアを使用するMTS 810ロードフレームで実施した。引張り試験は、ASTM D638に従って、タイプ1試料を用いて実施した。試験した試料の記録された延伸比は、MTSグリップ間の領域内にある固めたストリップ内の全てのマークされたセグメントの平均延伸比として用いた。0°(延伸)方向の引張試験の結果を表11に示すが、ここから、繊維強化PP積層物の引張強度、特に引張弾性率が延伸比とともに著しく増加することがわかる。
本開示には以下の実施形態も開示される。
[実施形態1]
組成物を調製する方法であって、
不連続繊維と1種以上のポリマー及び/又はオリゴマーとを混合して混合物を形成する工程と、
混合物を圧延して複合シートを形成する工程と、
任意選択で前記複合シートを延伸する工程と、を含む上記方法。
[実施形態2]
前記混合が押出機中で行われる、実施形態1に記載の方法。
[実施形態3]
前記押出機が1軸又は2軸押出機である、実施形態2に記載の方法。
[実施形態4]
前記ポリマー及び/又はオリゴマーが熱可塑性又は熱硬化性であり、かつ前記不連続繊維がアラミド繊維、炭素繊維、セラミック繊維、ガラス繊維、高分子繊維、若しくは鉱物質繊維、又はこれらの組み合わせである、実施形態1に記載の方法。
[実施形態5]
前記不連続繊維が、前記複合シート中に約2重量%〜約75重量%の量で存在し、前記ポリマー及び/又はオリゴマーが、前記複合材中に約25重量%〜約98重量%の量で存在する、実施形態4に記載の方法。
[実施形態6]
前記押出機が、前記押出機開口部よりも大きいダイを介して、又は前記押出機開口部と同じ大きさのダイを介して、又は前記押出物をダイを通過させることなく、圧延工程に供給する、実施形態2に記載の方法。
[実施形態7]
前記複合シートを積層して積層物を形成する工程をさらに含む、実施形態1に記載の方法。
[実施形態8]
前記積層物が、異なる方法により調製された複合シート、ポリマーシート、金属シート、又はこれらの組み合わせをさらに含む、実施形態7に記載の方法。
[実施形態9]
前記混合が、モノマー及び/又はオリゴマーの部分的又は完全な現場重合中に起きる、実施形態1に記載の方法。
[実施形態10]
前記圧延工程が、2つ以上のローラーの間で行われる、実施形態1に記載の方法。
[実施形態11]
前記圧延工程が、複数セットのローラーの間で行われる、実施形態1に記載の方法。
[実施形態12]
前記組合せ工程が追加の成分を組み合わせる工程をさらに含み、かつ前記混合工程が追加の成分を混合する工程をさらに含む、実施形態1に記載の方法。
[実施形態13]
前記複合シートをチッピングしてペレットを形成する工程をさらに含む、実施形態1に記載の方法。
[実施形態14]
成形複合材製品を形成する工程をさらに含む、実施形態1〜13のいずれか一項に記載の方法。
[実施形態15]
前記形成する工程が、圧縮成形、加圧成形、熱成形、又は射出成形である、実施形態14に記載の方法。
[実施形態16]
実施形態1〜13のいずれか一項に記載の方法により調製された組成物。
[実施形態17]
前記組成物が、改良された引張強度、引張弾性率、曲げ強度、曲げ弾性率、荷重伝達、熱伝導率、導電率、形状形成特性、これらの組み合わせを有するか、又は異なる方法により調製された同じ成分を有する複合材と比較して、特性の組合せが改良されている、実施形態16に記載の組成物。
[実施形態18]
前記改良が、異なる方法により調製された同じ成分を有する複合材に対して、少なくとも1.2倍の大きさである、実施形態17に記載の組成物。
[実施形態19]
実施形態14に記載の方法により調製された成形複合材製品。
[実施形態20]
前記形成する工程が、圧縮成形、加圧成形、熱成形、又は射出成形である、実施形態19に記載の成形複合材製品。
[実施形態21]
前記組成物が、改良された引張強度、引張弾性率、曲げ強度、曲げ弾性率、荷重伝達、熱伝導率、導電率、形状形成特性、これらの組み合わせを有するか、又は異なる方法により調製された同じ成分を有する成形複合材製品と比較して、特性の組合せが改良されている、実施形態20に記載の成形複合材製品。
[実施形態22]
前記改良が、異なる方法により調製された同じ成分を有する複合材と比較して、少なくとも1.2倍の大きさである、実施形態21に記載の成形複合材製品。
Claims (13)
- 組成物を調製する方法であって、
不連続繊維と1種以上のポリマー及び/又はオリゴマーとを押出機中で混合して混合物を形成する工程であって、前記1種以上のポリマー及び/又はオリゴマーが熱可塑性のポリマー及び/又はオリゴマーであり、前記押出機が、前記押出機の開口部よりも大きいダイを介して、又は前記押出機の開口部と同じ大きさのダイを介して、又は押出物をダイを通過させることなく、圧延工程に供給する、工程と、
混合物を圧延して複合シートを形成する工程と、
任意選択で前記複合シートを延伸する工程と、を含み、
前記方法の1つ以上の段階で前記不連続繊維が一方向に配向され、繊維長さの減少が最小限に抑えられる、方法。 - 前記押出機が1軸又は2軸押出機である、請求項1に記載の方法。
- 前記不連続繊維がアラミド繊維、炭素繊維、セラミック繊維、ガラス繊維、高分子繊維、若しくは鉱物質繊維、又はこれらの組み合わせである、請求項1に記載の方法。
- 前記不連続繊維が、前記複合シート中に約2重量%〜約75重量%の量で存在し、前記ポリマー及び/又はオリゴマーが、前記複合材中に約25重量%〜約98重量%の量で存在する、請求項3に記載の方法。
- 前記複合シートを積層して積層物を形成する工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記積層物が、異なる方法により調製された複合シート、ポリマーシート、金属シート、又はこれらの組み合わせをさらに含む、請求項5に記載の方法。
- 前記混合が、モノマー及び/又はオリゴマーの部分的又は完全な現場重合中に起きる、請求項1に記載の方法。
- 前記圧延工程が、2つ以上のローラーの間で行われる、請求項1に記載の方法。
- 前記圧延工程が、複数セットのローラーの間で行われる、請求項1に記載の方法。
- 前記混合工程が追加の成分を混合する工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記複合シートをチッピングしてペレットを形成する工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 成形複合材製品を形成する工程をさらに含む、請求項1〜11のいずれか一項に記載の方法。
- 前記形成する工程が、圧縮成形、加圧成形、熱成形、又は射出成形である、請求項12に記載の方法。
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