JP6860580B2 - 解束した繊維トウを含有するプリフォームマットおよび成形組成物において使用する、繊維トウを解束する方法およびシステム - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、その内容が本明細書中に参考として組み込まれている、２０１６年１月２６日に出願の米国仮出願６２／２８７，３５５号の優先権を主張するものである。

本発明は、一般に、繊維トウを解束する方法およびシステムに関し、より詳細には、プリフォーム（ｐｅｒｆｏｒｍ）マットおよび成形組成物中に封入しやすい、細断および分散した（ｄｉｓｂｕｒｓｅｄ）繊維を生じる方法に関する。

繊維強化を行った熱硬化性または熱可塑性のポリマーマトリクスは、高い強度対重量比に関して魅力的な特性を有する。シート成形組成物（ＳＭＣ）は長い間、自動車および航空宇宙用の応用において金属車体部品の代替品として検討されてきた。同様に、繊維強化を行った熱可塑性物質は、そのような強化を行わない場合は熱可塑性物質によって達成することができない性能要件を満たすことができる。プリフォームを作製するためのモデルを開発する試みが数多く存在するが、これらは一般に、スラリーから繊維を、所望のプリフォームの形状の輪郭に合わせたスクリーン上に捕らえる工程、次いでプリフォームの形状を固めるための二次乾燥に依存している。熱可塑性結合剤は、繊維をプリフォームの形状に固めるために、熱と併せて使用されている。その後、プリフォームを任意選択のトリミングに供し、反応注入成形工程によって反応性樹脂に含浸させて、複合物品を形成する。成形技法は、たとえば米国特許第４，８４９，１４７号に詳述されている。リフティングスクリーンプリフォーム成形工程および装置は、たとえば米国特許第６，０８６，７２０号に提供されている。

自動車および他の厳密性の高い応用のために信頼性のある品質の物品を得るためには、繊維プリフォームおよびマットが個体間の一貫性（ｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｃｙ）を有しており、かつプリフォーム（ｐｅｒｆｏｒｍ）またはマットの様々な領域内で均一な繊維密度を有することが重要である。典型的には、プリフォームは端の近くに過剰な繊維を蓄積する傾向にある一方で、中心領域は繊維が不足する傾向にある。この繊維密度の不均等性および一定度合の望ましくない繊維の優先的な配向は、プリフォーム型スクリーンとの接触から繊維位置のプリフォーム固定の間の繊維移動によって引き起こされる。ガラス繊維は、配向された繊維集塊の形成がプリフォーム中で形成されることをもたらす、スラリー中の繊維凝集の公称度合を有することが観察されているが、これらの凝集に対する傾向は、カーボンファイバーおよびセルロースに基づく繊維などの他の種類の繊維においてより顕著である。様々な技法が調査されているが、限定されたスループットに関連するスラリープリフォーム形成およびプリフォーム内の繊維密度の不均等性において問題が継続している。

マトリクスを強化するための繊維封入の使用は当技術分野において周知であり、本明細書中以降「成形組成物」と総称するシート成形組成物（ＳＭＣ）配合物およびバルク成形組成物（ＢＭＣ）配合物のコンテキストでは、繊維強化は伝統的には細断ガラス繊維の使用を含む。成形組成物の分野において、成形組成物中のガラス繊維を部分的にまたはすべてカーボンファイバーで置き換えることに向けた認識が広まっている。しかし、この努力はガラスとカーボンファイバーの相違が原因で限られた成功しか納めていない。具体的には、これらの相違には繊維直径が含まれ、成形組成物において使用されるガラス繊維は１６〜３０ミクロンの典型的な直径を有する一方で、カーボンファイバーは典型的には２〜１０ミクロンの直径を有する。さらに、ガラスロービング布または束は典型的には何十本から何百本の個々の繊維を有する一方で、カーボンファイバートウは、典型的には何千本およびさらには何万本の個々の繊維の束である。さらなる相違は繊維間相互作用に存在し、ガラス繊維は細断した際に散乱および解束する傾向にあるが、ファンデルワールス結合および他の繊維間表面相互作用により、カーボンファイバーは成形組成物中の強化材として使用するために所望の長さに細断した後に解束が進まない傾向にある。カーボンファイバートウの解束は手動の操作による実験室規模の成形で取り組まれているが、カーボンファイバートウを分離した細断カーボンファイバーへと生産規模で解束するためには問題が存在する。

さらに、ランダムに配向された混合ガラス繊維およびカーボンファイバーの均一な層を形成するための混合繊維樹脂マトリクス物品の生成において、困難にぶつかっている。同様に、混合繊維ロービングおよび不織材の入手が限定されていることが、車体パネルの重量を減らす努力を妨げている。繊維強化樹脂成形のための繊維は、典型的には、長い繊維長の束から形成されるトウを事前に選択された長さへと細断することによって生成される。ガラス繊維は通常は数百本の繊維のトウで生成され、きれいに切断されて個々の繊維が生じる一方で、カーボンファイバーは、上述のように、１０〜２５マイクロメートルの直径を有するガラス繊維よりもはるかに小さい約２〜１０マイクロメートルの直径を有しており、何万本もの繊維を含有するトウで製造される。物理的および化学的な相違が原因で、カーボンファイバーは、ガラス繊維で一般的に観察されるランダムに配向された個々の繊維ではなく、繊維の集塊を形成する傾向にある。

米国特許第４，８４９，１４７号 米国特許第６，０８６，７２０号 米国特許第９，１４９，８３４号

Ｍ．Ｆ．ＵｎａｌおよびＤ．Ｒｏｃｋｗｅｌｌ（１９８８）．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ、１９０、４９１〜５１２頁

したがって、プリフォーム（ｐｅｒｆｏｒｍ）、マット、または成形組成物中の繊維の均一な分布をもたらして、生じるＳＭＣ、ＢＭＣ、熱可塑性物質、およびそれから形成される構造の強度を高めるために、連続的な様式で繊維トウを分離された細断繊維へと解束する方法の必要性が存在する。さらに、所望の横方向の範囲にわたる、ランダムに配向された繊維の均質な層を与える方法およびシステムの必要性が存在する。

繊維トウの１つまたは複数のリールと、繊維トウを受け取って繊維トウの１つまたは複数のリールから細断繊維を形成するように構成された切断エレメントと、細断繊維を受け取り、解束渦を作り出すように構成された導入ガス流を備えたチューブとを有する、繊維トウを細断繊維へと解束するシステムが提供される。移動ベルトは、チューブを出ていく細断繊維を重力の下で収集するために、チューブの下に配置されている。分注器は、結合剤または添加剤を細断繊維に施用するために移動ベルトに沿って配置されている。処理チャンバは処理された細断繊維を受け取る。

繊維トウの１つまたは複数のリールを切断システムに供給して細断繊維を形成し、細断繊維を、導入ガス流を備えたチューブ内に落として、渦の形成を用いて細断繊維を解束し、重力でチューブから移動ベルト上へ出ていく細断繊維を収集し、移動ベルトの上方の分注器から細断繊維を化学処理し、化学処理した細断物を処理チャンバに提供する、処理チャンバに送達するために、移動ベルト上で塊として繊維トウを細断繊維へと解束する方法が提供される。

プリフォーム（ｐｅｒｆｏｒｍ）マットまたは複合材料中に分散させる（ｄｉｓｂｕｒｓｅｍｅｎｔ）ために繊維トウを切断および解束することにおいて有効な、本発明による繊維投入および切断機の断面図である。 本発明の実施形態に従って図１に示す繊維投入および切断機を用いて細断繊維プリフォーム（ｐｅｒｆｏｒｍ）マットを生成するシステムの断面図である。

本発明は、多数の繊維が集合して形成されたトウを、成形組成物の配合物における使用に適した分散細断繊維へと解束することにおいて有用性を有する。本発明によれば、１つまたは複数の繊維トウを繊維投入および切断機内へと送り、ここで、細断繊維は、細断繊維を移動ベルト上へと分離および分散させる、チューブ状のタワー内の下向きの空気流内に導入される。

値の範囲が提供される場合、範囲の端値だけでなく範囲の中間値も明白に範囲内に含まれ、範囲の最後の有効数字によって変化するものとして範囲に包含されることを意図することを理解されたい。例として、列挙した範囲１〜４には、１〜２、１〜３、２〜４、３〜４、および１〜４が含まれることを意図する。

本発明の特定の実施形態では、トウは、単一のカーボンファイバー、単一のガラス繊維トウ、または、細断および分散させたガラスおよびカーボンファイバーをどちらも含有するハイブリッドトウである。本発明のさらに他の実施形態では、複数のトウを同時に投入し、複数のトウは炭素、ガラス、またはその組合せである。本発明において使用する細断繊維の典型的な長さは、典型的には０．１〜５センチメートル（ｃｍ）の範囲である。繊維の直径は市販の供給源に基づいて広く変動することを理解されたい。ガラス充填材繊維は０．０３〜０．５ミリメートル（ｍｍ）の典型的な直径を有し、カーボンファイバーは０．００５〜０．１ｍｍの典型的な直径を有する。前述の典型的な範囲外の繊維寸法が存在し、それらが本発明の範囲内であることを意図することを理解されたい。

トウまたは複数のトウを、トウを事前に選択された長さの円柱状の繊維束へと分割する切断エレメントに供する。切断エレメントには、回転細断刃、リニア（ｌｉｎｅｒ）アクチュエーター細断刃、ウォータージェット、およびレーザーカッターを含めた様々な慣用の刃が含まれる。

本発明によれば、細断したトウ繊維をチューブ内の加圧ガス流内に送り、回転繊維の渦を誘導する。渦中での時間および回転速度を制御することによって、繊維の小クラスター、個々の繊維、またはその組合せへの所望の度合のトウ分散体が得られる。渦形成の動力学は当技術分野で知られている。Ｍ．Ｆ．ＵｎａｌおよびＤ．Ｒｏｃｋｗｅｌｌ（１９８８）．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ、１９０、４９１〜５１２頁。シリンダーをチューブとして使用することにより、渦巻くガスおよび繊維がそれ内で渦を形成する能力が限定されることが原因で均一性に関する利点が提供され、また、垂直断面が均一であることを理解されたい。他方で、断面が三角形、正方形、およびより高次の正多角形である、球状、半球状、円錐形、および多角形の断面形状を含めた他のチューブ形状も本発明において有効であることを理解されたい。手短に述べると、回転および鉛直流の構成要素をどちらも用いて、加圧ガス流を細断繊維を含有するチューブ内に向けることによって、渦が形成される。シリンダー中での繊維の滞留時間は、上向きのガス流を制御することによってほぼ無限時間まで延長することができる。一部の実施形態では、繊維の解束および渦中での混合をさらに増進するために、チューブ自体も回転させる。

チューブ内で渦を形成するために適したガスは、繊維との適合性においてのみ限定される。本発明において有効である例示的なガスには、空気、窒素、二酸化炭素、一酸化炭素、水素、希ガス、およびその組合せが例示的に含まれる。大気圧プラズマが解束中に繊維の表面改質を行うことを支援するために、繊維の解束に加えてチューブには図１の電極２４が容易に提供されていることを理解されたい。例として、解束中にプラズマ処理によって表面機能性を付加する、または、続いて施用するマトリクスに対してより高い反応性を繊維に与えるために、繊維サイズ剤を化学修飾する。米国特許第９，１４９，８３４号はそのような繊維改質の代表的なものである。

本発明のさらに他の実施形態では、ガス流は粒子状充填材の流れを同伴して、そのような充填材粒子がその全体にわたって散在して含まれる、解束された繊維塊を形成する。そのようなガス流内に同伴させる粒子状充填材には、例示的には、シリカ、カーボンブラック、炭酸カルシウム、中空ガラスミクロスフェアなどの無機粒子、ポリスチレンと中空ポリマービーズのポリマービーズなどの合成有機粒子、ココナツ、もみ殻、くるみ殻、卵殻などの粉砕した植物の殻および皮等、天然に存在する粒子、ならびにその組合せが含まれる。同伴させる粒子は、通り過ぎるガス流内に粒子を測り入れる図１の粒子リザーバー２２で提供する。

化学修飾がチューブ内で起こるかどうかにかかわらず、解束繊維は、下層のベルト上に、ベルトによって定義される平面内に一般にランダムな繊維配向で、重力によって送られる。そのような解束繊維は、最初に堆積される際、ベルト平面に対して０°の角度によって定義されるベルト平面内に置かれる傾向にあるが、繊維層の厚みがベルト上で増していくにつれて、ベルトに対する繊維傾斜角の平均が、０より大きい角度から６０°までの値へと増加することを理解されたい。

ベルトの幅に対してチューブをサイジングすることによって、本発明の一部の実施形態では、ベルト上の細断繊維塊の幅にわたって２０繊維数パーセント（ｆｉｂｅｒ ｎｕｍｂｅｒ ｐｅｒｃｅｎｔ）未満の変動である繊維の横分布が得られる。他方で、本発明の他の実施形態では、繊維の横分布は１０繊維数パーセント未満である。ベルトの移動方向に対して内向きの角度にしたレールを用いることで、ベルトの端の繊維が内向きになるよう優先的に促されて、ベルト上の繊維の横幅がより細いがより均一な幅となることを理解されたい。一部の実施形態では、チューブをベルト移動の方向に対して側方に旋回させて、ベルト上の細断繊維の横分布に変化をつける。

一部の実施形態では、解束繊維はチューブ内またはベルト上のどちらかで化学処理する。本発明において有効である化学処理には、例示的には、シラン、シリセキオキサン（ｓｉｌｉｓｅｑｕｉｏｘａｎｅ）類（ＳＱ）、およびその組合せが含まれる。一部の実施形態では、化学処理は、添加剤と繊維との間の結合形成を促進するために、加熱、化学線、またはプラズマを用いて行うことを理解されたい。

本発明の一部の実施形態では、粒子状充填材は、ベルト運送中のこの時点で層として施用する。粒子状充填材には前述の材料が含まれる。

その後、結合剤を細断繊維塊上に噴霧する。本発明の一部の実施形態では、結合剤の噴霧施用の前に繊維塊を圧縮する。結合剤は、ニートでまたは溶媒中の懸濁液もしくは溶媒和物で施用することを理解されたい。本発明において有効である結合剤には、例示的には、ラテックス類、エポキシ類、フェノール樹脂類、およびポリエステル類、ならびにその組合せが含まれる。一部の実施形態では、結合剤の噴霧は、結合剤と繊維との間の結合形成を促進するために、加熱、化学線、またはプラズマを用いて行うことを理解されたい。

本発明の実施形態は、横方向の均一性、ベルト平面内でのランダム性、それ中への粒子の封入、解束、またな前述の任意のものの組合せに関して、既存の方法と比較して改善された繊維の分散を提供する。したがって、繊維特性の制御、および本発明による結合剤によって保持された繊維塊を生成するための連続的な生成方法は、特定の実施形態において、配合物の硬化の前に成形組成物の配合物中に分散させるため、また、例示的にＳＭＣおよび樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）を含めた複合成形物において使用するプリフォーム（ｐｅｒｆｏｒｍ）マットにおいて使用するために利用可能である。本発明の方法およびシステムによって形成されたプリフォームマットは、硬化した際に様々な成形品および繊維強化物品を形成する、熱硬化性樹脂組成物の成形に利用可能である。そのような物品は、ベッドライン、車体部品、トリム、内装構成要素、およびアンダーカー構成要素などの車両構成要素、トリムおよびドアなどの建築構成要素、船体、トリム、およびコックピットピースなどの船舶構成要素、ならびに航空宇宙用設定における同様の構造等の、様々な応用において使用される。

図間で同様の数字はそれに付与さえた意味に対応する図を参照すると、図１では、繊維投入および切断機の断面図を全体的に１０に示す。トウの細断について上に詳述したように、１つまたは複数の繊維トウ１２をフィーダーリール１３から切断エレメント１４内へと送る。１つもしくは複数の繊維トウは同じ材料であってもよく、または、トウはガラス、炭素、天然、および化学的に基づいたトウの混合物であってもよい。細断繊維を、チューブ１６を通し、らせん状ガス流の下、渦の中に下向きに落として、細断繊維１８を移動ベルト２０上に分離および分散させる。一部の実施形態では、チューブ１６にはプラズマ発生電極組（示さず）が含まれる。図２のシステム図３０に示すように、繊維投入および切断機１０から移動ベルト上に出ていく細断繊維１８は、分注器３２から施用される結合剤で被覆される。結合剤の性質は上に詳述している。分注器３２と同様の分注器を使用して、化学的添加剤を結合剤分注器３２の前または後に分注することを理解されたい。そのような添加剤には前述のものが含まれる。視覚的な明瞭さのために示していないが、結合剤または添加剤の施用は、それぞれ独立して熱源、光源、またはプラズマ源などの活性化エネルギー入力を伴う。その後、処理された繊維は処理チャンバ３４へと移動され、ここで、繊維（ｆｉｌｅｒ）は移動ベルト２０と上部移動ベルト４２の間で、ローラー３８でシートまたはマット４４へとプレスされる。処理チャンバは、化学処理した繊維２０を硬化させる第１の加熱セクション３６、およびシートまたはマットがチャンバ３４から出ていく前の第２の冷却セクション４０を備える。チャンバセクション３６および４０内の雰囲気は、例示的に事前に選択された温度の空気または不活性ガスを含めたもので、それぞれ独立して制御されることを理解されたい。

本発明を以下の非限定的な実施例に関してさらに詳述する。本実施例は添付の特許請求の範囲の範囲を限定することを意図しない。

実施例１
本発明の特定の実施形態では、繊維投入および切断機は１〜４つのナイフ刃を備えた調節可能な繊維切断長を有していてよく、繊維幅は４枚の刃を用いて５００ｍｍまでである。繊維供給速度は２４０ｍ／分までに設定してよく、回転速度は１２，０００ｒ．ｐ．ｍである。例示的な細断システム機器は市販されている。図２に模式図を示すように、この機器は渦形成チャンバおよび下層コンベヤを用いて改良されている。

１０ 繊維投入および切断機
１２ 繊維トウ
１３ フィーダーリール
１４ 切断エレメント
１６ チューブ
１８ 細断繊維
２０ 移動ベルト
２２ 粒子リザーバー
２４ 電極
３０ システム図
３２ 分注器
３４ 処理チャンバ
３６ 加熱セクション
３８ ローラー
４０ 冷却セクション
４２ 上部移動ベルト
４４ シートまたはマット
２０ 化学処理した繊維

Claims (23)

1. 繊維トウの１つまたは複数のリールと、
   繊維トウを受け取って繊維トウの１つまたは複数のリールから細断繊維を形成するように構成された切断エレメントと、
   シリンダー状チューブであって、細断繊維を受け取り、シリンダー状チューブにおいて解束渦を作り出すために回転流および鉛直流の構成要素をどちらも有する加圧ガス流を受け取るように構成されたシリンダー状チューブと、
   シリンダー状チューブを出ていく細断繊維を重力の下で収集するために、シリンダー状チューブの下に配置された移動ベルトと、
   結合剤または添加剤を細断繊維に施用するために、移動ベルトに沿って配置された分注器と、
   処理された細断繊維を受け取る処理チャンバと
   を備える繊維トウを細断繊維へと解束するシステム。
2. 繊維トウの１つまたは複数のリールが、ガラス、炭素、ポリイミド、ポリエステル、またはポリアミドのうちの少なくとも１つ、およびその組合せである、請求項１に記載のシステム。
3. 結合剤を施用し、処理チャンバ内でプリフォーム（ｐｅｒｆｏｒｍ）マットを形成する、請求項１に記載のシステム。
4. チューブがプラズマ発生器をさらに備える請求項１に記載のシステム。
5. 分注器に結合剤が含まれる、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 分注器に添加剤が含まれる、請求項１に記載のシステム。
7. 添加剤がシランまたはシルセスキオキサンのうちの１つである、請求項６に記載のシステム。
8. ガス流と流体連結した粒子リザーバーをさらに備える請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
9. 細断繊維の一部を移動ベルトの中心線に向けて促すために、移動ベルトの移動方向に対して内向きの角度にしたレールをさらに備える請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
10. 結合剤または添加剤と細断繊維との間の化学反応を促進するために、分注器と関連した熱化学線またはプラズマエネルギー源をさらに備える請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
11. 処理チャンバが、移動ベルト上の処理された細断繊維を平らにする一組のローラーをさらに備える請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
12. 処理チャンバが、化学処理した細断繊維を硬化させる第１の加熱セクションと、プリフォームマットが処理チャンバから出ていく前の第２の冷却セクションとをさらに備える請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
13. 処理チャンバが上部移動ベルトをさらに備える請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
14. 切断エレメントが一連の刃をさらに備える請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
15. 繊維トウの１つまたは複数のリールを切断システムに供給して細断繊維を形成するステップと、
    細断器（ｃｈｏｐｐｅｒ）繊維を、渦の形成を用いて細断繊維を解束するために回転流および鉛直流の構成要素をどちらも有する導入加圧ガス流を備えたシリンダー状チューブ内に落として、渦の形成を用いて細断繊維を解束するステップと、
    重力でシリンダー状チューブから移動ベルト上へ出ていく細断繊維を収集するステップと、
    移動ベルトの上方の分注器から細断繊維を化学処理するステップと、
    化学処理した細断繊維を処理チャンバに提供するステップと
    を含む、処理チャンバに送達するために、移動ベルト上で塊として繊維トウを細断繊維へと解束する方法。
16. 導入ガス流が回転および鉛直の構成要素を細断繊維に施用する、請求項１５に記載の方法。
17. チューブ内でプラズマ放電を施用することをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
18. 粒子をガス流中に同伴させることをさらに含む、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 結合剤の細断繊維への接着を促進するために、熱、化学線、またはプラズマのエネルギー源を施用することをさらに含む、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の方法。
20. 化学処理した細断繊維がプリフォームマットとして処理チャンバを出ていく、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の方法。
21. 化学処理した細断繊維を移動ベルト上で平らにすることをさらに含む、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の方法。
22. 処理チャンバの第１のセクション内の化学処理した細断繊維を加熱し、その後、化学処理した細断繊維を第１のセクションと比較して冷却することをさらに含む、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の方法。
23. 化学処理した細断繊維を処理チャンバ内で接触させることをさらに含む、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の方法。
    

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