JP7164523B2 - 構造適用のためのブレンドされた繊維マット形成 - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１６年１１月３０日に出願された米国仮特許出願番号６２／４２８，０３５の優先権を主張するものであり、参照により本明細書中に援用される。

［本発明の分野］
本発明は概して、バルクの刻まれた繊維を用いた繊維マット形成に関し、特に、構造適用のための刻まれた繊維プリフォームマットを形成するための繊維のブレンドの使用に関する。

より軽くて強い車両を生産するための経済的および環境的圧力は、ついここ数年で加速している。重量節約はスチールコンポーネントからアルミニウムに移行することによって伝統的に達成されたが、より少ない金属の使用の原因となる強化されたストレスポイントを有する新たに改変された構造によってさえも、アルミニウムコンポーネントから、さらなる重量節約を探り出す能力は減っている。熱硬化性樹脂マトリックスに基づく樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）およびシート成形組成物（ＳＭＣ）は、アルミニウムよりも低い生来の密度を有する。複雑なコンポーネントを成形する能力もまた、アルミニウムに対する、そのような材料の潜在的利点を表わす。

繊維補強を有する熱硬化性または熱可塑性の高分子マトリックスは、高い強度対重量比の観点から、魅力的な特性を有する。シート成形組成物（ＳＭＣ）は、金属体コンポーネントに対する代用として自動車および航空宇宙適用において長く考慮されている。同様に、繊維補強を有する熱可塑性プラスチックは、そのような補強がない熱可塑性プラスチックによっては達成され得ない性能要求を満たすことができる。プリフォームを作るためのモデルを開発するための非常に多くの試みがなされているが、これらは、一般に、所望のプリフォームの形状の輪郭をしたスクリーン上でスラリーから繊維を受け取る工程に依拠していて、その後に、プリフォームの形状を硬化（ｓｅｔ）するための二次乾燥が続く。プリフォーム形状で繊維を硬化するために、熱と共に熱可塑性結合剤が用いられている。それからプリフォームは、任意選択のトリミングに供されて、反応射出成形工程を通して反応性樹脂で充満されて、複合品を形成する。成形技術は、例えば、米国特許４，８４９，１４７に詳述される。昇降スクリーンプリフォーム成形工程および器具は、例えば米国特許６，０８６，７２０に提供される。

自動車および他の非常に厳重な適用のための信頼できる品質のものを得るためには、繊維プリフォームおよびマットは、プリフォームまたはマットの様々な領域内の均一な繊維密度および個々の構成要素（ｐｉｅｃｅ－ｔｏ－ｐｉｅｃｅ ｃｏｎｓｔｉｔｕｅｎｃｙ）を有することが重要である。典型的に、プリフォームは、縁の近位に過剰の繊維が蓄積する傾向があり、一方で、中央領域は繊維が不足する傾向がある。繊維密度におけるこの不均質性およびある程度の望ましくない繊維の選択的方位もまた、繊維位置のプリフォームセットおよびプリフォーム成形スクリーンとの接触間の繊維移動に起因する。ガラス繊維は、スラリー内にわずかな程度の繊維凝集を有することが観察されて、それは、プリフォーム内に形成される配向された繊維クランプの形成をもたらすが、凝集に向かうこれらの傾向は、炭素繊維およびセルロースに基づく繊維のような他のタイプの繊維に関してより顕著である。様々な技術が調査されているが、制限された全体（ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔ）と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一性により、問題が続いている。

マトリックスを強化するための繊維包含の使用は、当該分野でよく知られていて、シート成形組成物（ＳＭＣ）製剤およびバルク成形組成物（ＢＭＣ）製剤の関連において；以降まとめて「成形組成物」と呼び、繊維強化は、伝統的に、刻まれたガラス繊維の使用を伴っている。成形組成物の分野において、成形組成物内のガラス繊維の一部または全部を炭素繊維で置き換える評価が伸びている。しかしながら、この試みは、ガラスおよび炭素繊維の間の違いのせいで成功が制限されている。特に、これらの違いは繊維直径を含み、成形組成物において用いられるガラス繊維は１６～３０ミクロンの典型的な直径を有し、一方で、炭素繊維は典型的に２～１０ミクロンの直径を有する。加えて、ガラス粗紡、布地、または束は、典型的に、数十～数百の個々の繊維を有するが、炭素繊維トウは、典型的に、数千および実に数万の個々の繊維の束になる。刻んだ時にガラス繊維が散乱および解体する傾向がある場合、繊維－繊維の相互作用においてさらなる違いが存在し、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は、成形組成物における補強としての使用のために所望の長さに刻んだ後に炭素繊維を解体しにくくさせる傾向がある。炭素繊維トウの解体は、手による操作を通して実験スケールの成形において対処されるが、炭素繊維トウを別個の刻まれた炭素繊維に解体する生産スケールに関して、問題が存在する。

さらに、無作為に配向および混合されたガラス繊維および炭素繊維の均一な層の形成のための、混合された繊維樹脂マトリックス物品の生産において困難性に遭遇している。同様に、混合された繊維粗紡および不織布への制限されたアクセスは、車両本体パネルの重量を減少させる試みを妨害している。繊維強化樹脂成形のための繊維は、典型的に、長い繊維長のトウによって形成された束を、予め選択された長さに刻むことによって生産される。ガラス繊維は通常、数百の繊維のトウにおいて生産されて、清潔に切断されて、個々の繊維が生産されるが、以前に述べた炭素繊維は、約２～１０マイクロメートルの直径を有し、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ずっと小さく、数万の繊維を含むトウにおいて製造される。物理的および化学的な違いのせいで、炭素繊維は、ガラス繊維で一般に観察される無作為に配向された個々の繊維よりむしろ、繊維の塊を形成する傾向がある。

参照により本明細書中に援用される、「Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｄｅｂｕｎｄｌｉｎｇ Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｔｏｗ ａｎｄ Ｍｏｌｄｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ Ｓｕｃｈ Ｆｉｂｅｒｓ」と題された、２０１３年５月１日に出願された同時係属出願１４／３９８，６７３は、連続的な様式で炭素繊維トウを別個の刻まれた炭素繊維に解体するための方法および器具を提供して、成形組成物コンポーネントと炭素繊維の相互作用を促進して、生じるＳＭＣまたはＢＭＣの強度を高める。しかしながら、これらの処理による解体さえ、溶媒が環境ハザードを作る傾向があるので理解されないままであり、トウを作り上げる繊維を十分に湿潤（ｗｅｔ）させず、広げない。

したがって、繊維のブレンドまたはブレンド繊維トウを、連続的な様式で分離された刻まれた繊維に解体して、プリフォーム、マット、または成形組成物内の繊維の均一な分配を提供して、生じるＳＭＣ、ＢＭＣ、熱可塑性プラスチックの強度を高めるための方法、および、その形成された構造に関する必要性が存在する。所望の横方向の範囲にわたって無作為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に関する必要性がさらに存在する。

ブレンドされた繊維フィラーを含むマットを形成するための方法が提供される。当該方法は、２以上の異なるタイプの繊維トウを提供するステップ；および、２以上の繊維のタイプを同時に自動切断機に供給して、ブレンドされた繊維フィラーを形成する刻まれた繊維を生産するステップを含む。続いて、刻まれた繊維は、結合剤および他の添加剤でコーティングされて、コーティングおよび処理されたブレンドされた繊維は、処理チャンバーに移動されて、ブレンドされた繊維マットを形成する。

ブレンドされた繊維マットを形成するためのシステムが提供される。当該方法は、異なるタイプの繊維トウの２以上のリール、２以上のタイプの繊維トウを受け入れて刻まれた繊維を形成するように構成された切断エレメントを備えるチューブ、重力下でチューブを出る刻まれた繊維を集めるためにチューブの下に配置された移動ベルト、刻まれた繊維に結合剤を添加するために移動ベルトに沿って配置されたディスペンサー；および、結合剤でコーティングされた刻まれた繊維を受け入れる処理チャンバーを含む。

本発明とみなされる要旨は、明細書の結論において、特許請求の範囲において特に指摘されて明白に請求される。本発明の前述および他の目的、特徴、および利点は、付随する図面とともに得られる以下の詳細な説明から明らかである。

本発明の実施において用いられる繊維投与および切断機および処理チャンバーを備える主な機能性ブロックを示すシステムの機能性ブロック図である。 プリフォームマットまたは複合材料における分配（ｄｉｓｂｕｒｓｅｍｅｎｔ）のための、繊維トウの切断および解体において作用する本発明に係る繊維投与および切断機の横断面図である。 本発明の実施態様に係る、図２に示される繊維投与および切断機によって、刻まれた繊維プリフォームマットを生産するための図１に示されるシステムの詳細な横断面図である。 本発明の一実施態様に係る、炭素繊維トウ上に衝突する（ｉｍｐｉｎｇ）プラズマ発生源を備える処理チャンバーを具備するコンベアの入口部分の概要である。 本発明の実施態様に係る、構造適用のための刻まれた繊維プリフォームマットを形成するために、繊維のブレンドを用いた方法のフロー図である。

本発明は、構造適用のためのブレンドされた繊維マットとしての成形組成物内の包含に適している自動生産ライン上に刻まれて分散された繊維のブレンドを導入するための方法およびシステムとして有用性がある。繊維のブレンドは、熱可塑性、ガラス、炭素、ポリイミド類、ポリアラミド類、ポリエステル類、ポリアミド類、および結合剤繊維を含んでよい。繊維のブレンドは、渦を支持しているチャンバーの上に置かれた回転刃チョッパーを例示的に備える自動切断機へ同時に供給され得る。特定の発明の実施態様では、繊維のブレンド比は、以下：熱可塑性繊維が２５重量％～８０重量％、ガラス繊維が０重量％～７０重量％、炭素繊維が０重量％～７０重量％、および、結合剤が０重量％～３０重量％の範囲であってよい。刻まれた繊維および結合剤のブレンドを用いて、刻まれたマットが形成され得る。刻まれたマットは、いずれかのサイド上に置かれたベールマットを有してよい。特定の実施態様では、ベールマットは、ガラス繊維、炭素繊維、熱可塑性繊維、またはそれらの組み合わせで形成されてよい。マットは、熱可塑性結合剤の軟化温度で維持された加熱されたローラーを用いてベールマットと統合されてよく、統合されたマットは、ロールで、または平らなシートとして保管されるのに適している。チャージパターン（ｃｈａｒｇｅ ｐａｔｔｅｒｎ）は、統合されたマットを用いて作製されてよく、それは、オーブン内で熱可塑性繊維の融点以上の温度に加熱されてよい。事前に加熱されたチャージパターンは、それから、熱可塑性繊維の融点よりも低い温度に維持された型内で圧縮成形されてよい。

特定の実施態様では、より速い事前加熱のために、キュリーフィラーがマット内に含まれてよい。キュリーフィラーは、熱的曝露によってプリフォームマットの迅速な乾燥を促進する。本明細書において作用する高熱伝導率のフィラーは、８～７０Ｗ／ｍ－Ｋ（パン）および２０～１０００Ｗ／ｍ－Ｋ（ピッチ）の値を有する炭素繊維、ＡｌＮ ２６０ Ｗ／ｍ－Ｋ、ＢＮ ３００ Ｗ／ｍ－Ｋ、黒鉛６００ Ｗ／ｍ－Ｋ、またはカーボンブラック、アルミナ、またはそれらの組み合わせを例示的に含む。繊維マトリックスにおいて常磁性特性を有するフィラーを取り込むことは、迅速な硬化サイクルのためおよび改善された繊維湿潤（ｗｅｔ－ｏｕｔ）のための加熱を導入することによって、プリフォームが急速に加熱されるのを可能にする。常磁性特性は、プリフォームが常磁性粒子のキュリー温度よりも高く過熱するのを防ぐ。２９２および３８６ケルビンのキュリー温度をそれぞれ有するガドリニウムおよびＣｒＯ_２の常磁性フィラーは、それぞれ単独または組み合わせて用いられて、自己抑制の誘導加熱を促進する。高熱伝導率フィラーまたは常磁性フィラーは、スタックの０．０００１～５合計重量パーセント存在する。

炭素繊維トウに関して本明細書において用いられる用語「ロフト（ｌｏｆｔｉｎｇ）」、「解体する（ｄｅｂｕｎｄｌｉｎｇ）」および「広げる（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ）」は、同義的に用いられる。炭素繊維の「解体（ｄｅ－ｂｕｎｄｌｉｎｇ）」は、樹脂マトリックスが、最終的なモールド部品における応力のより良好な移行のためにより完全に個々の繊維を「濡らす（ｗｅｔ－ｏｕｔ）」のを可能にして、したがって、部品が正常な使用における応力および張力に、より耐え得るようにさせる。

値の範囲が与えられる場合、その範囲は、明示的にその範囲内に含まれてその範囲の最後の有効数字が変化するように、その範囲のエンドポイント値だけでなく、その範囲の中間値も含むことを意図することが理解されるべきである。例として、１～４の挙げられた範囲は、１～２、１～３、２～４、３～４、および１～４を含むことが意図される。

本明細書において用いられるトウ体積は、トウの所定の横断面内の最大面積にトウの長さをかけることによって定義される。

特定の発明の実施態様では、トウは単一の炭素繊維；単一のガラス繊維トウ、または、刻まれて分配されたガラスおよび炭素繊維の両方を含む複合型トウである。さらに他の発明の実施態様では、多数のトウが同時に投入されて、多数のトウは、炭素、ガラス、またはそれらの組み合わせである。本発明において用いられる刻まれた繊維の典型的な長さは、典型的に、０．１～５センチメートル（ｃｍ）の範囲である。繊維の直径は、工業用原料に基づいて広く変化し、ガラスフィラー繊維は１６～３０ミクロンの典型的な直径を有し、炭素繊維は２～１０ミクロンの典型的な直径を有することが理解される。前述の典型的な範囲外の繊維寸法が存在し、本発明の範囲内であることが意図されることが理解されるべきである。

トウ（単数または複数）は、予め選択された長さの繊維の円柱状の束にトウを分割する切断エレメントに供される。切断エレメントは、回転式チョッパー刃、線形作動チョッパー刃、ウォータージェット、およびレーザーカッターを含む様々な従来の刃を備える。

本発明によれば、刻まれたトウ繊維は、チューブ内の加圧ガスフローに供給されて、タンブリングする繊維の渦を誘導する。渦における時間および回転速度を制御することによって、小さなクラスターの繊維、個々の繊維またはそれらの組み合わせへの所望の度合いのトウ分散が得られる。渦形成の動力学は当該分野で公知である（Ｍ．Ｆ．Ｕｎａｌ ａｎｄ Ｄ．Ｒｏｃｋｗｅｌｌ（１９８８）．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，１９０，ｐｐ ４９１－５１２）。チューブとしてのシリンダーの使用は、渦を巻くガスおよび繊維がその中に渦巻を形成する制限された能力に起因する均一性の観点から利点を提供し、垂直な横断面において均一であることが理解されるが、球状、半球状、円錐形、および多角形の横断面形状を含む他のチューブ形状もまた、本明細書において作用することが理解されて、横断面は、三角形、四角形、およびより高次の正多角形である。手短には、回転および垂直の両方の流れ成分によって、刻まれた繊維を含むチューブにおいて、およびその中へ、加圧されたガスフローを向けることによって、渦が形成される。シリンダー内の繊維のドゥエルタイムは、上方へのガスフローを制御することによって無限に近い時間まで延長され得る。一部の実施態様では、チューブ自体も同様に回転して、渦において繊維の解体および混合をさらに高める。

チューブ内に渦を形成するのに適切な気体は、繊維との互換性にのみ制限される。本明細書において作用する例示的な気体は、空気、窒素、二酸化炭素、一酸化炭素、水素、希ガス、およびそれらの組み合わせを例示的に含む。繊維の解体に加えて、チューブは、図２における電極２４が容易に提供されて、解体中に繊維の表面改変を大気圧プラズマが行なうのをサポートすることが理解される。例として、表面官能性は、解体中にプラズマ処理を通して加えられて、または、繊維サイズ化は、続いて適用されるマトリックスに向けて繊維をより反応性にさせるように化学的に改変される。米国特許第９，１４９，８３４号は、そのような繊維改変の代表である。

さらに他の発明の実施態様では、ガスフローは、微粒子フィラーの流れを、それを通して散在されたそのようなフィラー粒子を含む解体された繊維の塊を形成するように同調させる。そのようなガスフロー内で同調される微粒子フィラーは、無機粒子、例えば、シリカ、カーボンブラック、炭酸カルシウム、および、中空のガラスマイクロスフェア；合成の有機粒子、例えば、ポリスチレンの高分子ビーズ、および中空の高分子ビーズ；および、天然起源の粒子、例えば貝殻粉末、および、ココナッツのような植物の殻、もみ殻、クルミ殻；卵殻；およびそれらの組み合わせを例示的に含む。同調のための粒子は、その近くを通過するガス流へ微粒子を測定する（ｍｅｔｅｒ）、図２における微粒子リザーバー２２において提供される。

チューブ内で化学改変が生じるかどうかにかかわらず、解体された繊維は、ベルトによって規定された平面において、一般に無作為な繊維方位で、下にあるベルトの上に重量供給される。そのような解体された繊維は、最初の沈着のときにベルトの平面内に横たわる傾向があり、ベルト平面に対して０度の角度が規定されて、さらに、繊維の層の厚さがベルト上に作られるときに、ベルトに対する傾斜の平均繊維角度は、０度よりも上から６０度までの値に増大することが理解される。

ベルトの幅と比較してチューブをサイズ化することによって、一部の発明の実施態様において、ベルト上の刻まれた繊維の塊の幅にわたって、２０未満（繊維数のパーセント）で変化する繊維の横分配が得られる。一方で、他の発明の実施態様では、繊維の横分配は、１０未満（繊維数のパーセント）である。ベルトの動きの方向に対して、内向きに傾斜したレールを用いて、ベルトの端の繊維が優先的に内向きに促されて、ベルト上に、繊維のより狭い横幅を作り出すが、より均一な幅であることが理解される。一部の実施態様では、チューブは、ベルトの動きの方向に対して横に回転して、ベルト上の刻まれた繊維の横分配を変化させる。

解体された繊維は、一部の実施態様では、チューブ内またはベルト上のいずれかで化学処理される。本明細書において作用する化学処理は、シラン、シルセスキオキサン（ＳＱ）、およびそれらの組み合わせを例示的に含む。化学処理は、一部の実施態様では、加熱、化学線、またはプラズマによって達成されて、添加剤と繊維との間の結合形成を促進することが理解される。

本発明の一部の実施態様では、微粒子フィラーが、ベルト運搬において、この時点で層として加えられる。微粒子フィラーは、前述の材料を含む。

結合剤は、それから、刻まれた繊維の塊の上に噴霧され得る。繊維の塊は、一部の発明の実施態様では、結合剤の噴霧適用前に圧縮されることが理解される。結合剤は、適切に、または溶媒内の溶媒和物または懸濁液に適用される。本明細書において作用する結合剤は、粉末、繊維、樹脂、および溶媒噴霧を例示的に含む。例示的な結合剤は、ラテックス類、エポキシ類、フェノール樹脂類、ポリエステル類、熱可塑性繊維を可溶化する溶媒、およびそれらの組み合わせを含む。結合剤噴霧は、一部の実施態様では、結合剤と繊維との間の結合形成を促進するための、加熱、化学線、またはプラズマによって達成されて、それは、単に可溶化または熱可塑性繊維を少なくとも粘着性にさせて、溶媒がなくなると結合を誘導することが理解される。

本発明の実施態様は、既存のプロセスと比較して、横の均一性、ベルトの平面における無作為性、その中の微粒子の包含、解体、または任意の前述の組み合わせの観点から改善された繊維分散を提供する。その結果、本発明に係る結合剤が保持された繊維の塊を生産するための連続的な生産プロセスおよび繊維特性の制御が、特定の実施態様において、製剤硬化の前に、ならびに、ＳＭＣおよび樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）を例示的に含む複合金型における使用のためのプリフォームマットでの使用のために、成形組成物製剤において分散されるのに利用可能である。プリフォームマットは、熱硬化性樹脂組成物成形のための本発明のプロセスおよびシステムによって形成されて、硬化の際に、様々な成形されたおよび繊維によって補強された物品を形成する。そのような物品は、様々な適用、例えば、ベッドライン、本体コンポーネント、トリム、内部コンポーネント、および車の下のコンポーネントのような車両コンポーネント；トリムおよびドアのような建築コンポーネント、ハル、トリム、およびコックピットピースのような船舶コンポーネント；および、航空宇宙設定内の同様の構造において用いられる。

ここで図を参照して、図１～３は、ＳＭＣおよびＲＴＭにおける使用のためのブレンドされた繊維マット４４を形成するためのシステム３０を示す。図１は、繊維投与および切断機１０、および、２以上の異なる繊維の原料１２を含む処理チャンバー３４を含む、主な機能性ブロックを示すシステム３０の機能ブロック図である。図２は、繊維投与および切断機の横断面図であり、一般に１０で示される。２以上の異なる繊維トウ１２は、トウを刻むために、上記に詳述したように、供給リール１３から切断エレメント１４へ供給される。１つまたは複数の繊維トウは、ガラス、炭素、天然、および化学系のトウの混合であってよい。ブレンドされた刻まれた繊維は、チューブ１６を通って渦の中のらせん状のガスフローの下へ落ちて、刻まれた繊維１８を移動ベルト２０上へ分離および分散させる。チューブ１６は、一部の実施態様では、プラズマ発生電極セット２４を備える。図３におけるシステム図３０に示されるように、繊維投与および切断機１０から移動ベルトの上へ出る刻まれた繊維１８は、ディスペンサー３２から適用される結合剤によってコーティングされる。結合剤の性質は上記に詳述されている。結合剤ディスペンサー３２の前または後に、化学添加剤を分注するためにディスペンサー３２と同様のディスペンサーが用いられることが理解される。そのような添加剤は、前述のものを含む。見た目の明確性のために図示されないが、結合剤または添加剤の適用は、それぞれ、熱源、光源、またはプラズマ源のような、活性化エネルギー入力によって独立に達成される。処理された繊維はそれから、処理チャンバー３４の中に移動して、そこで繊維は、移動ベルト２０と上側移動ベルト４２との間でローラー３８によってシートまたはマット４４に圧縮される。処理チャンバーは、化学的に処理された繊維を硬化する第一の加熱部分３６、および、チャンバー３４からシートまたはマットが出る前の第二の冷却部分４０を有する。チャンバー部分３６および４０内の雰囲気は、それぞれ独立に制御されて、事前に選択された温度の不活性ガスまたは空気を例示的に含むことが理解される。

図４に一般に５０で示される、発明の器具の一実施態様では、２以上の異なる繊維のトウ５２は、チョッパー５４の操作速度に対して事前に選択された速度で従来のチョッパー５４へ供給されて、事前に選択された長さのブレンドされた繊維トウ５２を生産する。これらの長さの刻まれた炭素繊維トウ５６は、チョッパー５４の下を通るコンベア５８上に集められる。一部の実施態様では、刻まれた長さのトウ５６は、スプレッダー５５を用いてコンベア５８の幅に沿って位置および方位に関してさらに無作為化される。１つまたは複数のプラズマ発生源６０は、事前に選択された長さの刻まれた炭素繊維トウ５６が、１つまたは複数のプラズマ発生源６０によって生産されるプラズマに曝されるように、コンベア５８上に搭載される。プラズマ６１曝露の影響下で、刻まれた炭素繊維トウ５６の長さは、プラズマ曝露前の５０％よりも多く拡大して、ロフティッドトウ６２を形成し、他の実施態様では、プラズマ処理前のサイズの２００％を超える体積まで拡大する。一部の実施態様では、コンベア５８は、０．９～１．８メートルの範囲の幅を有する。体積増加の程度は、プラズマのイオンエネルギー、プラズマ流動、コンベアの移動速度、炭素繊維サイズの同一性、トウ内の繊維数、および、炭素繊維に対するプラズマ源の近さを含む因子によって制御される。一部の発明の実施態様では、刻まれた炭素繊維および無傷の炭素繊維トウの両方を効果的に解体するために温プラズマが用いられる。炭素繊維を解体するためのプラズマの使用は、２０１６年１１月３０日に出願された、ＤＩＳＰＥＲＳＥ ＤＦＩＢＥＲ ＭＡＴ ＦＯＲＭＡＴＩＯＮと題された同時係属の仮出願ＳＮ ６２／４２７，９８９により完全に説明されて、参照によりその全体で本明細書中に援用される。

さらに他の実施態様では、１つまたは複数のプラズマ発生源６０’が、１つまたは複数のプラズマ発生源６０の代わりに、またはそれと協調して提供される。プラズマ発生源６０’は、発生器６０と同じタイプ、または、チョッパー５４に入る前にトウ５２をロフトするために操作パラメーターに関して変化することが理解される。発明の一実施態様では、炭素繊維トウ５２は、少なくとも１，０００炭素繊維～少なくとも１０，０００炭素繊維の範囲であり、他の実施態様では、トウあたり５０，０００炭素繊維またはさらにより多くの繊維である。プラズマ発生源６０は、円柱状のプラズマを円形電極から、または直線体積のプラズマをレーストラック状の環から、発することが理解される。本発明によって得られる刻まれた炭素繊維は、その結果、特定の実施態様では、生産ラインコンベアに沿ってシートが動くときに、製剤硬化の前に成形組成物製剤のシート内に分散されるのに利用可能である。熱硬化性樹脂における成形組成物モノマー極性の制御を通して、刻まれた、プラズマによってロフトされた炭素繊維のさらなる分散および異方性が得られる。

他の発明の実施態様では、解体された繊維は、一般に急熱多重処理（ＲＴＭ）システムに運ばれて、特に、ＲＴＭ成形のための炭素繊維プリフォームまたはマットに対応する金型に運ばれる。本発明の解体されたブレンドされた繊維は、より高い強度の成形を提供する。特定の理論に拘束されることを意図せずに、繊維の湿潤は、本発明のプロセスによって高められる。

プラズマの安定性、繊維および粒子に対する熱ストレス、繊維および粒子表面積、繊維および粒子ローディング、および、繊維および粒子の活性化の均一性および質は、プラズマおよび流動層内の圧力およびガスフロー条件によって影響される。所望のレベルの活性化の決定は、ヨウ素滴定の繰り返し、または、活性化された粒子に対するカップリング剤による単純な反応、および、最終的な熱硬化性物品の特性の試験によって測定される。一部の実施態様では、温度をさらに減少させるために、プラズマの発生中にガスを冷却するために、適切なガス状または液体冷却剤で満たされた被覆冷却チューブが用いられる。空気および水は、例示的なガス状および液体冷却剤流体である。

図５は、構造適用のための刻まれた繊維のプリフォームマットを形成するための、繊維のブレンドを用いた工程１００のフロー図である。工程は、２以上の異なる繊維トウを提供するステップで始まり（ステップ１０２）、それは、所望の重量比で、マットのブレンドされた繊維の含有量を構成する。繊維トウは、熱可塑性物質、ガラス、炭素、および結合剤繊維を例示的に含んでよい。様々な繊維トウは、自動切断機へ同時に供給されて（ステップ１０４）、生じる刻まれたブレンドされた繊維は、結合剤および他の添加剤でコーティングされて、ブレンドされた繊維は、プラズマ処理されてよい（ステップ１０６）。コーティングおよび処理された繊維は、それから、処理チャンバーへ移されて、ブレンドされた繊維マットを形成する（ステップ１０８）。ベールマットは、それから、ブレンドされたマットのいずれか側に適用されて、統合されたマットを形成する（ステップ１１０）。統合されたマットは、後の使用のためにチャージパターンとして保管されて（ステップ１１２）、工程が終了する。

前述の説明は、本発明の特定の実施態様の例示であるが、その実施に対する制限を意味しない。以下の特許請求の範囲は、その全ての等価物を含み、本発明の範囲を定義することを目的とする。

Claims (24)

1. ブレンドされた繊維フィラーを含むマットを形成する方法であって、
   ２以上の異なるタイプの繊維トウを提供するステップ；
   前記の２以上の異なるタイプの繊維トウを同時に自動切断機に供給して、刻まれた繊維を生産するステップ；
   前記の刻まれた繊維を、渦を形成する回転流と垂直流の両方の成分を有する加圧されたガス流が導かれる渦チャンバーに通して、前記の刻まれた繊維を解体して、ブレンドされた繊維フィラーを形成するステップ；
   結合剤および他の添加剤によって、ブレンドされた繊維フィラーを形成する前記の刻まれ解体された繊維をコーティングするステップ；および
   前記のブレンドされた繊維フィラーのコーティングされた繊維を処理チャンバーに移して、ブレンドされた繊維マットを形成するステップ、
   を含む、
   方法。
2. 請求項１の方法であって、
   前記の２以上の異なるタイプの繊維トウは、ガラス繊維、炭素繊維、ポリイミド類繊維、ポリアラミド類繊維、ポリエステル類繊維、ポリアミド類繊維、および結合剤繊維の少なくとも２つのトウを含む、
   方法。
3. 請求項１の方法であって、
   前記自動切断機は、前記渦チャンバーの上に垂直に置かれた回転チョッパーである、
   方法。
4. 請求項１の方法であって、
   前記の２以上の異なるタイプの繊維トウは、前記のブレンドされた繊維マット内の重量によって定義される比を提供するように供給される、
   方法。
5. ブレンドされた繊維フィラーを含むマットを形成する方法であって、
   ２以上の異なるタイプの繊維トウを提供するステップ；
   前記の２以上の異なるタイプの繊維トウを同時に自動切断機に供給して、刻まれた繊維を生産するステップ；
   結合剤および他の添加剤によって前記の刻まれた繊維をコーティングするステップ；および
   前記のコーティングされた繊維を処理チャンバーに移して、ブレンドされた繊維マットを形成するステップ、
   を含み、
   前記の２以上の異なるタイプの繊維トウは、前記のブレンドされた繊維マット内の重量によって定義される比を提供するように供給され、
   前記比は、以下：熱可塑性繊維が２５重量％～８０重量％、強化ガラス繊維が０重量％～７０重量％、炭素繊維が０重量％～７０重量％、および、結合剤が０重量％～３０重量％の範囲である、
   方法。
6. ブレンドされた繊維フィラーを含むマットを形成する方法であって、
   ２以上の異なるタイプの繊維トウを提供するステップ；
   前記の２以上の異なるタイプの繊維トウを同時に自動切断機に供給して、刻まれた繊維を生産するステップ；
   結合剤および他の添加剤によって前記の刻まれた繊維をコーティングするステップ；および
   前記のコーティングされた繊維を処理チャンバーに移して、ブレンドされた繊維マットを形成するステップ、
   を含み、
   前記の刻まれた繊維を、プラズマ処理に曝露するステップをさらに含む、
   方法。
7. 請求項６の方法であって、
   前記処理チャンバーは、プラズマ曝露を前記処理チャンバー内の前記の刻まれた繊維に与えるプラズマ発生電極セットを備える、
   方法。
8. 請求項６の方法であって、
   前記プラズマは、冷プラズマである、
   方法。
9. 請求項６の方法であって、
   前記プラズマは、温プラズマである、
   方法。
10. 請求項６の方法であって、
    前記のブレンドされた繊維マットの片側の上にベールマットを置くステップをさらに含む、
    方法。
11. 請求項１０の方法であって、
    前記ベールマットは、ガラス繊維、炭素繊維、熱可塑性繊維、またはそれらの組み合わせの形状である、
    方法。
12. 請求項１０の方法であって、
    前記ベールマットおよび前記のブレンドされた繊維マットの両方における熱可塑性結合剤の軟化温度で維持された加熱された一組のローラーを用いて、前記ベールマットと前記のブレンドされた繊維マットを統合して統合マットを形成するステップをさらに含む、
    方法。
13. 請求項１２の方法であって、
    前記結合剤は、粉末、繊維、または溶媒噴霧の形状である、
    方法。
14. ブレンドされた繊維マットを形成するためのシステムであって、
    異なるタイプの繊維トウの２以上のリール；
    前記の異なるタイプの繊維トウの２以上のリールを受け入れて、刻まれた繊維を、繊維トウの前記の２以上のリールから形成するように構成された切断エレメントを備えるチューブ；
    前記の刻まれた繊維を解体してブレンドされた繊維フィラーを形成するために、渦を形成する回転流と垂直流の両方の成分を有する加圧されたガス流が導かれる渦チャンバー；
    重力下で前記チューブを出る前記の刻まれた繊維を集めるために前記チューブの下に配置された移動ベルト；
    前記の刻まれた繊維に結合剤を添加するために前記移動ベルトに沿って配置されたディスペンサー；および
    前記結合剤でコーティングされた前記の刻まれた繊維を受け入れる処理チャンバー、
    を備える、
    システム。
15. 請求項１４のシステムであって、
    異なる繊維トウのタイプの前記の２以上のリールは、ガラス、炭素、ポリイミド類、ポリアラミド類（ｐｏｌｙａｒａｍａｉｄｅｓ）、ポリエステル類、およびポリアミド類、およびそれらの組み合わせである、
    システム。
16. 請求項１４のシステムであって、
    前記結合剤は、前記処理チャンバーにおいて適用される、
    システム。
17. ブレンドされた繊維マットを形成するためのシステムであって、
    異なるタイプの繊維トウの２以上のリール；
    前記の異なるタイプの繊維トウの２以上のリールを受け入れて、刻まれた繊維を、繊維トウの前記の２以上のリールから形成するように構成された切断エレメントを備えるチューブ；
    重力下で前記チューブを出る前記の刻まれた繊維を集めるために前記チューブの下に配置された移動ベルト；
    前記の刻まれた繊維に結合剤を添加するために前記移動ベルトに沿って配置されたディスペンサー；
    前記結合剤でコーティングされた前記の刻まれた繊維を受け入れる処理チャンバー；および、
    ガス流と流体連通している微粒子リザーバーを備える、
    システム。
18. ブレンドされた繊維マットを形成するためのシステムであって、
    異なるタイプの繊維トウの２以上のリール；
    前記の異なるタイプの繊維トウの２以上のリールを受け入れて、刻まれた繊維を、繊維トウの前記の２以上のリールから形成するように構成された切断エレメントを備えるチューブ；
    重力下で前記チューブを出る前記の刻まれた繊維を集めるために前記チューブの下に配置された移動ベルト；
    前記の刻まれた繊維に結合剤を添加するために前記移動ベルトに沿って配置されたディスペンサー；
    前記結合剤でコーティングされた前記の刻まれた繊維を受け入れる処理チャンバー；および
    前記移動ベルトのセンターラインに向かって前記の刻まれた繊維の一部を促すために、前記移動ベルトの動きの方向に対して内向きに傾斜されたレールを備える、
    システム。
19. ブレンドされた繊維マットを形成するためのシステムであって、
    異なるタイプの繊維トウの２以上のリール；
    前記の異なるタイプの繊維トウの２以上のリールを受け入れて、刻まれた繊維を、繊維トウの前記の２以上のリールから形成するように構成された切断エレメントを備えるチューブ；
    重力下で前記チューブを出る前記の刻まれた繊維を集めるために前記チューブの下に配置された移動ベルト；
    前記の刻まれた繊維に結合剤を添加するために前記移動ベルトに沿って配置されたディスペンサー；および
    前記結合剤でコーティングされた前記の刻まれた繊維を受け入れる処理チャンバー；および
    前記の刻まれた繊維および前記添加剤の前記結合剤の間の化学反応を促進するための、前記ディスペンサーと関連するプラズマエネルギー、または熱化学線源を備える、
    システム。
20. 請求項１４から１６のいずれか一項のシステムであって、
    前記処理チャンバーは、前記移動ベルト上で、前記の処理された刻まれた繊維を平らにするための一組のローラーをさらに備える、
    システム。
21. 請求項１４から１６のいずれか一項のシステムであって、
    前記処理チャンバーは、前記の化学的に処理された刻まれた繊維を硬化する第一の加熱部分、および、前記処理チャンバーから前記のブレンドされた繊維マットが出る前の第二の冷却部分をさらに備える、
    システム。
22. ブレンドされた繊維マットを形成するためのシステムであって、
    異なるタイプの繊維トウの２以上のリール；
    前記の異なるタイプの繊維トウの２以上のリールを受け入れて、刻まれた繊維を、繊維トウの前記の２以上のリールから形成するように構成された切断エレメントを備えるチューブ；
    重力下で前記チューブを出る前記の刻まれた繊維を集めるために前記チューブの下に配置された移動ベルト；
    前記の刻まれた繊維に結合剤を添加するために前記移動ベルトに沿って配置されたディスペンサー；および
    前記結合剤でコーティングされた前記の刻まれた繊維を受け入れる処理チャンバー、
    を備え、
    前記処理チャンバーは、上側移動ベルトをさらに備える、
    システム。
23. 請求項１４から１６のいずれか一項のシステムであって、
    一連の刃をさらに備える、
    システム。
24. 請求項１の方法であって、
    前記渦チャンバーは、均一な垂直な横断面を有するチューブである、
    方法。
    

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