JP7842016B2 - 表面仕上げ成形材料 - Google Patents

表面仕上げ成形材料

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Description

本発明は、強化された表面仕上げを提供する成形材料、並びに、成形材料の調製方法、そのような成形材料を硬化させることによって成形品を調製する方法、及びそのような方法によって得られる成形品に関する。本発明は特に、低温で硬化させることができ、とりわけ風力タービン及び自動車産業での使用に限定されるものではないが、硬化後に最小限の調製のみを必要とする高品質表面仕上げを有する成形品を提供するための表面仕上げ層を含む、繊維補強複合成形材料に関する。
複合材料は、特に非常に低い材料密度で優れた機械的特性を提供するという点で、従来の建築材料を超える十分に裏付けられた利点を有する。その結果、このような複合材料の使用は、航空宇宙、自動車、海洋及び風力タービン産業を含む多くの産業で広く普及している。
エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を含浸させた繊維配列を含むプリプレグは、そのような複合材料の生成に広く使用されている。典型的には、そのようなプリプレグのいくつかの層が所望に応じて「レイアップ」され、得られた組立体又は積層体がモールド内に配置され、通常は高温に、場合により加圧下で曝露されることにより硬化されて、硬化複合積層体が製造される。しかし、そのような複合材料は、表面処理されていないと、硬化して表面仕上げが不十分となることが多く、不十分な表面仕上げは、粗い、波打った若しくはピンホールのある表面として、又は隣接するプリプレグの層が重なり合って確実に連続層を与える成形構造の表面の狭い溝として現れることがある。凹凸面を形成するこの傾向は、下にある補強材の粗さに密接に関連しているように思われ、問題は補強材が粗ければ粗いほど顕著である。これは、例えばクラスA仕上げが必要とされる自動車用ボディパネルの製造において、又は風力タービン用ブレードの製造においてなど、構造的剛性のために粗い補強材が使用されるが、平滑な表面仕上げが望ましい場合に特に問題となる可能性がある。
繊維補強複合成形材料及びそのような材料から製造された成形品の表面仕上げを改善するための、いくつかの異なる手法がある。例えば風力タービン用ブレードなどの大型複合構造の製造業者は、典型的には、欠陥を充填し、サンディングして、離型剤及び軽微な不具合を除去し、表面に「キーイン」することによって、離型後に仕上げることができる表面仕上げ層として作用する、モールド内ゲルコート又はプロセスコートを使用してから、塗料のトップコート層を適用(塗布)して構造を環境条件から保護する。本質的に、そのようなゲルコート工程は、流動性組成物をモールドの内面に貼り付け、次いで部分的に硬化させてゲル層を形成し、プリプレグ組立体を硬化前にゲル層上に配置することを含む。硬化中に、プリプレグ及びゲルコートは互いに融着して、これにより一般に、形成された複合材に平滑な表面が生じる。しかし、この工程は、初期硬化ステップを必要とする点で非常に労働集約的であり、不均一な厚みのゲル層を生じさせる傾向がある。さらに、層は、欠陥を覆うために比較的厚い(例えば平均0.3mm)必要があり、望ましくない重量増加につながる可能性がある。
他の手法では、典型的には不織マット担体上に支持された熱硬化性樹脂を含む複合成形材料のモールド係合表面に組み込まれた表面仕上げフィルムが使用されている。国際公開第2008/007094(A2)号は例えば、a)5:1を超える長さ対幅アスペクト比を有する繊維の少なくとも1つの層を含む表面強化層、並びにb)少なくとも1つの強化繊維及び少なくとも1つのポリマーマトリックスを含む構造層を含む、複合材料組立体を開示している。この文献は、表面強化層に使用される繊維が、繊維を長手方向にセグメント化し、次いでセグメント化された繊維からフィルム又はベールを形成することによって調製され得て、得られたベール構造がはるかに高密度になり、同じ重量に対して繊維密度が上昇することを開示している。この文献は、より緻密なベール構造が外観及び平滑性の両方の点で改善された表面仕上げを提供することを開示している。
また風力タービン用ブレードなどの大型複合部品の製造業者は、硬化後の複合部品の剥離を容易にするためにモールドをコーティングするために使用され、その後、硬化部品の表面上に転写される離型剤の痕跡すべてが、複合体表面への塗料の最終トップコート層を確実に良好な接着させるために確実に除去されることを切望している。そのような離型剤の痕跡は、通常、サンディング工程を使用して除去される。しかし、表面仕上げフィルムが複合成形材料のモールド係合表面に組み込まれる際に見出された1つの問題は、エンドユーザが表面仕上げフィルムを含む積層体を、その構造を損傷し、仕上げフィルムが防止するはずであった表面にまさに同じピンホールを生じる程度まで、サンディングすることである。サンディング時に、エンドユーザは通常、十分なサンディングの指標として表面光沢のレベルの変化を求める。上記のような仕上げフィルムの使用によって製造された表面は、以前よりもサンディングに対して耐性があり、その結果、エンドユーザはより攻撃的なサンディング方式を使用する傾向があり、損傷が生じるように思われる。
この問題を克服するための1つの手法は、典型的なサンディング条件下で離型剤のいずれの痕跡も確実に容易に除去できるようにするために、表面強化層のサンディングのしやすさを改善することであった。例えば、国際公開第2010/046682(A1)号が開示しているのは、樹脂及び繊維を含み、最上部硬化性樹脂表面層を含むプリプレグ組立体であり、組立体の硬化時に、最上部表面層は、H18ホイール及び1.0kgの重りを装着したTaber5151摩耗試験機を使用してASTM D4060に従って測定した場合に、200サイクルにわたって少なくとも0.30mg/サイクルのサンディング性を有する。好ましい実施形態において、最上部硬化性樹脂表面層は、5~50μmの粒径を有するガラス球の形態の少なくとも10.0重量%の微粒子粒状材料を含み、必要なサンディング特性を提供する。
他の手法は、硬化後に成形品の表面に凹凸をもたらす可能性がある、モールド内にレイアップされた際の繊維補強複合成形材料の滑りの問題に対処してきた。この問題は、補強材又はプリプレグの隣接する層がモールド内で重なり合っていて、これが重なり合う領域で樹脂を枯渇させ、硬化時に重なり合いの継ぎ目に沿って狭い凹みが形成され得る場合に、特に当てはまり得る。例えば、国際公開第2017/021147(A1)号が開示しているのは、粘着性樹脂を含む表面仕上げフィルムを備えた少なくとも1つの表面上に提供された硬化性樹脂マトリックス中の繊維状材料の層を含む成形材料であり、ベールが成形材料から離れた仕上げフィルムの表面上に提供され、成形作業中に表面仕上げフィルムの粘着性樹脂がベールを通過できるように、ベールに穿孔が形成されている。この文献は、ベール中にそのような穿孔が存在することにより、少量の粘着性樹脂が成形材料とモールド表面との間に軽度の粘着性を提供し、それにより成形材料を所定の位置に保持できるようにすることを開示している。
繊維補強複合成形材料及び上記のそのような材料から製造された成形品の表面仕上げを改善するための様々な手法はすべて、モールド内で追加のゲルコート層を硬化させる必要性、又は長手方向に区分された繊維を含む表面仕上げ層を使用する必要性、又は表面仕上げ層のサンディングしやすさを改善するために追加のガラス球を含む必要性、又は表面仕上げ層内の任意の繊維ベールを穿孔する必要性などの、ある欠点を抱えていて、このことは樹脂の流れ及び表面仕上げに影響を及ぼし得る。
本発明は、前述の問題の少なくともいくつかを克服すること及び/又は一般に改善を提供することを目的とする。
本発明によると、成形材料、その調製方法、そのような成形材料を硬化させることによって成形品を調製する方法、及び以下に記載されるような、又は添付の特許請求の範囲のいずれか1つに定義されるような方法によって得られる成形品が提供される。
したがって、本発明の第1の態様において、(a)繊維性補強材料を含む構造補強層;並びに(b)レオロジー調整剤及び硬化剤を含有する第1の樹脂組成物と組み合わせた第1の不織繊維担体を含む、モールド又はツールの表面に接触するための表面強化層であって、第1の樹脂組成物は成形材料の外部モールド又はツール接触面を提供する、表面強化層を含む、成形材料が提供される。
第1の樹脂組成物を、第1の不織布層に少なくとも部分的に含浸させ、好ましい実施形態において、第1の不織布層に完全に含浸させる。しかし、本発明の本質的な特徴は、十分量の第1の樹脂組成物が、構造補強層から離れた第1の不織布層の表面上に存在して、成形材料の外部モールド又はツール接触面上に連続層を形成することである。
図1は、本発明の好ましい実施形態による、部分的にサンディングされた成形材料を示す。
本発明の文脈において、「成形材料」という用語は、モールド又はツール内で他のそのような材料と共にレイアップされ、硬化されてモールド又はツールの形状をとる複合部品を形成することができる、繊維補強複合材料を指す。そのような成形材料を使用して、ナセル、プロペラ及びロータブレードを含む風力タービンの構成部品を含むが、これらに限定されない多くの各種構成部品を調製することができる。
構造補強層は、多くの形態とすることができる。通常、本発明による成形材料は、いくつかの構造補強層を含むが、いくつかの用途では、単一層で十分であり得る。
繊維性補強材料は、シート又は連続マット又は連続フィラメントの形態であり得る。他の実施形態において、繊維性補強材料は、長さが短い繊維、例えばチョップドストランドマットを含む。繊維性補強材料は、各トウを形成する複数の繊維フィラメントをそれぞれ含む、複数の繊維トウの形態であり得る。トウは、縫合又は製織されて織物を形成し得る。繊維は、綿、亜麻、麻、ウール若しくはシルクなどの天然材料;又はレーヨン、ビスコース、モダールなどの半合成材料;又は炭素、ポリエステル、鉱物、ナイロン、アクリル、ガラス、アラミド(芳香族ポリアミド)などの合成材料からなり得る。好ましい実施形態において、繊維補強材は炭素繊維又はガラス繊維を含む。
いくつかの実施形態において、繊維性補強材料は織布の形態である。他の実施形態において、繊維性補強材料は、織物中に存在する繊維、ロービング又はトウの大部分が一方向にのみ延在する一方向(UD)織物を含むが、少数の繊維、ロービング又はトウは、大部分とは異なる方向に、例えば大部分の一方向配列を維持するためのクロスステッチングとして延在し得る。一方向織物の繊維、ロービング又はトウは、製織、縫合及び接着を含むいくつかの異なる方法によって一直線に保持され得る。したがって、このような一方向織物は、製織され得る又は不織であり得る。さらなる実施形態において、繊維性補強材料は、どちらかの構成要素が製織され得る又は不織であり得る、二軸もしくは多軸の織物又はマットと組み合わせた一方向織物を含む。
複合材への使用に好適な織布及び不織布は、これに限定されるわけではないが、Chomarat Textiles Industries(イーシャー(Esher)、サリー州(Surrey)、英国)、Hexcel Reinforcements UK Limited(ナーボロウ(Narborough)、レスターシャー州(Leicestershire)、英国)、及びZhenshi Group Hengshi Fibreglass Fabrics Co.,Ltd.(桐郷経済開発区(Tongxiang Economic Development Zone)、嘉興市(Jiaxing)、浙江省(Zhejiang)、314500、中国)を含む専門メーカーから市販されている。一実施形態において、織布又は不織布は、BB200、BB600又はBB1200などの炭素繊維又はガラス繊維織物であり、名称BB1200は、例えば1200g/mの目付(坪量)を有する二軸ガラス織物を指す。
ハイブリッド又は混合繊維系も想定され得る。亀裂のある(即ち牽切)又は選択的に不連続な繊維の使用は、本発明による成形材料のレイアップを容易にし、その成形される能力を向上させるのに有利であり得る。
繊維性補強材料の目付は、通常、40~4,000g/mである。好ましい実施形態において、繊維の目付は、好ましくは100~2,500g/m、より好ましくは150~2,000g/mの範囲である。
構造補強層、又は2以上の層が存在する構造補強層における繊維性補強材料は、典型的には、ガラス織物などの重量のあるノンクリンプ(非捲縮)織物である。ガラス補強材には、68~2400tex(糸1キロメートル当たりのグラム数)の繊維が特に適している。
本発明による成形材料の表面強化層は、第1の不織繊維担体を含む。本発明の文脈において、不織繊維担体は、空気透過性であり樹脂透過性でもある任意の不織布材料を意味する。好適な不織繊維担体は、軽量であり、好ましくは100g/m未満であるが、好ましくは樹脂の層を担持し、かつ本発明の方法における加工に耐えるのに十分な堅牢性を有する。不織繊維担体は、連続繊維又は不連続繊維を含み得る。一実施形態において、第1の不織繊維担体はベール(時にフリースとして既知)を含む。本発明の文脈において、用語「ベール」は、薄く軽量(即ち100g/m以下の目付)の多孔性の不織繊維性補強材を指す。好ましい実施形態において、第1の不織繊維担体は、熱可塑性材料の繊維からなり、好ましくは、繊維は、有機結合剤を使用して互いに結合されて、材料に構造完全性を付与する。特定の実施形態において、熱可塑性材料は、ポリエステル、又はナイロン若しくはポリエステル繊維などの脂肪族若しくは半芳香族ポリアミドを含む。別の実施形態において、不織繊維担体は、ポリエステル繊維とナイロン繊維との混合物などの熱可塑性繊維のブレンドから形成されたベールを含む。有機結合剤は、典型的には、第1の不織繊維担体の総重量に対して1~10重量%の量で存在する。第1の不織繊維担体の目的は、第1の樹脂組成物用の支持体又は担体として作用し、良好な表面仕上げを提供するために第1の樹脂組成物がモールド又はツールの表面と相互作用する方法を制御することである。一実施形態において、第1の不織繊維担体は、1~10%、好ましくは2~9%の開口度(openness)、及び/又は75~350μmの平均開口面積を有する。好ましい実施形態において、第1の不織繊維担体は、1~80g/m、好ましくは5~50g/m、より好ましくは10~40g/mの範囲の目付を有する。一実施形態において、第1の不織繊維担体は、200Paの印加圧力にて約2,300L/m/秒の通気性を有する。不織繊維担体の通気性は、ASTM D737-18:繊維布の通気性に関する標準試験方法(Standard Test Method for Air Permeability of Textile Fabrics)によって測定され得る。好適な熱可塑性繊維ベールとしては、Technical Fibre Products Limited(バーンサイドミル(Burnside Mills)、ケンダル(Kendal)、カンブリア州(Cumbria)、英国)からOptiveil(登録商標)T2761-00の商品名で市販されているものが挙げられる。
表面強化層は、第1の不織繊維担体に加えて第1の樹脂組成物を含む。第1の樹脂組成物は、一般に、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリウレタン/ポリウレア樹脂、フェノール-ホルムアルデヒド樹脂、尿素-ホルムアルデヒド樹脂、ビニルエステル樹脂、シアナートエステル樹脂、ポリイミド樹脂又はエポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂を含む。一実施形態において、第1の樹脂組成物は、熱硬化性樹脂組成物、好ましくは、即ちエポキシ樹脂又はエポキシ樹脂のブレンドを含むエポキシ樹脂組成物である。好適なエポキシ樹脂としては、Hexcel Composites Limited(ダックスフォード(Duxford)、ケンブリッジシャー州(Cambridgeshire)、英国)から入手可能なM9及びM79系列のエポキシ樹脂が挙げられる。
一実施形態において、第1の樹脂組成物は、150~1,500の範囲、好ましくは150~1,250の範囲、好ましくは150~1,000の範囲、好ましくは150~750の範囲、好ましくは150~500の範囲、好ましくは200~500の範囲、好ましくは200~450の範囲、好ましくは250~350の範囲、又はその任意の組み合わせのエポキシ当量(EEW)を有するエポキシ樹脂を含む。
第1の樹脂組成物は、とりわけ100℃以下の温度にて樹脂の架橋及び成形材料の硬化を容易にするために、少なくとも1つの硬化剤を含む。本発明の文脈において、用語「硬化剤」は、第1の樹脂組成物の架橋速度を達成又は上昇させることができる任意の硬化剤及び/又は促進剤を含むと理解される。本発明で使用するこのような硬化剤及び/又は促進剤は、当分野で周知である。一実施形態において、第1の樹脂組成物は、置換尿素である潜在性硬化剤を含む。好適な置換尿素硬化剤としては、AlzChem Group AG(トロストベルク(Trostberg)、ドイツ)から商品名Dyhard(登録商標)で入手可能な、UR200、UR300、UR400、UR500、UR600及びUR700を含む一連の材料、及びEmerald Performance Materials(ムーアフィールド(Moorefield)、ニュージャージー州(New Jersey)、米国)から商品名Omicure(登録商標)で入手可能な、U-24M、U-35M、U-52、U-52M、U-210、U-210M、U-405、U-405M、U-410M及びU-415Mを含む一連の材料が挙げられる。さらなる実施形態において、硬化剤は、置換尿素と組み合わせてジシアンジアミド硬化剤を含み得る。硬化剤は、選択条件下での樹脂の硬化に好適な任意の量で存在し得る。いくつかの実施形態において、硬化剤は、樹脂組成物の総重量に対して、1重量%~25重量%、1重量%~20重量%、1重量%~15重量%、1重量%~10重量%、もしくは2重量%~8重量%、又はその任意の組み合わせの量で存在する。
第1の樹脂組成物は、レオロジー調整剤を含むことが重要である。本発明の文脈において、用語「レオロジー調整剤」は、第1の樹脂組成物などの材料に非ニュートンレオロジー特性を付与することができる化合物又は物質を指すために使用される。本発明において、レオロジー調整剤は、剪断下での樹脂の最小粘度を、非粘度調整樹脂と比較して上昇させるべきであり、また非剪断下での樹脂の粘度を非レオロジー調整樹脂と比較して、より多くの量だけ上昇させるべきである。これは剪断掃引粘度法(shear sweep viscosity method)を使用して測定することができる。剪断掃引粘度法に好適な条件は、0.1~100s-1の剪断速度及び60℃の温度を提供するように設定された、1mmの間隙を有する25mm平行板である。本発明において、レオロジー調整剤は、好ましくは、上記のように測定した際に、第1の樹脂組成物が60°及び0.1s-1にて200~1000Pa.sの粘度、並びに0.1s-1における粘度の25%以下の、60℃及び100s-1における粘度を有し、但し60℃及び100s-1における粘度が25Pa.s以上であるように選択される。
剪断掃引粘度法は、上記条件を提供するのに適した任意の粘度計を使用して、例えばTA Instruments(ニューキャッスル(New Castle)、デラウェア州(Delaware)、米国)によって製造されたTA HR-2 Discovery Hybrid Rheometerを使用して実施され得る。
好適なレオロジー調整剤としては、疎水性シリカなどの処理及び未処理グレードのヒュームドシリカが挙げられる。親水性シリカも使用され得るが、好ましくはチキソトロピーブースタと組み合わせて使用され得る。有機親和性フィロシリカートも使用され得る。好適なシリカとしては、Evonik Resource Efficiency GmbH(ドイツ)から入手可能なAerosil(登録商標)R202、及びCabot Corporation(アルファレッタ(Alpharetta)、ジョージア州(Georgia)、米国)から入手可能なCab-O-Sil(登録商標)TS720が挙げられる。適切な有機親和性フィロシリカートとしては、BYK(Altana Group)から入手可能なGaramite-7305が挙げられる。好適なチキソトロピーブースタとしては、BYK-Chemie GmbH(ヴェゼル(Wesel)、ドイツ)から商品名Rheobyk(登録商標)で入手可能なものが挙げられる。一実施形態において、レオロジー調整剤は、Aerosil(登録商標)R202などの疎水性ヒュームドシリカである。
レオロジー調整剤は、場合によりチキソトロピーブースタと組み合わせて、第1の樹脂組成物の総重量に対して1~20重量%の量で存在し得る。好ましい実施形態において、レオロジー調整剤は、第1の樹脂組成物の総重量に対して、1~15重量%、1~12重量%、1~10重量%、2~10重量%、3~9重量%、4~8重量%、又はその任意の組み合わせの量で存在する。
本発明者らは、上述の粘度特性を有するレオロジー変性エポキシ樹脂組成物と組み合わせた軽量の高クローズド(highly-closed)マイクロファイバーベールを使用すると、良好な間隙充填特性を有する表面強化層が提供され、ピンホールの形成が大幅に低減され、またレイアップ中に成形材料の層を重ね合わせる際に生じる狭い溝が低減又は完全に排除されることを見出した。
第1の樹脂組成物は、強化剤、粒子状充填剤(例えばマイクロバルーン、ガラス球、タルクなど)、染料、脱泡剤又は顔料などの他の成分も含み得る。
第1の樹脂組成物は、成形材料の外部モールド又はツール接触面、即ち、成形材料がレイアップされて硬化準備が整った際にモールド又はツールの表面と接触する成形材料の表面に提供される。例えばその最も単純な形態において、成形材料は、共に表面強化層を形成する軽量表面ベールなどの不織繊維担体が上にある第1の樹脂組成物の層を含み、表面強化層の上には構造補強層を形成する重量ガラス織物マットなどの繊維性補強材料の層がある。この場合、第1の樹脂組成物の層は一般に高い目付を有する厚い層である。その理由は、第1の樹脂組成物の量は、層が圧密化(consolidate:固化)したら、表面ベールだけでなく繊維性補強層にも含浸させるのに十分な量である必要があるためである。
別の実施形態において、構造補強層は、第2の樹脂組成物と組み合わされて存在する。この場合、成形材料は、共に表面強化層を形成する軽量表面ベールが上にある第1の樹脂組成物の層、表面強化層の上にある重量繊維性補強材料の層、及び最後に第2の樹脂組成物の層を含み得て、最後の2つの層は構造補強層を形成する。さらなる実施形態において、第2の樹脂組成物の層は、繊維性補強材料と不織繊維担体層との間にあってもよい。いずれの場合も、第2の樹脂組成物を、層の圧密化後に構造補強層に部分的又は完全に含浸させ、例えばセミプレグ又はプリプレグ構造を形成し得る。
第1の樹脂組成物に関して論じた樹脂組成物のいずれも、第2の樹脂組成物としての使用に好適である。しかし、第2の樹脂組成物の目的は、間隙充填特性を提供することではなく、主として構造的なものであるため、第2の樹脂組成物がレオロジー調整剤を含むことは必須ではない。しかし、第2の樹脂組成物は、必要に応じてレオロジー調整剤を含み得る。ある好ましい実施形態において、第2の樹脂組成物は、第1の樹脂組成物と同じであるが、レオロジー調整剤を含有せず、ある他の好ましい実施形態において、第2の樹脂組成物は、レオロジー調整剤を含む第1の樹脂組成物と同じである。
一実施形態において、本発明による成形材料は、構造補強層と表面強化層との間に第2の不織繊維担体をさらに含む。第2の不織繊維担体は、第1の不織繊維担体と同じであり得るが、第2の不織繊維担体は好ましくは、第1の不織繊維担体よりも大きい目付を有する。
第2の不織繊維担体は、連続繊維又は不連続繊維を含み得る。一実施形態において、第2の不織繊維担体はベール(時にフリースとして既知)を含む。第2の不織繊維担体は、典型的には、ガラス、炭素、ポリエステル、ポリアミド、アラミド(芳香族ポリアミド)、又はその組み合わせの不織繊維からなり、これらは有機結合剤を使用して互いに結合されて、材料に構造完全性を付与する。好ましくは、第2の不織繊維担体はガラスフリースを含む。有機結合剤は、典型的には、第2の不織繊維担体の総重量に対して1~10重量%の量で存在する。一般に、第2の不織繊維担体は、第1の不織繊維担体よりもわずかに高い目付又は表面密度を有する。好ましい実施形態において、第2の不織繊維担体は、20~100g/m、好ましくは20~90g/m、より好ましくは30~80g/m、さらにより好ましくは30~60g/mの目付を有する不織ベールである。好適な不織ガラスマット又はフリースは、これに限定されるわけではないが、Evalith(登録商標)ST-3022、S4030及びS5030を含む、Johns Manville(デンバー(Denver)、コロラド州(Colorado)、米国)からEvalith(登録商標)の商品名で、並びにこれに限定されるわけではないが、Changhai(登録商標)S-SM30、S-SM50、S-HM30及びS-HM50を含む、Taishan Fiberglass Inc.(経済開発区(Economic Development Zone)、泰安市(Taian)、山東省(Shandong)、中国)からChanghai(登録商標)の商品名で市販されている。
第2の不織繊維材料が存在すると、構造補強層内の繊維補強材料からの「プリント裏抜け」(“print-through”)が、硬化後に成形材料の表面へ出現することの防止が補助され、また、硬化中に十分な第2の樹脂組成物が表面強化層内に確実に保持され、それによって樹脂欠乏による狭い溝又は他の表面凹凸の形成が回避される。第2の不織繊維材料は、第1の不織繊維材料と同様に、気泡形成の防止、又は第1、第2若しくは第3の樹脂組成物による気泡の消散の補助にも役立ち得る。
第2の不織繊維担体は、第3の樹脂組成物と組み合わされて存在し得る。第3の樹脂組成物は、第2の不織繊維担体の両側に配置され得て、第2の不織繊維担体の第1の不織繊維担体及び/又は構造補強層への粘着を補助し得る。圧密化後、第3の樹脂組成物を、第2の不織繊維担体に部分的又は完全に含浸させ得る。
第2の不織繊維担体は、存在する場合、任意選択で、構造補強層の繊維性補強材料に取り付けて提供され得て、例えばこれらの層は、樹脂材料又は縫合によって予め取り付けられ得る。
第1又は第2の樹脂組成物に関して論じた樹脂組成物のいずれも、第3の樹脂組成物としての使用に好適である。しかし、第3の樹脂組成物がレオロジー調整剤を含むことは必須ではないが、必要に応じて1つ含んでもよい。ある好ましい実施形態において、第3の樹脂組成物は、第1及び/又は第2の樹脂組成物と同じであるが、レオロジー調整剤を含有せず、ある他の好ましい実施形態において、第2の樹脂組成物は、レオロジー調整剤を含む第1及び/又は第2の樹脂組成物と同じである。第1、第2及び(存在する場合)第3の樹脂組成物として同じ樹脂組成物を使用すると、工程が単純化され、異なる樹脂組成物間に生じ得る、非相溶性から生じる問題が防止されるため、特に有利である。
一実施形態において、成形材料は、表面強化層から離れた成形材料の表面上に少なくとも1つの追加の構造補強層をさらに含む。追加の1つ以上の構造補強層は、第1の構造補強層と同じであり得るか、又は異なり得る。一実施形態において、1つ以上の追加の構造補強層は、第1の構造補強層とは異なり、追加の補強層は、第1の構造補強層と同じ樹脂組成物又は異なるエポキシ樹脂組成物と関連付けられ得る。この実施形態において、1つ以上の追加の構造補強層は、これに限定されるわけではないが、プリプレグのHexPly(登録商標)M79及びM9系列を含む、Hexcel Composites GmbH&Co KG(ノイマルクト(Neumarkt)、オーストリア)からHexply(登録商標)の商品名で市販されているものなどの、従来のプリプレグであり得る。
本発明の成形材料に提供される樹脂の総量は、材料の使用目的によって変わる。例えば、成形材料が他の含浸又は部分含浸材料と共にレイアップされ、硬化されることになっている場合、樹脂含有量は比較的高くてもよい。又は、本発明の成形材料が、硬化前に樹脂が続いて注入される中間構造内で未含浸(乾燥)繊維層と組み合わせて使用されることになっている場合、樹脂含有量は比較的低くてもよい。しかし、すべての場合において、表面強化層の外面の層、即ち、成形材料のレイアップ中にモールド又はツールの表面に接触する層を形成するのに十分な樹脂が存在すべきである。しかし、一般に、本発明の成形材料中に存在する樹脂の総量は、成形材料の10~60重量%である。より好ましくは、含浸材料又は部分含浸材料と共に使用されることになっている成形材料において、総樹脂含有量は、成形材料の20~60重量%、さらにより好ましくは30~50重量%であり、注入系で使用されることによっている成形材料では、総樹脂含有量は、成形材料の10~50重量%であることが好ましい。
したがって、本発明の成形材料内の(単一種または複数種)の樹脂の1つ以上の層の目付は、(単一種または複数種)樹脂の層の数、1つ又は2つの構造補強層の存在、特に構造補強層を形成する繊維性補強材料の重量、及び任意の追加の構造補強層の存在に応じて著しく変化し得る。本明細書で述べるように、全樹脂は、いくつかの異なる樹脂組成物で構成され得るが、好ましい実施形態において、同じ樹脂組成物が成形材料全体にわたって使用される。
異なる樹脂組成物が成形材料の異なる層に関連付けられる場合、成形材料が圧密化前に組み立てられる際に、その様々な樹脂がその関連付けられる層と接触して最初に提供される。同じ樹脂組成物が成形材料全体にわたって存在する場合、成形材料全体にわたって様々な層として最初に提供され得るか、又は単層として最初に提供され得る。しかし、圧密化後、樹脂組成物の少なくとも一部は、構造補強層から離れた第1の不織繊維担体の表面上に存在し、それによって成形材料の外部モールド又はツール接触面を提供するべきである。
一実施形態において、本発明による成形材料は、表面強化層に完全に貫入していない成形材料のモールド又はツール接触面に取り付けられた不連続インジケータ(indicator)手段をさらに含む。
本発明の文脈において、用語「取り付けられた」は、不連続インジケータ手段が成形材料のモールド又はツール接触面に関連付けられていて、したがって、エンドユーザまでの輸送中又は後続の加工ステップの過程で偶発的に又は容易に取り外すことができないことを意味する。
本発明の文脈において、「不連続」とは、インジケータ手段が表面強化層内にインジケータの別個の場所を提供し、例えば成形材料の後硬化処理中にサンディングによって、表面のどの領域が処理されたかに関する指標(indication)を提供することを意味する。
不連続インジケータ手段は、様々な層の組み立て中及び圧密化前に、成形材料の外部モールド又はツール接触面上の第1の樹脂組成物に適用され得るが、不連続インジケータ手段は好ましくは、構造補強層ならびに表面強化層(及び任意の追加の層)の圧密化後であるが硬化前に適用される。この段階で、即ち硬化前に、インジケータ手段は、モールド又はツール接触面上に存在する樹脂層の粘着性のために、成形材料のモールド又はツール接触面に緩く取り付けられる。
成形材料の硬化時に、不連続インジケータ手段は、表面強化層の上部領域に恒久的に固定又は埋め込まれ、したがって、材料の取り扱いによって除去されないように、硬化した成形材料のモールド又はツール接触面に十分に取り付けられる。
インジケータ手段は、成形材料のモールド又はツール接触面の表面にのみ結合され得るか、又は表面に貫入し得る。不連続インジケータ手段が表面仕上げ層に貫入する場合、不連続インジケータ手段は、層に十分に貫入しない限り、即ちインジケータ手段が構造補強層(又は存在する場合、第2の不織繊維担体)に接触しないように、任意の深さまで貫入し得るので、表面強化層が、不連続インジケータ手段すべてが除去されるような深さまで(例えばサンディングによって)除去された場合、下にある層に損傷は生じない。したがって、インジケータ手段は、層の深さの0%(即ち、表面にのみ結合されている)から深さの、完全にではないが、ほぼ100%まで、任意の深さだけ表面強化層に貫入し得る。好ましい実施形態において、インジケータ手段は、表面強化層にその深さの0.1%~95%、より好ましくは1%~50%だけ貫入する。
本発明の成形材料は、第1の樹脂組成物のレオロジー調整剤によって提供される表面強化層のレオロジー特性のために、成形材料のモールド又はツール接触面上にインジケータ手段を包含するのに特に好適である。特に、第1の樹脂組成物の粘度の上昇は、インジケータ手段が表面層に取り付けられ又は埋め込まれ、別個の形状のままであり、外側又は内側に著しく拡散しないので、明確なパターンが維持されることを意味する。
硬化品を離型する際に、不連続インジケータ手段が硬化品の表面上に存在したままであり、それにより、表面仕上げ層が完全に除去されるリスクを伴わずに、硬化品を容易にサンディングすることができる。実際には、オペレータは、不連続インジケータ手段すべてが除去されたか否かを評価することにより、表面又は硬化品すべてが十分にサンディングされたか否かを判断することができる。
不連続インジケータ手段は、任意の規則的又は不規則形状を含み得て、形状は、十分な表面処理のインジケータとして機能する限り、任意の規則的又は不規則配列で配置され得る。好適な形状としては、規則的又は不規則に配列された線(直線状もしくは曲線状)、ドット(円形、正方形もしくは不規則なドットを含む)又はその混合が挙げられる。好ましくは、個々の形状間の距離は、一般に、表面の手動サンディング中の1回のサンディング動作でカバーされる距離よりも短い。好ましくは、インジケータ手段は規則的ドットの規則的配列を含み、これによりどの場所が表面処理されたか、例えばどの場所でサンディングによりインジケータ手段が除去されて、どの領域で処理が不十分であったかが容易に評価される。
不連続インジケータ手段は、硬化後に成形材料の表面上になお目視できる任意の好適な材料を含み得る。一実施形態において、インジケータ手段は、例えば二酸化チタンのような屈折性金属酸化物などの屈折性化合物を含む。屈折性化合物の使用は、硬化品のサンディングが自動化される場合に有用であり得て、目視検査ではなく進行を評価する光走査技術の使用を容易にし得る。他の実施形態において、インジケータ手段は、染料若しくは顔料、例えばカーボンブラック、又は他の同様の物質から形成され得る。本発明で使用するためのカーボンブラックの好適な形態としては、これに限定されるわけではないが、Orion Engineered Carbons LLC(4501 Magnolia Cove Drive,Suite 106、ヒューストン(Houston)、テキサス州(Texas),77345、米国)製の商品名Printex(登録商標)Vで販売されている製品が挙げられる。そのような実施形態において、第2の樹脂組成物の他の場所への染料の「にじみ」(“bleeding”)を防止するために、第1の樹脂組成物に不溶性の染料を使用することが所望であり得る。しかし、本発明による不連続手段が上記の例示的な例に限定されないことは容易に明らかとなる。
インジケータ手段は、任意の好適な方法で成形材料のモールド又はツール係合表面に、例えば穿孔ステンシルを該表面に適用し、好適な金属酸化物、染料又は顔料の溶液又は分散物又は固体粒子を表面に噴霧し、続いてハンドローラを使用するなどして軽い圧力をかけることによって適用することができる。又は、インジケータ手段は、噴霧又は印刷によって適用することができる。
本発明の第2の態様において、成形材料を調製する方法であって、
(a)繊維性補強材料を含む構造補強層を提供するステップ;
(b)レオロジー調整剤及び硬化剤を含有する第1の樹脂組成物と組み合わせて第1の不織繊維担体を含む、モールド又はツールの表面に接触するための表面強化層を提供するステップであって、第1の樹脂組成物は、構造補強層から離れた成形材料の外部モールド又はツール接触面に提供される、ステップ;並びに
(c)樹脂組成物を硬化させることなく、少なくとも第1の不織繊維担体に第1の樹脂組成物を含浸させるようにこれらの層を圧密化するステップ;
を含む方法が提供される。
本発明の方法において、圧密化は、構造補強層及び表面強化層並びに含まれ得る任意の他の層の組み立て後に行われる。圧密化は、複合材料を形成する任意の従来の方法で、好ましくは成形材料を加圧下で加熱することによって行われ得る。例えば圧密化は、結合させた層を圧密化ローラ(例えば1つ以上のSラップローラ)に通し、例えば80℃に加熱することによって行われ得る。
本発明の方法において、繊維性補強材料は、任意選択で第2の樹脂組成物と組み合されて存在し得る。
一実施形態において、本発明の第2の態様による方法は、圧密化ステップの前に、構造補強層と表面強化層との間に、任意選択で第3の樹脂組成物と組み合わされた、第2の不織繊維担体を提供するステップをさらに含む。
一実施形態において、本発明の第2の態様による方法は、圧密化ステップの前に、表面強化層から離れた成形材料の表面上に少なくとも1つの追加の構造補強層を提供するステップをさらに含む。
構造補強層が第2の樹脂組成物と組み合わされて提供される、及び/又は第2の不織繊維担体が第3の樹脂組成物と組み合わされて提供される場合、材料には、樹脂が既に少なくとも部分的に注入された構造材料が提供され得る。又は、好ましい実施形態において、構造層及び樹脂層は、成形材料の組み立て中に別個の層として提供され、樹脂層は、圧密化ステップ中にそれぞれの層に少なくとも部分的に含浸される。
本発明の方法において、第1の樹脂組成物、第1の不織担体、並びに存在する場合、第2の樹脂組成物、第2の不織繊維担体、第3の樹脂組成物、及び/又は追加の(単数もしくは複数の)構造補強層は、それぞれ任意選択で、本発明の成形材料中の同様の材料について定義される通りであってよい。
一実施形態において、本発明の第2の態様による方法は、表面強化層に完全に貫入することなく不連続インジケータ手段を第1の樹脂組成物に取り付けるために、成形材料のモールド又はツール接触面に不連続インジケータ手段を適用し、圧力及び任意選択で熱を印加するステップをさらに含む。本発明の文脈において、用語「取り付ける」は、不連続インジケータ手段が成形材料のモールド又はツール接触面に関連付けられていて、したがって、エンドユーザまでの輸送中又は後続の加工ステップの過程で偶発的に又は容易に取り外すことができないことを意味する。硬化後、不連続インジケータ手段は、硬化した成形品のモールド又はツール接触面上に目視可能なままであり、表面強化層に部分的に貫入し得る。
不連続インジケータ手段は、材料のレイアップ中及び硬化前、例えば圧密化ステップの前の任意の段階において、成形材料のモールド又はツール接触面に適用され得る。しかし、好ましくは、不連続インジケータ手段は、圧密化ステップの後であるが硬化前に加えられる。不連続インジケータ手段は、任意の好適な方法で表面に加えられ得る。例えばインジケータ手段は、成形材料のモールド又はツール係合表面に、穿孔ステンシルを該表面に適用し、好適な金属酸化物、染料又は顔料の溶液又は分散物又は固体粒子を表面に噴霧し、続いてハンドローラを使用するなどして軽い圧力をかけることによって、適用することができる。又は、インジケータ手段は、噴霧又は印刷によって適用することができる。
本発明の第3の態様において、本発明の第2の態様による方法によって得られる成形材料が提供される。
本発明の第4の態様において、本発明の第1又は第3の態様による成形材料を硬化させることを含む、成形品を調製する方法が提供され、任意選択で、成形材料は、硬化ステップの前に、表面強化層から離れた成形材料の表面上に少なくとも1つの追加の構造補強層と共にレイアップされる。
本発明の成形材料は、様々な層に存在する(単一種または複数種の)樹脂及び(単一種または複数種の)硬化剤を考慮して、任意の従来の方法により硬化されて成形品を形成し得る。したがって、本発明による成形材料から調製された物品の硬化に要求される適切な条件は、プリプレグ産業で使用される標準的な手順に従って、経験的に決定することができる。
本発明の第5の態様において、本発明の第4の態様による方法によって得られる成形品が提供される。
一実施形態において、成形品は、1%未満、好ましくは0.1%未満の平均ピンホール面積、及び/又は0.5mm未満、好ましくは0.05mm未満の平均ピンホールサイズ、及び/又は10%未満、好ましくは5%未満の重複欠陥を有する、成形表面を有する。
本発明の第6の態様において、完成した成形品を調製する方法であって、
(a)本発明の方法によって成形材料を調製するステップであって、表面強化層に完全に貫入することなく不連続インジケータ手段を第1の樹脂組成物に取り付けるために、成形材料のモールド又はツール接触面に不連続インジケータ手段を適用し、圧力及び任意選択で熱を印加するステップを含む、ステップ;
(b)不連続インジケータ手段をモールド又はツールと接触させて、モールド又はツール内で成形材料を硬化させるステップであって、任意選択で、成形材料は硬化ステップの前に、表面強化層から離れた成形材料の表面上に少なくとも1つの追加の構造補強層と共にレイアップされる、ステップ;
(c)成形品をモールド又はツールから取り外し、表面強化層を完全に除去することなく、不連続インジケータ手段を除去するのに十分な深さまで成形品のモールド又はツール接触面を摩耗させることによって、ステップ(b)の成形品を仕上げるステップ
を含む方法が提供される。
本発明のこの態様において、不連続インジケータは、離型後に離型剤が混入し得る成形品の表面強化層の最外部が、表面強化層のすべてを除去するリスクを伴わずに、均一に除去されたというサインをオペレータに提供する。
本発明の別の態様において、その第6の態様における本発明による方法によって得られる完成品が提供される。
例1
樹脂組成物1は、
Araldite(登録商標)LY1589(Huntsman Advanced Materials(スイス)GmbH(バーゼル(Basel)、スイス)製の半固体ビスフェノールAジグリシジルエーテルエポキシ樹脂)72.3g;
Araldite(登録商標)LY1556(Huntsman Advanced Materials(スイス)GmbH(バーゼル(Basel)、スイス)製の液体ビスフェノールAジグリシジルエーテルエポキシ樹脂)18.17g;
Araldite(登録商標)DW0135(Huntsman Advanced Materials(スイス)GmbH(バーゼル(Basel)、スイス)製の青色顔料ペースト)0.10g;
BYK-A530(BYK-Chemie GmbH(ヴェセル(Wesel)、ドイツ)製の脱泡剤)0.18g;
Aerosil(登録商標)R202(Evonik Resource Efficiency GmbH(ハーナウ-ウォルフガング(Hanau-Wolfgang)、ドイツ)製の疎水性ヒュームドシリカレオロジー調整剤)6.00g;及び
Dyhard(登録商標)UR500(Alzchem Group AG(トロストベルク(Trostberg)、ドイツ)製の粉末形態の2官能性潜在性ウロン促進剤)2.82g
から配合した。
混合物の色及び稠度が均一になるまで、成分を50~60℃の温度にて完全に混合した。成形材料の各樹脂層には、同じ樹脂組成物1を用いた。
以下の構造を有する成形材料1を構成した。
(1)400g/mの樹脂組成物1の層;
(2)LBB1200織物の層(Hexcel Reinforcements UK Limited(ナーボロウ(Narborough)、レスターシャー州(Leicestershire)、英国)製の1250g/mの3軸ノンクリンプガラス織物);
(3)Evalith(登録商標)S5030の層(米国コロラド州デンバーのJohns Manville(デンバー(Denver)、コロラド州(Colorado)、米国)製の目付50g/mのガラス繊維フリース);
(4)200g/mの樹脂組成物1の層;
(5)15g/mの目付を有するポリエステル及びナイロン繊維のブレンドを含む軽量の全合成不織繊維ベールの層(Technical Fibre Products Limited(バーンサイドミル(Burnside Mills)、ケンダル(Kendal)、カンブリア州(Cumbria)、英国)製);並びに
(6)200g/mの樹脂組成物1の層。
組み立てられた層を、80℃に加熱したSラップローラシステムを通過させることによって圧密化して、成形材料1を形成した。
圧密化後、P34Tygavac(登録商標)RF260の層(Tygavac Advanced Materials Limited、コーズウェイ(The Causeway)、ブロードウェイビジネスパーク(Broadway Business Park)、チャダートン(Chadderton)、オールダム(Oldham)OL9 9XD、英国)製のスタッガード12.7mm中心穿孔スタイル及び1.143mmの公称孔径を有する、FEPフルオロポリマー剥離フィルム)を、プリプレグの底面の樹脂組成物層(即ち、層(6)-離型時に部品表面となるモールド表面に隣接する表面)の上に配置した。フィルムの表面にTioxide TR-81(Huntsman Advanced Materials(スイス)GmbH(バーゼル(Basel)、スイス)製の粉末形態の二酸化チタン)を振りかけた後、フィルムをゴムローラで軽くプレスして、余分な二酸化チタン及び剥離フィルムを除去した。成形材料1には、モールド又はツール接触面の樹脂層上に約1.7g/mの目付を有する二酸化チタンのドットの規則的配列が残された。
Zyvax(登録商標)Watershield(商標)(Freeman Manufacturing and Supply Company(エイボン(Avon)、オハイオ州(Ohio)、米国)製のシリコーン不含有水溶性離型剤)で処理した複合ツール内に成形材料1を配置し、組立体を真空下で80℃及び1バールの圧力にて6時間硬化させることによって、複合部品を製造した。冷却時に、硬化した成形部品をツールから取り外すと、硬化樹脂の青色の背景に対して二酸化チタンの着色ドットの別個の配列が現れた。ドットによって、サンディングによる複合部品の表面強化層の一部を均一に除去することができた(図1参照)。
図1は、上記のように製造された硬化成形材料1を示す。材料3の左半分はサンディングされて、硬化後に表面に残った離型剤がすべて除去されているが、材料5の右側はサンディングされていない。硬化前に成形材料1に適用されたチタンドット7の配列は、材料5の右側に依然として存在するが、左側3にドット7の規則的配列が存在しないことは、上面の少なくとも部分的な除去を示す。成形材料1の左側3に散在する個々のドット9が存在することは、上面層を完全に除去するための十分にサンディングが行われず、さらなるサンディングを完了すべき場所を示す。
上記の方法で調製した未硬化成形材料のサンプルを切断し、約2~3cmの重複領域で、モールドの表面にわたってX及びY方向に重ねた。さらなる成形材料を、いずれの場所も重複させずに上部に配置し、得られた組立体を上記の方法で硬化させた。冷却及び離型時に、硬化品の重複領域は、重複していない成形材料から製造された標準部品と比較して、ごくわずかな欠陥しか示さなかった。
例2
樹脂組成物2は、
Kukdo KFR136SL Kukdo Chemical Company Limited(ソウル(Seoul)、韓国)製の半固体ビスフェノールAジグリシジルエーテルエポキシ樹脂)72.9g;
Epikote(登録商標)828(Hexion Inc.(コロンバス(Columbus)、オハイオ州(Ohio)、米国)製の液体ビスフェノールAジグリシジルエーテルエポキシ樹脂)18.2g;
Aerosil(登録商標)R202(Evonik Resource Efficiency GmbH(ハーナウ-ウォルフガング(Hanau-Wolfgang)、ドイツ)製の疎水性ヒュームドシリカレオロジー調整剤)6g;及び
Dyhard(登録商標)UR500(Alzchem Group AG(トロストベルク(Trostberg)、ドイツ)製の粉末形態の2官能性潜在性ウロン促進剤)2.9g
から配合された。
混合物の色及び稠度が均一になるまで、成分を50~60℃の温度にて完全に混合した。成形材料の各樹脂層には、同じ樹脂組成物2を用いた。
以下の構造を有する成形材料2を構成した。
(1)400g/mの樹脂組成物2の層;
(2)LBB1200織物の層(Hexcel Reinforcements UK Limited(ナーボロウ(Narborough)、レスターシャー州(Leicestershire)、英国)製の1250g/mの3軸ノンクリンプガラス織物);
(3)Evalith(登録商標)S5030の層(米国コロラド州デンバーのJohns Manville(デンバー(Denver)、コロラド州(Colorado)、米国)製の目付50g/mのガラス繊維フリース);
(4)15g/mの目付を有するポリエステル及びナイロン繊維のブレンドを含む軽量の全合成不織繊維ベールの層(Technical Fibre Products Limited(バーンサイドミル(Burnside Mills)、ケンダル(Kendal)、カンブリア州(Cumbria)、英国)製);並びに
(5)400g/mの樹脂組成物2の層。
組み立てられた層を、80℃に加熱したSラップローラシステムを通過させることによって圧密化して、成形材料2を形成した。
成形材料2を、Zyvax(登録商標)Watershield(Freeman Manufacturing and Supply Company(エイボン(Avon)、オハイオ州(Ohio)、米国)製のシリコーン不含有水溶性離型剤)で処理した複合ツール内に、樹脂組成物層(5)をモールドの面に隣接させて配置した。HexPly(登録商標)79(Hexcel GmbH(ノイマルクト(Neumarkt)、ドイツ)製のプリプレグ)の2つの層を、モールド内の成形材料の上、即ち樹脂層(1)の隣に配置した。組立体を80℃及び1バールの圧力にて真空下で6時間硬化させた。冷却し、硬化した成形部品を取り出して、検査及びさらなる試験を行った。
代替的な実施形態において、二酸化チタンドットの規則的配列を含む個別のインジケータ手段の層を、圧密化後かつ硬化前に成形材料2に適用することができる。
試験装置及び方法
マトリックスレオロジー
樹脂組成物のレオロジー測定を、TA Instruments(ニューキャッスル(New Castle)、デラウェア州(Delaware)、米国)製のTA HR-2 Discovery Hybrid Rheometerを用い、25mm平行板を使用して1mmの間隙を設定して、0.1~100s-1の剪断速度及び60℃の温度にて行った。
ベールのキャラクタリゼーション
繊維径及びベール開口度の測定は、Keyence(UK)Limited(ミルトン・キーンズ(Milton Keynes)、バッキンガムシャー州(Buckinghamshire)、英国)製のKeyence VHX-6000シリーズデジタル顕微鏡を使用して行われ得る。第1の不織繊維担体として使用されるベール(即ち、表面強化層に使用される表面ベール)は、コンピュータモニタ上で見たときに開口面積の強調を補助するために、ベールを青色プラスチックカードに取り付けて顕微鏡に供され得る。顕微鏡を175倍の倍率に設定し、光出力を最大に設定し、開口面積を明確に識別できるようにゲインダイヤル設定を調整する。保存されたコンピュータ画像は、2951002μmの総面積を表す。
不織繊維担体の通気性は、ASTM D737-18:繊維布の通気性に関する標準試験方法(Standard Test Method for Air Permeability of Textile Fabrics)によって測定され得る。
次いで、Keyenceソフトウェアを使用して、個々の繊維の太さ(直径)、平均「開口面積」(即ち、繊維間の空きスペース)及び開口度%を測定する。画像はまた、一方の色がベール繊維を表し、他方が開口スペースを表す2色画像を作成するために、ヒストグラム上のスライダを調整することによって操作される。次いで、ソフトウェアを使用して、すべての個々の開口スペースの面積を測定する。このデータは、スプレッドシートに保存され、(開口%を計算するために)開口面積が占める総面積を、開口面積の平均サイズと共に計算するために使用され得る。
硬化表面のキャラクタリゼーション
離型された複合部品の表面をアセトン中のカーボンブラックのスラリーで拭き取ることによって、硬化表面のキャラクタリゼーションを行った。過剰なスラリーを洗い流した後、Keyence VHX-6000シリーズデジタル顕微鏡を使用して、25倍の倍率及び表面欠陥を明確に識別できるように調整されたゲイン設定を使用して測定を行った。ヒストグラムスライダが000~065との間に設定され、輝度公差が20に設定され、ノイズフィルタが10に設定されるように、Keyenceソフトウェアを使用して132.63mmの観察画像を操作した。ソフトウェアを使用して、観察されたピンホールの平均面積及びピンホールとして識別された総観察面積のパーセンテージを測定した。
重複欠陥は、アセトン中のカーボンブラックのスラリーを使用して、重複に沿って欠陥を最初に強調表示することによって測定した。過剰なスラリーを洗い流した後、定規を使用して欠陥の長さを測定した。重複欠陥の量は、重複の長さに対する測定された欠陥の和のパーセンテージとして表された。
結果
M79(登録商標)樹脂(Hexcel Composites GmbH and Co.,KG(ノイマルクト(Neumarkt)、オーストリア)製の市販の非レオロジー変性エポキシ樹脂マトリックス)及び(本発明による)上記の例1の成形材料1に使用したレオロジー変性樹脂組成物1の粘度を上記のように試験した。
M79については、60℃及び0.1s-1における粘度は40Pa.sであり、60℃及び100s-1における粘度は29Pa.sであった。
樹脂組成物1については、60°及び0.1s-1における粘度は470Pa.sであり、60℃及び100s-1における粘度は66Pa.sであった。
例1で論じたように、本発明による材料を調製し、切断し、約2~3cmの重複領域でモールドの表面にわたってX及びY方向に重ね、材料を硬化させた。本発明の範囲内に含まれない3つの比較積層体も上記のように調製及び処理した。
比較積層体1は、モールド表面に隣接する2軸部分を有し、表面強化不織繊維担体を有さず、中間不織繊維担体を有さず、非レオロジー変性樹脂(M79)を有する標準的なプリプレグ、例えばM79/40%/LBB1200からなっていた。
比較積層体2は、モールド表面に最も近い2軸部分を有し、表面強化不織繊維担体を有さず、補強層とモールドとの間にS5030不織繊維担体を有し、非レオロジー変性樹脂(M79)を有する標準的なプリプレグ、例えばM79/40%/LBB1200からなっていた。
比較積層体3は、モールド表面に最も近い2軸部分を有するが、モールドに隣接する外層に表面強化不織繊維担体を有し、補強層と表面強化不織繊維担体との間にS5030不織繊維担体を有する標準的なプリプレグ、例えばM79/40%/LBB1200からなっていた。但し、比較積層体の樹脂は、非レオロジー変性樹脂(M79)であった。
対照積層体1、2及び3並びに本発明による表面仕上げ成形材料を硬化させることによって調製された複合部品のピンホール及び重複欠陥の表面キャラクタリゼーションは、典型的には以下の結果を与えた。
本発明による成形材料は、低温(典型的には100℃)にて硬化されて、ピンホール及び重複欠陥の減少を示し、最小限の表面加工を必要とする良好な表面仕上げを有する成形品を提供することができる。そのような材料には、均一な表面加工を容易にするために、成形表面に犠牲不連続インジケータ手段を備えることができる。
本発明に包含され得る諸態様または諸実施形態は、以下のように要約される。
[1].
成形材料であって、(a)繊維性補強材料を含む構造補強層;並びに(b)レオロジー調整剤及び硬化剤を含有する第1の樹脂組成物と組み合わせた第1の不織繊維担体を含む、モールド又はツールの表面に接触するための表面強化層であって、前記第1の樹脂組成物が前記成形材料の外部モールド又はツール接触面を提供する、表面強化層を含む、成形材料。
[2].
前記第1の樹脂組成物が、(剪断掃引粘度法により測定した)200~1000Pa.sの60℃及び0.1s -1 における粘度、並びに60℃及び0.1s -1 における粘度の25%以下であるが、25Pa.s以上である60℃及び100s -1 における粘度を有する、上記項目1に記載の成形材料。
[3].
前記第1の樹脂組成物が、熱硬化性樹脂組成物、好ましくはエポキシ樹脂組成物である、上記項目1又は2に記載の成形材料。
[4].
前記第1の不織繊維担体が、好ましくは1~80g/m の範囲の目付を有する熱可塑性繊維ベールである、上記項目1~3のいずれか一項に記載の成形材料。
[5].
前記第1の不織繊維担体が、1~10%の開口度及び/又は約75~350μm の平均開口面積を有する、上記項目1~4のいずれか一項に記載の成形材料。
[6].
前記構造補強層が、第2の樹脂組成物と組み合わされて存在し、任意選択で、前記第2の樹脂組成物が、前記第1の樹脂組成物と同じである、上記項目1~5のいずれか一項に記載の成形材料。
[7].
前記構造補強層と前記表面強化層との間に第2の不織繊維担体をさらに含み、好ましくは、前記第2の不織繊維担体が、前記第1の不織担体の目付よりも大きい目付を有する、上記項目1~6のいずれか一項に記載の成形材料。
[8].
前記第2の不織繊維担体が、第3の樹脂組成物と組み合わせられ、好ましくは、前記第3の樹脂組成物が、前記第1及び/又は前記第2の樹脂組成物と同じである、上記項目7に記載の成形材料。
[9].
前記表面強化層から離れた前記成形材料の表面上に、少なくとも1つの追加の構造補強層をさらに含む、上記項目1~8のいずれか一項に記載の成形材料。
[10].
前記表面強化層に十分に貫入していない前記成形材料の前記モールド又はツール接触面に取り付けられた不連続インジケータ手段をさらに含む、上記項目1~9のいずれか一項に記載の成形材料。
[11].
前記不連続インジケータ手段は、形状の規則的又は不規則配列を含み、好ましくは前記形状が、線、ドット又はその混合物から選択される、上記項目10に記載の成形材料。
[12].
前記不連続インジケータ手段が、屈折性金属酸化物、又はカーボンブラックなどの染料若しくは顔料を含む、上記項目10又は11に記載の成形材料。
[13].
成形材料を調製する方法であって、
(a)繊維性補強材料を含む構造補強層を提供するステップ;
(b)レオロジー調整剤及び硬化剤を含有する第1の樹脂組成物と組み合わせて第1の不織繊維担体を含む、モールド又はツールの表面に接触するための表面強化層を提供するステップであって、前記第1の樹脂組成物が、前記構造補強層から離れた前記成形材料の外部モールド又はツール接触面に提供される、ステップ;並びに
(c)前記樹脂組成物を硬化させることなく、少なくとも前記第1の不織繊維担体に前記第1の樹脂組成物を含浸させるように前記層を圧密化するステップ;
を含み、好ましくは、前記圧密化が、前記成形材料を加圧下で加熱することによって行われる、方法。
[14].
前記第1の樹脂組成物が、(剪断掃引粘度法により測定した)200~1000Pa.sの60℃及び0.1s -1 における粘度、並びに60℃及び0.1s -1 における粘度の25%未満であるが、25Pa.s以上である60℃及び100s -1 における粘度を有する、上記項目13に記載の方法。
[15].
前記第1の樹脂組成物が、熱硬化性樹脂組成物、好ましくはエポキシ樹脂組成物である、上記項目13又は14に記載の方法。
[16].
前記第1の不織繊維担体が、好ましくは1~80g/m の範囲の目付を有する熱可塑性繊維ベールである、上記項目13~15のいずれか一項に記載の方法。
[17].
前記第1の不織繊維担体が、1~10%の開口度及び/又は約75~350μm の平均開口面積を有する、上記項目13~16のいずれか一項に記載の方法。
[18].
前記構造補強層が、第2の樹脂組成物と組み合わされて提供され、任意選択で、前記第2の樹脂組成物が、前記第1の樹脂組成物と同じである、上記項目13~17のいずれか一項に記載の方法。
[19].
前記圧密化ステップの前に、前記構造補強層と前記表面強化層との間に第2の不織繊維担体を提供するステップをさらに含み、好ましくは、前記第2の不織繊維担体が、前記第1の不織担体の目付よりも大きい目付を有する、上記項目13~18のいずれか一項に記載の方法。
[20].
前記第2の不織繊維担体が、第3の樹脂組成物と組み合わせられ、好ましくは、前記第3の樹脂組成物が、前記第1及び/又は前記第2の樹脂組成物と同じである、上記項目19に記載の方法。
[21].
前記圧密化ステップの前に、前記表面強化層から離れた前記成形材料の表面上に、少なくとも1つの追加の構造補強層を提供することをさらに含む、上記項目13~20のいずれか一項に記載の方法。
[22].
前記表面強化層に完全に貫入することなく、不連続インジケータ手段を前記第1の樹脂組成物に取り付けるために、前記成形材料の前記モールド又はツール接触面に前記不連続インジケータ手段を適用し、圧力及び任意選択で熱を印加するステップをさらに含む、上記項目13~21のいずれか一項に記載の方法。
[23].
上記項目13~22のいずれか一項に記載の方法によって得られる成形材料。
[24].
上記項目1~12又は23のいずれか一項に記載の成形材料を硬化させることを含む、成形品を調製する方法であって、任意選択で、前記成形材料が、前記硬化ステップの前に、前記表面強化層から離れた前記成形材料の表面上に少なくとも1つの追加の構造補強層と共にレイアップされる、方法。
[25].
上記項目24に記載の方法によって得られる成形品。
[26].
1%未満、好ましくは0.1%未満の平均ピンホール面積、及び/又は0.5mm 未満、好ましくは0.05mm 未満の平均ピンホールサイズ、及び/又は10%未満、好ましくは5%未満の重複欠陥を有する、成形表面を備えた、上記項目25に記載の成形品。
[27].
完成した成形品を調製する方法であって、
(a)上記項目22に記載の方法によって成形材料を調製するステップ、及び続いて;
(b)前記不連続インジケータ手段をモールド又はツールと接触させて、前記モールド又はツール内で前記成形材料を硬化させるステップであって、任意選択で、前記成形材料が前記硬化ステップの前に、前記表面強化層から離れた前記成形材料の表面上に少なくとも1つの追加の構造補強層と共にレイアップされる、ステップ;
(c)前記成形品を前記モールド又はツールから取り外すステップ;並びに
(d)前記表面強化層を完全に除去することなく、前記不連続インジケータ手段を除去するのに十分な深さまで前記成形品の前記モールド又はツール接触面を摩耗させることによって、ステップ(b)の前記成形品を仕上げるステップ
を含む方法。
[28].
上記項目27に記載の方法によって得られる完成品。

Claims (27)

  1. モールド又はツール内で他の成形材料と共にレイアップされ、硬化されることによって複合部品を形成するための成形材料であって、
    (a)繊維性補強材料を含む構造補強層;並びに(b)ヒュームドシリカを含むレオロジー調整剤及び硬化剤を含有する第1の樹脂組成物を含浸させた第1の不織繊維担体を含む、前記複合部品の形成に使用される前記モールド又はツールの表面に接触するための表面強化層であって、前記第1の樹脂組成物が前記成形材料の外部モールド又はツール接触面を提供する、表面強化層を含み、かつ前記第1の樹脂組成物がガラス球の粒子状材料を含まず、前記第1の不織繊維担体が、1~10%の開口度及び/又は75~350μmの平均開口面積を有
    前記表面強化層に十分に貫入していない前記成形材料の前記モールド又はツール接触面に取り付けられた不連続インジケータ手段をさらに含み、この不連続インジケータ手段は、形状の規則的又は不規則配列を含み、この形状が、線、ドット又はその混合物から選択される、
    成形材料。
  2. 前記第1の樹脂組成物が、(剪断掃引粘度法により測定した)200~1000Pa.sの60℃及び0.1s-1における粘度、並びに60℃及び0.1s-1における粘度の25%以下であるが、25Pa.s以上である60℃及び100s-1における粘度を有する、請求項1に記載の成形材料。
  3. 前記第1の樹脂組成物が、熱硬化性樹脂組成物である、請求項1又は2に記載の成形材料。
  4. 前記第1の樹脂組成物が、エポキシ樹脂組成物である、請求項3に記載の成形材料。
  5. 前記第1の不織繊維担体が、熱可塑性繊維ベールである、請求項1~4のいずれか一項に記載の成形材料。
  6. 前記構造補強層が、第2の樹脂組成物と組み合わされて存在し、任意選択で、前記第2の樹脂組成物が、前記第1の樹脂組成物と同じである、請求項1~5のいずれか一項に記載の成形材料。
  7. 前記構造補強層と前記表面強化層との間に第2の不織繊維担体をさらに含む、請求項1~6のいずれか一項に記載の成形材料。
  8. 前記第2の不織繊維担体が、前記第1の不織繊維担体の目付よりも大きい目付を有する、請求項7に記載の成形材料。
  9. 前記第2の不織繊維担体が、第3の樹脂組成物と組み合わせられる、請求項7又は8に記載の成形材料。
  10. 前記構造補強層が、第2の樹脂組成物と組み合わされて存在する場合に、前記第3の樹脂組成物が、前記第1の樹脂組成物及び/又は前記第2の樹脂組成物と同じである、請求項9に記載の成形材料。
  11. 前記表面強化層から離れた前記成形材料の表面上に、少なくとも1つの追加の構造補強層をさらに含む、請求項1~10のいずれか一項に記載の成形材料。
  12. 前記不連続インジケータ手段が、屈折性金属酸化物、又は染料若しくは顔料を含む、請求項1に記載の成形材料。
  13. 前記不連続インジケータ手段が、カーボンブラックを含む、請求項12に記載の成形材料。
  14. モールド又はツール内で他の成形材料と共にレイアップされ、硬化されることによって複合部品を形成するための成形材料を調製する方法であって、
    (a)繊維性補強材料を含む構造補強層を提供するステップ;
    (b)ヒュームドシリカを含むレオロジー調整剤及び硬化剤を含有する第1の樹脂組成物と組み合わせて第1の不織繊維担体を含む、前記複合部品の形成に使用される前記モールド又はツールの表面に接触するための表面強化層を提供するステップであって、前記第1の樹脂組成物が、前記構造補強層から離れた前記成形材料の外部モールド又はツール接触面に提供される、ステップであって、前記第1の樹脂組成物がガラス球の粒子状材料を含まず、前記第1の不織繊維担体が、1~10%の開口度及び/又は75~350μmの平均開口面積を有するステップ
    c)前記樹脂組成物を硬化させることなく、少なくとも前記第1の不織繊維担体に前記第1の樹脂組成物を含浸させるように前記構造補強層及び前記表面強化層を圧密化するステップ;並びに
    (d)前記表面強化層に完全に貫入することなく、不連続インジケータ手段を前記第1の樹脂組成物に取り付けるために、前記成形材料の前記モールド又はツール接触面に前記不連続インジケータ手段を適用し、圧力及び任意選択で熱を印加するステップをさらに含み、
    この不連続インジケータ手段は、形状の規則的又は不規則配列を含み、この形状が、線、ドット又はその混合物から選択される
    方法。
  15. 前記第1の樹脂組成物が、(剪断掃引粘度法により測定した)200~1000Pa.sの60℃及び0.1s-1における粘度、並びに60℃及び0.1s-1における粘度の25%未満であるが、25Pa.s以上である60℃及び100s-1における粘度を有する、請求項14に記載の方法。
  16. 前記第1の樹脂組成物が、熱硬化性樹脂組成物である、請求項14又は15に記載の方法。
  17. 前記第1の樹脂組成物が、エポキシ樹脂組成物である、請求項16に記載の方法。
  18. 前記第1の不織繊維担体が、熱可塑性繊維ベールである、請求項14~17のいずれか一項に記載の方法。
  19. 前記構造補強層が、第2の樹脂組成物と組み合わされて提供され、任意選択で、前記第2の樹脂組成物が、前記第1の樹脂組成物と同じである、請求項14~18のいずれか一項に記載の方法。
  20. 前記の圧密化するステップの前に、前記構造補強層と前記表面強化層との間に第2の不織繊維担体を提供するステップをさらに含む、請求項14~19のいずれか一項に記載の方法。
  21. 前記第2の不織繊維担体が、前記第1の不織繊維担体の目付よりも大きい目付を有する、請求項20に記載の方法。
  22. 前記第2の不織繊維担体が、第3の樹脂組成物と組み合わせられる、請求項20又は21に記載の方法。
  23. 前記構造補強層が、第2の樹脂組成物と組み合わされて存在する場合に、前記第3の樹脂組成物が、前記第1の樹脂組成物及び/又は前記第2の樹脂組成物と同じである、請求項22に記載の方法。
  24. 前記の圧密化するステップの前に、前記表面強化層から離れた前記成形材料の表面上に、少なくとも1つの追加の構造補強層を提供することをさらに含む、請求項14~23のいずれか一項に記載の方法。
  25. 請求項1~13のいずれか一項に記載の成形材料を硬化させるステップを含む、成形品を調製する方法であって、任意選択で、前記成形材料が、前記の硬化させるステップの前に、前記表面強化層から離れた前記成形材料の表面上に少なくとも1つの追加の構造補強層と共にレイアップされる、方法。
  26. 前記成形材料が、1%未満の平均ピンホール面積、及び/又は0.5mm未満の平均ピンホールサイズ、及び/又は10%未満の重複欠陥を有する、成形表面を備える、請求項25に記載の方法。
  27. 完成した成形品を調製する方法であって、
    (a)請求項14に記載の方法によって成形材料を調製するステップ、及び続いて;
    (b)前記不連続インジケータ手段をモールド又はツールと接触させて、前記モールド又はツール内で前記成形材料を硬化させるステップであって、任意選択で、前記成形材料が前記の硬化させるステップの前に、前記表面強化層から離れた前記成形材料の表面上に少なくとも1つの追加の構造補強層と共にレイアップされる、ステップ;
    (c)前記成形品を前記モールド又はツールから取り外すステップ;並びに
    (d)前記表面強化層を完全に除去することなく、前記不連続インジケータ手段を除去するのに十分な深さまで前記成形品の前記モールド又はツール接触面を摩耗させることによって、ステップ(b)の前記成形品を仕上げるステップ
    を含む方法。
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