JPH02169237A - からみ合った横繊維を有するマトリックス結合プライを含む複合ラミネート及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の産業上の利用分野〕 本発明は、改良された離層抵抗を有する複合ラミネート
に関する。これらの改良は、一つのプライの繊維が向か
い合うプライの繊維と協同して離層を抑制するように横
繊維を有する基材を含む積層プライを使用することによ
り得られる。

〔従来の技術とその課題〕

従来、複合ラミネートは織物プライの三次元の編組また
は製織を用い、ついでこれを硬化性マトリックスで飽和
することにより製造された。しかしながら織物を製造す
るのに使用される装置は高価であり、しかも信頼性がな
い。また、基材はフロック加工により処理されてマトリ
ックス飽和ラミネートを形成していた。しかしながら、
この技術に於いて、亀裂がフロック加工の下部または先
端に沿って拡大する傾向があり、ついでフロック加工部
分が基材から分離する。更に、樹脂飽和フィラメント中
に配向した繊維を使用し、これを巻くことにより三次元
的に強化された製品がもたらされることが知られていた
。

〔課題を解決するための手段〕

それ故、本発明の特徴は、改良された離層特性を有する
複合ラミネートを提供することである。

これらの特性は、例えば破壊靭性により測定される。単
層は、ランドクラフト、エアークラフト及びマリンクラ
フト並びに外装、家具、及び建築物に構造強化のために
使用し得る。離層抵抗の改良は、基材の平面から両方向
に伸びる繊維を更に含む平らな基材を含むプライのマト
リックス飽和ラミネートをつくることにより得られる。

基材の少なくとも一つの面は有機結合剤で被覆され、そ
して複数のプライは、結合剤がプライの間にあるように
、積重ねられる。結合剤を硬化するために、熱及び圧力
が積重ねにかけられる。一つのプライからの繊維が向か
い合う層の繊維と協同する。本発明の改良の結果として
、破壊靭性は、１０インチ−ボンド／平方インチ、好ま
しくは１５インチ−ボンド／平方インチ、最も好ましく
は２０インチボンド／平方インチ以上に増大し得る。

〔発明の詳細な説明〕

本発明は、基材の平面から両方向に伸びるＩＭ維を含む
基材の向かい合う層を有する複合ラミネートに関する。

一つの層またはプライのｍｕは、向かい合う層の繊維と
協同する。硬化性結合剤は、固化条件または硬化条件の
適用の際に、得られるマトリックスが向かい合うプライ
並びに基材の繊維の間の間隙を実質的に含浸するように
、基材及び繊維に適用される。

本発明の複合単層は、第３図に１０で一般に示され、第
一プライ１５及び向かい合う第ニプライ２０を含む。こ
れらのプライは、上面及び底面を有する実質的に平らな
基材２２である層から形成される。

基材２２は、縦及び横フィラメント２４．２６を夫々有
するグラウンド織布として示されている。

プライ１５は多数の繊維３０を含む。Ｉ＄１３０は基材
の平面に対し実質的に垂直に伸び、そして縦フィラメン
ト２４及び横フィラメント２６の上部に対して接線方向
に通過する平面により形成されるような基材の表面を越
えて伸びる。縦フィラメント及び横フィラメントはＸ方
向及びＹ方向に伸び、繊維は２方向に伸びる。繊維３０
は、基材の平面に対して７０゛〜１１０゛で伸びること
が望ましく、基材の平面に対して８０°〜１００°に伸
びることが更に好ましい。

ｔａ維は、基材のいずれかの面（即ち、上面及び底面の
いずれか）から伸びて基材のいずれかの面に繊維先端を
形成する。先端は、タフト３４またはループ３２であっ
てもよい。集合的に、タフト３４はカットパイル（ｃｕ
ｔ　ｐｉｌｅ）を形成し、一方ルーブ３２はループパイ
ルを形成する。

本発明の第一の態様に於いて、繊維は基材の一面のフィ
ラメント２４のまわりにループ３２を形成し、基材の別
の面にカットタフト３４を形成する。また、繊維は基材
の両面でループにされてもよく、あるいは第４図に示さ
れるように基材の両面でカットタフトを有してもよい。

単一の基材が同一面でループタフト及びカットタフトの
組合せを有してもよいことが、同様に想像される。夫々
の態様に於いて、繊維は、それらが複合単層の基材また
はグラウンド布にからみ合わされるか、または機械的に
定着されるように、基材中を伸びる。特に、繊維が一面
でタフトにされ、別の面でループにされる場合には、２
方向の引張力がループを通って基材に伝えられることが
、容易にわかる。

プライは、基材の一面または両面に適用される有機結合
剤を更に含む。第一プライ１５及び第ニプライ２０は、
結合剤４０がプライの間に分散されるように、積重ねら
れ、その結果、第一プライの繊維は第ニプライ２０の繊
維３０と協同する。“協同°′という用語は、一つのプ
ライからの繊維が向かい合うプライからの繊維または基
材と接触するか、あるいはそれらに接近して、その結果
結合剤の薄い層のみがＩａ維を分離することを意味する
ものと理解すべきである。カットタフト及びループ繊維
を有する態様に於いて、向かい合うプライの繊維の間の
協同を最大にするために、カットタフトが向かい合うプ
ライのループ［１と向かい合わせになることが好ましい
。

適当な条件、即ち熱及び圧力の適用の際に、結合剤は硬
化してプライを実質的に含浸するマトリックスを形成す
る。結合剤４０がプライの間に配置されるという程度で
、それはプライの間に“はさまれる″と云い得る。勿論
、この用語は、結合剤及びグラウンド布の完全な飽和並
びに別個の層、及びそれらの間の浸透の全ての程度を意
図するものと理解すべきである。“実質的に含浸する”
という用語により、マトリックスがｍ椎間の間隙を実質
的に満たすことが予想される。複合材料が多孔性でない
こと、及びマトリックスが基材２２を飽和することが好
ましい。

基材は、大きい引張り強さの材料を含み得る。

織物を使用することが好ましいが、その材料は編物及び
不織布であってもよい。基材は、カーボン、ガラス、ア
ラミド及びポリエステルの如く、大きい引張り強さを有
する、いずれの好適な材料であってもよく、カーボン及
びガラスが好ましい。特定の基材の選択は、重量、強度
及び最終用途のコスト要件に依存する。

繊維は、基材の平面中を通り、好ましくは基材の一面に
ループを形成し、別の面にタフトを形成するようにして
基材中に定着される。また、繊維が両面にカットタフト
を有する場合には、繊維を２方向に引っばる傾向がある
力に抵抗するために繊維が基材の平面を通って充分に伸
び、そして基材との充分な構造的な協同を有することに
よるように、基材とからみ合うことが好ましい。

殆どの用途に於いて、複合材料の強さをＸ方向及びＹ方
向に最大にすることが必要であると考えられ、この場合
２方向の繊維の体積分率は、全成分の体積分率の関数と
して測定して、１５％未満、望ましくは１０％、好まし
くは５％の如く、比較的に低い％に維持される。勿論、
幾つかの用途は異なる強さの特性を指示し、これらの％
の変更を要求することがある。やはり、強さをＸ方向及
びＹ方向で最大にし、かつＺ方向のプライの体積分率を
最小にするためには、繊維が比較的短かいタフトを有す
ることが好ましい。高さの好適な範囲は、基材の上面か
ら測定して０．００１〜０．１００インチ（２，５４Ｘ
ｌＯ−’〜０．２５４ｃｍ）である。上面は、基材を構
成する材料フィラメントの上部に沿って接線方向に通る
平面である。基材料料中に一様に隔置される徹細な繊維
を有する基材を用意することが理想的であると考えられ
る。好適な繊維材料は、ガラス、カーボン、ポリエステ
ル、ナイロン、ボＩＪ　７ラミドを含み、好ましい材料
はガラス繊維及び炭素１ａ維である。繊維は、例えばガ
ラス繊維用のアミノシランサイズ剤の如きサイズ剤を含
んでもよい。

結合剤は、結合剤が硬化された後にプライの間隙を飽和
するのに充分な量で、基材の少なくとも一つの面に適用
される。かくして、向かい合うプライの二つの面が結合
剤で被覆される場合には、向かい合う面の繊維の先端が
露出されることが望ましい。一方、基材の一面のみが結
合剤を含む場合には、結合剤の量は、先端が最早露出さ
れない程増加されてもよい。単層を飽和するのに充分な
量の結合剤を有することが望ましいが、硬化されたマト
リックスは、向かい合う面の繊維が協同しない程、多く
てはならない。

結合剤は、使用温度で寸法安定性の結合剤であれば、い
ずれの型のものであってもよい。例えば、エポキシまた
はフノール樹脂を含む熱硬化性プラスチック、及び例え
ばポリフェニレンスルフィドまたはポリエーテルケトン
を含む熱可塑性プラスチックの如き硬化性プラスチック
を使用することが好ましい。好ましい結合剤はエポキシ
及びフェノール樹脂を含み、エポキシが最も好ましい。

結合剤は、プレプレグ、即ち未硬化樹脂または未成形熱
可塑性プラスチックとして、プライの一面または両面に
適用されてもよい。ひき続いて、結合剤は熱及び／また
は圧力の適用により硬化または固化されて、単層または
プライを実質的に飽和するマトリックスを形成する。結
合剤は通常の９の通常の添加剤を含んでもよい。結合剤
の選択は最終製品の特別な用途に依存する。幾つかの用
途に於いて、比較的に高いモジュラスのマトリックスを
もつ高いモジユラスのストランドまたはフィラメントを
有することが所望される。しかしながら、低モジュラス
のマトリックスは所望されない。このような場合には、
添加される硬化剤の量を減少することによりエポキシの
如きマトリックス中の架橋の程度を減少することが有利
であり得る。

本発明の複合ラミネートは、改良された離層特性を示す
。これらの特性は典型的には破壊靭性として測定され、
１平方インチの新しい表面を生じるのに必要とされる１
０インチ−ボンド、望ましくは１５インチ−ボンド、好
ましくは２０インチ−ボンド以上の仕事をもたらす。本
発明は、５０インチ−ボンド／平方インチ程度に高い靭
性へと導いた。

本発明の単層を製造するのに使用される方法は、以下の
ように説明し得る。プライは、基材の平面を通って伸び
る繊維を有する基材を形成することによりつくられる。

こうして基材を通って伸びる繊維は、基材のいずれかの
面に繊維先端を形成する。繊維先端はカットタフトまた
はループであってもよい。繊維は、当業界で既知のタフ
ト挿入技術により、いずれかの面にループを形成しても
よく、あるいはループは一面または両面で、砕かれるか
、または切断されてタフトを形成する。第５図の態様に
示されるように、基材は一つの面に形成されたカットタ
フトを有してもよく、ついで反対面にカットタフトを形
成させるためひっくり返され、その結果その材料は両面
に混じり合ったカットタフトとループとを有する。

接着剤または結合剤の層は、基材を完全に飽和するが繊
維の先端を向かい合うプライの繊維先端と物理的に接触
させるのに充分な量で、基材の一つの面に塗布される。

結合剤は、暖めると個々の繊維のまわりに浸透するよう
な粘度を有することが望ましい。接着剤の適用温度は約
１８℃（６５’Ｆ）〜約４３℃（１１０″Ｆ）であり、
室温の粘度は約１０〜約１０００ボイズの範囲であり、
好ましい範囲は約５０〜約５００ボイズである。一般に
、最後から２番目の層中のボイドを避けるため、最も外
側のプライの外表面が飽和されることが望ましい。

複数のプライは、所定の大きさに切断されて、ビルディ
ング形で積重ねられる。プライがタフト面及びループ面
の如き極性を有する場合には、プライを適当な極性配向
で、例えばタフトがループに向かい合うように、即ちカ
ットパイルがループパイルに向かい合うように積重ねる
ように注意する。熱及び圧力が基材の積重ねに適用され
て、向かい合うプライの繊維が一層大きく協同すること
及び結合剤を硬化することを強制する。通常、これは揮
発物を除去するための真空バッグを備えたオートクレー
ブ中で行なわれる。ボイドの形成及びプライ間に閉じ込
められた空気が避けられるように、プライがレイアップ
され、セツティング条件が適用されることが好ましい。

！ａ維は、構造的な提携（ｔｉｅ−ｉｎ）を有するか、
または基材中に定着され、その結果長さ方向の亀裂を繊
維の先端または下部で拡大する可能性は殆どない。

以下の実施例を参照することにより、本発明が一層良く
理解される。

実施例 二重片持ばり離層試験 フインチ×６インチＸ０．２８５インチ（１８ｃｍＸ１
５ＣｍＸ　Ｏ，７２４ｃｍ）の複合材料の試料を、以下
のようにしてつくった。

いずれかの面に織ループを有するガラス基材から、６個
のプライを調製した。ループから先端を切断することに
より、カットパイルを一つの面に形成した。ループの先
端を水中で浸軟し、上部を切断する前に強制空気炉中で
２２０’Ｆ　（１０４℃）で１時間乾燥した。この湿潤
及び乾燥は、上部を硬（、しかももろくないものにした
。それらは、小型の高速の空気駆動式研削機を用いて容
易に切断された。

エポキシの０．００８インチ（０，０２０ｃ＋ｎ）の膜
を織物の各層の下部に適用し、（未切断の）ループパイ
ルを被覆した。ついで、パイルを、カットパイルが隣接
するループパイルに面するように、債重ねた。レリース
フィルム材料を使用して三番目のプライと四番目のプラ
イとの間に２インチ（５ｃｎ＋）の傷を入れた。構造を
剛化するため、通常のガラス−エポキシ織プレプレグの
付加的なプライを、複合材料の上部及び下部の両方に加
えた。

試料を二枚のアルミニウムプレートの間で圧縮成形した
。硬化サイクル中の温度を、室温から１２１　ｔ　（２
５０″Ｆ）まで２０分間で傾斜昇温させた。それをこの
温度で更に２時間保った。開始時の圧力はＱｐｓｉ　で
あり、２０分の傾斜昇温中に２００ｐｓｉ　（１４ｋｇ
　／　ｃｓｆ　）まで徐々に増加させた。この圧力を、
硬化サイクルの期間にわたって維持した。

二重片持ばり離層用の試料を、硬化複合材料から切断し
た。外層、即ちガラスエポキシブレプリグ中の亀裂の開
始を避けるためには、エポキシで含浸された通常の織布
の１０個のプライを夫々の面に加えて試料を強化し、か
つ剛化することにより、ラミネートの剛性を増大するこ
とが必要であった。

付加的な裏材料を加えた後、３番目のプライと４番目の
プライの間の複合材料の離層に関して、好結果の試験を
行なった。傷を拡大するのに必要なエネルギーは５２．
６ｉｎ−１’ｂ　／ｉｎ’　テあった。

タフトをレイアップの前にグラウンド布材料から抜き取
った以外は、同じ全般操作を用いて、対照試験片を調製
した。亀裂がこの材料の中間層中で容易に拡大し、それ
故付加的な裏材料を加える必要がなかった。亀裂を拡大
するのに必要なエネルギーは、２．７７ｉｎ　−１ｂ　
／ｉｎ’であった。

ねじ廻しくさび試験 二重片持ばり試験の結果の大まかなチエツクとして、ね
じ廻しが試験片の破壊を生じるくさびとして使用された
。

ねじ廻しは、公称長さ１０．７５インチ（２７，３１ｃ
ｍ）、シャフト長さ５．６５インチ（１４，４ｃｍ＞　
、シャフト直径０．３１．５インチ（０，８００ｃｍ）
であった。その先端で、ねじ廻しの刃は、幅０．３３イ
ンチ（０，８４ｃｍ）　、厚さ０、０４５インチ（０゜
１１４ｃｒｎ）であった。

レリースフィルム界面での破壊は、ナイフブレードと挿
入されたねじ廻しの刃により開始された。

着席した実験者は、上体を前に曲げ、その結果試験片の
先端は床と接触した。ついで、実験者は、ねじ廻しのハ
ンドルに力を下向に加え、その結果そのくさび作用が刃
の挿入箇所で開始し試験片の長さを拡大する試験片の徐
々の破壊をひき起した。

必要とされる力は、実験者の頭部、腕部、及び上胴の重
さと見債もつ、約５０ボンド（２３ｋｇ）と概算した。

対照的に、対照試験片はその全長にわたって迅速かつ容
易に裂けた。試験片は幅１インチ（２，５４ｃｍ＞であ
ったので、亀裂を拡大するのに必要とされた５０ポンド
（２３ｋｇ）の力は、破壊表面１平方インチ当り５０イ
ンチ−ボンドの仕事を生じることができた。摩擦による
損失を無視して、これは二重片持ばり試験法を用いて得
られた５２．６ｉｎ−１ｂ／ｉｎ２の結果に近似する。

最良の方式及び好ましい態様が、特許法に従って示され
たが、本発明の範囲はこれらに限定されるものではない
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の複合ラミネートの平面図である。 第２図は、第１図の複合材料の断面図である。 第３図は、本発明の複合ラミネートの第一〇態様の断面
図である。 第４図は、本発明の複合ラミネートの第三の態様の断面
図である。 図中、１５及び２０は層（プライ）、 ２２は基材、 ３０はｍ維、 ３２及び３４は繊維の先端、 ４０は結合剤、 を示ず。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、各層が第一面及び第二面を有し、かつ多数の繊維を
   有する実質的に平らな基材を含み、上記の繊維が上記の
   平らな基材の第一面及び第二面に繊維先端を形成する、
   少なくとも二つの層であって、 上記の層が向かい合って積重ねられ、その結果一つの層
   の繊維先端が向かい合う層の繊維先端と協同してそれら
   の間に間隙を形成する、前記少なくとも二つの層；並び
   に 前記間隙を実質的に含浸する結合剤； を含んでなる複合材料。 ２、繊維が基材に構造的に定着されている請求項１記載
   の複合材料。 ３、繊維が基材の第一面にループを形成し、第二面にカ
   ットパイルタフトを形成する請求項２記載の複合材料。 ４、繊維が第一面及び第二面にカットパイルタフトを形
   成する請求項２記載の複合材料。 ５、カットパイルタフトが基材の平面に対して約７０°
   〜約１１０°の角度で基材から伸びる請求項３記載の複
   合材料。 ６、上記の基材が織られている請求項５記載の複合材料
   。 ７、上記の結合剤が硬化性プラスチックである請求項２
   記載の複合材料。 ８、上記の結合剤が熱硬化性プラスチックである請求項
   ７記載の複合材料。 ９、上記の基材がカーボン、ガラス、グラファイト、及
   びポリエステルからなる群から選ばれた一種以上の材料
   を含み、上記の繊維がガラス、カーボン、ポリエステル
   、ナイロン及びポリアリミドからなる群から選ばれた一
   種以上の材料を含む請求項８記載の複合材料。 １０、多数の向かい合う層を含み、上記の層が硬化性結
   合剤を間にはさみ、かつ夫々の層が互いにからみ合って
   基材のいずれかの面に繊維先端を形成する繊維を有する
   実質的に平らな基材を含み、一つの層の繊維先端が向か
   い合う層の繊維先端と協同し、 これにより第二の層に向かい合う第一の層の分離を生じ
   るのに必要とされる離層エネルギーが１０ｉｎ−ｌｂ／
   ｉｎ＾２より大きいことを特徴とする複合材料。 １１、上記の離層エネルギーが１５ｉｎ−ｌｂ／ｉｎ＾
   ２より大きい請求項１０記載の複合材料。 １２、上記の繊維が基材の一つの面にループを形成し、
   第二の面にカットタフトを形成する請求項１０記載の複
   合材料。 １３、上記の繊維が両面にカットタフトを形成する請求
   項１０記載の複合材料。 １４、繊維が基材の平面に対し約７０°〜約１１０°の
   角度で上記の基材から伸びる請求項１０記載の複合材料
   。 １５、上記の離層エネルギーが２０ｉｎ−ｌｂ／ｉｎ＾
   ２より大きい請求項１０記載の複合材料。 １６、上記の基材がカーボン、ガラス、グラファイト及
   びポリエステルからなる群から選ばれた一種以上の材料
   であり、上記の繊維がガラス、カーボン、ポリエステル
   及びポリアリミドからなる群から選ばれた一種以上の材
   料を含み、上記の結合剤が熱硬化性プラスチックである
   請求項１４記載の複合材料。 １７、第一面及び第二面を有し、かつ基材とからみ合っ
   て第一面及び第二面に繊維先端を形成する多数の繊維を
   有する織基材；並びに シート材料の少なくとも第一面の繊維先端を実質的に飽
   和する結合剤の層 を含んでなるシート材料。 １８、第一面及び第二面を有し、かつ基材の平面を通っ
   て伸びて第一面及び第二面に繊維先端を形成し、かつ基
   材の少なくとも一つの面から基材の平面に対し約７０°
   〜約１１０℃の角度で伸びてパイルを形成する多数の繊
   維を有する実質的に平らな基材を含むプライを形成し、 硬化性結合剤をプライの少なくとも一面に適用し、 一つのプライの繊維先端が向かい合うプライの繊維先端
   と協同するように、かつ結合剤及びパイルが二つのプラ
   イの中間にあるように、プライの少なくとも二つを一緒
   に積重ね、ついで 結合剤を硬化するような温度及び／圧力条件に積重ねを
   暴露することを特徴とする複合材料の製造方法。 １９、上記の基材が両面にループを有する織物から形成
   され、パイルがループの上部を切断することにより形成
   される請求項１８記載の複合材料の製造方法。 ２０、上記の基材がカーボン、ガラス、グラファイト、
   及びポリエステルからなる群から選ばれた一種以上の材
   料を含み、上記の繊維がガラス、カーボン、ポリエステ
   ル、ナイロン及びポリアリミドからなる群から選ばれた
   一種以上の材料を含み、上記の結合剤が熱硬化性プラス
   チックである請求項１９記載の複合材料の製造方法。