JPH08501735A - 三次元織物構造に基づく複合材料と複合構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、相互に一定の距離に配置され、ループ状のパイル糸によって相互に結合された少なくとも２つの織物層と、この織物層に提供される少なくとも１種類の基質から成り、身体に接触する織物層が蒸気と水分を透過する、三次元織物構造から成る複合材料に関する。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 三次元織物構造に基づく複合材料と複合構造 本発明は、実質的にサンドイッチ様構造を有する複合材料に関するものである 。このサンドイッチ構造は、パイル糸により相互に結合され、織糸により構成さ れる２層を含む。 公知の複合材料は、織布層の形状の２層を含み、パイル糸がこの２つの織布層 を結合している。しかし、三次元織布構造に基づく複合材料には、層が実質的に 蒸気および／または水分を通さないため、人間や動物の身体に接触する利用には 適さないという欠点がある。更に、織布層の片方または両方に基材が設けられる と、閉鎖された層が形成され、これは水分や蒸気を透過しないという欠点もある 。 三次元織布に基づく複合材料が蒸気や水分を透過する場合もあるが、これは強度 と剛性が不十分である。これは、平らな強化材でニット層を覆うことにより改善 できるが、透過性がなくなってしまう。 本発明は、その目的から、上述の欠点を実質的に呈さず、横方向および／また は側方方向に蒸気および／または水分が透過する特性を備え、人間または動物の 身体に結合あるいは接触させて使用するのに適した複合材料を提供するものであ る。このように応用するにあたって重要なことは、可能な限りの軽量で、剛性、 衝撃に対する抵抗性、通気性を組み合わせることである。 最適な剛性は、多方向に曲がることができる複合材料の曲率に関係しており、 これは、織物層の構造を調節することによって達成される。ニット材料の場合、 セル(cell)の大きさは例えば３〜５ｍｍに変えることができ、セルの形状は六角 形か菱形が可能である。ニット材料層に、引き伸ばした横糸、あるいは引き延ば した糸または横糸を編み込むことによって、剛性を更に増強することができる。 衝撃に対する至適抵抗性は、パイル糸の密度とパイル糸の曲げに対する抵抗特 性を選択することにより達成される。後者は、パイルヤーン(yarn)の慣性モーメ ントを増大させることによって達成できる。これは、例えば支持ヤーン（支持糸 ）（ガラス、アラミド、ポリエステル、その他）を、例えばサーモセット（熱硬 化性物質）（液体で含浸後）またはサーモプラスト（熱可塑性物質）（この場合 、パイル糸は編まれ、および／または糸状に加工されてから、融解される）のよ うなより厚い基質層に封入することによって達成できる。 皮膚への適合性は、織物層（編まれた、織られた、または織られていない材料 等）の糸を任意で選択することによって、また２つの織物層の間の空間の少なく とも一部に、オープンまたはクローズド-セル-フォーム（セルが開放性または閉 鎖性のフォーム）を任意で充填することによって達成される。この複合材料は、 隣接する別の複合材料に、その上に付着させる等の方法により結合することがで きる。一方、複合材料は、本発明に従って、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を 用いてそれぞれ硬化または融解することによって、別の複合材料と統合すること ができる。 蒸気／水分を透過する織物層は、どちらかと言うとニット材料層から構成され ている。なぜならば、編まれた糸は相互に曲がった形態を取り、二方向に曲がる ため、編まれた材料層（織物層）とループ状のパイル糸にテンションを生じない からである。ニット材料層の代わりに、織布層を利用することもできる。しかし 、三次元織物構造に使用される公知の織布層は閉鎖されている。そこで、織布層 は、パイルを付着させた鎖糸と横糸の列の間に正方形または長方形の開口部を作 成するように改変することができる。例えば、横糸を除去したり、あるいは鎖糸 を一緒に織り込むことができる。 糸は含浸により基質材料で少なくともコーティングされる。含浸は、コーティ ング、液浸、（ホイル）融解等の種々の方法により実施できる。更に、例えばニ ット材料の密度によって異なるが、１つ以上の織物層の含浸時に開放性または閉 鎖性の層を形成することができる。 従って、片方の織物層だけに基質が含浸された本発明による複合材料は、硬い 面と柔らかい面を持っている。 より望ましくは織物層とパイル糸に基質を含浸させることによって、このよう な複合材料の衝撃に対する抵抗性を増強することができる。これらの複合材料は 、衝撃に対する抵抗性が高く、水分または蒸気を通し、二重の曲面を持つ物質の 重量と比較して優れた機械的特性を有する。 意図する応用を得るために（特に、衝撃に対する抵抗性と水分または蒸気の透 過性の見地から）、織物層用基質とパイル糸用基質に使用する基質材料は、同じ でも異なっていても構わない。 本発明では、圧縮剛性と圧縮強度、剪断強度、およびある程度のハガレ強度を 増大させるために、上気した２つの織物層同士の間に形成される空間を少なくと も部分的に充填材で充填することが更に推奨される。この場合、充填材料はオー プン-セル-フオーム(open-cell foam)が望ましい。 複合材料の圧縮抵抗は、適切な単位面積当たりのパイル糸密度を選択すること によって更に改変することができる。単位面積当たりのパイル糸密度は一般に１ ０〜１０００パイル糸／ｃｍ²であり、３０〜５００パイル糸／ｃｍ²が望ましい 。 採用される織物構造は、例えば、織る、編む、組む、層にする、ふさを付ける 、織らずに形成する、縫う、接着剤で付ける、融解および／または付着させる等 の手段により三次元または二次元の形状で作製することができる。 織物層とパイル糸に、多種類の材料を利用できる。糸は、モノフィラメント、 マルチフィラメント、あるいはスパンヤーンから形成できる。適切な糸は単一糸 または混成糸で、この場合融点が異なるため、任意に圧をかけ、特定の熱を加え ると、ある糸は融解し、ある糸は強化成分を形成する。異なる種類の糸の使用は 、所謂２成分糸の形態で具体化できる。この場合、融点が異なるファイバーが組 み合わされる。 糸は、例えば織る等の織物工程中に、定められた、あるいは定められていない 順番で様々な組成の鎖糸および／または横糸を使用することにより混合すること もできる。使用される材料は、０／９０゜の角度で、あるいは傾斜角度で配置で きる。 織物層は、ふさを付けること(tufted)もでき、その後融解されたパイル糸の先 端全体または一部が結合することにより、パイル糸が密接に結合した統一体を形 成するように、熱可塑性（または混合）パイル糸をその曲がり目で融解する。こ れらの部分的に融解されたパイル糸の先端は、皮膚に適合する層に迅速に結合さ せるための付着部位として利用することもできる。これは、縮れた繊維の鉤状部 分に付着することによって、あるいはこの皮膚に適合する層の熱可塑性繊維の一 部に熱可塑性結合することによって行われる。 熱可塑性複合パイル糸の一実施例は、ガラス封入する、あるいは同時成型され るポリエステル（ＰＥＴ）の容積比が４０％対６０％のガラス繊維から構成され る糸を含む。皮膚に適合する材料の一実施例は、６０％ビスコースレーヨンと４ ０％ポリエチレンから成るスパンファイバーによって得られる。 一般に糸は、ガラス繊維、カーボン繊維、アラミド繊維、ポリエステル繊維等 の合成繊維、綿繊維や亜麻繊維のような天然繊維、金属繊維やセラミック繊維等 も可能である。 織布層またはパイル糸を基質材料で包み込む場合、および／またはそれらに基 質材料を含浸させる場合には、ガラス繊維、ポリエステル繊維、アラミド繊維ま たはその組み合わせを使用するのが望ましい。 含浸を行わずに、複合材料を例えば人体に接触させる場合には、ニット材料層 および適切なパイル糸として、皮膚に適合する繊維（ビスコース繊維、綿繊維お よびその他の吸湿性繊維）のような生体に適合する繊維を使用することが推奨さ れる。 基質として、含浸により織物層の糸と適切なパイル糸に塗布できるエポキシ樹 脂やポリエステルのような熱硬化性ポリマー、ポリカーボネートのような熱可塑 性ポリマー、最終的にシリコンゴムの他に天然または合成ゴムのようなエラスト マーを使用できる。 複合材料は、相互に異なる融点を持つ複合ヤーン(yarn)を部分的に、あるいは 全体に含む糸からも構成できる。低温で融解する部分は、複合材料全体の繊維基 質として使用される。例えば、モノフィラメントＰＥＴから成るパイル(pile)は 、ＰＥＴよりも低温で融解する繊維でその周囲を囲まれている。 フォームとして、任意で木くず、おが屑、織物繊維およびその他の充填材料等 の繊維性物質を充填された熱硬化性または熱可塑性ポリマーまたはエラストマー の他に、セルが開いた、あるいは閉じたフォームを使用できる。 フォームに望ましい材料は、ポリウレタンフォームを含む。特定の応用には、 活性炭素等のフィルター材料も任意で使用できる。 二方向に曲げることができる本発明による複合材料は、多くの製造方法に従っ て製造することができる。従来の方法は、ディープ-ドロウプレッシング(deep-d raw pressing)、真空−形成、非等温プレッシング等である。 本発明による複合材料は、非常に多様な物品に利用できる。例えば、人体およ び動物の身体を保護する物品または人体を支持する物品で、例として、ヘルメッ ト、脚部、上腕および肩のプロテクター、座席、ストレッチャー、コルセット、 マットレス等が挙げられる。 最後に、本発明は、ルーピング（ループ状のパイル糸で相互に結合すること） 、 織る、または縫う等の方法により、織物層を相互に隣接させて結合された本発明 による１つ以上の複合材料により構成される複合構造に関するものである。この 場合、本発明による複合構造の二方向への屈曲が最大限まで保証されるため、ル ーピングが望ましい。 本発明による複合材料および複合構造の既述された特徴およびその他の特徴は 、多くの実施例に基づいて下記において更に解説される。実施例は、例に過ぎず 、本発明を制限するものではない。実施例１ 片方のニット材料層に基質を含浸させ、もう片方のニット材料層とパイル糸に は基質を殆ど含浸させない三次元ニット材料（セルサイズ８ｍｍ、セルの形状六 角形）を形成する。複合材料の片面は非常に固くなるが、この面は多孔性を保持 している。 基質を含浸させる硬いニット材料層に使用されるのは、ガラス繊維、ポリエス テル繊維またはアラミド繊維である。もう一方のニット材料層とパイル糸には、 生体に適合し、皮膚に適合する繊維が使用される。 基質として、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を利用できる。エポキシ樹脂の ような熱硬化性樹脂の場合、ニット材料層は所謂ホット-メルトホイルを用いて 含浸させることができ、これによって実質的にニット材料の糸に含浸させること ができるので、間隙は開いたまま残る。鋳型内で硬化が起こるので、複合材料に 目的の湾曲を付けることができる。 ポリカーボネートまたはポリプロピレンのような熱可塑性樹脂が利用される場 合、やはりホイルにより熱可塑性樹脂が添加される。この場合、鋳型内で、ある いは加熱後変形することによって、複合材料に湾曲が付けられる。 片面に硬いニット材料層を持つ成型された複合材料は、座席、コルセット、マ ットレス、ストレッチャー、身体の一部のプロテクターに利用できる。 ２つのニット材料層の間隙とパイル糸の間隙とが両方とも開いているため、複 合材料から水分等を排出することができる。実施例２ 両方のニット材料層に基質材料を含浸させた複合材料を製造する。その結果、 弾力のあるパイル糸の層を間に挟んだ２つの硬いニット材料層が形成される。実 施例１の複合材料と比較して、より大きな衝撃に対する抵抗性が得られる。 更に、ニット材料層を辺縁部で相互にプレスし、基質材料を辺縁に沿って融解 することによって、この複合材料の縁を結合することも可能である。すね当て用 に使用するためのこの成型複合材料は、開放性の織られていない層にオープン- セル-フォームが充填された形態の二次元織物構造と共に凹凸面に提供される。 この織物構造は融解により、隣接する熱可塑性樹脂糸のニット材料に付着される 。実施例３ パイル糸と共に両方のニット材料層に基質材料を浸み込ませ、複合材料を製造 する。 ニット材料の糸とパイル糸には、アラミド繊維、ポリエステル繊維、ガラス繊 維、およびその組み合わせを利用できる。パイル糸にはガラス繊維を使用するの が望ましい。 基質材料は、ポリカーボネートのような熱可塑性樹脂、またはエポキシ樹脂の ような熱硬化性樹脂を利用できる。 ２つのニット材料層とパイル糸の含浸は、液状の基質材料中に浸して行う。続 いて、鋳型の中で複合材料を硬化する。これによって複合材料を目的の複雑な形 状に成型することができる。このような材料は、衝撃に対する抵抗性が非常に高 く、ヘルメット等に利用できる。この場合、蒸発水分はへルメットを通って外部 に出られる。この目的で製造された複合材料を、実施例１で作製された複合材料 と組み合わせる。この場合、含浸されていない柔らかいニット材料層は、皮膚に 適合する繊維から製造される。 生産工程の更に先の過程において、結合が行われる。熱可塑性樹脂の場合には 、２つの複合材料の含浸された相互に隣接するニット材料層を融解することによ って、あるいは熱硬化性樹脂の場合には一緒に硬化することによって結合させる 。実施例４ 前記実施例２において製造された複合材料に、ポリウレタンフォームのような オープン-セル-フォームの形態の充填材を加えることができる。フォームを利用 することによって、複合材料は更に大きな圧縮剛性と圧縮強度、より大きな剪断 強度と更に大きな衝撃に対する抵抗性を得ることができる。フォームの挿入は、 複合材料が完全に硬化した後、フォーム材料を導入し、フォーム化することによ って行われる。これらの複合材料は、非常に軽量で非常に衝撃に対する抵抗性が 高いヘルメットやボディープロテクターに利用できる。 閉鎖されたニット材料層が作製されるようにニット材料層に基質材料を含浸さ せた場合には、フォームの代わりに、液体や気体等の充填材料を複合材料に組み 入れることができる。これによって複合材料は、気体および／または液体の貯蔵 タンクとして利用でき、このようなタンクは複雑な外形を取ることができる。実施例５ 相互に隣接するニット材料層を接着剤で結合することによって、あるいは別の 方法で機械的に結合することによって、実施例１において作製された複合材料と 実施例３において作製された複合材料を結合して、複合構造が形成される。この ように作製されたものは、極めて過酷な条件で使用するのに適した非常に優れた 圧縮剛性、圧縮強度、衝撃吸収力を備えている。実施例においては、ニット材料 に基づく織物構造を備えた複合材料が主に使用されているが、織布、編み物、ふ さ構造、織られていない構造等も、別々に、あるいは組み合わせて利用できるこ とは明白である。実施例６ 実施例３において作製された複合材料を使用する。この場合、パイル糸は編ま れており、パイル糸の直径は約１ｍｍまでである。この十分に含浸された複合材 料を、間にプラスチック製保護プレートを挟み、実施例３において作製された複 合材料に結合させる。プラスチック製保護プレートは穴が開いていても、開いて いなくても構わない。複合材料と保護プレートを、アクリレートに基づく接触接 着剤を用いて相互に結合させる。これによって、ヘルメットの外殻は非常に硬く なり、プレートを介して、その下にあり水分と蒸気を透過する柔らかい複合材料 への荷重付加の分布が至適となる。実施例７ 実施例１において作製された複合材料の織物層の１つに、ポリカーボネートの ような熱可塑性樹脂に基づく硬いプレートを付ける。複合材料と硬いプレートは 、隣接する織物層の位置において、熱可塑性樹脂を融解することにより結合され る。このようにして、至適保護特性と、柔らかい複合材料中の空間を通して水分 と蒸気が排出されるため至適皮膚適合特性を有する脚部ガードが作製される。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９４年８月１８日 【補正内容】 明細書 発明の名称 三次元織物構造に基づく複合材料と複合構造 本発明は、実質的にサンドイッチ 様構造を有する複合材料に関するものである。 このサンドイッチ構造は、パイル糸により相互に結合され、織糸により構成され る２層を含む。 公知の複合材料は、織布層の形状の２層を含み、パイル糸がこの２つの織布層 を結合している。しかし、三次元織布構造に基づく複合材料には、層が実質的に 蒸気および／または水分を通さないため、人間や動物の身休に接触する利用には 適さないという欠点がある。更に、織布層の片方または両方に基材が設けられる と、閉鎖された層が形成され、これは水分や蒸気を透過しないという欠点もある 。三次元織布に基づく複合材料が蒸気や水分を透過する場合もあるが、これは強 度と剛性が不十分である。これは、平らな強化材でニット層を覆うことにより改 善できるが、透過性がなくなってしまう。Kunststoffe，vol．80，no．9，1990 年９月、1003〜1007ページに、サンドイッチ構造に十分な強度を与えるための付 加的な被覆層を備えた複合材料が開示されている。 本発明は、その目的から、上述の欠点を実質的に呈さず、横方向および／また は側方方向に蒸気および／または水分が透過する特性を備え、人間または動物の 身体に結合あるいは接触させて使用するのに適した複合材料を提供するものであ る。このように応用するにあたって重要なことは、可能な限りの軽量で、剛性、 衝撃に対する抵抗性、通気性を組み合わせることである。 この目的は、織物層の少なくとも１つが基質に埋封され(embedded)ており、織 物層の少なくとも１つが蒸気／水分を透過するという特徴を有し、相互に一定の 距離に配置され、ループ状のパイル糸によって相互に結合された少なくとも２つ の織物層から成る三次元織物構造から成る複合材料により達成される。 最適な剛性は、多方向に曲がることができる複合材料の曲率に関係しており、 これは、織物層の構造を調節することによって達成される。ニット材料の場合、 セル(cell)の大きさは例えば３〜５ｍｍに変えることができ、セルの形状は六角 形か菱形が可能である。ニット材料層に、引き伸ばした横糸、あるいは引き延ば 請求の範囲（補正） １． 織物層の少なくとも１つが基質に埋封されており、織物層の少なくとも１ つが蒸気／水分を透過するという特徴を有し、相互に一定の距離に配置され、ル ープ状のパイル糸によって相互に結合された少なくとも２つの織物層から成る三 次元織物構造から成る複合材料。 ２． 織物層がニット材料層である請求項１記載の複合材料。 ３． パイル糸に基質が供給されている請求項１記載の複合材料。 ４． 蒸気／水分を透過する織物層が開放性の織布層または開放性の織られてい ない層である請求項１または請求項３記載の複合材料。 ５． 蒸気／水分を透過する織物層が身体に適合する織物層である請求項１〜請 求項４記載の複合材料。 ６． ２つの織物層の間に位置する空問の少なくとも一部が充填材料で充填され ている請求項１〜請求項５記載の複合材料。 ７． 充填材料が望ましくはオープン-セル-フォームである請求項６記載の複合 材料。 ８． 単位面積当たりのパイル糸密度が１０〜１０００パイル糸／ｃｍ²である 請求項１〜請求項７記載の複合材料。 ９． 基質が、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、エラストマーのような有機材料ま たは沈着された金属のような無機材料を含む請求項１〜請求項８記載の複合材料 。 １０． 含浸された織物層がガラス繊維、ポリエステル繊維、カーボン繊維、ア ラミド繊維またはその組み合わせから形成される請求項１〜請求項９記載の複合 材料。 １１． 蒸気／水分を透過する織物層が、皮膚に適合する繊維のような身体に適 合する繊維から形成される請求項１〜請求項１０記載の複合材料。 １２． 相互に隣接する織物層を介してサンドイッチ構造を有する別の複合材料 に結合される少なくとも１つの請求項１〜請求項１１記載の複合材料から成る複 合材料構造。 １３． 相互に隣接する織物層を介して結合される請求項１〜請求項１１記載の １つ以上の複合材料から成る請求項１２記載の複合構造。 １４． 相互に隣接する織物層が、ループ形成、織る、または縫う等の方法によ り結合されている請求項１２または請求項１３記載の複合構造。 １５． 請求項１〜請求項１１記載の複合材料の少なくとも１つの層から成るボ ディープロテクター。 １６． ヘルメットである請求項１５記載のボディープロテクター。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 相互に一定の距離に配置され、ループ状のパイル糸によって相互に結合さ れる少なくとも２つの織物層と、この織物層に提供される少なくとも１種類の基 質を含み、身体に接触する織物層が蒸気と水分を透過する三次元織物構造を含む 複合材料。 ２． 織物層がニット材料層である請求項１記載の複合材料。 ３． パイル糸に基質が供給されている請求項１記載の複合材料。 ４． 蒸気／水分を透過する織物層が開放性の織布層または開放性の織られてい ない層である請求項１または請求項３記載の複合材料。 ５． 蒸気／水分を透過する織物層が身体に適合する織物層である請求項１〜請 求項４記載の複合材料。 ６． ２つの織物層の間に位置する空間の少なくとも一部が充填材料で充填され ている請求項１〜請求項５記載の複合材料。 ７． 充填材料が望ましくはオープン-セル-フォームである請求項６記載の複合 材料。 ８． 単位面積当たりのパイル糸密度が１０〜１０００パイル糸／ｃｍ²である 請求項１〜請求項７記載の複合材料。 ９． 基質が、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、エラストマーのような有機材料ま たは沈着された金属のような無機材料を含む請求項１〜請求項８記載の複合材料 。 １０． 含浸された織物層がガラス繊維、ポリエステル繊維、カーボン繊維、ア ラミド繊維またはその組み合わせから形成される請求項１〜請求項９記載の複合 材料。 １１． 蒸気／水分を透過する織物層が、皮膚に適合する繊維のような身体に適 合する繊維から形成される請求項１〜請求項１０記載の複合材料。 １２． サンドイッチ構造を有する別の複合材料に、相互に織物層を隣接させて 結合される少なくとも１つの請求項１〜請求項１１記載の複合材料を含む複合構 造。 １３． 上記相互に隣接する織物層が、ルーピング、織る、または縫う等の方法 により結合されている請求項１２記載の複合構造。