JPH10503801A - シンタクチックフォームシート材料 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 複合材料ラミネート用の軽量構造コアの様な用途に適応できる平らなシート形状または湾曲した３次元形のシンタクチックフォーム製品（１０）は、中空セラミック微小球（１１，１２）、および微小球の塊体の空隙中に分散された、熱硬化性または高温熱可塑性樹脂の乾燥樹脂粉末（１４）の混合物からなり、加熱および冷却により所望の形状に一体化される。樹脂被覆材料から廃棄副生成物として回収される樹脂粉末を、所望の製品の製造に再循環使用することができる。発泡材製品は、先ず微小球および粉末化樹脂を物理的攪拌により混合し、その混合物を、剥離剤で被覆した表面上に、境界部材間の寸法を限定する区域内に層として堆積させ、次いでその層を、加圧しながら、または加圧せずに、樹脂粉末を融解させるのに十分な温度で、十分な時間加熱し、その後、樹脂を硬化状態に冷却し、混合物を所望の製品に一体化した後、製品を成形区域から取り出すことにより製造される。ガラスまたは炭素繊維（１５）の様な補強要素を混合物中に選択的に取り入れて、予め決められた所望の物理的および機械的特性を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 シンタクチックフォームシート材料 本発明は、一般的にはシンタクチックフォームコア材料およびその製造法に関 し、より詳しくは中空セラミック微小球およびそれと混合した乾燥樹脂粉末の混 合物からなるシンタクチックフォームコアに関する。その混合物を加熱すること により中空微小球を互いに結合させてその混合物を一体化させて、例えば、予め 選択できる強度、密度および重量特性を有する複合材料ラミネート用のコアとし て使用できる、発泡コア材料を製造することができる。 背景 シンタクチックフォームの層および製品は、従来、ガラス微小球を加熱した結 合樹脂と混合することにより製造されており、補強要素、例えば繊維、を含むこ ともある。しかし、硬化させるために液体状態の樹脂を使用することにより、大 量の煙および液体蒸気が放出され、そのために材料の一体性を妨害または破壊す ることがあり、環境上の観点から反対すべきものとして扱うべき場合が多い。対 照的に、粉末化した樹脂と微小球の混合物を加熱して硬化または固化させると、 煙や液体蒸気はほとんど放出されない。言い換えれば、例えばフェノール樹脂は 、液相に加熱し、硬化させる際に大量の蒸気を発生するのに対し、乾燥フェノー ル樹脂粉末は熱硬化の際に蒸気をほとんど放出しない。さらに、液体状態の樹脂 は、樹脂粉末の使用により可能な、広範囲な低密度、軽量および強度特性を可能 にする、本発明によるシンタクチックフォーム微小球混合物の製造にはあまり適 していない。 粉末化した形態の反応性樹脂を使用することにより、様々な特性を製品に与え ることができるが、これは液体の形態の樹脂では達成できない。例えば、粉末化 した樹脂のかさ密度は、同じ組成の固体樹脂の、またはそれを加熱により融解さ せた液体の形態のかさ密度よりもはるかに低い。本発明によりセラミック微小球 と混合した粉末化樹脂を使用してシンタクチックフォーム層を形成させる方法の 重要な利点は、最終生成物のかさ密度を初期の圧縮された混合物のかさ密度と同 じにできることにある。混合物を加熱する際、粉末化した樹脂は融解した液滴に 変換され、混合物の微小球の上を流れて、微小球同士を接続させるが、これは微 小球上の接着促進被覆、例えばカップリング剤、により促進することができる。 こうして、混合物はある意味で一つの塊体に癒着し、これが硬化により軽量の固 体発泡層を与える。発泡層は、発生したガスおよび空気を収容する閉じた空隙を 含む。本発明における様なシンタクチックフォーム材料のかさ密度は、微小球と 混合した液体樹脂から製造した従来の材料のかさ密度の半分であり得る。さらに 、本発明により、微小球を液体樹脂に加えた時の高粘度の問題が無くなり、湿っ た微小球を液体樹脂中に取り入れた時の工程上の問題（浮揚する傾向がある）が 無くなる。 細かい粉末樹脂は、望ましい結果を得るのに、粗い粉末よりもはるかに効率的 に機能することが分かっている。配合する粉末が粗過ぎる場合、微小球間におけ る材料の融解および分散がより困難になり、均一に一体化されたシンタクチック フォーム製品を製造する効率がはるかに低くなる。 混合物は、高周波数エネルギーによる誘導加熱、または微小球および樹脂粉末 からなる層の対向する主要表面に対する伝導加熱を包含する、多くの技術により 加熱することができる。粉末化樹脂および微小球を混合した層と接触しているプ ラテンを加熱する際、発泡材の表面に表皮層が形成されることがある。混合物が その様なプラテンに粘着するのを阻止するには、剥離材料、つまりシンタクチッ クフォーム層と結合または一体化しない材料、の層を、各プラテン表面と微小球 混合物の各表面の間に施す。 製品の密度を、圧力をかけずに加熱することにより得られる密度よりも大きく したい場合、加熱プラテン同士を予め決められた厚さに、より近接化させること により圧縮することができる。予め決められた所望の厚さを有するスペーサー部 品をプラテン同士の間に配置することにより、そのスペーサーが、プラテンが移 動し得る距離を制限し、それによって製造する製品の所望の厚さが確立される。 スペーサーは、微小球−樹脂粉末の混合物が広がり得る面積を制限する機能も果 たすことができる。つまり、スペーサーは、例えばトレー中で、混合物の区域を 制限し、製造すべき製品の予め決められた寸法を確立するのに使用することがで きる。 ここに記載する様に、本発明は、構造性ラミネートパネル用の層またはコアの 形成に使用されるが、ガラス微小球と樹脂粉末の種々の混合物は、広範囲な製品 、例えば床剤、ダクト、ならびに航空機、トラック、自動車、船、ボート、工業 用タンク、およびその他に使用できる３次元製品、にも応用することができる。 発泡材に望ましい軽量および強度特性は、微小球またはバブル、好ましくは中空 セラミック微小球、例えば様々な直径および壁厚で市販されているガラス製の中 空微小球、を使用することにより得られる。微小球の直径および壁厚は、それと 混合する樹脂と共に一体化された時に特定の予め決定できるせん断および圧縮強 度、ならびに所望の重量および密度を持たせる様に選択される。微小球または泡 状物と混合する粉末化樹脂は、泡状物よりも本質的に細かい寸法を有するので、 粉末を完全に分散させ、泡状物間の空隙中に充填させることができる。 ここで熱硬化性樹脂に適用する用語「硬化した」または「硬化する」は、流体 にし、次いでより安定した、堅くなった、または固化した状態にする熱処理を意 味するが、本発明を説明し易くするために、本発明の原理により、熱可塑性樹脂 を流体状態に加熱した後、冷却により堅くし、固化した状態にすることも意味す る。 塊体の泡は大きさが異なっていてよく、それによって密に充填され、緻密な塊 体になって強度が増加し、一方、より細かい樹脂粉末が空隙を充填して泡と樹脂 の間を結合する。コア中に取り込まれる樹脂の量は、混合物の各成分間に所望の 結合関係が達成されるのに十分であればよく、混合物中の粉末の濃度が低いこと により、硬化したシンタクチック層が多孔質で透過性になる。しかし、ほとんど の用途にとって、混合物中の粉末の濃度は、硬化し、一体化された塊体が水分に 対して本質的に不透過性であり、さらにせん断および圧縮強度が高くなる様な濃 度であるのがより好ましい。 発泡材混合物は、必要に応じて、補強要素、例えばガラスまたは炭素繊維また は他の高強度材料の繊維を含むことができる。これに関して、繊維は、個々の繊 維として、チョップドストランドの束として、または不織マットまたは不織布中 の連続フィラメントとして混合物中に混合することができる。他の補強要素、例 えばハニカム構造、もコア材料中に取り入れることができる。 本発明の目的は、広範囲な予め決定できる構造的特性を有する製品に経済的に 加工および製造できるシンタクチックフォーム材料を形成させるための成分の混 合物を提供することである。 本発明のもう一つの目的は、サンドイッチ構造複合材料に適応可能な、層の形 態で構造的特性を与えることができる、基本的な、容易に加工でき、経済的に製 造できる、軽量のコア材料を提供することである。本発明の特徴は、粉末化した フェノール系材料およびガラス微小球が、硬化の際に揮発分または煙をほとんど 、またはまったく放出しないことである。 もう一つの重要な特徴は、広い範囲で、所望の密度、せん断強度、圧縮強度、 難燃性、および低発煙性および高耐湿性を有する様に設計することができ、同時 に低コストで製造できることである。 さらなる特徴は、加熱処理の際に厚さの寸法が減少することなく、薄層構造用 のシンタクチックフォームコア層を製造できることである。 シートの強度および密度は、市販の微小球の大きさおよび壁厚、および粉末樹 脂粒子の大きさおよび種類を適切に選択することにより変えることができる。微 小球には、カップリング剤、例えばシラン、の被覆を施し、融解した樹脂粉末に よる被覆および相互結合を容易にすることができる。指摘した様に、樹脂粉末の 大きさは小さな微小球よりも小さく、微小球の塊体の空隙中に充填され、加熱お よび硬化の際に微小球と相互結合する。存在する樹脂の量が混合物の分量として 増加するにつれ、微小球フォーム製品の重量が増加する。 シンタクチックシートまたはコア材料の製造法は、先ず微小球および粉末化し た樹脂を混合することを包含する。この混合物を、最終発泡材製品に対する接着 を防止するために表面上に剥離剤または市販の剥離被膜を有する基材の上に、層 として堆積させるのが望ましい。基材には、製品の寸法を限定するための境界手 段も取り付ける。先ず混合物を振動させて樹脂粉末を微小球の空隙中に十分に混 合し、次いで混合物を加熱して樹脂粒子を融解させ、微小球と結合させる。微小 球と樹脂の相互結合に圧力は必要ないが、より緻密な製品が望ましい場合には、 圧縮し易くするために圧力を混合物に作用させることができる。その様な混合物 の緻密化は、上側および下側にある加熱されたプラテンを、層の望ましい厚さを 得るための予め選択された間隔に移動させることにより達成することができる。 この様にして、特定の堆積した層の厚さ、ならびにその密度および機械的特性を 予め決定することができる。 上記の様に、製品を得るための基本混合物を与えるだけの微小球および樹脂粉 末の混合物に加えて、構造的な補強要素、例えば繊維（中空または非中空の）ま たは繊維束、も選択的に含むことができる。他の補強材としては、例えば不規則 補強繊維のマット、または織り上げた、ならびに不織の、補強繊維織物、棒、ガ ラスフレークおよびハニカム構造があり得て、これらの材料は、適当な位置で、 機械的特性、例えばシート製品のせん断強度およびせん断モジュラス、を改良す ることができる。 粉末形態の樹脂、例えば固体樹脂の粉砕により形成される様なもの、は、その 細かさが、微小球の空隙を充填する様に選択され、空隙の充填は粗い粉末よりも 容易に達成できる。混合物を結合して一体化させるためには、粉末は、それらの 化学的反応性、およびガラス微小球に対する、熱により軟化し得る接着親和性に 関しても選択される。粉末は、難燃性および低発煙性に関しても選択されること ができる。これに関して、本発明は、所望の設計特性を確立するための試行錯誤 を行なう上で極めて融通性が高い。 得られるシンタクチックフォーム製品は、耐蝕性であり、電気的および熱的に 非伝導性であり、磁性が無く、電磁的に透過性であり、軽量で、鋼の重量よりは るかに軽く、強度および寸法安定性が高く、広範囲の物理的および機械的特性を 与えることができる。 特定の望ましい特性を得るために、これらに限定されないが、上記のフェノー ル系樹脂ならびにエポキシおよびエポキシ変性フェノール系樹脂、ポリエステル 樹脂粉末、ポリウレタン、およびポリフェニレンスルフィドを始めとする多くの 反応性樹脂粉末のどれでも使用できる。さらに、樹脂製造設備で使用している様 な廃棄粉塵収集装置から回収される粉末樹脂も本発明で使用できる。これらの廃 棄物の廃棄は、反応性粉末であることが非常に多いので、環境上特に問題である 。したがって、本発明は、廃棄物に付加価値を付けて利用することにより、環境 上の問題を解決できることが多いので、さらに有利である。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の概念により製造したシンタクチックフォームコアを示す図で ある。 図２Ａは、図１の製品の、線２−２で見た一部の拡大断面図であり、異なった 大きさの中空微小球および硬化した樹脂粉末の混合物を示す図である。 図２Ｂは、図２Ａの製品と類似の、補強繊維の束を含む製品の拡大断面図を示 す図である。 図３は、振動トレーに入れた本発明の混合物の層を示す図である。 図４は、本発明のシンタクチックコア材料の層をプレス中に入れて熱硬化させ 、本発明の材料を一体化された状態に選択的に加圧する様子を図式的に示す図で ある。 図５は、上および下側表面層およびそれらの間に本発明のシンタクチックフォ ーム材料のコア層を有するラミネート製品を図式的に示す図である。 図６は、プレス中に入れた、対向する表面層を有する本発明のコア材料を含む ラミネートを図式的に示すものであり、このプレス中で、組み立てた材料を熱硬 化させ、一体化された状態に選択的に加圧することができる。 図７は、樹脂−微小球構造中に分散した繊維束の形態の補強要素を含む、本発 明のシンタクチックコア材料を示す図である。 図８は、本発明の概念によりシンタクチックフォーム材料を製造するための、 連続製造ラインの一部を図式的に示す図である。 詳細な説明 本発明の出発材料は、一般的に泡状物（バブル）と呼ばれることが多いセラミ ック製の、好ましくはガラス製の中空微小球、およびそれらの微小球よりも小さ な直径を有し、加熱により軟化し、硬化または固化して材料を一体化された形態 に相互結合することができる樹脂粉末の粒子混合物である。出発材料は、補強要 素、例えばガラスまたは炭素の繊維の様な補強繊維の分散した束を形成するチョ ップドストランド、も含むことができる。例えば、粉末化した樹脂は、熱硬化性 樹脂粉末、例えばフェノール系樹脂粉末、または混合物を加熱した時に樹脂粉末 の塊体が軟化および流動し、材料粒子の所望の相互結合を達成する様な高温熱可 塑性樹脂の粉末、例えばポリフェニレンスルフィドリアクター粉末、でよい。微 小球は、濡れ易くして接着性を改良するために、接着促進材料の被覆、例えばシ ラン被覆、をその上に施すことができる。あるいは、熱硬化性の粉末化した樹脂 に、接着性強化物質および樹脂粉末または触媒が含まれてもよい。例えば、樹脂 がフェノール系樹脂である場合、触媒、例えばヘキサメチレンテトラミン、を配 合し、加熱炉中、約３５０°Ｆの温度で硬化させることができる。 樹脂粉末は微小球塊体中に、所望の相互結合を達成するのに丁度十分な量だけ 存在すればよいが、上限では、微小球塊体中の空隙を充填して隙間の無い一体化 された材料を形成するのに十分な量よりも多くの量で存在することもできる。し たがって、配合する樹脂の量に応じて、ある範囲の微小球混合物の密度が得られ る。 本発明の概念を理解するのに重要な特徴は、特定の一様な大きさを有する中空 微小球が完全に充填され、微小球間の空間が最小になると、空間の理論的最小量 は総体積の約２６％になることである。もう一つの重要な特徴は、粉末化された 樹脂は、溶融状態に加熱されると体積が減少することである。実際に、融解した 樹脂のかさ体積は、粉末のかさ体積の約３５〜５０％に減少する。したがって、 微小球が密に充填され、それらの間の空隙が細かい樹脂粉末により充填されても 、混合物を加熱して樹脂粉末を融解させると、樹脂の体積がその液体状態に減少 し、空気および融解する際に樹脂から放出されたガスを含む空隙が残る。その空 隙の量は一般的に、本来混合物に加えられた樹脂粉末の体積の約半分である。 融解した樹脂は微小球の表面上を流れ、微小球同士が接近した点に移動するの で、固化により、微小球同士は堅く結合し、それらの間に、一般的に予め決定で きる量の空隙が残る。こうして、予め決定できる密度を有するシンタクチックフ ォーム製品を製造することができる。これに関して、樹脂粉末の体積が、微小球 の層の空隙を丁度充填するか、またはそれよりも少ない場合、材料の密度は最終 製品までの熱処理を通して一定に維持される。 中空微小球材料に加えられた粉末化樹脂の量が、乾燥した、加熱されていない 状態の微小球間の全空隙を充填する場合、粉末を融解させた後、粉末化樹脂のか さ密度が低いために、微小球間に空隙が残る。例えば、樹脂粉末の量がかさ体積 で約２６％である場合、融解状態に収縮することにより、完全に充填された材料 で、最終製品中の内部空隙は約１３〜１７％になる。 反対に、最初に混合物に加えた粉末の量が、理論的に完全に充填された微小球 の塊体の約２６％未満である場合、その様な量は微小球を被覆し、結合するのに 丁度適当であり、残留する空隙は１７％を超えて、さらに低密度のシンタクチッ クフォームが形成される。 粒子の相互結合は、圧力をかけずに、軽く充填した混合物を層として堆積させ るだけで、およびその片側に高温のプラテン表面を接触させるなどの硬化熱を供 給するだけで達成される。しかし、最終製品に所望の密度および厚さを与えるた めには、圧力を選択的に作用させ、塊体混合物を圧縮するのが望ましいことが分 かっている。ここで説明する製品はサンドイッチ構造ラミネート用の平らなコア 材料であるが、無論、本発明の概念は、例えば湾曲した表面上に、または複雑な 形状の金型式加熱装置内で、ラミネート製品の表面層の存在下で、または不存在 下で、堆積させることにより、異なった区域で異なった厚さを有する層を形成さ せること、ならびに３次元形状を有する製品を形成させることにも適用される。 図１は、微小球および樹脂からなる、熱硬化させたシンタクチックフォームシ ート１０を示し、このシートに表皮または表面パネルを付けて構造的ラミネート を形成させることができる。層の厚さは、完成した複合材料ラミネートサンドイ ッチ構造の所望の物理的および機械的特性を与える様に選択することができる。 図２Ａは図１のシンタクチックフォーム材料の、加熱し、硬化させた後に線２ −０で見た本体１０の一部を示し、一体化された製品の基本粒子を詳細に示して いるが、そこでは３種類の異なった大きさを有する微小球１１、１２および１３ が、本来は粉末化された状態にある樹脂１４と混合されており、硬化した本体ま たはシートの中で空隙１９が全体に分散している。シート製品の形成に使用され る樹脂粉末は、大きさが微小球よりもはるかに小さく、微小球の望ましい相互結 合に十分な量で存在するが、本発明のある種の製品では、樹脂粉末は、シート製 品の予め決められたかさ密度ならびに所望のせん断および圧縮強度を決定し、同 時に本体中に空隙１９を残す様に選択された量で存在する。 図２Ｂは、図２Ａの材料と類似のシンタクチックフォーム材料を示すが、ガラ ス繊維束１５が全体に分散され、コアシートにより大きなせん断強度を与え、よ り高い強度を有するラミネート構造の形成を可能にする。 図３は、振動装置１８の上に取り付けたトレー１７に入れた微小球および樹脂 粉末の混合物１６を示し、この装置は、加熱の前に、一般的に毎分約６００回の 振動を約１０〜１５秒間与えて混合物の成分を十分に混合する。トレー１７は、 シンタクチック層の望ましい周囲寸法および加熱装置に挿入するための境界部材 の厚さを与える様に製造されている。トレー１７は、その底部に、混合物が底に 接着するのを防止し、樹脂を加熱して融解および硬化させた後にコア材料を取り 出せる様にするための剥離材料の層を備えている。プレス型加熱装置に挿入する 前に、上側表面の上にも剥離材料の層を載せる。 図４は、図１のシンタクチックフォームコアシート１０を製造できる加熱プレ ス２０を示しており、このプレスは、支柱２２上に設置され、ベースプラテン２ ４および上側の可動プラテン２１を有し、両プラテン共、境界部材２８により 画成された空間内にある、予め決められた厚さおよびプレス中の位置を有する、 微小球および樹脂の混合物と共に加熱することができる。ここで、境界部材によ って、上側プラテン２１が未硬化塊体をプレスできる厚さ、ならびに最終的に形 成されるシート１０の境界寸法が決定される。上側プラテン２１は、案内棒２３ の上を、境界部材２８の厚さの高さまで下降することができ、微小球および樹脂 粒子の塊体を境界部材２８の境界内に堆積させ、発泡材形成における試行錯誤に より決定される、最終コアシート１０の所望の密度が得られる圧縮程度を得るこ とができる。 図５は、本発明のシンタクチックコア３０およびその下側および上側の表面に あるパネルまたはシート４１および４２を有するラミネート４０を示す。下側お よび上側表面４１および４２はそれぞれ、構造の計算およびトライアル・アンド ・エラーにより決定された強度特性を有する様に設計されたサンドイッチ構造と して、コア３０に接着された樹脂パネルまたは金属シートでよい。下側および上 側パネル４１および４２はそれぞれ、図１に関して説明した種類のコア３０と、 コア３０が図６に示すプレス２０中にある時に硬化した後、面同士を個別に接着 することにより、一つに接合することができる。しかし、表面シートは、図６に 示す様なプレス中で、コアが硬化状態に加熱される時に下側パネル４１および上 側パネル４２をプレス中のコア材料４０の上に置くことにより、コアに接着する こともできる。複合材料の両側にある境界部材４８は、上側プラテン２１がその 複合材料を圧縮できる厚さを決定する。表面シートの一方または両方が予め含浸 された、未硬化状態にある表皮である場合、これらのシートを未硬化状態にある 間にシンタクチックフォームコア４０と組み合わせ、この組合せを１サイクルで 、コア層が硬化する時に両表皮層を同時に硬化させることができる。 本発明のさらなる変形として、未硬化のコア材料と組み合わせる前に、例えば Ｂ−段階硬化させることにより、２つの表皮層４１および４２を部分的に硬化さ せ、次いで１サイクルの最終硬化でアセンブリー全体を硬化させることができる 。その様な条件下では、表皮はたわみ性のあるＢ状態硬化にあるので、プレス中 に配置したダイまたは金型の中で、最終製品に望ましい形状をアセンブリーに与 えることができる。これに関して、コアを挟む両方の表面層４１および４２を、 最終的な硬化を加熱および加圧下で行なうシートモールディングコンパウンド（ ＳＭＣ）で製造することができる。ゼリー状材料を内包するシートモールディン グコンパウンドは、硬化の際に加熱および加圧下で固化して、最終表面層を与え る。 本発明のさらに別の変形として、ラミネートを硬化させる前または硬化させる 間に、ラミネートの外側層として、コアの片側に未硬化プリプレグ層を、および コアの反対側にシートモールディングコンパウンド層を取り付けることができる 。 図７は、シンタクチックフォーム層６０が追加の補強要素、例えばガラス繊維 または炭素繊維、を個別の形態で、またはチョップドストランドの束として、あ るいは連続ストランドマットまたは積み重ねた不織布または織布の形態で含む、 本発明の別の形態を示す。その様な発泡材は、本質的に図４に示す様にして製造 することができる。 図８は、本発明によるシンタクチックフォームシート材料を製造するための連 続式コンベヤライン製法を示しており、そこではガラス微小球および樹脂粉末、 および必要に応じて補強要素が、ホッパー７２の中に、予め決められた重量また は体積百分率で連続的に計量される形態またはバッチ形態で供給され、混合物７ １を製造する。混合物７１はホッパーから末端出口７３を通り、コンベヤベルト ７４に供給され、その下に配置された振動装置７６が混合物を十分に攪拌し、樹 脂および含まれるすべての補強要素を微小球塊体全体に均一に分散させる。次い で、振動された混合物は、両側の縁部に関連する可動側壁７５を有する連続的に 移動するコンベヤベルト７４により搬送され、側壁はコンベヤベルトと一致して 移動し、コンベヤ上に堆積した混合物の分布幅を制限する。側壁７５は、必要に 応じて静止した側壁でもよいが、粒子混合物をベルトの幅に制限する隆起した縁 部としてコンベヤと一致して移動する様に配置されているのが好ましい。 コンベヤベルト７４は、高温で柔軟な材料、例えば耐熱性重合体材料、からな るか、またはたわみ性のある金属ベルト、例えば鋼製バンド、でよい。コンベヤ は、その上に堆積した未硬化シンタクチックフォーム材料と共に、上側に配置さ れたベルト７８を有する硬化加熱炉７７を通過するが、そのベルト７８は、コン ベヤベルト７４と噛み合い、側壁７５の高さにより限定される厚さに発泡材７０ を圧縮すると共に、シート材料が加熱炉中で硬化する時にシート材料中に所望の 密度を確立するのに必要な圧力を作用させる。温度およびコンベヤベルト７４が 加熱炉を通過する速度は、通路７３を通してホッパー７２から供給される材料７ １に適合した硬化サイクルを与える様に選択する。硬化サイクル中に発泡材がベ ルトに粘着または接着するのを避けるために、コンベヤベルト７４および上側の ベルト７８の両方とも、剥離材料で表面処理してある。シンタクチックフォーム 材料の連続シートが加熱炉７７から二次コンベヤ８１上に移動して、そこでチョ ッパー７９の様な手段でシートを切断することにより、シートの長さが決定され る。あるいは、鋸、レーザー、ウォータージェットカッターの様な切断手段を使 用し、予め決められた所望の長さ規格に適合するシンタクチックフォームシート ８０を製造することができる。 発泡材の重量を軽くするために含まれるガラスの微小球は、例えば１立方フィ ートあたり０．２ポンドのオーダーのかさ密度を有することができる。対称的に 、固体樹脂の密度は１立方フィートあたり約８０ポンドである。微小球および粉 末を補強要素に加えて混合する場合、最終製品は１立方フィートあたり６〜４５ ポンドの密度範囲で製造することができる。シート材料は、約１／１６インチ〜 ６インチ以上の範囲内の様な、どの様な厚さにも製造することができる。 微小球および追加の補強要素と共に、マトリックス結合剤としてフェノール系 樹脂およびその樹脂用の触媒を含む混合物は、３２５〜３５０°Ｆのオーダーの 温度で、加熱表面を混合物と接触させて、１０分間のオーダーの時間で硬化させ ることができる。製品の後硬化は必要ない。得られる発泡材は、実質的にすべて の成分の揮発なしに形成される。水または溶剤はほとんど、またはまったく放出 されない。すなわち、本方法は湿式ではなく、乾式である。 原料を熱処理する際、樹脂粉末は加熱中に過渡段階を通過するが、そこでは樹 脂は半粘着性の液体段階にあり、それが最終的にガラス微小球および補強要素と 一体化された固体になる。材料の気泡特性は、中空微小球、および粉末樹脂が融 解し、固化し、かさの張る粉末化した樹脂よりもはるかに小さな体積に固化する ために形成される空隙の両方により与えられる。各成分の比率を変えることによ り、得られるシートのせん断モジュラスは一般的に５００〜２５，０００psiで 、圧縮強度は一般的に１００〜４，０００psiになることが分かる。 樹脂粉末と微小球の混合物からなり、厚さが約１インチで、上と下から高温の プラテンを接触させ、圧力をかけずに、伝導により加熱した層に対して、約６ポ ンドの密度を有するシンタクチックフォーム製品を１０〜１５分間のサイクル時 間で形成させることができる。混合物が、プレス内の周りのスペーサー部材より も厚い場合、上側プラテンを徐々に下降させることにより、微小球を破裂させず に混合物を圧縮することができる。その様にして加熱されるときに十分な厚さを 有する混合物の寸法変化に従うことにより、１立方フィートあたり約９ポンドの 密度を有する発泡層を製造できることが分かった。厚さ２インチの混合物層では 、硬化時間は約２２分間である。混合物の厚さが１〜２インチを超える場合、マ イクロ波により効率的に加熱することができる。 以下に記載するのは、本発明により製造した、様々な密度を有するシンタクチ ックフォームコアの他の例である。 上記の各例における樹脂の粒子の大きさは２０ミクロンのオーダーであった。 ５０ミクロンの粒子径が、本発明による発泡材を十分に製造するための樹脂粉末 の望ましい上限と判定される。粒子径１ミクロンまで樹脂粉末が細かくなる程、 得られる生成物の特性は良くなる。上記の各例におけるガラス泡状物は、ＵＳ８ ０メッシュ粒子径（１７７ミクロン）を有する。 カップリング剤は、微小球上に必要という訳ではないが、存在する場合、微小 球表面に対する樹脂の濡れ性および密着性を強化し、その表面張力の理由から、 塊体中の隣接する微小球同士を相互結合する様に作用する。樹脂粉末は、粉末化 樹脂被覆材料からの廃棄副生成物として製造される様な反応性樹脂でよい。言い 換えれば、粉体塗料の製造設備で廃棄物として回収される、通常は空気を含む、 小直径の粉塵が、本発明によるシンタクチックフォームの製造に優れていること が分かった。 シンタクチックフォーム層用の補強材料が、複合材料の曲げ強度を増加するた めに、炭素繊維またはガラス繊維マットまたは高強度ガラス繊維マットまたは中 空ガラス繊維マットの形態で与えられる場合、十分な厚さのマットを使用し、樹 脂粉末および微小球を堆積させ、振動によりマットの中に取り込むことができる 。その様な製法により、硬化させた時に、補強要素として切断した繊維だけを含 む３成分発泡材シートと比較して、物理的および機械的特性が優れた発泡材が得 られる。 その様にして製造されたコアには、異なった材料からなる複合材料樹脂シート または金属シート、例えばアルミニウムシート、を含む、多くの表皮材料を結合 または成形することができる。 シンタクチックフォームの３次元物品を形成する場合、基本成分、すなわち泡 状物、補強媒体および粉末化した樹脂を、その樹脂が熱硬化性樹脂である場合に は、触媒と共に含む混合物の層を、予備加熱して粘着性のある、一体化された、 しなやかな状態にし、次いでそれを３次元形の型の上に載せ、最終的に硬化また は固化させ、所望の形状を有する３次元物品を形成させる。平面的であれ、立体 的であれ、その様な製品の予備加熱および硬化にはマイクロ波エネルギーを使用 することができる。３次元形状は、ある輪郭を持った立体的な形状を有する金型 またはトレーに粉末化樹脂、補強要素およびガラス微小球の混合物を充填し、粘 着性のあるプリプレグの状態に予備加熱し、次いで３次元形に成形することによ り形成される。 本発明のさらに別の変形では、発泡材を厚いブロックまたは厚い層に硬化させ 、それを機械加工するか、またはルーターに通して所望の３次元形状を与えるこ とができる。 １立方フィートあたり６〜４５ポンドの範囲内の、補強されていないシンタク チックフォームコア層の密度に対して得られる特性の融通性を示す例として、Ａ ＳＴＭ標準により試験した試料で得られる代表的な特性は、圧縮強度(pci)が１ ００〜４０００超、せん断強度(psi)が７４〜１１００、せん断モジュラス(psi) が１５００〜２４，０００超の範囲内にある。 理想的には、シンタクチックフォームコアの両側に２つの高強度材料の面を配 してサンドイッチ構造の複合材料を形成する場合、実際の使用において、破断点 までの応力が作用した時に、複合材料のコアまたは面のどちらかが先に破断する ことがない様にコアを加工するのが望ましい。つまり、応力を受けるサンドイッ チ構造の破断に対して面シートの強度およびコアの強度が本質的に等しいのが理 想的である。例えば、面材料の曲げモジュラスが５．２百万 psiのオーダーであ り、コアのせん断モジュラスが１平方インチあたり２０，０００ポンドのオーダ ーである場合、複合材料の破断強度または曲げモジュラスは４．３百万 psiのオ ーダーにあると測定されている。複合材料の厚さを設定する場合、製品が持続し なければならない最大強度が得られる様に製品を加工するために、コアのせん断 強度および面のモジュラスを決定することができる。 以上の説明から、本発明で具体化される原理の範囲内で、本発明の方法には多 くの変形が可能であることは明らかである。本発明の特定の好ましい実施態様を 示し、説明したが、付随する請求項は、本発明の真の精神および範囲内に入るそ の様な変形のすべてを含むものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，Ｃ Ｈ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ， ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ， ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 下記のものを含んでなることを特徴とする、複合材料の層状構造用の低 密度硬質フォームシートを製造できるシンタクチックフォームコア材料。 中空セラミック微小球の層、 前記微小球の直径よりも寸法が細かい乾燥樹脂粉末であって、前記微小球の層 と十分に混合され、前記粉末と微小球の均一な混合物を与える粉末。 ここで、 前記微小球と樹脂粉末の混合物は、前記樹脂を熱融解させ、前記微小球と相互 結合した関係で硬化させるサイクルにより処理され、 前記樹脂は、前記融解した樹脂が硬化することにより、前記混合物を一体化さ れた硬質シンタクチックフォーム層に相互結合して、前記層中に空隙を残す量で 存在する。 ２． 前記微小球がガラス微小球であり、前記ガラス微小球および樹脂の混合 物全体に混合され、前記ガラス微小球および樹脂の混合物と相互結合した繊維の 形態の補強要素を含む、請求項１に記載のシンタクチックフォームコア材料。 ３． 補強要素がガラス繊維である、請求項２に記載のシンタクチックフォー ムコア材料。 ４． 前記補強要素がチョップドガラスストランドの繊維である、請求項３に 記載のシンタクチックフォームコア材料。 ５． 補強要素が、繊維のマットの形態にある繊維である、請求項２に記載の シンタクチックフォームコア材料。 ６． 補強要素が炭素繊維である、請求項２に記載のシンタクチックフォーム コア材料。 ７． 微小球が少なくとも６０体積％の量で存在する、請求項１に記載のシン タクチックフォームコア材料。 ８． 微小球の直径が一般的に１７０ミクロンのオーダーにあり、樹脂粉末粒 子の大きさが一般的に２０ミクロンのオーダーにある、請求項７に記載のシンタ クチックフォームコア材料。 ９． 前記粉末化した樹脂がフェノール系樹脂である、請求項１に記載のシン タクチックフォームコア材料。 １０． 前記樹脂の前記微小球に対する接着性を強化するための触媒としてヘ キサメチレンテトラミンが存在する、請求項９に記載のシンタクチックフォーム コア材料。 １１． 下記のものを含んでなる軽量物品製造用のシンタクチックフォーム混 合物。 層状になったガラスの中空微小球の塊体、 前記中空微小球の塊体全体に分布した、寸法が前記微小球の直径よりも小さい 乾燥粉末化樹脂。 ここで前記粉末化樹脂は前記混合物中に、前記樹脂粉末の加熱サイクルおよび 硬化により、混合物を一体化された関係で相互結合し、前記層中に空隙を形成す る量で存在する。 １２． 下記の工程を含んでなる、複合材料物品に適応できるシンタクチック フォーム層の製造法。 中空セラミック微小球の塊体および乾燥粉末の形態の相互結合樹脂を混合する こと、 前記混合物を物理的に攪拌し、樹脂粉末を微小球の塊体全体に均一に分散させ ること、 前記均一な混合物を、基礎表面上に載せた剥離材料の層の上に、１つの層とし て堆積させること、 前記混合物の層を、前記樹脂粉末を加熱して融解させ、前記融解した樹脂を硬 化させ、樹脂および微小球を堅い一体化された層に融合させるサイクルで処理す ること。 ここで、微小球と混合された乾燥樹脂粉末の量は、樹脂および微小球を相互結 合し、層中に空隙を形成するのに有効な量である。 １３． 下記の工程を含む、請求項１２に記載の方法。 複合材料サンドイッチ構造用の比較的薄い表面層を、コアとしての前記層の上 側および下側に配置すること、および 前記表面層およびコア層を一緒に前記加熱サイクルにかけ、前記加熱サイクル 中に前記コア層が一体化される時に、前記表面層を前記コア層に結合させること 。 １４． 前記コア層に付けられた前記表面層の少なくとも一方が、未硬化状態 の樹脂シート材料を含んでなり、 樹脂を加熱し、硬化させて前記コア層を一体化するサイクル中に、未硬化表面 層を同時に硬化させ、前記コア層と結合させる、請求項１３に記載の方法。 １５． 前記層が加熱された、粘着性を有する、しなやかな状態にある間に、 前記層を３次元形の型の上に載せ、 前記型上の層の樹脂を、形状が前記型に適合した、一体化された３次元物品と して硬化させて、３次元物品を製造する、請求項１２に記載の方法。 １６． 下記の工程を含んでなる、軽量物品を製造するための硬質低密度シン タクチックフォーム層の製造法。 中空セラミック微小球の塊体を用意すること、 ある量の乾燥樹脂粉末を前記微小球と混合すること、 前記粉末粒子の寸法が前記微小球の直径よりも本質的に小さいこと、 前記微小球および樹脂粉末の混合物を振動させ、それらの十分な混合物を形成 させること、 層状の前記混合物を、樹脂粉末粒子が融解した状態に変換される温度に加熱す ること、 前記融解した樹脂を硬化した状態に固化させること。 ここで乾燥樹脂粉末の前記量は、前記微小球および樹脂を硬質シンタクチック フォーム層に相互結合させるのに十分である。 １７． 前記樹脂粉末の量が、前記微小球間の空間を充填するのに十分であり 、且つ、前記樹脂の硬化により前記混合物中に空隙を形成させる、請求項１６に 記載の方法。 １８． 前記樹脂粉末の量が、前記微小球の少なくとも一部が互いに接触しな い様に間隔をあけるのに十分である、請求項１７に記載の方法。 １９． 前記微小球の塊体が様々な直径の微小球を含む、請求項１６に記載の 方法。 ２０． 加熱する前に前記混合物を圧縮する、請求項１６に記載の方法。 ２１． 前記加熱が、前記混合物の表面と連絡する少なくとも１個の加熱され た接触表面を有する加熱手段により伝導的に行なわれる、請求項１６に記載の方 法。 ２２． 前記加熱が、高周波数エネルギー加熱手段を前記混合物に近接させ、 前記混合物を誘導加熱することにより行なわれる、請求項１６に記載の方法。