JP2018080442A - 平面状複合材料 - Google Patents

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fibers
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バセル、ブラク
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Quadrant Plastic Composites AG
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Abstract

【課題】一方向性の繊維粗糸に基づく複合材料を提供する。【解決手段】平面状複合材料は、互いに連結されずに平行に延びる一方向性の強化繊維粗糸からなり、３００〜２，０００ｇ／ｍ２の面積重量を有する少なくとも１層のＵＤ（一方向性の）繊維層Ａと、７０ｗｔ．％までの強化繊維を含み得る熱可塑性の繊維不織布又は熱可塑性の配向繊維層からなり、１００〜２，０００ｇ／ｍ２の面積重量を有する不規則な配向繊維層Ｂを含む少なくとも１つの繊維マットとを備え、強化繊維の融点又は軟化点は、熱可塑性の繊維のそれよりも少なくとも５０℃高く、Ａ層及びＢ層が互いにニードリングされている。【選択図】図１

Description

本発明は、一方向性の強化繊維粗糸からなる少なくとも１層のＡ層と、強化繊維を選択的に含み得る、熱可塑性の繊維不織布又は熱可塑性の配向繊維層からなる少なくとも１層のＢ層とを有する平面状複合材料に関する。また、本発明は、Ａ層及びＢ層が互いにニードリングされる平面状複合材料に関する。
熱可塑性物質は、軽量であることを理由に、構成部品、特に自動車用の構成部品の製造にますます利用されている。十分な剛性及び強度を有する構成部品を製造するために、通常、それらの構成部品は、強化繊維と複合される。たとえば、平面状の半製品は、無端ガラス繊維マットと熱可塑性の溶融シートとを融合させ、ダブルバンドプレス上で一体化されることにより、ガラスマットで強化された熱可塑性物質（ＧＭＴ（ｇｌａｓｍａｔｔｅｎｖｅｒｓｔａｅｒｋｔｅｎ Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｅｎ）半製品）から製造される。しかし、この製法は、比較的粘性が高い溶融物が１ｂａｒを大きく上回る圧力でマットに対してプレスされることに起因して、高いエネルギー費用を必要とする。さらに、自動車の分野において、一つ又はいくつかの望ましい方向への強化が特に望まれているものの、前記繊維の強化は無配向性である。
これは、特許文献１に開示される複合材料の場合である。この特許文献１には、熱可塑性繊維及び任意の強化繊維からなる繊維不織布層と、強化繊維からなる織布層又は配向層とを備える熱可塑性の成形性複合材料が開示されている。また、特許文献１には、繊維不織布層と織布層又は配向層とが互いにニードリングされることが望ましいことが開示されている。配向繊維層は、一方向性の繊維粗糸のいくつかの層が縫い糸によりきつく且つしっかりと互いに結合される繊維構造に組み立てられる。こうした繊維構造の製造はかなり複雑であり、さらには縫い糸による粗糸の強い結合に起因して、粗糸が複数層のニードリング時に十分に開かれない。そのため、それらの粗糸には熱可塑性物質が不十分且つ不規則に含浸するに過ぎず、このことが、このように製造された成形品の機械的性質に悪影響を及ぼす。
特許文献２は、ニードリングにより定着される平面状繊維構造を含む、繊維強化された熱可塑性の成形性半製品に関する。また、特許文献２は、最大で３００ｇ／ｍ２の面積重量を有する無端の配向繊維からなる少なくとも２層のＡ層と、無配向繊維からなる少なくとも１層のＢ層とで構成される半製品に関する。
特許文献２の織物の平面部分は、ガラス繊維を含むことが望ましいが、炭素繊維、並びに芳香性ポリアミド又は他の熱可塑性物質からなる繊維のような他の繊維についても記載されている。ただし、これらの熱可塑性繊維がＡ層、Ｂ層、又は両層に存在してもよいかどうかは特定されていない。半製品を製造するにあたって、続く第３工程において半製品が熱可塑性の構成部品に加工され得るように、織物の平面部分には、溶融した熱可塑性物質を含浸させ、硬い半製品に対してプレスするための第２の別個の工程が施される。良好な含浸を確実にするために、特許文献２では、Ａ層の面積重量を３００ｇ／ｍ２よりも大きく設定しないことが必ず要求される。
特許文献３には、プリプレグの製造方法が開示されている。この方法では、熱可塑性物質結合繊維は、一方向性の強化繊維に連続的に散在し、該強化繊維と一体化されることにより、熱可塑性物質結合繊維が形状部品又は平面状の半製品にプレスされる。ニードリングに関しては記載されていない。
国際特許公開第２００６／１１１０３７号公報 欧州特許公開第０３２３５７１号公報 英国特許公報第２２３７５８３号公報
したがって、本発明の目的は、これらの不利な点を有さない一方向性の繊維粗糸に基づく複合材料を提供することにある。また、本発明の目的は、特許文献２において要求されたように、織物構造の製造後に別個の第２工程を必要とすることなく、成型部品に直接加工され得る一方向性の繊維粗糸に基づく複合材料を提供することにある。
配向繊維層の代わりに、互いに連結されていない不連続な強化繊維粗糸を直接用い、不規則な配向繊維を含む繊維マットとともにこれらの粗糸をニードリングすることによって、本発明の目的が達成されることが明らかになった。上記粗糸は、「一方向性の繊維」と称されており、本明細書においては、以下「ＵＤ（ｕｎｉｄｉｒｅｋｔｉｏｎａｌｅ）繊維」と称する。
本発明の主題は、（Ａ）互いに連結されずに平行に延びる一方向性の強化繊維粗糸からなり、３００ｇ／ｍ２より大きく、２，０００ｇ／ｍ２までの面積重量を有する少なくとも１層のＵＤ繊維層と、（Ｂ）７０ｗｔ．％までの強化繊維を含み得る、熱可塑性の繊維不織布又は熱可塑性の配向繊維層からなり、１００〜２，０００ｇ／ｍ２の面積重量を有する不規則な配向繊維Ｂを含む少なくとも１つの繊維マットとを備え、Ａ層及びＢ層が互いにニードリングされる平面状複合材料である。
本発明の複合材料は、Ａ層−Ｂ層の順序で層を備えることが望ましいが、原理的には、たとえばＡ層−Ｂ層−Ａ層又はＡ層−Ｂ層−Ａ層−Ｂ層といった他の順序でも可能である。
第１実施形態に従う複合材料の製造方法の実施を示す斜視図。 第２実施形態に従う複合材料の製造方法のさらなる実施を示す斜視図。
本発明における第１の好適な実施形態では、不規則な配向繊維Ｂを含む繊維マットは、たとえば１００〜２，０００ｇ／ｍ２の面積重量を有する、ニードル不織布、もしくはニードリングされていないカーディング不織布又はエアレイ式不織布といった熱可塑性繊維不織布で構成される。この熱可塑性繊維不織布は、２００〜１，２００ｇ／ｍ２の面積重量、特に３００〜１，０００ｇ／ｍ２の面積重量を有することが望ましい。熱可塑性繊維不織布は、その１００％が熱可塑性繊維で構成されることが望ましいが、熱可塑性繊維不織布は、７０ｗｔ．％まで、望ましくは３０〜７０ｗｔ．％の強化繊維を含み得る。熱可塑性繊維及び強化繊維のいずれも、２０〜１００ｍｍの長さを有することが望ましい。
不規則な配向繊維層Ｂの熱可塑性繊維として、任意の紡糸可能な熱可塑性物質が利用され得るが、２３０℃，約９７９．６ｇ（２．１６ｋｐ）で２５〜１５０ｇ／１０ｍｉｎのＭＦＩ（ｍｅｌｔ ｆｌｏｗ ｉｎｄｅｘ：メルトフローインデックス）を有するポリプロピレンが利用されることが望ましい。特に、未処理のポリプロピレン、すなわちカルボキシル基を有さないポリプロピレン、並びにポリアミド６及びポリアミド６６のようなポリアミド、さらには直鎖状のポリエステル、ポリスルホン、ポリケトン、及びポリエーテルイミドが利用されることが望ましい。熱可塑性繊維は、「結合繊維」を意図しており、すなわちそれらの熱可塑性繊維は、本発明の複合材料の後続の加工過程において鋳型内で熱可塑的に成形される。
好適な強化繊維は、ガラス繊維及び炭素繊維であるが、天然繊維及び玄武岩繊維、並びにアラミドのような高融点の熱可塑性物質の繊維も適している。本明細書において、「高融点」という用語は、結合繊維として、すなわちポリマーマトリクスの形成のために供給される熱可塑性繊維に関連することが理解され得る。特に、不規則な配向繊維層Ｂにおける強化繊維の融点又は軟化点は、熱可塑性繊維の融点又は軟化点よりも相当高く、たとえば少なくとも５０℃は高い。
さらに、複合材料は、Ａ層から離間する方向を向くＢ層の面に、５０〜５００ｇ／ｍ２の面積重量、望ましくは１００〜３００ｇ／ｍ２の面積重量を有する無配向強化繊維からなる比較的薄い繊維層Ｃを含み得る。その結果、複合材料は、Ａ層−Ｂ層−Ｃ層の順序で積層される。このＣ層は、比較的低い面積重量を有する繊維不織布が利用されるときに重要となる複合材料の付加的な強化を供給する。ガラス繊維又は炭素繊維は、無配向繊維として特に有用である。
第２実施形態では、不規則な配向繊維Ｂを含む繊維マットは、無端の熱可塑性繊維を含む熱可塑性配向繊維層で構成され、無端の強化繊維を選択的に含み得る。好適な熱可塑性繊維は、６００〜２，４００ｄｔｅｘの力価を有し、一般的に知られている安定化剤及び接着促進剤とともに仕上げられ得るポリプロピレン繊維である。
Ａ層及びＢ層、並びに付加的にＣ層を排他的に備え、他の種類のさらなる層を備えないことが複合材料にとっては望ましい。
本発明の複合材料は、３０〜８０ｗｔ．％のＵＤ繊維、特に５０〜７０ｗｔ．％のＵＤ繊維を含むことが望ましい。そのＵＤ繊維の面積重量は、４００〜４，０００ｇ／ｍ２、特に１，０００〜２，０００ｇ／ｍ２であることが望ましい。一体化されていない状態において、厚さが５〜１５ｍｍであることが望ましい。
強化繊維粗糸は、たとえばガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、又は玄武岩繊維であり、１００〜４，８００ｔｅｘの力価、特に２００〜３，０００ｔｅｘの力価を有することが望ましい。特に、強化繊維粗糸は炭素繊維であることが望ましい。これに基づいて、複合材料は、長手方向において高い剛性を有し、大変優れた柔軟性を有する。Ａ層の面積重量は、３００ｇ／ｍ２より大きく、２，０００ｇ／ｍ２まで、特に３５０〜２，０００ｇ／ｍ２であることが望ましい。比較的重いＵＤ繊維を含む複合材料から製造される構成部品は、たとえば特許文献２に開示されるような軽いＵＤ繊維を含んで製造される構成部品よりも優れた強度を示す。さらに、特にＡ層−Ｂ層の２層のみを有する場合に、こうした重い複合材料は軽い複合材料よりも扱いやすい。
特に、好適な複合材料はＵＤ繊維として炭素繊維を含み、繊維不織布層は、熱可塑性物質としてポリアミド、望ましくはポリアミド６を含み、並びに３０〜７０ｗｔ．％の炭素繊維を含む。このことから、たとえば炭素繊維で強化され、破砕された完成部品から周知の再利用方法により得られる再利用炭素繊維を利用する点で有利である。こうした複合材料は、優れた温度耐性を有する。
第１実施形態に従う複合材料の製造方法の実施を斜視図として図１に示す。はじめに、繊維不織布層は、カーディング法又はエアレイ法に従って製造され、ニードル不織布２を形成するためにニードリングされる。ＵＤ繊維６は、まず周回する無端バンド４上に、望ましくは可能な限り互いに接近するように、互いに隣接して配置され、これによりＡ層が形成される。そのうえで、組み立てられたニードル不織布２はＢ層を形成するために連続的に配置され、その後にＡ層及びＢ層の２層はニードリング装置８内で互いにニードリングされる。
エアレイ法又はカーディング法に従って製造される不織布をニードリングすることなく、ＵＤ繊維上に直接配置すること、並びにその後にのみニードリングすることも可能である。
複合材料がＡ層又はＢ層をさらに含む場合には、それぞれ対応するウェブが追加的に供給され、ニードリングされ得る。
複合材料が薄いＣ層を付加的に含む場合には、Ｃ層の不規則な配向繊維１０は、無端マットとして上層のＢ層の繊維不織布上に配置されるか、もしくはチョップドファイバーとしてそれらの繊維不織布上に散在する。次に、３層のすべてが互いにニードリングされる。この点について、図１に模式的に示している。
図２は、第２実施形態に従う複合材料の製造方法のさらなる実施を斜視図で示している。はじめに、Ａ層のＵＤ繊維６は、周回する無端バンド４上に配置され、その後に Ｂ層に対応する配向繊維層１６の形成によって、熱可塑性繊維１２、及び選択的に横断供給装置１４から供給される強化繊維がＵＤ繊維６の上に配置される。続いてＡ層及びＢ層は、ニードリング装置８内で互いにニードリングされる。この点について、図２に模式的に示している。
本発明の複合材料は、薄板状に切断され得る。その後に、これらのプレカット部品は、不規則な配向繊維層Ｂにおける熱可塑性物質の軟化点を超える温度で型に入れられてプレスされることによって、立体部品に直接加工され得る。しかし、たとえば０．５〜５ｂａｒの圧力、且つ不規則な配向繊維層Ｂにおける熱可塑性物質の軟化点を超える温度でダブルバンドプレス上において、平面状複合材料のウェブが連続的に一体化されることによって、半製品も製造され得る。積層装置上でプレスされることによっても可能である。一体化された半製品は、０．３〜５．０ｍｍの厚さ、特に１．０〜３．０ｍｍの厚さを有することが望ましい。たとえばＧＭＴ半製品又はＮＭＴ（ｎａｔｕｒｆａｓｅｒｍａｔｔｅｎ−ｖｅｒｓｔａｅｒｋｔｅｎ Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｅｎ）半製品、すなわちガラスマットで強化された熱可塑性物質又は天然繊維マットで強化された熱可塑性物質に基づく半製品とともに、複合材料を型に入れ、ニードリングする。このことによって、繊維複合成型部品の特定の強化のための複合材料からなるプレカット部品を利用することも可能である。
本発明の複合材料から製造される完成部品は、大変軽量であり、高い剛性を有する。それらの完成部品は、自動車部品用、スポーツ用品用、鉄道貨車製造用、及び航空機製造用に利用され得る。

Claims (15)

  1. 平面状複合材料であって、
    （ａ）互いに連結されずに平行に延びる一方向性の強化繊維粗糸（６）からなり、３００ｇ／ｍ２より大きく、２，０００ｇ／ｍ２までの面積重量を有する少なくとも１層のＵＤ（一方向性の）繊維層Ａと、
    （ｂ）それぞれ７０ｗｔ．％までの強化繊維を含み得る熱可塑性の繊維不織布（２）又は熱可塑性の配向繊維層（１６）からなり、１００〜２，０００ｇ／ｍ２の面積重量を有する不規則な配向繊維層Ｂを含む少なくとも１つの繊維マットと
    を備え、前記強化繊維の融点又は軟化点は、前記熱可塑性の繊維のそれよりも少なくとも５０℃高く、前記Ａ層及び前記Ｂ層が互いにニードリングされている平面状複合材料。
  2. 前記Ａ層−前記Ｂ層の順序で層を備えることを特徴とする請求項１に記載の平面状複合材料。
  3. 前記不規則な配向繊維層Ｂを含む前記繊維マットは熱可塑性繊維不織布で構成され、前記熱可塑性不織布は、熱可塑性繊維で構成されて３０〜７０ｗｔ．％の強化繊維を含む、ニードル不織布、もしくはニードリングされていないカーディング不織布又はエアレイ式不織布であることを特徴とする請求項１に記載の平面状複合材料。
  4. 前記Ａ層から離間する方向を向く前記Ｂ層の面に、５０〜５００ｇ／ｍ２の面積重量を有する不規則な配向強化繊維からなる繊維層Ｃを付加的に含むことを特徴とする請求項３に記載の平面状複合材料。
  5. 前記不規則な配向繊維層Ｂを含む前記繊維マットは、無端の熱可塑性繊維からなる熱可塑性の配向繊維層から製造され、無端の強化繊維を含むことを特徴とする請求項１に記載の平面状複合材料。
  6. ３０〜８０ｗｔ．％のＵＤ繊維を含むことを特徴とする請求項１又は請求項４に記載の平面状複合材料。
  7. 前記Ａ層の前記強化繊維粗糸は、２００〜４，８００ｔｅｘの力価を有するガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、又は玄武岩繊維であることを特徴とする請求項１又は請求項４に記載の平面状複合材料。
  8. 前記Ｂ層の前記熱可塑性物質は、未処理のポリプロピレン、ポリアミド６、又はポリアミド６６であることを特徴とする請求項１又は請求項４に記載の平面状複合材料。
  9. 前記Ａ層の前記ＵＤ繊維は炭素繊維であり、前記Ｂ層の前記繊維不織布は３０〜７０ｗｔ．％の再利用炭素繊維及び７０〜３０ｗｔ．％のポリアミドを含むことを特徴とする請求項３に記載の平面状複合材料。
  10. はじめに前記Ａ層の前記ＵＤ繊維が周回する無端バンド（４）上に互いに対向するように配置され、前記Ｂ層の前記繊維不織布が前記ＵＤ繊維及び前記バンドの上に載せられ、続いて前記Ａ層及び前記Ｂ層が互いにニードリングされることを特徴とする請求項３に記載の複合材料を製造するための連続製造方法。
  11. ニードリングに先だって前記Ｃ層の不規則な配向繊維が前記Ｂ層の上に載せられ、続いて前記Ａ層、前記Ｂ層及び前記Ｃ層が互いにニードリングされることを特徴とする請求項４に記載の複合材料を製造するための請求項１０に記載の連続製造方法。
  12. はじめに前記Ａ層の前記ＵＤ繊維が周回する無端バンド（４）上に配置され、前記Ｂ層の前記無端繊維が横断供給装置から前記ＵＤ繊維及び前記バンドの上に載せられ、続いて前記Ａ層及び前記Ｂ層が互いにニードリングされることを特徴とする請求項５に記載の複合材料を製造するための連続製造方法。
  13. 構成部品を製造するための請求項１又は請求項３に記載の複合材料の使用方法であって、前記複合材料から製造されるプレカット部品を、前記不規則な配向繊維のＢ層における前記熱可塑性物質の軟化点を超える温度で型に入れてプレスする使用方法。
  14. 熱可塑性の平面状の成形性半製品を製造するための請求項１又は請求項３に記載の複合材料の使用方法であって、前記不規則な配向繊維のＢ層における前記熱可塑性物質の軟化点を超える温度でダブルバンドプレスに入れてプレスする使用方法。
  15. 構成部品を製造するための請求項１又は請求項３に記載の複合材料の使用方法であって、ＧＭＴ（ガラスマットで強化された熱可塑性物質）半製品又はＮＭＴ（天然繊維マットで強化された熱可塑性物質）半製品とともに前記複合材料から製造されるプレカット部品を、前記不規則な配向繊維のＢ層における前記熱可塑性物質の軟化点を超える温度で型に入れてプレスする使用方法。
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