説明

補強材、補強ラミネート及びこれらを具有する複合材

本発明は、複合材中の強化材として使用するのに適した補強材であって、少なくとも1種のモノフィラメントとガラス繊維のニット形態状の少なくとも1つの単一の厚さ付与層及び該厚さ付与層に連結する少なくとも1つの単一の補強層を具有する該補強材に関する。さらに、本発明は、該補強材を具有する補強ラミネート、並びに該補強材及び/又は該補強ラミネートを具有する複合材に関する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は複合材中の強化材として使用するのに適した補強材、及び該補強材の積層体を具有する補強ラミネートに関する。さらに、本発明は、該補強材を具有する複合材及び/又は成形化(modeled)複合材、並びに該複合材の製造方法に関する。さらにまた、本発明は、複合材を製造するためのニットの使用にも関する。
【背景技術】
【0002】
複合材又は集成多層構造体は、例えば、船舶、航空機、自動車、接続箱、浴槽、電話線用ポール、管状製品、及び断面材等の製造において使用されている。このような複合材等は、これらの機械的強度、比較的軽い重量、成形化能、剛性、及び耐性(例えば、耐腐食性等)等の特性に起因して、例えば、金属や石材の魅力的な代替材となっている。
【0003】
複合材を構成する層は、一般に、所望の用途に応じて選定されるプラスチック、繊維、ガラス及び/又はその他の材料から成る単一層である。
【0004】
複合材中のこれらの層は、例えば、次のような層に区分することができる:複合材を補強若しくは強化するための層(例えば、補強層)、複合材に所望の厚さ若しくは所望の体積を付与するための層(例えば、厚さ付与層)、並びにその他の層、例えば、被覆層(例えば、保護性、耐摩耗性及び表面構造を改良するための被覆層)及び/又は仕上げ層(例えば、塗料層、帯電防止層)。上記の多くの機能は1つの層、例えば、摩耗を防止若しくは低減させる機能もはたす補強層等に併有させもよい。
【0005】
複合材、特に成形化複合材の伝統的な製造法においては、異なる単一層を、所望によるモールド内において、所望の複合材が形成されるまで順次積層させる。
【0006】
しかしながら、この製造法は、毒性の化学薬品の使用及び塗布層の硬化時における有機蒸気の発生に起因して、健康に有害な方法となっている。さらに、この方法は比較的多くの時間を必要とするだけでなく、十分な再現性をもたらさない(例えば、局部的な不揃いの発生及び/又は塗布層の、例えば、硬化中における亀裂の発生)。従って、この伝統的な製造法は、一定の品質を有する複合材の製造には使用できない。さらにこの方法は非常に労務集約的であって、多くの時間を必要とする。
【0007】
このような問題は、ヨーロッパ特許EP0873441号明細書に記載されているような所謂「補強材」を複合材の製造中に使用することによって、完全に若しくは部分的に解決することができる。
【0008】
この種の補強材は、ガラス繊維のニットから成る少なくとも1つの単一の厚さ付与層、及び該厚さ付与層に連結される少なくとも1つの補強層を具有する(この場合、厚さ付与層の単位表面積当たりの重量は、補強層の場合よりも軽い)。
【0009】
この種の補強材は、100%よりも高い優れた局部的変形能を有するために、成形化複合材の製造において使用するために特に適している。
【0010】
ヨーロッパ特許EP0873441号明細書に記載されているような補強材を使用する複合材の一般的な製造方法は次の工程を含む:モールド内へ補強材を配置させ、次いで、例えば、加圧下又は真空下において該補強材を成形化させる。最終的な複合材は、例えば、樹脂(例えば、ポリエステル樹脂等)を硬化させることによって得られる。この場合、樹脂は、補強材料の成形化前、成形化中又は成形化後に厚さ付与層のニット及び/又は補強層へ含浸される。
【0011】
しかしながら、ヨーロッパ特許EP0873441号明細書に記載されているような補強材を使用する場合には多くの問題点がある。
【0012】
第一に、厚さ付与層としてガラス繊維のニットを使用する場合には、比較的高重量の最終的な複合材が得られる。このことは、複合材を自動車の構成部材、身体の防護服、スポーツ用品及び航空機の構成部材等に利用する場合には望ましくなく、できるだけ軽量な複合材を得ることが求められている。
【0013】
緻密度のより小さなガラス繊維のニットを厚さ付与層へ導入することにより複合材を単に減量させることによっては問題を解決することはできない。何故ならば、これによって厚さ付与層が過度に薄くなり、及び/又は、成形化中及び/又は含浸中における樹脂の移動は全く若しくはほとんどおこらなくなるからである。さらに、これによって、硬化した複合材ラミネートの曲げ剛性の低下ももたらされる。
【0014】
厚み付与層中のガラス繊維のニットの比較的緻密な構造は、該層を通る樹脂の移動が比較的ゆっくりとおこなわれるという別の問題をもたらす。このことは、複合材の製造時間を遅延させるという不利な効果をもとらす。また、これによって使用できる樹脂の種類が制限される。何故ならば、硬化時間が比較的早い樹脂は、補強材中での樹脂の均一な分配が達成する前に硬化してしまうからである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0015】
本発明が解決しようとする課題は、従来技術から知られている補強材を用いて得られる複合材に匹敵する強度及び/又は剛性を有する比較的軽い複合材及び/又は成形化複合材の製造を可能にする補強材を提供することである。
【0016】
本発明の別の課題は、従来技術から知られている補強材を用いて得られる比較しうる重量を有する複合材に比べて強度及び/又は剛性がより高い複合材及び/又は成形化複合材を提供することである。
【0017】
本発明のさらに別の課題は、成形化中及び/又は含浸中に十分な厚さ若しくは体積を保持する補強材を提供することである。
【0018】
本発明のさらにまた別の課題は、従来技術から知られている補強材中の樹脂の移動に比べて、含浸中における樹脂の移動がより迅速におこなわれると共により均一におこなわれる補強材を提供することである。
【0019】
本発明の他の課題は、従来技術から知られている補強材と併用することができる樹脂の種類に比べて、より多くの種類の樹脂と併用することができる補強材を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0020】
本発明の上記の課題は、複合材中の強化材として使用するのに適した補強材であって、少なくとも1種のモノフィラメントを含有するガラス繊維のニット形態状の少なくとも1つの単一の厚さ付与層及び該厚さ付与層に連結する少なくとも1つの単一の補強層を具有する該補強材によって解決された。
【発明を実施するための最良の形態】
【0021】
モノフィラメントを含有するガラス繊維のニットを使用することによって、ガラス繊維のみから成るニットを使用する場合に比べてかなりの減量を達成することが可能となる。
【0022】
しかも、本発明によるニットは、ガラス繊維のみのニットに比べて、加圧又は真空に対してより大きな耐性を示すので、補強材は、成形化中及び/又は含浸中においてその厚さを高度に保持する。この結果、本発明による厚さ付与層を用いる場合には、同じ重量のガラス繊維のニットに比べて、著しく改良された強度がもたらされ、同じ重量でより強度の高い補強材が得られる。
【0023】
さらに、モノフィラメントを適用することによって、より良好な樹脂の移動度が得られ、樹脂はより迅速かつ均一にニット中へ拡散移動する。
【0024】
ガラス繊維とは対照的に、モノフィラメントは1つのフィラメント(通常はプラスチック材料製フィラメント)から成る。この種のプラスチック材料としては、ポリエチレン、ポリエステル、ポリプロピレン及びポリアミド等が例示されるが、その他のプラスチック材料も使用可能である。好ましいプラスチック材料はポリエステルとポリエチレンであるが、ポリエチレンがより好ましい。
【0025】
ガラス繊維に比べて、モノフィラメントは、同等若しくはより小さな比重量において、より高い剛性を示す。この結果、単一の厚さ付与層中にモノフィラメントを使用することによって、高い減量効果が達成される。
【0026】
単一の厚さ付与層のニットとしては、単位表面積あたりの単位重量あたりにおいて最大の厚さが得られる限りは平坦ニット(flat knit)又はその他のタイプのニットが例示されるが、この種のニットは、ガラス繊維(例えば、ガラスフィラメント及び/又はガラスヤーン等)を1若しくは複数のモノフィラメントと共に加工して1つの凝集性立体パターンを形成させることによって得られる。この場合、従来技術において知られているニッティング法(例えば、二重平台ニッティング法)が使用される。
【0027】
立体パターン、密度、組成、モノフィラメントの種類、ガラス繊維の種類及び使用するニッティング法は、本発明による補強材の用途によって左右される。これらの要素を決定するいくつかの特性は、所望の密度、所望の剛性、所望の厚さ、所望の圧縮強さ及びこれらの組合せである。
【0028】
本発明による単一の厚さ付与層の好ましい厚さは0.5〜20mmであり、例えば、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19又は20mmである。最適な結果は、単一つの厚さ付与層の厚さが1〜10mmのとき、例えば、1、2、3、4、5、6、7、8、9又は10mmのときに得られる。
【0029】
さらに、本発明による補強材の単一の厚さ付与層の好ましい単位面積当たりの重量は25〜1500g/mであり、例えば、25、50、75、100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400又は1500g/mである。
【0030】
本発明による補強材の単一の厚さ付与層の推奨される単位面積当たりの重量は25〜1000g/mであり、例えば、50、74、100、150、200、300、400、500、600、700、800、900又は1000g/mである。
【0031】
本発明による単一の補強層の通常の形態は不織布、織布又は膜であり、該補強層の材料は、本発明による補強材へ機械的強度又は強化度を付与するいずれの材料であってもよい。
【0032】
この種の材料としては、ガラス繊維、アラミド、カーボン、玄武岩(basalt)、セラミック、ツインテックス(twintex)、ガラス繊維と熱可塑性樹脂との混合物、アマ(flax)、天然繊維、又はこれらの任意の混合物が例示される。
【0033】
本発明による補強材は、最終的には、少なくとも1つの単一の補強層を単一の厚さ付与層へ連結させることによって得られる。
【0034】
単一の厚さ付与層と単一の補強層を連結させるために使用できる方法としては多くの方法が知られている。好ましい方法としては、ニッティング法(例えば、ラケル(Rachel)法)、縫製法(例えば、被服工業における縫合機において利用されている縫製法)、ニードルパンチング法(例えば、ニードルフェルトを製造するために織物工業において用いられている方法)、及び/又はこれらの方法の任意の併用法が例示される。
【0035】
本発明による補強材においては、単一の厚さ付与層の単位体積当たりの重量を単一の補強層の場合よりも軽くすることが特に推奨される。
【0036】
この理由は、最終的な複合材の曲げ剛性が、該複合材中の異なる層(例えば、補強層)の間の距離によって左右されるからである。一般的には。この距離が大きくなるほど、最終的な複合材の剛性は高くなる。
【0037】
本発明による補強材においては、この距離は、単一の厚さ付与層によってもたらされる。ある程度までは、最終的な複合材の重量の観点から、この厚さ付与層によって、可能な最も軽い重量において可能な最も大きな厚さがもたらされる態様が有利である。
【0038】
好ましい実施態様によれば、本発明による補強材は、ガラス繊維と少なくとも1種のモノフィラメントとのニット形態状の1つの単一の厚さ付与層へ連結された少なくとも2つの単一の補強層を具有し、前者は後者の間に介在する。従って、この態様によれば、単一の補強層/単一の厚さ付与層/単一の補強層を具有する補強材が得られる。
【0039】
本発明による補強材のこの構成態様によれば、強度が高くて軽量の複合材を一工程で製造することができるという利点がもたらされる。
【0040】
上記の補強材の有利な特性は、少なくとも1種のモノフィラメントを含有するガラス繊維のニットを少なくとも1つの補強層と組み合わせることによって得られる。
【0041】
当業者には明らかなように、このような特性は、複数のこれらの補強材を積層させることによって織布又はラミネートを形成させることにより得られる。この場合、単一の補強材は、例えば、上記の方法(例えば、ニッティング法、縫製法、ニードルパンチング法及び/又はこれらの任意の併用法)、又は化学的接着剤等を用いる接着法等によって相互に連結される。
【0042】
従って、本発明は、本発明による2つ以上の補強材の積層体を具有する積層状の補強材又は補強ラミネートに関する。
【0043】
上述の補強材は複合材の製造に使用することができ、該補強材は該複合材にとって有利な軽量化をもたらす。従って、本発明は、前記の補強材を具有する複合材、特に成形化複合材にも関する。
【0044】
さらにまた、本発明は、このような複合材の製造法であって、本発明による補強材を所望の形態に成形し、該補強材へ樹脂を含浸させ、次いで該樹脂を硬化させることを含む該製造法にも関する。
【0045】
上述の驚くべき特性、特に厚さ付与層中のガラス繊維とモノフィラメントのニットの改良された樹脂移動性に起因して、上記製造法に要する時間は、従来技術において知られている類似の製造法の場合に比べて、著しく短縮される。
【0046】
上述の理由により、本発明は、ガラス繊維と少なくとも1種のモノフィラメントから成るニットを複合材の製造に使用することにも関する。
【0047】
本発明を以下の実施例によってさらに説明するが、これらの実施例は本発明を例示的に説明するものであって、本発明を限定するものではない。
【実施例】
【0048】
比較例1
ラケル法(例えば、カール・マイヤー社製のマリワット(maliwatt)機を用いるラケル法)によって相互に連結させた3層から成る補強材を製造した。この場合、微細なテクスチャー加工したポリエステルフィラメント(167dtex)のメリヤスネット(knitted net)(8g/m)を使用した。
【0049】
使用した中間層若しくは厚さ付与層は、136tex のガラスヤーンのガラスフィラメントから成る平坦ニットである。この中間層若しくは厚さ付与層の厚さ及び重量はそれぞれ約4mm及び約900g/mである。
【0050】
この中間層若しくは厚さ付与層の両側にガラスマット(補強層)を接着させた。ガラスマットはカットガラス繊維から成る(長さ:50mm、厚さ:25tex、重量:500g/m)。
【0051】
補強材の全重量は500+900+500+8=1908g/mである。また、得られた補強材の厚さは約5mmであった。
【0052】
比較例2
比較例1に記載の方法と同様にして、3層、即ち、ガラスフィラメントとガラスヤーンのニットから成る中間層若しくは厚さ付与層(900g/m)及びガラスマットから成る2つの外層若しくは補強層(450g/m)から構成される補強材を製造した。
【0053】
補強材料の全重量は300+900+300+8=1508g/mである。また、得られた補強材料の厚さは約4.5mmであった。
【0054】
実施例1
ラケル法(例えば、カール・マイヤー社製のマリワット機を用いるラケル法)によって相互に連結させた3層から成る本発明による補強材を製造した。この場合、微細なテクスチャー加工したポリエステルフィラメント(167dtex)のメリヤスネット(8g/m)を使用した。
【0055】
この補強材は、例えば、ハネカム(honeycomb)構造のような「サンドウィッチ」構造を有する補強材ということができる。この場合、中間層は、2つの外層の間においてスペーサー又は厚さ付与層として機能する。また、該外層の主要な機能は、強度付与若しくは補強である。
【0056】
使用した中間層若しくは厚さ付与層は、136tex のガラスヤーンのガラスフィラメント及びポリエチレンフィラメント(PE)(33tex のモノフィラメント))から成る平坦ニットである(ガラス:PE=136:33)。この中間層若しくは厚さ付与層の厚さ及び重量はそれぞれ約4mm及び約280g/mである。
【0057】
この中間層若しくは厚さ付与層の両側にガラスマット(補強層)を接着させた。ガラスマットはカットガラス繊維から成る(長さ:50mm、厚さ:25tex 、重量:500g/m)。
【0058】
得られた補強材は変形可能であって、75%よりも高い伸縮性が得られた。補強材の全重量は500+280+500+8=1288g/mである。また、得られた補強材の厚さは約4.8mmであった。
【0059】
実施例2
実施例1に記載の方法と同様にして、3層から成る補強材を製造した。この場合の中間層若しくは厚さ付与層は136tex のガラスヤーンのガラスフィラメント及びポリエチレンフィラメント(PE)(33tex のモノフィラメント)から成るニットである(ガラス:PE=136:33)。
【0060】
この中間層若しくは厚さ付与層の厚さ及び重量はそれぞれ約4mm及び約280g/mである。2つの外層若しくは補強層(450g/m)はガラスマットから構成される。補強材の全重量は450+280+450+8=1188g/mである。また、得られた補強材の厚さは約4.7mmであった。
【0061】
実施例3
実施例1に記載の方法に準拠して、以下の表1に示す3層から成る補強材3a〜3kを製造した。この場合の中間層若しくは厚さ付与層は、136tex のガラスヤーンのガラスフィラメント及びポリエチレンフィラメント(PE)(36tex のモノフィラメント)から成るニットである。全ての補強材におけるガラスとポリエチレンとの量比は、ガラス糸1に対してポリエチレンモノフィラメント3若しくは4である。また、補強材の全厚さは4〜5mmの範囲で変化する。厚さ付与層及び補強層の重量を以下の表1に示す。
【0062】
【表1】

【0063】
実施例4
実施例1及び比較例1による補強材の所定圧力下での厚さを比較した。本発明による補強材は、同一の圧力下において、約7%小さい圧縮性を示した。これらの補強材を異なる圧力下(真空下)において比較し、結果を以下の表2に示す。
【0064】
【表2】

【0065】
表2から明らかなように、本発明による補強材は620g/mの軽量化をもたらすと共に、加圧下でより小さな圧縮性を示すので、より薄い複合材とより優れた樹脂の移動性をもたらす。
【0066】
実施例3による補強材3a〜3kを使用することによって、同一の重量を有するガラスニットのみから成る厚さ付与層を具有する類似の補強材に比べて改良され耐圧縮性が得られた。
【0067】
実施例5
複合材製ヘルメットを、所謂「真空法密閉金型系」を用いて製造した。即ち、金型内へ第1フィルムを置き、次いで実施例2による補強材とポリエステル樹脂を該第1フィルム上に置いた。次いで、実施例2による補強材上へ第2フィルムを置き、第1フィルムと第2フィルの縁部を密着させた後、金型と第1の箔との間及び第1フィルムと第2フィルムとの間を真空化した。
【0068】
真空条件下において、上記の補強材を金型の形態に応じて成形化すると同時に、樹脂を補強材の外側の端部へ圧入させた。樹脂を補強材中へ含浸させた後(即ち、樹脂を厚さ付与層を通して補強層中へ導入させた後)、該樹脂を硬化させることによって、ヘルメット形態の成形化複合材を得た。
【0069】
実施例2による補強材の代わりに、比較例2による補強材を用いて上記の製造法を繰り返した。
【0070】
両方の複合材中へ樹脂が完全に含浸するのに必要な時間を測定し、結果を以下の表3に示す。
【0071】
【表3】

【0072】
表3に示す結果は、本発明による補強材が少なくとも次の3つの利点をもたらすことを示す:
1)製造時間が短縮される。
2)重量が比較品(1508g/m)に比べて軽い(1188g/m)にも拘わらず、より強い複合材が得られる。即ち、補強材の重量は、比較品の場合(600g/m)に比べて重い(900g/m)。
3)原料が節約されて、より低コストの製品が得られる。
【0073】
実施例3による補強材3a〜3kを使用することによって、ガラスニットから成る厚さ付与層を具有する同重量の補強材に比べて、短縮された樹脂含浸時間が得られた。
【0074】
実施例6
所謂「射出法密閉金型系」を用いて複合材を製造した。即ち、実施例2による補強材をヘルメット用密閉金型(キャビティ:3mm)内へ置き、金型を閉鎖した後、ポリエステル樹脂を加圧下で射出した。該樹脂を厚さ付与層を通して補強層内へ含浸させた後、該樹脂を硬化させることによって、ヘルメット形態の複合材を得た。
【0075】
実施例2による補強材の代わりに、比較例2による補強材を用いて上記の製造法を繰り返した。
【0076】
両方の複合材中へ樹脂が完全に含浸するのに必要な時間を測定し、結果を以下の表4に示す。
【0077】
【表4】

【0078】
表4に示す結果は、本発明による補強材が少なくとも次の3つの利点をもたらすことを示す:
1)製造時間が短縮される。
2)重量が比較品(1508g/m)に比べて軽い(1188g/m)にも拘わらず、より強い複合材が得られる。即ち、補強材の重量は、比較品の場合(600g/m)に比べて重い(900g/m)。
3)原料が節約されて、より低コストの製品が得られる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
複合材中の強化材として使用するのに適した補強材であって、少なくとも1種のモノフィラメントを含有するガラス繊維のニット形態状の少なくとも1つの単一の厚さ付与層及び該厚さ付与層に連接する少なくとも1つの単一の補強層を具有する該補強材。
【請求項2】
モノフィラメントがポリエチレン、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリアミド、合成材料及びこれらの任意の混合材料から成る群から選択されるモノフィラメントである請求項1記載の補強材。
【請求項3】
単一の厚さ付与層が0.5mm〜20mmの厚さを有する請求項1又は2記載に補強材。
【請求項4】
単一の厚さ付与層が1〜10mmの厚さを有する請求項1から3いずれかに記載の補強材。
【請求項5】
単一の厚さ付与層が25〜1500g/mの重量を有する請求項1から4いずれかに記載の補強材。
【請求項6】
単一の厚さ付与層が50〜1000g/mの重量を有する請求項1から5いずれかに記載の補強材。
【請求項7】
単一の補強層がガラス繊維、アラミド、カーボン、玄武岩、セラミック、ツインテックス、ガラスと熱可塑性樹脂との混合物、アマ、天然繊維、及びこれらの任意の混合物から成る群から選択される請求項1から6いずれかに記載の補強材。
【請求項8】
単一の補強層が不織布、織布又は膜である請求項1から7いずれかに記載の補強材。
【請求項9】
単一の厚さ付与層の単位体積当たりの重量が、単一の補強層の単位体積当たりの重量よりも軽い請求項1から8いずれかに記載の補強材。
【請求項10】
単一の厚さ付与層と単一の補強層がニッティング法、縫製法、ニードルパンチ法及び/又はこれらの任意の併用法によって相互に連結される請求項1から9いずれかに記載の補強材。
【請求項11】
ガラス繊維と少なくとも1種のモノフィラメントとのニット形態状の1つの単一の厚さ付与層が少なくとも2つの単一の補強層の間に介在して該補強層に連結される請求項1から10いずれかに記載の補強材。
【請求項12】
請求項1から11いずれかに記載の補強材を2又はそれよりも多く積み重ねた積層体を具有する補強ラミネート。
【請求項13】
請求項1から11いずれかに記載の補強材又は請求項12記載の補強ラミネートを具有する複合材。
【請求項14】
請求項1から11いずれかに記載の補強材又は請求項12記載の補強ラミネートを所望の形態に成形し、該補強材へ樹脂を含浸させ、次いで樹脂を硬化させることを含む複合材の製造方法。
【請求項15】
複合材を製造するために、少なくとも1種のポリマー製モノフィラメントを含有するガラス繊維のニットを使用する方法。

【公表番号】特表2007−530810(P2007−530810A)
【公表日】平成19年11月1日(2007.11.1)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2007−505499(P2007−505499)
【出願日】平成17年3月29日(2005.3.29)
【国際出願番号】PCT/EP2005/003369
【国際公開番号】WO2005/095696
【国際公開日】平成17年10月13日(2005.10.13)
【出願人】(506317211)サン−ゴバン・シンコグラス・ナムローゼ・フェンノートシャップ (1)
【氏名又は名称原語表記】Saint−Gobain Syncoglas N.V.
【Fターム(参考)】