(57)【要約】  強化繊維束と個々の強化繊維とから作られたチョップトストランドマットを提供する。該チョップトストランドマットは、予め定められた量の強化繊維束および/または予め定められた量の個々の強化繊維とを含むように加工して、該チョップトストランドマットの特定の特徴を選択し、また増強することを可能とする。少なくとも一つの態様において、該強化繊維は、湿式用途用のチョップトストランドマットである。該強化繊維は、少なくとも部分的にサイズ組成物で被覆されており、該組成物は、該マットの製造中、繊維束の保全性を維持し、かつ最終製品に、審美的に好ましい様相を与える、チョップトストランドマットを製造するための、後の加工段階において、該繊維束をフィラメント化するのを補助する。該チョップトストランドマット内における繊維束の維持は、従来の分散式の繊維マットよりも高い、単位体積当たりのガラス繊維含有率を与える。この高いガラス含有率は、改善された機械的並びに耐衝撃特性を、該最終製品に与える。
2009503284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
不織チョップトストランドマットであって、
第一の予め定められた量の、複数の個々の第一の強化繊維で作られた繊維束と；
第二の予め定められた量の、前記個々の第一の強化繊維とを含み、前記個々の第一の強化繊維が、少なくとも部分的にサイズ組成物で被覆されており、前記組成物は、前記チョップトストランドマットの製造中に、前記第二の予め定められた量で、前記個々の第一の強化繊維を、前記繊維束から選択的に分散させ、および
前記第一および第二の予め定められた量が、同一または異なっている、ことを特徴とする、不織チョップトストランドマット。
【請求項２】
前記サイズ組成物が、ポリウレタンフィルム形成剤、不飽和ポリエステルフィルム形成剤およびエポキシ樹脂フィルム形成剤の少なくとも1種から選択される、1またはそれ以上のフィルム形成剤；少なくとも一つのシランカップリング剤；および少なくとも一つの潤滑剤、を含むことを特徴とする、請求項1記載の不織チョップトストランドマット。
【請求項３】
前記フィルム形成剤がポリウレタンフィルム形成剤であり、また前記サイズ組成物が、更にポリウレタン-アクリル樹脂アロイをも含む、請求項2記載の不織チョップトストランドマット。
【請求項４】
前記フィルム形成剤が、エポキシ樹脂フィルム形成剤であり、また前記サイズ組成物が、更にエポキシ硬化剤をも含む、請求項2記載の不織チョップトストランドマット。
【請求項５】
前記フィルム形成剤が、不飽和ポリエステルフィルム形成剤であり、また前記サイズ組成物が、更にベンゾイルパーオキシド硬化触媒をも含む、請求項2記載の不織チョップトストランドマット。
【請求項６】
更に、第三の予め定められた量の、第二の個々の強化繊維をも含む、請求項2記載の不織チョップトストランドマット。
【請求項７】
後にチョップトストランドマットを最終的な製品に加工する際に、前記サイズ組成物が、前記繊維束を、前記複数の個々の第一の強化繊維にさらに分散するものである、請求項1記載の不織チョップトストランドマット。
【請求項８】
前記第二の予め定められた量が、実質的にゼロである、請求項7記載の不織チョップトストランドマット。
【請求項９】
更に、第三の予め定められた量の、第二の個々の強化繊維をも含む、請求項8記載の不織チョップトストランドマット。
【請求項１０】
強化繊維束および個々の強化繊維を含む、不織チョップトストランドマットを形成するための、湿式-堆積法であって、以下の諸工程：
少なくとも一部にサイズ組成物を含む、個々の第一の強化繊維で作られた、チョップト強化繊維束を乾燥し、前記第一の強化繊維上の前記サイズ組成物を固めて、第一の強化繊維の乾燥された束を形成する工程；
水性スラリー中で、第一の予め定められた量の、前記第一の強化繊維の乾燥された束を堆積させる工程；
前記スラリーを攪拌して、前記第一の強化繊維の束を分散させ、かつ前記第一の強化繊維束から、第二の予め定められた量の個々の第一の強化繊維を選択的に遊離させる工程；
前記第一の強化繊維束および前記個々の第一の強化繊維のウエブを製造する工程；
前記ウエブに、バインダ組成物を適用する工程；および
前記ウエブを加熱して、前記ウエブを乾燥し、かつ前記バインダ組成物を硬化させ、しかも前記第一の予め定められた量の前記第一の強化繊維束および前記第二の予め定められた量の前記個々の第一の強化繊維を含有する、チョップトストランドマットを形成する工程、
を含むことを特徴とする湿式-堆積法。
【請求項１１】
更に、第一の強化繊維を収集して、前記第一の強化繊維で作られた繊維束を得る工程と；
前記繊維束を、バラバラの長さに細断して、前記乾燥工程に先立って、前記チョップト強化繊維束を製造する工程とを含む、請求項10記載の湿式-積層法。
【請求項１２】
更に、第一の強化繊維を製造する工程と、
前記収集工程に先立って、前記サイズ組成物を、前記第一の強化繊維に適用する工程と、
を含む、請求項11記載の湿式-積層法。
【請求項１３】
前記サイズ組成物が、ポリウレタンフィルム形成剤、不飽和ポリエステルフィルム形成剤およびエポキシ樹脂フィルム形成剤の少なくとも1種から選択される、1種またはそれ以上のフィルム形成剤；少なくとも一つの潤滑剤；および少なくとも一つのシランカップリング剤を含む、請求項12記載の湿式-積層法。
【請求項１４】
前記乾燥工程が、前記チョップト強化繊維束を、誘電加熱オーブン、流動床オーブンおよび回転トレー加熱オーブンの少なくとも一つから選択されるオーブンに通す段階を含む、請求項10記載の湿式-積層法。
【請求項１５】
前記製造工程に先立って、前記水性スラリーに、個々の第二の強化繊維を添加する段階を更に含み、前記第二の強化繊維が、前記第一の強化繊維とは異なるものである、請求項10記載の湿式-積層法。
【請求項１６】
強化繊維束および個々の強化繊維を含む、不織チョップトストランドマットを形成するための、湿式-積層法であって、以下の諸工程：
少なくとも一部にサイズ組成物を含む、個々の第一の強化繊維で作られた、チョップト強化繊維束を乾燥し、前記第一の強化繊維上の前記サイズ組成物を固めて、第一の強化繊維の乾燥された束を形成する工程；
白水スラリーに、第一の予め定められた量の、前記第一の強化繊維の乾燥された束を添加する工程；
前記白水スラリーに、第二の予め定められた量の、個々の第二の強化繊維を添加する工程；
前記スラリーを攪拌して、前記第一の強化繊維束および前記個々の第二の強化繊維を、前記白水スラリー全体に分散させる工程；
前記第一の強化繊維束および前記個々の第二の強化繊維のウエブを製造する工程；
前記ウエブに、バインダ組成物を適用する工程；および
前記ウエブを加熱して、前記ウエブを乾燥し、かつ前記バインダ組成物を硬化させ、しかも前記第一の予め定められた量の前記第一の強化繊維束および前記第二の予め定められた量の前記個々の第二の強化繊維を含有する、チョップトストランドマットを形成する工程、
を含むことを特徴とする湿式-積層法。
【請求項１７】
更に、第一の強化繊維を収集して、前記第一の強化繊維で作られた繊維束を得る工程と；
前記第一の強化繊維束を、バラバラの長さに細断して、前記乾燥工程に先立って、前記チョップト強化繊維束を製造する工程とを含む、請求項16記載の湿式-積層法。
【請求項１８】
更に、第一の強化繊維を製造する工程と、
前記収集工程に先立って、サイズ組成物を、前記第一の強化繊維に適用する工程と、
を含む、請求項17記載の湿式-積層法。
【請求項１９】
前記サイズ組成物が、ポリウレタンフィルム形成剤、不飽和ポリエステルフィルム形成剤およびエポキシ樹脂フィルム形成剤の少なくとも1種から選択される、1種またはそれ以上のフィルム形成剤；少なくとも一つの潤滑剤；および少なくとも一つのシランカップリング剤を含む、請求項16記載の湿式-積層法。
【請求項２０】
前記乾燥工程が、前記サイズ剤で処理したチョップト強化繊維束を、誘電加熱オーブン、流動床オーブンおよび回転トレー加熱オーブンからなる群から選択されるオーブンに通す段階を含む、請求項19記載の湿式-積層法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には不織(non-woven)繊維マットに関連し、またより詳しくは個々の強化繊維と強化繊維束とから作られた、チョップトストランドマットに関するものである。該チョップトストランドマットの製法も、提供する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス繊維は、様々な科学技術において有用である。例えば、ガラス繊維は、通常、ガラス繊維で強化されたプラスチックまたは複合材料を生成するために、ポリマーマトリックスにおける強化材として使用される。ガラス繊維は、連続またはチョップトフィラメント、チョップトストランド、ロービング、織布、不織布、メッシュ、およびスクリム等の形状で使用して、ポリマーを強化する。
典型的に、ガラス繊維は、ブッシュまたはオリフィスプレートを通して、溶融ガラスを引抜いてフィラメントとし、また潤滑剤、カップリング剤、およびフィルム-形成バインダ樹脂を含有する水性サイズ組成物を、これらのフィラメントに適用することによって作られる。該サイズ組成物は、フィラメント間の磨耗から該繊維を保護し、また該ガラス繊維と該ガラス繊維を使用することになるマトリックスとの間の相溶性を高める。該サイズ組成物を適用した後、該湿潤繊維は、1またはそれ以上のストランドとして集められ、パッケージに巻き取られ、あるいはまた、該繊維は、また湿潤状態で繊細化され、かつ捕集される。次に、該捕集されたチョップトガラスストランドを、乾燥させ、かつ硬化して、乾燥チョップト繊維ストランドとすることができ、あるいは該繊維は、その湿潤状態のまま、湿潤チョップト繊維として包装しても良い。
【０００３】
繊維質不織強化材料の一形態である、繊維質マットは、多種の合成プラスチック複合体の強化材として極めて適している。乾燥したガラス繊維チョップトストランド(DUCS)は、一般的に熱可塑性物品における強化材料として使用される。これらの乾燥したチョップトガラス繊維は、従来の装置への供給が容易であり、乾式-積層法等の従来の方法において容易に利用できる。従来の乾式-積層法においては、乾燥されたガラス繊維を、細断し、コンベアまたはスクリーンに空気吹付けし、かつ固化して、マットに形成する。例えば、乾燥され、細断された繊維および/またはポリマー繊維を、空気中に浮遊させ、スクリーンまたは有孔のコンベア上に、粗いウエブとして集め、次いで固化して、ランダムに配向した繊維のマットを形成する。
湿潤チョップト繊維は、従来湿式-積層法において使用されており、この方法において、該湿潤チョップト繊維は、界面活性剤、粘度調整剤、消泡剤、および/または他の化学的薬品を含む水性スラリー中に分散される。該チョップトガラス繊維を、該スラリーに導入した後、該スラリーを激しく攪拌して、該繊維を分散させる。該繊維を含有するスラリーを、移動するスクリーン上に堆積させ、そこで該スラリー中の水の実質的な部分を除去して、ウエブを生成する。次いで、バインダを適用し、得られるマットを乾燥して、全ての残留水分を除去すると共に、該バインダを硬化する。該生成する不織マットは、分散された、個々のガラスフィラメントのアセンブリーである。湿式-積層法は、典型的に、繊維および/または質量の均一な分布が望まれる場合に利用される。
【０００４】
他方、乾式-積層法は、高度に多孔質のマット(例えば、低密度のマット)を製造するのに特に適しており、また様々な液体または樹脂の迅速な浸透を可能とするために、該マットにおいて開放構造が望ましい場合に適している。湿式-積層法によるマットとは異なり、乾式-積層法によるマットは、繊維束で形成され、また結果的に湿潤-積層マットよりも高い坪量を持つことができる。従来のチョップトストランドマットは、図1に絵画状に描かれている。不幸なことに、従来の乾式-積層法は、特に従来の湿式-積層法により製造したマットと比較した場合に、該マットの表面積全体に渡る均一な質量分布を持たない、マットを生成する傾向がある。更に、乾燥チョップト繊維の使用は、湿式-積層法で使用される湿潤チョップト繊維よりも、処理により多くの経費を要する。というのは、該乾燥チョップト繊維は、一般に乾燥されており、また細断する前に、別の段階において包装されるからである。
複合部品の製造における、幾つかの強化用途に対しては、開放型の、多孔質構造を含んでおり(乾式-積層法における如く)、しかも均一な質量を持つ(湿式-積層法における如く)、繊維マットを形成することが望ましい。この点に関連して、湿式-積層および乾式-積層マット両者の望ましい特徴を含む、マットを製造しようとの試みにおいて、個々のガラス繊維(湿式-積層法で見られるように)およびガラス繊維束(乾式-積層法で見られるように)両者を含む、繊維質マットが製造されてきた。これらマットの幾つかの例を、以下に説明する。
【０００５】
Hannes等に付与された米国特許第4,112,174号および同第4,129,674号は、モノフィラメント繊維製のウエブおよびランダムに配向したパターンで、該ウエブ全体に散在する、延伸したガラス繊維束から製造した、ガラスマットを開示している。該ガラス繊維束は、好ましくは約20〜300本のモノフィラメントを含む。該繊維マットは、湿式-積層法により作られる。基本となる繊維および強化繊維を含有する、水性スラリーが、その固形分含有率が低くなるように製造される。該スラリーを、移動するスクリーン上に堆積させ、そこで該スラリー中の水の大部分を除去して、ウエブを生成する。モノフィラメントと延伸したガラス繊維束とのウエブを形成した後、バインダ物質を添加して、該モノフィラメント繊維および強化繊維束を一緒に維持するのを補助する。次いで、該ウエブを、乾燥機に通して、全ての残留水を蒸発させ、かつ該バインダを硬化させる。
【０００６】
Bodoc等に付与された米国特許第4,200,487号および同第4,242,404号は、個々のガラスフィラメントおよび伸張されたガラス繊維エレメントを含む、ガラスマットを記載している。このマットは、湿式-積層法で作られる。該個々のフィラメントは、該繊維束の公知のフィラメント化により出現する。該伸張されたガラス繊維エレメントは、繊維が長手方向に結合している、与えられた束の長手方向への伸張によって形成される。特に、該白水(white water)スラリー中での攪拌中に、該繊維束から、幾分かの繊維が、フィラメント化される(個々のフィラメントを形成)。次いで、部分的にフィラメント化された繊維束(または元のフィラメント化されていない束)における残りの繊維は、摺動し、長手方向に結合して、伸張されたガラス繊維エレメントを生成する。結果的に、該繊維エレメントは、該個々の繊維の長さを越える、有効長さを持つ。更に、該繊維エレメントは、該繊維エレメントの端部における径よりも大きな、その中央部における径を持つ。該ガラス繊維エレメントは、該マットの高い強度特性に寄与し、かつ該個々のフィラメントが、シングル屋根板の製造において、アスファルトを含浸するために必要な均一な緻密性を与えるものと主張している。
【０００７】
Beer等に付与された米国特許第5,883,021号は、マット全体に渡り均一に分布した、ガラスモノフィラメントとガラス繊維ストランドとを含む、真空成型-適性マットを開示している。好ましくは、該ガラスモノフィラメントは、全固形分を基準として、約30〜99質量％なる範囲の量で存在する。更に、該ガラスモノフィラメントの少なくとも一部は、該ガラス繊維ストランドと絡み合っている。該ガラス繊維ストランドは、分離に対して抵抗性の、約5〜150本の一般的に平行で凝集性の、ガラス繊維モノフィラメントを含むことができる。該繊維マットは、空気-積層法で作られている。
Martine等に付与された米国特許第5,883,023号は、不連続のガラスモノフィラメントおよび不連続のガラス繊維ストランドを含む、ニードルドマットを記載している。該ガラスモノフィラメントは、全固形分を基準として、少なくとも約30質量％〜約99質量％なる範囲の量で、該マット中に存在する。該ガラス繊維ストランドは、少なくとも約100本の、一般的に平行なガラス繊維モノフィラメントを含む。該ガラスモノフィラメントおよび該ガラス繊維ストランドは、該マット全体に渡り、実質上均一に分布している。該マットは、空気-積層法で作られている。
Jaffee等に付与された米国特許第6,187,697号は、(1) 本体部分の層および(2) 微細な繊維および/または粒子を含む、表面部分の層で構成される、二層繊維マットを記載している。これらの層は、樹脂バインダによって、相互に結合されている。好ましくは、該表面層内の大部分の該粒子および/または繊維は、該マットの本体部分の繊維間の開口よりも大きい。このマットは、湿式-積層法による不織マット製造装置で作られている。
【０００８】
Rokman等に付与された米国特許第6,767,851号および米国特許出願第2002/0092634号は、繊維の少なくとも20％が、一束当たり約5〜450本の繊維含む繊維束として存在する、不織マットを開示している。好ましい一態様において、該マット内の、少なくとも85％の繊維が、束形状で存在する。該繊維は、実質的に水不溶性のサイズ剤、例えばエポキシ樹脂またはPVOHにより、該繊維束内に維持されている。更に、該繊維束は、少なくとも10％の、強化繊維、例えばガラス繊維を含むことができる。該マットは、発泡法または水中法(water process)によって作ることができるが、発泡法が好ましい。特に、繊維スラリーは、液中または発泡法で作られ、そこでは、該スラリー中の繊維の少なくとも20％が、水不溶性のサイズ剤により一緒に維持された繊維束である。バインダは、該スラリーに添加することができ、発泡体または水を、該スラリーから除去して、ウエブを生成し、また該バインダを、後に硬化して、生成するマットの保全性を高めることができる。
乾式-積層および湿式-積層マットの特徴を含む、改善されたマットを製造しようとの試みにも拘らず、当分野においては、実質的に均一な質量分布を持ち、かつ開放型の、多孔質構造を有し、従来の湿式-積層および乾式-積層法の諸欠点を克服する、強化複合部品の製造において使用できる、不織マットを製造するための、コスト効率の良い、効果的な方法に対する要求がある。
【発明の開示】
【０００９】
本発明の目的の一つは、強化繊維束および個々の強化繊維両者を含む、チョップトストランドマットを提供することにある。該チョップトストランドマットは、様々な量の強化繊維束および/または個々の強化繊維を用いて製造し、該チョップトストランドマットの特定の特徴を選択し、もしくは強化することができる。更に、該チョップトストランドマットは、予め定められた量の強化繊維束および個々の強化繊維を含むように処理(調節)して、所定の比および質量分布を持つマットを製造することができる。該強化繊維束中に存在する繊維の特定の数は、該チョップトストランドマットの特定の用途、および該マットの所定の強度および厚みに依存するであろう。該強化繊維束は、約20〜約75g/kmなる範囲内のバンドルテックスを持つことが好ましい。該チョップトストランドマットにおいて使用するのに適した該強化繊維は、ガラス繊維、ウールガラス(wool glass)繊維、天然繊維、無機繊維、炭素繊維、およびセラミックス繊維を包含する。該強化繊維は、少なくとも部分的にサイズ組成物によって被覆されており、該組成物は、該マットの製造中における繊維束の保全性を維持し、かつ後の処理工程において該束のフィラメント化を助けて、最終製品に、審美的に好ましい様相を与える。該サイズ組成物は、乾燥繊維上に、約0.05〜約2.0％なる範囲の、強熱減量(Loss on Ignition; LOI)を持つように、該繊維に適用することができる。該チョップトストランドマット内の繊維束の保持は、従来の分散された繊維マットよりも高いガラス含有率を持つマットを生成する。結局、この高いガラス含有率は、該最終製品に、改善された機械的および耐衝撃特性をもたらす。
【００１０】
同様に、強化繊維束および個々の強化繊維で作られた、チョップトストランドの製造方法を提供することも、本発明の目的の一つである。ガラス繊維は、少なくとも部分的にサイズ組成物で被覆されており、該サイズ組成物は、少なくとも1種のフィルム形成剤(例えば、ポリウレタンフィルム形成剤、不飽和ポリエステルフィルム形成剤およびエポキシ樹脂フィルム形成剤)；潤滑剤(例えば、ルベサイズ(Lubesize) K-12)；およびシランカップリング剤(例えば、アミノシラン)を含む。場合により、弱酸(例えば、酢酸)を添加して、該シランカップリング剤の加水分解を助けることができる。該サイズ組成物は、該マットの製造中における、繊維束の保全性を維持し、かつ後の処理段階における該繊維束のフィラメント化を可能とする。該繊維を該サイズ組成物で処理した後、該繊維をその束として集め、バラバラの長さに細断し、また乾燥する。好ましくは、該繊維束は、誘電加熱オーブンまたはクラテック(CratecTM)オーブン内で乾燥する。該乾燥した繊維束を、界面活性剤、粘度改良剤、および/または他の化学的薬品を含む水性スラリー中に分散させ、かつ攪拌する。少なくとも一つの例示的態様において、該ガラス繊維束が、該スラリー中で攪拌された場合に、該ガラス繊維束の幾分かは、個々のガラス繊維を放出する。もう一つの例示的態様において、該繊維束を、該サイズ組成物で処理して、殆どのまたは全ての繊維が、攪拌中に、該繊維束から、該スラリー中に分散しないようにすることができる。この態様において、個々の繊維を、既知の量で該白水スラリーに添加して、所定の形態を持つチョップトストランドマットを製造することができる。該スラリー中に存在する個々の繊維の量は、調節することができるので、該チョップトストランドマットは、特定用途の要件を満たすように、微調整することができる。次いで、該スラリーを、移動しているスクリーン上に堆積させ、そこでその水分の大部分を除去して、ウエブを形成し、バインダを適用し、また該ウエブを乾燥して残留している水分を除去し、かつ該バインダを硬化する。この生成した不織チョップトストランドマットは、予め定められた量のランダムに分散された、個々のガラス繊維およびガラス繊維束のアセンブリーである。
【００１１】
本発明の更なる目的の一つは、該繊維を束状態に維持するための、フィルム形成剤繊維対繊維間の磨耗を減じるのに役立つ潤滑剤、および該積層樹脂マトリックスに、該ガラス繊維を結合するためのシランカップリング剤を含むサイズ組成物を提供することにある。該サイズ組成物において有用な化学物質の非-限定的な例は、ポリウレタンフィルム形成剤、エポキシ樹脂フィルム形成剤および不飽和ポリエステルフィルム形成剤；潤滑剤、例えばルベサイズ(Lubesize) K-12(AOCから入手できるステアリン酸エタノールアミド)およびPEG 400 MO(コグニス社から入手できるモノオレエートエステル)；およびシラン、例えばアミノシランを含む。該マットを製造する際における、繊維束の保全性を維持する上で効果的な、適当なサイズ組成物の具体的な例は、アミノシラン(および場合により、ポリウレタン-アクリルアロイ)との組合わせによる、ウレタンを主成分とするフィルム形成性分散液および複数のエポキシ硬化剤(および場合により、一種のエポキシ硬化剤)との組合わせによる、エポキシを主成分とするフィルム形成性分散液を含む。
【００１２】
繊維束の保持により、該チョップトストランドマットが、従来の分散された繊維マットよりも高い、単位体積当たりのガラス含有率を持つことを可能とすることは、本発明の利点の一つである。
該チョップトストランドマットを構成する該ガラス繊維が、一段階法によって形成され、かつ細断されることも、本発明の利点の一つである。
また、該チョップトストランドマットに付与された、該高いガラス含有率が、該最終製品において、改善された機械的特性および耐衝撃性並びにより高い保全性をもたらすことは、本発明のもう一つの利点である。
該チョップトストランドマットを使用して、二次的なベールを適用する必要なしに、ダクトライナーおよび天井タイル等の製品に対する表面処理を行うことができることも、本発明の更なる利点の一つである。
該チョップトストランドマットの最終的な形状を、化学的およびまたは機械的な方法によって調節して、該チョップトストランドマットにおける、該繊維ストランドおよび繊維束の分散範囲を与えることができることも、本発明の更なる利点の一つである。
本発明の上記並びに他の目的、特徴および利点は、以下の詳細な説明を考察することによって、より一層明らかとなるであろう。しかし、添付図面は例示の目的で与えられるものであり、本発明の範囲を規定するものではないことを、特に理解すべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の利点は、以下の本発明の詳細な説明、特に添付図面と組合わせて、考察した場合に、明らかになるであろう。
特に定義されない限り、ここで使用する全ての技術的並びに科学的な用語は、本発明の属する分野における当業者によって、通常理解されているものと同一の意味を持つ。ここに記載するものと類似しあるいは同一の、あらゆる方法および材料が、本発明の実施並びにそのテストにおいて使用できるが、好ましい方法並びに材料について、ここでは記載する。
図面において、ライン、層、並びに領域の厚みは、明確化の目的で、誇張されたものであり得る。これら図面全体に渡って見られる、同様な参照番号は、同様なエレメントを表す。あるエレメントが、もう一つのエレメント「上に」あるものと述べられている場合、前者は、後者の上に、またはそれに対して直接載置でき、あるいは介在エレメントが存在し得るものと理解すべきである。用語「強化(reinforcement)繊維」および「強化している(reinforcing)繊維」とは、ここでは互換的に使用できる。更に、用語「サイジング(剤)」、「サイズ(剤)」、「サイジング(剤)組成物」および「サイズ(剤)組成物」とは、ここでは、互換的に使用できるものとする。
【００１４】
本発明は、強化繊維束およびバラバラ(discrete)(例えば、個々)の強化繊維で作られている、チョップトストランドマット、およびこのようなマットの製造方法に関する。一般的に図2に示したように、該チョップトストランドマット10は、ランダムな配向状態で、該チョップトストランドマット10全体に渡り配置された、強化繊維束12および個々の強化繊維14を含んでいる。該チョップトストランドマット10は、従来の乾式-積層マットにおいて見られる典型的な繊維束である、開放型多孔質構造と、従来の湿式-積層ベールにおいて見られる、個々の繊維またはフィラメントの、典型的な最密充填式アレイである、透過性の低い構造との組合せである。
該チョップトストランドマット10は、様々な量の強化繊維束12および/または個々の強化繊維14を用いて製造し、該製造されたチョップトストランドマット10は、乾式-積層法および湿式-積層法両者の望ましい特徴の組合せを持ち、また乾式-積層または湿式-積層マットの特定の特徴を、選択的に強化することを可能とする。該チョップトストランドマット10は、低いロフトの、不織マットであり、該マットは、高い構造的な保全性、高い引張強さ、または高い破裂強さを必要とする無数の用途、例えばルーフィング、建造物、および自動車製品、ドア表面材、ボート船体、テーブル表面材、給仕盆、容器、繊維絶縁用の強化表面処理、およびダクトライナー製品において使用することができる。
【００１５】
該強化繊維は、良好な構造特性および耐久性を与えることのできる、任意の型の有機、無機または天然繊維であり得る。適当な強化繊維の例は、ガラス繊維、ウールガラス繊維、天然繊維、無機繊維、炭素繊維、およびセラミックス繊維を包含する。本発明との関連で使用する、該用語「天然繊維」とは、茎、種子、葉、根、または靭皮を包含するが、これらに限定されない、植物の任意の部分から抽出した植物繊維を意味する。該チョップトストランドマットを構成する該強化繊維は、一種のみの型の強化繊維(例えば、ガラス繊維)を含むことができ、あるいはまた2以上の型の強化繊維を、該チョップトストランドマットの製造において使用することができる。該チョップトストランドマットに、合成繊維またはポリマー樹脂、例えばポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン等を含めることは、本発明の範囲内に含まれるものと考えられる。合成繊維またはポリマー樹脂を使用して、一段階法において、被覆され、あるいは充填されたチョップトストランドマットのプリフォームを製造することができ、該マットのプリフォームは、次いで一般的にシート成型コンパウンドと呼ばれる、このようなプリフォームを用いる従来の厳密な成型法において使用できる。更に、該チョップトストランドマットにおける合成繊維の存在は、該マットの引張強さを高める可能性がある。
【００１６】
好ましい一態様においては、該強化繊維全てが、ガラス繊維である。任意の型のガラス繊維、例えばA-型ガラス繊維、C-型ガラス繊維、E-型ガラス繊維、S-型ガラス繊維、AR-型ガラス繊維、ECR-型ガラス繊維(例えば、オーエンスコーニング社から、市販品として入手できる、アドバンテックス(AdvantexTM)ガラス繊維)、あるいはこれらの改良品を、該強化繊維として使用することができる。少なくとも一つの好ましい態様において、該強化繊維は、湿式用途用チョップトストランドガラス繊維(WUCS)である。強化繊維として使用するための湿式用途用チョップトストランドガラス繊維は、当分野において公知の方法によって製造できる。該湿式用途用チョップトストランドガラス繊維は、約5〜30％なる範囲の含水率を持つことが望ましく、約5〜約15％なる範囲の含水率を持つことがより一層望ましい。更に、該単一の強化繊維の存在は、該バインダを硬化する前の、該マットの湿潤強度を改善する。
【００１７】
該強化繊維束12および個々の強化繊維14を構成する該強化繊維は、約0.635cm(約0.25 in)〜約7.62cm(約3.0 in)なる範囲、および好ましくは約0.635cm(約0.25 in)〜約3.175cm(約1.25 in)なる範囲の長さを持つチョップト繊維であり得る。更に、該強化繊維は、約8〜約23μmなる範囲、好ましくは約12〜約16μmなる範囲の径を持つことができる。更に、該強化繊維は、該チョップトストランドマット内で、相互に変動する長さおよび径を持つことができる。該強化繊維は、該チョップトストランドマット10内にて、該最終製品の約0〜約99質量％なる範囲内の量で、繊維束12および個々の繊維14として存在し得る。
【００１８】
更に、該チョップトストランドマット10は、約0〜約100質量％(全繊維を基準として)なる範囲の強化繊維束および約0〜約100質量％(全繊維を基準として)なる範囲の個々の強化繊維で作られたものであり得る。該個々の繊維14および該強化繊維束12の相対的な量は、該チョップトストランドマット10の所定の用途に依存して変動するであろう。例えば、表面特性に対する要求が低く、かつ構造上の要求が高い用途(例えば、ボート船体)においては、極めて多数の強化繊維束12(例えば、≧約95質量％)が、該チョップトストランドマット10内に存在し得る。あるいはまた、構造上の要求は低く、かつより表面的要求の高い成分、例えば表面トレイまたは自動車の部分棚に関しては、該チョップトストランドマット10は、より大量の個々の繊維(例えば、≧約30質量％)を含むことができる。
【００１９】
該チョップトストランドマット10は、以下に記載するような湿式-積層法によって製造することができる。この例示的な方法は、好ましい態様に関連して説明されることに注意すべきであり、該態様において、該強化繊維はガラス繊維である。当分野において公知の如く、ガラス繊維は、ブッシュまたはオリフィスからの、溶融ガラス材料の流れを繊細化することによって、製造できる。水性サイズ組成物は、該繊維が該ブッシュから引抜かれた後に、該繊維に適用される。このサイズ剤は、塗布ロールにより、または該サイズ剤を直接該繊維に適用することによって塗布できる。一般的に、該サイズ剤は、後の処理中に、該繊維をその破壊から保護し、フィラメント間の磨耗を遅延させ、またガラス繊維ストランドの保全性を、例えば該ストランドを構成する該ガラスフィラメントの相互の結合性を保証する。
【００２０】
本発明において、該ガラス繊維上のサイズ剤は、該繊維束を該白水スラリーに添加する前に、また該束が、該白水スラリーに添加され、かつ以下に記載するように、該湿式-積層法において攪拌される場合に、該繊維束の製造並びに処理中の、繊維束の保全性を維持する。更に、該チョップト繊維上のサイズ剤は、後の加工段階(例えば、該チョップトストランドマットの成型)における、該チョップトストランドマット内の該束を、フィラメント化し、審美的に快適な仕上がりを持つ製品を製造する上で役立つ。該サイズ組成物は、最終製品を製造するための後の加工段階中の、該繊維束の迅速なフィラメント化、および結果としての該繊維の迅速な浸潤を可能とする。該強化繊維の選択的な分散は、該サイズ組成物中の成分および/または該ガラス繊維に適用する該サイズ組成物の量の選択によって達成できる。
【００２１】
該サイズ組成物は、該繊維を束状態に維持するための、1種またはそれ以上のフィルム形成剤、繊維-対-繊維間の磨耗を減じるのに役立つ、潤滑剤および該ガラス繊維を、該積層樹脂マトリックスに結合するためのシランカップリング剤を含む。必要な場合には、弱酸、例えば酢酸、ホウ酸、メタホウ酸、琥珀酸、クエン酸、蟻酸および/またはポリマー酸、例えばポリアクリル酸を該サイズ組成物に添加して、該シランカップリング剤の加水分解を補助することができる。該サイズ組成物は、乾燥繊維上で、約0.05〜約2.0％なる範囲の強熱減量(LOI)を持つように、該繊維に適用される。LOIは、該ガラス繊維表面上に堆積した、有機固形分の割合として定義できる。
【００２２】
フィルム形成剤は、強化繊維間に改善された接着性を生じ、また改善されたストランドの保全性をもたらす薬剤である。本発明において使用するための適当なフィルム形成剤は、ポリウレタンフィルム形成剤、エポキシ樹脂フィルム形成剤および不飽和ポリエステルフィルム形成剤を含む。フィルム形成剤の具体的な例は、ポリウレタン分散液、例えばネオキシル(Neoxil) 6158(DMSから入手できる)、ポリエステル分散液、例えばネオキシル2106(DMSから入手できる)、ネオキシル9540(DMSから入手できる)、およびネオキシルPS 4759(DMSから入手できる)；およびエポキシ樹脂分散液、例えばPE-412を(AOCから入手できる)、NX 9620(DMSから入手できる)、ネオキシル0151(DMSから入手できる)、ネオキシル2762(DMSから入手できる)、NX 1143(DMSから入手できる)、およびAD 502(AOCから入手できる)含むが、これらに限定されない。該フィルム形成剤は、該サイズ組成物中に、その活性固形分を基準として、約5〜約90質量％なる範囲の量で、好ましくは該活性固形分を基準として、約40〜約80質量％なる範囲の量で存在することができる。
【００２３】
該サイズ組成物は、1種またはそれ以上のシランカップリング剤を含む。シランカップリング剤は、該ガラス繊維への該フィルム形成コポリマーの接着を増強し、また後の加工中の、毛羽立ち、あるいは破壊された繊維フィラメントのレベルを減じる。本発明のサイズ組成物において使用できる、シランカップリング剤の例は、アミノ、エポキシ、ビニル、メタクリルオキシ、ウレイド、イソシアノ、およびアザミド基等の、その官能基によって特徴付けることができる。該サイズ組成物において使用するのに適したカップリング剤は、市販品として入手できるもの、例えばγ-アミノプロピルトリエトキシシラン(ジェネラルエレクトリック(General Electric)社から入手できるA-1100)、およびメタクリロキシプロピルトリエトキシシラン(ジェネラルエレクトリック社から入手できるA-174)である。該アミノシランカップリング剤は、該サイズ組成物中に、該組成物の活性固形分の質量を基準として、約5〜約30質量％なる範囲、より一層好ましくは該活性固形分の質量に対して、約10〜約15質量％なる範囲の量で存在する。
【００２４】
更に、該サイズ組成物は、製造を容易にするために、少なくとも一つの潤滑剤を含むことができる。該潤滑剤は、該サイズ組成物中の活性固形分の質量を基準として、約0〜約15質量％なる範囲の量で存在し得る。好ましくは、該潤滑剤は、該活性固形分を基準として、約5〜約10質量％なる範囲の量で存在する。任意の適当な潤滑剤を使用することができる。該サイズ組成物において使用するのに適した潤滑剤は、取引名ルベサイズ(Lubesize) K-12(AOCから入手できる)として市販されているステアリン酸エタノールアミド、および約400個のエチレンオキシド基を持つモノオレエートエステル：PEG 400 MO(コグニス社から入手できる)を含むが、これらに限定されない。
幾つかの化学薬品群の組合せが、該白水スラリー中で、該繊維束を、繊維束状態に維持する上で特に効果的であることを見出した。例えば、アミノシラン、例えばγ-アミノプロピルトリエトキシシラン(ジェネラルエレクトリック社によりA-1100として市販されている)と組合わせた、ウレタンを主成分とするフィルム形成性分散液が、該繊維束を一緒に保持するための、該サイズ組成物において有効である。該ウレタンを主成分とするサイズ組成物にポリウレタン-アクリル樹脂アロイ等の添加剤の添加が、繊維束の保全性を維持する上で役立つことをも見出した。
【００２５】
更に、エポキシ硬化剤と組合わせた、エポキシを主成分とするフィルム形成性分散液が、本発明において使用するのに有効なサイズ組成物である。特に、エポキシを主成分とするフィルム形成剤、例えばエピ-レズ(Epi-Rez) 5520およびエポキシ硬化剤、例えばレゾリューションパフォーマンスプローダクツ(Resolution Performance Products)社から入手できるDPC-687は、特にメタクリロイルオキシシラン、例えばメタクリロキシプロピルトリエトキシシラン(ジェネラルエレクトリック社によりA-147として市販されている)との組合せで、有効なサイズ組成物を生成する。
更に、不飽和ポリエステルフィルム形成剤は、有用なサイズ組成物を製造する上で有効であることが分かっている。例えば、PE-412(水中に乳化された、不飽和ポリエステルのスチレン分散液(AOC))またはネオキシル(Neoxil) PS 4759(DMS社から入手できる)等の不飽和ポリエステル樹脂フィルム形成剤は、本発明において使用するのに有効なサイズ剤である。不飽和ポリエステルフィルム形成剤は、単独で、またはベンゾイルパーオキシド硬化触媒、例えばベノックス(Benox) L-40LV(ノラックカンパニー社(Norac Company, Inc.)から入手)と組合わせて使用できる。該ベンゾイルパーオキシド硬化触媒は、該不飽和ポリエステル樹脂の硬化反応を触媒し、かつ該ガラス繊維を取巻く該フィルムを耐水性とする。
【００２６】
使用する該サイズ組成物は、場合により、消泡剤、例えばドゥルー(Drew) L-139(アシュランドケミカル(Ashland Chemical)社の一部門である、ドゥルーインダストリーズ(Drew Industries)社から入手)、静電防止剤、例えばエマースタット(Emerstat) 6660A(コグニス社から入手できる)、界面活性剤、例えばスルフィノール(Sulfynol) 465(エアープローダクツ(Air Products)社から入手できる)、トライトン(Triton) X-100(コグニス社から入手できる)および/または増粘剤を包含する、公知の添加剤を含むことができる。添加剤は、該サイズ組成物中に、痕跡量(例えば、該活性固形分質量の<約0.1質量％)から、該活性固形分質量基準で、約5質量％までの量で存在し得る。
該繊維を該サイズ組成物で処理した後、該繊維を繊維束として集め、これをバラバラの長さに細断する。該繊維束は、相互に実質的に平行な配向にて配置された、複数のチョップトガラス繊維で作られている。該強化繊維束中に存在する個々の繊維の特定の数は、該チョップトストランドマットの特定の用途および該マットの所定の強度および厚みに依存して変動するであろう。該強化繊維束は、約20〜約500g/kmなる範囲、好ましくは約20〜約75g/kmなる範囲、およびより一層好ましくは約30〜約50g/kmなる範囲のバンドルテックスを持つことができる。
【００２７】
湿った、サイズ材処理したチョップトガラス繊維は、次いで乾燥され、該サイズ組成物を強化または固化する。好ましくは、該繊維束は、公知の誘電加熱(RF)オーブン、流動床オーブン、例えばクラテック(CratecTM)オーブン(オーエンスコーニング(Owens Corning)から入手できる)、または標準的な回転トレー加熱オーブン内で乾燥される。該水の実質的全てを該乾燥オーブンによって除去する。ここで使用するフレーズ「実質的に全ての水」とは、該繊維束からの遊離水の全てまたは実質的に全てを、除去することを意味するものであることに注意すべきである。例示的な態様において、遊離水(即ち、該強化繊維の外部にある水)の約99％を越える量を除去する。次いで、該乾燥した繊維束を、界面活性剤、粘度改良材、または他の化学的試薬を含む、水性スラリーに分散させ、また該スラリー全体に、該強化繊維束を分散させる。チョップト強化繊維束を別々に形成し、該水性スラリーに投入することが可能であることを理解すべきである。
【００２８】
少なくとも一つの例示的態様において、該ガラス繊維束は、該スラリー中で攪拌されるので、該ガラス繊維束の幾分かは、個々のガラス繊維を遊離する。これら個々のガラス繊維は、該スラリー全体に渡り、該繊維束と共に分散される。付随的な型の強化繊維が、最終製品において望まれる場合には、該遊離した繊維に加えて、他の型の個々の強化繊維を、該スラリーに添加することができる。該分散液の量、または遊離された個々の繊維の量は、少なくとも該サイズ組成物中の該特定のフィルム形成剤、該白水化学物質、および該マット形成条件の関数である。例えば、該繊維束がミキサにより、混合タンク内で受ける剪断の量、該繊維束が、該白水スラリー中に滞留する時間の長さ、乾燥/硬化オーブンで処理する前の、水分の一部を除去するための減圧の程度、および該乾燥/硬化オーブンによって適用される熱の量は、個々の繊維が、該繊維束から有利または分散するか否かに影響を及ぼすはずである。更に、該サイズ組成物の構成成分または個々の成分は、場合により遊離される繊維の量に影響を与える。
【００２９】
該サイズ剤のフィルム形成成分は、どの程度のフィラメント化(該繊維束からの繊維の分散)を生じるかの主要な動因である。特に、該ガラス繊維上に存在するフィルム形成剤の型および量の両者は、該ガラス束のフィラメント化の程度決定において重要な役割を演じている。該ガラス繊維に適用された、該フィルム形成剤は、該繊維束がその束状態を維持する場合に使用することになる処理に対して、耐性であるべきである。例えば、熱硬化性のフィルム形成剤、例えばエポキシ樹脂フィルム形成剤を、該サイズ剤において使用し、また該ガラス繊維に適用(これは、その後束状にされ、また該サイズ剤は乾燥オーブン内で硬化される)した場合、該束状にしたガラス繊維は、極めて低いフィラメント化傾向を示す。というのは、該フィルム形成剤は、架橋され、また一般的に防水性であるからである。他方、極めて少量のフィルム形成剤を該サイズ剤に添加し、該ガラスストランドに適用した場合、該フィルム形成剤が、例えばエポキシフィルム形成剤の如く、通常優れた耐水性を示す場合においてさえ、少量のフィルム形成剤が、該繊維束のフィラメント化を可能とし、また個々の繊維の遊離を可能とする恐れがある。なんとなれば、該サイズ剤の被膜が、該繊維束を完全に覆っている訳ではないからである。水溶性のフィルム形成剤、例えばポリビニルアセテートは、どんなにフィルム形成剤を該サイズ剤に添加し、また該ガラス繊維に適用しようとも、該サイズ剤の水溶性のために、該繊維束のフィラメント化を可能としてしまうであろう。
【００３０】
更に、該シランカップリング剤および潤滑剤は、該繊維束から遊離する繊維の量に影響を及ぼす可能性がある。例えば、メタクリロキシシランカップリング剤、例えばジェネラルエレクトリック社から入手できるA-174等は、硬い、フィラメント化を起こし難い繊維束を生成する可能性がある。他方、潤滑剤の存在は、被覆を水に影響されやすいものとすることにより、該繊維束のフィラメント化(filimentize)傾向を強める可能性がある。従って、機械的なマット形成条件および/または該サイズ組成物の成分および/またはその量を変更することにより、チョップトストランドマットは、予め定められた量の繊維束および個々の繊維を用いて形成(加工)し得る。
【００３１】
もう一つの態様においては、該繊維束を、該サイズ組成物で処理して、該繊維が、攪拌中に該白水スラリーから全くまたは実質上殆ど分散しないようにすることができる。該用語「実質上殆ど」とは、ここでは個々の繊維の全て、または殆ど全てが、該繊維束から遊離しないことを表すものとする。例えば、また上述の如く、該ガラス繊維は、該繊維に適用されたサイズ剤が、架橋性のフィルム形成剤、例えばエポキシ樹脂フィルム形成剤を含む場合に、該マット製造工程全体に渡り、束状態に維持することができる。というのは、加熱中に、該架橋性のフィルム形成剤が、該繊維束を、耐水性とするからである。この別途の態様において、個々の繊維を、既知の、予め定められた量で、該白水スラリーに添加して、所定の形態を持つチョップトストランドマットを製造することができる。強化繊維を用いて該繊維束を形成する場合、該スラリーに添加された該個々の繊維は、約0.635cm(約0.25 in)〜約7.62cm(約3 in)なる範囲のチョップト繊維長さを持つことができる。更に、該スラリーに添加された該個々の繊維は、所望の最終製品に依存して、該繊維束を形成する該強化繊維と同一であっても、またこれとは異なっていても良い。該スラリーに添加された該個々の繊維の量は調節できるので、該チョップトストランドマットは、特定の用途に合うように細かく調節することができる。例えば、十分な単一繊維を、該白水スラリーに添加して、高い引張強さを持つが、生成するマットから積層体を製造した際に、迅速な樹脂による浸潤のための要件を満たし得る、該マットを製造することができる。一般に、該白水スラリー中に存在する該個々の繊維の質量割合が高いほど、該最終的なチョップトストランドマットの浸潤が遅くなるが、これは、該浸潤すべき該繊維の表面積が、全体的により高いことによるものであろう。
【００３２】
該白水における透過性または分散度を選択的に調節することによって、様々なフィラー、例えば炭酸カルシウム、タルクおよび/または他の周知の無機および/または有機フィラーの導入を可能とするように、該マットを加工することができる。フィラーの選択は、特定の用途に対して特異的であり得、また該チョップトストランドマット10内に配合された特定のフィラーは、幾つかの特性、例えば電気的抵抗、および/または導電性、または該チョップトストランドマット10の生分解性を高めるように選択することができる。該分散度は、これらフィラーまたは添加剤の保留性を改善することを可能とする。例えば、該分散された繊維の閉塞性は、該繊維を捕獲するためのスクリーンとしての機能を果たし、結果として、該分散度に依存して、或る範囲のマットが製造され、これらは、大きなまたは小さな粒状のフィラーを含む、軽度に充填されたマットから高度に充填されたマットを含むことができる。このような予め定められた透過性は、吸音および表面腐食防止性等の物理的な特徴を改善するのに使用できる。
【００３３】
該繊維束および個々の繊維を含有する該白水スラリーは、次いでヘッドボックスに通され、そこで該スラリーは、移動するワイヤスクリーンまたはメッシュ(ワイヤを形成)上に堆積され、また該スラリー中の水分の実質的な部分が除去されて、ウエブを生成する。該スラリーにおける個々の繊維の存在は、該チョップトストランドマットの製造において有用であり、その理由は、該スラリーに添加された、該ガラス繊維束由来の単繊維および/または個々の強化繊維が、マット製造工程において、生成チェーンからバインダ適用部分に、該個々の繊維および繊維束を移動させるのに役立つからである。該個々の繊維は、それら相互間で、および該繊維束と絡み合って、湿潤した未硬化のマットを与える(「湿潤強度」)。如何なる理論にも拘泥するつもりはないが、該形成ワイヤに、該スラリーを、効果的かつ効率的に移すように分散(または添加)する必要のある、個々の繊維の量は、該チョップトストランドマット10内に存在する個々の繊維の「最小の」または限界量であり得る。
【００３４】
該繊維束の分散度および/または該スラリーに添加された個々の繊維の量のために、該ウエブは、所定の比および質量分布にて、ガラス繊維束および個々のガラス繊維を含む。該水は、公知の減圧または空気吸引系によって、該ウエブから除去することができる。次いで、バインダを該ウエブに適用し、また得られたマットを、加熱(例えば、オーブンにより)して、残留水を除去し、かつ該バインダを硬化する。この製造された不織チョップトストランドマットは、図3に示したように、予め定められた量の、ランダムに分散された個々のガラス繊維およびガラス繊維束のアセンブリーである。
【００３５】
該バインダは、非-環式バインダ、スチレンアクリロニトリルバインダ、スチレンブタジエンゴムバインダ、ウレアホルムアルデヒドバインダ、またはこれらバインダの混合物であり得る。好ましくは、該バインダは、ポリアクリル酸と、少なくとも1種のポリオール(例えば、トリエタノールアミンまたはグリセリン)とから作られる、標準的な熱硬化性アクリル系バインダである。本発明において使用するのに適したアクリル系バインダの例は、可塑化ポリビニルアセテートバインダ、例えばビナマル(Vinamul) 8831(セレネーズ(Celenese)社から入手できる)および変性ポリビニルアセテート、例えばデュラセット(Duracet) 637およびデュラセット675(フランクリンインターナショナル(Franklin International)社から入手できる)を包含する。該バインダは、場合により、方法並びに製品の性能を改善するための公知の添加剤、例えば染料、オイル、フィラー、着色剤、UV安定剤、カップリング剤(例えば、シラン、アミノシラン等)、潤滑剤、湿潤剤、界面活性剤、および/または帯電防止剤を含むことができる。該バインダは、該チョップトストランドマットが、約2.5〜約20質量％なる範囲の量のバインダを含むような割合で、該繊維に供給することができる。
【００３６】
該低ロフトの束状チョップトストランドマットは、該繊維軸に沿って、一緒に包装された繊維で作られ、結果として、該チョップトガラスマットが、屋根マット等の従来の分散されたガラスマットとは、相対的に高いガラス含有率を持つことを可能としている。更に、該チョップトストランドマット内での、繊維束の保持は、最終用途の製品における、より高いガラス含有率の達成を可能とする。該チョップトストランドマットは、高いガラス含有率を持つので、これは、該最終製品において、高い機械的並びに耐衝撃特性および高い保全性を与えることを可能とする。立ち代わって、より高い構造上の保全性は、該マットの分散された繊維部分に起因する該閉塞構造のために、改善された表面性能をもたらす。本発明のチョップトストランドマットは、ダクトライナーおよび天井タイル等の製品に関する表面処理を行うために使用できる。更に、該チョップトストランドマットは、二次的なベール適用の必要なしに、使用することができる。該二次的処理の必要性の排除により、装飾的な表面ベールが、製造コストを減じ、かつ生産性を高めるであろう。
【００３７】
該チョップトストランドマットは、また従来の「バット」、「ブランケット」、または「ボード」型の繊維状絶縁材に対する、表面処理または強化層として使用することもできる。本発明のチョップトストランドマットは、該マット内の該強化繊維束の存在のために、該絶縁材の構造上の強化をもたらし、また該マット全体に渡る該個々の繊維の分布のために、該絶縁材の表面特性をも高める。従来の低密度「バット」または「ブランケット」型の絶縁材に関連して、該チョップトストランドマットによって付加される構造上の強度は、高い曲げ剛性、または曲げ強さとして現れる。より高い密度の「ボード」型の絶縁材に関連して、該チョップトストランドマットによって与えられる、この高い剛性は、また高い破壊抵抗をもたらす可能性がある。改善された破壊抵抗は、加熱および換気ダクトにおいて利用されている絶縁ボードにとって特に有利であり得る。更に、選択的な透過度を持つマットを用いることによって、該チョップトストランドマットは、該絶縁材製品に剛性を付与するだけでなく、音響学的用途に関する、ノイズ吸収特性を高めるための、空気抵抗をも付加する。
【００３８】
あるいはまた、該チョップトストランドマットは、該繊維状絶縁材の内側に配置して、内側隔壁として使用できる。このような態様においては、該チョップトストランドマットを、「バット」または「ブランケット」型の絶縁材の2層間に積層して、強化された絶縁性材料を得ることができる。該チョップトストランドマットは、また「バット」または「ブランケット」型の絶縁材の内側に配置して、該絶縁材を二分し、該二分された絶縁材の2つの側の一方上に、該チョップトストランドマットを配置し、また該二分された絶縁材の2つの部分間に配置された、該チョップトストランドマット(隔壁)を持つように、該二分された絶縁材を再結合することができる。あるいはまた、該強化繊維束は、該絶縁繊維本体と密に混合して、絶縁「バット」の剛性を得、結果として壁中のスタッド間の、および架空天井用垂木に由来する弛みを示さないようにすることができた。このような強化絶縁バットは、従来の絶縁材料の場合には使用されていたような、支持ワイヤまたは他の付属デバイスを使用する必要性を排除できる。
【００３９】
耐アルカリ性ガラス(AP-型ガラス)を、該チョップトストランドマットにおける強化繊維として、あるいは該強化繊維の一種として使用した場合には、該チョップトストランドマットが、具体的なマトリックスに対する強化材として使用できることが意図されている。該チョップトストランドマットにおける、該強化繊維束と個々の強化繊維との組合せは、具体的な該製品に、構造上の強化および良好な表面特性両者を与えるという、二重の目的を果たすであろう。
同様に、該チョップトストランドマットは、「ジオテキスタイル(geotextile)」製品として利用できることも目論まれている。このような用途においては、該チョップトストランドマットにおける、該個々の繊維は、任意の散布体(overspray)、例えば種子または根覆いの容易な巻上げを可能とし、また雑草等の望ましからぬ植物の生育を、阻止するであろう。該チョップトストランドマット内の該構造繊維ストランドは、該マットの適用中のおよびその有効寿命全体に渡る裂けを制限する、構造強度を与えるであろう。
【実施例】
【００４０】
以上、本発明を一般的に記載してきたが、本発明の更なる理解は、以下に示す幾つかの特定の実施例を参照することにより得ることができ、ここで該実施例は、例示の目的でのみ与えられるものであり、特に述べない限り、全て包括的なものあるいは限定的なものであることを意図するものではない。
実施例
以下の表1〜3に示したサイズ剤処方物を、以下において一般的に記載するように、バケット内で製造した。該サイズ組成物を製造するために、約90％の水、および該サイズ組成物において必要な場合には酸を、バケットに添加した。該シランカップリング剤を、該バケットに添加し、またこの混合物を、該シランを加水分解するために、所定期間の間攪拌した。該シランの加水分解後に、該潤滑剤およびフィルム形成剤を、攪拌しつつ該混合物に添加し、サイズ組成物を生成した。次に、このサイズ組成物を、残りの水で希釈し、約4.5％なる混合固形分という、目的の混合固形分濃度を達成した。
【００４１】
【表１】
2009503284.tif 000003
(a): ポリウレタンフィルム形成分散液(コグニス(Cognis)社から入手)
(b): エポキシ硬化剤(レゾリューションパフォーマンスプローダクツ(Resolution Performance Products)社から入手)
(c): γ-アミノプロピルトリエトキシシラン(ジェネラルエレクトリック(General Electric)社から入手)
(d): ポリウレタン-アクリルアロイ(コグニス(Cognis)社から入手)
(e): ステアリックエタノールアミン(AOC社から入手)
【００４２】
【表２】
2009503284.tif 000004
(a): エポキシフィルム形成水分散液(レゾリューションパフォーマンスプローダクツ)
(b): エポキシ硬化剤(レゾリューションパフォーマンスプローダクツ)
(c): モノオレエートエステル(コグニス)
(d): メタクリルオキシプロピルトリメトキシシラン(ゼネラルエレクトリック)
【００４３】
【表３】
2009503284.tif 000005
(a): エポキシ樹脂フィルム形成性分散液(レゾリューションパフォーマンスプローダクツ社から入手)
(b): エポキシ硬化剤(レゾリューションパフォーマンスプローダクツ社)
(c): モノオレエートエステル(コグニス社)
(d): メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(ジェネラルエレクトリック社)
【００４４】
該サイズ剤各々は、公知の方法で(例えば、上記のようなロール型のアプリケータ)でE-ガラスに適用し、チョップトストランドマットを製造するために使用した。該ストランドを、40g/kmなるバンドルテックスを持つ束に分割し、約3.175cm(1.25 in)なる細断長さに細断し、次いでプラスチックタブ内に集める。次に、これらのガラス繊維束を、約30分間に渡り、市販グレードの40MHzRFオーブンで乾燥した。該ガラス繊維束(本質的に水分0％の)を、大きなスラリータンクに添加するが、該タンクには、適当な添加剤(界面活性剤、分散材等)が添加されていた。該白水スラリーの成分(水以外)を以下の表4に示す：
【００４５】
【表４】
2009503284.tif 000006
(a) アニオン性ポリアクリルアミド(ドゥリューインダストリーズ(Drew Industries)社から入手)； 
(b) ノニオン性界面活性剤(エアープローダクツ(Air Products)社から入手)；
(c) 消泡剤(ドゥリューインダストリーズ社から入手)；
(d) 殺生物薬(ONDEO：ナルコ社製)
【００４６】
プロセス模擬装置(process mimic equipment)を、該繊維束が、5分間に渡り、該白水中で十分に混合されるように設定した。該ガラス繊維-水スラリーは、ヘッドボックスにポンプ輸送され、そこで該スラリーは、湿潤-ウエブ製造チェーン(これは、約10-50fpmにて移動している)上に移された。該スラリーを該ヘッドボックスを介して、形成ワイヤに移し、次いでバインダ適用チェーンに移した。5％のビナムル(Vinamul) 8831を該ウエブに適用し、また該ウエブを、約232℃(450°F)にて20秒間乾燥させた。夫々、上記表2および3に提示されたエポキシサイズ組成物AおよびDを用いて生成したこれらのマットは、約0.305kg/m2(1 oz/ft2)なる坪量を有していた。上記表1に示したポリウレタンサイズ組成物を使用して、約0.153kg/m2(0.5 oz/ft2)および約0.458kg/m2(1.5 oz/ft2)なる坪量を持つマットを製造した。図4および5において、ウレタン1とは、約0.153kg/m2(0.5 oz/ft2)なる坪量を持つ本発明のマットを表し、またウレタン2とは、約0.458kg/m2(1.5 oz/ft2)なる坪量を持つ本発明のマットを表す。
【００４７】
次いでこれらのマットを、カードボードチューブに巻取り、約30.48cm×30.48cm(1ft×1ft)なる小片に細断した。これらの細断されたマット小片を、100トンのプレス上の加熱装置内に入れた。触媒添加されたポリエステル樹脂(AOC H93)を、該マット内に注込み、該プレスを約93℃(200°F)にて、20分間閉じた。これらの積層体は、約0.915kg/m2(3 oz/ft2)なる、該ガラスマットの全体としての坪量となるように製造した。
これらの成型した積層体を取り出し、引張強さおよび曲げ強さについてテストした。該引張強さは、ASTM D5083に示されているテスト手順に従って測定し、また曲げ強さは、ASTM D790に示されているテスト手順に従って測定した。本発明のマットを、以下の表5に示すマットの引張強さおよび曲げ強さと比較した：
【００４８】
【表５】
2009503284.tif 000007
【００４９】
該積層体の引張強さに関するテスト結果および該積層体の、機械加工方向(MD)およびクロス機械加工方向(CD)両者における曲げ強さに関するテスト結果は、夫々、グラフによって図4および5に示した。当業者は、連続フィラメントマット、例えばオーエンスコーニング社から入手したM8643およびM8610が、従来のチョップトストランドマットよりも性能が優れているものと予想するであろう。というのは、これらが連続ストランドで作られているからである。しかし、本発明のチョップトストランドマットから製造した、該積層体は、従来のマットから製造した積層体よりも、実質上同一または良好である、機械的な諸特性を持つことが明らかになった。特に、本発明のチョップトストランドマットから製造した、該積層体は、オーエンスコーニング社から入手したM723A、M8643およびM8610およびCMPインプットに関する標準的な値の±10％以内の、機械的な諸特性を持つことが明らかになった。従って、本発明のサイズ組成物を含む実験用マットが、優れた引張強さおよび曲げ強さを有し、かつオーエンスコーニング社からの標準的なマットに対して、望ましい性能特性を持つものと結論付けることができる。
他のサイズ剤をも検討したところ、本発明において有用であることが分かった。これらサイズ組成物の例は、以下の表6〜15に示す。
【００５０】
【表６】
2009503284.tif 000008
(a): ポリウレタンフィルム形成性分散液(DMS社から入手)
(b): ステアリックエタノールアミド(AOC社から入手)
(c): γ-アミノプロピルトリエトキシシラン(ジェネラルエレクトリック社から入手)
(d): ポリウレタン-アクリルアロイ(コグニス社から入手)
【００５１】
【表７】
2009503284.tif 000009
(a): ポリエステル樹脂フィルム形成性分散液(AOC社から入手)
(b): ベンゾイルパーオキシド硬化触媒(ノラックカンパニー社(Norac Company, Inc.)社から入手)
(c): モノオレエートエステル(コグニス社から入手)
(d): メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(ジェネラルエレクトリック社から入手)
【００５２】
【表８】
2009503284.tif 000010
(a): ポリエステル樹脂フィルム形成性分散液(DSM社から入手)
(b): ベンゾイルパーオキシド硬化触媒(ノラックカンパニー社(Norac Company, Inc.)から入手)
(c): モノオレエートエステル(コグニス社から入手)
(d): メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(ジェネラルエレクトリック社から入手)
【００５３】
【表９】
2009503284.tif 000011
(a): ポリエステル樹脂フィルム形成性分散液(DSM社から入手)
(b): ベンゾイルパーオキシド硬化触媒(ノラックカンパニー社から入手)
(c): モノオレエートエステル(コグニス社から入手)
(d): メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(ジェネラルエレクトリック社)
【００５４】
【表１０】
2009503284.tif 000012
(a): ポリエステル樹脂フィルム形成性分散液(DSM社)
(b): ベンゾイルパーオキシド硬化触媒(ノラックカンパニー社)
(c): モノオレエートエステル(コグニス社)
(d): メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(ジェネラルエレクトリック社)
【００５５】
【表１１】
2009503284.tif 000013
(a): エポキシ樹脂フィルム形成性分散液(DSM社)
(b): エポキシ硬化剤(レゾリューションパフォーマンスプローダクツ社)
(c): モノオレエートエステル(ヘンケルケミカルズ(Henkel Chemicals)社)
(d): メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(ジェネラルエレクトリック社)
【００５６】
【表１２】
2009503284.tif 000014
(a): エポキシ樹脂フィルム形成性分散液(DSM社)
(b): エポキシ硬化剤(レゾリューションパフォーマンスプローダクツ社)
(c): モノオレエートエステル(ヘンケルケミカルズ社)
(d): メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(ジェネラルエレクトリック社)
【００５７】
【表１３】
2009503284.tif 000015
(a): エポキシ樹脂フィルム形成性分散液(DSM社)
(b): エポキシ硬化剤(レゾリューションパフォーマンスプローダクツ社)
(c): モノオレエートエステル(ヘンケルケミカルズ社)
(d): メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(ジェネラルエレクトリック社)
【００５８】
【表１４】
2009503284.tif 000016
(a): エポキシ樹脂フィルム形成性分散液(DSM社)
(b): エポキシ硬化剤(レゾリューションパフォーマンスプローダクツ社)
(c): モノオレエートエステル(ヘンケルケミカルズ社)
(d): メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(ジェネラルエレクトリック社)
【００５９】
【表１５】
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(a): エポキシ樹脂フィルム形成性分散液(DSM社)
(b): エポキシ硬化剤(レゾリューションパフォーマンスプローダクツ社)
(c): モノオレエートエステル(ヘンケルケミカルズ社)
(d): メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(ジェネラルエレクトリック社)
【００６０】
以上、本特許出願に係る発明を、一般的におよび特定の態様に関連して説明した。本発明を、好ましいと考えられる態様によって示したが、当業者には公知の広範な種々の変法が、該一般的な開示範囲内で選択できる。本発明は、上記特許請求の範囲に記載した点を除き、何ら限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】従来のチョップトガラス繊維マットを写真によって示したものである。
【図２】本発明の少なくとも一つの例示的態様に従う、ガラス繊維束および個々のガラス繊維から作られた、チョップトガラス繊維マットの、拡大された、部分斜視図を示すものである。
【図３】本発明の少なくとも一つの例示的態様に従う、チョップトガラス繊維マットを、写真で示したものである。
【図４】従来のチョップトガラス繊維マットおよび本発明のチョップトガラス繊維マットに係る、機械加工方向およびクロス機械加工方向における、積層体の引張強さをグラフ表示したものである。
【図５】従来のチョップトガラス繊維マットおよび本発明のチョップトガラス繊維マットに係る、機械加工方向およびクロス機械加工方向における、積層体の曲げ弾性率をグラフ表示したものである。
【符号の説明】
【００６２】
１０・・チョップトストランドマット；
１２・・強化繊維束；
１４・・個々の強化繊維
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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