(57)【要約】【課題】本発明の目的は、熱可塑性樹脂及び強化用繊維からなり従来のものより優れ強さを有する複合材料、その製造方法及び装置を提供することにある。【解決手段】熱可塑性マトリックスと繊維強化材料（１２）から成る複合材料が、熱可塑性材料の溶融液の存在下で連続繊維（１２）のロ−ビングの回りの出口ダイ（２２）の回転によって作られる。その回転は、対向する内及び外のらせん流をもたらして、剪断を弱めることによって重合体溶融液の粘度下げ、同時に重合体を推進させ、繊維ロ−ビング中に向け、それによって繊維の湿潤及び分散をさせる。複合材料の構造は、重合体の豊富な表皮（４１）と一方向に整列された重合体及び繊維（１２）のコア領域で形成される。重合体の表皮（４１）は、らせん形に整列された重合体連鎖から成り、それらはコアの周囲に回転によって巻かれてコア領域（４２）を圧縮し繊維の湿潤を高める。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続フィラメントを前もって決めた走行の進行路に沿って含浸室に向け、該含浸室を通す工程；
溶融熱可塑性重合体材料を押出機から前記含浸室に向けて前記進行繊維と密着させて、前記フィラメントに溶融熱可塑性重合体材料を湿潤及び含浸させる工程；及び
押出ダイと該押出ダイを通る前記フィラメントとの間に相対回転を与えながら、前記重合体含浸フィラメントを前記含浸室から引っ張る工程からなることを特徴とする繊維強化熱可塑性材料の製造方法。
【請求項２】
前記溶融熱可塑性重合体材料を含浸室に向ける工程が、該重合体を前記進行フィラメントに対して反対の向流方向に進行フィラメントと密着させて含浸室を通すことからなることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
さらに、前記熱可塑性重合体材料の流れを前記進行フィラメントに対して上向き方向、向流に向けながら、該フィラメントを下向に前記含浸室を通す工程からなることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記進行フィラメントが前記溶融熱可塑性重合体材料と接触する際に、含浸通路における進行フィラメントに張力を維持する工程からなることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記相対回転を与える工程が、出口ダイを進行フィラメントの軸の回りに回転させることからなることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記相対回転を与える工程が、出口ダイの下流位置で進行する重合体含浸フィラメンントを回転させることからなることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記出口ダイが、円錐形の入口と円筒形の出口を備えることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記出口ダイの円錐形入口が長さ／直径の比が０．０１〜１０００の範囲内であることを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記長さ／直径の比が４．４〜１６の範囲内であることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
さらに、含浸室で繊維及び熱可塑性材料を一緒にスクイズさせながら、進行フィラメントと係合させて前もって決めた角度で回転させる工程からなることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１１】
前記出口ダイが重合体含浸繊維上の溶融重合体を計量するために前もって決めたサイズの限定ダイ開口を含み、前もって決めたサイズのダイ開口が、熱可塑性重合体／フィラメントの比が０．２５／１．０〜４．０／１．０の範囲内であるように選択されることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１２】
前記出口ダイが前もって決めた回転速度で回転し、前記繊維が前もって決めた線速度で進行し、該前もって決めた回転速度及び線速度が０．００１〜１０００の間のピッチを規定することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１３】
前記出口ダイを回転する工程が、出口ダイを０．００１〜１０，０００ｒｐｍで回転することを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１４】
さらに、重合体含浸フィラメントが回転する出口ダイを出た後、該重合体含浸フィラメントを捩じる工程からなることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１５】
入口端部と出口ダイを含む出口端部を有する含浸室；
連続フィラメントを前もって決めた走行の進行路に沿って含浸室に向けて該含浸室を通し、前記入口端部を通して、前記出口ダイを通す手段；
溶融熱可塑性重合体材料を提供する押出機；
前記押出機からの溶融熱可塑性重合体材料を含浸通路に向けてフィラメントと密着させて、溶融熱可塑性重合体材料をフィラメントに湿潤及び含浸させる手段；及び
出口ダイと該出口ダイを通って進行するフィラメントとの間に相対回転を与える手段からなることを特徴とする繊維強化熱可塑性材料の製造装置。
【請求項１６】
前記相対回転を与える手段は、出口ダイを進行フィラメントの軸回りに回転させる手段からなることを特徴とする請求項１５記載の装置。
【請求項１７】
前記相対回転を与える手段は、出口ダイの下流に配置されて進行する樹脂含浸フィラメントを回転させる手段からなることを特徴とする請求項１５記載の装置。
【請求項１８】
前記出口ダイの下流に配置されて前記含浸室からの重合体含浸フィラメントを引っ張って前記出口ダイに通す手段からなることを特徴とする請求項１５記載の装置。
【請求項１９】
前記溶融重合体が進行するフィラメントの移動方向に対して向流でかつ該フィラメントと密着し、それによって進行するフィラメントと熱可塑性材料間に生じる剪断力が溶融熱可塑性重合体のフィラメントへの湿潤及び含浸を促進するように、前記溶融重合体が前記出口端部に隣接する場所で前記含浸室に向けられることを特徴とする請求項１５記載の装置。
【請求項２０】
前記出口ダイが円錐形入口及び円筒形出口を備えることを特徴とする請求項１５記載の装置。
【請求項２１】
前記出口ダイの円錐形入口が０．０１〜１０００の範囲内の長さ／直径の比を有することを特徴とする請求項２０記載の装置。
【請求項２２】
前記長さ／直径の比が４．４〜１６の範囲内であることを特徴とする請求項２１記載の装置。
【請求項２３】
前記含浸室にある間に、進行するフィラメントと係合して該がフィラメントを回転させる手段を含むことを特徴とする請求項１５記載の装置。
【請求項２４】
前記進行するフィラメントを回転させる手段が傾斜引張りベルトからなることを特徴とする請求項１５記載の装置。
【請求項２５】
熱可塑性重合体を実質的に含浸している複数の一方向整列繊維を含むコア領域及び前記繊維を実質的に含まない熱可塑性重合体を含む表皮領域からなり、前記コア領域の重合体の連鎖が前記繊維と実質的に整列され、前記コア領域の重合体の連鎖が前記コア領域の回りに実質的にらせん形に配列されていることを特徴とする繊維強化熱可塑性材料。
【請求項２６】
前記繊維は、ガラス、炭素、金属及び有機重合体からなる群から選択される材料製であることを特徴とする請求項２５記載の材料。
【請求項２７】
前記繊維は、前記繊維強化熱可塑性材料の５〜８０重量％からなることを特徴とする請求項２５記載の材料。
【請求項２８】
前記表皮領域は、前記維強化熱可塑性材料の２０〜８０体積％からなることを特徴とする請求項２５記載の材料。
【請求項２９】
前記表皮領域は、少くとも４８重量％の繊維濃度を含むことを特徴とする請求項２５記載の材料。
【請求項３０】
長い繊維ペレット又は細長い輪郭の形態であることを特徴とする請求項２５記載の材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性樹脂及び強化材によって成形された複合材料に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、かかる複合材料及びかかる複合材料の製造法に関し、その熱可塑性及び繊維成分が本発明の前に作られた複合材料に比較してその複合材料に優れた強度と商的有用性を与える。
【背景技術】
【０００２】
重合体及び繊維を使用した複合材料の成形は、これまでに知られている、そしてかかる複合材料に関係する工程、方法、装置及び製品はＭｏｎｔｓｉｎｇｅｒ（米国特許第５、１７６、７７５号）及びＣｏｇｓｗｅｌｌ（米国特許第４、５４１、８８４号）の特許に開示されている。高粘度の熱可塑性樹脂での繊維の湿潤の困難さはよく理解されている。Ｍｏｎｔｓｉｎｇｅｒの特許は、熱可塑性樹脂の低粘度及び剪断を増すために重合体と連続繊維ロ−ビング間の向流の方法を開示している。Ｃｏｇｓｗｅｌｌの特許は低粘度重合体にたよっている。
【特許文献１】
米国特許第５、１７６、７７５号
【特許文献２】
米国特許第４、５４１、８８４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の目的は、熱可塑性樹脂及び強化用繊維からなり従来のものより優れ強さを有する複合材料、その製造方法及び装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、熱可塑性重合体及び強化繊維で高強度の複合材料を製造する。その熱可塑性重合体は高粘度をもたらす高分子量を有する。その繊維はガラス、炭素、金属、及び／又は有機フィラメントの連続ロ−ビング（粗糸）である。本発明の商品は再生可能及び射出成形ペレットである長尺の繊維強化熱可塑性コンパウンド（成形材料）を含む。射出成形ペレットはペレットの長さと同じ繊維長さ、一般に１．２７ｃｍを有し、１以上のアスペクト比を有する一般に円形の横断面も有する。本発明の別の製品は、丸棒のような一定の形状を有する連続繊維強化熱可塑性形材であって、比較的低重量で高強度のために金属に代わって構造用に使用するのが有利である。
【０００５】
その重合体及び繊維複合材料は、溶融重合体と接触させてダイ・オリフィスを通して押出す又は引抜き成形される。かかる工程において、ダイの出口オリフィスのサイズは、一般に複合材料の繊維配合を決定する。例えば、出口の面積を増すと、所定の繊維量でより多くの重合体をダイを通して引張ることができる。本発明により、出口ダイと進行する重合体含浸繊維との間に相対回転が与えられる。その相対回転は、例えば、出口ダイを進行する繊維の軸の回りに回転させることによって得られる。これは、回転をしないで製造した製品に比べて繊維濃度の予想外の増加及び複合材料の優れた強度という利点を与える。
【０００６】
好適には、円錐形の入口と円筒形の出口を有する出口ダイは、連続繊維の軸方向ロ−ビングの回りに回転される。重合体溶融液は、圧力流及び／又は繊維推進流によってオリフィス室内に運ばれる。円錐形室壁の回転は、繊維による軸方向ドラグに加えて重合体による室壁の湿潤からの粘性ドラグのために重合体の円錐らせん形流路を含む。軸方向に移動する重合体及び繊維と渦巻き、円錐らせん方向に移動する重合体間の速度と方向の差は、分散性及び含浸性の剪断を生じて繊維を重合体で湿潤させる。さらに、重合体連鎖は強化軸方向繊維の回りにコイル巻きされて重合体を結合させて重合体の逆流の垂直応力効果を与える。速度分布は以下に詳細に記載されているように、図１に示す。
【０００７】
したがって、本発明は、連続フィラメントを前もって決めた走行の進行路に沿って含浸室内に向け、該含浸室を通す工程からなる繊維強化熱可塑性材料の製造方法を提供する。溶融熱可塑性重合体材料は押出機から含浸室に圧入され、進行繊維と密着されて、フィラメントに溶融熱可塑性重合体材料を湿潤及び含浸させる。次に、そのフィラメントは、出口ダイを進行するフィラメントの軸回りに回転させながら、含浸室の出口端部から出口ダイを通して引っ張られる。
【０００８】
また、本発明は、入口端部と出口端部を有する含浸室を含む繊維強化熱可塑性材料を製造する装置を提供する。その出口端部はダイ開口を有する出口ダイを含む。連続フィラメントが前記入口端部を通って、前記出口ダイを通って出るように、連続フィラメントを前もって決めた走行の進行路に沿って含浸室に向けて該含浸室を通る手段が提供される。押出機が溶融熱可塑性重合体材料を供給する。前記押出機からの溶融熱可塑性重合体材料を含浸通路に向けてフィラメントと密着させる手段が提供される。これは、フィラメントへの溶融熱可塑性重合体の湿潤及び含浸を促進させる。フィラメントの軸回りに出口ダイを回転させる手段が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
この方法で製造された繊維強化熱可塑性複合材料は、コア領域と表皮領域というユニ−クは構造を有する。各領域のサイズは引張り速度及びオリフィスの回転速度に関係する。その表皮は重合体のみからなる。オリフィスの回転は、コア領域及び垂直応力の重合体逆流に寄与することによって表皮における重合体の体積を少くする。コア領域は、マトリックスの熱可塑性重合体を完全に含浸した一方向整列の繊維からなる。そのコアの重合体は、多分よりゆっくりした内部冷却のために表皮の重合体より結晶質であると思われる。コアにおける重合体連鎖は繊維ドラグによって繊維と整列される。表皮は重合体連鎖のらせん流整列によって配向される。複合材料ストランドの剪断強さは、所定の線速度及び繊維濃度で回転速度を増すとより強度を増した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の好適な実施態様を示す添付図面を参照して本発明を以下にさらに詳しく説明する。しかしながら、本発明をここに示す特定の実施態様に限定すると解釈すべきでない。それらの特定の実施態様は、この開示が完全でかつ当業者に本発明の範囲を完全に伝えるように提供されている。
【００１１】
本発明による方法は、出口ダイを通る重合体を引張る繊維からの推進（ｄｒａｇ）流と出口ダイの回転のための円錐らせん及びらせん推進流とを一緒にする。逆流を作る出口ダイ拘束のために圧力流も存在する。対抗する内、前方、外後方らせん及び円錐らせん流の組合せも粘度の低下及び重合体による繊維の湿潤の促進に役立つ。
【００１２】
図１Ａに、繊維による重合体の軸方向推進流ｚが示されている。重合体の流速は、繊維において最高で出口ダイ壁へ減少していく（出口ダイ壁はｚ方向において速度が零であるからである）。図１Ｂに、出口ダイの回転によって生じる接線流が示されている。図１Ｃは、重合体が繊維の周囲をスクイズされる際に合成垂直応力逆流と結合された推進流を示す。最後に図１Ｄは、プロセスが内前方（＋ｙ、＋ｚ）及び外後方（（＋ｙ、−ｚ）らせん及び円錐らせん流を生成するように操作されているときに存在する推進流、接線流、及び垂直応力逆流と結合した推進流を示す。
【００１３】
本発明による装置は、Ｍｎｏｎｔｓｉｎｇｅｒの米国特許第５、１７６、７７５号と米国特許第５、４４７、７９３号による装置の特徴を取り入れている。図２に１０で示すその装置は、繊維供給手段１１（連続フィラメント繊維１２を供給するために繊維材料の複数パッケ−ジを取付けるクリ−ルの形態が望ましい）；クリ−ルからの繊維を前もって決めた走行路に沿って進行させる進行手段；進行繊維を前もって決めた高温に加熱するために前もって決めた繊維走行路に沿って配置された加熱器１３；溶融加熱熱可塑性材料を供給する押出機１４；及び溶融加熱熱可塑性材料を受けるために前もって決めた繊維走行路に沿って配置された押出機１４に接続された含浸室を有する。その熱可塑性材料は、含浸室をそれが進行する加熱繊維を含浸して取り囲むように進行繊維の逆方向に含浸室を貫通する。進行加熱繊維と熱可塑性材料との間に生じる剪断力が、熱可塑性材料による繊維の湿潤及び含浸を促進する。
【００１４】
図３に最も良く示すように、繊維１２は含浸室１５の上端に入り、鉛直含浸通路２０に沿って案内される。繊維がそれらの経路に沿って進む際に、押出機からの熱可塑性材料は鉛直含浸通路２０に移行する。鉛直含浸通路２０は、繊維１２の貫通下向き通過及び熱可塑性材料の上向き移動用に配列され、そして適当な手段で加熱される。その向流移動は、進行する加熱繊維と向けた熱可塑性材料間に剪断力を生じさせ、それは本発明に従って繊維及び熱可塑性材料の密接な含浸囲いによって繊維の湿潤を促進する。さらに、含浸柱２０内で繊維が案内される経路は、下向き移動で連行される熱可塑性材料が繊維間でスクイズされるようになっている。
【００１５】
含浸柱２０の足部で、連続フィラメント繊維１２は単一回転ガイドバ−（それによって繊維が単一面になることを要求する）の回りを通る。下向きに移動する繊維のゆるやかな集束は、溶融熱可塑性材料をフィラメント間の間隙に強制的に押付け、次に熱可塑性材料をスクイズして繊維と密着させて、熱可塑性材料での繊維の湿潤を確実にさせる手助けをする。連続繊維は出口ダイ２２の形態のオリフィスをバンド、ウェブ、トウ又はロ−ビングとして引き出される。出口ダイ２２の直径は繊維によってダイを引出される重合体の量を調節する。出口ダイの面積は重合体／繊維の比を調節する。
【００１６】
出口ダイ２２は図３に略示し、図６及び図７にさらに詳しく示す。図６に示すように、出口ダイは円錐形の入口端部２３と円筒形の穴をもった出口端部２４を含む。さらに詳しくは、切頭円錐形であって円筒形出口２４部を満たすためにテ−パが付いている。出口ダイ２２の円錐形領域２３は、出口ダイが回転するときに出口ダイの表面によるドラグのために渦巻流路を形成する。その円錐形領域２３は円錐らせん形、らせん円錐形又はらせん形を有する。直径が一定である出口ダイ２２の部分は円筒を形成して、出口ダイが回転するときにらせん流路を作る。右手又は左手のらせん長さは円周とランドの長さの斜辺によって定義される。円筒形部２４の長さの増加は、線速度を下げる作用にシミュレ−トし、それはピッチを小さくして、湿潤、剪断強さ等の点で製品を改善する。長さ／直径の比は０．０１〜１０００、好適には４．４〜１０．６の範囲内である。
【００１７】
出口ダイ２２の円錐形部２３に関して、そのテ−パ角度は０〜９０度、好適には５〜１０度の範囲内である。４〜６度の範囲内の角度が用途によって有用であることが解った。小角度は円錐領域に長いテ−パ長さを要する。形成される全角度は一般にテ−パ角度の２倍である。テ−パ角度を変えると、引張り方向における線速度に対する円錐らせん速度が変わる。固定軸の回りの角運動量の維持は加速定数を意味する速度変化を必要とする。速度は剪断速度に対する別の用語である、従ってテ−パは剪断速度における一定の変化を与える。
【００１８】
出口ダイ及び重合体の表面エネルギ−は、出口ダイの回転による重合体ドラグ量（摩擦流）を決める。高摩擦係数（粗い表面）が望ましい。０．１〜１．０の範囲が望ましい。重合体の流路に影響を与えるパタ−ン（例えば、ねじ山）を出口ダイの表面にカットすることができる。重合体の流路に影響を与える及び／又は繊維を湿潤する乱流を生じさせる別の方法は重合体を渦内に圧入する方向性のジェットを含む。
繊維は回転抗力のために出口ダイ入口又は出口の直径よりも大きな幅に広がる。その広がりは倍の寸法である。繊維が出口ダイ壁を擦る際に、回転抗力に対する抵抗重合体が繊維束に侵入する圧力勾配を作る。
【００１９】
図示の実施態様に従って、出口ダイ２２は進行繊維１２の軸の回りを回転する。図６に示すように、出口ダイ２２は、互いに噛み合う歯車３１、３２及びモ−タ３３のような適当な駆動装置によって回転される。位置調整ガイド２１が繊維１２を出口ダイ壁の高剪断外周ゾ−ン中に向ける。位置調整ガイド２１は繊維が湿潤前に捩じれるのも防止する。しかしながら、湿潤後の若干の捩じれは、重合体をフィラメントを通してスクイズして湿潤を高める望ましい作用をする。従って、本発明の任意のアスペクトに従って、重合体含浸フィラメントは、図２に示す傾斜引張りベルト装置１６（それは相互に角度をもって装着される一対の駆動ベルト１６ａ，１６ｂを含む）のような適当な装置によって出口ダイ２２から下流の場所で回転される。フィラメントの回転は捩じれをバックアップしてダイに入れ、したがって、進行する重合体含浸フィラメントとダイ表面間の相対回転を与える。そのダイはこの場合、固定、又はフィラメントと同一又は逆方向に回転される。
【００２０】
出口ダイの繊維の回りへの回転及び出口ダイ内での任意の回転又はは繊維の捩じれは、繊維に対する重合体の比率を変える。その回転が増すと、繊維濃度が増す。回転速度は０〜１０，０００ｒｐｍの範囲内、６００ｒｐｍ以下が望ましい。回転速度及び線速度は、進み距離又はピッチ（ｉｎ／分／回転／分（ｉｎ／回転））を規定する。ピッチは０〜無限大であるが、０．００１〜１，０００が望ましい。
【００２１】
出口ダイが回転しているときに、剪断応力及び剪断速度は増す。剪断は２つの成分を軸力から接線力に展開させる。剪断速度は速度のベクトル加算と回転速度を通して増す。対応する剪断応力は回転力又はトルクと組合せた繊維の引張り力と考える。粘度は剪断応力を剪断速度で割ったものと定義される。疑似塑性重合体の粘度は、剪断が弱くなるために高剪断速度で低い。１〜１００，０００秒−の範囲内の剪断速度が大部分の場合をカバ−する。ダイの回転は重合体連鎖を配向し、それがコアの樹脂及び繊維を包みそして圧縮する。この狭搾作用が垂直応力を生じさせて繊維の湿潤を改善して繊維濃度を増す。傾斜引張りベルトを使用した固定出口ダイにおける繊維（ストランド）の回転は出口ダイの回転と類似の作用を有する。
【００２２】
出口ダイの温度を制御することによって、回転によって剪断を与え引張り、かつさらに表皮重合体を配向させながら、らせん領域において複合材料の冷却をさせることができる。図４に示すように、装置はより多くのストランドを製造するために各々が回転のために相互に噛み合う歯車と接続された多出口ダイを備えている。図７に示した構造において、出口ダイの回転方向はそれぞれ連続位置で交替する。時計方向及び反時計方向は湿潤及び繊維濃度に同じ作用を有する。
【００２３】
重合体連鎖は剪断及び流れ方向に整列する傾向がある。重合体の流路及び連鎖整列の方向は図８に示すらせんによって示す。定義によって、らせんは軸回りの均一な角速度及び軸方向における均一な線速度で円筒又は円錐の回り及びそれにそって移動する点によって生じる。１回転においてその点によって横断した軸に平行に測定した距離を進み距離又はピッチと呼ぶ。線速度／回転速度の比がらせんの進み速度を規定する。優れた湿潤、繊維分散性、ストランド集結度、機械的性質及び高繊維濃度は、一定線速度での高回転速度（即ち、短い進み距離）で観察される。
【００２４】
熱可塑性重合体は結晶質、無定形、又は半結晶質である。高分子量、高粘度の熱可塑性重合体は限定ではないが下記のものを含む：
- PP,LDPE,及びHDPEのようなポリオレフィン
- ナイロン6、ナイロン66、ナイロン46、ナイロン11のようなポリアミド
- PET,PBT,PCT,及びPTT,ポリアクリレ-ト
- 熱可塑性ポリウレタン
- PC,PEI,PES,PPS,PEEK,PVC,CPVC,PAI,POM,PS,PVA,PMMA,
- PAEK,PAS,PI,PPO,PTFE
繊維ロ−ブはガラス、炭素、有機及び金属系の連続又は半連続繊維を含む。
【００２５】
本発明の興味ある特徴は、回転速度が一定の線速度で増す際に生じる繊維濃度の変化である。この機構はＷｅｉｓｓｅｎｂｅｒｇの垂直応力効果である。これは、剪断応力に垂直な方向に流れる粘弾性流体の傾向である。重合体連鎖が軸方向繊維の回りに巻かれる際に、狭搾作用が円筒の回転壁に対して固定コア軸に沿って重合体を無理に進めるためのようである。繊維濃度が増して複合材料が抵抗を与えるから、垂直応力流の方向がダイ内に後戻りする。出口ダイの拘束も逆流圧力に寄与すると考えられる。
【００２６】
熱可塑性樹脂の溶融液粘度は分子量、温度及び剪断速度に影響される。疑似塑性、非ニュ−トン重合体は剪断速度の増加によって剪断減粘性又は粘性減少を受ける。本発明の望ましい特徴は、高分子量の熱可塑性樹脂の溶融液粘性を下げる出口ダイの回転によって生じる高剪断速度である。繊維は低溶融液粘性で熱可塑性樹脂での湿潤が容易である。
【００２７】
Ｂｉｒｄ，Ａｒｍｓｔｓｒｏｎｇ，及びＨａｓａｇｅｒによる「流体力学」の第１巻に、定常らせん流の剪断速度の数学的説明が提案されており、ストランド速度及び回転速度が剪断速度に寄与すると述べている。その剪断速度は、０ｒｐｍで約１００秒−１、６００ｒｐｍで１０、０００秒−１と算出され、本発明での試験で粘度は５００、０００ｃｐ〜１０，０００ｃｐであった。
【００２８】
本発明よる複合材料の利点は、高引張り強さのための一方向繊維整列、高モジュラスをもたらす優れた応力伝達効率のための長繊維長、及び応力ライザの数の低減及び衝撃強さを増す少い繊維端部を含む。図９に示すように、複合材料Ｃは、熱可塑性重合体のマトリックスおいて一方向に配列された繊維１２を含有するコア領域４２を囲む熱可塑性樹脂が豊富な表皮領域４１を有することを特徴とする。滑らかな樹脂豊富な表皮領域はダイ表面における回転作用によって生じる。表皮領域における重合体の形態は、らせん路に沿って配向又は整列されている重合体の分子又は連鎖を特徴とする。表皮の重合体は、コアの重合体よりも少い結晶質及び多い無定形である。表皮はペレットの形態と妥協することなく長い繊維ペレットを切断して短い長さにすることができる。コアの重合体連鎖は一般に繊維と整列される。表皮領域は複合材料の体積の２０〜８０％を構成する。表皮領域とコア領域における重合体連鎖の分子配向の差は、偏光フィルタ−を使用して偏光下で試料の領域を観察することによって確認できる。複屈折の測定も採用できる。
【００２９】
回転によって作られる複合材料の長い繊維ペレットは、ペレットの長さと同一又は長い繊維フィラメントの長さを特徴とする。ペレットの長さは０．３１７〜約２．５４ｃｍの範囲であり、直径はアルペクト比（長さ／直径の比）が０．２５〜４．０の範囲であるように約０．３１７〜約１．２７ｃｍの範囲である。ガラス繊維フィラメントの数はペレットで２，０００〜１６，０００の範囲、そして断面で６５，０００，０００までである。
コア樹脂及び繊維の回りに巻かれた重合体連鎖のらせん配向はユニ−ク−な構造を作る。回転速度が増すと、コア領域の狭搾が大きくなる。コアの境界はより独特で円形になる。
【００３０】
図９に模式的に示した複合材料の独特な特徴は回転によって作られる滑らかで樹脂の豊富な表面である。出口ダイが回転する際に、樹脂の豊富な表皮が複合材料に形成される。重合体含浸繊維ロ−ビングは複合材料のコア領域に配置される。コアの重合体は繊維によってひきずられて、繊維と同じ方向に配向される。表皮及びコア領域は独特に形成される。表皮はコアの周囲に環を形成するが、コアは円形を形成する。図１０は偏光そして倍率１０Ｘで照明した複合材料の横断面を示す。試験６５６−１の試料は回転速度０ｒｐｍで作った２つのロ−ビングを含む。そのロ−ビングはＵ形に成形され、繊維濃度は４７．１％である。試料６５６−１の表皮コアの面積比は約１．１である。図１１は回転速度３２０ｒｐｍで２つのロ−ビングで作った試料６５６−４の横断面を示す。その繊維濃度は５９．２に増加した。試料６５６−４の表皮コアの面積比は約０．６５である。繊維の使用量は複合材料の５〜８０重量％、さらに詳しくは２０〜８０重量％の範囲である。３０．４〜６８．７重量％の繊維濃度で良好な結果が得られた。偏光下での表皮の照明は著しく明るく、無定形の重合体構造を示唆する。コアは明るさが弱く、より多くの結晶質構造を示唆する。
【００３１】
表皮の構造は、らせん形に配列した重合体連鎖からなり、一般に複合材料の横断面の６０％までを占める。高分子量の重合体は一般に長い重合体連鎖を有し、低溶融液流量を特徴とする（ＡＳＴＭ  Ｄ１２４８）。長い連鎖の重合体はコアの圧縮において大きな利点を有する。重合体連鎖は繊維による軸方向ドラグ及び同時の出口ダイ壁回転ドラグによって形成されるらせんに沿って引き抜かれる。表皮重合体連鎖のらせん配列はストランドの内部積層剪断強さを改善して、長い繊維ペレットを短い長さに切断する。また、表皮は潤滑性を与えて、後続の取扱いにおける繊維を保護し繊維長を保持する。
【００３２】
回転する出口ダイを冷却することによって、回転ダイの領域においてストランドの若干の冷却が生じる。これは、融点以下の温度で凝固する樹脂をドラッギングすることによる配向を増す。重合体は構造的な規則性に依存して結晶質、無定形、またはその両方である。ポリアミド及びポリエステルのような縮合重合体は結晶質である。ポリプロプレンは半結晶質である。冷却速度は結晶化度の量に影響する。
【００３３】
繊維の収量は単位重量当りの長さ（ヤ−ド／ポンド＝２．０１６ｍ／ｋｇ）と定義される。典型的なＥガラス・ロ−ビングは２２５ヤ−ド／ポンド（約４５０ｍ／ｋｇ）であって約４、０００本のフィラメントを含有する。出口ダイの回転は繊維の分散及び湿潤を改善し、より多くの繊維ロ−ビングを複合材料にとり入れる。繊維濃度及び線速度を一定に保持しながら、長い繊維のペレット化のためのストランドにおけるロ−ビング数の増加は押出量の増加及び生産量の改善をもたらす。繊維の収量（ｙｄ／ｌｂ）は長い繊維の配合で２２５〜５６（２５０〜１１２ｍ／ｋｇ）の範囲内で変わる。２、０００〜０．０１ｙｄ／ｌｂ（約４、０００〜０．０２ｍ／ｋｇ）が望ましい。繊維の内引張り及び外引張りの両方を適用できる。
【００３４】
変向ガイドによって形成される繊維の分散パタ−ンは出口ダイの回転によって変換される。図１０及び図１１における複合材料の横断面は回転速度０及び３２０ｒｐｍで繊維のコアに回転の影響を示している。図１０におけるＵ形繊維パタ−ンは、図１１の分散繊維及び重合体のぼやけた、円形コアに変換される。
【実施例】
【００３５】
複合材料の性質に及ぼす回転の影響を研究するために一連の実験を行った。そのデ−タの要約を表１に示す。繊維濃度、回転速度、ピッチ、及び剪断強さの間の関係を図１２及び図１３に示す。溶融液の粘度と回転速度との関係を図１４に示す。
【００３６】
表１は繊維の収量、出口ダイの直径、線速度、繊維濃度に及ぼす回転速度、剪断強さ、及びポリプロピレン及びガラス繊維の粘度のプロセス条件との間の関係を示す。長い繊維ペレットは１、２及び４ロ−ビングで０．１１３、０．１３６及び０．２５０ｉｎ（それぞれ０．２８７，０．３４５及び０．６３５ｃｍ）の穴寸法で製造した。ダイの回転は０〜６００ｒｐｍの範囲内であった。
【００３７】
繊維濃度に及ぼす回転速度及び回転速度に対する線速度の比の影響を図１２のグラフにプロットした。繊維濃度は灰化炉で測定した。剪断強さの測定は、ＡＳＴＭ  Ｄ５１２に従ってインストロン引張り試験機を使用して複合材料ストランドについて行った。類似の繊維濃度における複合材料の剪断強さにおける変化を図１３のグラフにプロットした。ポリプロピレンの溶融液の粘度は圧力、出口ダイの形状、線速度、及び回転速度から評価して図１４にプロットした。
【００３８】
実験番号
６５２：固定ダイと８０ｒｐｍで回転したダイとの比較を行った。繊維濃度は３０．４％から３７．４％に増加した。
６５３：ダイは０から８０ｒｐｍまで２０ｒｐｍの増分で回転した。繊維濃度は３２．７％から４０．３％に増加した。
６５４：線速度は３０ｆｐｍ（９．１４ｍｐｍ）に２倍にした。ダイ速度はは０から８０ｒｐｍまで増加した。繊維濃度は３１．９７％から３７．３％に増加した。
６５５：線速度は１５ｆｐｍ（４．５７ｍｐｍ）及び３０ｆｐｍ（９．１４ｍｐｍ）で評価した。ダイ速度は、１５ｆｐｍ（４．５７ｍｐｍ）で０から３２０ｒｐｍまで増加させて、繊維濃度は３２．７％から４６．２％に増加した。繊維濃度は、３０ｆｐｍ（９．１４ｍｐｍ）、３２０ｒｐｍで４５．１％に増加した。
６５６：繊維の収量は２つのロ−ビンブを走らせることによって２２５から１１２ｙｄ／ｌｂ（４５０から２２４ｍ／ｋｇ）に変わった。ダイ速度は、１５ｆｐｍ（４．５７ｍｐｍ）で０から３２０ｒｐｍまで増加した。繊維濃度は４７．１％から５９．２％に増加した。線速度の３０ｆｐｍ（９．１４ｍｐｍ）への２倍によって繊維濃度は３２０ｒｐｍで５５．４％に減少した、これは線速度と回転速度との相関を実証する。
６５７：時計及び反時計廻りの回転を評価したが、差が観察されなかった。
６５９、６６０：ダイ・ランドの長さを直径が０．２８７ｃｍのものについて０．７〜１．２ｉｎ（１．７８〜３．０５ｃｍ）の範囲で変えた。Ｌ／Ｄ比は６．２及び１０．６であった。Ｌ／Ｄ比の増加は一般に繊維濃度及び剪断強さを増した。
６７４，６７５，６７６：ダイ穴の直径を０．２５０ｉｎ（０．６３５ｃｍ）大きくし、ロ−ビングの数を４に増した。１ｉｎ（２．５４ｃｍ）及び４ｉｎ（１０．１６ｃｍ）のランド長さを評価した。回転速度は６００ｒｐｍに増した。実験番号６７４における繊維濃度は３４．０％から４５．７％に増加した。
【００３９】
以上、本発明の特定の実施態様を記載したが、特に以上の教示を考慮して当業者によって変更が可能であるから、もちろん本発明はそれらに限定されないことが理解される。したがって、本発明の真の精神及び範囲におけるこれらの改良の特徴を取り入れるそれらの変更をカバ−スすることが特許請求の範囲によって予測される。
【００４０】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００４１】
出口ダイを進行する繊維の軸回りに回転させることによって、回転しないで製造した従来の製品に比べて高い繊維濃度及び優れた強度をもった繊維強化複合材料の製造が可能となり、それによって多くの用途が開発され産業上の利用可能性見込まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に従って複合材料を成形したときの重合体推進流のグラフを示す。
【図２】本発明に従って繊維強化複合材料を製造する装置の略図である。
【図３】本発明の装置の含浸室の横断面図である。
【図４】多繊維ストランドを同時に加工するのに適した装置の別の実施態様の部分斜視図である。
【図５】本発明に従った方法の略図である。
【図６】フィラメントの出口ダイ・オリフィス通過を示す拡大部分略図である。
【図７】別の実施態様に従った出口ダイを回転する歯車機構の拡大図である。
【図８】らせん長を計算する方法を示すグラフである。
【図９】本発明に従って成形された複合材料の横断面図である。
【図１０】偏光下の複合材料の横断面の写真である。
【図１１】偏光下の複合材料の横断面の写真である。
【図１２】複合材料の性質に及ぼすダイ回転及び他の要素の影響を示すグラフである。
【図１３】複合材料の性質に及ぼすダイ回転及び他の要素の影響を示すグラフである。
【図１４】複合材料の性質に及ぼすダイ回転及び他の要素の影響を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４３】
１０    複合材料の製造装置
１１    繊維供給手段
１２    繊維
１３    ヒ−タ−
１４    押出機
１５    含浸室
１６    引張りベルト
２０    鉛直含浸通路
２１    位置調整ガイド
２２    出口ダイ
２３    円錐形入口
２４    出口部
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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