(57)【要約】高体積負荷量の長繊維強化材を有する熱可塑性物品を形成する方法は、少なくとも約４０体積パーセントの少なくとも１つの強化用繊維を有する第１の熱可塑性複合材料を準備する工程；少なくとも１つの金型を準備する工程であって、第１の金型部分の注出口が第２の金型部分の注入口と連絡している、準備する工程；第１の熱可塑性複合材料を第１の型穴中に導入する工程；第１の金型部分が少なくとも１つの第１の加工温度に到達するまで第１の型穴中の第１の熱可塑性複合材料に熱および圧力を付与する工程；金型上の圧力を開放する工程；および冷却中に金型に圧力を再付与する工程であって、冷却によって第１の熱可塑性複合材が固化されて第２の型穴の形状を有する成形物品が形成される、圧力を再付与する工程を含む。
2013538141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長繊維強化材を有する熱可塑性物品を形成する方法であって、
ａ）少なくとも約４０体積パーセントの少なくとも１つの強化用繊維を有する第１の熱可塑性複合材料を準備する工程；
ｂ）少なくとも１つの金型を準備する工程であって、前記少なくとも１つの金型のそれぞれが、
注入口および注出口を有し、第１の型穴を画定する少なくとも１つの第１の金型部分ならびに
注入口および注出口を有し、第２の型穴を画定する少なくとも１つの第２の金型部分を含み、前記第１の金型部分の注出口が前記第２の金型部分の注入口と連絡している、準備する工程、
ｃ）前記第１の熱可塑性複合材料を前記第１の型穴中に導入する工程；
ｄ）前記第１の金型部分が少なくとも１つの第１の加工温度に到達するまで前記第１の型穴中の前記第１の熱可塑性複合材料に熱および圧力を付与する工程；
ｅ）前記金型上の前記圧力を開放する工程；および
ｆ）冷却中に前記金型に圧力を再付与する工程であって、前記第１の熱可塑性複合材料の少なくとも一部が前記第１の金型部分の注出口から出て前記第２の型穴中に流れ、前記冷却によって前記第１の熱可塑性複合材が固化されて前記第２の型穴の形状を有する成形物品を形成する、圧力を再付与する工程
を含む、方法。
【請求項２】
前記第１の熱可塑性複合材料が、ポリオレフィン、ポリ（アクリロニトリル−ブタジエンスチレン）、ポリスチレン、ポリブタジエン、ポリアクリロニトリル、ポリ（ブタジエン−スチレン）、ポリ（スチレン−アクリロニトリル）、ポリブチレン、セルロース樹脂、エチレンビニルアセタート、エチレンビニルアルコール、イオノマー、液晶ポリマー、ポリアセタール、ポリアクリラート、ポリアミド、ポリフタルアミド、ポリフタルイミド、ポリイミド、ポリエーテルアミド、ポリアミドイミド、ポリフェノール、ポリカルボナート、ポリエステル、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、ポリビニリデンクロリド、ポリビニル、ポリエステル、ポリフェニレンオキシド、ポリフェニレンエステル、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンエーテルエステル、ポリエーテルエステル、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、ポリメチルペンテン、ポリケトン、ポリアリーレンエーテル、フルオロポリマー、熱可塑性エラストマー、エポキシ樹脂、ポリビスシトラコン酸イミド、ポリビスマレイミド、ビスマレイミド／トリアジン／エポキシ樹脂、ポリシアン酸エステル、シアヌラート樹脂、フラン樹脂、フェノール樹脂、尿素−ホルムアルデヒド樹脂、メラミン−ホルムアルデヒド樹脂、フタロシアニン樹脂、ポリベンゾオキサゾール樹脂、アセチレン末端ポリイミド樹脂、シリコーン、ポリトリアジン、ポリアルキド、キシレン樹脂、ならびにそのコポリマー、合金、ブレンド、および誘導体からなる群から選択される熱可塑性物質を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記熱可塑性物質が、ポリスルホン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド、またはポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトンからなる群から選択されるポリアリーレンエーテルを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記熱可塑性物質が、テトラフルオロエチレンと少なくとも１つのペルフルオロアルキルビニルエーテルとのコポリマー；テトラフルオロエチレンと少なくとも１つの他の過フッ素化アルキレンとのコポリマー、ポリクロロトリフルオロエチレン、エチルクロロトリフルオロエチレン、エチルトリフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオリド、およびポリビニルフルオリドからなる群から選択されるフルオロポリマーを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記熱可塑性複合材料が、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、テトラフルオロエチレンと少なくとも１つのペルフルオロアルキルビニルエーテルとのコポリマー、およびテトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマーから選択される熱可塑性物質を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記少なくとも１つの強化用繊維が不連続長繊維である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも１つの強化用繊維が、無機繊維、セラミック繊維、グラスファイバー、グラファイト繊維、炭素繊維、熱可塑性繊維、および／または熱硬化性繊維からなる群から選択される繊維を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
工程（ａ）が、連続長繊維強化複合材の不連続長繊維を有する複数の部分への細切または切断によって、前記第１の熱可塑性複合材料を調製する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記連続長繊維強化複合材が連続長繊維強化テープである、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記不連続長繊維を有する複数の部分が、前記部分の長手方向の寸法で測定した少なくとも２つの異なる長さを有する、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の熱可塑性複合材が、少なくとも約５０体積パーセントの少なくとも１つの強化用繊維を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１の熱可塑性複合材が、少なくとも約６０体積パーセントの少なくとも１つの強化用繊維を有する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記方法が、前記金型を加熱したプレスに配置する工程、および前記第１の熱可塑性複合材料が前記第１の型穴中に存在する場合に前記第１の金型部分の注入口に挿入されたラムまたはピストンを使用して前記第１の熱可塑性複合材料を下方へプレスする工程であって、前記加熱したプレスによって前記ラムまたはピストンが前記第１の型穴中に押し進められる、プレスする工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１の熱可塑性複合材料を、工程（ｄ）において第１の加工温度に達するまで加圧下で前記金型を約７５０°Ｆ〜約９００°Ｆに加熱することによって加熱する、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記金型を、工程（ｄ）において加圧下で約８２５°Ｆ〜約８７５°Ｆに加熱する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の加工温度が約７５０°Ｆ〜約７８０°Ｆである、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
約１，０００ｐｓｉ〜約１０，０００ｐｓｉの圧力の加熱したプレス中に前記金型を配置することによって工程（ｄ）で前記第１の熱可塑性複合材料に圧力を付与する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記圧力が約２，０００ｐｓｉ〜約５，０００ｐｓｉである、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
工程（ｅ）での前記金型上の圧力の開放後、前記方法が、前記金型を冷却プレス中に配置する工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記冷却プレスが、工程（ｆ）での冷却中に前記金型に約１，０００ｐｓｉ〜約１０，０００ｐｓｉの圧力を付与する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記冷却プレスが、工程（ｆ）での冷却中に前記金型に約２，０００ｐｓｉ〜約５，０００ｐｓｉの圧力を付与する、請求項２１に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１の金型部分の前記注出口が、少なくとも１つのフローポートによって前記第２の金型部分の注入口に連接している、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記金型が複数のフローポートを有する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
工程（ｆ）が、前記第２の型穴中の第１の熱可塑性材料を操作温度に冷却する工程を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記成形物品を前記第２の型穴から取り出す工程をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２６】
請求項１に記載のプロセスによって形成された成形物品。
【請求項２７】
前記物品がポリアリーレンエーテルおよび炭素繊維を含む、請求項２６に記載の成形物品。
【請求項２８】
長繊維強化材を有する熱可塑性物品を形成するための装置であって、
（ａ）少なくとも１つの金型本体であって、
注入口および注出口を有し、第１の型穴を画定する少なくとも１つの第１の金型部分ならびに
注入口および注出口を有し、第２の型穴を画定する少なくとも１つの第２の金型部分を有し、前記第１の金型部分の注出口が前記第２の金型部分の注入口と連絡しており、前記第２の型穴が前記物品を形成するための配置を有する、少なくとも１つの金型本体；
（ｂ）前記第１の型穴に挿入することができるように構成されたピストン；および
（ｃ）前記金型本体を加熱および冷却することができる少なくとも１つのプレス
を含む、装置。
【請求項２９】
前記加熱したプレスは、前記ピストンが前記第１の型穴に挿入された場合に前記ピストンをプレスすることによって前記プレスが前記第１の型穴中の第１の熱可塑性複合材料に熱および圧力を付与することができるように、開口のときに金型を受けることができる、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記第１の金型部分の注出口が、少なくとも１つのフローポートによって第２の金型部分の注入口に連接している、請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記金型が複数のフローポートを有する、請求項３０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、米国特許法§１１９（ｅ）の下、２０１０年８月１３日に出願された米国仮特許出願第６１／３４３，４５０号（発明の名称「Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ  Ｆｉｂｅｒ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ  Ｈａｖｉｎｇ  Ｈｉｇｈ  Ｖｏｌｕｍｅ  Ｆｉｂｅｒ  Ｌｏａｄｉｎｇ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｍａｋｉｎｇ  Ｓａｍｅ」）の利益を主張する。この出願の全開示は本明細書において参照として援用される。
【０００２】
発明の分野
本発明は、熱可塑性／繊維複合材料の形成分野、具体的には、高体積繊維負荷で長繊維を使用したかかる複合材の形成に関する。
【背景技術】
【０００３】
関連技術の説明
熱可塑性複合材からの物品の形成では、典型的には、予備構造物（ペレット、プリプレグ（シート、フィルム、リボン）、棒材、または他の繊維負荷構造など）を形成し、次いでその予備構造物がさらなる形成プロセス（射出成形、圧縮成形、スタンピング、および積層法など）を経て熱可塑性複合材構造を形成する。
【０００４】
熱可塑性複合材物品の既存の形成テクノロジーの例を、特許文献１で見出すことができ、これは、積層型プリプレグ層状構造を使用したスタンピングプロセスを教示している。特許文献２は、種々の複合材の成形技術（種々の圧縮成形技術が含まれる）を記載しており、種々の圧力アクチュエータが成形すべき部品に金型部分の上部を横切って圧力負荷を分配する真空補助を有するゾーン成形装置を教示している。このプロセスは、プリプレグを使用するか使用しないで部品表面上に樹脂を流し、次いで、厚さ方向に部品を介して樹脂を押し出して高体積繊維負荷（約６０％）とすることを主張している。
【０００５】
先行技術では、ほとんどの場合、エンジニアリング熱可塑性物質を使用した射出成形および圧縮成形によって成形物品（直接またはプリプレグ由来のいずれか）への高度な負荷を試みた場合に困難に遭遇する。射出成形プロセスは、一般に、均一な複合材部品を形成するための高体積の繊維負荷に適応していない。高体積繊維負荷存在下で材料を流す際にも困難が生じ得る。
【０００６】
高体積繊維負荷されているプリプレグを介して樹脂をコーティングまたは押し出すことが試みられているが、かかる試みによってエアポケットまたは細孔が生じ、適切なウェッティングのための高負荷プリプレグを介した樹脂の流し込みが困難であり、高繊維負荷された強い部品を効率的および均一に作製する方法の達成において問題が生じ得る。
【０００７】
したがって、長繊維強化材を有する熱可塑性複合材料（例えば、熱可塑性複合材部品）から物品を形成する方法が当該分野で必要である。この物品は、かかる樹脂から形成され、成形プロセス後に物品中に長繊維強化材が無作為に分散された強力かつ均一な複合材物品を提供する様式で熱可塑性樹脂マトリックス中に繊維が高体積負荷されている。製造、特に精密な特徴を有する配置を有する部品の作製での実施に有効かつ容易な方法も必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５，１３９，４０５号明細書
【特許文献２】米国特許第７，０８１，２１９号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
発明の概要
本発明は、長繊維強化材を有する熱可塑性物品を形成する方法であって、（ａ）少なくとも約４０体積パーセントの少なくとも１つの強化用繊維を有する第１の熱可塑性複合材料を準備する工程；（ｂ）少なくとも１つの金型を準備する工程であって、金型が、注入口および注出口を有し、第１の型穴を画定する少なくとも１つの第１の金型部分ならびに注入口および注出口を有し、第２の型穴を画定する少なくとも１つの第２の金型部分を含み、第１の金型部分の注出口が第２の金型部分の注入口と連絡している、準備する工程；（ｃ）第１の熱可塑性複合材料を第１の型穴中に導入する工程；（ｄ）第１の金型部分が少なくとも１つの第１の加工温度に到達するまで第１の型穴中の第１の熱可塑性複合材料に熱および圧力を付与する工程；（ｅ）金型上の圧力を開放する工程；および（ｆ）冷却中に金型に圧力を再付与する工程であって、第１の熱可塑性複合材料の少なくとも一部が第１の金型部分の少なくとも１つの注出口から出て第２の型穴中に流れ、冷却によって第１の熱可塑性複合材が固化されて第２の型穴の形状を有する成形物品が形成される、圧力を再付与する工程を含む、方法を含む。
【００１０】
１つの実施形態では、第１の熱可塑性複合材料は、ポリスルホン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド、またはポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトンからなる群から選択されるポリアリーレンエーテルである熱可塑性物質を含む。熱可塑性物質はまた、好ましくは、テトラフルオロエチレンと少なくとも１つのペルフルオロアルキルビニルエーテルとのコポリマー；テトラフルオロエチレンと少なくとも１つの他の過フッ素化アルキレンとのコポリマー、ポリクロロトリフルオロエチレン、エチルクロロトリフルオロエチレン、エチルトリフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオリド、およびポリビニルフルオリドからなる群から選択されるフルオロポリマーを含むことができる。
【００１１】
なおさらに好ましい実施形態では、熱可塑性複合材料は、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、テトラフルオロエチレンと少なくとも１つのペルフルオロアルキルビニルエーテルとのコポリマー、およびテトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンとのコポリマーから選択される熱可塑性物質を含む。
【００１２】
少なくとも１つの強化用繊維が不連続長繊維であることが好ましい。少なくとも１つの強化用繊維は、無機繊維、セラミック繊維、グラスファイバー、グラファイト繊維、炭素繊維、熱可塑性繊維、および／または熱硬化性繊維からなる群から選択される繊維を含むことができる。
【００１３】
１つの実施形態では、方法の工程（ａ）は、連続長繊維強化複合材の不連続長繊維を有する複数の部分への細切または切断によって第１の熱可塑性複合材料を調製することをさらに含むことができる。連続長繊維強化複合材を、連続長繊維強化テープとして提供することができ、不連続長繊維を有する複数の部分は、部分の長手方向の寸法で測定した少なくとも２つの異なる長さ、おそらく種々の長さを有し得る。
【００１４】
第１の熱可塑性複合材は、好ましくは、少なくとも約５０体積パーセント、より好ましくは少なくとも約６０体積パーセントの少なくとも１つの強化用繊維を有する。
【００１５】
本方法はまた、金型を加熱したプレスに配置する工程、および第１の熱可塑性複合材料が第１の型穴中に存在する場合に第１の金型部分の注入口に挿入されたラムまたはピストンを使用して第１の熱可塑性複合材料を下方へプレスする工程であって、加熱したプレスによってラムまたはピストンが第１の型穴中に押し進められる、プレスする工程をさらに含むことができる。
【００１６】
第１の熱可塑性複合材料を、好ましくは、工程（ｄ）において第１の加工温度に達するまで加圧下で金型を約２００°Ｆ〜約９００°Ｆ、より好ましくは約４００°Ｆ〜約９００°Ｆ、さらにより好ましくは約７５０°Ｆ〜約９００°Ｆ、より好ましくは約８２５°Ｆ〜約８７５°Ｆに加熱することによる方法で加熱する。第１の加工温度は、約１７５°Ｆ〜約８００°Ｆ、好ましくは約１７５°Ｆ〜約７８０°Ｆ、より好ましくは約２５０°Ｆ〜約７８０°Ｆ、最も好ましくは約７５０°Ｆ〜約７８０°Ｆである。
【００１７】
本方法はまた、約１，０００ｐｓｉ〜約１０，０００ｐｓｉの好ましい圧力で、加熱したプレス中に金型を配置することによって工程（ｄ）で第１の熱可塑性複合材料に圧力を付与する工程をさらに含むことができる。圧力は、より好ましくは約２，０００ｐｓｉ〜約５，０００ｐｓｉである。工程（ｅ）での金型上の圧力の開放後、本方法は、金型を冷却プレス中に配置する工程をさらに含むことができ、冷却プレスが、工程（ｆ）での冷却中に金型に約１，０００ｐｓｉ〜約１０，０００ｐｓｉ、より好ましくは約２，０００ｐｓｉ〜約５，０００ｐｓｉの圧力を付与する。
【００１８】
第１の金型部分の注出口は、好ましくは少なくとも１つのフローポートによって第２の金型部分の注入口に連接し、好ましくは、金型は複数のフローポートを有する。
【００１９】
工程（ｆ）で、１つの実施形態では、本方法は、第２の型穴中で第１の熱可塑性材料を操作温度に冷却し、さらに第２の型穴から成形物品を取り出す工程を含む。
【００２０】
本発明はまた、本明細書中に記載のプロセスによって形成された成形物品を含む。かかる物品は、好ましくは、ポリアリーレンエーテル熱可塑性物質および長不連続炭素繊維を含む。
【００２１】
本発明はまた、長繊維強化材を有する熱可塑性物品を形成するための装置であって、（ａ）少なくとも１つの金型本体であって、注入口および注出口を有し、第１の型穴を画定する少なくとも１つの第１の金型部分ならびに注入口および注出口を有し、第２の型穴を画定する少なくとも１つの第２の金型部分を有し、第１の金型部分の注出口が第２の金型部分の注入口と連絡しており、第２の型穴が物品を形成するための配置を有する、少なくとも１つの金型本体；（ｂ）第１の型穴に挿入することができるように構成されたピストン；および（ｃ）金型本体を加熱および冷却することができる少なくとも１つのプレスを含む、装置を含む。
【００２２】
開口のときの加熱したプレスは、好ましくは、ピストンが第１の型穴に挿入された場合にピストンをプレスすることによってプレスが第１の型穴中の第１の熱可塑性複合材料に熱および圧力を付与することができるように金型を受けることができる。第１の金型部分の注出口は、好ましくは、少なくとも１つのフローポート、好ましくは複数のフローポートによって第２の金型部分の注入口に連接している。
【００２３】
図面の簡単な説明
前述の概要は、以下の本発明の好ましい実施形態の詳細な説明と同様に、添付の図面と併せて読んだ場合により深く理解される。本発明を例証するために、図中に現在好ましい実施形態を示す。しかし、本発明が示された配置および手段に正確に限定されないと理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１および１ａは、それぞれを本明細書中に記載の方法の好ましい実施形態で用いるための連続長繊維強化熱可塑性材料およびこれから作製した不連続長繊維強化熱可塑性材料の略図である。
【図１ａ】図１および１ａは、それぞれを本明細書中に記載の方法の好ましい実施形態で用いるための連続長繊維強化熱可塑性材料およびこれから作製した不連続長繊維強化熱可塑性材料の略図である。
【図２】図２は、金型中の第１の型穴中に不連続長繊維強化熱可塑性複合材料を有する本明細書中に記載の方法の実施形態で用いる金型の略図である。
【図３】図３は、第１の型穴中の複合材料上に押し下げたピストンを有する加熱したプレス中に配置した図２において見られる金型の略図である。
【図４】図４は、複合材料を第２の型穴に入れ、冷却して形成された物品が得られた後の図２の金型の略図である。
【図５】図５は、第２の型穴から取り出したブランク形態の成形物品の略図である。
【図６】図６は、図５中のブランクから過剰な材料を除去したのちの成形物品の略図である。
【図７】図７は、本明細書中の装置の実施形態に従い、本明細書中に記載の方法で用いる組み立て型の金型の写真である。
【図８】図８は、図７の金型の分解斜視図である。
【図９ａ】図９ａおよび９ｂは、図７において見られる金型から形成された成形部品の写真である。
【図９ｂ】図９ａおよび９ｂは、図７において見られる金型から形成された成形部品の写真である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
発明の詳細な説明
本発明は、高充填熱可塑性複合材である形成物品を提供するための方法および装置であって、複合材が少なくとも１つの長繊維強化材で充填されている、方法および装置を提供する。簡潔であるか精密な配置を有する強力な複合材部品を生産するための簡潔な成形プロセスを使用して高体積繊維負荷が可能である。長繊維強化複合材の伝統的な射出成形は典型的には流動性の問題のために約３０体積％〜４０体積％の体積負荷に制限されるが、本発明は、この体積以上（約５０％、６０％、またはそれを超えるまで含まれる）を提供することができる。
【００２６】
伝統的な射出成形は、成形物品を形成するために使用した強化プリプレグまたは他の長繊維複合材料を流動可能な加工温度（例えば、約７６０°Ｆ）に加熱する工程を含み、次いで、加熱した材料を加熱した成形型に押し込む。金型を、加熱した複合材の流動温度よりはるかに低い温度で加熱する。例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）複合材の伝統的な成形では、射出成形金型を約３００°Ｆ〜約４００°Ｆに加熱することができる。金型の流動性および充填は、繊維体積が非常に大きくなるにつれて長繊維強化材の使用量の限定が困難になる。
【００２７】
本発明は、型穴が成形されるにつれて冷却部分のサイクルを通して長繊維を有する複合材料がその最適な加工温度で流れ続けることができるように金型部分および各型穴が同一の金型内で同時に入れ子になっている固有の同時入れ子型型穴の金型デザインを使用した金型（複数可）を有する方法および装置を含む。これにより良好に形成された物品が得られ、これは、長繊維強化複合材料の加工の容易さに起因する。本明細書中の装置を使用して、他の成形材料および複合材を加工することもできるが、長繊維強化熱可塑性複合材料の加工のために使用する場合、特に有益である。
【００２８】
本明細書中の方法では、出発物質は、好ましくは、少なくとも約４０体積パーセントの少なくとも１つの強化用繊維を有する少なくとも１つの第１の熱可塑性複合材料である。種々の複合材型を使用することができ、１つを超える複合材を本明細書中に記載の金型中に、本発明の方法で同時に導入することができることが本発明の範囲内であることを意図する。
【００２９】
本明細書中の複合材での使用に好ましい熱可塑性物質は、好ましくは、強化材を負荷するか充填することができ、かつ加熱下で流れることができるポリマープラスチックおよびポリマー樹脂である。例示的な熱可塑性物質には、ポリオレフィン（ポリエチレン、ポリブチレン、ポリプロピレンなど）、ポリ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン）（ＡＢＳ）、ポリスチレン、ポリブタジエン、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、ポリ（ブタジエン−スチレン）（ＰＢＳ）、ポリ（スチレン−アクリロニトリル）（ＳＡＮ）、ポリブチレン、セルロース樹脂（エチルセルロース、酢酸セルロース、酢酸酪酸セルロース、酢酸プロピオン酸セルロース、および硝酸セルロースなど）、ポリエチレンビニルアルコール（ＥＶＡ）、ポリエチレンビニルアセタート、フルオロポリマー（溶融加工可能なフッ素プラスチック（テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）と少なくとも１つのペルフルオロアルキルビニルエーテル（ＰＡＶＥ）とのコポリマー（ＰＦＡ）、ＴＦＥと少なくとも１つの他の過フッ素化アルキレン（ヘキサフルオロプロピレンなど）とのコポリマー（ＦＥＰ）など）、ポリ（クロロトリフルオロエチレン）、ポリエチルクロロトリフルオロエチレン（ＥＣＴＦＥ）、ポリエチルトリフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）、ポリビニルフルオリド（ＰＶＦ）、およびポリビニリデンフルオリド（ＰＶＤＦ）など）、イオノマー、液晶性ポリマー（ＬＣＰ）、ポリアセタール、ポリアクリラート、ポリアミド（ナイロン１２、ナイロン６など）、ポリフタルイミド、ポリイミド、ポリエーテルアミド、ポリアミドイミド、ポリフェノール、ポリカルボナート、ポリエステル、ポリウレタン、ポリビニルクロリド（ＰＶＣ）、ポリビニリデンクロリド、ポリビニル、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンエステル、ポリフェニレンエーテルエステル、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、ポリメチルペンテン、ポリケトン、ポリアリーレンエーテルケトンおよびポリアリールエーテルケトン（ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、およびポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）など）、熱可塑性エラストマー（エチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）、およびポリウレタンエラストマーなど）、エポキシ樹脂、塩素化ポリエチレン、ビスシトラコン酸イミド（ｂｉｓｃｉｔｒａｃｏｎｉｃｉｍｉｄｅ：ＢＣＩ）、ビスマレイミド（ＢＭＩ）、ビスマレイミド／トリアジン／エポキシ樹脂、シアン酸エステル（ｃｙａｎａｔｅ  ｅｓｔｅｒ）、シアヌラート樹脂、フラン樹脂（ｆｕｒａｎｉｃ  ｒｅｓｉｎ）、フェノール樹脂、尿素−ホルムアルデヒド樹脂、メラミン−ホルムアルデヒド樹脂、フタロシアニン樹脂、ポリベンゾオキサゾール樹脂、アセチレン末端ポリイミド樹脂、シリコーン、ポリトリアジン、ポリアルキド、およびキシレン樹脂が含まれる。
【００３０】
これらの熱可塑性物質のそれぞれまたはいずれかのコポリマー（ランダム形態またはブロック形態の２つ以上のモノマー種から形成されたポリマー、またはグラフトコポリマー（そのいずれかが複数のモノマー成分または反応物を有し得る））（既知であるか開発中）も使用することができる。さらに、かかる熱可塑性物質を、その複合材からの物品の形成に依然として有用である場合、誘導体化し、そして／または官能基（末端および／または鎖上）、分岐鎖および／または直鎖骨格構造、および鎖または側基に沿ったさらなる不飽和の位置などを含むことができる。提供することができる官能基には、アリール、ケトン、アセチレン、酸性基、ヒドロキシル、硫黄含有基、スルファート、スルファイト、メルカプト、ホスファト、カルボキシル、シアノ、ホスファイト、酸素／エーテルまたはエステル（鎖または側鎖内に組み込むこともできる）、カルボン酸、硝酸（ｎｉｔｒｉｃ）、アンモニウム、アミド、アミジン、ベンズアミジン、およびイミダゾール（ｉｍｉｄｉｚｏｌｅ）などが含まれる。これらのポリマーの塩（カリウム塩またはナトリウム塩など）も使用することができる。選択されたポリマー（複数可）を、混合物、ブレンド、合金中で使用するか、相互または他のモノマーとコポリマー化して新規のランダムコポリマー、ブロックコポリマー、またはグラフトコポリマーを形成することもできる。低水分熱硬化材料（熱可塑性に類似する類似の吸湿性を有する一定のエポキシおよび熱硬化材料など）も本発明内で使用可能である。本明細書中での便宜および単純化のために、かかる材料は、本発明で熱可塑性材料の代わりに使用することができるので、熱可塑性物質の広い基準内に含まれる。これらの熱可塑性物質が好ましいが、そのリストは完全なものと見なすべきではなく、当業者は、この開示に基づいて、本発明の範囲を逸脱することなく本発明で他の熱可塑性物質を使用することができると理解する。
【００３１】
上記由来の好ましい材料には、エンジニアリングプラスチック（ポリスルホン、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリフェニレンオキシド、およびスルフィドなど）およびポリアリーレン材料（ＰＥＥＫ、ＰＥＫ、およびＰＥＫＫなど）が含まれる。加工温度で流動性を示すという条件で、フルオロポリマーを好ましい材料として使用することもできる。
【００３２】
長繊維強化材を有する少なくとも１つの第１の熱可塑性複合材料を本明細書中に提供することが好ましいが、他の熱可塑性物質および／または熱可塑性複合材（同一または異なる形態の強化材または充填剤を有する）を、好ましい第１の熱可塑性複合材料に加えて使用することができる。かかる添加物を、好ましくは熱可塑性マトリックス材料とのブレンドによって熱可塑性複合材に提供することができる。上記材料の全ては、本明細書中に記載の好ましい材料以外に、種々の他の充填剤および／または強化剤を含むことができる。強化材として使用した種々の添加物には、色素、染料、ガラス、セラミック、メッシュ、ハニカム、マイカ、クレイ、有機着色剤、可塑剤、揺変剤、難燃剤、ＵＶ吸収剤、エキステンダー、安定剤、二酸化ケイ素、シリカ、アルミナ、タルク、グラスファイバー、硫酸バリウム、ガラス球、ＰＴＦＥ短繊維、ＴＦＥコポリマー短繊維、種々の長さの他の強化用繊維、リボンまたは小板、珪灰石、チタナートウィスカー、相溶化剤、流体力学剤または揺変剤、帯電防止剤（熱可塑性マトリックスに提供された官能基および／またはグラフトコポリマーの使用によって組み込むこともできる）、短炭素繊維、および他の類似の充填剤、摩擦学的添加物および強化剤が含まれる。かかる添加物（第１の熱可塑性複合材料の存在に加えて）が複合材の総重量に基づいて複合材の約１０％以下の量で存在することが好ましいが、それを超えるかそれ未満を使用することができる。
【００３３】
さらに、繊維材料がブレンドした材料（すなわち、１つを超える繊維を熱可塑性物質（複数可）の添加前の含浸のためのマトリックス材料として組み合わせて使用して本明細書中で使用すべき複合材料（例えば、ガラス／カーボン、ガラス／グラファイト／カーボン、グラファイト／カーボン、アラミド／ガラス、セラミック／ガラス、およびＰＴＦＥまたはＴＦＥコポリマー繊維／カーボンブレンドが含まれるが、これらに限定されない）を形成することができる）であり得ることが本発明の範囲内に含まれる。繊維ブレンドまたは組み合わせた繊維強化材では、さらなる繊維を細切したストランド、フィラメント、またはウィスカーの形態で繊維マトリックスに提供することができる。さらに、かかるブレンドは、十分な強度および他の所望の性質が保持されることを条件として、任意の範囲の潜在的な織ったかブレンドした繊維材料を含むことができる。
【００３４】
本明細書中の第１の熱可塑性複合材料で用いる強化繊維は、好ましくは、長繊維である。かかる繊維は、無機物、セラミック、ガラス、グラファイト、カーボン、および／またはプラスチック（熱可塑性および熱硬化性）繊維（アラミド繊維またはＫｅｖｌａｒ（登録商標）など）であり得る。連続繊維は、一方向性または二方向性の連続繊維（好ましくは、二方向性繊維は、平行方向におよそ５０％の繊維および垂直方向におよそ５０％の繊維を有する）、伸長破断繊維、編み繊維、および織り連続繊維であり得る。さらに、繊維は、編み繊維または混合繊維であり得る。長繊維の好ましい直径には、約０．１ミクロン、約５〜約１５ミクロン、および約７〜約１０ミクロンが含まれる。
【００３５】
長繊維強化材が第１の熱可塑性複合材の約３０体積％以上、好ましくは４０体積％以上、より好ましくは５０体積％以上、最も好ましくは約６０体積％〜約９０体積％であることが好ましい。長繊維が第１の熱可塑性複合材の約４０体積％〜約８０体積％であることが好ましく、長繊維が熱可塑性複合材の約５０体積％〜約７０体積％であることが最も好ましい。
【００３６】
本明細書中で使用した第１の熱可塑性複合材料で使用した長繊維を、任意の長繊維含有プリプレグまたは他の浸透性複合材構造によって得ることができる。本明細書中の１つの好ましい実施形態では、連続繊維構造を使用することができる（浸透性連続繊維テープまたは布など）。本明細書中で使用する場合、かかる構造中の連続繊維は、一般に、約０．５インチ（１．２７ｃｍ）を超える長さを有する繊維である。かかるテープまたは他の連続性の布、テープ、および棒材などを、種々の長さに切断または細切することができるが、長繊維構造（例えば、主に長さ−直径比が約１００を超える強化繊維を有する構造）を保持することが好ましい。かかるカットフィード構造の長さの変化により、種々の無作為に分散した長繊維はそれによって形成された成形物品内に見出すことができ、金型に供給した切断複合材料は第１の型穴内で適合するためにより容易に分離する傾向がある。
【００３７】
かかる第１の熱可塑性複合材料（例えば、細切または切断した連続繊維強化された熱可塑性の繊維、テープ、ロッドなど）を、本発明にしたがって金型に注ぐ。図１および１ａ中の概略図に示すように、熱可塑性連続繊維強化テープ１０を使用して第１の熱可塑性複合材料１２を形成することができる。種々の位置１４での切断の際、種々の部分１６が形成される。図１ａに示すように、かかる部分１６は種々の長さｌ１、ｌ２、ｌ３などを有する。得られた部分１６により、本明細書中の方法のための第１の熱可塑性材料の供給ストックが得られる。得られた構造は、不連続長繊維強化材を有する。
【００３８】
図２に模式的に示すように、本明細書中に記載の金型１８は金型本体２０を有し、少なくとも２つの同時入れ子型型穴を含む。しかし、この開示に基づいて、装置が１つを超えるかかる金型本体を含むことができ、使用すべき所望の金型デザインに応じて相互の側方付近に存在するか積み重ねられた配置に圧力を付与することができるプレスまたは他の加熱および／または冷却構造中に金型本体を含むことができると理解すべきである。図２を参照して、金型１８は少なくとも１つの第１の金型部分２２および少なくとも１つの第２の金型部分２４を有する。第１の部分２２は、注入口２６および注出口２８を有する。第１の部分は、部分中に第１の型穴３０を画定するように構成されている。型穴３０は、長繊維強化された熱可塑性複合材の形態（好ましくはその不連続繊維、より好ましくは種々の長さを有する）の供給ストックを加熱して流動性にするためのりリザーバとして作用する。複数のポートを介して熱可塑性複合材を単一の第２の型穴に導入するためのいずれかの複数の複合材供給源を得ることができ、そして／または同時に１つ以上のポートを介して熱可塑性複合材を複数の第２の型穴に導入するための複数の複合材供給源を得ることができるように、材料を型穴３０に導入するための注入口２６を有する複数の金型部分２２を本発明の範囲内に組み入れることができると理解すべきである。
【００３９】
図３を参照して、装置３２を、本明細書中の実施形態にしたがって示し、これは、金型１８および型穴３０を含む。第１の部分２２の注入口２６は、好ましくは、ピストン、ラム、または他の押し込み構造（ピストン３４など）に適応するように構成されている。ピストンまたは他の構造は、第１の型穴３０に入ることができるように構成されるべきである。示すように、ピストンまたは他の押し込み構造を、一旦加熱した熱可塑性物質の逆流を回避するために型穴の注入口２６内にぴったりであるがスライド可能に適合させることができる。ロッドまたはピストンの代用物として、構造的に押し込みに十分な強度があるが、標準的な押し込み力によって動くピストンまたは押し込み構造の代わりにロッドまたは液圧装置を押し込むことによって作動する第１の金型部分の注入口を横切って伸長しているプレス表面を形成することができる。好ましくは、加熱および／または冷却由来の熱および圧力下でロッドまたはピストンが第１の型穴内に押し進められるロッドまたはピストンを使用する。複数の型穴３０を有する複数の金型部分を使用する場合、かかる金型と整列した複数のプレス構造を有する単一のツールを使用することができるか、１つを超えるかかる構造（ロッドまたはピストンなど）を各型穴の注入口２６上での使用のために提供することができる。
【００４０】
少なくとも１つの第２の金型部分２４は、１つ以上の第２の金型部分片３３を使用して第２の型穴３６を画定するために一体となる２つ以上の適合表面３５を含むことができる。適合表面は、最終的に成形物品の形状を画定するための種々の特徴を含むことができる。穴および他の固有の特徴について、ロッドまたは他の標準的な成形適合物を使用することができる。第２の金型部分２４への注入口３８によって流動性の熱可塑性複合材料が型穴３６に入って造形物品を形成することが可能である。第１の金型部分２２の注出口２８は、リザーバである第１の型穴３０由来の熱可塑性複合材がフローポート４０を介して第２の型穴３６に流れることができるように第２の金型部分２４の注入口３８と連絡している。１つ以上のフローポートを、１つ以上の第１の型穴３０から１つ以上の第２の型穴３６に移動させるために、流動性熱可塑性複合材料用に形成することができ、これは、型穴３６の内部全体へのポリマー複合材の異なる分布または複数の第２の型穴への供給での使用に有用であり得る。
【００４１】
第１の熱可塑性長繊維強化材料を第１の型穴に導入した後、熱および圧力を複合材料に付与する。上述のように、圧力構造（上述のピストン３４または類似の構造など）によってこれを行うことができる。加熱したプレスを使用して、ピストンに下方向への力を加え、かつ少なくとも１つの第１の金型部分を加熱することができる。より好ましくは、金型１８がプレス４２の加熱および／または冷却圧盤内に適合するように金型１８を構成する。第１の型穴中の熱可塑性複合材料を、第１の加工温度に加熱する。この加工温度は、熱可塑性複合材供給材料に応じて変化する。ＰＥＥＫについて、例えば、温度は、約７５０°Ｆ〜約７８０°Ｆ、好ましくは約７６０°Ｆである。第１の加工温度を達成するために、第１の金型部分を、加圧下で第１の型穴内の複合材の流動温度を維持するのに十分な温度に加熱すべきである。ＰＥＥＫ成形のために、例えば、第１の金型を、上述の加工温度でＰＥＥＫが得られ、第１の型穴中に残存するような温度に加熱する。一般に、加工温度は、上述のように、材料によって変化し得る。かかる温度の例はそれに応じた範囲である。例えば、第１の加工温度は、約１７５°Ｆ〜約８００°Ｆ、好ましくは約１７５°Ｆ〜約７８０°Ｆ、より好ましくは約２５０°Ｆ〜約７８０°Ｆ、最も好ましくは約７５０°Ｆ〜約７８０°Ｆであり得る。
【００４２】
好ましくは、熱可塑性物質のための加工温度が達成されるまで、金型を、約２００°Ｆ〜約９００°Ｆ、好ましくは約４００°Ｆ〜約９００°Ｆ、より好ましくは約７５０°Ｆ〜約９００°Ｆ、最も好ましくは約８２５°Ｆ〜約８７５°Ｆに維持する。加熱中に圧力を付与することができ、体積繊維負荷および使用される材料に応じて、好ましくは、圧力は約１，０００ｐｓｉ〜約１０，０００ｐｓｉである。好ましい圧力は、ほとんどの適用について約２，０００ｐｓｉ〜約５，０００ｐｓｉである。
【００４３】
一旦熱可塑性物質の加工温度が達成されると、金型上の圧力を開放し、金型を冷却プレスに供する。冷却プレスは、金型移動を使用した個別のプレスであり得るか、個別の加熱冷却サイクルのために異なる領域を有する単一のプレスの一部であり得る。加熱のために使用した圧力と同一の圧力を冷却サイクル中に付与することができ、この時点で、第１の型穴を介して押し下げた加熱加工可能な熱可塑性物質を第２の型穴（複数可）に通過させ（図４を参照のこと）、第２の金型部分（複数可）を冷却する。冷却によって第１の熱可塑性複合材が固化されて物品４４が形成され、物品４４は第２の型穴（複数可）内で成形され、物品の少なくとも一部が第２の型穴の配置に従うように成形される。好ましくは、金型（複数可）をオペレーターによって取り扱うことができるまで冷却すべきである。次いで、第２の金型部分（複数可）を開いて種々の部分を分離し、それによって成形表面３５が得られ、物品４４を放出させる。
【００４４】
図５および６に示すように、１つ以上の第２の型穴で形成された物品４４（複数可）が金型から取り出される場合、第２の型穴の注入口領域または成形表面３５間の合流点からのフラッシングまたは過剰物は物品上に存在し得る。図５に示したかかる過剰部分４５を除去して図６に示す１つ以上の完成部品４６が得られる。
【００４５】
図７は、第１の型穴中への注入口の開口部１２６および金型内の成形領域を画定する小片１３３を有する組み立て型の金型１１８を示す。かかる組み立て型の金型から、上記のプロセスでの使用後、金型の第２の型穴の内部に適合する形状を有する図９ａおよび９ｂに示す完成部品１４６が得られる。図８は、かかる部品の形成のための第２の型穴成形部分内に金型本体の内部を示す図７の金型の分解斜視図を提供する。
【００４６】
前述に基づいて、個別の金型部分中に同時に入れ子になっている型穴を有する本明細書中の成形方法によって高体積の長繊維強化された熱可塑性複合材で形成された物品の容易かつ効率的な形成方法が可能であると理解することができる。
【００４７】
その広範な本発明の概念から逸脱することなく上記実施形態を変更することができることが当業者によって認識される。したがって、本発明は開示の特定の実施形態に制限されないが、添付の特許請求の範囲に定義された本発明の趣旨および範囲内で改変形態を網羅することが意図されると理解される。
【図１】
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【図１ａ】
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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９ａ】
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【図９ｂ】
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【国際調査報告】
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