(57)【要約】  本発明は、プラスチックの仕上げ法において更なる加工に適した繊維複合材料からペレットを製造する方法に関し、その際、ペレットは、炭素単繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物と少なくとも１つの熱可塑性マトリックス材料を含有し、該材料は、炭素繊維含有の廃材又は使用済み品から炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物を分離し、これらを熱可塑性マトリックス材料と一緒に面状に敷き、熱の影響下でシート材料へと圧縮し、その後、冷却し、かつペレット、小片シート又はチップへと細分することを特徴とする。本発明による方法は、炭素繊維を、例えば、紡織繊維系の製造廃材、付着又は硬化した製造廃材から、調製されたＣＦＫ廃棄部材等から強化繊維として用いることを可能にし、それをもって、より費用対効果が大きい出発材料が提供され、かつ上述の使用済み品に含まれた炭素繊維が、新たに目的に適った使用に供給される。不連続の炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物は、その際、易流動性で良好に配量可能な形態にもたらされ、かつ、例えば、出発材料として押出成形又は射出成形のために用いられることができる。
2013519762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラスチックの仕上げ法における更なる加工に適した繊維複合材料からのペレットの製造法であって、その際、ペレットが炭素繊維と少なくとも１つの熱可塑性マトリックス材料とを含有する、該ペレットの製造法において、炭素繊維含有の廃材又は使用済み品から分離された炭素繊維、炭素繊維束又はそれらより成る混合物を使用し、これらを熱可塑性マトリックス材料と一緒に面状に敷き、熱の影響下でシート材料へと圧縮し、その後、冷却し、かつペレット、小片シート又はチップへと細分することを特徴とする方法。
【請求項２】
まず不連続炭素繊維からの少なくとも１つの層を、空気式ランダム不織布法、カード法、湿式不織布法、製紙法において又はルーズフィルとして不連続炭素繊維を面状に敷くことによって作製することを特徴とする、請求項１記載の繊維複合材料からのペレットの製造法。
【請求項３】
使用した炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物が、３ｍｍ〜１５０ｍｍの平均長を有することを特徴とする、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
カード装置に進入する繊維層を、薄くて目付均一の繊維ウェブへと直接加工することを特徴とする、請求項２又は３記載の方法。
【請求項５】
前記カード装置の入口で、不連続の炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物と熱可塑性繊維とを、それぞれ別個の層として供給し、かつ、これらをカード機内で混合することを特徴とする、請求項４記載の方法。
【請求項６】
少なくとも１つの熱可塑性フォイル、繊維ウェブ層又は不織布層を包含する少なくとも１つの熱可塑性層を、場合により溶融物の形態で、不連続の炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物より成る少なくとも１つの層と接触させることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
約５ｍｍ未満の直径を有する粉末の形態若しくは粒子としての熱可塑性成分を、不連続の炭素繊維、炭素繊維束若しくはそれらの混合物より成る少なくとも１つの層に適用するか若しくは係る層内に導入し、かつ、この集成物を加熱するか、又は該熱可塑性成分を溶融物の形態で、不連続炭素繊維からの少なくとも１つの層と接触させることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
不連続繊維の形態の熱可塑性成分を、炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物と、層形成の前又は層形成の間に、完全かつ均質に互いに混合することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
個々の成分、すなわち、炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物、熱可塑性マトリックス繊維と、場合により、他の組成を有するさらに別の繊維とを、それぞれ分類して種々の層の形で繊維ウェブ又は不織布ウェブとして重ねて面状に敷き、かつ熱可塑性マトリックス成分による全ての層の十分な浸透と、熱固化後の層の相互の緻密な結合を得るための措置を行うことを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
廃材又は使用済み品から形成された炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物を分離するために、不要なマトリックス物質から、熱分解法又は超臨界溶媒を用いた処理によって取り除くことを特徴とする、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法に従って製造された炭素繊維含有のペレットにおいて、該ペレットが、５％〜９５％の範囲の、好ましくは１０％〜８０％の範囲の炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物の割合を有し、かつペレットの最大エッジ間隔が３〜２５ｍｍ、好ましくは５〜１０ｍｍであることを特徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法に従って製造された炭素繊維含有のペレット。
【請求項１２】
前記ペレット中に含まれた炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物が一様な繊維長を有しておらず、かつ、これらの一部分がペレット体全体を間断なく貫かないことを特徴とする、請求項１１記載の炭素繊維含有ペレット。
【請求項１３】
炭素繊維含有の廃材又は使用済み品から形成された炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物の他に、不連続一次産品（新しい物）の形態の炭素繊維分も含有していることを特徴とする、請求項１１又は１２記載の炭素繊維含有ペレット。
【請求項１４】
炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物の他に、補強作用を有する不連続形の更なる繊維成分、殊にパラアラミド、ガラス繊維、天然繊維、不融性の化学繊維及び／又はマトリックス繊維より高い融点を有する繊維を含有していることを特徴とする、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の炭素繊維含有ペレット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラスチックの仕上げ法における更なる加工に適した繊維複合材料からのペレットを製造する方法に関し、その際、ペレットは、炭素繊維と少なくとも１つの熱可塑性マトリックス材料とを含有する。
【０００２】
炭素繊維は、熱可塑的に又は熱硬化的に結合された繊維複合材料（ＦＶＷ）の繊維強化物として用いられている。最大の補強効果を達成するために、これまで、繊維強化は、主として連続炭素繊維材料、例えばフィラメント糸、マルチフィラメント糸又はいわゆるロービングの形態で行われている。これに対して、炭素繊維は、古典的な紡織繊維系加工の分野から公知であるような、例えば２０ｍｍ〜８０ｍｍの範囲の不連続繊維長を有するカット繊維としては市場に提供されておらず、なぜなら、それらの加工には問題がより多く含まれているからである。
【０００３】
炭素繊維材料は、数年前から規模を増加して、高性能の繊維材料強化物として使用されてきている。主たる適用は、例えば、航空機製造、船舶製造、自動車製造や、風力設備においてである。大量適用がいっそう広がることによって、炭素繊維含有の製造廃材の量が、使い古された使用済み品の処理量と同様に増大する。炭素繊維は、その煩雑な製造法に基づき非常に高価である。価格は、特殊なタイプでは、約１５ユーロ／ｋｇ〜約３００ユーロ／ｋｇの間で変動している。それゆえ、経済的及び環境保護対策的な理由から、廃材及び使用済み品を調製するための手段を生み出し、かつ、それらの中に含まれた炭素繊維分を新たな適用に供することが望まれており、そこでは、該炭素繊維が、高価な一次炭素繊維の代わりに少なくとも部分的に用いられることができる。
【０００４】
産業界では、廃材を切断及び／又は粉砕し、そして、例えばプラスチック又は建築材料中での補強のために用いることで炭素繊維含有の製造廃材を再利用する試みがすでに存在していたにも関わらず、これまで主に、これらの廃材の僅かな部分のみが集められ、市場に出されていた。これまで、大量の炭素繊維含有の廃材のための価値の高い再利用は存在していなかったことから、それらはゴミとして処分されなければならなかった。
【０００５】
繊維複合材料が押出技術又は射出成形技術において用いられる場合、原料は、繊維と熱可塑性ポリマーとの常に一定の質量比で配量されなければならない。良好な配量と混合は、双方の混合相手が、それらの幾何学的寸法、粒子表面と、それらのかさ容積とに関して同じであるか、又は少なくとも非常に似ている場合にのみ達成されることができる。しかしながら、短繊維と粉状塵埃は、一般に約３ｍｍ〜５ｍｍの直径で平滑な表面、ひいては良好な易流動性を有している使用されたプラスチック粒質物粒子と比較して、これらのパラメーターに関して非常に大きな違いを有している。短繊維フィラーの場合、個々の繊維は互いに乱雑な層の形でかみ合い、繊維ブリッジや材料の塊を形成し、それらは押出機や射出成形機の供給ホッパーの開口部を塞ぎ、また機械へのフィードが制御可能とならない散発的なものだけになってしまう。その結果、機械に供給される連続的な材料流の中断が生じる他に、最終生成物中での補強繊維とプラスチックマトリックスとの要求された質量比の著しい変化につながる生じる可能性があり、これは、構成部品の機械特性を保証することができないことを意味する。
【０００６】
前述の理由から、これまで、炭素一次繊維を含有する押出成形又は射出成形用の出発材料は、連続繊維ストランドから製造されている。これを良好に加工できるように、連続繊維は束にまとめられ、そして３ｍｍ〜１２ｍｍの長さに切断される前に、サイズ又はサイズ剤とも呼ばれる接着力が強い結合層と接着されて厚みのある連続繊維束にされる。連続繊維を束ね、引き続き溶融ポリマーで包み込むか又は含浸し、冷却固化し、かつ所望の長さに切断してもよい。これらの方法の場合、一次炭素連続繊維のみが出発材料として使用可能である。廃材調製処理又は使用済みＣＦＫ廃棄部材の材料リサイクルから生じる不連続繊維は、上記の理由から、押出成形又は射出成形用の出発材料に繊維として加えられることができない。これを、良好に配量可能で、かつ易流動性の形態にすることに成功した場合に初めて、廃材又は使用済み品からのますます量を増大して発生する依然としてその特性について高価な炭素繊維を経済的に意義のある再利用に供給する道が開ける。
【０００７】
一次炭素繊維の製造は、先行技術に従って、通常、適した前駆体有機繊維、例えばポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）又はビスコース繊維から、制御された熱分解によってか、又はピッチから（この場合、溶融紡糸によって、まずピッチ繊維が製造され、次いで該繊維は酸化及び炭化される）のいずれかによって行われる。相応する方法が、例えばＥＰ１６９６０５７Ａ１から公知である。そこでは、ピッチから製造された一次繊維がステープルファイバーマットへと加工され、その中で繊維は、有利な方向に向いた配向を有している。この公知の方法は、繊維を平行化するためのカーディング工程を包含する。しかしながら、この場合、炭素繊維ウェブから、最終的にヤーン、ひいては直状の最終生成物が製造される。
【０００８】
従来技術から基本的に公知なのは、ハイブリッドストリップからテープ条の固化された半製品を製造することであり、該半製品中には、不連続長の強化繊維と熱可塑性マトリックス繊維とが含まれている。ＤＥ１０１５１７６１Ａ１には、この種の方法が記載されており、該方法の場合、まずカードテープが熱可塑性マトリックス繊維と天然繊維とから製造され、次いでそれは貯蔵装置、案内装置及び最終的に布設ユニットを通過する。加熱ゾーンでの加熱及び固化後にテープ状半製品が得られる。この文献中では、天然繊維の代わりに炭素繊維も強化繊維として用いられ得ることも言及されている。
【０００９】
ＤＥ１０２００８００２８４６Ａ１には、繊維強化半製品又は繊維含有半製品を再利用する廃材調製法が記載されている。この場合、マトリックス材料中で結合した繊維が該マトリックス材料と切り離され、かつ得られた独立した繊維が、その直後にバインダーで湿らせられる。しかしながら、半製品からの繊維のこの分離は、炉内で、つまり熱分解によって行われる。この方法の場合、最終生成物は、湿らせられた繊維からの繊維束であり、該刊行物中では、それの更なる加工についての記載は見当たらない。
【００１０】
ＤＥ１９７３９４８６Ａ１からは、繊維複合材料からのシート状の半製品の製造法が公知になっており、その際、リサイクルされた熱可塑性材料、すなわち、カーペット製造からの繊維廃材が、ルーフ製造からの廃材と混合され、そしてカード機によって梳かれる。熱可塑性繊維は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロン又はＰＥＴから成っていてよい。これらの繊維は、更なる加工前に、約５０ｍｍまでの長さのストリップに細断される。ルーフ製造からの廃材物質は、針状の隆起を有するローラーによってむしり取られ、そしてストリップに分割される。両方の廃材物質は混合され、そしてカード機によって梳かれる。この文献は、目的に応じた繊維の配向（配置方向）のための措置が行われることに関する更なる説明を含んでいない。さらに、この刊行物中には、廃材からの炭素繊維の使用についての情報は見出せない。この公知の方法の場合、まずマットが製造され、次いでこれは航空機の胴体部品に作り変えられる。
【００１１】
ＤＥ１９７１１２４７Ａ１には、ハイブリッドスライバーからの長繊維粒状物の製造法が記載されている。この方法の場合、補強繊維とマトリックス繊維とから成るハイブリッドスライバーが加熱され、ダブリングによって突き固められ、かつストランドに変形させられる。ここで、直状の最終生成物が、熱可塑性繊維成分の溶融及び冷却によって製造される。材料ストランドはダブリングさせ続けられ、次いでこのストランドは、グラニュレーターを用いて横方向に向かって切断することによってペレットの長さに切断される。
【００１２】
ＤＥ４４１９５７９Ａ１には、繊維複合材料からのペレットの製造法が記載されており、この方法の場合、プラスチック粒状物が押出機に供給され、これは溶融され、次いで均一な長さの切断されたガラス繊維に下流に向かって供給される。次いでこの材料はスロットダイから搬出され、分化され、かつペレットに分割される。作製されたペレットの繊維割合は比較的僅かである。炭素繊維は使用されず、そしてこの公知の方法においてリサイクル繊維は加工されない。
【００１３】
日本国特許２００５０８９５１５Ａの要旨には、繊維複合材料からのペレットの製造法が記載されており、この方法の場合、炭素繊維並びにフェノール樹脂及びスチレン樹脂を包含する熱可塑性マトリックス材料とがゴム成分と加工されてペレットが形成されており、該ペレット中において炭素繊維はペレットの長手方向に向いた配置方向を有する。炭素繊維の割合は５〜３０質量％である。その際、主にペレット作製のための通常の方法に従って製造され、かつ、そのため比較的高価な出発物質である炭素繊維が用いられる。そのうえ、連続繊維が出発材料とされ、それに従って、炭素繊維の長さはそのつどペレットの長さに相当する。
【００１４】
ここで、本発明が登場する。本発明の課題は、冒頭で挙げた種類の繊維複合材料からのペレットの製造法を提供することであり、その際、安価に得られる炭素繊維が強化繊維として用いられることができる。
【００１５】
この課題の解決手段は、主請求項の特徴部を有する冒頭で挙げたタイプの方法が提供する。
【００１６】
本発明によれば、炭素繊維含有の廃材又は使用済み品から炭素繊維を分離し、これを熱可塑性マトリックス材料と一緒に面状にし、熱の影響下で圧縮してシート材料を形成し、その後、冷却し、細分してペレット、小片シート又はチップを形成することが定められている。
【００１７】
本発明による方法によって、不連続炭素繊維を、例として、紡織繊維系の製造廃材、付着又は硬化した製造廃材から、調製された使用済みＣＦＫ部材等から強化繊維として用いることが可能となり、それをもって、より安価な出発材料が提供され、かつ上述の使用済み品に含まれた炭素繊維が、新たに目的に適った使用に供給されることになる。その際、不連続の炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物は、易流動性で良好に配量可能な形態にもたらされ、かつ、例えば、押出成形又は射出成形用の出発材料として用いられることができる。
【００１８】
接着性樹脂で含浸されている炭素廃材又は使用済み品、又はＣＦＫ構成部材又は構成部材の残りが、固体複合材料中に炭素繊維が埋め込まれているものである場合、炭素繊維はまず、不要なマトリックス物質から取り除かれる。このために、例えば熱分解手法を用いることができ、又は廃材は超臨界溶媒で処理される。これらの分離処理からの生成物として、不連続炭素繊維が生じる。
【００１９】
有利には、まず、不連続の炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物から成る少なくとも１つの層を、それを空気式ランダム不織布法、カード法、湿式不織布法、製紙法において又はルーズフィルとしてそれらを面状に敷くことによって作製される。
【００２０】
本発明の発展形態によれば、従来技術のように、まず直状の繊維スライバーを作製するのではなく、不織布形成装置に導入された炭素繊維を直接、薄くて目付均一の繊維ウェブ(Faserflaeche)へと加工し、かつ、そのようして厚みと単位面積質量を可変に調整可能な平らで目付均一の炭素繊維含有層を形成する。
【００２１】
本発明により使用された炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物は、使用可能なウェブ形成法(Flaechenbildungsverfahren)に応じて、３ｍｍ〜１５０ｍｍの繊維長を有する。約１０ｍｍまでの短繊維は湿式不織布法により加工されることができ、２０〜１５０ｍｍの範囲のより長い繊維は、ランダム不織布法によるか、又は面状の物へと梳くことにより加工されることができる。
【００２２】
本発明の範囲においては、炭素繊維を熱可塑性マトリックス材料と混合する様々の有利な可能性が存在する。例えば、カード装置の入口に炭素繊維と熱可塑性繊維とを、繊維フロック混合物の形態で、又はそれぞれ別個の層として供給し、かつ、これらをカード機で均質に混合してよい。
【００２３】
湿式不織布法が使用される場合、炭素短繊維を、熱可塑性粒子、例えば短繊維と、湿式不織布装置の懸濁液中で予め互いに完全に混和してよい。
【００２４】
例えばまた、少なくとも１つの熱可塑性フォイル、繊維ウェブ層又は不織布層から成る少なくとも１つの目付均一の熱可塑性層を、場合により溶融物の形態で、上記の不織布形成法に従って形成された、不連続の炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物からの少なくとも１つの目付均一の面状の層と積層させることによって接触させてもよい。
【００２５】
代替的に、約５ｍｍ未満の直径を有する粉末又は粒子としての形態の熱可塑性成分も、不連続の炭素繊維、炭素繊維束若しくはそれらの混合物からの少なくとも１つの層に施与するか又は係る層に組み込んでもよい。
【００２６】
例えば、不連続繊維の形態の熱可塑性成分を炭素繊維と、層形成の前又は層形成の間に、完全かつ均質に互いに混合してもよい。
【００２７】
上記の例の結果から、面状の中間生成物が生じ、該中間組成物中では、不連続の炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物が少なくとも１つの熱可塑性成分と、定義された一定の質量比で互いに柔軟に結合されて存在している。本発明の対象は、それに続けて少なくとも１つの熱可塑性成分が加熱工程によって軟化若しくは溶融され、かつ炭素繊維が好ましくは平坦な圧縮及び冷却下で曲げ剛性の層若しくはシートへと、更なる細分工程後に易流動性で、かつ射出成形及び配合のために良好に配量可能なペレットが生じるように固化されることである。例えば溶融含浸及び押出技術が行われるＤＥ４４１９５７９Ａ１とは対照的に、生じるペレット中での調整可能な繊維含有率は、ＤＥ４４１９５７９Ａ１に挙げられた３５％の限界値をずっと超える９５％までで調整されることができ、そうして安価な炭素繊維濃縮物がペレット形で配合のために準備されることができる。
【００２８】
溶融性若しくは接着軟化性の熱可塑性材料の百分率割合とポリマーの種類と関わる熱固化の間の温度と圧縮力が、ペレット中の全成分の機械的な結合力、ひいては射出成形及び配合のための適用性を決定する。
【００２９】
本発明の対象は、さらに、前述の種類の方法に従って製造され、かつ５％〜９５％の範囲の、好ましくは１０％〜８０％の範囲の炭素繊維の割合を有利には有し、かつ有利にはペレットの最大エッジ間隔が３〜２５ｍｍ、好ましくは５〜１０ｍｍである炭素繊維含有ペレットである。その際、有利なのは、ペレット中に含まれた炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物が一様な繊維長を有しておらず、かつ、これらの成分がペレット体全体は間断なく貫かないことである。
【００３０】
本発明によるペレットは、例えば、廃材又は使用済み品からの炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物の他にも、不連続一次産品（新しい物）の形態の炭素繊維、炭素繊維束又はそれらの混合物の割合を含有してよい。同様に、これらのペレットは、例えば、炭素繊維の他にも更なる補強作用を有する不連続形の繊維成分、殊にパラアラミド、ガラス繊維、天然繊維、不融性の化学繊維及び／又はマトリックス繊維より高い融点を有する繊維を含有してよい。
【００３１】
本発明による殊に質量−若しくは体積均一の炭素繊維含有の平面形成物を製造するための技術として、使用される不連続の炭素繊維、炭素繊維束若しくはそれらの混合物の種類に応じて、存在する繊維長、繊維長分布に優先的に依存して、例えば自体公知の乾燥技法、例えば不織布−カード法、空気式不織布敷設法、約１０ｍｍまでの短繊維を使用した場合の撒布装置による若しくは＞１０ｍｍの平均繊維長の場合の供給シュートを用いたルーズフィルの形成法、並びに湿式技法、例えば湿式不織布製造若しくは製紙技術が用いられることができる。約５ｍｍまでの極端に短い繊維の場合の粉末撒布も、層を形成する処理工程として可能である。該方法のための炭素繊維出発材料は、例えば：
−  細分された一次繊維及び／若しくは細分されたロービングストランド、
−  細分された及び／若しくは繊維状にほぐされた層状物、織物、若しくは編物の残地、
−  細分された及び／若しくは繊維状にほぐされた繊維廃材若しくは残留スプール材料、
−  細分された及び／若しくは繊維状にほぐされた及び／若しくは熱的に若しくは溶媒を用いて前処理されたプリプレグ廃材又は、
−  樹脂含有廃材、ＣＦＫ硬質部材及び／若しくは古い建築部材から取得された、場合により付加的に細分された及び／若しくは繊維状にほぐされた不連続炭素繊維及び／若しくは不連続炭素繊維束である。
【００３２】
存在する炭素繊維長に応じて、これらは層形成の工程に直接導入されてよく、又は加工性の改善のためにさらに細分され、かつ／又は、例えばサイズ剤、接着促進物質又は後で形成されるプラスチックに効果をもたらす付加的な他の試剤、例えば難燃剤、染料、離型剤又はレオロジー助剤(Tribologiehilfsmittel)が備わっているか若しくはそれらと混合されることができる。さらに、炭素繊維材料に、例えば耐衝撃性改良又は機械的補強のための付加的に機能性を持つ異種材料、例えばパラアラミド、ガラス繊維、天然繊維又は不融性の化学繊維若しくはマトリックス繊維より高い融点を有する繊維を混合することが可能である。繊維状の混和成分、例えば後で結合作用する熱可塑性繊維材料を、層形成前の独立した処理工程において、例えば紡織用繊維混合ベルトを介して、又は層形成の間に直接、例えばカード機において、その他の繊維分と完全かつ可能な限り均質に混合してもよい。システムミキシングの手段が利用される場合、個々の繊維成分は分類されて、例えば異なる層の形で、繊維ウェブ又は不織布ウェブとして重ねて敷かれる。ここで重要なことは、熱可塑性バインダー成分が、熱固化後に全ての層に十分浸透し、その結果、全ての層の相互の緻密な結合が保証されることである。これは、全ての成分を互いに均質に混合することによって、例えば熱可塑性樹脂と補強成分を有する薄層の構造体が交互に現れることによるか、又は、例えばニードリングプロセスを用いて熱可塑性バインダー繊維を炭素繊維層に完全に貫通させることによって達成されることができる。薄層の場合、又は熱可塑性溶融物による良好な浸潤度が得られる場合は、不融性成分がコア層として配置されているサンドイッチで十分である。
【００３３】
熱可塑的に結合する成分として、一般に、従来技術から公知の非常に多岐にわたった熱可塑性プラスチックマトリックスが考慮に入れられる。これは、低融点のポリエチレンから、ポリプロピレン、ポリアミドを経て、高融点の熱可塑性樹脂ＰＥＥＫ又はＰＥＩにまで至る。熱固化パラメーター、例えば温度、滞留時間、圧力及び場合によっては不活性ガス雰囲気の使用は、これらのポリマーの特殊性に合わせられなければならない。熱可塑性バインダー成分の使用可能な形態は、小さい粒子、例えば粉末から、短繊維、紡織用長繊維、不織布−又は繊維材料層、スパンボンド、フォイルを経て、ポリマー溶融物にまで至る。
【００３４】
面状の層配列における不連続炭素繊維と熱可塑性バインダーとの炭素繊維対熱可塑性樹脂の可能な限り一定の質量比を伴う組合せに従って、この層は、熱可塑性成分が軟化若しくは溶融するように加熱される。しかしながら、ポリマー溶融物を使用した場合には、この工程は必要ではない。この場合、例えば拡張ダイにより炭素繊維層への塗布を行ってよく−引き続き加圧成形により緻密化され、かつ加圧下若しくは外部の付加的な機械的圧縮力なしに冷却固化される。
【００３５】
熱可塑性成分の割合は、シート品の達成可能な緻密度と、後になって生じるペレットの機械的安定性を決定する。熱可塑性樹脂成分の下限値は、好ましくは約５％であり、その際、固化効果を証明し得るには、炭素繊維と熱可塑性成分とが可能な限り均質に完全に互いに混合されているべきである。サンドイッチ法の場合には、後になって生じるペレット中での良好な結合力を得るために、約１５〜２５％のバインダー最小割合が好ましい。生じるペレットが配合において使用されることになる場合、経済性が高いという意味で、有利には高い割合の炭素繊維と可能な限り低い割合のバインダーポリマーとで作業される。ペレットが構成部材に直接吹き付けられることになる場合、熱可塑性ポリマーは、有利には＞５０％の割合で、一般に７０〜９０％で用いられる。
【００３６】
熱可塑性樹脂成分の割合により、例えば、ペレットの硬度が幅広い範囲で変化させられることができる。これは、孔隙のない緻密な状態から、孔隙率が上昇する状態を経て、熱固化された僅かな密度の繊維不織布状態にまで至る。使用された炭素繊維材料に加えて、不連続形態の更に別の繊維材料を使用してもよい。これらは、炭素繊維成分と同じように、層形成前若しくは層形成の間の繊維混合工程によって、又は材料を積層する際の別個のシステムコンポーネントとして供給されることができる。
【００３７】
熱固化されたシート品は、引き続き規定された形で細分される。これは、例えば、打抜き工程によって、くし型ナイフ切断技術又は２つの重力式ナイフ切断機(Fallmesserschneidmaschinen)を組み合わせて行われることができる。粒径は、配合機又は射出成形機のパラメーターに左右され、好ましくは一般にその最大寸法は１５ｍｍを超えない。良好に加工可能なペレットは、例えば５〜１０ｍｍの最大エッジ長を有する。ペレットは、規則的な若しくは一様な形状を有している必要はない。同様にペレットの厚みもそれほど重要ではない。良好な結合力の意味において言えば、非常に厚みがあり、質量のあるペレットは、小片シート状の薄いペレット（該ペレットは、そのより小さい質量に基づき、配量及び混合に際して、相互に接触した際のより小さい慣性力に破壊することなく耐える）より高い最小熱可塑性樹脂割合を有していなければならない。
【００３８】
この種の炭素ペレットの使用領域は、好ましくは、熱可塑的に結合した繊維複合材料を製造するための配合や射出成形である。殊に低融点のバインダー成分を用いた更なる適用分野は、例えば、エラストマー強化若しくはゴム強化、又は熱硬化性マトリックス中で僅かに固化されたペレットとしての使用であって、該熱硬化性マトリックスは、例えば攪拌工程によって熱硬化性樹脂中で再び繊維状にほぐれ、炭素繊維を放出することで、これらは次いで熱硬化性マトリックス中に良好に分配されることができる。
【００３９】
従属請求項に挙げた特徴は、本発明による課題解決手段の有利な発展形態に関する。本発明の更なる利点は、以下の詳細な説明から明らかになる。
【００４０】
以下では、具体的に実施例に基づき本発明を詳細に説明する。自明の通り、これらの実施例は単に例を使って説明するものであり、本発明はこの実施例に挙げられた具体的な処置やパラメーターに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】カード装置の原理の図式的に簡略化した図
【００４２】
実施例１
繊維／繊維混合物を加工して射出成形用のペレットを形成する例
射出成形用の炭素繊維含有ペレットの製造のために、炭素織物廃材１００％から取得された平均繊維長４０ｍｍを有する炭素リサイクル繊維と、３．３ｄｔｅｘ、６０ｍｍのＰＡ６−紡織ステープルファイバーを出発材料として用いた。両方の材料を、ＰＡ６ ７０％とリサイクル炭素繊維（ＲＣＦ）３０％の質量比で、繊維工業において通常用いられる混合床を用いて、そして引き続くミックストオープニング技術(Mischoeffnertechnik)とにより、いわゆるフロック混合物として互いに密接に混合した。この繊維混合物を、引き続きカード装置に供し、製造された面状の、７０／３０のＰＡ６／ＲＣＦの繊維混合物を有する、単位面積質量が３５ｇ／ｍ2の目付均一のカードウェブを、クロスラッパーでダブリングし、単位面積質量が２６０ｇ／ｍ2のマルチウェブ層を形成し、そして引き続き１ｃｍ2当たり２５個の針を有するニードルパンチ機で、不織布が後続工程において一方では取り扱いがし易く、他方では不織布中で可能な限り長い炭素繊維を得るために針強度が高くなりすぎない程度に固化した。約２５０〜２６０ｇ／ｍ2の単位面積質量の１０枚の係るニードル不織布を、３０ｃｍ×３０ｃｍ片の形状で重ね合わせ、そして多段プレスで２４０℃にて１００秒間５０ｂａｒで圧縮し、引き続き冷却した。結果生じるシートから、依然として固化されていない軟らかいエッジを裁断機で分離した。引き続きシートを、６．３ｍｍの切断面を有するＰｉｅｒｒｅｔ社の重力式ナイフ切断機でまず縦に細分してストリップを形成し、そして該ストリップを新たに置き直して横方向に切断して細分することで、切断精度の目的に応じて４〜１０ｍｍの範囲のエッジ長を有するチップ状のペレットを形成した。ペレットは不規則に形成されている；理想的には方形で、しかしながら、たいていの場合は、不規則に四辺形又は内接円を囲む四角形として形成され、不規則な三角形に至るまである。これらの形状は、適用されたシート品の細分技術から生じ、射出成形における使用にとっては重要な意味を持たない。むしろ大切なことは、後続装置にて供給ホッパーを詰まらせることにつながる過大なペレット成分が存在しないことである。そのようして製造されたこれらのペレットは、引き続き射出成形機でＦＶＷに直接加工することができた。
【００４３】
実施例２
面状のシステムミクスチャーを加工して配合用のペレットを形成する例
カード装置から、クロスラッパーと引き続くニードルパンチ機とを利用して、３．３ｄｔｅｘ、６０ｍｍの市販のＰＡ６−紡織繊維１００％からの１８０ｇ／ｍ2の単位面積質量を有する２つの不織布ウェブを製造した。両方の不織布ウェブを、１ｃｍ2当たり１２個の針で、上から一度ただ軽く突き刺した。続く作業工程において、４０ｍｍの平均繊維長を有する織物廃材から取得されたリサイクル炭素繊維１００％を、炭素繊維の加工用に特別に技術的に改良されたカード技術によって３０ｇ／ｍ2の均一な単位面積質量を有する面状のカードウェブへと加工し、かつ、この連続的にカード機から引き抜かれたウェブを、クロスラッパーにより、それに対して９０°の角度で連続的に進む送出シートに交差して重なり合う形で、７８０ｇ／ｍ2の単位面積質量となるように敷いた。送出シートと積重されるべき炭素繊維ウェブ層との間には、前もって作製していたニードル不織布ベルトを置いており、そうして炭素繊維層はＰＡ６−ニードル不織布上に配置された。後続のニードルパンチ機への運転前に、１８０ｇ／ｍ2の第二のＰＡ６−ニードル不織布を被覆層として巻き取り、それによりＰＡ６ニードル不織布１８０ｇ／ｍ2−ＲＣＦウェブ層７８０ｇ／ｍ2−ＰＡ６ニードル不織布１８０ｇ／ｍ2のサンドイッチを作り上げた。このサンドイッチを、そのつど１ｃｍ2当たり２５個の針で上と下から突き刺して固化した。ニードルプロセスによって、ＰＡ６不織布被覆層の部分を、ＲＣＦ層を通して突き刺したことで、ＰＡ６とＲＣＦ層との言わばある一定の混合が生じ、これは、後の段階で達成可能な熱固化度の安定性に良い効果を及ぼした。外側層にＰＡ６をコア領域にＲＣＦを有する、そのようにして製造されたニードル不織布を、３０ｃｍ×３０ｃｍ片として互いに重ね合わせ、そして多段プレスで２４０℃にて１００秒間５０ｂａｒで圧縮し、引き続き冷却した。生じるシートから、依然として固化されていない軟らかいエッジを裁断機で分離した。引き続き、シートを、９．８ｍｍの切断面を有するＰｅｒｒｅｔ社の重力式ナイフ切断機でまず縦に細分してストリップを形成し、そして該ストリップを新たに置き直して横方向に切断して細分することで、切断精度の目的に応じて７〜１４ｍｍの範囲のエッジ長を有するチップ状のペレットを形成した。ペレットは不規則に形成されている；理想的には方形で、しかしながら、たいていの場合は、不規則に四辺形又は内接円を囲む四角形として形成され、不規則な三角形に至るまである。これらの形状は、適用されたシート品の細分技術から生じ、配合に際しての使用にとっては重要な意味を持たない。むしろ大切なことは、後続装置におけるフィードホッパーを詰まらせることにつながる過大なペレット成分が存在しないことである。そのようして製造されたこれらのペレットは、引き続き押出機で１０％の繊維割合を有する炭素繊維含有の射出成形粒質物へと加工することができた。
【００４４】
以下では、本発明の範囲において使用可能なカード機の作動原理を、添付の図面を引き合いに出しながらに例示的に説明する。
【００４５】
ここで、図１は、カード装置の原理の図式的に簡略化した図を示し、該装置は、例えば、本発明による方法に従った、なかでも炭素繊維を包含する繊維ウェブの製造のために適している。
【００４６】
該図は、カード装置に進入する少なくとも１つの（図中左）繊維層１０を示し、これは、まずエントリーローラー１、２を介して、これらのエントリーローラーに対して逆向きの回転方向で回転するリッカーイン３に達する。このリッカーイン３と、このリッカーインと同じ回転方向で回転する主要ドラム（Ｔａｍｂｏｕｒ）５との間には転送ローラー４が配置されており、これはリッカーイン３及び主要ドラム５とは逆向きに回転する。主要ドラム５の周囲には、円周上の様々の位置に種々のツール(Arbeiter)６と回転器７とが配置されている。このデバイスの課題は、進入する繊維層１０をカード装置中で個々の繊維にまで細分し、かつ定義された単位面積質量を有する薄くて目付均一の繊維ウェブへと再び形作ることにある。ここで、好ましくは、繊維をその長さに沿って配向させることが目的とされる。
【００４７】
主要ドラム５の後方には、これとは逆の回転方向で回転する引取りドラム８が配置されており、該ドラム８には下流の側にくし型ブレード(Hacker)９が存在する。この引取りドラム８から、繊維ウェブ１１が連続ウェブの形態で搬出され、これは、例えば最大約８０ｇ／ｍ2までの単位面積質量、好ましくは最大約６０ｇ／ｍ2の単位面積質量を有し、並びに例えば約１５〜３０ｇ／ｍ2の繊維長方向を有する。
【符号の説明】
【００４８】
１  エントリーローラー、  ２  エントリーローラー、  ３  リッカーイン、  ４  転送ローラー、  ５  主要ドラム（Ｔａｍｂｏｕｒ）、  ６  ツール、  ７  回転器、  ８  引取りドラム、  ９  くし型ブレード、  １０  進入する繊維層、  １１  繊維ウェブ
【図１】
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【国際調査報告】
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