(57)【要約】本発明の様々な実施形態にしたがって、複合材料を提供する。本発明のいくつかの実施形態による複合材料は、高強力繊維強化ポリマー素材およびポリマー素材の少なくとも一面上に形成されるポリ尿素被覆層を含む。この複合材料は、有意な強度、柔軟性、およびエネルギー散逸をもたらす。いくつかの実施形態において、複合材料を用いて、構造基材および／または非構造基材を補強することができる。
2013544688.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
前記基材の少なくとも一部に被着された繊維強化ポリマー素材層と、
前記繊維強化ポリマー素材層の露出面上に形成されるポリ尿素被覆層とを含む複合材。
【請求項２】
前記基材が、木材、石造物、コンクリート、鋼、およびこれらの組合せのうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の複合材。
【請求項３】
前記基材が少なくとも１つの損傷部分を有し、前記繊維強化ポリマー素材層および前記ポリ尿素被覆層が前記基材の前記少なくとも１つの損傷部分上に形成される、請求項１に記載の複合材。
【請求項４】
前記繊維強化ポリマー素材層が炭素繊維強化ポリマー素材である、請求項１に記載の複合材。
【請求項５】
前記ポリ尿素被覆層が、前記繊維強化ポリマー素材層の前記露出面にエラストマーポリ尿素構成成分溶液を塗布することにより形成され、前記エラストマーポリ尿素構成成分溶液は芳香族ポリ尿素被覆層を構成する、請求項１に記載の複合材。
【請求項６】
前記ポリ尿素がさらに添加成分を含み、前記添加成分が、紫外線（ＵＶ）保護添加物、難燃剤、腐食抑制添加物、耐湿性添加物、セラミック微小球、およびこれらの組合せのうちの少なくとも１つである、請求項１に記載の複合材。
【請求項７】
基材を設け、
高強力繊維強化ポリマー素材を、前記基材の少なくとも一部に被着させ、
前記高強力繊維強化ポリマー素材の露出面に、ポリマー樹脂を含む飽和剤組成物を塗布し、
前記飽和剤組成物を硬化させて粘着表面を形成し、
エラストマーポリ尿素構成成分溶液を前記粘着表面に塗布し、
前記ポリ尿素構成成分溶液を硬化させてポリ尿素被覆層を形成する、基材の補強方法。
【請求項８】
前記基材が、木材、石造物、コンクリート、鋼、およびこれらの組合せの少なくとも１つである、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記飽和剤組成物を第１の期間硬化させ、前記ポリ尿素構成成分溶液を第２の期間硬化させる、請求項７に記載の方法であって、さらに前記第１の期間および前記第２の期間を調整して前記高強力繊維強化ポリマー素材上の前記ポリ尿素被覆層の材料特性を得る方法。
【請求項１０】
前記基材の少なくとも一部に対する表面処理をさらに行う、請求項７に記載の方法であって、前記表面処理が、前記基材の平滑化、パテ材による前記基材の１つ以上の損傷部分の充填、および前記基材の清浄の少なくとも１つを含む方法。
【請求項１１】
前記高強力繊維強化ポリマー素材で前記基材を包被する、請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記ポリ尿素構成成分溶液がイソシアネート成分およびポリアミン成分を含む、請求項７に記載の方法であって、さらに、前記粘着表面を前記塗布する前に、前記イソシアネート成分および前記ポリアミン成分を混合して前記ポリ尿素構成成分溶液を形成し、前記ポリ尿素構成成分溶液が余剰の前記イソシアネート成分を含む、方法。
【請求項１３】
さらに前記ポリ尿素構成成分溶液を前記粘着表面に噴霧する、請求項７に記載の方法。
【請求項１４】
さらに前記ポリ尿素構成成分溶液に添加成分を加える、請求項７に記載の方法であって、前記添加成分が、紫外線（ＵＶ）保護添加物、難燃剤、腐食抑制添加物、耐湿性添加物、セラミック微小球、およびこれらの組合せのうちの少なくとも１つである方法。
【請求項１５】
前記ポリ尿素被覆層が厚みを有する、請求項７に記載の方法であって、前記ポリ尿素被覆層の前記厚みを制御する方法。
【請求項１６】
前記ポリ尿素構成成分溶液の少なくとも第１の成分と、前記高強力繊維強化ポリマー素材に塗布された前記飽和剤組成物の前記粘着表面の第２の成分とが相互に作用して、前記ポリ尿素被覆層および前記高強力繊維強化ポリマー素材の間に持続的な界面が形成される、請求項７に記載の方法。
【請求項１７】
ポリ尿素被覆高強力繊維強化ポリマー素材の形成を含む、複合材を提供する方法であって、ポリ尿素被覆高強力繊維強化ポリマー素材の形成において、
高強力繊維強化ポリマー素材を設け、
前記高強力繊維強化ポリマー素材の表面に、ポリマー樹脂を含む飽和剤組成物を塗布し、
前記飽和剤組成物を硬化させて粘着表面を形成し、
エラストマーポリ尿素構成成分溶液を前記粘着表面に塗布し、
前記ポリ尿素構成成分溶液を硬化させて前記高強力繊維強化ポリマー素材上にポリ尿素被覆層を形成する、方法。
【請求項１８】
前記ポリ尿素被覆高強力繊維強化ポリマー素材を基材上に配置する前に、さらに、前記基材の少なくとも一部を補強のために下処理し、
さらに、前記ポリ尿素被覆高強力繊維強化ポリマー素材を前記基材の損傷部分に被着させる、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記飽和剤組成物を第１の期間硬化させ、前記ポリ尿素構成成分溶液を第２の期間硬化させる、請求項１７に記載の方法であって、前記第１の期間および前記第２の期間を調整して、前記基材の前記損傷部分の評価に少なくともある程度は基づく厚さのポリ尿素被覆層を得る、方法。
【請求項２０】
前記ポリ尿素構成成分溶液の少なくとも第１の成分と、前記高強力繊維強化ポリマー素材に塗布された前記飽和剤組成物の前記粘着表面の第２の成分とが相互に作用して、前記ポリ尿素被覆層および前記高強力繊維強化ポリマー素材の間に持続的な界面が形成される、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、２０１０年１２月６日出願の米国仮特許出願第６１／４２０，１５９号の利益を主張し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれるものとする。
【０００２】
（著作権情報）
本特許文献の開示の一部は、著作権保護を受ける内容を含んでいる。著作権者は、特許商標庁の特許書類または記録に記載される限り、特許文献または特許開示の何人による複写複製に対しても異論を唱えないが、その他の場合においてはすべての著作権を保有する。
【０００３】
本発明は、炭素繊維強化ポリマーなどの高強力繊維強化ポリマー素材および該ポリマー素材の少なくとも１面を被覆するポリ尿素層を含む複合材料に関する。本発明はまた、この複合材料を用いて木材、コンクリート、石造物、鋼、その他の構成部材などの基材を補強することにも関する。
【背景技術】
【０００４】
（背景）
地震は、依然として最も破壊的な自然の力の１つである。地震が損傷を与える態様として地盤振動および地盤破壊によって建造物および他の建築物にかかる応力がある。この損傷により建造物および他の建築物を使用不能にし、あるいは最悪の場合、完全に倒壊させ、その結果、人に傷害や死をもたらしうる。例えば、２０１０年のハイチにおける地震は、多くの家屋および医療インフラに甚大な損傷または破壊を及ぼした結果、１７万人を超える犠牲者を出し、３００万人に影響を与えた。
【０００５】
さらに、例えば１９０６年のサンフランシスコ地震のような地震は、二次的火災（すなわち、「地震火災」災害）を引き起こす場合が多い。地震による二次的火災は起点となる地震事象に関連して経済損失および人命喪失に大きく寄与しうる。サンアンドレアス断層およびその様々な姉妹断層に沿って位置する南北カリフォルニア地域は、その人口およびインフラ密度により、「地震火災」災害の発生が最も懸念される地域である。最近のモデリングによると、１９０６年のサンフランシスコ地震と同規模の「地震火災」災害が現在起こった場合にもたらされる損傷は、北カリフォルニアのほぼ１０００万に及ぶ住民に経済的、社会的、および死亡の要因により強い影響を与えうる。全体の経済損失は１５００億ドルほどになると推定される。
【０００６】
地震および他の振動事象に加え、建造物および他の建築物に応力を与える、例えばハリケーン、竜巻、地滑り、鉄砲水、津波、および戦争やテロによる爆発を含む他の自然または非自然事象によっても建築物の損傷が起こる可能性がある。さらに、建築物の損傷は、特別な壊滅的な事象がなくても起こりうる。例えば、通常の長期使用、環境因子に対する長期暴露、および／または人口増加による需要に起因する建築物の使用および／または負荷の増加によって建築物への損傷が生じうる。
【０００７】
少なくともこれらの理由によって、コンクリート板、壁、梁、柱、および基礎などの構造部材を強化する様々な手法が講じられてきた。例えば、新型および従来のコンクリート構造部材を補強する手法の１つとして、スチールメッシュ、スチール補強バー、およびスチールグリッドなどの様々な形鋼で補強することが挙げられる。しかし、これらの構造部材の補強に用いられる鋼や他の好適な金属は腐食しやすいという問題がある。腐食による生成物は鋼の柱を膨張させることにより、剥離作用を及ぼし、コンクリート構造物の分解および劣化を引き起こす可能性がある。さらに、他の耐食材料を検討したが、それらの材料は、層間剥離、低靭性、または高コストなどの他の問題を生じる。
【０００８】
したがって、これらの問題や他の先行技術の欠点を克服する高強度、高減衰、および／または高弾性の複合材料を提供することが望まれている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
例えば、例として構造物の加速および変位の際に受けうるようなねじれおよび／またはせん断および引張応力による損傷に対して建築物（例えば、建造物や他のインフラ）を補強する、あるいはこれらの損傷を受けた後に建築物を強化する保護機構が求められ続けている。さらに、建造物および他のインフラをさらに、火災損害から保護し、または紫外線、水害、および／または環境汚染物質などからの他の付加的保護を提供し、または例えば、補強する建築物における加熱および／または冷却コストを下げる断熱効果を示し、あるいはこれらすべての機能を果たす材料が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（概要）
本発明の様々な実施形態にしたがって、複合材料を提供する。本発明のいくつかの実施形態による複合材料は、高強力繊維強化ポリマー素材およびポリマー素材の少なくとも１面上に形成されるポリ尿素被覆層を含む。この複合材料は、有意な強度、柔軟性、粘性減衰、およびエネルギー散逸をもたらす。いくつかの実施形態において、複合材料は、さらに耐火特性、ＵＶ保護特性、または耐湿特性などの保護特性を有するよう形成することができる。
【００１１】
複合材料は様々な用途に用いることができる。例えば、この複合材料を用いて、構造基材および／または非構造基材を損傷（例えば、地震もしくは風による活動、火災、衝撃、荷重、および／または爆発力による）から保護するために補強する。他の例では、この複合材料を用いて、基材の少なくとも１面上に複合材料を（例えば、基材全体を緊密に包被（纏着）する、または基材内の亀裂を覆う、などの態様で）形成することにより、損傷を受けた後の構造基材および／または非構造基材を強化する。さらに別の例では、この複合材料を用いて、基材にＵＶ保護、耐火性、耐食性、耐湿性、および／またはエネルギー効率などの特殊な保護特性を与える。さらに別の好適な例では、この複合材料をＵＶ保護、耐火性、耐食性、耐湿性、および／またはエネルギー効率などの１つ以上の保護特性を示すとともに、頑丈、強靱で、顕著な減衰をもたらす独立した構造物として用いることができる。
【００１２】
より具体的な例では、この複合材料を用いて、軽量骨組み木造建築、コンクリートおよび石造物の建築物、ならびに／または鉄骨建築物に、エネルギー散逸および持続強度特性をもたらし、極度の荷重事象（例えば、地震または人により引き起こされる、衝撃荷重または爆発荷重をともなう高衝撃荷重）の際に居住者の生命を守り、インフラを保護することができる。いくつかの実施形態では、この複合材料を車両コンポーネントの小型軽量設計に用いることができ、これにより安全性、性能、および燃費を向上しうる。
【００１３】
いくつかの実施形態において、本発明は、高強度／高剛性材料を、持続的なエネルギー散逸および靭性と組み合わせることにより構造的加速および変位を減少させる保護機構を提供することができる。いくつかの実施形態では、この保護機構は基材の外面または外表面を緊密に包被するか層として施す（例えば、被着させる）複合材料を含むことが可能であり、これにより複合材料とその下の基材の間の界面相互作用を維持することにより持続的な弾性状態に遷移する粘弾性的挙動特性をもたらす。この複合材料は、地震の際などの極度の荷重事象の際に持続的なエネルギー散逸および大きな粘性減衰をもたらすことによりエネルギー開放弁として作用することが可能であり、これにより基材に対する構造的損傷を最小限にする。いくつかの実施形態では、この複合材／基材機構は粘性減衰比（例えば、この複合材／基材機構は基材単独とは異なる粘性減衰比を有する）の変化を可能にする。
【００１４】
本発明のいくつかの実施形態にしたがって、基材と、前記基材の少なくとも一部に被着された繊維強化ポリマー素材層と、前記繊維強化ポリマー素材層の露出面上に形成されるポリ尿素被覆層を含む複合材を提供する。
【００１５】
いくつかの実施形態において、前記基材は、木材、石造物、コンクリート、鋼、およびこれらの組合せのうちの少なくとも１つである。
【００１６】
いくつかの実施形態において、前記基材は少なくとも１つの損傷部分を有し、前記繊維強化ポリマー素材層および前記ポリ尿素被覆層が前記基材の前記少なくとも１つの損傷部分上に形成される。
【００１７】
いくつかの実施形態において、前記繊維強化ポリマー素材層は炭素繊維強化ポリマー素材である。
【００１８】
いくつかの実施形態において、前記ポリ尿素被覆層は、前記繊維強化ポリマー素材層の前記露出面にエラストマーポリ尿素構成成分溶液を塗布することにより形成され、前記弾性ポリ尿素構成成分溶液は芳香族ポリ尿素被覆層を構成する。
【００１９】
いくつかの実施形態において、前記ポリ尿素はさらに添加成分を含み、前記添加成分は、紫外線（ＵＶ）保護添加物、難燃剤、腐食抑制添加物、耐湿性添加物、およびセラミック微小球のうちの少なくとも１つである。
【００２０】
本発明のいくつかの実施形態にしたがって、基材を設け、高強力繊維強化ポリマー素材を、前記基材の少なくとも一部に被着させ、前記高強力繊維強化ポリマー素材の露出面に、ポリマー樹脂を含む飽和剤組成物を塗布し、前記飽和剤組成物を硬化させて粘着表面を形成し、弾性ポリ尿素構成成分溶液を前記粘着表面に塗布し、前記ポリ尿素構成成分溶液を硬化させてポリ尿素被覆層を形成する、基材の補強方法を提供する。
【００２１】
いくつかの実施形態では、基材を補強する方法において、さらに下塗り層を基材の表面に施し、別の飽和剤組成物を該下塗り層に塗布する。下塗り層を用いて、基材の下処理および／または層を基材に接着することができる。飽和剤組成物を用いて高強力繊維強化ポリマー素材と基材を接着することができる。
【００２２】
いくつかの実施形態において、前記基材は、木材、石造物、コンクリート、鋼、およびこれらの組合せの少なくとも１つである。
【００２３】
いくつかの実施形態において、基材は新築建造物または既存の建築物のいずれかに用いる。
【００２４】
いくつかの実施形態において、前記基材の少なくとも一部に対する表面処理をさらに行う方法は、前記表面処理が、前記基材の平滑化、パテ材による前記基材の１つ以上の損傷部分の充填、および前記基材の清浄の少なくとも１つを含む。
【００２５】
いくつかの実施形態では、前記高強力繊維強化ポリマー素材で前記基材を包被する。
【００２６】
いくつかの実施形態では、前記ポリ尿素構成成分溶液がイソシアネート成分およびポリアミン成分を含む方法において、さらに、前記粘着表面を前記塗布する前に、前記イソシアネート成分および前記ポリアミン成分を混合して前記ポリ尿素構成成分溶液を形成する。実施形態によっては、前記ポリ尿素構成成分溶液は、余剰の前記イソシアネート成分を含んでもよい。
【００２７】
いくつかの実施形態では、この方法においてさらに前記ポリ尿素構成成分溶液を前記粘着表面に噴霧する。
【００２８】
いくつかの実施形態では、この方法においてさらに前記ポリ尿素構成成分溶液に添加成分を加え、前記添加成分は、紫外線（ＵＶ）保護添加物、難燃剤、腐食抑制添加物、耐湿性添加物、およびセラミック微小球のうちの少なくとも１つである。
【００２９】
いくつかの実施形態では、前記ポリ尿素被覆層が厚みを有し、この方法においてさらに前記ポリ尿素被覆層の前記厚みを制御する。
【００３０】
いくつかの実施形態において、この方法においてさらに高強力繊維強化素材層上の飽和剤組成物が粘着性になる一定の時間の後に、ポリ尿素構成成分溶液を施してポリ尿素被覆層を形成し、ポリ尿素被覆層の厚さを制御する。いくつかの実施形態該一定の時間は２時間〜５時間である。
【００３１】
いくつかの実施形態では、前記飽和剤組成物を第１の期間硬化させ、前記ポリ尿素構成成分溶液を第２の期間硬化させ、この方法において、さらに前記第１の期間および前記第２の期間を調整して前記高強力繊維強化ポリマー素材上の前記ポリ尿素被覆層の材料特性を得る。
【００３２】
いくつかの実施形態では、前記ポリ尿素構成成分溶液の少なくとも第１の成分と前記高強力繊維強化ポリマー素材に塗布された前記飽和剤組成物の前記粘着表面の第２の成分とが相互に作用して前記ポリ尿素被覆層と前記高強力繊維強化ポリマー素材の間に持続的な界面が形成される。
【００３３】
いくつかの実施形態において、損傷部分を有する基材を補強する方法を提供し、この方法はポリ尿素被覆高強力繊維強化ポリマー素材の形成を含む。ポリ尿素被覆高強力繊維強化ポリマー素材の形成においては、高強力繊維強化ポリマー素材を設け、前記高強力繊維強化ポリマー素材の表面に、ポリマー樹脂を含む飽和剤組成物を塗布し、前記飽和剤組成物を硬化させて粘着表面を形成し、弾性ポリ尿素構成成分溶液を前記粘着表面に塗布し、前記ポリ尿素構成成分溶液を硬化させて前記高強力繊維強化ポリマー素材上にポリ尿素被覆層を形成する。前記ポリ尿素被覆高強力繊維強化ポリマー素材は前記基材上に配置する前に、さらに、基材の少なくとも一部を補強のために下処理し、前記ポリ尿素被覆高強力繊維強化ポリマー素材を前記基材の少なくとも損傷部分に被着させる。
【００３４】
いくつかの実施形態では、この方法においてさらに損傷を有する基材にパテを施し基材上に平滑な表面を形成する。
【００３５】
いくつかの実施形態では、この方法において、基材と高強力繊維強化ポリマー素材の界面に別の飽和剤組成物を施す。
【００３６】
いくつかの実施形態では、この方法においてさらに前記基材の前記損傷部分の評価に少なくともある程度は基づく厚さのポリ尿素被覆層を得る。
【００３７】
いくつかの実施形態では、この方法においてさらに高強力繊維強化素材層上の飽和剤組成物が粘着性になる一定の時間の後に、前記基材の前記損傷部分の評価に少なくともある程度は基づいてポリ尿素被覆層を形成する。
【００３８】
いくつかの実施形態では、前記ポリ尿素構成成分溶液の少なくとも第１の成分と前記高強力繊維強化ポリマー素材に塗布された前記飽和剤組成物の前記粘着表面の第２の成分とが相互に作用して前記ポリ尿素被覆層と前記高強力繊維強化ポリマー素材の間に持続的な界面が形成される。
【００３９】
いくつかの実施形態では、この方法においてさらに複数のポリ尿素被覆高強力繊維強化ポリマー素材を形成し、複数のポリ尿素被覆高強力繊維強化ポリマー素材のそれぞれを基材の異なる部分に被着させる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明のいくつかの実施形態にしたがう、少なくとも高強力繊維強化ポリマー素材層および基材の表面上に形成されたポリ尿素被覆層を有する複合材の説明断面図である。
【図２】本発明のいくつかの実施形態にしたがう、少なくとも高強力繊維強化ポリマー素材層および基材の表面上のポリ尿素被覆層を有する複合材を形成する工程の一例を示す図である。
【図３】本発明のいくつかの実施形態による、少なくとも高強力繊維強化ポリマー素材層およびポリ尿素被覆層を有する複合材で基材（例えば、損傷した基材）を補修する工程の一例を示す図である。
【図４】張力対軸方向変位量を示すグラフであり、炭素繊維強化ポリマー素材の特性を本発明のいくつかの実施形態によるポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー素材の特性と比較している。
【図５】トルク対ねじれ角を示すグラフであり、炭素繊維強化ポリマー素材で包被した木棒のねじり特性を本発明のいくつかの実施形態によるポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー素材複合材料で包被した木棒のねじり特性と比較している。
【図６Ａ】本発明のいくつかの実施形態にしたがって、様々な木製基材に対し木造梁曲げ解析を行った結果を示す例示的な荷重−たわみグラフである。
【図６Ｂ】図６Ａに示す結果をもたらした試験中の試験設備および複合材で包被した木造梁の例示画像である。
【図６Ｃ】図６Ｂに示す試験設備を用いた試験後の複合材で包被した木造梁の例示画像を示す。
【図７】本発明のいくつかの実施形態にしたがう強化ポリマー素材層およびポリ尿素被覆層（８分の１インチ厚）を有する複合材で包被した木造梁基材に対し木造梁曲げ解析を行った結果を示す例示的な荷重―たわみグラフである。
【図８】本発明のいくつかの実施形態にしたがう様々な木製基材の変形性能および弾性流動を示す説明グラフである。
【図９】本発明のいくつかの実施形態にしたがう様々な木製基材の荷重―たわみ曲線を示す説明グラフである。
【図１０Ａ】本発明のいくつかの実施形態による複合材で包被した木造２階建て建築物の加速度時刻歴波形をシミュレーションしたグラフである。
【図１０Ｂ】本発明のいくつかの実施形態による複合材では包被していない、木造２階建て建築物の加速度時刻歴波形をシミュレーションしたグラフである。
【図１０Ｃ】地震と同様の力が加わった、本発明のいくつかの実施形態にしたがう図１０Ａおよび図１０Ｂの木造２階建て建築物のヒステリシス曲線を示す。
【図１１Ａ】本発明のいくつかの実施形態によるポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー素材複合材を用いて損傷した基材を下処理および補修する例示画像を示す。
【図１１Ｂ】本発明のいくつかの実施形態による、補修された基材に沿った説明断面図を示す。
【図１１Ｃ】本発明のいくつかの実施形態による様々な補修鉄骨鉄筋コンクリート複合材梁における荷重−たわみ曲線を示す。
【図１２Ａ】本発明のいくつかの実施形態によるポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー素材を用いて損傷した地震壁基材を下処理および補修する例示画像を示す。
【図１２Ｂ】本発明のいくつかの実施形態による様々な補修耐震壁基材における圧力−たわみ曲線を示す。
【図１２Ｃ】本発明のいくつかの実施形態によるポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー素材複合材で補修した損傷した地震壁基材の靭性、閉じ込め性、および圧縮強度の増大を説明する画像を示す。
【図１３Ａ】炭素繊維強化ポリマー素材を設けたフォームコア基材と本発明のいくつかの実施形態によるポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料の衝撃試験の結果を説明する画像を示す。
【図１３Ｂ】炭素繊維強化ポリマー素材を設けたフォームコア基材および本発明のいくつかの実施形態によるポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料の衝撃試験中の荷重対変位を説明するグラフを示す。
【図１４Ａ】炭素繊維強化ポリマー素材を設けた細い鋼梁基材および本発明のいくつかの実施形態によるポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料の粘性減衰特性を示している。
【図１４Ｂ】炭素繊維強化ポリマー素材を設けた細い鋼梁基材および本発明のいくつかの実施形態によるポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料のパワースペクトルおよびモデル特性を示している。
【図１５】図１５Ａは、本発明のいくつかの実施形態にしたがう、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料を設けた細い鋼梁のポリ尿素被覆層の厚さの関数として減衰比を示しており、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料を設けた細い鋼梁の減衰比は、細い鋼梁と炭素繊維強化ポリマー素材を設けた細い鋼梁の減衰比と比較されている。図１５Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料を設けた細い鋼梁の硬化時間の関数として減衰比を示す。図１５Ｃは、本発明のいくつかの実施形態にしたがって、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料自体のポリ尿素被覆層の厚さの関数として減衰比を示しており、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料の減衰比は、炭素繊維強化ポリマー素材を設けた細い鋼梁の減衰比と比較されている。図１５Ｄは、本発明のいくつかの実施形態による、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料自体の硬化時間の関数として減衰比を示す。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
（詳細な説明）
本発明は、代表的な実施形態を示す添付の実施例および図面を参照して以下にさらに詳細に説明する。しかし、本明細書で開示する発明は様々な形態で実行することが可能であり、本明細書に記載する実施形態に限定されると解釈するべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が完全かつ徹底的であり、これらの実施形態の範囲を当業者に十分伝わるように提示される。
【００４２】
明細書および特許請求の範囲を通して、所定の化学式または化学名は、すべての光学異性体および立体異性体とともに、このような異性体および混合物が存在するラセミ混合物を包含するものとする。
【００４３】
（定義）
以下の用語は当業者によく理解されているはずであるが、本発明の説明を簡便にすべく、以下に定義を示す。
【００４４】
特記しない限り、本明細書で使用する専門用語および科学用語はすべて、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解される意味と同じ意味を有する。本発明の実施または実験において、本明細書に記載のものと類似のまたは同等の任意の方法、装置、および材料を用いることができるが、代表的な方法、装置、および材料を以下に説明する。
【００４５】
長年の特許法の慣習に従い、本願においては、「a（１つの）」、「an（１つの）」、および「the（その）」の語は「１以上」を指すものとして使用する。このため、例えば、「添加物」への言及は複数のそのような添加物、その他を含む。
【００４６】
明記しない限り、明細書および特許請求の範囲で使用される寸法、量、伸び率、抗張力、反応条件、その他を表すすべての数は、いずれの場合も、「約」という用語により修飾されるものと理解されたい。したがって、反対に明記されない限り、本明細書および付属の特許請求の範囲に記載される数値パラメータは、本発明により得ようとする所望の特性により異なりうる近似値である。
【００４７】
本明細書において、値または寸法、重量、濃度、時間、またはパーセンテージに言及する際に用いられる「約」という語は、所定の量から、ある実施形態においては±２０％、実施形態においては±１０％、ある実施形態においては±５％、ある実施形態においては±１％、またある実施形態においては±０．１％であって、本発明の方法を実行するのに適切であるような変動を包含する意味をもつ。
【００４８】
「および／または」は、２以上の活動、条件、または成果の説明に用いられる場合、列挙した両方の条件を包含するか、あるいは２つの列挙した条件のうち１つのみを包含する状況を指す。
【００４９】
「including（含む）」、「containing（含有する）」、または「characterized by（を特徴とする）」の類義語である「comprising（備える、含む）」という語は、包括的または非限定的であって、付加的な要素や方法工程を除外するものではない。「Comprising（備える、含む）」は、請求項用語に使用される専門用語であり、挙げられた要素は必須であるものの、他の要素を付加してさらに請求項の範囲内の構成を成すことが可能であることを意味する。
【００５０】
本明細書においては、「consisting of（からなる）」という表現は請求項で規定されないすべての要素、工程、または成分を除外する。「Consists of（からなる）」という表現が、前提部の直後ではなく、請求項の特徴部分に出現する場合には、この部分に記載された要素のみを限定し、他の要素を請求項全体からは除外しない。
【００５１】
本明細書において、「consisting essentially of（実質的に〜からなる）」という表現は、請求項の範囲を特定の材料または工程、および特許請求された発明の基本的特徴および新規な特徴に実質的な影響を及ぼさない材料または工程に限定する。
【００５２】
「comprising（備える、含む）」、「consisting of（からなる）」および「consisting essentially of（実質的に〜からなる）」という語句について、本明細書において３つの語句のうちいずれか１つを用いた場合、本開示において特許請求された発明は、他の２つの語句のいずれかを使用した場合を含みうる。
【００５３】
「繊維」という語は一般的に、長さ寸法が幅および厚さの横寸法よりも大幅に大きい、細長い物体を指す。繊維という語は人工または自然の単繊維、多繊維、リボン、ストリップ、Ｕ字型、および他の形状で、断面が規則的または不規則的である、刻んだ、切断した、または不連続の繊維などのいずれをも含む。「繊維」という語は上記のいずれかを複数を含むかまたは、それらの組合せを含む。
【００５４】
いくつかの実施形態において、繊維の断面は円形、矩形、または楕円形であってもよい。断面は、１つ以上の規則的または不規則的な葉状片が繊維の線軸または長軸から突き出た、規則的または不規則的なマルチローバル断面であってもよい。
【００５５】
高強力繊維は、高最大抗張力および高弾性率（例えば、高ヤング率すなわち高引張係数）をもつ繊維である。高強力繊維は、高配向・高分子量ポリオレフィン繊維、特に高弾性ポリエチレン繊維およびポリプロピレン繊維、アラミド繊維、ポリベンゾオキザゾール（ＰＢＯ）およびポリベンゾチアゾール（ＰＢＴ）などのポリベンザゾール繊維、ポリビニルアルコール繊維、ポリアクロニトリル繊維、液晶コポリマー繊維、ガラス繊維、炭素繊維、玄武岩や他の鉱物の繊維、また剛体棒ポリマー繊維、ならびにこれらの混合繊維および混紡繊維を含むがこれらに限定されない。いくつかの実施形態において、高強力繊維は炭素繊維、ガラス繊維（例えば、ＥガラスまたはＳガラス）、アラミド（例えば、メタアラミドまたはパラアラミド）、液晶コポリエステル繊維、玄武岩繊維またはこれらの組合せである。
【００５６】
高強力繊維からなる素材は織った、編んだ、または不織素材の形の線維網を含むことができる。いくつかの実施形態においては、素材の繊維の少なくとも５０重量％が高強力繊維である。いくつかの実施形態においては、素材の繊維の少なくとも約７５重量％が高強力繊維である。いくつかの実施形態においては、素材の繊維のほぼすべてが高強力繊維である。
【００５７】
本発明の素材は、１種または複数種の異なる高強力繊維を含みうる。いくつかの実施形態において、素材の糸は、基本的に平行に配向される。いくつかの実施形態においては、糸を撚るか、巻き重ねるか、または絡ませることができる。本発明の素材は、縦糸および横糸方向、または他の方向に異なる繊維をもつ糸で織ることができる。
【００５８】
本明細書においては、「モノマー」は重合しうる分子を指し、したがってオリゴマーまたはポリマーの基本的構造の構成単位（すなわち、原子または原子群）となる。
【００５９】
「オリゴマー」は、中間相対分子量の分子を指し、低相対分子量の分子に由来する小規模複数単位（例えば、２〜１０の繰り返し単位）を含む構造をもつ。
【００６０】
「ポリマー」は、より小さい分子（例えば、モノマーまたはオリゴマー）に由来する複数の繰り返し単位をもつ分子を指す。いくつかの実施形態において、ポリマーは１０を超える繰り返し単位、２５を超える繰り返し単位、５０を超える繰り返し単位、または１００を超える繰り返し単位をもつ。いくつかの実施形態においては、ポリマーの繰り返し単位を１，０００超、５，０００超、１０，０００超、５０，０００超、１００，０００超、または２５０，０００超とすることができる。
【００６１】
「コポリマー」は、２種以上のモノマーに由来するポリマーを指す。
【００６２】
「プレポリマー」という語は、反応してより大きな（例えば、高分子量）ポリマーまたはコポリマーを形成する反応性末端基（例えば、エポキシ、エステル、カルボン酸（またはカルボン酸塩）、ヒドロキシ基、ビニル基、またはアミン基）をもつモノマー、オリゴマー、または短鎖ポリマーを指す。いくつかの実施形態において、「短鎖ポリマー」は、１，０００以下の繰り返し単位（例えば、１，０００、７５０、５００、４００、３００、２００、１５０、１００、７５、６０、５０、４０、または３０以下の繰り返し単位）をもつポリマーを指す。いくつかの実施形態において、短鎖ポリマーは１０，０００ｇ／ｍｏｌ未満（例えば、１０，０００、７，５００、５，０００、４，０００、３，０００、２，０００、または１，０００ｇ／ｍｏｌ未満）の分子量をもつ。
【００６３】
本明細書において、「樹脂」または「ポリマー樹脂」の語は、重合により硬化させることができる１つ以上のポリマー材料、オリゴマー材料またはモノマー材料をもつ組成物を指す。このため、いくつかの実施形態において、樹脂は、重合して固体を形成しうる強粘液体組成物である。好適な樹脂は、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリエステル樹脂およびメチルメタクリレート樹脂を含むがこれらに限定されない。
【００６４】
樹脂の硬化（または付加重合）は、「キュアリング」とも呼ぶ。いくつかの実施形態において、キュアリングには、重合開始剤、例えば、有機過酸化物が必要とされる。いくつかの実施形態において、キュアリング（硬化）度は、時間および温度に依存する。
いくつかの実施形態において、「キュアリング」は、部分的なキュアリング、例えば、樹脂の付加重合が１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、または９０％終了するまで進行する（すなわち、キュアリング前に樹脂中に存在する重合性基の比率と比較し、９０％、８０％、７０％、６０％、５０％、４０％、３０％、２０％、または約１０％の未反応重合性基が残存する）キュアリングを指す。
【００６５】
本明細書において、「粘着」の語は、部分的に硬化した樹脂、例えば、元の樹脂にある程度の重合が生じたが、まだ未反応の重合性基が存在する樹脂または飽和剤を指す。
【００６６】
「ポリ尿素」の語は、多重尿素結合（すなわち、ＲがＨ、アルキル基、またはアリール基である−ＮＲ−Ｃ（＝Ｏ）−ＮＲ−構造をもつ結合）を含むポリマーを指す。ポリ尿素は、イソシアネート末端プレポリマーおよびアミン含有成分（例えば、アミン末端ポリマー樹脂、アミン末端オリゴマー、またはアミン含有モノマー）の反応により生成することができる。
【００６７】
「イソシアネート」の語は−Ｎ＝Ｃ＝Ｏ基を指す。
【００６８】
「アミン」の語は、Ｒ’およびＲ’’がそれぞれ独立してＨ、アルキル基、またはアリール基である−ＮＲ’Ｒ’’基を指す。「１級アミン」は、Ｒ’およびＲ”の両方がＨである化合物である。「２級アミン」はＲ’とＲ”のいずれか一方がＨであって、他方がアルキル基またはアリール基である化合物。
【００６９】
本明細書において、「アルキル」の語は、Ｃ１−２０を含み、鎖状（すなわち、「直鎖」）、分岐、または環状、飽和の、または少なくとも部分的に、場合によっては完全に不飽和の（すなわち、アルケニルおよびアルキニル）炭化水素鎖を指し、例えば、メチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、イソブチル、ｔ−ブチル、ペンチル、ヘキシル、オクチル、エテニル、プロペニル、ブテニル、ペンテニル、ヘキセニル、オクテニル、ブタジエニル、プロピニル、ブチニル、ペンチニル、ヘキシニル、ヘプチニル、およびアレニル基を含む。「分岐」は、メチル、エチル、またはプロピルなどの低級アルキル基が、線状アルキル鎖についたアルキル基を指す。「低級アルキル」は、１〜約８の炭素原子をもつアルキル基（すなわち、Ｃ１−８アルキル基）、例えば、１、２、３、４、５、６、７、または８の炭素原子をもつアルキル基を指す。「高級アルキル」は、約１０〜約２０の炭素原子をもつアルキル基、例えば、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、または２０の炭素原子をもつアルキル基を指す。特定の実施形態において、「アルキル」は、特に直鎖Ｃ１−８アルキルを指す。他の実施形態において、「アルキル」は、特に分岐鎖Ｃ１−８アルキルを指す。
【００７０】
アルキル基は、１つ以上の同種または異種のアルキル置換基で随意に置換することができる。「アルキル置換基」の語は、アルキル、ハロ、アリールアミノ、アシル、ヒドロキシル、アリールオキシル、アルコキシル、アルキルチオ、アリールチオ、アラルキロキシル、アラルキルチオ、カルボキシル、アルコキシカルボニル、オキソ、およびシクロアルキルを含むが、これらに限定されない。アルキル鎖に沿って、１つ以上の酸素、硫黄、または置換または非置換窒素原子を随意に挿入することができ、窒素置換基は水素、低級アルキル（「アルキルアミノアルキル」とも呼ばれる）、またはアリールである。
【００７１】
本明細書における「アリール」の語は、単一の芳香環または互いに縮合した、共有結合した、あるいはメチレンまたはエチレン部分などの共通の基と結合した、複数の芳香環とすることができる芳香族置換基を指す。共通の結合基は、ベンゾフェノンにおけるようなカルボニル基またはジフェニルエーテルにおけるような酸素またはジフェニルアミンにおける窒素とすることができる。芳香環は、とりわけ、フェニル、ナフチル、ベフェエル、ジフェニルエーテル、ジフェニルアミン、およびベンゾフェノンを含むことができる。特定の実施形態において、「アリール」は約５〜約１０の炭素原子を含む環状芳香族を意味し、五員環および六員環の炭化水素および複素芳香環を含む。
【００７２】
アリール基は、同種または異種の１つ以上のアリール置換基で随意に置換することができ、「アリール置換基」は、アルキル、アリール、アラルキル、ヒドロキシ、アルコキシル、アリールオキシ、アラルコキシル、カルボキシ、アシル、ハロ、ニトロ、アルコキシカルボニル、アリールオキシカルボニル、アラルコキシカルボニル、アシルオキシル、アシルアミノ、アロイルアミノ、カルバモイル、アルキルカルバモイル、ジアルキルカルバモイル、アリールチオ、アルキルチオ、アルキレンおよび−ＮＲ’Ｒ’’を含む。ここで、Ｒ’およびＲ’’はそれぞれ独立して水素、アルキル、アリールおよびアラルキルでもよい。
【００７３】
アリールの具体例は、シクロペンタジエニル、フェニル、フラン、チオフェン、ピロール、ピラン、ピリジン、イミダゾール、イソチアゾール、イソオキサゾール、ピラゾール、ピラジン、ピリミジン等を含むが、これらに限定されない。
【００７４】
「微小球」という語は、寸法の少なくとも１つが約１０００ミクロン未満の粒子を指す。いくつか、ただしすべてではない実施形態において、微小球は基本的に球形で、直径が約１０００、７５０、５００、４００、３００、２００、１００、７５、５０、２５、１０、５、または１ミクロン未満である。いくつかの実施形態において、微小球は不規則な形状でもよく、または棒状、円盤状、もしくは立方体の形状でもよい。
【００７５】
（総論）
概して、本発明は高強力繊維強化ポリマー素材および高強力繊維強化ポリマー素材上に形成したポリ尿素被覆層を含む複合材料を提供する。複合材料は、適切な基材（例えば、木材、鉄筋コンクリート、鋼、その他の適切な基材、および／またはこれらの組合せ）上に形成することができる。複合材料は、複合材料とその下の基材間の持続的な界面相互作用により粘弾性的挙動特性を統合する材料を提供する。
【００７６】
複合材料は様々な用途に用いることができる。例えば、この複合材料を用いることにより、構造基材および／または非構造基材を損傷（例えば、地震活動、火災、衝撃、荷重、および／または爆発力による）から保護するよう補強することができる。他の例では、この複合材料を用いて、基材の少なくとも一面上に複合材料を（例えば、基材全体をしっかりと包被する、または基材内の亀裂を覆う、などの態様で）形成することにより、損傷を受けた後の構造基材および／または非構造基材を強化することができる。さらに別の例では、この複合材料を用いて、基材にＵＶ保護、耐火性、耐食性、耐湿性、および／またはエネルギー効率などの特殊な特性を与えることができる。
【００７７】
より具体的な実施形態において、本発明は、高強度／高剛性材料を、持続的なエネルギー散逸性および靭性と組み合わせることにより構造的加速および変位を減少させることができる保護機構を提供する。いくつかの実施形態では、この保護機構は基材の外面または外表面を緊密に包被するか層として施す（例えば、被着させる）複合材料を含むことが可能であり、これにより複合材料とその下の基材の間の界面相互作用を維持することにより持続的な弾性状態に遷移する粘弾性的挙動特性をもたらす。この複合材料は、地震の際などの極度の荷重事象の際に持続的なエネルギー散逸および大きな粘性減衰をもたらすことによりエネルギー開放弁として作用することが可能であり、これにより基材に対する構造上の損傷を最小限にする。いくつかの実施形態において、複合／基材機構により、粘性減衰率の変動を許容しうる（例えば、複合／基板機構は、基板のみと異なる粘性減衰率をもつ）。
【００７８】
別の好適な実施形態において、本発明の複合材料を用いて、高強度・高剛性の独立した構造物を構成し、顕著な減衰をもたらすことができる。さらに、この複合材料は、ＵＶ保護、耐火性、耐食性、耐湿性、および／またはエネルギー効率などの保護特性のうち１つ以上をもたらす。例えば、この複合材料を用いて、とりわけ自動車用パーツ、スポーツ用品、および自転車フレームを製造することができる。より具体的な例においては、これらの部品または構造物が、それぞれ、任意の比率よりも高い減衰比など、所望の組み合わせの特性をもちうる。以下に説明するとおり、硬化回数を変化させ、かつ／あるいはポリ尿素被覆層の厚みを変化させることにより、複合材料を調整して特定の特性を達成することができる。
【００７９】
本明細書に記載するとおり、複合材料は、高強力繊維強化ポリマー（ＦＲＰ）の層および高強力繊維強化ポリマーの層上に形成された弾性ポリ尿素の層を含む。より具体的な実施形態において、第１の飽和剤組成物を用いて高強力繊維強化ポリマー素材を基材に被着させ、第２の飽和剤を高強力繊維強化ポリマー素材の露出面に塗布して粘着表面が形成されるまで硬化させることができ、弾性ポリ尿素を粘着表面に形成することができる。ポリ尿素被覆層を使用することにより、相対的に硬くて脆いＦＲＰ単独と比較して、複合材における靭性およびエネルギー散逸を約１００％増加させることができる。
【００８０】
いくつかの実施形態において、複合材料の特性は、時間に関連したポリマー特性（ｔｃ）と体積分率（ｈｐ）ポリマー特性の関数として記述することができる。例えば、複合材料の作製における時間関連因子（例えば、ポリ尿素層の前駆物質とＦＲＰのポリマーの前駆物質の反応に関連する時間因子）は、ＦＲＰおよび／または複合材全体の粘性特性および／または伸び率に影響を及ぼす可能性があり、これにより、大きな変形に際しても、得られる耐荷重複合材の強度が維持されることが確認されている。
【００８１】
例えば、本明細書に記載するとおり、本発明の複合材および複合材で包被した木造枠組み建築物の調査は、基材を本発明の複合材料で包被することにより、相助作用的に基材を閉じ込め、連続する荷重経路を、例えば包被した木造枠組み建築物の基礎とその屋根の間に設けることができることを示している。さらに、個々の複合材外被構成材間または外被構成材と木造枠組み基材との間に剥離は見られなかった。したがって、外装用纏着複合材と枠組みの相互作用、あるいは相助作用を用いることにより、例えば、従来の木造建築物に通常用いられる留め具による外装用木材外壁仕切り板と枠組みの相互作用の代わりとすることができる。大きな粘性減衰を調整することにより、地動中に枠組みから抜け出たり、抜け落ちたりする可能性がある耐震壁留め具のヒステリシス減衰、または従来の木造建築物における構造部材および非構造部材により通常もたらされる最小粘性減衰への依存を避けることができる。
【００８２】
別の例において、本明細書に記載するとおり、本発明の複合材を、鉄筋コンクリート梁、地震壁、および他の構造物に適用することができる。さらに詳しくは、構造物または構造部材を複合材料で補修することができる。試験後許容荷重がピーク値のおよそ４０％まで低下するような多数の亀裂を有する損傷した構造部材を複合材料で補修することができる。複合材料を損傷した構造部材の各部に形成すると、補強された構造部材は本来の許容荷重を回復し、構造部材の靭性が大きく増加した。構造部材に形成した複合材料の靭性により、構造部材が大きな変形を受けることが許容される。すなわち、亀裂の形成後のエネルギーが直ちに散逸され、これにより新たに亀裂面の形成を防ぎ、さらなる損傷の発生を防ぐことができる。
【００８３】
いくつかの実施形態において、複合材料で基材を包被することにより、強度、剛性、および粘性特性を増大させ、包被した基材の加速度および弾性変位を、その最大負荷応力まで減少させることができる。極度の荷重を受ける際、包被していない基材が非弾性的に最大強度を超える荷重を受けるのに対し、いくつかの実施形態において、外被複合材が「持続的な負剛性」をもたらすことにより粘性減衰メカニズムを引き起こすことにより損傷を最小化し、亀裂基材の増大を安定化（亀裂のエネルギー解放を安定化することにより）し、ひずみエネルギーを散逸しやすくするため、包被した基材は高水準の強度が維持される。包被した基材の粘弾性的挙動モデルは、例えば連続体力学理論により定式化された従来の非線形構成材料モデルに基づいて発展させることができる。例えば、以下を参照により全体を本明細書に組み込むものとする、Attard, T.L et al. J. of Eng. Mechanics, ASCE, 134 (10), 881 (2008)を参照されたい。
【００８４】
（複合材）
いくつかの実施形態において、本発明は、少なくとも一面がエラストマーポリ尿素を含む被覆層で被覆された素材を含む複合材であり、素材はポリマーマトリックスにより強化された高強力繊維（本明細書においては繊維強化ポリマー（ＦＲＰ）素材ともいう）である。本明細書において、複合材は、ＣａｒｂｏｎＦｌｅｘとも呼ぶ。
【００８５】
図１では、本発明のいくつかの実施形態による複合材により補強した基材表面の断面図が示される。図１の断面図に示すとおり、基材１００を設けることができる。本明細書において概して記載するとおり、基材１００は任意の適切な材料からなればよく、例えば、木材、石造物（例えば、れんが、石、漆喰、タイル）、コンクリート（鋼または他の金属で補強したコンクリートを含む）、鋼、またはこれらの組合せからなる。
【００８６】
なお、複合材は基材なしで形成することもできる。すなわち、複合材を用いて独立した構造物を構成してもよい。また、基材なしで複合材を形成し、後に、基材に被着させてもよい。
【００８７】
いくつかの実施形態において、基材１００は損傷していたり基材１００の表面に亀裂、穴、かけ、および／または溝が存在する場合がある。均一かつ／あるいは平滑な表面を得るため、パテ材を用いて基材１００を加工することができる。図１に示すとおり、パテ材１０５を塗布し、複合材による補強用の平滑面を設ける。また、任意の適切な手順によって基材１００を加工することができる。例えば、吹き付け加工を行って、基材１００の表面から遊離した物質を除去する。別の例では、エポキシ樹脂および／またはセメント系モルタルを塗布して基板１００の表面の部分を修復することができる。
【００８８】
なお、基材１００に塗布するパテ材１０５は、通常損傷のない、新たに構成する構造物または基材には用いない。
【００８９】
いくつかの実施形態において、基材１００（およびその加工表面）は、下塗り塗料１１０および第１の飽和剤組成物１２０と接していてもよい。下塗り塗料１１０はまた、高強力繊維強化ポリマー素材１３０（例えば、第１の飽和剤組成物１２０を硬化させることにより形成したポリマーマトリックスを備える高強力繊維素材）の一面に接してもよい。繊維強化ポリマー素材１０４は、素材１３０中のポリマーマトリックスの硬化中に、下塗り塗料１１０、飽和剤組成物１２０、および／または繊維強化ポリマー素材１３０のポリマー成分間で相互作用または結合（例えば、共有結合）が起こるように被着させることができる。例えば、下塗り塗料１１０および／または第１の飽和剤組成物１２０により高強力繊維強化ポリマー素材１３０と基材１００の接着性を向上させることができる。別の例では、下塗り塗料１１０により第１の飽和剤組成物１２０と基材１００の接着性を向上させることができる。さらに別の例では、高強力繊維強化ポリマー素材１３０が基材１００と結合または相互作用可能なようにさらなる層を形成する前に所定の時間を経てもよい。
【００９０】
いくつかの実施形態において、繊維強化ポリマー素材１３０の露出面は、界面１３５においてポリ尿素被覆層１５０と接することが可能である。より詳しくは、第２の飽和剤組成物１４０を、繊維強化ポリマー素材１３０の露出面に塗布することができる。粘着表面が、少なくとも部分的に所与の時間（例えば、約２時間〜５時間）第２の飽和剤組成物１４０を硬化させることにより形成する場合、高強力繊維強化ポリマー素材１３０上にポリ尿素被覆層１５０を形成することができる。第２の飽和剤組成物１４０を含む繊維強化ポリマー素材１３０およびポリ尿素被覆層１４０の両方のポリマー成分は、界面１３５で相互作用（例えば、共有結合により）し、複合材が完全に硬化した後に繊維強化ポリマー素材１３０およびポリ尿素被覆層１４０が剥離するのを防ぐ。さらに、いくつかの実施形態において、第２の飽和剤組成物の硬化により、基材１００と繊維強化ポリマー素材１３０の間に施された第１の飽和剤組成物が硬化される。
【００９１】
なお、ポリ尿素被覆層１５０の厚みは複合材被覆基材の所望の特性によって変わりうる。さらにまた、複合材の特性（例えば、粘性減衰特性対剛性特性）は通常、時間に関連したポリマー特性（ｔｃ）および体積分率ポリマー特性（ｈｐ）を変更することにより調整することができる。例えば、ポリ尿素被覆層１５０の前駆物質と繊維強化ポリマー素材１３０のポリマーの反応に関係する時間は、複合材全体の粘性特性および／または伸び率に影響を及ぼしうる。
【００９２】
いくつかの実施形態において、必要に応じて、ポリ尿素被覆層１０８の一面に添加物層１１０形成することができる。添加物層１１０は、例えば、セラミック微小球またはさらなる保護剤層（例えば、耐湿層、ＵＶ保護層、耐食層、難燃層、等）を含みうる。いくつかの実施形態において、付加的な添加物層１１０は存在しない。
【００９３】
したがって、下塗り塗料層１１０、第１の飽和剤組成物層１２０、繊維強化ポリマー素材層１３０、第２の飽和剤組成物層１４０、ポリ尿素被覆層１５０、および／または添加物層１６０内の様々な成分の相互作用、または相助作用によって、所望の強度、剛性、および減衰特性をもつ複合材が構成される。複合材の強度、剛性、および減衰特性は、時間に関連したポリマー特性（ｔｃ）および体積分率ポリマー特性（ｈｐ）に基づいて調整することができる。例えば、複合材料の作製における時間関連因子（例えば、ポリ尿素被覆層１５０の成分と繊維強化ポリマー素材層１３０のポリマーの前駆物質の相互作用をもたらす第２の飽和剤組成物の硬化時間）は、複合材の粘性特性および／または伸び率に影響を及ぼす可能性があり、これにより、大きな変形に際しても、得られる耐荷重複合材の強度が維持される。
【００９４】
上述したとおり、複合材または複合材料は様々な用途に用いることができる。例えば、損傷後基材を補強し、または将来損傷が起こることを防ぐために、複合材を用いて建造物、建築部位、および他の構造物ならびにその部品または部材を含む基材を包被することができる。また、複合材を用いて建築材料用の補強挿入部材を提供することができる。例えば、コンクリート構造物用の外被材として用いられるのに加え、複合材を含む材料をコンクリート構造物内に埋め込むこともできる。いくつかの実施形態において、複合材料を軍用輸送機または武装車両などの装甲車両の外被材として用いることもできる。さらなる用途として、保護衣服（例えば、防弾チョッキなど）または、補綴具または補綴具の部品の作製などの生物医学的用途がある。またさらに、複合材を、自転車、ヘルメット等高振動または高衝撃／ショック負荷用途に用いることもできる。例えば、複合材料をフォームコアの周りに形成してフォームコアに耐衝撃性特性を付与することができる。
【００９５】
いくつかの実施形態において、複合材は建材自体として用いることができる。例えば、複合材を用いて自転車フレーム、自動車用パーツ、および／または保護衣服を構成することができる。さらに具体的な例では、複合材を車両コンポーネントの小型軽量設計／製造に用いることができ、これにより安全性、性能、および燃費を向上しうる。
【００９６】
なお、ポリ尿素被覆層には、任意の適切なエラストマーポリ尿素を用いることができる。コスト、摩耗抵抗、柔軟性、化学的耐性、時間の経過とともにポリ尿素によって発生する化学物質の毒性／揮発性、ＵＶ抵抗、耐湿性などを含む任意の適切な因子に基づいてポリ尿素を選択することができるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態において、ポリ尿素は少なくとも約１００％の伸び率（すなわち、破断点伸び）をもつ。いくつかの実施形態において、ポリ尿素は約６００％以上の伸び率をもつ。いくつかの実施形態において、ポリ尿素は約１５００〜約２０００ポンド／平方インチ絶対圧力（ｐｓｉ）の抗張力（例えば、約１５００、約１６００、約１７００、約１８００、約１９００、または約２０００ｐｓｉ）をもつ。多くのポリ尿素の特性は、当該技術分野において周知であり、さらに／あるいはＡＳＴＭ  Ｄ４１２などの当該技術分野において周知の技術によって評価することができる。
【００９７】
本発明における用途に相応しいポリ尿素は、イソシアネートとアミンの混合（例えば、反応または重合）により調製することができる。いくつかの実施形態において、イソシアネートはジイソシアネート末端プレポリマー（すなわち、化学式Ｏ＝Ｃ＝Ｎ−Ｒ−Ｎ＝Ｃ＝Ｏの化合物、ここで、Ｒは脂肪族基または芳香族基を含むことができ、重合体または非重合体であってもよい）である。
例えば、いくつかの実施形態において、イソシアネートはメチレンジフェニルジイソシアネート構造をベースとした化合物とすることができる。いくつかの実施形態においては、イソシアネートは４，４’−ジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤＩ）、ｐ−フェニレンジイソシアネート（ＰＰＤＩ）、ｍ−フェニレンジイソシアネート（ＭＰＤＩ）、トルエンジイソシアネート（ＴＤＩ）、またはこれらの混合物を含むが、これらに限定されない。好適なイソシアネートは、ポリエーテルを主とする骨格を含むこともできる。好適なイソシアネートのさらなる例は、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、米国特許第５４１５４９９号に記載されている。
【００９８】
一般的に、アミン含有成分は、少なくとも２つの反応性アミン基を含む。反応性アミン基は１級または２級アミンであってもよい。いくつかの実施形態において、アミン含有成分は、アミン末端ポリマー樹脂および／またはモノマー脂肪族または芳香族ポリアミン（例えば、ジアミン、トリアミン、テトラアミン等）などのアミン末端プレポリマーを含む。アミン末端ポリマー樹脂の例として、ポリオキシアルキレンジアミン／トリアミンおよび、ジエチレンジアミンおよびジメチルチオトルエンジアミン（ＤＭＴＤＡ）などの芳香族ポリアミンを含む配合物が挙げられる。いくつかの実施形態において、ポリ尿素は、アミン末端ポリプロピレングリコール（例えば、米国テキサス州、ウッドランドのHuntsman Corporationから入手可能なJEFFAMINE（登録商標） D2000 および JEFFAMINE T5000）、ジエチレンジアミン（すなわち、米国ルイジアナ州、バトンルージュのAlbemarle Corporationから入手可能なETHACURE（登録商標） 100）、またはｓｅｃ-ブチル基（例えば、米国テキサス州のスタフォードのDorf Ketal Chemicals LLCから入手可能なUNILINK 4200（商標））を含むジアミンなどのアミン含有成分を含むことができ、アミン含有成分はこれらに限定されない。本発明における用途にふさわしいアミン末端化合物は、通常、平均官能基数が約２．０〜３．０で平均分子量が約１５０〜６０００である。好適なアミン含有成分のさらなる例は、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、米国特許第５４１５４９９号に記載されている。
【００９９】
すなわち、いくつかの実施形態において、ポリ尿素層は、イソシアネート末端化合物またはポリマーをアミン末端ポリマーおよび／または脂肪族または芳香族ジアミン化合物と混合し、反応させることにより設け、実質的に直接的に、得られた反応混合物を被覆する表面（例えば、素材の）に塗布することができる。２つの反応物の混合は、混合物の添加に用いる吹き付け器内で直接作用させることができる（すなわち、衝突混合）。勿論、適切なイソシアネート末端化合物の混合物および適切なアミン末端化合物の混合物を用いることができる。いくつかの実施形態において、わずかに過剰なイソシアネート当量を用いることができる。例えば、これらの成分を、反応性アミン基よりもわずかに多い反応性イソシアネート基が存在するように混合する。いくつかの実施形態において、約１％〜約１０％過剰なイソシアネート当量が存在する。いくつかの実施形態において、約５％過剰なイソシアネート当量が存在する。
【０１００】
なお、イソシアネートを多く含むポリ尿素層（例えば、５％とイソシアネートを多く含む）を設けることにより、いくつかの実施形態において、ポリ尿素層の成分と繊維強化ポリマー層の成分間の分子反応性を高めることができる。さらに、イソシアネートを多く含むポリ尿素層を設けることにより、実施形態によっては、非汚染状態を生じさせ、ポリ尿素層と繊維強化ポリマー層が滑らない状態にする。
【０１０１】
いくつかの実施形態において、ポリ尿素は芳香族である。したがって、いくつかの実施形態において、イソシアネートとアミン成分の一方または両方が芳香族部分を含む。
【０１０２】
いくつかの実施形態において、ポリ尿素は耐火性ポリ尿素である。耐火性ポリ尿素を用いることにより複合材料および複合材料により補強した基材に耐火特性を与えることができる。例えば、耐火性ポリ尿素を用いることにより、ポリ尿素および複合材料に対する熱の強度を減じ、さらに／あるいは有毒ガスの発生を抑えることができる。いくつかの実施形態において、耐火性ポリ尿素はまた膨張性である。そのため、いくつかの実施形態において、複合材は、単一の補強材料において、高強度、高エネルギー散逸、および耐火性を併せもつ。
【０１０３】
ポリ尿素の耐火特性または他の材料は、例えば、ＡＳＴＭ  Ｅ８４−０５（材料の表面燃焼特性の標準試験法）などの、当該技術分野で周知の方法の方法によって試験する。いくつかの実施形態において、ＡＳＴＭ  Ｅ８４−０５による計測では、ポリ尿素は火炎伝播率が約５０以下であり、さらに／あるいは煙拡大度は約２００以下である。いくつかの実施形態において、ポリ尿素は火炎伝播率が約２０であり、さらに／あるいは煙拡大度が約１１５である。いくつかの実施形態において、ポリ尿素は、Quantum Coatings社（カナダアルバータ州のエドモントン）によりSystem 550D-FRとして販売されているポリ尿素である。
【０１０４】
いくつかの実施形態において、ポリ尿素層には様々な添加物が含まれている。例えば、添加物は、ポリ尿素を調製する際に、イソシアネート反応物質および／またはアミン反応物質に添加される。添加物は、例えば、有機および無機着色剤または染料、ＵＶ保護剤、粘着促進剤、充填剤、および他の加工助剤または加工促進剤を含む。
【０１０５】
ＵＶ保護剤は、光安定剤、紫外線吸収剤、および酸化防止剤を含みうる。好適な光安定剤の例として、ビス（１，２，２，６，６−ペンタメチル−４−ピペリジニル）セバシン酸塩およびビス（２，２，６，６−テトラメンチル−４−ピペリジル）セバシン酸塩などのヒンダードアミンが挙げられる。
【０１０６】
紫外線吸収剤は、ポリ尿素と競合して紫外線を吸収することにより光劣化を防ぐことができる。いくつかの実施形態において、紫外線吸収剤は、約２９０ｎｍ〜約４００ｎｍの紫外域にわたる広い吸収帯をもつ。好適な紫外線吸収剤として、トリアジン、ベンゾオキサジノン、ベンゾトリアゾール、ベンゾフェノン、安息香酸塩、ホルムアミジン、ケイ皮酸塩／プロペン酸、芳香族プロパンジオン、ベンズイミダゾール、脂環式ケトン、ホルムアニリド（オキサミドを含む）、シアノアクリレート、ベンゾピラノン、およびこれらの混合物が挙げられるが、これらに限定されない。
【０１０７】
一方、酸化防止剤は、その構造によって様々な方法で劣化過程を妨げることができる。酸化防止剤の主要な分類は、一次酸化防止剤および二次酸化防止剤である。立体障害（ヒンダード）フェノールなどの一次酸化防止剤は、急速にペルオキシラジカルと反応し、劣化サイクルを断絶させる。アリール基アミンなどの二次酸化防止剤は、ヒンダードフェノールよりもさらに酸素中心ラジカルに反応しやすい。二次酸化防止剤はヒドロペルオキシドと反応して非ラジカル・非反応性生成物を生じ、ヒドロペルオキシド分解剤と呼ばれることが多い。ヒンダードアミン安定剤（「ＨＡＳ」）のような多機能性酸化防止剤は、一次および二次酸化防止剤の機能を併せもつ。
【０１０８】
粘着促進剤の例としてチタン酸塩およびジルコン酸塩とともに様々な有機官能性シラン（特にアミノ官能性シラン）が挙げられるが、これらに限定されない。有用な充填剤の例として、酸化亜鉛（「ＺｎＯ」）、硫酸バリウム、酸化カルシウム、炭酸カルシウム、およびシリカとともにこれらの塩および酸化物が挙げられるがこれらに限定されない。付加的な充填剤および／または添加物としてはまた、発砲剤、ガラス、セラミック、および／またはプラスチック微小球、ならびに様々な金属が挙げられるが、これらに限定されない。
【０１０９】
様々な添加物は、（個々にまたは全体として）ポリ尿素組成物全体に対し、約１０重量％未満で存在する。いくつかの実施形態において、ポリ尿素層は約５重量％以下の１種以上の添加物を含む。いくつかの実施形態において、ポリ尿素層は約１重量％以下の１種以上の添加物を含む。
【０１１０】
いくつかの実施形態において、複合材の特性はポリ尿素被覆層の厚さを調整することにより制御することができる。被覆層の厚さを調整することにより、複合材の弾性ポリ尿素の容積分率を全体として変化しうる。一般に、ポリ尿素被覆層は素材よりも厚い（例えば、飽和剤の塗布の前に素材の厚さを測定した場合、素材よりも少なくとも約５、１０、２０、３０、４０、５０、１００、２５０、または５００倍厚い）。いくつかの実施形態において、被覆層は、約１／１６インチ（すなわち、約０．０６２５インチ）〜約１／８インチ（すなわち、０．１２５インチ）の厚みを有する。したがって、いくつかの実施形態において、被覆層は約０．０６２５、約０．０６７５、約０．０７２５、約０．０７７５、約０．０８２５、約０．０８７５、約０．０９２５、約０．０９７５、または約０．１２５インチの厚みを有する。これに対し、素材は典型的に約０．０１インチ未満の厚みを有する。いくつかの実施形態において、素材は（飽和剤組成物の添加および硬化の前において）約０．００１３インチ〜約０．００６５インチ（例えば、約０．００１３、約０．００１７、約０．００２１、約０．００２５、約０．００２９、約０．００３３、約０．００３７、約０．００４１、約０．００４５、約０．００４９、約０．００５３、約０．００５７、約０．００６１、または約０．００６５インチ）の厚みを有する。
【０１１１】
本発明の複合材の素材は、高強力繊維網を含む。この素材は織った、編んだ、または不織のものであってもよい。いくつかの実施形態において、高強力繊維は、繊維が概して平行に揃った一方向性である。いくつかの実施形態において、高強力繊維は、繊維が平行方向および直角方向の両方に配置された双方向性である。
【０１１２】
なお、任意の適切な高強力の繊維または繊維の組合せを用いることができる。例えば、いくつかの実施形態において、高強力繊維は炭素繊維、ガラス繊維（例えば、ＥガラスまたはＳガラス）、アラミド（例えば、メタアラミドまたはパラアラミド）、液晶コポリエステル繊維、玄武岩繊維またはこれらの適切な組合せである。いくつかの実施形態において、高強力繊維は炭素繊維を含み、素材は炭素繊維強化ポリマー（ＣＦＲＰ）素材を含む。ＣＦＲＰは他のＦＲＰと比較して相対的に安価であり、強度および耐久性に優れている。さらに詳しくは、好適な高強力繊維素材は、BASF Construction Chemicals，LLC （米国ミネソタ州シャコピー）から市販されているMBraceクロス（登録商標）を含むが、これらに限定されない。
【０１１３】
高強力繊維素材は一般に、これらに限定されるものではないが、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、およびポリエステル樹脂などのポリマー樹脂をベースとした熱硬化性ポリマーマトリックスにより補強する。いくつかの実施形態において、本発明の複合材は、エポキシ樹脂をベースとするポリマーマトリックスで補強した炭素繊維強化ポリマー（ＣＦＲＰ）素材を含む。
【０１１４】
この素材は、少なくとも何らかのポリマー樹脂が素材に予め埋め込まれた（または予め含浸された）状態で得られ、その後必要に応じて樹脂の硬化を生じるようさらに処理される。また、この素材は、ポリマー樹脂を含ませずに得ることもでき、飽和剤組成物の一部としてポリマー樹脂を塗布することもできる。そのため、いくつかの実施形態において、本発明の複合材は、ポリマー樹脂（例えば、エポキシ、ビニルエステル、またはポリエステル樹脂）を含む混合物（例えば、飽和剤組成物）で処理したＣＦＲＰ素材を含む。必要に応じて、例えば樹脂（例えば、重合開始剤または硬化促進剤）および／または希釈剤の硬化を促進すべく、混合物はさらに追加の化学物質または添加物を含んでもよい。付加的な添加物は、充填剤、着色剤、ＵＶ保護剤、粘度調整剤、消泡剤、および表面乾燥剤等のうち１つ以上をさらに含んでもよい。
【０１１５】
一般的に、エポキシ樹脂はエポキシ末端プレポリマー（例えば、エポキシ末端モノマー、オリゴマー、または短鎖ポリマー）およびポリアミン（例えば、トリエチレンテトラミン）を含む硬化剤を含む。エポキシ末端プレポリマーは、例えば、エピクロルヒドリンとビスフェノールＡを反応させることにより調製することができる。このため、好適なエポキシ樹脂としては、ビスフェノールＡエポキシ樹脂、ビスフェノールＦエポキシ樹脂、ビスフェノールＳエポキシ樹脂、フェノールノボラックエポキシ樹脂、クレゾールノボラックエポキシ樹脂、臭素化ビスフェノールＡエポキシ樹脂などの多価フェノールのグリシジルエーテル、臭素化フェノールノボラックエポキシ樹脂、フタル酸ジグリシジル、ヘキサヒドロフタル酸ジグリシジルエステル、テトラヒドロフタル酸ジグリシジルエステル、および安息香酸またはダイマー酸グリシジルエステルなどのグリシジルエステル、１，３−ジグリシジル−５，５−ジメチルヒダントインおよびトリグリジシルイソシアヌレートなどの複素環エポキシ樹脂、ならびにナフタレンをベースとするエポキシ樹脂および２，２’，４，４’−テトラグリシドキシビフェニルなどの脂環式エポキシ樹脂が挙げられるが、これらに限定されない。これらのエポキシ樹脂は単独で、または２種以上の特定の樹脂の混合物として用いることができる。
【０１１６】
いくつかの実施形態において、エポキシ樹脂は、飽和剤組成物の一部または、例えば、ビスフェノールＡエポキシ樹脂、アルキルグリシジルエーテル、非晶質シリカ、イソホロンジアミン、ベンジルアルコール、およびサリチル酸を含む組成物の一部として提供される。いくつかの実施形態において、エポキシ樹脂はMBrace Saturant（飽和剤） LTC （BASF Construction Chemicals, LLC 米国ミネソタ州シャコピー））などの市販のMBrace Saturantの一部として提供される。
【０１１７】
ビニルエステル樹脂は一般にエポキシ樹脂およびモノカルボン酸を含む。モノカルボン酸の例として、アクリル酸、メタクリル酸、クロトン酸、桂皮酸、ソルビタン酸、アクリルダイマー、マレイン酸モノメチル、マレイン酸モノプロピル、マレイン酸モノブチル、マレイン酸モノ（２−エチルヘキシル）等を含むがこれらに限定されない。
【０１１８】
ポリエステル樹脂は、ジカルボン酸またはポリカルボン酸と多価アルコール（すなわち、少なくとも２個のヒドロキシ基をもつ化合物であるポリオール）の反応により調製することができる。ポリカルボン酸は、フマル酸、無水マレイン酸、マレイン酸、イタコン酸、イソフタル酸、テレフタル酸、テトラヒドロフタル酸、アジピン酸およびセバシン酸を含むがこれらに限定されない。多価アルコールは、エチレングリコール、プロピレングリコール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、１，２−ブタンジオール、１，３−ブタンジオール、１，５−ペンタンジオール、１，６−ヘキサンジオール、２−メチル−１，３−プロパンジオール、２，２−ジメチル−１，３−プロパンジオール、シクロヘキサン−１，４−ジメタノール、ビスフェノールＡのエチレンオキシド付加物、およびビスフェノールＡのプロピレンオキシド付加物を含むがこれらに限定されない。
【０１１９】
いくつかの実施形態において、ポリマーマトリックスで補強した素材（例えば、ポリ尿素被覆層を含まない硬化ＦＲＰ）は、素材の長さに沿った方向に測定して、少なくとも約１４５ｋｓｉ（１０ＧＰａ）の最大抗張力および少なくとも約２０，０００ｋｓｉ（１３８ＧＰａ）の引張係数をもつ。いくつかの実施形態において、素材は少なくとも約５００ｋｓｉ（３４５ＧＰａ）の最大抗張力および少なくとも約３０，０００ｋｓｉ（２０７ＧＰａ）の引張係数をもつ。いくつかの実施形態において、素材は少なくとも約５５０ｋｓｉ（３７９ＧＰａ）の最大抗張力および少なくとも約３３，０００ｋｓｉ（２２８ＧＰａ）の引張係数をもつ。いくつかの実施形態において、素材は、最大抗張力が約１９０ＧＰａ〜約５７４ＧＰａ（例えば、約１．９０、２．４０、２．９０、３．４０、３．９０、４．４０、４．９０、５．４０、または約５７４ＧＰａ）で、降伏点を超える伸び率が約０．５％〜２．０％（例えば、約０．５、１．０、１．５、または約２０％）で変動する。いくつかの実施形態において、素材は単位幅あたりの最大抗張力が約３．５７５ｋｉｐｓ／インチ（１層あたり）である。いくつかの実施形態において、素材は約２１４５ｋｉｐｓ／インチの最大引張応力（１層の単位幅あたり）をもつ。引張特性は、例えばＡＳＴＭ  Ｄ３０３９などの当該分野で知られる任意の適切な手法により測定することができる。
【０１２０】
ＦＲＰ素材を弾性ポリ尿素層と組み合わせることにより、複合材料の弾性特性および非弾性特性ならびに粘性特性を全体的に大幅に向上させることができる。いくつかの実施形態において、複合材は約１００％以上（例えば、約１００％、約１５０％、約２００％、約２５０％、約３００％、または約４００％以上）の伸び率をもつ。いくつかの実施形態において、複合材は約６００％の伸び率をもつ。
【０１２１】
強度とエネルギー散逸の両立に加え、本発明の複合材には、発癌毒性がないという利点がある。「発癌毒性がない」ことは、複合材には実質上、揮発性発癌物質が含まれず、複合材が建造物の外被体または保護衣服として使用された場合など、長期間にわたり人に近接して使用された場合であっても、複合材に曝された人が、複合材に曝されていない人と比較し、統計的ながんの発生率の増加を被らないということを意味する。
【０１２２】
いくつかの実施形態において、ＦＲＰ素材および１以上のポリ尿素被覆層に加え、複合材は付加成分を含む。例えば、複合材はポリ尿素被覆層の両面を被覆するＦＲＰ素材を含むことができる。さらに、またはこれに代えて、例えば様々な他の材料に対する複合材の付着性を高めるために、複合材を接着剤で被覆することができる。
【０１２３】
いくつかの実施形態において、複合材はさらに、ポリ尿素被覆層に埋め込まれたかまたはポリ尿素被覆層の表面上（例えば、ＦＲＰ素材と接しないポリ尿素被覆層の表面上）の別の層に添加された、セラミック微小球などの微小球を含むことができる。例えば、セラミック微小球は複合材料に付加的な絶縁特性を追加することができる。したがって、いくつかの実施形態において、複合材を使用することにより、建築物、例えば木造建築家屋のエネルギー効率評価を高めることができる。いくつかの実施形態において、セラミック微小球を含む複合材を用いることにより、建築物のエネルギー効率を、相当する、複合材を用いない建築物のエネルギー効率の約２〜約４倍（例えば、約２、３、または４倍）に高めることができる。
【０１２４】
（基材の補強方法）
図２は新築建築物の基材などの基材を高強力繊維強化ポリマー素材およびポリ尿素層を含む複合材料で補強するための例示的な方法である。なお、図２の例示的方法および本明細書に記載の他のフローチャートにおいて、いくつかの工程を追加したり、いくつかの工程を省略したり、工程の順序を入れ替えたり、さらに／あるいはいくつかの工程を同時に行ったりすることができる。
【０１２５】
図示するとおり、方法２００は、工程２１０で基材を設けるところから始まる。なお、本発明による複合材料は任意の適切な基材とともに用いることができる。適切な基材は、木材、石造物（例えば、れんが、石、漆喰、タイル）、コンクリート（鋼または他の金属で補強したコンクリートを含む）、鋼、またはこれらの組合せを含むが、これらに限定されない。あるいは、本明細書の実施形態に記載したように、適切な基材は発泡樹脂（例えば、発泡スチロール、発泡ポリウレタン等）とすることもできる。なおまた、基材は任意の適切な形状（例えば、壁、梁、板、バー、柱、棒、支持支柱）または寸法とすることができる。例えば、いくつかの実施形態において、基材は、家屋または他の建造物（例えば、オフィスビル、病院、学校、店舗、発電所、空港等）、橋、車道、ダム、トンネル、擁壁、桟橋、または岸壁の新築に使用することを意図した建築部位である。
【０１２６】
工程２２０において、高強力繊維強化ポリマー素材を被着させる前に、第１の飽和剤組成物を基材の表面に塗布することができる。工程２２０で第１の飽和剤組成物を塗布した後、工程２３０において高強力繊維強化ポリマー素材を基材の少なくとも一部に被着させることができる。先に説明したとおり、任意の適切な高強力繊維素材を用いることができる。例えば、いくつかの実施形態において、素材は少なくとも多少の炭素繊維を含んでもよい。さらに詳しい実施形態において、高強力繊維強化ポリマー素材は炭素繊維強化ポリマー素材である。
【０１２７】
高強力繊維強化ポリマー素材は、任意の適切な方法によって基材に被着させることができる。例えば、高強力繊維強化ポリマー素材をステープル止めまたはくぎ打ちにより基材表面に被着させることができる。別の適切な実施形態において、被着は基材表面の少なくとも一部を、下塗り組成物および／または第１の飽和剤組成物で被覆して被覆基材を設け、被覆基材を高強力繊維素材と接触するようにする。下塗り組成物および／または第１の飽和剤組成物は、（例えば、共有結合または非共有結合によって）高強力繊維強化ポリマー素材と相互作用する接着材および／またはポリマー樹脂を含み、場合によっては、素材が被覆表面と接触した後に素材に塗布される第２の飽和剤組成物を含むことができる。
【０１２８】
なお、下塗り剤または飽和剤組成物に任意の適切なポリマー樹脂を用いることができる。下塗り剤での使用に好適なポリマー樹脂は、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリエステル樹脂、およびメチルメタクリレート樹脂を含むがこれらに限定されない。ポリマー樹脂を含む下塗り剤を用いる場合、飽和剤組成物のポリマー樹脂（工程２３０のポリマー樹脂）と同じ樹脂または同じ種類の樹脂であってもよいし、異なる種類のポリマー樹脂であってもよい。そのため、実施形態によっては、飽和剤のポリマー樹脂と下塗り剤のポリマー樹脂はいずれもエポキシ樹脂であっってもよい。
【０１２９】
工程２４０において、第２の飽和剤組成物を素材の露出面に塗布することができる。既述のとおり、第２の飽和剤組成物は、（例えば、共有結合または非共有結合によって）高強力繊維強化ポリマー素材と相互作用する接着材および／またはポリマー樹脂を含む。工程２４０において飽和剤を素材の露出面に塗布（例えば、塗装または吹き付け）した後、工程２５０においてこれを適切な時間にわたり硬化させて粘着表面を（粘着性の外表面を素材に）設ける。なお、第２の飽和剤組成物を硬化させる時間は飽和剤の化学組成物、温度、および／または湿度によって変化しうる。いくつかの実施形態において、第２の飽和剤組成物を、約２時間〜約３時間（例えば、約１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、または約１８０分）硬化させることができる。いくつかの実施形態において、飽和剤組成物は部分的に硬化させることができる。いくつかの実施形態において、第２の飽和剤組成物を、約５時間と長時間にわたり硬化させることができる。
【０１３０】
工程２５０において飽和剤を部分的に硬化させる場合、弾性ポリ尿素構成成分溶液を工程２６０において粘着表面に塗布することができる。表面が粘着性である間にポリ尿素構成成分溶液を塗布することにより、ポリ尿素構成成分溶液中の化学物質または成分と飽和剤組成物内の樹脂または他の成分を相互作用（例えば、共有結合または非共有結合）させることができる。この調製中の相互作用により、例えば、補強した基材が様々な応力または事象に曝された際に、ポリ尿素被覆層と繊維強化ポリマー素材層の間に持続した界面相互作用を働かせることができる。いくつかの実施形態において、エラストマーポリ尿素構成溶液は、粘着表面上に吹き付けまたはブラシで塗ることができる。
【０１３１】
いくつかの実施形態において、ポリ尿素構成成分溶液は、芳香族ポリ尿素層を構成する材料を含む。いくつかの実施形態において、ポリ尿素層は耐火性である。例えば、ポリ尿素層は、約５０以下（例えば、約５０、約４０、約３０、または約２０以下）のＡＳＴＭ  Ｅ８４−０５を用いて求められる火炎伝播率をもつ。いくつかの実施形態において、ポリ尿素層はＡＳＴＭ  Ｅ８４−０５により求めた約２００以下（例えば、約２００、約１８０、約１６０、約１４０、または約１２０以下）の煙拡大度をもつことができる。いくつかの実施形態において、ポリ尿素層は火炎伝播率が約２０であり、煙拡大度が約１１５である。いくつかの実施形態において、耐火性ポリ尿素層は膨張性である。適切な耐火性・膨張性のポリ尿素は、例えば、Quantum Coatings社（カナダアルバータ州のエドモントン）によりSystem 550D-FRとして販売されているポリ尿素を含む。
【０１３２】
いくつかの実施形態において、ポリ尿素構成成分溶液はイソシアネート（例えば、イソシアネートプレポリマー）である第１の成分およびアミン（例えば、アミン末端プレポリマー）を含む第２の成分を含む。いくつかの実施形態において、イソシアネートはジイソシアネート末端プレポリマー（すなわち、化学式Ｏ＝Ｃ＝Ｎ−Ｒ−Ｎ＝Ｃ＝Ｏの化合物、ここで、Ｒは脂肪族基または芳香族基を含むことができ、重合体または非重合体であってもよい）である。例えば、いくつかの実施形態において、イソシアネートはメチレンジフェニルジイソシアネート構造をベースとした化合物とすることができる。いくつかの実施形態においては、イソシアネートは４，４’−ジフェニルメタンジイソシアネート（ＭＤＩ）、ｐ−フェニレンジイソシアネート（ＰＰＤＩ）、ｍ−フェニレンジイソシアネート（ＭＰＤＩ）、トルエンジイソシアネート（ＴＤＩ）、またはこれらの混合物を含むが、これらに限定されない。好適なイソシアネートは、ポリエーテルを主とする骨格を含むこともできる。好適なイソシアネートのさらなる例は、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、米国特許第５４１５４９９号に記載されている。
【０１３３】
アミン末端プレポリマーは、少なくとも２つの反応性アミン基を含む。反応性アミン基は１級または２級アミンであってもよい。いくつかの実施形態において、アミン末端ポリマーは、アミン末端ポリマー樹脂および／またはモノマー脂肪族または芳香族ポリアミン（例えば、ジアミン、トリアミン、テトラアミン等）を含む。アミン末端ポリマー樹脂の例として、ポリオキシアルキレンジアミン／トリアミンおよび、ジエチレンジアミンおよびジメチルチオトルエンジアミン（ＤＭＴＤＡ）などの芳香族ポリアミンを含む配合物が挙げることができる。いくつかの実施形態において、ポリ尿素は、アミン末端ポリプロピレングリコール（例えば、米国テキサス州、ウッドランドのHuntsman Corporationから入手可能なJEFFAMINE D2000 および JEFFAMINE T5000）、ジエチレンジアミン（すなわち、米国ルイジアナ州、バトンルージュのAlbemarle Corporationから入手可能なETHACURE 100）、またはｓｅｃ-ブチル基（例えば、米国テキサス州のスタフォードのDorf Ketal Chemicals LLCから入手可能なUNILINK 4200（商標））を含むジアミンなどのアミン含有成分を含むことができ、アミン含有成分はこれらに限定されない。本発明における用途にふさわしいアミン末端化合物は、通常、平均官能基数が約２．０〜３．０で平均分子量が約１５０〜６０００である。適切なアミン末端プレポリマーのさらなる例は、例えば、米国特許第５４１５４９９号に記載されている。
【０１３４】
ポリ尿素構成成分溶液の成分は、通常、粘着表面への塗布の直前に混合する。例えば、成分を吹き付ける際に、吹き付け器内で混合することができる。いくつかの実施形態において、ポリ尿素構成成分溶液の成分は、わずかに過剰なイソシアネート当量（すなわち、反応性イソシアネート基）が存在する比率で混合することができる。いくつかの実施形態において、約１％〜約１０％イソシアネート当量が過剰である（例えば、約１％、２％、３％、４％、５％、６％、７％、８％、９％、または１０％イソシアネート当量が過剰である）ように成分を混合することができる。いくつかの実施形態において、５％過剰なイソシアネート当量が存在する。いくつかの実施形態において、わずかに余剰のイソシアネートを用いることにより、ポリ尿素構成溶液のイソシアネート成分と繊維強化ポリマー素材の飽和剤の未反応ポリマー基の相互作用によって、繊維強化ポリマー素材とポリ尿素層の相互作用を高めることができる。
【０１３５】
いくつかの実施形態において、ポリ尿素構成成分溶液は、補強された基材の機能性または外観を向上させるために１つ以上の添加物を含むことができる。いくつかの実施形態において、ポリ尿素構成成分溶液は、これに限定するものではないが、有機顔料などのＵＶ保護添加物を含むことができる。いくつかの実施形態において、ポリ尿素構成成分溶液は、体積で約１％〜約１０％（例えば、約１％、約２％、約３％、約４％、約５％、約６％、約７％、約８％、約９％または約１０％）のＵＶ保護添加物を含むことができる。いくつかの実施形態において、ポリ尿素構成成分溶液は約５体積％のＵＶ保護添加物を含むことができる。
【０１３６】
ポリ尿素構成成分溶液の塗布に続き、工程２７０において、ポリ尿素構成部分溶液を硬化させて被覆層を形成することができる。なお、いくつかのポリ尿素を相対的に急速に硬化させることができる。いくつかの実施形態において、ポリ尿素構成部分溶液は、約１〜５分（例えば、約６０、９０、１２０、１５０、１８０、２１０、２４０、２７０、または３００秒）の間硬化させることができ、ポリ尿素が粘着性を保っている間に、添加物を被覆層に（例えば、被覆層の露出面に）塗布することができる。いくつかの実施形態において、添加物はセラミック微小球を含む。
【０１３７】
本明細書に記載するとおり、複合材の特性（例えば、粘性減衰特性、強度特性、および／または剛性特性）はポリ尿素被覆層の厚さを調整することにより変更することができる。ポリ尿素被覆層の厚さを調整することにより、複合材の弾性ポリ尿素の容積分率が変化し、得られる複合材の特性が変化しうる。別の例において、ポリ尿素被覆層と繊維強化ポリマー素材のポリマーの間の反応に関係する時間は、得られる複合材の粘性特性に影響を及ぼしうる。したがって、特定の材料仕様（例えば、施設によっては高減衰材料を必要とする）が提示される場合、こうした仕様に合わせて複合材を調製することができる。
【０１３８】
いくつかの実施形態において、基材を補強するこの手法を、すでに建設された建築物および、さらに言えば、損傷を受けてしまった建築物に適用することができる。図３では、損傷箇所のある基材を高強力繊維強化ポリマー素材およびポリ尿素層からなる複合材料で補強するための例示的な方法が示される。
【０１３９】
図示するとおり、方法３００は、工程３１０で損傷箇所のある基材を用意するところから始まる。いくつかの実施形態において、基材は、すでに建設された建造物または他の建築物内にすでに存在していてもよい。いくつかの実施形態において、すでに建設された建造物または他の建築物は、地震、火災、竜巻、ハリケーン、台風、洪水、または爆発などの壊滅的な事象により損傷した建造物または他の建築物である場合もある。あるいは、いくつかの実施形態において、建造物または他の建築物は、こうした事象の発生可能性が高まっている地域に存在する。例えば、建造物または建築物は、断層線近辺、海岸線近辺、戦闘地域内に位置する場合もあり、さらに／あるいは、経済的にまたは行政上重要な建造物または高人口密度のイベントに関する建造物（例えば、競技場、劇場等）のようにテロ攻撃の危険性が高い建造物または建築物である場合もある。
【０１４０】
いくつかの実施形態において、すでに建設された建造物は損傷しているかまたは自然消耗による損傷および／または老朽化に関連する損傷が疑われるものである場合がある。例えば、コンクリートは比較的アルカリ性であり、コンクリート構造内に存在する補強鉄筋の腐食を防ぐ。しかしながら、時間が経つにつれ、コンクリートは空気中の二酸化炭素の作用により中和されていく可能性がある。コンクリートが中和されると、鉄筋は腐食しやすく、体積が増加しやすくなり、構造に亀裂を生ずる。ある実施形態においては、コンクリートに亀裂が入ってしまい、鉄筋が腐食しやすくなっている。ある実施形態において、古い建築物ほど損傷が予測される対象となりうるが、これは時間とともに建築物の使用形態が変わるからである。例えば、橋は、橋の設計中に想定された水準を超えた交通量の増加により損傷が予測される対象となりうる。こうした実施形態において、建造物または他の建築物は、築年数１０年以上（例えば、築年数１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、または１００年以上）であることもある。
【０１４１】
一方、いくつかの実施形態において、建造物または他の建築物は、損傷を防ぐための補強を施す、新築（例えば、少なくとも１０、５、４、３、または２年以内）であってもよい。いくつかの実施形態において、新築建造物または他の建築物は１２ヶ月以内に建設された建築物である。
【０１４２】
ある実施形態においては、建造物または他の建築物が建設中であるか、あるいは基材が将来の建設において使用されることを意図したものである。
【０１４３】
工程３２０において、損傷箇所のある基材（または、例えば自然消耗による損傷が疑われる基材）を用いて基材を下処理する。これは、例えば、基材を選択し、素材を被着させる前に、基材表面の清浄、基材表面の平滑化、および基材表面の亀裂、穴、かけ、および／または溝の穴埋めのうちの１つ以上により基材を下処理する工程を含む。清浄は、パワー洗浄または表面の汚れおよび／または他の非基材物質を除去する他の方法などの任意の適切な方法により行うことができる。いくつかの実施形態において、基材の下処理は穴埋めおよび／またはパテ材を用いた基材表面の平滑化を含みうる。平滑化は研磨または他の適切な方法で行うことができる。亀裂、穴、かけ、溝、または他のくぼみまたは基材表面の傷は、木材目止剤、セメント、コンクリート、またはモルタルなどの、これらに限定されない、任意の適切な材料で充填することができる。概して、穴埋め材料は、素材の付着性を損なわないものであることが必要である。そのため、いくつかの実施形態において、穴埋め材料は、（例えば、共有結合または非共有結合により）高強力繊維素材を被着させる下塗り剤の一部として基材の表面に塗布されるポリマー樹脂と、または高強力繊維素材内（例えば、飽和剤内）に存在または添加するポリマー成分と相互作用しうる材料である。
【０１４４】
図３の工程３３０〜３８０は、図２の工程２２０〜２７０と同様である。詳しくは、第１の飽和剤組成物を基材の表面に塗布し（工程３３０）、第１の飽和剤組成物を用いて、基材の少なくとも一部に高強力繊維強化素材を被着させ（工程３４０）、ポリマー樹脂を含む第２の飽和剤組成物で高強力繊維素材を被覆し（工程３５０）、第２の飽和剤組成物を一定時間（例えば、約２時間〜５時間）硬化させて粘着表面を設け（工程３５０）、弾性ポリ尿素構成成分溶液を粘着表面に塗布し（工程３６０）、ポリ尿素構成成分溶液を硬化させて複合材料を得る（３７０）ことにより複合材料を調製することができる。
【０１４５】
いくつかの実施形態において、基材は、前もって調製した複合材を基材に被着することにより補強することができ、前もって調製した複合材は高強力繊維強化ポリマー素材およびポリ尿素被覆層を含む。このため、いくつかの実施形態では、基材を補強する方法において、複合材料を用意して基材に複合材料を被着させる。複合材料を基材に、これらに限定するものではないが、ステープル止めまたはくぎ打ちし、さらに／あるいは基材および／または複合材料を被覆する接着剤および／またはポリマー樹脂によって複合材料を基材に接着することにより、前もって調製した複合材料を基材に被着させることができる。
【０１４６】
なお、基材（例えば、木造住宅、鉄筋コンクリート橋、鉄骨建築物、自動車、航空機構造物等）の補強により、振動活動（例えば、地震）、火災、および／または爆発力（例えば、衝撃による）による基材への損傷を抑制し、低減させる。いくつかの実施形態において、基材の補強により、水による損傷（例えば、鉄砲水による機械的応力による損傷、または基材に水が飽和することによるカビまたは他の損傷を低減することにより）、環境汚染物質および／または日光による損傷への耐性を与えることができる。いくつかの実施形態において、保護特性は、繊維強化ポリマー素材またはポリ尿素層に添加される特定の添加物（例えば、ＵＶ保護剤、難燃剤、耐湿性等）に少なくとも部分的に関係しうる。いくつかの実施形態において、保護特性は、繊維強化ポリマー素材および／またはポリ尿素層の化学組成物に関係する。例えば、ポリ尿素は耐湿性および／またはカビ抵抗性である。いくつかの実施形態において、微小球添加物を用いる場合などにおいて、補強によって基材に断熱効果を与えることができ、これにより補強基材を、非補強基材よりもエネルギー効率の高い建築材料とする。いくつかの実施形態において、補強によってエネルギー効率を、非補強基材の約２倍〜４倍（例えば、約２、３、または４倍）に上昇させることができる。
【実施例】
【０１４７】
以下の実施例により、本発明のいくつかの実施形態をさらに例示するが、それらが本発明の範囲をいかなる形でも限定すると解釈すべきではない。
【実施例１】
【０１４８】
（引張複合材試験片結果）
ビスフェノールＡエポキシ樹脂、アルキル基グリシジルエーテル、および非晶質シリカを含む組成物とイソホロンジアミン、ベンジルアルコール、およびサリチル酸を混合して調製した飽和剤で飽和したMBrace（登録商標） ＦＲＰクロス（厚さ：約０．０６８インチ×幅：約１インチ、BASF Construction Chemicals, LLC 米国ミネソタ州シャコピー）から入手可能）を用いて複合材の試験片を調製し、非耐火性ポリ尿素構成組成物で被覆した。試験片は２種類のポリ尿素層の厚さ（例えば、約８分の１インチ厚さまたは約１６分の１インチ厚さのいずれか）で調製し、複合材の最終寸法を厚さ約０．１９インチ×幅約１インチまたは厚さ約０．３２インチ×幅約１インチとした。
【０１４９】
図４は、張力対軸方向変位量を示すグラフであり、炭素繊維強化ポリマー素材（ＣＦＲＰ試験１曲線４２０およびＣＦＲＰ試験２曲線４３０で示される）の弾性特性を、１６分の１インチ（ＣａｒｂｏｎＦｌｅｘ、１×ポリ試験１曲線４１０およびＣａｒｂｏｎＦｌｅｘ、１×ポリ試験２曲線４４０で示される）または８分の１インチ（ＣａｒｂｏｎＦｌｅｘ、２×ポリ試験１曲線４５０で示される）のいずれかの厚さのポリ尿素被覆層をもつポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー素材の弾性特性と比較している。図４の曲線４１０および４４０に示すとおり、厚さ１／１６インチのポリ尿素被覆層を両面にもつポリ尿素被覆引張試験片の変位量は、非被覆ＣＦＲＰ試験片よりも（曲線４２０および４３０と比較して）約３．７５倍大きい。  さらに、厚さ１／８インチのポリ尿素被覆層を両面にもつポリ尿素被覆引張試験片（曲線４５０）の変位は、非被覆ＣＦＲＰ試験片（曲線４２０および４３０）よりも約６．２５倍大きかった。なおまた、図４の曲線の持続的性質は、ポリ尿素とＣＦＲＰの間には界面すべりが生じなかったことを示唆している。
【実施例２】
【０１５０】
（複合材包被木材のねじり試験結果）
図５は、長さ１２インチ、直径１／２インチのホワイトパイン木棒に対し実施したねじり調査の結果を示す例示的グラフである。この実施形態では、上述の本発明の方法によるポリ尿素被覆（１／１６インチ）ＣＦＲＰ複合材で棒を包被した。図５に示すとおり、複合材料包被材により、非常に非線形な試料の応答に暗示されるように、必要なエネルギー散逸および強度の構成部材を得ることができ、ポリ尿素被覆複合材で包被した木製構造に８００ポンド毎インチ（ｌｂ−ｉｎ）の最大トルク測定値を達成することができた。この最大トルク測定値は、包被なしのホワイトパインのねじり強さ、約２２．９ポンド毎インチの約４倍である。なお、図５に示す曲線の連続性および包被した棒のいくつかの断面スライスの目視検査により、複合材と木製構造の間に付着スリップは生じなかったことが分かる。
【実施例３】
【０１５１】
（複合材包被木材の曲げ試験結果）
２８インチスパンのホワイトパインの２×４木造梁３本に対し木造梁曲げ調査を行った。図６Ａに示すとおり、木造梁のそれぞれに異なる下処理を行った。曲線６１０は木造梁自体に対応し（「木材のみ」と表される）、曲線６２０は、炭素繊維強化ポリマー素材で包被した木造梁に対応し（「木材＋ＣＦＲＰ」と表される）、曲線６３０は、本発明のポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料で包被した木造梁に対応する。図６Ａの荷重軸で示される、スパン中央に集中した力をこれらの木造梁のそれぞれに加えた。例えば、図６Ｂは、これらの木造梁にスパン中央に集中した力を加えた例示的な試験設備を示す。図６Ａに示すように、結果は、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料で包被した梁の変位、せん断強度、およびエネルギー散逸が大幅に増加したことを示す。ポリ尿素被覆炭素繊維で強化したポリマー複合材料包被材は、急激な強度低下の後、損傷した木造梁と強固にくっついており、特定の理論に拘束されるわけではないが、これによりエネルギーが徐々に散逸する間、荷重を包被材に再分配することができた。これらの試験は、変位靭性およびエネルギー散逸の値が、炭素繊維強化ポリマー素材のみで包被する梁よりも１００％上回ることを示している。図６Ｃは、図６Ｂに示す試験設備で試験した後のポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料で包被した木造梁の写真を示す。
【０１５２】
同様に、図７はポリ尿素被覆炭素繊維で強化した強化ポリマー複合材料で包被した木造梁の木造梁曲げ調査の結果を表すグラフを示し、ポリ尿素層の厚さは８分の１インチである。さらに図６Ａと同様に、グラフの丸で囲った部分は強度低下を示す。なお、８分の１インチ厚のポリ尿素層を含む複合材で包被した木造梁について、強度低下は回復応力（硬化）の直後であった。この挙動は、ポリ尿素被覆炭素繊維で強化したポリマー複合材料の粘弾性的性質およびその界面化学相互作用に少なくとも部分的に起因するものである。さらに、ポリ尿素の被覆がより厚い（例えば、１６分の１インチに対し８分の１インチ）ほど、炭素繊維強化ポリマー素材に（機構全体に対しても同様に）より大きな支持および剛性がもたらされるため、荷重再分配を調節可能な所望の特性およびより大きなエネルギー散逸およびより高い靭性をもたらすことができる。
【０１５３】
図８に移ると、図８は、木製基材に塗布したポリ尿素被覆炭素繊維で強化したポリマー素材の複合材料の変形性能および弾性流動を示すグラフである。図示するように、曲線８３０は、ポリ尿素と複合材料の炭素繊維強化ポリマー素材成分の間の界面におけるひずみに関するデータを示し、曲線８４０は、複合材料と木製基材の間の界面におけるひずみに関するデータを示す。さらに、図８は、包被されていない木製基材のひずみに関するデータを示す曲線８１０および炭素繊維強化ポリマー素材のみで包被した木製基材のひずみに関するデータを示す曲線８２０を含む。なお、図７と同様に、白丸は強度低下を示す。なおまた、塗りつぶした丸は降伏点を示す。
【０１５４】
図示するように、図８は、剥離がないことを示す、１／４スパン位置における木材界面およびポリ尿素界面に対する平行なひずみを示し、一方、ごくわずかな変形率はポリ尿素に変形がないことを示している。さらにまた、特定の理論に拘束されるわけではないが、図８に示すデータは、木製基材が強度低下点に達した後の純粋エラストマーポリ尿素−炭素繊維強化ポリマー機構の存在、およびこの強度低下点に先立つ（ただし降伏点の後）粘弾性的エネルギー散逸機構の存在を裏付けている。
【０１５５】
図９は、静荷重下の複合材で包被した木造梁のさらなる調査の結果を示し、複合材で包被した梁（曲線９３０および９４０）の靭性が、炭素繊維強化ポリマーのみで包被した木造梁（曲線９２０）と比較し、１５０％と大幅に増加していることを示している。炭素繊維強化ポリマーのみでは、伸び率がわずか１．５％である。さらに、包被なしの木造梁（曲線９１０）と比較し、複合材で包被した梁は、靭性が８００％と大幅に増加している。図９は様々な荷重−変位曲線を示し、２つの複合材で包被した梁（一つは容量で約２倍の量のポリ尿素および／または約２倍の厚みを有する（ＣａｒｂｏｎＦｌｅｘ＋木造梁２×Ｖ曲線９４０参照））が炭素繊維強化ポリマーで包被した木造梁と比較して、長時間の変位および連続する基材の亀裂発生に対して持続的な負剛性および強度を示すことを表している。
【０１５６】
なお、曲線９４０で示す２×Ｖ梁は、最後の強度低下の後に弾性−可塑性状の領域を示している。したがって、特定の構造的耐力要求を満たすよう、纏着材を設計できるよう硬化時間およびポリ尿素容積分率を調整することができる。
【０１５７】
さらに、図９における１×Ｖおよび２×Ｖの梁の荷重−変位曲線の比較により、損傷した木材の亀裂が広がり、荷重が徐々に複合材に伝わるにつれ負剛性が小さくなることが示唆される。図９に示す、基材が破損する最後の強度低下に続き、応力を実際に回復するひずみ硬化領域が生ずる。剛性の負の傾きが大きくなることは、複合材がほぼ純粋な粘性材料に変化する際に、複合材が木材の亀裂成長を安定化させることを示す。
【実施例４】
【０１５８】
（包被した木材建築物の加速度およびヒステリシスのシミュレーション）
図１０Ａ〜１０Ｃに示すとおり、計算機によるシミュレーションを行い、１９９４年のノースリッジ地震と同様の条件で、２階建て複合材包被木造建築物（図１０ＣにおいてＣＦで示される）の性能を非包被建築物（図１０ＣにおいてＷで示される）と比較した。このモデルには内装石膏ボード壁下張りおよびスタッコ仕上げは含まれておらず、ヒステリシス部のピンチング（圧迫）も含まれていない。ＣＦ纏着材の降伏点後の粘弾性部分は先に記載したモデル（例えば、Attard,International Journal of Solids and Structures、42(21-22）, 5656-5668 (2005)、およびAttard and Mignolet, J. Engineering Mechanics、134(10), 881-891 (2008)参照）に基づいており、適切な負剛性領域は実験データの回帰を用いてモデル化した。ＣＦ建築物の閉じ込め性を非線形の「緊密な」要素としてモデル化し、実験データを用いて粘性・ヒステリシス性減衰をξｅｑ＝３２％と求め、粘性型減衰から１３％が求まった。Ｗｓ建築物では、ξｅｑ＝２０％であり、粘性減衰が２％寄与した。Filiatrault et al. Engineering Structures, 25, 461-471 (2003) を参照のこと。「深部せん断」変位は、ＣＦモデルの負剛性領域で変化する剛性率の関数として推定した。ＣＦおよびＷｓモデルを包括的な非線形の時刻歴コード、ＮＯＮＬＩＮに当てはめた。Attard, T.L., “Modeling of Higher-Mode Effects in Various Structures Using a Pushover Analy,” Doctoral Dissertation, Arizona State University, Tempe, Arizona (2003) および Attard and Fafitis, Engineering Structures, 29(8), 1977-1989 (2007)を参照のこと。
【０１５９】
比較のために、図１０Ａは、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー素材複合材で包被した木造２階建て建築物をシミュレーションした加速度時刻歴の例示的なグラフを示す。図１０Ｂは、本明細書の複合材を使わない木造２階建て建築物をシミュレーションした加速度時刻歴を示す。図１０Ａおよび１０Ｂのシミュレーション結果の加速度を解析すると、ＣＦ建築物において剛性および粘性型減衰が大幅に増加したことが明らかになり、ＣＦ建築物のピーク加速度をＷｓ建築物よりも上下階でそれぞれ２５％および３５％小さくすることができた。加速度時刻歴の標準偏差は３９％および４７％小さく、これはほぼ全面的な減少であったことを示す。図１０Ｃは２つの構造物におけるヒステリシスおよび階層間変位（インチ％）を示し、下階ではポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー素材複合材を用いることにより建造物の損傷を大幅に抑制し、上層には損傷がなく弾性を保持することを示している。両階に顕著な損傷を受けたＷｓ建築物と比較し、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー素材複合材で包被した構造物は最大弾性後階層間変位を８１％減少させることができ、本明細書において、この弾性後変位は周期ごとの降伏後変位として定義される。
【実施例５】
【０１６０】
（鉄筋コンクリート複合材梁（ＳＲＣＣ））
本明細書に記載するとおり、基材を補強するこの手法を、すでに建設された建築物および、さらに言えば、損傷を受けてしまった建築物に適用することができる。
【０１６１】
図１１Ａに示すとおり、本発明の複合材で基材を補修する前に、例えば、基材の再成形、鋼成形溶接、およびグラウチングにより基材を下処理することができる。また、図１１Ａに示すとおり、本実施例においては、２つのコンクリート梁を用意し、その一方を炭素繊維強化ポリマー素材のみで補修し、他方をポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料で補修した。
【０１６２】
図１１Ｂは炭素繊維強化ポリマー素材で補修したコンクリート梁の様々な断面を示す。例えば、断面Ａ１−Ａ１は、張力を伝えるために用いられる３層底板の積層板を示し、断面Ａ２−Ａ２は梁の底部周囲に形成された３層複合材および梁の全４面周囲に形成されたポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー素材を示す。さらに、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー素材は、梁の特定箇所の周囲に形成することができる。例えば、断面Ａ３−Ａ３は、梁の底部周囲に形成された複合材と組み合わさって、Ｕ字型複合材被覆物が形成されるようにポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー素材を梁の対向面に被着させてもよい。
【０１６３】
図１１Ｃは、異なる梁の荷重−たわみ応答調査の結果を示しており、図示するとおり、曲線１１１０は、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料部で補修した鉄骨鉄筋コンクリート複合材（ＳＲＣＣ）梁（Ｂ１で示す）に対応し、曲線１１２０は炭素繊維強化ポリマー素材部のみで補修したＳＲＣＣ梁（Ｂ２で示す）に対応し、曲線１１３０は、鋼が溶接されていないポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料部で補修したＳＲＣＣ梁（Ｂ１で示す）を示す。この結果は、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料部を使用することによりＳＲＣＣ梁の変位およびエネルギー散逸が大幅に増加させることができることを示している。曲線１１１０および１１３０の複合材で包被したＳＲＣＣ梁は、曲線１１２０の炭素繊維強化ポリマーで包被した木造梁と比較して、長時間の変位および安定した基材の亀裂発生に対して大きな粘性減衰、持続的な負剛性、および強度を示す。
【実施例６】
【０１６４】
（地震により損傷した補強コンクリート地震壁の補修）
先の実施例と同様に、基材を補強するこの手法を、すでに建設された建築物および、さらに言えば、損傷を受けてしまった建築物に適用することができる。本実施例において、鉄筋コンクリート耐震壁は、繰返し荷重により損傷を受けたものである。繰り返し荷重試験の結果、鉄筋コンクリート耐震壁は、３ミリメートル幅の交差亀裂および壁の下の２箇所の角にコンクリート破断を含む極度の損傷を受けた。壁の、試験後許容荷重は、ピーク値のおよそ４０％まで低下した。
【０１６５】
図１２Ａの部分１２１０に示すように、本発明の複合材で基材を補修する前に、例えばグラウチングおよび亀裂充填（注入）によって耐震壁基材を下処理することができる。図１２Ａの部分１２２０に示すように、基材における、亀裂の入った、破砕された、および／または損傷した部分などの、耐震壁基材の様々な部分を、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料で補修・補強することができる。特に、基材全体を複合材で包被する前に、耐震壁基材の特定の部分を複合材で補強することができる。前述したとおり、複合材を調製してから基材に被着させてもよいし、複合材を基材の表面に直接形成してもよい。
【０１６６】
図１２Ｂおよび１２Ｃに移ると、補修・補強した耐震壁の荷重−たわみ応答調査の結果は、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料部を用いることにより耐震壁が、元の耐震壁の許容荷重の約８０％を回復することができたことを示している。さらに、図１２Ｃの例示画像に示すように、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料は靭性を実質的に高める。靭性が増加することにより、鉄筋コンクリート耐震壁が大きな変形を許容できるようになり、コンクリートが破砕された後であってもポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料のエネルギー散逸特性が亀裂成長を安定させ、構造物の高強度を維持することができるようになる。亀裂の発生後、容易にエネルギーが散逸されるため、新たな亀裂表面および／またはさらなる損傷の発生を防ぐことができる。図１２Ｃの画像にも示されるように、補修した壁の閉じ込め性が顕著となり、圧縮強度が実質的に増加していることに注目されたい。
【実施例７】
【０１６７】
（複合材包被基材の粘性減衰および耐衝撃性）
本実施例において、１つのフォームコア基材を炭素繊維強化ポリマー素材のみで包被し、１つのフォームコア基材を本発明のポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料で包被した、フォームコア基材を用いた。次に、これらのフォームコア基材に耐衝撃性試験を行い、ここでは毎秒４メートルの高速荷重（衝撃荷重）を用いた。
【０１６８】
図１３Ａおよび１３Ｂに示すとおり、フォームコア基材で包被するポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料によって対処される荷重量は、炭素繊維強化ポリマー素材のみで包被したフォームコア基材とは全く対照的である。画像１３１０および１３１５に示されるように、衝撃試験を行った後、炭素繊維強化ポリマー素材はフォームコア基材から剥離した。これと比較すると、画像１３２０および１３２５はポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料が、衝撃からより大きなエネルギーを吸収し、エネルギーを散逸させることが可能であることを示している。その結果、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料によりフォームコアが変位およびエネルギー散逸の大幅な増加を受けることが許容される。なお、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料で包被したフォームコアに剥離は見られない。
【０１６９】
次に、図１４Ａおよび１４Ｂでは、２つの細い鋼梁基材に対し高振動試験を行った。上記のとおり、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料は、粘弾性物質からほぼ粘性材料へと変化する。この複合材は、地震の際などの極度の荷重事象中に持続的なエネルギー散逸および大きな粘性減衰をもたらすことによりエネルギー開放弁として作用することが可能である。いくつかの実施形態において、複合／基材機構により、粘性減衰率の変動を許容しうる（例えば、複合／基板機構は、基板のみと異なる粘性減衰率をもつ）。
【０１７０】
図示するように、炭素繊維強化ポリマー素材のみで包被した鉄骨基材と本発明のポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料で包被した鉄骨基材の結果を比較すると、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料は試験時の振動を最小限にする粘性型減衰をもたらす。
【実施例８】
【０１７１】
（複合材の粘性減衰率）
なお、いくつかの実施形態において、複合材料の特性は、時間に関連したポリマー特性（ｔｃ）と体積分率（ｈｐ）ポリマー特性を調整することにより変更することができる。例えば、図１５Ａおよび１５Ｃに示すように、粘性減衰特性などの複合材の特性はポリ尿素被覆層の厚さを調整することにより変更することができる。ポリ尿素被覆層の厚さを調整することにより、複合材の弾性ポリ尿素の容積分率が変化し、得られる複合材の特性が変化しうる。別の例においては、図１５Ｂおよび１５Ｄに示すように、複合材料の作製における時間関連因子（例えば、ポリ尿素層の前駆物質とＦＲＰのポリマーの前駆物質の反応に関連する時間因子）が、ＦＲＰおよび／または複合材全体の減衰比に影響を及ぼす可能性があり、これにより、大きな変形に際しても、得られる耐荷重複合材の強度が維持される。したがって、複合材料は、所望の特性を達成するよう、複合材料を作製する際に調整してもよい（例えば、図２の方法２００および図３の方法３００など）。
【０１７２】
次に図１５Ａでは、細い鋼梁を用いた。減衰比の測定対象には、鉄骨自体、炭素繊維強化ポリマー素材のみで包被した鉄骨、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料で包被した鉄骨（ポリ尿素層は１／３２インチ）、およびポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料で包被した鉄骨（ポリ尿素層は１／１６インチ）が含まれた。図１５Ａに示すとおり、減衰比は、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料で包被した鉄骨で大幅に高くなっている。さらに、図１５Ａは、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料で包被した鉄骨の減衰比がポリ尿素層の厚さの関数として変動しうることを示している。ポリ尿素層の厚みを大きくすることにより（例えば、１／３２インチ〜１／１６インチ）、実質的に減衰比が高まる。
【０１７３】
図１５Ｂに示すとおり、炭素繊維強化ポリマー素材にポリ尿素層を形成するための硬化時間は、複合材を鋼梁に形成する場合、２時間〜５時間の間で変動した。減衰比は、複合材料の調製における時間関連因子（ｔｃ）の関数として変動しうる。しかし、わずかにより大きい剛性などの他の特性が、硬化時間を増加させることにより達成されることには注意すべきである。
【０１７４】
本実施例において、これらの試験は、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料自体を用いて実施した。これにより、例えば、細い鋼梁から細い鋼梁からすべての寄与効果を取り除くことができる。図１５Ｃに示すとおり、炭素繊維強化ポリマー素材、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料（ポリ尿素層は１／１６インチ）、およびポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料（ポリ尿素層は１／８インチ）についての減衰比を求めた。図１５Ｃに示すとおり、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料の減衰比は、炭素繊維強化ポリマー素材自体よりも大幅に高くなっている。図１５Ａと同様に、図１５Ｃは、ポリ尿素被覆炭素繊維強化ポリマー複合材料の減衰比がポリ尿素層の厚さの関数として変動しうることを示している。ポリ尿素層の厚みを大きくすることにより（例えば、１／１６インチ〜１／８インチ）、実質的に減衰比が高まる。さらに、ポリ尿素層の厚さが大きいほど、複合材料の強度および剛性特性が高くなる。そのため、ポリ尿素層の厚みを、得られる複合材の所望の特性に基づいて調整することができる。
【０１７５】
図１５Ｂと同様に、図１５Ｄは炭素繊維強化ポリマー素材にポリ尿素層を形成するための硬化時間が、減衰比に影響を及ぼすことを示している。なお、図１５Ｄは硬化時間の増加とともに減衰比が減少することを示しているが、硬化時間は、所望範囲の減衰比をもつ複合材料を得るために調整することができる。また、複合材の製造に用いられる硬化時間は、得られる複合材の所望の特性によって調整することができる。
【０１７６】
したがって、高強度高弾性複合材料およびその複合材料により基材を補強する方法が提供される。
【０１７７】
上述の例示的な実施形態において、本発明を説明し、または示したが、本開示はあくまでも例を示したものであり、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本発明の実施の詳細において多くの変更を行うことが可能であり、本発明は以下の請求項によってのみ限定される。本開示の実施例の要素は、様々に組み合わせたり組み換えたりすることができる。
【図１】
2013544688.tif 000003
【図２】
2013544688.tif 000004
【図３】
2013544688.tif 000005
【図４】
2013544688.tif 000006
【図５】
2013544688.tif 000007
【図６Ａ】
2013544688.tif 000008
【図６Ｂ】
2013544688.tif 000009
【図６Ｃ】
2013544688.tif 000010
【図７】
2013544688.tif 000011
【図８】
2013544688.tif 000012
【図９】
2013544688.tif 000013
【図１０Ａ】
2013544688.tif 000014
【図１０Ｂ】
2013544688.tif 000015
【図１０Ｃ】
2013544688.tif 000016
【図１１Ａ】
2013544688.tif 000017
【図１１Ｂ】
2013544688.tif 000018
【図１１Ｃ】
2013544688.tif 000019
【図１２Ａ】
2013544688.tif 000020
【図１２Ｂ】
2013544688.tif 000021
【図１２Ｃ】
2013544688.tif 000022
【図１３Ａ】
2013544688.tif 000023
【図１３Ｂ】
2013544688.tif 000024
【図１４Ａ】
2013544688.tif 000025
【図１４Ｂ】
2013544688.tif 000026
【図１５】
2013544688.tif 000027
【国際調査報告】
2013544688.tif 000028