(57)【要約】特に、海面と（例えば、深い海域の）海底に配置された装置との間の流体及び／又は電流／電気信号の伝送するための海底ケーブルが提供される。海底ケーブルは、外側シース（例えば、プラスチックシース）内に包まれた、チャンネル要素、流体パイプ、導電体／ワイヤ（例えば、光学ファイバーワイヤ）、外装ワイヤなどの複数（例えば、二つ以上）の細長い海底ケーブル要素を収容する。また、海底ケーブルは、熱可塑性マトリックス内に埋め込まれた一方向配列された複数のファイバーロービングから形成っされた少なくとも一つの補強ロッドを含む。本発明者は、ロービングが熱可塑性ポリマーマトリックスで含浸される度合いが、含浸プロセスを選択的に制御することにより、またロッドの形成及び成形ならびに慣性ロッドの形状のキャリブレーションの間にロービングに付与される圧縮の程度を制御することにより、大幅に改善されることができることを発見した。このようなよく含浸させたロッドは、海底ケーブル要素を強化するための優れた強度特性につながる非常に小さな空隙率を有する。【選択図】図１
2014515868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
海底アプリケーションに使用するための海底ケーブルであって、
長手方向に延在する複数の海底ケーブル要素と、
長手方向に配向された連続したファイバーを備える複数の熱可塑性含浸ロービングを含むコアを有する少なくとも一つの補強ロッドと、
そのファイバーを埋め込む熱可塑性マトリックスと、を備え、
連続したファイバーは、コアの約２５重量％乃至約８０重量％を構成し、熱可塑性マトリックスは、コアの約２０重量％乃至約７５重量％を構成し、
海底ケーブルは、更に、
海底ケーブル要素及び補強ロッドを囲む外側シースを備える、海底ケーブル。
【請求項２】
請求項１記載の海底ケーブルにおいて、
海底ケーブル要素は、パイプ、導電体／ワイヤ、チャンネル要素、外装ワイヤ、又はそれらの組み合わせを含む、海底ケーブル。
【請求項３】
請求項１記載の海底ケーブルにおいて、
海底ケーブル要素の周り及び海底ケーブル要素の間に少なくとも部分的に配置された充填材を更に備える、海底ケーブル。
【請求項４】
請求項１記載の海底ケーブルにおいて、
補強ロッドが配置される中央部分を更に備える、海底ケーブル。
【請求項５】
請求項１記載の海底ケーブルにおいて、
補強ロッドは、海底ケーブル要素の周辺部に配置される、海底ケーブル。
【請求項６】
請求項１記載の海底ケーブルにおいて、
海底ケーブルは、補強ロッドの束を収容し、補強ロッドの束の各々は、長手方向に配向された連続したファイバーと、そのファイバーを埋め込む熱可塑性マトリックスとを備える複数の熱可塑性含浸ロービングを含むコアを有し、
連続したファイバーは、コアの約２５重量％乃至約８０重量％を構成し、熱可塑性マトリックスは、コアの約２０重量％乃至約７５重量％を構成する、海底ケーブル。
【請求項７】
請求項１記載の海底ケーブルにおいて、
連続したファイバーは、メートルにつきグラム当たり約１０００メガパスカル以上の単位長さ当たりの質量に対する終局の引張強度の比を有する、海底ケーブル。
【請求項８】
請求項１記載の海底ケーブルにおいて、
連続したファイバーは、メートルにつきグラム当たり約５５００乃至約２００００メガパスカルの単位長さ当たりの質量に対する終局の引張強度の比を有する、海底ケーブル。
【請求項９】
請求項１記載の海底ケーブルにおいて、
連続したファイバーは、カーボンファイバーである、海底ケーブル。
【請求項１０】
請求項１記載の海底ケーブルにおいて、
熱可塑性マトリックスは、ポリアリーレン硫化物を含む、海底ケーブル。
【請求項１１】
請求項１０記載の海底ケーブルにおいて、
ポリアリーレン硫化物は、ポリフェニレン硫化物である、海底ケーブル。
【請求項１２】
請求項１記載の海底ケーブルにおいて、
連続したファイバーは、コアの約３０重量％乃至約７５重量％を構成する、海底ケーブル。
【請求項１３】
請求項１記載の海底ケーブルにおいて、
補強ロッドは、約３％以下の空隙率を有する、海底ケーブル。
【請求項１４】
請求項１記載の海底ケーブルにおいて、
補強ロッドは、約１０ギガパスカルの最小の曲げ弾性率を有する、海底ケーブル。
【請求項１５】
請求項１記載の海底ケーブルにおいて、
補強ロッドは、約３００ギガパスカルの最小引張強さを有する、海底ケーブル。
【請求項１６】
請求項１記載の海底ケーブルにおいて、
補強ロッドは、約５０ギガパスカルの最小引張弾性率を有する、海底ケーブル。
【請求項１７】
請求項１記載の海底ケーブルにおいて、
補強ロッドの最小曲げ半径は、約２５℃の温度で決定された、補強ロッドの外径の約１乃至約３０倍である、海底ケーブル。
【請求項１８】
請求項１記載の海底ケーブルにおいて、
補強ロッドの最小曲げ半径は、約２５℃の温度で決定された、約０．５乃至約１０センチメートルである、海底ケーブル。
【請求項１９】
請求項１記載の海底ケーブルにおいて、
コアは、４乃至２０のロービングを含む、海底ケーブル。
【請求項２０】
請求項１記載の海底ケーブルにおいて、
ロービングは、コアの長手方向中心としてほぼ対称に分布される、海底ケーブル。
【請求項２１】
請求項１記載の海底ケーブルにおいて、
各ロービングは、約１０００乃至約５００００の個々の連続したファイバーを含有する、海底ケーブル。
【請求項２２】
請求項１記載の海底ケーブルにおいて、
補強ロッドは、約０．１乃至約５０ミリメートルの直径を有する、海底ケーブル。
【請求項２３】
請求項１記載の海底ケーブルにおいて、
コアを取り囲むキャッピング層を更に備える、海底ケーブル。
【請求項２４】
請求項１記載の海底ケーブルにおいて、
補強ロッドは、実質的に円形の断面形状を有する、海底ケーブル。
【請求項２５】
海底アプリケーションに使用するための海底ケーブルであって、
長手方向に延在する複数の海底ケーブル要素であって、パイプ、導電体／ワイヤ、チャンネル要素、外装ワイヤ、又はそれらの組み合わせを含む、複数の海底ケーブル要素と、
海底ケーブル要素の周り及び海底ケーブル要素の間に少なくとも部分的に配置された充填材と、
長手方向に配向された連続したカーボンファイバーとそのファイバーを埋め込む熱可塑性マトリックスとを有する複数の熱可塑性含浸ロービングを含むコアを有する少なくとも一つの補強ロッドであって、連続したカーボンファイバーがコアの約３０重量％乃至約７５重量％を構成し、ポリフェニレン硫化物マトリックスがコアの約２５重量％乃至約７０重量％を構成する、少なくとも一つの補強ロッドと、
複数の海底ケーブル要素と、充填材と、少なくとも一つの補強ロッドとを取り囲む外側シースと、を備える、海底ケーブル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、参照により本明細書中に組み込まれる、“海底アプリケーションに使用するための海底ケーブル”と題された２０１１年４月１２日に提出された米国仮特許出願第６１／４７４４６７号に関する。
【背景技術】
【０００２】
海底ケーブルは、多くの場合、海面と、海底に配置された装置との間の流体及び／又は電気信号の伝送に使用される。そのような海底テーブルは、一般に、束に収集された一つ以上のパイプ及び導電体／ワイヤと、パイプと導電体／ワイヤとの周りに少なくとも部分的にかつパイプと導電体／ワイヤとの間に配置された充填材と、パイプ、導電体／ワイヤ及び充填材を囲む保護シースと、を含む。このような海底ケーブルを増強するのを促進するために、試みが、別個の負荷運搬要素としての、引き抜き成形されたカーボンファイバーロッドを使用して行われた。例示的な海底ケーブルのデザインは、例えば、すべての目的のために引用によりその全体が本明細書に組み込まれた、Ｊｕなどに対する米国特許第７７９８２３４号及びＦｉｇｅｎｓｃｈｏｕに対する米国特許第７７５４９６６号に詳細に記載されている。しかしながら、このようなロッドに関する重大な問題は、所望の強度特性を達成するために、熱硬化性樹脂（例えば、ビニルエステル）に依存することである。熱硬化性樹脂は、製造中に使用することが困難であり、他の材料で層を形成するための良好な結合特性を有していない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このように、所望の強度及び耐久性を達成することができる、熱可塑性材料から形成された引抜成形されたファイバーロッドを含む海底ケーブルの必要性が現在存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一実施形態では、海底アプリケーションに使用するための海底ケーブルが開示される。海底ケーブルは、長手方向に延在する複数の海底ケーブル要素と、少なくとも一つの補強ロッドと、海底ケーブル要素及び補強ロッドを囲む外側シースと、を備える。ロッドは、長手方向に配向された連続したファイバーと、そのファイバーを埋め込む熱可塑性マトリックスとを備える複数の熱可塑性含浸ロービングを含むコアを有する。連続したファイバーは、コアの約２５重量％乃至約８０重量％を構成し、熱可塑性マトリックスは、コアの約２０重量％乃至約７５重量％を構成する。
【０００５】
本発明の他の特徴及び態様は、以下に詳細に記載されている。
【０００６】
当業者に対するそれらのベストモードを含む本発明の完全及び有効な開示は、添付図面の参照を含む、明細書の残りの部分により具体的に記載される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明の海底ケーブルの一実施の形態に関連して使用されるシステムである。
【図２】図２は、本発明の海底ケーブルの一実施の形態の断面図である。
【図３】図３は、本発明の海底ケーブルの別の実施の形態の断面図である。
【図４】図４は、本発明の海底ケーブルのさらに別の実施の形態の断面図である。
【図５】図５は、本発明における使用のための統合されたリボンの一実施形態の斜視図である。
【図６】図６は、本発明における使用のための統合されたリボンの別の実施形態の断面図である。
【図７】図７は、本発明における使用のための含浸システムの一実施形態の概略図である。
【図８】図８は、図７に示された含浸ダイの断面図である。
【図９】図９は、本発明に利用されることができる含浸ダイのためのマニホールドアッセンブリ及びゲート通路の一実施形態の分解図である。
【図１０】図１０は、本発明に利用されることができる含浸ゾーンを少なくとも部分的に画定するプレートの一実施形態の斜視図である。
【図１１】図１１は、本発明に利用されることができる引抜成形システムの一実施形態の概略図である。
【図１２】図１２は、本発明に従って形成された連続したファイバー補強された熱可塑性ロッドの一実施形態の斜視図である。
【図１３】図１３は、本発明に利用されることができる様々なキャリブレーションダイの一実施形態の上断面図である。
【図１４】図１４は、本発明に利用されることができる様々なキャリブレーションダイの一実施形態の側方断面図である。
【図１５】図１５は、本発明に利用されることができる様々なキャリブレーションダイの一実施形態の一部分の正面図である。
【図１６】図１６は、本発明に利用されることができる成形ロールの一実施形態の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本明細書及び図面における参照符号の繰り返し使用は、本発明の同一又は類似の特徴又は要素を表すことを意図している。
【０００９】
なお、本議論は、単に例示的な実施形態の説明であり、本発明のより広い態様を限定するものとして意図されないことを当業者によって理解されるべきである。
【００１０】
一般的に言えば、本発明は、特に、海面と、（例えば、深い海域の）海底に配置された装置との間の流体及び／又は電流／電気信号の伝送に使用される。海底ケーブルは、外側シース（例えば、プラスチックシース）の中に囲まれた、チャンネル要素、流体パイプ、導電体／ワイヤ（例えば、光学ファイバーケーブル）、外装ワイヤなどの、複数の細長い海底ケーブル要素（例えば、二つ又は三つ）を含む。また、海底ケーブルは、熱可塑性ポリマーマトリックス内に埋め込まれた複数の一方向に整列されたファイバーロービングから形成された少なくとも一つの補強ロッドを含む。本発明者は、ロービングが熱可塑性ポリマーマトリックスで含浸される度合いが、含浸プロセスを選択的に制御することにより、またロッドの形成及び成形ならびに慣性ロッドの形状のキャリブレーションの間にロービングに付与される圧縮の程度を制御することにより、大幅に改善されることができることを発見した。このようなよく含浸させたロッドは、海底ケーブル要素を強化するための優れた強度特性につながる非常に小さな空隙率を有する。
【００１１】
海底ケーブル要素の特定の構成、配置及び数は、重要ではなく、当技術分野で知られているように変更できる。図２を参照すると、例えば、海底ケーブル６００のある特定の実施形態が示され、それは、鋼管、被覆ゴム、金属ストランド、熱可塑性材料で覆われた金属ストランドなどから形成された中央部分６０９を含む。一つ以上の内部チャンネル要素６０３（例えば、ポリ塩化ビニル）、導電体／ワイヤ６０６（例えば、光学ファイバーケーブル）、及び／又は流体パイプ６０４（例えば、鋼）が、中央部分６０９を中心に同心的に配置される。例えば、このような海底ケーブル要素は、当技術分野で知られているような螺旋機を用いて中央部分６０９の周りに螺旋状に巻かれてもよい。また、海底ケーブル６００は、鋼ロープや外装鉄線から製造されるもののような従来の強度部材６０８を含むことができる。充填材６１０（例えば、発泡体または熱可塑性材料）は、二つ以上の海底ケーブル要素の周り及び海底ケーブル要素の間に少なくとも部分的に配置される。外側シース６０１（例えば、ポリエチレン）は、通常、海底ケーブル要素を囲む。
【００１２】
本発明の補強ロッドは、例えば、個々に、あるいは束の形態のように、任意の所望の方法で海底ケーブルに組み込むことができる。図２示された実施形態では、補強ロッドの束６０７が、中央部分６０９内に配置され、海底ケーブル６００に強化された強度を提供する。ロッド６０７の少なくとも一つ好ましくはその全部が、本発明に係る連続したファイバー補強された熱可塑性ポリマーマトリックスから形成される。もちろん、ロッドは、海底ケーブルの中央部分内に収容される必要はない。図３を参照すると、例えば、海底ケーブル７００の別の実施形態は、海底ケーブルの周辺部に配置されたロッド７０７の束を収容して示される。また、海底ケーブル７００は、図示のようにロッドがない、あるいは図２に示されるように複数のロッドを収容する、中央部分７０９を含む。また、海底ケーブル７００は、一つ以上の内部チャンネル要素７０３、導電体／ワイヤ７０６、流体パイプ７０４、充填材７１０、及び／又は外側シース７０１を含む。上述で参照した実施形態では、補強ロッドは、概ね、束の形態で提供される。しかしながら、個々のロッドが利用されることができる。図４を参照すると、例えば、海底ケーブル８００の一実施形態が、一つ以上のチャンネル要素８０３、パイプ８０４、及び／又は導電体／ワイヤ８０６を収容して示される。また、海底ケーブル８００は、海底ケーブル８００の周辺部及び／又は内部に分配された個々のロッド８０７を含む。
【００１３】
それらが海底ケーブルの中に組み込まれる特定の方法に関係なく、本発明の補強ロッドは、熱可塑性ポリマーマトリックス内に埋め込まれた、複数の一方向に整列されたファイバーロービングから形成される。本明細書で使用される「ロービング」という用語は、一般に、個々のファイバーの束又は引き綱を指す。ロービング内に含まれたファイバーは、ねじれる又はまっすぐにすることができる。様々なファイバーが個々の又は様々なロービングに使用されることができるが、一般的に、ロービングの各々は、異なる熱膨張係数を有する材料を用いるあらゆる悪影響を最小限に抑えるために、単一のファイバータイプを含むのが望ましい。ロービングに用いられる連続したファイバーは、それらの質量に対して高い程度の引張強度を有する。例えば、ファイバーの引張強度は、典型的には、約１０００乃至約１５０００メガパスカル（“ＭＰａ”）であり、いくつかの実施形態では約２０００乃至約１００００ＭＰａであり、いくつかの実施形態では約３０００乃至約６０００ＭＰａである。このような引張強度は、１メートルにつき約０．１乃至約０．２グラム、いくつかの実施形態では１メートルにつき約０．４乃至約１．５グラムの単位長さ当たりの質量などの比較的軽量であるにもかかわらず、達成され得る。単位長さ当たりの質量に対する引張強度の比は、従って、１メートルあたりのグラム当たり約１０００メガパスカル（“ＭＰａ／ｇ／ｍ”）以上、いくつかの実施形態では約４０００ＭＰａ／ｇ／ｍ以上、及び、いくつかの実施形態では約５５００乃至約２００００ＭＰａ／ｇ／ｍ以上にすることができる。このような高強度ファイバーは、例えば、金属繊維、ガラス繊維（例えば、Ｅ−ガラス、Ａ−ガラス、Ｃ−ガラス、Ｄ−ガラス、ＡＲ−ガラス、Ｒ−ガラス、Ｓ１−ガラス、Ｓ２−ガラスなど）、カーボン繊維（例えば、アモルファスカーボン、グラファイトカーボン、または金属被覆カーボンなど）、ボロン繊維、セラミック繊維（例えば、アルミナまたはシリカ）、アラミド繊維（例えば、デラウェア州ウィルミントンのＥ．Ｉ，デュポン・ドゥ・ヌムールによって市販されたＫｅｖｌａｒ（登録商標））、合成有機繊維（例えば、ポリアミド、ポリエチレン、ポリパラフェニレン、テレフタルアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド）、及び、熱可塑性組成物を補強することで知られた様々な他の天然又は合成の無機又は有機の繊維材料にすることができる。炭素繊維は、典型的に約５０００乃至約７０００ＭＰａ／ｇ／ｍの範囲の質量に対する引張強度の比を有する、連続したファイバーとして使用するのに特に適している。連続したファイバーは、多くの場合、約４乃至約３５マイクロメートル、いくつかの実施形態では約５乃至約３５マイクロメートルの公称直径を有する。各ロービングに含まれるファイバーの数は、一定であるか、ロービングからロービングまで変化することができる。典型的には、ロービングは、約１０００ファイバーから約１０００００の個々のファイバーまで、いくつかの実施形態では約５０００から約５００００ファイバーを収容する。
【００１４】
任意の種々の熱可塑性ポリマーは、連続したファイバーが埋め込まれる熱可塑性マトリックスを形成するために使用されることができる。本発明で使用するのに好適な熱可塑性ポリマーは、例えば、ポリオレフィン（例えば、ポリプロピレン、プロピレン−エチレン共重合体等）、ポリエステル（例えば、ポリブチレンテレフタレート（“ＰＢＴ”））、ポリカーボネート、ポリアミド（例えば、ナイロン（登録商標））、ポリエーテルケトン（例えば、ポリエーテルエーテルケトン（“ＰＥＥＫ”））、ポリエーテルイミド、ポリアリーレンケトン（例えば、ポリフェニレンジケトン（“ＰＰＤＫ”））、液晶ポリマー、ポリアリーレン硫化物（例えば、ポリフェニレン硫化物（“ＰＰＳ”）、ポリ（ビフェニレンスルフィドケトン、ポリ（フェニレンスルフィドジケトン）、ポリ（ビフェニレンスルフィドジケトン）、ポリ（ビフェニレンスルフィド）など）、フルオロポリマー（例えば、ポリテトラフルオロエチレン−パーフルオロメチルビニルエーテルポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレンポリマーなど）、ポリアセタール、ポリウレタン、ポリカーボネート、スチレン系ポリマー（例えば、アクリロニトリルブタジエンスチレン（“ＡＢＳ”）などを含む。
【００１５】
熱可塑性マトリックスの特性は、一般的に、使用中のロッドの加工性及び性の所望の組み合わせを達成するように選択される。例えば、熱可塑性マトリックスの溶融粘度は、一般に十分に低く、その結果、ポリマーは、十分にファイバーを含浸し、ロッド形状に成形できるようになる。この点において、溶融粘度は、典型的には、約２５乃至約２０００パスカル秒（“Ｐａ−ｓ”）の範囲、いくつかの実施形態では約５０乃至約５００パスカル秒の範囲であり、いくつかの実施形態では約６０乃至約２００パスカル秒の範囲であり、熱可塑性ポリマー（例えば、約３６０℃）のために使用される動作条件で決定される。同様に、ロッドが高温での使用を意図されている場合、使用される熱可塑性ポリマーは、比較的高い溶融温度を有する。例えば、そのような高温ポリマーの溶融温度が約２００℃乃至約５００℃の範囲、いくつかの実施形態では約２２５℃乃至約４００℃の範囲、いくつかの実施形態では約２５０℃乃至約３５０℃の範囲にすることができる。
【００１６】
ポリアリーレン硫化物は、所望の溶融粘度を有する高温のマトリックスとして、本発明での使用に特に適している。ポリフェニレン硫化物は、例えば、以下の一般式で表される反復単量体単位を含む半結晶性樹脂である。
【００１７】
【数１】
2014515868.tif 000003
【００１８】
これらの単量体単位は、典型的には、ポリマー中の反復単位の少なくとも８０モル％、いくつかの実施形態では少なくとも９０％を構成する。しかしながら、ポリフェニレン硫化物は、あらゆる目的のために引用によりその全体が本明細書に組み込まれた、Ｇｏｔｏｈなどに対する米国特許第５０７５３８１号に開示されたような追加の反復単位を含むことを理解されるべきである。
【００１９】
使用する場合、そのような追加の反復単位は、典型的には、ポリマーのたった約２０モル％を構成する。商業的に入手可能な高溶融粘度ポリフェニレン硫化物は、ＦＯＲＴＲＯＮ（登録商標）の商標名の下でＴｉｃｏｎａ  ＬＬＣ（フィレンツェ、ケンタッキー州）から入手可能なものを含む。そのようなポリマーは、（ＩＳＯ  １１３５７−１，２，３に従って測定された）約２８５℃溶融温度及び３１０℃での約２６０乃至約３２０パスカル秒の溶融粘度を有する。
【００２０】
本発明によれば、押出装置は、一般的に、熱可塑性マトリックスでロービングを含浸させるために採用されている。とりわけ、押出装置は、繊維の表面全体に適用される熱可塑性ポリマーの能力を促進する。含浸されたロービングは、その強度を高めるのに役立ち、非常に低い空隙率を有する。例えば、空隙率は、約６％以下、いくつかの実施形態では約４％以下、いくつかの実施形態では約３％以下、いくつかの実施形態では約２％以下、いくつかの実施形態では約１％以下、いくつかの実施形態では約０．５％以下にすることができる。空隙率は、当業者に周知の技術を用いて測定することができる。例えば、空隙率は、樹脂を焼き尽くすためにサンプルがオーブン（例えば、６００℃で３時間）の中に配置される“樹脂バーンオフ”テストを使用して測定されることができる。その後、残りのファーバーの質量が重量及び体積分率を計算するために測定される。このような“バーンオフ”試験は、以下の式に基づいて“空隙率”を計算するために使用される、ファイバー及び熱可塑性マトリックスの重みを決定するためのＡＳＴＭ  Ｄ２５８４−０８に従って実行されることができる。
【００２１】
【数２】
2014515868.tif 000004
【００２２】
ここで、
Ｖｆは、パーセンテージとしての空隙率であり；
ρｃは、液体またはガス比重瓶（例えばヘリウム比重瓶）などの公知の技術を用いて測定される複合材料の濃度であり；
ρｔは、以下の式によって決定される複合材料の理論密度である。
【００２３】
【数３】
2014515868.tif 000005
【００２４】
ρｍは、（例えば、適当な結晶度での）熱可塑性マトリックスの密度であり；
ρｆは、ファイバーの密度であり；
Ｗｆは、ファイバーの重量分率であり;
Ｗｍは、熱可塑性マトリックスの重量分率である。
【００２５】
代替的に、空隙率は、ＡＳＴＭ  Ｄ３１７１−０９に従って化学的に樹脂を溶解することによって決定されることができる。“バーンオフ”及び“溶解”方法は、溶融及び化学溶解に一般に耐性であるガラス繊維に特に適している。しかしながら、他の場合では、空隙率は、密度がＡＳＴＭ  Ｄ７９２−０８方法Ａを決定されるＡＳＴＭ  Ｄ３１７１−０９（方法Ａ）に従って熱可塑性ポリマー、ファイバー、リボン（又はテープ）の濃度に基づいて間接的に計算されることができる。もちろん、空隙率は、従来の顕微鏡装置を用いて、又は、Ｍｅｔｒｏｔｏｍ  １５００（２ｋ×２ｋ）高分解能検出器などのコンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャン機器の使用によって、推定されることもできる。
【００２６】
図７を参照すると、そのような抽出装置の一実施形態が示される。より具体的には、装置は、バレル１２２の位置側に取り付けられたねじシャフト１２４を含む押出機１２０を含む。ヒータ１３０（例えば、電気抵抗加熱器）は、バレル１２２の外側に取り付けられる。使用中、熱可塑性ポリマー供給原料１２７がホッパー１２６を通じて押出機１２０に供給される。熱可塑性ポリマー供給原料１２７は、ねじシャフト１２４によってバレル１２２の内側に搬送され、バレル１２２の内側の摩擦力及びヒータ１３０によって加熱される。加熱される際に、供給原料１２７は、バレルフランジ１２８を通じてバレル１２２を出て、含浸ダイ１５０のダイフランジ１３２に入る。
【００２７】
連続したファイバーロービング１４２又は複数の連続したファイバーロービング１４２は、リール又は複数のリール１４４からダイ１５０に供給される。ロービング１４２は、概ね、少なくとも約４ミリメートル、いくつかの実施形態では少なくとも約５ミリメートルなど、含浸の前に一定の離隔距離を維持される。供給原料１２７は、ダイ１５０の中にあるいは周りに取り付けられたヒータ１３３によってダイの内側で更に加熱される。ダイは、一般に、熱可塑性ポリマーの溶融含浸を引き起こすのに十分な温度で動作される。典型的には、ダイの動作温度は、約２００℃乃至約４５０℃の温度など、熱可塑性ポリマーの溶融温度よりも高い温度である。このように処理されると、連続したファイバーロービング１４２は、供給原料１２７から処理された樹脂２１４（図８）にすることができる、ポリマーマトリックスの中に埋め込まれる。次に、混合物は、含浸ダイ１５０から抽出されて押出機１５２を形成する。
【００２８】
圧力センサ１３７（図８）は、制御が、ねじシャフト１２４の回転速度またはフィーダの連合を制御することによって抽出速度にわたって発揮されるのを可能にするために、含浸ダイ１５０近傍の圧力を検知する。すなわち、圧力センサ１３７は、含浸ダイ１５０近傍に配置され、その結果、押出機１２０は、ファイバーロービング１４２との相互作用のために樹脂２１４の正確な量を搬送するように動作されることができる。含浸ダイ１５０を出た後、抽出物１５２すなわち含浸されたファイバーロービング１４２は、二つの隣接するローラ１９０の間に形成されたロール間隙に入る前に、選択的な予備成形又は案内部分（図示せず）に入る。任意であるが、ローラ１９０は、抽出物１５２をリボン形状に統合するのに及びファイバー含浸を向上させて余分な空隙を絞り出すのに役立つ。ローラ１９０に加えて、ダイシステムなどの他の成形デバイスを使用することもできる。結果として生じる統合されたリボン１５６は、ローラに取り付けられたトラック１６２及び１６４によって引っ張られる。また、トラック１６２及び１６４は、ローラ１９０を通じて含浸ダイ１５０から抽出物１５２を引っ張る。所望であれば、統合されたリボン１５６は、セクション１７１で巻き取られる。一般的に言えば、リボンは、比較的薄く、典型的には、約０．０５乃至約１ミリメートル、いくつかの実施形態では約０．１乃至約０．８ミリメートル、いくつかの実施形態では約０．２乃至約０．４ミリメートルの厚さを有する。
【００２９】
含浸ダイ内では、ロービング１４２は、ロービングをポリマー樹脂２１４と含浸するために含浸ゾーン２５０を通じて横断されるのが一般的に望ましい。含浸ゾーン２５０では、ポリマー樹脂は、含浸率を著しく高める含浸ゾーン２５０に生じた剪断力及び圧力によってロービングを通じて概ね横断方向に強制される。これは、約３５％以上の重量割合（“Ｗｆ”）、いくつかの実施形態では約４０％以上の重量割合など、高繊維含量のリボンから複合材料を形成する場合に特に有用である。典型的に、ダイ１５０は、例えば、少なくとも二つ、少なくとも三つ、４乃至７、２乃至２０、２乃至４０、２乃至５０またはそれ以上などの、複数の接触面２５２を含み、ロービング１４２への十分な程度の浸透及び圧力を形成する。それらの特定の形態は異なるが、接触面２５２は、典型的に、湾曲ローブ、ロッドなどの曲面を有する。また、接触面２５２は、典型的には金属材料で形成されている。
【００３０】
図８は、含浸ダイ１５０の断面図を示す。図示のように、含浸ダイ１５０は、マニホールドアッセンブリ２２０、ゲート通路２７０、及び含浸ゾーン２５０を含む。マニホールドアッセンブリ２２０は、そこを通ってポリマー樹脂２１４を流すために提供される。例えば、マニホールドアッセンブリ２２０は、チャンネル２２２又は複数のチャンネル２２２を含む。含浸ダイ１５０に提供された樹脂２１４は、チャンネル２２２を流れる。
【００３１】
図９に示されるように、チャンネル２２２のいくつかの部分は、曲線状であってもよく、例示的な実施形態では、チャンネル２２２は、中心軸千２２４に沿って対称な配向を有する。さらに、いくつかの実施形態では、チャンネルは、第１分岐ランナーグループ２３２、第２グループ２３４、第３グループ２３６及び所望であればそれ以上尾の分岐ランナーグループを含む複数の分岐ランナー２２２にすることができる。各グループは、前のグループのランナー２２２から又は初期のチャンネル２２２から分岐する２、３、４又はそれ以上のランナー２２２を含むことができる。
【００３２】
分岐ランナー２２２及びその対照的な配向は、マニホールドアッセンブリ２２０を出てロービング１４２を被覆する樹脂２１４の流れがロービング１４２に実質的に均一に分散されるように、樹脂２１４を概ね均一に分散する。これは、望ましくは、ロービング１４２の概ね均一な含浸を可能にする。
【００３３】
さらに、マニホールドアッセンブリ２２０は、いくつかの実施形態において、そこから樹脂２１４が出るチャンネル又はランナー２２２の少なくとも下流部分を概ね含む出口領域２４２を画定する。いくつかの実施形態では、出口領域２４２に配置されたチャンネル又はランナー２２２の少なくとも一部分は、樹脂２１４の流れ方向２４４において増加領域を有する。増加領域は、樹脂２１４がマニホールドアッセンブリ２２０を流れる際に、樹脂２１４の拡散及び更なる分布を可能にし、それは、ロービング１４２への樹脂２１４の実質的に均一な分布を可能にする。
【００３４】
図８及び図９にさらに示されるように、マニホールドアッセンブリ２２０を流れた後、樹脂２１４は、ゲート通路２７０を流れる。ゲート通路２７０は、マニホールドアッセンブリ２２０と含浸ゾーン２５０との間に配置され、樹脂２１４がロービング１４２を被覆するようにマニホールドアッセンブリ２２０から樹脂２１４を流すために提供される。従って、出口領域２４２を通ってなど、マニホールドアッセンブリ２２０を出る樹脂２１４は、ゲート通路２７０に入り、図示のようにそこを流れる。
【００３５】
図８に示されるように、マニホールドアッセンブリ２２０及びダイ１５０のゲート通路２７０を出ると、樹脂２１４は、ダイ１５０を横断されるロービング１４２と接触する。上述のように、樹脂２１４は、マニホールドアッセンブリ２２０及びゲート通路２７０の綬伸縮ブームアッセンブリ２１４の分布のために、ロービング１４２を実質的に均一に覆うことができる。さらに、いくつかの実施形態では、樹脂２１４は、ロービング１４２の各々の上面、又はロービング１４２の各々の下面、又はロービング１４２の各々の上面及び下面の双方に含浸する。ロービング１４２への初期の含浸は、樹脂２１４でロービング１４２のさらなる含浸を提供する。
【００３６】
図８に示されるように、覆われたロービング１４２は、樹脂２１４でロービング１４２を含浸するように構成された含浸ゾーン２５０を通って走行方向２８２に横断される。例えば、図８及び図１０に示されるように、ロービング１４２は、含浸ゾーンにおいて接触面２５２上を横断される。接触面２５２へのロービング１４２の含浸は、ロービング１４２を覆う樹脂２１４でロービング１４２を含浸するのに十分なせん断力及び圧力を生じる。
【００３７】
図８に示されるように、いくつかの実施形態においては、含浸ゾーン２５０は、二つの離間して配置された対向プレート２５６、２５８の間に画定される。第１プレート２５６は、第１内部表面２５７を画定し、第２プレート２５８は、第２内部表面２５９を画定する。接触面２５２は、第１内部表面２５７及び第２内部表面２５９の双方又は第１内部表面２５７及び第２内部表面２５９の一方の上に画定され、又は第１内部表面２５７及び第２内部表面２５９の双方又は第１内部表面２５７及び第２内部表面２５９の一方から延在する。図１０は、第２プレート２５８及びその上にある様々な接触表面を示し、様々な接触表面は、これらの実施形態に従って含浸ゾーン２５０の少なくとも一部分を形成する。図８に示されるように例示的な実施形態では、ロービングが第１内部表面２５７及び第２内部表面２５９上の接触表面２５２に交互に含浸するように、接触表面は、第１内部表面２５７及び第２内部表面２５９上に交互に画定される。従って、ロービング１４２は、せん断力を強化する波形態、曲がりくねった正弦型経路の接触表面を通過する。
【００３８】
ロービング１４２が接触表面２５２を横断する角度２５４は、概ね、せん断力を高めるのに十分に大きいが、ファイバーをせん断する過度な力を生じる大きさではない。従って、例えば、角度２５４は、約１度乃至約３０度の範囲、いくつかの実施形態では約５度乃至約２５度の範囲にすることができる。
【００３９】
代替的な実施形態では、含浸ゾーン２５０は、複数のピン（図示せず）を含み、各ピンは、接触面２５２を有する。ピンは、固定的、自由に回転可能、あるいは、回転駆動されることができる。さらなる代替的実施形態では、接触表面２５２及び含浸ゾーン２５０は、所望又は必要に応じて、樹脂２１４でロービング１４２を含浸するためのあらゆる適当な形状及び／又は構造を備えることができる。
【００４０】
ロービング１４２の含浸をさらに容易にするために、ロービング１４２は、含浸ダイ内に存在しながら張力の下で保持される。張力は、例えば、ロービング１４２又は二つのファイバーあたり、約５乃至約３００ニュートン、いくつかの実施形態では約５０乃至約２５０ニュートン、いくつかの実施形態では約１００乃至約２００ニュートンにすることができる。
【００４１】
図８に示されるように、いくつかの実施形態では、ランドゾーン２８０は、ロービング１４２の走行方向２８２において含浸ゾーン２５０の下流に配置されることができる。ロービング１４２は、ダイ１５０を出る前にランドゾーン２５０を横断する。さらに図８に示されるように、いくつかの実施形態では、壁面プレート２９０が含浸ゾーン２５０に隣接する。壁面プレート２９０は、概ね、ロービング１４２から余計な樹脂２１４を量るように構成される。従って、そこを通ってロービング１４２が横断する壁面プレート２９０の開口は、ロービング１４２がそこを通って横断するときに、開口の寸法が余分な樹脂をロービング１４２から取り除くように寸法づけられている。
【００４２】
図示され上述された含浸ダイは、本発明に利用されることができる様々な可能な構成のうちの一つである。代替的な実施形態では、例えば、ロービングは、ポリマー溶融物の流れの方向に対してある角度で配置されるクロスヘッドダイに導入されることができる。ロービングがクロスヘッドダイを移動し、ポリマーが押出機のバレルをから出るポイントに到達すると、ポリマーは、ロービングと接触するように強制される。このようなクロスヘッドダイの押出機の例が、例えば、あらゆる目的のために引用によりその全体が本明細書に組み込まれた、Ｍｏｙｅｒに対する米国特許第３９９３７２６号、Ｃｈｕｎｇなどに対する米国特許第４５８８５３８号、Ａｕｇｕｓｔｉｎなどに対する米国特許第５２７７５６６号及びＡｍａｉｋｅなどに対する米国特許第５６５８５１３号に記載される。また、任意の他の押出機の設計は、ツインスクリュー押出機など利用されることができる。さらに、また、他のコンポーネントが、ファイバーの含浸を助けるために使用されることができる。例えば、“ガスジェット”アッセンブリは、統合されたトウの幅全体を横切る２４０００ファイバーもの数まで各々が含む、個々のファイバーのロービングを均一に広げるのに特定の実施形態で使用されることができる。これは、強度特性の均一な分布を達成するのに役立ちます。このようなアセンブリは、圧縮空気の供給または出口ポートを通過する移動ロービングに概ね垂直なように衝突する他のガスの供給を含む。拡大されたロービングは、次に、上述のように含浸のためにダイの中に導入される。
【００４３】
利用される技術に関係なく、連続したファイバーは、引張強度を高めるために長手方向（図７のシステムの加工方向“Ａ”）に配向される。ファイバーの配向を除いて、引抜成形プロセスの他の態様が、所望の強度を達成するように制御される。例えば、連続したファイバーの比較的高いパーセンテージは、増強された強度特性を提供するために、統合されたリボンで使用される。例えば、連続したファイバーは、典型的には、リボンの約２５重量％乃至約８０重量％、いくつかの実施形態では、リボンの約３０重量％乃至約７５重量％、いくつかの実施形態では、リボンの約３５重量％乃至約６０重量％を構成する。同様に、熱可塑性ポリマー（複数可）は、典型的には、リボンの約２０重量％乃至約７５重量％、いくつかの実施形態では、リボンの約２５重量％乃至約７０重量％、いくつかの実施形態では、リボンの約４０重量％乃至約６５重量％を構成する。最終的なロッドのファイバー及び熱可塑性マトリックスの割合も上記の範囲内であればよい。
【００４４】
上述のように、ロービングは、所望のロッド形状に成形される前に一つ以上のリボンの形状に統合される。このようなリボンがその後圧縮されると、ロービングは、ロッドの長手方向の中心周りにほぼ対称的に分布になることができる。このような対称的な分布は、ロッドの全長にわたって強度特性（例えば、曲弾性率、極限引張強さなど）の一貫性を高める。利用されるとき、ロッドを形成するために使用される統合されたリボンの数は、ロッドの所望の厚さ及び／又は断面領域及び強度、ならびにリボン自体の性質に基づいて変更する。ただし、ほとんどの場合、リボンの数は、１乃至１５個であり、いくつかの実施形態では、２乃至５個である。各リボンで使用されるロービングの数は、同様に変更することができる。最終的なロッドのロービングの対照的な分布を達成することを助けるために、一般に、ロービングがリボン内で互いにほぼ同じ距離で離間配置されることが望ましい。図５を参照すると、例えば、統合されたリボン４の一実施形態がｘ方向において互いから等距離で離間配置された３つのロービング５を含む。しかしながら、別の実施形態では、ロービングのファイバーがリボン４全体に概ね均等に分散されるようにロービングは組み合わされることが所望される。これらの実施形態では、ロービングは、互いから概ね区別できない。図６を参照すると、例えば、統合されたリボン４の一実施形態は、ファイバーが概ね均等に分配されるように組み合わされたロービングを含むように示される。
【００４５】
ロービングが形状づけられる特定の方法は、ロッドが圧縮及び強度特性の十分な度合いで形成されるのを確実にするように慎重に制御される。図１１を参照すると、例えば、ロッドを形成するためのシステム及び方法の一特定の実施形態が示される。この実施形態では、二つのリボン１２が最初にクリール２０に巻かれたパッケージで提供される。クリール２０は、各々がパッケージを支持する、水平回転スピンドル２２が提供されたフレームを含む巻き戻しクリールにすることができる。また、繰り出しクリールが、特に一段階構成の原料ファイバーを使用するときなどファイバーの中にねじれを誘発することが望ましい場合に利用される。また、リボンはロッドの形成を有するインラインで形成されることを理解されるべきである。一実施形態では、例えば、図７の含浸ダイを出る押出物１５２は、ロッドを形成するために使用されるシステムに直接的に供給される。張力調節装置４０は、リボン１２の張力の程度を制御するのを助けるために使用することができる。装置４０は、クリール２０の回転スピンドル２２に平行な及び／又は入ってくるリボンに垂直な垂直面内にある入口プレート３０を含む。張力調節装置４０は、リボン１２が波形パターンを画定するためにこれらのバーの上及び下を通過するように、千鳥足状に配置された円筒形バー４１を含む。バーの高さは、波形の振幅を変更し、張力を制御するように調整することができる。
【００４６】
リボン１２は、統合されたダイに入る前にオーブン４５で加熱される。加熱は、赤外線オーブン、対流式オーブンなどの周知のタイプのオーブンを使用して行うことができる。加熱中、リボンのファイバーは、熱への暴露最適化にすると共にリボン全体にわたって均一な熱を維持するために一方向に配向される。リボン１２が加熱される温度は、リボンが互いに結合されることができる程度に熱可塑性ポリマーを軟化させるのに十分に高い。しかし、温度は、材料の完全性を破壊するほど高くない。温度は、例えば、約１００℃乃至約５００℃の範囲、いくつかの実施形態では約２００℃乃至約４００℃の範囲、いくつかの実施形態では約２５０℃乃至約３５０℃の範囲にある。一特定の実施形態では、例えば、ポリフェニレン硫化物（“ＰＰＳ”）は、ポリマーとして使用され、リボンは、約２８５℃であるＰＰＳの融点以上に加熱される。
【００４７】
加熱されると、リボン１２は、リボンをプリフォーム１４の中に互いに圧縮し、整列してロッドの初期形状を形成する統合ダイ５０に提供される。図１１に概ね示されるように、例えば、リボン１２は、入口５３から出口５５への方向“Ａ”においてダイ５０の流れ通路を通じて案内される。通路５１は、ロッドの形状を達成するためにあらゆるさまざまな形状及び／又は大きさを有する。例えば、チャンネル及びロッドの形状は、円形、楕円形、放物状などにすることができる。ダイ５０内では、リボンは、適切な統合を確実にするためにリボンに使用される熱可塑性マトリックスの融点の温度またはそれより高い温度に維持される。
【００４８】
リボン１２の所望の加熱、圧縮、整形は、一つまたは複数のセクションを有するダイ５０の使用することによって達成されることができる。例えば、本明細書では詳細には示していないが、統合ダイ５０は、リボン１２を所望の形状に圧縮して形状づけるために互いに機能する複数のセクションを有する。例えば、通路５１の第１セクションは、ダイ５０からダイ５０の中に流れる際に材料を最初に成形する先細りゾーンにすることができる。先細りゾーンは、概ね、その出口よりも入口の方が大きい断面領域を有する。例えば、先細りゾーンの入口での通路５１の断面領域は、先細りゾーンの出口での断面領域よりも、約２％以上、いくつかの実施形態では約５％以上、いくつかの実施形態では約１０％乃至約２０％大きくすることができる。それにもかかわらず、流れ通路の断面は、典型的に先細りゾーン内で徐々に滑らかに変化し、その結果、ダイを通る複合材料のバランスのとれた流れを維持することができる。また、成形ゾーンは、材料を圧縮し、そこを通る概ね均質な流れを提供する先細りゾーンに続く。また、成形ゾーンは、熱可塑性ポリマーの膨張を可能にするために典型的に大きな断面領域のロッドの形状と同様な中間形状に材料を予め成形し、ダイ５０内でバックアップのリスクを最小限に抑えるために加熱される。また、成形ゾーンは、プリフォームへの方向変化を与える一つ以上の表面特徴を含む。方向変化は、再配布される材料を強制し、最終的な形状のファイバー／樹脂のより均一な分布を生じる。また、これは、樹脂の燃焼を引き起こすダイの中のデッドスポットのリスクを低減する。例えば、成形ゾーンでの通路５１の断面領域は、プリフォーム１４の幅よりも、約２％、いくつかの実施形態では５％以上、いくつかの実施形態では約１０％乃至役２０％大きい。また、ダイランドは、成形ゾーンに続き、通路５１の出口として機能する。成形ゾーン、先細りゾーン及び／又はダイランドは、ガラス転移温度または熱可塑性マトリックスの融点と以上の温度まで加熱される。
【００４９】
所望であれば、第２ダイ６０（例えば、キャリブレーションダイ）は、プリフォーム１４をロッドの最終形状に圧縮するのに使用されることもできる。使用される場合、時には、プリフォーム１４は統合ダイ５０を出た後かつ選択的な第２ダイ６０に入る前に簡単に冷却することができるのが望ましい。これは、統合プリフォーム１４がシステムをさらに進む前にその初期形状を保持するのを可能にする。典型的には、冷却は、ロッドの外面温度を熱可塑性マトリックスの融点温度以下に低減して、ロッドの外面のメルトフラクチャーの発生を最小限に抑えかつ実質的に防止する。しかし、ロッドの内部断面は、ロッドがキャリブレーションダイ本体に入るときに圧縮を確実にするために、溶融のままでもよい。このような冷却は、プリフォーム１４を単に周囲の雰囲気（例えば、室温）に露出させることによってあるいは当技術分野で知られているようにアクティブ冷却技術（例えば、水浴又は空冷）の使用を介して達成される。一実施形態では、例えば、空気が（例えばエアリングで）プリフォーム１４に吹き付けられる。しかし、これらのステージ間の冷却は、一般に、プリフォーム１４がさらに成形されるのに十分軟質であることを確実にするために、少しの期間にわたって生じる。例えば、統合ダイ５０を出た後、プリフォーム１４は第２ダイ６０に入る前に、約１秒乃至約２０秒だけ、いくつかの実施形態では約２秒乃至約１０秒の間、周囲環境に露出される。ダイ６０内では、プリフォームは、リボンに使用される熱可塑性マトリックスの融点未満の温度に概ね保たれ、ロッドの形状が維持される。単一のダイとして上記で言及しているが、ダイ５０及び６０は、実際には複数の個々のダイ（例えば、フェースプレートダイ）から形成されてもよいことが理解されるべきである。
【００５０】
このように、いくつかの実施形態では、複数の個々のダイ６０は、徐々に所望の形状に材料を成形するために利用することができる。ダイ６０は、直列に配置され、材料の寸法を徐々に減少するために提供される。このような段階的な減少は、様々なステップの間で収縮を可能にする。
【００５１】
例えば、図１３乃至図１５に示すように、第一のダイ６０は、図示のように一つ以上の注入口６２及び対応する出口６４を含んでもよい。入口６２及び対応する出口６４の任意の数は、図示のように４つ、１つ、２つ、３つ、５つ、６つまたはそれ以上など、ダイ６０に含まれる。いくつかの実施形態における入口６２は、概ね、楕円形または円形形状であってもよい。他の実施形態において、入口６２は、湾曲した矩形形状、すなわち、湾曲角部を有する矩形形状、又は直線状の長い側壁及び曲がった短い側壁を有する矩形形状を有することができる。さらに、出口６４は、概ね、楕円形または円形形状であってもよいし、湾曲した矩形形状を有することができる。楕円形の入口が利用されるいくつかの実施形態では、入口６２は、約３対１乃至約５対１の範囲である長軸の長さ６６に対する短軸の長さ６８の比を有する。楕円形または円形の入口が利用されるいくつかの実施形態では、出口６４は、約１対１乃至約３対１の範囲である長軸の長さ６６に対する短軸の長さ６８の比を有する。湾曲した長方形の形状が利用されるいくつかの実施形態では、出口６４の比が入口６２の比よりも小さい状態で、入口及び出口は、約２対１乃至約７対１の範囲である長軸の長さ６６に対する短軸の長さ６８の比（アスペクト比）を有する。
【００５２】
さらなる実施形態では、第１ダイ６０の入口６２の断面領域及び対応する出口６４の断面領域は、約１．５から１乃至約６から１の範囲の比を有する。
【００５３】
従って、第１ダイ６０は、例示的な実施形態において円形または楕円形の断面を有する結果として生じるロッドの最終的な形状に比較的似ている形状へのポリマーを含浸させた繊維材料のほぼ滑らかな変換を提供する。図１３に示されるような第２ダイ６０及び第３ダイ６０などの後続のダイは、材料の形状がロッドの最終的な断面形状に変換されるように、材料の寸法のさらに緩やかな減少および／または変化を提供する。これらの後続のダイ６０は、双方とも、材料を成形し冷却する。例えば、いくつかの実施形態では、各々の後続のダイ６０は、前のダイよりも低い温度に維持することができる。例示的な実施形態では、すべてのダイ６０は、材料のための軟化点温度よりも高い温度で維持される。
【００５４】
さらなる例示的な実施形態では、例えば、所望のロッドの形状及び大きさを達成することが重要である適切な冷却固化のために希望のために、比較的長いランド長さ６９を有するダイ６０が望まれる。比較的長いランド長さ６９は、最小限の空隙率及び弓状特性で、ストレスを軽減し、所望の形状及び大きさへのスムーズな変形を提供する。いくつかの実施形態では、例えば、ダイ６０に対する出口６４でのランド長さ６９に対する出口６４での長軸の長さ６６の比は、約２乃至約６などの約０乃至約２０の範囲にすることができる。
【００５５】
説明したように、本開示にかかるキャリブレーションダイ６０の使用は、材料の断面の段階的な変化を提供する。これらの段階的な変化は、例示的な実施形態では、ロッドまたは他の適当な製品のなどの生成物が比較的最小限の空隙率を有するほぼ均一な繊維分布を有することを確実にする。
【００５６】
ダイ６０のあらゆる適当な数は、所望な又は様々なアプリケーションによって必要とされる適当な断面形状を有するプロファイルに材料を徐々に成形するために利用されることを理解されるべきである。
【００５７】
一つ以上のダイの使用に加えて、他の機構もまた、ロッドの形状にプリフォーム１４を圧縮するのを助けるために使用される。例えば、図１６に示されるような成形ローラ９０は、統合ダイ５０とキャリブレーションダイ６０との間で、様々なキャリブレーションダイ６０の間で、及び／又はその最終的な形状に変換される前にプリフォーム１４をさらに圧縮するためのキャリブレーションダイ６０の後で、利用される。ローラは、ピンチローラ、重複ローラのような任意の構成を有し、示されたような垂直又は水平のローラにすることができる。ローラ９０の構成に依存して、ローラ９０の表面は、ロッド、プロファイル、または他の適切な製品などの最終的な製品の寸法をプレフォーム１４に付与するために機械加工される。例示的な実施形態では、ローラ９０の圧力は、最終製品の品質を最適化するために調整可能であるべきである。
【００５８】
例示的な実施形態におけるローラ９０は、材料と接触する少なくとも一部分など、概ね滑らかな表面を有する。例えば、比較的硬質の研磨面は、多くの実施形態において望まれている。例えば、ローラの表面は比較的滑らかなクロムまたは他の適切な材料から形成することができる。これは、ローラ９０が損傷することなくまたはプリフォーム１４を望ましくないような変更にすることなく、プリフォーム14を操作することができる。例えば、このような表面は、材料がローラに固着するのを防止し、ローラが材料上に滑らかな表面を与えることができる。
【００５９】
いくつかの実施形態では、ローラ９０の温度を制御する。これは、ローラ９０自体を加熱することによってまたは温度制御された環境でローラ９０を配置することによって達成することができる。
【００６０】
さらに、いくつかの実施形態では、表面特徴９２がローラ９０に提供される。表面特徴９２は、ローラを通過する際に一つ以上の方向にプリフォーム１４を案内及び／又は制御する。例えば、表面特徴９２は、プリフォーム１４が、ローラ９０を通過する際にそれ自体の上に折り曲がるのを防止するように提供される。従って、表面特徴９２は、機械加工方向Ａに対する機械加工横方向に及び機械加工方向Ａに対する垂直方向にプリフォーム１４の変形を案内して制御する。従って、プリフォーム１４は、機械加工方向Ａにおいてローラ９０を通過する際に、それ自体折り曲げられるよりもむしろ機械加工横方向に互いに押される。
【００６１】
いくつかの実施形態では、張力調整装置は、ローラと通信して提供することができる。これらのデバイスは、プリフォームをさらに案内及び／又は制御するために、機械加工方向、機械加工横方向及び／又は垂直方向においてプレフォーム１４に張力を適用するためにローラを利用することができる。
【００６２】
所望であれば、得られたロッドは、必要に応じて、環境条件から保護するため、または耐摩耗性を向上させるためにキャッピング層を適用してもよい。図１１を再度参照すると、そのようなキャッピング層は、キャッピングダイ７２の中に熱可塑性樹脂を導入するために任意の所望の角度に配向された押出機を介して適用される。この目的に適した熱可塑性ポリマーは、例えば、ポリオレフィン（例えば、ポリプロピレン、プロピレン−エチレン共重合体等）、ポリエステル（例えば、ポリブチレンテレフタレート（“ＰＢＴ”））、ポリカーボネート、ポリアミド（例えば、ナイロン（登録商標））、ポリエーテルケトン（例えば、ポリエーテルエーテルケトン（“ＰＥＥＫ”））、ポリエーテルイミド、ポリアリーレンケトン（例えば、ポリフェニレンジケトン（“ＰＰＤＫ”））、液晶ポリマー、ポリアリーレン硫化物（例えば、ポリフェニレン硫化物（“ＰＰＳ”）、ポリ（ビフェニレンスルフィドケトン、ポリ（フェニレンスルフィドジケトン）、ポリ（ビフェニレンスルフィドジケトン）、ポリ（ビフェニレンスルフィド）など）、フルオロポリマー（例えば、ポリテトラフルオロエチレン−パーフルオロメチルビニルエーテルポリマー、パーフルオロアルコキシアルカンポリマー、テトラフルオロエチレンポリマー、エチレン−テトラフルオロエチレンポリマーなど）、ポリアセタール、ポリウレタン、ポリカーボネート、スチレン系ポリマー（例えば、アクリロニトリルブタジエンスチレン（“ＡＢＳ”）、アクリルポリマー、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）などを含む。特に適当なキャッピング層材料はポリケトン（例えば、ポリエーテルエーテルケトン（“ＰＥＥＫ”））、ポリ硫化物（例えば、ポリアリーレン硫化物）、又はそれらの混合物を含む。
【００６３】
必要ではないが、キャッピング層は、概ね、連続した繊維を含まなくてもよい。すなわち、キャッピング層は、連続した繊維の約１０重量％以下、いくつかの実施形態では連続した繊維の約５重量％以下、いくつかの実施形態では連続した繊維の約１重量％以下（例えば、０重量％）を含む。それにもかかわらず、キャッピング層は、ロッドの最終特性を改善するための他の添加剤を含有してもよい。この段階で用いられる添加剤材料は、連続した繊維材料内に組み込むのに適していないものを含むことができる。例えば、仕上げ労力を減らすための顔料を加えることが望ましいことがある、またはロッドの難燃性特徴を向上させるために難燃剤を添加することが望ましい場合がある。多くの添加材料は、熱に敏感であるため、熱の過剰な量は、それらを分化して揮発性ガスを生成することがある。従って、感熱性添加剤材料が高い加熱条件下で含浸樹脂で押出される場合、結果は、添加材料を完全に分解することができる。添加剤材料は、例えば、ミネラル強化剤、潤滑剤、難燃剤、発泡剤、発泡剤、紫外線耐性剤、熱安定剤、顔料、およびこれらの組み合わせを含むことができる。好適なミネラル強化剤としては、例えば、炭酸カルシウム、シリカ、マイカ、クレイ、タルク、ケイ酸カルシウム、グラファイト、ケイ酸カルシウム、アルミナ三水和物、バリウムフェライト、及びこれらの組み合わせが挙げられる。
【００６４】
本明細書では詳細には示していないが、キャッピングダイ７２は、キャッピング層の所望のアプリケーションを達成するために、当該分野で知られている様々な特徴を含む。例えば、キャッピングダイ７２は、入ってくるロッドを整合するエントランスガイドを含む。キャッピングダイは、適切な結合を確実にするのを助けるためにキャッピング層の適用前にロッドを予備加熱する加熱機構（例えば、加熱されたプレート）を含む。キャッピングに続いて、そのあとに成形部分１５が当該技術分野で知られている冷却システム８０を用いて最終的に冷却される。冷却システム８０は、例えば、冷却する際に真空がその壁に対してホット形状を引き出しながら完全にロッドをカプセルに包む一つ以上のブロック（例えば、アルミニウムブロック）を含むサイジングシステムであってもよい。冷されることができる。
【００６５】
サイジング方式を採用しない場合であっても、一般に、キャッピングダイ（又はキャッピングが適用されない場合には統合ダイ又はキャリブレーションダイ）を出た後にロッドを冷却することが望まれる。冷却は、水タンク、冷気流又はエアジェット、冷却ジャケット、内部冷却流路、冷却流体循環路など、当技術分野で公知の任意の技術を用いて生じる。それにもかかわらず、材料が冷却される温度は、通常、最適な機械的性質、部品寸法公差、良好な加工、及び、美的コンポジットを達成するように制御される。例えば、冷却ステーションの温度が高すぎると、材料は、ツール内で膨潤し、処理を中断する場合がある。半結晶性材料の場合、温度が低すぎると、同様に、材料があまりにも急速に冷却し、完全な結晶化を可能にせず、それによって、複合材料の機械的および化学的な抵抗特性を危うくする。独立した温度制御を備えた複数の冷却ダイセクションは、処理および性能属性の最適なバランスを付与するために利用することができる。特定の一実施形態では、例えば、水タンクは、約０℃乃至約３０℃、いくつかの実施形態では約１℃乃至約２０℃、いくつかの実施形態では約２℃乃至約１５℃の温度で保持されるのに利用される。
【００６６】
所望であれば、一つ以上のサイジングブロック（図示せず）は、キャッピングの後などで利用される。このようなブロックは、最終的なロッド形状に対して最初に大きめに目盛付けされた正確なロッド形状に切断される開口を含む。ロッドが通過すると、それが移動またはたわむ傾向が相殺され、その正確な形状に（繰り返し）押し戻される。ひとたび寸法づけられると、ロッドは、断面切断を行うことができる切断のこぎりを有するなどの切断ステーション(図示せず)で所望の長さに切断され、あるいは、ロッドは連続したプロセスでリールに巻き取られることができる。ロッドの長さは、そのあと、ファイバートウの長さに制限される。
【００６７】
理解されるように、本発明のシステムの任意の部分を通って進む際に、ロッドの温度は、最適な生産及び所望な最終的な複合特性を得るために制御される。あらゆる又はすべてのアッセンブリセクションは、電気カートリッジヒーター、住管流体冷却などあるいは当業者に公知の任意の他の温度制御装置を使用して制御される温度にすることができる。
【００６８】
図１１を参照すると、引張装置８２は、複合材料の最終的なサイズのためのシステムを介して完成したロッド１６を引っ張り、冷却システム８０の下流に配置されている。引張装置８２は、所望の速度で処理系を介してロッドを引っ張ることができる任意のデバイスであってもよい。典型的な引張デバイスは、例えば、キャタピラープーラーと往復プーラーがある。
上記の方法で形成されたロッドの一実施形態が要素５１６として図１２により詳細に示される。図示のように、ロッド５１６は、概ね円形形状であり、一つ以上の統合リボンから形成されたコア５１４を含む。“概ね円形”とは、ロッドのアスペクト比（幅で割った高さ）が典型的に約１．０乃至約１．５、いくつかの実施形態では約１．０であることを概ね意味する。ロービングを含浸し統合リボンを形成するために使用されるプロセス及びリボンを圧縮し成形するプロセスを選択的に制御するため、ロッドは、その全長に沿って横切る熱可塑性マトリックスの比較的均一な分布を有することができる。これは、連続した繊維が、ロッド５１６の長手方向中心軸“Ｌ”について一般的に均一に分布していることを意味する。図１２に示すように、例えば、コア５１４は、熱可塑性マトリックス５２８内に埋め込まれた連続した繊維５２６を含む。繊維５２６は、長手方向中心軸“Ｌ”を中心にして概ね均一に分布される。図１２に示されたいくつかの繊維だけ及びそのロッドは、均一に分布されたファイバーの実質的により大きな数を含むことを理解されるべきである。
キャッピング層５１９は、また、コア５１４の周辺に延在し、ロッド５１６の外面を画定する。ロッド５１４の断面厚さ（“Ｔ”）は、戦略的に特定の強度を達成するために選択することができる。例えば、ロッド５１４は、約０．１乃至約４０ミリメートル、いくつかの実施形態では約０．５乃至約３０ミリメートル、いくつかの実施形態では約１乃至約１０ミリメートルの厚さ（例えば、直径）を有する。キャッピング層５１９の厚さは、部品の意図された機能に依存するが、典型的には、約０．０１乃至約１０ミリメートル、いくつかの実施形態では約０．０２乃至約５ミリメートルである。それにもかかわらず、ロッドの全断面厚さ又は高さは、典型的には約０．５乃至約４０ミリメートル、いくつかの実施形態では約０．１乃至約５０ミリメートルの範囲であり、いくつかの実施形態では約１乃至約２０ミリメートルの範囲である。ロッドは、その長さが実質的に連続的であるが、ロッドの長さは、多くの場合、巻かれて格納されるスプール又は連続したファイバーの長さによって実際に制限される。さらに大きな長さであるが、例えば、多くの場合、約１０００乃至約５０００メートルの範囲が確かに可能である。
【００６９】
また、キャッピング層５１９は、コア５１４の周辺に延在し、ロッド５１６の外面を画定する。ロッド５１４の断面厚さ（“Ｔ”）は、戦略的に特定の強度を達成するために選択することができる。例えば、ロッド５１４は、約０．１乃至約４０ミリメートル、いくつかの実施形態では約０．５乃至約３０ミリメートル、いくつかの実施形態では約１乃至約１０ミリメートルの厚さ（例えば、直径）を有する。キャッピング層５１９の厚さは、部品の意図された機能に依存するが、典型的には、約０．０１乃至約１０ミリメートル、いくつかの実施形態では約０．０２乃至約５ミリメートルである。ロッドの全断面厚さ又は高さは、典型的には約０．５乃至約４０ミリメートル、いくつかの実施形態では約０．１乃至約５０ミリメートルの範囲であり、いくつかの実施形態では約１乃至約２０ミリメートルの範囲である。ロッドは、その長さが実質的に連続的であるが、ロッドの長さは、多くの場合、巻かれて格納されるスプールによって実際に制限される。さらに大きな長さであるが、例えば、多くの場合、約１０００乃至約５０００メートルの範囲が確かに可能である。
上記の様々なパラメータの制御により、非常に高い強度を有するロッドを形成することができる。例えば、ロッドは、比較的高い曲弾性率を示すことができる。用語“曲げ弾性率”は、一般にたわみ変形におけるひずみに対する応力の比（面積当たりの力の単位）又は屈曲する材料の傾向を指す。一般的には室温で、“三点曲げ”試験（ＡＳＴＭ  Ｄ７９０−１０、Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ  Ａなど）によって発生する応力‐歪曲線の傾きから決定される。例えば、本発明のロッドは、約１０ギガパスカル（“ＧＰａ”）以上、いくつかの実施形態では約１２乃至約４００ＧＰａ、いくつかの実施形態では約１５乃至約２００ＧＰａ、いくつかの実施形態では約２０乃至約１５０ＧＰａの範囲での曲弾性率を表す。さらに、終局引張強さは、約３００メガパスカル（“ＭＰａ”）以上、いくつかの実施形態では約４００乃至約５０００ＭＰａ、いくつかの実施形態では約５００乃至約３５００ＭＰａにすることができる。用語“終局引張強さ”は、一般的に、ネッキングの前に引き伸ばされ又は引っ張られながら材料が耐え得る最大応力を意味し、そして、室温で、引張試験（ＡＳＴＭ  Ｄ３９１６−０８など）によって生じる応力 - 歪み曲線に到達した最大応力である。また、引張弾性率は、約５０ＧＰａ以上、いくつかの実施形態では約７０乃至約５００ＧＰａ、いくつかの実施形態では約１００乃至約３００ＧＰａにすることができる。用語“引張弾性率”は、引張歪みを超える引張応力の比を意味し、そして室温で、引張試験（ＡＳＴＭ  ３９１６−０８など）によって発生する応力 - 歪み曲線の傾きである。注目すべきことに、上記で参照した複合材料のロッドの強度特性もまた約−４０℃乃至約３００℃、特に約１８０℃乃至２００℃など、比較的広い温度範囲にわたって維持することができる。
【００７０】
本開示に従って製造されたロッドは、比較的屈曲な疲労寿命を有し、比較的高い残留強度を示すことができる。屈曲疲労寿命および残留曲げ強度は、一般的には室温で、“三点曲げ疲労”試験（ＡＳＴＭ  Ｄ７９０−１０）に基づいて決定される。例えば、本発明のロッドは、平方インチ当たり約６０キログラム（“ｋｓｉ”）から約１１５ｋｓｉ、いくつかの実施形態では約７０ｋｓｉ乃至約１１５ｋｓｉ、いくつかの実施形態では約９５ｋｓｉ乃至約１１５ｋｓｉの、１６０ニュートン（“Ｎ”）又は１８０Ｎの荷重で１００万サイクル後に残りの曲げ強度を示す。さらに、ロッドは、曲げ強度が比較的最小限の減少を示すことができる。例えば、約４％以下の空隙率、いくつかの実施形態では約３％以下の空隙率を有するロッドは、約１％（例えば、約１０６ｋｓｉの最大初期曲げ強度から約１０５ｋｓｉの最大残余曲げ強度まで）の三点曲げ疲労試験後に曲げ強度の低下を示す。曲げ強度は、例えば、上述の三点曲げ疲労試験を使用する疲労試験の前後に試験される。
【００７１】
複合材料ロッドの線形熱膨張係数は、℃あたりのｐｐｍ基準で、約５未満、約４未満、約３未満あるいは約２未満にすることができる。例えば、係数（ｐｐｍ／℃）は、約−０．２５乃至約５、代替的には約−０．１７乃至約４、代替的には約−０．１７乃至約３、代替的には約−０．１７乃至約２、又は、代替的には約０．２９乃至約１．１８にすることができる。この線形熱膨張係数のために考えられる温度範囲は、概ね、−５０℃乃至２００℃の範囲、０℃乃至２００℃の範囲、０℃乃至１７５℃の範囲、又は２５℃乃至１５０℃の範囲にすることができる。線形熱膨張係数は、長手軸線において、すなわちファイバーの長さに沿って測定される。
【００７２】
また、複合材料ロッドは、ロッドが破断することなく曲げることができ、ロッドの内側に湾曲に計測される最小半径である、比較的小さな“曲げ半径”を示すことができる。小さな曲げ半径は、ロッドがより柔軟で、より小さな直径のボビンにスプールされることができることを意味する。この特性は、また、ロッドが金属ロッドを使用するプロセスにおいて実装することを容易にする。本発明の改善されたプロセス及び結果として生じるロッドのために、曲げ半径は、約２５℃の温度で決定された、ロッドの外径の約４０倍未満、いくつかの実施形態ではロッドの外径の約１乃至約３０倍、いくつかの実施形態ではロッドの外径の約２乃至約２５倍であることが達成される。例えば、曲げ半径は、約２５℃の温度で決定された、約１５センチメートル未満、いくつかの実施形態では約０．５乃至約１０センチメートル、いくつかの実施形態では約１乃至約６センチメートルにすることができる。
【００７３】
また、複合材料のロッドは、約６％未満、いくつかの実施形態では約３％未満、いくつかの実施形態では約２％未満、いくつかの実施形態では約１％未満、いくつかの実施形態では約０．５％未満など、非常に低い空隙率を有する。空隙率は、例えば、ＡＳＴＭ  Ｄ２５８４−０８に従った“樹脂燃焼”試験を使用して、あるいは、Ｍｅｔｒｏｔｏｍ１５００（２ｋ×２ｋ）の高分解能検出器などのコンピュータ断層撮影（ＣＴ）スキャン機器の使用を介して、上記のようにして決定される。
【００７４】
理解されるように、上述の特定の実施形態は、本発明によって可能となっている数々のデザインの例示に過ぎない。種々の可能なロッドの設計の中でも、材料の追加の層は、上述したものに加えて使用され得ることが理解されるべきである。特定の実施形態では、例えば、あるコンポーネントが高い強度の材料から形成され、別のコンポーネントが低強度の材料から形成された多成分ロッドを形成することが望ましい場合がある。このような多成分ロッドはロッド全体のより高価な高強度材料の必要性を必要とすることなく全体の強度を増加させるのに特に有用であり得る。より低い及び／又はより高い強度成分は、熱可塑性マトリックス内に埋め込まれた連続した繊維を含有するリボンから形成されてもよい。
【００７５】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではないことを理解すべきである。例えば、ロッドは、所望の用途に応じて様々な他の成分を含んでいてもよい。追加の成分は、本明細書に記載のような連続した繊維リボン、並びに他の種類の材料から形成されることができる。一実施形態では、例えば、ロッドは、その横強度を改善するために非連続のファイバー（例えば、短繊維、長繊維）の層を含む。非連続のファイバーは、ファイバーの少なくとも一部が連続したファイバーが延在する方向に対して斜めに位置するように配向されることができる。
【００７６】
本発明のロッドは、海底ケーブルを構築するために使用されるときに様々な利点及び利益を提供する。例えば、その構成のために、ロッドは、軽量で強くでき、そして、海底ケーブルに使用される他の材料と容易に加工可能であり適合可能である。本発明の海底ケーブルは、海中環境など多種多様な用途に用いることができる。図１は、例えば、海水９１２の底部９１４と隣接する海中施設９１６と接続する容器９１０である海水９１２中の海底ケーブル９００の一実施形態を示す。容器９１０及び／又は海中施設９１６は、海水９１２の中に恒久的に設置されることがき、あるいは海水９１２の中で移動できる。特定の実施形態では、海底ケーブル９００は、約２５００メートル、いくつかの実施形態では約４０００メートル以上、いくつかの実施形態では約５０００乃至約１５０００メートルの深さを有する海水で用いることができる。
【００７７】
本開示は、以下の例を参照して理解することができる。
【００７８】
例１
二つの連続したファイバーリボンが、実質的に上述した押出システムを使用して形成された。カーボンファイバーロービング（東レ  ４９００ＭＰａの引張強さ及び１メートルにつき０．８グラムの単位長さ当たりの質量を有する１２０００カーボンフィラメントを収容したＴ７００ＳＣ）が、４つのロービングを含む各個別のリボンで連続したファイバーのために使用された。ファイバーを含浸するために使用された熱可塑性ポリマーは、約２８０℃の融点を有するポリフェニレン硫化物（“ＰＰＳ”）（Ｔｉｃｏｎａ  ＬＬＣから入手可能なＦＯＲＴＲＯＮ（登録商標）２０５）であった。各リボンは、５０重量％のカーボンファイバーと５０重量％のＰＰＳを含有していた。リボンは、約０．１８ミリメートルの厚さ及び１．０％未満の空隙率を有していた。一旦形成されると、リボンは、次いで、毎分２０フィートの速度で動作する引抜成形ラインに供給された。成形前に、リボンは、赤外線オーブン（３０５の出力設定）内で加熱される。加熱されたリボンは、次いで、リボンを受け入れてそれらを互いに圧縮してロッドの初期形状を形成する円形状のチャネルを有する統合ダイに供給された。ダイ内部では、リボンは、約１７７℃の温度で残存された。統合時に、結果として生じるプリフォームは、次に、１ｐｓｉの圧力で周囲の空気を供給するエアリング／トンネルデバイスで簡単に冷却された。次に、プリフォームは、二つのローラの間に形成されたニップを通り、次に、最終的な成形のためのキャリブレーションダイに通過された。キャリブレーションダイ内部では、プリフォームは、約１４０℃の温度で残存された。このダイを出た後、プロファイルが３５０℃の融点を有するポリエーテルエーテルケトン（“ＰＥＥＫ”）で覆われた。キャッピング層は、約０．１ミリメートルの厚さを有した。結果として生じる部品は、次に、空気流で冷却された。結果として生じるロッドは、約３．５ミリメートルの直径を有し、４５重量％のカーボンファイバーと、５０重量％のＰＰＳと、５重量％のキャッピング材料を含有していた。
【００７９】
ロッドの強度特性を決定するために、三点曲げ試験が、ＡＳＴＭ  Ｄ７９０−１０、方法Ａに従って行われた。サポート及びノーズの半径は、０．２５０インチ（０．６３５ｃｍ）であり、支持スパンは、３０ミリメートルであり、試料の長さは、２インチ（５．０８ｃｍ）、及び試験速度は毎分２ミリメートルであった。結果として生じる曲弾性率は約３１ギガパスカルであり、曲げ強度が約４１０ＭＰａであった。部品の密度は、１．４８ｇ／ｃｍ３であり、空隙率は約３％未満であった。同様に、曲げ半径は、３．２７センチメートルであった。
【００８０】
例２
ロッドは、キャップ材料を採用しなかったこと以外、例１で記載されたように成形された。従って、ロッドは、５０重量％のカーボンファイバーと５０重量％のＰＰＳを含有していた。空隙率は約１．５％未満であり、曲げ半径は、３．８６センチメートルであった。
【００８１】
例３
二つの連続したファイバーリボンが、実質的に上述した押出システムを使用して形成された。カーボンファイバーロービング（東レ  Ｔ７００ＳＣ）が、４つのロービングを含む各個別のリボンで連続したファイバーのために使用された。ファイバーを含浸するために使用された熱可塑性ポリマーは、ＦＯＲＴＲＯＮ（登録商標）ＰＰＳ２０５であった。各リボンは、５０重量％のカーボンファイバーと５０重量％のＰＰＳを含有していた。リボンは、約０．１８ミリメートルの厚さ及び１．０％未満の空隙率を有していた。一旦形成されると、リボンは、次いで、毎分２０フィートの速度で動作する引抜成形ラインに供給された。成形前に、リボンは、赤外線オーブン（３０５の出力設定）内で加熱される。加熱されたリボンは、次いで、リボンを受け入れてそれらを互いに圧縮してロッドの初期形状を形成する円形状のチャネルを有する統合ダイに供給された。ダイ内部では、リボンは、約３４３℃の温度で残存された。次に、１ｐｓｉの圧力で周囲の空気を供給するエアリング／トンネルデバイスで簡単に冷却された。次に、プリフォームは、二つのローラの間に形成されたニップを通り、次に、最終的な成形のためのキャリブレーションダイに通過された。キャリブレーションダイ内部では、プリフォームは、約１４０℃の温度で残存された。このダイを出た後、プロファイルが２８０℃の融点を有するＦＯＲＴＲＯＮ（登録商標）ＰＰＳ３２０で覆われた。キャッピング層は、約０．１ミリメートルの厚さを有した。結果として生じる部品は、次に、空気流で冷却された。結果として生じるロッドは、約３．５ミリメートルの直径を有し、４５重量％のカーボンファイバーと、５０重量％のＰＰＳと、５重量％のキャッピング材料を含有していた。
【００８２】
ロッドの強度特性を決定するために、三点曲げ試験が、ＡＳＴＭ  Ｄ７９０−１０、方法Ａに従って行われた。サポート及びノーズの半径は、０．２５０インチ（０．６３５ｃｍ）であり、支持スパンは、３０ミリメートルであり、試料の長さは、２インチ（５．０８ｃｍ）、及び試験速度は毎分２ミリメートルであった。結果として生じる曲弾性率は約２０．３ギガパスカルであり、曲げ強度が約４１０ＭＰａであった。部品の密度は、１．４８ｇ／ｃｍ３であり、空隙率は約３％未満であった。同様に、曲げ半径は、４．３７センチメートルであった。
【００８３】
例４
二つの連続したファイバーリボンが、実質的に上述した押出システムを使用して形成された。ガラスファイバーロービング（２５９９ＭＰａの引張強さ及び１メートルにつき２．２グラムの単位長さ当たりの質量を有するＥ−ガラスカーボンフィラメントを収容したＰＰＧからのＴＵＦＲｏｖ（登録商標）４５８８）が、２つのロービングを含む各個別のリボンで連続したファイバーのために使用された。ファイバーを含浸するために使用された熱可塑性ポリマーは、約２８０℃の融点を有するポリフェニレン硫化物（“ＰＰＳ”）（Ｔｉｃｏｎａ  ＬＬＣから入手可能なＦＯＲＴＲＯＮ（登録商標）２０５）であった。各リボンは、５６重量％のガラスファイバーと４４重量％のＰＰＳを含有していた。リボンは、約０．１８ミリメートルの厚さ及び１．０％未満の空隙率を有していた。一旦形成されると、リボンは、次いで、毎分２０フィートの速度で動作する引抜成形ラインに供給された。成形前に、リボンは、赤外線オーブン（３３０の出力設定）内で加熱される。加熱されたリボンは、次いで、リボンを受け入れてそれらを互いに圧縮してロッドの初期形状を形成する円形状のチャネルを有するキャリブレーションダイに供給された。統合時に、結果として生じるプリフォームは、次に、周囲の空気で簡単に冷却された。次に、プリフォームは、二つのローラの間に形成されたニップを通り、次に、最終的な成形のためのキャリブレーションダイに通過された。キャリブレーションダイ内部では、プリフォームは、約２７５℃の温度で残存された。このダイを出た後、プロファイルがＦＯＲＴＲＯＮ（登録商標）２０５で覆われた。キャッピング層は、約０．１ミリメートルの厚さを有した。結果として生じる部品は、次に、空気流で冷却された。結果として生じるロッドは、約３．５ミリメートルの直径を有し、５０重量％のガラスファイバーと、５０重量％のＰＰＳを含有していた。
【００８４】
ロッドの強度特性を決定するために、三点曲げ試験が、ＡＳＴＭ  Ｄ７９０−１０、方法Ａに従って行われた。サポート及びノーズの半径は、０．２５０インチ（０．６３５ｃｍ）であり、支持スパンは、３０ミリメートルであり、試料の長さは、２インチ（５．０８ｃｍ）、及び試験速度は毎分２ミリメートルであった。結果として生じる曲弾性率は約１８ギガパスカルであり、曲げ強度が約５９０ＭＰａであった。部品の密度は、１．４８ｇ／ｃｍ３であり、空隙率は約０％未満であった。同様に、曲げ半径は、１．８７センチメートルであった。
【００８５】
例５
二つの連続したファイバーリボンが、実質的に上述した押出システムを使用して形成された。ガラスファイバーロービング（ＴＵＦＲｏｖ（登録商標）４５８８）が、２つのロービングを含む各個別のリボンで連続したファイバーのために使用された。ファイバーを含浸するために使用された熱可塑性ポリマーは、約２５０℃の融点を有するＮｙｌｏｎ６６（ＰＡ６６）であった。各リボンは、６０重量％のガラスファイバーと４０重量％のＮｙｌｏｎ６６を含有していた。リボンは、約０．１８ミリメートルの厚さ及び１．０％未満の空隙率を有していた。一旦形成されると、リボンは、次いで、毎分１０フィートの速度で動作する引抜成形ラインに供給された。成形前に、リボンは、赤外線オーブン（３２０の出力設定）内で加熱される。加熱されたリボンは、次いで、リボンを受け入れてそれらを互いに圧縮してロッドの初期形状を形成する円形状のチャネルを有するキャリブレーションダイに供給された。統合時に、結果として生じるプリフォームは、次に、周囲の空気で簡単に冷却された。次に、プリフォームは、二つのローラの間に形成されたニップを通り、次に、最終的な成形のためのキャリブレーションダイに通過された。キャリブレーションダイ内部では、プリフォームは、約１７０℃の温度で残存された。このダイを出た後、プロファイルがＮｙｌｏｎ６６で覆われた。キャッピング層は、約０．１ミリメートルの厚さを有した。結果として生じる部品は、次に、空気流で冷却された。結果として生じるロッドは、約３．５ミリメートルの直径を有し、５３重量％のガラスファイバーと、４０重量％のＮｙｌｏｎ６６と、７重量％のキャッピング材料を含有していた。
【００８６】
ロッドの強度特性を決定するために、三点曲げ試験が、ＡＳＴＭ  Ｄ７９０−１０、方法Ａに従って行われた。サポート及びノーズの半径は、０．２５０インチ（０．６３５ｃｍ）であり、支持スパンは、３０ミリメートルであり、試料の長さは、２インチ（５．０８ｃｍ）、及び試験速度は毎分２ミリメートルであった。結果として生じる曲弾性率は約１９ギガパスカルであり、曲げ強度が約５４９ＭＰａであった。部品の密度は、１．４８ｇ／ｃｍ３であり、空隙率は約０％未満であった。同様に、曲げ半径は、２．３４センチメートルであった。
【００８７】
例６
八つのロッドの３つのバッチが、異なる空隙率のレベルを有して形成された。二つの連続したファイバーリボンが、実質的に上述した押出システムを使用して形成された。カーボンファイバーロービング（東レ  ４９００ＭＰａの引張強さ及び１メートルにつき０．８グラムの単位長さ当たりの質量を有する１２０００カーボンフィラメントを収容したＴ７００ＳＣ）が、４つのロービングを含む各個別のリボンで連続したファイバーのために使用された。ファイバーを含浸するために使用された熱可塑性ポリマーは、約２８０℃の融点を有するポリフェニレン硫化物（“ＰＰＳ”）（Ｔｉｃｏｎａ  ＬＬＣから入手可能なＦＯＲＴＲＯＮ（登録商標）２０５）であった。各リボンは、５０重量％のカーボンファイバーと５０重量％のＰＰＳを含有していた。リボンは、約０．１８ミリメートルの厚さ及び１．０％未満の空隙率を有していた。一旦形成されると、リボンは、次いで、毎分２０フィートの速度で動作する引抜成形ラインに供給された。成形前に、リボンは、赤外線オーブン（３０５の出力設定）内で加熱される。加熱されたリボンは、次いで、リボンを受け入れてそれらを互いに圧縮してロッドの初期形状を形成する円形状のチャネルを有する統合ダイに供給された。ダイ内部では、リボンは、約１７７℃の温度で残存された。統合時に、結果として生じるプリフォームは、次に、１ｐｓｉの圧力で周囲の空気を供給するエアリング／トンネルデバイスで簡単に冷却された。次に、プリフォームは、二つのローラの間に形成されたニップを通り、次に、最終的な成形のためのキャリブレーションダイに通過された。キャリブレーションダイ内部では、プリフォームは、約１４０℃の温度で残存された。このダイを出た後、プロファイルが３５０℃の融点を有するポリエーテルエーテルケトン（“ＰＥＥＫ”）で覆われた。キャッピング層は、約０．１ミリメートルの厚さを有した。結果として生じる部品は、次に、空気流で冷却された。結果として生じるロッドは、約３．５ミリメートルの直径を有し、４５重量％のカーボンファイバーと、５０重量％のＰＰＳと、５重量％のキャッピング材料を含有していた。
【００８８】
ロッドの第１バッチは、２．７８％の平均空隙率を有した。ロッドの第２バッチは、４．０６％の平均空隙率を有した。ロッドの第３バッチは、８．７４％の平均空隙率を有した。空隙率測定は、ＣＴスキャンを用いて行った。Ｍｅｔｒｏｔｏｍ１５００（２ｋ×２ｋ）の高分解能検出器がロッド試料を走査するために使用した。検出は、低い確率閾値で強化解析モードを使用して行った。ひとたび試料が空隙率のためにスキャンされると、ボリュームグラフィックスソフトウェアは、３Ｄスキャンからのデータを解釈し、各検体中の空隙レベルを計算するために使用した。
【００８９】
ロッドの曲げ疲労寿命及び残留曲げ強度を決定するために、三点曲げ疲労試験は、ＡＳＴＭ  Ｄ７９０に準じて行った。支持スパンは、２．２インチ（５．５８８ｃｍ）であり、試料の長さは、３インチ（７．６２ｃｍ）であった。各バッチからの４つのロッドは、１６０ニュートン（“Ｎ”）の負荷レベルで試験され、各バッチからの４つのロッドは、１８０ニュートン（“Ｎ”）の負荷レベルで試験され、それぞれ、ロッドの初期（静的）曲げ強さの約５０％及び５５％を示す。各試料は、１０ヘルツ（Ｈｚ）の主は数で１００万サイクルまで試験された。
【００９０】
疲労試験の前後に、ロッドのそれぞれの初期及び残留の曲げ強度特性を決定するために、三点曲げ試験が、ＡＳＴＭ  Ｄ７９０−１０、方法Ａに従って行われた。各負荷レベルでの各バッチの平均の初期及び残留の曲げ強度が記録された。結果として生じる第３バッチに対する初期の曲げ強度は、１０７ｋｓｉであり、結果として生じる第３バッチに対する残留の曲げ強度は、７５ｋｓｉであり、従って、約２９％の低減をもたらす。結果として生じる第２バッチに対する初期の曲げ強度は、１０８ｋｓｉであり、結果として生じる第２バッチに対する残留の曲げ強度は、７２ｋｓｉであり、従って、約３３％の低減をもたらす。結果として生じる第１バッチに対する初期の曲げ強度は、１０６ｋｓｉであり、結果として生じる第１バッチに対する残留の曲げ強度は、１０５ｋｓｉであり、従って、約１％の低減をもたらす。
【００９１】
本発明のこれらの及び他の修正及び変形形態は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、当業者によって実施することができる。また、様々な実施形態の態様は全体的または部分的の双方で交換することができることを理解すべきである。さらに、当業者は、前述の説明は単なる例であり、したがって、さらに、添付の特許請求の範囲に記載された発明を限定するものではないことを理解されるであろう。
【図１】
2014515868.tif 000006
【図２】
2014515868.tif 000007
【図３】
2014515868.tif 000008
【図４】
2014515868.tif 000009
【図５】
2014515868.tif 000010
【図６】
2014515868.tif 000011
【図７】
2014515868.tif 000012
【図８】
2014515868.tif 000013
【図９】
2014515868.tif 000014
【図１０】
2014515868.tif 000015
【図１１】
2014515868.tif 000016
【図１２】
2014515868.tif 000017
【図１３】
2014515868.tif 000018
【図１４】
2014515868.tif 000019
【図１５】
2014515868.tif 000020
【図１６】
2014515868.tif 000021
【国際調査報告】
2014515868.tif 000022
2014515868.tif 000023
2014515868.tif 000024