(57)【要約】多様な用途、たとえば電気ケーブル(たとえば高圧伝送ケーブル)、電力供給パイプライン、つなぎ綱、ロープ及び、広範な種類の他の構造用部材で使用するための複合ロッドを提供する。ロッドは、熱可塑性ポリマーマトリックスに埋め込まれた複数の一方向に整列した繊維ロービングから形成されているコアを含む。本発明者らは、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ている程度は、含浸プロセスを選択的に制御することによって及び、ロッドの成形及び造形の間にロービングに与えられた圧縮の程度、並びに最終ロッドの形状のキャリブレーションを制御することによって顕著に改善しえることを知見した。そのように十分に含浸されたロッドは非常に小さな空隙比をもつので、優れた強度特性をもたらす。特に、ロッド中に異なる種類の繊維を必要とせずに、所望の強度特性を達成することができる。【選択図】図１
2014516822.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
縦方向に伸長している複合ロッドであって、前記ロッドは、複数の熱可塑性樹脂の含浸ロービングを含むコアを含有し、前記ロービングは、縦方向に配向された連続繊維と、前記繊維を埋め込む熱可塑性マトリックスとを含有しており、前記繊維は、約1,000メガパスカル/グラム/メートルよりも大きい極限引張り強さ対質量/単位長さの比をもち、ここで前記連続繊維はコアの約25重量%〜約80重量%を構成し、前記熱可塑性マトリックスはコアの約20重量％〜約75重量％を構成し、前記ロービングはコアの縦方向中心に対して通常、対称に分配される、前記複合ロッド。
【請求項２】
前記連続繊維が、約5,500〜約20,000メガパスカル/グラム/メートルの極限引張り強さ対質量/単位長さの比を有する、請求項１に記載の複合ロッド。
【請求項３】
前記連続繊維が炭素繊維である、請求項１に記載の複合ロッド。
【請求項４】
前記熱可塑性マトリックスがポリアリーレンスルフィドを含む、請求項１に記載の複合ロッド。
【請求項５】
前記ポリアリーレンスルフィドがポリフェニレンスルフィドである、請求項４に記載の複合ロッド。
【請求項６】
前記連続繊維がコアの約30重量％〜約75重量％を構成する、請求項１に記載の複合ロッド。
【請求項７】
前記コアが約3％以下の空隙比(void faction)を有する、請求項１に記載の複合ロッド。
【請求項８】
前記ロッドが約10ギガパスカルの最小曲げ弾性率を有する、請求項１に記載の複合ロッド。
【請求項９】
前記ロッドが約300メガパスカルの最小極限引張り強さを有する、請求項１に記載の複合ロッド。
【請求項１０】
前記ロッドが約50ギガパスカルの最小引張り弾性率を有する、請求項１に記載の複合ロッド。
【請求項１１】
前記ロッドが約0.5〜約10センチメートルの曲げ半径を有する、請求項１に記載の複合ロッド。
【請求項１２】
前記コアが4〜20個のロービングを含む、請求項１に記載の複合ロッド。
【請求項１３】
前記ロービングが約1,000〜約50,000本の個別の連続繊維を含む、請求項１に記載の複合ロッド。
【請求項１４】
前記ロッドが約0.1〜約50ミリメートルの厚さを有する、請求項１に記載の複合ロッド。
【請求項１５】
前記コアを取り囲むキャッピング層をさらに含む、請求項１に記載の複合ロッド。
【請求項１６】
前記ロッドが実質的に円形の断面形状を有する、請求項１に記載の複合ロッド。
【請求項１７】
縦方向に伸長している複合ロッドを形成する方法であって、前記方法は、複数のロービングに熱可塑性マトリックスを含浸させて、前記ロービングを強化してリボンを形成する、ここで前記ロービングは縦方向に配向された連続繊維を含み、前記繊維は約1,000メガパスカル/グラム/メートルよりも大きい極限引張強さ対質量/単位長さの比をもち、ここで前記連続繊維はリボンの約25重量％〜約80重量％を構成し、前記熱可塑性マトリックスはリボンの約20重量％〜約75重量％を構成し、ここで前記リボンは約3％以下の空隙比をもつ、
前記リボンを加熱する；
少なくとも一つの成形ダイを通して前記加熱されたリボンを引き出して、リボンをプレフォームに圧縮且つ造形する；及び
前記プレフォームを冷却してロッドを成形する、各段階を含む前記方法。
【請求項１８】
前記連続繊維が炭素繊維である、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記熱可塑性マトリックスがポリアリーレンスルフィドを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記連続繊維がリボンの約30重量％〜約75重量％を構成する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記リボンが約2％以下の空隙比を有する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
1〜15本の個別のリボンが使用される、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
前記リボンが赤外線オーブン中で加熱される、請求項１７に記載の方法。
【請求項２４】
前記ロービングがリボン中で互いに実質的に等距離の間隔をあけて配置される、請求項１７に記載の方法。
【請求項２５】
前記ロービングが押出し装置内部で含浸される、請求項１７に記載の方法。
【請求項２６】
前記ロービングが装置内を蛇行して横切る、請求項１７に記載の方法。
【請求項２７】
多岐管アセンブリは押出し装置に熱可塑性マトリックスを供給し、前記多岐管アセンブリは、その中を熱可塑性マトリックスが流れる分岐ランナーを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２８】
前記ロービングが、熱可塑性マトリックスで含浸されるときに、張力下である、請求項１７に記載の方法。
【請求項２９】
前記加熱されたリボンを強化ダイと、続くキャリブレーションダイを通して引張って、リボンを圧縮する、請求項１７に記載の方法。
【請求項３０】
強化ダイを出た後で、且つキャリブレーションダイに入る前に前記プレフォームを放冷する、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本出願は、本明細書中、参照として含まれる、2011年4月12日出願の米国仮特許出願シリアル番号第61/474,481号「CONTINUOUS FIBER REINFORCED THERMOPLASTIC RODS」に関連する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]繊維強化複合ロッド(fiber-reinforced composite rod)は、軽量構造補強材として、広範な用途で使用されてきた。たとえば電力供給パイプライン(power umbilical)は海底に設置された装置と海面との間の流体及び/または電気シグナルの伝達で使用されることが多い。そのような供給パイプラインは通常、束に集結された一つ以上のパイプ及び導電体/ワイヤと、前記パイプと導電体/ワイヤの少なくとも部分的に周囲に及びその間に配置されたフィラー材料と、パイプ、導電体/ワイヤ及びフィラー材料を封入している保護シースとを含む。そのような供給パイプラインを強化し易くするために、別々の載荷部材(load carrying element)として引き抜き成形した炭素繊維ロッドを使用する試みがなされてきた。しかしながら、そのようなロッドの使用に関しては、所望の強度特性を達成し易くするために、熱硬化性樹脂(ビニルエステル類など)を使用することに依存している深刻な問題が発生する。熱硬化性樹脂は製造の間に使用するのが困難であり、他の材料で層を形成するための良好な接着特性を持っていない。他のタイプの用途で熱可塑性ポリマーからロッドを作る試みがなされてきた。たとえば、米国特許出願第2005/0186410号(Bryantら)(特許文献１)は、炭素繊維を熱可塑性樹脂に埋め込んで、送電ケーブルの複合コアを形成する試みについて記載している。意外にもBryantらは、繊維が十分に湿潤していなかったため、これらのコアは欠陥やあれ(dry spot)を示し、そのため耐久性や強度が低くなったと言及している。そのようなコアに伴う別の問題は、熱硬化性樹脂は高温で操作できないという点にある。
【０００３】
[0003]それゆえ、現在、熱可塑性材料から形成され、且つ特定の用途によって要求される所望の強度、耐久性及び温度性能を達成できる繊維強化ロッドに対する需要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願第2005/0186410号(Bryantら)
【発明の概要】
【０００５】
[0004]本発明の一態様に従って、縦方向に伸長する複合ロッドを開示する。このロッドは、縦方向に配向された連続繊維と、前記繊維を埋め込む熱可塑性マトリックスとを含む熱可塑性樹脂で含浸した複数のロービングを含むコアをもつ。この繊維は約1,000メガパスカル/グラム/メートルを超える極限引張り強さ対質量/単位長さの比を有する。連続繊維はコアの約25重量％〜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％〜約75重量％を構成する。ロービングはコアの縦方向中心に対して通常、対称に分配される。
【０００６】
[0005]本発明の別の態様に従って、複合ロッドを形成する方法を開示する。本方法は、複数のロービングに熱可塑性マトリックスを含浸させて、前記ロービングを強固にしてリボンを形成する、ここで前記ロービングは縦方向に実質的に配向され、約1,000メガパスカル/グラム/メートルよりも大きい極限引張強さ対質量/単位長さの比をもつ連続繊維から形成される。連続繊維はリボンの約25重量％〜約80重量％を構成し、前記熱可塑性マトリックスはリボンの約20重量％〜約75重量％を構成する。リボンは約3％以下の空隙比をもつ。リボンは、熱可塑性マトリックスの軟化温度以上の温度に加熱されて、少なくとも一つの成形ダイの中を引き取られ、リボンをプレフォームに圧縮且つ造形される。プレフォームを冷却してロッドを形成する。
【０００７】
[0006]本発明の他の特徴及び側面は、以下詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
[0007]当業者にとってその最適形態を含む本発明の完全且つ権限を付与される開示は、付記図面を参照して、本明細書の以下の部分で詳細に説明する。
【図１】[0008]図１は、本発明で使用するための強化(consolidated)リボンの一態様の斜視図である。
【図２】[0009]図２は、本発明で使用するための強化リボンの別の態様の断面図である。
【図３】[0010]図３は、本発明で使用するための含浸システムの一態様の略図である。
【図４】[0011]図４は、図３に示されている含浸ダイの断面図である。
【図５】[0012]図５は、本発明で使用しえる含浸ダイのゲート通路及び多岐管アセンブリの一態様の分解立体図である。
【図６】[0013]図６は、本発明で使用しえる含浸領域を少なくとも部分的に画定するプレートの一態様の斜視図である。
【図７】[0014]図７は、本発明で使用しえる引抜き成形システムの一態様の略図である。
【図８】[0015]図８は、本発明の連続繊維強化熱可塑性ロッドの一態様の斜視図である。
【図９】[0016]図９は、本発明に従って使用しえる様々なキャリブレーションダイの一態様の水平断面図である。
【図１０】[0017]図１０は、本発明に従って使用しえるキャリブレーションダイの一態様の垂直断面図である。
【図１１】[0018]図１１は、本発明に従って使用しえるキャリブレーションダイの一態様の部分の正面図である。
【図１２】[0019]図１２は、本発明に従って使用しえる成形ローラーの一態様の正面図である。
【０００９】
[0020]本明細書及び図面における参照文字を繰り返して使用するとき、本発明の同一または類似の特徴または部材を示すことを目的とする。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
[0021]当業者は、この議論は単なる例示的な態様の記載であって、本発明のより広い側面を限定しようとするものではないことは理解すべきである。
【００１１】
[0022]一般に、本発明は、様々な用途で使用するための複合ロッド、たとえば電気ケーブル(たとえば高圧伝送ケーブル)、電力供給パイプライン(power umbilical)、つなぎ綱(tether)、ロープ及び広範な種類の他の構造部材に関する。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配列された繊維ロービングから形成されるコアを含む。本発明者らは、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程度は、含浸プロセスを選択的に制御することによって、ロッドの成形及び造形の間にロービングに与えられた圧縮の程度を制御することによって、並びに最終ロッド形状をキャリブレーションすることによって顕著に改善しえることを知見した。そのように十分に含浸されたロッドは非常に小さな空隙比をもち、優れた強度特性となる。特に、ロッドに異なる種類の繊維を必要とすることなく、所望の強度特性を達成することができる。
【００１２】
[0023]本明細書中で使用するように、「ロービング(roving)」なる用語は通常、個別(individual)繊維の束またはトウをさす。ロービングに含まれる繊維は撚ることができるか、まっすぐであることができる。異なる繊維を個別または異なるロービングで使用することができるが、通常、ロービングのそれぞれが、異なる熱膨張係数を持つ材料を使用する悪影響を最小化するために単一種の繊維(single fiver type)を含むのが望ましい。ロービングで使用される連続繊維は、その質量に対して高度の引張り強さをもつ。たとえば、繊維の極限引張り強さ(ultimate tensile strength)は通常、約1,000〜約15,000メガパスカル(MPa)であり、態様によっては約2,000 MPa〜約10,000 MPaであり、態様によっては約3,000 MPa〜約6,000 MPaである。そのような引張り強さは、繊維が比較的軽量、たとえば約0.1〜約2グラム/メートル、態様によっては約0.4〜約1.5グラム/メートルの単位長さ当たりの質量(mass per unit length)であっても達成することができる。引張り強さ対単位長さ当たりの質量の比はかくして、約1,000メガパスカル/グラム/メートル(MPa/g/m)以上であり、態様によっては約4,000 MPa/g/m以上であり、態様によっては約5,500〜約20,000 MPa/g/mである。そのような高い引張り強さの繊維は、たとえば金属繊維、ガラス繊維(たとえば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)、炭素繊維(たとえばアモルファス炭素、グラファイト炭素、または金属-コーティング化炭素など)、ホウ素繊維、セラミック繊維(たとえばアルミナまたはシリカ)、アラミド繊維(たとえばKevlar(登録商標)、E.I.duPont de Nemours製, Wilmington, Del.)、合成有機繊維(たとえばポリアミド、ポリエチレン、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及びポリフェニレンスルフィド)、並びに熱可塑性組成物を強化することに関して公知の様々な他の天然または合成の無機または有機繊維状材料でありえる。炭素繊維は連続繊維として使用するのに特に好適であり、これは通常、約5,000〜約7,000 MPa/g/mの範囲の引張り強度対質量比をもつ。連続繊維は、約4〜約35マイクロメートルの公称直径、態様によっては約5〜約35マイクロメートルの公称直径をもつことが多い。各ロービングに含まれる繊維の数は一定であるか、ロービングごとに変動することがある。通常、ロービングは個別の繊維を約1,000本〜約100,000本、態様によっては約5,000本〜約50,000本含む。
【００１３】
[0024]様々な熱可塑性ポリマーのいずれかを使用して、連続繊維が埋め込まれる熱可塑性マトリックスを形成することができる。本発明で使用するのに好適な熱可塑性ポリマーとしては、たとえばポリオレフィン類(たとえばポリプロピレン、プロピレン-エチレンコポリマーなど)、ポリエステル類(たと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(たとえばNylon(商標))、ポリエーテルケトン(たと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(たとえばポリフェニレンジケトン(PPDK))、液晶ポリマー、ポリアリーレンスルフィド(たとえばポリフェニレンスルフィド(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)など)、フルオロポリマー類(たと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、ぺトラフルオロエチレンポリマー(petrafluoroethylene polymer)、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、スチレン性ポリマー(たとえばアクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS))などを挙げることができる。
【００１４】
[0025]熱可塑性マトリックスの特性は通常、使用する間にロッドの加工性及び性能の所望の組み合わせを達成するように選択される。たとえば、熱可塑性マトリックスの溶融粘度は通常、ポリマーが繊維を好適に含浸できて、ロッドの形状に造形できるように十分に低い。この点において、溶融粘度は通常、熱可塑性ポリマーに関して使用される操作条件(たとえば約360℃)で測定して、約25〜約2,000パスカル-秒(Pascal-second：Pa-s)、態様によっては50〜約500Pa-s、態様によっては約60〜約200Pa-sを変動する。同様に、ロッドを高温で使用しようとするときは、比較的高い融点を持つ熱可塑性ポリマーを使用する。たとえばそのような高温ポリマーの融点は約200℃〜約500℃、態様によっては約225℃〜約400℃、態様によっては約250℃〜約350℃を変動しえる。
【００１５】
[0026]ポリアリーレンスルフィドは、所望の溶融粘度を持つ高温マトリックスとして本発明での使用に特に好適である。たとえばポリフェニレンスルフィドは、通常、以下の一般式：
【００１６】
【化１】
2014516822.tif 000003
【００１７】
により表される繰り返しモノマー単位を含む半結晶質樹脂である。
【００１８】
[0027]これらのモノマー単位は通常、ポリマー中、少なくとも80モル％の繰り返し単位、態様によっては少なくとも90モル％の繰り返し単位を構成する。しかしながら、ポリフェニレンスルフィドは、本明細書中、その全体がすべての目的に関して参照として含まれる米国特許第5,075,381号(Gotohら)に記載されているような追加の繰り返し単位を含むことができる。使用する場合、そのような追加の繰り返し単位は通常、ポリマーのわずかに約20モル％を構成する。市販の高溶融粘度ポリフェニレンスルフィドは、商品名FORTRON(登録商標)のもと、Ticona LLC(Florence、ケンタッキー)より入手可能なものを含むことができる。そのようなポリマーは、約285℃の融点(ISO11357-1,2,3に従って測定)及び、310℃で約260〜約320パスカル-秒の溶融粘度を持つことができる。
【００１９】
[0028]本発明に従って、押出し装置を通常使用して、熱可塑性マトリックスをロービングに含浸させる。他のものの中でも、押出し装置は、熱可塑性ポリマーの繊維の全表面に適用する能力を促進させる。含浸ロービングも非常に低い空隙比を持つが、これによりその強度が増進し易くなる。たとえば、空隙比は約6％以下であることができ、態様によっては約4％以下、態様によっては約3％以下、態様によっては約2％以下、態様によっては約1％以下、及び態様によっては約0.5％以下であることができる。空隙比は、当業者に公知の方法を使用して測定することができる。たとえば、空隙比は、サンプルをオーブン(たとえば約600℃で3時間)に設置して樹脂を燃やし尽くす、「樹脂燃焼(resin burn off)」試験を使用して測定することができる。次いで、残りの繊維の質量を測定して、重量と容積比(volume fraction)を計算することができる。そのような「燃焼」試験は、ASTM D 2584-08に従って実施して、繊維と熱可塑性マトリックスの重量を測定することができ、次いでこれを使用して、以下の等式：
【００２０】
【数１】
2014516822.tif 000004
【００２１】
｛式中、Vfは百分率としての空隙比である；
ρcは、公知方法、たとえば液体または気体比重瓶法(pycnometer)(たとえばヘリウム比重瓶法)を使用して測定した複合体の密度である；
ρtは、複合体の理論密度であり、以下の等式より決定される：
【００２２】
【数２】
2014516822.tif 000005
【００２３】
ρmは熱可塑性マトリックスの密度である(たとえば好適な結晶度における)；
ρfは繊維の密度である；
Wfは繊維の重量分率である；及び
Wmは熱可塑性マトリックスの重量分率である)}をベースとした「空隙比」を計算することができる。
【００２４】
[0029]あるいは、空隙比は、ASTM D 3171-09に従って樹脂を化学的に溶解させることによって測定することができる。「燃焼」及び「溶解」法は、通常、融解及び化学溶解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には、空隙比は、ASTM D 2734-09(方法A)に従って熱可塑性ポリマー、繊維、及びリボン（またはテープ）の密度をベースとして間接的に計算することができ、ここで密度はASTM D792-08方法Aにより測定することができる。もちろん、空隙比は慣用の顕微鏡装置を使用して、またはMetrotom 1500(2k×2k)高分解能検出器などのコンピューター断層撮影(CT)装置を使用することによっても見積もることができる。
【００２５】
[0030]図３を参照すると、そのような押出し装置の一態様が示されている。特に、本装置は、バレル122内部に据え付けられたスクリューシャフト124を含む押出機120を含む。ヒーター130(たとえば電気抵抗ヒーター)をバレル122の外側に据え付ける。使用する間、熱可塑性ポリマー原料127をホッパー126を通して押出機120に供給する。熱可塑性原料127はスクリューシャフト124によりバレル122内側に運ばれて、バレル122内の摩擦熱とヒーター130により加熱される。加熱されると、原料127はバレルフランジ128を通ってバレル122を出て、含浸ダイ150のダイフランジ132に入る。
【００２６】
[0031]連続繊維ロービング142または複数の連続繊維ロービング142は単数または複数のリール144からダイ150に供給される。ロービング142は通常、含浸させる前に一定の距離、たとえば少なくとも約４ミリメートル、態様によっては少なくとも約５ミリメートル離しておく。原料127はさらに、ダイ150に、またはその周囲に据え付けられたヒーター133によりダイの内側で加熱することができる。ダイは通常、熱可塑性ポリマーの溶融及び含浸を引き起こすのに十分な温度で操作する。通常、ダイの操作温度は熱可塑性ポリマーの溶融温度よりも高く、たとえば約200℃〜約450℃の温度である。このようにして加工すると、連続繊維ロービング142はポリマーマトリックス内に埋め込まれ、これは原料127から加工された樹脂214(図4)でありえる。次いでこの混合物を含浸ダイ150から押し出して、押出し物152をつくる。
【００２７】
[0032]圧力センサ137(図4)は含浸ダイ150の近くの圧力を検知して、スクリューシャフト124の回転速度、またはフィーダーの一員(federate)を制御することにより、押出し速度を制御できるようにする。すなわち、押出し機120が、繊維ロービング142との相互作用に関して正確な量の樹脂214を送達するために操作できるように、圧力センサ137は含浸ダイ150の近くに配置される。含浸ダイ150を離れた後、押出し物152、または含浸繊維ロービング142は任意選択の予備造形、または誘導区分(示されていない)に入ってから、二つの隣接するローラー190の間に形成されたニップに入ることができる。任意選択であるが、ローラー190は押出し物152をリボン(またはテープ)の形状に強化し、並びに繊維の含浸を促進し、過剰な空隙を絞り出しやすくできる。ローラー190に加えて、他の造形装置、たとえばダイシステムも使用することができる。得られた強化リボン156はローラー上に据え付けられたトラック162と164により引張られる。トラック162及び164も、含浸ダイ150から、及びローラー190を通して押出し物152を引張る。所望により、強化リボン156は区分171で巻き取ることができる。一般的に言えば、リボンは比較的薄く、通常約0.05〜約1ミリメートル、態様によっては約0.1〜約0.8ミリメートル、態様によっては約0.2〜約0.4ミリメートルの厚さを有する。
【００２８】
[0033]含浸ダイの内部では、ロービング142が含浸領域250を通って横断してロービングにポリマー樹脂214を浸み込ませるのが通常望ましい。含浸領域250では、ポリマー樹脂は通常、含浸領域250に作り出された剪断力と圧力とによりロービングを通って横方向に推し進められて、これにより含浸の程度を大きく増進させる。これは、高い繊維含有量、たとえば約35％重量分率(weight fraction：Wf)以上、態様によっては約40％Wf以上のリボンから複合体を成形する際に特に有用である。通常、ダイ150は複数の接触面252、たとえば少なくとも2つ、少なくとも3つ、4〜7つ、2〜20、2〜30、2〜40、2〜50、またはより多くの接触面252を含んで、ロービング142上に十分な程度の浸透力及び圧力を作りだす。これらの特有の形状は変動することができるが、接触面252は通常、湾曲した突出部片(curved lobe)、ロッドなどの曲線のある表面をもつ。接触面252も通常、金属材料から製造される。
【００２９】
[0034]図4は、含浸ダイ150の断面図を示す。示されているように、含浸ダイ150は、多岐管アセンブリ220、ゲート通路270、及び含浸領域250を含む。多岐管アセンブリ220は、その中をポリマー樹脂214が流れるように設けられている。たとえば多岐管アセンブリ220は、チャネル222または複数のチャネル222を含むことができる。含浸ダイ150に提供される樹脂214は、チャネル222の中を流れることができる。
【００３０】
[0035]図5に示されているように、チャネル222の幾つかの部分は曲線をなすことができ、態様によってはチャネル222は中心軸224に沿って対称の位置づけになっている。さらに態様によっては、チャネルは複数の分岐ランナー222でありえ、これは第一の分岐ランナー群232、第二の群234、第三の群236、及び所望によりもっと多くの分岐ランナー群を含むことができる。それぞれの群は、先の群のランナー222からまたは最初のチャネル222から分岐している2つ、3つ、4つまたはそれ以上のランナー222を含むことができる。
【００３１】
[0036]分岐したランナー222及びその対称の位置づけは通常、多岐管アセンブリ220を出て、ロービング142をコーティングする樹脂214の流れが、ロービング142上に実質的に均一に分配されるように、樹脂214を均等に分配する。これによって、通常、ロービング142の均等な含浸が可能になる。
【００３２】
[0037]さらに、多岐管アセンブリ220は、態様によっては出口領域242を画定し、これは通常、樹脂214が出るチャネルまたはランナー222の少なくとも下流の位置を包含する。態様によっては、出口領域242に配置されたチャネルまたはランナー222の少なくとも一部は、樹脂214の流れる方向244の面積が増加する。面積が増加すると、さらに多岐管アセンブリ220を通って樹脂214が流れるにつれて樹脂214を拡散でき、より分配することができるので、ロービング142上に樹脂214を実質的に均等に分配できる。
【００３３】
[0038]図4及び5にさらに示されているように、多岐管アセンブリ220を通って流れた後、樹脂214はゲート通路270を通って流れることができる。ゲート通路270は多岐管アセンブリ220と含浸領域250との間に配置され、樹脂214がロービング142をコーティングするように、多岐管アセンブリ220から樹脂214を流すために設けられる。従って示されているように、多岐管アセンブリ220を出る樹脂214は、たとえば出口領域242を通って、ゲート通路270に入ってその中を流れることができる。
【００３４】
[0039]図4に示されているように、ダイ150の多岐管アセンブリ220とゲート通路270を出ると、樹脂214は、ダイ150を通って横断しているロービング142と接触する。上述のように、樹脂214は、多岐管アセンブリ220とゲート通路270の樹脂214の分配により、実質的に均等にロービング142をコーティングすることができる。さらに態様によっては、樹脂214は、ロービング142それぞれの上部表面、またはロービング142それぞれの下部表面、またはロービング142それぞれの上部及び下部表面の両方に衝突する(impinge)ことができる。ロービング142上で最初に衝突することによって、さらにロービング142に樹脂214を含浸させる。
【００３５】
[0040]図4に示されているように、コーティングされたロービング142は含浸領域250を通って走行方向(run direction)282に横断する。この含浸領域はロービング142に樹脂214を浸み込ませるように構成されている。たとえば図4及び6に示されているように、ロービング142は含浸領域の接触面252上を横断している。接触面252上でロービング142を衝突させると、ロービング142をコーティングする樹脂214をロービング142に浸み込ませるのに十分な剪断力と圧力を生み出す。
【００３６】
[0041]態様によっては、図4に示されているように、含浸領域250は、二つの相隔たって対立するプレート256と258の間に画定される。第一のプレート256は第一の内部表面257を画定し、第二のプレート258は第二の内部表面259を画定する。接触面252は第一及び第二の内部表面257と259の両方、または第一及び第二の内部表面257と259の一方のみの上で画定されるか、あるいはそこから伸長することができる。図6はこれらの態様に従った含浸領域250の少なくとも一部を形成する、第二のプレート258とその上の様々な接触面を説明する。典型的な態様では、図4に示されているように、接触面252は、ロービングが第一及び第二の表面257と259上の接触面252上で交互に衝突するように、第一及び第二の表面257と259上で交互に画定することができる。かくして、ロービング142は、波形、蛇行または正弦曲線型の通路で接触面252を通過して、これにより剪断力が増強する。
【００３７】
[0042]ロービング142が接触面252を横断する角度254は、通常、剪断力を増強するのに十分に大きくてもよいが、繊維を破壊する過剰な力をもたらすほど大きくてはいけない。かくして、たとえば角度254は約1°〜約30°の範囲、態様によっては約5°〜約25°の範囲でありえる。
【００３８】
[0043]別の態様では、含浸領域250は、複数のピン(示されていない)を含むことができ、それぞれのピンは接触面252をもっている。ピンは、固定(static)されているか、自由回転であるか、回転駆動でありえる。さらに別の態様では、接触面252と含浸領域250は、所望によりまたは必要に応じて、ロービング142に樹脂214を含浸するための任意の好適な形状及び/または構造を含むことができる。
【００３９】
[0044]ロービング142の含浸をさらに促進するために、これらは含浸ダイ内に存在する間に張力下に保持することもできる。張力はたとえば、ロービング142当たり、または繊維のトウ当たり、約5〜約300ニュートンを変動し、態様によっては約50〜約250ニュートン、態様によっては約100〜約200ニュートンを変動しえる。
【００４０】
[0045]図4に示されているように、態様によってはランド領域(land zone)280は、ロービング142の走行方向282の含浸領域250の下流に配置することができる。ロービング142はランド領域280を通って横断してから、ダイ150を出ることができる。さらに図4に示されているように、態様によっては面板290は含浸領域250に隣接することができる。面板290は通常、ロービング142から余分の樹脂214を計量するように設定されている。かくしてロービング142が横断する面板290の開口部は、ロービング142がそこを通って横断するときに、開口部のサイズが、ロービング142から余分の樹脂214を除去するような大きさにすることができる。
【００４１】
[0046]上記に示され、記載された含浸ダイは、本発明で使用しえる様々な可能な構造の一つにすぎない。たとえば別の態様では、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ているクロスヘッドダイに導入することができる。ロービングがクロスヘッドダイの中を移動して、ポリマーが押出し機バレルから出る点に到達するにつれて、ポリマーはロービングに接触させられる。そのようなクロスヘッドダイ押出し機の例は、たとえば本明細書中、すべての目的に関してその全体が参照として含まれる、米国特許第3,993,726号(Moyer)、同第4,588,538号(Chungら)、同第5,277,566号(Augustinら)、及び同第5,658,513号(Amaikeら)に記載されている。任意の他の押出し機デザイン、たとえば二軸押出し機も使用することができるということは理解すべきである。さらに他の成分も場合により使用して、繊維の含浸を助けることができる。たとえば「ガスジェット」アセンブリを特定の態様で使用して、個別の繊維のロービングを均等に分散することができ、これは合体させたトウの幅全体にわたって、24,000本もの繊維まで含むことができる。これにより強度特性を均等に分散させ易くなる。そのようなアセンブリとしては、出口ポートを通過する移動ロービング上に通常、垂直様式で衝突する圧縮空気または他の気体の供給を含むことができる。次いで分散したロービングを、上記のように含浸させるためにダイに導入することができる。
【００４２】
[0047]使用する方法にかかわらず、連続繊維は、縦方向に配向されて(図3のシステムの機械方向A)、引張り強さを強める。繊維の配向に加えて、押出しプロセスの他の側面も制御して所望の強度を達成する。たとえば比較的高い割合の連続繊維を強化リボンで使用して、強化された強度特性を提供する。たとえば、連続繊維は通常、リボンの約25重量％〜約80重量％を構築し、態様によっては約30重量％〜約75重量％、態様によっては約35重量％〜約60重量％を構成する。同様に、(単数または複数種類の)熱可塑性ポリマーは、リボンの約20重量％〜約75重量％、態様によっては約25重量％〜約70重量％、態様によっては約40重量％〜約65重量％を構成する。最終ロッド中の繊維及び熱可塑性マトリックスの割合は、上記の範囲でもありえる。
【００４３】
[0048]上記のように、ロービングは、一つ以上のリボンの形状に強化することができ、その後所望のロッド構造に造形する。そのようなリボンを続いて圧縮する場合、ロービングは、ロッドの縦方向の中心について通常、均等に分配することができる。そのような均等分配によりロッドの長さ全体にわたって強度特性(たとえば曲げ弾性率、極限引張り強さなど)の調和(consistency)を高める。使用する場合、ロッドを成形するのに使用される強化リボンの数は、ロッドの所望の厚さ及び/または断面積及び強度、並びにリボン自体の性質をベースとして変動する。しかしながらほとんどの場合、リボンの数は1〜20個であり、態様によっては2〜10個である。それぞれのリボンで使用されるロービングの数も同様に変動しえる。しかしながら通常、リボンは2〜10個のロービング、態様によっては3〜5個のロービングを含む。最終ロッドでのロービングの対称分配を達成し易くするために、通常、これらはリボンの中で互いにほぼ同一距離で離れているのが望ましい。たとえば図1を参照すると、−x方向に互いに等距離に離れた三つのロービングを含む、強化リボン4の一態様が示されている。しかしながら他の態様では、ロービングの繊維が通常、リボン4の中に均等に分配されるように、ロービングを結合するのが望ましい。その態様では、ロービングは通常、互いに見分けられないかもしれない。図2を参照すると、たとえば繊維が通常、均等に分配されるように、結合されているロービングを含む、強化リボン4の一態様が示されている。
【００４４】
[0049]ロービングが造形される具体的な方法は、ロッドが好適な程度の圧縮と強度特性を備えて成形できるように注意深く制御もする。図7を参照すると、たとえばロッドを成形するためのシステム及び方法の特定の態様が示されている。この態様において、二つのリボン12は最初にクリール(creel)20上の巻きパッケージ(wound package)に提供される。クリール20は、それぞれがパッケージを支持している、水平方向の回転スピンドルを備えたフレームを含む巻き戻しクリール(unreeling creel)であってもよい。繰り出し(pay-out)クリールも使用して、特に所望により、一段階構成で原料繊維を使用するときなどに、繊維に撚りを誘発させることができる。リボンは、ロッドの成形を伴って直列で成形できることも理解すべきである。一態様において、たとえば図3の含浸ダイ150を出る押出し物152は、ロッドを成形するのに使用されるシステムに直接供給することができる。張力を制御する装置40も使用して、リボン12の張力の程度を制御し易くするのに使用することができる。装置40は、クリール20の回転するスピンドル22に平行及び/または入ってくるリボンに対して垂直の垂直面にある入口プレート30を含むことができる。張力制御装置40は、リボン12が三つのバーの上下を通過して波のパターンを画定できるように、ジグザグ配置に配置される円筒状のバー41を含むことができる。バーの高さは、波のパターンの大きさを変え、張力を制御するために調節することができる。
【００４５】
[0050]リボン12は、オーブン45で加熱してから、強化ダイに入ることができる。加熱は、赤外線オーブン、対流オーブンなどのように、任意の公知の種類のオーブンを使用して実施することができる。加熱している間、リボン中の繊維は一方向に配向して、熱に暴露するのを最適化し、且つリボン全体にわたって均一に熱を維持する。リボン12が加熱される温度は通常、リボンが互いに接着することができる程度まで熱可塑性ポリマーを軟化させるのに十分に高い。しかしながら、温度は、材料の一体性(integrity)を損なうほど高くはない。温度はたとえば、約100℃〜約500℃、態様によっては約200℃〜約400℃、態様によっては約250℃〜約350℃を変動することができる。特定の一態様において、たとえばポリフェニレンスルフィド(PPS)をポリマーとして使用し、リボンはPPSの融点、約285℃までまたはそれ以上に加熱する。
【００４６】
[0051]加熱する際、リボン12は一緒にプレフォーム14に圧縮し、並びに整列し、ロッドの初期形状を成形する強化ダイ50に提供される。図7に示されているように、たとえばリボン12は、入口53から出口55へ方向「A」でダイ50の流路51を通って導かれる。通路51は、ロッド構造を達成するために、多様な形状及び/またはサイズのいずれかを有することができる。たとえば、チャネル及びロッド構造は、円、楕円、放物線などでありえる。ダイ50の中では、リボンは通常、適切な強化を確実にするためにリボンで使用される熱可塑性樹脂のマトリックスの融点またはそれ以上の温度に保持する。
【００４７】
[0052]リボン12の所望の加熱、圧縮及び造形は、一つまたは複数の区分を持つダイ50を使用することによって達成することができる。たとえば、本明細書中には詳細が示されていないが、強化ダイ50は、リボン12を所望の構造に圧縮及び造形するために一緒に機能する複数の区分をもつことができる。たとえば、通路51の第一の区分は、ダイ50に流れるにつれて材料を最初に造形するテーパー領域でありえる。このテーパー領域は通常、その出口よりもその入口でより大きい断面積をもつ。たとえば、テーパー領域の入口における通路51の断面積は、テーパー領域の出口における断面積よりも約2％以上、態様によっては約5％以上、態様によっては約10％〜約20％大きくなりえる。それにもかかわらず、流路の断面は通常、ダイの中の複合材料の平衡流が維持できるように、テーパー領域の中で通常、緩やかに且つなだらかに変化する。造形領域は、材料を圧縮し、その中に通常、均質の流れを提供するテーパー領域に続くこともできる。造形領域は、ダイ50の中で後退(backup)する可能性を最小化するために加熱しながら、熱可塑性ポリマーを膨張させるためにより大きな断面積のものには一般的であるが、ロッドと同様の中間形状に材料を予備成形することもできる。造形領域は、プレフォームに方向変化を付与する一つ以上の表面特徴ももつかもしれない。方向変化によって材料は再分配されて、最終形状において繊維/樹脂がより均一分散する。またこれにより、樹脂の燃焼をまねきうるダイの中の死点の可能性も軽減する。たとえば、造形領域の通路51の断面積は、プレフォーム14の幅よりも約2％以上、態様によっては約5％以上、態様によっては約10％〜約20％大きくなりえる。ダイランド(die land)も通路51の出口として機能するために成形領域に続くことができる。造形領域、テーパー領域及び/またはダイランドは、熱可塑性マトリックスのガラス転移温度または融点またはそれ以上の温度に加熱することができる。
【００４８】
[0053]所望により、プレフォーム14をロッドの最終形状に圧縮する第二のダイ60(たとえばキャリブレーションダイ)も使用することができる。使用するときには、強化ダイ50を出た後で、且つ任意選択の第二のダイ60に入る前に、プレフォーム14を少しの間放冷するのが望ましいこともある。これにより、強化プレフォーム14はその最初の形状を維持できて、それからさらにシステムの中を前進する。通常、冷却によってロッド外部の温度を熱可塑性マトリックスの融点温度よりも下げて、ロッド外部表面の溶融破壊が最小であり、実質的に起きないようにする。しかしながらロッドの内部区分は、ロッドがキャリブレーションダイボディに入るとき、圧縮を確実にするために溶融したままであってもよい。そのような冷却は、当業界で公知のように周囲雰囲気(たとえば室温)にプレフォーム14を単に暴露することにより、または能動冷却方法(たとえば水浴または空冷)を使用することにより達成することができる。一態様において、たとえば空気(たとえば空冷環)をプレフォーム14上に吹き込む。しかしながらこれらの段階の間の冷却は通常、プレフォーム14がさらに造形するのにまだ十分に軟らかいことを確保するために短時間で行う。たとえば、強化ダイ50を出た後、プレフォーム14は周囲環境にたったの約1〜約20秒、態様によっては約2〜約10秒暴露してから、第二のダイ60に入ることができる。ダイ60の中では、プレフォームは通常、ロッド形状を維持できるように、リボン内で使用される熱可塑性マトリックスの融点より下の温度に維持される。シングルダイ(single die)として上述したが、ダイ50及び60は実際、多くの個別ダイ(individual die)(たとえばフェースプレートダイ)から形成できるということは理解すべきである。
【００４９】
[0054]かくして態様によっては、多くの個別ダイ60を使用して、材料を所望の構造に緩やかに造形することができる。ダイ60は直列に配置され、材料の寸法を緩やかに小さくする。そのように緩やかに小さくすることによって、様々な段階の間、及び段階と段階との間の収縮を考慮に入れる。
【００５０】
[0055]たとえば図9〜12に示されているように、第一のダイ60は、示されているように一つ以上の入口62及び示されているように対応する出口64を含むことができる。任意の数の入口62と対応する出口64、例えば四つ、示されているように一つ、二つ、三つ、五つ、六つ以上などをダイ60に含むことができる。態様によっては入口62は通常、楕円形か円形でありえる。他の態様では、入口62は湾曲した長方形でありえ、即ち湾曲した角をもつ長方形または、まっすぐなより長い側壁と湾曲した短い側壁を持つ長方形でありえる。さらに出口64は通常、楕円または円形でありえるか、湾曲した長方形でありえる。楕円形の入口を使用する態様によっては、入口62は約3対1〜約5対1の範囲の主軸長さ66対短軸(minor axis)長さ68比をもつことができる。楕円または円形入口を使用する態様によっては、出口64は約1対1〜約3対1の間の主軸長さ66対短軸長さ68比をもつことができる。湾曲した長方形の形状を使用する態様によっては、入口と出口は、約2対1〜約7対1の間の主軸長さ66対短軸長さ66比(アスペクト比)を持つことができ、出口64比は入口62比よりも小さい。
【００５１】
[0056]さらなる態様では、第一のダイ60の入口62の断面積と対応する出口64の断面積は、約1.5対1〜6対1の間の範囲の比をもつことができる。
【００５２】
[0057]かくして第一のダイ60は、得られたロッドの最終形状に比較的似ている形状にポリマー含浸繊維材料を円滑に変形させ、典型的な態様では、円形または楕円形の断面をもつ。続くダイ、たとえば図9に示されている第二のダイ60及び第三のダイ60は、材料の形状が、ロッドの最終断面形状に転換されるように、材料の寸法をさらに緩やかに小さく及び/または変化させることができる。これらの連続ダイ60は、材料を造形及び冷却の両方をすることができる。たとえば態様によっては、それぞれの連続ダイ60はそれ以前のダイよりも低い温度で維持することができる。典型的な態様では、すべてのダイ60を材料の軟化点温度よりも高い温度で維持する。
【００５３】
[0058]さらに典型的な態様では、比較的長いランド長さ69をもつダイ60は、所望のロッド形状及びサイズを達成するのに重要な、適切な冷却及び強化のため望ましい。比較的長いランド長さ69は応力を軽減して、所望の形状及びサイズへの円滑な変形を提供し、空隙比及び弓そり(bow)特性を最小にする。態様によってはたとえば、ダイ60の出口64でのランド長さ69対出口64での主軸長さ66の比は、約0〜約20の範囲、たとえば約2〜約6の範囲でありえる。
【００５４】
[0059]本開示に従ったキャリブレーションダイ60の使用により、上述のように材料の断面に緩やかな変化を提供する。これらの緩やかな変化は典型的な態様では、ロッドまたは他の好適な製品のような得られた製品が通常、比較的最小限の空隙比で均一な繊維分配をもつように確保することができる。
【００５５】
[0060]任意の好適な数のダイ60を使用して、様々な用途で望ましいか、または必要とされているように、任意の好適な断面形状をもつ外形(profile)に材料を緩やかに成形することができることは理解すべきである。
【００５６】
[0061]一つ以上のダイの使用に加えて、他の機構を使用して、プレフォーム14をロッド形状に圧縮し易くすることができる。たとえば、図12に示されているように成形ローラー90は強化ダイ50とキャリブレーションダイ60との間、様々なキャリブレーションダイ60の間、及び/またはキャリブレーションダイ60の後で使用することができ、プレフォーム14をさらに圧縮してから、その最終形状に転換することができる。ローラーは、ピンチローラー、重複ローラーなどの任意の構造をとることができ、示されているように垂直であるか、または水平ローラーでありえる。ローラー90の構造に依存して、ローラー90の表面を機械加工して、プレフォーム14にロッド、外形、または好適な製品などの最終製品の寸法を与える。典型的な態様では、ローラー90の圧力は、最終製品の品質を最適化するために調節可能であるべきである。
【００５７】
[0062]典型的な態様において、材料と接触している少なくとも一部などのローラー90は、通常、平滑面をもつことができる。たとえば多くの態様では、比較的堅く、磨かれた表面が望ましい。たとえばローラー表面は比較的平滑なクロムまたは他の好適な材料から成形することができる。これによってローラー90は、プレフォーム14を損傷したり、不都合に変えたりすることなくプレフォーム14を操作することができる。たとえばそのような表面は、材料がローラーに張り付かないようにすることができ、ローラーは材料の上に平滑面を与えることができる。
【００５８】
[0063]態様によっては、ローラー90の温度を制御する。これは、ローラー90自体を加熱することにより、または温度を制御した環境にローラー90を設置することによって達成することができる。
【００５９】
[0064]さらに態様によっては、ローラー90上に表面特徴(surface feature)92を提供することができる。表面特徴92は、プレフォームがローラーを通って通過するにつれて、プレフォーム14を一つ以上の方向に誘導及び/または制御することができる。たとえば特徴92は、プレフォームがローラー90を通って通過するにつれて、それ自体の上にプレフォーム14が折り畳まれないように提供することができる。かくして、表面特徴92は、縦方向Aに対して幅方向(cross-machine direction)並びに、縦方向Aに対して垂直方向にプレフォーム14の変形を誘導及び制御することができる。かくしてプレフォーム14は、縦方向Aにローラー90の中を通過するにつれて、それ自体の上に折り畳まれるのではなく、幅方向に一緒に押しつけることができる。
【００６０】
[0065]態様によっては、張力調整装置をローラーと連通して提供することができる。これらの装置はローラーと共に使用して、縦方向、幅方向及び/または垂直方向でプレフォーム14に張力を与えて、プレフォームをさらに誘導及び/または制御することができる。
【００６１】
[0066]所望により、得られたロッドは環境条件から守る、または耐摩耗性を改善するためにキャッピング層を適用することもできる。たとえば図7を参照して、そのようなキャッピング層は、任意の所望の角度を向けた押出し機によって適用して、熱可塑性樹脂をキャッピングダイ72に導入することができる。キャッピング層用の好適な熱可塑性ポリマーとしては、たとえばポリオレフィン類(たとえばポリプロピレン、プロピレン-エチレンコポリマー)、ポリエステル(たと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(たとえばNylon(商標))、ポリエーテルケトン(たと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(たとえばポリフェニレンジケトン(PPDK))、液晶ポリマー、ポリアリーレンスルフィド(たとえばポリフェニレンスルフィド(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)など)、フルオロポリマー(たと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、ペトラフルオロエチレン(petrafluoroethylene)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、スチレン性ポリマー(たと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)などを挙げることができる。
【００６２】
[0067]伝送ケーブルなど、特定の用途で使用すると、キャッピング層は直流電気反応を妨げ易くできる。そのような態様では、通常、キャッピング材料は、ASTM D149-09に従って測定して、少なくとも約1キロボルト/ミリメートル(kV/mm)、態様によっては少なくとも約2kV/mm、態様によっては約3kV/mm〜約50kV/mm、態様によっては約4kV/mm〜約30kV/mmの絶縁耐力(dielectric strength)をもつのが望ましい。特に好適な高絶縁耐力キャッピング層材料としては、ポリケトン(たとえばポリエーテルエーテルケトン(PEEK))、ポリスルフィド(たとえばポリアリーレンスルフィド)、またはその混合物を挙げることができる。
【００６３】
[0068]決して必要なわけではないが、キャッピング層は通常、連続繊維がない。すなわちキャッピング層は連続繊維を約10重量％未満含み、態様によっては連続繊維を約5重量％以下含み、態様によっては連続繊維を約1重量％以下(たとえば0重量％)含むことができる。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に他の添加剤を含むことができる。この段階で使用される添加剤材料としては、連続繊維材料に配合するのに適していないものも挙げることができる。たとえば仕上げ作業を軽減するために顔料を添加することも望ましいであろうし、ロッドの難燃特徴を高めるために難燃剤を加えるのも望ましいであろう。多くの添加材料が熱に敏感であるので、過剰に熱を加えるとこれらを分解させたり、揮発性ガスを発生させたりするかもしれない。従って、熱に敏感な添加材料を高い加熱条件下で含浸樹脂と一緒に押し出す場合、添加材料が完全に分解するかもしれない。添加材料としては、無機強化剤、滑剤、難燃剤、発泡剤(blowing agent)、起泡剤(foaming agent)、耐紫外線剤(ultraviolet light resistant agent)、熱安定剤、顔料及びその組み合わせを挙げることができる。好適な無機補強剤としては、たとえば炭酸カルシウム、シリカ、マイカ、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その組み合わせを挙げることができる。
【００６４】
[0069]本明細書中に詳細は示されていないが、キャッピングダイ72は、キャッピング層の所望の用途を達成し易くするために、当業界で公知の様々な特徴を含むことができる。たとえばキャッピングダイ72は、入ってくるロッドを整列させるエントランスガイドを含むことができる。キャッピングダイは、ロッドを予熱する加熱機構(たとえば加熱されたプレート)も含むことができ、その後適当な結合を確保しやすくするためにキャッピング層を適用する。キャッピング後、造形部品15は、当業界で公知のように冷却システム80を使用して最終的に冷却する。冷却システム80は、たとえば冷却するにつれて、その壁に対して真空が熱造形品を引き抜く間に、ロッドを完全に封入する一つ以上のブロック(たと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りえる。空気や水などの冷媒をサイザーに提供して、ロッドを正確な形状に固めることができる。
【００６５】
[0070]サイジングシステムを使用しない場合でも、ロッドがキャッピングダイ(または、キャッピングダイを使用しない場合には、強化若しくはキャリブレーションダイ)を出た後、ロッドを冷却するのが通常好ましい。当業界で公知の任意の技術、たとえば水タンク、冷空気流またはエアジェット、冷却ジャケット、内部冷却チャネル、冷却流体循環チャネルなどを使用して冷却を行うことができる。それにもかかわらず、材料を冷却する温度は、通常、最適機械的特性、部品(part)寸法許容差、優れた加工性及び審美的に満足できる複合体を達成するために制御される。たとえば冷却ステーションの温度が高すぎる場合、材料はツールの中で膨潤し、処理を妨げるかもしれない。半結晶質材料の場合には、同様に低すぎる温度は材料を急激に冷却してしまい、完全結晶化とならないので、複合体の機械抵抗特性及び耐薬品性を損なってしまう。独立した温度制御のついた多数の冷却ダイ区分を使用して、加工処理及び性能特性の最適バランスを与えることができる。たとえば一つの態様において、約0℃〜約30℃、態様によっては約1℃〜約20℃、態様によっては約2℃〜約15℃の温度で保持される水タンクを使用する。
【００６６】
[0071]所望により、一つ以上のサイジングブロック(示されていない)も、キャッピングの後などで使用することができる。そのようなブロックは、最初は大きすぎる形状から徐々に最終ロッド形状に変化した、正確なロッド形状に切り出す開口部を含む。ロッドがその中を通過するにつれて、ロッドが移動したり弛んだりするすべての傾向が中和されて、その正確な形状に(繰り返して)押し戻される。一度サイジングされると、ロッドは、断面を切断できる切断のこぎりを備えた切断ステーション(示されていない)で所望の長さに切断することができるか、またはロッドは連続プロセスでリール上に巻き取ることができる。次いでロッドの長さは、繊維トウの長さに制限される。
【００６７】
[0072]理解されるように、ロッドが本発明のシステムの任意の区分に進行するにつれて、ロッドの温度は最適の製造と所望の最終複合体特性となるように制御することができる。アセンブリ区分のいずれかまたは全ては、電気カートリッジヒーター、循環液冷却など、または当業者に公知の任意の他の温度制御装置を使用して温度制御することができる。
【００６８】
[0073]図7を参照すると、複合体の最終サイジング用のシステム内を完成ロッド16を引き取る冷却システム80から下流に牽引装置82を配置する。牽引装置82は所望の速度でプロセスシステムを通してロッドを牽引しえる任意のデバイスでありえる。典型的な牽引装置としては、キャタピラー牽引機及び往復牽引機(reciprocating puller)が挙げられる。
【００６９】
[0074]上記方法から形成したロッドの一態様を、部材516として図8に詳細を示す図示されているように、ロッド516は通常、円形をしており、一つ以上の強化リボンから形成したコア514を含む。「通常、円形」という用語は、ロッドのアスペクト比(幅で割った高さ)が通常、約1.0〜約1.5、態様によっては約1.0であることを意味する。ロービングを含浸させて、強化リボンを形成するために使用するプロセス、並びにリボンを圧縮し、造形するプロセスの選択的制御のため、ロッドはその全長に沿って熱可塑性マトリックスの比較的均等な分布を有することができる。またこれは、連続繊維が、ロッド516の縦の中心軸「L」について通常、一様に分配されることを意味する。たとえば図8に示されているように、コア514は、熱可塑性マトリックス528に埋め込まれた連続繊維526を含む。繊維526は、縦軸「L」について通常均一に分配されている。ほんの幾つかの繊維が図8に示されており、通常、ロッドは実質的にもっと多くの均一分配された繊維を含むことは理解すべきである。
【００７０】
[0075]キャッピング層519は場合により、コア514の周囲に伸長し、ロッド516の外部表面を画定する。コア514の断面の厚さ(T)は、特定の強度を達成し易くするために戦略的に選択することができる。たとえば、コア514は約0.1〜約40ミリメートル、態様によっては約0.5〜約30ミリメートル、及び態様によっては約1〜約10ミリメートルの厚さ(たとえば直径)をもつことができる。キャッピング層519の厚さは部品の目的とする機能に依存するが、通常、約0.01〜約10ミリメートル、態様によっては約0.02〜約5ミリメートルである。それにもかかわらず、ロッドの総断面厚さまたは高さは通常、約0.1〜約50ミリメートル、態様によっては約0.5〜約40ミリメートル、態様によっては約1〜約20ミリメートルを変動する。ロッドは実質的に縦方向で連続しえるが、ロッドの長さは、実際には糸巻に巻かれ貯蔵される糸巻、または連続繊維の長さによって限定されることが多い。たとえば、長さは約1000〜約5000メートルであることが多いが、それよりも長い長さも可能である。
【００７１】
[0076]上記の様々なパラメーター制御にもかかわらず、非常に高い強度を持つロッドを形成することができる。たとえば、ロッドは比較的高い曲げ弾性率を示すことができる。「曲げ弾性率」なる用語は通常、曲げ変形における応力対歪の比(力/面積の単位)または、材料が曲がる傾向を意味する。通常、室温で、「三点曲げ」試験(たとえばASTM D790-10、方法A)によりもたらされた応力-歪曲線の傾きから決定する。たとえば本発明のロッドは、約10ギガパスカル(GPa)以上、態様によっては約12〜約400 GPa、態様によっては約15〜約200 GPa、態様によっては約20〜約150 GPaの曲げ弾性率を示すことができる。さらに、極限引張り強さは約300メガパスカル(MPa)以上、態様によっては約400 MPa〜約5,000 MPa、態様によっては約500 MPa〜約3,500 MPaでありえる。「極限引張り強さ」なる用語は通常、ネッキングする前に伸ばされたり引張られたりする間に、材料が耐えることができる最大応力を指し、室温で引張り試験(たとえばASTM D3916-08)によりもたらされた応力-歪曲線に到達した最大応力である。弾性の引張り強さも約50 GPa以上、態様によっては約70 GPa〜約500 GPa、態様によっては約100 GPa〜約300 GPaでありえる。「弾性の引張り強さ(tensile modulus of elasticity)」なる用語は通常、引張り応力対引張り歪の比を指し、室温で引張り試験(たとえばASTM 3916-08)によりもたらされた応力-歪曲線の勾配である。特に、上記複合体ロッドの強度特性は、比較的広い温度範囲、たとえば約−40℃〜約300℃、特に約180℃〜約200℃で維持することができる。
【００７２】
[0077]本開示に従って製造したロッドはさらに、比較的曲げ疲労寿命(flexural fatigue life)を有することができ、比較的高い残留強度を示すことができる。曲げ疲労寿命及び残存強度は、通常、室温における「三点曲げ疲労」試験(たとえばASTM D790)をベースとして測定することができる。たとえば、本発明のロッドは、百万サイクル後に160ニュートン(N)または180Nの荷重で、約60キログラム/平方インチ(kilograms per square inch) (“ksi”)〜約115ksi、態様によっては約70ksi〜約115ksi、態様によっては約95ksi〜約115ksiの残存曲げ強度(residual flexural strength)を示すことができる。さらに、ロッドは曲げ強度で比較的最小の減少を示すことができる。たとえば、空隙比約4％以下、態様によっては約3％以下のロッドは、三点曲げ疲労試験の後、曲げ強度で約1％の減少(たとえば約106 ksiの最大初期曲げ強度から約105 ksiの最大残存曲げ強度)を示すことがある。曲げ強度は、たとえば上記の三点曲げ試験を使用して疲労試験の前後で試験することができる。
【００７３】
[0078]複合体ロッドの線熱膨張率は、ppm/℃で、約5未満、約4未満、約3未満または約2未満でありえる。たとえば、係数(ppm/℃)は、約−0.25〜約5、あるいは約−0.17〜約4、あるいは約−0.17〜約3、あるいは約−0.17〜約2、または約0.29〜約1.18の範囲でありえる。この線熱膨張率について予想された温度範囲は、通常、−50℃〜200℃範囲、0℃〜200℃範囲、0℃〜175℃範囲、または25℃〜150℃範囲でありえる。この線熱膨張率は、縦方向、即ち繊維の長さに沿って測定する。
【００７４】
[0079]複合体ロッドは比較的小さな「曲げ半径(band radius)」も示すことができ、これは破壊せずにロッドが曲がることができる最小半径であり、ロッドの内側の湾曲に対して測定する。より小さな曲げ半径は、ロッドがより柔軟性であり、且つより小さな直径のボビンに巻き取ることができることを示す。この特性により、現在金属ロッドを使用しているプロセスにこのロッドを提供し易くする。本発明の優れたプロセス及び得られたロッドにより、曲げ半径は、約25℃の温度で測定して、ロッドの外径の約40倍未満、態様によってはロッドの外径の約1〜約30倍、態様によってはロッドの外径の約2〜約25倍を達成しえる。たとえば曲げ半径は、約25℃の温度で測定して、約15センチメートル未満であり、態様によっては約0.5〜約10センチメートルであり、態様によっては約1〜約6センチメートルでありえる。
【００７５】
[0080]複合体ロッドは、非常に低い、たとえば約6%以下、態様によっては約3%以下、態様によっては約2%以下、態様によっては約1%以下、態様によっては約0.5%以下の空隙比も有する。空隙比は、たとえばASTM D 2584-08に従った「樹脂燃焼」試験または、Metrotom 1500(2k×2k)高分解能検出器などのコンピューター断層撮影(CT)装置を使用するなど上記方法で測定することができる。
【００７６】
[0081]上記パラメーターに加えて、複合体ロッドは、約10 MPa以上、態様によっては約15 MPa以上、態様によっては約20〜約50 MPaの応力パラメーターも示しえる。これらの応力パラメーターを測定するための方法は、本明細書中、すべての目的に関してその全体が参照として含まれる、米国特許第7,093,416号(Johnsonら)により詳細が記載されている。たとえば、たるみ及び温度を測定し、たるみ対温度のグラフとしてプロットすることができる。計算した曲線は、商品名SAG10(バージョン3.0、アップデート3.9.7)のもと、Alcoa Fujikura Ltd.（グリーンビル、SC）製のソフトウエアプログラムで利用可能なAlcoa Sag10図示法を使用して測定したデータに合う。応力パラメーターは「組み込みアルミニウム応力(built-in aluminum stress)」としてラベルされたSAG10のフィッティングパラメーターであり、これはアルミニウム以外の材料(たとえばアルミニウム合金)を使用する場合に他のパラメーターに合うように変えることができ、予測グラフ上の屈折点(knee-point)の位置と、高温、屈折点後の状態(post-nee-point-regime)におけるたるみの量を調整する。応力パラメーターの記載は、Alcoa Sag10ユーザーマニュアル(バージョン2.0)にも提供されている。
【００７７】
[0082]理解されるように、上記の特定のロッドの態様は、本発明により可能になる多くの設計の単なる例示である。様々な可能性のあるロッドデザインの中でも、上記のものに加えて追加の材料の層を使用できるということを理解すべきである。たとえば特定の態様では、一つの構成要素がより高い強度材料から形成され、別の構成要素がより低い強度材料から形成される多成分系ロッドを形成することも望ましいかもしれない。そのような多成分系ロッドは、ロッド全体でより高価な高強度材料を必要とせずに全体の強度を増加させるのに特に有用でありえる。より低い強度及び/またはより高い強度の構成要素は、熱可塑性マトリックス内に埋め込まれた連続繊維を含む(単数または複数種類の)リボンから形成することができる。
【００７８】
[0083]本発明は、上記態様に決して限定されないと理解すべきである。たとえば、ロッドは、所望の用途に依存して様々な他の構成要素を含むことができる。追加の構成要素は、本明細書中に記載のような連続繊維リボン、並びに他のタイプの材料から成形することができる。たとえば一態様において、ロッドはその横方向の強度を改善するために不連続繊維(たとえば短繊維、長繊維など)の層を含むことができる。不連続繊維は、繊維の少なくとも一部が、連続繊維が伸長する方向に対してある角度で配置されるように向けることができる。
【００７９】
[0084]上記のように、本発明のロッドは、電気ケーブル(たとえば高圧伝送ワイヤ)、電力供給パイプライン、つなぎ綱、ロープ、ライザー(riser)などを含む広範な用途の構造部材として使用することができる。たとえば本発明のロッドは、伝送ケーブルのコアの全てまたは一部を形成する際に使用することができる。典型的な伝送ケーブル設計及びそのようなケーブル用の複合体コアは、本明細書中、すべての目的に関してその全体が参照として含まれる、米国特許第7,211,319号(Heilら)により詳細に記載されている。同様に、ロッドは電力供給パイプライン中、単独または束でも使用することができる。ロッドはパイプラインの中心または周囲に配置することができる。典型的な電力供給パイプラインの設計は、本明細書中、すべての目的に関してその全体が参照として含まれる、米国特許第7,798,234号(Juら)及び同第7,754,966号(Figenschou)により詳細に記載されている。
【００８０】
[0085]本開示は、以下の実施例を参照してよりよく理解することができる。
【実施例】
【００８１】
実施例１
[0086]二つの連続繊維リボンを、最初に、実質的に上述された押出しシステムを使用して成形した。炭素繊維ロービング(Toray T700SC、4,900 MPaの引張り強度と、0.8グラム/メートルの質量/単位長さをもつ12,000本の炭素フィラメントを含んでいた)を連続繊維用に使用し、それぞれの個別のリボンは4つのロービングを含んでいた。繊維を含浸するのに使用した熱可塑性ポリマーは、ポリフェニレンスルフィド(PPS)(FORTRON(登録商標)PPS 205、Ticona LLCより入手可能)であり、これは約280℃の融点をもつ。それぞれのリボンは50重量％の炭素繊維と50重量％のPPSを含んでいた。リボンは約0.18ミリメートルの厚さであり、空隙比は1.0％未満であった。一度成形したら、リボンは、20フィート/秒の速度で操作している引き抜きラインに供給した。造形する前に、リボンは赤外線オーブン(電力設定305)内で加熱した。次いでリボンを受け取り、ロッドの初期形状を形成しながらこれらを一緒に圧縮する円形チャネルを持つ強化ダイに加熱したリボンを供給した。ダイの中で、リボンは約177℃の温度に維持した。強化時、得られたプレフォームは、1psiの圧力で周囲空気を供給した空冷環(air ring)/トンネル装置で一時的に冷却した。次いでプレフォームを二つのロールの間に形成したニップの中を通して、次いで最終造形用にキャリブレーションダイへ通す。キャリブレーションダイの中では、プレフォームを約140℃の温度に保持した。このダイを出た後、プロフィールはポリエーテルエーテルケトン(PEEK)でキャッピングした。ポリエーテルエーテルケトンの融点は350℃であった。キャッピング層は約0.1ミリメートルの厚さであった。次いで得られた部品を空気流で冷却した。得られたロッドは約3.5ミリメートルの直径であり、45重量％の炭素繊維、50重量％のPPS及び5重量％のキャッピング材料を含んでいた。
【００８２】
[0087]ロッドの強度特性を測定するために、三点曲げ試験をASTM D790-10、手順Aに従って実施した。サポート及びノーズ半径は0.250インチであり、サポートスパンは30ミリメートルであり、試験片長さは2インチであり、試験速度は2ミリメートル/分であった。得られた曲げ弾性率は約31ギガパスカルであり、曲げ強度は約410 MPaであった。部品の密度は1.48g/cm3であり、空隙率(void content)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。
【００８３】
実施例２
[0088]キャッピング材料を使用しなかった以外には、実施例１の記載通りにロッドを形成した。このようにして得られたロッドは50重量％の炭素繊維及び50重量％のPPSを含んでいた。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。
【００８４】
実施例３
[0089]二つの連続繊維リボンは実質的に上述のように押出しシステムを使用して最初に形成した。炭素繊維ロービング(Toray T700SC)を連続繊維用に使用し、個別のリボンは4つのロービングを含んでいた。繊維を含浸するのに使用した熱可塑性ポリマーは、FORTRON(登録商標)PPS 205であった。それぞれのリボンは50重量％の炭素繊維と50重量％のPPSを含んでいた。リボンは約0.18ミリメートルの厚さであり、空隙比は1.0％未満であった。一度形成したら、リボンは、20フィート/秒の速度で操作している引き抜きラインに供給した。造形する前に、リボンは赤外線オーブン(電力設定305)内で加熱した。次いで、リボンを受け取り、ロッドの初期形状を形成しながらこれらを一緒に圧縮する円形チャネルを持つ強化ダイに加熱したリボンを供給した。ダイの中で、リボンを約343℃の温度に維持した。強化時、得られたプレフォームは、1psiの圧力で周囲空気を供給した空冷環/トンネル装置で一時的に冷却した。次いでプレフォームを二つのロールの間に形成したニップの中を通して、次いで最終造形用にキャリブレーションダイへ通す。キャリブレーションダイの中では、プレフォームは約140℃の温度に保持した。このダイを出た後、プロフィールはFORTRON(登録商標)PPS320でキャッピングした。この融点は280℃であった。キャッピング層は約0.1ミリメートルの厚さであった。次いで得られた部品を空気流で冷却した。得られたロッドは約3.5ミリメートルの直径であり、45重量％の炭素繊維、50重量％のPPS及び5重量％のキャッピング材料を含んでいた。
【００８５】
[0090]ロッドの強度特性を測定するために、三点曲げ試験をASTM D790-10、手順Aに従って実施した。サポート及びノーズ半径は0.250インチであり、サポートスパンは30ミリメートルであり、試験片長さは2インチであり、試験速度は2ミリメートル/分であった。得られた曲げ弾性率は約20.3ギガパスカルであり、曲げ強度は約410 MPa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。
【００８６】
実施例４
[0091]二つの連続繊維リボンは実質的に上述のように押出しシステムを使用して最初に形成した。ガラス繊維ロービング(TUFRov(登録商標)4588、PPG製、引張強度2599 MPaと、2.2 g/mの質量/単位長さを持つE-ガラスフィラメントを含んでいた)を連続繊維用に使用し、個別のリボンは2つのロービングを含んでいた。繊維を含浸するのに使用した熱可塑性ポリマーは、ポリフェニレンスルフィド(PPS)(FORTRON(登録商標)205、Ticona LLC製)であり、融点は約280℃であった。それぞれのリボンは56重量％のガラス繊維と44重量％のPPSを含んでいた。リボンは約0.18ミリメートルの厚さであり、空隙比は1.0％未満であった。一度成形したら、リボンは、20フィート/秒の速度で操作している引き抜きラインに供給した。造形する前に、リボンは赤外線オーブン(電力設定330)内で加熱した。次いで、リボンを受け取り、ロッドの初期形状を形成しながらこれらを一緒に圧縮する円形チャネルを持つ強化ダイに加熱したリボンを供給した。強化時、得られたプレフォームは、周囲空気で一時的に冷却した。次いでプレフォームを二つのロールの間に形成したニップの中を通して、次いで最終造形用にキャリブレーションダイへ通す。キャリブレーションダイの中では、プレフォームは約275℃の温度に保持した。このダイを出た後、プロフィールはFORTRON(登録商標)205でキャッピングした。キャッピング層は約0.1ミリメートルの厚さであった。次いで得られた部品を空気流で冷却した。得られたロッドは約3.5ミリメートルの直径であり、50重量％のガラス繊維、50重量％のPPSを含んでいた。
【００８７】
[0092]ロッドの強度特性を測定するために、三点曲げ試験をASTM D790-10、手順Aに従って実施した。サポート及びノーズ半径は0.250インチであり、サポートスパンは30ミリメートルであり、試験片長さは2インチであり、試験速度は2ミリメートル/分であった。得られた曲げ弾性率は約18ギガパスカルであり、曲げ強度は約590 MPaであった。空隙率は約0％であり、曲げ半径は1.87センチメートルであった。
【００８８】
実施例５
[0093]二つの連続繊維リボンは実質的に上述のように押出しシステムを使用して最初に形成した。ガラス繊維ロービング(TUFRov(登録商標)4588)を連続繊維用に使用し、個別のリボンは2つのロービングを含んでいた。繊維を含浸するのに使用した熱可塑性ポリマーはナイロン66(PA66)であり、融点は約250℃であった。それぞれのリボンは60重量％のガラス繊維と40重量％のナイロン66を含んでいた。リボンは約0.18ミリメートルの厚さであり、空隙比は1.0％未満であった。一度成形したら、リボンは、10フィート/秒の速度で操作している引き抜きラインに供給した。造形する前に、リボンは赤外線オーブン(電力設定320)内で加熱した。次いで、リボンを受け取り、ロッドの初期形状を形成しながらこれらを一緒に圧縮する円形チャネルを持つ強化ダイに加熱したリボンを供給した。強化時、得られたプレフォームは、周囲空気で一時的に冷却した。次いでプレフォームを二つのロールの間に形成したニップの中を通して、次いで最終造形用にキャリブレーションダイへ通す。キャリブレーションダイの中では、プレフォームを約170℃の温度に保持した。このダイを出た後、プロフィールはナイロン66でキャッピングした。キャッピング層は約0.1ミリメートルの厚さであった。次いで得られた部品を空気流で冷却した。得られたロッドは約3.5ミリメートルの直径であり、53重量％のガラス繊維、40重量％のナイロン66、7重量％のキャッピング材料を含んでいた。
【００８９】
[0094]ロッドの強度特性を測定するために、三点曲げ試験をASTM D790-10、手順Aに従って実施した。サポート及びノーズ半径は0.250インチであり、サポートスパンは30ミリメートルであり、試験片長さは2インチであり、試験速度は2ミリメートル/分であった。得られた曲げ弾性率は約19ギガパスカルであり、曲げ強度は約549 MPaであった。空隙率は約0％未満であり、曲げ半径は2.34センチメートルであった。
【００９０】
実施例６
[0095]異なる空隙比レベルをもつ八つのロッドの三つのバッチを形成した。それぞれのロッドに関しては、二つの連続繊維リボンは実質的に上述のように押出しシステムを使用して最初に形成した。炭素繊維ロービング(Toray T700SC、これは4,900 MPaの引張強さと、0.8グラム/メートルの質量/単位長さをもつ12,000本の炭素フィラメントを含んでいた)を連続繊維用に使用し、個別のリボンは4つのロービングを含んでいた。繊維を含浸するのに使用した熱可塑性ポリマーは、ポリフェニレンスルフィド(PPS)(FORTRON(登録商標)PPS 205、Ticona, LLCより入手可能)であり、融点は約280℃であった。それぞれのリボンは50重量％の炭素繊維と50重量％のPPSを含んでいた。リボンは約0.18ミリメートルの厚さであり、空隙比は1.0％未満であった。一度形成したら、リボンは、20フィート/秒の速度で操作している引き抜きラインに供給した。造形する前に、リボンは赤外線オーブン(電力設定305)内で加熱した。次いで、リボンを受け取り、ロッドの初期形状を形成しながらこれらを一緒に圧縮する円形チャネルを持つ強化ダイに加熱したリボンを供給した。ダイの中ではリボンは約177℃の温度を維持した。強化時、得られたプレフォームは、1psiの圧力で周囲空気を供給した空冷環/トンネル装置で一時的に冷却した。次いでプレフォームを二つのロールの間に形成したニップの中を通して、次いで最終造形用にキャリブレーションダイへ通す。キャリブレーションダイの中では、プレフォームを約140℃の温度に保持した。このダイを出た後、プロフィールはポリエーテルエーテルケトン(PEEK)でキャッピングした。これは350℃の融点を有していた。キャッピング層は約0.1ミリメートルの厚さであった。次いで得られた部品を空気流で冷却した。得られたロッドは約3.5ミリメートルの直径であり、45重量％の炭素繊維、50重量％のPPS、及び5重量％のキャッピング材料を含んでいた。
【００９１】
[0096]第一バッチのロッドは2.78%の平均空隙比を有していた。第二バッチのロッドは4.06％の平均空隙比を有していた。第三バッチのロッドは、8.74%の平均空隙比を有していた。空隙測定はCT走査を使用して実施した。Metrotom 1500(2k×2k)高分解能検出器を使用してロッド試験片を走査した。検出は、低い確率閾値(probability threshold)の強化分析モードを使用して検出した。試験片を空隙比に関して走査したら、ボリュームグラフィックソフトウエアを使用して、3D走査からのデータを解釈し、それぞれの試験片における空隙レベルを計算した。
【００９２】
[0097]ロッドの曲げ疲労寿命及び残存曲げ強度(residual flexural strength)を測定するために、三点曲げ試験をASTM D790に従って実施した。サポートスパンは2.2インチであり、試験片長さは3インチであった。それぞれのバッチ由来の四つのロッドは荷重レベル160ニュートン(N)であり、ぞれぞれのバッチ由来の四つのロッドは荷重レベル180 Nであり、それぞれ約50％と55％のロッドの初期(pristine)(静的)曲げ強度を示した。それぞれの試験片は、10ヘルツ(Hz)の周波数で100万回のサイクルで試験した。
【００９３】
[0098]疲労試験の前後で、ロッドのそれぞれの初期及び残存曲げ強度特性を測定するために、三点曲げ試験をASTM D790-10、手順Aに従って実施した。それぞれの荷重レベルでの各バッチの平均初期及び残存曲げ強度を記録した。得られた第三バッチの初期曲げ強度は107 ksiであり、第三バッチの得られた残存曲げ強度は75 ksiであったので、約29％の減少となった。第二バッチの得られた初期曲げ強度は108 ksiであり、第二バッチの得られた残存曲げ強度は72 ksiであるので、約33％の減少となった。第一バッチの得られた初期曲げ強度は106 ksiであり、第一バッチの得られた残存曲げ強度は105 ksiであるので、約1％の減少となった。
【００９４】
[0099]本発明のこれら及び他の変形及び変更は、本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく、当業者により実施しえる。さらに様々な態様の側面は、全体においてまたは一部分において交換可能であることは理解すべきである。さらに、当業者は、上記記載は単なる例示であって、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するだろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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