(57)【要約】  繊維熱可塑性樹脂複合体がオーバーラップされた加工対象物、例えば複合体がオーバーラップされた圧力容器を形成するためのインサイチュー（ｉｎ−ｓｉｔｕ）溶融処理方法。炭素繊維、または他のタイプの繊維を、熱可塑性樹脂系と組み合わせる。選択された繊維トウおよび樹脂を、樹脂によるトウの含浸のために調製する。樹脂を溶融し、フィラメント巻取り機の搬送ヘッドで、加圧下、炭素繊維に溶融樹脂を含侵させ、この溶融複合体を加圧下に維持し、加工対象物の加熱表面に適用する。加工対象物の表面を熱可塑性樹脂の融点まで加熱し、その結果、溶融複合体が加工対象物の加熱表面に一層効率的に付着し、複合体の複数層が溶融したままとなり、層同士のより良好な接着をもたらす。
2018534183.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維樹脂複合体オーバーラップを製造するためのインサイチュー（ｉｎ−ｓｉｔｕ）溶融プロセスであって、
繊維トウを選択するステップ、
前記の選択された繊維トウと適合性がある熱可塑性樹脂を選択するステップ、
前記の選択された熱可塑性樹脂による含侵のため前記繊維トウを調製するステップ、
前記繊維トウ中への含侵のために前記熱可塑性樹脂を調製するステップ、
フィラメント巻取りヘッドの直近で、前記の調製された繊維トウ中に前記の調製された熱可塑性樹脂を含侵させ、それによって溶融繊維トウプレグを形成するステップ、
前記の溶融繊維トウプレグを、加工対象物の加熱表面に適用し、それにより、ラッピング操作の間、前記の溶融繊維トウプレグの溶融状態が維持され、それによって前記の溶融した複合体がより効率的に加工対象物の加熱表面に付着し、連続的な溶融複合体の複数層がお互いにより良好に付着することになり、さらに個々のフィラメントが互いに対してスライドすることが可能になり、複合体の内部でカテナリー、しわ、および折り目を効率的に除去するステップ、ならびに
加圧下で前記の溶融繊維トウプレグの複数層を互いに押圧し、圧密化し、それによって閉じ込められた空気を除くステップを含む、上記インサイチュー溶融プロセス。
【請求項２】
前記加工対象物がタイプＩＩ圧力容器である、請求項１に記載の繊維樹脂複合体オーバーラップを製造するためのインサイチュー溶融プロセス。
【請求項３】
前記加工対象物がタイプＩＩＩ圧力容器である、請求項１に記載の繊維樹脂複合体オーバーラップを製造するためのインサイチュー溶融プロセス。
【請求項４】
前記加工対象物がタイプＩＶ圧力容器である、請求項１に記載の繊維樹脂複合体オーバーラップを製造するためのインサイチュー溶融プロセス。
【請求項５】
前記加工対象物がタイプＶ圧力容器である、請求項１に記載の繊維樹脂複合体オーバーラップを製造するためのインサイチュー溶融プロセス。
【請求項６】
前記繊維が、炭素繊維、ガラス繊維、天然繊維、ナノファイバー、およびアラミド繊維からなる群から選択される、請求項１に記載の繊維樹脂複合体オーバーラップを製造するためのインサイチュー溶融プロセス。
【請求項７】
前記熱可塑性樹脂が、ナイロン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、およびポリエーテルエーテルケトン樹脂からなる群から選択される、請求項１に記載の繊維樹脂複合体オーバーラップを製造するためのインサイチュー溶融プロセス。
【請求項８】
前記熱可塑性樹脂が、ペレット形状である、請求項１に記載の繊維樹脂複合体オーバーラップを製造するためのインサイチュー溶融プロセス。
【請求項９】
前記熱可塑性樹脂が、テープ形状である、請求項１に記載の繊維樹脂複合体オーバーラップを製造するためのインサイチュー溶融プロセス。
【請求項１０】
前記熱可塑性樹脂が、スレッド形状である、請求項１に記載の繊維樹脂複合体オーバーラップを製造するためのインサイチュー溶融プロセス。
【請求項１１】
前記熱可塑性樹脂による含侵のため前記繊維トウを調製するステップが、前記繊維トウを乾燥するステップ、前記繊維トウを選択されたバンド幅に拡幅するステップ、および、前記繊維トウを選択された温度に加熱するステップであって、前記選択された温度が前記の選択された熱可塑性樹脂の融点に近い加熱ステップを含む、請求項１に記載の繊維樹脂複合体オーバーラップを製造するためのインサイチュー溶融プロセス。
【請求項１２】
繊維樹脂複合体オーバーラップを製造するためのインサイチュー（ｉｎ−ｓｉｔｕ）溶融プロセスであって、
繊維トウを選択するステップ、
前記の選択された繊維トウと適合性がある熱可塑性樹脂を選択するステップ、
前記の選択された熱可塑性樹脂による含侵のため前記繊維トウを調製するステップであって、前記繊維トウを乾燥するステップ、前記繊維トウを選択されたバンド幅に拡幅するステップ、および、前記繊維トウを選択された温度に加熱するステップであって、前記選択された温度が前記の選択された熱可塑性樹脂の融点に近い加熱ステップを含む、繊維トウ調製ステップ
前記繊維トウ中への含侵のために前記熱可塑性樹脂を調製するステップ、
フィラメントの巻取りヘッドの直近で、前記の調製された繊維トウ中に前記の調製された熱可塑性樹脂を含侵させ、それによって溶融繊維トウプレグを形成するステップ、
前記の溶融繊維トウプレグを、加工対象物の加熱表面に適用し、それにより、ラッピング操作の間、前記の溶融繊維トウプレグの溶融状態が維持され、それによって前記の溶融した複合体がより効率的に加工対象物の加熱表面に付着し、連続的な溶融複合体の複数層がお互いにより良好に付着することになり、さらに個々のフィラメントが互いに対してスライドすることが可能になり、複合体の内部でカテナリー、しわ、および折り目を効率的に除去するステップ、ならびに
加圧下で前記の溶融繊維トウプレグの複数層を互いに押圧し、圧密化し、それによって閉じ込められた空気を除くステップを含む、上記インサイチュー溶融プロセス。
【請求項１３】
前記加工対象物が、タイプＩＩ圧力容器、タイプＩＩＩ圧力容器、タイプＩＶ圧力容器、およびタイプＶ圧力容器からなる群から選択される、請求項１２に記載の繊維樹脂複合体オーバーラップを製造するためのインサイチュー溶融プロセス。
【請求項１４】
前記繊維が、炭素繊維、ガラス繊維、天然繊維、ナノファイバー、およびアラミド繊維からなる群から選択される、請求項１２に記載の繊維樹脂複合体オーバーラップを製造するためのインサイチュー溶融プロセス。
【請求項１５】
前記熱可塑性樹脂が、ナイロン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、およびポリエーテルエーテルケトン樹脂からなる群から選択される、請求項１２に記載の繊維樹脂複合体オーバーラップを製造するためのインサイチュー溶融プロセス。
【請求項１６】
前記熱可塑性樹脂が、ペレット形状である、請求項１２に記載の繊維樹脂複合体オーバーラップを製造するためのインサイチュー溶融プロセス。
【請求項１７】
前記熱可塑性樹脂が、テープ形状である、請求項１２に記載の繊維樹脂複合体オーバーラップを製造するためのインサイチュー溶融プロセス。
【請求項１８】
前記熱可塑性樹脂が、スレッド形状である、請求項１２に記載の繊維樹脂複合体オーバーラップを製造するためのインサイチュー溶融プロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、２０１５年１１月２日に出願された米国仮特許出願第６２／２４９，４６７号の利益を主張する。
【０００２】
連邦支援研究・開発に関する記述
適用なし
【０００３】
発明の背景
１．発明の分野
本発明は、ツールを覆って繊維樹脂複合体をオーバーラップする方法に関する。より詳細には、本発明は、繊維と樹脂とを組み合わせ、圧力容器のような加熱されたツールに溶融繊維樹脂複合体を１回の連続操作で適用するインサイチュー（ｉｎ−ｓｉｔｕ：現場での）溶融プロセスに関する。
【背景技術】
【０００４】
２．関連技術の説明
炭素繊維および樹脂の複合体の分野では、鋼よりも炭素繊維の強度対重量比がより高いため、コンクリート杭、航空機翼および胴体、自動車用途およびスポーツ用品などの多数のツールおよび構造部品について、鋼から炭素繊維および樹脂複合体への置換がますます増えている。複合体がオーバーラップされた圧力容器（「ＣＯＰＶ」）は、炭素繊維複合体の技術を利用する構造体の１つである。そして、今日市場には多数のＣＯＰＶ設計があることが知られている。これに関して、タイプＩＩの圧力容器は、通常は鋼製である金属製のライナーの上に繊維のフープ（ｈｏｏｐ）ラップを利用する。タイプＩＩＩの圧力容器は、金属製のライナー（通常はアルミニウム製ライナー）上に繊維のフープと螺旋状ラップの両方を利用する。タイプＩＶの圧力容器は、プラスチックライナーの上にフープおよび螺旋状ラップを利用する。そして、タイプＶの圧力容器は、ガス透過を防止するためにバリアフィルムを組み込むことができるライナーレスツール上にフープおよび螺旋状繊維ラップを利用する。本発明は、本明細書で説明するように、これらのタイプの圧力容器内での有用性を有するが、複合体オーバーラップを利用する他のタイプのツールにおいても有用性を有する。これらの設計の大部分は、炭素繊維および熱硬化性樹脂を用いた従来の湿式巻取り（ｗｉｎｄｉｎｇ）プロセスを使用する。そして、今日タンクを製造するために使用される現在の材料およびプロセスは、費用がかかり、労力を要することはよく知られている。
【０００５】
ＣＯＰＶのための炭素繊維を含む繊維の世界的な需要が高まっている。限定なしにＣＮＧ、水素、窒素およびその他のガスを包含するガスについて、パイプライン、貯蔵、輸送およびＣＮＧ車用のタンクのため、繊維が使用されている。当業者は、特に原油価格が再び上昇し始め、燃料補給インフラが拡大し成熟する場合に、この需要が増大し続け、クラス８のトラック市場によって最も惹起されると予想している。
【０００６】
上述のように、ＣＯＰＶのコストの主な要因は、材料および製造時間である。現行のＣＯＰＶ製造プロセスは、以下のステップから成り立ち、タンク製造のプロセスサイクルが長くなる。
・繊維／樹脂複合体を形成するいくつかの既知の方法の１つを選択する。
・繊維／樹脂複合体を圧力容器本体上に巻き取る。
・Ｂステージに達するまで圧力容器を回転させる。
・オーブン中、高められた温度でシリンダーを硬化させる。
・シリンダーおよびパッケージを清掃する。
【０００７】
ＣＯＰＶが輸送市場のような大量市場に広く採用されることになれば、より高速で低コストの製造プロセス（設備およびプロセス工程の排除）が必要である。
【０００８】
炭素繊維は、典型的には、トウに束ねられた単一の個々の繊維フィラメントとして配送される。さらに、トウは、わずか千または２４０００程度またはそれ以上の個々のミクロンサイズの炭素フィラメントを含んでいてよい。繊維が加工対象物（ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ：ワークピース）の周りにラップされているときのトウのバンド幅に応じて、トウは数百の繊維の厚みであってもよい。本明細書で使用される場合、「バンド幅」（“ｂａｎｄｗｉｄｔｈ”）とは、繊維トウの総拡張幅を指す。また、トウが圧力容器のような加工対象物の周りに巻かれるとき、個々のフィラメントを一定の張力でトウ内に維持することが望ましく、重要であることが知られている。これに関して、個々のフィラメントが互いに対して固定されている場合、剛性構造（プラスチックテープおよびトウプレグ）が半径の周りに巻かれているように、一貫した個々のフィラメント張力を維持することは困難であることが知られている。これは、個々のフィラメントが互いに対して摺動するのを許容せず、カテナリー、折り目、およびしわの現象を引き起こし、全体的に構造の性能を低下させる。これは、すべての個々のフィラメントが複合体性能の全体に寄与しないためである。すなわち、いくつかの個々のフィラメントは構造荷重を受けるが、他のフィラメントは利用されない。起こることは、最終的な荷重が実現される前に、いくつかの炭素繊維フィラメントが破断することである。様々な既知の湿式巻取りプロセスは、個々のフィラメントが互いに対して摺動することを可能にするので、この問題をある程度緩和する。既知の湿式巻取りプロセスは、低粘度の樹脂を使用する必要性および長時間の硬化時間を含む他の欠点を有する。さらに、既知の熱可塑性樹脂系では、加熱された溶融テープ層が低温の固化した熱可塑性構造体に適用される。したがって、１つの層は前の層に完全には接着せず、時には冷流フロント（ｃｏｌｄ  ｆｌｏｗ  ｆｒｏｎｔ）と称される。この界面は弱く、早期に不全になり、複合体が１つの連続的複合構造として作用することを妨げる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
当該技術分野に欠けているのは、炭素繊維を熱可塑性樹脂と組み合わせ、溶融した複合体を加熱されたツール表面に適用するインサイチュー溶融プロセスである。したがって、本発明の目的の１つは、熱可塑性樹脂の設計および独自の製造プロセスの開発を通じてＣＯＰＶの全体的なコストを低減する方法を創ることである。本発明のさらなる目的は、複合体構造を製造する独特な高速フィラメント巻取り製造プロセスからなる熱可塑性システムを開発することである。本発明のさらに別の目的は、インサイチュープロセス（フィラメント巻取り機の配送ヘッド、自動テープ敷設（ｌａｙｉｎｇ）ヘッド、またはトウ敷設システムで繊維と熱可塑性樹脂の両方を組み合わせること）を用いて、熱可塑性樹脂系と共に選択された繊維を使用することである。このようなインサイチュープロセス（すなわち、溶融複合体をツール表面に適用できるようにするために、配送ヘッドまたはその付近で熱可塑性フィルムと炭素繊維とを組み合わせること）により、製造時間およびコストが低減されるであろう。「配送ヘッド」（“ｄｅｌｉｖｅｒｙ  ｈｅａｄ”）という表現は、溶融熱可塑性樹脂複合体をツールに適用するための、現在知られているまたは開発される予定の、フィラメント巻取り機、自動テープ敷設システム、トウ敷設システム、および他のシステム群を包含することが認識される。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、複合体オーバーラッププロセスに適用可能であることが知られている様々な加工対象物のための繊維樹脂複合体オーバーラップを製造する方法に関する。本発明は、複合オーバーラップを使用する多くのタイプの用途に有用であるが、第１の用途は、本明細書において主に複合体オーバーラップ圧力容器またはＣＯＰＶと称されるタイプＩＩ、タイプＩＩＩ、タイプＩＶおよびタイプＶの圧力容器の調製にある。タイプＩＩＩのＣＯＰＶは、モジュラスが求められる用途に適用されることが多く、タイプＩＶのＣＯＰＶは、強度が求められる用途に適用されることが多い。当業者であれば、強度が求められる用途が、モジュラスが求められる用途について選択される繊維とは異なる特性を有する繊維を必要とすることを認識している。様々な繊維の様々な物理的属性は、本発明の範囲および本質に包含される。炭素繊維、または他のタイプの繊維は、適合性がある（ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ）熱可塑性樹脂系と組み合わされる。選択された繊維は、炭素、ガラス、アラミド、天然繊維、ナノファイバー、または他の既知の繊維のいずれであっても、熱可塑性樹脂による含浸のために調製される。また、選択された熱可塑性樹脂は、ペレット、テープ、またはスレッド（糸）の構造のいずれであっても、処理（ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）のために調製される。炭素繊維および粘度が減少した、すなわち溶融した熱可塑性樹脂は、フィラメント巻取り機の配送ヘッドで、加圧下で結合され、それによって樹脂を繊維束に押し込む。次いで、溶融した繊維樹脂複合体は、圧力容器のような加工対象物の加熱された表面に適用される。加工対象物の表面は熱可塑性樹脂の融点まで加熱され、その結果、溶融した複合体が加工対象物の加熱された表面に一層効率的に付着し、複合体の層が溶融したままとなり、層同士のより良好な接着をもたらす。次いで、溶融した層を押圧（圧縮）し、加圧下で圧密化する。この圧縮工程は、閉じ込められた空気を除去し、オーバーラップされた繊維樹脂複合体の様々な層を圧密化する。インサイチュー溶融プロセスの使用は、カテナリー、折り目、およびしわが減少または排除されることで複合体の性能を増大させる。これは、トウのバンド幅の厚み全体にわたる個々のフィラメントが、繊維樹脂複合体の繊維束内で均一な張力がおよぼされるように互いに滑動することが可能になるからである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１Ａ】本発明の上述の特徴は、図面と共に説明される本発明の以下の詳細な記述に基づいて、より明確に理解されるであろう。図１Ａ〜１Ｆは、本発明の諸ステップのフローチャートを示す。
【図１Ｂ】図１Ａ〜１Ｆは、本発明の諸ステップのフローチャートを示す。
【図１Ｃ】図１Ａ〜１Ｆは、本発明の諸ステップのフローチャートを示す。
【図１Ｄ】図１Ａ〜１Ｆは、本発明の諸ステップのフローチャートを示す。
【図１Ｅ】図１Ａ〜１Ｆは、本発明の諸ステップのフローチャートを示す。
【図１Ｆ】図１Ａ〜１Ｆは、本発明の諸ステップのフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
発明の詳細な説明
本発明は、圧力容器のために使用されるような炭素繊維オーバーラップを製造する方法に関する。当業者であれば、本明細書では一般的に加工対象物と称される他のタイプの物品がしばしば繊維樹脂複合体でオーバーラップされることを認識するであろう。本発明はさらに、フィラメント巻取り機の配送ヘッド、自動テープ敷設システムの配送ヘッド、またはトウ敷設システムの配送ヘッドにおいて、繊維および熱可塑性樹脂の両方を組み合わせ、そして限定するものではないが、圧力容器などの加熱された加工対象物に溶融した繊維熱可塑性樹脂複合体を適用するためのインサイチュー（ｉｎ−ｓｉｔｕ：現場の）プロセスの使用に向けられている。
【００１３】
原料
【００１４】
当業者であれば、炭素繊維樹脂複合体中の主要な原料は炭素繊維と樹脂とを含むことを容易に認識するであろう。以下の説明は、これらの構成要素をより詳細に記述するものであり、それらの構成要素の相互関係は、本発明のステップのフローチャートを示す図１Ａ〜１Ｆから理解される。
【００１５】
炭素繊維
【００１６】
複合体オーバーラップ用途に使用される多くの市販の繊維がある。これに関して、炭素繊維は典型的には、それらの強度のために圧縮天然ガス（ＣＮＧ）と共に典型的に使用されるタイプＩＶのＣＯＰＶのために選択される。ＣＮＧと共に使用されるタイプＩＶのＣＯＰＶは、プラスチックライナーが疲労しないという事実に起因して、複合体オーバーラップについての強度が求められる用途である。他の用途では、ガラス繊維、天然繊維、ナノファイバーまたはアラミド繊維の使用が要求されることがある。当業者であれば、熱可塑性樹脂系に適合する他の公知のタイプの繊維があることを認識するであろう。ＣＮＧに使用されるタイプＩＩＩのＣＯＰＶは、アルミニウムライナーが疲労する傾向があることが知られているため、モジュラスが求められる用途である。当業者であれば、強度が求められる用途は、モジュラスが求められる用途のために選択された繊維とは異なる特性を有する繊維を必要とすることを認識している。様々な繊維の様々な物理的属性は、本発明の範囲および本質に包含される。
【００１７】
種々の市販されている繊維は、熱可塑性樹脂系に適合しないサイジングからなることが当業界において知られている。当業者であれば、サイジングは、個々の繊維フィラメントを保護し、その後の繊維の取り扱いを可能にするために使用される保護フィルムであること；および、サイジングは、繊維とマトリックスとの間の接着を促進することを認識している。したがって、例示的な実施形態では、ポリプロピレンおよびナイロン樹脂などの熱可塑性樹脂と適合するサイジング化学物質を有する繊維が選択される。例示的な実施形態では、炭素繊維製造プロセスの後ではなく、そのプロセスの間に、サイジングが繊維に適用される。さらに、いくつかの繊維およびいくつかのサイジング化学物質が湿分を吸収するという既知の傾向があるため、乾燥によっていかなる潜在的な湿分をも除去しなければならない。さもなければ、繊維と樹脂を組み合わせるプロセスの間に湿分が追い出されて、構造内に多孔性が生じる。この多孔性は、製品の性能・品質を低下させる。例示的な実施形態において、繊維は、オーブン乾燥機または赤外線乾燥機にて乾燥することができる。当業者は、繊維を乾燥させる他の既知の方法があることを認識するであろう。    
【００１８】
樹脂
【００１９】
本発明によれば、エポキシ樹脂とは対照的に、熱可塑性樹脂が好ましい。ナイロン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、およびポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂系を含めて、多くの市販の熱可塑性樹脂がある。当業者であれば、本発明のインサイチュープロセスに容易に適合させることができる他の商業的に既知の熱可塑性樹脂系があることを認識するであろう。タイプＩＶ圧力容器の場合、使用されているプラスチックライナーのために低温の熱可塑性物質を使用する必要がある。例示的な実施形態において、ポリプロピレン樹脂は、プラスチックライナーのタイプＩＶ圧力容器と共に利用される。さらなる例示的な実施形態では、タイプＩＩＩ圧力容器の場合、ナイロン樹脂系のようなより高い温度の樹脂系が選択される。
【００２０】
熱可塑性樹脂が種々の異なる化学的形態で利用可能であるように、これらの樹脂は種々の物理的形態で利用可能である。熱可塑性樹脂は、ペレット、フィルム、およびスレッド（糸）として利用可能である。これらの各々は、本インサイチュー溶融プロセスで使用するように適合させることができるが、ペレット形態の樹脂を使用する方がより経済的である。繊維に関して上述したように、吸収された湿分は乾燥プロセスによって排除されることが重要である。これに関して、フーパー（Ｈｏｏｐｅｒ）乾燥機、オーブン乾燥機、導電ローラー、および赤外線乾燥機を、熱可塑性樹脂を乾燥するために利用することができる。湿分は、オーブン乾燥機システムの使用によって、当業者に認識されるように、除去することもできる。
【００２１】
材料の調製
【００２２】
熱可塑性樹脂を乾燥させた後、樹脂材料の粘度を大幅に低下させる必要がある。樹脂の最小粘度は、選択された温度で、選択された時間にわたって加圧下で減少する。この点に関して、時間、温度、および圧力は、樹脂をその最小粘度にまで下げる過程における相互依存変数である。例示的な実施形態では、摩擦、圧力、および時間を増加させることによって樹脂の粘度を低下させるためにせん断アーバー（ａｒｂｏｒｓ）が使用される。導電ヒーター、誘導ヒーター、赤外線ヒーター、または熱可塑性樹脂をその粘度を下げるために加熱する他の現在知られている方法またはその後に発見された他の方法の使用によって熱が加えられる。所望の温度は、第一に、選択された樹脂の化学に依存することが理解されるであろう。粘度が所望のレベルまで低下すると、溶融した樹脂が繊維トウに完全に浸透することを確実にするために加圧下で、溶融した樹脂を、以下に記載するようにさらに調製した繊維と組み合わせる。
【００２３】
溶融樹脂による浸透の前に、繊維を調製しなければならない。最適な性能を提供するために、耐荷重繊維（ｌｏａｄ−ｂｅａｒｉｎｇ  ｆｉｂｅｒ）は、均一かつ均等に所望のバンド幅に拡がっていなければならない。さらに、拡幅プロセス中および浸透ステップ中に、炭素繊維トウ内の個々のフィラメントがすべて同じ張力下にあることを確実にするように注意しなければならない。この重要なステップはまた、個々のフィラメントの中へ又は周囲での樹脂の浸透を容易にする。例示的な実施形態では、上流の張力および下流の張力は、互いに隔離されている。繊維の損傷を防ぐため、含浸領域の張力アップストリーム（ｔｅｎｓｉｏｎ  ｕｐ  ｓｔｒｅａｍ）を最小限に保つ。樹脂の浸透を容易にするために、含浸プロセス中に圧力を最小限に抑える。しかしながら、含浸プロセスの後、個々のフィラメントの整列および均一性を改善するために圧力が高められる。機械的ローラー、コーム、空気流、および超音波装置は、原料の繊維トウを所望のバンド幅に拡げ、トウ内の全ての繊維が同じ張力下にあるようにトウに対して張力を維持するための既知の装置である。
【００２４】
繊維トウの個々のフィラメントが均一かつ正確に所望のバンド幅まで拡げられた後、適切かつ完全な含浸を確実にするために、繊維トウを溶融樹脂と同じ、またはある場合にはより高い温度に加熱しなければならない。当業者は、誘導炉、オーブンの使用、または導電ローラーの使用によって、または他の方法によって繊維トウを加熱できることを認識するであろう。
【００２５】
材料の組み合わせ  −  繊維への樹脂含侵
【００２６】
上で言及したように、繊維トウを調製し、すなわち乾燥させ、所望のバンド幅に拡げ、加熱し、樹脂がその最小粘度になった後、例示的な実施形態では加圧下で、繊維トウに溶融樹脂を含浸させる。正圧又は負圧のいずれかの加圧下での含浸は、圧縮プレス、圧縮ローラー、圧縮ダイまたは加圧含浸によって達成することができる。例示的な実施形態では、この工程は、加圧容器などの加熱された加工対象物に溶融複合体を適用する直前に行われる。これに関して、本発明のインサイチュープロセスでは、フィラメントの巻取りヘッドにおいて、またはフィラメントの巻取りヘッドに非常に近接して、繊維トウに溶融樹脂を含浸させる。
【００２７】
材料の適用  −  炭素繊維インサイチュープロセス
【００２８】
繊維および樹脂が加圧下でトウプレグを形成するように組み合わされると、トウプレグは一定のバンド幅、張力および温度に保たれる。上述のように、張力は制御され、上流の張力は下流の張力から分離される。バンド幅および温度は、上述のように制御される。ある層を別の層に接着させるために、トウプレグが敷設される位置を、熱可塑性樹脂系の融点とほぼ同じ温度にし、そしてその温度に保つ。これにより、個々のフィラメントを互いにスライド（摺動）させることができ、それによりトウの適用中に個々のフィラメントを相対的に同じ張力下に存在させることが可能になる。さらに、層が敷設されるときに溶融状態を維持することにより、閉じ込められた空気を逃がすことが可能になる。誘導コイル、導電ローラー、火炎、赤外線ヒーターなどの熱源は、限定ではなく一例として、オーバーラップされる圧力容器または他のツールを加熱するために利用される。オーバーラップされる圧力容器または他のツールへ溶融トープレグを圧縮・押圧して圧密化するために外力を利用する。この圧縮プロセスは、閉じ込められた空気を除去し、オーバーラップされた繊維樹脂複合体の層群を圧密化する。圧縮ローラーまたは同様の装置が、この圧縮プロセスに利用される。
【００２９】
当業者であれば、圧力容器全体を所定温度まで上げることができ、または加熱を、オーバーラッププロセスを受けるツール表面の部分に、隔離または局在化させることができることを理解するであろう。さらに、繊維樹脂複合体の連続した複数の積層体が敷設されるとき、その温度が維持される。
【００３０】
例示的な実施形態では、炭素繊維、熱可塑性樹脂がフィラメント巻取り機で組み合わされて熱可塑性樹脂複合体を生成し、その後、圧力容器などの加工対象物に溶融状態のまま配送される。当業者であれば、自動テープ敷設システムおよび他のトウ敷設システムなどの他の複合体製造装置を本発明のプロセスと共に利用できることを認識するであろう。この目的を達成するため、上述したように、炭素繊維に溶融した熱可塑性樹脂を含浸させるように、繊維と樹脂を加熱して加圧下で組み合わせる。次いで、それが溶融されている間に、溶融複合体のマトリックスを、熱可塑性樹脂の融点まで同時に加熱されたツール（圧力容器ライナー、シャフトまたは他の構造）の表面に塗布する。これに関して、例示的な実施形態では、火炎または加熱された導電ローラーシステムのような加熱システムが、ツールの表面を加熱するために利用される。当業者であれば、他の熱源を利用できることを認識するであろう。炭素繊維はこの熱（誘導熱）を迅速に吸収し、この熱を熱可塑性樹脂に自動的に伝達する。次いで、溶融トウプレグを、圧縮ローラー、ダイまたは他の装置によって、所望のバンド幅のテープ形態に圧縮することができる。それから、このホットコンポジット、すなわちホットトウプレグまたは溶融ホットテープを加熱されたツール表面に塗布する。熱可塑性樹脂の融点の近くまで高められた温度で作業面を維持することによって、連続する複数の層が互いに接着する。従って、本発明のインサイチュー溶融プロセスでは、ガス、誘導、赤外線または他の既知の熱源であってよい別の熱源を使用することにより、ツールまたは複合体の領域を圧密化する前に加熱する。
【００３１】
インサイチュー溶融プロセスの使用はまた、カテナリー、折り目、およびシワが減少または排除されるという点で複合体の性能を増大させる。この点に関して、炭素繊維トウプリプレグ内の個々のフィラメントは、均等かつ均一な張力になることが可能である。これが達成される理由は、プリプレグ中の樹脂系が溶融され、それによってトウ内の個々のフィラメントが互いに対して摺動することを可能にし、それによって繊維トウの機械的特性が可能性ある最高の状態に達するからである。また、これは、トウ複合体内の炭素繊維の内層および外層が互いに滑り込み、繊維樹脂複合体の繊維束内に均一な張力を与えることができるからである。さらに、本明細書に記載の熱可塑性インサイチュー溶融プロセスは、任意の複合体製造装置に使用できることが認識されるであろう。それは、ファイバ配置機またはプルトルージョンなどの他の装置内で使用することができる。
【００３２】
本発明は、いくつかの実施形態の説明によって例証されており、例示的な実施形態を詳細に記載してきたが、添付の特許請求の範囲をそのような詳細に制限し、あるいはいかなる方法によっても限定することは、出願人の意図するところではない。当業者であれば、さらなる変更が容易に思い浮かぶであろう。したがって、より広範な態様における本発明は、特定の詳細、代表的な装置および方法、および図示され説明される例証に限定されない。したがって、出願人の一般的な発明概念の本質または範囲から逸脱することなく、そのような詳細から出発することができる。
【図１Ａ】
2018534183.tif 000003
【図１Ｂ】
2018534183.tif 000004
【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
2018534183.tif 000006
【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【国際調査報告】
2018534183.tif 000009