(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリマー基材に繊維を挿入する装置であって、
挿入される前記繊維（１６）の経路を案内する貫通孔（３０）を内部に有する中央部（２６）と、
挿入される前記繊維（１６）を切断する、前記中央部（２６）と組み合わされたカッター（１８）と、
挿入される前記繊維（１６）を前記中央部（２６）から受け入れ、前記ポリマー基材（１２）に貫入させる、該中央部（２６）の第１の端部に連結されている中空のニードル（１４）と、
前記中空のニードル（１４）から遠い側の前記中央部（２６）の端部に面した貫通孔（３２）を備えた上端部（２８）であって、該貫通孔（３２）は前記ポリマー基材（１２）に挿入される前記繊維（１６）を受け入れ、前記中央部（２６）は前記ニードル（１４）に沿って前記上端部（２８）に対して相対移動可能な上端部（２８）と、
挿入される前記繊維（１６）の前記ポリマー基材（１２）に対する位置を制御する、前記上端部（２８）と前記中央部（２６）との間に設けられている第１の係止手段（２２）および第２の係止手段（２０）と、
を有する装置。
【請求項２】
前記第１の係止手段（２２）は前記上端部（２８）と、前記第２の係止手段（２０）は前記中央部（２６）と各々組み合わされ、前記中央部（２６）は前記上端部（２８）に対して相対移動可能であり、前記中央部（２６）が前記上端部（２８）から離れ、かつ、前記中空のニードル（１４）が前記ポリマー基材（１２）に貫入される前に、前記第２の係止手段（２０）はロック位置にあり、かつ前記第１の係止手段（２２）はロック解除位置にある、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記中央部（２６）が前記上端部（２８）から離れ、かつ、前記中空のニードル（１４）が前記ポリマー基材（１２）に貫入される前に、前記第２の係止手段（２０）はロック解除位置にあり、前記第１の係止手段（２２）はロック位置にあり、かつ前記カッター（１８）は挿入される前記繊維（１６）を切断するようにされている、請求項２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、強化材を基材に組み入れるための方法および装置に関する。このような強化は、プラスチック、ポリマーおよびエラストマーの製品において有効である。
【０００２】
【従来の技術】
多年にわたって、プラスチックおよびポリマーの製品を強化するための短繊維の使用に関心が払われていたが、押出し成形および混合に限界があるために、このような強化に対する潜在的可能性が全面的に開発されたわけではない。既存の加工法では、繊維は典型的には混合段階で混合材料としてコンパウンドに添加されている。しかし、繊維の組み入れによってコンパウンドの粘性が増大するために生じる加工の難しさの故に、このような混合は、長さが短い繊維と、低い繊維充填率とそして低いコンパウンド粘性との場合に限られている。さらに、コンパウンドの混合中に繊維は折れ、そしてコンパウンド内で固まりとなり、コンパウンド基材の中で分散が不十分な繊維のポケットを作る傾向がある。
【０００３】
混合の後には、コンパウンド内の繊維は通常ランダムな方向を向いている。ゴム構成材料内において、方向性を有するように方向付けて繊維を組み入れる試みは、ある程度の成功を収めたが充分ではなかった。押出し成形およびカレンダー工程中に、コンパウンド内の繊維は流動方向に整列する傾向があるが、混合段階において生じる繊維のランダムな向きは、エラストマー基材の粘弾性のために決して完全に除去することはできない。したがって、加工中における繊維の方向付けは、高度に調整されている流れの場を使用しても完全に制御することはできない。その結果、押出し成形またはカレンダーされる構成材料の縦方向において、完全な、即ち１００％の繊維の方向付けは達成することはできない。
【０００４】
押出し成形およびカレンダーの工程を通じて、ある程度の繊維の縦方向の方向付けが達成でき、そして縦方向の方向付けはある種の応用には有利であるが、ゴム構成材料の表面に垂直に、即ちゴム構成材料の厚さ方向に方向付けられている繊維は、構成材料の耐磨耗性および横方向の剛性を改善することができると考えられている。しかしながら、このような繊維複合材料は、従来の加工作業によっては作ることができない。製造には非常な困難がつきまとうが、垂直な繊維方向付けを達成する試みは、２つの方法によってなされている。第１の方法は、非常に手間のかかるものであり、ある程度縦方向の繊維の方向付けがなされているカレンダーまたは押出し成形された繊維充填構成材料を切断し、次に、垂直な繊維方向付けを与えるために、圧延されたシートの断片を回転させ、これらの断片を並列に並べ合わせることを必要とする。第２の方法は、急速膨張ダイを通して短繊維強化コンパウンドを押出し成形して、押出しシートをアコーデオン状に折り畳ませ、それによって薄板構造が得られる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
耐磨耗性および横方向の剛性のような特性に対して、繊維複合材料が有している効果に関する基礎的な研究を実施するには、ポリマー構成材料内において制御された繊維の方向付けおよび分布を得ることができる新しい技術が、先ず開発されなければならない。
【０００６】
本発明の目的は、ポリマー構成材料内における繊維の正確な方向付けを達成するであろう、新しい加工技術を開発することである。
【０００７】
正確に配置されかつ正確に或る角度をなしている繊維強化を施されている複合材料を提供することもまた、本発明の目的の一つである。
【０００８】
本発明のその他の目的は、上記の請求の範囲と以下の説明によって明らかになるであろう。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ポリマー基材に繊維を挿入する装置に関する。本装置は、挿入される繊維の経路を案内する貫通孔を内部に有する中央部と、挿入される繊維を切断する、中央部と組み合わされたカッターと、挿入される繊維を中央部から受け入れ、ポリマー基材に貫入させる、中央部の第１の端部に連結されている中空のニードルと、中空のニードルから遠い側の中央部の端部に面した貫通孔を備えた上端部であって、貫通孔はポリマー基材に挿入される繊維を受け入れ、中央部はニードルに沿って上端部に対して相対移動可能な上端部と、挿入される繊維のポリマー基材に対する位置を制御する、上端部と中央部との間に設けられている第１の係止手段および第２の係止手段と、を有している。
【００１０】
第１の係止手段は上端部と、第２の係止手段は中央部と各々組み合わされ、中央部は上端部に対して相対移動可能であり、中央部が上端部から離れ、かつ、中空のニードルがポリマー基材に貫入される前に、第２の係止手段はロック位置にあり、かつ第１の係止手段はロック解除位置にあることが好ましい。また、中央部が上端部から離れ、かつ、中空のニードルがポリマー基材に貫入される前に、第２の係止手段はロック解除位置にあり、第１の係止手段はロック位置にあり、かつカッターは挿入される繊維を切断するようにされていることが好ましい。
【００１１】
ガードは、中央部とニードルとの連結の役割を果たし、そしてニードルを基材へ貫入させるときの終点またはストッパーとして作用する。
【００１２】
基材に材料を挿入するための方法もまた提供され、この方法には以下の段階、即ち、（ａ）挿入される材料のために中空のニードルのような案内手段を準備する段階と、（ｂ）挿入される材料を案内手段に導く段階と、（ｃ）開始位置において第２の係止手段を用いて挿入される材料を案内手段に対する固定位置に締め付ける段階と、（ｄ）所望の長さにその材料を切断する段階と、（ｅ）第２の位置まで案内手段を基材内に挿入する段階と、（ｆ）第２の係止手段を解放し、そして挿入される材料を案内手段とは独立した固定位置に締め付けるために第１の係止手段を作動させる段階と、そして（ｇ）基材から案内手段を引き抜き、そしてこの案内手段を開始位置に戻す段階とが含まれる。切断段階（ｄ）は、材料が基材に挿入される前でも、あるいは挿入された後にでも、実施することができる。
【００１３】
この方法には、さらに挿入される材料として繊維を使用する段階と、エラストマーである基材を選択する段階が含まれる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
繊維強化製品における強化繊維の正確な方向付けによって、上述のように強化が相当に改善されるであろうという考えに基づいた本発明の着想により、発明者は、製品に繊維を正確に挿入することを提起した。繊維を製品に挿入することによって、繊維の方向付け（角度）および繊維の集中度が制御され、最も有益でかつ効果的な繊維強化材の利用が最適化されることが可能であると考えられる。例えば、最も強化を必要とする箇所に、繊維強化材をもっと集中させ、そして強化を最大にするために、繊維強化材を正確に方向付けする（正確な角度となるようにする）ことができる。
【００１５】
本発明は、どのようなタイプのプラスチック製品にも、あるいはポリマー製品にも応用できるが、説明を容易にするために、エラストマー製品、特にゴム製品に適用されたものとして示される。
【００１６】
本発明の装置はまた、広範囲な材料、例えば、強化ポリマーブレンド、高粘着性または低粘着性の接着材、充填材などを基材に挿入するために用いられ得ることは、当該技術に熟達している専門家には明らかであろう。説明を容易にするために、本発明はゴム製品に対する繊維強化材の挿入に関して記述される。示されている実施の形態では、モノフィラメント繊維またはヤーン繊維を用いることができる。
【００１７】
切り離された繊維の挿入では、ゴム構成材料内における繊維の正確な方向付けおよび分布を達成するために、未硬化のゴム基材にそれぞれ個々に繊維を挿入することが必要である。構成材料加工の混合段階および成形段階の後に、繊維がゴムに添加されるので、繊維の寸法、繊維の充填度、またはコンパウンドの粘性によって切り離された繊維の挿入技術は限定されることはない。
【００１８】
ここで図１〜４に、装置１０が本発明の方法にしたがって行われる様々な作業段階で図示されている。
【００１９】
特に図１を参照すれば、本発明の装置１０は、ガード２４を介して中央部２６に取り付けられている中空のニードル１４を有するニードル組立体１０を備える。中央部２６は、これに付随しているカッター１８を有し、このカッターは、上端部２８の孔３２を通ってこの装置に入って来る連続的な繊維の挿入材料１７をそれぞれ個別的な長さに分離するために用いられる。上端部２８は、係止手段２０、２２によって中央部２６から隔てられ、そして、図示されている実施の形態では固定されており、一方中央部２６は上端部２８から分離可能であり、そして上端部２８に対して往復運動を行うことができる。
【００２０】
この装置を開発しているとき、中央部２６にカッター１８を配置することは機械的に面倒であることが、判明した。このような配置は実現可能ではあるが、挿入された材料を基材の表面で切断することを可能にする位置にカッターを配置する方が簡単であると発明者は認識している。このような位置は、本発明において考慮されている挿入材料のある種のものにはより適しているとも考えられる。当該技術に熟達している専門家ならば、挿入される特定の材料と特定の基材に最も適している装置内の位置にカッターを配置することができよう。
係止手段２０、２２は、それぞれの係止手段に対して繊維１６を動かないように保持するために繊維１６に対してロックする（閉じる）ことができ、そして繊維を解放するためにロックを解除する（開ける）ことができる。
【００２１】
設計された実施の形態では、係止手段は１方向のみに回転するローラクラッチである。このローラクラッチは、材料が所望の方向に引かれるとロックを解除し、そして反対方向に材料を動かすような力が働くときにはロックする。当該技術に熟達している専門家には、他のタイプの把持手段も可能であることは明らかであろう。
【００２２】
ニードル組立体１０の動作時に、連続的な繊維の挿入材料１７は上端部２８の孔３２を通ってニードル組立体１０内に入り、係止手段２０、２２を通りそして中央部２６の孔３０を通って中空のニードル１４に至る。図示されている実施の形態では、基材１２内において強化材として用いられるための所望の長さの繊維１６がニードル組立体１０の中に貫入されると、連続的な繊維の挿入材料１７から繊維１６を切り離すためにカッター１８が作動する。切断の後でも連続的な繊維の挿入材料１７はニードル組立体１０の中に押し込まれ続け、繊維１６を中空のニードル１４に押し入れる。繊維１６が中空のニードル１４に送り込まれ終わったとき、下部の第２の係止手段２０が連続的な繊維の挿入材料１７を締め付けて固定する。
【００２３】
上述のように、カッター１８は、繊維１６が挿入された後に基材の表面で繊維１６を切り離す位置に配置することができる。
【００２４】
繊維１６を基材１２に挿入するために、ニードル組立体１０の中央部２６は、基材１２の方向に押されるか、または駆動され、図２に示されているようにニードル１４を基材１２に貫入させる。この運動の間、下部の第２の係止手段２０はロックされたままであり、そして上部の第１の係止手段２２はロックを解除された状態のままなので、正確な長さの繊維が連続的な繊維の挿入材料１７から引き出されて、ニードル組立体１０に送られることが可能になる。引き出された繊維の長さは、基材１２にニードル１４を貫入させる間における中央部２６の行程の長さに等しい。
【００２５】
ゴムの粘弾性の故に、挿入が迅速に行われれば行われるほどニードルによって基材に形成される孔が小さくなると考えられている。
【００２６】
ガード２４は、ニードル組立体１０にニードル１４を取り付ける手段であると共に、基材１２へ向かう中央部２６の下降運動に対するストッパーとしても作用することができる。例えば伝動装置において、もし中央部２６の下り行程に正確な長さが与えられていなければ、ガード２４は、基材１２へのニードル１４の貫入を止めさせるために、基材１２に当たってそこで止まることができる。
【００２７】
図３に示されているように、基材１２からニードル１４を引き抜く前に下部の第２係止手段２０はロックを解除され、そして図４に示されているようにニードル１４が基材１２から引き抜かれるとき、繊維１６が基材１２内に解放されて残るように上部の第１の係止手段２２はロックされる。ニードル１４が基材１２から引き抜かれ、そして下部の第２の係止手段２０がロックを解除され、かつ上部の第１の係止手段２２がロックされているとき、中央部２６の下降行程において抜き出された連続的な繊維の挿入材料１７は、その上昇行程において中央部２６内に押し入れられる。こうして、連続的な繊維の挿入材料１７は押されて、中央部２６および中空のニードル１４の中に入り、そしてニードル１４が引き抜かれるとき繊維１６が基材１２から引き上げられるのを防ぎ、こうして繊維１６は基材１２内に残る。
【００２８】
図４のように基材１２からニードル１４が引き抜かれた後、下部の第２の係止手段２０はロックされ、上部の第１の係止手段２２はロックを解除され、カッター１８は新しい長さの繊維１６を切断するために作動させられ、そして、再び工程を実行するためにこの装置は図１に示されている状態に戻る。
【００２９】
繊維は、硬化されるときに、この繊維とゴムとの間の結合度を高めるために、ＲＦＬ接着剤（レソルシノールホルムアルデヒド樹脂系接着剤）か、または当該技術に熟達している専門家にとっては公知の他の接着剤で、コーティングされてもよい。
【００３０】
装置１０が基材１２に材料を挿入するために用いられる本発明の方法では、装置１０の方向付けの角度または基材１２の方向付けの角度が、材料（図示されている実施の形態では繊維１６）が特定の正確な角度で基材に挿入されるように制御される。
【００３１】
挿入角度の選択は、使用されるときに基材１２が遭遇すると予測される力の種類と、そして遭遇すると予測される表面の種類とに基づいて決定される。図５を参照すると、例えば、もし基材１２がタイヤトレッドのショルダ５２であり、耐磨耗性が必要とされるならば、繊維１６は、タイヤが急カーブを切る時に、トレッドの表面に鉛直（垂直）になるであろう角度で挿入されるとよい。さらに説明すれば、もし基材１２がタイヤトレッド５０の中央部５４であり、そして平滑な表面上での牽引力が所望されるのであれば、回転するトレッドにおける接着材と道路面との接触を最大にする角度で、高粘着性または低粘着性の接着材をトレッドの中央部に挿入するとよい。
【００３２】
本発明の方法は以下のように要約できる。即ち、装置１０および基材１２が互いに対して正しく方向付けされ、そして挿入される材料が装置１０に取り入れられると、ニードル１４が基材１２に挿入され、材料が挿入されている間に、さらに基材１２に挿入される材料が装置１０に送られ、そしてニードル１４が基材１２から引き抜かれると、新たに送られた材料が挿入された材料をニードル１４から押し出し、その結果、挿入された材料は基材１２の中に残される。
【００３３】
図１〜４を参照すると、本発明の図示されている実施の形態では、連続した繊維がスプールから中空のニードル挿入組立体に供給され、ここで繊維は所定の長さに切断される。特定の製品においてそれが用いられるとき、繊維強化の利益を最大限に発揮するように、特定の貫入角度が選択され、そして次に、所定の長さに切断された繊維は中空のニードル軸に収められ、そして一方、ニードル組立体１０はエラストマー基材に貫入するために降下させられる。ニードルがエラストマー基材から引き抜かれるとき、切断された繊維はニードルによって開けられたばかりの孔の中に配置される。ニードル組立体１０の貫入角度を制御することにより、配置される繊維の方向付けが制御される。
【００３４】
この方法は、当明細書と同日出願の同時継続出願（添付文書、ｉｄ２０００−３５４）において、幾つかの特定の製品に関してさらに説明されている。
【００３５】
本発明の装置は、単一ユニットとしても使用されることも、または複数のユニットが並ぶように並列に配置されることも可能である。列として用いられるとき、各ユニットにはそれぞれ個別の繊維の列が１つ割り当てられ、各列において適用される繊維は、他の列における繊維と同じでも、または異なっていてもよい。各ユニットは、列内において同じ密度でも異なる密度でも、また同じ角度でも異なる角度でも、繊維を割り当てることができ、その結果として適用された繊維の特定のパターンが得られる。所望のパターンを提供するために、各列をコンピュータ制御することもできる。
【００３６】
一例として図５のタイヤトレッドを取り上げると、急カーブを切るときにタイヤのショルダにかかる応力の故に、より優れた強化および牽引力が必要であるタイヤトレッド５０のショルダ５２に、より高い密度の繊維１６を挿入することが望ましい。応力および磨耗がより少ないタイヤの中央部５４では、より低い密度の繊維１６が求められる。
【００３７】
トレッドの中央においては、繊維は牽引力を増大させるために、タイヤの加速時に繊維が舗装を掴むように選択された鋭角に方向付けされるとよいと推測されているが、ほとんどの応用では、トレッドの面に垂直な繊維の方向付けが最も有利であると、考えられている。
【００３８】
当該技術に熟達している専門家であれば、エイペックス、サイドウォール、トウガードなどのようなタイヤの他の構成要素においても、またコンベヤベルトのような他の製品においても、当明細書において上述された原理を用いて、構成要素または製品にかかる応力および力に基づき、挿入される強化材の適宜な集中度および方向付けを決定することができよう。
【００３９】
【発明の効果】
ニードル組立体を用いて補強用の挿入材料を基材に個別に挿入するので、補強材である繊維を正確な向きで正確な密度でポリマー構成材料内に配置することができるという効果がある。
【００４０】
このことによって、正確に配置され、かつ正確に或る角度をなしている繊維で強化を施されている複合材料を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】基材に材料を挿入するための開始位置にある本発明の装置を示す模式的断面図である。
【図２】基材に材料を挿入している状態の本発明の装置を示す模式的断面図である。
【図３】基材から引き上げられる位置にある本発明の装置を示す模式的断面図である。
【図４】基材から引き上げられた後における本発明の装置を示す模式的断面図である。
【図５】正確に或る角度をなし（方向付けられ）そして位置決めされた繊維を含む複合材を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
１０    ニードル組立体（装置）
１２    基材
１４    中空のニードル
１６    繊維
１７    挿入材料
１８    カッター
２０    第２の係止手段
２２    第１の係止手段
２４    ガード
２６    中央部
２８    上端部
３０，３２    孔
５０    タイヤトレッド
５２    ショルダ
５４    中央部
【図１】
0004121736.tif 000002
【図２】
0004121736.tif 000003
【図３】
0004121736.tif 000004
【図４】
0004121736.tif 000005
【図５】
0004121736.tif 000006