(57)【要約】繊維強化ポリマーテープを形成するためのシステム及び方法を開示する。方法には、たとえば入口と出口とを含むシステムの中を通ってポリマーで含浸させたロービングを横断させる工程、ポリマーで含浸させたロービングにシステム内部で圧密圧力を加える工程、及びポリマーで含浸させたロービングにシステム内部で平滑化圧力を加える工程を含むことができる。本方法はさらに、入口と出口との間の熱伝達装置で、ポリマーで含浸させたロービングの温度を調節する工程を含むことができ、前記熱伝達装置は、入口ではポリマーで含浸させたロービングの温度とは異なる温度をもつ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維強化ポリマーテープの成形方法であって：
入口と出口を含むシステムの中を通してポリマーで含浸させたロービングを横断させる工程；
前記ポリマーで含浸させたロービングにシステム内部で圧密圧力を加える工程；
前記ポリマーで含浸させたロービングにシステム内部で平滑化圧力を加える工程；及び
入口と出口との間の熱伝達装置で、ポリマーで含浸させたロービングの温度を調節する工程であって、前記熱伝達装置は、入口ではポリマーで含浸させたロービングの温度とは異なる温度をもつ、前記工程
を含む前記成形方法。
【請求項２】
前記圧密圧力が、約100ポンド/平方インチ〜約22,000ポンド/平方インチである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記平滑化圧力が、約100ポンド/平方インチ〜約8,000ポンド/平方インチである、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記熱伝達装置が冷却装置であり、ここで入口におけるポリマーで含浸させたロービングの温度は、ポリマーで含浸させたロービングのポリマー材料の融点より高く、出口における繊維強化ポリマーテープの温度は、ポリマーで含浸させたロービングのポリマー材料の融点より低い、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記熱伝達装置が、入口と出口との間に伸長するベルトを含む、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記調節する工程が、入口と出口との間でポリマーで含浸させたロービングと冷却装置とを連続して接触させる工程を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
前記熱伝達装置が、複数のローラーを含む、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
前記熱伝達装置が熱伝達チャンバを含む、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記圧密圧力と前記平滑化圧力がローラーによって加えられる、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記システム内部で熱伝達媒体を循環させる工程をさらに含む、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
入口と出口との間の距離は約２フィートから約20フィートである、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記ポリマーが熱可塑性物質である、請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
繊維強化ポリマーテープの成形システムであって、前記システムは：
入口；
前記入口の下流に配置された出口；
ポリマーで含浸されたロービングが入口と出口との間を横断するのにつれて、圧密圧力をポリマーで含浸されたロービングに加えるように操作可能な圧密圧力装置；
ポリマーで含浸されたロービングが入口と出口との間を横断するのにつれて、成形圧力をポリマーで含浸されたロービングに加えるように操作可能な成形圧力装置；及び
入口と出口との間に配置され、入口と出口との間でポリマーで含浸されたロービングの温度を調節するように操作可能である熱伝達装置
を含む前記成形システム。
【請求項１４】
前記圧密圧力装置は、入口に配置されて圧密圧力を加える複数の入口ローラーを含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記複数の入口ローラーのそれぞれの内部に配置された熱伝達媒体をさらに含む、請求項１３又は１４に記載のシステム。
【請求項１６】
複数のベルトとポリマーで含浸されたロービングとの間の接触により、ポリマーで含浸されたロービングの温度を調節するように、複数のベルトのそれぞれと複数の入口ローラーとの間の接触により複数のベルトのそれぞれの温度を調節する、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
熱調節器をさらに含み、ここで前記熱伝達媒体が、複数の入口ローラーのそれぞれと熱調節器との間で循環される、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
前記成形圧力装置が、入口と出口との間に配置されて成形圧力を加える複数の中間ローラーを含む、請求項１３〜１７のいずれかに記載のシステム。
【請求項１９】
前記出口に配置された複数の出口ローラーをさらに含む、請求項１３〜１８のいずれかに記載のシステム。
【請求項２０】
前記熱伝達装置は複数のベルトを含み、前記複数のベルトのそれぞれは入口と出口との間に伸長し、前記複数のベルトのそれぞれは、前記入口と出口との間でポリマーで含浸されたロービングを接触させ、ロービングの温度を調節するように操作可能である、請求項１３〜１９のいずれかに記載のシステム。
【請求項２１】
前記複数のベルトのそれぞれが、入口と出口との間でポリマーで含浸されたロービングと連続して接触するように操作可能である、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記熱伝達装置が複数のローラーを含む、請求項１３〜２１のいずれかに記載のシステム。
【請求項２３】
前記熱伝達装置が熱伝達チャンバを含む、請求項１３〜２１のいずれかに記載のシステム。
【請求項２４】
前記圧密圧力装置に接続された油圧シリンダーをさらに含み、前記油圧シリンダーは、圧密圧力装置が圧密圧力を加えるように操作可能である、請求項１３〜２３のいずれかに記載のシステム。
【請求項２５】
前記出口に配置された複数のドクターブレードをさらに含む、請求項１３〜２４のいずれかに記載のシステム。
【請求項２６】
前記ポリマーが熱可塑性物質である、請求項１３〜２５のいずれかに記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
[0001]本出願は、2012年12月20日出願の米国仮特許出願番号第61/740,001号の出願の利益を請求する。前記出願は、その全体が本明細書中、参照として含まれる。
【背景技術】
【０００２】
[0002]ポリマー樹脂に埋め込まれた繊維から成形された複合体テープ及びロッドは、広範な用途で使用されてきた。たとえばそのようなテープ、特にそのテープから成形されたロッドは、軽量の構造補強体として使用することができる。そのようなロッドの具体的な一用途は、石油及びガス産業、たとえば海中での用途並びに海岸の油田及びガス生産現場である。海岸または海中での用途では、たとえば多層管は、ライザー、移送ライン、供給パイプライン及び/または他の好適な管アセンブリで使用することができる。生産現場での用途では、多層管は、ライザー、インフィールド流路、輸出パイプライン及び/または他の好適な管アセンブリで使用することができる。たとえば電力供給パイプラインは、海底に配置された装置と海面との間で流体及び/または電気信号を伝送するのに使用されることが多い。そのような供給パイプラインの強化に役立てるために、別の積荷部材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。そのようなロッドの他の用途としては、高圧ケーブル、ロープ(tether)での使用を挙げることができる。テープの用途としては、たとえばその強化を提供するための高圧容器での使用を挙げることができる。一般に、複合体テープ及びロッドは、たとえば高強度対重量部材(high strength-to-weight element)、高い耐腐食性及び/または低い熱膨張特性が必要となりえる任意の好適な用途で使用することができる。
【０００３】
[0003]しかしながら、複合体テープ及びロッドを製造するための現在公知の方法及び装置には、多くの深刻な問題がある。たとえば複合体テープ及びロッドは一般に、繊維ロービングにポリマー樹脂を含浸させることによって成形する。所望の強度特性の達成に役立てるために、多くのロービングは熱硬化性樹脂(たとえばビニルエステル)に依存している。熱硬化性樹脂は製造の間に使用するのが難しく、他の材料と層を成形するための良好な結合特性をもたない。さらに、他のタイプの用途では、熱可塑性ポリマーから含浸ロービングを成形する試みもなされてきた。たとえば米国特許公報第2005/0186410号(Bryantら)(特許文献１)は、送電ケーブルの複合体コアを成形するために、炭素繊維を熱可塑性樹脂に埋め込む試みについて記載する。驚くべきことに、Bryantらは、繊維が不十分に湿潤するため、これらのコアが傷やドライスポットを示して、耐久性及び強度が悪くなったと指摘している。そのようなコアの別の問題点は、熱可塑性樹脂が高温で操作できなかったことである。
【０００４】
[0004]最近になって、複合体テープを成形するために熱可塑性樹脂と繊維ロービングとを使用できる方法及び装置が開発された。しかしながら、これらの現在使用されている方法及び装置は、多くの場合においてさらに問題を引き起こしていた。たとえば現在公知の方法及び装置では、望ましくないほど高い空隙レベル(void level)をもつ複合体テープとなっていた。さらに、現在公知の方法及び装置は、一般に高価であり、高レベルの余分なスクラップを生じる。
【０００５】
[0005]現在公知の方法及び装置を使用して複合体テープを成形する間に特に懸念される一つの問題は、ポリマーを含浸させた繊維ロービングをテープに圧密化(consolidate)する間に発生する。そのような成形の間、含浸ロービングは圧密化及び冷却されて、圧密テープを生成しなければならない。一般に、後で脱圧密化(deconsolidation)しないように、その圧密の間に含浸ロービングを冷却するのが望ましい。しかしながら、そのようなロービングを圧密化するための現在公知の方法及び装置は、ロービングを冷却するために圧密化する間に最小限の保持領域(minimal retention area)しか提供しない。ロービングが圧密の間に適切に冷却されるように確保するために、ロービングがそのような圧密装置の中を通って横断する際の速度は制限されている。これらの速度制限が複合体テープの全体の生産量を減らし、全体の生産目標及び効率を失う結果となっている。圧密の間にロービングを追加で加熱する必要がある場合にも、そのような同様の問題がある。
【０００６】
[0006]従って、繊維強化ポリマーテープを成形するための改善された方法及び装置が当業界で要求されている。特に、圧密の間に保持時間の増加及び熱伝達の改善を提供する方法及び装置が好都合であろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許公報第2005/0186410号
【発明の概要】
【０００８】
[0007]本発明の開示の一態様に従って、繊維強化ポリマーテープを成形するための方法を開示する。本方法は、入口と出口とを含むシステムの中を通してポリマーで含浸させたロービングを横断させる工程；前記ポリマーで含浸させたロービングに前記システム内部で圧密圧力(consolidation pressure)を加える工程；及び、ポリマーで含浸させたロービングにシステム内部で平滑化圧力(smoothing pressure)を加える工程を含む。本方法はさらに、前記入口と前記出口の間の熱伝達装置(heat transfer device)で、ポリマーで含浸させたロービングの温度を調節する工程を含み、前記熱伝達装置は、入口ではポリマーで含浸させたロービングの温度とは異なる温度である。
【０００９】
[0008]本発明の開示の別の態様に従って、繊維強化ポリマーテープを成形するためのシステムを開示する。本システムは、入口と、前記入口の下流に配置された出口とを含む。本システムはさらに、ポリマーで含浸されたロービングが前記入口と前記出口との間を横断するにつれて、ポリマーで含浸されたロービングに圧密圧力を加えるように操作可能な圧密圧力装置を含む。本システムはさらに、ポリマーで含浸されたロービングが前記入口と前記出口の間を横断するにつれて、ポリマーで含浸されたロービングに成形圧力を加えるように操作可能な成形圧力装置を含む。本システムはさらに、前記入口と前記出口との間に配置された熱伝達装置を含み、前記熱伝達装置は、前記入口と前記出口との間でポリマーで含浸されたロービングの温度を調節するように操作可能である。
【００１０】
[0009]本発明の他の特徴及び側面は、以下により詳細に述べられる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
[0010]当業者に対する最良の態様を含む、本発明の完全且つ実施可能な開示は、付記図面を参照して、本明細書の残りの部分に特に明記される。
【図１】[0011]図１は、本発明の開示の一態様に従った圧密システムの垂直断面図である。
【図２】[0012]図２は、本発明の開示の一態様に従った圧密システムの上面図である。
【図３】[0013]図３は、本発明の開示の別の態様に従った圧密システムの垂直断面図である。
【図４】[0014]図４は、本発明の開示の別の態様に従った圧密システムの垂直断面図である。
【図５】[0015]図５は、本発明の開示の別の態様に従った圧密システムの垂直断面図である。
【図６】[0016]図６は、本発明の開示の一態様に従ったテープの斜視図である。
【図７】[0017]図７は、本発明の開示の一態様に従ったテープの断面図である。
【００１２】
[0018]本明細書及び図面において参照文字を繰り返して使用するのは、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】
【００１３】
[0019]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。
【００１４】
[0020]一般に、本発明の開示は、繊維強化ポリマーテープを成形するシステム及び方法に関する。特に本発明の開示は、一つ以上のポリマーで含浸させたロービングから繊維強化ポリマーテープを成形するための圧密システム及び方法に関する。本発明の開示に従ったシステム及び方法は、ポリマーで含浸させたロービングがシステムの中を通って横断し、繊維強化ポリマーテープに成形される際の速度が、得られるテープの品質を全く減じることなく高めることができるように、保持時間の増加及び、冷却及び/または加熱などの熱伝達の改善を好都合に提供する。以下に記載する例示的な態様では、ロービングは増加した保持時間の間に一定の熱伝達が促進されるように、本発明の開示に従ったシステムの中を通って横断する間に、様々な圧力下で絶えず接触され、設置される。これによって横断速度が増加して、生産及び効率が上昇する。たとえば態様によっては、冷却が望ましいとき、ポリマーで含浸させたロービングは、本発明の開示に従ったシステムに、一般にポリマー材料の融解温度を超える入口温度、たとえば態様によっては約150°F(約66℃)〜約700°F(約371℃)、たとえば態様によっては約250°F(約121℃)〜約400°F(約204℃)、たとえば態様によっては約300°F(約149℃)〜約350°F(約177℃)、たとえば態様によっては約400°F(約204℃)〜約650°F(約343℃)で入ることができる。本発明の開示に従った方法及びシステムを使用するため、これらの態様における繊維強化ポリマーテープは、そのようなシステムを、一般にポリマー材料の融解温度より低い出口温度、たとえば態様によっては約75°F(約24℃)〜約300°F(約149℃)、たとえば約100°F(約38℃)〜約250°F(約121℃)、たとえば約150°F(約66℃)〜約200°F(約93℃)、たとえば約200°F(約93℃)〜約300°F(約149℃)で出ることができる。さらに、本発明の開示に従った方法及びシステムを使用する際、繊維強化ポリマーテープを成形する間にそのような冷却を、約60フィート(約18m)/分以上の速度、たとえば約80フィート(約24m)/分以上、たとえば約100フィート(約30m)/分以上、たとえば115フィート(約35m)/分以上の速度で実施することができる。加熱は、所望によりまたは必要により、そのような高速で同様に実施することができる。
【００１５】
[0021]図２は、複数のポリマーで含浸させたロービング10を説明する。本明細書中で使用するように、「ロービング」なる用語は、一般に、個別(individual)繊維12の束をさす。ロービング内に含まれる繊維12は撚ることができるか、まっすぐであることができる。ロービングは、単一種の繊維(single fiber type)または異なる種類の繊維12を含むことができる。異なる繊維は個別ロービングに含まれえるか、あるいは、それぞれのロービングは異なる繊維種を含むことができる。ロービングで使用される繊維は、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)は典型的には、約1,000〜約15,000メガパスカル(MPa)であり、態様によっては約2,000MPa〜約10,000MPaであり、及び態様によっては約3,000MPa〜約6,000MPa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0.05〜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4,000MPa/g/m以上であり、及び態様によっては約5,500〜約20,000MPa/g/mである。炭素繊維は繊維として使用するのに特に好適であり、これは典型的には、約5,000〜約7,000MPa/g/mの範囲の引張り強度対質量比をもつ。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9〜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できる。典型的には、ロービングは個別の繊維を約1,000本(fiber)〜約50,000本、態様によっては約5,000本〜約30,000本含む。
【００１６】
[0022]それぞれのロービング10は、繊維12が一般に、ポリマー材料14に埋め込まれるように、ポリマー材料14で含浸することができる。任意の好適なデバイス(device)または装置(apparatus)、たとえば好適な引抜きまたは含浸ダイを使用して、ロービング10をポリマー材料14で含浸することができる。ロービング10が本発明の開示に従ったシステムに入るか、または方法にかけられるにつれて、多数のポリマーで含浸されたロービング10はポリマー材料14で結合されるか、またはポリマーで含浸されたロービング10は他のポリマーで含浸されたロービング10から切り離すことができる。
【００１７】
[0023]例示的な態様では、ポリマー材料は熱可塑性材料であるが、本発明の開示に従ったシステム及び方法は別法として熱硬化性樹脂と一緒に使用することができると理解すべきである。本発明の開示に従って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(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(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PA12、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、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。
【００１８】
[0024]記載のように、本発明の開示に従ったシステムに入るか、または方法にかけられるポリマーで含浸されたロービング10は、その中に複数の繊維12を含む。例示的な態様では、長繊維を追加でその中に含めることができると理解すべきであるが、繊維は連続繊維である。本明細書中で使用するように、「長繊維(long fiber)」なる用語は一般に、連続ではない繊維、フィラメント、ヤーンまたはロービングを指し、部品の長さによってのみ一般に限定される長さをもつ繊維、フィラメント、ヤーンまたはロービングをさす「連続繊維(continuous fiver)」とは対照的である。従って、本発明の開示に従ったシステム及び方法を使用して得られる繊維強化ポリマーテープ20は、ポリマー材料14に分散されたこれらの繊維12を含むことができる。
【００１９】
[0025]ポリマー材料14に分散された繊維12は、当業界で公知の任意の材料、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-ガラスなどのS-ガラス)、炭素繊維(たとえばグラファイト)、ホウ素繊維、セラミック繊維(たとえばアルミナもしくはシリカ)、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)、並びにポリマー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から成形することができる。ガラス繊維、炭素繊維及びアラミド繊維は特に望ましい。例示的な態様では、得られるテープに分散される連続繊維12は、図２、６及び７に示されているように、一般に一方向性でありえる。
【００２０】
[0026]それぞれのテープ20で使用されるロービング10の数は変動することができる。しかしながら典型的には、テープ20は、2〜80個のロービングを含み、態様によっては10〜60個のロービング、態様によっては20〜50個のロービングを含む。態様によっては、ロービングは、テープ20の中で互いにおおよそ同一距離を離して配置されるのが望ましい。しかしながら、他の態様では、ロービング10の繊維12が、一般にテープ20の隅から隅まで均一に分散されるように、ロービングが混和されるのが望ましい。これらの態様では、ロービングは一般に、互いに区別がつかないかもしれない。図６及び７を参照して、たとえば繊維12が一般にその中に均一に分散されるように混和されているロービングを含むテープ20の態様が示されている。図６に示されているように、例示的な態様では、繊維は、一般にテープ20の縦軸に沿って一方向に伸長する。
【００２１】
[0027]比較的高い割合の繊維12を繊維強化ポリマーテープ20で使用して、改善された強度特性を提供することができる。たとえば繊維12は、一般にテープ20またはその材料の約25重量％〜約90重量％、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70重量％を構成する。同様に、(単数または複数種類の)ポリマーは、テープ20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30重量％〜約65重量％を構成する。そのような割合の繊維はさらに、あるいは、体積分率(volume fraction)として測定することができる。たとえば態様によっては、テープ20またはその材料は、約25％〜約80％、態様によっては約30％〜約70％、態様によっては約40％〜約60％、及び態様によっては約45％〜約55％の繊維体積分率を有しえる。
【００２２】
[0028]図１〜５は、本発明の開示に従った圧密システム50の様々な態様を説明する。上記のように、ポリマーで含浸されたロービング10は圧密システム50の中を通って横断することができ、繊維強化ポリマーテープ20に成形することができる。示されているように、圧密システム50は入口52と出口54とを含むことができる。出口54は、横方向56の入口52の下流に配置され、この横方向に沿ってロービング10と得られるテープ20が横断する。特に態様によっては、入口52と出口54との間の距離58は、たとえば約1フィート(約0.3m)から約30フィート(約9m)でありえる。以下に記載するように、この距離58内部でロービング10の圧密と温度調節をすると、高速で改善されたテープ20を製造し易くすることができる。さらに圧密システムの中を通って横断しているロービング10に圧力を加え、温度を調節するために圧密システム50内部に様々なデバイス及び装置が含められる。そのようなデバイス及び装置は好都合には、保持時間の増加及びロービング10の温度調節の改善を提供し、同時に圧密システム50を高速で操作できる。
【００２３】
[0029]たとえばシステム50は熱伝達装置60を含むことができる。熱伝達装置60は入口52と出口64との間に配置することができ、ロービングが入口52と出口54との間を横断するにつれてロービング10の温度を調節するように操作可能でありえる。以下に記載するように、熱伝達装置60は一般に、ロービング10のポリマー材料の融解温度と異なるなど、入口52でロービング10の温度とは異なる温度であることができる。たとえば態様によっては、熱伝達装置60は、冷却装置であることができ、その温度は約32°F(約0℃)から、ロービング10のポリマー剤材料の融解温度をわずかに下回ることができる。他の態様では、熱伝達装置60は加熱装置であることができ、その温度はロービング10のポリマー材料の融解温度以上であることができる。
【００２４】
[0030]態様によっては、図１〜３に示されているように、熱伝達装置60は、複数のベルト62、たとえば示されているように、入口52と出口54との間に伸長している二つの対向するベルト(opposing belt)62を含むことができる。入口52でシステム50に導入される際、ロービング10はベルト62の間に供給することができる。それぞれのベルト62は、ロービングがシステム50の中を通って横断し、テープ20に成形されるにつれて、ロービング10と直接接触することができる。さらに、ベルト62の動きにより、ロービング10はその中を通って横断することができる。以下に説明する例示的な態様では、ベルト62はベルトに可動可能に結合するローラーにより駆動することができる。
【００２５】
[0031]示されているような例示的態様では、それぞれのベルト62は、ロービング10が入口52と出口54との間を横断するにつれて、一般にロービング10と連続的に接触し続けることができる。それぞれのベルト62とロービング10との直接接触により、ロービング10をテープ20に圧密化し易くでき、ロービング10と得られるテープ20の温度をさらに調節し易くできる。たとえばベルト62はシステム50の操作の間に冷却または加熱することができる。そのような冷却または加熱は、以下に記載するように他の冷却された構成要素または加熱された構成要素とベルト62とを接触させることにより、またはベルト62を直接冷却もしくは加熱することにより促進することができる。たとえば態様によっては、冷却装置(示されていない)、加熱装置(示されていない)または熱伝達チャンバ(図５参照)は、ベルト62がその操作の間に冷却装置、加熱装置または熱伝達チャンバの中を通って、ベルト62の温度を所望の冷却または加熱温度に調節するように、システム50に配置することができる。たとえば、冷却器、加熱装置または熱伝達チャンバは、ベルト62の一部とロービング10とが接触する間にベルト62の一部を冷却または加熱するために配置することができる。あるいは、他の構成要素、たとえば以下に記載のローラーは、冷却または加熱することができる。冷却または加熱されたローラーまたは他の構成要素は、ベルト62との接触または得られた熱伝達により、ベルト62を冷却または加熱することができる。ベルト62が冷却される例示的な態様では、本発明の開示に従ったベルト62は、入口52でロービング10の温度未満の冷却温度、たとえばその中を通って横断する含浸ロービング10のポリマー材料の融解温度未満、たとえば態様によっては約32°F(0℃)〜融解温度よりも少し低い温度に冷却することができる。ベルト62が加熱される例示的な態様では、本発明の開示に従ったベルト62は、入口52でロービング10の温度以上の加熱温度、たとえばその中を通って横断する含浸ロービング10のポリマー材料の融解温度以上の加熱温度に加熱することができる。ベルト62の温度は、ベルト62がロービング10に接触し、ロービング10の温度を調節し始める直前に、操作の間にベルト62の位置で測定することができる。さらに、ベルト62は入口52と出口54との間に伸長しているので、入口52と出口54との間の距離にわたってベルト62による接触により、高速で所望の圧密と冷却または加熱を容易にすることができる。態様によっては一つ以上のベルト62は、図３に示されているように入口54を超えて伸長することができるか、または出口54を超えて伸長することができる。
【００２６】
[0032]本発明の開示に従って使用されるベルト62は、任意の好適な材料から成形することができるが、一般に平滑な、低摩耗性、低摩擦性の表面である。
【００２７】
[0033]図４に示されているように、他の態様では、熱伝達装置60は複数のローラー64、たとえば対向するローラー64及び/またはオフセットローラー(offset roller)64の一つ以上の対を含むことができる。そのようなローラー64は冷却または加熱することができる。冷却されたローラーまたは加熱されたローラー64は、ロービング10及び得られるテープ20に接触することができ、かくしてロービング10と得られるテープ20の温度を調節する。示されているように、熱伝達媒体76は一つ以上のローラー64内部に配置することができる。熱伝達媒体は、冷却媒体または加熱媒体でありえ、例示的な態様では、流体、たとえば水、グリコール、グリコール-水混合物または、任意の他の好適な流体でありえる。あるいは、熱伝達媒体は気体でありえる。熱伝達媒体76の温度は、熱伝達媒体76とローラー64との間の熱伝達によって、ローラー64が上記のように加熱温度または冷却温度であるような温度でありえる。
【００２８】
[0034]さらに、例示的な態様では、熱伝達媒体76は、冷却装置または加熱装置などのローラー64と熱調節器78(図２参照のこと)との間で循環して、熱伝達媒体76を冷却または加熱することができる。好適な冷却装置の例としては、空冷中央冷却装置、携帯冷却装置及び固定冷却装置；水冷中央冷却装置、携帯冷却装置及び固定冷却装置；熱伝達流体熱交換器；蒸気または他の流体熱交換器；冷却塔；濾過井戸水または河川水容器の冷却器；冷間医療用冷却器(cold shot medical chiller)；及び冷媒で冷却した冷却器が挙げられる。好適な加熱装置の例としては、中央加熱装置、携帯加熱装置及び固定加熱装置、赤外線加熱装置、電気加熱装置、天然ガス加熱装置、熱交換器などが挙げられる。熱伝達媒体76は、ローラー64内部に配置された熱伝達媒体76が絶えずローター64を冷却または加熱して、ロービング10と得られるテープ20を絶えず冷却または加熱するように、システム50の操作の間に連続して循環させることができる。
【００２９】
[0035]図５に示すように、他の態様では、熱伝達装置60は、示されているようにたとえば二つの対向する熱伝達チャンバ66などの、一つ以上の熱伝達チャンバ66を含むことができる。熱伝達チャンバ66は一般に上記のような冷却器もしくは加熱装置を含むか、またはこれらによって冷却もしくは加熱されるチャンバである。熱伝達チャンバ66内の温度は、上記のように冷却温度または加熱温度でありえる。示されているように、ロービング10は、熱伝達チャンバを通り過ぎて横断するか、またはこれらの間を横断することができる。熱伝達チャンバ66とロービング10との間の熱伝達は、ロービング10と得られるテープ20の温度を調節することができる。
【００３０】
[0036]態様によっては、示されているように熱伝達チャンバ66の内部には、追加で様々なローラーを含めることができると理解すべきである。そのようなローラーは冷却されたローラーもしくは加熱されたローラー64により(示されていない)、またはローラーと冷却されたチャンバ66との間の熱伝達により、それら自体を冷却または加熱することができる。
【００３１】
[0037]本発明の開示に従ったシステム50はさらに、圧密圧力装置70を含むことができる。圧密圧力装置70は、ロービング10が入口52と出口54との間を横断するにつれて、システム50内部でロービング10に圧密圧力を加えるように操作可能である。従って、装置70の操作は、たとえば図４及び５に示されているように直接か、または図１及び３に示されているように、ベルト62が所望の圧密圧力で装置70の位置でロービング10と直接接触するように、ベルト62を通してロービング10に圧密圧力を加えることができる。一般に、得られるテープ20が一般に完全に圧密化され、例示的な態様では、一般に形状及びサイズが均一になるように、圧密圧力は、操作及びロービング10がその中を通って横断する間に適用される一般に一定の圧力でありえる。そのような圧密圧力により、システム50内部でロービング10をテープ20に圧密化し易くできる。例示的な態様では、圧密圧力装置70は入口52に配置されるか、入口52の最も近くに配置される。さらに例示的な態様では、圧密圧力は約100ポンド/平方インチ〜約22,000ポンド/平方インチである。
【００３２】
[0038]示されているように、例示的な態様では、圧密圧力装置70は、入口52に配置された入口ローラー72のような、複数のローラー72を含むことができる。ローラー72の一つ以上は圧密圧力を加えることができる。示されているように、たとえば対向するローラー72の対は、圧密圧力がロービング10に加えられるように、圧力を加えるように操作することができる。ベルト62を使用する態様では、ローラー72はさらに、ベルト62の動きがローラー72を回転させるか、ローラー72の回転がベルト62を動かすように、ベルト62に可動可能に結合することができる。
【００３３】
[0039]任意の好適なデバイスまたは装置を使用して、ローラー72または、圧密圧力装置70の任意の好適な装置を操作し、圧密圧力を加えることができる。示されているような態様によっては、油圧シリンダー74をローラー72または他の好適な装置につけることができる。油圧シリンダー74は、ローラー72または他の好適な装置をロービング10に向かって内側に駆動するために作動させることができ、かくして圧密圧力をロービング10に加える。あるいは、空気圧、そうでなければ加圧シリンダー、ギアアセンブリ、他の好適な機械的アセンブリ、または他の好適な装置もしくは装置を使用することができる。
【００３４】
[0040]さらに例示的な態様では、一つ以上のローラー72を冷却または加熱することができる。冷却または加熱されたローラー72はさらに、ローラー72とロービング10またはベルト62との間の接触により、ロービング10と得られるテープ20を直接冷却もしくは加熱するか、またはそのような接触がロービング10と得られるテープ20を冷却または加熱するように、ベルト62を冷却もしくは加熱することができる。かくして、示されているように熱伝達媒体76はさらに、またはその代わりに、一つ以上のローラー72内部に配置することができる。記載されているように、熱伝達媒体76の温度は、熱伝達媒体76、ローラー72、及び任意選択のベルト62の間の熱伝達により、ローラー72またはベルト62が上記のような冷却または加熱温度となるようにできる。
【００３５】
[0041]さらに、記載したように、熱伝達媒体76は例示的な態様では、ローラー72と熱調節器78との間で循環して、熱伝達媒体76を冷却または加熱することができる。熱伝達媒体76は、ローラー72内部に配置された熱伝達媒体76がローラー72を絶えず冷却または加熱して、ローラー72またはベルト62によりロービング10及び得られるテープ20が絶えず冷却または加熱されるように、システム50の操作の間に連続して循環することができる。
【００３６】
[0042]本発明の開示に従ったシステム50は、さらに成形圧力装置(shaping pressure device)80を含むことができる。成形圧力装置80は、ロービング10が入口52と、圧密圧力装置70の下流などの出口54との間を横断するにつれて、システム50内部でロービング10に成形圧力を加えるように操作可能でありえる。かくして、装置80の操作により、たとえば所望の成形圧力で装置80の位置で、図４及び５に示されているように直接か、または図１及び３に示されているようにベルト62がロービング10に直接接触するようにベルト62を通して成形圧力を加えることができる。一般に成形圧力は、得られるテープ20が一般に完全に圧密化され、例示的な態様では、一般に形状及びサイズが均一であるように、ロービング10の操作及びその中を通って横断する間に適用された一定圧力でありえる。そのような成形圧力により、その圧密の後及び、その冷却または加熱の間にシステム50内部でロービング10をテープ20に成形し易くすることができる。例示的な態様では、成形圧力装置80は、圧密装置70の下流に配置される。さらに例示的な態様では、成形圧力は圧密圧力未満、たとえば約100ポンド/平方インチ〜約8,000ポンド/平方インチである。
【００３７】
[0043]示されているように、例示的な態様では、成形圧力装置80は複数の中間ローラー82を含むことができる。ローラー82の一つ以上は成形圧力を加えることができる。示されているように、たとえば対向するローラー82の対は、成形圧力がロービング10に加えられるように、圧力を加えるように操作可能である。ベルト62を使用する態様では、ローラー82はさらに、ベルト62の動きがローラー82を回転させるか、ローラー82の回転がベルト62を動かすように、ベルト62に可動可能に結合することができる。
【００３８】
[0044]任意の好適な装置または装置を使用して、ローラー82または、成形圧力装置80の他の好適な装置を操作して、成形圧力を加えることができる。示されているように態様によっては、油圧シリンダー84をローラー82または他の好適な装置に付けることができる。油圧シリンダー84は、ローラー82または他の好適な装置をロービング10に向かって内側へ駆動するように作動して、成形圧力をロービング10に加えることができる。あるいは、空気式シリンダー、ギアアセンブリ、または他の好適な装置または装置を使用することができる。
【００３９】
[0045]さらに例示的な態様では、一つ以上のローラー82を冷却または加熱することができる。冷却または加熱されたローラー82はさらに、ローラー82とロービング10もしくはベルト62の間の接触により、ロービング10と得られるテープ20を直接冷却もしくは加熱することができるか、またはそのような接触がロービング10及び得られるテープ20を冷却もしくは加熱するように、ベルト62を冷却または加熱することができる。示されているように、熱伝達媒体76はさらに、またはあるいは、一つ以上のローラー82内部に配置することができる。記載されているように、熱伝達媒体76の温度は、熱伝達媒体76、ローラー82、及び任意選択のベルト62の間の熱伝達により、上記のようにローラー82またはベルト62が冷却または加熱温度となるようにできる。
【００４０】
[0046]さらに、記載されているように、熱伝達媒体76は、ローラー82と熱調節器78との間で循環して、熱伝達媒体76を冷却(chill)または加熱することができる。熱伝達媒体76は、ローラー82内部に配置された熱伝達媒体76が、ローラー82を絶えず冷却または加熱して、ローラー82またはベルト62によりロービング10と得られるテープ20を絶えず冷却または加熱するように、システム50の操作の間に連続して循環することができる。
【００４１】
[0047]示されているように、他の様々なローラーをシステム50に含めることができる。たとえば出口ローラー90を使用することができる。出口ローラー90は、出口54に配置することができ、場合によりベルト62に可動可能に結合することができる。さらに駆動ローラー92を使用することができる。駆動ローラー92は、たとえばベルト62などのシステム50の一部を駆動する、及び/または他のローラーを関連させるためにモーターに結合されるローラー92でありえる。駆動ローラー92は、図３に示されているようにローラー64、72、82及び/または90などの他のローラーから隔てることができるか、または図１〜３に示されているようにローラー64、72、82及び/または90であることができる。モーター94は駆動ローラー92に結合して、ローラー92と、関連するベルト62などを駆動することができる。さらに図３に示されているように、補助的な中間ローラー(secondary intermediate roller)96を使用することができる。補助的な中間ローラーは入口52と出口54との間に配置することができ、場合によりベルト62に可動可能に結合することができる。
【００４２】
[0048]本発明の開示に従った出口ローラー90、駆動ローラー92、及び/または補助的な中間ローラー96は、所望通り上記のように、その中に配置された熱伝達媒体76を使用することなどを通して、冷却または加熱することができることに注目すべきである。また、本発明の開示に従った出口ローラー90、駆動ローラー92、及び/または補助的な中間ローラー96は、所望通り、油圧シリンダーまたは他の好適な装置もしくは装置につけることを通して、ロービング10及び得られるテープ20に好適な圧力を加えることができることに注目すべきである。さらに、本発明の開示に従ったローラーは、図１、３、４及び５に示されているように対向する対に配置することができるか、または図３、４及び５に示されているように、ロービング10及び得られるテープ20の対向する側で互いに片寄らせる(オフセットである)ことができるか、または所望通りもしくは要求に応じて任意の他の好適な配置をとることができることに注目すべきである。
【００４３】
[0049]さらに、本発明の開示に従って、圧密圧力装置70及び/または成形圧力装置80で任意の他の好適なデバイスまたは装置を使用することができる。そのような好適なデバイスまたは装置は、ロービング10及び得られるテープ20をシステム50の中を通して横断させる間に、本明細書中で開示するように圧密及び成形圧力を加えるために操作可能でありえる。
【００４４】
[0050]さらに、本発明の開示に従ったシステム50は、冷却のみ、加熱のみ、または加熱と冷却の組み合わせを実施することができると理解すべきである。たとえば態様によっては、ロービング10と得られるテープ20は、現行のシステム50で最初に加熱し、次いで冷却することができるか、あるいは最初に冷却し、次いで加熱することができる。
【００４５】
[0051]さらに例示的な態様では、本発明の開示に従ったシステム50で様々なトリミング装置を使用することができる。そのようなトリミング装置は、テープ20が所望の厚さをもち、外面が一般に均一である、及び/または過剰量のポリマー材料14などが除去されるように、システム50を出るテープ20の外面をトリミングし、さらに成形するために使用することができる。たとえば示されている態様によっては、一つ以上のドクターブレード98を使用することができる。示されているような対向するドクターブレード98のようなドクターブレード98は、テープ20がシステム50を出るのにつれて、テープ20をトリミングするために出口54に、または出口54の下流に配置することができる。
【００４６】
[0052]本発明の開示はさらに、繊維強化ポリマーテープ20を成形するための方法に関する。本発明の開示に従った方法は、たとえば入口52及び出口54を含むシステム50などのシステムの中を通して一つ以上のポリマーで含浸させたロービング10を横断させることを含む。方法はさらに、システム内部でロービング10に圧密圧力及び平滑化圧力を加えることを含むことができる。例示的な態様では、圧密圧力及び平滑化圧力は、上記のようにローラーにより加えることができる。本方法はさらに、上記のように加熱及び/または冷却を通して、入口52と出口54との間で熱伝達装置60でロービング10の温度を調節することを含むことができる。熱伝達装置は、ロービングが入口52と出口54との間で冷却または加熱されるように、入口でロービング10の温度とは異なる温度である。たとえば操作の間、熱伝達装置は、上記のように冷却温度または加熱温度でありえる。
【００４７】
[0053]態様によっては、本発明の開示に従った方法は、上記のようにローラーの中を通すなど、システム10内部で熱伝達媒体76を循環させることを含むことができる。さらに態様によっては、本発明の開示に従った方法は、テープ20がシステム50を出るときなどに、テープ20をトリミングすることを含むことができる。
【００４８】
[0054]本発明の開示に従った装置及び方法を使用して得られるテープ20は、非常に低い空隙比をもつことができ、これはその強度を高めるのに役立つ。たとえば、空隙比は約5%以下、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1.5%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%以下でありえる。空隙比は、当業者に公知の手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に(たとえば600℃で３時間)おいて、樹脂を燃やし尽くす「樹脂燃焼試験」を使用して測定することができる。残った繊維の質量を測定して、重量及び体積分率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、繊維とポリマーマトリックスの重量を測定することができ、これは以下の等式：
【００４９】
【数１】
2016503094.tif 000003
【００５０】
｛式中、Vfは百分率としての空隙比であり；
ρcは公知の手法、たとえば液体または気体ピクノメーターなど(たとえばヘリウムピクノメーター)を使用して測定した複合体の密度であり；
ρtは以下の等式:
【００５１】
【数２】
2016503094.tif 000004
【００５２】
（式中、ρmはポリマーマトリックスの密度(たとえば好適な結晶化度における)であり；
ρfは繊維の密度であり；
Wfは繊維の重量画分であり；及び
Wmはポリマーマトリックスの重量画分である)により決定されるように複合体の理論密度である｝にもとづいて「空隙比」を計算することができる。
【００５３】
[0055]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す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、ガラス繊維に特に適しており、ガラス繊維は一般に融解及び化学的溶解に耐性である。しかしながら他の場合には、空隙比は、ASTM D 2734-09(方法A)に従ってポリマー、繊維、テープ及び/またはロッドの密度にもとづい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に従って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推定することもできる。
【００５４】
[0056]本発明のこれら及び他の変更及び変形は、本発明の趣旨及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。さらに、様々な態様の側面は、その全体または一部の両方で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、請求の範囲に記載された本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】
2016503094.tif 000005
【図２】
2016503094.tif 000006
【図３】
2016503094.tif 000007
【図４】
2016503094.tif 000008
【図５】
2016503094.tif 000009
【図６】
2016503094.tif 000010
【図７】
2016503094.tif 000011
【国際調査報告】
2016503094.tif 000012
2016503094.tif 000013
2016503094.tif 000014