(57)【要約】  成形組成物内の包含に適した自動化生産ライン上に、刻まれて分散された炭素繊維を導入するための方法およびシステムが提供されて、熱硬化性マトリックスに対するカップリングのための結合部位を均一に増大させるために、コーティングシランを導入する前にプラズマ処理を受けるフィラーを形成する分散した刻まれた炭素繊維へ、集合的にトウを形成している多くの炭素繊維を、解体するステップを含む。シートが自動化生産ライン上のコンベアベルトに沿って移動して、コンベアベルト上に乗せられた少なくとも１つのプラズマ発生器が炭素繊維をイオン化するので、炭素トウをプラズマ放電に曝露することによって、炭素トウが解体して、組成物に加えられた、刻まれて分散した繊維による成形組成物のシートを形成するために用いられる。プラズマによって処理された刻まれた繊維を混合するための脱イオン化された空気により、さらなる分散が生じる。【選択図】  図１
2020501029.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維マットを形成する方法であって、
刻まれた繊維フィラーをプラズマに曝露して、前記の繊維フィラー上の活性化部位を増大させるステップ；
前記の繊維フィラーをシランでコーティングするステップ；および
前記活性化部位を介して前記繊維フィラーを熱硬化性硬化樹脂に架橋するステップ、
を含む、
方法。
【請求項２】
請求項１の方法であって、
前記の刻まれた繊維フィラーは、炭素繊維のみで構成される、
方法。
【請求項３】
請求項１の方法であって、
前記の刻まれた繊維フィラーは、炭素繊維およびガラス繊維の組み合わせで構成される、
方法。
【請求項４】
請求項１の方法であって、
ヨウ素滴定によって活性化部位における前記増大を測定するステップをさらに含む、
方法。
【請求項５】
請求項１の方法であって、
前記プラズマの曝露は、流動層反応器内である、
方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項の方法であって、
前記プラズマは、冷プラズマである、
方法。
【請求項７】
請求項１から５のいずれか一項の方法であって、
前記プラズマは、温プラズマである、
方法。
【請求項８】
請求項１の方法であって、
前記プラズマに対する曝露の前に、前記の刻まれた繊維フィラーの全部または一部として炭素繊維トウを解体するステップをさらに含む、
方法。
【請求項９】
請求項１から５のいずれか一項の方法であって、
前記の刻まれた繊維フィラーを、脱イオンガスに曝露するステップをさらに含む、
方法。
【請求項１０】
請求項９の方法であって、
前記脱イオンガスは、空気である、
方法。
【請求項１１】
繊維トウを刻まれた繊維に解体するためのシステムであって、
繊維トウの１つまたは複数のリール；
前記繊維トウを受け入れてガスフローを有するチューブに導入された繊維トウの前記の１つまたは複数のリールから刻まれた繊維を形成するように構成された切断エレメント；
重力下で前記チューブを出る前記の刻まれた繊維を集めるために前記チューブの下に配置された移動ベルト；
シラン（ｓｉｌｉａｎｅ）またはシルセスキオキサン（ｓｉｌｉｓｅｑｕｉｏｘａｎｅ）添加剤の１つを前記の刻まれた繊維に加えるための、前記移動ベルトに沿って配置されたディスペンサー；および
前記の処理された刻まれた繊維を受け入れる処理チャンバー、
を備える、
システム。
【請求項１２】
請求項１１のシステムであって、
繊維トウの前記の１つまたは複数のリールは、ガラス；炭素；ポリイミド；ポリエステル；またはポリアミド、およびそれらの組み合わせの少なくとも１つである、
システム。
【請求項１３】
請求項１１のシステムであって、
結合剤が加えられて、前記処理チャンバーにおいてプリフォームマットを形成する、
システム。
【請求項１４】
請求項１１から１３のいずれか一項のシステムであって、
前記ガスフローと流体連通した微粒子リザーバーをさらに備える、
システム。
【請求項１５】
請求項１１から１３のいずれか一項のシステムであって、
前記移動ベルトのセンターラインに向かって前記の刻まれた繊維の一部を促すように前記移動ベルトの移動方向に対して内向きに傾斜されたレールをさらに備える、
システム。
【請求項１６】
請求項１１から１３のいずれか一項のシステムであって、
前記の刻まれた繊維および前記添加剤の前記結合剤の間の化学反応を促進するための、前記ディスペンサーと関連するプラズマエネルギー、または熱化学線源をさらに備える、
システム。
【請求項１７】
請求項１１から１３のいずれか一項のシステムであって、
前記処理チャンバーは、前記移動ベルト上の前記の処理された刻まれた繊維を平らにするための一組のローラーをさらに備える、
システム。
【請求項１８】
請求項１１から１３のいずれか一項のシステムであって、
前記処理チャンバーは、前記の化学的に処理された刻まれた繊維を硬化する第一の加熱部分、および、前記処理チャンバーから前記プリフォームマットが出る前の第二の冷却部分をさらに備える、
システム。
【請求項１９】
請求項１１から１３のいずれか一項のシステムであって、
前記処理チャンバーは、上側移動ベルトをさらに備える、
システム。
【請求項２０】
請求項１１から１３のいずれか一項のシステムであって、
前記の切断システムは、一連の刃をさらに備える、
システム。
【請求項２１】
請求項１１から１３のいずれか一項のシステムであって、
前記チューブ内の前記ガスフローのためにプラズマガスフローを導入するためのプラズマ発生器をさらに備え、前記チューブは、前記の刻まれた繊維フィラーを受け入れて解体する渦を作るように構成される、
システム。
【請求項２２】
処理チャンバーへの送達のために移動ベルト上の塊として繊維トウを刻まれた繊維に解体するための方法であって、
繊維トウの１つまたは複数のリールを切断システムに供給して刻まれた繊維を形成するステップ；
導入されたガスフローによって前記の刻み繊維をチューブ中に落下させて、前記の刻まれた繊維を渦の形成によって解体するステップ
前記チューブを出る前記の刻まれた繊維を、重力によって前記移動ベルト上に集めるステップ；
前記移動ベルトの上で、ディスペンサーから、シランまたはシルセスキオキサンによって、前記の刻まれた繊維を化学的に処理するステップ；および
前記の化学的に処理された刻まれた繊維を前記処理チャンバーに提供するステップ、を含む、
方法。
【請求項２３】
請求項２２の方法であって、
前記の導入されたガスフローは、前記の刻まれた繊維に、回転および垂直の成分を加える、
方法。
【請求項２４】
請求項２２の方法であって、
前記チューブにおいてプラズマ放電を加えるステップをさらに含む、
方法。
【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、２０１６年１１月３０日に出願された、米国仮特許出願番号６２／４２７，９８９の優先権を主張するものであり、それは参照により本明細書中に援用される。
【０００２】
［本発明の分野］
本発明は、概して、バルクの刻まれた繊維を用いた繊維マット形成に関し、特に、刻まれた繊維プリフォームマットを形成するために、硬化中にマトリックス樹脂へ繊維を接着するための、プラズマおよび／またはシランによる繊維のインサイチュ処理に関する。
【背景技術】
【０００３】
より軽くて強い車両を生産するための経済的および環境的圧力は、ついここ数年で加速している。重量節約はスチールコンポーネントからアルミニウムに移行することによって伝統的に達成されたが、より少ない金属の使用の原因となる強化されたストレスポイントを有する新たに改変された構造によってさえも、アルミニウムコンポーネントから、さらなる重量節約を探り出す能力は減っている。熱硬化性樹脂マトリックスに基づく樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）およびシート成形組成物（ＳＭＣ）は、アルミニウムよりも低い生来の密度を有する。複雑なコンポーネントを成形する能力もまた、アルミニウムに対する、そのような材料の潜在的利点を表わす。しかしながら、熱硬化性樹脂が、コンポーネントの全体的な密度を増大させるガラス繊維および無機微粒子の高いローディングによって強化される場合、熱硬化性の作られたコンポーネントは、アルミニウム車両コンポーネントの置換において、散発的な参入しかしていない。高分子フィラーおよび中空のガラスマイクロスフェアの使用は、熱硬化性樹脂に基づく車両コンポーネントの密度を減少させて、車両外部本体パネルに要求される高い光沢表面を達成することさえ可能である。米国特許第７，７００，６７０号は、この試みの代表である。さらに、熱硬化性樹脂に基づく車両コンポーネントは、より高い強度のコンポーネントによってより大きな市場許容性を達成することができた。米国特許第７，７００，６７０号は、フィラーを熱硬化性樹脂に架橋して、それによって、生じるコンポーネントの強度を増大させるための、そのような低密度フィラーの表面改変の使用を教示するが、そのようなフィラー粒子の表面上に存在する活性部位の数は、しばしば、最適なコンポーネント強度を達成するために望まれるものよりも少ない。
【０００４】
フィラーは、周囲条件下でしばしば、吸着した炭化水素および塵粒子によって汚染される。そのような汚染は、マトリックスとフィラー表面との間の接着の減少をもたらし得る。したがって、特定のレベルのフィラー表面の清潔さを確実にすることが重要である。いくつかの利用可能な洗浄方法が存在する：塵粒子は、吹き飛ばされて得て、こすられて得て、または、例えば、アセトンおよび様々なアルコール類などの有機溶媒中で超音波処理によって洗い落とされ得る。有機汚染を除去するために、様々な湿潤洗浄手順が選択され得る。ＵＶおよびオゾン。最も頻繁には、湿潤洗浄手順は、有機溶媒および／または強い酸および塩基の使用に頼り；これらは環境的に好ましくない。プラズマ洗浄の利点は、有害廃棄物の生産がより少ないことと、処理時間がより短いことである。
【０００５】
ガラス表面のプラズマ洗浄はよく知られているが、熱硬化性の硬化中にカップリング剤とマトリックスとの間の結合を達成するように、フィラー表面にカップリング剤を共有結合させる予備として、フィラー粒子表面上に活性の表面部位を作製することに対してはほとんど注目されていない。粉末プラズマ反応器は、主に、小さなバッチ実験用途のために開発されていて（Ｋ．Ｔｓｕｓｕｉ，Ｋ．Ｎｉｓｈｉｚａｗａ  ａｎｄ  Ｓ．Ｉｋｅｅｄａ，Ｐｌａｓｍａ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｔｒｅａｔｍｅｎｔ  ｏｆ  ａｎ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｐｉｇｍｅｎｔ．，Ｊｏｕｒｎａｌ  Ｃｏａｔｉｎｇｓ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ６９（１９８８）１０７）、一般に、必要に応じて熱硬化性樹脂の成形産業において、ガラスマイクロスフェアのようなフィラー粒子上の結合部位を均一に増大させるのに適切でない。
【０００６】
上述のように、繊維の包含は、マトリックスを強化するために用いられ得る。強化のための十分に確立されたメカニズムは、マトリックスを通した亀裂伝播の通り道の遅延および延長、ならびに、周囲マトリックス材料から自由に繊維を引っ張ることと関連するエネルギー分配を含む。シート成形組成物（ＳＭＣ）製剤およびバルク成形組成物（ＢＭＣ）製剤の関連において；以降まとめて「成形組成物」と呼び、繊維強化は、伝統的に、刻まれたガラス繊維の使用を伴っている。成形組成物の分野において、成形組成物内のガラス繊維の一部または全部を炭素繊維で置き換える評価が伸びている。しかしながら、この試みは、ガラスおよび炭素繊維の間の違いのせいで成功が制限されている。特に、これらの違いは繊維直径を含み、成形組成物において用いられるガラス繊維は１６〜３０ミクロンの典型的な直径を有し、一方で、炭素繊維は典型的に２〜１０ミクロンの直径を有する。加えて、ガラス粗紡、布地、または束は、典型的に、数十〜数百の個々の繊維を有するが、炭素繊維トウは、典型的に、数千および実に数万の個々の繊維の束になる。刻んだ時にガラス繊維が散乱および解体する傾向がある場合、繊維−繊維の相互作用においてさらなる違いが存在し、ファン・デル・ワールス結合および他の繊維間表面相互作用は、成形組成物における補強としての使用のために所望の長さに刻んだ後に炭素繊維を解体しにくくさせる傾向がある。炭素繊維トウの解体は、手による操作を通して実験スケールの成形において対処されるが、炭素繊維トウを別個の刻まれた炭素繊維に解体する生産スケールに関して、問題が存在する。
【０００７】
さらに、無作為に配向および混合されたガラス繊維および炭素繊維の均一な層の形成のための、混合された繊維樹脂マトリックス物品の生産において困難性に遭遇している。同様に、混合された繊維粗紡および不織布への制限されたアクセスは、車両本体パネルの重量を減少させる試みを妨害している。繊維強化樹脂成形のための繊維は、典型的に、長い繊維長のトウによって形成された束を、予め選択された長さに刻むことによって生産される。ガラス繊維は通常、数百の繊維のトウにおいて生産されて、清潔に切断されて、個々の繊維が生産されるが、以前に述べた炭素繊維は、約２〜１０マイクロメートルの直径を有し、１０〜２５マイクロメートルの直径を有するガラス繊維よりもずっと小さく、数万の繊維を含むトウにおいて製造される。物理的および化学的な違いのせいで、炭素繊維は、ガラス繊維で一般に観察される無作為に配向された個々の繊維よりむしろ、繊維の塊を形成する傾向がある。
【０００８】
参照により本明細書中に援用される、「Ｐｒｏｃｅｓｓ  ｏｆ  Ｄｅｂｕｎｄｌｉｎｇ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ｔｏｗ  ａｎｄ  Ｍｏｌｄｉｎｇ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ  Ｓｕｃｈ  Ｆｉｂｅｒｓ」と題された、２０１３年５月１日に出願された同時係属出願１４／３９８，６７３は、連続的な様式で炭素繊維トウを別個の刻まれた炭素繊維に解体するための方法および器具を提供して、成形組成物コンポーネントと炭素繊維の相互作用を促進して、生じるＳＭＣまたはＢＭＣの強度を高める。しかしながら、これらの処理による解体さえ、溶媒が環境ハザードを作る傾向があるので理解されないままであり、トウを作り上げる繊維を十分に湿潤（ｗｅｔ）させず、広げない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、炭素繊維トウを解体して、熱硬化性マトリックスに対する結合を促進するように熱硬化性フィラーを処理するための全体的なプロセスに関する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
刻まれた繊維フィラーをプラズマに曝露して、繊維フィラー上の活性化部位を増大させるステップ、繊維フィラーをシランでコーティングするステップ、および、活性化部位を介して繊維フィラーを熱硬化性硬化樹脂に架橋するステップを含む、繊維マットを形成するための方法が提供される。
【００１１】
繊維トウを、刻まれた繊維に解体するためのシステムが提供される。システムは、繊維トウの１つまたは複数のリール、繊維トウを受け入れてガスフローを有するチューブに導入された繊維トウの１つまたは複数のリールから、刻まれた繊維を形成するように構成された切断エレメント、および、重力下でチューブを出る刻まれた繊維を集めるためにチューブの下に配置された移動ベルトを備える。システムは、シラン（ｓｉｌｉａｎｅ）またはシルセスキオキサン（ｓｉｌｉｓｅｑｕｉｏｘａｎｅ）添加剤の１つを刻まれた繊維に加えるための、移動ベルトに沿って配置されたディスペンサー、および、処理された刻まれた繊維を受け入れる処理チャンバーをさらに備える。
【００１２】
処理チャンバーへの送達のために、移動ベルト上に、繊維トウを塊として、刻まれた繊維に解体するための方法が提供される。方法は、繊維トウの１つまたは複数のリールを切断システムに供給して、刻まれた繊維を形成するステップ、導入されたガスフローによって刻み繊維をチューブ中に落下させて、刻まれた繊維を渦の形成によって解体するステップ、および、チューブを出る刻まれた繊維を、重力によって移動ベルト上に集めるステップを含む。方法は、移動ベルトの上で、ディスペンサーから、シランまたはシルセスキオキサンによって、刻まれた繊維を化学的に処理するステップ、および、化学的に処理された刻まれた繊維を処理チャンバーに提供するステップをさらに含む。
【００１３】
本発明とみなされる要旨は、明細書の結論において、特許請求の範囲において特に指摘されて明白に請求される。本発明の前述および他の目的、特徴、および利点は、付随する図面とともに得られる以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施において用いられる繊維投与および切断機および処理チャンバーを備える主な機能性ブロックを示すシステムの機能性ブロック図である。
【図２】プリフォームマットまたは複合材料における分配（ｄｉｓｂｕｒｓｅｍｅｎｔ）のための、繊維トウの切断および解体において作用する本発明に係る繊維投与および切断機の横断面図である。
【図３】本発明の実施態様に係る、図２に示される繊維投与および切断機によって、刻まれた繊維プリフォームマットを生産するための図１に示されるシステムの詳細な横断面図である。
【図４】本発明の一実施態様に係る、炭素繊維トウ上に衝突する（ｉｍｐｉｎｇ）プラズマ発生源を備える処理チャンバーを具備するコンベアの入口部分の概要である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、成形組成物内の包含に適した、刻まれて分散された炭素繊維を自動化生産ライン上に導入するための方法およびシステムとして有用性があり、熱硬化性マトリックスに対するカップリングのための結合部位を均一に増大させるために、コーティングシランを導入する前にプラズマ処理を受けるフィラーを形成する分散した刻まれた炭素繊維へ、集合的にトウを形成している多くの炭素繊維を、解体するステップを含む。炭素トウをプラズマ放電に曝露することによって、炭素トウは解体する。特定の理論に制限されることを意図せずに、トウにおける炭素繊維の表面のイオン化は、繊維間の静電反発力を誘導する。シートが自動化生産ライン上でコンベアベルトに沿って動き、コンベアベルトの上に乗せられた少なくとも１つのプラズマ発生器が炭素繊維をイオン化するので、本発明の実施態様は、組成物に加えられた、刻まれて分散した繊維による成形組成物のシートを形成するために用いられ得る。プラズマによって処理された刻まれた繊維を混合するために脱イオン化空気を用いて、さらなる分散が生じる。
【００１６】
特定の実施態様では、プラズマ曝露は、シランによるコーティングの前にガラス球体上の活性部位の数を増大させて、仕上げられた熱硬化性材料の強度を増大するために、より多くのシラン樹脂結合をもたらす。シランは、樹脂マトリックスに架橋して球体の引抜強度を増大する反応性の他方の末端を有し、それにより、より強い材料を作る。流動層プラズマ処理反応器は、三次元フィラー粒子の周りに同時および均一な活性部位の発生を提供することが見いだされている。
【００１７】
炭素繊維トウに関して本明細書において用いられる用語「ロフト（ｌｏｆｔｉｎｇ）」、「解体する（ｄｅｂｕｎｄｌｉｎｇ）」および「広げる（ｓｐｒｅａｄｉｎｇ）」は、同義的に用いられる。炭素繊維の「解体（ｄｅ−ｂｕｎｄｌｉｎｇ）」は、樹脂マトリックスが、最終的なモールド部品における応力のより良好な移行のためにより完全に個々の繊維を「濡らす（ｗｅｔ−ｏｕｔ）」のを可能にして、したがって、部品が正常な使用における応力および張力に、より耐え得るようにさせる。
【００１８】
本明細書において用いられるマイクロ回転楕円体は、１および１．６の間の２つの正常な直径の間のアスペクト比を有するソリッドビーズまたは中空のマイクロスフェアを含むように定義されて、基本のシート成形化合物（ＳＭＣ）またはバルク成形化合物（ＢＭＣ）への導入のために１０〜１２０ミクロンの平均直径を有する。典型的に、回転楕円体粒子は、ガラスまたは熱可塑性プラスチック材料から形成される。
【００１９】
値の範囲が与えられる場合、その範囲は、明示的にその範囲内に含まれてその範囲の最後の有効数字が変化するように、その範囲のエンドポイント値だけでなく、その範囲の中間値も含むことを意図することが理解されるべきである。例として、１〜４の挙げられた範囲は、１〜２、１〜３、２〜４、３〜４、および１〜４を含むことが意図される。
【００２０】
プラズマの発生は、粒子の表面上に結合部位をもたらすフリーラジカルを形成するために必要なエネルギーをフィラー粒子表面に導入する。このフィラー表面活性化プロセスは、流動層において生じ得て、それによって冷プラズマの使用を促進することが理解されるが、温プラズマ曝露もまた、フィラー表面活性化に適切であることが理解される。さらに、プラズマの発生は、トウが５０％よりも多く体積が膨張するのを生じさせるように繊維間の反発が確立されるために、必要なエネルギーを炭素繊維の表面に導入する。
【００２１】
本明細書において用いられる、トウ体積は、トウの所定の横断面における最大面積に、トウの長さを掛けることによって定義される。トウの長さがプラズマ放電に曝露される状況では、最大の末端面積に、刻まれたトウ部分の長さを掛けたものが、トウ体積を定義する。炭素繊維トウの解体処理は、従来のエラストマーのコンベア上で生じ得て、それにより冷プラズマの使用を促進することが理解されるが、温プラズマの曝露もまた、周辺設備と適合する温プラズマ温度の使用によって炭素繊維トウを解体するのに適切であることが理解される。
【００２２】
例えば、温プラズマ発生の温度は、およそ１０００℃である。プラズマの発生からコンベアを分離すること、および、圧力減少は、炭素繊維トウが明らかにより低い温度に曝されるのをもたらす。プラズマは、０．００００１〜１気圧（ａｔｍ）の様々な圧力で容易に生産されて、特定の発明の実施態様では、プラズマを発生する圧力は、プラズマを発生するために、０．０００１〜０．１ａｔｍの範囲である。炭素繊維トウの解体は、２０℃もの低い温度で生じる。典型的に、解体温度は、２０〜２５０℃の範囲である。さらに他の実施態様では、解体温度は、４０〜２００℃の範囲である。
【００２３】
プラズマ発生は、様々な気体で生じ、気体の選択は所望の表面活性化のタイプによって指示される。プラズマ発生において用いられる様々な気体の例示的な非限定の例は、酸素、空気、窒素、二酸化炭素、希ガス、およびそれらの混合物を含む。例として、最初のメカニズムとしてイオン衝撃を必要とするプロセス−−例えば反応性イオンエッチング−−圧力のキロパスカルあたりの立方センチメートルあたりのワットの単位で表されるプラズマに対するパワー密度は、酸素種の沈着のような、中性種のみが必要とされるプロセス、または電子スパッタリングが優勢である場合のプロセスに関するものよりも高い。典型的に、イオンに基づくプロセスは、だいたい約３〜１００Ｗ／ｃｍ３／ｋＰａｓｃａｌのパワー密度を有し、一方で、中性に基づくプロセスは、約０．１〜約１０Ｗ／ｃｍ３／ｋＰａｓｃａｌの密度を有する。
【００２４】
イオン衝撃によって誘導される活性化は、窒素、ネオン、またはアルゴンのような不活性ガスを用いて容易に行なわれる。一部の発明の実施態様では、化学蒸着（ＣＶＤ）前駆体が、流動層内でガスに加えられて、特定の官能性を炭素繊維表面に加える。
【００２５】
特定の発明の実施態様では、トウは単一の炭素繊維；単一のガラス繊維トウ、または、刻まれて分配されたガラスおよび炭素繊維の両方を含む複合型トウである。さらに他の発明の実施態様では、多数のトウが同時に投入されて、多数のトウは、炭素、ガラス、またはそれらの組み合わせである。本発明において用いられる刻まれた繊維の典型的な長さは、典型的に、０．１〜５センチメートル（ｃｍ）の範囲である。繊維の直径は、工業用原料に基づいて広く変化し、ガラス繊維は典型的に１６〜３０ミクロンの直径を有し、一方で、炭素繊維は典型的に２〜１０ミクロンの直径を有することが理解される。前述の典型的な範囲外の繊維寸法が存在し、本発明の範囲内であることが意図されることが理解されるべきである。
【００２６】
トウ（単数または複数）は、予め選択された長さの繊維の円柱状の束にトウを分割する切断エレメントに供される。切断エレメントは、回転式チョッパー刃、線形作動チョッパー刃、ウォータージェット、およびレーザーカッターを含む様々な従来の刃を備える。
【００２７】
本発明によれば、刻まれたトウ繊維は、チューブ内の加圧ガスフローに供給されて、タンブリングする繊維の渦を誘導する。渦における時間および回転速度を制御することによって、小さなクラスターの繊維、個々の繊維またはそれらの組み合わせへの所望の度合いのトウ分散が得られる。渦形成の動力学は当該分野で公知である。Ｍ．Ｆ．Ｕｎａｌ  ａｎｄ  Ｄ．Ｒｏｃｋｗｅｌｌ（１９８８）．Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｆｌｕｉｄ  Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，１９０，ｐｐ  ４９１−５１２。チューブとしてのシリンダーの使用は、渦を巻くガスおよび繊維がその中に渦巻を形成する制限された能力に起因する均一性の観点から利点を提供し、垂直な横断面において均一であることが理解されるが、球状、半球状、円錐形、および多角形の横断面形状を含む他のチューブ形状もまた、本明細書において作用することが理解されて、横断面は、三角形、四角形、およびより高次の正多角形である。手短には、回転および垂直の両方の流れ成分によって、刻まれた繊維を含むチューブにおいて、およびその中へ、加圧されたガスフローを向けることによって、渦が形成される。シリンダー内の繊維のドゥエルタイムは、上方へのガスフローを制御することによって無限に近い時間まで延長され得る。一部の実施態様では、チューブ自体も同様に回転して、渦において繊維の解体および混合をさらに高める。加圧されたガスフローとしての、脱イオン化ガス、例えば空気の使用は、対応する未処理ガスと比較して、さらなる分散をもたらす。
【００２８】
チューブ内に渦を形成するのに適切な気体は、繊維との互換性にのみ制限される。本明細書において作用する例示的な気体は、空気、窒素、二酸化炭素、一酸化炭素、水素、希ガス、およびそれらの組み合わせを例示的に含む。繊維の解体に加えて、チューブは、図２における電極２４が容易に提供されて、解体中に繊維の表面改変を大気圧プラズマが行なうのをサポートすることが理解される。例として、表面官能性は、解体中にプラズマ処理を通して加えられて、または、繊維サイズ化は、続いて適用されるマトリックスに向けて繊維をより反応性にさせるように化学的に改変される。米国特許第９，１４９，８３４号は、そのような繊維改変の代表である。
【００２９】
さらに他の発明の実施態様では、ガスフローは、微粒子フィラーの流れを、それを通して散在されたそのようなフィラー粒子を含む解体された繊維の塊を形成するように同調させる。そのようなガスフロー内で同調される微粒子フィラーは、無機粒子、例えば、シリカ、カーボンブラック、炭酸カルシウム、中空のガラスマイクロスフェア；合成の有機粒子、例えば、ポリスチレンの高分子ビーズ、および中空の高分子ビーズ；および、天然起源の粒子、例えば貝殻粉末、および、ココナッツのような植物の殻、もみ殻、クルミ殻；卵殻；およびそれらの組み合わせを例示的に含む。同調のための粒子は、その近くを通過するガス流へ微粒子を測定する（ｍｅｔｅｒ）、図２における微粒子リザーバー２２において提供される。
【００３０】
チューブ内で化学改変が生じるかどうかにかかわらず、解体された繊維は、ベルトによって規定された平面において、一般に無作為な繊維方位で、下にあるベルトの上に重量供給される。そのような解体された繊維は、最初の沈着のときにベルトの平面内に横たわる傾向があり、ベルト平面に対して０度の角度が規定されて、さらに、繊維の層の厚さがベルト上に作られるときに、ベルトに対する傾斜の平均繊維角度は、０度よりも上から６０度までの値に増大することが理解される。
【００３１】
ベルトの幅と比較してチューブをサイズ化することによって、一部の発明の実施態様において、ベルト上の刻まれた繊維の塊の幅にわたって、２０未満（繊維数のパーセント）で変化する繊維の横分配が得られる。一方で、他の発明の実施態様では、繊維の横分配は、１０未満（繊維数のパーセント）である。ベルトの動きの方向に対して、内向きに傾斜したレールを用いて、ベルトの端の繊維が優先的に内向きに促されて、ベルト上に、繊維のより狭い横幅を作り出すが、より均一な幅であることが理解される。一部の実施態様では、チューブは、ベルトの動きの方向に対して横に回転して、ベルト上の刻まれた繊維の横分配を変化させる。
【００３２】
解体された繊維は、一部の実施態様では、チューブ内またはベルト上のいずれかが化学処理される。本明細書において作用する化学処理は、シラン、シルセスキオキサン（ＳＱ）、およびそれらの組み合わせを例示的に含む。化学処理は、一部の実施態様では、加熱、化学線、またはプラズマによって達成されて、添加剤と繊維との間の結合形成を促進することが理解される。
【００３３】
プラズマ源への曝露の後に炭素およびガラス繊維を例示的に含む刻まれた繊維に結合する表面活性化剤はアルコキシシランであり、シランは繊維のシリカ表面と反応性である。刻まれた繊維のための代表的なアルコキシシラン表面活性化剤は、３  アミノプロピルトリメトキシシラン、３−アミノプロピルトリエトキシシラン、３  グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、３−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、（３  グリシドキシプロピル）ビス（トリメチルシロキシ）メチルシラン、（３  グリシドキシプロピル）メチルジエトキシシラン、（３−グリシドキシプロピル）ジメチルエトキシシラン、（３  グリシドキシプロピル）メチルジメトキシシラン、メタクリルオキシメチルトリエトキシシラン、メタクリルオキシメチルトリメトキシシラン、メタクリルオキシプロピルジメチルエトキシシラン、メタクリルオキシプロピルジメチルメトキシシラン、エタクリルオキシプロピルメチルジメトキシシラン、メタクリルオキシプロピルトリエトキシシラン、メトキシメチルトリメチルシラン、３−メトキシプロピルトリメトキシシラン、３  メタクリルオキシプロピルジメチルクロロシラン、メタクリルオキシプロピルメチルジクロロシラン、メタクリルオキシプロピルトリクロロシラン、３  イソシアネートプロピルジメチルクロロシラン、３  イソシアネートプロピルトリエトキシシラン、ビス（３  トリエトキシシリルプロピル）テトラスルフィド、およびそれらの組み合わせを例示的に含む。より好ましくは、シラン表面活性化剤は、刻まれた繊維とともに周囲のＳＭＣまたはＢＭＣマトリックスに共有結合するように、フリーラジカル架橋条件下で反応性であるエチレン性（ｅｔｈｅｎｉｃａｌｌｙ）不飽和部分を含む。
【００３４】
本発明の一部の実施態様では、微粒子フィラーが、ベルト運搬において、この時点で層として加えられる。微粒子フィラーは、前述の材料を含む。
【００３５】
結合剤は、それから、刻まれた繊維の塊の上に噴霧され得る。繊維の塊は、一部の発明の実施態様において、結合剤の噴霧適用の前に圧縮されることが理解される。結合剤は、適切に、または、溶媒中の懸濁液または溶媒和物として適用される。本明細書において作用する結合剤は、ラテックス、エポキシ、フェノール樹脂、およびポリエステル類；およびそれらの組み合わせを例示的に含む。結合剤噴霧は、一部の実施態様では、加熱、化学線、またはプラズマによって達成されて、結合剤と繊維との間の結合形成を促進することが理解される。
【００３６】
本発明の実施態様は、既存のプロセスと比較して、横の均一性、ベルトの平面における無作為性、その中の微粒子の包含、解体、または任意の前述の組み合わせの観点から改善された繊維分散を提供する。その結果、本発明に係る結合剤が保持された繊維の塊を生産するための連続的な生産プロセスおよび繊維特性の制御が、特定の実施態様において、製剤硬化の前に、ならびに、ＳＭＣおよび樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）を例示的に含む複合金型における使用のためのプリフォームマットでの使用のために、成形組成物製剤において分散されるのに利用可能である。プリフォームマットは、熱硬化性樹脂組成物成形のための本発明のプロセスおよびシステムによって形成されて、硬化の際に、様々な成形されたおよび繊維によって補強された物品を形成する。そのような物品は、様々な適用、例えば、ベッドライン、本体コンポーネント、トリム、内部コンポーネント、および車の下のコンポーネントのような車両コンポーネント；トリムおよびドアのような建築コンポーネント、ハル、トリム、およびコックピットピースのような船舶コンポーネント；および、航空宇宙設定内の同様の構造において用いられる。
【００３７】
ここで図を参照して、図１〜３は、ＳＭＣおよびＲＴＭにおける使用のための繊維マット４４を形成するためのシステム３０を示す。図１は、繊維投与および切断機１０および処理チャンバー３４を含む主な機能性ブロックを示すシステム３０の機能性ブロック図である。図２は、繊維投与および切断機の横断面図であり、一般に１０で示される。１つまたは複数の繊維トウ１２は、トウを刻むために、上記に詳述したように、供給リール１３から切断エレメント１４へ供給される。１つまたは複数の繊維トウは、同一の材料であってよく、または、トウは、ガラス、炭素、天然、および化学系のトウの混合であってよい。刻まれた繊維は、チューブ１６を通って渦の中のらせん状のガスフローの下へ落ちて、刻まれた繊維１８を移動ベルト２０上へ分離および分散させる。チューブ１６は、一部の実施態様では、プラズマ発生電極セット２４を備える。図３におけるシステム図３０に示されるように、繊維投与および切断機１０から移動ベルトの上へ出る刻まれた繊維１８は、ディスペンサー３２から適用される結合剤によってコーティングされる。結合剤の性質は上記に詳述されている。結合剤ディスペンサー３２の前または後に、化学添加剤を分注するためにディスペンサー３２と同様のディスペンサーが用いられることが理解される。そのような添加剤は、前述のものを含む。見た目の明確性のために図示されないが、結合剤または添加剤の適用は、それぞれ、熱源、光源、またはプラズマ源のような、活性化エネルギー入力によって独立に達成される。処理された繊維はそれから、処理チャンバー３４の中に移動して、そこでフィラーは、移動ベルト２０と上側移動ベルト４２との間でローラー３８によってシートまたはマット４４に圧縮される。処理チャンバーは、化学的に処理された繊維２０を硬化する第一の加熱部分３６、および、チャンバー３４からシートまたはマットが出る前の第二の冷却部分４０を有する。チャンバー部分３６および４０内の雰囲気は、それぞれ独立に制御されて、事前に選択された温度の不活性ガスまたは空気を例示的に含むことが理解される。
【００３８】
図４に一般に５０で示される、発明の器具の一実施態様では、１つまたは複数の炭素繊維のトウ５２は、チョッパー５４の操作速度に対して事前に選択された速度で従来のチョッパー５４へ供給されて、事前に選択された長さの炭素繊維トウ５２を生産する。これらの長さの刻まれた炭素繊維トウ５６は、チョッパー５４の下を通るコンベア５８上に集められる。一部の実施態様では、刻まれた長さのトウ５６は、スプレッダー５５を用いてコンベア５８の幅に沿って位置および方位に関してさらに無作為化される。１つまたは複数のプラズマ発生源６０は、事前に選択された長さの刻まれた炭素繊維トウ５６が、１つまたは複数のプラズマ発生源６０によって生産されるプラズマに曝されるように、コンベア５８上に搭載される。プラズマ６１曝露の影響下で、刻まれた炭素繊維トウ５６の長さは、プラズマ曝露前の５０％よりも多く拡大して、ロフティッドトウ６２を形成し、他の実施態様では、プラズマ処理前のサイズの２００％を超える体積まで拡大する。一部の実施態様では、コンベア５８は、０．９〜１．８メートルの範囲の幅を有する。体積増加の程度は、プラズマのイオンエネルギー、プラズマ流動、コンベアの移動速度、炭素繊維サイズの同一性、トウ内の繊維数、および、炭素繊維に対するプラズマ源の近さを含む因子によって制御される。一部の発明の実施態様では、刻まれた炭素繊維および無傷の炭素繊維トウの両方を効果的に解体するために温プラズマが用いられる。
【００３９】
さらに他の実施態様では、１つまたは複数のプラズマ発生源６０’が、１つまたは複数のプラズマ発生源６０の代わりに、またはそれと協調して提供される。プラズマ発生源６０’は、発生器６０と同じタイプ、または、チョッパー５４に入る前にトウ５２をロフトするために操作パラメーターに関して変化することが理解される。発明の一実施態様では、炭素繊維トウ５２は、少なくとも１，０００炭素繊維〜少なくとも１０，０００炭素繊維の範囲であり、他の実施態様では、トウあたり５０，０００炭素繊維またはさらにより多くの繊維である。プラズマ発生源６０は、円柱状のプラズマを円形電極から、または直線体積のプラズマをレーストラック状の環から、発することが理解される。本発明によって得られる刻まれた炭素繊維は、その結果、特定の実施態様では、生産ラインコンベアに沿ってシートが動くときに、製剤硬化の前に成形組成物製剤のシート内に分散されるのに利用可能である。熱硬化性樹脂における成形組成物モノマー極性の制御を通して、刻まれた、プラズマによってロフトされた炭素繊維のさらなる分散および異方性が得られる。
【００４０】
他の発明の実施態様では、解体された繊維は、一般に急熱多重処理（ＲＴＭ）システムに運ばれて、特に、ＲＴＭ成形のための炭素繊維プリフォームまたはマットに対応する金型に運ばれる。本発明の解体された繊維は、より高い強度の成形を提供する。特定の理論に拘束されることを意図せずに、繊維の湿潤は、本発明のプロセスによって高められる。
【００４１】
プラズマの安定性、繊維および粒子に対する熱ストレス、繊維および粒子表面積、繊維および粒子ローディング、および、繊維および粒子の活性化の均一性および質は、プラズマおよび流動層内の圧力およびガスフロー条件によって影響される。所望のレベルの活性化の決定は、ヨウ素滴定の繰り返し、または、活性化された粒子に対するカップリング剤による単純な反応、および、最終的な熱硬化性物品の特性の試験によって測定される。一部の実施態様では、温度をさらに減少させるために、プラズマの発生中にガスを冷却するために、適切なガス状または液体冷却剤で満たされた被覆冷却チューブが用いられる。空気および水は、例示的なガス状および液体冷却剤流体である。
【実施例】
【００４２】
活性化されたガラスマイクロスフェアの生産
４ミクロンの直径を有する炭素繊維を、ヨウ素滴定によって試験して、活性部位における増大（ヨウ素滴定によって測定して９０倍増大）で、酸素プラズマ処理に供した。反応器は、約０．０００２ａｔｍの下で約８０℃にて運転される。プラズマによって活性化された酸素ラジカルは、標準的な条件下で体積流量によって生産されて、約５６０ｍｌ／分であった。炭素繊維曝露は３０分続いた。生じた活性炭繊維は、アルコキシシラン表面カップリング剤３−グリシドキシプロピルトリメトキシシランに化学結合される。標準的なスチレン系ＳＭＣマトリックスにおける硬化の際に、生じた材料は、同一のカップリング剤に曝された処理されていない炭素繊維と比較して、破砕に対する耐性によって測定される優れた強度を有する。
【００４３】
前述の説明は、本発明の特定の実施態様の例示であるが、その実施に対する制限を意味しない。以下の特許請求の範囲は、その全ての等価物を含み、本発明の範囲を定義することを目的とする。
【図１】
2020501029.tif 000003
【図２】
2020501029.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2020501029.tif 000007
2020501029.tif 000008