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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-11-20
(45)【発行日】2023-11-29
(54)【発明の名称】炭素繊維トウのフィラメント数の増加
(51)【国際特許分類】
D02J 1/18 20060101AFI20231121BHJP
C08J 5/24 20060101ALI20231121BHJP
【ＦＩ】
D02J1/18 D
C08J5/24 CER
C08J5/24 CEZ
【請求項の数】
14
(21)【出願番号】P 2020566835
(86)(22)【出願日】2019-05-10
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-09-27
(86)【国際出願番号】 US2019031862
(87)【国際公開番号】W WO2019231633
(87)【国際公開日】2019-12-05
【審査請求日】2022-05-02
(31)【優先権主張番号】15/994,849
(32)【優先日】2018-05-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】503308494
【氏名又は名称】ヘクセル コーポレイション
(74)【代理人】
【識別番号】110000855
【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ダスト、アダム
(72)【発明者】
【氏名】ロッシュ、ロバート
(72)【発明者】
【氏名】ダサラシー、ハリニ
(72)【発明者】
【氏名】フォルスグレン、レベッカ
【審査官】長谷川 大輔
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１０－２７０４２０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／０１３５２２７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００１－１５１４１８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５１－１４７５６９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１１－２００１３６（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２９Ｂ１１／１６
１５／０８－１５／１４
Ｃ０８Ｊ５／０４－５／１０
５／２４
Ｄ０２Ｇ１／００－３／４８
Ｄ０２Ｊ１／００－１３／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
組み合わされたトウを形成することによって炭素繊維トウのフィラメント数を増加させるための方法であって、第１のトウであって、第１のトウの縦方向に延伸する複数の第１の炭素フィラメントを含む第１のトウを提供するステップであって、前記第１のトウは、第１のトウフィラメント数及び第１のトウ幅を有する、ステップと、
第２のトウであって、第２のトウの縦方向に延伸する複数の第２の炭素フィラメントを含む第２のトウを提供するステップであって、前記第２のトウは、第２のトウフィラメント数及び第２のトウ幅を有する、ステップと、
前記第１のトウを前記第１のトウの縦方向にトウ拡散／混合ゾーンに送るステップであって、前記トウ拡散／混合ゾーンは、入口、出口、左側部、右側部、上部、及び底部を有し、前記第１のトウは、ある供給速度で前記入口を通過する、ステップと、
前記第２のトウを前記第２のトウの縦方向に前記トウ拡散／混合ゾーンに送るステップであって、前記第２のトウは、前記供給速度で前記入口を通過し、前記第２のトウは、前記第１のトウの上に位置合わせされ、前記第２のトウは、前記第１のトウに接触しない、ステップと、
前記拡散／混合ゾーンの前記底部に位置する格子を提供するステップであって、前記格子は、前記拡散／混合ゾーンの前記左側部と前記右側部との間で互いに平行に延伸する複数のバーを備える、ステップと、
前記拡散／混合ゾーンの前記上部から前記底部の方向に流れる第１のガス流を提供するステップと、
前記複数の第１の炭素フィラメントを離間させるように拡散して、拡散された第１のトウであって、拡散された第１のトウ幅を有する拡散された第１のトウを提供するために、前記第１のトウを前記第１のガス流と接触させるステップであって、前記拡散された第１のトウ幅：前記第１のトウ幅の比率は５：１～２５：１である、ステップと、
前記複数の第２の炭素フィラメントを離間させるように拡散して、拡散された第２のトウであって、拡散された第２のトウ幅を有する拡散された第２のトウを提供するために、前記第２のトウを前記第１のガス流と接触させるステップであって、前記拡散された第２のトウ幅：前記第２のトウ幅の比率は１５：１～４０：１であり、前記拡散された第２のトウ幅は、前記拡散された第１のトウより広い、ステップと、
接触した拡散されたトウを形成するために、前記拡散された第１のトウを前記拡散された第２のトウと接触させるステップと、
前記拡散／混合ゾーンの前記上部から前記底部の方向に流れる第２のガス流を提供するステップであって、前記第２のガス流は、前記格子を通って流れる、ステップと、
前記第１のフィラメントの前記第２のフィラメントとの混合を提供して、絡み合ったトウであって、絡み合ったトウ幅を有する絡み合ったトウを形成するために、前記第２のガス流が存在する前記格子上を前記接触した拡散されたトウに通過させるステップと、
前記絡み合ったトウを、組み合わされたトウであって、組み合わされたトウ幅及び組み合わされたフィラメント数を有する組み合わされたトウに形成するステップであって、前記絡み合ったトウ幅：前記組み合わされたトウ幅の比率は５：１～４０：１であり、前記組み合わされたフィラメント数は、前記第１のトウのフィラメント数又は前記第２のトウのフィラメント数より多い、ステップと
を含む方法。
【請求項2】
前記第１のトウ及び／又は前記第２のトウは、拡散／混合増強剤を含む、請求項１に記載の炭素繊維トウのフィラメント数を増加させるための方法。
【請求項3】
前記第１のトウ及び前記第２のトウは、同じ引張弾性率及び同じフィラメント数を有する、請求項１に記載の炭素繊維トウのフィラメント数を増加させるための方法。
【請求項4】
前記第１のトウの引張弾性率は、前記第２のトウの引張弾性率と同じであり、前記第１のトウのフィラメント数は、前記第２のトウのフィラメント数とは異なる、請求項１に記載の炭素繊維トウのフィラメント数を増加させるための方法。
【請求項5】
前記第１のトウの引張弾性率は、前記第２のトウの引張弾性率とは異なり、前記第１のトウのフィラメント数は、前記第２のトウのフィラメント数と同じである、請求項１に記載の炭素繊維トウのフィラメント数を増加させるための方法。
【請求項6】
前記第１のトウの引張弾性率は、前記第２のトウの引張弾性率とは異なり、前記第１のトウのフィラメント数は、前記第２のトウのフィラメント数とは異なる、請求項１に記載の炭素繊維トウのフィラメント数を増加させるための方法。
【請求項7】
前記複数の第２の炭素フィラメントは、前記複数の第１の炭素フィラメントの線重量より大きい線重量を有する、請求項１に記載の炭素繊維トウのフィラメント数を増加させるための方法。
【請求項8】
前記第２の拡散されたトウは、４～６センチメートルの幅を有する、請求項１に記載の組み合わされたトウを形成するために炭素繊維トウのフィラメント数を増加させるための方法。
【請求項9】
前記第１の拡散されたトウは、５０～１５０グラムの縦方向の張力下にあり、前記第２の拡散されたトウは、５０～１５０グラムの縦方向の張力下にある、請求項１に記載の炭素繊維トウのフィラメント数を増加させるための方法。
【請求項10】
前記第１のガス流の速度は、前記第２のガス流の速度と同じである、請求項１に記載の炭素繊維トウのフィラメント数を増加させるための方法。
【請求項11】
サイジングされた組み合わされたトウを形成するために、前記絡み合ったトウ又は前記組み合わされたトウにサイジング剤を塗布する追加のステップを含む、請求項１に記載の組み合わされたトウを形成するために炭素繊維トウのフィラメント数を増加させるための方法。
【請求項12】
サイジングされた組み合わされたトウを形成するために、前記絡み合ったトウ又は前記組み合わされたトウにサイジング剤を塗布する追加のステップを含む、請求項２に記載の炭素繊維トウのフィラメント数を増加させるための方法。
【請求項13】
前記組み合わされたトウを未硬化の樹脂マトリックスと組み合わせる追加のステップを含む、請求項１に記載の炭素繊維トウのフィラメント数を増加させるための方法。
【請求項14】
前記未硬化の樹脂マトリックスを硬化させる追加のステップを含む、請求項１３に記載の炭素繊維トウのフィラメント数を増加させるための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、概して、炭素フィラメントからなる炭素繊維トウに関する。より具体的には、本発明は、任意の所与の炭素繊維トウのフィラメント数を、そのトウに１つ以上の他の炭素繊維トウを直接物理的に組み込むことによって増加させるための方法に向けられる。
【背景技術】
【0002】
複合材料は、繊維強化構造及び樹脂マトリックスを２つの主成分として含む。複合材料は通常、かなり高い強度対重量比を有する。その結果、複合材料は、複合構造の高強度及び相対的軽量が特に重要である航空宇宙産業で使用される。
【0003】
炭素繊維は、複合材料の一般的な繊維強化材である。炭素繊維は通常、一般に「トウ」と呼ばれる多芯糸として提供される。炭素繊維トウは通常、１，０００～５０，０００本のフィラメントを含む。市販の炭素繊維トウは、例えば、約３０００フィラメント（３Ｋ）、６０００フィラメント（６Ｋ）、１２０００（１２Ｋ）フィラメント、又は２４０００（２４Ｋ）フィラメントを含む。単一の炭素フィラメントの線重量は通常、１メートル当たり０．０２～０．５ミリグラムの範囲にある。
【0004】
炭素繊維トウの線重量は、フィラメントの数、それらの線重量、及び任意のコーティング又は他のトウ処理の重量に依存する。ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）ＡＳ４は、ヘクセル（Ｈｅｘｃｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）（カリフォルニア州ダブリン）から入手可能な炭素繊維トウのタイプである。ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）ＡＳ４炭素繊維トウの３Ｋバージョンは、１メートル当たり約０．２１グラムの線重量を有し、６Ｋバージョン及び１２Ｋバージョンは、それぞれ１メートル当たり約０．４３グラム及び１メートル当たり約０．８６グラムの線重量を有する。ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）ＩＭ７は、ヘクセル（Ｈｅｘｃｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）（カリフォルニア州ダブリン）からまた入手可能な炭素繊維トウの別のタイプである。ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）ＩＭ７炭素繊維トウは、ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）ＡＳ４炭素繊維トウより高い引張強度及び引張弾性率を有する。６ＫのＨｅｘＴｏｗ（登録商標）ＩＭ７炭素繊維トウの線重量は、１メートル当たり約０．２２グラムであり、１２Ｋバージョンは、１メートル当たり約０．４５グラムの線重量を有する。
【0005】
炭素繊維トウのフィラメントは、従来の糸と同様に捩じられない。代わりに、炭素繊維トウのフィラメントは、互いに実質的に平行である。この結果、炭素繊維トウは、平坦なテープ状の断面形状を有する傾向がある。炭素フィラメントは、トウにある程度の凝集性を提供するために互いに絡み合い、そのために、それは、崩壊することなくある程度まで取り扱われ、且つ処理されることができる。炭素繊維トウの凝集性は一般に、トウの「展延性」を決定することによって測定される。トウ評価試験機は、展延性を含む多くの炭素繊維トウの特性を決定する際に使用するために市販されている。例えば、トウ評価試験機は、テクステクノ・ハーバート・シュタイン（Ｔｅｘｔｅｃｈｎｏ Ｈ． Ｓｔｅｉｎ ＧｍｂＨ＆Ｃｏ．ＫＧ）（ドイツ、メンヒェングラートバッハ）から商品名ロービングテスト（ＲＯＶＩＮＧＴＥＳＴ）で入手可能である。繊維産業では、２台の評価試験機又は機器が一般的である。
【0006】
展延性は、典型的なトウ評価試験機において、トウを所定の張力下に置き、一連の拡散機バー上をそれに通過させることによって決定される。トウ幅は拡散機バーの前（Ｗ１）及び拡散機バーの直後（Ｗ２）で測定される。トウの展延性はＷ２／Ｗ１と同じである。１．２～２．２のオーダーの展延性値（Ｗ２／Ｗ１）は、フィラメント数、フィラメントの線重量、フィラメントのタイプ、フィラメントの絡み合いの程度、及びサイジング又は他のコーティングの適用のような成形後処理に依存して、炭素繊維トウにとって一般的である。
【0007】
炭素フィラメントは相対的に壊れやすい。従って、炭素フィラメントは、炭素繊維トウの製造及びその後の取り扱い中に損傷を受けやすい。トウの毛羽又は毛羽立ちは、炭素繊維トウの表面に存在する場合があるフィラメントの破損及び綿毛を指す。炭素繊維トウの表面に存在する毛羽の量を測定するための試験機器が市販されている。毛羽の量は、毛羽数又は毛羽値として表される。炭素繊維トウの毛羽数を測定するための例示的な試験装置は、レンジンズ・インスツルメンツ（Ｌｅｎｚｉｎｇ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ＧｍｂＨ＆Ｃｏ．ＫＧ）（ガンペン、オーストリア）から入手可能なフライ・ビュー（ＦＲＡＹ ＶＩＥＷ）糸欠陥視覚化装置である。フライ・ビュー（ＦＲＡＹ ＶＩＥＷ）装置は、光学センサ及び高解像度デジタルカメラを使用して毛羽数を測定する。
【0008】
炭素繊維トウの毛羽数は、トウの処理方法及び取り扱い方法、フィラメント数、フィラメントの線重量、フィラメントのタイプ、並びにサイジング及びその他のコーティングの適用のような成形後処理を含む多くの要因に依存して変動する。一般に、炭素繊維トウは、可能な限り少ない毛羽数を有することが望ましい。しかし、ある程度のフィラメントの破損が望ましい場合がある。例えば、炭素繊維トウのフィラメントの破損は、炭素繊維複合ラミネートのＺ方向の電気コンダクタンスを高めるために使用されてきた。これらの場合では、炭素繊維トウが所望のレベルのフィラメントの破損を有することを保証するために、毛羽数が測定及び監視される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0009】
本発明によれば、第１の炭素繊維トウのフィラメント数は、組み合わされたトウを形成するために、第２の炭素繊維トウを第１の炭素繊維トウと物理的に組み合わせることによって増加する。２つの炭素繊維トウが、第１及び第２のトウの展延性に近い展延性を示す凝集性の組み合わされたトウを提供するために物理的に組み合わされることができることが発見された。このような組み合わされたトウは、第１又は第２のトウに存在する損傷したフィラメントの量を過度に増加させることなく形成されることができることが更に発見された。
【0010】
本発明は、組み合わされたトウを形成するために、炭素繊維等のフィラメント数を増加させるための方法に基づき、その方法では、第１の炭素フィラメントからなり、第１のトウ幅を有する第１のトウが、拡散された第１のトウを形成するために第１のガス流に曝される拡散／混合ゾーンに送られる。第２の炭素フィラメントからなり、第２のトウ幅を有する第２のトウがまた、拡散された第２のトウを形成するために第１のガス流に曝される拡散／混合ゾーンに送られる。
【0011】
本発明の特徴として、拡散された第１のトウ及び拡散された第２のトウは、第１及び第２のトウが互いに接触し、且つ格子と接触するように、格子上を通過する接触した拡散されたトウを形成するために共に接触する。第１のガス流の一部であってもよい第２のガス流は、第１及び第２の炭素フィラメントの混合を提供して、絡み合ったトウ幅を有する絡み合ったトウを形成するために格子を通過する。そして、絡み合ったトウは、組み合わされたトウに形成される。
【0012】
本発明の別の特徴として、第１及び第２のトウは、拡散／混合ゾーンで拡散する前に、トウに塗布される拡散／混合増強剤を含む。拡散／混合増強剤の使用は、フィラメントの過度の破損又は毛羽を生成することなく、適切な組み合わされたトウを形成するために要求されるレベルのフィラメントの拡散、混合、及び絡み合いが得られることを可能にすることが発見された。
【0013】
本発明は、第１及び第２のトウが同数の同じタイプの炭素フィラメントを有する、組み合わされたトウを形成するために使用されてもよい。追加の特徴として、引張弾性率、引張強度、及び線重量のような様々な特性を伴う組み合わされたトウは、炭素フィラメントの異なるフィラメント数及び／又はタイプを有する第１及び第２のトウを使用することによって作製されてもよい。
【0014】
本発明は、炭素繊維トウのフィラメント数を増加させる方法に向けられるだけでなく、一方向炭素繊維テープ及び炭素繊維織物製品を含む、本発明に従って作製される組み合われたトウにも向けられる。本発明はまた、プリプレグのような組み合わされたトウを使用して作製される未硬化の複合材料に向けられる。本発明は更に、未硬化の複合材料から作製される複合部品に向けられる。
【0015】
本発明の上記で説明された特徴及び多くの他の特徴、並びに付随する利点は、添付の図面と併せて解釈される場合には、以下の詳細な説明を参照することによってよりよく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本発明による炭素繊維トウのフィラメント数を増加させるための例示的な方法の部分的に概略的な側面図である。
【図3】絡み合ったトウの形成中にガス流が格子を通過することに起因する炭素フィラメントの下向きの変位を示す例示的な格子の一部の側面図である。
【図4A】方法中の開始トウの断面図を示す。
【図4B】方法中の一段階での一トウ構成の断面図を示す。
【図4C】方法中の一段階での一トウ構成の断面図を示す。
【図4D】方法中の一段階での一トウ構成の断面図を示す。
【図4E】方法中の一段階での一トウ構成の断面図を示す。
【図5】絡み合ったトウを組み合わされたトウに形成する際に使用される、好ましい例示的な統合リールの詳細な部分断面図である。
【図6】第２のトウの炭素繊維フィラメントとは異なる炭素繊維フィラメントを有する第１のトウを含む、例示的な混合の組み合わされたトウの一部の代表的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
本発明による炭素繊維トウのフィラメント数を増加させる方法を実行するための好ましい例示的なシステムが、図１及び図２の１０に示される。第１のトウ１２は、フィードローラー１６を介して拡散／混合ゾーン１４（想像線で輪郭が描写される）に供給される。拡散／混合ゾーン１４は、チャンバーのような閉鎖空間であってもよく、又はトウの拡散及び混合が行われる開放空間であってもよい。２，０００～５，０００炭素フィラメントからなる任意のタイプの炭素繊維トウが第１のトウ１２として使用されてもよい。好ましい炭素繊維トウは、市販されており、３Ｋ（約３，０００フィラメント）、６Ｋ（約６，０００フィラメント）、又は１２Ｋ（１２，０００炭素フィラメント）のフィラメント数を有する。
【0018】
第１のトウ１２は、様々な引張強度及び引張弾性率を有してもよい。例えば、第１のトウ１２として使用される炭素繊維トウは、好ましくは、７５０～９００ｋｓｉの引張強度、３５～４５Ｍｓｉの引張弾性率、１．５～２．５％の破壊時歪、１．６～２．０ｇ／ｃｍ３の密度、及び０．３～１．０ｇ／ｍ（２，７００デニール～９，０００デニール）の線重量を有する。或いは、第１のトウ１２は、６００～７００ｋｓｉの引張強度、３０～５５Ｍｓｉの引張弾性率、１．５～２．５％の破壊時歪、１．６～２．０ｇ／ｃｍ３の密度、及び０．３～１．０ｇ／ｍ（２，７００デニール～９，０００デニール）の線重量を有するより低い弾性率のトウであってもよい。
【0019】
第１のトウ１２としての使用のための好ましい炭素繊維トウは、ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＩＭ７炭素繊維トウであり、これは、８１０ｋｓｉの引張強度、４０Ｍｓｉの引張弾性率、１．９％の破壊時歪、１．７８ｇ／ｃｍ３の密度、及び０．４４６ｇ／ｍ（４，０１４デニール）の線重量を有する。ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）ＩＭ７炭素繊維トウ及び同様の特性を有する炭素繊維トウは、一般的に中間の弾性率の炭素繊維トウと見做される。ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）ＩＭ７炭素繊維トウと同様の特性を有する中間の弾性率の炭素繊維トウの何れもが、第１のトウ１２としての使用のために好ましい。
【0020】
また、好ましい低弾性率の炭素繊維トウは、ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＡＳ４炭素繊維トウ及び同様の特性を有する任意の他の炭素繊維トウである。ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）ＡＳ４炭素繊維トウは、６４０ｋｓｉの引張強度、３３．５Ｍｓｉの引張弾性率、１．８％の破壊時歪、１．７９ｇ／ｃｍ３の密度、及び０．８５８ｇ／ｍ（７７２２デニール）の線重量を有する。ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）ＡＳ４炭素繊維トウと同様の特性を有する低弾性率の炭素繊維トウの何れもがまた、第１のトウ１２としての使用のために好ましい。
【0021】
図４は、図１及び図２に示されるように、システム１０内の位置（Ａ）～（Ｅ）でのトウの簡略化された断面図を示す。位置（Ａ）での第１のトウ１２の簡略化された断面図が図４に示される。任意の拡散又は混合の前である、位置（Ａ）での第１のトウ１２は、１～４ｍｍの間、好ましくは１．５～２．５ｍｍの間にある幅Ｔ１を有する。フィードローラー１６は、所望のＴ１を維持し、第１のトウ１２の第２のトウ２０との位置合わせを提供するように設けられた溝１８を含む。
【0022】
第２のトウ２０は、第１のトウ１２と同じ炭素繊維トウであってもよく、又は第２のトウ２０のために使用される炭素繊維トウが上記で概説された第１のトウ１２のための適切な特性に該当する特性を有する限り、異なるフィラメント数及び異なる特性を有するフィラメントを有する異なるトウであってもよい。第１及び第２の繊維トウは、第１のトウのフィラメント数、引張強度、引張弾性率、及び線重量が第２のトウのフィラメント数、引張強度、引張弾性率、及び線重量の１０パーセント以内（好ましくは５パーセント以内）である場合には、この説明の目的では同じと見做される。第１及び第２の繊維トウは、第１のトウのフィラメント数、引張強度、引張弾性率、又は線重量が個々に第２のトウのフィラメント数、引張強度、引張弾性率、又は線重量からそれぞれ１０パーセントより大きく（好ましくは５パーセントより大きく）異なる場合には、この説明の目的では異なると見做される。
【0023】
異なる炭素繊維トウの例示的な組み合わせは、１）第１のトウの引張弾性率が第２のトウの引張弾性率と同じであり、第１のトウのフィラメント数が第２のトウのフィラメント数と異なる場合、２）第１のトウの引張弾性率が第２のトウの引張弾性率とは異なり、第１のトウのフィラメント数が第２のトウのフィラメント数と同じである場合、及び３）第１のトウの引張弾性率が第２のトウの引張弾性率と異なり、第１のトウのフィラメント数が第２のトウのフィラメント数と異なる場合である。
【0024】
第１及び第２のトウ（第１のトウ／／第２のトウ）の好ましい例示的な組み合わせは、１）ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＩＭ７炭素繊維トウ／／ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＩＭ７炭素繊維トウ、２）ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）６Ｋ ＩＭ７炭素繊維トウ／／ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＩＭ７炭素繊維トウ、３）ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＡＳ４炭素繊維トウ／／ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＡＳ４炭素繊維トウ、４）ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）６Ｋ ＡＳ４炭素繊維トウ／／ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＡＳ４炭素繊維トウ、５）ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＩＭ７炭素繊維トウ／／ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＡＳ４炭素繊維トウ、６）ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＡＳ４炭素繊維トウ／／ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＡＳ４炭素繊維トウ、７）ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）６Ｋ ＡＳ４炭素繊維トウ／／ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＩＭ７炭素繊維トウ、及び８）ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）６Ｋ ＩＭ７炭素繊維トウ／／ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＡＳ４炭素繊維トウを含む。
【0025】
本明細書での説明は、例示的な目的のために、及び本発明の好ましい実施形態を記載するために、ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＩＭ７炭素繊維トウ及びＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＡＳ４炭素繊維トウに向けられる。本発明はまた、ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）ＡＳ２Ｃ、ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）ＡＳ４Ｃ、ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）ＡＳ７、ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）ＩＭ８、ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）ＩＭ９、ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）ＩＭ５のような多くの他のタイプの市販の炭素繊維トウ、及び同様の特性を有する他の商用ソースから入手可能な炭素繊維トウのフィラメント数を増加させるために使用されてもよい。
【0026】
位置（Ａ）での第２のトウ２０の簡略化された断面図がまた図４に示される。任意の拡散又は混合の前の位置（Ａ）にある第２のトウ２０は、１～４ｍｍの間、好ましくは１．５～２．５ｍｍの間の幅Ｔ２を有する。フィードローラー２２は、所望のＴ２を維持し、第１のトウ１２上で第２のトウ２０の位置合わせを提供するために設けられた溝２４を含む。
【0027】
第１のトウ１２及び第２のトウ２０は、好ましくは、炭素繊維トウの標準のスプール（示されない）からそれらのそれぞれの位置合わせリール１６及び２２に提供される。必要に応じて、システム１０は、炭素繊維トウを最初に貯蔵スプールに巻き付けることなく位置合わせリール１６及び２２に直接供給することができる既存の炭素繊維生産ラインに組み込まれてもよい。
【0028】
拡散／混合ゾーン１４は、入口２６及び出口２８、左側部３０、右側部３２、上部３４、並びに底部３６を含む。第１のトウ１２は、矢印３８によって示されるように、第１のトウの縦方向に延伸する複数の第１の炭素フィラメントを含む。第１のトウ１２は、好ましくは３Ｋ～２４Ｋである、第１のトウフィラメント数を有する。第２のトウ２０は、矢印４０によって示されるように、第２のトウの縦方向に延伸する複数の第１の炭素フィラメントを含む。第２のトウ２０は、好ましくはまた３Ｋ～２４Ｋである、第２のトウフィラメント数を有する。
【0029】
第１及び第２のトウが入口２６を通って拡散／混合ゾーン１４に供給される速度は、最低２メートル／分～最高１０メートル／分にすることができる。２メートル／分より遅いトウの供給速度は、フィラメントの破壊をもたらし、組み合わされたトウの凝集性が増加することなく損傷する。１０メートル／分を超えるトウ供給速度は、所望の低い展延性を有する組み合わされたトウを提供するのに十分な混合及び絡み合いを可能にしない。６Ｋ～１２Ｋの炭素繊維トウのための好ましいトウ供給速度は５～８メートル／分である。
【0030】
拡散／混合ゾーン１４内の点（Ｂ）で、矢印４２によって表されるように、第１のガス流が、トウの横方向の拡散を提供するために、第１のトウ１２及び第２のトウ２０を横方向に通過する。第１のガス流は、好ましくは空気の流れである。トウに悪影響を及ぼさない限り、他のガスが使用されてもよい。例えば、実質的に窒素からなるガス流が、不活性環境が望まれる状況で使用されてもよい。
【0031】
第１のガス流４２の速度、及び点（Ｂ）で第１のトウ１２及び第２のトウ２２に加えられる縦方向の張力は、トウのガス誘導又は空気圧拡散を提供するように選択される。第１のガス流４２の下向き速度は、１０～２５メートル／秒、好ましくは１５～２０メートル／秒であるべきである。第１のトウ１２の縦方向の張力は、５０～１５０グラムであるべきである。第２のトウ２０の縦方向の張力がまた、５０～１５０グラムであるべきである。６Ｋ及び１２Ｋの炭素繊維トウのために、点（Ｂ）での好ましい張力は９０～１１０グラムである。
【0032】
点（Ｂ）で、第２のトウ２０は、拡散された第１のトウ４４及び拡散された第２のトウ４６を形成するために両方のトウが空気圧で拡散されるので、第１のトウ１２の真上に整列したままである。拡散された第１のトウ４４は、拡散された第１のトウ幅（ＳＴ１）を有し、拡散された第２のトウは、拡散された第２のトウ幅（ＳＴ２）を有する。拡散操作中、トウは互いに接触しない。拡散工程の完了前のトウ間の接触は、その後のトウの混合に悪影響を与えることが見出された。
【0033】
トウ供給速度、第１のガス流速度、及びトウ張力は、凝集性の組み合わされたトウを形成するために必要な第１のトウ及び第２のトウにある程度の拡散を提供するように選択される。第１のトウ１２は、ＳＴ１とＴ１との間の比率が５：１～２５：１になるように拡散されるべきである。８：１～１２：１のＳＴ１：Ｔ１の比率は、６Ｋ及び１２Ｋの炭素繊維トウのために好ましい。第２のトウ２０は、ＳＴ２とＴ２との間の比率が１５：１～４０：１になるように拡散されるべきである。２０：１～３０：１のＳＴ２：Ｔ２の比率が好ましい。
【0034】
第１及び第２のトウが同じ炭素繊維トウである場合には、第２のトウ２０は、第２のトウが第１のガス流４２中で第１のトウ１２の真上に位置することに起因して、第１のトウ１２より拡散される傾向がある。最初に幅の広いトウは、幅の狭いトウより第１のガス流中で拡散する傾向があることが見出された。より大きい直径のフィラメントを有するトウは、第１のガス流中でより拡散する傾向があることがまた見出された。
【0035】
第１のガス流中でのトウの向き、並びにトウ幅及びフィラメントサイズは、ＳＴ２／Ｔ２とＳＴ１／Ｔ１との間の比率が１．５：１～５：１になるように選択される。ＳＴ２／Ｔ２とＳＴ１／Ｔ１との間の比率が２：１～３：１であることが好ましい。第１のトウ及び第２のトウの両方が６Ｋ又は１２Ｋの何れかの炭素繊維トウである場合には、ＳＴ２／Ｔ２とＳＴ１／Ｔ１との間の好ましい比率は２．５：１である。トウにかかる張力は、ガス誘導拡散に影響を与える。第１のトウ１２に加えられる張力は、第２のトウ２０に加えられる張力（±１０％）に等しいことが好ましい。しかし、第１及び第２のトウに加えられる張力は、ＳＴ１／Ｔ１：ＳＴ２／Ｔ２の所望の比率を提供するために要求されるＳＴ１／Ｔ１及びＳＴ２／Ｔ２の所望のレベルを達成するために、共に又は独立して変動してもよい。
【0036】
拡散された第１のトウ４４及び拡散された第２のトウ４６は、接触した拡散されたトウ４８を形成するために、点（Ｃ）で互いに接触し、且つ格子５０と接触する。接触した拡散されたトウ４８は幅（ＣＳＴ）を有する。接触した拡散されたトウ４８が格子５０を横切って移動するとき、それらは、格子５０を通過する矢印５２によって表される第２のガス流に曝される。第２のガス流５２は、好ましくは、第２のガス流が第１のガス流の一部又は部分であるように第１のガス流４２と同じ供給源を有する。よって、第１のガス流４２のための上記で説明されたパラメータはまた、第２のガス流５２に適用可能である。同じガス流速度で第１及び第２のトウを拡散及び混合する単一のガス流を提供するために、第１及び第２のガス流が同じであることが好ましい。しかし、第１及び第２のトウを拡散するために第１のガス流を使用し、そして、トウを混合するために異なる第２のガス流を使用することが望ましい場合がある。
【0037】
点（Ｃ）で、拡散された第１及び第２のトウは互いに接触し、且つ格子５０と接触する。第２のガス流５２は、格子５０上のトウの動きと組み合わされて、幅（ＥＴ）を有する絡み合ったトウ５６の形成を引き起こす。格子５０を横切るときの絡み合ったトウ５６の幅は、好ましくは、ＣＳＴとＥＴとの間の比が０．９：１～１．１：１のままであるように、接触した拡散されたトウ４８の幅に相対的に近くに保たれる。格子５０上の絡み合ったトウ５６に加えられる張力及び第２のガス流５２の速度は、ＣＳＴ／ＥＴを所望の範囲に保つように選択される。
【0038】
好ましい例示的な格子５０の部分断面図が図３に示される。格子５０は、ある距離（ＧＳ）離間されたロッド５４の形状のバーを含む。格子内のバーの数、断面形状、寸法、及び間隔は、所望のレベルの混合を達成するために変えられてもよい。ガス流によって絡み合ったトウ５６に加えられる下向きの力は、バー間の絡み合ったトウの下向きの変位「Ｄ」を引き起こす。絡み合ったトウ５６の張力、第２のガス流５２の速度、及びＧＳは、フィラメントの過度の破損を引き起こすことなく十分な混合を提供する「Ｄ」を達成するように選択される。張力が低すぎる場合には、トウが格子に引き込まれすぎて損傷する。張力が高すぎる場合には、所望のレベルの拡散及び混合は引き起こさない。
【0039】
格子５０は、拡散／混合ゾーン１４の左端３０と右端３２との間で互いに平行に延伸する１０～２０本の格子ロッド５４を有するべきである。ロッド５４は２～５ｍｍの直径を有すべきであり、ＧＳは３ｍｍ～９ｍｍの範囲にあるべきである。毛羽数を増加させることなくフィラメントの十分な混合を達成するために、Ｄは０．５ｍｍ～５ｍｍであるべきである。６Ｋ及び１２Ｋの炭素繊維の第１のトウ及び第２のトウを混合するための好ましい格子は、各々が２～３ｍｍの直径及び４～６ｍｍのＧＳを有する１２～１６本のロッドを有する。この好ましい格子が６Ｋ及び／又は１２Ｋの炭素繊維トウを混合するために使用される場合には、トウ張力及び第２のガス流５２の速度は、Ｄが１ｍｍ～３ｍｍになるように選択される。
【0040】
格子バー５４は、円形断面を有するロッドとして示される。非円筒形の弧状の断面形状又は正方形／長方形の断面を有するもののような、他のタイプの格子ロッドが可能である。非円筒形の断面形状を有する格子バーが使用される場合には、過度のフィラメントの破損を引き起こすことなく適切な混合が得られることを確実にするために他のプロセスパラメータを制御することに留意しなければならない。
【0041】
絡み合ったトウ５６は、出口２８を通って混合／拡散ゾーン１４から離れる。絡み合ったトウ５６は、絡み合ったトウ５６の幅を組み合わされたトウ５８の幅（ＣＴ）に減少させるように設計された溝付き外周６２を有する統合リール６０上を絡み合ったトウ５６に通過させることによって組み合わされたトウ５８に形成される。溝付き外周６２は、混合されたフィラメントに悪影響を与えることなく、ＥＴからＣＴへの所望の減少を提供するように設計された凹状の形状を有する。
【0042】
例示的な統合リール６０の詳細な部分断面図が図５に示される。統合リール６０は、６Ｋ～２４Ｋの絡み合ったトウ５６を組み合わされたトウ５８に形成する際の使用のために設計される。統合リール６０は、１０～２５ｍｍの幅（ＲＧＷ）及び４～１０ｍｍの深さ（ＧＤ）を有する溝６２を伴う３０～６０ｍｍの半径（ＲＲ）を有する。
【0043】
絡み合ったトウ５６に、それが統合リール６０に送られるときに加えられる張力は、溝６２と組み合わせて、トウ幅の所望の減少を提供するレベルに維持される。組み合わされたトウの幅（ＣＴ）は、６Ｋ～２４Ｋの炭素フィラメントを含む組み合わされたトウのために、２～５ｍｍであるべきである。点（Ｄ）と統合リール６０との間の絡み合ったトウ５６の張力は、３００～５００グラムの間であるべきである。
【0044】
ポイント（Ｂ）の前に第１及び／又は第２のトウに塗布される有機油ベースの界面活性剤が、トウの所望のレベルの拡散及び混合を、それらを損傷することなく提供するために、拡散／混合増強（ＳＣＥ）剤として作用することが発見された。同程度の拡散及び混合を行った場合には、組み合わされたトウの毛羽数は、ＳＣＥが使用されなかった場合に大幅に高くなる傾向があった。
【0045】
ＳＣＥ剤は、繊維産業で軟化剤として一般に使用される有機油ベースの界面活性剤の何れかにすることができる。例示的なＳＣＥ剤は、エトキシル化ヒマシ油トリグリセリドのようなアルコキシル化ヒマシ油トリグリセリドを含む。好ましい例示的なＳＣＥ剤は、ヘンケル（Ｈｅｎｋｅｌ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）（デュッセルドルフ、ドイツ）から商品名トライロックス（ＴＲＹＬＯＸ）で入手可能なポリオキシエチレンヒマシ油溶液である。例えば、１２Ｋ ＩＭ７の第１のトウと１２Ｋ ＩＭ７の第２のトウとの拡散及び混合は、トウが最初にトライロックス（ＴＲＹＬＯＸ）５９１８の溶液（１％溶液）を通過した後に１３５℃で乾燥することによって処理された場合に定性的に改善された。
【0046】
ＳＣＥ剤は、点（Ｃ）の前の任意の時間に、第１のトウ及び／又は第２のトウに塗布されることができる。例えば、トウは、点（Ａ）と（Ｂ）との間で、ＳＣＥ剤の浴を通過し、列をなして乾燥されてもよい。或いは、ＳＣＥ剤は、トウに、それらが位置合わせリール１６及び２２上を通過する前の任意の時間に塗布されてもよい。
【0047】
炭素繊維トウに従来塗布されているサイジング剤の何れもがまた、組み合わされたトウ５８に塗布されてもよい。このような従来のサイジング剤は、ビニルエステルサイジング剤、エポキシベースのサイジング剤、フェノールサイジング剤、ポリウレタンサイジング剤、等を含む。サイジング剤が望まれる場合には、それは第１のトウと第２のトウとの拡散及び混合の後にのみ塗布されるべきである。ポイント（Ｄ）の前のシステムの任意のポイントでのトウへの上記のタイプの従来のサイジング剤の塗布は、トウの拡散及び混合に悪影響を与えることが見出された。サイジングは、もしあれば、絡み合ったトウ５６が拡散／混合ゾーン１４を出た後の点で適用されることが好ましい。
【0048】
サイジングの有無にかかわらず、組み合わされたトウ５８は、保管及び更なる使用のために巻き取りスプール６４に巻かれる。組み合わされたトウ５８は、多種多様な複合材料を作製するために、任意の他の炭素繊維トウと同じ方法で使用されてもよい。例えば、組み合わされたトウ５８は、一方向テープ又は織布に形成されてもよく、複合部品を形成するために硬化／成形されてもよい多種多様なプリプレグ及び成形合成物を形成するために、未硬化の熱可塑性又は熱硬化性樹脂マトリックスと組み合わされてもよい。
【0049】
同じタイプの炭素フィラメントを使用して炭素繊維トウのフィラメント数を増加させる好ましい実施例は、第１のトウ１２がＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＩＭ７炭素繊維であり、第２のトウ２０がＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＩＭ７炭素繊維である、システム１０を使用して作製される、組み合わされたトウ５８である。Ｔ１及びＴ２は両方とも２ｍｍであり、入口２６を通る線速度は３メートル／分であり、第１及び第２のトウの張力はそれぞれ１００グラムであった。第１のトウ及び第２のトウの両方が、トライロックス（ＴＲＹＬＯＸ）５９１８の１％溶液を線速度で通過し、拡散／混合ゾーン１４で拡散及び混合される前に１３５℃で乾燥された。第１の気流４２及び第２の気流５２の速度は、２０メートル／秒で同じであった。ＳＴ１：Ｔ１の比率は１０：１であり、ＳＴ２：Ｔ２の比率は２５：１であった。格子５０は、１４本の格子バー５４を含んだ。各格子バー５４の直径は２．３ｍｍであり、ＧＳは４．７ｍｍであった。絡み合ったトウ５６の張力は４００グラムであり、組み合わされたトウ５８の幅（ＣＴ）は３ｍｍであった。前述の方法のパラメータは概算値であり、所望の展延性及び毛羽数を有する組み合わされたトウ５８の形成に悪影響を与えることなく、それぞれ±１５％変動してもよいことに留意すべきである。
【0050】
上記で説明されたように作製された組み合わされたトウ５８（２４Ｋのフィラメント）の展延性は、ロービングテスト（ＲＯＶＩＮＧＴＥＳＴ）トウ評価装置と同様のトウ評価装置を使用して測定された。組み合わされたトウ５８の展延性は１．７（±１０％）であった。標準のＨｅｘＴｏｗ（登録商標）２４Ｋ ＩＭ７炭素繊維トウの展延性がまた、同じトウ評価装置で測定された。標準のＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＩＭ７炭素繊維トウの展延性は２．０（±１０％）であった。
【0051】
上記の例は、本発明に従って作製された組み合わされたトウが十分に凝集性であり、同じフィラメント数を有する標準の市販のトウの展延性以下の展延性を有することを実証する。組み合わされたトウの展延性は、同じ試験装置を使用して測定された場合に、同じフィラメント数を有する標準の市販のトウの展延性以下であることが好ましい。しかし、本発明の方法及びシステムはまた、一般に、組み合わされたトウの展延性が、同じ試験機器で測定された場合に、同じフィラメント数を有する同様の市販のトウの展延性の２５％以内である、組み合わされたトウを作製する際に有用である。
【0052】
組み合わされたトウ（２４Ｋのフィラメント）及び標準のＨｅｘＴｏｗ（登録商標）２４Ｋ ＩＭ７炭素繊維トウの毛羽数は、フライ・ビュー（ＦＲＡＹ ＶＩＥＷ）糸欠陥視覚化装置と同様の試験機器を使用して決定された。組み合わされたトウの毛羽数は、標準のＨｅｘＴｏｗ（登録商標）２４Ｋ ＩＭ７炭素繊維トウの毛羽数を超えて２５％未満であった。
【0053】
炭素繊維トウのフィラメント数が異なる炭素フィラメントを使用して増加する、混合の組み合わされたトウを作製するための好ましい実施例は、第１のトウ１２がＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＩＭ７であり、第２のトウ２０がＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＡＳ４である、システム１０を使用して作製された組み合わされたトウ５８である。Ｔ１は２ｍｍであり、Ｔ２は２．５～３ｍｍであった。システム及び方法のパラメータは、それ以外は上記の好ましい例に記載されたものと同じであった。ＳＴ１：Ｔ１の比率は１０：１であり、ＳＴ２：Ｔ２の比率は３０：１であった。ＣＴは４ｍｍであった。これらはまた概算値であり、上記のパラメータと同様に、±１５％変動してもよい。
【0054】
混合の組み合わされたトウ及び市販のＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＡＳ４炭素繊維トウの展延性及び毛羽数は、１２Ｋ ＩＭ７／／１２Ｋ ＩＭ７の組み合わされたトウ及び市販のＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＩＭ７炭素繊維トウのために上記で説明されたのと同じ方法で測定されることができる。混合の組み合わされたトウの展延性は２．０（±１０％）であり、ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＡＳ４炭素繊維トウの展延性は２．０（±１０％）である。この例は、１２Ｋ ＩＭ７／／１２Ｋ ＡＳ４の混合の組み合わされたトウが、ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＩＭ７及びＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＡＳ４の両方の展延性と比較して遜色のない展延性（凝集性）を有する本発明に従って作製されることできることを実証する。
【0055】
混合の組み合わされたトウ及びＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＡＳ４の毛羽数がまた、前述の例のように測定されることができる。混合の組み合わされたトウの毛羽数は、市販のＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＩＭ７又はＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＡＳ４の何れかの毛羽数を超えて２５％未満であると予想される。
【0056】
ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＩＭ７炭素繊維トウのフィラメントは、ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）１２Ｋ ＡＳ４炭素繊維トウのフィラメントの直径より小さい直径を有する。混合の組み合わされたトウの断面は、異なるフィラメントの直径に基づいてフィラメントの混合の均一性を決定するために顕微鏡で観察された。混合の組み合わされた繊維は、ＩＭ７のフィラメント及びＡＳ４のフィラメントの混合物の実質的に均一な断面を有することが見出された。フィラメントのこのような均一な混合は、異なる特性を有する炭素繊維トウが組み合わされる場合に、本発明による特定の利点である。混合の組み合わされたトウの代表的な断面図が、ＩＭ７のフィラメント（直径５．２ミクロン）が１２として示され、ＡＳ４のフィラメント（直径７．１ミクロン）が２０として示される、図６に示される。
【0057】
本発明は、第１のトウを第２のトウと組み合わせることに限定されず、３つ以上のトウを整列、拡散、及び混合することによってフィラメント数を増加させるためにまた使用されることができることに留意すべきである。３つ以上のトウを組み合わせる場合には、複数のトウの所望のレベルの混合及び組み合わされたトウの展延性を達成するために、第１のトウを第２のトウと組み合わせることに関する上記の様々な条件及びパラメータは変動してもよい。
【0058】
このように本発明の例示的な実施形態が説明されたが、当業者は、本開示は例示にすぎず、本発明の範囲内で様々な他の代替、適合、及び変更がなされてもよいことに留意すべきである。よって、本発明は、上記で説明された実施形態によって限定されず、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図4E】
【図5】
【図6】