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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-01-05
(54)【発明の名称】複合材料の製造方法
(51)【国際特許分類】
B29C 70/52 20060101AFI20221223BHJP
B29C 70/46 20060101ALI20221223BHJP
【ＦＩ】
B29C70/52
B29C70/46
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022552689
(86)(22)【出願日】2020-11-12
(85)【翻訳文提出日】2022-07-11
(86)【国際出願番号】 US2020060182
(87)【国際公開番号】W WO2021097058
(87)【国際公開日】2021-05-20
(31)【優先権主張番号】62/934,158
(32)【優先日】2019-11-12
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．テフロン
２．ＧＯＲＥ－ＴＥＸ
(71)【出願人】
【識別番号】522185656
【氏名又は名称】ニューヴォカス コーポレイション
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100103610
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【識別番号】100098475
【弁理士】
【氏名又は名称】倉澤 伊知郎
(74)【代理人】
【識別番号】100130937
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 泰史
(74)【代理人】
【識別番号】100144451
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 博子
(74)【代理人】
【識別番号】100162824
【弁理士】
【氏名又は名称】石崎 亮
(72)【発明者】
【氏名】キールネン エリック ジョン
(72)【発明者】
【氏名】ケラネン ケネス ブライアン
(72)【発明者】
【氏名】ケロ マシュー ポール
【テーマコード（参考）】
4F205
【Ｆターム（参考）】
4F205AC05
4F205AD16
4F205AJ08
4F205AR17
4F205HA05
4F205HA27
4F205HA37
4F205HB02
4F205HC02
4F205HF24
4F205HK04
4F205HM02
(57)【要約】
複数の繊維（５）を第１の温度に予熱するステップと、予熱された繊維を組立ライン（１０）に沿って移動させるステップと、予熱された繊維の少なくとも１つに２５センチポイズより低い粘度を有するバインダー（２５）を塗布するステップと、予熱された繊維を受け取るように形作られたダイス（３０）を提供するステップであって、ダイスが組立ラインの少なくとも一部に沿って予熱された繊維と一緒に移動するステップと、複数の繊維の温度を第１の温度と実質的に同様である温度に維持するステップと、温度を維持する間にダイスの中で複数の繊維を圧縮するステップと、を含む、構造部材の製造方法。
【選択図】 図１
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
構造部材を製造する方法であって、３０℃で２５センチポイズ（ｃＰ）未満の粘度を有するバインダーを複数の繊維のうちの少なくとも１つに塗布するステップであって、前記バインダーが塗布される際、前記繊維が相隔たり且つ第１の領域に広がる、ステップと、
前記繊維を受け取るように配置された第１の直径の第１の部分と、前記第１の部分の下流に配置された第２の直径の第２の部分とを有するダイスを提供するステップであって、前記第１の直径が前記第２の直径より大きく、前記ダイスが前記第１の部分と前記第２の部分との間でテーパー付けされる、ステップと、
前記バインダーを塗布した後、前記複数の繊維を前記ダイスに沿って案内するステップと、
前記ダイスを用いて前記複数の繊維の間の距離を減少させるステップであって、前記複数の繊維の間の前記距離を減少させた後、前記繊維が前記第１の領域よりも小さい第２の領域に広がる、ステップと、
前記距離を減少させた後、前記複数の繊維を成形ステーションで成形するステップと、
を含む方法。
【請求項2】
前記成形ステーションは、第１の成形ステーションであり、前記方法は、前記第１の成形ステーションで前記繊維を成形した後、前記第１の成形ステーションから離間した第２の成形ステーションで前記複数の繊維を成形するステップと、
前記第２の成形ステーションで前記複数の繊維を成形した後、前記第１の成形ステーション及び前記第２の成形ステーションから離間した第３の成形ステーションで前記複数の繊維を成形するステップと、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記複数の繊維を第１の温度まで予熱するステップと、前記予熱された繊維を組立ラインに沿って移動させるステップと、
前記距離を減少させた後、前記複数の繊維の温度を前記第１の温度と実質的に同様の温度に維持するステップと、
前記成形ステーションで前記複数の繊維を成形する間、前記温度を維持するステップと、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
前記樹脂は、少なくとも１つの短鎖長モノマーを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項5】
前記ダイスは、多孔質材料を含み、それにより、空気を前記ダイスから逃すようにする、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
前記複数の繊維を前記成形ステーションから移動させるステップと、前記複数の繊維を前記成形ステーションから移動させた後、前記複数の繊維を硬化させるステップと、
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項7】
前記ダイスを用いて前記複数の繊維の間の距離を減少させる前に、前記バインダーを前記ダイスに塗布するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
構造部材を製造する方法であって、複数の繊維を第１の温度まで予熱するステップと、
前記予熱された繊維を組立ラインに沿って移動させるステップと、
前記予熱された繊維の少なくとも１つに、３０℃で２５センチポイズ（ｃＰ）未満の粘度を有するバインダーを塗布するステップであって、前記バインダーが塗布される際、前記繊維が相隔たり且つ第１の領域に広がる、ステップと、
前記バインダーを塗布した後、前記予熱された繊維をダイスに沿って案内するステップと、
前記ダイスを用いて前記複数の繊維の間の距離を減少させるステップであって、前記複数の繊維の間の距離を減少させた後、前記繊維が前記第１の領域よりも小さい第２の領域に広がる、ステップと、
前記距離を減少させた後、前記複数の繊維の前記温度を、前記第１の温度と実質的に同様の第２の温度に維持するステップと、
前記温度を維持する間に、成形ステーションで前記複数の繊維を成形するステップと、
を含む、方法。
【請求項9】
前記樹脂は、少なくとも１つの短鎖長モノマーを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項10】
前記ダイスは、多孔質材料を含み、それにより、空気を前記ダイスから逃すようにする、請求項８に記載の方法。
【請求項11】
前記ダイスを用いて前記複数の繊維の間の前記距離を減少させる前に、前記バインダーを前記ダイスに塗布するステップをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項12】
前記バインダーを塗布するステップは、前記複数の繊維のうちの少なくとも１つに前記バインダーを噴射するステップを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項13】
前記バインダーを塗布するステップは、加圧チャンバーから前記バインダーを押し出し、前記押し出されたバインダーを通して前記少なくとも１つの繊維を引き込むステップを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項14】
前記バインダーを塗布するステップは、前記複数の繊維のうちの少なくとも１つに前記バインダーを噴射するステップと、加圧チャンバーから前記バインダーを押し出し、前記押し出されたバインダーを通して前記少なくとも１つの繊維を引き込むステップとを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項15】
連続構造部材を製造する方法であって、複数の繊維を第１の温度まで予熱するステップと、
前記予熱された繊維を組立ラインに沿って移動させるステップと、
前記予熱された繊維の少なくとも１つに３０℃で２５センチポイズ（ｃＰ）未満の粘度を有するバインダーを塗布するステップと、
前記予熱された繊維を受け取るように形作られたダイスを提供するステップであって、前記ダイスが、前記組立ラインの少なくとも一部に沿って前記予熱された繊維と一緒に移動する、ステップと、
前記複数の繊維の温度を、前記第１の温度と実質的に同様の温度に維持するステップと、
前記温度を維持する間に、前記ダイスの中で前記複数の繊維を圧縮するステップと、
を含む、方法。
【請求項16】
前記ダイスを用いて前記複数の繊維の間の距離を減少させる前に、前記バインダーを前記ダイスに塗布するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
前記バインダーを塗布するステップは、前記複数の繊維のうちの少なくとも１つに前記バインダーを噴射するステップを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項18】
前記バインダーを塗布するステップは、加圧チャンバーから前記バインダーを押し出すステップと、前記押し出されたバインダーを通して前記少なくとも１つの繊維を引き込むステップとを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項19】
前記バインダーは、少なくとも１つの短鎖長モノマーを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項20】
前記ダイスは、多孔質材料を含み、それにより、空気を前記ダイスから逃すようにする、請求項１５に記載の方法。
【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、２０１９年１１月１２日出願の米国仮特許出願第６２／９３４，１５８号の優先権を主張し、その開示内容全体は、引用により本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０１９年１１月１２日出願の米国仮特許出願第６２／９３４，１５８号の優先権を主張し、その開示内容全体は、引用により本明細書に組み込まれる。
【0002】
本発明は、複合材料の製造方法に関し、より具体的には、繊維強化ポリマー材料の製造方法に関する。
【背景技術】
【0003】
繊維強化ポリマーは、通常、樹脂などのバインダーによって提供される、マトリックスによって結合された繊維材料を含む。従来、繊維強化ポリマーは、引き抜き成形プロセスを使用して製造され、その一例が図１に示されている。
【0004】
引き抜き成形プロセスにおいて、引き込まれる繊維５は、一組の駆動ローラー２０などの引き抜き機構１５によって、生産ライン１０を通って引き寄せられる。繊維５は、様々なバインダーのうちの１つを含む溶液槽２５の中に引き込まれる。湿潤状態になると、繊維５は、固定ダイス３０を通って引き込まれ、このダイスは、バインダーの硬化を開始するために１又は２以上の加熱ゾーンを有することができる。引き抜き成形プロセスにおいて、ダイス３０は、いくつかの機能を果たす。これは、繊維５の湿潤を促進するための圧力を引き起こし、バインダー及び繊維５を加熱し、バインダーの硬化を制御し、引き抜き成形品の最終形状を制御する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
バインダーは、化学反応（硬化、架橋、乾燥など）によって決まる硬化特性を有する。これらの硬化特性は、バインダーの化学反応、プロセス温度、及びプロセス温度での滞留時間の関数である。生産速度が増加するにつれて、バインダーの適切な硬化を確保することは、ますます困難になる。
【0006】
図１に示す従来の引き抜き成形プロセスは、プロセスの速度を大幅に妨げる固有の制約を有する。ダイス３０の長さは、プロセスの速度に対する直接の制約であり、プロセス温度、プロセス摩擦、及びプロセスガスの除去は他の制限的な制約を与える。バインダー溶液槽２５は、それ自体の欠点を示し、これは、マルチパートの反応性バインダーの混合及び維持の困難性、過度の廃棄物の量、及び溶液槽２５を満たすのに通常必要とされる大量のバインダーに起因する高い運転コストを含む。従来、１又は２以上の速硬化性熱硬化性ポリマー及び／又は多成分熱硬化性ポリマーがバインダーの一部分として利用される場合、少なくとも上記に記載の理由のために、繊維強化製品を製造することは、費用効果に劣っていた。
【課題を解決するための手段】
【0007】
いくつかの実施形態において、本発明は、構造部材を製造する方法を提供する。本方法は、複数の繊維を第１の温度に予熱するステップと、予熱された繊維を組立ラインに沿って移動させるステップと、予熱された繊維の少なくとも１つにバインダーを塗布するステップとを含み、バインダーが塗布される際に、繊維は、相隔たりかつ第１の領域に広がる。バインダーは、２５センチポイズ（ｃＰ）未満の粘度を有する。本方法は、予熱された繊維を受け取るように配置された第１の直径の第１の部分と、第１の部分の下流に配置された第２の直径の第２の部分とを有するダイス（die）を提供するステップをさらに含み、第１の直径は、第２の直径より大きく、ダイスは、第１の部分と第２の部分との間でテーパー付けされる。本方法は、バインダーを塗布した後、複数の繊維をダイスに沿って案内するステップをさらに含む。本方法は、ダイスを用いて複数の繊維の間の距離を減少させるステップをさらに含み、複数の繊維の間の距離を減少させた後、繊維は、第１の領域よりも小さい第２の領域に広がり、減少させた後、複数の繊維の温度を第１の温度と実質的に同様である温度に維持するステップをさらに含む。本方法は、温度を維持する間に、第１の成形ステーションで複数の繊維を成形するステップと、温度を維持する間に、第１の成形ステーションから離間した第２の成形ステーションで複数の繊維を成形するステップと、温度を維持する間に、第１の成形ステーション及び第２の成形ステーションから離間した第３の成形ステーションで複数の繊維を成形するステップと、をさらに含む。
【0008】
いくつかの実施形態において、本発明は、構造部材を製造する方法を提供する。本方法は、複数の繊維を第１の温度に予熱するステップと、予熱された繊維を組立ラインに沿って移動させるステップと、予熱された繊維の少なくとも１つにバインダーを塗布するステップとを含み、バインダーが塗布される際に、繊維は、相隔たりかつ第１の領域に広がる。バインダーは、２５センチポイズ（ｃＰ）未満の粘度を有する。バインダーを塗布するステップは、複数の繊維のうちの少なくとも１つにバインダーを噴射するステップと、加圧チャンバーからバインダーを押し出し、押し出されたバインダーを通して少なくとも１つの繊維を引き込むステップのうちの少なくとも１つのステップを含む。本方法は、バインダーを塗布した後、予熱された繊維をダイスに沿って案内するステップと、ダイスを用いて複数の繊維の間の距離を減少させるステップをさらに含み、複数の繊維の間の距離を減少させた後、繊維は、第１の領域より小さい第２の領域に広がる。本方法は、減少させた後、複数の繊維の温度を第１の温度と実質的に同様である温度に維持するステップをさらに含む。本方法は、温度を維持する間に、第１の成形ステーションを用いて複数の繊維を成形するステップと、温度を維持する間に、第１の成形ステーションから離間する第２の成形ステーションを用いて複数の繊維を成形するステップと、温度を維持する間に、第１の成形ステーション及び第２の成形ステーションから離間する第３の成形ステーションを用いて複数の繊維を成形するステップと、をさらに含む。
【0009】
いくつかの実施形態において、本発明は、連続構造部材を製造する方法を含む。本方法は、複数の繊維を第１の温度に予熱するステップと、予熱された繊維を組立ラインに沿って移動させるステップと、予熱された繊維の少なくとも１つに２５センチポイズ（ｃＰ）未満の粘度を有するバインダーを塗布するステップと、予熱された繊維を受け取るように形作られたダイスを提供するステップであって、ダイスが組立ラインの少なくとも一部に沿って予熱された繊維と一緒に移動するステップと、複数の繊維の温度を第１の温度と実質的に同様である温度に維持するステップと、温度を維持する間にダイス内で複数の繊維を圧縮するステップと、を含む。
【0010】
本発明の他の特徴及び態様は、以下の詳細な説明及び添付の図面を考慮することにより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】一般的な引き抜き成形プロセスの概略図である。
【図2】本発明のいくつかの実施形態による組立ラインの概略図である。
【図9】湿潤繊維の長さの周りに巻かれているダイスの斜視図である。
【図11】いくつかの実施形態による成形ステーションの概略図である。
【図12】いくつかの実施形態による成形ステーションの概略図である。
【図13】いくつかの実施形態による成形ステーションの概略図である。
【図14】いくつかの実施形態による成形ステーションの概略図である。
【図15】いくつかの実施形態による成形ステーションの概略図である。
【図16】いくつかの実施形態による成形ステーションの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
本発明の何らかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、その適用が、以下の説明に記述される又は以下の図面に示されている構造の詳細及び構成要素の配置に限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、様々な方法で実施又は実行することが可能である。また、本明細書で使用される表現及び用語は、説明のためのものであり、限定するものと見なすべきではないことを理解されたい。
【0013】
図２及び図３は、繊維強化ポリマー（ＦＲＰ）構造用複合材料（すなわちマトリックス複合材料）を製造するための組立ライン１００を示す。構造用複合材料は、鉄筋、Ｉ形梁、Ｃチャンネル、管体、構造用積層体など、多種多様な構造部材を形成することができる。図示の組立ライン１００は、ロービングステーション１０５、バインダー塗布ステーション１１０、及び複数の成形ステーション１１５を含む。いくつかの実施形態において、追加のステーション又は代替のステーションは、組立ライン１００内に含めることができる。組立ライン１００は、概して直線状であり、これに沿って構造用複合材料が製造される中心軸１２０を定める（図３）。本明細書でより詳細に説明するように、組立ライン１００は、ＦＲＰ構造用複合材料を高速で連続的に製造することを可能にする。
【0014】
ロービングステーション１０５は、構造用複合材料に含まれることになる繊維１３０の撚糸又は粗紡を支持して分配する複数のスプール又はボビン１２５を含む。図示の実施形態において、繊維１３０は、玄武岩を含むが、繊維１３０は、ガラス、アラミド、炭素、又は他の何らかの所望の繊維材料を含むことができる。ボビン１２５は、繊維送り速度を制御する動力駆動システムと結合することができる。このような実施形態において、繊維１３０上に一貫性のある張力を維持するために、ダンサー又は他の自動張力制御装置（図示せず）を提供することができる。
【0015】
ボビン１２５から分配された後、繊維１３０は、バインダー塗布ステーション１１０（図３及び図４）において湿潤のために繊維１３０を配置するガイドアセンブリ１３５を通過する。いくつかの実施形態において、ガイドアセンブリ１３５は、湿潤のための比較的大きな矩形の表面積を提供するために、繊維１３０を平面内で配置することができる。もしくは、ガイドアセンブリ１３５は、繊維１３０を、円筒形、管状、又は螺旋状パターンなど、他のパターンの中に配置することができる。
【0016】
いくつかの実施形態において、ロービングステーション１０５は、繊維１３０がバインダー塗布ステーション１１０に分配される前に、繊維１３０を所望の温度に予熱するための１又は２以上の加熱素子（図示せず）を含む。加熱素子は、ボビン１２５の内部に配置すること又はボビン１２５の外部に配置することもできる。例えば、加熱空気は、繊維１３０がロービングステーション１０５を離れる際に、繊維１３０に向けることができる。繊維１３０を予熱するステップは、以下により詳細に説明するように、バインダー塗布ステーション１１０において必要とされるエネルギー入力を低減することができ、バインダー硬化プロセスを安定化させるのを助けることができる。
【0017】
繊維の比較的小さな直径に起因して（ダイス及び成形ステーションにおけるグループ化された繊維の直径と比較した場合）、個々の繊維を予熱するために必要な時間及び／又はエネルギーは、成形ステーションの１又は２以上のグループ化された繊維を加熱するために必要とされるであろうものより少ない。成形ステーションは、予熱された繊維の高い温度を維持するように動作可能である。いくつかの実施形態において、バインダーは、繊維１３０に塗布される前に加熱される。
【0018】
図２及び図３を参照すると、バインダー塗布ステーション１１０は、ガイドアセンブリ１３５を出る繊維１３０がバインダー塗布ステーション１１０に引き込まれ、樹脂などのバインダーで湿潤されるように、ロービングステーション１０５の下流に配置される。いくつかの実施形態において、バインダーは、極めて低粘度の短鎖長モノマー又はジシクロペンタジエン（ＤＣＰＤ）又はトリシクロペンタジエン（ＴＣＰＤ）などのモノマーの組合せである。いくつかの実施形態において、バインダーは、２成分のｍＤＩベースのエラストマーなど、１又は２以上の低粘度ポリウレタンポリマー及びシステムを含む。他の実施形態において、熱硬化性ポリマー、例えば、フェノール樹脂又はエポキシ樹脂である。他の実施形態において、バインダーは、ポリエステル、ビニールエステル、ポルトランドセメント、又は他の何らかの適切なバインダーを含むことができる。
【0019】
バインダーは、２０℃～５５℃の範囲の温度で２５センチポイズ（ｃＰ）未満の粘度を有する。いくつかの実施形態において、バインダーは、２０℃～５５℃で２０センチポイズ未満の粘度を有する。いくつかの実施形態において、バインダーは、２０℃～５５℃で１５センチポイズ未満の粘度を有する。いくつかの実施形態において、バインダーは、２０℃～５５℃で１０センチポイズ未満の粘度を有する。
【0020】
極めて低粘度のバインダーは、繊維１３０の間ですぐに広がり、摩擦剤(traction agent)を必要とせずに高速で組立ライン１００を通して繊維１３０と一緒に移動する。これにより、超高速でも一貫性のある最終製品が得られる。
【0021】
バインダー塗布ステーション１１０は、所望の量のバインダーを正確に計量して繊維に塗布するように動作可能である。具体的には、繊維に対するバインダーの所望の比率に応じて、適切な量のバインダーを繊維に直接塗布することができる。これは、図１に示す繊維に塗布されるバインダーの量を制御しないバインダー溶液槽とは正反対である。余分なバインダーは、除去する必要があり、結果的に、より多くの廃棄物が生じる。また、バインダー溶液槽全体は、適切な温度に維持する必要があり、これは特に加熱されたバインダーの一部が繊維から除去される場合、余分なバインダーを加熱するために、エネルギーの無駄となる。また、繊維とバインダーの比率が制御されていないため、バインダー溶液槽で製造される製品は、一貫性のない可能性がある。本発明において、繊維に塗布されるバインダーの量は、製造される製品の所望の品質と一貫性を保証するように制御することができる。
【0022】
図３－５は、バインダー塗布ステーション１１０の１つの実施形態を示す。図示の実施形態において、バインダー塗布ステーション１１０は、加圧ウェル１４０を含む。加圧ウェル１４０は、ホッパー又は貯蔵容器（図２）などのバインダー供給源１４５からバインダーを受け取る。ウェル１４０は、これを介してバインダーを注入することができる入口開口部１５５を有するエンドプレート１５０を含む（図５）。次に、バインダーは、加圧下で、入口開口部１５５から半径方向外向きに延びる複数の溝１６０を通って押し出される。溝１６０は、エンドプレート１５０の外周部に配置された湿潤領域１６５と連通する。
【0023】
動作時、バインダーは、溝１６０を通って湿潤領域１６５の中に連続的に押し出される。繊維１３０は、バインダーで湿潤されるように湿潤領域１６５を通過し、マトリックス複合材料の形成が始まる。図示の実施形態において、エンドプレート１５０は、約１８０度だけ互いにオフセットした２つの湿潤領域１６５を含む。従って、繊維１３０は、同時に湿潤されている２つの経路に沿って配置することができる。繊維１３０にバインダーを完全に塗布するのを促進するために、繊維１３０は、湿潤領域１６５を通って移動する間に相隔たる。他の実施形態において、エンドプレート１５０は、任意の数の湿潤領域を含むことができる。ウェル１４０の作動圧力、溝１６０の数及び大きさは、所望の湿潤速度を提供するために可変とすることができる。
【0024】
図６及び７は、別の実施形態によるバインダー塗布ステーション１１０ａの一部を示す。バインダー塗布ステーション１１０ａは、本明細書に記載される実施形態のいずれかで利用することができる。いくつかの実施形態において、バインダー塗布ステーション１１０ａは、他の実施形態において図示及び説明されたバインダー塗布ステーションに加えて利用されるのに対して、他の実施形態において、バインダー塗布ステーション１１０ａは、他の実施形態において図示及び説明されたバインダー塗布ステーションの場所で利用される。図示の実施形態において、バインダー塗布ステーション１１０ａは、引き込まれる繊維１３０を、概してテーパー状又は円錐状の装置の中に案内するダイス１７０を含む。ダイス１７０は、長手方向に（すなわち、中心軸１２０に沿って）移動することができる。この移動は、引き込まれる繊維１３０を概して連続した壁又はシートに形成するのを容易にすることができる。バインダー塗布ステーション１１０ａは、バインダー供給源１４５（図２）からバインダーを受け取り、引き込まれる繊維１３０に対してバインダーの流れを噴射するように動作可能な噴射ノズル１７５を含む。ノズル１７５の位置は、バインダーの噴射特性を調整するために長手方向に変更することができる。
【0025】
さらに別の代替的な実施形態において、バインダー塗布ステーションは、バインダー溶液槽を含むことができる。溶液槽を通過した後、繊維１３０は、バインダーを機械的に撹拌して、これを通過する繊維に物理的に押し込むための一連の並列ローラーを通ることができる。含浸繊維のバインダー含有量は、ワイパー及び／又はローラーを使用して制御することができる。加えて、バインダー含有量は、繊維１３０の一部を、バインダー溶液槽をバイパスするように向けることによって制御することができる。
【0026】
この代替実施形態において、組立ライン１００は、バインダー塗布ステーションと１又は２以上の成形ステーション１１５との間に、バインダー含浸繊維１３０を加熱し、湿潤プロセスを終了し、硬化プロセスを開始し、湿潤繊維を粗く形成するためのオーブンバンチャーステーションをさらに含むことができる。加えて、オーブンバンチャーステーションは、ロービングステーション１０５からバインダー塗布ステーションを通って繊維を引き抜くための１又は２以上の駆動ローラーを含むことができる。
【0027】
図２、４、８、及び９を参照すると、組立ライン１００は、湿潤繊維１３０がバインダー塗布ステーション１１０を出る際に、湿潤繊維１３０の周りに巻き付けられる連続的に適合する並進ダイス１８０をさらに含む。図示のダイス１８０は、ロール１８５（図４）から送り込まれた細長い一片の紙である。紙製のダイス１８０は、湿潤繊維１３０に隣接した中心軸１２０に沿って進み、一連のテフロンガイドプレート１９０は、ダイスが湿潤繊維１３０を完全に取り囲んで包むまで、湿潤繊維１３０の周りにダイス１８０を徐々に丸める（図８及び図９）。湿潤繊維１３０がダイス１８０の第１の部分又は入口１９５に入ると、繊維１３０は、比較的大きな矩形領域から、入口１９５でのダイスの直径に対応するより小さな概して円形の領域に圧縮される。
【0028】
ダイス１８０は、残りの組立ライン１００を通して、湿潤繊維１３０と一緒に進む。以下により詳細に説明するように、ダイス１８０は、湿潤繊維１３０が成形ステーション１１５に付着するのを阻止することにより、成形ステーション１１５を通る湿潤繊維１３０の移動を容易にする。加えて、ダイス１８０は、硬化中に湿潤繊維１３０を拘束し、バインダーと繊維１３０の混合を容易にして完全な湿潤を保証し、さらに一貫性のある硬化圧力及び温度を維持するのを助ける。
【0029】
組立ライン１００及び他の何らかの連続的なＦＲＰ製造プロセスのプロセス速度又は製品生産率は、以下の式に準ずる。
プロセス速度＝ダイス長さ／樹脂硬化時間
プロセス速度＝ダイス長さ／樹脂硬化時間
【0030】
連続的に適合する並進ダイス１８０は、湿潤繊維１３０と共に移動するので、一般的な引き抜き成形プロセス（図１）で用いられる固定ダイス３０よりも何倍も長くすることができる。従って、組立ライン１００は、一般的な引き抜き成形プロセスのプロセス速度よりも何倍も大きいプロセス速度で動作することができる。例えば、並進ダイスが２，０００フィートの長さを有し、バインダーが硬化するのに２分を要する場合、組立ライン１００は、毎分１，０００フィートの可能性のあるプロセス速度を有することになる。いくつかの実施形態において、組立ライン１００は、毎分約２０フィートより大きなプロセス速度を有するように構成される。他の実施形態において、組立ライン１００は、毎分約２０フィートと毎分約５０フィートとの間のプロセス速度を有するように構成される。他の実施形態において、組立ライン１００は、毎分約５０フィートと毎分約１００フィートとの間のプロセス速度を有するように構成される。他の実施形態において、組立ライン１００は、毎分約１００フィートと毎分約２５０フィートとの間のプロセス速度を有するように構成されている。他の実施形態において、組立ライン１００は、毎分約１００フィートと毎分約５００フィートとの間のプロセス速度を有するように構成される。他の実施形態において、組立ライン１００は、毎分約１００フィートと毎分約１０００フィートとの間のプロセス速度を有するように構成される。他の実施形態において、組立ライン１００は、毎分約２０フィートと毎分約１００フィートとの間のプロセス速度を有するように構成される。他の実施形態において、組立ライン１００は、毎分約２０フィートと毎分約１,０００フィートとの間のプロセス速度を有するように構成される。他の実施形態において、組立ライン１００は、毎分約１００フィートと毎分約１，０００フィートとの間のプロセス速度を有するように構成される。
【0031】
紙製のダイス１８０は、完成した構造用複合材料からのダイス１８０の除去を容易にするために、シリコーンなどの離型剤でコーティングすることができる。さらに、紙製のダイス１８０は、ガス及び蒸気がダイス１８０を通って放出されることを可能にするために、比較的、多孔質とすることができる。もしくは、ダイス１８０は、実質的に気密性とすることができる。
【0032】
ダイス１８０は、様々な方法で湿潤繊維１３０に塗布される他の基材又は材料の組合せを含むことができる。例えば、いくつかの実施形態において、ダイス１８０は、湿潤繊維１３０に塗布され、その後、紫外線、温度、化学反応剤、又は他の適切な手段を使用して固化又は硬化される粉末又は液体（例えば、溶融ワックス）を含むことができる。他の実施形態において、ダイス１８０は、ＧＯＲＥ－ＴＥＸなどの蒸気放出微小孔膜を含むことができる。他の実施形態において、ダイス１８０は、織物又は繊維マットなどのマクロ孔材料を含むことができる。さらに他の実施形態において、ダイス１８０は、非犠牲ステンレス鋼、炭素鋼カバー、又は銅などの１又は２以上の金属膜を含むことができる。
【0033】
いくつかの実施形態において、ダイス１８０は、ダイス１８０をマトリックス複合材に結合させるためにバインダーによって湿潤され、結果的にダイス１８０の全て又は一部を含む一体型構造を作ることができる。従って、ダイス材料は、追加の所望の特性を有する生成された構造用複合材料を提供するように選択することができる。例えば、ダイス１８０は、さもなければ非導電性の複合材料に導電性を与えるために、導電性材料を含むことができる。ダイス材料は、その特定の用途（例えば、鉄筋コンクリート）への構造用複合材料（例えば、鉄筋）の統合を容易にするために、外部結合成分（例えば、ポルトランドセメント）に対する親和性を有することができる。
【0034】
ここで図２から４を参照すると、成形ステーション１１５は、バインダー塗布ステーション１１０の下流に配置される。図示の実施形態において、組立ライン１００は、中心軸１２０（図２）に沿って離間する第１、第２、及び第３の成形ステーション１１５を含む。他の実施形態において、組立ライン１００は、任意の数の成形ステーション１１５を含むことができる。
【0035】
成形ステーション１１５の各々は、繊維１３０に接触して成形を行う少なくとも１つのガイドを含む。いくつかの実施形態において、ガイドは、繊維１３０を受け取り、成形を行う大きさの１又は２以上のスロットを有する１又は２以上のローラーを含むことができる。いくつかの実施形態において、ガイドは、繊維１３０を受け取り、成形を行う大きさの１又は２以上の開口部を有する１又は２以上の固定又は回転ダイスを含むことができる。ローラー内のスロット及び固定ダイス内の開口部の各々は、繊維１３０を異なる形状及びサイズに形作るために異なる形状及びサイズを有することができる。
【0036】
図示の成形ステーション１１５の各々は、複数のローラー２００を含む。ローラー２００は、二つ一組で配置され、各々は、溝２０５を含み、これを通ってダイスで巻かれた繊維１３０は、巻き取られて成形される（図１０）。いくつかの実施形態において、一組のローラー２００は、異なる方向に位置することができる。例えば、一組のローラー２００は、水平方向と垂直方向との間で交互に配置することができる。ローラー２００の一部又は全ては、組立ライン１００を通してダイス１８０及び繊維１３０を引き込むために可変速駆動モーターを使用して駆動することができる。
【0037】
さらに図２及び３を参照すると、各成形ステーション１１５は、プロセス温度の正確な制御を可能にするために、熱伝達パネル（図示せず）をさらに含むことができる。例えば、各成形ステーション１１５は、プロセス速度に対応する速度でバインダーを硬化させ、安定した、制御された温度で湿潤繊維１３０を維持するように制御することができる。具体的な温度は、使用されるバインダーのタイプ及び組立ラインのプロセス速度によって決まる。いくつかの実施形態では、フェノール樹脂がバインダーとして使用され、繊維は約１６０℃の温度に維持される。いくつかの実施形態では、バインダーとしてエポキシ樹脂が使用され、繊維は、約５０℃から約９０℃の温度に維持される。従って、バインダー硬化プロセスは、成形された湿潤繊維１３０が成形ステーション１１５を移動する間に完了することができる。
【0038】
プロセス温度は、ダイス１８０の長さに沿って硬化速度を高める又は低下させるために、各成形ステーション１１５の長さに沿って複数のゾーンで制御することができる。ローラー２００は、必要とされる硬化圧力を提供するためにダイス１８０に圧力をかける。ダイス１８０及び繊維１３０が隣接する成形ステーション１１５の間を通過する際に、製品は、必要に応じて冷却することができ（隣接する成形ステーション１１５間の周囲環境への暴露によって、或いは制御された冷却ゾーンを通して）、ガス又は蒸気副生成物は、ダイス１８０を通して放出することができる。これは、固定ダイス３０（図１）が一般的に不浸透性であるため、一般的な引き抜き成形プロセスでは不可能である。いくつかの実施形態において、１又は２以上の成形ステーション１１５は、ダイス１８０及び繊維１３０をバインダーのガラス転移温度未満の温度まで冷却する。従って、成形ステーション１１５から分配されたダイス１８０及び繊維１３０は、その形状を維持することができる。他の実施形態において、ダイス１８０及び繊維１３０は、ダイス１８０及び繊維１３０が成形ステーション１１５を出てダイス１８０及び繊維１３０の所望の最終形状及び／又は何らかの表面構成（例えば、リブ、突起、陥凹部、及び／又は他の適切な表面構成など）への最終操作を可能にすることが終わるまで、ガラス転移温度未満に冷却されることはない。
【0039】
一般的なプロセスにおいて、組立ラインの全長に沿って繊維の適切な支持が提供されるように、何らかのステーションの間の間隔は、最小にする必要がある。対照的に、図示の成形ステーション１１５は、ダイス１８０が成形ステーション１１５の間で繊維１３０に十分な支持を提供するために、ダイスの流れ方向に所定の距離で相隔たっている。各成形ステーション１１５の間の間隔は、ダイス１８０及び繊維１３０からの空気及び水の放出を可能にする。さらに、相隔たる成形ステーション１１５は、成形ステーション１１５が直接隣接している場合よりも長い距離にわたって延在する。成形ステーション１１５の全距離の増加は、成形ステーション１１５内でまだ部分的に又は完全に硬化する間に、ダイス１８０が高速で成形ステーション１１５を通って移動するのを可能にする。従って、より多くの成形ステーション１１５及び相隔たる成形ステーション１１５を使用することによって、プロセス速度を増加させることができ、結果的に生産性及び収益性を高くすることができる。また、各成形ステーション１１５の間の距離は、成形アセンブリの全長にわたって成形ステーションが隣接する配置と比較すると、アセンブリの構築及び設置の資本コストを減少させる。成形ステーション１１５は、モジュール式とすることができ、１又は２以上の成形ステーション１１５は、実質的な生産ロスなしで、追加、除去、又は修理することができる。組立ライン全体の生産をシャットダウンする代わりに（単一の、固定ダイスを利用するユニットに対して必要とされるような）、生産は、１又は２以上の成形ステーション１１５の追加、除去、又は交換を可能にするために短期間のシャットダウンになるであろう。除去された成形ステーション１１５は、組立ラインが動作している間に、修理又は保管することができる。
【0040】
図１１から１６を参照すると、成形ステーション１１５の１又は２以上は、ダイス１８０及び繊維１３０を動的に操作して、完全な湿潤及び均質な硬化を促進することもできる。湿潤は、マトリックス複合材料の断面積を動的に変更することによって引き起こされるせん断粘度変化によって改善される。さらなるマトリックス複合材料のせん断混合は、成形ステーション１１５によって塗布される機械的圧力を選択的に増減させることによって引き起こすことができる。いくつかの実施形態において、成形ステーション１１５は、硬化時の繊維１３０の柔軟性を改善するために、繊維１３０の不完全なウェットアウトをもたらすように構成することができる。
【0041】
いくつかの実施形態において、ガイドは、ダイス１８０の長さにわたって加えられた機械的圧力を漸進的に増加させるように構成することができる。いくつかの実施形態において、圧力の増加は、長さに沿って減少する直径を備えた開口部を有するテーパー状の固定ダイスを通って繊維１３０を移動させることによって引き起こされる。他の実施形態において、機械的圧力の増加は、一連の固定ダイスの各々が漸進的により小さな開口部を有する一連の固定ダイスを通って繊維１３０を移動させることによって引き起こすことができる。いくつかの実施形態において、固定ダイス内の孔は、ダイス１８０及び繊維１３０の断面形状を動的に変更するために、異なる形状及びサイズの開口部を有することができる。
【0042】
図１１に示される実施形態において、ローラー２００は、ダイス１８０の長さにわたって加えられる機械的圧力を漸進的に増加させるように構成される。このため、ダイス１８０の断面積は、各連続する対のローラー２００を通して減少させることができる。これは、繊維１３０の完全な湿潤及び圧縮を促進する。他の実施形態において、ローラー２００は、ダイス１８０及び繊維１３０の断面形状を動的に変更するように構成することができる（図１２から１５）。例えば、ダイス１８０は、さらなるせん断混合を促進するために、交互のローラー対２００において異なる方向を想定する卵型に巻くことができる（図１２）。もしくは、ダイス１８０は、楕円形、円形、長方形、正方形、三角形などの、様々な他の形状に巻くことができる（例えば、図１３参照）。他の実施形態において、１又は２以上の成形ステーション１１５は、中心軸１２０の周りでダイス１８０及び繊維１３０をねじることができる（図１４）。さらに他の実施形態において、１又は２以上の成形ステーション１１５は、ダイス１８０の断面積を交互に増減させることができる（図１５）。さらに他の実施形態において、ローラー２００は、ダイス１８０及び繊維１３０にうねりをもたらすためにオフセットすることができる（図１６）。成形ステーション１１５の各々は、ローラー２００及び／又は固定ダイスの異なる配置及び構成を有することができる。
【0043】
いくつかの実施形態において、組立ライン１００は、複合材構造体（図２）の硬化面を熱的に摩耗させるための消散ステーション２１０をさらに含むことができる。消散ステーション２１０は、ダイスを除去するために、繊維の一部を露出させるために、及び／又はポルトランドセメントのような外部結合成分に関して親和性を有することができる炭素質チャーを提供するために用いることができる。
【0044】
いくつかの実施形態において、組立ライン１００は、後硬化ステーション２１５をさらに含むことができる。後硬化ステーション２１５は、何らかの必要な二次硬化時間及び温度制御を提供するための１又は２以上の加熱素子を含むことができる。さらに、後硬化ステーション２１５は、構造用複合材料を所望の最終形状に成形するために動作可能な１又は２以上の機械加工デバイスを含むことができる。例えば、構造用複合材料は、Ｃ型溝形鋼、螺旋形状、又は他の望ましい形状に曲げる、又は切断する、又は折り畳むことができる。
【0045】
いくつかの実施形態において、組立ライン１００は、包装ステーション２２０をさらに含むことができる。包装ステーション２２０は、販売及び出荷のために構造用複合材料を所望の長さに切断するように動作可能な１又は２以上の切断デバイスを含むことができる。構造用複合材料は、製品情報、ブランド情報、又は他の指標がマーク付けされ、その後、出荷のために包装することができる。
【0046】
動作時、複数の繊維１３０は、ロービングステーション１０５から分配され、組立ライン１００に沿ってバインダー塗布ステーション１１０まで移動する。繊維１３０は、バインダー塗布ステーション１１０に入る際に一般的に相隔たっており。繊維１３０は、第１の比較的大きな表面積に広がるようになっている。バインダーで湿潤された後、湿潤繊維１３０は、バインダー塗布ステーション１１０に近接するダイス１８０の第１の部分１９５に案内され、ダイス１８０は、湿潤繊維１３０の周りに巻きつくように丸められる。ダイス１８０が湿潤繊維１３０の周りに巻き付けられると、繊維１３０は、一緒に圧縮される。ダイス１８０によって包み込まれた湿潤繊維１３０は、次に、成形ステーション１１５に送り込まれる。
【0047】
成形ステーション１１５において、ダイス１８０及び湿潤繊維１３０は、バインダーと繊維１３０を混合し、製品形状を形成するために、対のローラー２００又は固定ダイスなどのガイドの間で圧縮される。ダイス１８０は、バインダーがローラー２００及び／又は固定ダイスに付着するのを防ぐために、湿潤繊維１３０をローラー２００及び／又は固定ダイスから隔離する。熱は、バインダーの硬化を促進するために、成形ステーション１１５の全体に加えられる。隣接する各成形ステーションの間をダイス１８０が移動する際に、マトリックスは、冷却されること及び／又はガス及び蒸気の副産物を放出することができる。
【0048】
いくつかの実施形態において、砂は、硬化が完了する前又は後に、ダイス１８０及び／又は繊維１３０に加えることができる。砂は、繊維１３０及びバインダーの最終複合材料と、最終複合材料が結合される材料、例えばコンクリートとの間の物理的結合特性を改善するように選択することができる。
【0049】
本発明の様々な特徴は、次の特許請求の範囲に記載される。
【符号の説明】
【0050】
５ 繊維
１０ 生産ライン
１５ 引き抜き機構
２０ 駆動ローラー
２５ 溶液槽
３０ ダイス
１０ 生産ライン
１５ 引き抜き機構
２０ 駆動ローラー
２５ 溶液槽
３０ ダイス
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【国際調査報告】