JP7311925B2

JP7311925B2 - 複合繊維および繊維を生成する方法

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Publication number: JP7311925B2
Application number: JP2022065539A
Authority: JP
Inventors: ビランドオレクサンダー; ブルースファーガソンロバート
Original assignee: ユーエスビーアイ，エルエルシー
Priority date: 2017-02-03
Filing date: 2022-04-12
Publication date: 2023-07-20
Anticipated expiration: 2038-01-31
Also published as: JP2023130421A; JP2020509946A; US20180222132A1; EP4234218A2; WO2018144593A1; MX2019009120A; EP3576918A1; US20190232579A1; JP7129098B2; US10369754B2; JP2022087205A; EP4234218A3; EP3576918A4; CA3052032A1

Description

背景
引抜成形は、一定の断面積を伴う複合材料を製造するための連続プロセスであり、複合繊維の生産において一般的に使用される方法である。ステップが水平に実践される典型的な引抜成形プロセスフロー図が、図２によって表されている。標準的な引抜成形プロセスでは、繊維または編組ストランドのような補強材料が、（１）クリールガイドおよび引張ローラを通して水平に引動され、（２）次いで、繊維ストランドが、樹脂に含浸され、（３）可能性として、別個のプリフォームシステムが続き、加熱された固定ダイを通して引動され、（４）樹脂が、重合される。含浸は、補強材を槽を通して引動することによって、または樹脂を、典型的には、ダイに接続される注入チャンバの中に注入することによってのいずれか一方で行われる。次いで、含浸された繊維は、表面成形ステーションを通して引動され（５）、事前に加熱された硬化チャンバの内側で硬化される（６）。引抜成形された部材の直線状水平移動が、引動機構によって提供される（７）。最終段階では、引抜成形された部材は、切断ステーションにおいて要求される長さに切断される（８）。

いくつかの公知の引抜成形プロセスは、物品を通して長手方向に延在する中空の空洞または複数の空洞を境界する外部構成を有する１つまたはそれを上回るマンドレル上で、かつその周囲に、乾燥の間、繊維マットのリボンを折曲することによって物品が作製される、米国特許第３，８９５，８９６号を含む、以下の米国特許において説明されるものを含む。米国特許第４，１９４，８７３号は、突出部における、または概して、螺旋状パターンでロッドの外部表面のパターンに共形化する溝を取り囲む、連続的な補強繊維を伴う、その長さに沿った少なくとも１つの溝ならびに／もしくは突出部を含む、引抜成形された繊維補強ロッド様の補強要素を説明する。米国特許第４，２８９，４６５号および分割特許米国特許第４，２９６，０６０号は、捻転され、引抜成形された繊維補強ロッドが形成される、プロセスを説明する。ロッドを形成するステップでは、繊維は、樹脂でコーティングされ、成形ダイを通して引き込まれ、次いで、少なくとも部分的硬化の後、ロッドが、ロッドを捻転させるように引動するにつれて回転する対向引動表面によって、コータを通して同時に捻転かつ引動される。米国特許第４，９３８，８２３号は、ダイを通して第１の外形を引抜成形し、熱可塑性樹脂を第１の外形に適用し、第１の外形に一体的に接合される第２の外形を形成するステップを含む、繊維補強プラスチック物品を製造するための方法を説明する。米国特許第４，７５２，５１３号は、引抜成形プロセスにおける使用のための連続的ストランドの樹脂補強複合マットを説明する。引抜成形された部分は、その部分の全体を通して分散されている補強マットおよび粗糸を伴う、マットならびに粗糸の補強物を有することによって特徴付けられる。米国特許第６，８００，１６４号は、マンドレルまたはプラスチック管材コアを使用して、複合材料の中空形状を形成し、外部にねじ山の付いた複合管材を取得することによって形成される、複合補強ロッドを説明する。米国特許第６，８９３，５２４号は、少なくとも２つの異なる硬化処置によって硬化されることが可能である樹脂を用いて繊維を湿潤させるステップと、樹脂に第１の硬化処置を受けさせることによって樹脂を少なくとも部分的に硬化させるステップと、樹脂に第２の硬化処置を受けさせることによって樹脂を少なくとも部分的に硬化させるステップとを含む、方法を説明する。複数の谷部が、補強材の外側に沿って複数の繊維の間に形成されるように、複数の繊維が、相互に隣接して位置する。樹脂は、補強材の外側に谷部を保定するように硬化される。米国特許第８，１２３，８８７号は、薄い材料における使用のための配向繊維複合物を作製するための連続的方法を説明する。上記に議論される米国特許第３，８９５，８９６号、第４，１９４，８７３号、第４，２８９，４６５号、第４，２９６，０６０号、第４，９３８，８２３号、第４，７５２，５１３号、第６，８００，１６４号、第６，８９３，５２４号、および第８，１２３，８８７号はそれぞれ、参照することによって全体として本明細書に組み込まれる。

これらの参考文献のうちのいずれも、本発明者らによって発見され、本開示の中で対処される問題に対処していない。異なる製造業者からの複合繊維の引張試験が、図１Ｂに示されるように、同一のバッチ内のものであっても、繊維に関する破断荷重が、２倍を上回って変動し得ることを明らかにした。例えば、同一のバッチからの１００個のサンプルの引張試験が、平均ラインの上方および下方に約３７％の変動性を伴う、約２５６．８ｋｓｉ（１平方インチあたりキロポンド）の繊維の平均引っ張り強度を呈したことが、図１Ｂにおいて分かり得る。同様に試験された鋼繊維は、本変動性を呈さなかった。玄武岩繊維は、例えば、鋼補強コンクリートに優るある利点を提供するが、従来の方法で生産された複合繊維を用いたコンクリート補強は、複合繊維の引っ張り強度における変動性のため、亀裂がより生じやすくあり得る。

引抜成形プロセスの各段階の慎重な研究が、多数のガス微小気泡の発生が、繊維ストランドの樹脂での含浸の段階に生じることを明らかにした。纖維ストランドは、サイジング膜でコーティングされた数千ものフィラメントから構成される。サイジング膜は、当技術分野において周知の用語であり、例えば、フィラメントが形成され、ダイから離れるにつれて適用される、溶射膜として説明されることができる。サイジング膜は、典型的には、シラン等の塗膜形成剤および結合剤を含むが、多くのより複合化学物質もまた、特定の製品のために使用されることができる。サイジング膜の目的は、繊維を保護かつ潤滑させること、および繊維をともに保持することである。走査電子顕微鏡によって得られたフィラメントの画像が、従来の方法で生産された繊維のためのサイジング膜が、無傷ではなく、フィラメントの表面が、非均一かつ異成分から成っていることを示す。ガスの分子は、これらの表面不規則性によって非常に容易に混入され、樹脂槽に添加されると、ストランドの束の中に存在する。繊維束が、樹脂の中に浸漬されるため、ガス分子は、束の内側に捕捉されたままである。加熱、圧搾、硬化等の引抜成形プロセスに典型的なさらなる作用のうちのいずれも、これらのガス気泡を繊維から除去することはできない。樹脂の粘度が高いため、ガス気泡は、その完成形態において、引抜成形された部材の中に留まる。これらの捕捉されたガス気泡は、引抜成形された部材の機械的強度の脆弱化をもたらす。

米国特許第３，８９５，８９６号明細書米国特許第４，１９４，８７３号明細書米国特許第４，２８９，４６５号明細書米国特許第４，２９６，０６０号明細書米国特許第４，９３８，８２３号明細書米国特許第４，７５２，５１３号明細書米国特許第６，８００，１６４号明細書米国特許第８，１２３，８８７号明細書

したがって、捕捉されたガス気泡または微小気泡の形態の不規則性を伴わない、均一な複合繊維の連続的生産を可能にする、システムおよび方法の必要性が存在する。

要旨
本開示は、コンクリート、モルタル、土壌安定化ポリマー、ジオポリマー、アスファルト等の種々の建築または産業材料の構造的補強のための複合繊維の分野に関する。現在、鉱物またはガラス繊維（特に、繊維ガラスおよび玄武岩繊維）ならびに熱硬化性樹脂から作製される複合繊維は、建築市場においてますます多くの人気を博している。これらの繊維は、比較的に安価であり、良好な機械的特性を有し、非腐食性であり、鋼より軽量であり、より長寿命を有し得、より容易に切断かつ適用される。そのような複合繊維が、一般的に使用されるポリプロピレン繊維に疑いもなく匹敵するという事実にもかかわらず、それらは、依然として、それらのより脆弱な構造的性質に起因して、鋼繊維に完全に取って代わることはできない。問題は、同一の処理バッチからの繊維であっても、複合繊維が、補強コンクリートまたはそれらの繊維を含有する他の材料の構造的特性に負の影響を及ぼす、非常に変動し得る機械的性質を呈することである。本発明者らによって試験された複合繊維の形状、サイズ、テクスチャ、および相分布の走査型電子顕微鏡検査が、図１Ａに示されるような固化された樹脂の内側のフィラメントの間の多数の非均一に分散されたガス微小気泡を明らかにした。さらに、微小気泡は、複合繊維内に応力点を引き起こし、微小気泡の最大蓄積の場所においてそれらを破断させる。そのうえ、フィラメントの剥脱およびそれらの樹脂への不十分な接着が、破断の場所で明確に視認可能である。本開示は、複合構造補強繊維を製造のプロセスの間、ガス気泡がない状態に保つ方法および装置を提供することによって、本問題に対処する。

したがって、本開示は、ある実施形態では、短い長さに切断され、例えば、構造的補強材としてコンクリート等の材料の中にブレンドされるために好適である、複合繊維を生産する方法として説明されることができる。繊維は、無機であり、および／または限定ではないが、長石、石英、準長石、橄欖石、輝石、角閃石、ならびに雲母、もしくはそれらの組み合わせのうちの任意のものの混合物等の火成岩等の種々の材料から構成されることができ、ある実施形態では、繊維は、玄武岩、炭素繊維、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）、Ｎｏｍｅｘ（登録商標）、および関連製品において使用されるもの等のアラミド、パラアラミド、またはメタアラミド繊維、もしくはガラス繊維、またはそれらのうちの任意のものの組み合わせのうちの任意のものから構成されることができる。ある実施形態では、繊維は、繊維が２０１６年６月１６日に出願された、同時係属中の米国仮出願第６２３５０８３２号（あらゆる目的のために、参照することによって、全体として本明細書に組み込まれる）において説明されるように生産される玄武岩を含む、火成岩の融解物である。

ある実施形態では、本方法は、ストランドの個々のフィラメントを分離するために、繊維がともに粘着しないように阻止するに効果的であるように、纖維ストランドをテクスチャライザを通して垂直に下方に給送するステップであって、テクスチャ加工された繊維には歪みがない、ステップを含む。歪のないテクスチャ加工された繊維は、次いで、樹脂含浸デバイスを通して垂直に下方に給送され、本デバイスは、樹脂含浸、脱気、および張力デバイスとして機能する。ポリエステル、ポリウレタン、ビニルエステル、およびエポキシを含む多くの樹脂タイプが、引抜成形において使用されてもよい。樹脂は、耐環境性（すなわち、耐腐食性、ＵＶ抵抗、衝撃抵抗等）を提供し、ガラスまたは複合物は、強度を提供する。

ある実施形態では、樹脂は、例えば、５ｍＰａ^＊Ｓまたはそれ未満、もしくは約１、２、３、４、または５ｍＰａ^＊Ｓの粘度でデバイスの中に注入され、全ての繊維を捻転点が本デバイス内の樹脂のレベルを下回る単一の束に捻転させるに効果的であるように、複数の繊維が、回転され、任意の捕捉されたガスの少なくとも一部が樹脂の表面まで上昇することを可能にする。束は、１インチあたり約１～約５０プライ（ｐｌｉｅｓ）、または１インチあたり約３～約３５プライ、もしくは１インチあたり約５～約２５プライの構成を達成するに効果的であるように、本デバイス内で回転され、任意の捕捉されたガスをさらに放出させ、放出されたガスが樹脂の表面まで上昇することを可能にするに効果的であるように、本デバイスの内側の圧搾ローラを用いて圧搾されることができる。ある実施形態では、束にされた繊維が、張力ローラを通してデバイスの底部から引動され、第１の硬化ステーションの中に引動され、部分的に硬化された束を取得する。束は、次いで、第１の硬化ステーションから束を引動し、束に形状を付与し、張力を伴わず、成形グリップから外に束を押動する成形グリップを通して引動されることができる。本明細書に説明されるような成形グリップは、３つの機能としての役割を果たすが、代替実施形態は、それぞれが単一の機能または成形グリップに関して説明される機能のうちの２つを提供する、２つもしくはさらに３つのデバイスを含み得ることを理解されたい。束は、次いで、束を引っ張ることなく、第２の硬化ステーションを通して、成形グリップから押動されることができる。

束が、第２の硬化ステーションから切断器の中に押動され、束が、規定された長さの断片に切断されていることは、本開示のさらなる実施形態である。規定された長さは、繊維の意図された使用のために適切な任意の長さであり得る。適切な長さは、意図された使用に応じて変動するであろうが、コンクリート補強に関して、例えば、束にされた繊維は、約１インチ～約５インチ、または約２インチ～約４インチ、約１、約２、約３、約４、もしくは約５インチの長さに切断されることができる。用語「約」の使用は、束にされた繊維の切断の長さが、ある実施形態では、１０～２０％、例えば、１０％の範囲内で変動しながら、依然として、所望の構造的補強性質を達成し得ることを伝達することを意図する。

ある実施形態では、樹脂は、樹脂を樹脂計量混合デバイスに直接接続される粘度安定器を通過させることによって、要求される粘度で含浸デバイスに供給され、樹脂含浸デバイスの中に給送される。樹脂は、当技術分野において公知である任意の好適な樹脂であり得、例えば、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂であり得る。ある実施形態では、樹脂は、ポリエステル、ポリウレタン、ビニルエステル、またはエポキシ樹脂である。ある実施形態では、束は、第１の硬化ステーション内の中に引動され、約１０^６Ｐａ^＊Ｓの粘度を達成するように部分的に硬化されることができる。成形グリップが、束に形状をインプリントまたは付与し、その形状が、波パターンであり得、Ｓ曲線波パターンもしくは矩形波パターンであり得ることは、本開示のさらなる側面である。パターンはまた、当技術分野におけるものに生じるであろう角波または他のパターンであり得る。

本開示に従って生産された複合繊維が、好ましくは、玄武岩繊維を含み、実質的に全て玄武岩繊維であり、３０％未満、または２０％もしくはそれ未満、または１０％もしくはそれ未満、または５％もしくはそれ未満、またはわずか２％、３％、もしくは４％の変動率を伴うバッチ内引っ張り強度を呈し、ある実施形態では、約４１９ｋｓｉの平均引っ張り強度を呈し得ることは、本開示のある側面である。当然ながら、例示的引っ張り強度は、コンクリート補強のために有用である物質を示すが、引っ張り強度が、その主要因が、引抜成形プロセスにおけるステップのうちの任意のものに加え、繊維それ自体のための出発材料の組成である、多くの要因に依存するであろうことを理解されたい。引っ張り強度は、したがって、繊維の意図された使用に従って調節されることができる。

ある実施形態では、断片は、コンクリート、モルタル、土壌安定化ポリマー、ジオポリマー、またはアスファルトを補強することにおける使用のための長さに切断される。

本開示のある側面はまた、開示されるプロセスによって作製される複合繊維を含み、それらの繊維は、限定ではないが、コンクリート、モルタル、土壌安定化ポリマー、ジオポリマー、またはアスファルトを含む種々の材料おける補強のために、ある規定された長さに切断され、開示される複合繊維で補強されるそのような材料をさらに含むことができる。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
複合繊維を生産する方法であって、
複数の纖維ストランドをテクスチャライザを通して垂直に下方に給送し、テクスチャ加工された繊維を取得するステップであって、前記テクスチャ加工された繊維には歪みがない、ステップと、
前記テクスチャ加工された繊維を注入デバイスを通して下方に垂直に給送するステップと、
樹脂を５ｍＰａ^＊Ｓまたはそれ未満の粘度で前記注入デバイスの中に注入するステップと、
前記繊維を捻転点が前記注入デバイス内の樹脂のレベルを下回る束に捻転させるに効果的であるように、前記複数の繊維を前記注入デバイスの中で回転させながら、任意の捕捉されたガスの少なくとも一部が前記樹脂の表面まで上昇することを可能にするステップと、
任意の捕捉されたガスを前記樹脂の表面まで上昇させるようにさらに放出させるために効果的であるように、前記捻転された束を前記注入デバイスの内側の圧搾ローラを用いて圧搾するステップと、
前記束を引動することによって、前記デバイスの底部から前記束を除去するステップと、
前記束を第１の硬化ステーションの中に引動するステップと、
成形グリップを通して、前記束を引動するステップであって、前記成形グリップは、
（ｉ）前記第１の硬化ステーションから前記束を引動し、
（ｉｉ）前記束に形状を付与し、
（ｉｉｉ）張力を伴わず、前記成形グリップから外に前記束を押動する、
ように適合される、ステップと、
前記束を引っ張ることなく、第２の硬化ステーションを通して、前記成形グリップから前記束を押動するステップと、
を含む、方法。
（項目２）
前記複数の繊維は、２つまたはそれを上回る粗糸糸巻から２つまたはそれを上回るテクスチャライザの中に給送される、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記第２の硬化ステーションから切断器に前記束を押動し、前記束を規定された長さの断片に切断するステップをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目４）
前記束は、１インチあたり約５～約２５プライの構成を達成するに効果的であるように、前記デバイス内で回転される、項目１に記載の方法。
（項目５）
前記樹脂は、前記樹脂を樹脂計量混合デバイスに直接接続される粘度安定器を通過させることによって、要求される粘度で前記デバイスに供給される、項目１に記載の方法。
（項目６）
前記束は、前記第１の硬化ステーション内で部分的に硬化され、約１０^６Ｐａ^＊Ｓの粘度を達成する、項目１に記載の方法。
（項目７）
前記成形グリップは、前記束に波構造を付与する、項目１に記載の方法。
（項目８）
前記成形グリップは、前記束に矩形波構造を付与する、項目１に記載の方法。
（項目９）
前記断片は、コンクリート、モルタル、土壌安定化ポリマー、ジオポリマー、アスファルト、またはそれらの組み合わせを補強することにおける使用のための長さに切断される、項目３に記載の方法。
（項目１０）
前記繊維は、火成岩繊維、炭素繊維、アラミド、パラアラミドまたはメタアラミド繊維、もしくはガラス繊維を含む、項目１に記載の方法。
（項目１１）
前記繊維は、長石、石英、準長石、橄欖石、輝石、角閃石、雲母、およびそれらの組み合わせから選択される、火成岩繊維を含む、項目１に記載の方法。
（項目１２）
前記繊維は、玄武岩繊維を含む、項目１に記載の方法。
（項目１３）
前記繊維は、中央値から５％を超えないの変動を伴うバッチ内引っ張り強度を呈する、項目１に記載の方法。
（項目１３）
項目１に記載の方法によって作製される、複合繊維。
（項目１４）
項目３に記載の方法によって作製される、複合繊維。
（項目１５）
項目９に記載の方法によって作製される、複合繊維。
（項目１６）
項目１６に記載の複合繊維を含有する、コンクリート、モルタル、土壌安定化ポリマー、ジオポリマー、またはアスファルト。
（項目１７）
繊維であって、
複数の歪のないテクスチャ加工された繊維をデバイスを通して下方に垂直に給送するステップと、
樹脂を１～５ｍＰａ^＊Ｓの粘度で前記デバイスの中に注入するステップと、
全ての前記繊維を前記捻転点が前記注入デバイス内の樹脂のレベルを下回る束に捻転させるに効果的であるように、前記複数の繊維を回転させながら、任意の捕捉されたガスの少なくとも一部が前記樹脂の表面まで上昇することを可能にするステップと、
任意の捕捉されたガスを前記樹脂の表面まで上昇させるようにさらに放出させるために効果的であるように、前記束を前記デバイスの内側の圧搾ローラを用いて圧搾するステップと、
張力ローラを通して前記束を引動することによって、前記デバイスの底部から前記束を除去するステップと
前記束を第１の硬化ステーションの中に引動するステップと、
前記第１の硬化ステーションから前記束を引動し、前記束に形状を付与し、張力を伴わず、前記成形グリップから外に前記束を押動する成形グリップを通して、前記束を引動するステップと、
前記束を引っ張ることなく、第２の硬化ステーションを通して、前記成形グリップから前記束を押動するステップと、
を含む、プロセスによって生産される、繊維。
（項目１８）
前記方法はさらに、前記第２の硬化ステーションから切断器に前記束を押動し、前記束を規定された長さの断片に切断するステップを含む、項目１７に記載の繊維。
（項目１９）
前記方法はさらに、前記１インチあたり約５～約２５プライの構成を達成するに効果的であるように、前記束を前記デバイス内で回転させるステップを含む、項目１７に記載の繊維。
（項目２０）
前記樹脂は、樹脂計量混合デバイスに直接接続される粘度安定器を通過されることによって、要求される粘度で前記デバイスに供給される、項目１７に記載の繊維。
（項目２１）
前記束は、前記第１の硬化ステーション内で部分的に硬化され、約１０^６Ｐａ^＊Ｓの粘度を達成する、項目１７に記載の繊維。
（項目２２）
前記成形グリップは、前記束に波構造を付与する、項目１７に記載の繊維。
（項目２３）
前記成形グリップは、前記束に矩形波構造を付与する、項目１７に記載の繊維。
（項目２４）
前記断片は、コンクリート、モルタル、土壌安定化ポリマー、ジオポリマー、アスファルト、またはそれらの組み合わせを補強することにおける使用のための長さに切断される、項目１７に記載の繊維。
（項目２５）
前記繊維は、火成岩繊維、炭素繊維、アラミド、パラアラミドまたはメタアラミド繊維、もしくはガラス繊維を含む、項目１７に記載の繊維。
（項目２６）
前記繊維は、長石、石英、準長石、橄欖石、輝石、角閃石、雲母、およびそれらの組み合わせから選択される、火成岩繊維を含む、項目１７に記載の繊維。
（項目２７）
前記繊維は、玄武岩繊維を含む、項目１７に記載の繊維。
（項目２８）
前記繊維は、５％を超えないの変動を伴うバッチ内引っ張り強度を呈する、項目１７に記載の繊維。
（項目２９）
連続プロセスにおいて繊維を処理するための装置であって、
玄武岩繊維の粗糸糸巻を保持するための、１つまたはそれを上回るデバイスと、
玄武岩の粗糸糸巻を保持するための前記１つまたはそれを上回るデバイスの下方に配置される、回転テーブルと、
前記回転テーブルの下方に配置される、１つまたはそれを上回るエアフローテクスチャライザと、
前記テクスチャライザの下方に配置される、樹脂注入デバイスと、
前記樹脂注入デバイスと流体連通する、樹脂安定器と、
前記樹脂安定器と流体連通する、樹脂混合計量デバイスと、
前記樹脂注入デバイスの下方に配置される、張力ローラと、
前記張力ローラの下流にある、第１の硬化トンネルと、
前記第１の硬化トンネルの下流にある、第２の硬化トンネルと、
前記第１の硬化ステーションから繊維の束を引動し、前記束に形状を付与し、前記束を引っ張ることなく、前記束を前記第２の硬化ステーションの中に押動するように適合される、前記第１の硬化トンネルと前記第２の硬化トンネルとの間に配置される、成形グリップと、
前記第２の硬化トンネルの下流にある、切断ステーションと、
を備える、装置。

図１Ａは、繊維中の微小気泡に起因する、従来の方法で引抜成形された繊維補強製品の脆弱化および破断の図である。図１Ｂは、単一のバッチから従来の方法で引抜成形された玄武岩繊維の１０個のサンプルの引っ張り強度のグラフである。

図２は、全てのステップが水平配向において実践される、従来の引抜成形プロセスのフロー図である。

図３Ａは、本開示による、引抜成形プロセスのある実施形態のフロー図である。

図３Ｂは、本開示による、第２の引抜成形プロセスのある実施形態のフロー図である。

図４は、本開示による、装置のある実施形態の略図である。

図５は、本開示による、単一のバッチから引抜成形された玄武岩繊維の１００個のサンプルの引っ張り強度のグラフである。

詳細な説明
本開示の実施形態の実践のためのプロセスフロー図が、図３Ａおよび３Ｂに示される。本プロセスは、これが、一定の断面積を伴う複合物を製造するための連続プロセスである点において従来の引抜成形に類似するが、本プロセスは、改良され、従来の方法で生産された繊維と比較して、増加された構造的強度および一貫性を伴う繊維を生産するために効果的である。開示される方法および装置における少なくとも１つの差異は、従来の引抜成形プロセスならびに機械が、完全に水平である一方、開示される改良は、少なくとも部分的に、本プロセスの少なくとも一部を垂直に配向するステップを含む、ガス気泡問題への解決策を含むことである。本開示の別の側面は、樹脂粘度および繊維張力が、精密に制御され得ることである。

図３Ａは、新規のプロセスのある実施形態を図示する。第１のステップとして、（好ましくは、内部の解巻を伴う）粗糸糸巻からの繊維ストランドが、ストランドの個々のフィラメントを分離し、それらがともに粘着しないように防止するテクスチャライザを通して、垂直に下方に給送される。図３Ａに示されるように、本プロセスは、典型的には、２つまたはそれを上回る粗糸糸巻およびテクスチャライザを含むことができる。用語「垂直」は、水平平面に対する絶対的垂直である状態からのある変動を含み得るが、纖維ストランドは、実質的に垂直の角度およびフィラメントから捕捉された微小気泡を放出し、ガスが樹脂の表面まで上昇することを可能にするために効果的である、ある角度でテクスチャ加工され、かつ樹脂でコーティングされることを理解されたい。図３Ａに示されるような本プロセスのレベルＡにおいて、テクスチャ加工されたストランドは、張力がない（歪のない）状態である。

図３ＡのレベルＢとして示される次の段階において、２つまたはそれを上回るテクスチャ加工された纖維ストランドが、「樹脂含浸／ガス除去／張力調節」デバイスを通して下方に給送される。樹脂注入器が、樹脂を本デバイスの中に注入し、テクスチャ加工された繊維を計量混合機器によって事前に調製された樹脂で浸潤させる。樹脂含浸デバイス（点「Ｃ」）の中に注入された樹脂の粘度は、５ｍＰａ^＊Ｓを超過しない。要求される粘度は、樹脂計量混合デバイスに直接接続された粘度安定器によって提供される。

本プロセスの間、任意の以前に捕捉されたガスが、自然に表面化する。全ての「粗糸糸巻／テクスチャライザ」の対が、軸Ｙの周囲で回転され、全てのストランドを単一の束に捻転させる。捻転点は、本デバイスの内側の樹脂レベルの下方にある。回転は、１インチあたり５～２５プライを提供するように選定されることができる。本配列は、最終製品の構造的強度を改善し、「繊維／樹脂」接合からのガス除去を改善する。

完全な浸潤、ガス除去、および捻転の後、束は、束が硬化ステーションに進行する前に余分な樹脂を除去する、張力ローラを通して引動される。これらのローラは、「樹脂含浸／ガス除去デバイス」の内側の無歪み繊維と引動デバイスとの間の張力緩衝部として機能する。ある実施形態では、樹脂含浸デバイスの下流にあるローラは、束がより少ない応力下にあるように適合される成形グリップによって提供される力に加え、ある引動力を提供することができる。図３Ａの「Ｂ」として示されるレベルにおいて、ストランドの束は、捻転され、樹脂に含浸され、ガスがなく、歪力が印加され、未硬化の状態である。

束は、その後、硬化ステーション１を通して引動される。硬化ステーションは、主に、例えば、ポリウレタン等の熱硬化性樹脂に関して適切である、熱硬化ステーションとして本明細書に説明されることを理解されたい。しかしながら、ある実施形態では、熱硬化性樹脂が、使用され得、冷却硬化ステーションを要求するであろうことを理解されたい。図３Ａの「Ｄ」として示される点において、樹脂は、部分的に硬化され、約１０^６Ｐａ^＊Ｓの粘度を有する。束は、次いで、「引動／成形／押動」の３つの機能を提供する、成形グリップを通過する。本プロセスは、束が成形グリップから押動され、束が成形区域から離れた後、張力を存在させず、束の所望される形状が歪曲されないことを確実にするように、適合されることができる。成形区域の後、束は、硬化ステーション２を通して押動される。第２の硬化ステップの終了時、成形された束は、完全に重合され、凝固され、不規則性がない状態になり、かつ成形される。束は、次いで、連続的な複合繊維を要求される長さの片に切断する切断機の中に押動されることができる。図３Ｂに示される本プロセスは、束が、第１の硬化、成形、第２の硬化、および切断のステップのために水平位置に巻かれる点において、図３Ａにおけるものと異なる。
（装置）

複合構造補強繊維を作製するための装置のある実施形態が、図４に提示されている。本装置は、回転テーブル（１８０）上に位置する、２つの内部解巻繊維粗糸ボビン（１０）を含む。２つの圧縮されたエアブローテクスチャライザ（２０）が、テーブル（１８０）の下に取り付けられる。本構成では、繊維は、エア噴射テクスチャライザデバイス（２０）を通して下向きに、かつ内側の圧搾ローラを用いて樹脂含浸器（４０）の中に給送される。樹脂は、樹脂粘度安定器（５０）を伴う樹脂注入器の中に給送する、樹脂計量混合デバイス（８０）の中で調製される。繊維束張力ローラ（７０）が、「樹脂含浸／ガス除去デバイス」（４０）の内側の無歪み繊維と引動デバイス（１１０）との間の張力緩衝部として機能するように適合される。束は、第１のトンネル硬化ステーション（９０）の中に、成形引動／押動歯車（１１０）を通して、第２のトンネル硬化ステーション（１２０）を通して、支持ローラ（１３０）にわたって、および切断器（１５０）の中に引動され、規定された長さの繊維（１６０）が、切断され、バンカ（１７０）の中に落下される。

図４では、点（３０）に示されるような繊維は、テクスチャ加工され、未浸潤の、張力がない状態の繊維ストランドである。点（６０）において、繊維は、樹脂で浸潤され、ガスがない、捻転された、未硬化の状態の束である。点（１０）において、束は、半分硬化された、未成形状態の連続複合繊維である。点（１４０）において、束は、完全に硬化され、成形された状態の、ガスがない、連続繊維である。部分（１６０）は、適当な長さに切断された複合構造補強繊維である、最終製品である。
（結果）

本開示に従って作製された複合繊維の引張試験が、同一のバッチからの１００個のサンプルが、図５に示されるような平均ラインの上方および下方に約５％の変動性を伴う、約４１９．１８ｋｓｉの平均引っ張り強度を有することを示した。本結果は、従来の引抜成形を用いて作製された繊維に優る、ほぼ６０％の改善である（図１Ｂと比較）。開示されるプロセスに従って作製された複合繊維の形状、サイズ、テクスチャ、および相分布の研究が、固化された樹脂の内側のフィラメントの間に殆どガス微小気泡が存在しないことを示している。

開示されたプロセス（１立方メートルのコンクリートあたり１２ポンドの繊維の混合比率）によって生産された繊維を用いて補強されたコンクリートスラブ（標準的な４，５０ｐｓｉコンクリート）の平均残留強度は、３，１７６ｐｓｉであり、これは、従来の方法で生産された繊維より約５０％良好である。繊維補強物を伴わない同一のタイプのスラブの平均曲げ強度は、２，７４０ｐｓｉである。

本明細書に開示かつ請求される装置、構成要素、および方法の全ては、本開示に照らして不要な実験をすることなく、作製かつ使用されることができる。本発明の装置、構成要素、および方法は、好ましい実施形態の観点から説明されているが、変形例もまた、本発明の概念、精神、ならびに範囲から逸脱することなく、本明細書に説明される構成または構成要素に適用され得ることが、当業者に明白となるであろう。当業者に明白であるそのような類似する代用物および修正は全て、添付の請求項によって定義されるような本開示の精神、範囲、ならびに概念内のものであると見なされる。

Claims

複合繊維を生産する方法であって、前記方法は、
第１のコア繊維を第１のテクスチャライザを通して垂直に下方に給送することにより、第１のテクスチャ加工された繊維を形成することと、
第２のコア繊維を第２のテクスチャライザを通して垂直に下方に給送することにより、第２のテクスチャ加工された繊維を形成することと、
前記第１のテクスチャ加工された繊維および前記第２のテクスチャ加工された繊維を樹脂含浸器の上端の中に垂直に下方に給送することと、
樹脂が最大粘度またはそれ未満の粘度で前記樹脂含浸器の中に注入されている間、前記第１のテクスチャライザおよび前記第２のテクスチャライザを相互の周りで回転させることであって、前記回転させることは、前記第１のテクスチャ加工された繊維および前記第２のテクスチャ加工された繊維を規定された巻線ピッチを伴って相互の周りで捻転させることにより、含侵された繊維を形成するために効果的であり、前記樹脂含侵器内の前記樹脂の表面は、前記含侵された繊維とともに捻転点の上方に維持されており、前記樹脂内に存在する微小気泡は、前記樹脂の表面を介して上方に退避することが可能である、ことと、
前記含侵された繊維を前記樹脂含侵器の底部端から下方に引動することと、
前記含侵された繊維内の前記樹脂を硬化することにより、前記硬化された樹脂を含む前記複合繊維を形成することと
を含む、方法。
前記最大粘度は、５ｍＰａ^＊Ｓである、請求項１に記載の方法。
前記回転させることは、少なくとも１ｃｍあたり０．３９４プライ（１インチあたり１プライ）の規定された巻ピッチを生成するために効果的である、請求項１に記載の方法。
前記方法は、
前記含侵された繊維を予備硬化チャネルの中に引動することにより、予備硬化された繊維を形成することと、
前記予備硬化された繊維を成形機の中に引動することにより、前記予備硬化された繊維に形状を付与して成形された繊維を形成することと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記予備硬化された繊維は、少なくとも１０^６Ｐａ^＊Ｓの樹脂粘度を有する、請求項４に記載の方法。
前記形状は、Ｓ曲線波または矩形波または角波のうちの少なくとも１つから選択される、請求項４に記載の方法。
前記形状は、前記成形された繊維の長さに沿って周期的である、請求項４に記載の方法。
前記方法は、
前記成形された繊維を硬化チャネルの中に押動することにより、前記複合繊維を形成することと、
前記複合繊維を切断器に押動することにより、前記複合繊維を所望の長さに切断することと
をさらに含む、請求項４に記載の方法。
前記コア繊維は、玄武岩から構成されている、請求項１に記載の方法。
前記コア繊維は、火成岩繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
前記火成岩繊維は、長石、石英、準長石、橄欖石、輝石、角閃石、雲母のうちの少なくとも１つから選択された火成岩を含む、請求項１０に記載の方法。
前記複合繊維は、複数の異なる処理バッチ間で最大５％の引張強度変動を呈する、請求項１に記載の方法。
構造複合材料を生産する方法であって、
前記方法は、構造荷重を支持するための構造材料を複合繊維と混合することを含み、
前記複合繊維は、
第１のコア繊維を第１のテクスチャライザを通して垂直に下方に給送することにより、第１のテクスチャ加工された繊維を形成することと、
第２のコア繊維を第２のテクスチャライザを通して垂直に下方に給送することにより、第２のテクスチャ加工された繊維を形成することと、
前記第１のテクスチャ加工された繊維および前記第２のテクスチャ加工された繊維を樹脂含浸器の上端の中に垂直に下方に給送することと、
樹脂が最大粘度またはそれ未満の粘度で前記樹脂含浸器の中に注入されている間、前記第１のテクスチャライザおよび前記第２のテクスチャライザを相互の周りで回転させることであって、前記回転させることは、前記第１のテクスチャ加工された繊維および前記第２のテクスチャ加工された繊維を規定された巻線ピッチを伴って相互の周りで捻転させることにより、含侵された繊維を形成するために効果的であり、前記樹脂含侵器内の前記樹脂の表面は、前記含侵された繊維とともに捻転点の上方に維持されており、前記樹脂内に存在する微小気泡は、前記樹脂の表面を介して上方に退避することが可能である、ことと、
前記含侵された繊維を前記樹脂含侵器の底部端から下方に引動することと、
前記含侵された繊維内の前記樹脂を硬化することにより、前記硬化された樹脂を含む前記複合繊維を形成することと
を含む方法に従って生産される、方法。
前記構造材料は、コンクリート、モルタル、土壌安定化ポリマー、ジオポリマー、アスファルトのうちの少なくとも１つを含む、請求項１３に記載の方法。
前記複合繊維は、成形された繊維である、請求項１３に記載の方法。
前記複合繊維は、規定された長さに切断される、請求項１３に記載の方法。
前記コア繊維は、玄武岩から構成されている、請求項１３に記載の方法。
前記コア繊維は、火成岩繊維、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維のうちの少なくとも１つを含む、請求項１３に記載の方法。
前記複合繊維は、複数の異なる処理バッチ間で最大５％の引張強度変動を呈する、請求項１３に記載の方法。
前記構造材料を前記複合繊維と混合することは、１立方メートルの前記構造材料あたり１２ポンドの前記複合繊維の混合比率を用いて混合することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。