サンドイッチパネル

本発明は、特に航空宇宙用構造物適用で用いるためのコア材料及び互いに反対側の2つの表面シートを含む構造用パネルに関する。

表面シートによって両面が包囲されている軽量のコア材料を含むサンドイッチパネルとも呼ばれる構造用パネルは、多種多様の用途で使える。一般的に、それらはパネルの剛性及び構造強度が主要な考慮事項である場合に使用される。

特にサンドイッチパネルは、パネルの重量が同様に重要な考慮事項である航空宇宙機の構造用部品として使える。こういう訳で、いわゆるハニカムコアは、航空宇宙用途で一般に使用され、このコアは表面シート間に広がる材料のシート材料を含み、コアの大部分は空間である。

しかし、さらなる重量低減が望ましい状況が続いており、重要なのは、これがパネルの構造一体性を犠牲にすることなく達成されなければならないことである。

例えば、プリプレグ材料製の表面シートが一般に使用される。プリプレグは硬化性樹脂が予め含浸された、織られていても不織であってもよい構造繊維の少なくとも1つのシートを含む。かかる材料は軽量であるが、強い構造用部品を提供し、したがって航空宇宙用として理想的な表面シートになる。

かかる表面シートは、通常、接着剤の使用によってコア材料に接着される。これは表面シートのコア材料からの剥離を防ぐためである。この剥離損傷のメカニズムは特にハニカムコアに関連しており、何故なら、かかるコアが使用されるとき表面シートとコアとの間の接触面積は非常に小さいものであり得、かくして、起こり得る主要な損傷メカニズムになるためである。

かかるサンドイッチパネルの重量をさらに低減する試みにおいて、いわゆる自己接着性プリプレグは接着剤を必要とせず、かくして軽量化を提供することが示唆されている。サンドイッチパネルに使用するための自己接着性プリプレグの例は、米国特許第6,045,898号、米国特許第6,508,910号及び米国特許第6,440,257号の中に見いだすことができる。

しかし、接着剤を除去することによって、表面パネルはより低い剥離力でより容易に取り外され得ることが見いだされている。かくして、重量の低減はかかるパネルの構造一体性の低減を招くことになり得る。

米国法定発明登録H000,047は、スパンレース処理したアラミド織物をハニカムコアとフェノール樹脂プリプレグ表面シートとの間に使用することを開示しているハニカムサンドイッチパネルを開示している。改善された剥離結果が主張されているが、その剥離力は構造物適用で用いるために許容できるものより著しく低い。その上、フェノール樹脂は構造上の航空宇宙用途で用いるには適切ではない。このように、許容できる剥離強度を提供することなく追加の重量が導入される。

それ故、当該技術は、重量のさらなる低減は構造一体性の低減によってのみ達成され得る段階に達しているように思われる。

本発明は、互いに反対側の第一及び第二の表面を有する内側のコア材料、互いに反対側の第一及び第二の表面にそれぞれ接合した第一及び第二の表面シートを含む構造用パネルであって、コア材料の第一の表面とそれに対応する表面シートとの間に挟まれている開放構造シートを含み、200gsm未満の接着剤を含む構造用パネルに関する。

表面シートとコア材料との間に開放構造シート又はベールを置くことによって表面シートの剥離強度に顕著な改善を提供することができることが見いだされた。その上、剥離強度に影響を及ぼすことなく、使用される接着剤の量を著しく減らすか、又は完全に除去することさえできることが見いだされている。このように、剥離強度における顕著な改善を正味重量の増加なしで達成することができ、例えば従来技術の構造用サンドイッチパネルと比較して重量の低減を伴うことさえできる。

しかし、材料の組合せによっては本発明の使用によって一般に観察される剥離力の改善を示さないことが見いだされている。

したがって、好ましくは、当該パネルは、アラミドハニカムコア材料、フェノールホルムアルデヒド樹脂を含浸したプリプレグである表面シート、及び少なくとも50重量%のアラミド繊維を含むスパンレース処理した織物である開放構造シートの組合せを除外する。

この組合せの不十分な性能は、いくつかの理由、特に使用される樹脂のタイプのためであり得ると考えられる。したがって、好ましくは、該表面シートはフェノールホルムアルデヒド樹脂をまったく含まない。

好ましい実施形態において、該パネルは、両方の表面において剥離強度の改善が示されるように、コア材料の第二の表面とそれに対応する表面シートとの間に挟まれている第二の開放構造シートを含む。

かくして、本発明による構造用パネルは、一方の、好ましくは両方の表面シートについて、300N/75mmより大きい、好ましくは400N/75mmより大きい、より好ましくは500N/75mmより大きい、最も好ましくは600N/75mmより大きい国際的試験法EN2243−3に従うクライミングドラム剥離試験の力を示すことが可能である。

改善された剥離力は、2つの表面シートを有しており、それぞれが2つのプリプレグの繊維層を含み、1700gsm未満、好ましくは1600gsm未満の面積重量を有する構造用パネルによって達成され得る。

上記のように、改善された剥離力は、存在する接着剤の量とは無関係に達成され得る。したがって、該パネルは、好ましくは100gsm未満の接着剤を含み、最も好ましくは接着剤を実質的に含まない。このようにして、サンドイッチパネルにおけるさらなる重量の低減達成され得る。

該コア材料は、軽量のハニカム、硬質フォーム、紙又は木材のような組み立てられるさまざまな形をとり得る。しかし、該コア材料は好ましくはそれはハニカム材料であり、ハニカム材料は非常に軽量の材料の割には優れた構造特性を提供するからである。

表面シートもまたさまざまな形をとり得るが、好ましくはプリプレグシートである。プリプレグは、可能な材料の中でもとりわけ、硬化性の、即ち熱硬化性樹脂及び硬化剤が予め含浸されている繊維構造物、例えば、マット、織物、不織材料又はロービングを含む。

繊維中に含浸された樹脂の量は、プリプレグの重量の百分率として都合よく測定される。その樹脂が十分なタックを有するため及び同様に開放構造シートの開放領域中に浸透するために十分な量の樹脂が存在する必要があることが見いだされている。樹脂含量の増大した水準が、剥離力の増大を提供する傾向があることも見いだされている。したがって、プリプレグ表面シートは、好ましくは少なくとも42重量%、より好ましくは少なくとも44重量%の熱硬化性樹脂を含む。

該繊維は層として存在し、それぞれの表面シートは1つ又は複数の繊維の層、一般的には2つの繊維の層を含むことができる。

好ましい実施形態において、プリプレグの各層中の繊維はシート全体にわたっており、好ましくは織られた状態又は一方向性である。

プリプレグ中の繊維は、いくつかの異なるタイプの材料、例えば炭素繊維又はガラス繊維などから製造することができる。しかし、炭素繊維が非常に好ましい。

使用されるプリプレグは、好ましくは、接着剤の必要なしにコア材料に接着させることができるものとして当技術分野で知られているいわゆる自己接着性プリプレグである。したがって、好ましくは、使用されるプリプレグは、開放構造シートが除外したときに、100N/75mmより大きい国際的試験法EN2243−3に従うクライミングドラム剥離試験の力を示し、42%の樹脂含量を有するようなものである。

例えば、該プリプレグは、米国特許第6,508,910号に開示されているように樹脂中に熱可塑性フィレット形成粒子を含めることができる。

したがって、このフィレット形成粒子はポリエーテルスルホン及びポリエーテルイミド、好ましくはポリエーテルスルホンから適切に選択される。粒子は、粒径が多様であり得、1〜150ミクロンの平均粒径を有することができる。

こんなふうにして樹脂の粘度はそれが望ましい流動性を有するように調整することができる。かくして、好ましくはプリプレグ中の樹脂は少なくとも15Pasの最低粘度を有する。

プリプレグ表面シート中に予め含浸される樹脂は、同様に当技術分野で知られている任意の適切な熱可塑性樹脂から選択することができるが、上記のようにフェノールホルムアルデヒド樹脂は好ましくは除外される。

好ましい実施形態において、プリプレグ中に予め含浸される樹脂は、エポキシ樹脂を含み、好ましくは含むのは実質的に完全にエポキシ樹脂である。

エポキシ樹脂は、一官能性、二官能性、三官能性及び/又は四官能性エポキシ樹脂を含むことができる。

適切な二官能性エポキシ樹脂としては、例として、ビスフェノールFのジグリシジルエーテル、ビスフェノールA(場合によって臭素化されている)、フェノール及びクレゾールのエポキシノボラック、フェノール−アルデヒド付加物のグリシジルエーテル、脂肪族ジオールのグリシジルエーテル、ジグリシジルエーテル、ジエチレングリコールジグリシジルエーテル、芳香族エポキシ樹脂、脂肪族ポリグリシジルエーテル、エポキシド化オレフィン、臭素化樹脂、芳香族グリシジルアミン、複素環式グリシジルイミジン及びアミド、グリシジルエーテル、フッ素化エポキシ樹脂、又はそれらの任意の組合せに基づくものが挙げられる。

二官能性エポキシ樹脂は、ビスフェノールFのジグリシジルエーテル、ビスフェノールAのジグリシジルエーテル、ジグリシジルジヒドロキシナフタレン、又はそれらの任意の組合せから好ましくは選択され得る。

適切な三官能性エポキシ樹脂としては、例として、フェノール及びクレゾールのエポキシノボラック、フェノール−アルデヒド付加物のグリシジルエーテル、芳香族エポキシ樹脂、脂肪族トリグリシジルエーテル、ジ脂肪族トリグリシジルエーテル、脂肪族ポリグリシジルエーテル、エポキシド化オレフィン、臭素化樹脂、トリグリシジルアミノフェニル、芳香族グリシジルアミン、複素環式グリシジルイミジン及びアミド、グリシジルエーテル、フッ素化エポキシ樹脂、又はそれらの任意の組合せに基づくものが挙げられる。

適切な四官能性エポキシ樹脂としては、N,N,N’,N’−テトラグリシジル−m−キシレンジアミン(三菱ガス化学株式会社からTetrad−Xの名称で、及びCVC ChemicalsからErisys GA−240として市販されている)、及びN,N,N’,N’−テトラグリシジルメチレンジアニリン(例えば、Huntsman Advanced MaterialsからのMY721)が挙げられる。

開放構造シート又はベールは、任意の樹脂が表面シートからその開放構造中に入ってコア材料の表面と接触することを可能にする。この配置は、コア材料と表面シートの両方と強い接合状態を形成する開放構造シートにより、改善された剥離強度を提供すると考えられる。このように、開放構造シートは樹脂透過性であり、そのため樹脂がそのシートを通過して硬化前又は硬化中にコア材料の表面と接触状態になる。

開放構造シートは、一般的には重なり合っている且つ/又は相互に連結している繊維によって形が保たれている一体化したシートである。かかる繊維は例えば織られているか又は編まれている。繊維はまた、ランダムの、例えばスパンレース処理されているか又は重ね合わされたスクリムであり得るが、織られているか又は編まれているものが好ましい。かかるシートはしばしば当技術分野ではベールと称される。

開放構造シートは、シートの開放度、即ちシート中で開放孔に占められているそのシートの平均表面積の百分率によって特徴付けることができる。本発明の開放構造シートは、一般的に、10%〜95%、好ましくは30%〜90%、より好ましくは50%〜80%の開放度を有する。これは軽量のシートを維持する助けとなり、樹脂の自由な通過も可能にする。

開放構造化されるシートの材料は、広範な材料から選択され得るが、好ましくは、ナイロン、ポリエチレンテレフタレートなどのポリマー材料である。しかし、アラミド材料は一般に好ましくなく、それ故好ましくは除外される。

剥離力の改善は、ベールが非常に軽量であるにもかかわらず達成され得ることが見いだされている。これは航空機構造物適用に対して特に重要である。かくして、好ましくは開放構造シートは、平方メートリ当たり4〜50グラム(即ち4〜50gsm)、より好ましくは4〜30gsm、最も好ましくは10〜30gsmの単位面積当たりの重量を有する。

本発明の改善された構造用パネルは、軽量ではあるが構造的に強いパネルが必要とされる広範囲の用途で使用することができる。とはいえ、このパネルは強度及び重量に対する要求が特に厳しい航空宇宙用途において特に有用である。

本発明によるサンドイッチパネルは、一般的にはそれらの構造物構成要素から一緒に組み立て、その後、樹脂を硬化して表面シートをコア材料にしっかり接合させるために、高温及び場合によって高圧にさらすことによって硬化させる。

組立ての好ましい方法において、表面シートは最初に開放構造シートと合わせる。一般的には、ある割合の任意の未硬化の樹脂はシートの開放構造中にしみ出し、その結果単一シートの材料が形成される。

かくして、別の態様において本発明は、表面シートがそれぞれ、それぞれが密接に接合した開放構造シートを含む第一及び第二の前記表面シートをコア材料の互いに反対側の第一及び第二の表面と接触させるステップと、前記開放構造シートを互いに反対側の第一及び第二の表面と接触させるように表面シートを表面と接合させるステップとを含む構造用パネルを製造する方法に関する。

本発明による方法は、本発明による構造用パネルとの関連で上記したいずれの技術的特徴も含めることができる。

一連の異なるサンドイッチパネルを製造した。それぞれのものはその外側表面に接合したプリプレグの2つの表面シートを有するハニカムコア材料を含有した。本発明による実施例においてはベールがプリプレグと接触して置かれ、その後改質されたプリプレグをハニカムコアと接触させた。

そのサンドイッチパネルを次に温度が180℃に達するまで1分間当たり2℃上昇するオートクレーブ中で硬化させた。次に180℃で2時間3バールの圧力で放置した。

硬化したパネルは次にそれらのクライミングドラム剥離値(試験法EN2243−3に従う)について試験し、その値は75mm幅のストリップ当たりのニュートン数で表した。各ベールの面積当たりの重量は平方メートル当たりのグラム数(gsm)で同様に示す。

サンドイッチパネルの特性及びクライミングドラム剥離の結果は表1に示されている。

エポキシ樹脂1はHexcelから入手できる8552であり、エポキシ樹脂2は同様にHexcelから入手できるM83である。両方共グリシジルアミンを芳香族アミン硬化剤と共に含むポリエーテルスルホン強化エポキシ樹脂に基づく標準的な180℃硬化エポキシ樹脂である。

PETは、フランスのDylcoにより供給された20gsmのポリエチレンテレフタレートの編まれた3次元のベールである。

ナイロン1は、英国デボン州のHeathcoatから入手できる10gsmの編まれたナイロンA1050ベールである。ナイロン2は、Hexcelから入手できる接着剤Redux319のための担体として使用されるが接着剤のない20gsmの織られたナイロンF0823ベールである。ナイロン3は、フランスのDylcoにより供給された20gsmの編まれた3次元のナイロンベールである。ナイロン4は、Protechnicから128D04として入手できる4gsmのスパンレース処理したナイロンベールである。ナイロン5は、Protechnicから128D06として入手できる6gsmのスパンレース処理したナイロンベールである。

開放セルは、Bafatexから供給された9gsmの重ね合わされたスクリムである。アラミドは、Hovoにより供給された15gsmのスパンレース処理したアラミドベールである。

300gsmの接着剤は、Hexcelから入手できるRedux319である。

Kevlarコアは、Hexcelから入手できるHRH−36(厚さ0.5インチ、セル幅1/8インチ、密度6ポンド/立法フィート)である。

Nomexコアは、Hexcelから入手できるHRH−10(厚さ0.5インチ、セル幅1/8インチ、密度8ポンド/立法フィート)である。

例1及び2は比較例であり、開放構造シート又はベールのない自己接着性プリプレグによって得られた剥離強度を示している。

例3及び4は、本発明による好ましいベールが使用されたときの剥離力における改善を示している。

例5〜7は、さほど好ましくないベールが使用されたときの小さい改善を示している。

例8〜13は、本発明による好ましいベールが使用されたときの剥離力における改善を示している。

例14及び15は、接着剤からベールを取り除いた影響を示している。殆ど全ての剥離力はベールに帰することができ接着剤それ自体ではないことが分かる。

例16は、ベールがなく、Nomexより低い剥離力を一般に提供するKevlarコアについてのもう1つの比較例である。

例16〜20は、本発明による好ましいベールが使用されたときの剥離力における改善を示している。

例21は、非常に乏しい剥離強度を有しており構造物適用で用いるには不適切であるフェノール樹脂パネルである。