JP2014520951A - フォーム材補強構造部材 - Google Patents

Abstract

チューブのような閉ざされた構造部材あるいはあらゆる閉じた外郭部分を補強するための複合材料が提供される。より具体的には、車両座席のフレームを形成する金属チューブあるいは閉じた外郭部分を充填し、座席フレームの強度を増加または維持させながら座席チューブまたは密封外郭部分の質量を低減させる複合材料が提供される。

Description

［先行出願の相互参照］
本PCT特許出願は、2011年7月19日に出願され「フォーム材補強構造部材」と題された米国仮特許出願第61/509,239号に基づく利益を主張し、その出願の全開示は本願の開示の一部とみなされ、参照により本明細書に組み入れられる。

本発明は、一般的に、閉ざされた構造部材（例えばチューブ、または実質的に閉じた外郭の部分を有するあらゆる部材）を補強するための複合材料および方法に関する。より具体的には、本発明は、金属チューブまたは閉じた外郭部分を有するあらゆる部材（例えば車両座席のフレームを形成するチューブ）を充填して、その部材の強度を増加または維持させながら、使用される金属の量の低減および総重量の低減を可能とするための複合材料および方法に関する。

フレーム部材のような構造支持部材は、一般的に、様々なストレスおよび力に対して望まれる強度レベルを維持するために、ある程度の壁厚を必要とする。フレーム部材の例としては、車両座席のフレームが含まれる。車両座席は一般的に下部座席部分と上部座席部分とを含む。上部および下部座席部分は、通常は、旋回可能なように互いに結合され、座席にサポートと形状とを提供するための、上部と下部との間で分離された座席フレームを含んでいる。座席フレームは、通常は、上部座席部分に位置する上部フレーム部分、および、下部座席部分に位置する下部フレーム部分を含む。座席フレームは通常は座席クッションにより包囲され、そしてその座席クッションは、目に触れる座席表面を形成する表面材料により覆われる。座席フレームは様々な材料および構造から形成され得るが、多くの座席フレームは、一般的に、鋼または合金鋼のようなチューブ状金属材料から形成される。フレームは、一般的に、円柱状四角、矩形、六角形チューブ、およびその他の外郭のような、閉じた外郭の部分を有する。

車両座席の配置構成により、チューブ状座席フレームはその全体にわたって不均等な力を受けることになる。これらの不均等な力は、乗員が座席に座っているあいだ（リクライニング位置、あるいは衝突状況の際等）に特に顕著になる。より具体的には、フレームの特定の領域が他の領域よりも高い負荷およびストレスを受ける。従って、現在、チューブ状座席フレーム全体は、ごく限られた位置または状況で生ずる予測最大負荷に耐えるように、全体にわたって十分な材料または厚みを有するように設計されている。チューブ状フレームが耐えなければならないストレスの予測レベルが増加すれば、十分なサポートを提供するためにそのフレームの重量および材料量は一般的に増加する。いくつかの技術、例えば特殊合金の使用、あるいは限られた程度において、変動する壁厚の使用等が用いられてきたが、これらの技術は高価である。それに加えて、ストレスや負荷が最小限である領域を除き、座席フレームの諸領域の材料および重量を低減させながら望ましい性能特性を維持し、座席フレームのコストを維持または低減させることは成功していない。

いくつかの製造業者は、座席フレームのような構造部材をポリウレタンフォームまたはその他のウレタンベースのフォーム材で充填して強度を上昇させることを試みてきた。ポリウレタンフォームの密度を考えると、追加される強度は限られており、多くの場合には重量が追加され、コストも上昇し、これらのポリウレタン充填チューブの成功はごく限られたものであった。

本発明は、フォーム材または複合材料で補強された閉ざされた構造部材、構造部材を充填するために使用される複合材料またはフォーム材、および、構造部材を複合材料またはフォーム材で充填する方法に関する。より具体的には、本発明は、車両座席に使用するための座席フレームチューブであって、複合材料によって選択的に充填されたものに関する。この複合材料は、構造部材への挿入の前、後、または最中に、その閉ざされた構造部材を最終的形状にするためのチューブの加熱、折り曲げ、および溶接を可能とするように構成されている。その構造部材が、不均等に分布する力にさらされる適用物（例えば車両座席のフレーム）において使用される場合には、この複合材料は、その構造部材またはチューブの補強を要する部分にだけ選択的に配置することができる。複合材料の種類ならびに複合材料の密度および組成は、構造部材の各部分に必要とされる補強の量に応じて、構造部材の異なる部分において変化させることができる。

補強構造部材の強度および重量を最適化するためには、補強座席フレームが受ける力をまず分析すべきである。それから、構造部材のうち最小量の力を受ける部分においてのみ起こると考えられる力に耐えられる程度の強度となるように、構造部材の厚さを構成することができる。構造部材のその他の部分においては、複合材料を使用して、構造部材が経験するであろうより大きな力およびストレスに対処する補強を行なう。例えば、構造部材が一部分において10ニュートンの力を受けるが、それ以外の部分においては5ニュートンの力しか受けないであろう場合には、構造部材の厚さは、その全体にわたって、少なくとも5ニュートンの力に耐えるように選択することができ、構造部材のうち10ニュートンの力の部分において複合材料が選択的に配置されるであろう。複合材料の種類、密度、および位置は、構造部材の様々な位置における破損を防止し、省重量化を最大限にし、全体的コストの低減を提供し、そして場合によっては、複合材料が構造的硬性を有する化合物に硬化する前に確実に全ての発泡操作が完了するような硬化時間を構成するように、選択することができる。

複合材料は、一般的に、結合剤で一体化された軽量構造的材料に関する。チューブに構造的材料を挿入する際には、流動補助剤を使用し得る。構造的材料は、WL 300、WL 150のようなセノスフェア、またはパーライトから形成され得る。構造的材料は複合材料の40〜95%を形成し、通常は45〜75%を形成する。

本発明のその他の有利な点は、以下の詳細な説明を添付の図面と関連付けて考慮しながら参照すればよりよく理解され、容易に認識されるであろう。図面の説明は以下の通りである。

図1は、フォーム材補強の典型的な位置を表す陰付きの領域を含む、典型的な上部座席フレームの前面図である。

図2は、フォーム材補強の典型的な位置を表す陰付きの領域を含む、第2の典型的な上部座席フレームの前面図である。

図3は、典型的なフォーム材補強チューブの負荷に対する屈折を、ウレタン複合材料補強を欠く同じチューブと対比させたグラフである。

図4は、同様の性能特性を有するチューブの重量を、典型的なフォーム材補強チューブと比較したものを示す棒グラフである。

図5は、典型的なフォーム材補強チューブの負荷に対する屈折を、空のチューブと対比させたグラフである。

図6は、典型的なスタティックミキサーの断面図である。

図7は、典型的なメカニカルミキサーの断面図である。

図8は、典型的な充填フレーム部材の断面図である。

図9は、様々な大きさのセノスフェアの拡大図である。

図を参照すると、異なる図間で対応する部分は同様の番号で示してあるが、座席フレームを形成するチューブ20のような構造部材が、複合材料22で補強された上部座席フレームとして図1および2に概略的に示されている。典型的な実施態様の構造部材あるいはチューブ20が、車両座席の背部フレーム構造として図示されている。しかしながら、構造部材20は広範な他の適用にも使用され得ることは理解されるべきである。例えば、この構造部材は、支柱および横棒において車体剛性およびオフセット障壁性能のために、ならびに、ドア補強材において側面衝撃性能の改善のために使用され得る。さらに、図に示されている典型的な実施態様の構造部材20は、断面で見た場合には通常丸い形状を有する。しかしながら、構造部材20は、所望のいかなる断面形状を有していてもよく、また、長さ方向に沿って断面が変化してもよい。チューブ20は一般的に金属材料で形成されるが、代わりに非金属材料を使用することもできる。構造部材の大きさ、形状、または配置も希望に応じて変化させ得る。

図3に示されているように、複合材料22は、チューブ20の特定の部分を補強するために、チューブ20の内部に選択的に配置される。換言すると、複合材料22を、補強を必要とするチューブ20の部分に配置する一方で、他の部分は空のままにすることができる。複合材料22の補強は、チューブ20がより薄い材料で作られることを可能にすることにより材料コストを低減させ、ひいては補強チューブ20の重量およびコストを最小限化する。複合材料22の局所的適用は、構造部材の折曲げ耐性および剛性を増加させ、質量最適化のための壁厚低減を可能とする。さらに、複合材料22の種類および複合材料22の密度は、チューブ20の異なる部分の各々において変化させることができる。複合材料22に異なる密度を使用して、構造部材20の質量低減のための構造幾何配置をさらに最適化することができる。複合材料22の密度および組成は、好ましくは、重量の観点だけでなく、チューブ20の各部分に必要とされる補強の量に基づいて選択される。例えば、高レベルの補強能を有する高密度複合材料22を、チューブ20のうち重い負荷を受ける部分に配置し、その一方で、補強能は劣るがより軽い低密度複合材料22を、チューブ20のうちより少ない補強ですむ部分に配置することができる。高密度複合材料22は、図3の典型的実施態様においてより濃い陰影で表しており、それと比べてより低密度の複合材料22はより薄い陰影で表している。しかしながら、複合材料22の密度の増加は常にチューブ20の補強の増加となるわけではなく、従って、複合材料22の種類および密度は注意深く選ぶべきであることは理解されるべきである。さらに、ある種の材料については、構造的材料が、複合材料を形成する結合剤およびその他の材料よりも低い密度を有することがあり得、従って、上記の例とは逆に、より低密度の複合材料22がより大きな補強を提供する。

図1および2に示されているように、典型的な実施態様の補強チューブ20は、湾曲部24を含む。下記においてより詳細に論ずるように、これら湾曲部24は、チューブ20に複合材料22が挿入される前、最中、または後においてチューブ20に形成され得る。

構造部材20は、セラミック微小球体もしくはセノスフェアのようなフォーム様セラミック材料またはパーライトを含むフォーム様複合材料を含む、様々な複合材料を用いて補強することができる。座席において使用される平均的な構造部材については、本発明のシステムは、座席フレーム用の平均的な鋼チューブの質量を平均で約0.8〜2.0キログラム減少させることができ、これは複合材料を含めての計算である。重量の減少度は構造部材20の大きさ、形状、および配置によって変動し得るが、構造部材の強度の低下を引き起こさないように重量減少を設定することができる。より具体的には、本発明は、微小球体の添加を含むユニークな複合材料構築を使用して、著しいコストおよび質量の低減をしながら現行材料と同等以上の性能要件を可能とする。

標準的なポリウレタンフォームを使用することの1つの問題は、ポリウレタンフォーム充填チューブは、通常重量の減少を可能にするものの、充填されたチューブ製品全体として中空の鋼チューブよりもコストが高くなることである。従って、これらポリウレタンフォーム充填チューブの適用は非常に限られてきた。それに加えて、石油価格がこれらフォーム材充填チューブのポリウレタン成分のコストとかなりの相関を有し、このことが補強構造部材の全体的コストの変動を引き起こす。

本発明はユニークな複合材料を使用し、その複合材料は、いくつかの応用においてはフォーム状またはフォーム様組成物であり、他の応用においてはフォーム状またはフォーム様組成物ではなく、チューブの性能特性を向上させるものである。第1の複合材料はパーライト材料である。パーライトは非常にコスト効率が良く、複合材料は重量にして30〜95%のパーライトから形成され得る。第2の材料は微小球体、あるいはより具体的にセラミック微小球体であり、これはセノスフェアとしても知られ、様々な大きさのものがあって、ほとんど同じくらいコスト効率が良い。複合材料は重量にして30〜95%のこれらセラミック微小球体からも形成され得る。第3の材料は、セラミック微小球体および／またはパーライトの組合せであり得、これは複合材料の重量の30〜95%を形成し得る。構造的材料（特にパーライトまたは微小球体）の密度は様々であり得、それによって、それらが形成する複合材料の重量パーセントも変動し得ることは認識されるべきである。例えば、異なる大きさのセラミック微小球体またはセノスフェアは密度においても異なり得、より低密度の構造的材料は、通常、より高密度の構造的材料と比較して、複合材料のより小さな重量パーセントを形成する。上記3種類の材料を、個別に、または組合せで、結合剤または流動補助剤とともに使用することができる。

図3に示されているように、補強材料で充填されたチューブを使用することによって、中空チューブと比べて、屈折する前により大きな負荷が提供され、より小さな負荷で屈折のさらなる増加が起こることもなかった。図4にさらに示されているように、本発明の複合材料は、チューブにおいて一般的に使用される他の充填材料（ポリウレタンフォームを含む）のほとんど半分の重量である。図5にさらに示されているように、線AおよびBは、本発明の複合材料で充填された構造部材を示し、この補強構造部材は適用負荷に対していかに屈折が小さかったかを示している。それと比較して、空のチューブは線Cで示されているが、重度の屈損となる前の負荷が最も小さく、屈折のレベルが高かった。事実このチューブは、屈折が増加する際に、さらなる屈折のために要する力がより小さかった。線Dは24 PCFフォーム材で充填されたチューブを示しており、これは、中空チューブより屈折への抵抗性が大きかったが、14,000Nの負荷および約65 mmの屈折において破局的な屈損を起こした。線Eは18 PCFフォーム材で充填されたチューブを示しており、これもまた、本発明の複合材料を有する補強構造部材と比較して、構造部材が著しい屈折をする前に要する負荷が小さかった。全てのチューブは外径約38 mmおよび厚さ約0.8 mmを有していた。

パーライトは、比較的高い含水量を含む無定形の火山性ガラスであり、通常は黒曜石の水和により形成される。パーライトは天然に生じ、十分に加熱されると大きく膨張するという珍しい特性を有し、炉中で一般的に使用される。パーライトは工業用鉱物であり、加工後はその軽量のために有用な商品である。乾燥されるとパーライトは重量が著しく低下し、膨張充填材として使用することができる。

パーライトを構造部材中に使用した場合について本発明者らが見出した1つの有利な点は、それがガラスであり、850〜900℃の温度に達すると軟らかくなって、その材料の構造中にとらわれた水分が気化して泡を生じ、それによって材料が膨張し、ひいては密度が低下することである。水分の気化は、もとの体積の約7〜30倍の膨張を引き起こす。膨張した材料は、とらわれた泡の反射性によって明るい白色である。未膨張の（「生の」）パーライトは、1100 kg/m³（1.1 g/cm³）前後の容積密度を有する一方、通常の膨張パーライトは、約30〜150 kg/m³の容積密度を有する。従って、パーライトは、通常は384 kg/m³であるポリウレタンフォーム組成物よりも著しく低い密度を有している。チューブの閉じられた構造は膨張を制限し得、構造部材20に挿入されるパーライトの量は、膨張過程によりチューブが変形しないように、制限する必要があり得る。従って、加えるパーライトの量も調整する必要があり、チューブの容積、チューブ壁に対して及ぼされる力、および膨張パーライトの所望密度によって変化するであろう。

パーライトの典型的な組成物は、70〜75%が二酸化ケイ素SiO₂、12〜15%が酸化アルミニウムAl₂O₃、3〜4%が酸化ナトリウムNa₂O、3〜5%が酸化カリウムK₂O、0.5〜2%が酸化鉄Fe₂O₃、0.2〜0.7%が酸化マグネシウムMgO、0.5〜1.5%が酸化カルシウムCaO、そして3〜5%が強熱減量（化学物質／結合水）である。もちろん、パーライトは天然鉱物であるから、とらわれている水分の量も化学的組成も変動し得る。従って、使用されるパーライトの量および膨張後のその密度も変動し得、補強構造部材の製造の際に対処する必要があろう。パーライトは天然に生じる鉱物であり、その他の不純物が存在し、含まれ得る。

パーライトを含むフォーム様複合材料22の一組成は、一般的に、重量にして、ポリオールを15〜65%、水を0.1〜0.5%、パーライトを10〜60%、およびメチレンジフェニルジイソシアネート（「MDI」）を20〜30%、好ましくは約25%含む。有用であることが見出される別の材料は、重量にして、ポリオールを5〜70 %、水を0.0〜0.5%、パーライトを70〜10%、およびMDIを20〜30%含む。これらの複合材料は、一般的に、同様の性能特性を有する通常のポリウレタンフォーム材料のコストのわずか25%のコストしか要しない。

複合材料22は、構造的材料として、パーライトに代えてまたはパーライトに加えて、セノスフェアあるいは微小球体を使用し得る。セノスフェアは中空のセラミック微小球体であり、典型的には石炭燃焼発電設備の副産物である。セノスフェアは、摂氏1,500〜1,750度の高温における複雑な化学的および物理的変換を通して産生される。発電設備において微粉砕石炭が燃焼されると、フライアッシュが生じる。フライアッシュ中のセラミック粒子は3種類の構造を有する。粒子の第1の種類は中実であり、プレシピテーター(precipitators)と呼ばれる。粒子の第2の種類は中空であり、セノスフェア(cenospheres)と呼ばれる。粒子の第3の種類はプレロスフィア(plerospheres)と呼ばれ、これは大きな直径の中空粒子であって、より小さなサイズのプレシピテーターおよびセノスフェアで充填されたものである。中空構造のため、セノスフェアは密度が低い。本発明はセノスフェアを構造的材料として使用する。セノスフェアはフライアッシュ中に含まれる、より軽い粒子である。ほとんどのセノスフェアは灰だめ池から「収穫」されあるいはすくい取られる。灰だめ池は、湿式処分を行う際のフライアッシュの終着点である。いくらかのセノスフェアは発電設備自体においても回収される。湿った微小球体はその後乾燥され、規格に合うように加工され、顧客の要求に適合するように包装される。これらセノスフェアの化学組成および構造は、それらを産生した石炭の組成によってかなり変化する。より具体的には、セノスフェアの特性は、使用された石炭の均一性(consistency)および発電設備の稼動パラメータに依存する。この均一性および稼動パラメータが不変であり続ける限り、セノスフェアは非常に均一なものとなる。セノスフェアは10〜600ミクロンの粒径範囲を有する。

本発明者らは、高いボール型率(ball-type rate)を有し、あるいはより球状の形状であり、より特定的には、実質的に均一な球体形状を有する非常に小さな球体であるセノスフェアは、樹脂予備混合物の流動率を向上させ、その粘度を低下させ、その内部ストレスを減少させることを発見した。従って、加工に際しては、複合材料の作製において生じる熱がより少なく、部分的な熱分解が防止される。セノスフェアはまた、上述したように、混合物中により均等に分散し、通常必要とされる他の化学物質（結合剤および流動補助剤等）の量を低減させ、そのことはまたVOC指標およびコストも低減させる。チューブその他の構造部材に入れられたときのセノスフェアの寸法安定性は非常に高いはずであり、驚くべきことに、セノスフェアは、後で構造部材を成形すること、曲げること、および溶接することすらを可能とし、そのようにしても悪影響は無いに等しい。適切なセノスフェア／結合剤の比を用いて、構造部材の衝撃耐性、表面硬度、および全体的強度を著しく向上させ得る。

高性能中空セラミック微小球体の密度は、上述したように、ポリウレタンフォームのわずか数分の一である。従来は、ごく少ない量の中空ガラス微小球体またはセノスフェアが、より重い材料と置き換えられて使用されてきており、例えば、体積にして10%以下という少量でコンクリートに添加されてきた。しかしながら、驚くべきことに、構造部材に入れる場合には、例えば45〜90%というような多量のセノスフェアを使用し得ることを本発明者らは発見した。単位重量あたりのコストではなく単位体積あたりのコストを考慮する場合には、高性能中空ガラス微小球体はコストを著しく減少させることができる。

中空ガラス微小球体の密度は通常0.20〜0.60g/cm³であり、無機充填剤の密度は一般的に2.7〜4.4g/cm³前後であり、ポリウレタンの密度は通常0.384g/cm³である。本発明は、構造部材を補強するために、低比重中空セラミックビーズであって直径が約25ミクロンから300ミクロン強までに渡り得るセノスフェアを使用する。この方法は、均質混合物または非均質混合物を生じるように構成され得る。

セノスフェアは比較的安価であるが、バッチごとに品質が変化し得る。セノスフェアはいくつかの制約を有し、そのような制約としては、セノスフェアの物理的特性の変動性および予測不可能性、ならびに、セノスフェアは高い圧力レベル（例えば、セメント中に使用される場合には、掘削穴セメンティングの際に生じ得る）に耐えることができないことが挙げられる。加工製品というよりは産物であるセノスフェアは、はっきり定まった数値や品質パラメータを有していない。セノスフェアは通常、サイズその他のパラメータでグレード化されるのではなく浮選によって分離され、浮遊するセノスフェアが現場で使用されるために出荷される。セノスフェアの呼び密度は0.7 g/ccであるが、500 psiという最小限の圧力以上の圧力下では、この値は0.85 g/ccまで上昇し得る。セノスフェアはまた、移送および操作の途中で部分的にサイズによって分離することがあり、スラリーまたは予備混合物中の密度変動をもたらす。

本発明は、特に、セノスフェアのような高性能中空ガラス微小球体を、複合材料における一種の超軽量低コスト無機充填材として使用する。ほとんどのセノスフェアは0.15〜0.60g/cm³の真密度を有し直径2〜130μmである。特に、WL300セノスフェアは、約0.4 g/cm³の嵩密度および6500 p.s.i.の平均圧縮強度を有し、融点が摂氏1700〜1900度、比重が0.6〜0.8である。WL300の平均粒径は10〜350ミクロンの範囲であり、好ましくは20〜300ミクロンである。同様のセノスフェアはバイオニックバブル(Bionic Bubble)W-300という商品名でスフィアサービス(Sphere Services)社からも入手できる。

典型的なセノスフェアを表1に見出すことができる。

本発明は、以下の成分を有するフォーム様複合材料を使用し得る：重量にして、ポリオール15〜65%、水0.1〜0.5%、セノスフェア10〜90%（好ましくは25〜75%）、およびMDI 20〜30%（好ましくは約25%）。許容され得ることが見出される代替材料としては、ポリオール5〜70%、水0.0〜0.5%、セノスフェア70〜100%、およびMDI 20〜30%のものも含まれる。上記組成は、もとのポリウレタンフォーム材料のコストのわずか約15.5%の材料コストを可能とする。言うまでもなく、パーライトと微小球体との組合せを使用することができる。

MDIは、例えばバイエル社のモンズル489あるいはM489のような、高官能性ポリメリックジフェニルメタンジイソシアネート（PMDIとも呼ばれるが、本出願ではPMDIはMDIとだけ呼ぶ）であってもよい。M489は25℃において通常610〜790 mPasの粘度を有し、重量にして0.05%の最大酸度、および重量にして30.0〜31.4%のNCOを有する。M489は芳香族イソシアネートと考えられ、通常は、60〜100%の重合体ジフェニルメタン、20〜30%の4,4’-ジフェニルメタンジイソシアネート、および1〜5%の2,4’-ジフェニルメタンジイソシアネートを含有する。本発明におけるポリオールとしての、他の許容できるMDI代替物としては、約17,500の粘度を有するダウ社のボラノールRA800、約52,000の粘度を有するBASF社のクアドロール、約18,0000の粘度を有するバイエル社のマルトラノール4050、重量にして31.4%のNCOおよび25℃における粘度200 cpsを有するルプラネートM-20S、ならびに55 cpsの粘度を有するダウ社のPAPI 901 MDIが含まれる。MDIは一般的にセノスフェアのための結合剤として使用される。

ポリオールは、一般的に、複数のヒドロキシル基を含有するアルコールであり、例えばバイエル社のハイパーライトE-850およびE-824、ならびにマルトラノール4050およびハイパーライトE-855である。ハイパーライトE-850は重合体ポリオールであって、やや吸湿性であり、低温ではかなり粘稠性となり得る。ハイパーライトE-850は、一般的に、18.2〜22.2 mg KOH/gのヒドロキシル価および1054.47 kg/m³の嵩密度を有する。ハイパーライトポリオールE-824もバイエル社により製造され、28〜56のヒドロキシルを有し、具体的には35.7 mg KOH/gであるポリエーテルポリオールである。マルトラノール4050は、やはりバイエル社によるものであり、分子量360のアミンに基づく四官能基性ポリエーテルポリオールである。マルトラノール4050は、600〜660 mg KOH/gのヒドロキシル価を有し、25℃における粘度が16,000〜20,000 mPasであり、25℃における嵩密度が1019.72 kg/m³である。ポリオールは一般的に、MDIと反応させてセノスフェアを定位置に結合させるために使用される。ハイパーライトE-855はハイパーライトE-850と類似しているが、ハイパーライトE-850と比べて、最終組成物においてより高い硬度を提供する。

ポリオールは反応に利用できるヒドロキシル官能基を有する。本発明において使用されるポリオールは、遊離窒素を、5〜15%、好ましくは6〜12%、そしてより具体的にはほぼ8%有する。例えば、ハイパーライトポリオールは、各末端に2つのアミン基を伴って4つの窒素基を有し、加えてヒドロキシル基を有する。従って、本発明のポリオールは、ただ単にポリオールであるのではなく、ヒドロキシル基を用いてほぼ純粋な触媒として作用するように構成されたものである。

ポリオールは、MDI（あるいはより具体的にはM489）とともに触媒として働くので、本発明は、ポリマー酸を使用して反応プロセスを遅くしてオープンタイムを増加させる。ポリマー酸は組成物が硬化する前のオープンタイムを増加させることが見出されている一方で、水は硬化プロセスを早めることが見出されている。

一つの利点は、追加的な触媒を加えることなく組成物を形成できることである。水の量がより多いと、硬化開始(setup)時間の早期化が引き起こされることも見出されており、例えば5倍量の水を伴う組成ではほとんどすぐに硬化開始する。従って、より少量の水を使用すると硬化時間が遅くなり、1/2倍量の水では、組成物が硬くなる前に構造部材に様々な成形操作を施すための十分な硬化時間が提供される。

材料の密度をより低くするために、より多くの水およびポリマー酸を加え得る。酸は硬化時間を増加させるために使用することができる。ポリマー酸は湿潤剤として作用し、また、触媒遮断剤を含んで、より多く加えられるほど組成物の硬化時間を増加させることができる。従って、様々な量の水およびポリマー酸を加えることにより、密度および硬化時間の両方を制御することができる。ポリマー酸の一例はエアープロダクツ・アンド・ケミカルズ社のDABCO BA100である。DABCO BA100は80%超がポリマー酸であって0.4%未満がエチレングリコールであるが、DABCO BA100の全体的な化学組成は企業秘密とされている。

非反応性の湿潤剤あるいは界面活性剤を使用することもでき、その界面活性剤はイソシアネート適合性のものであって、例えばシリコーンポリエーテル共重合体である。界面活性剤はイソシアネートおよびポリオールの予備混合物中に溶解性であるべきであり、そうであればポリオールまたはイソシアネートのいずれかの予備混合物中に貯蔵できる。許容される界面活性剤の一例はDABCO DC5098である。本発明では、界面活性剤は、セノスフェアを含有するイソシアネート予備混合物に加えられる。

いくつかの例では、組成物の硬化時間を改変するために触媒も使用し得る。例えば、Niax触媒A-400のような水溶性三級アミン触媒を使用することができ、Niax触媒A-440およびA4Eも使用し得る。別の許容される触媒はスペシャルティ・プロダクツ・インターナショナル社のSPI-402であり、これはビス(2-ジメチルアミノエチル)エーテルを含むものである。より少量の8162およびより多量のハイパーライト4050が使用されるため触媒は有用であり、触媒は通常重量にして最大約5%使用され得る。

別の典型的な複合材料は、0.1〜0.5%の水、84.5%のパーライトおよび／またはセノスフェアならびに約15%のMDI、あるいは、0.1〜0.5%の水、84.5%の微小球体および15%のMDI、あるいは、0.1〜0.5%の水、0.1〜84.5%のパーライトおよび0.1〜84.5%の微小球体ならびに約15%のMDIを用いて形成され得る。

結合剤を含み30〜70%のパーライトまたはセノスフェア、微小球体もしくはセラミック球体を有する上記組成物は、結合剤を減少または排除して最大5%のイソシアネートを加えるだけにすることにより、最大95%のパーライト、セノスフェア、微小球体、またはセラミック球体を有するように改変することができる。チューブを充填するためには、パーライト、セノスフェア等が構造部材中の適切な位置に容易に流入することを助けるために、処理工程中に蒸気を使用することが必要となり得る。従って、いくつかの実施態様では、複合材料の処理を補助するために蒸気を使用して、組成物からウレタンまたは結合剤が完全に排除され、95%のパーライト、セノスフェア、微小球体、またはセラミック球体および5%のイソシアネートから組成物を形成し得る。セノスフェアは、クリーンな産業廃棄物中に普通に生じるため一般的に非常に安価であり、従って、車両のリサイクル材利用分を増加させ石油化学ベースのウレタンを排除する、環境にやさしい充填材を提供する。しかしながら、本発明は所定のサイズの選ばれたセノスフェアを使用する。

イソシアネートは一般的に3〜48%の遊離NCOを有する。

本発明はまた、合わせて組成物の最大95%の量を形成するパーライト、セノスフェア、および／またはセラミック球体の混合物と、3〜48%の遊離NCOを有する最大5%のイソシアネートとから形成されて、蒸気によって処理され得る。より具体的には、これらは通常、0.1〜95%のパーライト、0.1〜95%のセノスフェア、1〜5%のイソシアネート、および0.1〜0.5%の水という組成を有する。

複合材料の別の組成は、10〜30%を形成するウレタン、および70〜90%を形成するパーライトまたはセノスフェアのいずれかを含み得る。さらに、複合材料は、0〜97%および0〜90%のセノスフェアを伴った10〜30%のウレタンから形成することができ、ここで、パーライトとセノスフェアは合わせて複合材料の少なくとも70%の量を有する。

下記表に示すように、ポリオール対イソシアネート予備混合物比は、1.233まで高くなることもあるし、0.4314まで低くなることもある。表中のすべての例は、約50〜90重量部のセノスフェアを使用した。これらの例において使用されたポリオール総量は100重量部であり、他の成分はこのポリオール100重量部を基準にしている。表中でさらに示されているように、通常、1種類のポリオールを使用するかわりに、異なるポリオールの混合物が使用された。様々な量の水、具体的には0.1〜3重量部の水が使用され、これは硬化開始時間を変化させることができ、これらの例においては触媒は使用されなかった。しかしながら、上述したように、触媒はプロセスを促進させ得る。各例は、様々な量の非放出性ポリマー酸を使用して触媒反応を遅延させ、所望の硬化時間を維持しながら流動を改善させた。これらの例では約1.6〜11.2重量部のブロッキング剤を使用した。50〜90重量部および約25〜177重量部のイソシアネート予備混合物を使用した。これら全ての例は約5重量部の界面活性剤あるいはDC5098を含んだ。

座席用チューブを形成する上で、1つの方法は、チューブ20を所定の長さに切断することである。それからチューブ20の少なくとも一部分を複合材料22で充填して、チューブ20のその部分を補強する。下記でさらに詳細に説明するように、複合材料22は、好ましくは、イソシアネート予備混合物をポリオール予備混合物と組み合わせる混合ヘッドを使用して、チューブ20に基材を注入することにより、チューブ20に挿入される。いくつかの組成においては、基材が膨張して所望の構造補強複合材料22となることを可能にするために、複合材料を熱中でさらに処理することが必要となり得る。しかしながら、他のプロセスを用いて複合材料22を構造部材20に挿入することも可能であることは理解されるべきである。上記で説明したように、構造部材20の全長を複合材料22で充填しなくてもよく、また、チューブ20の異なる部位において複合材料22の種類および密度を変動させ得る。次に、必要ならば、構造部材20を最終的な形状（例えば図1および2に示されている形状）に曲げる。構造部材20の湾曲を助けるために、曲げる前に構造部材20を加熱して、構造部材20がより小さな曲げ半径を有するようにすることができる。曲げる前に構造部材20を加熱しないと、急な曲げ方をした場合に構造部材20が折目を生じたり変形をきたしたりし得る。構造部材20の曲げられる部分に複合材料22を配置する場合には、そこに配置された複合材料22を分解させない温度に構造部材20を加熱する。構造部材が曲げられた後に冷まされたら、構造部材20は車両座席用の座席フレームとして利用できる。上記の典型的方法は、チューブ20を曲げる前にチューブ20に樹脂を注入することが単純であるため有利である。構造部材中に複合材料がある状態で、構造部材の成形または溶接のような追加的な形成操作も行なわれ得る。

複合材料を調製する典型的な方法は、イソシアネート予備混合物およびポリオール予備混合物を調製することである。イソシアネート予備混合物は、華氏150度におけるスタティックミキサー中において、DC5098のような湿潤剤をM489およびセノスフェアと混合することによって調製される。ポリオール予備混合物は、室温条件におけるスタティックミキサー中において、ポリオールを水およびBA100と混合することによって調製される。これら2つの予備混合物を、ポリオール／イソシアネート混合物の正しい容積測定比となるようにランスシリンダー機に加え、構造部材に注入する。混合時間は、予備混合物および複合材料に必要とされるオープンタイムによって変わり得る。

いうまでもなく、構造部材20は、所定の長さに切断し、曲げ、それから複合材料22で充填してもよく、複合材料22の種類および密度を構造部材20の異なる部位において変化させ得る。この方法では、曲げた後に複合材料22が加えられるため、構造部材20をより高い温度に加熱することができる。

代替的な方法として、構造部材20が曲げられている最中に複合材料22を注入することもできる。

構造部材20の一部分だけに複合材料22を選択的に配置するために、チューブ20の内部に合わせた輪郭を有するスペーサー（図示していない）を、所定の位置においてチューブ20中に設置し得る。それから、第2のスペーサー30を含むインジェクターを、構造部材20の一端から挿入し、第2のスペーサー30と第1のスペーサーとの間隔が所定の距離になるような位置に誘導する。第2のスペーサー（図示していない）もまた構造部材20の内部に合わせた輪郭を有しており、従って、チューブ20内において第1および第2のスペーサーの間に空所が創出される。それからインジェクターを用いて構造部材20のその空所に基材（図示していない）を注入し、基材を膨張させて、第1および第2のスペーサーの間の空所を満たす複合材料22とする。第1および第2のスペーサーの間の空所に注入する樹脂の量を増加させることによって、あるいは、いくつかの実施態様においては（例えばパーライトに対するように）追加的な熱を適用することによって、複合材料22の密度を増加させることができる。第2のスペーサーおよび／または第1のスペーサーを含むインジェクターは、基材が膨張を完了した後に構造部材20から除去できる。

補強チューブ20の強度および重量を最適化するためには、補強構造部材20が受けるであろう力をまず分析するべきである。それから、構造部材20のうち最も受ける力が少ない部分に起こると考えられる力に耐えるのに十分な強度となるように、構造部材20の厚さを選択することができる。それから、構造部材20のうち、より大きな力を受ける部分に、複合材料22を選択的に挿入することができる。複合材料22の種類および密度は、これらのより強い力に対するチューブ20の破損を防止するように選択される。

内部および少なくとも1つの湾曲部24を有する補強構造部材20を複合材料によって補強することができる。複合材料22は、構造部材20のうち他の部分よりも大きな力を受ける部分を補強するために、構造部材20の内部に選択的に配置され、構造部材20が力に耐える能力を損なわせることなく構造部材20の厚さを低減させることを可能にする。

構造部材20を補強する方法は、内部を有する構造部材20を提供する工程を含む。この方法は、構造部材20のうち他の部分よりも大きな力を受ける部分を補強するために、構造部材20の内部にフォーム材22を選択的に挿入する工程へと続き、構造部材20が力に耐える能力を損なわせることなく構造部材20の厚さを低減させることを可能にする。この方法はまた、構造部材20の少なくとも一部分を加熱する工程を含む。この方法はまた、加熱部分において構造部材20を曲げる工程を含む。

上記の様々な組成物は、様々な加工技術を可能にする。使用されるパーライトまたはセノスフェアの割合によって、最終的な構造部材を形成するために使用される処理の種類は変化し得る。例えば、高濃度のセノスフェアの場合は曲げ加工が難しくなり得、また、高濃度のセノスフェアまたはパーライトの場合の曲げ加工は、充填後の経過時間に影響を受けやすくなり、いったんチューブ内で材料が硬化すると曲げることに困難が生じ得る。従って、高濃度のパーライトまたはセノスフェアの場合は、最初にチューブを曲げておくことが好ましくなり得る。さらに、ウレタンの量が増えるにつれ、複合材料を加える前にチューブを溶接しておくことが好ましくなる可能性が高まる。

図6および7は、セノスフェアまたはパーライトをMDIまたはイソシアネートと混合し、その後チューブ内に複合材料を押出または注入する、スタティックミキサーおよびメカニカルミキサーを図示する。

上述の発明は、関連する法的基準に従って説明したものであり、従ってその説明は限定的ではなく例示的な性質のものである。開示されている実施態様に対する変形および修正は、当業者には明らかとなり得、本発明の範囲内である。

Claims (15)

1. 閉ざされた構造部材に補強を提供するための複合材料であって、
   重量にして15〜65%のポリオール、
   重量にして0.1〜3%の水、
   重量にして10〜95%のセラミック微小球体、パーライト、またはセラミック微小球体とパーライトとの組合せ、
   5〜30%のポリメリックジフェニルメタンジイソシアネート、および
   0.1〜5%の界面活性剤を含み、
   前記セラミック微小球体は実質的に中空であり、前記界面活性剤はイソシアネートおよびポリオール中に溶解性である
   複合材料。
2. 重量にして10〜95%のセラミック微小球体を含み、追加的なパーライトを実質的に含まない、請求項1に記載の複合材料。
3. 前記ポリオールおよび前記水がポリオール予備混合物を形成し、このポリオール予備混合物が、前記セラミック微小球体および前記ポリメリックジフェニルメタンジイソシアネートから形成されるイソシアネート予備混合物と混合され、
   前記ポリオール予備混合物および前記イソシアネート予備混合物は混合されて前記閉ざされた構造部材に挿入される、
   請求項2に記載の複合材料。
4. 前記セラミック微小球体は、10〜600ミクロンの範囲の大きさであり、略球状である、請求項2に記載の複合材料。
5. 前記セラミック微小球体は、約0.20〜0.60 g/cm³の密度を有する、請求項2に記載の複合材料。
6. 前記ポリオールは、5〜15%の遊離窒素を含む、請求項1に記載の複合材料。
7. 前記ポリオールは、ハイパーライトE-850、ハイパーライトE-824、およびマルトラノール4050から実質的になる群から選択される、請求項1に記載の複合材料。
8. 前記ジフェニルメタンジイソシアネートは、モンズル489、ダウ社のボラノールRA800、BASF社のクアドロール、およびバイエル社のマルトラノール4050から実質的になる群から選択される、請求項2に記載の複合材料。
9. 前記ポリオールは、各末端に2つのアミン基を伴って少なくとも4つの窒素基を含み、それに加えてヒドロキシル基を含み、前記ヒドロキシル基を用いて触媒として作用するように構成されたものである、請求項2に記載の複合材料。
10. 前記界面活性剤は、シリコーンポリエーテル共重合体である、請求項2に記載の複合材料。
11. 前記ジフェニルメタンジイソシアネートは、3〜48%の遊離NCOを含む、請求項2に記載の複合材料。
12. 前記ポリオールは、スチレンアクリロニトリルを含む、請求項2に記載の複合材料。
13. 前記セノスフェアは、64〜352 kg/m³の嵩密度、0.6〜0.8の比重、平方インチあたり3000-6500 lbsの圧縮強度、および華氏1900度より高い軟化点を有する、請求項2に記載の複合材料。
14. 100重量部のポリオールに対して、0.1〜3重量部の水、2〜8重量部のシリコーンポリエーテル共重合体、100〜180重量部の芳香族イソシアネート、50〜90重量部のセノスフェア、1.6〜12重量部のポリマー酸、および最大5重量部の触媒を含む、請求項2に記載の複合材料。
15. 前記セノスフェアは、60〜85重量部をなす、請求項14に記載の複合材料。
    

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