JP2012250430A - 等方性を維持した成形体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維強化複合材料からなる軽量で形状自由度があり等方性を維持した成形体を提供する。
【解決手段】ランダムマットは繊維長１０〜１００ｍｍで２５〜３０００ｇ／ｍ2目付の強化繊維と熱可塑樹脂で構成され、式（１）の臨界単糸数以上で構成される強化繊維束に占めるマットの割合が３０以上９０Ｖｏｌ％未満、且つ強化繊維束中の平均繊維数（Ｎ）が式（２）を満たす。このランダムマットから成るプリプレグ１を式（３）のチャージ率が５０％以上９０％未満でキャビティ２及びキャビティエッジ３から成る金型に配置し、所定の温度・圧力でプレス成形後に圧力を１．２倍〜２５倍に昇圧後、所定温度以下に冷却して成形する。（１）臨界単糸数＝６００／Ｄ、（２）０．７×１０4／Ｄ2＜Ｎ＜６×１０4／Ｄ2、Ｄ；平均繊維径（μｍ）、（３）チャージ率（％）＝１００×基材面積／金型キャビティ投影面積、いずれも抜き方向の投影面積（mm2）
【選択図】図１

Description

本発明は、強化繊維と熱可塑製樹脂とから構成されるランダムマットを出発物質とした繊維強化複合材料からなる成形体の製造方法およびそれに用いるランダムマットに関する。中でも、金型形状に対し低チャージ率のランダムマットを用いてプレス成形した場合でも、端部まで繊維の等方性の維持が可能な成形体の製造方法およびそれに用いるランダムマットである。

炭素繊維やアラミド繊維、ガラス繊維などを強化繊維として用いた繊維強化複合材料は、その高い比強度・比弾性率を利用して、航空機や自動車などの構造材料や、テニスラケット、ゴルフシャフト、釣り竿などの一般産業やスポーツ用途などに広く利用されてきた。

不連続の強化繊維と樹脂を有してなる基材を積層してプリフォームを作製し、その基材を金型キャビティ総面積より広範囲に配置してプレス成形することが提案されている（特許文献１）。しかし、この成形方法では、成形体外周部をトリムする必要があり、大幅に端材が発生し、またその処分にコストがかかる。また、実質的等方性を示す一体化成形品を供与するためには、常に対称積層となるように気をつけなければならず、基材の準備時間、成形加工においての基材配置方法の裁量度が低い。

特開２０１０−２５３９３８号公報

本発明の目的は強化繊維と熱可塑製樹脂とから構成されるランダムマットからの成形体の製造方法であって、金型形状に対し低チャージのランダムマットを用いてプレス成形した場合でも端部まで繊維の等方性の維持が可能な成形体を提供することにある。本発明のさらなる目的は、複雑な形状へも形状追随性良く成形することができ、短時間成形可能であるとともに、製品形状へのトリミングが不要な成形体の製造方法を提供することにある。本発明は上記成形体を製造方法に適用できるランダムマットを提供することにある。

本発明者らは強化繊維中に熱可塑性樹脂が分散しているが未含浸状態である特定のランダムマットを用い、特定の条件で成形することで標記課題を解決できることを見出した。

すなわち本発明は繊維長１０〜１００ｍｍの強化繊維と熱可塑性樹脂とから構成されるランダムマットを金型に下記式（３）で表されるチャージ率が５０％以上９０％未満となるように配置し、金型を熱可塑性樹脂の熱可塑性樹脂が結晶性の場合は熱可塑性樹脂の融点以上熱分解温度未満の温度まで、非晶性の場合は熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上熱分解温度未満の温度まで昇温しつつ、
プレス成形を行い（第１プレス工程）、次いで１段以上であり、最終段の圧力が第１プレス工程の圧力の１．２倍〜２５倍となるような第２プレス工程を行った後、
金型を熱可塑性樹脂の結晶性の場合は融点以下、非晶性の場合はガラス転移温度以下まで冷却し成形させる、強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形体の製造方法であって、
ランダムマットは、強化繊維が２５〜３０００ｇ／ｍ^２の目付けにて実質的に２次元ランダムに配向しており、式（１）で定義される臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）について、マットの繊維全量に対する割合が３０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満であり、かつ強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（２）を満たすことを特徴とする強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形体の製造方法およびそれに用いるランダムマットである。
臨界単糸数＝６００／Ｄ （１）
０．７×１０^４／Ｄ^２＜Ｎ＜６×１０^４／Ｄ^２ （２）
（ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
チャージ率（％）＝１００×基材面積（mm²）／金型キャビティ投影面積（mm²）（３）
（ここで基材面積とは配置した全てのプリプレグの抜き方向への投影面積であり、金型キャビティ投影面積とは抜き方向への投影面積である）

本発明により、等方性を維持しながら、薄肉、軽量、高剛性で意匠性に優れ、複雑な３次元形状を有する成形体を、ホットプレスによりプリプレグを必要とせず、高い生産性で製造することが可能となる。また、必要最小限の材料を用いて製品形状を成形することができ、トリム工程がなくなることによる廃棄材料の大幅な削減、それに伴うコストの削減ができる。本発明により、薄肉であっても均一な厚みのものが提供でき、また成形体のどの部分においてもほぼ同一の繊維含有量の成形体を得ることができる。また本発明により複雑な形状へも形状追随性良く成形体を得ることができ、短時間で成形体を製造可能である。

実施例１および３における金型への基材配置の模式図 実施例２で用いた立体形状の金型の模式図 実施例１および３で得られた成形品の模式図（斜視図） 実施例２における金型への基材配置の模式図 実施例２で得られた成形品の模式図（斜視図） 実施例４における金型への基材配置の模式図 実施例４で得られた成形品の模式図（斜視図） 金型のシェアエッジ構造の説明図

以下に、本発明の実施の形態について順次説明するが、本発明はこれらに制限されるものではない。

繊維長１０〜１００ｍｍの強化繊維と熱可塑性樹脂とから構成されるランダムマットを金型に下記式（３）で表されるチャージ率が５０％以上９０％未満となるように配置し、金型を熱可塑性樹脂の熱可塑性樹脂が結晶性の場合は熱可塑性樹脂の融点以上熱分解温度未満の温度まで、非晶性の場合は熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上熱分解温度未満の温度まで昇温しつつ、
プレス成形を行い（第１プレス工程）、次いで１段以上であり、最終段の圧力が第１プレス工程の圧力の１．２倍〜２５倍となるような第２プレス工程を行った後、
金型を熱可塑性樹脂の結晶性の場合は融点以下、非晶性の場合はガラス転移温度以下まで冷却し成形させる、強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形体の製造方法である。本発明は、特定のランダムマットからのプリプレグを用いて成形することで、基材のチャージ率が５０％以上９０％未満、即ち金型内で基材を流動させつつプレス成形した場合にも、等方性を維持した成形体を製造する方法である。

［成形体］
本発明の製造方法で得られる成形体は、強化繊維と熱可塑性樹脂を含む繊維強化複合材料からなるものである。本発明で得られる成形体は、面内２次元ランダム配向する層を有し、実質的等方性を示す。（ここで実質的等方性とは、複合材料を成形した後、成形板の任意の方向、及びこれと直交する方向を基準とする引張試験を行い、引張弾性率を測定し、測定した引張弾性率の値のうち大きいものを小さいもので割った比（Ｅδ）が１．３以下であることとする。）

繊維強化複合材料を構成する強化繊維は炭素繊維、アラミド繊維、およびガラス繊維からなる群から選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。これらは併用することもでき、なかでも炭素繊維が、軽量でありながら強度に優れた成形体が提供できる点で好ましい。炭素繊維の場合、平均繊維径は好ましくは３〜１２μｍであり、より好ましくは５〜７μｍである。
繊維強化複合材料からなる成形体は、強化繊維と熱可塑製樹脂とから構成されるランダムマットを出発物質とする。成形体においても強化繊維の繊維長、および束と単糸の割合はランダムマット中における状態を保っている。

繊維強化複合材料を構成する熱可塑性樹脂の種類としては例えば塩化ビニル樹脂、塩化ビニリデン樹脂、酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリロニトリル−スチレン樹脂（ＡＳ樹脂）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂（ＡＢＳ樹脂）、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド６樹脂、ポリアミド１１樹脂、ポリアミド１２樹脂、ポリアミド４６樹脂、ポリアミド６６樹脂、ポリアミド６１０樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、ボリブチレンテレフタレート樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリ乳酸樹脂などが挙げられる。
繊維強化複合材料における熱可塑性樹脂の存在量は、好ましくは強化繊維１００重量部に対し、５０〜１０００重量部、より好ましくは５０〜５００重量部である。

[ランダムマット]
本発明の成形体の製造方法に用いられるランダムマットは、強化繊維と熱可塑性樹脂を含むものである。用いられる強化繊維および熱可塑性樹脂の種類は上記の成形体の項に記載したのものと同様である。
ランダムマットを構成する強化繊維は不連続であり、平均繊維長１０〜１００ｍｍ以下である。ランダムマットはある程度長い強化繊維を含んで強化機能が発現できることを特長とし、好ましくは強化繊維の繊維長が１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、より好ましくは１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。また後述する好ましい強化繊維のカット方法を採用することで、ランダムマットを構成する強化繊維の長さは固定長とすることができる。
ランダムマットを構成する強化繊維は、サイジング剤が付着されたものを用いることが好ましく、サイジング剤は強化繊維１００重量部に対し、０〜１０重量部であることが好ましい。

［ランダムマットの開繊程度］
本発明の成形体の製造方法に用いるランダムマットは、式（１）
臨界単糸数＝６００／Ｄ （１）
（ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
で定義する臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）について、マットの繊維全量に対する割合が３０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満であることを特徴とする。マット中には、強化繊維束（Ａ）以外の強化繊維として、単糸の状態または臨界単糸数未満で構成される繊維束が存在する。

すなわち本発明におけるランダムマットには、平均繊維径に依存して定義される臨界単糸数以上で構成される強化繊維束の存在量を３０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満とする、すなわち強化繊維の開繊程度をコントロールし、特定本数以上の強化繊維からなる強化繊維束と、それ以外の開繊された強化繊維を特定の比率で含むことを特徴とする。

繊維全量に対する強化繊維束（Ａ）の割合が３０Ｖｏｌ％未満になると、本発明におけるランダムマットを成形する際に、型内で流動させ難くなり、金型キャビティ端部まで充填させることができず、設計寸法通りの成形体が得にくくなる。強化繊維束（Ａ）の割合が９０Ｖｏｌ％以上になると、繊維の交絡部が局部的に厚くなり、薄肉のものが得られない。強化繊維束（Ａ）の割合はより好ましくは３０Ｖｏｌ％以上８０Ｖｏｌ％未満である。

さらに臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（２）
０．７×１０^４／Ｄ^２＜Ｎ＜６×１０^４／Ｄ^２ （２）
（ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
を満たすことを特徴とする。

具体的にはランダムマットを構成する炭素繊維の平均繊維径が５〜７μｍの場合、臨界単糸数は８６〜１２０本となり、炭素繊維の平均繊維径が５μｍの場合、繊維束中の平均繊維数は２８０〜２０００本の範囲となるが、なかでも６００〜１６００本であることが好ましい。炭素繊維の平均繊維径が７μｍの場合、繊維束中の平均繊維数は１４２〜１０２０本の範囲となるが、なかでも３００〜８００本であることが好ましい。

強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が０．７×１０^４／Ｄ^２以下の場合、高い繊維体積含有率（Ｖｆ）を得ることが困難となる。また強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が６×１０^４／Ｄ^２以上の場合、局部的に厚い部分が生じ、ボイドの原因となりやすい。１ｍｍ以下の薄肉な成形体を得ようとした場合、単純に分繊しただけの繊維を用いたのでは、疎密が大きく、良好な物性が得られない。又、全ての繊維を開繊した場合には、より薄いものを得ることは容易になるが、繊維の交絡が多くなり、繊維体積含有率の高いものが得られない。式（１）で定義される臨界単糸以上の強化繊維束（Ａ）と、単糸の状態又は臨界単糸数未満の強化繊維（Ｂ）が同時に存在するランダムマットにより、薄肉であり、かつ得られる物性の高いランダムマットを得ることが可能である。本発明におけるランダムマットは、各種の厚みとすることが可能であり、各種目的とする成形体の厚みに合わせたランダムマットを作成することができる。強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数は後述するような好ましい製造方法のカット工程、並びに開繊工程にて制御できる。

［ランダムマットにおける熱可塑性樹脂］
ランダムマットにおいては、熱可塑性樹脂が、繊維状および／または粒子状で存在することが好ましい。強化繊維と繊維状および／または粒子状の熱可塑性樹脂が混合して存在していることにより、成形時に熱可塑性樹脂を容易に含浸できる。熱可塑性樹脂の種類を２種以上とすることもでき、また繊維状と粒子状のものを併用してもよい。

繊維状の場合、繊度１００〜５０００ｄｔｅｘのもの、より好ましくは繊度１０００〜２０００ｄｔｅｘものがより好ましく、平均繊維長としては０．５〜５０ｍｍが好ましく、より好ましくは平均繊維長１〜１０ｍｍである。
粒子状の場合、球状、細片状、あるいはペレットのような円柱状が好ましく挙げられる。球状の場合は、真円または楕円の回転体、あるいは卵状ような形状が好ましく挙げられる。球とした場合の好ましい平均粒子径は０．０１〜１０００μｍである。より好ましくは平均粒子径０．１〜９００μｍものがより好ましく、更に好ましくは平均粒子径１〜８００μｍものがより好ましい。粒子径分布についてはとくに制限はないが、分布シャープなものがより薄い成形体を得る目的としてはより好ましいが、分級等の操作により所望の粒度分布として用いることが出来る。
細片状の場合、ペレットのような円柱状や、角柱状、リン片状が好ましい形状として挙げられる。この場合ある程度のアスペクト比を有しても良いが、好ましい長さは上記の繊維状の場合と同程度とする。

ランダムマット中には、目的を損なわない範囲で、本発明の強化繊維以外の各種繊維状または非繊維状フィラー、難燃剤、耐ＵＶ剤、顔料、離型剤、軟化剤、可塑剤、界面活性剤の添加剤を含んでいてもよい。とくに電子・電気機器用途や自動車用途においては、高い難燃性が要求されることがあるため、熱可塑性樹脂に難燃剤を含有させることが好ましい。難燃剤の例としては、公知のものが使用でき、本発明の熱可塑性組成物に難燃性を付与できる物であれば特に限定はされない。具体的には、リン系難燃剤、窒素系難燃剤、シリコーン化合物、有機アルカリ金属塩、有機アルカリ土類金属塩、臭素系難燃剤等を挙げることができ、これらの難燃剤は単独で使用しても良いし、複数を併用して用いても良い。難燃剤の含有量は、物性、成形性、難燃性のバランスから樹脂１００質量部に対して１〜４０質量部とすることが好ましく、１〜２０質量部とすることがさらに好ましい。

[ランダムマットの製造方法]
本発明に用いるランダムマットは以下の工程１〜４より、好ましく製造方法される。
１．強化繊維をカットする工程、
２．カットされた強化繊維を管内に導入し、空気を繊維に吹き付けることにより、繊維束を開繊させる工程、
３．開繊させた強化繊維を拡散させると同時に、繊維状又は粒子状の熱可塑性樹脂とともに吸引し、強化繊維と熱可塑性樹脂を同時に散布する塗布工程、
４．塗布された強化繊維および熱可塑性樹脂を定着させる工程。

以下、各工程について詳細に述べる。
[カット工程]
強化繊維のカット方法は、具体的にはナイフを用いて強化繊維をカットする工程である。ナイフとしてはロータリーカッター等が好ましい。
所望の大きさの繊維束とするために、カットに供する繊維束として、ストランド幅が細めのものを用いる、あるいは縦方向に切ってストランド幅を細くすることも好ましい。その場合、繊維方向に平行な刃を有したカッターを用いて、特定の繊維長にカットすると同時に繊維束を縦方向にスリットすることも好ましい。
ロータリーカッターとしては、角度を規定した螺旋状ナイフ又は分繊ナイフを用いることが好ましい。

[開繊工程]
開繊工程はカットされた強化繊維を管内に導入し、空気を繊維に吹き付けることにより、繊維束を開繊させる工程である。開繊の度合いについては、空気の圧力等により適宜コントロールすることが出来る。ランダムマット製造における強化繊維開繊方法は、空気を強化繊維に吹き付けることを特徴としている。開繊工程において好ましくは圧縮空気吹き付け孔より、風速５〜５００ｍ／ｓｅｃにて空気を直接繊維束に吹き付けることにより、より完全に強化繊維を開繊させることができる。具体的には強化繊維の通る管内にΦ１ｍｍ程度の孔を数箇所あけ、外側より０．２〜０．８ＭＰａ程度の圧力をかけ、圧縮空気を繊維束に直接吹き付けることにより、繊維束を容易に開繊することができる。

[塗布工程]
塗布工程は開繊させた強化繊維を、拡散させると同時に、繊維状又は粒子状の熱可塑性樹脂とともに吸引し、強化繊維と熱可塑性樹脂を同時に散布する塗布工程である。開繊させた強化繊維と、繊維状又は粒子状の熱可塑性樹脂とを好ましくは同時に、シート上、具体的には開繊装置下部に設けた通気性シート上に塗布する。
塗布工程において、熱可塑性樹脂の供給量は、強化繊維１００重量部に対し、５０〜１０００重量部であることが好ましい。

ここで、強化繊維と、繊維状又は粒子状の熱可塑性樹脂は２次元配向する様に散布することが好ましい。開繊した繊維を２次元配向させながら塗布するためには、塗布方法及び下記の定着方法が重要となる。強化繊維の塗布方法には、円錐形等のテーパ管を用いることが好ましい。円錐等の管内では、空気が拡散し、管内の流速が減速し、このとき強化繊維には回転力が与えられる。このベンチュリ効果を利用して開繊させた強化繊維を好ましく拡散させ散布することができる。
また下記の定着工程のためにも、吸引機構を持つ可動式の通気性シート上に散布することが好ましい。
ここで強化繊維および熱可塑性樹脂は、ランダムマット中に均等に斑無く散布することが好ましい。

[定着工程]
定着工程は、塗布された強化繊維および熱可塑性樹脂を定着させる工程である。好ましくは通気性シート下部よりエアを吸引して繊維を定着させる。強化繊維と同時に散布された熱可塑性樹脂も混合されつつ、繊維状であればエア吸引により、粒子状であっても強化繊維に伴って定着される。
通気性のシートを通して、下部より吸引することにより、２次元配向の高いマットを得ることができる。又、発生する負圧を用いて粒子状、又は繊維状の熱可塑性樹脂を吸引し、更に、管内で発生する拡散流により、強化繊維と容易に混合することができる。得られる強化基材は、強化繊維の近傍に熱可塑性樹脂が存在することにより、含浸工程において、樹脂の移動距離が短く、比較的短時間で樹脂の含浸が可能となる。なお、予め、用いるマトリックス樹脂と同じ材質の通気性の不織布等を定着部にセットし、不織布上に強化繊維及び粒子を吹き付けることも可能である。

[プレス成形]
得られたランダムマットを熱可塑性樹脂が結晶性の場合は熱可塑性樹脂の融点以上熱分解温度未満の温度まで、非晶性の場合は熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上熱分解温度未満の温度に温度調節された金型内に配置する。金型の温度は例えばＫタイプの熱電対を金型内に設置し、加熱炉外に設置した計測機により測定を行うことができる。
金型の形状にとくに限定はないが、金型はコア側とキャビティ側がシェアエッジ構造を有することが好ましい。シェアエッジ構造の説明図を図８に示す。シェアエッジのクリアランスはとくに限定はないが０．０５〜０．２０ｍｍ以下であることが好ましい。シェアエッジ構造のシェアの角度はとくに限定はないが、１°〜３°であることが好ましい。

また、金型の表面性は得ようとする成形体に求められる意匠性に応じて研磨を行ってもよい。成形体が平滑な表面性を有するには＃４００以上で研磨されていることが好ましい。
ランダムマットは下記式（３）で表されるチャージ率が５０％以上９０％未満となるように金型に配置する。
チャージ率（％）＝１００×基材面積（mm²）／金型キャビティ投影面積（mm²）（３）
（ここで金型キャビティ投影面積とは抜き方向への投影面積である）

金型へのランダムマットの配置は例えば図１に示す通り、１枚または2〜１０枚の重ね合わせたランダムマットを金型キャビティへ配置する。重ね合わせる場合、得ようとする成形体に応じて一部または全体を重ね合わせて用いる。ここでランダムマット端部の全ての面が、金型キャビティエッジ部と接しないことが望ましい。また重ね合わせる場合、ランダムマットは全て同一の形状である必要はなく、それぞれ一部または全部が重ね合わされば良い。

さらに得ようとする成形体が立体形状の場合は、下記式（４）で表される総面積チャージ率が３０％以上９０％未満となるように金型に配してプレス成形を行うことが好ましい。
総面積チャージ率（％）＝１００×基材面積（mm²）／金型キャビティ総面積（mm²） （４）
金型形状の具体例を図２に示すが、図中に４で示した各々金型キャビティ表面の面積の総和が金型キャビティ総面積である。

金型を熱可塑性樹脂が結晶性の場合は熱可塑性樹脂の融点以上熱分解温度未満の温度まで、非晶性の場合は熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上熱分解温度未満の温度まで昇温しつつ、プレス成形を行い（第１プレス工程）、次いで、１段以上であり、最終段の圧力が第１プレス工程の圧力の１．２倍〜２５倍となるような第２プレス工程を行う。

第１プレス工程は、ランダムマットを第１目標圧力まで加圧し、好ましくは０．５〜２０分保持して、熱可塑性樹脂を熱可塑性樹脂が結晶性の場合は熱可塑性樹脂の融点以上熱分解温度未満の温度まで、非晶性の場合は熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上熱分解温度未満の温度まで暖める。次いで、第２プレス工程に移る間の時間は成形機の性能により適宜選択できるが、成形する時間を短縮する為、１〜１０秒であることが望ましい。

第２プレス工程は、１段または多段の加圧を行う工程であるが、成形の簡略化の目的では1段であることが好ましい。第２プレス工程の金型温度は、第１プレス工程における金型温度と同じでも、１℃以上熱分解温度未満まで昇温させても良い。第２プレス工程が多段である場合は後段ほど昇温させてもあるいは冷却させても良く、昇温と冷却を交互に施しても良い。
第２プレス工程の合計のプレス時間は特に限定はないが、成形時間の短縮の観点から０．５〜１０分であることが好ましい。

また第１プレス工程の目標圧力は０．３ＭＰａ〜１．０ＭＰａ、好ましくは０．５ＭＰａ〜０．７ＭＰａである。第２プレス工程の最終目標圧力は成形機の性能により適宜選択できるが、好ましくは１〜２５ＭＰａであり、より好ましくは２〜１０ＭＰａである。第２プレス工程の最終目標圧力は第１プレス工程の１．２〜２５倍の圧力である。

[冷却工程]
第２プレス工程後、冷却媒体を使用して金型を熱可塑性樹脂の結晶性の場合は融点以下、非晶性の場合はガラス転移温度以下まで冷却し成形体を得る。冷却後の温度は、熱可塑性樹脂の結晶性の場合は融点−２００℃以上融点−１０℃以下、非晶性の場合はガラス転移温度−２００℃以上、ガラス転移温度−１０℃以下とすることが好ましい。冷却工程に要する時間は冷却条件等により適宜コントロールできるが、成形時間の短縮の観点から０．５〜５分であることが好ましい。
金型の冷却方法にとくに限定はなく、金型内温調回路に冷却媒体を流すなどの方法により適宜冷却すれば良い。

チャージ率が５０％未満の場合、成形体に割れやシワの発生、反りがなく金型末端まで繊維が充填されている成形体を得ることができるが、水平部で実質的に面内２次元ランダム配向する層が確保できない領域が増える為、物性発現率や意匠性が低下する傾向にある。
金型中でのランダムマットの厚みは得ようとする形状の厚みに合わせて適宜選択できる。但し、流動を適切に行う為に、ランダムマットの厚みまたはランダムマットを積層した厚みの総和が０．５ｍｍ以上であることが好ましい。

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明はこれにより何等限定を受けるものでは無い。

１）ランダムマットにおける強化繊維束の分析
強化繊維束（Ａ）のマットの繊維全量に対する割合の求め方は、以下の通りである。
ランダムマットを１００ｍｍ×１００ｍｍに切り出し、厚み（Ｔａ）と重量を測定する（Ｗａ）。
切り出したマットより、繊維束をピンセットで全て取り出し、繊維束を太さ毎に分類する。本実施例では分類は、太さ０．２ｍｍ程度単位で分類した。
分類毎に、全ての繊維束の長さ（Ｌｉ）と重量（Ｗｉ）、繊維束数（Ｉ）を測定し、記録する。ピンセットにて取り出すことができない程度に繊維束が小さいものについては、まとめて最後に重量を測定する（Ｗｋ）。このとき、１／１０００ｇまで測定可能な天秤を用いる。なお、特に強化繊維を炭素繊維とした場合や、繊維長が短い場合には、繊維束の重量が小さく、測定が困難になる。こういった場合には、分類した繊維束を複数本まとめて重量を測定する。
測定後、以下の計算を行う。使用している強化繊維の繊度（Ｆ）より、個々の繊維束の繊維本数（Ｎｉ）は次式により求めた。
Ｎｉ＝Ｗｉ／（Ｌｉ×Ｆ）。
強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は以下の式により求める。
Ｎ＝ΣＮｉ／Ｉ
また、個々の繊維束の体積（Ｖｉ）及び、強化繊維束（Ａ）の繊維全体に対する割合（ＶＲ）は、使用した強化繊維の繊維比重（ρ）を用いて次式により求めた。
Ｖｉ＝Ｗｉ／ρ
ＶＲ＝ΣＶｉ／Ｖａ×１００
ここで、Ｖａは切り出したマットの体積であり、Ｖａ＝１００×１００×Ｔａ

２）成形体における強化繊維束分析
成形体については、５００℃×１時間程度、炉内にて樹脂を除去した後、上記のランダムマットにおける方法と同様にして測定した。

３）成形体における繊維配向の分析
複合材料を成形した後、繊維の等方性は、成形板の任意の方向、及びこれと直交する方向を基準とする引張り試験を行い、引張弾性率を測定し、測定した引張弾性率の値のうち大きいものを小さいもので割った比（Ｅδ）を測定することで確認した。弾性率の比が1に近いほど、等方性に優れる材料である。

４）成形体に含まれる強化繊維の平均繊維長の分析
得られた成形体に含まれる強化繊維平均繊維長は、５００℃×１時間程度、炉内にて樹脂を除去した後、無作為に抽出した強化繊維１００本の長さをルーペで１ｍｍ単位まで測定して記録し、測定した全ての強化繊維の長さ（Ｌｉ）から、次式により平均繊維長（Ｌａ）を求めた。
Ｌａ＝ΣＬｉ／１００

[実施例１]
強化繊維として、東邦テナックス社製の炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＳＴＳ４０−２４ＫＳ（平均繊維径７μｍ、引張強度４０００ＭＰａ）を使用した。炭素繊維を２０ｍｍの長さにカットし、炭素繊維の供給量を３００ｇ／ｍｉｎでテーパー管内に導入し、テーパー管内で空気を炭素繊維に吹き付けて繊維束を部分的に開繊しつつ、テーパー管出口の下部に設置したＸＹ方向に移動可能なテーブル上に、テーブル下部よりブロワにて吸引を行いながら散布した。またマトリックス樹脂としてポリアミド６樹脂（ユニチカ製 Ａ１０３０）を３６０ｇ／ｍｉｎでテーパー管内に供給し、炭素繊維と同時に散布することで、平均繊維長２０ｍｍの炭素繊維とＰＡ６が混合された厚み５．０ｍｍ程度のランダムマットを得た。得られたランダムマットについて、強化繊維束（Ａ）の割合と、平均繊維数（Ｎ）を調べたところ、式（１）で定義される臨界単糸数は８６であり、強化繊維束（Ａ）について、マットの繊維全量に対する割合は３５％、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は２４０であった。
得られたランダムマットを２５０℃に加熱された金型にチャージ率８０％の割合で配置（図１）し、０．５ＭＰａで加圧した。１０分間保持後、１０秒かけて２．５ＭＰａまで圧力を上げ、さらに７分間保持した後に冷却媒体を使用して１分かけて金型温度を１００℃まで冷却し、厚み１．０ｍｍの成形体を得た。ここで金型の温度は金型表面付近に埋め込まれたＫタイプの熱電対にて測定を行った。
図８に用いた金型のシェアエッジ部の模式図を示すが、金型のシェア角度は２度、金型シェアエッジ部のクリアランスは０．１ｍｍであった。
得られた成形体は、材料の割れやシワの発生が無く、表面外観も良好で、製品反りの見られないものであり、金型末端まで樹脂と繊維が充填されていることが断面観察により確認できた。得られた成形体の模式図を図３に示すが、５で示した部分が金型内へ基材のチャージ部分であり、その外側の６で示した部分が、基材が金型キャビティエッジ部まで流動されて得られた流動部である。図中に７で示す箇所についてそれぞれＶｆ（繊維含有率）を調べたところ、流動部の平均が３５．０％、基材チャージ部が３５．０％となり、流動部も基材チャージも、ほぼ同等の値を示した。流動部について図中に８で示す箇所の引張弾性率を測定したところ、互いに直交する二方向に測定した引張弾性率の値のうち大きいものを小さいもので割った比（Ｅδ）は１．０１であり、等方性を保っていることを確認した。

[実施例２]
厚みを１ｍｍ程度とした以外は実施例１と同様にしてランダムマットを得た。
得られたランダムマットを１０枚積層し、２６０℃に加熱された金型にチャージ率８０％の割合で配置し（図１）、０．８ＭＰａで加圧した。１０分間保持後、１０秒かけて７．０ＭＰａまで圧力を上げ、さらに７分間保持した後に冷却媒体を使用して２.５分かけて金型温度を１００℃まで冷却し、厚み２．４ｍｍの成形体を得た。ここで金型の温度は金型表面付近に埋め込まれたＫタイプの熱電対にて測定を行った。
図８に用いた金型のシェアエッジ部の模式図を示すが、金型のシェア角度は２度、金型シェアエッジ部のクリアランスは０．１ｍｍであった。
得られた成形体は、材料の割れやシワの発生が無く、表面外観も良好で、製品反りの見られないものであり、金型末端まで樹脂と繊維が充填されていることが断面観察により確認できた。得られた成形体の模式図を図５に示すが、５で示した部分が金型内へ基材のチャージ部分であり、その外側の６で示した部分が、基材が金型キャビティエッジ部まで流動されて得られた流動部である。図中に７で示す箇所についてそれぞれＶｆを調べたところ、流動部の平均が３５．７％、基材チャージ部が３４．９％となり、流動部も基材チャージもほぼ同等の値を示した。流動部について図中に８で示す箇所の引張弾性率を測定したところ、互いに直交する二方向に測定した引張弾性率の値のうち大きいものを小さいもので割った比（Ｅδ）は１．０６であり、等方性を保っていることを確認した。

[実施例３]
マトリクス樹脂をポリカーボネート樹脂（帝人化成製 パンライト（登録商標）Ｌ−１２２５Ｌ）とし、炭素繊維１００重量部に対して３００重量部の割合で混合した以外は実施例１と同様にしてランダムマットを得た。得られたランダムマットについて、強化繊維束（Ａ）の割合と、平均繊維数（Ｎ）を調べたところ、式（１）で定義される臨界単糸数は１２０であり、強化繊維束（Ａ）について、マットの繊維全量に対する割合は８０％、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は１０００であった。
得られたランダムマットを、２３０℃に加熱された金型にチャージ率８０％の割合で配置し（図４）、０．７ＭＰａで加圧した。１０分間保持後、１０秒かけて３．０ＭＰａまで圧力を上げ、さらに７分間保持した後に冷却媒体を使用して１分かけて金型温度を６０℃まで冷却し、厚み０．５ｍｍの成形体を得た。ここで金型の温度は金型表面付近に埋め込まれたＫタイプの熱電対にて測定を行った。
図８に用いた金型のシェアエッジ部の模式図を示すが、金型のシェア角度は２度、金型シェアエッジ部のクリアランスは０．１ｍｍであった。
得られた成形体は、材料の割れやシワの発生が無く、表面外観も良好で、製品反りの見られないものであり、金型末端まで樹脂と繊維が充填されていることが断面観察により確認できた。得られた成形体の模式図を図３に示すが、５で示した部分が金型内へ基材のチャージ部分であり、その外側の６で示した部分が、基材が金型キャビティエッジ部まで流動されて得られた流動部である。図中に７で示す箇所についてそれぞれＶｆを調べたところ、流動部の平均３４．８％、基材チャージ部３４．８％となり同等の数値を示した。引張弾性率を測定したところ、互いに直交する二方向に測定した引張弾性率の値のうち大きいものを小さいもので割った比（Ｅδ）は１．０４であり、等方性を保っていることを確認した。

[実施例４]
厚み２．５ｍｍ程度とした以外は実施例１と同様にしてランダムマットを得た。得られたランダムマットを、２５５℃に加熱されたリブ・ボス形状を有する金型にチャージ率８０％の割合で３枚配置し（図６）、０．７ＭＰａで加圧した。８分間保持後、１０秒かけて４．０ＭＰａまで圧力を上げ、さらに７分間保持した後に冷却媒体を使用して０．５分かけて金型温度を１００℃まで冷却し、厚み０．４ｍｍの成形体を得た。ここで金型の温度は金型表面付近に埋め込まれたＫタイプの熱電対にて測定を行った。図８に用いた金型のシェアエッジ部の模式図を示すが、金型のシェア角度は２度、金型シェアエッジ部のクリアランスは０．１ｍｍであった。
得られた成形体は、材料の割れやシワの発生が無く、表面外観も良好で、製品反りの見られないものであり、金型末端まで樹脂と繊維が充填されていることが断面観察により確認できた。得られた成形体の模式図を図７に示すが、５で示した部分が金型内へ基材のチャージ部分であり、その外側の６で示した部分が、基材が金型キャビティエッジ部まで流動されて得られた流動部である。図中に７で示す各部位についてそれぞれ示す各部位のＶｆを調べたところ、流動部の平均が３５．１％、基材チャージ部が３５．５％となりほぼ同等の値を示した。流動部の引張弾性率を測定したところ、互いに直交する二方向に測定した引張弾性率の値のうち大きいものを小さいもので割った比（Ｅδ）は１．１０であり、等方性を保っていることを確認した。

[比較例１]
実施例１において、小孔からの風速を、５０ｍ／ｓｅｃとした以外は同様にランダムマットを作製した。得られたランダムマットについて、強化繊維束（Ａ）の割合と、平均繊維数（Ｎ）を調べたところ、式（１）で定義される臨界単糸数は８６であり、強化繊維束（Ａ）について、マットの繊維全量に対する割合は９５％、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は１５００であった。
得られたランダムマットを２５０℃に加熱された金型にチャージ率８０％の割合で配置（図１）し、０．５ＭＰａで加圧した。１０分間保持後、１０秒かけて２．５ＭＰａまで圧力を上げ、さらに７分間保持した後に冷却媒体を使用して１分かけて金型温度を１００℃まで冷却し、成形体を得た。ここで金型の温度は金型表面付近に埋め込まれたＫタイプの熱電対にて測定を行った。
図８に用いた金型のシェアエッジ部の模式図を示すが、金型のシェア角度は２度、金型シェアエッジ部のクリアランスは０．１ｍｍであった。
得られた成形体は、得られた成形体は厚みが１．４〜１．８ｍｍと不均一であり、目付けのムラも大きく、裏から光を照射すると透過するものであった。

本発明方法で得られる強化繊維と熱可塑製樹脂を含む成形体は、軽量で形状自由度があり、金型形状に対し低チャージ率のプリプレグを用いてプレス成形した場合でも、等方性を維持しており、成形性、薄肉、比剛性、生産性、経済性に優れる材料であることから、電気・電子機器部品、自動車用部品、パソコン、ＯＡ機器、ＡＶ機器、携帯電話、電話機、ファクシミリ、家電機器、玩具用品などの電気、電子部品や筐体に利用することができる。とりわけ、環境対応車に搭載される自動車部品に好ましく用いることができる。

１ プリプレグ
２ 金型キャビティ
３ 金型キャビティエッジ部
４ 金型キャビティ総面積
５ 基材チャージ部
６ 流動部
７ Ｖｆの計測点
８ 引張弾性率計測店
９ ボス形状部
１０ リブ形状部
１１ 金型のシェアの角度
１２ 金型のクリアランス

Claims (8)

1. 繊維長１０〜１００ｍｍの強化繊維と熱可塑性樹脂とから構成されるランダムマットを金型に下記式（３）で表されるチャージ率が５０％以上９０％未満となるように配置し、
   金型を熱可塑性樹脂が結晶性の場合は熱可塑性樹脂の融点以上熱分解温度未満の温度まで、非晶性の場合は熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上熱分解温度未満の温度まで昇温しつつ、プレス成形を行い（第１プレス工程）、
   次いで１段以上であり、最終段の圧力が第１プレス工程の圧力の１．２倍〜２５倍となるような第２プレス工程を行った後、
   金型を熱可塑性樹脂の結晶性の場合は融点以下、非晶性の場合はガラス転移温度以下まで冷却し成形させる、強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形体の製造方法であって、
   ランダムマットは、強化繊維が２５〜３０００ｇ／ｍ^２の目付けにて実質的に２次元ランダムに配向しており、式（１）で定義される臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）について、マットの繊維全量に対する割合が３０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満であり、かつ強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（２）を満たすことを特徴とする強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形体の製造方法。
   臨界単糸数＝６００／Ｄ （１）
   ０．７×１０^４／Ｄ^２＜Ｎ＜６×１０^４／Ｄ^２ （２）
   （ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
   チャージ率（％）＝１００×基材面積（mm²）／金型キャビティ投影面積（mm²）（３）
   （ここで基材面積とは配置した全てのプリプレグの抜き方向への投影面積であり、金型キャビティ投影面積とは抜き方向への投影面積である）
2. 第１プレス工程における成形圧力が０．３ＭＰａ〜１．０ＭＰａである請求項１に記載の成形体の製造方法。
3. ランダムマットにおける熱可塑性樹脂の存在量が、強化繊維１００質量部に対し、５０〜１０００質量部である請求項１に記載の成形体の製造方法。
4. ランダムマットを、下記式（４）で表される総面積チャージ率が３０％以上９０％未満となるように金型に配してプレス成形を行う、請求項１〜３のいずれかに記載の成形体の製造方法。
   総面積チャージ率（％）＝１００×基材面積（mm²）／金型キャビティ総面積（mm²） （４）
   （ここで基材面積とは配置した全てのプリプレグの抜き方向への投影面積であり、金型キャビティ総面積とは金型キャビティ表面の面積の総和である）
5. ランダムマットにおける強化繊維の繊維長が１０〜３０ｍｍである請求項１に記載の成形体の製造方法。
6. 成形に用いる金型のコア側とキャビティ側が、シェアエッジ構造を有する請求項１に記載の成形体の製造方法。
7. 任意の方向、及びこれと直交する方向についての引張弾性率の大きいほうの値を小さい方の値で割った比（Ｅδ）が１．０から１．３となる請求項１〜６のいずれかに記載の製造方法で得られる成形体。
8. 繊維長１０〜１００ｍｍの強化繊維と熱可塑性樹脂とから構成され、強化繊維が２５〜３０００ｇ／ｍ^２の目付けにて実質的に２次元ランダムに配向しており、式（１）で定義される臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）について、マットの繊維全量に対する割合が３０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満であり、かつ強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（２）を満たす、請求項１〜６のいずれかに記載の成形体の製造方法に用いるランダムマット。
   臨界単糸数＝６００／Ｄ （１）
   ０．７×１０^４／Ｄ^２＜Ｎ＜６×１０^４／Ｄ^２ （２）
   （ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）

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