JP5851767B2 - Fiber reinforced substrate - Google Patents
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Description
本発明は、熱可塑性樹脂をマトリクスとした繊維強化複合材料に関するものであって、面内方向において特定の方向に配向しておらず等方性であり、かつハンドリング性、賦型性に優れた炭素繊維樹脂複合基材を提供しようとするものである。 The present invention relates to a fiber-reinforced composite material using a thermoplastic resin as a matrix, is not oriented in a specific direction in the in-plane direction, isotropic, and has excellent handling properties and moldability. An object of the present invention is to provide a carbon fiber resin composite substrate.
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として、等方性であるランダムマットが、賦形性や工程の簡便さより用いられている。このランダムマットは、カットした強化繊維単体、あるいは熱硬化性の樹脂を成形型に同時に吹き付けるスプレーアップ方式（乾式）や、バインダーを含有させたスラリーに予めカットした強化繊維を添加し、抄紙する方法（湿式）等により得ることができる。 As a fiber-reinforced composite material using carbon fiber, aramid fiber, glass fiber, or the like as a reinforcing fiber, an isotropic random mat is used because of formability and simplicity of the process. This random mat is a method of making paper by adding a cut reinforcing fiber alone or a spray-up method (dry type) in which a thermosetting resin is simultaneously sprayed on a mold, or adding a pre-cut reinforcing fiber to a slurry containing a binder. (Wet) or the like.
複合材料の機械物性を向上させる手段としては、繊維体積含有率（Ｖｆ）を高くすることが知られているが、カット繊維を用いたランダムマットの場合、３次元方向の繊維が存在する、繊維の交絡が多いなどの理由により、繊維体積含有率を高くすることが困難であった。またランダムマットを用いた場合は連続繊維を用いた場合と比較して繊維が不連続であるため成形物の強度が１／２程度になってしまうという問題があった。 As a means for improving the mechanical properties of the composite material, it is known to increase the fiber volume content (Vf). However, in the case of a random mat using cut fibers, fibers in which three-dimensional fibers exist For example, it is difficult to increase the fiber volume content because of the large number of entanglements. Further, when the random mat is used, there is a problem that the strength of the molded product becomes about 1/2 because the fibers are discontinuous compared to the case where the continuous fibers are used.
近年、ランダムマットを用いた複合材料の機械物性を向上させる手段として、繊維束を斜めに裁断し、断面積を変化させたチョップド繊維束を用いる方法が提案された（特許文献１）。一般的に、良好な均質性を得るためには、数十層の重なりが必要とされるが、繊維束を用いたこれらの手法では、繊維束の厚みが厚いため、均質性を得るためには２〜３ｍｍ以上の板厚が必要となり、肉厚の薄いものを得ることが困難である。 In recent years, as a means for improving the mechanical properties of a composite material using a random mat, a method using a chopped fiber bundle in which the fiber bundle is cut obliquely and the cross-sectional area is changed has been proposed (Patent Document 1). In general, in order to obtain good homogeneity, several tens of layers are required to be overlapped. However, in these methods using fiber bundles, the thickness of the fiber bundles is large. Requires a plate thickness of 2 to 3 mm or more, and it is difficult to obtain a thin thickness.
このように従来は熱硬化性樹脂をマトリックスとした複合材料が提案されていた。通常、繊維強化複合材料は、予め、強化繊維基材に熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグと呼ばれる中間基材を、オートクレーブを用いて２時間以上加熱・加圧することにより得られる。近年、樹脂を含浸させていない強化繊維基材を金型内にセットした後、熱硬化性樹脂を流し入れるＲＴＭ成形方法が提案され、成形時間は大幅に短縮された。しかしながら、ＲＴＭ成形方法を用いた場合でも、１つの部品を成形するまでに１０分以上必要となる（特許文献２）。 Thus, conventionally, a composite material using a thermosetting resin as a matrix has been proposed. Usually, a fiber reinforced composite material is obtained by heating and pressurizing an intermediate base material called a prepreg in which a reinforcing fiber base material is impregnated with a thermosetting resin in advance for 2 hours or more using an autoclave. In recent years, an RTM molding method in which a thermosetting resin is poured after a reinforcing fiber base not impregnated with resin is set in a mold has been proposed, and the molding time has been greatly reduced. However, even when the RTM molding method is used, it takes 10 minutes or more to mold one part (Patent Document 2).
そのため、従来の熱硬化性樹脂に代わり、熱可塑性樹脂をマトリックスに用いたコンポジットが注目されている。しかしながら、熱可塑性樹脂は、一般的に熱硬化性樹脂と比較して粘度が高く、そのため、繊維基材に樹脂を含浸させる時間が長く、結果として成形までのタクトが長くなるという問題があった。 Therefore, a composite using a thermoplastic resin as a matrix in place of a conventional thermosetting resin has attracted attention. However, the thermoplastic resin generally has a higher viscosity than the thermosetting resin, and therefore, there is a problem that the time for impregnating the fiber base material with the resin is long, and as a result, the tact time until molding becomes long. .
その一方ランダムマットを繊維層とした中間基材にはシートモールディングコンパウンド（ＳＭＣ）が挙げられる。熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とした熱可塑スタンピング成形（ＴＰ−ＳＭＣ）（特許文献３）では、予め熱可塑性樹脂を含浸させたチョップドファイバーを融点以上に加熱し、これを金型内の一部に投入した後、直ちに型を閉め、型内にて繊維と樹脂を流動させることにより製品形状を得、冷却・成型するという成型方法である。このＳＭＣでは、繊維層はカットされた短繊維であるために、樹脂はシート全体に含浸されており常温ではシートは剛直で賦型性に乏しいかった。その問題を解決すべくＳＭＣ成形法では、成形時に型内で繊維と樹脂を流動させ、目的の形状に賦型させているが、この方法では繊維と樹脂を流動させるために繊維配向が乱れ、等方性を維持できないという問題があった。
また、特許文献４では、表面に凹凸を有する熱可塑性プリプレグにおいて、厚み方向に完全には含浸されていない状態にすることで賦型性の優れたプリプレグが提案されている。
On the other hand, a sheet molding compound (SMC) is mentioned as an intermediate base material using a random mat as a fiber layer. In thermoplastic stamping molding (TP-SMC) (Patent Document 3) using a thermoplastic resin as a matrix resin (patent document 3), a chopped fiber impregnated with a thermoplastic resin in advance is heated to the melting point or higher, and this is part of the mold. This is a molding method in which a mold is closed immediately after being put in, a product shape is obtained by allowing fibers and resin to flow in the mold, and then cooled and molded. In this SMC, since the fiber layer is a cut short fiber, the resin is impregnated in the entire sheet, and the sheet is rigid and lacks formability at room temperature. In order to solve the problem, in the SMC molding method, the fiber and the resin are flowed in the mold at the time of molding, and the target shape is formed. However, in this method, the fiber orientation is disturbed to flow the fiber and the resin, There was a problem that the isotropy could not be maintained.
Further,
本発明は、炭素繊維と熱可塑性樹脂とから構成され、成形の前駆体として用いられる複合基材に関する。本発明の目的は、成形に際し著しく繊維配向させることなく、従来の連続繊維を繊維層とした熱可塑性樹脂プリプレグでは十分に賦型ができなかったような複雑形状にも適応可能であり、特に基材の凹凸に応じて曲げや絞り形状への賦型性の優れた、等方性複合基材を提供することである。 The present invention relates to a composite base material composed of carbon fibers and a thermoplastic resin and used as a molding precursor. The object of the present invention can be applied to a complicated shape that cannot be sufficiently molded by a conventional thermoplastic resin prepreg having a fiber layer made of continuous fibers without significantly aligning the fibers during molding. The object is to provide an isotropic composite base material which is excellent in formability to bending or drawing shape according to the unevenness of the material.
本発明は、熱可塑性樹脂と特定の開繊状態を満たす炭素繊維とから構成される複合基材であり、ハンドリング性に優れ、複雑形状にも適応可能な賦型性を有する成形体の前駆体として有用であることを見出し本発明に至ったものである。即ち、本発明は、以下の工程１〜５より製造する、繊維長５ｍｍ以上１００ｍｍ以下の炭素繊維と熱可塑性樹脂であるマトリクス樹脂とから構成され、炭素繊維が熱可塑性樹脂であるマトリクス樹脂によって溶着された面状体であり、平均空孔率が５％以上７０％未満であり、熱可塑性樹脂の存在量が、炭素繊維１００重量部に対し、５０〜１０００重量部である複合基材の製造方法である。
１．炭素繊維を、ロータリーカッターにてカットする工程、
２．カットされた炭素繊維を管内に導入し、空気を炭素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．開繊させた炭素繊維を拡散させると同時に、繊維状又はパウダー状の熱可塑性樹脂とともに吸引し、炭素繊維と熱可塑性樹脂を同時に散布する塗布工程、
４．塗布された炭素繊維および熱可塑性樹脂を定着させ、ランダムマットを得る工程、
５．得られたランダムマットを加圧する工程。
The present invention is a composite base material composed of a thermoplastic resin and carbon fibers satisfying a specific opening state, and is a precursor of a molded body having excellent handleability and adaptability to complex shapes. As a result, the present invention has been found to be useful. That is, the present invention comprises carbon fibers having a fiber length of 5 mm or more and 100 mm or less and a matrix resin that is a thermoplastic resin, which is manufactured from the
1. Cutting carbon fiber with a rotary cutter,
2. A step of opening the fiber bundle by introducing the cut carbon fiber into the pipe and blowing air onto the carbon fiber;
3. A spreading process of spreading the opened carbon fiber and simultaneously sucking the carbon fiber and the thermoplastic resin by sucking together with the fibrous or powdered thermoplastic resin,
4). Fixing the applied carbon fiber and thermoplastic resin to obtain a random mat;
5. A step of pressing the obtained random mat.
本発明の複合基材は、成形の前駆体として用いられ、ハンドリング性に優れ、複雑形状への賦型性を有する。また薄肉や等方であるので、成形することで各種構成部材、例えば自動車の内板、外板、構成部材、また各種電気製品、機械のフレームや筐体等に賦型することができる。 The composite base material of the present invention is used as a molding precursor, has excellent handling properties, and has moldability to a complicated shape. Further, since it is thin or isotropic, it can be molded into various components such as an inner plate, an outer plate, a component member of an automobile, various electric products, a frame of a machine, a casing, and the like.
［複合基材］
本発明の複合基材は、繊維長５ｍｍ以上１００ｍｍ以下の炭素繊維と熱可塑性樹脂とから構成された面状体であり、熱可塑性樹脂の存在量が炭素繊維１００重量部に対し、５０〜１０００重量部である。
面状体を目的の形状に賦型させる場合、完全に繊維と樹脂を含浸させてしまうと基材は剛直になってしまうため複雑形状への適用が難しい。本発明の複合基材は、炭素繊維が熱可塑性樹脂によって溶着された面状体であり、その全面または一部分に未含浸部分、すなわち炭素繊維と熱可塑性樹脂との間に微空間（空孔部）を設けることで面状体を柔軟にし、複雑な形状へも賦型することができるものである。
[Composite substrate]
The composite base material of the present invention is a planar body composed of carbon fibers having a fiber length of 5 mm to 100 mm and a thermoplastic resin, and the abundance of the thermoplastic resin is 50 to 1000 with respect to 100 parts by weight of the carbon fibers. Parts by weight.
When the planar body is shaped into the target shape, if the fiber and resin are completely impregnated, the base material becomes rigid, making it difficult to apply to a complex shape. The composite base material of the present invention is a planar body in which carbon fibers are welded by a thermoplastic resin, and the entire surface or a part thereof is a non-impregnated portion, that is, a fine space (hole portion between the carbon fiber and the thermoplastic resin). ), The planar body can be made flexible and can be molded into a complicated shape.
本発明の複合基材は炭素繊維と熱可塑性樹脂から構成されており、内包する空気の割合を次式（３）に基づいて空孔率と定義する。
空孔率（Ｖｒ）＝（ｔ２−ｔ１）／ｔ２ （３）
（ここで、ｔ１は繊維と樹脂の空孔率０％での理論厚み、ｔ２は複合基材の平均厚みである。）
The composite base material of this invention is comprised from the carbon fiber and the thermoplastic resin, and defines the ratio of the air to include as a porosity based on following Formula (3).
Porosity (Vr) = (t2-t1) / t2 (3)
(Here, t1 is the theoretical thickness when the porosity of the fiber and resin is 0%, and t2 is the average thickness of the composite substrate.)
空孔率は賦型しようとする形状に合わせて局所的に変えることも好ましい。その場合、空孔率が５％以上７０％未満にならない部位があっても良いが、複合基材全体としての平均空孔率は５％以上７０％未満であることが好ましく、より好ましくは２０％以上６０％未満である。空孔率が５％以上７０％未満である場合、複合基材は適度な剛性を有するためハンドリング性に優れ、かつ目的の形状に応じた加圧を行うことで、複雑形状への賦型も可能になる。 It is also preferable to change the porosity locally according to the shape to be shaped. In that case, there may be a portion where the porosity is not 5% or more and less than 70%, but the average porosity of the composite base material as a whole is preferably 5% or more and less than 70%, more preferably 20%. % Or more and less than 60%. When the porosity is 5% or more and less than 70%, the composite base material has an appropriate rigidity, so that it is excellent in handling properties and can be molded into a complicated shape by applying pressure according to the target shape. It becomes possible.
複合基材の厚みにとくに限定はなく、得ようとする成形体に合わせて各種の厚みが選択可能である。好ましくは平均厚みが０．１〜２０ｍｍであり、より好ましくは平均厚みが０．３〜１０ｍｍである。本発明の複合基材から厚みが０．２〜２ｍｍ程度の薄肉の成形品も好適に得ることができる。なお複合基材の平均厚みの測定法は、具体的には実施例に記載するが、複合基材に負荷をかけずにその厚みを、ノギス等を用いて１／１００ｍｍまで測定しその平均厚みを求める。複合基材の厚みが薄い場合は断面を撮影し、得られた写真から厚みを測定する。 The thickness of the composite substrate is not particularly limited, and various thicknesses can be selected according to the molded product to be obtained. The average thickness is preferably 0.1 to 20 mm, and more preferably the average thickness is 0.3 to 10 mm. A thin molded product having a thickness of about 0.2 to 2 mm can also be suitably obtained from the composite substrate of the present invention. In addition, although the measuring method of the average thickness of a composite base material is specifically described in an Example, the thickness is measured to 1/100 mm using calipers etc., without applying a load to a composite base material, The average thickness Ask for. When the thickness of the composite substrate is thin, a cross section is photographed, and the thickness is measured from the obtained photograph.
空孔率が５％未満になると複合基材全体が剛直になり、複雑な形状に十分賦型することが困難となる。本発明の複合基材の好ましい製造方法は下記に詳述するが、空孔率は、炭素繊維のカット、開繊、塗布、定着、加圧の各工程で制御することが可能である。なかでも加圧工程の圧力、温度、ローラーにより加圧する場合はローラーの構成、例えばローラー間距離やエンボスローラーにおける凹凸の高さなどを制御して、所望の空孔率を有する複合基材とすることができる。 When the porosity is less than 5%, the entire composite substrate becomes rigid, and it is difficult to sufficiently mold it into a complicated shape. Although the preferable manufacturing method of the composite base material of this invention is explained in full detail below, the porosity can be controlled in each process of carbon fiber cutting, fiber opening, coating, fixing, and pressing. In particular, when pressure is applied by the pressure, temperature, and rollers in the pressing step, the composition of the rollers, for example, the distance between the rollers and the height of the unevenness in the embossing roller are controlled to obtain a composite substrate having a desired porosity. be able to.
［炭素繊維］
複合基材を構成する炭素繊維は不連続であり、平均繊維長５ｍｍ以上１００ｍｍ以下である。本発明の複合基材は、ある程度長い炭素繊維を含んで強化機能が発現できることを特徴とし、好ましくは炭素繊維の平均繊維長が５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、より好ましくは１５ｍｍ以上８０ｍｍ以下であり、さらには２０ｍｍ以上６０ｍｍ以下が好ましい。強化繊維の目付けは２５ｇ／ｍ２以上３０００ｇ／ｍ２以下であることが好ましく、より好ましくは１００ｇ／ｍ２以上３０００ｇ／ｍ２以下である。
[Carbon fiber]
The carbon fibers constituting the composite substrate are discontinuous and have an average fiber length of 5 mm to 100 mm. The composite substrate of the present invention is characterized in that a reinforcing function can be expressed by including carbon fibers that are somewhat long, preferably the average fiber length of the carbon fibers is 5 mm or more and 100 mm or less, more preferably 15 mm or more and 80 mm or less, Furthermore, 20 mm or more and 60 mm or less are preferable. The basis weight of the reinforcing fibers is preferably 25 g / m 2 or more and 3000 g / m 2 or less, more preferably 100 g / m 2 or more and 3000 g / m 2 or less.
複合基材を構成する炭素繊維の平均繊維径は３〜１２μｍであり、より好ましくは５〜７μｍである。炭素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、サイジング剤は炭素繊維１００重量部に対し、０超〜１０重量部であることが好ましい。 The average fiber diameter of the carbon fibers constituting the composite substrate is 3 to 12 μm, more preferably 5 to 7 μm. It is preferable to use a carbon fiber to which a sizing agent is attached, and the sizing agent is preferably more than 0 to 10 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the carbon fiber.
複合基材中の炭素繊維は、その長軸方向が面内で特定の方向に配向せず、本発明の複合基材は面内等方性の材料である。複合基材より成形体を得た場合に、複合基材中の炭素繊維の等方性は、成形体においても維持される。 The long axis direction of the carbon fiber in the composite base material is not oriented in a specific direction in the plane, and the composite base material of the present invention is an in-plane isotropic material. When the molded body is obtained from the composite base material, the isotropy of the carbon fibers in the composite base material is maintained also in the molded body.
複合基材より成形体を得て、互いに直交する二方向の引張弾性率を求め、比を求めることで、複合基材トおよびそれからの成形体の等方性を定量的に評価できる。
成形体における２方向の弾性率の値のうち大きい方の値を小さい方の値で割った比（Ｅσ）が２を超えないときに等方性であるとする。比が１．３を超えないときは等方性に優れているとする。
By obtaining a molded body from the composite base material, obtaining tensile modulus in two directions orthogonal to each other, and determining the ratio, the isotropy of the composite base material and the molded body therefrom can be quantitatively evaluated.
When the ratio (Eσ) obtained by dividing the larger value of the elastic modulus values in two directions by the smaller value in the molded body does not exceed 2, it is assumed to be isotropic. When the ratio does not exceed 1.3, the isotropic property is considered excellent.
［開繊程度］
一般的に、炭素繊維は、数千〜数万本のフィラメントが集合した繊維束となっている。特に薄肉のコンポジットを得る場合、炭素繊維を繊維束のまま使用すると、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。そのため、炭素繊維を開繊して使用することが重要となるが、本発明の複合基材は炭素繊維の開繊程度をコントロールした複合基材とし、特定本数以上の炭素繊維からなる炭素繊維束と、それ以外の開繊された炭素繊維を特定の比率で含むことが好ましい。
[Opening degree]
Generally, carbon fiber is a fiber bundle in which thousands to tens of thousands of filaments are gathered. In particular, when a thin-walled composite is obtained, if carbon fibers are used in the form of fiber bundles, the entangled portion of the fibers becomes locally thick, and a thin-walled one cannot be obtained. Therefore, it is important to open and use carbon fibers. However, the composite base material of the present invention is a composite base material in which the degree of carbon fiber opening is controlled, and a carbon fiber bundle composed of carbon fibers of a specific number or more. In addition, it is preferable to include the other opened carbon fibers at a specific ratio.
すなわち本発明の複合基材中の炭素繊維は、下記式（１）で定義される臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ａ）と、それ以外の開繊された炭素繊維、すなわち単糸の状態または臨界単糸数未満で構成される繊維束とからなることが好ましい。
臨界単糸数＝６００／Ｄ （１）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
That is, the carbon fiber in the composite base material of the present invention includes a carbon fiber bundle (A) composed of the number of critical single yarns defined by the following formula (1) and other opened carbon fibers, that is, single fibers. It is preferably composed of a fiber bundle composed of a yarn state or a critical number of single yarns.
Critical number of single yarns = 600 / D (1)
(Where D is the average fiber diameter (μm) of the carbon fiber)
繊維全量に対する炭素繊維束（Ａ）の割合が０Ｖｏｌ％超９９Ｖｏｌ％未満であることが好ましい。炭素繊維束（Ａ）の割合が９９Ｖｏｌ％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ことがある。炭素繊維束（Ａ）の割合はより好ましくは３０Ｖｏｌ％以上９５Ｖｏｌ％未満であり、さらに好ましくは５０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満である。 The ratio of the carbon fiber bundle (A) to the total amount of fibers is preferably more than 0 Vol% and less than 99 Vol%. When the ratio of the carbon fiber bundle (A) is 99 Vol% or more, the entangled portion of the fiber becomes locally thick and a thin-walled product may not be obtained. The ratio of the carbon fiber bundle (A) is more preferably 30 Vol% or more and less than 95 Vol%, and still more preferably 50 Vol% or more and less than 90 Vol%.
強化繊維束の存在量を目的の割合にするには、後述する好ましい製法においては、例えば開繊工程における吹き付ける空気の圧力等によりコントロールすることができる。また、カット工程に供する繊維束の大きさ、例えば束の幅や幅当たりの繊維数を調整することでコントロールすることもできる。具体的には繊維を拡幅することで、カット工程の前にスリット工程を設ける方法が挙げられる。またを短い刃を多数並べたいわゆる分繊ナイフを用いて繊維束をカットする方法や、カットすると同時に、スリットする方法が挙げられる。好ましい開繊条件については開繊工程の項に記載する。 In order to make the abundance of the reinforcing fiber bundle a target ratio, in a preferable production method described later, for example, the pressure can be controlled by the pressure of air blown in the fiber opening step. It can also be controlled by adjusting the size of the fiber bundle used in the cutting step, for example, the width of the bundle and the number of fibers per width. Specifically, the method of providing a slit process before a cutting process by widening a fiber is mentioned. Further, there are a method of cutting a fiber bundle using a so-called splitting knife in which many short blades are arranged, and a method of slitting simultaneously with cutting. Preferred opening conditions are described in the section of the opening process.
さらに本発明の複合基材は、炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（２）を満たすことが好ましい。
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜２×１０５／Ｄ２ （２）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
Furthermore, in the composite base material of the present invention, it is preferable that the average number of fibers (N) in the carbon fiber bundle (A) satisfies the following formula (2).
0.7 × 10 4 / D 2 <N <2 × 10 5 / D 2 (2)
(Where D is the average fiber diameter (μm) of the carbon fiber)
炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が０．７×１０４／Ｄ２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。また炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が２×１０５／Ｄ２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。 When the average number of fibers (N) in the carbon fiber bundle (A) is 0.7 × 10 4 / D 2 or less, it is difficult to obtain a high fiber volume content (Vf). In addition, when the average number of fibers (N) in the carbon fiber bundle (A) is 2 × 10 5 / D 2 or more, a locally thick portion is generated, which tends to cause voids.
強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）を目的の数量にするには、後述する好ましい製法においては、カット工程に供する繊維束の大きさ、例えば束の幅や幅当たりの繊維数を調整することでコントロールすることもできる。具体的には繊維を拡幅することで、カット工程の前にスリット工程を設ける方法が挙げられる。また開繊工程における、吹き付ける空気の圧力等によりカットされた繊維束の開繊の程度を調整し、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）をコントロールすることもできる。好ましい条件についてはカット工程ならびに開繊工程の項に記載する。 In order to make the average number of fibers (N) in the reinforcing fiber bundle (A) a desired quantity, in a preferable production method described later, the size of the fiber bundle used in the cutting step, for example, the width of the bundle and the number of fibers per width. It can also be controlled by adjusting. Specifically, the method of providing a slit process before a cutting process by widening a fiber is mentioned. Moreover, the average number of fibers (N) in the reinforcing fiber bundle (A) can be controlled by adjusting the degree of opening of the fiber bundle cut by the pressure of the air to be blown in the opening process. Preferred conditions are described in the section of the cutting process and the opening process.
このように式（１）で定義される臨界単糸以上の炭素繊維束（Ａ）と、単糸の状態又は臨界単糸数以下の炭素繊維（Ｂ）が同時に存在する複合材料とすることで、繊維の充填効率よく、疎密のばらつきが少なく、機械強度に優れた複合材料が提供できる。 In this way, by making a carbon fiber bundle (A) of the critical single yarn or more defined by the formula (1) and a carbon fiber (B) of the single yarn state or the critical single yarn number or less at the same time, It is possible to provide a composite material with good fiber filling efficiency, less variation in density, and excellent mechanical strength.
またこのように特定本数以上の炭素繊維からなる炭素繊維束と、それ以外の開繊された炭素繊維を特定の比率で共存させることで、複合材料中の炭素繊維の存在量、すなわち繊維体積含有率（Ｖｆ）を高めることが可能となっている。 In addition, the presence of carbon fibers in the composite material, that is, fiber volume content, by coexisting carbon fiber bundles composed of carbon fibers of a specific number or more in this manner and other opened carbon fibers in a specific ratio. The rate (Vf) can be increased.
具体的には複合材料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、臨界単糸数以上の炭素繊維束が繊維全量に対する割合が０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満である。 Specifically, when the average fiber diameter of the carbon fibers constituting the composite material is 5 to 7 μm, the number of critical single yarns is 86 to 120, and the proportion of carbon fiber bundles exceeding the number of critical single yarns is 0 Vol% or more and 90 Vol% with respect to the total amount of fibers. %.
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４００〜８０００本の範囲となるが、なかでも６００〜６０００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２０４〜４０８１本の範囲となるが、なかでも４００〜４０００本であることが好ましい。 When the average fiber diameter of the carbon fibers is 5 μm, the average number of fibers in the fiber bundle is in the range of 400 to 8000, and preferably 600 to 6000. When the average fiber diameter of the carbon fibers is 7 μm, the average number of fibers in the fiber bundle is in the range of 204 to 4081, and in particular, 400 to 4000 is preferable.
［熱可塑性樹脂］
本発明の複合基材における熱可塑性樹脂の存在量は、炭素繊維１００重量部に対し、５０〜１０００重量部であることが好ましい。より好ましくは、炭素繊維１００重量部に対し、熱可塑性樹脂５０〜５００重量部、さらに好ましくは炭素繊維１００重量部に対し、熱可塑性樹脂５０〜１００重量部である。
[Thermoplastic resin]
The abundance of the thermoplastic resin in the composite base material of the present invention is preferably 50 to 1000 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the carbon fibers. More preferably, it is 50 to 500 parts by weight of the thermoplastic resin with respect to 100 parts by weight of the carbon fiber, and more preferably 50 to 100 parts by weight of the thermoplastic resin with respect to 100 parts by weight of the carbon fiber.
本発明の複合基材の好ましい製造方法は下記に詳述するが、熱可塑性樹脂は、繊維状および／またはパウダー状で供され、ランダムマットを得た後に加圧および／または加熱処理を施すことでンダムマット中の熱可塑性樹脂を溶融し、部分含浸されることで複合基材となる。用いる熱可塑性樹脂がパウダー状の場合、平均粒子径は０．０１μｍ〜５ｍｍであることが好ましい。より好ましくは平均粒子径０．０１ｍｍ〜３ｍｍがより好ましく、更に好ましくは平均粒子径０．１ｍｍ〜１．５ｍｍがより好ましい。粒子分布についてはとくに制限はないが、分布の小さいものがより均質な複合基材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目的の粒度分布として用いることが出来る。 Although the preferable manufacturing method of the composite base material of this invention is explained in full detail below, a thermoplastic resin is provided with a fiber form and / or powder form, and after giving a random mat, it pressurizes and / or heat-processes. The thermoplastic resin in the random mat is melted and partially impregnated to form a composite substrate. When the thermoplastic resin to be used is powdery, the average particle size is preferably 0.01 μm to 5 mm. More preferably, the average particle diameter is 0.01 mm to 3 mm, and still more preferably the average particle diameter is 0.1 mm to 1.5 mm. The particle distribution is not particularly limited, but those having a small distribution are more preferable for the purpose of obtaining a more homogeneous composite substrate, but can be used as the target particle size distribution by an operation such as classification.
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もの、より好ましくは平均繊維長１〜１０ｍｍである。 In the case of a fiber, a fineness of 100 to 5000 dtex, more preferably 1000 to 2000 dtex is more preferred, and an average fiber length of 0.5 to 50 mm, more preferably an average fiber length of 1 to 10 mm.
熱可塑性樹脂の種類としては、特に限定は無いが、上記に示すように繊維またはパウダー状となりうるものが好ましい。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、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンナフタレート樹脂、ポリ乳酸樹脂、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などが挙げられる。
There are no particular limitations on the type of thermoplastic resin, but those that can be in the form of fibers or powder as described above are preferred. For example, vinyl chloride resin, vinylidene chloride resin, vinyl acetate resin, polyvinyl alcohol resin, polystyrene resin, acrylonitrile-styrene resin (AS resin), acrylonitrile-butadiene-styrene resin (ABS resin), acrylic resin, methacrylic resin, polyethylene resin, polypropylene Resin,
［他の剤］
本発明の複合基材中には、本発明の目的を損なわない範囲で、ガラス繊維や有機繊維等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。
[Other agents]
In the composite base material of the present invention, various fibrous or non-fibrous fillers such as glass fiber and organic fiber, flame retardant, UV-resistant agent, pigment, mold release agent, softening, as long as the object of the present invention is not impaired. Agents, plasticizers, and surfactant additives may be included.
［複合基材の表面凹凸］
本発明の複合基材は表面に凹凸が形成されていることが好ましく、凸部が一軸方向に直線または曲線状に連続形成されている、あるいは凸部が多軸方向に直線または曲線状に連続形成されていることが好ましい。具体的形状の模式図を図７に例示する。具体的には凸部が縞状、格子状、または斜め格子状のものが挙げられる。また凹凸の形状はとくに限定はなく、丸、四角、ハニカム状でも良い。複合基材の表面凹凸は後述するとおり、エンボスローラーやベルトを用いる方法などで適宜付与できる。
[Surface unevenness of composite substrate]
The composite substrate of the present invention preferably has irregularities formed on the surface, and the convex portions are continuously formed in a straight line or a curved shape in a uniaxial direction, or the convex portions are continuous in a straight line or a curved shape in a multiaxial direction. Preferably it is formed. A schematic diagram of a specific shape is illustrated in FIG. Specifically, the convex portions may be striped, latticed, or oblique latticed. The shape of the irregularities is not particularly limited, and may be round, square, or honeycomb. As will be described later, the surface irregularities of the composite substrate can be appropriately imparted by a method using an emboss roller or a belt.
［製造方法］
以下本発明の複合基材を好ましく得る方法について述べる。本発明の複合基材は以下の工程１〜５により、好ましく製造することができる。
１．炭素繊維をカットする工程、
２．カットされた炭素繊維を管内に導入し、空気を炭素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．開繊させた炭素繊維を拡散させると同時に、繊維状又はパウダー状の熱可塑性樹脂とともに吸引し、炭素繊維と熱可塑性樹脂を散布する塗布工程、
４．塗布された炭素繊維および熱可塑性樹脂を定着させ、ランダムマットを得る工程、
５．得られたランダムマットを加圧する工程。
[Production method]
A method for preferably obtaining the composite substrate of the present invention will be described below. The composite base material of the present invention can be preferably produced by the following
1. Cutting carbon fiber,
2. A step of opening the fiber bundle by introducing the cut carbon fiber into the pipe and blowing air onto the carbon fiber;
3. A spreading process of spreading the carbon fibers and the thermoplastic resin while simultaneously spreading the spread carbon fibers and sucking them together with a fibrous or powdered thermoplastic resin,
4). Fixing the applied carbon fiber and thermoplastic resin to obtain a random mat;
5. A step of pressing the obtained random mat.
［カット工程］
炭素繊維をカットする工程について述べる。炭素繊維のカット方法は、好ましくはロータリーカッター等のナイフを用いて炭素繊維をカットする工程である。ロータリーカッターを用いたカット工程の一例を図１に示す。ロータリーカッターとしては、繊維束を１／２〜１／２０程度に分繊してカットする、分繊カッターを用いることが好ましい。ロータリー分繊カッターの好ましい例について、正面と断面の概略図を図２に、およびナイフ角度の説明図を図３に示す。ロータリー分繊カッターは本体に沿って複数の刃が等間隔かつ螺旋状に配置されているものである。従来のカッターのように、繊維束をそのままカットし、塗布する手法では、薄く、物性に優れる複合基材を得ることが難しい。繊維束をより細い束に分けながらカットすることにより、均質性が向上し、本発明の複合基材を好適に得ることができる。炭素繊維を連続的にカットするためのナイフ角度は特に限定されるものではなく、一般的な、繊維に対し、９０度の刃を用いても、角度を持たせたものでも構わない。
[Cut process]
The process of cutting carbon fiber will be described. The carbon fiber cutting method is preferably a step of cutting carbon fiber using a knife such as a rotary cutter. An example of the cutting process using a rotary cutter is shown in FIG. As the rotary cutter, it is preferable to use a splitting cutter that splits and cuts a fiber bundle into about 1/2 to 1/20. About the preferable example of a rotary parting cutter, the schematic of a front and a cross section is shown in FIG. 2, and explanatory drawing of a knife angle is shown in FIG. The rotary splitting cutter has a plurality of blades arranged at equal intervals and spirally along the main body. As with conventional cutters, it is difficult to obtain a composite substrate that is thin and excellent in physical properties by cutting and applying the fiber bundle as it is. By cutting the fiber bundle while dividing it into finer bundles, the homogeneity is improved and the composite substrate of the present invention can be suitably obtained. The knife angle for continuously cutting the carbon fiber is not particularly limited, and a 90-degree blade or an angle with respect to a general fiber may be used.
［開繊工程］
次いでカットされた炭素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。より具体的にはカットされた炭素繊維を連続的に管内に導入し、圧力空気を直接繊維に吹き付けることにより、繊維束をバラバラに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。
[Opening process]
Next, the cut carbon fiber is introduced into the tube, and air is blown onto the fiber to open the fiber bundle. More specifically, it is a step of opening the fiber bundle apart by continuously introducing the cut carbon fibers into the tube and blowing the pressure air directly onto the fibers. The degree of opening can be appropriately controlled by air pressure or the like.
好ましい炭素繊維の開繊方法は、圧縮空気を直接炭素繊維に吹き付ける方法である。具体的には圧縮空気吹き付け孔より、好ましくは風速５〜５００ｍ／ｓｅｃにて空気を吹き付けることにより、炭素繊維を開繊させることができる。好ましくは炭素繊維の通る管内にΦ１ｍｍ程度の孔を数箇所あけ、外側より０．０１〜０．８ＭＰａ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、繊維束を任意の開繊度まで開繊することができる。 A preferred method for opening the carbon fiber is a method in which compressed air is blown directly onto the carbon fiber. Specifically, carbon fibers can be opened by blowing air from a compressed air blowing hole, preferably at a wind speed of 5 to 500 m / sec. Preferably, several openings having a diameter of about 1 mm are formed in a tube through which carbon fibers pass, pressure of about 0.01 to 0.8 MPa is applied from the outside, and compressed air is directly blown onto the fiber bundle, thereby opening the fiber bundle to an arbitrary degree of opening. Can be opened.
［塗布工程］
次いで開繊させた炭素繊維を拡散させると同時に、繊維状又はパウダー状の熱可塑性樹脂とともに吸引し、炭素繊維と熱可塑性樹脂を同時に散布する塗布工程を行う。開繊させた炭素繊維と、繊維状又はパウダー状の熱可塑性樹脂とを同時に、シート上に塗布することで、本発明の複合基材を好適に得ることができる。
[Coating process]
Next, the spread carbon fiber is diffused, and at the same time, it is sucked together with the fibrous or powdery thermoplastic resin, and the coating process is performed to simultaneously spray the carbon fiber and the thermoplastic resin. The composite base material of the present invention can be suitably obtained by simultaneously applying the opened carbon fiber and the fibrous or powdery thermoplastic resin on the sheet.
塗布工程において、熱可塑性樹脂の供給量は、炭素繊維１００重量部に対し、５０〜１０００重量部であることが好ましい。より好ましくは、炭素繊維１００重量部に対し、熱可塑性樹脂５０〜６００重量部、更に好ましくは、炭素繊維１００重量部に対し、熱可塑性樹脂５０〜３００重量部である。 In the coating step, the amount of the thermoplastic resin supplied is preferably 50 to 1000 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the carbon fiber. More preferably, it is 50 to 600 parts by weight of the thermoplastic resin with respect to 100 parts by weight of the carbon fiber, and more preferably 50 to 300 parts by weight of the thermoplastic resin with respect to 100 parts by weight of the carbon fiber.
塗布工程において、炭素繊維および熱可塑性樹脂の供給量を適宜選択することで所望の厚さのものを得ることができる。
ここで、炭素繊維と、繊維状又はパウダー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。開繊した炭素繊維を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。炭素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、このとき炭素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炭素繊維を好ましく拡散させ散布することができる。
開繊装置下部に設けた通気性シート上に塗布することが好ましい。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。
In the coating step, a desired thickness can be obtained by appropriately selecting the supply amounts of the carbon fiber and the thermoplastic resin.
Here, it is preferable that the carbon fiber and the fibrous or powdery thermoplastic resin are dispersed so as to be two-dimensionally oriented. In order to apply the opened carbon fiber while being two-dimensionally oriented, an application method and a fixing method described below are important. In the carbon fiber coating method, it is preferable to use a tapered tube having a conical shape. In a tube such as a cone, air diffuses and the flow velocity in the tube is reduced. At this time, a rotational force is applied to the carbon fiber. The carbon fibers opened using this venturi effect can be preferably diffused and dispersed.
It is preferable to apply on a breathable sheet provided at the lower part of the opening device. Also for the following fixing step, it is preferable to spray on a movable breathable sheet having a suction mechanism.
［定着工程］
次いで塗布された炭素繊維および熱可塑性樹脂を定着させ、ランダムマットを得る。具体的には、塗布された炭素繊維および熱可塑性樹脂を通気性シート下部よりエアを吸引して炭素繊維を定着させ、ランダムマットを得る。炭素繊維と同時に散布された熱可塑性樹脂は混合されつつ、繊維状であればエア吸引により、パウダー状であっても炭素繊維に伴って定着される。
[Fixing process]
Next, the applied carbon fiber and the thermoplastic resin are fixed to obtain a random mat. Specifically, the applied carbon fiber and thermoplastic resin are sucked from the lower part of the breathable sheet to fix the carbon fiber to obtain a random mat. The thermoplastic resin sprayed simultaneously with the carbon fiber is mixed, and if it is in the form of a fiber, it is fixed with the carbon fiber even if it is in powder form by air suction.
具体的には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次元配向の高いランダムマットを得ることができる。又、発生する負圧を用いてパウダー状、又は短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、炭素繊維と容易に混合することができる。
上記のランダムマットの好ましい製造方法により、繊維の長軸が３次元方向に配向しているものが少なく、二次元配向性のあるランダムマットとすることができる。
Specifically, a random mat with a high two-dimensional orientation can be obtained by suction from the lower part through a breathable sheet. Also, the powdered or short fiber thermoplastic resin can be sucked using the generated negative pressure, and can be easily mixed with the carbon fiber by the diffusion flow generated in the tube.
According to the above preferred method for producing a random mat, there are few fibers whose major axes are oriented in the three-dimensional direction, and a random mat having a two-dimensional orientation can be obtained.
［加圧工程］
次いで得られたランダムマットを加圧して本発明の複合基材を得る。加圧工程における加圧手段にとくに限定はないが、例えば連続工程の場合はローラー又はベルトによる加圧が好ましく挙げられ、バッチでは真空成形やプレス成形などが好ましい。ローラーによる加圧の場合は、たとえば図４のようにランダムマットをローラー間に通して加圧する方法が具体的に挙げられる。その場合加圧ローラーは一段であっても多段であってもよい。ベルトによる加圧の場合は、たとえばダブルベルトプレスのような手段が挙げられる。加圧にあたり、基材は予めマトリクスである熱可塑性樹脂の融点、または熱可塑性樹脂が非晶性の場合はガラス転移温度以上に加熱しておき、その後加圧することが好ましい。加圧媒体は、マトリクスである熱可塑性樹脂の融点またはガラス転移点以上に調整されていても、融点またはガラス転移点未満に調整されていても良い。加圧媒体の少なくとも一方をマトリクスである熱可塑性樹脂の溶融温度以上に調整することで、加熱工程と加圧工程を連続工程とすることがより好ましい。図４〜６に加圧ローラーの構成例の模式図を示すが、図６に示すように後段にマトリクスである熱可塑性樹脂のガラス転移点未満に保持された冷却ローラーを設け、最終的にマトリクスである熱可塑性樹脂を固化させて複合基材を得ることも好ましい。
[Pressure process]
Next, the obtained random mat is pressurized to obtain the composite substrate of the present invention. Although there is no limitation in particular in the pressurization means in a pressurization process, For example, in the case of a continuous process, the pressurization with a roller or a belt is mentioned preferably, In a batch, vacuum forming, press molding, etc. are preferable. In the case of pressurization with a roller, for example, a method in which a random mat is pressed between rollers as shown in FIG. 4 is specifically mentioned. In that case, the pressure roller may be a single stage or multiple stages. In the case of pressurization with a belt, means such as a double belt press can be used. In pressurization, the base material is preferably heated in advance to the melting point of the thermoplastic resin as a matrix, or the glass transition temperature or higher when the thermoplastic resin is amorphous, and then pressurized. The pressurizing medium may be adjusted to be higher than the melting point or glass transition point of the thermoplastic resin as a matrix, or may be adjusted to be lower than the melting point or glass transition point. More preferably, the heating step and the pressurization step are made continuous by adjusting at least one of the pressurization media to be equal to or higher than the melting temperature of the thermoplastic resin as the matrix. 4 to 6 show schematic diagrams of configuration examples of the pressure roller. As shown in FIG. 6, a cooling roller held below the glass transition point of the thermoplastic resin as a matrix is provided in the subsequent stage, and finally the matrix is provided. It is also preferable to obtain a composite substrate by solidifying the thermoplastic resin.
連続工程とする際、加熱の仕方は加圧媒体の全面を加熱しても良いし、局所的に加熱してもよい。加圧および／または加熱処理を施すことでランダムマット中の熱可塑性樹脂を溶融し、部分含浸させることができる。加熱温度にとくに限定はないが、好ましくはランダムマットの基材温度がマトリクス樹脂の融点以上融点プラス１００℃以下、より好ましくはマトリクス樹脂の融点以上融点プラス５０℃以下となるように温度設定するのが好ましい。マトリクス樹脂が非晶性の場合はガラス転移点以上ガラス転移点プラス１００℃以下となるように温度設定するのが好ましい。加圧する際、加圧媒体間の距離が０．１ｍｍ以上１０．０ｍｍ以下に制御された加圧媒体間を通して加圧することが好ましい。加熱工程を連続工程とする際には加熱／加圧の後に冷却することで基材を固定することもできる。 In the continuous process, the heating method may be performed by heating the entire surface of the pressure medium or locally. By applying pressure and / or heat treatment, the thermoplastic resin in the random mat can be melted and partially impregnated. The heating temperature is not particularly limited, but preferably the temperature is set so that the base temperature of the random mat is not lower than the melting point of the matrix resin and the melting point plus 100 ° C. or lower, more preferably not lower than the melting point of the matrix resin and the melting point plus 50 ° C. or lower. Is preferred. When the matrix resin is amorphous, it is preferable to set the temperature so that the glass transition point is not less than the glass transition point plus 100 ° C. or less. When pressurizing, it is preferable to pressurize between the pressurizing media in which the distance between the pressurizing media is controlled to be 0.1 mm or more and 10.0 mm or less. When making a heating process into a continuous process, a base material can also be fixed by cooling after heating / pressurization.
加圧工程において、表面が平坦なローラーやベルトで全体を均一に加圧しても良いが、エンボス形状のローラーやベルトを用いることで、複合基材の表面に凹凸処理を施すことが好ましい。本発明の複合基材の凸部が一軸方向に直線または曲線状に連続形成されていることが好ましい。さらには凸部が多軸方向に直線または曲線状に連続形成されていることが好ましい。具体的形状の模式図を図７に例示するが、凸部が一軸方向に直線または曲線状に連続形成されていること、さらには凸部が多軸方向に直線または曲線状に連続形成されていることが好ましい。具体的には縞状、格子状、または斜め格子状のものが挙げられる。また凹凸の形状はとくに限定はなく、丸、四角、ハニカム状でも良い。エンボスローラーまたはベルトは先述の加熱工程に続けて設けても良いし、加熱ローラーの表面にエンボス加工されているものを用いても良い。エンボスローラーやベルトを用いる時は、加圧媒体の一方において弾性体または超塑性合金製のローラーを使用することが好ましい。弾性体としてはとくに限定はないが、ゴムやプラスチック、アラミド繊維などを用いる。超塑性合金としては超塑性アルミニウム合金、マグネシウム合金、鉄合金、チタン合金などを用いる。図５に加圧ローラーとしてエンボスローラー、および弾性体ローラーを用いた場合の例を示す。 In the pressurizing step, the whole surface may be uniformly pressed with a roller or belt having a flat surface, but it is preferable to perform an uneven treatment on the surface of the composite substrate by using an embossed roller or belt. It is preferable that the convex part of the composite base material of this invention is continuously formed in the uniaxial direction in the straight line or the curve form. Furthermore, it is preferable that the convex portions are continuously formed in a linear or curved shape in the multiaxial direction. A schematic diagram of a specific shape is illustrated in FIG. 7, but the convex portion is continuously formed in a straight line or a curved shape in a uniaxial direction, and further, the convex portion is continuously formed in a linear or curved shape in a multiaxial direction. Preferably it is. Specifically, a striped shape, a lattice shape, or an oblique lattice shape can be mentioned. The shape of the irregularities is not particularly limited, and may be round, square, or honeycomb. The embossing roller or belt may be provided following the heating step described above, or one embossed on the surface of the heating roller may be used. When using an embossing roller or a belt, it is preferable to use a roller made of an elastic body or a superplastic alloy in one of the pressure media. Although there is no limitation in particular as an elastic body, rubber | gum, a plastic, an aramid fiber, etc. are used. As the superplastic alloy, a superplastic aluminum alloy, magnesium alloy, iron alloy, titanium alloy, or the like is used. FIG. 5 shows an example in which an embossing roller and an elastic roller are used as the pressure roller.
[成形体]
本発明の複合基材は、成形の前駆体として用いられる。成形方法に特に限定はないが、例えば真空成形や液圧成形、ホットプレス、コールドプレス等により成形することで好適に成形体を得ることが出来る。
[Molded body]
The composite substrate of the present invention is used as a molding precursor. Although there is no limitation in particular in a shaping | molding method, a molded object can be suitably obtained by shape | molding, for example by vacuum forming, hydraulic forming, a hot press, a cold press etc.
［積層体］
本発明の複合基材の少なくとも一方の表面の一部、または全面に、さらに炭素繊維の一方向材を積層し、複合基材とすることも好ましい。本発明は、複合基材の全面または一部に、さらに炭素繊維の一方向材を積層した積層体を含む。一方向材は、炭素繊維の連続繊維が一方向に引き揃えられた一方向材と熱可塑性樹脂とからなる。一方向材は、複数の一方向材を積層したものであっても良く、一方向に引き揃えた繊維強化材の束をシート状にして角度を変えて積層したもの（多軸織物基材）を、ナイロン糸、ポリエステル糸、ガラス繊維糸等のステッチ糸で、この積層体を厚さ方向に貫通して、積層体の表面と裏面の間を表面方向に沿って往復しステッチしたような多軸織物であっても良い。
[Laminate]
It is also preferred that a carbon fiber unidirectional material is further laminated on a part or the entire surface of at least one surface of the composite base material of the present invention to form a composite base material. The present invention includes a laminate in which a carbon fiber unidirectional material is further laminated on the entire surface or a part of a composite substrate. The unidirectional material is composed of a unidirectional material in which continuous fibers of carbon fibers are aligned in one direction and a thermoplastic resin. The unidirectional material may be a laminate of a plurality of unidirectional materials, and a bundle of fiber reinforcements aligned in one direction and laminated at different angles (multiaxial fabric base material) Nylon yarn, polyester yarn, glass fiber yarn, and other stitch yarns that pass through the laminate in the thickness direction and are stitched by reciprocating between the front and back surfaces of the laminate along the surface direction. A shaft fabric may be used.
一方向材を構成する炭素繊維の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。
一方向材における熱可塑性樹脂の存在量が、炭素繊維１００重量部に対し、３０〜２００重量部であることが好ましい。熱可塑性樹脂の存在量は、より好ましくは炭素繊維１００重量部に対し、４０〜１００重量部である。
一方向材を構成する熱可塑性樹脂は複合基材におけるマトリクスと同一であっても異なっていても良い。熱可塑性樹脂の具体例としては複合基材における熱可塑性樹脂の項で述べたものと同じものが挙げられる。
The average fiber diameter of the carbon fibers constituting the unidirectional material is preferably 3 to 12 μm, more preferably 5 to 7 μm.
The amount of the thermoplastic resin in the unidirectional material is preferably 30 to 200 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the carbon fiber. The abundance of the thermoplastic resin is more preferably 40 to 100 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the carbon fibers.
The thermoplastic resin constituting the unidirectional material may be the same as or different from the matrix in the composite substrate. Specific examples of the thermoplastic resin include the same ones described in the section of the thermoplastic resin in the composite substrate.
積層の接着方法としては、特に限定は無いが例えば熱溶着や圧着する方法が挙げられる。圧着する場合は、上述のランダムマットを加圧する工程にて基材と一方向材を合わせて加圧工程に処することも好ましい。積層の接着部分は一部または全面であってもよいが、賦型性の面からは部分的に接着することが好ましい。 There are no particular limitations on the method of laminating, but examples include heat welding and pressure bonding. In the case of pressure bonding, it is also preferable that the base material and the unidirectional material are combined and subjected to a pressurizing step in the step of pressurizing the random mat. A part or the whole of the adhesion part of the laminate may be used, but it is preferable to adhere partly from the viewpoint of moldability.
以下に実施例を示すが、本発明はこれらに制限されるものではない。
［空孔率の求め方］
１）複合基材の全体もしくは所定の面積における厚みを、ノギス等を用いて負荷をかけずに１／１００ｍｍまで１００点／ｍ２測定し、得られた値を元に基材の平均厚み（ｔ２）を求める。
２）複合基材の炭素繊維および熱可塑性樹脂の素材存在量より、空孔率０％での理論厚み（ｔ１）を計算する。
３）空孔量（ｔ２−ｔ１）より複合基材の空孔率（Ｖｒ）を以下の式（３）により求める。
Ｖｒ＝（ｔ２−ｔ１）／ｔ２ （３）
Examples are shown below, but the present invention is not limited thereto.
[How to find porosity]
1) The thickness of the entire composite substrate or a predetermined area is measured to 100 / m 2 up to 1/100 mm without applying a load using calipers or the like, and the average thickness of the substrate based on the obtained value ( t2) is obtained.
2) The theoretical thickness (t1) at a porosity of 0% is calculated from the abundance of carbon fiber and thermoplastic resin in the composite substrate.
3) The porosity (Vr) of the composite base material is determined by the following formula (3) from the amount of pores (t2-t1).
Vr = (t2-t1) / t2 (3)
［複合基材における炭素繊維束（Ａ）の繊維全量に対する割合の求め方］
１）複合基材を１００ｍｍ×１００ｍｍに切り出し、５００℃×１時間程度、炉内にて樹脂を除去する。
２）樹脂を除去した複合基材より、繊維束をピンセットで全て取り出す。
３）全ての繊維束について、個々の繊維束の長さ（Ｌｉ）と重量（Ｗｉ）を測定し、記録する。ピンセットにて取り出す事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、１／１００ｍｇまで測定可能な天秤を用いる。ランダムマットに使用している強化繊維の繊維径（Ｄ）より、臨界単糸数を計算し、臨界単糸数以上の強化繊維束（Ａ）と、それ以外に分ける。なお、2種類以上の強化繊維が使用されている場合には、繊維の種類毎に分け、各々について測定及び評価を行う。
４）全ての分類について測定後、強化繊維束（Ａ）の平均繊維数（Ｎ）を以下の計算により求める。
各強化繊維束中の繊維本数（Ｎｉ）は使用している強化繊維の繊度（Ｆ）より、式（４）により求められる。
Ｎｉ＝Ｗｉ／（Ｌｉ×Ｆ） （４）
強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は強化繊維束（Ａ）の束の数（Ｉ）より、以下の式（５）により求める。
Ｎ＝ΣＮｉ／Ｉ （５）
また、強化繊維束（Ａ）のマットの繊維全体に対する割合（ＶＲ）は、強化繊維の繊維比重（ρ）を用いて次式（６）により求められる。
ＶＲ＝Σ（Ｗｉ／ρ）×１００／（（Ｗｋ＋ΣＷｉ）／ρ） （６）
[How to find the ratio of the carbon fiber bundle (A) in the composite substrate to the total amount of fibers]
1) The composite base material is cut out to 100 mm × 100 mm, and the resin is removed in a furnace for about 500 ° C. × 1 hour.
2) From the composite substrate from which the resin has been removed, take out all the fiber bundles with tweezers.
3) For all fiber bundles, measure and record the length (Li) and weight (Wi) of each fiber bundle. When the fiber bundle is so small that it cannot be taken out by tweezers, the weight is finally measured together (Wk). At this time, a balance capable of measuring up to 1/100 mg is used. The number of critical single yarns is calculated from the fiber diameter (D) of the reinforcing fibers used in the random mat, and is divided into a reinforcing fiber bundle (A) having a number of critical single yarns or more and the other. In addition, when two or more types of reinforcing fibers are used, it is divided for each type of fiber, and measurement and evaluation are performed for each.
4) After measurement for all the classifications, the average number of fibers (N) of the reinforcing fiber bundle (A) is obtained by the following calculation.
The number of fibers (Ni) in each reinforcing fiber bundle is determined by the formula (4) from the fineness (F) of the reinforcing fibers used.
Ni = Wi / (Li × F) (4)
The average number of fibers (N) in the reinforcing fiber bundle (A) is obtained from the number (I) of the reinforcing fiber bundle (A) according to the following formula (5).
N = ΣNi / I (5)
Further, the ratio (VR) of the reinforcing fiber bundle (A) to the entire fibers of the mat is obtained by the following equation (6) using the fiber specific gravity (ρ) of the reinforcing fibers.
VR = Σ (Wi / ρ) × 100 / ((Wk + ΣWi) / ρ) (6)
［参考例１］
炭素繊維として、東邦テナックス社製の炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＳＴＳ４０−２４Ｋ（繊維径７μｍ、引張強度４０００ＭＰａ、繊維束幅１０ｍｍ）を使用した。カット装置には、刃幅を０．５ｍｍ、ナイフ間隔を２０ｍｍとしたロータリーカッターを用い、繊維長２０ｍｍにカットするようにし、コンプレッサーで圧縮空気を送気して開繊させた。このロータリーカッターの直下にテーパ管を配置し、側面よりマトリックス樹脂として、２ｍｍにドライカットしたポリアミド６６繊維（旭化成せんい社製 Ｔ５ナイロン １４００ｄｔｅｘ）を供給した。次に、テーパ管出口の下部に、吸引テーブルを設置し、テーブルの下部にブロワを設置して吸引を行った。そして、炭素繊維の供給量を１２００ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂の供給量を１４００ｇ／ｍｉｎにセットし、装置を稼動し、平均繊維長２０ｍｍの炭素繊維とポリアミド６６が混合された、厚み８ｍｍ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おける強化繊維の形態を観察したところ、強化繊維の繊維軸は面とほぼ並行にあり、面内においては無作為に分散されていた。得られたマット中において、式（１）で定義される臨界単糸数は８６、臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）中の平均単糸数（Ｎ）は８００であり、臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）の割合は３０Ｖｏｌ％であった。
[Reference Example 1]
As the carbon fiber, carbon fiber “Tenax” (registered trademark) STS40-24K (
［参考例２］
炭素繊維として、東邦テナックス社製の炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＳＴＳ４０−２４Ｋ（繊維径７μｍ、引張強度４０００ＭＰａ、繊維束幅１０ｍｍ）を使用した。カット装置には、刃幅を０．５ｍｍ、ナイフ間隔を５０ｍｍとしたロータリーカッターを用い、繊維長５０ｍｍにカットするようにし、コンプレッサーで圧縮空気を送気して開繊させた。このロータリーカッターの直下にテーパ管を配置し、側面よりマトリックス樹脂として、２ｍｍにドライカットしたポリアミド６６繊維（旭化成せんい社製 Ｔ５ナイロン １４００ｄｔｅｘ）を供給した。次に、テーパ管出口の下部に、吸引テーブルを設置し、テーブルの下部にブロワを設置して吸引を行った。そして、炭素繊維の供給量を１５００ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂の供給量を５５００ｇ／ｍｉｎにセットし、装置を稼動し、平均繊維長５０ｍｍの炭素繊維とポリアミド６６が混合された、厚み３ｍｍ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おける強化繊維の形態を観察したところ、強化繊維の繊維軸は面とほぼ並行にあり、面内においては無作為に分散されていた。得られたマット中において、式（１）で定義される臨界単糸数は８６、臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）中の平均単糸数（Ｎ）は１０００であり、臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）の割合は５０Ｖｏｌ％であった。
[Reference Example 2]
As the carbon fiber, carbon fiber “Tenax” (registered trademark) STS40-24K (
［参考例３］
炭素繊維として、東邦テナックス社製の炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＳＴＳ４０−２４Ｋ（繊維径７μｍ、引張強度４０００ＭＰａ、繊維束幅１０ｍｍ）を使用した。カット装置には、刃幅を０．５ｍｍ、ナイフ間隔を２０ｍｍとしたロータリーカッターを用い、繊維長２０ｍｍにカットするようにし、開繊装置で圧縮空気圧を０ＭＰａにして繊維を開繊させることなく、ロータリーカッター直下のテーパ管に搬送した。テーパ管の側面よりマトリックス樹脂として、２ｍｍにドライカットしたポリアミド６６繊維（旭化成せんい社製 Ｔ５ナイロン １４００ｄｔｅｘ）を供給した。次に、テーパ管出口の下部に吸引テーブルを設置し、テーブル下部よりブロワにて吸引を行った。そして、炭素繊維の供給量を１２００ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂の供給量を１４００ｇ／ｍｉｎにセットすることで、平均繊維長２０ｍｍの炭素繊維にポリアミド６６を混合したランダムマットを作製した。得られたランダムマットにおける強化繊維の形態を観察したところ、強化繊維の繊維軸は面とほぼ並行にあり、面内においては無作為に分散されていた。得られたマット中において、式（１）で定義される臨界単糸数は８６、臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）中の平均単糸数（Ｎ）は２４００であり、臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）の割合は９９Ｖｏｌ％であった。
[Reference Example 3]
As the carbon fiber, carbon fiber “Tenax” (registered trademark) STS40-24K (
［参考例４］
炭素繊維として、東邦テナックス社製の炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＩＭＳ４０−１２Ｋ（繊維径６．４μｍ、引張強度４７００ＭＰａ、繊維束幅１０ｍｍ）を使用した。カット装置には、刃幅を０．５ｍｍ、ナイフ間隔を１２ｍｍとしたロータリーカッターを用い、繊維長１２ｍｍにカットするようにし、コンプレッサーを用いて圧縮空気で開繊させた。ロータリーカッターの直下にテーパ管を配置し、側面よりマトリックス樹脂を供給し、このマトリックス樹脂として、２ｍｍにドライカットしたポリアミド６６繊維（旭化成せんい社製 Ｔ５ナイロン １４００ｄｔｅｘ）を用いた。次に、テーパ管出口の下部に、吸引テーブルを設置し、テーブルの下部にブロワを配置して吸引を行った。そして、炭素繊維の供給量を４０００ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂の供給量を２６００ｇ／ｍｉｎにセットし、装置を稼動し、平均繊維長１２ｍｍの炭素繊維とポリアミド６６が混合された、厚み６ｍｍ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おける強化繊維の形態を観察したところ、強化繊維の繊維軸は面とほぼ並行にあり、面内においては無作為に分散されていた。得られたマット中において、式（１）で定義される臨界単糸数は９４、臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ａ）中の平均単糸数（Ｎ）は９００、臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ａ）の割合は８０Ｖｏｌ％であった。
[Reference Example 4]
Carbon fiber “Tenax” (registered trademark) IMS 40-12K (fiber diameter 6.4 μm, tensile strength 4700 MPa,
［参考例５］
炭素繊維として、東邦テナックス社製の炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＩＭＳ４０−１２Ｋ（繊維径６．４μｍ、引張強度４７００ＭＰａ、繊維束幅１０ｍｍ）を使用した。カット装置には、刃幅を０．５ｍｍ、ナイフ間隔を１２ｍｍとしたロータリーカッターを用い、繊維長１２ｍｍにカットするようにし、コンプレッサーを用いて圧縮空気で開繊させた。ロータリーカッターの直下にテーパ管を配置し、側面よりマトリックス樹脂として、５００μｍに粉砕、分級したポリカーボネートパウダー（帝人化成社製 “パンライト”（登録商標）Ｌ−１２２５Ｙ）を供給した。次に、テーパ管出口の下部に、吸引テーブルを設置し、テーブル下部にブロワを配置して吸引を行った。そして、炭素繊維の供給量を４０００ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂の供給量を２７００ｇ／ｍｉｎにセットし、装置を稼動し、平均繊維長１２ｍｍの炭素繊維とポリカーボネートが混合された、厚み６ｍｍ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おける強化繊維の形態を観察したところ、強化繊維の繊維軸は面とほぼ並行にあり、面内においては無作為に分散されていた。得られたマット中において、式（１）で定義される臨界単糸数は９４、臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ａ）中の平均単糸数（Ｎ）は９００、臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ａ）の割合は８０Ｖｏｌ％であった。
[Reference Example 5]
Carbon fiber “Tenax” (registered trademark) IMS 40-12K (fiber diameter 6.4 μm, tensile strength 4700 MPa,
［実施例１］
参考例１で得られたランダムマットを図６に示すように加熱ローラー（8-c）を３００℃に調整し、５ｋＮ／ｍにて１ｍ／ｍｉｎにて加熱しながら加圧し、図６の8-dに示す５０℃に設定した冷却ローラーで冷却して、平均厚みｔ＝３．８ｍｍの複合基材を得た。得られた複合基材について、式（３）で定義される複合基材の空孔率は４９Ｖｏｌ％であった。この複合基材は常温で持ち運びすることができ、図８（ａ）に示すような、二平面の成す角が１１０°である形状を有する金型面に基材を配置し、その上面をナイロンフィルム（Airtech社製“WL7400” 厚さ50μm）で覆った後真空圧で金型面へと賦型させたところ、裂けや皺が生じることなく賦型させることが出来た。
[Example 1]
As shown in FIG. 6, the random mat obtained in Reference Example 1 was adjusted to 300 ° C. with a heating roller (8-c) and pressurized while being heated at 1 k / min at 5 kN / m, and 8 in FIG. It cooled with the cooling roller set to 50 degreeC shown to -d, and obtained the composite base material of average thickness t = 3.8mm. About the obtained composite base material, the porosity of the composite base material defined by Formula (3) was 49 Vol%. This composite base material can be carried at room temperature, and the base material is disposed on a mold surface having a shape with an angle formed by two planes of 110 ° as shown in FIG. After covering with a film (Airtech “WL7400” thickness 50 μm) and then forming onto the mold surface with vacuum pressure, it was possible to form without tearing or wrinkling.
［実施例２］
参考例１で得られたランダムマットを図５、図７（ａ）に示すような凹凸の高さ３ｍｍ、幅３０ｍｍのエンボスローラーで３００℃に加熱しながら５ｋＮ／ｍにて１ｍ／ｍｉｎにて加圧し、平均厚みｔ＝３．５ｍｍの複合基材を得た。得られた複合基材にはエンボスローラーの凹凸が転写されており、式（３）で定義される複合基材の空孔率は４４Ｖｏｌ％であった。この複合基材は常温で持ち運びすることができ、面状体の凹凸に沿って図８（ｂ）に示すような、二平面の成す角が９０°の直角形状を有する金型面に基材を配置し、その上面をナイロンフィルム（Airtech社製“WL7400”）で覆った後真空圧で金型面へと賦型させたところ、裂けや皺が生じることなく賦型させることが出来た。その後３００℃に金型を加熱させ５ＭＰａで１０分間加圧し、成形させたところｔ＝２ｍｍの成形品が得られた。得られた成形品において、図８（ｃ）の10-aに示す上面および、10-bに示す下面の平坦部から２５×２５０ｍｍの試験片をそれぞれ切り出し（図中の長方形部分）、ＪＩＳ７１６４に準拠し測定を行った結果、10-aでの引張強度は４２０ＭＰａ、10-bでの引張強度は３８６ＭＰａで、切り出し場所による引張強度差は９％であった。また10-aにおいて、０度方向と９０度方向の引張弾性率比は１．０８であった。
[Example 2]
While the random mat obtained in Reference Example 1 was heated to 300 ° C. with an embossing roller having an uneven height of 3 mm and a width of 30 mm as shown in FIG. 5 and FIG. 7A, it was 1 k / min at 5 kN / m. The composite substrate having an average thickness t = 3.5 mm was obtained by applying pressure. The unevenness of the embossing roller was transferred to the obtained composite base material, and the porosity of the composite base material defined by the formula (3) was 44 Vol%. This composite substrate can be carried at room temperature, and the substrate is placed on the mold surface having a right angle of 90 ° formed by two planes as shown in FIG. When the upper surface was covered with a nylon film ("WL7400" manufactured by Airtech) and molded onto the mold surface with vacuum pressure, the mold could be molded without tearing or wrinkling. Thereafter, the mold was heated to 300 ° C., pressurized at 5 MPa for 10 minutes, and molded to obtain a molded product of t = 2 mm. In the obtained molded product, a 25 × 250 mm test piece was cut out from the flat portion of the upper surface shown in 10-a and the lower surface shown in 10-b of FIG. 8 (c) (rectangular portion in the drawing). As a result of measurement based on the results, the tensile strength at 10-a was 420 MPa, the tensile strength at 10-b was 386 MPa, and the difference in tensile strength depending on the cut-out location was 9%. In 10-a, the tensile modulus ratio between the 0 degree direction and the 90 degree direction was 1.08.
［実施例３］
参考例２で得られたランダムマットを図５および図７（ｂ）に示すような凹凸の間隔が３０ｍｍで、その高さが０．５ｍｍからなるエンボスローラーで３００℃に加熱しながら５ｋＮ／ｍにて５ｍ／ｍｉｎにて加圧し、平均厚みｔ＝１．３ｍｍの複合基材を得た。得られた複合基材にはエンボスローラーの凹凸が転写されており、式（３）で定義される複合基材の空孔率は１３Ｖｏｌ％であった。この複合基材は常温で持ち運びすることができ、図８（ｄ）に示すような、複数の凹部を含む三次元形状で、その凹部の間隔が３０ｍｍであり、その高さが１０ｍｍである金型面に基材を配置し、その上面をナイロンフィルム（Airtech社製“WL7400”）で覆った後真空圧で金型面へと賦型させたところ、裂けや皺が生じることなく賦型させることが出来た。
[Example 3]
The random mat obtained in Reference Example 2 is 5 kN / m while being heated to 300 ° C. with an embossing roller having an unevenness interval of 30 mm and a height of 0.5 mm as shown in FIGS. 5 and 7B. Was pressed at 5 m / min to obtain a composite substrate having an average thickness t = 1.3 mm. The unevenness of the embossing roller was transferred to the obtained composite base material, and the porosity of the composite base material defined by the formula (3) was 13 Vol%. This composite substrate can be carried at room temperature, and has a three-dimensional shape including a plurality of recesses as shown in FIG. 8 (d). The interval between the recesses is 30 mm, and the height is 10 mm. Place the base material on the mold surface, cover the upper surface with nylon film (Airtech “WL7400”), and then mold it onto the mold surface with vacuum pressure. I was able to do it.
［実施例４］
参考例２で得られたランダムマットに炭素繊維（東邦テナックス社製の炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＵＴＳ５０−２４Ｋ（繊維径７μｍ、引張強度５０００ＭＰａ））の連続繊維を一方向材とし、ランダムマット上に連続的に重ね合わせ、ランダムマットの表面に連続繊維を配置した厚み３．２ｍｍ程度のマットを得た。それを図５、図７（ａ）に示すような形状を有する、一方向材の０度方向に対して垂直に配置した、３００℃に加熱したエンボスローラーで、５ｋＮ／ｍ、２ｍ／ｍｉｎにて連続的に加圧し、平均厚みｔ＝１．８ｍｍのランダムマットと連続繊維から成る複合基材を得た。得られた複合基材には一方向材の９０度方向に連続的にエンボスローラーの凹凸が転写されており、式（３）で定義される複合基材の空孔率は１２Ｖｏｌ％であった。この複合基材は常温で持ち運びすることができ、面状体の凹凸に沿って図８（ｂ）に示すような、二平面の成す角が９０°の直角形状を有する金型面に基材を配置、その上面をナイロンフィルム（Airtech社製“WL7400”）で覆った後真空圧で金型面へと賦型させたところ、裂けや皺が生じることなく賦型させることが出来た。
[Example 4]
Random mats obtained in Reference Example 2 are made of continuous fibers of carbon fibers (carbon fiber “Tenax” (registered trademark) UTS50-24K (fiber diameter: 7 μm, tensile strength: 5000 MPa) manufactured by Toho Tenax Co., Ltd.) as unidirectional materials. A mat having a thickness of about 3.2 mm in which continuous fibers are arranged on the surface of the random mat and continuous fibers are arranged is obtained. 5 kN / m and 2 m / min with an embossing roller having a shape as shown in FIG. 5 and FIG. 7A and arranged perpendicular to the 0 degree direction of the unidirectional material and heated to 300 ° C. Then, a composite base material composed of a random mat having an average thickness t = 1.8 mm and continuous fibers was obtained. The unevenness of the embossing roller was continuously transferred to the obtained composite base material in the 90-degree direction of the unidirectional material, and the porosity of the composite base material defined by the formula (3) was 12 Vol%. . This composite substrate can be carried at room temperature, and the substrate is placed on the mold surface having a right angle of 90 ° formed by two planes as shown in FIG. After the upper surface was covered with a nylon film ("WL7400" manufactured by Airtech) and molded onto the mold surface with vacuum pressure, the mold could be molded without tearing or wrinkling.
［実施例５］
参考例３で得られたランダムマットを図６に示すような３００℃に加熱したローラーで２ｋＮ／ｍ、１ｍ／ｍｉｎにて加圧することでｔ＝２．５ｍｍの複合基材を得た。得られた複合基材は図８（ｂ）に示すような、二平面の成す角が９０°の直角形状を有する金型面に賦型させることができた。その後金型を３００℃に加熱させ、４ＭＰａで１０分間加圧し、成形させたところｔ＝２ｍｍの成形品が得られた。得られた成形品において、図８（ｃ）の10-aに示す上面および、10-bに示す下面の平坦部から２５×２５０ｍｍの試験片をそれぞれ切り出し（図中の長方形部分）、ＪＩＳ７１６４に準拠し測定を行った結果、10-aでの引張強度は４２０ＭＰａ、10-bでの引張強度は３３６ＭＰａで、切り出し場所による引張強度差は２５％であった。また10-aにおいて、０度方向と９０度方向の引張弾性率比は１．１４であった。
[Example 5]
The random mat obtained in Reference Example 3 was pressed at 2 kN / m and 1 m / min with a roller heated to 300 ° C. as shown in FIG. 6 to obtain a composite substrate of t = 2.5 mm. The obtained composite substrate could be molded into a mold surface having a right-angle shape with an angle of 90 ° formed by two planes as shown in FIG. Thereafter, the mold was heated to 300 ° C., pressurized at 4 MPa for 10 minutes, and molded to obtain a molded product of t = 2 mm. In the obtained molded product, a 25 × 250 mm test piece was cut out from the flat portion of the upper surface shown in 10-a and the lower surface shown in 10-b of FIG. 8 (c) (rectangular portion in the drawing). As a result of measurement based on the results, the tensile strength at 10-a was 420 MPa, the tensile strength at 10-b was 336 MPa, and the difference in tensile strength depending on the cut-out location was 25%. At 10-a, the tensile modulus ratio in the 0 degree direction and the 90 degree direction was 1.14.
［実施例６］
参考例４で得られたランダムマットを図５、図７（ａ）に示すような凹凸の高さが３ｍｍからなるエンボスローラーで３００℃に加熱しながら４ｋＮ／ｍにて２ｍ／ｍｉｎにて加圧した。得られた複合基材にはエンボスローラーの凹凸が転写されており、凸部の厚みが５．３ｍｍで凹部の厚みが２．３ｍｍからなる平均厚みｔ＝３ｍｍの複合基材を得た。この複合基材において、図９の11-aに示す凸部の局所空孔率は５７Ｖｏｌ％、11-bに示す凹部の局所空孔率２Ｖｏｌ％であり、全体の空孔率は２５Ｖｏｌ％であった。この面状体の凹凸に沿って図８（ｂ）に示すような、二平面の成す角が９０°の直角形状を有する金型面に基材を配置、その上面をナイロンフィルム（Airtech社製“WL7400”）で覆った後真空圧で金型面へと賦型させたところ、裂けや皺が生じることなく賦型させることが出来た。
[Example 6]
The random mat obtained in Reference Example 4 was heated at 2 m / min at 4 kN / m while being heated to 300 ° C. with an embossed roller having an uneven height of 3 mm as shown in FIGS. Pressed. The unevenness of the embossing roller was transferred to the obtained composite base material, and a composite base material having an average thickness t = 3 mm consisting of a convex part thickness of 5.3 mm and a concave part thickness of 2.3 mm was obtained. In this composite substrate, the local porosity of the convex portion shown in 11-a of FIG. 9 is 57 Vol%, the local porosity of the concave portion shown in 11-b is 2 Vol%, and the overall porosity is 25 Vol%. there were. A substrate is arranged on the mold surface having a right angle shape of 90 ° formed by two planes as shown in FIG. 8 (b) along the irregularities of the planar body, and the upper surface thereof is a nylon film (manufactured by Airtech). After covering with “WL7400”) and forming on the mold surface with vacuum pressure, it was possible to form without tearing or wrinkling.
［実施例７］
参考例５で得られたランダムマットを図５、図７（ａ）に示すような凹凸の高さが３ｍｍのエンボスローラーで３２０℃に加熱しながら４ｋＮ／ｍにて２ｍ／ｍｉｎにて加圧し、平均厚みｔ＝３．２ｍｍの複合基材を得た。得られた複合基材にはエンボスローラーの凹凸が転写されていた。図９の11-aに示す凸部の局所空孔率は５９Ｖｏｌ％、11-bに示す凹部の局所空孔率は１０Ｖｏｌ％であり、全体の空孔率は３０Ｖｏｌ％であった。この複合基材は常温で持ち運びすることができ、面状体の凹凸に沿って図８（ｂ）に示すような、二平面の成す角が９０°の直角形状を有する金型面に基材を配置、その上面をナイロンフィルム（Airtech社製“WL7400”）で覆った後真空圧で金型面へと賦型させたところ、裂けや皺が生じることなく賦型させることが出来た。
[Example 7]
The random mat obtained in Reference Example 5 was pressed at 2 m / min at 4 kN / m while being heated to 320 ° C. with an embossing roller having a height of 3 mm as shown in FIGS. 5 and 7A. A composite substrate having an average thickness t = 3.2 mm was obtained. The unevenness of the embossing roller was transferred to the obtained composite substrate. The local porosity of the convex portion indicated by 11-a in FIG. 9 was 59 Vol%, the local porosity of the concave portion indicated by 11-b was 10 Vol%, and the overall porosity was 30 Vol%. This composite substrate can be carried at room temperature, and the substrate is placed on the mold surface having a right angle of 90 ° formed by two planes as shown in FIG. After the upper surface was covered with a nylon film ("WL7400" manufactured by Airtech) and molded onto the mold surface with vacuum pressure, the mold could be molded without tearing or wrinkling.
［比較例１］
炭素繊維ＨＴＡ−３Ｋ（東邦テナックス社製）を使用した幅１０００ｍｍの綾織織物Ｗ３１６１（ＣＦ目付 ２００ｇ／ｍ２）の上面にポリアミド６６樹脂（旭化成せんい社製 Ｔ５ナイロン）をメルトブロー法により目付け７００ｇ／ｍ２の不織布にして供給し、不織布側のエンボスローラーの加熱温度を２３０℃、繊維側のエンボスローラーの加熱温度を２７０℃として、線圧３ｋＮ／ｍ、ラインスピード１ｍ／ｍｉｎで加圧含浸し、繊維層厚み２５０μｍに対して、凸部で１％、凹部で１０％含浸している面状複合体を得た。得られた面状複合体にはエンボスローラーの凹凸が転写されており、式（３）で定義される複合基材の空孔率は６５Ｖｏｌ％であった。この面状体を実施例３と同様の金型面に基材を配置、その上面をフィルムで覆った後真空圧で金型面へと賦型させたところ、裂けは生じなかったものの繊維に皺が生じた。
[Comparative Example 1]
Polyamide 66 resin (T5 nylon, manufactured by Asahi Kasei Fibers) is applied on the upper surface of a 1000 mm wide twill weave W3161 (CF weight: 200 g / m 2 ) using carbon fiber HTA-3K (manufactured by Toho Tenax Co., Ltd.) by a melt blow method to 700 g / m. supplied in the second non-woven fabric, 230 ° C. the heating temperature of the nonwoven fabric side of the embossing rollers, the heating temperature of the fiber side of the embossing roller as 270 ° C., pressurized圧含soaked at a linear pressure of 3 kN / m, line speed 1 m / min, A planar composite body impregnated with 1% of convex portions and 10% of concave portions with respect to a fiber layer thickness of 250 μm was obtained. The unevenness of the embossing roller was transferred to the obtained planar composite, and the porosity of the composite substrate defined by the formula (3) was 65 Vol%. The substrate was placed on the same mold surface as in Example 3, and the upper surface was covered with a film and then molded into the mold surface with vacuum pressure. A habit occurred.
［比較例２］
参考例１で得られたランダムマットを図５、図７（ａ）に示すような凹凸の高さ０．５ｍｍのエンボスローラーで３００℃に加熱しながら５ｋＮ／ｍにて１ｍ／ｍｉｎにて加圧し、平均厚みｔ＝２．０ｍｍの複合基材を得た。得られた複合基材にはエンボスローラーの凹凸が転写されており、式（３）で定義される複合基材の空孔率は３％であった。この複合基材を実施例２と同様の金型面に賦型させたところ、基材が剛直であったために賦型させることが出来なかった。
[Comparative Example 2]
The random mat obtained in Reference Example 1 was heated at 3 kN / m at 1 m / min while being heated to 300 ° C. with an embossing roller having a concavo-convex height of 0.5 mm as shown in FIG. 5 and FIG. And a composite substrate having an average thickness t = 2.0 mm was obtained. The unevenness of the embossing roller was transferred to the obtained composite base material, and the porosity of the composite base material defined by the formula (3) was 3%. When this composite base material was molded on the same mold surface as in Example 2, it could not be molded because the base material was rigid.
１．炭素繊維
２．ピンチローラー
３．ゴムローラー
４．ロータリーカッター本体
５．刃
６．カットされた炭素繊維
７．周方向と刃の配列のなす角
８．加圧ローラー
８−ａ．弾性体ローラー
８−ｂ．エンボスローラー
８−ｃ．加熱ローラー
８−ｄ．冷却ローラー
９．複合基材
１０−ａ．成形品 上面
１０−ｂ．成形品 下面
１１−ａ．複合基材断面図 凸部
１１−ｂ．複合基材断面図 凹部
1. 1.
Claims (2)
１．炭素繊維を、ロータリーカッターにてカットする工程、
２．カットされた炭素繊維を管内に導入し、空気を炭素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．開繊させた炭素繊維を拡散させると同時に、繊維状又はパウダー状の熱可塑性樹脂とともに吸引し、炭素繊維と熱可塑性樹脂を同時に散布する塗布工程、
４．塗布された炭素繊維および熱可塑性樹脂を定着させ、ランダムマットを得る工程、
５．得られたランダムマットを加圧する工程。 A planar body made of carbon fibers having a fiber length of 5 mm or more and 100 mm or less and a matrix resin which is a thermoplastic resin, which is manufactured from the following steps 1 to 5, and the carbon fibers are welded by a matrix resin which is a thermoplastic resin. A method for producing a composite base material having an average porosity of 5% or more and less than 70% and an amount of the thermoplastic resin of 50 to 1000 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the carbon fiber.
1. Cutting carbon fiber with a rotary cutter,
2. A step of opening the fiber bundle by introducing the cut carbon fiber into the pipe and blowing air onto the carbon fiber;
3. A spreading process of spreading the opened carbon fiber and simultaneously sucking the carbon fiber and the thermoplastic resin by sucking together with the fibrous or powdered thermoplastic resin,
4). Fixing the applied carbon fiber and thermoplastic resin to obtain a random mat;
5. A step of pressing the obtained random mat.
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