JP5996320B2 - Random mat manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、熱可塑性樹脂をマトリックスとする等方性に優れた繊維強化複合材料を得るために好適なランダムマットを製造する方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a random mat suitable for obtaining a fiber-reinforced composite material having excellent isotropy using a thermoplastic resin as a matrix.
樹脂が、炭素繊維やアラミド繊維、ガラス繊維等の強化繊維により強化された繊維強化複合材料は、その高い比強度・比弾性率を生かして、航空機や自動車等の構造材料、釣り竿、テニスラケット、ゴルフシャフト等のスポーツ用品あるいは一般産業用途に広く利用されている。これらの繊維強化複合材料に用いられる強化繊維の形態としては、連続繊維からなる織物や、１方向に繊維が引き揃えられたＵＤシート、カットした繊維を用いて作られるランダムマット、不織布等がある。 Fiber reinforced composite materials in which the resin is reinforced with carbon fiber, aramid fiber, glass fiber and other reinforcing fibers make use of its high specific strength and specific elastic modulus to make structural materials such as aircraft and automobiles, fishing rods, tennis rackets, It is widely used for sports equipment such as golf shafts and general industrial applications. The form of the reinforcing fiber used for these fiber reinforced composite materials includes a woven fabric made of continuous fibers, a UD sheet in which fibers are aligned in one direction, a random mat made using cut fibers, a nonwoven fabric, and the like. .
ところで、繊維強化複合材料のマトリックス樹脂としては、従来、主として熱硬化性樹脂が使用されてきたが、近年、熱可塑性樹脂をマトリックスとする複合材料が、コスト、成形の迅速性及び容易さ、さらには、使用後のリサイクル可能性等の観点から注目されている。 By the way, as a matrix resin of a fiber reinforced composite material, conventionally, a thermosetting resin has been mainly used. However, in recent years, a composite material using a thermoplastic resin as a matrix has been improved in cost, speed and ease of molding. Is attracting attention from the viewpoint of recyclability after use.
熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂として使用する複合材料の製造法として、特開平７−１００８２８号公報（特許文献１）には、強化繊維束を切断しながら空気流を吹き付けてモノフィラメント様に開繊（解繊）するとともに、開繊された強化繊維と樹脂粉末とを均一に混合して堆積させ、これを熱プレスしてシート状にする連続処理プロセスが提案されており、このプロセスを用いることにより、機械的性質が均一で、かつ平滑で表面性の良好な繊維強化樹脂複合材料又はその成形体を低コストで製造できる旨記載されている。 As a method for producing a composite material using a thermoplastic resin as a matrix resin, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-1000082 (Patent Document 1) discloses a monofilament-like opening by blowing an air stream while cutting a reinforcing fiber bundle (disassembly). A continuous processing process has been proposed in which the reinforcing fibers and resin powder that have been opened are uniformly mixed and deposited, and then heat-pressed to form a sheet, and by using this process, It is described that a fiber reinforced resin composite material having uniform mechanical properties, smoothness and good surface properties or a molded product thereof can be produced at low cost.
しかしながら、特許文献１に記載のような繊維強化複合材料では、強化繊維の殆ど全てがモノフィラメント（単糸）の状態で存在するため、成形に時間を要し、かつ、薄肉の成形品を得ることが困難という問題がある。この問題を解決する手段として、特許文献２，３に記載の炭素繊維複合材料が提案されている。
However, in the fiber reinforced composite material described in Patent Document 1, since almost all of the reinforcing fibers are present in a monofilament (single yarn) state, it takes time to form and a thin molded product is obtained. There is a problem that is difficult. As means for solving this problem, carbon fiber composite materials described in
特許文献２，３に記載の複合材料は、特許文献1に記載のようにランダムマットをすべてモノフィラメントまで開繊した強化繊維で構成するのではなく、そのかなりの部分を一定以上の本数の繊維束の状態にした強化繊維束で構成し、残りの特定部分をモノフィラメント様となるまで開繊した強化繊維で構成されたランダムマットを用いた複合材料であり、短時間での成形加工が容易で、かつ薄肉の繊維強化複合材料を製造するために好適であるとされている。
The composite materials described in
このような複合材料は上記のような利点を有するが、特許文献２，３に記載の製造方法によれば、上記のごとき特定の開繊状態とするために、炭素繊維束を管内に導入して空気流より開繊させる際、その条件を調整して所望の開繊状態とするため、開繊設備の形態や大きさ等に応じて空気量の吹付け条件等を常に適正にコントロールする必要があり、製造条件の管理がかなり煩雑である。
Such a composite material has the advantages as described above. However, according to the production methods described in
本発明は、上記の如き従来公知の熱可塑性樹脂をマトリックスとする繊維強化複合材料の製造方法における問題を解決しようとするものであり、その主たる目的は、短時間での成形加工がし易く、かつ等方性を有し良好な物性で薄肉の繊維強化複合材料の製造に適したランダムマットを、容易かつ安定的に製造できる方法を提供することにある。 The present invention is intended to solve the problems in the method for producing a fiber-reinforced composite material using a conventionally known thermoplastic resin as a matrix as described above, and its main purpose is to facilitate molding in a short time, Another object of the present invention is to provide a method capable of easily and stably producing a random mat suitable for producing a thin fiber-reinforced composite material having isotropic properties and good physical properties.
かくして、本発明によれば、上記の目的を達成する手段として、下記〔１〕〜〔８〕の製造方法が提供される。
〔１〕強化繊維と熱可塑性樹脂とを含むランダムマットの製造方法であって、強化繊維ストランドを繊維配列方向と平行な方向にスリットしてストランド幅０．０５〜５ｍｍの細幅ストランドとした後、これを平均繊維長３〜１００ｍｍにカットした下記式（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）
で表される臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）、及び、強化繊維ストランドを上記臨界単糸数未満の単糸数となるまで開繊し、かつ、平均繊維長３〜１００ｍｍにカットしたモノフィラメント様の強化繊維（Ｍ）を、混合させて、下方に吸引手段を備えた通気性支持体上にマット状に堆積させて定着させ強化繊維マットとする工程を含み、かつ、上記の強化繊維（Ａ）と強化繊維（Ｍ）が混合される若しくはされている空間中へ、又は上記強化繊維マットへの少なくともいずれかに熱可塑性樹脂を供給することを特徴とするランダムマットの製造方法。
〔２〕通気性支持体上に堆積させる強化繊維束（Ａ）の割合を、マットを構成する強化繊維全量に対し２０〜９９Ｖｏｌ％とする、上記〔１〕に記載の製造方法。
〔３〕強化繊維束（Ａ）の構成単糸数（Ｎ）が下記式（２）を満たす範囲内とする上記〔２〕に記載の製造方法。
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２ （２）
（ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
〔４〕モノフィラメント様の強化繊維（Ｍ）が、強化繊維ストランドを気体流によりモノフィラメント様に開繊した後にカットしたものである上記〔１〕〜〔３〕のいずれかに記載の製造方法。
〔５〕スリットして細幅ストランドとした第１糸条群とモノフィラメント様に開繊させた第２糸条群を、同時にカット装置に導入し、所定の繊維長にカットする上記〔１〕〜〔４〕のいずれかに記載の製造方法。
〔６〕熱可塑性樹脂の供給量を、強化繊維マットを構成する全強化繊維１００重量部に対し、５０〜５００重量部とする上記〔１〕〜〔５〕のいずれかに記載の製造方法。
〔７〕熱可塑性樹脂が粉粒体状又は短繊維状、又は溶融樹脂体であり、熱可塑性樹脂を強化繊維とともにマット状に堆積させる上記〔１〕〜〔６〕のいずれかに記載の製造方法。
〔８〕通気性支持体を一方向に連続的に移動するネットコンベアで構成するとともに、カット後の強化繊維及び熱可塑性樹脂をテーパー管内で散乱させ、かつ、少なくともテーパー管下端の出口位置を、ネットコンベアの移動方向と直交する方向に往復動させてネットコンベア上に強化繊維を堆積させる上記〔１〕〜〔７〕のいずれかに記載の製造方法。
Thus, according to the present invention, the following production methods [1] to [8] are provided as means for achieving the above object.
[1] A method for producing a random mat comprising reinforcing fibers and a thermoplastic resin, wherein the reinforcing fiber strands are slit in a direction parallel to the fiber arrangement direction to form narrow strands having a strand width of 0.05 to 5 mm. The following formula (1) in which this is cut to an average fiber length of 3 to 100 mm
Critical number of single yarns = 600 / D (1)
(Here, D is the average fiber diameter (μm) of the reinforcing fibers)
The reinforcing fiber bundle (A) composed of the number of critical single yarns represented by the above and the reinforcing fiber strands are opened until the number of single yarns is less than the critical single yarn number, and cut to an average fiber length of 3 to 100 mm Including the step of mixing the monofilament-like reinforcing fibers (M), depositing them in a mat shape on a breathable support having a suction means below, and fixing them to form a reinforcing fiber mat, A method for producing a random mat, characterized in that a thermoplastic resin is supplied to a space in which the fibers (A) and the reinforcing fibers (M) are mixed or at least to the reinforcing fiber mat.
[2] The production method according to [1], wherein the ratio of the reinforcing fiber bundle (A) deposited on the breathable support is 20 to 99 Vol% with respect to the total amount of the reinforcing fibers constituting the mat.
[3] The production method according to [2], wherein the number of constituent single yarns (N) of the reinforcing fiber bundle (A) is within a range satisfying the following formula (2).
0.7 × 10 4 / D 2 <N <1 × 10 5 / D 2 (2)
(Here, D is the average fiber diameter (μm) of the reinforcing fibers)
[4] The production method according to any one of [1] to [3], wherein the monofilament-like reinforcing fiber (M) is cut after the reinforcing fiber strand is opened in a monofilament-like manner by a gas flow.
[5] The above-mentioned [1] to the first yarn group slitted into a narrow strand and the second yarn group opened in a monofilament form are simultaneously introduced into a cutting device and cut into a predetermined fiber length. [4] The production method according to any one of [4].
[6] The production method according to any one of [1] to [5], wherein the thermoplastic resin is supplied in an amount of 50 to 500 parts by weight with respect to 100 parts by weight of all the reinforcing fibers constituting the reinforcing fiber mat.
[7] The production according to any one of [1] to [6], wherein the thermoplastic resin is in the form of particles, short fibers, or a molten resin, and the thermoplastic resin is deposited in a mat shape together with reinforcing fibers. Method.
[8] The air-permeable support is constituted by a net conveyor that continuously moves in one direction, the cut reinforcing fibers and the thermoplastic resin are scattered in the taper tube, and at least the outlet position of the lower end of the taper tube is The manufacturing method according to any one of [1] to [7], wherein the reinforcing fibers are deposited on the net conveyor by reciprocating in a direction orthogonal to the moving direction of the net conveyor.
なお、本発明でいう「ランダムマット」とは、非連続強化繊維が平面においてランダムな方向に配向しており、実質的に縦横方向の物性がほぼ等しいマットを意味する。また、本発明において、繊維強化複合材料とは、熱可塑性樹脂が強化繊維を含んだ状態、つまり該強化繊維により熱可塑性樹脂が強化された状態となっているものを指す。該繊維強化複合材料には、本発明によるランダムマットをプレス成形するなどして得られる成形体も含まれる。また、該ランダムマットを加熱又は加熱・加圧するなどして得られる成形用中間基材（いわゆるプリプレグ）も繊維強化複合材料に含まれる。該繊維強化複合材料として、特に成形体を指す場合は、繊維強化複合材料成形体、中間基材を指す場合は“中間基材である繊維強化複合材料”などと称することもある。 The “random mat” as used in the present invention means a mat in which discontinuous reinforcing fibers are oriented in a random direction on a plane, and the physical properties in the vertical and horizontal directions are substantially equal. In the present invention, the fiber-reinforced composite material refers to a state in which the thermoplastic resin contains reinforcing fibers, that is, a state in which the thermoplastic resin is reinforced by the reinforcing fibers. The fiber reinforced composite material includes a molded body obtained by press molding the random mat according to the present invention. Further, an intermediate substrate for molding (so-called prepreg) obtained by heating or heating / pressing the random mat is also included in the fiber-reinforced composite material. The fiber reinforced composite material may be referred to as a fiber reinforced composite material molded body particularly when referring to a molded body, and may be referred to as a “fiber reinforced composite material as an intermediate base material” when referring to an intermediate base material.
本発明の方法によれば、物性に優れた等方性の繊維強化複合材料を与えるランダムマットを、厳密な条件コントロールを行わなくても比較的容易に製造することができ、該ランダマットを加熱加圧することで良好な繊維強化複合材料を製造することができる。そして、この繊維強化性複合材料は、極めて短時間で所望の形状に成形加工することができ、目的とする繊維強化複合材料を得ることができる。また、本発明の方法によって得られるランダムマットを用いることにより、繊維強化複合材料の薄肉化や等方化が可能であり、外観、物性の両面で優れた成形品を得ることができる。したがって、本発明の方法により製造される複合材料は、例えば、自動車、鉄道車両、航空機等の内板、外板、構成部材等、さらには、各種電気製品、機械・装置類のフレームや筐体等の用途に好適である。 According to the method of the present invention, a random mat that gives an isotropic fiber-reinforced composite material having excellent physical properties can be produced relatively easily without strict condition control, and the random mat is heated. A good fiber-reinforced composite material can be produced by applying pressure. The fiber-reinforced composite material can be molded into a desired shape in a very short time, and the target fiber-reinforced composite material can be obtained. Moreover, by using the random mat obtained by the method of the present invention, the fiber-reinforced composite material can be thinned or isotropic, and a molded product excellent in both appearance and physical properties can be obtained. Therefore, the composite material manufactured by the method of the present invention includes, for example, inner plates, outer plates, constituent members, etc. of automobiles, railway vehicles, airplanes, etc., as well as frames and casings of various electric products, machines and devices. It is suitable for such applications.
本発明は、熱可塑性樹脂と強化繊維を含むランダムマットの製造方法であって、強化繊維ストランドを繊維配列方向と平行な方向にスリットしてストランド幅０．０５〜５ｍｍの細幅ストランドとした後、これを平均繊維長３〜１００ｍｍにカットした前記式（１）で表される臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）、及び、強化繊維ストランドを上記臨界単糸数未満の単糸数となるまで開繊し、かつ、平均繊維長３〜１００ｍｍにカットしたモノフィラメント様の強化繊維（Ｍ）を、ともに同一空間内で混合させて、下方に吸引手段を備えた通気性支持体上にマット状に堆積させて定着させ強化繊維マットとする工程を含み、かつ、上記の強化繊維（Ａ）と強化繊維（Ｍ）が混合されている同一空間中、又は上記強化繊維マット上の少なくともいずれかに熱可塑性樹脂を供給することを特徴とするランダムマットの製造方法である。
上記の前記式（１）で表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、より正確に表現すると、前記式（１）で表される臨界単糸数以上の数の単糸で構成される強化繊維束を本発明では強化繊維束（Ａ）と称しており、本発明において「モノフィラメント様（ｍｏｎｏｆｉｌａｍｅｎｔ−ｌｉｋｅ）」の強化繊維（Ｍ）とは、前記式（１）にて定義される臨界単糸数以上の数の単糸で構成される繊維束を含まず、強化繊維が完全なモノフィラメントに分れたもの、及び前記式（１）で定義される臨界単糸数未満の数の単糸にて構成される繊維束の少なくともいずれかであり、当然これら双方を含むものであってもよい。
The present invention is a method for producing a random mat containing a thermoplastic resin and reinforcing fibers, and after the reinforcing fiber strands are slit in a direction parallel to the fiber arrangement direction, the strands have a strand width of 0.05 to 5 mm. Further, the reinforcing fiber bundle (A) composed of not less than the critical single yarn number represented by the formula (1) obtained by cutting this into an average fiber length of 3 to 100 mm, and the number of single yarns less than the critical single yarn number. The monofilament-like reinforcing fibers (M) that have been opened until the average fiber length is cut to 3 to 100 mm are mixed together in the same space and placed on a breathable support having a suction means below. Including a step of depositing and fixing on a mat to form a reinforcing fiber mat, and in the same space where the reinforcing fiber (A) and the reinforcing fiber (M) are mixed or on the reinforcing fiber mat A method for manufacturing the random mat and supplying a thermoplastic resin to one even without.
The reinforcing fiber bundle (A) composed of the number of critical single yarns or more represented by the above formula (1) can be expressed more precisely by the number of single fibers of the number of critical single yarns or more represented by the above formula (1). In the present invention, a reinforcing fiber bundle composed of yarn is referred to as a reinforcing fiber bundle (A). In the present invention, a “monofilament-like” reinforcing fiber (M) is represented by the above formula (1). Not including a fiber bundle composed of a number of single yarns greater than or equal to the critical number of single yarns defined as above, wherein the reinforcing fibers are separated into complete monofilaments, and less than the critical number of single yarns defined in the above formula (1) It is at least one of the fiber bundles composed of several single yarns, and may naturally include both of them.
＜強化繊維＞
本発明の方法における強化繊維束（Ａ）や強化繊維（Ｍ）に用いられる強化繊維は、炭素繊維、ｐ−アラミド繊維及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、単独で使用してもよく２種以上併用することもできる。なかでも、炭素繊維は、軽量でかつ強度に優れた複合材料を提供することが可能となるので、特に好適である。炭素繊維としては、ＰＡＮ系、ピッチ系のいずれでもよいが、その平均繊維径は３〜１２μｍが好ましく、５〜９μｍがより好ましく、５〜７μｍがより一層好ましい。本発明において、強化繊維束（Ａ）とモノフィラメント様強化繊維（Ｍ）に用いられる強化繊維は、同一のものでもよく、材質又は長さなどが異なる別の種類のものであってもよく、また、後記のとおり、付与されるサイジング剤などが異なるものであってもよい。
これらの強化繊維は、多くの場合、サイジング剤を付着させたものが用いられる。サイジング剤の付着量は、強化繊維１００重量部に対し０．０１〜１０重量部であることが好ましい。
<Reinforcing fiber>
The reinforcing fiber used for the reinforcing fiber bundle (A) or the reinforcing fiber (M) in the method of the present invention is preferably at least one selected from the group consisting of carbon fiber, p-aramid fiber and glass fiber. These may be used alone or in combination of two or more. Among these, carbon fiber is particularly suitable because it can provide a composite material that is lightweight and excellent in strength. The carbon fiber may be either PAN-based or pitch-based, but the average fiber diameter is preferably 3 to 12 μm, more preferably 5 to 9 μm, and even more preferably 5 to 7 μm. In the present invention, the reinforcing fibers used for the reinforcing fiber bundle (A) and the monofilament-like reinforcing fibers (M) may be the same, or may be different types having different materials or lengths. As described later, the applied sizing agent or the like may be different.
In many cases, these reinforcing fibers have a sizing agent attached thereto. The adhesion amount of the sizing agent is preferably 0.01 to 10 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the reinforcing fiber.
炭素繊維の場合は、通常、連続繊維からなる単糸（単繊維）が３０００〜６００００本集束した実質的に無撚の糸条（ストランド）を、ボビンに巻き取った巻糸体（パッケージ）として供給される。なお、本発明の方法に供給する炭素繊維は、すべての糸条が同一のサイジング剤で処理したものである必要はなく、例えば、後述する第1糸条群と第２糸条群とで、それぞれ別のサイジング剤を付与したものを使用してもよい。 In the case of carbon fiber, as a wound body (package) in which substantially non-twisted strands (strands) in which 3000 to 60000 single yarns (single fibers) made of continuous fibers are bundled are wound around a bobbin. Supplied. The carbon fibers supplied to the method of the present invention do not have to be processed with the same sizing agent for all the yarns. For example, in the first yarn group and the second yarn group described later, Those provided with different sizing agents may be used.
＜熱可塑性樹脂＞
一方、本発明の方法において、マトリックス樹脂として使用する熱可塑性樹脂は、例えば、ナイロン６、ナイロン１１、ナイロン１２、ナイロン４６、ナイロン６６、ナイロン６１０等脂肪族ポリアミド樹脂、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、ポリカーボネート樹脂、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、ポリアセタール樹脂、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、ポリ乳酸樹脂等が挙げられる。これらは共重合体であっても差し支えない。また、これらの樹脂は単独で使用してもよく２種以上併用することもできる。
<Thermoplastic resin>
On the other hand, in the method of the present invention, the thermoplastic resin used as the matrix resin is, for example,
これらの熱可塑性樹脂のうち融点が１８０〜３５０℃のものが好ましい。なお、これらの熱可塑性樹脂には、必要に応じて、難燃剤、安定剤、耐ＵＶ剤、帯電防止剤、顔料、離型剤、軟化剤、可塑剤、界面活性剤等の添加剤を含有しても差し支えない、 Among these thermoplastic resins, those having a melting point of 180 to 350 ° C. are preferred. These thermoplastic resins contain additives such as flame retardants, stabilizers, UV-resistant agents, antistatic agents, pigments, mold release agents, softeners, plasticizers, and surfactants as necessary. It does n’t matter,
本発明の方法では、熱可塑性樹脂は固体又は溶融体で使用される。固体で使用する場合の形態は、粉粒体状、短繊維状のいずれでもよく、両者を併用してもよい。粉粒体状、短繊維状のいずれの場合も、後述する気体吹付けにより生じる気流中に拡散する形態及びサイズのものが好ましい。一方、溶融体で使用する場合は、後述する溶融フィルムの形態が好ましい。 In the method of the present invention, the thermoplastic resin is used as a solid or a melt. The form in the case of using it as a solid may be either granular or short fiber, or both may be used in combination. In either case of a granular form or a short fiber form, those having a form and a size that diffuse in an air flow generated by gas blowing described later are preferable. On the other hand, when using with a melt, the form of the molten film mentioned later is preferable.
熱可塑性樹脂が粉粒体状の場合は、球状又は細片状の粒子が好ましい。球状の例としては、真円又は楕円の回転体あるいは卵状の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であり、より好ましくは０．１〜９００μｍである。特に好ましい平均粒子径は１〜８００μｍである。粒子径分布については特に制限はないが、分布がシャープなものが、より薄い成形品を得る上で好ましく、分級等の操作により所望の粒度分布に調整して用いることができる。細片状の例としては、ペレットのような円柱状や、角柱状、フレーク状、リン片状等が好ましい形状として挙げられる。細片状物としては、熱可塑性樹脂フィルムを短冊状等に小さく裁断したものを用いることもできる。この場合、上記粉粒体はある程度のアスペクト比を有してもよいが、最長部の長さは後述の短繊維状の場合と同程度、すなわち最長部の寸法が５０ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下が適当である。一方、短繊維状の場合は、繊度１００〜５０００ｄｔｅｘのもの、より好ましくは繊度１０００〜２０００ｄｔｅｘものがより好ましい。その平均繊維長は０．５〜５０ｍｍが好ましく、より好ましくは１〜１０ｍｍである。本発明の方法では、上記熱可塑性樹脂として、粉粒体状のものと短繊維状のものとを併用しても差し支えない。 When the thermoplastic resin is in the form of particles, spherical or fine particles are preferred. As a spherical example, a perfect circle or an ellipse rotating body or an egg-like shape is preferably mentioned. A preferable average particle diameter in the case of a sphere is 0.01 to 1000 μm, more preferably 0.1 to 900 μm. A particularly preferable average particle diameter is 1 to 800 μm. The particle size distribution is not particularly limited, but a sharp distribution is preferable for obtaining a thinner molded product, and can be adjusted to a desired particle size distribution by an operation such as classification. Examples of the strip shape include a columnar shape such as a pellet, a prismatic shape, a flake shape, and a flake shape. As the strip-like material, a material obtained by cutting a thermoplastic resin film into a strip or the like can be used. In this case, the granular material may have a certain aspect ratio, but the length of the longest part is the same as that of the short fiber described later, that is, the dimension of the longest part is 50 mm or less, preferably 10 mm or less. Is appropriate. On the other hand, in the case of short fibers, those having a fineness of 100 to 5000 dtex, more preferably those having a fineness of 1000 to 2000 dtex are more preferred. The average fiber length is preferably 0.5 to 50 mm, more preferably 1 to 10 mm. In the method of the present invention, the thermoplastic resin may be used in the form of powder and short fibers.
一方、熱可塑性樹脂を溶融体で使用する場合は、具体的には溶融した樹脂をダイからフィルム状に押し出し、マトリクス樹脂を含まない強化繊維ランダムマット上に供給する方法が挙げられる。 On the other hand, when the thermoplastic resin is used as a melt, specifically, there is a method of extruding the molten resin from a die into a film and supplying it onto a reinforced fiber random mat that does not contain a matrix resin.
＜ランダムマットの製造＞
次に、粉粒体状又は短繊維状の熱可塑性樹脂を使用して、本発明のランダムマットの好ましい製造方法について詳述する。
本発明の製造方法としては、以下の（Ｉ）〜（Ｖ）を含むことが好ましく、さらに（ＶＩ）の工程を含むことも好ましい。これらの工程を順次実施することにより、特に良好な等方性ランダムマット及び複合材料を製造することができる。
<Manufacture of random mat>
Next, the preferable manufacturing method of the random mat of this invention is explained in full detail using a granular material or a short fiber-like thermoplastic resin.
The production method of the present invention preferably includes the following (I) to (V), and further preferably includes the step (VI). By carrying out these steps sequentially, a particularly good isotropic random mat and composite material can be produced.
本発明の方法によって製造されるランダムマットは、前述した臨界単糸数以上の強化繊維が集束した繊維束（Ａ）と、モノフィラメント様に開戦した強化繊維（Ｍ）を含み、各強化繊維は、マットの面内で特定の方向に配向しておらず、無作為な方向に分散して配置されている。すなわち、本発明方法によるランダムマットは面内等方性の材料である。かかる等方性のランダムマットより成形体を得た場合に、ランダムマット中の強化繊維の等方性は、成形体においても維持される。ランダムマットより成形体を得て、互いに直交する二方向の引張弾性率の比を求めることで、ランダムマット及びそれからの成形体の等方性を定量的に評価できる。ランダムマットから得られた成形体における２方向の弾性率の値のうち大きいものを小さいもので割った比が２を超えないときに面内等方性であるとする。特に、この比が１．３を超えないときは等方性に優れているとする。 The random mat manufactured by the method of the present invention includes a fiber bundle (A) in which reinforcing fibers having the number of critical single yarns or more are bundled, and reinforcing fibers (M) opened like a monofilament. It is not oriented in a specific direction within the plane of, and is distributed in a random direction. That is, the random mat according to the method of the present invention is an in-plane isotropic material. When a molded body is obtained from such an isotropic random mat, the isotropy of the reinforcing fibers in the random mat is maintained in the molded body. By obtaining a molded body from a random mat and obtaining a ratio of tensile elastic moduli in two directions perpendicular to each other, the isotropy of the random mat and the molded body therefrom can be quantitatively evaluated. In-plane isotropic is assumed when the ratio of the modulus of elasticity in the two directions in the molded body obtained from the random mat divided by the smaller one does not exceed 2. In particular, when this ratio does not exceed 1.3, it is assumed that the isotropic property is excellent.
（Ｉ）強化繊維ストランドの供給工程
本発明の製造方法において、強化繊維ストランドを製造工程に供給する方法としては、クリール部に配置された複数の強化繊維巻糸体から、それぞれ該ストランド（糸条）を引出し供給する方法が好ましく、さらに、以後の工程で糸条に施す処理が相違する糸状群ごとに、第１糸条群（Ｙ１）と第２糸条群（Ｙ２）の２つの糸条群に分ける方法がより好ましい。
(I) Supplying step of reinforcing fiber strand In the manufacturing method of the present invention, as a method of supplying the reinforcing fiber strand to the manufacturing step, a plurality of reinforcing fiber windings arranged in the creel part are respectively supplied with the strand (yarn). ) Is preferably drawn out, and further, two yarns of the first yarn group (Y1) and the second yarn group (Y2) are provided for each yarn group in which the treatment applied to the yarn in the subsequent steps is different. A method of grouping is more preferable.
第１糸条群（Ｙ１）としては、１本の糸条からなるストランドを用いるか又は複数本の糸条を引き揃えてなるストランドとして使用する。供給するストランドの幅は１０〜５０ｍｍ（特に２０〜３０ｍｍ）が好ましい。このため、供給されるストランド幅が小さい場合は、必要に応じ、ストランド供給工程で、上記の所定幅まで拡幅して薄い広幅のストランドとしてもよい。この拡幅操作は、例えば、ストランドを拡幅用のローラーやバー等と接触走行させることにより行うことができる。一方、第２糸条群（Ｙ２）は、通常、糸条をそのまま供給するだけでよい。第1糸条群（Ｙ１）と第２糸条群（Ｙ２）の供給量の比は、得ようとするランダムマットを構成する強化繊維全量に対する強化繊維束（Ａ）の割合に応じで適宜選択できる。全強化繊維を基準とする容量体積％にして、Ｙ１が２０〜９９Ｖｏｌ％、Ｙ２が８０〜１Ｖｏｌ％（ただし、Ｙ１＋Ｙ２＝１００）とするのが好ましい。 As a 1st thread group (Y1), the strand which consists of one thread | yarn is used, or it uses as a strand formed by aligning several yarns. The width of the supplied strand is preferably 10 to 50 mm (particularly 20 to 30 mm). For this reason, when the supplied strand width is small, it is good also as a thin wide strand by expanding to said predetermined width at a strand supply process as needed. This widening operation can be performed, for example, by running the strand in contact with a widening roller or bar. On the other hand, the second yarn group (Y2) usually only needs to supply the yarn as it is. The ratio of the supply amount of the first yarn group (Y1) and the second yarn group (Y2) is appropriately selected depending on the ratio of the reinforcing fiber bundle (A) to the total amount of reinforcing fibers constituting the random mat to be obtained. it can. It is preferable that Y1 is 20 to 99% by volume and Y2 is 80 to 1% by volume (provided that Y1 + Y2 = 100), based on the volume percent by volume based on all reinforcing fibers.
（ＩＩ）強化繊維束（Ａ）を得るために強化繊維ストランドをスリットする工程
本発明の製造方法においては、前記強化繊維束（Ａ）を調製するため、強化繊維ストランドを繊維配列方向と平行な方向にストランド幅０．０５〜５ｍｍにスリットして、構成単糸数が上記式（１）で定義される臨界単糸数以上のストランドとする。なお、強化繊維束（Ａ）を調製するための強化繊維ストランドは、通常、ストランド幅が５ｍｍより大きいものが使用される。
(II) Step of slitting reinforcing fiber strand to obtain reinforcing fiber bundle (A) In the production method of the present invention, in order to prepare the reinforcing fiber bundle (A), the reinforcing fiber strand is parallel to the fiber arrangement direction. A strand having a strand width of 0.05 to 5 mm is slit in the direction so that the number of constituent single yarns is equal to or greater than the number of critical single yarns defined by the above formula (1). In addition, as the reinforcing fiber strand for preparing the reinforcing fiber bundle (A), those having a strand width larger than 5 mm are usually used.
本発明の製造方法のより好ましい実施形態である、第１糸条群（Ｙ１）と第２糸条群（Ｙ２）の強化繊維ストランドを用いる場合を例として、より具体的に示すと、上記の第１糸条群（Ｙ１）からなる強化繊維ストランドについて、ストランド長手方向と平行（すなわち繊維長方向に沿って）に連続的にスリットすることにより、ストランド幅が０．０５〜５ｍｍ、好ましくは０．１〜１．０ｍｍである複数本の細幅ストランドにする。具体的には、前工程から連続的に移送されてくる広幅のストランドを繊維長方向と平行な刃を有する縦スリット装置（ロータリースリッター等）で縦方向に連続的に切れ目を入れてスリットするか、広幅ストランドの走行路に１個又は複数個の分割ガイドを設け、それによりストランドを複数本に分割すること等の手段により細幅化することができる。ロータリースリッターを使用する場合は、その回転軸方向と直交する刃（ナイフ）を所定の間隔で設けたロータリースリッターを使用するのが好ましく、広幅のストランドをロータリースリッターの軸方向と直交するように接触走行させることにより、円滑で効率的にスリットを行うことができる。このように広幅のストランドを所定幅にスリットするのは、得られるランダムマットの強化繊維の構成を後述するような好適な状態にするためである。スリット後の細幅ストランドがこの範囲外の幅では、好適な繊維構成をもつランダムマットを形成することが困難となり、その結果、本発明の目的とする良好な繊維強化複合材料を製造することが難しくなる。 More specifically, the case of using the reinforcing fiber strands of the first yarn group (Y1) and the second yarn group (Y2), which is a more preferable embodiment of the production method of the present invention, is described above. With respect to the reinforcing fiber strand composed of the first yarn group (Y1), the strand width is 0.05 to 5 mm, preferably 0 by continuously slitting in parallel with the strand longitudinal direction (that is, along the fiber length direction). A plurality of narrow strands of 1 to 1.0 mm are formed. Specifically, whether a wide strand that is continuously transferred from the previous process is slit with a continuous slit in the longitudinal direction using a longitudinal slitting device (such as a rotary slitter) having a blade parallel to the fiber length direction. Further, it is possible to reduce the width by means of, for example, providing one or a plurality of division guides on the travel path of the wide strand, and thereby dividing the strand into a plurality of divisions. When using a rotary slitter, it is preferable to use a rotary slitter in which blades (knives) orthogonal to the rotational axis direction are provided at predetermined intervals, and a wide strand is contacted so as to be orthogonal to the axial direction of the rotary slitter. By running, the slit can be smoothly and efficiently performed. The reason why the wide strands are slit to a predetermined width is to make the structure of the reinforcing fibers of the obtained random mat into a suitable state as described later. If the narrow strand after the slit is out of this range, it becomes difficult to form a random mat having a suitable fiber configuration, and as a result, a good fiber-reinforced composite material that is the object of the present invention can be produced. It becomes difficult.
このスリット工程では、第１群糸条（Ｙ１）の広幅ストランドを、スリットにより下記式（１）で定義される臨界単糸数以上からなる強化繊維束（Ａ）に分割することが肝要であり、さらにこの強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（２）を満たすようにすることが好ましい。
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）
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２ （２）
（ここで、Ｄは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
In this slitting process, it is important to divide the wide strands of the first group yarn (Y1) into reinforcing fiber bundles (A) composed of the number of critical single yarns defined by the following formula (1) by the slit, Furthermore, it is preferable that the average number of fibers (N) in the reinforcing fiber bundle (A) satisfy the following formula (2).
Critical number of single yarns = 600 / D (1)
(Here, D is the average fiber diameter (μm) of the reinforcing fibers)
0.7 × 10 4 / D 2 <N <1 × 10 5 / D 2 (2)
(Here, D is the average fiber diameter (μm) of the reinforcing fibers)
具体的には、供給される強化繊維の平均繊維径が５〜７μｍの場合、上記臨界単糸数は８６〜１２０本となる。該維の平均繊維径が５μｍの場合、強化繊維束（Ａ）中の平均単糸数（Ｎ）は２８０〜４０００本の範囲となるが、なかでも２８０〜２０００本、さらには６００〜１６００本であることが好ましい。強化繊維の平均繊維径が７μｍの場合、強化繊維束（Ａ）中の平均単糸数（Ｎ）は１４２〜２０４０本の範囲となるが、なかでも１４２〜１０２０本、さらには３００〜８００本であることが好ましい。したがって、第１群糸条（Ｙ１）をスリットした細幅ストランドの構成単糸数が上記範囲内となるようにスリット幅を選定するのが適当である。 Specifically, when the average fiber diameter of the supplied reinforcing fibers is 5 to 7 μm, the critical single yarn number is 86 to 120. When the average fiber diameter of the fibers is 5 μm, the average number of single yarns (N) in the reinforcing fiber bundle (A) is in the range of 280 to 4000, among which 280 to 2000, more preferably 600 to 1600. Preferably there is. When the average fiber diameter of the reinforcing fibers is 7 μm, the average number of single yarns (N) in the reinforcing fiber bundle (A) is in the range of 142 to 2040, especially 142 to 1020, and more preferably 300 to 800. Preferably there is. Therefore, it is appropriate to select the slit width so that the number of constituent single yarns of the narrow strand obtained by slitting the first group yarn (Y1) is within the above range.
（III）強化繊維（Ｍ）を得るために強化繊維ストランドを臨界単糸数未満の単糸数となるまで開繊する工程
本発明の製造方法においては、前記強化繊維（Ｍ）を調製するため強化繊維ストランドを臨界単糸数未満の単糸数となるまで開繊する。この条件を満たす限り、強化繊維ストランドをあまり多くが単糸状にならない程度に開繊してもよく、大部分が単糸状になるまで開繊してもよく、全部が完全に単糸になるまで開繊してもよい。
強化繊維（Ｍ）を得るために強化繊維ストランドを開繊する操作について、本発明の製造方法の好ましい態様である、第１糸条群（Ｙ１）と第２糸条群（Ｙ２）の強化繊維ストランドを用いる場合を例として、以下、より具体的に説明する。すなわち、第２糸条群（Ｙ２）については、特にスリット工程を行うことは必須ではなく、そのまま開繊装置に導入し、空気を吹き付けて、個々の臨界単糸数未満の単糸数となるまで徹底的に開繊（解繊）することができる。したがって、この工程での開繊条件は容易に設定可能である。
なお、上記第２糸条群（Ｙ２）として、サイズ剤等を用いず収束されていないモノフィラメントからなる強化繊維を用いる場合には、開繊工程は必要なく、したがって上記工程（III）は省略することができる。このような場合も、本発明の一実施形態として本発明の範囲に包含される。
この第２糸条群（Ｙ２）の開繊工程は、通常、後述するカット工程の前に実施するのが好ましいが、カット工程を第１、第２の糸条群ごとに分けて別々に実施する場合は、第２糸条群（Ｙ２）をカットした直後に、開繊を行ってもよい。
(III) A step of opening the reinforcing fiber strands to obtain a reinforcing fiber (M) until the number of single yarns is less than the critical single yarn number. In the production method of the present invention, the reinforcing fiber (M) is prepared in order to prepare the reinforcing fiber (M). The strands are opened until the number of single yarns is less than the critical single yarn number. As long as this condition is satisfied, the reinforcing fiber strands may be opened to such an extent that they do not become a single yarn, most of them may be opened until they become single yarns, or until all are completely single yarns. It may be opened.
Reinforcing fibers of the first yarn group (Y1) and the second yarn group (Y2), which is a preferred embodiment of the production method of the present invention, for the operation of opening the reinforcing fiber strand to obtain the reinforcing fiber (M) Hereinafter, the case where a strand is used will be described in more detail as an example. That is, for the second yarn group (Y2), it is not essential to perform the slitting process, and it is introduced into the opening device as it is and blown with air until the number of single yarns is less than the number of individual critical single yarns. Can be opened (defibrated). Therefore, the fiber opening conditions in this step can be easily set.
In addition, when using the reinforced fiber which consists of the monofilament which is not converged without using a sizing agent etc. as said 2nd thread group (Y2), a fiber opening process is unnecessary and therefore the said process (III) is abbreviate | omitted. be able to. Such a case is also included in the scope of the present invention as an embodiment of the present invention.
The opening process of the second yarn group (Y2) is usually preferably performed before the cutting process described later, but the cutting process is performed separately for each of the first and second yarn groups. When doing, you may perform fiber opening immediately after cutting a 2nd yarn group (Y2).
さらに具体的な操作条件の例を示すと、この開繊工程では第２糸条群（Ｙ２）のみを、フレキシブルチューブやホースのような可撓性管からなる搬送経路内に導入し、該経路を通過する糸条片に空気等の気体を吹付けることにより、臨界単糸数未満の単糸数となるまで開繊・分離させる方法が挙げられる。好ましい実施形態においては、経路の途中又は先端部に空気吹付けノズルを設け、圧縮空気を適度な風速で直接ストランド片に吹付けることで、第２糸条群（Ｙ２）を単糸状に開繊させることができる。具体的には、開繊装置として、金属製の二重管を使用した、空気吹付けノズルを使用することができる。このノズルでは、開繊すべき第２糸条群（Ｙ２）を、二重管の内側の管に導入し、この内側の管の外壁に直径１ｍｍ程度の小孔を数箇所穿設し、外側の管より０．２〜０．８ＭＰａ程度の圧力をかけた圧縮空気を小孔から糸条に向けて直接吹付けることにより、第２糸条群（Ｙ２）を容易に臨界単糸数未満の単糸数となるまで開繊させることができる。なお、開繊装置に供給する空気には、必要に応じて、水分や処理剤等を含ませてもよい。また、加熱した空気を開繊装置に供給することもできる。 As an example of more specific operating conditions, in this fiber opening step, only the second yarn group (Y2) is introduced into a conveying path made of a flexible tube such as a flexible tube or a hose, There is a method in which a fiber such as air is blown onto a yarn piece that passes through a fiber, and the fiber is opened and separated until the number of single yarns is less than the critical number of single yarns. In a preferred embodiment, an air blowing nozzle is provided in the middle or at the tip of the path, and the second yarn group (Y2) is opened into a single yarn by blowing compressed air directly onto the strand piece at an appropriate wind speed. Can be made. Specifically, an air blowing nozzle using a metal double tube can be used as the opening device. In this nozzle, the second yarn group (Y2) to be opened is introduced into the inner tube of the double tube, and several small holes with a diameter of about 1 mm are drilled in the outer wall of the inner tube. The second yarn group (Y2) is easily blown to the yarns of less than the critical number of single yarns by directly blowing compressed air applied with a pressure of about 0.2 to 0.8 MPa from the tube toward the yarns from the small holes. It can be opened until the number of yarns is reached. In addition, you may include a water | moisture content, a processing agent, etc. in the air supplied to a fiber-spreading apparatus as needed. Also, heated air can be supplied to the fiber opening device.
本発明の方法では、前述のように、あらかじめ臨界単糸数（Ａ）以上の強化繊維が集束した繊維束（糸条群Ｙ１）とモノフィラメント様に開繊した繊維束（糸条群Ｙ２）とを別個に形成するので、それぞれの繊維束（糸条群Ｙ１，Ｙ２）における集束・開繊状態をコントロールし易くなるので、製造条件の管理が容易になる。すなわち、糸条群Ｙ１はスリット間隔の調整で集束状態を調整でき、糸条群Ｙ２は一定以上の開戦状態になるよう空気吹付けの条件を選ぶだけでよいため、特に熟練していない作業者でも容易に本発明の製造方法を実施することができる。 In the method of the present invention, as described above, a fiber bundle (yarn group Y1) in which reinforcing fibers having a critical single yarn number (A) or more are previously bundled and a fiber bundle (yarn group Y2) opened in a monofilament-like manner are obtained. Since they are formed separately, it becomes easy to control the converging / opening state in each fiber bundle (yarn group Y1, Y2), and thus management of manufacturing conditions is facilitated. That is, the yarn group Y1 can be adjusted in the convergence state by adjusting the slit interval, and the yarn group Y2 only needs to select air blowing conditions so as to be in a warfare state above a certain level. However, the production method of the present invention can be easily carried out.
（ＩＶ）強化繊維をカットする工程
本発明の製造方法においては、前記のように開繊された強化繊維ストランドを平均繊維長３〜１００ｍｍ等にカットし強化繊維束（Ａ）や強化繊維（Ｍ）とする。
強化繊維束（Ａ）や強化繊維（Ｍ）を得るために強化繊維ストランドをカットする操作について、本発明の製造方法のより好ましい態様である、第１糸条群（Ｙ１）と第２糸条群（Ｙ２）の強化繊維ストランドを用いた場合を例として、以下、より具体的に示す。
上記のごとくスリットして細幅ストランドとした第１糸条群（Ｙ１）と、臨界単糸数未満の単糸数となるまで開繊させた第２糸条群（Ｙ２）とを、それぞれ又は同時にカット装置に導入し、平均繊維長３〜１００ｍｍにカットし、それぞれ強化繊維束（Ａ）及び強化繊維（Ｍ）を得る。この際、カット後の平均繊維長を上記範囲内とすることが重要であり、この範囲外では繊維の直線性が保たれず、成形後の複合材料として十分な強度を発現できないので好ましくない。上記のカット後の平均繊維長の好ましい範囲としては、４〜１００ｍｍ、５〜１００ｍｍ、１０〜１００ｍｍ、１５〜１００ｍｍ、１５〜８０ｍｍ、２０〜６０ｍｍ、及び２０〜５０ｍｍが挙げられ、これら範囲のいずれかの下限値と、いずれかの上限値とで規定される範囲でもよい。
このカット工程は、第１糸条群（Ｙ１）及び第２糸条群（Ｙ２）を引き揃えて同時に実施するのが好ましいが、糸条群ごとに個別に実施しても差し支えない。
(IV) Step of cutting reinforcing fibers In the production method of the present invention, the reinforcing fiber strands opened as described above are cut into an average fiber length of 3 to 100 mm, etc., and reinforcing fiber bundles (A) and reinforcing fibers (M ).
About operation which cuts a reinforcing fiber strand in order to obtain a reinforcing fiber bundle (A) and a reinforcing fiber (M), the 1st thread group (Y1) and the 2nd thread which are a more preferable aspect of the manufacturing method of this invention. Hereinafter, the case where the reinforcing fiber strands of the group (Y2) are used will be described more specifically as an example.
Cut the first yarn group (Y1) slit as described above into narrow strands and the second yarn group (Y2) opened until the number of single yarns is less than the critical number of single yarns, or simultaneously. It introduce | transduces into an apparatus, cuts to average fiber length 3-100mm, and obtains a reinforced fiber bundle (A) and a reinforced fiber (M), respectively. At this time, it is important that the average fiber length after cutting is within the above range. Outside this range, the linearity of the fiber is not maintained, and sufficient strength cannot be expressed as a composite material after molding. Preferred ranges of the average fiber length after the cut include 4 to 100 mm, 5 to 100 mm, 10 to 100 mm, 15 to 100 mm, 15 to 80 mm, 20 to 60 mm, and 20 to 50 mm. A range defined by the lower limit value and any upper limit value may be used.
This cutting step is preferably performed simultaneously by aligning the first yarn group (Y1) and the second yarn group (Y2), but may be performed separately for each yarn group.
集束性が比較的高い強化繊維束（Ａ）と開繊度が比較的高い強化繊維（Ｍ）における平均繊維長は、等しいことが好ましい。なお、ここでいう「平均繊維長」は、無作為に抽出した１００本の繊維の繊維長を、ノギス等を用いて１ｍｍ単位まで測定し、その平均を求める方法により求められる。通常の場合、カット後の繊維長はカッターによるストランドの切断間隔と一致する。 It is preferable that the average fiber lengths of the reinforcing fiber bundle (A) having a relatively high bundling property and the reinforcing fiber (M) having a relatively high degree of opening are equal. Here, the “average fiber length” is obtained by a method of measuring the fiber length of 100 randomly extracted fibers up to 1 mm using a caliper or the like, and obtaining the average. In a normal case, the fiber length after the cut coincides with the strand cutting interval by the cutter.
本発明の方法において第１糸条群（Ｙ１）及び第２糸条群（Ｙ２）の強化繊維を平均繊維長３〜１００ｍｍ等の長さにカットするために使用する装置としては、ロータリーカッターが好ましく、かかるロータリーカッターとしては、特定の角度を有する螺旋状ナイフを備えたものを用いることが好ましい。表面品位に優れる熱可塑樹脂強化用ランダムマットを得るためには、繊維の疎密斑が大きく影響する。通常のロータリーカッターでは、繊維のカットが不連続であり、そのままマット化に導入した場合には、繊維目付けに斑が生じやすい。そのため、特定の角度で配置した刃（ナイフ）を用いて、繊維を途切れること無く連続的にカットすることにより、疎密斑の小さいマットとすることが可能となる。強化繊維を連続的にカットするためのナイフ角度は、使用する強化繊維の幅と、カットした後の繊維長により幾何学的に計算され、それらの関係は、下記の式（ａ）の条件を満たすことが好ましい。
強化繊維の繊維長（刃のピッチ）＝強化繊維ストランド幅×ｔａｎ（９０−θ）（ａ）
（ここで、θは周方向と刃の配置方向のなす角である。）
In the method of the present invention, as a device used for cutting the reinforcing fibers of the first yarn group (Y1) and the second yarn group (Y2) to a length such as an average fiber length of 3 to 100 mm, a rotary cutter is used. It is preferable to use a rotary cutter having a spiral knife having a specific angle. In order to obtain a random mat for reinforcing a thermoplastic resin having excellent surface quality, the density of fibers is greatly affected. In a normal rotary cutter, the fiber cut is discontinuous, and when it is introduced into the mat as it is, the fiber weight is likely to be uneven. Therefore, by using a blade (knife) arranged at a specific angle and continuously cutting the fibers without interruption, it is possible to obtain a mat with small density spots. The knife angle for continuously cutting the reinforcing fiber is geometrically calculated by the width of the reinforcing fiber to be used and the fiber length after the cutting, and the relationship between them satisfies the condition of the following formula (a). It is preferable to satisfy.
Reinforcing fiber length (blade pitch) = reinforcing fiber strand width × tan (90−θ) (a)
(Here, θ is an angle formed by the circumferential direction and the blade arrangement direction.)
カット工程において、上記の条件でスリットした第１糸条群（Ｙ１）と、臨界単糸数未満の単糸数までに開繊した第２糸条群（Ｙ２）とを、引き揃えて同時にカットする場合は、それぞれの糸条群の供給量を調整して、スリットした糸条からなる強化繊維束（Ａ）の量が、強化繊維束（Ａ）と強化繊維（Ｍ）との合計量に対し、２０〜９９Ｖｏｌ％とするのが好ましく、特に３０〜９０Ｖｏｌ％、なかでもは３０〜８０Ｖｏｌ％とするのが好ましい。また、両糸条を個別にカットした後で開繊する場合は、カット後の強化繊維束（Ａ）と強化繊維（Ｍ）の開繊工程への供給量を上記範囲とする。 In the cutting step, when the first yarn group (Y1) slit under the above conditions and the second yarn group (Y2) opened to the number of single yarns less than the critical single yarn are aligned and cut simultaneously. Is adjusting the supply amount of each yarn group, the amount of the reinforcing fiber bundle (A) made of slit yarn, the total amount of the reinforcing fiber bundle (A) and the reinforcing fiber (M), It is preferable to set it as 20-99 Vol%, It is preferable to set it as 30-80 Vol% especially 30-90 Vol% especially. Moreover, when opening after cutting both yarns individually, the supply amount of the reinforcing fiber bundle (A) and the reinforcing fiber (M) after the cutting to the opening process is set in the above range.
（Ｖ）強化繊維から強化繊維マットを形成する工程
本発明の製造方法は、上記のようにして得られた強化繊維束（Ａ）と強化繊維（Ｍ）とを混合させて、下方に吸引手段を備えた通気性支持体上にマット状に堆積させて定着させ強化繊維マットとする工程を含む。
本発明の製造方法として、上記の強化繊維束（Ａ）と強化繊維（Ｍ）とが混合される若しくは混合されている空間へ粉粒体状又は短繊維状等の熱可塑性樹脂を供給し、上記強化繊維類を熱可塑性樹脂とともに、下方に設けた通気性支持体上に散布し、該支持体上に強化繊維類と熱可塑性樹脂とが混在した状態で、所定の厚さに堆積・定着させ、本工程にてランダムマットを完成させる方法も好ましい。粒体状又は短繊維状の熱可塑性樹脂を供給する場合は、その供給経路にも空気を流通させ、樹脂を空気搬送するのが好ましい。
上記の強化繊維束（Ａ）と強化繊維（Ｍ）とが混合される空間に熱可塑性樹脂を供給するとは、以下のような態様が例示される。
ア）本発明の製造方法で用いられる装置内などの所定の空間に、強化繊維束（Ａ）、強化繊維（Ｍ）そして熱可塑性樹脂を供給する。
イ）強化繊維束（Ａ）と熱可塑性樹脂を予め混合しておき、該混合物と強化繊維（Ｍ）とを、所定の空間に供給し混合する。
ここで、上記の強化繊維束（Ａ）と強化繊維（Ｍ）とが混合されている空間に熱可塑性樹脂を供給するとは、予め、強化繊維束（Ａ）と強化繊維（Ｍ）とを混合しておき、所定の空間にて該混合物と、熱可塑性樹脂とを混合すること等を指す。つまり、強化繊維束（Ａ）及び強化繊維（Ｍ）と熱可塑性樹脂とを混合させる場合において、これら３成分を同時に混合してもよく、また、いずれか２成分を混合した後で、残りの１成分を混合しても良い。
(V) Step of forming a reinforcing fiber mat from reinforcing fibers The manufacturing method of the present invention mixes the reinforcing fiber bundle (A) and the reinforcing fibers (M) obtained as described above, and draws suction means downward. And a step of depositing and fixing in a mat shape on a breathable support provided with a reinforcing fiber mat.
As a production method of the present invention, a thermoplastic resin such as a granular or short fiber is supplied to a space where the reinforcing fiber bundle (A) and the reinforcing fiber (M) are mixed or mixed, The above-mentioned reinforcing fibers are sprinkled with a thermoplastic resin on a breathable support provided below, and deposited and fixed to a predetermined thickness in a state where the reinforcing fibers and the thermoplastic resin are mixed on the support. The method of completing the random mat in this step is also preferable. When supplying a granular or short fiber thermoplastic resin, it is preferable to circulate the air also through the supply path and carry the resin by air.
Examples of supplying the thermoplastic resin to the space where the reinforcing fiber bundle (A) and the reinforcing fiber (M) are mixed include the following modes.
A) The reinforcing fiber bundle (A), the reinforcing fiber (M), and the thermoplastic resin are supplied to a predetermined space such as in the apparatus used in the manufacturing method of the present invention.
A) The reinforcing fiber bundle (A) and the thermoplastic resin are mixed in advance, and the mixture and the reinforcing fiber (M) are supplied to a predetermined space and mixed.
Here, supplying the thermoplastic resin to the space in which the reinforcing fiber bundle (A) and the reinforcing fiber (M) are mixed means mixing the reinforcing fiber bundle (A) and the reinforcing fiber (M) in advance. In addition, it refers to mixing the mixture with a thermoplastic resin in a predetermined space. That is, in the case of mixing the reinforcing fiber bundle (A) and the reinforcing fiber (M) with the thermoplastic resin, these three components may be mixed at the same time, or after mixing any two components, the remaining One component may be mixed.
この工程では、強化繊維束（Ａ）、強化繊維（Ｍ）、好ましくはさらに熱可塑性樹脂といったマット原料が、少なくとも下部が解放された空間内に導入され、この空間へ供給される空気流中の作用により散乱させて、上記マット原料がランダムに混ざり合った状態で通気性支持体上に堆積させる。したがって、各成分が上記の容積比率で均一に混合しており、かつ、熱可塑性樹脂も混合した場合は、強化繊維マットを構成する強化繊維間に熱可塑性樹脂がほぼ均一に混在するランダムマットとなる。 In this step, a mat raw material such as a reinforcing fiber bundle (A), a reinforcing fiber (M), and preferably a thermoplastic resin is introduced into a space in which at least the lower part is released, and in the air stream supplied to this space. Scattered by the action, the mat raw material is deposited on the breathable support in a state of being mixed randomly. Therefore, when each component is uniformly mixed at the volume ratio described above and a thermoplastic resin is also mixed, a random mat in which the thermoplastic resin is mixed almost uniformly between the reinforcing fibers constituting the reinforcing fiber mat and Become.
この工程において、強化繊維類や熱可塑性樹脂は、面内でランダム配向するように通気性支持体上へ散布することが好ましい。強化繊維を面内にランダム配向するように散布するには、上記空間として下流側に拡大した円錐台形等のテーパー管を用い、このテーパー管の途中から強化繊維束（Ａ）等を供給することが好ましい。このテーパー管内には上部から気体が供給されるが、管内の流速が減速するので、このとき管内で拡散した繊維に回転力が与えられる。このベンチュリ効果を利用することで、強化繊維類や熱可塑性樹脂を、均等に斑無く通気性支持体上に散布することができる。この際、後述する定着工程のためにも、下方に吸引機構を持つ可動式の通気支持体（ネットコンベア等）上に散布し、マット状に堆積させることが好ましい。 In this step, the reinforcing fibers and the thermoplastic resin are preferably dispersed on the breathable support so that they are randomly oriented in the plane. To disperse the reinforcing fibers so as to be randomly oriented in the plane, a tapered tube having a truncated cone shape or the like that is expanded downstream is used as the space, and the reinforcing fiber bundle (A) or the like is supplied from the middle of the tapered tube. Is preferred. Gas is supplied into the tapered tube from above, but since the flow velocity in the tube is reduced, a rotational force is applied to the fibers diffused in the tube at this time. By utilizing this venturi effect, the reinforcing fibers and the thermoplastic resin can be evenly spread on the breathable support without any unevenness. At this time, for the fixing step described later, it is preferable to spray on a movable ventilation support (such as a net conveyor) having a suction mechanism below and deposit in a mat shape.
この工程において、熱可塑性樹脂も混合する際、その供給量は、強化繊維合計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、強化繊維合計１００重量部に対し、熱可塑性樹脂５５〜５００重量部であり、さらに好ましくは６０〜３００重量部である。 In this step, when the thermoplastic resin is also mixed, the supply amount is preferably 50 to 1000 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the reinforcing fibers. More preferably, it is 55 to 500 parts by weight of the thermoplastic resin, and more preferably 60 to 300 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the reinforcing fibers.
この工程により、所定長さにカットされ開繊状態の異なる２種の強化繊維の流れ、及び好ましくは別経路から供給される熱可塑性樹脂の流れが合流し、これらがほぼ均一に混ざり合った状態で通気性支持体上に向けて散布されてマット状に堆積し、その状態で定着させるので、斑の無い強化繊維ランダムマット又はこれに熱可塑性樹脂を含むランダムマットが形成される。この際、通気性支持体をネットからなるコンベアで構成し、一方向に連続的に移動させつつその上に堆積させるようにすれば連続的に強化繊維マット又はランダムマットを形成させることができる。また、通気性支持体を前後左右（ＸＹ軸方向）に移動させることにより均一な堆積が実現するようにしてもよい。 By this process, the flow of two types of reinforcing fibers cut to a predetermined length and different in the opened state, and preferably the flow of thermoplastic resin supplied from another path are merged, and these are almost uniformly mixed In this case, the particles are dispersed on the air-permeable support, deposited in a mat shape, and fixed in that state, so that a reinforcing fiber random mat with no spots or a random mat containing a thermoplastic resin is formed. At this time, if the breathable support is constituted by a conveyor made of a net and is continuously moved in one direction and deposited thereon, a reinforcing fiber mat or a random mat can be continuously formed. Moreover, you may make it implement | achieve uniform deposition by moving a breathable support body back and forth, right and left (XY-axis direction).
本工程は、強化繊維類、好ましくは、さらに熱可塑性樹脂を定着させる操作を含む。この定着操作は、好ましくは通気性支持体の下部よりエアを吸引するなどして、強化繊維マット又はランダムマットを引き締めることにより、強化繊維や熱可塑性樹脂を該マットから離脱しにくくし、該マットのハンドリング性等を向上させる為のものである。 This step includes an operation of fixing the reinforcing fibers, preferably a thermoplastic resin. This fixing operation is preferably performed by sucking air from the lower part of the breathable support to tighten the reinforcing fiber mat or the random mat so that the reinforcing fibers and the thermoplastic resin are not easily detached from the mat. It is for improving the handling property of the.
このように堆積面の下部より吸引することにより、面内ランダム配向度の高いマットを得ることができる。また、本工程において熱可塑性樹脂も混合する際、ここで発生する負圧を用いて熱可塑性樹脂を吸引し、さらに、管内で発生する拡散流により、熱可塑性樹脂と強化繊維と容易に混合することができる。かくして得られるランダムマットは、これを構成する強化繊維の間隙や近傍に熱可塑性樹脂が均一に存在するため、後述する加熱含浸加圧工程において、樹脂の移動距離が短く、比較的短時間でランダムマットへの樹脂の含浸が可能となる。 Thus, a mat having a high degree of in-plane random orientation can be obtained by suction from the lower part of the deposition surface. In addition, when the thermoplastic resin is also mixed in this step, the thermoplastic resin is sucked by using the negative pressure generated here, and further, the thermoplastic resin and the reinforcing fiber are easily mixed by the diffusion flow generated in the pipe. be able to. In the random mat obtained in this way, the thermoplastic resin is uniformly present in the gaps and the vicinity of the reinforcing fibers constituting the random mat. Therefore, in the heating impregnation and pressurization step described later, the resin moving distance is short, and the random mat is random in a relatively short time. The resin can be impregnated into the mat.
なお、通気性支持体を構成するシート、ネット等の目開きが大きく、熱可塑性樹脂の一部が支持体を通過してマット内に残らない懸念がある場合には、これを防ぐため、通気性支持体の表面に不織布等をセットし、その不織布上に強化繊維及び熱可塑性樹脂を吹付けて定着させることも可能である。この場合、該不織布を熱可塑性樹脂と同じ樹脂で構成すれば、堆積したマットから不織布を剥がす必要はなく、そのまま次工程で加熱加圧することにより、不織布構成繊維も複合材料のマトリックスとなる熱可塑性樹脂の一部として利用することができる。 In addition, in order to prevent this, if there is a concern that a part of the thermoplastic resin may not pass through the support and remain in the mat, there is a problem with the ventilation. It is also possible to set a nonwoven fabric or the like on the surface of the conductive support and spray and fix the reinforcing fibers and the thermoplastic resin on the nonwoven fabric. In this case, if the non-woven fabric is made of the same resin as the thermoplastic resin, it is not necessary to peel the non-woven fabric from the deposited mat, and the non-woven fabric constituting fiber becomes a matrix of the composite material by heating and pressurizing as it is in the next step. It can be used as part of the resin.
上述のとおり、この工程においては、強化繊維束（Ａ）及び強化繊維（Ｍ）を、カット後、繊維を吸引搬送する輸送経路に供給し、該強化繊維を輸送経路内で気体中に拡散し混合させ、かつ、本工程において熱可塑性樹脂も混合する際は、該強化繊維の混合時、該経路に熱可塑性樹脂を供給し混合させ、該混合物を一定方向へ連続的又は間欠的に移動する通気性支持体（以下「定着ネット」ということがある）の表面に向け散布して堆積させ、それを定着させることにより、強化繊維マット又はランダムマットが形成される。上記輸送経路はフレキシブルチューブ、ホース等の可撓性管とその先端に連設したテーパー管にて構成するのが好ましい。この場合、可撓性管とテーパー管との接続部に気体吹付けノズルを設置し、テーパー管の内壁に熱可塑性樹脂の供給経路を開口させるのが好ましい。 As described above, in this step, the reinforcing fiber bundle (A) and the reinforcing fiber (M) are supplied to the transport path for sucking and conveying the fiber after cutting, and the reinforcing fiber is diffused into the gas in the transport path. When mixing and also mixing the thermoplastic resin in this step, when mixing the reinforcing fibers, the thermoplastic resin is supplied to the path and mixed, and the mixture is moved continuously or intermittently in a certain direction. A reinforced fiber mat or a random mat is formed by spraying and depositing on a surface of a breathable support (hereinafter sometimes referred to as “fixing net”) and fixing it. The transport route is preferably constituted by a flexible tube such as a flexible tube or a hose and a tapered tube continuously provided at the tip thereof. In this case, it is preferable to install a gas blowing nozzle at the connection between the flexible tube and the taper tube, and to open a thermoplastic resin supply path on the inner wall of the taper tube.
本発明の方法においては、所望の強化繊維ランダムマットを得るために、以下のような方法を採用することができ、これらの方法は２以上併用することもできる。 In the method of the present invention, in order to obtain a desired reinforcing fiber random mat, the following methods can be employed, and two or more of these methods can be used in combination.
ア）強化繊維の輸送経路の先端部（例えば上記テーパー管の先端部）を、かつ、連続的に一定方向に走行する定着ネットの走行方向と直交する方向に、水平に往復運動させ、定着ネット上に強化繊維ランダムマットを作製する方法。
イ）気体の吹付け圧力を経時的又は位置的に変化させることにより、繊維強化束のランダムマットの繊維全量に対する割合と強化繊維束中の平均繊維数とを自在に変更して、物性の異なるランダムマットを作製する方法。
ウ）強化繊維を走行する定着ネット上に定着させる際に、熱可塑性樹脂を同時に供給して、繊維と樹脂とを混在させ、かつ、その際に、該熱可塑性樹脂の供給量を連続的に変化させることにより、強化繊維の体積含有率が連続的に変化したランダムマットを作製する方法。
エ）強化繊維の輸送経路の先端部を、定着ネットの走行方向に対して直交方向に水平な往復運動を行わせて定着ネット上にランダムマットを作製する際、走行する該定着ネットの走行速度と該吹付けノズルの往復運動速度を各々変化させることにより、連続的に任意の材料目付けを変化させ、厚みが異なる箇所を有するランダムマットを作製する方法。
オ）強化繊維の輸送経路の先端部を定着ネットの走行方向に対して直交方向に水平に往復運動させて定着ネット上にはランダムマットを作製する際、該吹付けノズルの往復運動距離を連続的に変更することにより幅方向寸法の異なるランダムマットを作製する方法。
A) The fixing net is reciprocated horizontally in the direction perpendicular to the traveling direction of the fixing net that continuously travels in a certain direction, for example, the leading end of the reinforcing fiber transport path (for example, the leading end of the tapered tube). A method for producing a reinforced fiber random mat.
B) By changing the gas blowing pressure over time or position, the ratio of the fiber reinforced bundle to the total amount of fibers in the random mat and the average number of fibers in the reinforced fiber bundle can be freely changed, and the physical properties are different. A method for producing a random mat.
C) When the reinforcing fiber is fixed on the traveling fixing net, the thermoplastic resin is simultaneously supplied so that the fiber and the resin are mixed, and at that time, the supply amount of the thermoplastic resin is continuously increased. A method for producing a random mat in which the volume content of reinforcing fibers is continuously changed by changing the volume.
D) When a random mat is produced on the fixing net by causing the tip of the reinforcing fiber transport path to reciprocate horizontally in the direction perpendicular to the traveling direction of the fixing net, the traveling speed of the fixing net that travels And a random mat having portions with different thicknesses by continuously changing an arbitrary material basis weight by changing the reciprocating speed of the spray nozzle.
E) When a random mat is made on the fixing net by reciprocating the tip of the transport path of the reinforcing fiber horizontally in a direction perpendicular to the traveling direction of the fixing net, the reciprocating distance of the spray nozzle is continuously maintained. To produce random mats with different widthwise dimensions by changing the pattern.
（ＶＩ）強化繊維マットへ熱可塑性樹脂を供給しランダムマットとする工程
上記の工程（Ｖ）にて強化繊維（Ａ）、強化繊維（Ｍ）とともに熱可塑性樹脂を混合し、ランダムマットを得る方法を示したが、強化繊維類と熱可塑性樹脂とを混合してランダムマットを得る他の方法として、上記の工程（Ｖ）にて熱可塑性樹脂を用いずに強化繊維マットを得て、これへ熱可塑性樹脂を供給しランダムマットとする方法がある。具体的な方法としては、強化繊維マットへ、粉粒体状又は短繊維状の固体の熱可塑性樹脂を振りかけるなどしても良いが、溶融状態の熱可塑性樹脂を供給することが好ましい。さらに具体的な方法について言うと、強化繊維マットの上に、溶融した熱可塑性樹脂をダイからフィルム状に押出してマット全面に溶融樹脂を供給し、強化繊維マット内に含浸させる方法が好ましく、又は強化繊維マットにノズルを刺し、当該ノズルから溶融状態の熱可塑性樹脂を供給するなどしてもよい。
(VI) Step of supplying thermoplastic resin to reinforcing fiber mat to make random mat Method of obtaining random mat by mixing thermoplastic fiber together with reinforcing fiber (A) and reinforcing fiber (M) in the above step (V) As another method for obtaining a random mat by mixing reinforcing fibers and a thermoplastic resin, a reinforcing fiber mat is obtained without using a thermoplastic resin in the above step (V). There is a method of supplying a thermoplastic resin to form a random mat. As a specific method, a granular or short fiber solid thermoplastic resin may be sprinkled on the reinforcing fiber mat, but it is preferable to supply a molten thermoplastic resin. More specifically, a method of extruding a molten thermoplastic resin from a die into a film shape on a reinforcing fiber mat and supplying the molten resin to the entire surface of the mat and impregnating the reinforcing fiber mat is preferable. A nozzle may be inserted into the reinforcing fiber mat, and a molten thermoplastic resin may be supplied from the nozzle.
上記の溶融フィルム状の熱可塑性樹脂を強化繊維マットに供給するにおいて、該熱可塑性樹脂の溶融粘度が高く、溶融熱可塑性樹脂がマットの下層まで自然に含浸し難い場合は、ニップ式加熱ローラー等によって樹脂を供給したマットを加熱加圧して、熱可塑性樹脂を均一に含浸させるようにするのが好ましい。
なお、前記（Ｖ）工程で説明したように、強化繊維類を通気性支持体上に堆積させる際に、熱可塑性樹脂も混合して堆積させランダムマットを得られるが、そのように調製したランダムマットに対して、上記のような手法にてさらに熱可塑性樹脂を供給し。複数の形態にて熱可塑性樹脂を含むランダムマットとすることもできる。
When the molten film-like thermoplastic resin is supplied to the reinforcing fiber mat, when the thermoplastic resin has a high melt viscosity and it is difficult for the molten thermoplastic resin to be naturally impregnated to the lower layer of the mat, a nip type heating roller, etc. It is preferable that the mat supplied with the resin is heated and pressurized so as to uniformly impregnate the thermoplastic resin.
As described in the step (V), when the reinforcing fibers are deposited on the air-permeable support, a thermoplastic resin is also mixed and deposited to obtain a random mat. The thermoplastic resin is further supplied to the mat by the method as described above. It can also be set as the random mat containing a thermoplastic resin with a some form.
＜本発明の方法で得られるランダムマット＞
本発明の方法では、以上のようにして等方性の繊維強化複合材料を得るのに好適なランダムマットが形成されるが、このランダムマットは、以下のような繊維構成を有することが好ましい。
<Random mat obtained by the method of the present invention>
In the method of the present invention, a random mat suitable for obtaining an isotropic fiber-reinforced composite material is formed as described above. The random mat preferably has the following fiber configuration.
すなわち、本発明の製造方法により、開繊状態の異なる平均繊維長３〜１００ｍｍの複数種の強化繊維と、熱可塑性樹脂とから構成され、強化繊維が２５〜１００００ｇ／ｍ２の目付けで、面内でランダムに配向しているランダムマットを好適に得ることができる。 That is, according to the production method of the present invention, it is composed of a plurality of types of reinforcing fibers having an average fiber length of 3 to 100 mm having different spread states, and a thermoplastic resin, and the reinforcing fibers have a basis weight of 25 to 10,000 g / m 2. A random mat that is randomly oriented can be suitably obtained.
このランダムマットは、すでに述べたように、含有する強化繊維のうち、下記式（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）が、ランダムマット中の強化繊維全量に対して２０〜９９Ｖｏｌ％の割合で存在することが好ましい。
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）
As described above, among the reinforcing fibers contained in the random mat, the reinforcing fiber bundle (A) composed of the number of critical single yarns defined by the following formula (1) is the total amount of reinforcing fibers in the random mat. It is preferable that it exists in the ratio of 20-99Vol% with respect to.
Critical number of single yarns = 600 / D (1)
(Here, D is the average fiber diameter (μm) of the reinforcing fibers)
ランダムマット中における強化繊維全量に対する強化繊維束（Ａ）の割合が２０Ｖｏｌ％未満では、ランダムマットを成形した際に、表面品位に優れる複合材料が得られるという利点はあるものの、機械物性に優れた繊維強化複合材料が得にくくなる。強化繊維束（Ａ）の割合が９９Ｖｏｌ％超になると、繊維の交絡部が局部的に厚くなり、薄肉のものが得られず、本発明の目的にそぐわない。強化繊維束（Ａ）の割合は、より好ましくは２０〜９０Ｖｏｌ％であり、さらに好ましくは３０〜９０Ｖｏｌ％、特に好ましくは３０〜８０Ｖｏｌ％である。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、この臨界単糸数より多い本数が集束一体化している炭素繊維ストランド片がここでいう強化繊維束（Ａ）に該当する。したがって、好適なランダムマットでは、それを構成する強化繊維の２０〜９９Ｖｏｌが臨界単糸数以上に集束した強化繊維束（Ａ）で、残りが臨界単糸数未満の単糸数の強化繊維束又はモノフィラメントである強化繊維（Ｍ）で構成される。 When the ratio of the reinforcing fiber bundle (A) to the total amount of reinforcing fibers in the random mat is less than 20 Vol%, there is an advantage that a composite material having excellent surface quality can be obtained when the random mat is molded, but the mechanical properties are excellent. It becomes difficult to obtain a fiber-reinforced composite material. When the ratio of the reinforcing fiber bundle (A) exceeds 99 Vol%, the entangled portion of the fibers becomes locally thick, and a thin-walled product cannot be obtained, which is not suitable for the purpose of the present invention. The ratio of the reinforcing fiber bundle (A) is more preferably 20 to 90 Vol%, further preferably 30 to 90 Vol%, and particularly preferably 30 to 80 Vol%. Specifically, when the average fiber diameter of the carbon fibers constituting the random mat is 5 to 7 μm, the number of critical single yarns is 86 to 120, and the carbon fiber strand pieces in which the larger number than the critical single yarns are converged and integrated. Corresponds to the reinforcing fiber bundle (A) mentioned here. Therefore, in a suitable random mat, the reinforcing fiber bundle (A) in which 20 to 99 Vol of the reinforcing fibers constituting the random mat are converged to be equal to or more than the critical single yarn number, and the remainder is a reinforcing fiber bundle or monofilament having a single yarn number less than the critical single yarn number. It is composed of a certain reinforcing fiber (M).
さらに、臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）中の平均繊維本数（Ｎ）が下記式（２）
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２ （２）
（ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
を満たすことが好ましい。
Furthermore, the average number of fibers (N) in the reinforcing fiber bundle (A) composed of the number of critical single yarns or more is represented by the following formula (2).
0.7 × 10 4 / D 2 <N <1 × 10 5 / D 2 (2)
(Here, D is the average fiber diameter (μm) of the reinforcing fibers)
It is preferable to satisfy.
例えば、炭素繊維の平均繊維径が５μｍの場合、繊維束中の平均繊維本数（Ｎ）は２８０〜４０００本の範囲となるが、なかでも２８０〜２０００本、さらには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本数（Ｎ）は１４２〜２０４０本の範囲となるが、なかでも１４２〜１０２０本、さらには３００〜８００本であることが好ましい。また、上記ランダムマットにおける強化繊維の平均繊維長５〜１００ｍｍ以下であり、好ましくは１０〜１００ｍｍであり、より好ましくは１５〜８０ｍｍであり、なかでも２０〜６０ｍｍがさらに好ましい。上述した強化繊維のカット工程において、第1糸条群と第２糸条群を合わせて固定長にカットした場合、ランダムマットにおける平均繊維長はカットした繊維長とほぼ等しくなる。 For example, when the average fiber diameter of the carbon fiber is 5 μm, the average number of fibers (N) in the fiber bundle is in the range of 280 to 4000, and in particular, 280 to 2000, and more preferably 600 to 1600. Is preferred. When the average fiber diameter of the carbon fiber is 7 μm, the average number of fibers (N) in the fiber bundle is in the range of 142 to 2040, but it is preferably 142 to 1020, more preferably 300 to 800. . The average fiber length of the reinforcing fibers in the random mat is 5 to 100 mm or less, preferably 10 to 100 mm, more preferably 15 to 80 mm, and particularly preferably 20 to 60 mm. In the above-described reinforcing fiber cutting step, when the first yarn group and the second yarn group are combined and cut into a fixed length, the average fiber length in the random mat is substantially equal to the cut fiber length.
強化繊維束（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、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が１×１０５／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。厚さ１ｍｍ以下の薄肉な複合材料を得ようとする場合、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。全ての強化繊維を単糸レベルまで開繊した場合には、マット中の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。上記式（１）で定義される臨界単糸以上の強化繊維束（Ａ）と、強化繊維（Ｍ）、つまり臨界単糸数未満の強化繊維束及び完全に単糸に分離したものの少なくともいずれかからなる強化繊維群が上記の割合で同時に存在するランダムマットとすることにより、薄肉であり、かつ物性の高い複合材料を与えるランダムマットを得ることが可能である。このように、本発明にしたがい、集束状態が相違する強化繊維が特定の割合で混在するランダムマットとすることにより、複合材料の表面性、物性、成形性等が大幅に向上する。 When the average number of fibers (N) in the reinforcing 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 reinforcing fiber bundle (A) is 1 × 10 5 / D 2 or more, a locally thick portion is generated, which tends to cause voids. When trying to obtain a thin composite material having a thickness of 1 mm or less, if fibers that are simply separated are used, the density is large and good physical properties cannot be obtained. When all the reinforcing fibers are opened to the single yarn level, the fibers in the mat are entangled, and a fiber having a high fiber volume content cannot be obtained. From the reinforcing fiber bundle (A) of the critical single yarn or more defined by the above formula (1) and the reinforcing fiber (M), that is, the reinforcing fiber bundle having less than the critical single yarn number, and at least one separated completely into the single yarn By using a random mat in which the reinforcing fiber groups are simultaneously present in the above ratio, it is possible to obtain a random mat that provides a composite material that is thin and has high physical properties. As described above, according to the present invention, the surface properties, physical properties, moldability, and the like of the composite material are greatly improved by using a random mat in which reinforcing fibers having different convergence states are mixed at a specific ratio.
このランダムマットは、各種の厚みとすることが可能であるが、これをプリフォームとして、厚みが０．２〜１mm程度の薄肉の成形品も好適に得ることも可能となる。なお、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数及び割合は、スリット工程、カット工程並びに開繊工程の条件を選定することで制御可能である。 The random mat can have various thicknesses, and a thin molded product having a thickness of about 0.2 to 1 mm can be suitably obtained using the random mat as a preform. In addition, the average number of fibers and the ratio in the reinforcing fiber bundle (A) can be controlled by selecting conditions for the slit process, the cut process, and the fiber opening process.
ランダムマットの厚さは特に制限はなく、所望により１〜１００ｍｍ厚みのものを得ることができる。なお、薄肉の複合材料成形品が得られるという本発明の効果を発揮するためには、ランダムマットは２〜５０ｍｍ厚みとすることが好ましい。 The thickness of the random mat is not particularly limited, and a random mat having a thickness of 1 to 100 mm can be obtained as desired. In order to exhibit the effect of the present invention that a thin composite material molded product can be obtained, the random mat is preferably 2 to 50 mm thick.
本発明の方法では、各種目的とする複合材料成形品の厚さに合わせたランダムマットを作成することができ、特に、薄肉のものは、サンドイッチ材の表皮等、薄物の成形品のプリフォームとして有用である。 In the method of the present invention, a random mat can be prepared according to the thickness of a composite material molded product for various purposes. In particular, a thin-walled one is used as a preform for a thin molded product such as a skin of a sandwich material. Useful.
＜熱可塑性樹脂をランダムマットに含透させることによる繊維強化複合材料の製造＞
本発明におけるランダムマットは熱可塑性樹脂を含み、繊維強化複合材料を得るためのプリフォームとなる。このランダムマットにおいては、強化繊維と熱可塑性樹脂とが斑なく混在している。具体的には、ランダムマットを構成する強化繊維の間隙や近傍に熱可塑性樹脂が分散して存在するので、あらためて型内で繊維と樹脂を流動させる必要がなく、例えば、得られたランダムマットを、表面温度を熱可塑性樹脂の軟化点以上、好ましくは融点以上の温度に保持した一対又は複数対の加熱ローラー間を通して加熱加圧することにより、熱可塑性樹脂が軟化又は溶融し、ランダムマット中に樹脂がほぼ均一に含浸される。したがって、この加熱加圧後に速やかに冷却することにより目的とするシート状の繊維強化複合材料となる。
<Production of fiber reinforced composite material by impregnating thermoplastic resin with random mat>
The random mat in the present invention contains a thermoplastic resin and becomes a preform for obtaining a fiber-reinforced composite material. In this random mat, the reinforcing fibers and the thermoplastic resin are mixed without any spots. Specifically, since the thermoplastic resin is dispersed and present in the gaps or in the vicinity of the reinforcing fibers constituting the random mat, there is no need to flow the fibers and resin in the mold again. For example, the obtained random mat The thermoplastic resin is softened or melted by heating and pressurizing between one or a plurality of pairs of heating rollers maintained at a temperature equal to or higher than the softening point of the thermoplastic resin, preferably equal to or higher than the melting point. Is impregnated almost uniformly. Therefore, it becomes the target sheet-like fiber reinforced composite material by rapidly cooling after this heating and pressing.
なお、上記の加熱加圧を実施する前に、ランダムマットを連続的に加熱室に導入して予熱することもできる。この場合の予熱温度は、熱可塑性樹脂のガラス転移点〜融点付近の温度が好ましい。この予熱工程を行うことにより、ランダムマット中の熱可塑性樹脂が強化繊維に部分的に接着してマット内に固定される。 In addition, before implementing said heating and pressurization, a random mat can be continuously introduced into a heating chamber and preheated. In this case, the preheating temperature is preferably a temperature from the glass transition point to the melting point of the thermoplastic resin. By performing this preheating step, the thermoplastic resin in the random mat is partially bonded to the reinforcing fibers and fixed in the mat.
本発明者らの研究によれば、得られる繊維強化複合材料における強化繊維の集束状態は、ランダムマットでの状態と変わらないことが確認された。すなわち、ランダムマットにおいて上記式（１）、（２）の条件を満たすものは、熱可塑性樹脂を含浸させた繊維強化複合材料においても同様に上記式（１）、（２）の条件を満たすものとなる。 According to the study by the present inventors, it was confirmed that the bundled state of the reinforcing fibers in the obtained fiber-reinforced composite material is not different from the state in the random mat. That is, those satisfying the above formulas (1) and (2) in the random mats also satisfy the above formulas (1) and (2) in the fiber reinforced composite material impregnated with the thermoplastic resin. It becomes.
次に、以上の各工程を連続的に実施して、複合材料を効率的に製造する一例を図１に示す。図１は本発明方法を実施する装置を例示する概略図であって、図中の１は強化繊維糸条のクリール、２及び３はそれぞれの糸条の糸導ガイド、４は第１群糸条用の縦スリット装置、５は第２群糸条用の開繊装置、６はフィードローラー、７はカット装置、８はその下部に設けた繊維移送用のテーパー管、９は熱可塑性樹脂の供給部、１０は連続的に移動可能な通気性支持体（定着ネットコンベア）、１１は吸引装置、１２はランダムマット予熱装置を示す。また、Ｙ１は第１群糸条、Ｙ２は第２群糸条、ＲＭはランダムマットである。また、Ｆは強化繊維束（Ａ）とモノフィラメント様の強化繊維（Ｍ）との混合物、または、これら両者と熱可塑性樹脂との混合物を示す。
Next, FIG. 1 shows an example in which a composite material is efficiently manufactured by continuously performing the above steps. FIG. 1 is a schematic view illustrating an apparatus for carrying out the method of the present invention, in which 1 is a creel of a reinforcing fiber yarn, 2 and 3 are yarn guides for the respective yarns, and 4 is a first group yarn. Longitudinal slit device for strip, 5 is a fiber opening device for the second group yarn, 6 is a feed roller, 7 is a cutting device, 8 is a taper tube for transferring fibers provided in the lower part, and 9 is a thermoplastic resin. The
この例では、第１群糸条Ｙ１及び第２群糸条Ｙ２は、それぞれ、クリール１に配置された巻糸体から、所定の速度で引き出され、そのうち第１群糸条Ｙ１は、複数本の糸条を並列に隙間なく引き揃えた帯状のストランドとして拡幅装置２に供給される。該拡幅装置２でストランドは所定幅まで拡大され広幅で薄い帯状ストランドとなる。なお、当初のストランドがスリットに十分な幅と薄さを有する場合は、引揃えや拡幅等を行う必要はない。広幅の帯状ストランドは、引き続き、糸導ガイド２を経て、縦スリット装置４に送られ、該装置によりストランドの長さ方向に沿って所定幅にスリットされ複数の細幅ストランドに分割される。一方、第２群糸条Ｙ２は、糸導ガイド３を経てそのまま開繊装置５に導入され、ここで空気流の吹付けによってほぼ臨界単糸数未満の単糸数や単糸にまで開繊される。
In this example, the first group yarn Y1 and the second group yarn Y2 are each pulled out from the wound yarns arranged on the creel 1 at a predetermined speed, of which the first group yarn Y1 includes a plurality of yarns. Are fed to the widening
その後、両者は、並列に引き揃えて、フィードローラー６により、ロータリーカッター等を備えたカット装置７に導入し、該装置７にて所定の繊維長にカットされ、それぞれ強化繊維束（Ａ）及び強化繊維（Ｍ）となる、そして、該装置内の下部に配置したテーパー管８入口付近に設けた空気供給口から導入される搬送用気流により拡散混合され、下部のテーパー管８内へ誘導される。この際、熱可塑性樹脂供給部９より、粉粒体状又は短繊維状の熱可塑性樹脂を、搬送用気流によってテーパー８管内に供給し、テーパー管８の先端から、強化繊維束（Ａ）、モノフィラメント様の強化繊維（Ｍ）及び熱可塑性樹脂を混合時状態で同時に通気性支持体、具体的には通気性ネットを備えたコンベヤー１０、の上に吹き出して堆積させる。そして、コンベヤー１０の下方に配置した吸引装置１１により上記の強化繊維束（Ａ）、強化繊維（Ｍ）及び熱可塑性樹脂を混合状態で支持体上に定着させ、ランダムマットを形成する。
After that, both are aligned in parallel and introduced by a
このランダムマットＲＭから、連続的に複合材料を製造する場合は、ランダムマットＲＭを一対の加熱ローラーを備えた加熱加圧装置（図示せず）に供給し、熱可塑性樹脂の軟化点以上、好ましくは融点以上の温度、で加熱加圧することにより、ランダムマット中に分散している熱可塑性樹脂を軟化又は溶融させて該ランダムマットへ均一に含浸させる。この際、上記加熱加圧に先立ち、必要に応じ、加熱室を備えた予熱装置１２にランダムマットＲＭを導入し、熱可塑性樹脂の２次転移点（Ｔｇ）以上の温度に予熱してもよい。加熱加圧後には冷却ローラー（図示せず）等と接触させて常温付近まで急冷するのが好ましい。このように連続的に製造された複合材料シートは裁断装置（図示せず）により所望の寸法に裁断して目的とする繊維強化複合材料を得ることができる。なお、この複合材料の製造工程に続いて成形を実施する場合は、裁断を行うことなく、連続長の複合材料をそのまま成形工程に供給するようにしてもよい。
In the case of continuously producing a composite material from this random mat RM, the random mat RM is supplied to a heating and pressurizing device (not shown) provided with a pair of heating rollers, preferably above the softening point of the thermoplastic resin. Is heated and pressed at a temperature equal to or higher than the melting point to soften or melt the thermoplastic resin dispersed in the random mat and uniformly impregnate the random mat. At this time, prior to the heating and pressurization, if necessary, a random mat RM may be introduced into the preheating
＜ランダムマットから得られる繊維強化複合材料＞
このような本発明の方法によるランダムマットから、簡単な操作で、強化繊維と熱可塑性樹脂とからなる繊維強化複合材料を製造することができる。上述のとおり、本発明におけるランダムマットには強化繊維と粉粒体状及び／又は繊維状の熱可塑性樹脂が、斑なく混合して存在するので、型内で繊維と樹脂を流動させる必要がなく、熱可塑性樹脂を容易に含浸できるという利点がある。したがって、本発明の製造方法のランダムマットにより得られる繊維強化複合材料が等方性を示すのは、ランダムマット中の強化繊維の等方性がプレス成形等の成形加工を経ても維持されるからである。
<Fiber-reinforced composite material obtained from random mat>
From such a random mat according to the method of the present invention, a fiber-reinforced composite material composed of reinforcing fibers and a thermoplastic resin can be produced by a simple operation. As described above, the random mat in the present invention contains the reinforcing fiber and the granular and / or fibrous thermoplastic resin without any unevenness, so that it is not necessary to flow the fiber and the resin in the mold. There is an advantage that the thermoplastic resin can be easily impregnated. Therefore, the fiber reinforced composite material obtained by the random mat of the production method of the present invention is isotropic because the isotropy of the reinforcing fiber in the random mat is maintained even after a molding process such as press molding. It is.
このような含浸工程後の繊維強化複合材料も、実質的に上記繊維長の強化繊維と熱可塑性樹脂とから構成され、強化繊維が実質的に面内ランダムに配向した繊維強化複合材料であって、下記式（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、繊維全量に対する強化繊維束（Ａ）の割合が２０〜９９Ｖｏｌ％であり、かつ強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（２）を満たすものである。
臨界単糸数＝６００／Ｄ （１）
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２ （２）
（ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
The fiber-reinforced composite material after such an impregnation step is also a fiber-reinforced composite material substantially composed of the above-mentioned fiber length reinforcing fibers and a thermoplastic resin, and the reinforcing fibers are substantially in-plane randomly oriented. In the reinforcing fiber bundle (A) composed of the number of critical single yarns defined by the following formula (1), the ratio of the reinforcing fiber bundle (A) to the total amount of fibers is 20 to 99 Vol%, and the reinforcing fiber bundle ( The average number of fibers (N) in A) satisfies the following formula (2).
Critical number of single yarns = 600 / D (1)
0.7 × 10 4 / D 2 <N <1 × 10 5 / D 2 (2)
(Here, D is the average fiber diameter (μm) of the reinforcing fibers)
＜繊維強化複合材料の利用＞
本発明の方法により得られるランダムマットあるいはそれから得られる中間基材は、例えば、プレス成形、熱成形等により、所望の成形体とすることができる。このランダムマットなどはいずれの成形方法による場合でも、非常な短時間（例えば数分以内）で成形をすることができ、しかも、得られる成形品は軽量で良好な物性を有するため、工業的にきわめて有利である。具体的には、自動車、鉄道車両、航空機等の内板、外板、構成部材等、さらには、各種電気製品、機械のフレームや筐体等の各種用途に有用であり、例えば、本発明のランダムマットから得られる強化繊維複合材料、特に炭素繊維複合材料を骨格に使用することにより、電気自動車の骨格を、プレス成形により約１分以下の短時間で製造することも可能となる。
<Use of fiber reinforced composite material>
The random mat obtained by the method of the present invention or the intermediate substrate obtained therefrom can be formed into a desired molded body by, for example, press molding, thermoforming or the like. This random mat can be molded in a very short time (for example, within a few minutes) regardless of which molding method is used, and the resulting molded product is lightweight and has good physical properties. Very advantageous. Specifically, it is useful for various uses such as inner plates, outer plates, structural members, etc. of automobiles, railway vehicles, airplanes, etc., and various electric products, machine frames and casings. By using a reinforced fiber composite material obtained from a random mat, particularly a carbon fiber composite material, as a skeleton, an electric vehicle skeleton can be manufactured in a short time of about 1 minute or less by press molding.
以下に、本発明を実施例により説明するが、本発明の範囲がこれらにより限定されるものではない。特に、注記の無い限り、強化繊維束（Ａ）やその試料などについて、繊維束（繊維長）の長さの単位はｍｍ、重量の単位はｇである。なお、実施例における各測定値は、ＰＣＴ／ＪＰ２０１１／７０３１４に記載した方法に準じて測定される値であり、それぞれの測定方法は以下のとおりである。 EXAMPLES The present invention will be described below with reference to examples, but the scope of the present invention is not limited thereto. Unless otherwise noted, the unit of length of the fiber bundle (fiber length) is mm and the unit of weight is g for the reinforcing fiber bundle (A) and its sample. In addition, each measured value in an Example is a value measured according to the method described in PCT / JP2011 / 70314, and each measuring method is as follows.
１）ランダムマットにおける強化繊維束の分析
ランダムマットから１００ｍｍ×１００ｍｍ程度の試料片を切り出す。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、強化繊維束（Ａ）の束の数（Ｉ）及び繊維束の長さ（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（Ｗｋ）を測定する。
重量の測定には、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（Ｄμｍ）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、上記強化繊維束（Ａ）を２種類以上含む場合には、種類毎に分け、各々について測定及び評価を行う。
強化繊維束（Ａ）の平均繊維数（Ｎ）の求め方は以下の通りである。すなわち、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(ｇ／ｍ)）より、次式により求められる。ここで繊度（Ｆ）には強化繊維束を構成するフィラメントの単位長さ当りの重量（平均値）を用いる。
Ｎｉ＝Ｗｉ／（Ｌｉ×Ｆ）
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、次式により求められる。
Ｎ＝ΣＮｉ／Ｉ
強化繊維束（Ａ）のマットの繊維全量に対する割合（ＶＲ）は、強化繊維の密度（ρ（ｇ／ｃｍ３））を用いて次式により求められる。
ＶＲ＝Σ（Ｗｉ／ρ）×１００／（（Ｗｋ＋ΣＷｉ）／ρ）
1) Analysis of reinforcing fiber bundle in random mat A sample piece of about 100 mm × 100 mm is cut out from the random mat. From the cut out mat, all the fiber bundles are taken out with tweezers, and the number (I) of bundles of reinforcing fiber bundles (A) and the length (Li) and weight (Wi) of the fiber bundles are measured and recorded. When the fiber bundle is so small that it cannot be taken out with tweezers, the weight (Wk) is finally measured.
For measuring the weight, 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 μm) of the reinforcing fibers used in the random mat, and the bundle is divided into reinforcing fiber bundles (A) having the number of critical single yarns or more and the others. In addition, when 2 or more types of the said reinforcing fiber bundle (A) are included, it divides | segments for every type and performs measurement and evaluation about each.
The method for obtaining the average number of fibers (N) of the reinforcing fiber bundle (A) is as follows. That is, the number of fibers (Ni) in each reinforcing fiber bundle is obtained from the following equation from the fineness (F (g / m)) of the reinforcing fibers used. Here, the weight (average value) per unit length of the filaments constituting the reinforcing fiber bundle is used for the fineness (F).
Ni = Wi / (Li × F)
The average number of fibers (N) in the reinforcing fiber bundle (A) is obtained from the number of bundles (I) of the reinforcing fiber bundle (A) by the following formula.
N = ΣNi / I
The ratio (VR) of the reinforcing fiber bundle (A) to the total amount of fibers of the mat is obtained by the following formula using the density (ρ (g / cm 3 )) of the reinforcing fibers.
VR = Σ (Wi / ρ) × 100 / ((Wk + ΣWi) / ρ)
２）ランダムマット又は繊維強化複合材料に含まれる強化繊維の平均繊維長の分析
ランダムマット又は複合材料より無作為に抽出した強化繊維１００本の長さをノギス及びルーペで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）を求める。複合材料の場合は５００℃×１時間程度、炉内にて樹脂を除去した後、強化繊維を抽出する。
Ｌａ（ｍｍ）＝ΣＬｉ／１００
2) Analysis of average fiber length of reinforcing fibers contained in random mat or fiber reinforced composite material Measure the length of 100 reinforcing fibers randomly extracted from random mat or composite material with calipers and loupes and record Then, from the measured lengths (Li) of all the reinforcing fibers, the average fiber length (La) is obtained by the following formula. In the case of a composite material, the reinforcing fiber is extracted after removing the resin in the furnace at about 500 ° C. for about 1 hour.
La (mm) = ΣLi / 100
３）強化繊維複合材料における強化繊維束分析
強化繊維複合材料については、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する。
3) Reinforcing fiber bundle analysis in reinforcing fiber composite material The reinforcing fiber composite material is measured in the same manner as in the above random mat after removing the resin in the furnace at about 500 ° C for about 1 hour.
４）強化繊維複合材料における繊維配向の分析
強化繊維複合材料を成形した後、繊維の等方性を測定する方法としては、成形板の任意の方向、及びこれと直行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できる。弾性率の比が1に近いほど、等方性に優れる材料である。本発明では弾性率の比が１．３以下の場合、等方性であると評価する。
4) Analysis of fiber orientation in reinforced fiber composite material After forming the reinforced fiber composite material, as a method for measuring the isotropic property of the fiber, a tensile method based on an arbitrary direction of the formed plate and a direction perpendicular thereto is used. This can be confirmed by performing a test, measuring the tensile modulus, and measuring the ratio (Eδ) obtained by dividing the larger value of the measured tensile modulus by the smaller one. The closer the modulus ratio is to 1, the better the material is. In the present invention, when the elastic modulus ratio is 1.3 or less, it is evaluated as isotropic.
［実施例１］
図１に例示する装置を使用して本発明を実施した。すなわち、強化繊維の第１糸条群（Ｙ１）として、東邦テナックス社製のＰＡＮ系炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＳＴＳ４０−２４ＫＳ（平均繊維径７μｍ、ストランド幅１０ｍｍ）を使用し、縦スリット装置により幅０．８ｍｍにスリットし細幅ストランドとした。また、第２糸条群（Ｙ２）として、同様のＰＡＮ系炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＳＴＳ４０−２４ＫＳ（平均繊維径７μｍ、ストランド幅１０ｍｍ）を使用し、これをスリットすることなく、開繊装置に導入した。この開繊装置としては、径の異なるＳＵＳ３０４製のニップルを溶接した二重管を用い、この二重管の内側の管に小孔を設け、内側の管と外側の管との間にコンプレッサーにて圧縮空気を送気して内側の管内を走行する炭素繊維糸条Ｙ２に圧縮空気吹き付ける構造となし、空気流により糸条Ｙ２を臨界単糸数未満の単糸数となるまで開繊させた。
[Example 1]
The present invention was implemented using the apparatus illustrated in FIG. That is, as the first yarn group (Y1) of the reinforcing fiber, a PAN-based carbon fiber “Tenax” (registered trademark) STS40-24KS (average fiber diameter: 7 μm, strand width: 10 mm) manufactured by Toho Tenax Co., Ltd. is used. The device was slit to a width of 0.8 mm to form a narrow strand. In addition, as the second yarn group (Y2), the same PAN-based carbon fiber “TENAX” (registered trademark) STS40-24KS (
続いて、糸条Ｙ１と糸条Ｙ２とを引き揃えて同時にカット装置に導入し、それぞれ繊維長２０ｍｍにカットを行い、それぞれ強化繊維束（Ａ）及び強化繊維（Ｍ）を得た。カット装置としては、超硬合金を用いて螺旋状ナイフを表面に配置したロータリーカッターを用いた。このとき、下記式（ａ）
強化繊維の繊維長（刃のピッチ）＝強化繊維ストランド幅×ｔａｎ（９０−θ）（ａ）
（ここで、θは周方向とナイフのなす角である。）
におけるθは６８度であり、刃のピッチを２０ｍｍとし繊維長２０ｍｍにカットするようにした。この際、カット装置への糸条Ｙ１と糸条Ｙ２との供給速度比を調節してＹ１／Ｙ２の体積比、つまりは強化繊維束（Ａ）／強化繊維（Ｍ）の体積比が３５／６５となるようにした。
Subsequently, the yarn Y1 and the yarn Y2 were aligned and simultaneously introduced into a cutting device, and each fiber was cut to a length of 20 mm to obtain a reinforcing fiber bundle (A) and a reinforcing fiber (M). As a cutting device, a rotary cutter using a cemented carbide and a spiral knife arranged on the surface was used. At this time, the following formula (a)
Reinforcing fiber length (blade pitch) = reinforcing fiber strand width × tan (90−θ) (a)
(Here, θ is the angle between the circumferential direction and the knife.)
In this case, θ is 68 degrees, the blade pitch is 20 mm, and the fiber length is cut to 20 mm. At this time, the supply speed ratio between the yarn Y1 and the yarn Y2 to the cutting device is adjusted, and the volume ratio of Y1 / Y2, that is, the volume ratio of reinforcing fiber bundle (A) / reinforcing fiber (M) is 35 / It was set to 65.
上記のように得られた強化繊維束（Ａ）及び強化繊維（Ｍ）を、ロータリーカッターの直下に配置したフレキシブルな輸送配管に吸引導入し、引き続いて、輸送配管の下端に連設した上記テーパー管の側面の設けた孔より、空気搬送された熱可塑性樹脂（ユニチカ社製のナイロン６樹脂“Ａ１０３０”の粒子）をテーパー管内に供給した。この時、強化繊維束（Ａ）及び強化繊維（Ｍ）の合計の供給量を２１２ｇ／ｍｉｎ、ナイロン６樹脂粒子の供給量を３２０ｇ／ｍｉｎとした。
The reinforced fiber bundle (A) and the reinforced fiber (M) obtained as described above are sucked into a flexible transportation pipe arranged immediately below the rotary cutter, and then continuously connected to the lower end of the transportation pipe. The thermoplastic resin (particles of
そして、テーパー管出口の下方に設置された、通気性支持体として一定方向に移動する定着ネットコンベアの下からブロワにて吸引を行いながら、該フレキシブルな輸送配管とテーパー管とを、定速で移動する定着ネットコンベアの幅方向に往復運動させることにより、テーパー管先端から空気流とともに吐出されるカットした強化繊維とナイロン６樹脂粒子の混合体とを、その定着ネットコンベア上に均一なマット状に堆積及び定着させ、ランダムマットを得た。このランダムマットは、強化繊維と熱可塑性樹脂とが斑なく混合されたものであり、強化繊維の目付け量は２６５ｇ／ｍ２であった。
Then, while sucking with a blower from below the fixing net conveyor that moves in a certain direction as a breathable support installed below the outlet of the tapered pipe, the flexible transport pipe and the tapered pipe are moved at a constant speed. By reciprocating in the width direction of the moving fixing net conveyor, the mixture of the cut reinforcing fiber and
得られたランダムマットについて、強化繊維束（Ａ）の割合とその平均繊維数（Ｎ）を調べたところ、上記式（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３５Ｖｏｌ％、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は２４０であった。また、ナイロン６樹脂粒子は、強化繊維中に殆ど斑の無い状態で均一に分散されていた。
When the ratio of the reinforcing fiber bundle (A) and the average number of fibers (N) were examined for the obtained random mat, the critical single yarn number defined by the above formula (1) was 86, and the reinforcing fiber bundle (A ), The ratio of the mat to the total amount of fibers was 35 Vol%, and the average number of fibers (N) in the reinforcing fiber bundle (A) was 240. Further, the
このランダムマットを４枚積層し、金型に入れ、温度２７０℃、圧力１．０ＭＰａ、加熱時間３分間で加熱しプレス成形したところ、厚さ２．０ｍｍの繊維強化複合材料成形板（以下、成形板と略記する）を得た。この成形板について超音波探傷試験を行ったところ、未含浸部やボイドは全く確認されなかった。 Four of these random mats were laminated, put into a mold, heated at a temperature of 270 ° C., a pressure of 1.0 MPa, and a heating time of 3 minutes, and press-molded. Abbreviated as molded plate). An ultrasonic flaw detection test was performed on the molded plate, and no unimpregnated portion or void was confirmed.
また、得られた成形板の０度及び９０度方向の引張り弾性率を測定したところ、弾性率の比（Ｅδ）は１．０３であり、繊維配向は殆ど無く、等方性が維持された成形板を得ることができた。さらに、この成形板を５００℃×１時間程度炉内にて加熱し、樹脂を除去した後、強化繊維束（Ａ）の割合と、平均繊維数（Ｎ）を調べたところ、上記ランダムマットの測定結果と差異は見られなかった。 Further, when the tensile elastic modulus in the directions of 0 ° and 90 ° of the obtained molded plate was measured, the elastic modulus ratio (Eδ) was 1.03, there was almost no fiber orientation, and the isotropic property was maintained. A molded plate could be obtained. Furthermore, this molded plate was heated in a furnace at 500 ° C. for about 1 hour to remove the resin, and then the ratio of the reinforcing fiber bundle (A) and the average number of fibers (N) were examined. There was no difference from the measurement results.
［実施例２］
実施例１と同様に、図１に例示する装置を使用して本発明を実施した。すなわち、強化繊維の第１糸条群（Ｙ１）として、東邦テナックス社製のＰＡＮ系炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＳＴＳ４０−２４ＫＳ（平均繊維径７μｍ、ストランド幅１０ｍｍ）を使用し、縦スリット装置により幅０．８ｍｍにスリットし細幅ストランドとした。また、第２糸条群（Ｙ２）として、同様の炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＳＴＳ４０−２４ＫＳ（平均繊維径７μｍ、ストランド幅１０ｍｍ）を使用し、これをスリットすることなく、開繊装置に導入した。この開繊装置としては、実施例１と同じものを使用し、二重管の内側の管に小孔を設け、内側の管と外側の管との間にコンプレッサーにて圧縮空気を送気して内側の管内を走行する炭素繊維糸条Ｙ２に圧縮空気を吹き付ける構造となし、空気流により、炭素繊維糸条Ｙ２を臨界単糸数未満の単糸数となるまで開繊させた。
[Example 2]
As in Example 1, the present invention was implemented using the apparatus illustrated in FIG. That is, as the first yarn group (Y1) of the reinforcing fiber, a PAN-based carbon fiber “Tenax” (registered trademark) STS40-24KS (average fiber diameter: 7 μm, strand width: 10 mm) manufactured by Toho Tenax Co., Ltd. is used. The device was slit to a width of 0.8 mm to form a narrow strand. Further, as the second yarn group (Y2), the same carbon fiber “TENAX” (registered trademark) STS40-24KS (average fiber diameter: 7 μm, strand width: 10 mm) is used, and the fiber opening device is not slit. Introduced. As this fiber opening device, the same one as in Example 1 is used, a small hole is provided in the inner tube of the double tube, and compressed air is sent between the inner tube and the outer tube by a compressor. The structure is such that compressed air is blown onto the carbon fiber yarn Y2 running in the inner pipe, and the carbon fiber yarn Y2 is opened by air flow until the number of single yarns is less than the critical single yarn number.
続いて、糸条Ｙ１と糸条Ｙ２とを引き揃えて同時にカット装置に導入し、それぞれ繊維長２０ｍｍにカットを行い、それぞれ強化繊維束（Ａ）及び強化繊維（Ｍ）を得た。カット装置としては、実施例１と同じロータリーカッターを使用した。この際、カット装置への糸条Ｙ１と糸条Ｙ２との供給速度比を調節してＹ１／Ｙ２の体積比、つまり強化繊維束（Ａ）／強化繊維（Ｍ）の体積比が７０／３０となるようにした。 Subsequently, the yarn Y1 and the yarn Y2 were aligned and simultaneously introduced into a cutting device, and each fiber was cut to a length of 20 mm to obtain a reinforcing fiber bundle (A) and a reinforcing fiber (M). As a cutting device, the same rotary cutter as in Example 1 was used. In this case, the volume ratio of Y1 / Y2, that is, the volume ratio of reinforcing fiber bundle (A) / reinforcing fiber (M) is 70/30 by adjusting the supply speed ratio of the yarn Y1 and the yarn Y2 to the cutting device. It was made to become.
上記のように得られた強化繊維束（Ａ）及び強化繊維（Ｍ）を、ロータリーカッターの直下に配置したフレキシブルな輸送配管に導入し、引き続いて、輸送配管の下端に連設した上記テーパー管の側面の設けた孔より、熱可塑性樹脂（ユニチカ社製のナイロン６短繊維）を管内に供給した。この時、強化繊維束（Ａ）及び強化繊維（Ｍ）の合計の供給量を２１２ｇ／ｍｉｎ、熱可塑性樹脂の供給量を３２０ｇ／ｍｉｎにセットした。
The above-mentioned taper pipe in which the reinforcing fiber bundle (A) and the reinforcing fiber (M) obtained as described above are introduced into a flexible transportation pipe arranged immediately below the rotary cutter, and subsequently connected to the lower end of the transportation pipe. A thermoplastic resin (
そして、テーパー管出口の下方に、設置された一定方向に移動する定着ネットコンベアの下からブロワにて吸引を行いながら、該フレキシブルな輸送配管とテーパー管とを、定速で移動する定着ネットコンベアの幅方向に往復運動させることにより、テーパー管先端から空気流とともに吐出される強化繊維束（Ａ）、強化繊維（Ｍ）及びナイロン６短繊維の混合体とを、マット状に堆積及び定着させランダムマットを得た。このランダムマットは、強化繊維と熱可塑性樹脂とが斑なく混合されたものであり、強化繊維の目付け量は２６５ｇ／ｍ２であった。
A fixing net conveyor that moves the flexible transportation pipe and the taper pipe at a constant speed while performing suction with a blower from below the fixing net conveyor that moves in a fixed direction below the outlet of the taper pipe. By reciprocating in the width direction, the bundle of reinforcing fiber bundle (A), reinforcing fiber (M) and
得られたランダムマットについて、強化繊維束（Ａ）の割合とその平均繊維数（Ｎ）を調べたところ、上記式（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７０Ｖｏｌ％、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は２４０であった。また、ナイロン６短繊維は、強化繊維中に殆ど斑の無い状態で均一に分散されていた。
When the ratio of the reinforcing fiber bundle (A) and the average number of fibers (N) were examined for the obtained random mat, the critical single yarn number defined by the above formula (1) was 86, and the reinforcing fiber bundle (A ), The ratio of the mat to the total amount of fibers was 70 Vol%, and the average number of fibers (N) in the reinforcing fiber bundle (A) was 240. The
このランダムマットを４枚積層し、金型に入れ、温度２７０℃、圧力１．０ＭＰａ、加熱時間３分間で加熱しプレス成形したところ、厚さ２．０ｍｍの成形板を得た。この成形板について超音波探傷試験を行ったところ、未含浸部やボイドは全く確認されなかった。 Four of these random mats were stacked, put into a mold, heated at a temperature of 270 ° C., a pressure of 1.0 MPa, and a heating time of 3 minutes to obtain a molded plate having a thickness of 2.0 mm. An ultrasonic flaw detection test was performed on the molded plate, and no unimpregnated portion or void was confirmed.
また、得られた成形板の０度及び９０度方向の引張り弾性率を測定したところ、弾性率の比（Ｅδ）は１．０３であり、繊維配向は殆ど無く、等方性が維持された成形板を得ることができた。さらに、この成形板を５００℃×１時間程度炉内にて加熱し、樹脂を除去した後、強化繊維束（Ａ）の割合と、該繊維束の平均繊維数（Ｎ）を調べたところ、上記ランダムマットの測定結果と差異は見られなかった。
Further, when the tensile elastic modulus in the directions of 0 ° and 90 ° of the obtained molded plate was measured, the elastic modulus ratio (Eδ) was 1.03, there was almost no fiber orientation, and the isotropic property was maintained. A molded plate could be obtained. Furthermore, after heating this molded plate in a furnace at about 500 ° C. for about 1 hour to remove the resin, the proportion of the reinforcing fiber bundle (A) and the average number of fibers (N) of the fiber bundle were examined. There was no difference from the measurement result of the random mat.
１：強化繊維糸条のクリール、
２,３：糸導ガイド
４：縦スリット装置
５：気体吹き付けによる開繊装置
６：フィードローラー
７：カット装置（ロータリーカッター）
８：強化繊維移送路のテーパー管
９：熱可塑性樹脂の供給部、
１０：連続的に移動可能な通気性支持体（定着ネットコンベア）、
１１：吸引装置
１２：ランダムマット予熱装置
Ｙ１：第１群糸条
Ｙ２：第２群糸条
Ｆ：強化繊繊維束（Ａ）とモノフィラメント様の強化繊維（Ｍ）と熱可塑性樹脂との混合物
ＲＭ：ランダムマット
1: Creel of reinforcing fiber yarn,
2,3: Yarn guide 4: Longitudinal slit device 5: Opening device by gas blowing 6: Feed roller 7: Cutting device (rotary cutter)
8: Tapered tube of reinforcing fiber transfer path 9: Thermoplastic resin supply section,
10: Breathable support (fixing net conveyor) that can be moved continuously,
11: Suction device 12: Random mat preheating device Y1: First group yarn Y2: Second group yarn F: Mixture RM of reinforcing fiber bundle (A), monofilament-like reinforcing fiber (M), and thermoplastic resin : Random mat
Claims (7)
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）
第１糸条群（Ｙ１）がカットされた上記臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）、及び、第２糸条群（Ｙ２）がカットされて上記臨界単糸数未満の単糸数となるまで開繊させたモノフィラメント様の強化繊維（Ｍ）を、混合させて、下方に吸引手段を備えた通気性支持体上にマット状に堆積させて定着させ強化繊維マットとする工程を含み、かつ、上記の強化繊維（Ａ）と強化繊維（Ｍ）が混合される若しくはされている空間中へ、又は上記強化繊維マットへの少なくともいずれかに熱可塑性樹脂を供給することを特徴とするランダムマットの製造方法。 A method for producing a random mat comprising reinforcing fibers and a thermoplastic resin, wherein the reinforcing fiber strands are slit in a direction parallel to the fiber arrangement direction, and the strand width is 0.05 to 5 mm, and is represented by the following (1). The first yarn group (Y1), which is a narrow strand composed of the number of critical single yarns or more, and the reinforced strand are opened until the number of single yarns is less than the critical single yarn number represented by the following formula (1). Two yarn groups (Y2) are simultaneously introduced into a cutting device, and cut to an average fiber length of 3 to 100 mm.
Critical number of single yarns = 600 / D (1)
(Here, D is the average fiber diameter (μm) of the reinforcing fibers)
The reinforcing fiber bundle (A) composed of the number of the critical single yarns or more cut from the first yarn group (Y1), and the number of single yarns less than the critical number of single yarns cut from the second yarn group (Y2). A step of mixing the monofilament-like reinforcing fibers (M) that have been opened until they become a mixture, depositing them in a mat form on a breathable support provided with suction means below, and fixing them to form a reinforcing fiber mat. In addition, a thermoplastic resin is supplied into a space where the reinforcing fiber (A) and the reinforcing fiber (M) are mixed or at least, or to the reinforcing fiber mat. Manufacturing method of random mat.
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２ （２）
（ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）The production method according to claim 2, wherein the number of constituent single yarns (N) of the reinforcing fiber bundle (A) is within a range satisfying the following formula (2).
0.7 × 10 4 / D 2 <N <1 × 10 5 / D 2 (2)
(Here, D is the average fiber diameter (μm) of the reinforcing fibers)
The breathable support is composed of a net conveyor that moves continuously in one direction, the cut reinforcing fibers and thermoplastic resin are scattered in the taper pipe, and at least the outlet position of the lower end of the taper pipe is at the bottom of the net conveyor. The manufacturing method according to any one of claims 1 to 6, wherein the reinforcing fibers are deposited on the net conveyor by reciprocating in a direction orthogonal to the moving direction.
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