TWI701273B - 強化纖維複合材料 - Google Patents

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Abstract

一種強化纖維複合材料，其係包含至少含有不連續強化纖維集合體的不連續強化纖維與基質樹脂之強化纖維複合材料，當將不連續強化纖維集合體予以2次元投影時，對不連續強化纖維的配向方向交叉之方向的不連續強化纖維集合體之寬度經最擴幅的最擴幅部係存在於該不連續強化纖維集合體的兩端部以外之位置，該最擴幅部的縱橫比(不連續強化纖維集合體的寬度/不連續強化纖維集合體的厚度)為不連續強化纖維集合體的至少一方之端部的縱橫比之1.3倍以上的不連續強化纖維集合體(A)，係在不連續強化纖維中至少含有5重量%以上。本發明提供強化纖維複合材料，其可使成形時的高流動性與高高械特性以高水準並存，尤其具備有顯示流動成形時優異的流動性、2次元各向同性之最適合條件。

Description

強化纖維複合材料
本發明關於包含不連續強化纖維與基質樹脂之強化纖維複合材料，特別地關於強化纖維複合材料，其係藉由將不連續強化纖維以從前所沒有的特定之集合體形態含於強化纖維複合材料中，而2次元各向同性、均勻性優異，使用其製作成形品時，可使高的流動性與機械特性並存。
包含強化纖維與基質樹脂之強化纖維複合材料，由於得到高的機械特性，而使用於各種的成形品之製造，於各式各樣的領域中需求係逐年增加。
作為具有高機能特性的強化纖維複合材料之成形方法，將稱為預浸漬物的在連續強化纖維中含浸有基質樹脂的半硬化狀態之中間基材予以積層，藉由在高溫高壓釜中加熱加壓而使基質樹脂硬化之成形連續纖維強化複合材料的高壓釜成形係最一般進行者。又，近年來，以生產效率的提高為目的，亦進行使基質樹脂含浸至預先賦有構件形狀的連續纖維基材及使硬化之RTM(樹脂轉移模塑)成形等。由此等之成形法所得的強化纖維複合材料，因為是連續纖維所以具有優異的力學物性。另外，由於連續纖維為規則的排列，故可按照基 材的配置來設計所需要的力學物性，力學物性之偏差亦小。然而另一方面，由於是連續纖維，故難以形成3次元形狀等的複雜形狀，主要係限於接***面形狀的構件。
作為適合3次元形狀等的複雜形狀之成形方法，有使用SMC(片模塑複合)或可沖壓片之成形等。SMC成形品係藉由將強化纖維的股束(strand)例如以纖維長度成為25mm左右之方式在纖維正交方向中切斷，使熱硬化性樹脂之基質樹脂含浸至此短切股束，使用加熱型加壓機將成為半硬化狀態的片狀基材(SMC)予以加熱加壓而得。可沖壓片成形品係藉由例如使熱塑性樹脂含浸至經切斷成25mm左右的短切股束或不連續的強化纖維所成之不織布蓆等，將所成之片狀基材(可沖壓片)一次以紅外線加熱器等加熱至熱塑性樹脂的熔點以上，於指定溫度的模具中冷卻加壓而得。
於多數的情況中，在加壓前將SMC或可沖壓片切斷成比成形體的形狀小，配置於成形模具上，藉由加壓來拉伸(使流動)成為成形體之形狀而進行成形。因此，藉由該流動而亦可追隨3次元形狀等的複雜形狀。然而，SMC或可沖壓片由於在其片化步驟中，必然地會發生短切股束(chopped strand)或不織布蓆的分布不均、配向不均，故力學物性降低，或其值的偏差會變大。再者，由於該分布不均、配向不均，特別地在薄物的構件中，容易發生翹曲、收縮等。
為了掩飾如上述的材料之缺點，例如專利文獻1、2中提案將作為強化纖維束的碳纖維束予以一次 擴幅後，在寬度方向中分割，藉由切割而規定不連續碳纖維蓆中的特定碳纖維束之重量平均纖維寬度的碳纖維蓆。然而，如該專利文獻1、2中記載，若在寬度方向中分割碳纖維束，則隨著所得之碳纖維複合材料中的碳纖維彼此的接點數增加，流動性係惡化。又，碳纖維蓆中的寬度及厚度係以對於纖維集合體的長度方向(纖維長度方向)，剖面形狀為矩形狀或橢圓狀所構成之大致均勻的柱狀體作為前提，纖維寬度細的碳纖維蓆係纖維厚度愈薄則使用其所製造的碳纖維複合材料成形品之機械特性愈優異，但成形時的流動性低，成形性差。此係因為強化纖維的碳纖維充分地分散而應力難以集中，充分發揮碳纖維的補強效果，但另一方面，碳纖維彼此交叉而限制互相的行動，變難以活動。
又，纖維寬度為寬廣的碳纖維蓆，係纖維彼此的接觸面積容易變廣，由於限制互相的行動而變難以活動，成形時的流動性係難以展現，成形性差。另外，纖維厚度愈厚，則使用其所製造的碳纖維複合材料成形品之成形時的流動性愈優異，但對用於成形為肋(rib)等複雜形狀或厚度薄的成形體之模具的追隨性差，機械特性低。此係因為碳纖維束粗大，碳纖維彼此不形成網絡，故雖在流動初期容易活動，但在成形為肋等的複雜形狀或厚度薄的成形體時，碳纖維束彼此交絡，阻礙基質樹脂的流動，而且應力容易集中在碳纖維束的端部。
又，專利文獻3中陳述使股束開纖後，進行裁斷，使含浸有熱硬化性樹脂的碳纖維複合材料及其 製造方法，但與前述專利文獻1、2同樣地，碳纖維寬度及厚度係以對於纖維集合體的長度方向(纖維長度方向)，剖面為大致矩形狀的大致均勻之柱狀體作為前提，纖維寬度為寬廣的碳纖維片，係纖維厚度愈厚，使用其所製造的碳纖維複合材料成形品之成形時的流動性愈優異，但對於用成形為肋等的複雜形狀或厚度薄的成形體之模具的追隨性差，機械特性低。另外，纖維厚度愈薄，使用其所製造的碳纖維複合材料成形品之機械特性愈優異，但流動性差。
先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1 WO2014/201315號公報
專利文獻2 WO2014/021316號公報
專利文獻3 日本特開2008-254191號公報
因此，本發明之課題在於提供一種強化纖維複合材料，其可使以往之由強化纖維與樹脂所成之強化纖維複合材料所無法達成的成形時之高流動性與高機械特性以高水準並存，特別地具備有顯示流動成形時優異的流動性、優異的機械特性之最適合條件。
為了解決上述課題，本發明之強化纖維複合材料係包含至少含有不連續強化纖維集合體的不連續 強化纖維與基質樹脂之強化纖維複合材料，其包含以下之特徵：當將前述不連續強化纖維集合體予以2次元投影時，對該不連續強化纖維的配向方向(後述之第1圖(B)中所示的將不連續強化纖維集合體的兩端部之中點連結成線形的方向)交叉之方向的該不連續強化纖維集合體之寬度經最擴幅的最擴幅部係存在於該不連續強化纖維集合體的兩端部以外之位置，該最擴幅部的縱橫比(後述之第1圖(C)、(D)中所示，不連續強化纖維集合體的寬度m/不連續強化纖維集合體的厚度h)為前述不連續強化纖維集合體之至少一方之端部的縱橫比(後述之第1圖(C)、(D)中所示，不連續強化纖維集合體的寬度Mn/不連續強化纖維集合體的厚度Hn，於此，n表示不連續強化纖維集合體之任一方的端部之位置，n=1或2)之1.3倍以上的不連續強化纖維集合體(A)，係在前述不連續強化纖維中至少含有5重量%以上。
於如此的本發明之強化纖維複合材料中，通常若強化纖維進入基質樹脂中，則在成形時複合材料的流動性降低，但其流動性的降低係可藉由增加不連續強化纖維為集合體形態的不連續強化纖維之配合量而抑制，良好的流動性之實現成為可能。然而，不連續強化纖維集合體，例如若為如由對於長度方向的剖面形狀為矩形或略圓形所構成的柱狀體，對於強化纖維集合體的長度方向(纖維配向方向)而言集合體的寬度及厚度為一定的情況，則集合體之寬度為寬廣的情形，流動性優異，但有局部地變難以成為2次元各向同性之傾向。又，集 合體之寬度為狹窄時，雖然容易變成2次元各向同性，但有流動性差之傾向。即，重視良好流動性的不連續強化纖維集合體之最適合形態與重視2次元各向同性的不連續強化纖維集合體之最適合形態係未必成為相同的形態，綜合地考慮此等，尤其以使良好流動性與2次元各向同性平衡良好地並存之方式，最佳化強化纖維複合材料中的不連續強化纖維之構造。
為了展現高流動性與2次元各向同性，不連續強化纖維中所含有的不連續強化纖維集合體(A)在該最擴幅部的縱橫比較佳為至少一方之端部的縱橫比之1.3倍以上20倍以下，更佳為1.5倍以上，尤佳為2倍以上。由不連續強化纖維集合體(A)的最擴幅部縱橫比係相對於端部而言變大，基質樹脂容易含浸至不連續強化纖維集合體(A)內，故變容易展現強度、彈性模數。再者，對於纖維集合體的長度方向(纖維長度方向)而言強化纖維寬度及厚度，係比對於長度方向而言剖面形狀為矩形或略圓形所成的柱狀體，在更多方向中纖維配向，故所得之強化纖維複合材料更容易成為2次元各向同性。
又，詳細係如後述，不連續強化纖維集合體(A)係在端部藉由強化纖維彼此纏繞或附著於強化纖維的上漿劑等而一體化。因此，於流動成形時尤其在流動開始時，以集合體單位開始流動，即使於流動中不連續纖維集合體彼此過度地交絡結合，形成能阻礙基質樹脂的流動之橋，也因在最擴幅部被部分地分纖及開纖，藉由基質樹脂所產生的剪切力，最擴幅部成為起點，不 連續強化纖維集合體(A)邊被分纖及開纖邊容易流動，不阻礙基質樹脂之流動，展現優異的流動性。
不連續強化纖維集合體(A)若最擴幅部的縱橫比相對於至少一方的端部縱橫比而言低於1.3倍，則在流動成形時難以在不連續強化纖維集合體(A)發生分纖及開纖，不連續纖維集合體彼此過度地交絡結合，阻礙基質樹脂的流動，造成流動性變差，若超過20倍則過度地給予擴幅，牽涉不連續強化纖維集合體(A)的起毛或纖維斷裂，造成強度的降低。
相對於強化纖維複合材料中所含有的不連續強化纖維全量，強化纖維複合材料中所含有的不連續強化纖維集合體(A)較佳為至少5重量%以上100%以下，更佳為10重量%以上，尤佳為20重量%以上。若小於5重量%，則不連續強化纖維集合體(A)所致的高流動性及2次元各向同性展現效果為不充分。本發明之不連續強化纖維集合體(A)不是絨毛等的單絲附著於短切股束及短切股束經擴幅及分纖的短切股束上之短切股束，而是意圖地使兩端部以外的地方分纖及擴幅之不連續強化纖維集合體。
為了展現更高的高流動性與2次元各向同性，作為上述不連續強化纖維集合體(A)，較佳為包含最擴幅部的縱橫比超過30之不連續強化纖維集合體，更佳為超過30且小於500。不連續強化纖維集合體之最擴幅部的縱橫比若為30以下，則在流動成形時於不連續強化纖維集合體(A)難以發生分纖及開纖，不連續纖維集合體 彼此過度交絡結合，阻礙基質樹脂之流動，造成流動性變差，若成為500以上則會過度地給予擴幅，牽涉不連續強化纖維集合體(A)的起毛或纖維斷裂，造成強度的降低。
又，為了更確實地展現高流動性，較佳為包含相對於上述不連續強化纖維集合體(A)之2次元投影時的至少一方之端部的寬度與該不連續強化纖維集合體(A)之最擴幅部的寬度，最擴幅部寬度/端部寬度為1.3以上之不連續強化纖維集合體，較佳為1.3以上且小於50，尤佳為1.5以上，尤更佳為1.7以上。不連續強化纖維集合體(A)之最擴幅部的寬度相對於端部的集合體寬度，若最擴幅部寬度/端部寬度小於1.3，則在流動成形時於不連續強化纖維集合體(A)難以發生分纖及開纖，不連續纖維集合體彼此過度地交絡結合，阻礙基質樹脂之流動，造成流動性變差，若成為50以上則會過度地給予擴幅，牽涉不連續強化纖維集合體(A)的起毛或纖維斷裂，造成強度的降低。
再者，為了確實地展現高流動性，較佳為包含不連續纖維集合體(A)的至少一方之端部的厚度相對於不連續纖維集合體(A)之最擴幅部的厚度，端部厚度/最擴幅部厚度為1.2以上之不連續強化纖維集合體，更佳為1.2以上且小於100，尤佳為1.5以上。不連續纖維集合體(A)的至少一方之端部的厚度相對於最擴幅部的厚度，若端部厚度/最擴幅部厚度小於1.2，則在流動成形時於不連續強化纖維集合體(A)難以發生分纖及開 纖，不連續纖維集合體彼此過度地交絡結合，阻礙基質樹脂之流動，造成流動性變差，端部厚度/最擴幅部厚度若成為100以上，則會過度地給予擴幅，牽涉不連續強化纖維集合體(A)的起毛或纖維斷裂，造成強度的降低。
還有，為了使流動性與2次元各向同性平衡良好地並存，較佳為包含自不連續纖維集合體(A)的至少單側端部寬度與最擴幅部的寬度所算出的擴幅角度超過5°之不連續強化纖維集合體，擴幅角度更佳為超過5°且小於90°。此處， 擴幅角度=tan-1{(最擴幅部的寬度-端部的寬度)/2/端部與最擴幅部間距離}。
更佳為超過8°且小於85°。擴幅角度若為5°以下，則不連續纖維係以集合體單位在相同方向中配向，2次元各向同性展現為不充分，若超過90°則會過度地給予擴幅，牽涉不連續強化纖維集合體(A)的起毛或纖維斷裂，造成強度的降低。
又，為了使強度與流動性平衡良好地並存，不連續強化纖維的數平均纖維長度較佳為5mm以上且小於100mm。數平均纖維長度若小於5mm，則造成強度降低，數平均纖維長度若為100mm以上，強化纖維的纖維間之接點數增加，造成流動性變差。
另外，為了確實地展現強度，較佳為使不連續強化纖維集合體(A)之兩端部相對於不連續纖維集合體的長度方向(在後述之第3圖中所示的將不連續強化纖維集合體的兩端部之中點結成線形的方向中，纖維配 向方向)，保持2°~30°之角度θ而切割。藉由保持角度θ而切割，不連續強化纖維集合體(A)端部的強化纖維表面積係增加，集中於不連續強化纖維的端部之應力係被緩和，展現強化纖維複合材料的強度。
於本發明之強化纖維複合材料中，作為不連續強化纖維，可使用為了將纖維強化複合材料成形而使用的一切之強化纖維，但當不連續強化纖維由碳纖維所構成時，本發明係特別適合於含有碳纖維作為不連續強化纖維之情況。
如此地，藉由本發明之強化纖維複合材料，可提供一種優異的強化纖維複合材料，其可平衡良好地達成成形時優異的流動性與成形品的高機械特性、2次元各向同性之全部。
1‧‧‧不連續強化纖維集合體(A)
2‧‧‧不連續強化纖維集合體(A)之最擴幅部
3、4‧‧‧不連續強化纖維集合體(A)之單側端部
5‧‧‧不連續強化纖維集合體(A)之自第1圖(B)方向的投影圖
6‧‧‧不連續強化纖維集合體(A)之纖維配向方向
7‧‧‧不連續強化纖維集合體(A)端部之中點
8‧‧‧不連續強化纖維集合體(A)之自第1圖(C)方向的投影圖
21‧‧‧搬送輥
22‧‧‧刀具
23‧‧‧強化纖維股束
24‧‧‧空氣頭
25‧‧‧夾輥
26‧‧‧刀具用台
27‧‧‧輸送帶
31‧‧‧保持角度切割股束時的不連續強化纖維集合體(A)
41‧‧‧端部的厚度測定點
42‧‧‧最擴幅部的厚度測定點
43‧‧‧最擴幅部的寬度大於測微計的壓頭直徑之2倍時的最擴幅部厚度測定點
m‧‧‧最擴幅部2的寬度
L1、L2‧‧‧自最擴幅部2起至各端部3、4為止的距離
M1、M2‧‧‧各端部3、4的寬度
h‧‧‧最擴幅部2的厚度
H1、H2‧‧‧各端部3、4的厚度
第1圖(A)係顯示本發明所用的不連續強化纖維集合體之一例的斜視圖，(B)係(A)所示的不連續強化纖維集合體之朝向(B)方向的(朝向水平面的)投影圖，顯示纖維配向方向之一例，(C)係顯示(A)所示的不連續強化纖維集合體之朝向(B)方向的(朝向水平面的)2次元投影圖，(D)係顯示(A)所示的不連續強化纖維集合體之(C)方向投影圖。
第2圖係顯示本發明所用的不連續強化纖維片製造裝置之一例的概略構成圖。
第3圖係顯示使本發明中的不連續強化纖維集合體之端部保持角度θ而切割的一例之概略2次元投影圖。
第4圖係顯示本發明中的不連續強化纖維集合體之端部及最擴幅部的厚度測定地方之例的概略2次元投影圖。
[實施發明的形態]
以下，對於本發明，與實施例、比較例一起詳細地說明。
首先，說明本發明之態樣及本發明中特佳的態樣。
於本發明之強化纖維複合材料中，強化纖維複合材料係由不連續強化纖維與基質樹脂所構成。不連續強化纖維至少包含指定比例的不連續強化纖維集合體(A)，不連續強化纖維集合體(A)係以成為如第1圖所示之指定的集合體形狀作為特徵。於第1圖中，第1圖(A)顯示與如此之指定的集合體形狀之一例有關的形狀之不連續強化纖維集合體(A)1，第1(B)圖係第1圖(A)中所示的不連續強化纖維集合體(A)1之朝向(B)方向的(朝向水平面的)投影圖5，顯示不連續強化纖維集合體(A)1之最擴幅部2、單側端部3、4、纖維配向方向6、端部3、4之中點7。第1圖(C)係同樣地第1圖(A)中所示的不連續強化纖維集合體(A)1之朝向(B)方向的(朝向水平面的)2次元投影圖5，顯示最擴幅部2的寬度為m，自最擴幅部2起至各端部3、4為止的距離L1、L2，各端部3、4的寬度M1、M2，第1圖(D)係顯示第1圖(A)中所示的不連續強 化纖維集合體(A)1之自(C)方向的投影圖8，顯示最擴幅部2的厚度為h，各端部3、4的厚度Hn(n=1，2)。
本發明之不連續強化纖維集合體(A)，當將不連續強化纖維集合體予以2次元投影時，對該不連續強化纖維的配向方向交叉之方向的該不連續強化纖維集合體寬度經最擴幅的最擴幅部係存在於該不連續強化纖維集合體之兩端部以外的位置，該最擴幅部的縱橫比(不連續強化纖維集合體的寬度/不連續強化纖維集合體的厚度)係前述不連續強化纖維集合體的至少一方之端部的縱橫比之1.3倍以上者為重要。不連續強化纖維集合體(A)係最擴幅部的縱橫比相對於至少一方之單側端部的縱橫比而言，較佳為1.3倍以上20倍以下，更佳為1.5倍以上，尤佳為2倍以上。
由於最擴幅部的縱橫比係相對於至少一方之單側端部的縱橫比而言成為1.3倍以上，基質樹脂容易含浸至不連續強化纖維集合體(A)內，故容易展現強度、彈性模數，而且由於該不連續強化纖維集合體(A)係比由剖面形狀為矩形或略圓形所成的柱狀體，不連續強化纖維集合體(A)中的纖維在更多方向中配向，故所得之強化纖維複合材料更容易成為2次元各向同性。又，由於不連續強化纖維集合體(A)係在兩端部藉由強化纖維彼此的纏繞或附著於強化纖維的上漿劑等而一體化，故於流動成形時，尤其流動開始時，以集合體單位開始流動，即使於流動中不連續纖維集合體彼此過度地交絡結合，形成能阻礙基質樹脂的流動之橋，也因在最擴幅 部被部分地分纖及開纖，藉由基質樹脂所產生的剪切力，最擴幅部成為起點，不連續強化纖維集合體(A)邊被分纖及開纖邊容易流動，不阻礙基質樹脂之流動，展現優異的流動性。
又，由於最擴幅部的縱橫比係相對於至少一方之單側端部的縱橫比而言為20倍以下，不連續強化纖維集合體係難以發生因擴幅所致的起毛或纖維斷裂，可抑制強度降低。再者，於流動成形時，具體而言以不連續強化纖維集合體單位開始流動之際，由於最擴幅部被分纖及開纖，最擴幅部成為起點，不連續強化纖維集合體(A)係邊被基質樹脂所產生的剪切力所開纖及分纖邊流動，不阻礙基質樹脂之流動，展現優異的流動性。而且，即使為肋等的複雜形狀，於流動中自不連續強化纖維集合體(A)所開纖及分纖的不連續纖維係容易沿著複雜形狀流入，展現優異的成形性。
重要的是相對於強化纖維複合材料中所含有的不連續強化纖維全量，強化纖維複合材料中所含有的不連續強化纖維集合體(A)係至少5重量%以上含有。相對於強化纖維複合材料中所含的不連續強化纖維全量，不連續強化纖維集合體(A)較佳為5重量%以上100%以下。由於相對於不連續強化纖維全量，不連續強化纖維集合體(A)係至少5重量%以上被含有，故充分地發揮不連續強化纖維集合體(A)所致的高流動性及2次元各向同性展現效果。不連續強化纖維集合體(A)更佳為10重量%以上，尤佳為20重量%以上。
不連續強化纖維係除了不連續強化纖維集合體(A)，還可包含將在作成不連續強化纖維片時以單絲水準所開纖的不連續強化纖維或股束直接切割之短切股束、短切股束在寬度方向中經分割之分纖短切股束、兩端部以外的位置經部分地分割及擴幅但不滿足集合體形狀之短切股束、短切股束全體經擴幅的擴幅短切股束、短切股束全體經擴幅、分割之擴幅分割股束等。
又，較佳為包含不連續強化纖維集合體(A)之最擴幅部的縱橫比超過30之不連續強化纖維集合體。另外，更佳為包含縱橫比超過30且小於500之不連續強化纖維集合體。藉由包含最擴幅部的縱橫比超過30之不連續強化纖維集合體，由於纖維在更多方向中配向，所得之強化纖維複合材料更容易成為2次元各向同性。還有，由於包含最擴幅部的縱橫比小於500之不連續強化纖維集合體，於不連續強化纖維集合體中，難以發生因擴幅所致的起毛或纖維斷裂，可抑制強度降低。再者，對於不連續強化纖維集合體(A)全體，縱橫比超過30的不連續強化纖維集合體較佳佔50%以上，更佳佔80%以上，尤佳佔90%以上。由於不連續強化纖維集合體(A)之大部分係以縱橫比超過30的不連續強化纖維集合體所構成，可發揮如前述之使強化纖維複合材料容易成為2次元各向同性之效果。
上述不連續強化纖維集合體(A)較佳為包含相對於至少一方之端部寬度(第1圖(C)中的M1或M2)，與該不連續強化纖維集合體(A)的長度方向中之最擴幅 部的寬度(第1圖(C)中的m)，最擴幅部寬度/端部寬度為1.3以上之不連續強化纖維集合體。又，更佳為包含最擴幅部寬度/端部寬度為1.3倍以上且小於50之不連續強化纖維集合體。由於包含最擴幅部寬度/端部寬度為1.3倍以上寬廣的不連續強化纖維集合體，在流動成形時，具體而言以不連續強化纖維集合體單位開始流動之際，由於最擴幅部被分纖及開纖，最擴幅部成為起點，不連續強化纖維集合體(A)係邊被基質樹脂所產生的剪切力所開纖及分纖邊流動，不阻礙基質樹脂之流動，展現優異的流動性。又，由於包含最擴幅部寬度/端部寬度小於50倍的不連續強化纖維集合體，不連續強化纖維集合體難以發生因擴幅所致的起毛或纖維斷裂，可抑制強度降低。最擴幅部寬度/端部寬度更佳為1.5以上，尤佳為1.7以上。
再者，對於不連續強化纖維集合體(A)，最擴幅部寬度/端部寬度為1.3倍以上之不連續強化纖維集合體較佳佔50%以上，更佳佔80%以上，尤佳佔90%以上。由於不連續強化纖維集合體(A)之大部分係以最擴幅部寬度/端部寬度為1.3倍以上之不連續強化纖維集合體所構成，可發揮如前述之展現優異的流動性效果。
上述不連續強化纖維集合體(A)較佳為包含至少一方之端部厚度(第1圖(D)中的H1或H2)相對於最擴幅部厚度(第1圖(D)中的h)，端部厚度/最擴幅部厚度為1.2以上之不連續強化纖維集合體。又，更佳為包含端部厚度/最擴幅部厚度為1.2以上且小於100之不連續 強化纖維集合體。由於包含端部厚度/最擴幅部厚度為1.2以上之不連續強化纖維集合體，於流動成形時，具體而言以不連續強化纖維集合體單位開始流動之際，由於最擴幅部被分纖及開纖，最擴幅部成為起點，不連續強化纖維集合體(A)係邊被基質樹脂所產生剪切力所開纖及分纖邊，不阻礙基質樹脂之流動，容易展現優異的流動性。另外，由於包含端部厚度/最擴幅部厚度小於100之不連續強化纖維集合體，不連續強化纖維集合體係難以發生因擴幅所致的起毛或纖維斷裂，可抑制強度降低。端部厚度/最擴幅部厚度更佳為1.5以上。再者，對於不連續強化纖維集合體(A)，端部厚度/最擴幅部厚度為1.2以上之不連續強化纖維集合體較佳佔50%以上，更佳佔80%以上，尤佳佔90%以上。由於不連續強化纖維集合體(A)之大部分係以端部厚度/最擴幅部厚度為1.2以上之不連續強化纖維集合體所構成，可發揮如前述之展現優異的流動性效果。
上述不連續纖維集合體(A)較佳為包含自至少一方之端部寬度與最擴幅部的寬度所算出之擴幅角度超過5°之不連續強化纖維集合體。又，更佳為包含自至少一方之端部的寬度與最擴幅部的寬度所算出之擴幅角度超過5°且小於90°之不連續強化纖維集合體。此處， 擴幅角度=tan-1{(m-Mn)/2/Ln}(m表示最擴幅部的寬度，L自最擴幅部起至單側端部為止之距離，n表示不連續強化纖維集合體的任一方之端部的位置，n=1或2)。
由於包含擴幅寬度超過5°之不連續強化纖維集合體，不阻礙基質樹脂之流動，容易展現優異的流動性，而且不連續強化纖維在更廣的範圍中配向，故所得之強化纖維複合材料成為更2次元各向同性而較佳。由於包含擴幅寬度小於90°之不連續強化纖維集合體，不連續強化纖維集合體難以發生因擴幅所致的起毛或纖維斷裂，可抑制強度降低。更佳為超過8°且小於85°。再者，對於不連續強化纖維集合體(A)，擴幅寬度超過5°之不連續強化纖維集合體較佳佔50%以上，更佳佔80%以上，尤佳佔90%以上。由於不連續強化纖維集合體(A)之大部分係以擴幅寬度超過5°之不連續強化纖維集合體所構成，可發揮如前述之使強化纖維複合材料容易成為2次元各向同性之效果。
測定上述不連續強化纖維集合體的寬度或厚度，結果亦可能有1個不連續強化纖維集合體係滿足例如縱橫比超過30，同時最擴幅部寬度/端部寬度為1.3以上。
於此，在本發明中為了得到強化纖維複合材料而使用的強化纖維係沒有特別的限定，可使用高強度、高彈性模數強化纖維，此等係可併用1種或2種以上。例如，當強化纖維為碳纖維時，可舉出聚丙烯腈(PAN)系、瀝青系、嫘縈系等之碳纖維。從所得之成形品的強度與彈性模數之平衡的觀點來看，較佳為PAN系碳纖維。碳纖維的密度較佳為1.65~1.95g/cm3，更佳為1.7~1.85g/cm3。密度過大者係所得之碳纖維複合材料的 輕量性能差，過小者係有所得之碳纖維複合材料的機械特性變低之情況。
又，為了得到本發明之強化纖維複合材料而亦使用的強化纖維，從生產性之觀點來看，較佳為單絲經收束的強化纖維股束，強化纖維股束中的單絲數多者為佳。成為強化纖維股束時的單絲數係可以1,000~100,000條之範圍內使用，特佳為以10,000~70,000條之範圍內使用。強化纖維係可按照需要對強化纖維股束使用股束分纖用縱切機(slitter)等，分割成所欲的股束數，將所分割的分纖強化纖維股束切割成指定的長度而使用。由於將股束分纖成所欲的股束數，相較於未處理的股束，成為強化纖維複合材料時的均勻性升高，機械特性優異，故為可例示作為較佳例。
作為強化纖維的單絲彎曲剛性，例如當強化纖維為碳纖維時，較佳在1×10-11~3.5×10-11Pa‧m4之範圍內，更佳為2×10-11~3×10-11Pa‧m4。由於單絲彎曲剛性在上述範圍內，在製造後述的強化纖維集不織布片之步驟中，可使所得之強化纖維集不織布片的品質安定。
又，為了得到強化纖維複合材料而使用的強化纖維股束，以提高與基質樹脂的接著性等為目的，較佳為進行表面處理。作為表面處理之方法，有電解處理、臭氧處理、紫外線處理等。又，以防止強化纖維股束的起毛，或提高強化纖維股束的收束性，或提高與基質樹脂的接著性等為目的，亦可給予上漿劑。作為上漿劑，並沒有特別的限定，可使用具有環氧基、胺基甲酸 酯基、胺基、羧基等的官能基之化合物，此等係可併用1種或2種以上。
此處所謂的上漿處理，就是使經表面處理步驟與水洗步驟等使經水潤濕的含水率20~80重量%左右之水潤濕強化纖維股束進行乾燥後，使附著含有上漿劑的液體(上漿液)之處理方法。
作為上漿劑之給予手段，並沒有特別的限定，例如有通過輥浸漬於上漿液中之方法，使接觸附著有上漿液的輥之方法，將上漿液成為霧狀而噴吹之方法等。又，可為分批式、連續式之任一種，但較佳為生產性良好且可減小偏差的連續式。此時，較佳為以上漿劑有效成分對於強化纖維股束的附著量在恰當範圍內均勻地附著之方式，控制上漿液濃度、溫度、絲條張力等。另外，於上漿劑給予時，更佳為以超音波使強化纖維股束振動。
乾燥溫度與乾燥時間係可按照化合物的附著量來調整，但從一方面縮短上漿劑之給予中所用的溶劑之完全去除、乾燥所需要的時間，一方面防止上漿劑的熱降解，防止強化纖維股束變硬而束的擴展性惡化之觀點來看，乾燥溫度較佳為150℃以上350℃以下，更佳為180℃以上250℃以下。
相對於僅強化纖維股束之質量，上漿劑附著量較佳為0.01質量%以上10質量%以下，更佳為0.05質量%以上5質量%以下，尤佳為0.1質量%以上5質量%以下。0.01質量%以下時難以出現接著性提高效果。10質量%以上時，會使成形品的物性降低。
於本發明中，作為用於強化纖維複合材料的基質樹脂，使用熱塑性樹脂或/及熱硬化性樹脂。作為熱塑性樹脂，並沒有特別的限制，可在不使成形品的機械特性大幅降低之範圍內適宜選擇。若例示的話，可使用聚乙烯樹脂、聚丙烯樹脂等之聚烯烴系樹脂、尼龍6樹脂、尼龍6,6樹脂等之聚醯胺系樹脂、聚對苯二甲酸乙二酯樹脂、聚對苯二甲酸丁二酯樹脂等之聚酯系樹脂、聚苯硫樹脂、聚醚酮樹脂、聚醚碸樹脂、芳香族聚醯胺樹脂等。其中，較佳為由聚醯胺樹脂、聚丙烯樹脂、聚苯硫樹脂之任一者所構成。
作為熱硬化性樹脂，並沒有特別的限制，可在不使成形品的機械特性大幅降低之範圍內適宜選擇。若例示的話，可使用環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、乙烯酯樹脂、酚樹脂、環氧丙烯酸酯樹脂、胺基甲酸酯丙烯酸酯樹脂、苯氧樹脂、醇酸樹脂、胺基甲酸酯樹脂、馬來醯亞胺樹脂、氰酸酯樹脂等。其中，較佳為由環氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、乙烯酯樹脂、酚樹脂之任一者或此等的混合物所構成。用於熱硬化性樹脂之混合物時，較佳為所混合的熱硬化性樹脂彼此具有相溶性或親和性高者。
本發明所用之熱硬化性樹脂的黏度係沒有特別的限制，但常溫(25℃)的樹脂黏度較佳為100~100,000mPa‧s。
於本發明所使用的基質樹脂中，只要是可達成本發明目的之範圍，則按照其用途，於熱塑性樹脂 或/及熱硬化性樹脂中，亦可添加各種的添加劑。例如，可添加雲母、滑石、高嶺土、水滑石、絹雲母、膨潤土、硬矽鈣石、海泡石、綠土、蒙脫石、矽鈣石、矽石、碳酸鈣、玻璃珠、玻璃碎片、玻璃微氣球、黏土、二硫化鉬、氧化鈦、氧化鋅、氧化銻、聚磷酸鈣、石墨、硫酸鋇、硫酸鎂、硼酸鋅、硼酸亞鈣、硼酸鋁晶鬚、鈦酸鉀晶鬚及高分子化合物等之填充材料、金屬系、金屬氧化物系、碳黑及石墨粉末等導電性賦予材料、溴化樹脂等之鹵素系難燃劑、三氧化銻或五氧化銻等之銻系難燃劑、聚磷酸銨、芳香族磷酸酯及紅磷等之磷系難燃劑、有機硼酸金屬鹽、羧酸金屬鹽及芳香族磺醯亞胺金屬鹽等之有機酸金屬鹽系難燃劑、硼酸鋅、鋅、氧化鋅及鋯化合物等之無機系難燃劑、三聚氰酸、異三聚氰酸、三聚氰胺、三聚氰胺三聚氰酸酯、三聚氰胺磷酸酯及氮化胍等之氮系難燃劑、PTFE等之氟系難燃劑、聚有機矽氧烷等之聚矽氧系難燃劑、氫氧化鋁或氫氧化鎂等之金屬氫氧化物系難燃劑、以及其他的難燃劑、氧化鎘、氧化鋅、氧化亞銅、氧化銅、氧化亞鐵、氧化鐵、氧化鈷、氧化錳、氧化鉬、氧化錫及氧化鈦等之難燃助劑、顏料、染料、滑劑、脫模劑、相溶化劑、分散劑、雲母、滑石及高嶺土等之結晶核劑、磷酸酯等之可塑劑、熱安定劑、抗氧化劑、防著色劑、紫外線吸收劑、流動性改質劑、發泡劑、抗菌劑、減振劑、防臭劑、滑動性改質劑及聚醚酯醯胺等之抗靜電劑等。
又，使用熱硬化性樹脂作為基質樹脂時，只要是本發明之目的可達成之範圍，則可含有前述的熱塑性樹脂、其他的低收縮化劑等之添加物。
作為得到不連續強化纖維片之步驟，只要是本發明之目的可達成之範圍，則沒有特別的限制。例如，如第2圖中所示，例示具有搬送強化纖維股束23之搬送輥21、21、將兩端部以外的地方部分地擴幅及/或分纖處理之空氣頭24、強化纖維股束23切割成指定的尺寸之刀具22與刀具用台26、將不連續強化纖維聚集成片狀之輸送帶27者作為較佳一例。
此處，搬送輥21只要是本發明之目的可達成之範圍，則沒有特別的限制，可例示以輥間夾住及搬送之機構。此時可例示將單側輥設為金屬輥，將另一個輥設為橡膠輥者當作較佳例。
空氣頭24只要是本發明之目的可達成之範圍，則沒有特別的限制，較佳為於切割所送出的強化纖維股束23之際，將空氣間歇地噴吹至兩端部以外的地方之機構。間歇地噴吹之空氣，只要不妨礙本發明之課題，則沒有特別的限制，可例示0.01MPa~1MPa之範圍。空氣的壓力若過弱，則不連續強化纖維集合體之端部係不充分擴幅及/或分纖，空氣的壓力若過強，則強化纖維間的交絡係容易鬆開，無法得到不連續強化纖維集合體(A)之形態。又，可例示於擴幅之際以夾輥25固定股束的給送側，藉由搬送輥21，預先以超過夾輥25與搬送輥21間距離送出股束，於股束已鬆弛之狀態下藉由空氣頭24 將兩端部以外的地方部分地擴幅及/或分纖之方法當作較佳例。
此外，亦可例示於將所送出的強化纖維股束切割成指定的尺寸之前，藉由分纖用縱切機等將兩端部以外的地方予以物理地擴幅及/或分纖之方法等。
將強化纖維股束往後述的刀具22搬送之角度，只要不妨礙本發明之課題，則沒有特別的限制，可將搬送強化纖維股束的方向設為0°方向，使切割用的刀刃之方向保持90°以外的角度。保持90°以外的角度時，可例示2°~30°的角度當作較佳例。由於保持90°以外的角度而切割，股束端部的端面之強化纖維表面積係增加，集中於不連續強化纖維集合體之端部的應力係被緩和，展現強化纖維複合材料的強度，故可例示作為較佳例。
作為刀具22，只要不妨礙本發明之課題，則沒有特別的限制，可例示斷頭台刀刃形式或旋轉刀具形式。如前述，相對於搬送強化纖維股束之方向，切割用的刀刃之方向係沒有特別的限制，可與搬送前述強化纖維股束的機構同樣地保持角度，於旋轉刀具形式中，亦可以螺旋狀排列刀刃。
又，為了使強度與流動性平衡良好地並存，不連續強化纖維之數平均纖維長度較佳為5mm以上且小於100mm。數平均纖維長度若小於5mm，則在將不連續強化纖維端部予以擴幅之際，纖維間的交絡係容易鬆開，強化纖維會充分地分散，造成纖維間的接點數增加， 或造成流動性變差。數平均纖維長度若超過100mm，則強化纖維的纖維間之接點數增加，造成流動性變差。
作為將不連續強化纖維聚集成片狀之輸送帶27，只要不妨礙本發明之課題，則沒有特別的限制，可例示落下至在XY平面上自由行進的金屬線上之方法。此處，於金屬線下設置抽吸箱，抽吸使股束端部擴幅及分纖時所使用的空氣或散布所切割之不連續強化纖維時所使用的空氣，亦可降低片之體積。又，代替在XY平面上自由行進的金屬線上，亦可例示使刀具22與空氣頭24經一體化的複合機構在X方向(股束行進方向)中來回，使金屬線在Y方向(與股束走行方向呈正交的方向)中行進者作為一例。
於得到不連續強化纖維片時，不連續強化纖維片亦可僅由不連續強化纖維所構成，但為了形態保持，亦可含有由熱塑性樹脂或/及熱硬化性樹脂所構成的結合材。用於結合材的熱塑性樹脂或/及熱硬化性樹脂較佳為使用與用於強化纖維複合材料的基質樹脂相同的樹脂，或與基質樹脂有相溶性的樹脂，基質樹脂的接著性高之樹脂。
於本發明中，於將基質樹脂含浸至不連續強化纖維片時，製作含有結合材的不連續強化纖維片，可將不連續強化纖維片中所含有的結合材之樹脂直接使用作為基質樹脂，也可作成不含結合材的不連續強化纖維片，於製造強化纖維複合材料的任意階段中含浸基質樹脂。又，即使為使用含有結合材的不連續強化纖維片 之情況，也可在製造強化纖維複合材料的任意階段中含浸基質樹脂。
於製造強化纖維複合材料時，如上述之將基質樹脂含浸至不連續強化纖維片，形成強化纖維複合材料之含浸步驟，只要是本發明之目的可達成的範圍，則沒有特別的限定，可使用一般者。
於基質樹脂中使用熱塑性樹脂時，可使用具有加熱機能的加壓機來實施。作為加壓機，只要是能實現基質樹脂之含浸時所需要的溫度、壓力者，則沒有特別的限制，可使用上下具有平面狀的壓台之通常的加壓機，或具有1對的循環鋼帶行進機構之所謂的雙帶加壓機。於該含浸步驟中，亦可採用使基質樹脂成為薄膜、不織布、織物等之片狀後，與不連續強化纖維片積層，於該狀態下使用上述加壓機等，使基質樹脂成為一體，進行熔融‧含浸者，或將不連續強化纖維片與基質樹脂預先一體化的片狀者予以積層，進行熔融‧含浸者，於不連續強化纖維片與基質樹脂預先一體化的片狀者上，更積層已使基質樹脂成為薄膜、不織布、織物等之片狀者，進行熔融‧含浸之方法。
於基質樹脂中使用熱硬化性樹脂時，只要是能實現基質樹脂之含浸時所需要的溫度、壓力者，則沒有特別的限制，可使用上下具有平面狀的壓台之通常的加壓機，或具有1對的循環鋼帶行進機構之所謂的雙帶加壓機，或以上下輥夾入之加壓輥等。於該含浸步驟中，可例示使基質樹脂在脫模薄膜上成為片狀後，以基 質樹脂片夾入不連續強化纖維片，加壓、含浸之方法。此時，為了更確實地進行含浸，於減壓至真空，抽掉片內部的空氣後，進行加壓之方法係可例示作為較佳例之一個。
又，於本發明中，只要不妨礙本發明之課題，則在不連續強化纖維片中，亦可與連續強化纖維片或不連續強化纖維片成為夾芯構造，而作為強化纖維複合材料。夾芯構造係可在表層與芯層之任一者中使用不連續強化纖維片，由於在表層中使用連續強化纖維片，在芯層中使用不連續強化纖維片，而在成為強化纖維複合材料時，機械特性或表面品質優異，故可例示作為較佳一例。此處，用於連續強化纖維片或不連續強化纖維片的強化纖維，係沒有特別的限定，例如可使用碳纖維、玻璃纖維、芳香族聚醯胺纖維、氧化鋁纖維、碳化矽纖維、硼纖維、金屬纖維、天然纖維、礦物纖維等，此等係可併用1種或2種以上。連續強化纖維片之強化纖維形態，只要不妨礙本發明之課題，則可使用一般者。例如，可例示在一方向中強化纖維配向之單向強化纖維片及將單向強化纖維片在多方向中積層之強化纖維積層片、織有強化纖維的織物強化纖維片等。不連續強化纖維片之強化纖維形態，只要不妨礙本發明之課題，則可使用一般者。例如，可例示將股束切割成指定的長度，使用經散布的短切股束片、梳理裝置或氣流成網裝置所製造之乾式不連續強化纖維片、使用抄紙裝置所製造之濕式不連續強化纖維片等。
於本發明中，所得之強化纖維複合材料，當在基質樹脂中使用熱硬化性樹脂時，可作為SMC(片模塑複合)使用，當使用熱塑性樹脂時，可作為可沖壓片使用。
SMC成形品係藉由使用加熱型加壓機，將使熱硬化性樹脂的基質樹脂含浸至連續強化纖維片而成的半硬化狀態之片狀基材(SMC)予以加熱加壓而得。可沖壓片成形品係藉由將在不連續強化纖維片中含浸有熱塑性樹脂的片狀基材(可沖壓片)，一次以紅外線加熱器等加熱至熱塑性樹脂的熔點以上，於指定溫度的模具中冷卻加壓而得。
所得之成形品係適用於汽車零件、航空機零件、家庭電器製品、事務電器製品、個人電腦等之殼體等。
[實施例]
接著，說明本發明之實施例、比較例。
首先，說明實施例、比較例所用的特性、測定方法。
(1)不連續強化纖維集合體的寬度之測定
自強化纖維複合材料切出100mm×100mm的樣品，將所切出的樣品在經加熱到550℃的電爐中加熱1至2小時左右，而燒掉基質樹脂等的有機物。自燒掉後的樣品取出不連續強化纖維片，使用鑷子等，自不連續強化纖維片中以集合體單位皆形狀不崩壞的方式謹慎地取出不連續強化纖維，自不連續強化纖維片中以鑷子抽出全部的不連續強化纖維集合體。將所抽出的全部不連續強 化纖維集合體，放置在平坦的台上，使用能測定到0.1mm為止的游標卡尺，測定不連續強化纖維集合體的兩端部之寬度及將不連續強化纖維集合體投影在2次元平面上時的對於纖維配向方向呈正交的該不連續強化纖維集合體寬度經最擴幅之最擴幅部的寬度。此時，為了更正確地測定寬度，亦可將不連續強化纖維的集合體放置在平坦的台上，使用數位顯微鏡(KEYENCE公司製)，測定投影在2次元平面上時之纖維集合體的寬度。將所得之兩端部及最擴幅部的寬度記載於記錄用紙上。對於兩端部的束寬皆小於0.1mm之不連續強化纖維，作為經開纖到單絲水準為止的不連續強化纖維(B)整理挑出。
此時，寬度與厚度之判斷係將不連續強化纖維集合體端部的纖維方向剖面之長邊當作寬度，將短邊當作厚度，當保持角度θ來切割不連續強化纖維集合體端部時，如第3圖中所示，成為相對於將不連續強化纖維集合體投影在2次元平面上時的長度方向呈正交方向之寬度。於圖示例中，符號2表示不連續強化纖維集合體(A)31之最擴幅部，M1、M2表示其各端部的寬度。
自強化纖維複合材料不順利地取出不連續強化纖維片時，可自不含浸基質樹脂的不連續強化纖維片來同樣地測定。
(2)不連續強化纖維集合體的厚度之測定
對於前述已測定兩端部及最擴幅部的寬度之不連續強化纖維集合體全部，對其兩端部，使用測微計測定不連續強化纖維集合體的厚度。此時，以集合體形狀不崩 壞的方式謹慎地操作不連續強化纖維，如第4圖中所示，以端部的端點間之中點成為測微計的壓頭之中心的方式，用鑷子調整位置，測定不連續強化纖維集合體之端部厚度(41：端部的厚度測定點)。接著，對於不連續強化纖維集合體之最擴幅部2，亦同樣地以最擴幅部兩端點之中點成為測微計的壓頭之中心的方式，調整位置，測定最擴幅部的厚度(42：最擴幅部的厚度測定點)。測定最擴幅部經比測微計的壓頭直徑較寬2倍以上所分纖及擴幅之不連續強化纖維集合體時，測定最擴幅部的兩端點及中點的厚度3點，使用其平均值(43：最擴幅部的寬度大於測微計的壓頭直徑之2倍時的最擴幅部厚度測定點)。將所得之兩端部及最擴幅部的厚度與前述寬度同樣地記載於記錄用紙上。對於最擴幅部的厚度測定為困難之不連續強化纖維集合體，可進行端部的厚度測定，自端部的厚度與寬度、最擴幅部的寬度之比，使用下述式算出最擴幅部的厚度。
最擴幅部厚度=端部厚度×端部寬度/最擴幅部寬度
(3)不連續強化纖維集合體(A)之判斷及重量比例之測定方法
自如上述所得之不連續強化纖維集合體的寬度與厚度，使用下述式，相對於不連續強化纖維集合體，算出全部之最擴幅部的縱橫比及兩端部的縱橫比。
最擴幅部的縱橫比=最擴幅部的寬度/最擴幅部的厚度
端部的縱橫比=端部的寬度/端部的厚度
根據所算出的縱橫比，分類為：不連續強化纖維集合體寬度經最擴幅的最擴幅部係對於纖維配向方向而言存在於兩側端部以外的位置，最擴幅部的縱橫比係相對於至少一方之端部縱橫比而言成為1.3倍以上之不連續強化纖維集合體(A)，與其以外的非不連續強化纖維集合體(C)。分類後，使用能測定到1/10,000g為止的天平，測定不連續強化纖維集合體(A)之總重量及非不連續強化纖維集合體(C)、經開纖到單絲水準為止的不連續強化纖維(B)之總重量。測定後，使用下述式算出不連續強化纖維集合體(A)佔全部不連續強化纖維重量之重量比例。
不連續強化纖維集合體(A)之比例=不連續強化纖維集合體(A)總重量/不連續強化纖維全量
此處，所謂的不連續強化纖維全量，就是不連續強化纖維集合體(A)總重量+非不連續強化纖維集合體(C)總重量+經開纖到單絲水準為止的不連續強化纖維(B)總重量。
此時，同樣地測定不連續強化纖維集合體(A)之最擴幅部的縱橫比相對於至少一方之端部的縱橫比而言為1.5倍以上之不連續強化纖維集合體(A-2)、2倍以上之不連續強化纖維集合體(A-3)、不連續強化纖維集合體(A)之最擴幅部的縱橫比超過30之不連續強化纖維集合體(A-4)、相對於不連續強化纖維集合體(A)的至少一方之端部寬度與最擴幅部的寬度而言，最擴幅部寬度/端部寬度為1.3以上之不連續強化纖維集合體(A-5)、相對於不連續強化纖維集合體(A)的至少一方之 端部的厚度與最擴幅部的厚度，端部厚度/最擴幅部厚度為1.2以上之不連續強化纖維集合體(A-6)的總重量，與上述(A)同樣地，使用下述式算出(A-2)~(A-6)佔不連續強化纖維全量之重量比例。
不連續強化纖維集合體(A-N)之比例=不連續強化纖維集合體(A-N)總重量/不連續強化纖維全量
此處，N=2~6。
又，測定某不連續強化纖維集合體的寬度或厚度，結果有同時滿足(A-2)或(A-3)、(A-4)、(A-5)、(A-6)之任一者/全部者。
(4)擴幅角度之算出
自上述不連續強化纖維集合體(A)之端部寬度與最擴幅部寬度，使用下述式算出每不連續強化纖維集合體(A)的擴幅角度。
擴幅角度=tan-1{(最擴幅部的寬度-端部的寬度)/2/端部與最擴幅部間距離}
此處，測定不連續強化纖維集合體(A)中的擴幅角度對於至少一方之端部滿足超過5°且小於90°之不連續強化纖維集合體(A-7)的總重量，使用上述(A-N)之比例算出式算出佔不連續強化纖維全量之重量比例。
(5)Vf(可沖壓片中的強化纖維之含有率：%)
自強化纖維複合材料切出約2g的樣品，測定其質量。然後，將樣品在經加熱到500~600℃電爐中加熱1至2小時左右，而燒掉基質樹脂等的有機物。冷卻至室 溫為止後，測定殘留的不連續強化纖維之質量。測定於燒掉基質樹脂等的有機物之前的樣品之質量相對於不連續強化纖維的比率，作為強化纖維之含有率(%)。
(6)彎曲強度、彎曲彈性模數
依據JIS-K7171(2008)，測定彎曲強度。關於彎曲強度，亦算出彎曲強度的CV值(變動係數[%])。將彎曲強度的CV值小於10%判斷為彎曲強度的偏差小且良好(○)，將10%以上判斷為彎曲強度的偏差大且不良(×)。
進行彎曲試驗的樣品係對於2次元平面的任意方向(0°方向)與對於0°方呈90°方向，進行測定，將0°方向的平均值/90°方向的平均值在1.3~0.77之範圍內時判斷為各向同性(○)，將其以外判斷為各向異性(×)。
(7)流動性之評價
<基質樹脂為熱塑性樹脂時>
將1片的尺寸100mm×100mm×2mmt(t：厚度)之不連續強化纖維複合材料配置在已經升溫至熱塑性樹脂的熔點+40℃的壓盤上，對於尺寸100mm×100mm，以10MPa加壓300秒，然後於經加壓的狀態下將壓盤冷卻至熱塑性樹脂的固化溫度-50℃為止，取出樣品。測定此加壓後的面積A2與加壓前之片的面積A1，將A2/A1/2mmt當作流動性(%/mm)。
<基質樹脂為熱硬化性樹脂時>
將1片的尺寸100mm×100mm×2mmt(t：厚度)且基質樹脂未硬化的不連續強化纖維複合材料前驅物配置於壓盤上，該壓盤已升溫至自基質樹脂的流動開始到硬化為 止硬化時間在300~400秒之範圍內的溫度，對於尺寸100mm×100mm，以10MPa加壓600秒。測定此加壓後的面積A2與加壓前之片的面積A1，將A2/A1/2mmt當作流動性(%/mm)。
(8)數平均纖維長度(單位：mm)之測定方法
自不連續強化纖維複合材料切出100mm×100mm的樣品，然後將樣品在經加熱到500℃的電爐中加熱1~2小時左右，而燒掉基質樹脂等的有機物。冷卻至室溫為止後，自殘留的不連續強化纖維片中用鑷子隨意地抽出400條的不連續強化纖維，用光學顯微鏡或掃描型電子顯微鏡測定其長度到0.1mm單位為止，以數平均纖維長度=ΣLi/400來計算不連續強化纖維的數平均纖維長度。此處，Li係所測定的纖維長度。
接著，說明本發明之實施例、比較例所用的強化纖維、基質樹脂。
碳纖維股束(1)(於後述的表中簡稱碳纖維(1))：
使用纖維直徑7μm、拉伸彈性模數230GPa、纖絲數12,000條之連續碳纖維股束。
碳纖維股束(2)(於後述的表中簡稱碳纖維(2))：
使用纖維直徑7.2μm、拉伸彈性模數242GPa、纖絲數50,000條之連續碳纖維股束。
基質樹脂(1)：
使用尼龍樹脂(東麗(股)製，CM1001，商品名「Amilan」(註冊商標))。
基質樹脂(2)：
使用混合有100質量份的乙烯酯(VE)樹脂(DOW化學(股)製，「Derakan」(註冊商標)790)、1質量份的第三丁基過氧苯甲酸酯(日本油脂(股)製，「Perbutyl Z」(註冊商標))、2質量份的硬脂酸鋅(堺化學工業(股)製，SZ-2000)、4質量份的氧化鎂(協和化學工業(股)製，MgO#40)之樹脂。
實施例1：
使用如第2圖所示之裝置來作成不連續碳纖維片。對碳纖維股束(1)間歇地噴吹0.3MPa的空氣壓力0.2秒，而使股束部分地擴幅及分纖後，以在不連續纖維中含有經部分地擴幅及分纖之地方，成為25mm的纖維長度之方式，用刀具切斷，連續地生產不連續碳纖維集合體，使堆積於輸送帶上，得到單位面積重量100g/m2之不連續碳纖維片。所得之不連續碳纖維片係含有不連續碳纖維集合體(A)的不連續碳纖維片。接著，使用薄膜製膜機，作成由基質樹脂(1)所構成之單位面積重量100g/m2的基質樹脂薄膜，以所得之碳纖維複合材料平板成為厚度2mm、Vf=40%之方式，積層所得之不連續碳纖維片與基質樹脂薄膜，於經升溫至260℃的加壓機之平板模具內預熱300秒，邊施加5MPa的壓力邊加壓300秒，於加壓狀態下冷卻至50℃為止，得到厚度2mm的碳纖維複合材料之平板。所得之碳纖維複合材料中的碳纖維含量為Vf=40%。所得之平板沒有翹曲，自碳纖維複合材料測定0°與90°方向的彎曲強度，結果0°與90°方向 的彎曲強度之平均值為430MPa，各方向的彎曲強度之CV值小於10%，且對於彎曲強度及彎曲彈性模數，0°方向的平均值/90°方向的平均值係在1.3~0.77之範圍內的2次元各向同性。
接著，自所得之碳纖維複合材料平板切出100mm×100mm的樣品，將所切出的樣品在經加熱到550℃的電爐中加熱2小時，而燒掉基質樹脂，取出不連續碳纖維片。自所取的出的不連續碳纖維片，使用鑷子，取出不連續碳纖維片中的不連續碳纖維集合體全部，測定寬度、厚度，測定不連續碳纖維集合體(A)、(A-2)~(A-7)佔不連續碳纖維全量之重量比例。此時，不連續碳纖維片中的不連續碳纖維集合體(A)之重量比例為35重量%，表1中顯示(A-2)~(A-7)之測定結果。
再者，自碳纖維複合材料平板切出100mm×100mm的樣品，進行流動性之評價，結果流動率為170%/mm。又，所得之流動性評價後的樣品係表面品質優異，將樣品在經加熱到550℃的電爐中加熱2小時，而燒掉基質樹脂，取出不連續碳纖維片，結果不連續碳纖維片表層之不連續纖維碳集合體係因基質樹脂的剪切力而集合體形狀崩壞，被開纖。表1中顯示條件、評價結果。
實施例2：
除了對股束間歇地噴吹0.2MPa的空氣壓力0.2秒，使股束部分地擴幅及分纖後，得到含有經部分地擴幅及分纖之不連續碳纖維集合體的不連續碳纖維片以外，與 實施例1同樣地製造碳纖維複合材料平板，實施評價。表1中顯示結果。
實施例3：
除了對股束間歇地噴吹0.15MPa的空氣壓力0.2秒，使股束部分地擴幅及分纖後，得到含有經部分地擴幅及分纖之不連續碳纖維集合體的不連續碳纖維片以外，與實施例1同樣地製造碳纖維複合材料平板，實施評價。表1中顯示結果。
實施例4：
除了將切斷長度設為50mm以外，與實施例3同樣地製造碳纖維複合材料平板，實施評價。表1中顯示結果。
實施例5：
對股束間歇地噴吹0.2MPa的空氣壓力0.2秒，而使股束部分地擴幅及分纖後，得到含有經部分地擴幅及分纖之不連續碳纖維集合體的不連續碳纖維片。接著，使用刮板，將基質樹脂(2)糊塗布於聚丙烯製的脫模薄膜上，以相對於不連續碳纖維片而言所得之碳纖維複合材料中的碳纖維含量成為Vf=40%之方式，調整薄膜的單位面積重量，作成基質樹脂(2)薄膜。以基質樹脂(2)薄膜夾入積層有所得之不連續碳纖維片的不連續碳纖維片積層體，使基質樹脂(2)含浸至不連續碳纖維片積層體內後，藉由40℃×24小時靜置，使基質樹脂(2)充分地增黏化，得到片狀之碳纖維複合材料前驅物。接著，除了於模具已升溫至135℃的加壓機之平板模具內，將裝料率(自上 方觀看模具時，相對於模具面積，片狀的成形材料之面積的比例)設定在50%，邊施加5MPa的壓力邊加壓600秒，得到厚度2mm、Vf=40%的碳纖維複合材料之平板以外，與實施例1同樣地，製造碳纖維複合材料平板，實施評價。表1中顯示結果。
實施例6：
除了使用碳纖維股束(2)，對股束間歇地噴吹0.2MPa的空氣壓力0.2秒，使股束部分地擴幅及分纖後，得到含有經部分地擴幅及分纖之不連續碳纖維集合體的不連續碳纖維片以外，與實施例1同樣地製造碳纖維複合材料平板，實施評價。表1中顯示結果。
比較例1：
將碳纖維股束(1)直接切割成25mm的纖維長度，得到不連續碳纖維集合體之形態係對於長度方向(纖維長度方向)具有大致均勻的寬度及厚度之短切股束不連續碳纖維片。除了於所得之不連續碳纖維片上，以所得之碳纖維複合材料中之碳纖維含量成為Vf=40%之方式，積層由基質樹脂(1)所成的單位面積重量100g/m2之樹脂薄膜，於經升溫到260℃的加壓機之模具內預熱300秒，邊施加5MPa的壓力邊加壓300秒，於加壓狀態下冷卻至50℃為止，得到厚度2mm的碳纖維複合材料之平板以外，與實施例1同樣地製造碳纖維複合材料平板，實施評價。表2中顯示結果。所得之碳纖維複合材料係彎曲強度、彎曲彈性模數差，CV值之偏差亦大，不是2次元各向同性。又，流動性評價後的樣品係表面品質差，將 樣品在經加熱到550℃的電爐中加熱2小時，而燒掉基質樹脂，取出短切股束不連續碳纖維片，結果短切股束不連續碳纖維片表層之短切股束係維持短切股束形狀，短切股束表面係有些起毛。表2中顯示條件、評價結果。
比較例2：
以10Hz振動的振動棒，使碳纖維股束(1)振動擴幅，得到碳纖維股束寬度為15mm之擴幅碳纖維股束(1)。除了對於所得之擴幅碳纖維束(1)，使用圓盤狀的分割刀刃，以0.5mm間隔縱切，將經縱切的碳纖維股束(1)切割成25mm的纖維長度，而得到不連續碳纖維片以外，與實施例1同樣地製造碳纖維複合材料平板，實施評價。表2中顯示結果。所得之不連續碳纖維片，係由構成的不連續碳纖維之大部分對於長度方向(纖維長度方向)，具有大致均勻的寬度之在寬度方向中經分割的分割短切股束、至少單側端部經分割及擴幅但不滿足集合體形狀的短切股束所構成，所得之碳纖維複合材料係流動性差。
比較例3：
除了以10Hz振動的振動棒，使碳纖維股束(1)振動擴幅，將碳纖維股束寬度為11m的擴幅碳纖維股束(1)切割成25mm之纖維長度，得到不連續碳纖維片以外，與實施例1同樣地製造碳纖維複合材料平板，實施評價。表2中顯示結果。所得之碳纖維複合材料係流動性差。
Figure 104142893-A0305-02-0041-1
Figure 104142893-A0202-12-0040-2
再者，由於測定某不連續強化纖維集合體的寬度或厚度，結果有同時滿足(A-2)或(A-3)、(A-4)、(A-5)、(A-6)之任一者/全部之情況，表1或表2中，不連續強化纖維集合體(A-2)~(A-7)之和係與不連續強化纖維集合體(A)之重量比例不一致。
[產業上的利用可能性]
本發明之強化纖維複合材料係可適用於要求習知技術所無法達成之高流動性與2次元各向同性、少的機械特性之偏差的一切纖維強化成形品之製造。
1‧‧‧不連續強化纖維集合體(A)
2‧‧‧不連續強化纖維集合體(A)之最擴幅部
3、4‧‧‧不連續強化纖維集合體(A)之單側端部
5‧‧‧不連續強化纖維集合體(A)之自第1圖(B)方向的投影圖
6‧‧‧不連續強化纖維集合體(A)之纖維配向方向
7‧‧‧不連續強化纖維集合體(A)端部之中點
8‧‧‧不連續強化纖維集合體(A)之自第1圖(C)方向的投影圖
m‧‧‧最擴幅部2的寬度
L1、L2‧‧‧自最擴幅部2起至各端部3、4為止的距離
M1、M2‧‧‧各端部3、4的寬度
h‧‧‧最擴幅部2的厚度
H1、H2‧‧‧各端部3、4的厚度

Claims (8)

  1. 一種強化纖維複合材料，其係包含至少含有不連續強化纖維集合體的不連續強化纖維與基質樹脂之強化纖維複合材料，其特徵為：當將該不連續強化纖維集合體予以2次元投影時，對該不連續強化纖維的配向方向交叉之方向的該不連續強化纖維集合體之寬度經最擴幅的最擴幅部係存在於該不連續強化纖維集合體的兩端部以外之位置，該最擴幅部的縱橫比(不連續強化纖維集合體的寬度/不連續強化纖維集合體的厚度)為該不連續強化纖維集合體的至少一方之端部的縱橫比之1.3~20倍的不連續強化纖維集合體(A)，係在該不連續強化纖維中含有35~73重量%。
  2. 如請求項1之強化纖維複合材料，其中包含該不連續強化纖維集合體(A)之最擴幅部的縱橫比超過30之不連續強化纖維集合體。
  3. 如請求項1之強化纖維複合材料，其中包含相對於將該不連續強化纖維集合體(A)予以2次元投影時的至少一方之端部的寬度與該不連續強化纖維集合體(A)之最擴幅部的寬度，最擴幅部寬度/端部寬度為1.3以上之不連續強化纖維集合體。
  4. 如請求項1之強化纖維複合材料，其中包含相對於該不連續纖維集合體(A)的至少一方之端部的厚度與該不連續纖維集合體(A)之最擴幅部的厚度，端部厚度/最擴幅部厚度為1.2以上之不連續強化纖維集合體。
  5. 如請求項1之強化纖維複合材料，其中包含自該不連續纖維集合體(A)的至少一方之端部的寬度與最擴幅部的寬度所算出的擴幅角度超過5°之不連續強化纖維集合體；此處，擴幅角度=tan-1{(最擴幅部的寬度-端部的寬度)/2/端部與最擴幅部間距離}。
  6. 如請求項1之強化纖維複合材料，其中該不連續強化纖維的數平均纖維長度為5mm以上且小於100mm。
  7. 如請求項1之強化纖維複合材料，其中使該不連續強化纖維集合體(A)之兩端部相對於不連續強化纖維集合體(A)中的不連續強化纖維之纖維配向方向，保持2°~30°之角度而切割。
  8. 如請求項1至7中任一項之強化纖維複合材料，其包含碳纖維作為該不連續強化纖維。
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