WO2015141742A1 - 繊維強化プラスチック成形体 - Google Patents

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WO2015141742A1
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reinforced plastic
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fibers
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敏文 佐治
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帝人株式会社
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    • C08J2377/02—Polyamides derived from omega-amino carboxylic acids or from lactams thereof

Definitions

  • the present invention relates to a fiber reinforced plastic molded article containing carbon fiber and a thermoplastic resin. More specifically, the present invention relates to a fiber-reinforced plastic molded article that is excellent in impact resistance in the thickness direction and can be suitably used for vehicle structural parts.
  • fiber reinforced plastics including a matrix resin and reinforcing fibers such as carbon fibers have attracted attention in the mechanical field.
  • These fiber reinforced plastics are excellent in tensile elastic modulus, tensile strength, impact resistance and the like because the reinforcing fibers are dispersed in the plastic, and their use for structural members such as automobiles is being studied.
  • These fiber reinforced plastics can be formed into a desired shape using compression molding or the like.
  • fibers are often not oriented in the thickness direction, and therefore mechanical strength in the thickness direction, specifically, compressive strength and impact energy absorption capacity are not necessarily excellent. .
  • these physical properties can be improved by increasing the thickness of the material, but the decrease in design choices due to the increase in thickness and the inherent appeal of fiber reinforced plastic due to the increase in weight will be impaired. It was pointed out that there was a problem.
  • Patent Document 1 proposes a method of orienting fibers in a fiber-reinforced plastic in the thickness direction by a needle punch method.
  • This needle punching method compresses in the thickness direction by piercing the needle into the fiber reinforced plastic material before molding and arranging the reinforcing fibers at the site where the needle has been stabbed so that the longitudinal direction of the reinforcing fiber faces the thickness direction.
  • This has the advantage that the strength and the like can be improved.
  • the needle punch method when the needle is pierced into the fiber-reinforced plastic material before molding, the reinforcing fiber is often damaged or cut. There has been a problem that the strength in the inward direction decreases.
  • Patent Document 2 discloses that a reinforcing fiber precursor is crimped and entangled by a needle punch method or the like, and then fired.
  • a method for maintaining the strength in the in-plane direction has been proposed by producing a non-woven fabric and making it into a fiber-reinforced plastic.
  • such a method does not improve the problem that the strength in the in-plane direction is reduced as the reinforcing fibers are oriented in the thickness direction.
  • the reinforcing fiber itself becomes bulky, and a certain amount of material thickness is required to maintain strength. It was pointed out that it tends to cause.
  • Patent Document 3 discloses a composite material in which impact strength and the like are improved by using only continuous fibers as reinforcing fibers and making the continuous fibers corrugated so that the wavelengths of all the continuous fibers are matched.
  • the composite material of Patent Document 3 only continuous fibers are used as reinforcing fibers, and the wavelength direction of the wave shape of each continuous fiber is matched. There is a problem that it decreases.
  • the composite material since only continuous fibers are used as the reinforcing fibers, when the reinforcing fibers are wave-shaped, the composite material inevitably contains only the resin without the reinforcing fibers. The problem of becoming a factor was pointed out.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and a main object of the present invention is to provide a fiber-reinforced plastic molded body having improved mechanical strength in the thickness direction without impairing mechanical strength in the in-plane direction. Is.
  • the present invention provides the following means.
  • a fiber reinforced plastic molded article made of a fiber reinforced resin containing a reinforced fiber and a thermoplastic resin, including a short fiber as the reinforced fiber and a reinforced fiber that is wavyly arranged in the thickness direction. And a fiber-reinforced plastic molding.
  • the fiber-reinforced plastic molded body of the present invention has an effect of having excellent mechanical strength in the thickness direction without impairing mechanical strength in the in-plane direction.
  • the fiber-reinforced plastic molded body of the present invention is made of a fiber-reinforced resin material containing reinforcing fibers and a thermoplastic resin, includes short fibers as the reinforcing fibers, and has a wavy arrangement in the thickness direction. It is characterized by including the reinforced fiber.
  • FIG. 1 is a schematic view showing an example of a fiber-reinforced plastic molded body of the present invention.
  • a fiber reinforced plastic molded body 10 of the present invention is made of a fiber reinforced resin material containing a reinforced fiber 11 and a thermoplastic resin 12, and the reinforced fiber 11 includes a short fiber. And the reinforcing fibers 11 are arranged in a wavy arrangement in the thickness direction.
  • the reinforcing fiber 11 is illustrated in a straight line for the sake of illustration, but this is merely for convenience of illustration, and the reinforcing fiber 11 in the present invention is not related to the illustration in FIG. 1.
  • Includes at least short fibers, and long fibers or continuous fibers may be used in combination as necessary. The same applies to the drawings other than FIG. 1 in the present specification.
  • the fiber-reinforced plastic molded body of the present invention by including the reinforcing fibers wavyly arranged in the thickness direction, at least some of the reinforcing fibers can be present in a state where the major axis direction is inclined in the thickness direction.
  • the mechanical strength in the thickness direction can be improved.
  • the reinforcing fibers are not broken and shortened, so that an extreme decrease in the in-plane mechanical strength as in the needle punch method can be suppressed.
  • the fiber-reinforced plastic molded body of the present invention can be produced by, for example, arranging reinforcing fibers in the thickness direction when compression molding a preform such as a prepreg.
  • the thickness of the preform there is no great limitation on the thickness of the preform, and a thin preform can be applied to obtain a thin molded product. Further, since expansion in the thickness direction due to so-called spring back can be suppressed, the formability is not hindered by the bulk of the reinforcing fibers. For this reason, when manufacturing the fiber-reinforced plastic molded body of the present invention, it becomes easier to apply a simpler mold structure. Furthermore, the arrangement of the mechanism for causing the reinforcing fibers arranged in a wavy pattern in the thickness direction to exist at a predetermined position becomes simple, and it is easy to obtain a fiber-reinforced plastic molded body with locally improved mechanical strength in the thickness direction. It becomes.
  • the fiber-reinforced plastic molded body of the present invention includes short fibers as the reinforcing fibers, so that, for example, even when gaps are generated when the reinforcing fibers are arranged in a wavy pattern, the reinforcing fibers are formed in the gaps. Therefore, it can suppress that the area
  • the fiber-reinforced plastic molded body of the present invention is made of a fiber-reinforced resin material containing reinforcing fibers and a thermoplastic resin, includes short fibers as the reinforcing fibers, and is wavyly arranged in the thickness direction. It is characterized by containing reinforcing fibers.
  • the fiber-reinforced plastic molded body of the present invention is characterized by including the above-described reinforcing fibers wave-arranged in the thickness direction, first, the wave-shaped array in the thickness direction will be described first, and then The fiber reinforced resin material used in the present invention will be described.
  • the fiber-reinforced plastic molded body of the present invention is characterized by including reinforcing fibers arranged in a wave shape in the thickness direction.
  • the reinforcing fibers are “wavyly arranged in the thickness direction” means that the reinforcing fiber itself or the reinforcing fiber layer in which the reinforcing fibers are arranged in the in-plane direction is bent or curved in the thickness direction. Means it exists.
  • a case where the reinforcing fiber is bent or curved in the thickness direction a case where the reinforcing fiber is bent or curved in the thickness direction (for example, a schematic diagram shown in FIG.
  • the reinforcing fiber is not bent or curved per se, the line connecting the long axis directions of adjacent fibers in any cross section is bent or curved (for example, as shown in the diagram).
  • the reinforcing fibers arranged in a wavy pattern in the thickness direction may be short fibers, continuous fibers or long fibers.
  • the wavy arrangement in the thickness direction may be simply referred to as a “wave arrangement”.
  • the amplitude of the wavy array (the thickness of the region where the reinforcing fibers wavyly arranged in the thickness direction are present) is particularly within the range in which the strength in the thickness direction of the fiber-reinforced plastic molded body of the present invention can be set to a desired level. It is not limited. In the present invention, the amplitude of the wavy array may be uniform or non-uniform. However, when reinforcing fibers arranged in a wavy pattern are included at positions where the thickness of the fiber-reinforced plastic molded body of the present invention is changing, it is preferable that the amplitude is changed so as to follow the change in the thickness.
  • the fiber-reinforced plastic molded body of the present invention it is only necessary that at least a part of the reinforcing fibers contained in the fiber-reinforced plastic molded body has the wavy arrangement. Accordingly, in the present invention, all the reinforcing fibers contained in the fiber-reinforced plastic molded body may be arranged in a wavy arrangement, or only a part of the reinforcing fibers may be arranged in a wavy arrangement. In the invention, it is preferable that only a part of the reinforcing fibers are arranged in a wavy pattern.
  • the fiber-reinforced plastic molded body of the present invention can be produced by molding a prepreg.
  • the aspect in which only a part of the reinforcing fibers has the wavy arrangement can be determined as appropriate according to the use and manufacturing method of the fiber-reinforced plastic molded body of the present invention, and is particularly limited. is not. Therefore, for example, the embodiment may be an embodiment (first embodiment) in which the reinforcing fibers are in the wavy arrangement only in a part in the thickness direction, and the reinforcing fibers are in the wavy arrangement only in a part in the in-plane direction.
  • the mode (2nd mode) which is carrying out may be sufficient, and also the mode (3rd mode) which combined the 1st mode and the 2nd mode of the above may be sufficient.
  • FIG. 2 is a schematic view showing an example of a mode in which only a part of reinforcing fibers are arranged in a wavy pattern in the fiber-reinforced plastic molded body of the present invention.
  • the reinforcing fibers 11 have the wavy arrangement in only a part in the thickness direction. May be the mode (first mode) (FIG.
  • FIG. 2 (a) may be the mode (second mode) in which the reinforcing fibers are in the wavy arrangement only in a part of the in-plane direction.
  • FIG. 2B the mode in which the reinforcing fibers are in the wavy arrangement only in a part of the in-plane direction.
  • FIG. 2C a combination of the first and second aspects
  • any aspect from the first aspect to the third aspect can be suitably used.
  • the first aspect has an advantage that the strength reduction in the in-plane direction can be suppressed while the mechanical strength in the thickness direction is improved because the reinforcing fibers arranged in a wavy pattern and the reinforcing fibers arranged in the in-plane direction are present.
  • the mechanical strength in the thickness direction is improved only at the locations where the reinforced fibers arranged in a wavy manner are present, and the mechanical strength in the in-plane direction is maintained at the locations where the reinforced fibers arranged in a wavy shape are not present in the thickness direction. It is possible to keep.
  • the mechanical strength in the thickness direction can be locally improved in the in-plane direction.
  • the third aspect has an advantage that it is possible to suppress a decrease in strength in the in-plane direction at a place where reinforcing fibers arranged in a wavy pattern are present.
  • the ratio of the region in which the reinforcing fibers arranged in the wavy arrangement exist in the thickness direction depends on the use of the fiber-reinforced plastic molded body of the present invention. It can be suitably determined according to the production method and is not particularly limited. In particular, in the present invention, it is more preferable that the ratio of the region in which the reinforcing fibers wavyly arranged in the thickness direction exist is in the range of 5% to 95% of the thickness of the fiber reinforced plastic molded body. More preferably, it is in the range of% to 90%, and more preferably in the range of 70% to 80%. This is because within such a range, the mechanical strength in the thickness direction can be improved while further suppressing the decrease in the mechanical strength in the in-plane direction.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining how to obtain the ratio.
  • the ratio is the ratio (b / a ⁇ 100) of the thickness b of the region where the reinforcing fibers arranged in a wavy manner in the thickness direction are present with respect to the thickness a of the fiber-reinforced plastic molded body 10. It can be obtained by calculation.
  • the thickness b of the region where the reinforcing fibers wavyly arranged in the thickness direction are present is the distance in the thickness direction between the highest point and the lowest point of the region in the thickness direction.
  • b is a value obtained by adding the thicknesses of all the regions.
  • the position where the reinforcing fibers arranged in the wavy arrangement in the thickness direction is not particularly limited, but exists only in the inner layer. It is preferable. This is because when the reinforcing fibers arranged in a wavy manner are present only in the inner layer, it is easy to make the cross section close to a symmetric structure, so that deformation such as warpage can hardly occur.
  • the reinforcing fibers arranged in a wavy manner are present only in the “inner layer”.
  • the reinforcing fibers present in the surface layer of the fiber-reinforced plastic molded article of the present invention are not in a wavy arrangement, and other than the surface layer. This means that at least a part of the existing reinforcing fibers are wavyly arranged.
  • the orientation angle of the reinforcing fibers in the wavy array is not particularly limited as long as the strength in the thickness direction of the fiber-reinforced plastic molded body of the present invention is within a desired range.
  • the closer the orientation angle is to 90 ° the greater the strength in the thickness direction of the region where the reinforcing fibers arranged in a wave form are present.
  • the orientation angle is preferably within a range of 10 ° to 90 °, more preferably within a range of 60 ° to 90 °, and further preferably within a range of 85 ° to 90 °. preferable.
  • the orientation angle when a plurality of reinforcing fibers having different orientation angles are included, the orientation angle means an average value.
  • the “orientation angle” means the largest angle among the in-plane direction of the fiber-reinforced plastic molded body of the present invention and the angle formed by the wavyly arranged reinforcing fibers.
  • FIG. 4 is an explanatory view for explaining the orientation angle.
  • the orientation angle of the reinforcing fibers 11 arranged in a wavy pattern is the largest angle ⁇ among the in-plane direction X of the fiber-reinforced plastic molded body 10 and the angle formed by the reinforcing fibers 11 arranged in a wavy arrangement. means.
  • the reinforcing fibers arranged in a wavy arrangement in the thickness direction may be scattered, or the reinforcing fibers arranged in a wavy arrangement are in the thickness direction. It may exist in layers. In particular, in the present invention, it is preferably present in a layered form.
  • the thermoplastic resin is easily reinforced by the reinforcing fibers, and the reinforcing resin is reinforced, so that This is because bending is less likely to occur, so that the strength of the reinforcing fiber in the major axis direction can be further improved.
  • the number of reinforcing fibers arranged in a wavy manner in the thickness direction may be only one layer, or may be two or more layers.
  • the phase of the wave-like arrangement in each layer may be the same or different.
  • the arrangement state of the reinforcing fibers that are not arranged in a wavy arrangement is not particularly limited. Therefore, for example, the orientation state of the reinforcing fibers that are not wavyly arranged may be a state of being oriented in one direction or a state of being randomly oriented. Further, it may be an irregular orientation intermediate between the unidirectional orientation and the two-dimensional random orientation (arranged state in which the long axis directions of the reinforcing fibers are not arranged completely in one direction and are not completely random).
  • the long axis direction of the reinforcing fiber may be oriented so as to have an angle with respect to the in-plane direction of the fiber-reinforced plastic molded body, so that the reinforcing fiber is intertwined in a cotton shape.
  • the reinforcing fibers may be oriented such as bi-directional woven fabrics such as plain weave and twill weave, multiaxial woven fabrics, non-woven fabrics, mats, knits, braids, paper made of reinforced fibers, and the like.
  • the reinforcing fibers that are not wavyly arranged are two-dimensional random orientations in which the long axis direction of the reinforcing fibers is randomly oriented in the in-plane direction. It is preferable that
  • the fiber reinforced resin material used for this invention contains a reinforced fiber and a thermoplastic resin.
  • Reinforcing fibers types of reinforcing fibers
  • the type of reinforcing fiber used in the present invention can be appropriately selected according to the type of thermoplastic resin described later and the degree of strength imparted to the fiber-reinforced plastic molded body of the present invention, and is particularly limited. is not. For this reason, as the reinforcing fiber used in the present invention, any of inorganic fibers and organic fibers can be preferably used.
  • the inorganic fibers include carbon fibers, activated carbon fibers, graphite fibers, glass fibers, tungsten carbide fibers, silicon carbide fibers (silicon carbide fibers), ceramic fibers, alumina fibers, natural fibers, mineral fibers such as basalt, and boron fibers. , Boron nitride fiber, boron carbide fiber, and metal fiber.
  • the metal fiber include aluminum fiber, copper fiber, brass fiber, stainless steel fiber, and steel fiber.
  • As said glass fiber what consists of E glass, C glass, S glass, D glass, T glass, quartz glass fiber, borosilicate glass fiber, etc. can be mentioned.
  • organic fibers examples include fibers made of resin materials such as polybenzazole, aramid, PBO (polyparaphenylene benzoxazole), polyphenylene sulfide, polyester, acrylic, polyamide, polyolefin, polyvinyl alcohol, and polyarylate. it can.
  • resin materials such as polybenzazole, aramid, PBO (polyparaphenylene benzoxazole), polyphenylene sulfide, polyester, acrylic, polyamide, polyolefin, polyvinyl alcohol, and polyarylate. it can.
  • two or more kinds of reinforcing fibers may be used in combination.
  • a plurality of types of inorganic fibers may be used in combination
  • a plurality of types of organic fibers may be used in combination
  • inorganic fibers and organic fibers may be used in combination.
  • the mode in which a plurality of types of organic fibers are used in combination include a mode in which aramid fibers and fibers made of other organic materials are used in combination.
  • the aspect which uses together a carbon fiber and an aramid fiber can be mentioned, for example.
  • the reinforcing fibers used in the present invention are preferably at least one selected from the group consisting of carbon fibers, glass fibers, metal fibers, ceramic fibers, polybenzazole fibers, and aramid fibers, and among these are carbon fibers. It is preferable. By using carbon fiber, light weight and high strength and rigidity can be secured. For example, when the fiber-reinforced plastic molded body of the present invention is applied to an automobile, there is an advantage that fuel efficiency can be improved and driving performance can be improved. is there.
  • the carbon fibers are generally polyacrylonitrile (PAN) based carbon fibers, petroleum / coal pitch based carbon fibers, rayon based carbon fibers, cellulosic carbon fibers, lignin based carbon fibers, phenol based carbon fibers, and vapor growth systems. Although carbon fiber etc. are known, in the present invention, any of these carbon fibers can be suitably used.
  • PAN polyacrylonitrile
  • the reinforcing fiber used in the present invention may have a sizing agent attached to the surface.
  • the type of the sizing agent can be appropriately selected according to the types of the reinforcing fiber and the thermoplastic resin, and is not particularly limited.
  • the reinforcing fibers used in the present invention include short fibers.
  • the average fiber length of the short fibers used in the present invention can be appropriately determined according to the type of reinforcing fiber, the type of thermoplastic resin, or the like so that a desired strength can be imparted to the fiber-reinforced plastic molded body of the present invention. It is a thing and is not specifically limited.
  • the average fiber length of the short fibers is preferably in the range of 1 mm to 100 mm, more preferably in the range of 5 mm to 75 mm, and in the range of 10 mm to 50 mm. Is particularly preferred. This is because when the average fiber length of the short fibers is within such a range, the reinforcing fibers can be more easily arranged in a wavy pattern.
  • the reinforcing fiber used in the present invention only needs to contain at least short fibers. Therefore, only the short fiber may be used as the reinforcing fiber, or the short fiber and the long fiber may be used in combination.
  • a long fiber means a thing with an average fiber length longer than the said short fiber, and any of a discontinuous fiber and a continuous fiber may be sufficient as long as an average fiber length is longer than a short fiber.
  • the reinforcing fiber used in the present invention may have a single peak in the fiber length distribution, or may have a plurality of peaks. In the case of having a plurality of peaks, it is preferable that at least one peak value belongs to the preferred average fiber length range described above.
  • the average fiber length (La) of the reinforcing fibers is measured, for example, by measuring the fiber length (Li) of 100 reinforcing fibers randomly extracted from the fiber reinforced resin material to the 1 mm unit using a caliper or the like, It can be determined based on the following formula.
  • Extraction of reinforcing fibers from the fiber reinforced resin material can be performed, for example, by subjecting the fiber reinforced resin material to a heat treatment of about 500 ° C. ⁇ 1 hour and removing the resin in a furnace.
  • La ⁇ Li / 100
  • the method for measuring the average fiber length is a method for measuring the number average fiber length.
  • the short fibers in the present invention preferably have a weight average fiber length in the range of 1 mm to 100 mm. A range of 75 mm is more preferable, and a range of 10 mm to 50 mm is particularly preferable.
  • the number average fiber length and the weight average fiber length are the same value.
  • the fiber diameter of the reinforcing fiber used in the present invention may be appropriately determined according to the type of the reinforcing fiber, and is not particularly limited.
  • the average fiber diameter is usually preferably in the range of 3 ⁇ m to 50 ⁇ m, more preferably in the range of 4 ⁇ m to 12 ⁇ m, and in the range of 5 ⁇ m to 8 ⁇ m. More preferably.
  • the average fiber diameter is usually preferably in the range of 3 to 30 ⁇ m.
  • the said average fiber diameter shall point out the diameter of the single yarn of a reinforced fiber.
  • the reinforcing fiber when the reinforcing fiber is in the form of a fiber bundle, it refers to the diameter of the reinforcing fiber (single yarn) constituting the fiber bundle, not the diameter of the fiber bundle.
  • the average fiber diameter of the reinforcing fibers can be measured, for example, by the method described in JIS R-7607: 2000.
  • the reinforcing fiber used in the present invention may be a single yarn consisting of a single yarn, or may be a fiber bundle consisting of a plurality of single yarns.
  • the reinforcing fiber used in the present invention may be only a single yarn, may be a fiber bundle, or a mixture of both.
  • the number of single yarns constituting each fiber bundle may be uniform or different in each fiber bundle.
  • the number of single yarns constituting each fiber bundle is not particularly limited, but is usually in the range of 1,000 to 100,000.
  • carbon fibers are in the form of a bundle of fibers in which thousands to tens of thousands of filaments are gathered.
  • the reinforcing fiber if the carbon fiber is used in the form of this fiber bundle, the entangled part of the fiber bundle is locally thick and it may be difficult to obtain a thin fiber reinforced resin material. . For this reason, when using a carbon fiber as a reinforcing fiber, it is preferable to widen or open the fiber bundle.
  • the opening degree of the carbon fiber bundle after opening is not particularly limited, but the opening degree of the fiber bundle is controlled, and the carbon fiber bundle consists of a specific number or more of carbon fibers. It is preferable to include a carbon fiber bundle and a carbon fiber (single yarn) or a carbon fiber bundle less than that.
  • the carbon fiber bundle (A) constituted by the number of critical single yarns or more defined by the following formula (1) and the other opened carbon fibers, that is, the state of the single yarn or the criticality It is preferably composed of a fiber bundle composed of less than the number of single yarns.
  • Critical number of single yarns 600 / D (1) (Where D is the average fiber diameter ( ⁇ m) of the carbon fiber)
  • the ratio of the carbon fiber bundle (A) to the total amount of carbon fibers in the fiber reinforced resin material is preferably more than 0 Vol% and less than 99 Vol%, more preferably 20 Vol% or more and less than 99 Vol, More preferably, it is 30 Vol% or more and less than 95 Vol%, Most preferably, it is 50 Vol% or more and less than 90 Vol%.
  • the degree of carbon fiber opening can be set within the target range by adjusting the fiber bundle opening conditions. For example, when the fiber bundle is opened by blowing air onto the fiber bundle, the degree of opening can be adjusted by controlling the pressure of the air blown onto the fiber bundle. In this case, by increasing the air pressure, the degree of opening is increased (the number of single yarns constituting each fiber bundle is small), and by reducing the air pressure, the degree of opening is reduced (constituting each fiber bundle). The number of single yarns to be increased).
  • the average number of fibers (N) in the carbon fiber bundle (A) can be appropriately determined within a range not impairing the object of the present invention, and is particularly limited. It is not a thing.
  • the above N is usually in the range of 1 ⁇ N ⁇ 12000, but it is more preferable to satisfy the following formula (2). 0.6 ⁇ 10 4 / D 2 ⁇ N ⁇ 6 ⁇ 10 5 / D 2 (2) (Where D is the average fiber diameter ( ⁇ m) of the carbon fiber)
  • thermoplastic resin used in the present invention can be appropriately selected and used according to the application and production method of the fiber-reinforced plastic molded body of the present invention, and is particularly limited. is not.
  • thermoplastic resin used in the present invention those having a softening point in the range of 180 ° C. to 350 ° C. are usually used, but are not limited thereto.
  • thermoplastic resin used in the present invention examples include polyolefin resin, polystyrene resin, thermoplastic polyamide resin, polyester resin, polyacetal resin (polyoxymethylene resin), polycarbonate resin, (meth) acrylic resin, polyarylate resin, polyphenylene.
  • examples include ether resins, polyimide resins, polyether nitrile resins, phenoxy resins, polyphenylene sulfide resins, polysulfone resins, polyketone resins, polyether ketone resins, thermoplastic urethane resins, fluorine-based resins, and thermoplastic polybenzimidazole resins. .
  • polystyrene resin examples include polyethylene resin, polypropylene resin, polybutadiene resin, polymethylpentene resin, vinyl chloride resin, vinylidene chloride resin, vinyl acetate resin, and polyvinyl alcohol resin.
  • polystyrene resin examples include polystyrene resin, acrylonitrile-styrene resin (AS resin), acrylonitrile-butadiene-styrene resin (ABS resin), and the like.
  • polyamide resin examples include polyamide 6 resin (nylon 6), polyamide 11 resin (nylon 11), polyamide 12 resin (nylon 12), polyamide 46 resin (nylon 46), polyamide 66 resin (nylon 66), and polyamide 610. Resin (nylon 610) etc.
  • polyester resin examples include polyethylene terephthalate resin, polyethylene naphthalate resin, boribylene terephthalate resin, polytrimethylene terephthalate resin, and liquid crystal polyester.
  • (meth) acrylic resin examples include polymethyl methacrylate.
  • polyphenylene ether resin examples include modified polyphenylene ether.
  • polyimide resin examples include thermoplastic polyimide, polyamideimide resin, polyetherimide resin, and the like.
  • polysulfone resin examples include a modified polysulfone resin and a polyethersulfone resin.
  • polyetherketone resin examples include polyetherketone resin, polyetheretherketone resin, and polyetherketoneketone resin.
  • fluororesin, polytetrafluoroethylene etc. can be mentioned, for example.
  • thermoplastic resin used in the present invention may be only one type or two or more types.
  • thermoplastic resins having different softening points or melting points are used in combination
  • thermoplastic resins having different average molecular weights are used in combination, etc. This is not a limitation.
  • thermoplastic resin in the fiber-reinforced resin material used in the present invention can be appropriately determined according to the type of thermoplastic resin, the type of reinforcing fiber, and the like. Although not particularly limited, it is usually in the range of 3 to 1000 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the reinforcing fibers.
  • the volume content (Vf) of the reinforcing fiber in the fiber-reinforced resin material is not particularly limited as long as the strength of the fiber-reinforced plastic molded body is within a desired range. It can be determined appropriately according to the average fiber length of the reinforcing fibers.
  • the lower limit of the volume content (Vf) of the reinforcing fibers is preferably 10% or more, more preferably 20% or more, and further preferably 30% or more.
  • the lower limit of the volume content of the reinforcing fibers is preferably 70% or less, more preferably 60% or less, and even more preferably 50% or less.
  • the fiber reinforced resin material used in the present invention contains at least reinforcing fibers and a thermoplastic resin. However, if it is within the range not impairing the object of the present invention, various additives are included as necessary. But you can. Various additives used in the present invention are not particularly limited as long as a desired function or property can be imparted to the fiber reinforced resin material according to the use of the fiber reinforced plastic molded body of the present invention. Absent.
  • additives include, for example, melt viscosity reducing agents, antistatic agents, pigments, softeners, plasticizers, surfactants, conductive particles, fillers, carbon black, coupling agents, foaming agents, lubricants, Corrosion inhibitors, crystal nucleating agents, crystallization accelerators, mold release agents, stabilizers, UV absorbers, colorants, anti-coloring agents, antioxidants, flame retardants, flame retardant aids, anti-dripping agents, lubricants, fluorescence Examples include brighteners, phosphorescent pigments, fluorescent dyes, flow modifiers, inorganic and organic antibacterial agents, insecticides, photocatalytic antifouling agents, infrared absorbers, and photochromic agents.
  • the fiber reinforced resin material used in the present invention may contain short fibers having a short fiber length as the various additives.
  • the short fibers used here can be the same as the above-described reinforcing fibers except that the average fiber length (weight average fiber length, number average fiber length) is shorter than the above-described reinforcing fibers.
  • the short fiber has a fiber length shorter than that of the above-described reinforcing fiber, and examples include those having an average fiber length (weight average fiber length, number average fiber length) of 1 mm or less.
  • Basis weight of the reinforcing fibers in the fiber-reinforced resin materials include, but are not particularly limited, but is generally in the range of 25g / m 2 ⁇ 10000g / m 2.
  • the fiber reinforced plastic molded body of the present invention may be composed of a single layer or may have a laminated structure configured by being laminated in a plurality of layers.
  • the embodiment in which the fiber-reinforced plastic molded body of the present invention has a laminated structure may be an embodiment in which a plurality of layers having the same composition are laminated, or an embodiment in which a plurality of layers having different compositions are laminated. It may be.
  • the thickness of the fiber-reinforced plastic molded article of the present invention is not particularly limited, but is usually preferably within a range of 0.01 mm to 100 mm, preferably within a range of 0.01 mm to 10 mm, and preferably 0.1 to 5 mm. Within the range is more preferable.
  • the said thickness shall not indicate the thickness of each layer, but the thickness of the fiber reinforced plastic molding which totaled the thickness of each layer shall be pointed out.
  • the fiber reinforced plastic molding of this invention is, for example, 1. 1. a step of cutting the reinforcing fiber; 2. opening the cut reinforcing fiber; 3. a step of mixing the opened reinforcing fiber and a fibrous or particulate thermoplastic resin and then heating and compressing to obtain a prepreg; It can be manufactured by a step of forming a prepreg.
  • steps 1 to 3 for example, the method described in International Publication No. 2012/105080 can be employed.
  • the method for arranging the reinforcing fibers in a wavy arrangement can be formed by controlling the properties, molding conditions, mold structure, and the like of the fiber-reinforced plastic.
  • the reinforcing fibers can be arranged in a wavy pattern by compression molding using a specific mold.
  • the reinforcing fibers can be easily wave-arranged by providing a structure or mechanism for wave-arranging reinforcing fibers as a mold used for compression molding.
  • a mechanism that shapes the reinforcing fibers in a wavy arrangement position a concave portion is provided in the mold only in a position in which the reinforcing fibers are wave-arranged, and the concave portion is provided.
  • a method of arranging the reinforcing fibers in a wavy pattern at a certain position can be used.
  • the concave portion of the mold may be arranged in either the upper or lower mold, but it is preferably provided in the upper mold in that a more steady wavy arrangement can be obtained.
  • Examples of the properties of fiber reinforced plastics include fluidity, but in general, the higher the fluidity, the easier the reinforcing fibers are arranged in a wavy pattern.
  • fiber-reinforced plastics with high fluidity are often inferior in mechanical strength, and therefore require a design according to the purpose.
  • Examples of molding conditions for fiber reinforced plastics include molding temperature, pressurization rate, and charge rate. Generally, the higher the molding temperature, the faster the pressurization rate, and the higher the charge rate, the reinforced fiber. It is easy to arrange the wave.
  • the molding temperature is too high, there is a concern that the mechanical properties of the fiber-reinforced plastic molded product may be impaired, and more expensive equipment is required to increase the pressing speed, and the charge rate also takes into account the shape of the molded product. Therefore, it is necessary to select molding conditions according to the purpose.
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • the above-described embodiment is an exemplification, and the technical idea described in the claims of the present invention has substantially the same configuration and exhibits the same function and effect regardless of the mode. It is included in the technical scope of the invention.
  • each value in each Example and each comparative example was calculated
  • the average fiber length of carbon fiber is measured by calipering the fiber length of 300 fibers randomly extracted from the remaining carbon fiber structure after removing the resin by heating the fiber reinforced plastic molded body to 500 ° C. was measured to the 1 mm unit, and the average was obtained.
  • the average thickness and weight average fiber width of the carbon fiber bundle were determined by measuring the thickness, width, and weight of 300 fiber bundles randomly extracted from the carbon fiber structure to the 1 mm unit with calipers.
  • the fiber bundle analysis of the prepreg was performed according to the method described in International Publication No. 2012/105080.
  • Carbon fiber “Tenax” (registered trademark) STS40-24KS (average fiber diameter 7 ⁇ m) manufactured by Toho Tenax Co., Ltd. cut to an average fiber length of 20 mm is used, and nylon 6 resin A1030 manufactured by Unitika Co., Ltd. is used as the matrix resin.
  • a mat having a carbon fiber basis weight of 1800 g / m 2 and a nylon 6 resin basis weight of 1500 g / m 2 and a two-dimensional randomly oriented carbon fiber was prepared. .
  • a slitter having a disk-shaped blade made of cemented carbide and arranged at intervals of 0.5 mm was used for the carbon fiber separating apparatus.
  • a rotary cutter using a cemented carbide and a spiral knife arranged on the surface was used.
  • the pitch of the blade was set to 20 mm, and the carbon fiber was cut to a fiber length of 20 mm.
  • the strand that passed through the cutter was introduced into a flexible transportation pipe arranged directly under the rotary cutter, and subsequently introduced into a fiber opening device.
  • the opening device nipples made of SUS304 having different diameters were welded to produce a double pipe.
  • a small hole was provided in the inner tube of the double tube, and compressed air was supplied to the outer tube using a compressor. At this time, the wind speed from the small hole was 100 m / sec.
  • a tapered pipe having a diameter increasing downward was welded to the lower part of the pipe.
  • Matrix resin was supplied from the side surface of the tapered tube.
  • an air-permeable support body (hereinafter referred to as a fixing net) that moves in a certain direction is installed at the lower part of the taper tube outlet, and suction is performed from below by a blower.
  • a mixture of the cut carbon fiber and the nylon resin was deposited in a band shape while reciprocating the flexible transportation pipe and the tapered pipe in the width direction.
  • the carbon fiber supply rate was set to 500 g / min and the nylon 6 resin supply rate was set to 530 g / min, and the apparatus was operated to obtain a random mat in which carbon fibers and nylon 6 resin were mixed on the fixing net. .
  • This mat was heated at 2.0 MPa for 5 minutes with a press apparatus heated to 260 ° C. using a mold having a concave portion on the upper part to obtain a prepreg (I) having a thickness of 2.3 mm.
  • the number of critical single yarns defined by the above formula (1) was 86, and the carbon fiber bundle (A
  • the average number of single yarns (N) was 420, and the proportion of the carbon fiber bundle (A) composed of the number of critical single yarns or more was 85 Vol% of the total amount of carbon fibers.
  • the carbon fiber volume content was 43% (mass-based carbon fiber content 54%).
  • the carbon fiber bundle had an average thickness of 30 ⁇ m and a weight average fiber width of 0.5 mm.
  • the number of critical single yarns defined by the above formula (1) was 86, and the carbon fiber bundle (A
  • the average number of single yarns (N) was 420, and the proportion of the carbon fiber bundle (A) composed of the number of critical single yarns or more was 85 Vol% of the total amount of carbon fibers.
  • the carbon fiber volume content was 31% (mass-based carbon fiber content 42%).
  • the carbon fiber bundle had an average thickness of 30 ⁇ m and a weight average fiber width of 0.5 mm.
  • the number of critical single yarns defined by the above formula (1) was 86, and the carbon fiber bundle (A
  • the average number of single yarns (N) was 420, and the proportion of the carbon fiber bundle (A) composed of the number of critical single yarns or more was 85 Vol% of the total amount of carbon fibers.
  • the carbon fiber volume content was 25% (mass-based carbon fiber content 31%).
  • the carbon fiber bundle had an average thickness of 30 ⁇ m and a weight average fiber width of 0.5 mm.
  • Example 1 The prepreg (I) was cut into 380 mm ⁇ 380 mm, dried with a hot air dryer at 120 ° C. for 4 hours, and then heated to 300 ° C. with an infrared heater. A mold having an area of 400 mm ⁇ 400 mm and an upper mold having a concave portion of 80 mm ⁇ 370 mm was used. The mold was set at 140 ° C., and two prepregs (I) were heated and then stacked and introduced into the mold, and pressed at a press pressure of 20 MPa for 1 minute to produce a fiber-reinforced plastic molded body 1.
  • the obtained fiber-reinforced plastic molded body 1 contained reinforcing fibers in a wavy arrangement in the thickness direction in a portion corresponding to the concave portion of the mold. Further, the thickness was 4.5 mm, and the thickness of the region where the reinforcing fibers wave-arranged in the thickness direction were present was 3.5 mm. The ratio of the region where the reinforcing fibers wavyly arranged in the thickness direction exist was 78% of the thickness of the fiber-reinforced plastic molded body. Furthermore, the orientation angle of the reinforcing fibers arranged in a wavy pattern was 85 °.
  • the fiber reinforced plastic molding 1 was subjected to energy absorption capacity measurement. The obtained results are shown in Table 1.
  • Example 2 By forming the three prepregs (I) in the same manner as in Example 1, the thickness is 5.7 mm, and the thickness of the region where the reinforcing fibers arranged in a wavy pattern are 4.2 mm. A fiber-reinforced plastic molded body 2 in which the orientation angle of the arranged reinforcing fibers was 75 ° was obtained. The ratio of the region in which the reinforcing fibers wavyly arranged in the thickness direction are 74% of the thickness of the fiber-reinforced plastic molded body. The fiber reinforced plastic molded body 2 was measured for energy absorption ability. The results obtained are as shown in the table.
  • a fiber reinforced plastic molded body 3 having a thickness of 4.5 mm is obtained by additionally stacking 75 mm ⁇ 360 mm molded plates so as to fill the concave portion of the upper mold so as not to be wavy in the same manner as in Example 1. Obtained.
  • the fiber-reinforced plastic molded body 3 did not contain reinforcing fibers arranged in a wavy pattern.
  • it was about 30% lower than that of Example 1.
  • Comparative Example 2 In the same manner as in Comparative Example 1, a fiber-reinforced plastic molded body 4 having a thickness of 5.7 mm with no wavy shape was obtained. In the fiber-reinforced plastic molded body 4, the reinforcing fibers arranged in a wavy pattern were not included. Moreover, as a result of measuring the energy absorption ability with respect to this fiber reinforced plastic molded body 4, as shown in Table 1, it was about 25% lower than Example 2.
  • Example 3 By changing the heating temperature of the prepreg (I) to 240 ° C. from Example 1, the thickness is 4.5 mm, the thickness of the region where the wavy arranged reinforcing fibers are present is 2.4 mm, and the wavy arrangement is made. A fiber-reinforced plastic molded body 5 having a reinforcing fiber orientation angle of 55 ° was obtained. The ratio of the region in which the reinforcing fibers wavyly arranged in the thickness direction are 53% of the thickness of the fiber-reinforced plastic molded body. The energy absorption capacity of the fiber reinforced plastic molded body 5 was measured. The obtained results are as shown in the table, which is about 25% higher than Comparative Example 1 having the same thickness.
  • Example 4 By forming the three prepregs (I) in the same manner as in Example 3, the thickness is 5.7 mm, and the thickness of the region where the reinforcing fibers arranged in a wavy pattern are 2.7 mm. A fiber-reinforced plastic molded body 6 in which the orientation angle of the arranged reinforcing fibers was 45 ° was obtained. The ratio of the region where the reinforcing fibers wavyly arranged in the thickness direction are present was 47% of the thickness of the fiber-reinforced plastic molded body. The fiber reinforced plastic molded body 6 was measured for energy absorption ability. The obtained results are as shown in the table, which is about 6% higher than Comparative Example 2 having the same thickness.
  • Example 5 By changing the mold temperature to 100 ° C. from Example 3, the thickness is 4.5 mm, the thickness of the region where the wavy arranged reinforcing fibers are present is 1.8 mm, and the wavy arranged reinforcing fibers are oriented. A fiber-reinforced plastic molded body 7 having an angle of 40 ° was obtained. The ratio of the region in which the reinforcing fibers wavyly arranged in the thickness direction are 40% of the thickness of the fiber-reinforced plastic molded body. The fiber reinforced plastic molded body 7 was measured for energy absorption ability. The obtained results are as shown in the table, which is about 10% higher than Comparative Example 1 having the same thickness.
  • Example 6 By forming the prepreg (I) without overlapping by the same method as in Example 5, the thickness is 3.2 mm, and the thickness of the region where the reinforcing fibers arranged in a wavy pattern are 0.6 mm. As a result, a fiber-reinforced plastic molded article 8 having an orientation angle of the reinforced fibers of 25 ° was obtained. The ratio of the region in which the reinforcing fibers wavyly arranged in the thickness direction are 19% of the thickness of the fiber-reinforced plastic molded body. The energy absorption capacity of the fiber reinforced plastic molded body 8 was measured. The results obtained are as shown in the table.
  • Example 7 By changing the mold temperature to 150 ° C. from Example 1, the thickness is 4.5 mm, the thickness of the region where the wavy arranged reinforcing fibers are present is 3.9 mm, and the orientation of the wavy arranged reinforcing fibers is A fiber-reinforced plastic molded body 10 having an angle of 85 ° was obtained. The ratio of the region where the reinforcing fibers wavyly arranged in the thickness direction are present was 87% of the thickness of the fiber-reinforced plastic molded body. The fiber reinforced plastic molded body 10 was measured for energy absorption ability. The obtained results are as shown in the table, which is about 35% higher than Comparative Example 1 having the same thickness.
  • Example 8 By forming the three prepregs (I) in the same manner as in Example 7, the thickness is 5.7 mm, and the thickness of the region where the reinforcing fibers arranged in a wavy pattern are 5.2 mm. A fiber-reinforced plastic molded body 11 in which the orientation angle of the arranged reinforcing fibers was 70 ° was obtained. The ratio of the region where the reinforcing fibers wavyly arranged in the thickness direction are 91% of the thickness of the fiber-reinforced plastic molded body. The fiber reinforced plastic molding 11 was measured for energy absorption. The obtained results are as shown in the table, which is about 20% higher than Comparative Example 2 having the same thickness.
  • Example 9 By forming the prepreg (I) without overlapping by the same method as in Example 7, the thickness is 3.2 mm, and the thickness of the region where the reinforced fibers arranged in a wavy pattern is 2.4 mm. As a result, a fiber-reinforced plastic molded body 12 having an orientation angle of 85 ° was obtained. The ratio of the region in which the reinforcing fibers wave-arranged in the thickness direction exist was 75% of the thickness of the fiber-reinforced plastic molded body. The fiber reinforced plastic molded body 12 was measured for energy absorption ability. The obtained results are as shown in the table, which is about 40% higher than Comparative Example 3 having the same thickness.
  • the fiber-reinforced plastic molded body of the present invention can improve the mechanical strength in the thickness direction without impairing the mechanical strength in the in-plane direction, and can reduce the thickness of the molded body without impairing the moldability. It can be used for vehicle parts such as structural members.

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Abstract

　強化繊維と熱可塑性樹脂とを含有する繊維強化樹脂材料からなる繊維強化プラスチック成形体であって、上記強化繊維として短繊維を含み、かつ厚み方向に波状配列した上記強化繊維を含むことを特徴とする、繊維強化プラスチック成形体を提供することにより、面内方向の機械強度を損なわずに厚み方向の機械強度を向上させた繊維強化プラスチック成形体を提供する。

Description

繊維強化プラスチック成形体
　本発明は、炭素繊維と熱可塑性樹脂とを含む繊維強化プラスチック成形体に関するものである。より詳しくは、厚み方向の耐衝撃性能に優れ、車両の構造部品等に好適に使用することができる繊維強化プラスチック成形体に関するものである。
　近年、機械分野において、マトリックス樹脂と、炭素繊維などの強化繊維とを含む、いわゆる繊維強化プラスチックが注目されている。これら繊維強化プラスチックはプラスチック内に強化繊維が分散されているため、引張弾性率や引張強度、耐衝撃性などに優れており、自動車等の構造部材等への用途が検討されている。これら繊維強化プラスチックは、圧縮成形等を用いて目的とする形状に成形することができる。
　しかしながら、繊維強化プラスチックの特徴として、厚み方向に繊維が配向していないことが多いため、厚み方向の機械強度、具体的には圧縮強度、衝撃エネルギー吸収能は必ずしも優れたものとは言い難かった。当然、材料の厚みを増すことでこれらの物性を向上させることはできるが、厚みが増すことによるデザインの選択肢の低下や、重量増によって繊維強化プラスチックが本来有する魅力というものを損なうことになってしまうという問題点も指摘されていた。
　このような問題点に鑑み、特許文献１には、ニードルパンチ法により、繊維強化プラスチック中の繊維を厚み方向に配向させる方法が提案されている。このニードルパンチ法は、成形前の繊維強化プラスチック材料にニードルを突刺し、ニードルで刺した部位の強化繊維を、強化繊維の長手方向が厚み方向を向くように配列させることによって、厚み方向の圧縮強度等を向上できるという利点を有するものである。しかしながら、ニードルパンチ法では、ニードルを成形前の繊維強化プラスチック材料に突き刺す際に、強化繊維が損傷または切断されてしまうことが多いため、厚み方向の機械強度が向上することとの引き換えに、面内方向の強度が低下してしまうという問題点が指摘されていた。
　特許文献１の問題点である面内方向の強度低下を抑制するため、特許文献２には、強化繊維の前駆体を捲縮させ、ニードルパンチ法などで交絡させた後に焼成を行い、強化繊維の不織布を作製、繊維強化プラスチック化することにより、面内方向の強度を保つ方法が提案されている。しかしながら、このような方法でも強化繊維が厚み方向に配向する分、面内方向の強度が低下してしまうという問題点は改善されない。また、このような方法では、強化繊維それ自体が嵩高くなってしまうことに加え、強度を保持するためにある程度の材料の厚みが必要となることから、成形性の低下や薄肉化の阻害を引き起こす傾向があることが指摘されていた。
　さらに、特許文献３には、強化繊維として連続繊維のみを用い、全ての連続繊維の波長が整合するように当該連続繊維を波形状とすることにより、衝撃強度等を向上させた複合材料が開示されている。しかしながら、特許文献３の複合材料においては、強化繊維として連続繊維のみが用いられ、各連続繊維の波形状の波長方向が整合されているため、逆に波長方向に対して垂直方向の強度が著しく低下してしまうという問題点がある。また、強化繊維として連続繊維のみを用いるため、強化繊維を波形状とする際に、複合材料内に強化繊維のない樹脂のみの部位が不可避的に含まれてしまうことから、強度のバラつきなどの要因となってしまうという問題点が指摘されていた。
日本国特開２００４－６００５８号公報 日本国特開２０１３－２４５２５３号公報 日本国特開昭６２－１９６１３４号公報
　本発明は、上記各問題点に鑑みてなされたものであり、面内方向の機械強度を損なわずに厚み方向の機械強度を向上させた繊維強化プラスチック成形体を提供することを主目的とするものである。
　上記課題を解決するため本発明は以下の手段を提供する。
　（１）強化繊維と熱可塑性樹脂とを含有する繊維強化樹脂からなる繊維強化プラスチック成形体であって、前記強化繊維として短繊維を含み、かつ厚み方向に波状配列した強化繊維を含むことを特徴とする、繊維強化プラスチック成形体。
　（２）厚み方向の一部分においてのみ、上記強化繊維が厚み方向に波状配列していることを特徴とする、上記（１）の繊維強化プラスチック成形体。
　（３）上記厚み方向に波状配列した強化繊維が、層状に存在していることを特徴とする、上記（１）または上記（２）の繊維強化プラスチック成形体。
　（４）上記厚み方向に波状配列した強化繊維が、内層のみに存在していることを特徴とする、上記（１）から上記（３）までのいずれかの繊維強化プラスチック成形体。
　（５）厚み方向において、上記厚み方向に波状配列した強化繊維が存在している領域の割合が、繊維強化プラスチック成形体の厚みの５％～９５％の範囲内であることを特徴とする、上記（１）から上記（４）までのいずれかの繊維強化プラスチック成形体。
　（６）上記厚み方向に波状配列した強化繊維の配向角度が１０°～９０°の範囲内であることを特徴とする上記（１）から上記（５）までのいずれかの繊維強化プラスチック成形体。
　（７）上記強化繊維が繊維束状であり、かつ平均繊維長が１ｍｍ～１００ｍｍの範囲内であることを特徴とする、上記（１）から上記（６）までのいずれかの繊維強化プラスチック成形体。
　本発明の繊維強化プラスチック成形体は、面内方向の機械強度を損なうことなく、優れた厚み方向の機械強度を有するという効果を奏する。
本発明の繊維強化プラスチック成形体の一例を示す概略図である。 本発明の繊維強化プラスチック成形体の他の例を示す概略図である。 本発明の繊維強化プラスチック成形体における、厚み方向において上記波状配列した強化繊維が存在している割合の求め方を説明する模式図である。 本発明の繊維強化プラスチック成形体における、強化繊維の配向角度を説明する模式図である。 本発明の繊維強化プラスチック成形体の一例を示す概略図である。 本発明の繊維強化プラスチック成形体の一例を示す概略図である。 本発明の繊維強化プラスチック成形体の一例を示す概略図である。
　上述した通り、本発明の繊維強化プラスチック成形体は、強化繊維と熱可塑性樹脂とを含有する繊維強化樹脂材料からなるものであって、上記強化繊維として短繊維を含み、かつ厚み方向に波状配列した強化繊維を含むことを特徴とするものである。
　このような本発明の繊維強化プラスチック成形体について図を参照しながら説明する。図１は、本発明の繊維強化プラスチック成形体の一例を示す概略図である。図１に例示するように、本発明の繊維強化プラスチック成形体１０は、強化繊維１１と熱可塑性樹脂１２とを含有する繊維強化樹脂材料からなるものであって、上記強化繊維１１には短繊維が含まれ、かつ厚み方向に波状配列した強化繊維１１を含むことを特徴とするものである。
　なお、図１においては図説の関係上、強化繊維１１を直線状に図示しているが、これはあくまで図説の便宜のためであり、図１における図示と関係なく、本発明における上記強化繊維には少なくとも短繊維が含まれるものであり、必要に応じて長繊維又は連続繊維が併用されてもよいものである。このことは、本願明細書における図１以外の図面についても同様である。
　本発明の繊維強化プラスチック成形体においては、厚み方向に波状配列した上記強化繊維を含むことにより、少なくとも一部の強化繊維を長軸方向が厚み方向に傾いた状態で存在させることができるため、厚み方向の機械強度を向上させることができる。また、上記波状配列においては、上記強化繊維が破断されて短くなることがないため、ニードルパンチ法のような面内方向の機械強度の極端な低下を抑えることができる。
　さらに、本発明の繊維強化プラスチック成形体は、例えば、プリプレグ等の予備成形品を圧縮成形する際に強化繊維を厚み方向に波状配列させることによって製造することができるが、このような製造方法によれば予備成形品の厚みに大きな制限が生じることはなく、薄肉の成形品を得るために薄肉の予備成形品を適用することが可能になる。また、いわゆるスプリングバックによる厚み方向への膨張も抑えることが可能となるため、強化繊維が嵩高くなることによって成形性を阻害することもない。このようなことから、本発明の繊維強化プラスチック成形体を製造する際に、より簡易な金型構造を適用しやすくなる。さらに、所定の位置に厚み方向の波状配列した強化繊維を存在させるための機構の配置も簡易なものとなり、局所的に厚み方向の機械強度を向上させた繊維強化プラスチック成形体を得ることが容易となる。
　さらにまた、本発明の繊維強化プラスチック成形体は、上記強化繊維として短繊維が含まれることにより、例えば、強化繊維を波状配列させる際に間隙が発生した場合であっても、当該間隙に強化繊維を存在させることができるため、繊維強化プラスチック成形体中に強化繊維が存在しない領域が形成されることを抑制できる。
　以上から、本発明の繊維強化プラスチック成形体は、面内方向の機械強度を損なうことなく、優れた厚み方向の機械強度を有するという効果を奏する。
　本発明の繊維強化プラスチック成形体は、上述した通り、強化繊維と熱可塑性樹脂とを含有する繊維強化樹脂材料からなるものであり、上記強化繊維として短繊維を含み、かつ厚み方向に波状配列した強化繊維を含むことを特徴とするものである。このように、本発明の繊維強化プラスチック成形体は、厚み方向に波状配列した上記強化繊維を含むことを特徴とするものであるため、以下では、まず上記厚み方向の波状配列に説明し、次いで、本発明に用いられる繊維強化樹脂材料について説明する。
　１　厚み方向の波状配列
　上述した通り、本発明の繊維強化プラスチック成形体は、厚み方向に波状配列した強化繊維を含むことを特徴とするものである。ここで、本発明において強化繊維が「厚み方向に波状配列した」とは、強化繊維それ自体、または強化繊維が面内方向に配列して存在する強化繊維層が、厚み方向に屈曲又は湾曲して存在していることを意味する。また、強化繊維が厚み方向に屈曲又は湾曲して存在している場合としては、強化繊維が厚み方向に屈曲または湾曲して存在している場合（たとえば図５に示す概略図、図６に示す概略図のような場合）の他、強化繊維がそれ自体は屈曲又は湾曲していなくても、任意の断面において隣接する繊維の長軸方向を結ぶ線が屈曲又は湾曲している場合（たとえば図７に示す概略図のような場合）も含まれるものとする。さらに、厚み方向に波状配列した強化繊維は、短繊維であってもよく、連続繊維又は長繊維であってもよい。なお、以下では、上記厚み方向の波状配列のことを単に「波状配列」という場合がある。
　上記波状配列の振幅（厚み方向に波状配列した強化繊維が存在している領域の厚み）は、本発明の繊維強化プラスチック成形体の厚み方向の強度を所望の程度にできる範囲内であれば特に限定されるものではない。また、本発明においては、波状配列の振幅が均一であってもよく、又は不均一であってもよい。もっとも、本発明の繊維強化プラスチック成形体の厚みが変化している位置に波状配列した強化繊維が含まれる場合は、その厚みの変化に沿うように振幅が変化していることが好ましい。
　本発明においては、繊維強化プラスチック成形体に含まれる強化繊維のうち少なくとも一部が上記波状配列をしていればよいものである。したがって、本発明においては繊維強化プラスチック成形体に含まれる全ての強化繊維が波状配列していてもよく、あるいは強化繊維の一部のみが波状配列していてもよいものであるが、なかでも本発明においては強化繊維の一部のみが波状配列していることが好ましい。本発明の繊維強化プラスチック成形体は、プリプレグを成形することによって製造することができるところ、全ての強化繊維を波状配列させる場合は、材料の強化繊維斑などにより瞬間的な加圧斑が発生しやすく、波状配列が崩れやすくなる場合がある。それを解消するには成形工程において特別な機構を備える金型を用いることが必要となるが、その場合、生産性が著しく低下してしまうおそれがある。しかしながら、一部の強化繊維のみが波状配列していることにより、このような問題は生じることが少なく、成形工程においてより簡易な機構や型構造を採用することが可能になるため、より安価に厚み方向の機械強度に優れた繊維強化プラスチック成形体を得ることが可能となるからである。
　本発明において、強化繊維の一部のみが上記波状配列をしている態様としては、本発明の繊維強化プラスチック成形体の用途や製造方法等に応じて適宜決定できるものであり特に限定されるものではない。したがって、上記態様としては、例えば、厚み方向の一部分のみにおいて強化繊維が上記波状配列をしている態様（第１態様）であってもよく、面内方向の一部分のみにおいて強化繊維が上記波状配列をしている態様（第２態様）であってもよく、さらには上記第１態様及び第２態様を組み合わせた態様（第３態様）であってもよい。
　これらの各態様について図を参照しながら説明する。図２は本発明の繊維強化プラスチック成形体において、強化繊維の一部のみが波状配列している態様の一例を示す概略図である。図２に例示するように、本発明の繊維強化プラスチック成形体１０において、強化繊維１１の一部のみが波状配列している態様としては、厚み方向の一部分のみにおいて強化繊維１１が上記波状配列をしている態様（第１態様）であってもよく（図２（ａ））、面内方向の一部分のみにおいて強化繊維が上記波状配列をしている態様（第２態様）であってもよく（図２（ｂ））、さらには上記第１態様及び第２態様を組み合わせた態様であってもよい（図２（ｃ））。
　本発明においては、上記第１態様から上記第３態様までのいずれの態様であっても好適に用いることができる。上記第１態様は、波状配列した強化繊維と面内方向に配列した強化繊維が存在するため、厚み方向の機械強度を向上させつつ面内方向の強度低下を抑えることができるという利点がある。また、上記第２態様は、波状配列した強化繊維が存在する箇所でのみ厚み方向の機械強度を向上させ、厚み方向において波状配列した強化繊維が存在しない箇所では面内方向の機械強度をそのままに保つことが可能である。したがって、面内方向において局所的に厚み方向の機械強度を向上させることができるという利点がある。さらに、上記第３態様は、波状配列した強化繊維が存在する箇所の面内方向の強度の低下を抑えることが可能となるという利点がある。
　上記強化繊維が厚み方向の一部分のみにおいて上記波状配列している態様の場合、厚み方向において上記波状配列した強化繊維が存在している領域の割合は、本発明の繊維強化プラスチック成形体の用途や製造方法に応じて適宜決定することができるものであり特に限定されるものではない。なかでも本発明においては、厚み方向において上記波状配列した強化繊維が存在している領域の割合が、繊維強化プラスチック成形体の厚みの５％～９５％の範囲内であることがより好ましく、５０％～９０％の範囲内であることがより好ましく、７０％～８０％の範囲内であることがさらに好ましい。このような範囲内であることにより、さらに面内方向の機械強度の低下を抑制しながら、厚み方向の機械強度を向上させることができるからである。
　ここで、厚み方向において波状配列した強化繊維が存在している領域の割合を求める方法について図を参照しながら説明する。図３は、上記割合の求め方について説明する説明図である。図３に示すように、上記割合は繊維強化プラスチック成形体１０の厚さａに対し、厚み方向に波状配列した強化繊維が存在している領域の厚みｂの割合（ｂ／ａ×１００）を計算することにより求めることができる。厚み方向に波状配列した強化繊維が存在している領域の厚みｂは、厚み方向における該領域の最高点と最低点の厚み方向の距離である。厚み方向に波状配列した強化繊維が存在している領域が複数ある場合、上記ｂはすべての領域の厚みを合計した値とする。
　上記強化繊維が厚み方向の一部分のみにおいて上記波状配列している態様の場合、厚み方向において上記波状配列した強化繊維が存在している位置は特に限定されるものではないが、内層のみに存在していることが好ましい。上記波状配列した強化繊維が内層のみに存在していることにより、その断面を対称構造に近くすることが容易になるため、反りなどの変形を発生しにくくできるからである。ここで、上記波状配列した強化繊維が、「内層のみ」に存在しているとは、本発明の繊維強化プラスチック成形体の表層に存在する強化繊維は波状配列をしておらず、表層以外に存在する強化繊維の少なくとも一部が波状配列していることを意味するものである。
　上記波状配列における強化繊維の配向角度は、本発明の繊維強化プラスチック成形体の厚み方向の強度を所望の程度にできる範囲内であれば特に限定されるものではない。ここで、当該配向角度が９０°に近いほど波状配列した強化繊維が存在する領域の厚み方向の強度が大きくなり、逆に０°に近いほど当該部位の厚み方向の強度が小さくなる。本発明においては上記配向角度が１０°～９０°の範囲内であることが好ましく、６０°～９０°の範囲内であることがより好ましく、８５°～９０°の範囲内であることがさらに好ましい。配向角度がこのような範囲内であることにより、さらに面内方向の機械強度の低下を抑制しながら、厚み方向の機械強度の向上させることができるからである。
　なお、本発明の繊維強化プラスチック成形体において、上記配向角度が異なる複数の強化繊維が含まれる場合、上記配向角度は平均値を意味するものとする。
　ここで、上記「配向角度」とは、本発明の繊維強化プラスチック成形体の面内方向と、波状配列した強化繊維が成す角度のうち、最も大きい角度を意味する。
　上記配向角度について図を参照しながら説明する。図４は上記配向角度について説明する説明図である。図４に示すように波状配列している強化繊維１１の配向角度とは、繊維強化プラスチック成形体１０の面内方向Ｘと、波状配列した強化繊維１１が成す角度のうち、最も大きい角度αを意味する。
　本発明において、上記強化繊維が厚み方向の一部分において上記波状配列している態様としては、厚み方向において上記波状配列した強化繊維が散在していてもよく、あるいは上記波状配列した強化繊維が厚み方向において層状に存在していてもよい。なかでも本発明においては層状に存在していることが好ましい。上記波状配列した強化繊維が厚み方向において層状に存在していることにより、熱可塑性樹脂が強化繊維により効果的に補強されやすく、また熱可塑性樹脂が補強されていることにより、強化繊維に繊維座屈が生じにくくなるため、強化繊維の長軸方向の強度をより向上させることができるからである。
　上記波状配列した強化繊維が厚み方向において層状に存在する場合、厚み方向に存在する波状配列した強化繊維の層は１層のみであってもよく、あるいは２層以上であってもよい。また、２層以上存在する場合、各層における波状配列の位相は同一であってもよく、異なっていてもよい。
　上記強化繊維が厚み方向の一部において上記波状配列している場合、波状配列していない強化繊維の配列状態は特に限定されるものではない。したがって、例えば、波状配列していない強化繊維の配向状態は、一方向に配向した状態であってもよく、又はランダムに配向した状態であってもよい。また、上記一方向配向と２次元ランダム配向の中間の無規則配向（強化繊維の長軸方向が完全に一方向に配列しておらず、かつ完全にランダムでない配列状態）であってもよい。さらに、強化繊維の繊維長によっては、強化繊維の長軸方向が繊維強化プラスチック成形体の面内方向に対して角度を有するように配向していてもよく、強化繊維が綿状に絡み合うように配向していてもよく、さらには強化繊維が平織や綾織などの二方向織物、多軸織物、不織布、マット、ニット、組紐、強化繊維を抄紙した紙等のように配向していてもよい。なかでも本発明においては、厚み方向及び面内方向の機械強度向上の観点から、波状配列していない強化繊維は、強化繊維の長軸方向が面内方向においてランダムに配向した、２次元ランダム配向をしていることが好ましい。
　２　繊維強化樹脂材料
　次に、本発明に用いられる繊維強化樹脂材料について説明する。本発明に用いられる繊維強化樹脂材料は、強化繊維と熱可塑性樹脂とを含有するものである。
（１）強化繊維
　（強化繊維の種類）
　本発明に用いられる強化繊維の種類は、後述する熱可塑性樹脂の種類や本発明の繊維強化プラスチック成形体に付与する強度の程度に応じて適宜選択することができるものであり特に限定されるものではない。このため、本発明に用いられる強化繊維としては、無機繊維又は有機繊維のいずれであっても好適に用いることができる。
　上記無機繊維としては、例えば、炭素繊維、活性炭繊維、黒鉛繊維、ガラス繊維、タングステンカーバイド繊維、シリコンカーバイド繊維（炭化ケイ素繊維）、セラミックス繊維、アルミナ繊維、天然繊維、玄武岩などの鉱物繊維、ボロン繊維、窒化ホウ素繊維、炭化ホウ素繊維、及び金属繊維等を挙げることができる。上記金属繊維としては、例えば、アルミニウム繊維、銅繊維、黄銅繊維、ステンレス繊維、スチール繊維を挙げることができる。上記ガラス繊維としては、Ｅガラス、Ｃガラス、Ｓガラス、Ｄガラス、Ｔガラス、石英ガラス繊維、ホウケイ酸ガラス繊維等からなるものを挙げることができる。上記有機繊維としては、例えば、ポリベンザゾール、アラミド、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズオキサゾール）、ポリフェニレンスルフィド、ポリエステル、アクリル、ポリアミド、ポリオレフィン、ポリビニルアルコール、ポリアリレート等の樹脂材料からなる繊維を挙げることができる。
　本発明においては２種類以上の強化繊維を併用してもよい。この場合、複数種の無機繊維を併用してもよく、複数種の有機繊維を併用してもよく、無機繊維と有機繊維とを併用してもよい。複数種の無機繊維を併用する態様としては、例えば、炭素繊維と金属繊維とを併用する態様、炭素繊維とガラス繊維を併用する態様等を挙げることができる。一方、複数種の有機繊維を併用する態様としては、例えば、アラミド繊維と他の有機材料からなる繊維とを併用する態様等を挙げることができる。さらに、無機繊維と有機繊維を併用する態様としては、例えば、炭素繊維とアラミド繊維とを併用する態様を挙げることができる。
　本発明に用いられる強化繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維、セラミックス繊維、ポリベンザゾール繊維およびアラミド繊維からなる群より選ばれる少なくとも１種以上であることが好ましく、なかでも炭素繊維であることが好ましい。炭素繊維を用いることにより、軽量で高い強度や剛性を確保できるため、例えば、本発明の繊維強化プラスチック成形体を自動車に適用した場合に、燃費向上や走行性能を向上できるという利点があるからである。
　上記炭素繊維としては、一般的にポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、石油・石炭ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、リグニン系炭素繊維、フェノール系炭素繊維、気相成長系炭素繊維などが知られているが、本発明においてはこれらのいずれの炭素繊維であっても好適に用いることができる。
　本発明に用いられる強化繊維は、表面にサイジング剤が付着しているものであってもよい。サイジング剤が付着している強化繊維を用いる場合、当該サイジング剤の種類は、強化繊維及び熱可塑性樹脂の種類に応じて適宜選択することができるものであり、特に限定されるものではない。
　（強化繊維の繊維長）
　本発明に用いられる強化繊維には短繊維が含まれるものである。本発明に用いられる短繊維の平均繊維長としては、強化繊維の種類や熱可塑性樹脂の種類等に応じて本発明の繊維強化プラスチック成形体に所望の強度を付与できるよう適宜決定することができるものであり、特に限定されるものではない。なかでも本発明においては、上記短繊維の平均繊維長が、１ｍｍ～１００ｍｍの範囲内であることが好ましく、５ｍｍ～７５ｍｍの範囲内であることがより好ましく、１０ｍｍ～５０ｍｍの範囲内であることが特に好ましい。短繊維の平均繊維長がこのような範囲内であることにより、より簡易に強化繊維を波状配列させることができるからである。
　本発明に用いられる強化繊維としては、少なくとも短繊維が含まれればよい。したがって、強化繊維として短繊維のみを用いてもよく、又は短繊維と長繊維とを併用してもよい。なお、長繊維とは、上記短繊維よりも平均繊維長が長いものを意味し、短繊維よりも平均繊維長が長いものであれば、不連続繊維及び連続繊維のいずれであってもよい。
　強化繊維として短繊維のみを用いる場合は、繊維長が互いに異なるものを併用してもよい。換言すると、本発明に用いられる強化繊維は、繊維長の分布において単一のピークを有するものであってもよく、あるいは複数のピークを有するものであってもよい。複数のピークを有する場合は、少なくとも一つのピーク値が上述した好ましい平均繊維長の範囲に属することが好ましい。ここで、強化繊維の平均繊維長（Ｌａ）は、例えば、繊維強化樹脂材料から無作為に抽出した１００本の強化繊維の繊維長（Ｌｉ）を、ノギス等を用いて１ｍｍ単位まで測定し、下記式に基づいて求めることができる。繊維強化樹脂材料からの強化繊維の抽出は、例えば、繊維強化樹脂材料に対し、５００℃×１時間程度の加熱処理を施し、炉内にて樹脂を除去することによって行うことができる。
　　Ｌａ＝ΣＬｉ／１００
　上記平均繊維長の測定方法は、数平均繊維長の測定方法を述べたものであるが、本発明における短繊維は、重量平均繊維長が１ｍｍ～１００ｍｍの範囲内であることが好ましく、５ｍｍ～７５ｍｍの範囲内であることがより好ましく、１０ｍｍ～５０ｍｍの範囲内であることが特に好ましい。ここで、個々の炭素繊維の繊維長をＬｉ、測定本数をｊとすると、重量平均繊維長（Ｌｗ）は、以下の式により求められる。
　Ｌｗ＝（ΣＬｉ２）／（ΣＬｉ）
　なお、後述するロータリーカッターで切断した場合など、繊維長が一定長の場合は数平均繊維長と重量平均繊維長は同じ値になる。
（強化繊維の繊維径）
　本発明に用いられる強化繊維の繊維径は、強化繊維の種類に応じて適宜決定すればよく、特に限定されるものではない。例えば、強化繊維として炭素繊維が用いられる場合、平均繊維径は、通常、３μｍ～５０μｍの範囲内であることが好ましく、４μｍ～１２μｍの範囲内であることがより好ましく、５μｍ～８μｍの範囲内であることがさらに好ましい。
一方、強化繊維としてガラス繊維を用いる場合、平均繊維径は、通常、３μｍ～３０μｍの範囲内であることが好ましい。ここで、上記平均繊維径は、強化繊維の単糸の直径を指すものとする。したがって、強化繊維が繊維束状である場合は、繊維束の径ではなく、繊維束を構成する強化繊維（単糸）の直径を指すことになる。強化繊維の平均繊維径は、例えば、ＪＩＳ　Ｒ－７６０７：２０００に記載された方法によって測定することができる。
　（強化繊維の状態）
　本発明に用いられる強化繊維は、その種類に関わらず単糸からなる単糸状であってもよく、複数の単糸からなる繊維束状であってもよい。また、本発明に用いられる強化繊維は、単糸状のもののみであってもよく、繊維束状のもののみであってもよく、両者が混在していてもよい。繊維束状の強化繊維を用いる場合、各繊維束を構成する単糸の数は、各繊維束において均一であってもよく、あるいは異なっていてもよい。本発明に用いられる強化繊維が繊維束状である場合、各繊維束を構成する単糸の数は特に限定されるものではないが、通常、１０００本～１０万本の範囲内とされる。
　一般的に、炭素繊維は、数千～数万本のフィラメントが集合した繊維束状となっている。上記強化繊維として炭素繊維を用いる場合に、炭素繊維をこの繊維束状のまま使用すると、繊維束の交絡部が局部的に厚くなり薄肉の繊維強化樹脂材料を得ることが困難になる場合がある。このため、強化繊維として炭素繊維を用いる場合は、繊維束を拡幅したり、又は開繊したりして使用するのが好ましい。
　炭素繊維束を開繊して用いる場合、開繊後の炭素繊維束の開繊程度は特に限定されるものではないが、繊維束の開繊程度を制御し、特定本数以上の炭素繊維からなる炭素繊維束と、それ未満の炭素繊維（単糸）又は炭素繊維束を含むことが好ましい。この場合、具体的には、下記式（１）で定義される臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ａ）と、それ以外の開繊された炭素繊維、すなわち単糸の状態または臨界単糸数未満で構成される繊維束とからなることが好ましい。
　　　臨界単糸数＝６００／Ｄ　（１）
　　（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
　さらに、本発明においては、繊維強化樹脂材料中の炭素繊維全量に対する炭素繊維束（Ａ）の割合が０Ｖｏｌ％超９９Ｖｏｌ％未満であることが好ましく、２０Ｖｏｌ％以上９９Ｖｏｌ未満であることがより好ましく、３０Ｖｏｌ％以上９５Ｖｏｌ％未満であることがさらに好ましく、５０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満であることが最も好ましい。このように特定本数以上の炭素繊維からなる炭素繊維束と、それ以外の開繊された炭素繊維又は炭素繊維束を特定の比率で共存させることで、繊維強化樹脂材料中の炭素繊維の存在量、すなわち繊維体積含有率（Ｖｆ）を高めることが可能となるからである。
　炭素繊維の開繊程度は、繊維束の開繊条件を調整することにより目的の範囲内とすることができる。例えば、繊維束に空気を吹き付けて繊維束を開繊する場合は、繊維束に吹き付ける空気の圧力等をコントロールすることにより開繊程度を調整することができる。この場合、空気の圧力を強くすることにより、開繊程度が高く（各繊維束を構成する単糸数が少なく）なり、空気の圧力を弱くすることより開繊程度が低く（各繊維束を構成する単糸数が多く）なる傾向がある。
　本発明において強化繊維として炭素繊維を用いる場合、炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は本発明の目的を損なわない範囲で適宜決定することができるものであり、特に限定されるものではない。
　炭素繊維の場合、上記Ｎは通常１＜Ｎ＜１２０００の範囲内とされるが、下記式（２）を満たすことがより好ましい。
　０．６×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜６×１０５／Ｄ２　（２）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
（２）熱可塑性樹脂
　本発明に用いられる熱可塑性樹脂としては、本発明の繊維強化プラスチック成形体の用途や製造方法に応じて適宜選択して用いることができるものであり、特に限定されるものではない。また、本発明に用いられる熱可塑性樹脂は、通常、軟化点が１８０℃～３５０℃の範囲内のものが用いられるが、これに限定されるものではない。
　本発明に用いられる熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、熱可塑性ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアセタール樹脂（ポリオキシメチレン樹脂）、ポリカーボネート樹脂、（メタ）アクリル樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルニトリル樹脂、フェノキシ樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリケトン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、熱可塑性ウレタン樹脂、フッ素系樹脂、熱可塑性ポリベンゾイミダゾール樹脂等を挙げることができる。
　上記ポリオレフィン樹脂としては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリブタジエン樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、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等を挙げることができる。上記ポリスチレン樹脂としては、例えば、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）等を挙げることができる。上記ポリアミド樹脂としては、例えば、ポリアミド６樹脂（ナイロン６）、ポリアミド１１樹脂（ナイロン１１）、ポリアミド１２樹脂（ナイロン１２）、ポリアミド４６樹脂（ナイロン４６）、ポリアミド６６樹脂（ナイロン６６）、ポリアミド６１０樹脂（ナイロン６１０）等を挙げることができる。上記ポリエステル樹脂としては、例えば、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、ポリトリメチレンテレフタレート樹脂、液晶ポリエステル等を挙げることができる。上記（メタ）アクリル樹脂としては、例えば、ポリメチルメタクリレートを挙げることができる。上記ポリフェニレンエーテル樹脂としては、例えば、変性ポリフェニレンエーテル等を挙げることができる。上記ポリイミド樹脂としては、例えば、熱可塑性ポリイミド、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂等を挙げることができる。上記ポリスルホン樹脂としては、例えば、変性ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂等を挙げることができる。上記ポリエーテルケトン樹脂としては、例えば、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルケトンケトン樹脂を挙げることができる。上記フッ素系樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等を挙げることができる。
　本発明に用いられる熱可塑性樹脂は１種類のみであってもよく、２種類以上であってもよい。本発明において２種類以上の熱可塑性樹脂を併用する態様としては、例えば、相互に軟化点又は融点が異なる熱可塑性樹脂を併用する態様や、相互に平均分子量が異なる熱可塑性樹脂を併用する態様等を挙げることができるが、この限りではない。
（３）繊維強化樹脂材料
　本発明に用いられる繊維強化樹脂材料中における熱可塑性樹脂の存在量は、熱可塑性樹脂の種類や強化繊維の種類等に応じて適宜決定することができるものであり、特に限定されるものではないが、通常、強化繊維１００質量部に対して３質量部～１０００質量部の範囲内とされる。
　また、上記繊維強化樹脂材料における強化繊維の体積含有率（Ｖｆ）は、繊維強化プラスチック成形体の強度を所望の程度にできる範囲内であれば特に限定されるものではなく、強化繊維の種類、強化繊維の平均繊維長等に応じて適宜決定することができる。なかでも本発明においては上記強化繊維の体積含有率（Ｖｆ）の下限は１０％以上であることが好ましく、２０％以上であることがより好ましく、３０％以上であることがさらに好ましい。一方、上記強化繊維の体積含有率の下限は７０％以下であることが好ましく、６０％以下であることがより好ましく、５０％以下であることがさらに好ましい。
　上述したように、本発明に用いられる繊維強化樹脂材料は少なくとも強化繊維と熱可塑性樹脂とを含むものであるが、本発明の目的を損なわない範囲内であれば、必要に応じて各種添加剤を含んでもよい。本発明に用いられる各種添加剤としては、本発明の繊維強化プラスチック成形体の用途等に応じて、繊維強化樹脂材料に所望の機能又は性質等を付与できるものであれば特に限定されるものではない。このような各種添加剤としては、例えば、溶融粘度低下剤、帯電防止剤、顔料、軟化剤、可塑剤、界面活性剤、導電性粒子、フィラー、カーボンブラック、カップリング剤、発泡剤、滑剤、腐食防止剤、結晶核剤、結晶化促進剤、離型剤、安定剤、紫外線吸収剤、着色剤、着色防止剤、酸化防止剤、難燃剤、難燃助剤、滴下防止剤、滑剤、蛍光増白剤、蓄光顔料、蛍光染料、流動改質剤、無機および有機の抗菌剤、防虫剤、光触媒系防汚剤、赤外線吸収剤、フォトクロミック剤等を挙げることができる。
　また、本発明に用いられる繊維強化樹脂材料には、上記各種添加剤として、繊維長が短い短繊維が含まれていてもよい。ここで用いられる短繊維とは、上述した強化繊維よりも平均繊維長（重量平均繊維長、数平均繊維長）が短いこと以外は、上述した強化繊維と同様のものを用いることができる。当該短繊維は、上述した強化繊維よりも繊維長が短いものであり、例えば、平均繊維長（重量平均繊維長、数平均繊維長）が、１ｍｍ以下のものを例示することができる。
繊維強化樹脂材料における強化繊維の目付量は、特に限定されるものではないが、通常、２５ｇ／ｍ２～１００００ｇ／ｍ２の範囲内とされる。
　３　繊維強化プラスチック成形体
　本発明の繊維強化プラスチック成形体は、単一層からなるものであってもよく、あるいは複数層に積層されることによって構成された積層構造を有するものであってもよい。本発明の繊維強化プラスチック成形体が積層構造を有する態様としては、同一の組成を有する複数の層が積層された態様であってもよく、又は互いに異なる組成を有する複数の層が積層された態様であってもよい。
　本発明の繊維強化プラスチック成形体の厚みは特に限定されるものではないが、通常、０．０１ｍｍ～１００ｍｍの範囲内が好ましく、０．０１ｍｍ～１０ｍｍの範囲内が好ましく、０．１～５ｍｍの範囲内がより好ましい。なお、本発明の繊維強化プラスチック成形体が上記積層構造を有する場合、上記厚みは各層の厚みを指すのではなく、各層の厚みを合計した繊維強化プラスチック成形体の厚みを指すものとする。
　４　繊維強化プラスチック成形体の製造方法
　本発明の繊維強化プラスチック成形体は、例えば、１．強化繊維をカットする工程、２．カットされた強化繊維を開繊させる工程、３．開繊させた強化繊維と繊維状又は粒子状の熱可塑性樹脂を混合した後、加熱圧縮してプリプレグを得る工程、４．プリプレグを成形する工程により製造することができる。上記工程１～３については、例えば、国際公開第２０１２／１０５０８０号に記載された方法を採用することができる。
　強化繊維を波状配列させる方法としては、特に限定は無く、繊維強化プラスチックの性状、成形条件、金型構造などを制御することによって波状配列を形成することができる。例えば、上記工程４おいて、特定の金型を用いて圧縮成形することによっても強化繊維を波状配列させることができる。具体的には、圧縮成形に用いる金型として、強化繊維を波状配列させるための構造または機構を持たせることにより容易に強化繊維を波状配列させることができる。金型の具体的な構造又は機構としては、例えば、強化繊維を波状配列させる位置に賦形する機構、強化繊維を波状配列させる位置にのみ金型に凹部分を設け、その凹部分が設けられた位置において強化繊維を波状配列させる方法等を挙げることができる。後者の方法の場合、金型の当該凹部分は上下型のどちらに配置してもよいが、より定常的な波状配列を得ることができるという点において上型に設けることが好ましい。
　繊維強化プラスチックの性状においては、例えば流動性を挙げることができるが一般的には流動性が高いほど強化繊維を波状配列させやすい。しかしながら、流動性の高い繊維強化プラスチックは機械強度に劣ることが多いため目的に応じた設計を必要とする。繊維強化プラスチックの成形条件としては、例えば、成形温度、加圧速度、チャージ率を挙げることが出来るが一般的には成形温度が高いほど、加圧速度が速いほど、チャージ率が高いほど強化繊維を波状配列させやすい。ただし、成形温度が高すぎると繊維強化プラスチック成形体の機械物性を損なう懸念があり、加圧速度を上げるためにはより高価な設備が必要であり、またチャージ率は成形体の形状なども考慮した上で決定する必要があるため、目的に応じた成形条件を選択する必要がある。
　本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と、実質的に同一の構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなる態様であっても本発明の技術的範囲に包含される。
　以下に実施例を示すが、本発明はこれらに制限されるものではない。
　なお、各実施例、及び各比較例における各値は、以下の方法に従って求めた。
（１）炭素繊維の平均繊維長の測定は、繊維強化プラスチック成形体を５００℃に加熱し樹脂を除去して残った炭素繊維構造物から無作為に抽出した３００本の繊維の繊維長をノギスにより１ｍｍ単位まで測定し、その平均を求めた。炭素繊維束の平均厚み、重量平均繊維幅は、上記炭素繊維構造物から無作為に抽出した３００本の繊維束の厚み、幅、重量をノギスにより１ｍｍ単位まで測定し求めた。
（２）プリプレグの繊維束分析は、国際公開第２０１２／１０５０８０号に記載の方法に準じて実施した。
［製造例１］
　炭素繊維として、平均繊維長２０ｍｍにカットした東邦テナックス社製の炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＳＴＳ４０－２４ＫＳ（平均繊維径７μｍ）を使用し、マトリックス樹脂として、ユニチカ社製のナイロン６樹脂Ａ１０３０を用いて、国際公開第２０１２／１０５０８０号に記載された方法に基づき、炭素繊維目付け１８００ｇ／ｍ２、ナイロン６樹脂目付け１５００ｇ／ｍ２であり、炭素繊維が２次元ランダム配向したマットを作成した。具体的には、炭素繊維の分繊装置には、超硬合金を用いて円盤状の刃を作成し、０．５ｍｍ間隔に配置したスリッターを用いた。カット装置には、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、刃のピッチを２０ｍｍとし、炭素繊維を繊維長２０ｍｍにカットするようにした。
　カッターを通過したストランド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、引き続き、これを開繊装置に導入した。開繊装置としては、径の異なるＳＵＳ３０４製のニップルを溶接し、二重管を製作して使用した。二重管の内側の管に小孔を設け、外側の管との間にコンプレッサーを用いて圧縮空気を送気した。この時、小孔からの風速は、１００ｍ／ｓｅｃであった。この管の下部には下方に向けて径が拡大するテーパー管を溶接した。
　上記テーパー管の側面より、マトリックス樹脂を供給した。そして、テ―パー管出口の下部に、一定方向に移動する通気性の支持体（以後、定着ネットと呼ぶ）を設置し、その下方よりブロワにて吸引を行い、その定着ネット上に、該フレキシブルな輸送配管とテーパー管を幅方向に往復運動させながら、カットした炭素繊維とナイロン樹脂の混合体を帯状に堆積させた。そして、炭素繊維の供給量を５００ｇ／ｍｉｎ、ナイロン６樹脂の供給量を５３０ｇ／ｍｉｎにセットして装置を稼動し、定着ネット上に炭素繊維とナイロン６樹脂が混合されたランダムマットを得た。このマットを、上部に凹部を有する金型を用いて２６０℃に加熱したプレス装置にて、２．０ＭＰａにて５分間加熱し、厚さ２．３ｍｍのプリプレグ（Ｉ）を得た。
　得られたプリプレグ（Ｉ）について、それに含まれる炭素繊維の解析を行ったところ、上記式（１）で定義される臨界単糸数は８６本、臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ａ）中の平均単糸数（Ｎ）は４２０本であり、臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ａ）の割合は全炭素繊維量の８５Ｖｏｌ％であった。また、炭素繊維体積含有率は４３％（質量基準の炭素繊維含有率５４％）であった。また、炭素繊維束は平均厚みが３０μｍであり、重量平均繊維幅が０．５ｍｍであった。
［製造例２］
　炭素繊維の供給量を３４０ｇ／ｍｉｎ、ナイロン６樹脂の供給量を５３０ｇ／ｍｉｎとし、炭素繊維目付け１２００ｇ／ｍ２、ナイロン６樹脂目付け１５００ｇ／ｍ２とした以外は製造例１と同様にしてプリプレグ（ＩＩ）を製造した。
　得られたプリプレグ（ＩＩ）について、それに含まれる炭素繊維の解析を行ったところ、上記式（１）で定義される臨界単糸数は８６本、臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ａ）中の平均単糸数（Ｎ）は４２０本であり、臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ａ）の割合は全炭素繊維量の８５Ｖｏｌ％であった。また、炭素繊維体積含有率は３１％（質量基準の炭素繊維含有率４２％）であった。また、炭素繊維束は平均厚みが３０μｍであり、重量平均繊維幅が０．５ｍｍであった。
［製造例３］
　強化繊維の供給量を１７０ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂の供給量を５３０ｇ／ｍｉｎとし、強化繊維目付け６００ｇ／ｍ２、ナイロン６樹脂目付け１５００ｇ／ｍ２とした以外は製造例１と同様にしてプリプレグ（ＩＩＩ）を製造した。
　得られたプリプレグ（ＩＩＩ）について、それに含まれる炭素繊維の解析を行ったところ、上記式（１）で定義される臨界単糸数は８６本、臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ａ）中の平均単糸数（Ｎ）は４２０本であり、臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ａ）の割合は全炭素繊維量の８５Ｖｏｌ％であった。また、炭素繊維体積含有率は２５％（質量基準の炭素繊維含有率３１％）であった。また、炭素繊維束は平均厚みが３０μｍであり、重量平均繊維幅が０．５ｍｍであった。
［エネルギー吸収能評価］
　各実施例および比較例で得られた各繊維強化プラスチック成形体に対して、下記条件により錘を自由落下させる打ち抜き試験を行い、エネルギー吸収能を評価した。
　試験条件は以下のとおりである。
　　試験片形状：幅６０ｍｍ×長さ６０ｍｍの強化繊維プラスチック成形体
　　試験機：ＩＭＡＴＥＣ　ＩＭ１０
　　錘形状（圧子）：ｒ＝５ｍｍ
　　錘重量：９．３ｋｇ
［実施例１］
　プリプレグ（Ｉ）を３８０ｍｍ×３８０ｍｍに切り出し、１２０℃の熱風乾燥機で４時間乾燥した後、赤外線加熱機により３００℃まで昇温した。金型として４００ｍｍ×４００ｍｍの面積であり、上型には８０ｍｍ×３７０ｍｍの凹部分を有するものを使用した。この金型を１４０℃に設定し、プリプレグ（Ｉ）を加熱後二枚重ねて同金型内に導入し、プレス圧力２０ＭＰａで１分間加圧し、繊維強化プラスチック成形体１を作製した。得られた繊維強化プラスチック成形体１は、金型の凹部分に相当する部分において、厚み方向に波状配列した強化繊維が含まれていた。また、厚みは４．５ｍｍであり、厚み方向に波状配列した強化繊維が存在している領域の厚みは３．５ｍｍであった。厚み方向に波状配列した強化繊維が存在している領域の割合は、繊維強化プラスチック成形体の厚みの７８％であった。さらに、波状配列した強化繊維の配向角度は８５°であった。この繊維強化プラスチック成形体１に対してエネルギー吸収能の測定を実施した。得られた結果は表１の通りである。
［実施例２］
　実施例１と同様の手法で、プリプレグ（Ｉ）を三枚重ねて成形することにより、厚みが５．７ｍｍであり、波状配列した強化繊維が存在する領域の厚みが４．２ｍｍであり、波状配列した強化繊維の配向角度が７５°である繊維強化プラスチック成形体２を得た。厚み方向に波状配列した強化繊維が存在している領域の割合は、繊維強化プラスチック成形体の厚みの７４％であった。この繊維強化プラスチック成形体２に対してエネルギー吸収能の測定を実施した。得られた結果は表の通りである。
［比較例１］
　実施例１と同様の手法で、波状形状とならないよう上型の凹部分が充填されるよう７５ｍｍ×３６０ｍｍの成形板を追加で重ねることにより、厚み４．５ｍｍからなる繊維強化プラスチック成形体３を得た。繊維強化プラスチック成形体３においては、波状配列した強化繊維は含まれなかった。また、この繊維強化プラスチック成形体３に対してエネルギー吸収能の測定を実施した結果、表１の通り、実施例１に対して約３０％低い結果であった。
［比較例２］
　比較例１と同様の手法で、波状形状の発生していない厚み５．７ｍｍからなる繊維強化プラスチック成形体４を得た。繊維強化プラスチック成形体４においては、波状配列した強化繊維は含まれなかった。また、この繊維強化プラスチック成形体４に対してエネルギー吸収能の測定を実施した結果、表１の通り、実施例２に対して約２５％低い結果であった。
［実施例３］
　実施例１よりプリプレグ（Ｉ）の加熱温度を２４０℃へと変更することにより、厚みが４．５ｍｍであり、波状配列した強化繊維が存在する領域の厚みが２．４ｍｍであり、波状配列した強化繊維の配向角度が５５°である繊維強化プラスチック成形体５を得た。厚み方向に波状配列した強化繊維が存在している領域の割合は、繊維強化プラスチック成形体の厚みの５３％であった。この繊維強化プラスチック成形体５に対してエネルギー吸収能の測定を実施した。得られた結果は表の通りであり、同一厚みである比較例１に対し、約２５％高い結果となった。
［実施例４］
　実施例３と同様の手法で、プリプレグ（Ｉ）を三枚重ねて成形することにより、厚みが５．７ｍｍであり、波状配列した強化繊維が存在する領域の厚みが２．７ｍｍであり、波状配列した強化繊維の配向角度が４５°である繊維強化プラスチック成形体６を得た。厚み方向に波状配列した強化繊維が存在している領域の割合は、繊維強化プラスチック成形体の厚みの４７％であった。この繊維強化プラスチック成形体６に対してエネルギー吸収能の測定を実施した。得られた結果は表の通りであり、同一厚みである比較例２に対し、約６％高い結果となった。
［実施例５］
　実施例３より金型温度を１００℃へと変更することにより、厚みが４．５ｍｍであり、波状配列した強化繊維が存在する領域の厚みが１．８ｍｍであり、波状配列した強化繊維の配向角度が４０°である繊維強化プラスチック成形体７を得た。厚み方向に波状配列した強化繊維が存在している領域の割合は、繊維強化プラスチック成形体の厚みの４０％であった。この繊維強化プラスチック成形体７に対してエネルギー吸収能の測定を実施した。得られた結果は表の通りであり、同一厚みである比較例１に対し、約１０％高い結果となった。
［実施例６］
　実施例５と同様の手法で、プリプレグ（Ｉ）を重ねずに成形することにより、厚みが３．２ｍｍであり、波状配列した強化繊維が存在する領域の厚みが０．６ｍｍであり、波状配列した強化繊維の配向角度が２５°である繊維強化プラスチック成形体８を得た。厚み方向に波状配列した強化繊維が存在している領域の割合は、繊維強化プラスチック成形体の厚みの１９％であった。この繊維強化プラスチック成形体８に対してエネルギー吸収能の測定を実施した。得られた結果は表の通りである。
［比較例３］
　比較例１と同様の手法で、波状形状の発生していない厚み３．２ｍｍからなる繊維強化プラスチック成形体９を得た。繊維強化プラスチック成形体９においては、波状配列した強化繊維は含まれなかった。また、この繊維強化プラスチック成形体９に対してエネルギー吸収能の測定を実施した結果、表１の通り、実施例６に対して約１０％低い結果であった。
［実施例７］
　実施例１より金型温度を１５０℃へと変更することにより、厚みが４．５ｍｍであり、波状配列した強化繊維が存在する領域の厚みが３．９ｍｍであり、波状配列した強化繊維の配向角度が８５°である繊維強化プラスチック成形体１０を得た。厚み方向に波状配列した強化繊維が存在している領域の割合は、繊維強化プラスチック成形体の厚みの８７％であった。この繊維強化プラスチック成形体１０に対してエネルギー吸収能の測定を実施した。得られた結果は表の通りであり、同一厚みである比較例１に対し、約３５％高い結果となった。
［実施例８］
　実施例７と同様の手法で、プリプレグ（Ｉ）を三枚重ねて成形することにより、厚みが５．７ｍｍであり、波状配列した強化繊維が存在する領域の厚みが５．２ｍｍであり、波状配列した強化繊維の配向角度が７０°である繊維強化プラスチック成形体１１を得た。厚み方向に波状配列した強化繊維が存在している領域の割合は、繊維強化プラスチック成形体の厚みの９１％であった。この繊維強化プラスチック成形体１１に対してエネルギー吸収能の測定を実施した。得られた結果は表の通りであり、同一厚みである比較例２に対し、約２０％高い結果となった。
［実施例９］
　実施例７と同様の手法で、プリプレグ（Ｉ）を重ねずに成形することにより、厚みが３．２ｍｍであり、波状配列した強化繊維が存在する領域の厚みが２．４ｍｍであり、波状配列した強化繊維の配向角度が８５°である繊維強化プラスチック成形体１２を得た。厚み方向に波状配列した強化繊維が存在している領域の割合は、繊維強化プラスチック成形体の厚みの７５％であった。この繊維強化プラスチック成形体１２に対してエネルギー吸収能の測定を実施した。得られた結果は表の通りであり、同一厚みである比較例３に対し、約４０％高い結果となった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　本発明の繊維強化プラスチック成形体は、面内方向の機械強度を損なわずに厚み方向の機械強度を向上させ、かつ成形性を損なわずに成形体を薄肉化させることができるため、例えば、自動車の構造部材等の車両部品に利用することができる。
　本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
　本出願は、２０１４年３月２０日出願の日本特許出願（特願２０１４－０５８１６５）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　１０　繊維強化プラスチック成形体
　１１　強化繊維
　１２　熱可塑性樹脂
　Ｘ　繊維強化プラスチック成形体の面内方向
　α　強化繊維の配向角度

Claims (7)

  1. 　強化繊維と熱可塑性樹脂とを含有する繊維強化樹脂材料からなる繊維強化プラスチック成形体であって、前記強化繊維として短繊維を含み、かつ厚み方向に波状配列した強化繊維を含むことを特徴とする、繊維強化プラスチック成形体。
  2. 　厚み方向の一部分においてのみ、前記強化繊維が厚み方向に波状配列していることを特徴とする、請求項１に記載の繊維強化プラスチック成形体。
  3. 　前記厚み方向に波状配列した強化繊維が、層状に存在していることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の繊維強化プラスチック成形体。
  4. 　前記厚み方向に波状配列した強化繊維が、内層のみに存在していることを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の繊維強化プラスチック成形体。
  5. 　厚み方向において、前記厚み方向に波状配列した強化繊維が存在している領域の割合が、繊維強化プラスチック成形体の厚みの５％～９５％の範囲内であることを特徴とする、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の繊維強化プラスチック成形体。
  6. 　前記厚み方向に波状配列した強化繊維の配向角度が１０°～９０°の範囲内であることを特徴とする、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の繊維強化プラスチック成形体。
  7. 　前記強化繊維が繊維束状であり、かつ平均繊維長が１ｍｍ～１００ｍｍの範囲内であることを特徴とする、請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の繊維強化プラスチック成形体。
     
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