CN104136674B - 无序毡和纤维增强复合材料成形制品 - Google Patents

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Abstract

提供一种具有各向同性和表现出优异的机械强度的纤维增强复合材料成形制品以及用作其中间材料的无序毡。该无序毡包含平均纤维长度为3至100mm的增强纤维和热塑性树脂，其中，增强纤维成型下列i)至iii)。i)增强纤维的重均纤维宽度(Ww)满足下式(1)。0.03mm<Ww<5.0mm？？？(1)ii)定义为增强纤维的重均纤维宽度(Ww)与数均纤维宽度(Wn)的比率的平均纤维宽度分布率(Ww/Wn)为1.8以上且20.0以下。iii)增强纤维的重均纤维厚度小于重均纤维宽度(Ww)。

Description

无序毡和纤维增强复合材料成形制品
技术领域
本发明涉及一种用作纤维增强复合材料成形制品的中间材料的包含热塑性树脂作为基质的无序毡，以及由其获得的纤维增强复合材料成形制品。
背景技术
作为将碳纤维、芳纶纤维或玻璃纤维等用作增强纤维的纤维增强复合材料，由于可成形性和加工便利性，已经使用各向同性的无序毡。可以通过在模具上同时喷撒切割的增强纤维体或热固性树脂的喷附法(干法)、或将切割的增强纤维预先添加到包含结合剂浆料中的造纸法(湿法)等获得该无序毡。
作为提高复合材料的机械性能的手段，增加增强纤维的体积含量比率Vf是已知的，但在其中使用切割纤维的无序毡的情况下，由于三维方向的纤维的存在、纤维的大量缠结等，难以增加增强纤维的体积含量比率。此外，在使用无序毡的情况下，由于与使用连续纤维的情况相比纤维是不连续的，所以难以充分地展现增强纤维的强度，并且形成成形制品后增强纤维的强度展现率相对于理论值变为50％以下。在非专利文献1中，示例出由将热固性树脂用作基质的碳纤维的无序毡制成的复合材料。复合材料的强度展现率相对于理论值为44％。
此外，通过使用被称作预浸坯料的中间材料、利用压热釜加热并加压2小时以上而获得现有技术中的将热固性树脂用作基质的复合材料，在所述预浸坯料中，预先将热固性树脂浸渍到增强纤维基材中。近来，已经提出了将未浸渍热固性树脂的增强纤维基材设定在模具中，然后将热固性树脂浇铸到其中的RTM方法。RTM方法取得了成型时间的大幅缩短，但即使是在使用RTM方法的情况下，一个部件的成型也需要10分钟以上。
因此，使用热塑性树脂代替热固性树脂作为基质的复合材料已经引起注意。
使用热塑性树脂作为基质的热塑性冲压成型TP-SMC(专利文献1)是这样的方法：在熔点以上的温度下加热预先浸渍了热塑性树脂的短切纤维、将加热的纤维放入模具的一部分中、立即将模具紧固、然后使纤维和树脂能够在模具中流动以获得制品形状并冷却，以成型成形制品。在该方法中，通过使用预先将树脂浸渍到其中的纤维，可以以约1分钟的短时间执行成型。该方法是使用被称为SMC或可冲压片材的成型材料的方法，在该热塑性冲压成型中，存在这样的问题：由于纤维和树脂能够在模具中流动，所以可能无法制成薄壁制品，并且由于纤维的排列混乱，所以难以控制。
此外，在专利文献2中，纤维集合体中的纤维连续地分布在1mm至15mm的纤维长度范围内，在随机混合短纤维以防止纤维局部地形成聚集-不均匀并且以获得均一的并且具有优异的各向同性的纤维集合体的同时，短纤维发生聚集。然而，在该方法中，存在短纤维还在厚度方向上定向的问题。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利No.4161409
专利文献2：日本专利申请公布No.5-9853
非专利文献
非专利文献1：CompositesPartA(复合材料A)38(2007)pp.755至770
发明内容
本发明要解决的问题
然而，在现有技术中，并未研究具有各向同性、优异的拉伸强度和高拉伸模量的纤维增强复合材料成形制品。为了解决现有技术中的许多问题，本发明的目的是提供一种具有各向同性和优异的机械强度的纤维增强复合材料成形制品和用作其中间材料的无序毡。尤其是，本发明的目的是提供一种具有高的包含在该纤维增强复合材料成形制品中的增强纤维的体积含量比率的纤维增强复合材料成形制品，以及该具有优异的拉伸模量的纤维增强复合材料成形制品。
解决问题的技术方案
本发明人发现由包含热塑性树脂和增强纤维的无序毡提供一种具有优异的机械强度、优异的各向同性、以及高机械强度、尤其是拉伸模量的纤维增强复合材料成形制品，所述增强纤维具有预定的重均纤维宽度、平均纤维宽度分布率、以及不连续的重均纤维厚度。
此外，本发明人发现在所述无序毡中，提供混合具有不同大小尺寸的增强纤维，可以防止出现增强纤维的局部聚集不均匀性，并且在仅由具有小直径的增强纤维诸如单纤维形式构成的无序毡中，通过在厚度方向上排列和纤维的缠结，可以防止毡变蓬松。此外，通过使用包含具有不同大小尺寸的增强纤维的无序毡，本发明人发现提供具有高增强纤维体积含量比率和更优异机械强度的纤维增强复合材料成形制品，以完成本发明。
即，本发明为一种无序毡、以及通过成型该无序毡获得的纤维增强复合材料成形制品，该无序毡包含平均纤维长度为3至100mm的增强纤维和热塑性树脂，其中，所述增强纤维满足以下i)至iii)。
i)增强纤维的重均纤维宽度(Ww)满足下式(1)。
0.03mm<(Ww)<5.0mm(1)
ii)定义为增强纤维的重均纤维宽度(Ww)与数均纤维宽度(Wn)的比率的平均纤维宽度分布率(Ww/Wn)为1.8以上且20.0以下。
iii)增强纤维的重均纤维厚度小于重均纤维宽度(Ww)。
本发明的效果
根据本发明，在包含热塑性树脂和增强纤维的无序毡中，所包含的增强纤维具有预定的纤维宽度分布，以增强所述增强纤维的填充性能，并且具有优异的机械强度。此外，在平面内方向上，增强纤维不在预定方向上排列，而是各向同性的。
因此，由于由本发明的无序毡获得的纤维增强复合材料成形制品具有优异的机械性能、优异的各向同性、以及高机械性能、尤其是拉伸模量，所以纤维增强复合材料成形制品可以用于例如，车辆的内板、外板和构件，各种电子产品、机械的外壳或框架等。
附图说明
图1是使用旋切机的切割步骤的实例的示意图。
图2是示出优选的旋转分离切割机的实例的正面和截面的示意图。
图3是纤维的拓宽和开纤方法的优选实例的示意图。
附图标记说明
1：增强树脂
2：压紧辊
3：橡胶辊
4：旋切机主体
5：刃
6：切割的增强纤维
7：刃的节距
8：拓宽的增强纤维
9：拓宽设备
10：纤维宽度控制辊
11：分离分条机
12：分离的增强纤维
具体实施方式
以下，将顺序地描述本发明的实施方式。在本发明的公开内容中，重量即是指质量。
本发明涉及一种包含平均纤维长度为3至100mm的增强纤维和热塑性树脂的无序毡，其中，增强纤维满足下列i)至iii)。
i)增强纤维的重均纤维宽度(Ww)满足下式(1)。
0.03mm<Ww<5.0mm(1)
ii)定义为增强纤维的重均纤维宽度(Ww)与数均纤维宽度(Wn)的比率的平均纤维宽度分布率(Ww/Wn)为1.8以上且20.0以下。
iii)增强纤维的重均纤维厚度小于重均纤维宽度(Ww)。
对于从无序毡抽出的具有足够数量(优选从100mm×100mm的无序毡抽出200至1,000根，更优选为300至1,000根，例如，300根)的增强纤维的每一个来说，包含在本发明的无序毡中的增强纤维的重均纤维宽度(Ww)可以通过下式(5)由其宽度(以下，也称为纤维宽度或Wi)和重量(以下，也称为纤维重量或wi)以及抽出的增强纤维总重量w来获得。
Ww＝Σ(Wi×wi/w)(5)
在式(5)中，i为1至从无序毡中抽出的增强纤维的数量的自然数。
对于本发明的无序毡来说，如式(1)所示，增强纤维的重均纤维宽度(Ww)为大于0.03mm且小于5.0mm，优选为大于0.03mm且小于4.0mm，优选为大于0.1mm且小于3.0mm，即，由下式(2)表示。
0.1mm<Ww<3.0mm(2)
增强纤维的重均纤维宽度(Ww)更优选为大于0.2mm且小于2.4mm，特别优选为大于0.3mm且小于2.0mm。当增强纤维的重均纤维宽度(Ww)为0.03mm以下时，可能难以控制纤维宽度分布率；而当重均纤维宽度(Ww)为5.0mm以上时，存在无序毡中的增强纤维的填充性能可能下降，以及由无序毡获得的成形制品的增强纤维的体积含量比率或机械强度可能不足的问题。
在本发明的无序毡中，对于所包含的增强纤维来说，被定义为重均纤维宽度(Ww)与数均纤维宽度(Wn)的比率的平均纤维宽度分布率(Ww/Wn)为1.8以上且20.0以下，优选为1.8以上且10.0以下。(Ww/Wn)的下限优选为大于2.0，例如，2.01以上。(Ww/Wn)优选为大于2.0且15.0以下，更优选为大于2.0且12.0以下，还更优选为大于2.0且10.0以下，特别优选为大于2.0且8.0以下，最优选为大于2.0且6.0以下。优选的是，平均纤维宽度分布率(Ww/Wn)(在本发明中，简称为分布率)为1.8以上，这是因为在增强纤维之间不易形成间隙，并且容易增加增强纤维的体积含量比率。不优选的是，(Ww/Wn)大于20.0，这是因为难以控制分布率。
此处，在以前述重均纤维宽度(Ww)的顺序从无序毡抽出足够数量(I)的增强纤维并测量每根增强纤维的纤维宽度Wi之后，利用下式(4)计算数均纤维宽度(Wn)。
Wn＝ΣWi/I(4)
在本发明的无序毡所包含的增强纤维中，重均纤维厚度小于重均纤维宽度(Ww)，重均纤维厚度优选为重均纤维宽度(Ww)的1/5以下，更优选为1/7以下，还更优选为1/10以下，进一步更优选为1/20以下，特别优选为1/50以下。当增强纤维的重均纤维厚度与重均纤维宽度(Ww)相同时，纤维不仅在平面内方向上，而且也在厚度方向上定向，结果，担心导致以下问题：由增强纤维的缠结而导致难以增加增强纤维的体积含量比率。
在本发明中，增强纤维的除纵向方向之外的两个方向的长度中的短的长度被称为“厚度”，而另一个长度被称为“宽度”。当增强纤维的纵向方向的垂直方向上的截面上的相互垂直的两个方向的尺寸彼此相同时，将任意方向称为增强纤维的宽度，而将另一个方向称为增强纤维的厚度。
本发明的无序毡中所包含的增强纤维的重均纤维厚度优选为0.01mm以上且0.30mm以下，更优选为0.02mm以上且0.20mm以下，还更优选为0.03mm以上且0.15mm以下，特别优选为0.03mm以上且0.10mm以下。在作为基质的热塑性树脂的浸渍部分中，增强纤维的重均纤维厚度优选为0.30mm以下。作为增强纤维的重均纤维厚度的下限的0.01mm以上的值不是特别严格。
同时，在操作如在重均纤维宽度(Ww)中所述的步骤并且测量所有抽出的增强纤维的纤维厚度ti和纤维重量wi以及抽出的纤维的总重量w之后，可以利用下式(7)获得增强纤维的重均纤维厚度。
T＝Σ(ti×wi/w)(7)
在本发明的无序毡的平面内，增强纤维不在特定方向上排列，而是被布置为在随机方向分散。本发明的无序毡是平面内各向同性的中间材料。在通过对本发明的无序毡进行加工而获得的成形制品中，维持无序毡中的增强纤维的各向同性。通过在由无序毡获得成形制品之后计算相互垂直的两个方向上的拉伸模量的比率，可以定量地评价无序毡和由无序毡获得的成形制品的各向同性。当在由无序毡获得的成形制品中通过以两个方向上的拉伸模量值中的较大值除以较小值而获得的比率不大于2时，将其视作各向同性。当比率不大于1.3时，将其视作各向同性优异。
如上所述，本发明的无序毡是由具有特定的重均纤维宽度、平均纤维宽度分布率和重均纤维厚度的增强纤维，以及热塑性树脂所构成的。本发明的无序毡优选地包含热塑性树脂和由增强纤维构成的增强纤维毡。本发明的增强纤维毡是不包含作为基质的热塑性树脂的、由不连续增强纤维构成的平面体(毡状物)。在本发明的增强纤维毡中，当形成毡时，增强纤维可以包括上浆剂、或少量的结合剂。此外，优选的是，增强纤维在平面内方向上在随机方向上定向，毡在平面内方向上的竖直方向和水平方向上具有大致相同的性质。
对增强纤维的种类没有特别限制，可以是单独一种或两种以上的组合。
在本发明的无序毡中，作为增强纤维毡中包含热塑性树脂的实施方式，粉末状、纤维状或块状的热塑性树脂可以包含在增强纤维毡中，作为基质的热塑性树脂可以保持增强纤维毡，或者片状或薄膜状的热塑性树脂可以包含在增强纤维毡中或层叠在增强纤维毡中。无序毡的热塑性树脂可以处于熔融状态。此外，毋庸置疑的是，当计算包含在本发明的无序毡中的增强纤维毡的重均纤维宽度(Ww)、和纤维宽度的分布率(Ww/Wn)等时，计算的数值可以被视为无序毡的数值。
可以将本发明的无序毡直接用作预成型体，以获得作为最终形式的纤维增强材料成形制品(以下，简称为成形制品)。本发明的无序毡可以在通过加热等浸渍热塑性树脂以形成预浸坯料之后再被使用，以获得作为最终形式的成形制品。本发明的无序毡包含浸渍有热塑性树脂的预浸坯料。
此处，作为最终形式的成形制品是指处于以下形式的成形制品：对通过加压并加热无序毡或其成型板而获得的制品未另外进行加热或加压(另外成型)以熔化作为基质的热塑性树脂并且改变获得的制品的形状或厚度。
因此，当通过加压并加热无序毡等获得的制品被切割以获得另一种形状、被研磨以变薄、并且被以树脂等涂布以变厚时，不执行加压和加热，结果，获得的制品是作为最终形式的成形制品。此外，作为切割或加工手段的热的使用并不对应于此处描述的加热。
此外，在成型向其供应熔融状态的热塑性树脂的无序毡的情况下，例如，当所供应的热塑性树脂在熔融状态下被成型时，可以通过仅包括加压的成型来获得成形制品。
本发明的无序毡可以作为预成型体原样用于成型，可以在形成为成型板后用于成型，也可以根据所需成型选择各种单位面积纤维重量。无序毡中的增强纤维的单位面积纤维重量优选为25至10,000g/m2，更优选为50至4,000g/m2，还更优选为600g/m2至3,000g/m2，并且还更优选为600g/m2至2,200g/m2。
在本发明的无序毡中，由曲线图等表示的增强纤维宽度分布(以下，简称为纤维宽度分布)优选地具有一个以上的峰，更优选地具有至少两个峰，在该曲线图中，所包含的增强纤维的纤维宽度为横轴，而每个纤维宽度的增强纤维的纤维重量分数为纵轴。此处，峰不限于尖锐形状，也可以为具有宽的半峰宽的山形形状或梯形形状。此外，峰可以具有对称形状或非对称形状。
当本发明的无序毡所包含的增强纤维的增强纤维宽度分布具有优选的至少两个峰时，无序毡中增强纤维之间的间隙进一步变小，由此可以增强填充性能。
当增强纤维宽度分布具有至少两个峰时，可以使用被以至少两种不同的距离分条的增强纤维来获得无序毡。
作为本发明的无序毡所包含的增强纤维的纤维宽度分布的至少两个峰，优选的是，一个峰在纤维宽度0.01mm以上且小于0.50mm的范围内，而另一个峰则在纤维宽度0.50mm以上且2.00mm以下的范围内。此外，优选的是，一个峰在纤维宽度0.10mm以上且小于1.00mm的范围内，而另一个峰则在纤维宽度1.00mm以上且5.00mm以下的范围内。此外，进一步优选具有在上述范围内的峰以及在小范围内的纤维宽度的纤维重量分数比在大范围内的纤维宽度的纤维重量分数大的的无序毡。
在纤维宽度分布具有三个以上的峰的情况下，当其中两个落入上述范围内时，剩余的峰可以在上述范围之外或可以在上述范围之内。
[增强纤维]
无序毡所包含的增强纤维是不连续的并且其特征在于包含一定程度的长增强纤维以展现增强作用。纤维长度被表示为平均纤维长度，通过测量获得的无序毡中的增强纤维的纤维长度而计算该平均纤维长度。测量平均纤维长度的方法可以包括以游标卡尺等将随机抽出的100根纤维的纤维长度测量至1mm单位来计算平均值的方法。
本发明的无序毡中所包含的增强纤维的平均纤维长度为3mm以上且100mm以下，优选为4mm以上且50mm以下，更优选为5mm以上且30mm以下，还更优选为5mm以上且20mm以下。为了增强无序毡中的增强纤维的填充性能，增强纤维的纤维长度优选地接近纤维宽度，并且平均纤维长度与重均纤维宽度(Ww)的比率优选为50/1以下，更优选为30/1以下，还更优选为10/1以下。
纤维长度的分布可以是单独一种、或者是两种以上的组合。
在下述的切割增强纤维的优选方法中，在通过以固定的长度切割增强纤维以形成无序毡的情况下，平均纤维长度变为与切割的纤维长度相同。
增强纤维优选为选自由碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维所组成的组中的至少一种纤维。作为构成无序毡的增强纤维，碳纤维是优选的，在于碳纤维能够提供具有优异强度的轻量复合材料。作为碳纤维，聚丙烯腈系碳纤维(优选，简称为PAN系碳纤维)、石油沥青系碳纤维、煤沥青系碳纤维、人造丝系碳纤维、纤维素系碳纤维、木质素系碳纤维、酚系碳纤维以及气相生长系碳纤维等是众所周知的，本发明可以适当地使用它们中的任何碳纤维。尤其是，PAN系碳纤维是优选的，其可以单独使用、或者以多种纤维组合的方式使用。本发明的无序毡中所使用的增强纤维可以仅为碳纤维，或者包括玻璃纤维或芳纶纤维以赋予耐冲击性。在碳纤维的情况下，平均纤维直径优选为1至50μm，更优选为3至12μm，还更优选为5至9μm，最优选为5至7μm。优选使用带有上浆剂的碳纤维，并且以100重量份的碳纤维计，上浆剂的量优选为大于0至10重量份。
本发明的增强纤维可以优选地处于作为单丝的开纤状态、具有多个单丝的纤维束、或单丝与纤维束的组合。
[基质树脂]
热塑性树脂是包含在本发明的无序毡中的基质树脂。热塑性树脂的种类可以包括选自下列组中的一种以上：例如，氯乙烯树脂、偏氯乙烯树脂、醋酸乙烯酯树脂、聚乙烯醇树脂、聚苯乙烯树脂、丙烯腈-苯乙烯树脂(AS树脂)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂(ABS树脂)、丙烯酸树脂、甲基丙烯酸树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树酯、聚酰胺6树脂、聚酰胺11树脂、聚酰胺12树脂、聚酰胺46树脂、聚酰胺66树脂、聚酰胺610树脂、聚缩醛树脂、聚碳酸酯树脂、聚对苯二甲酸乙二酯树脂、聚萘二甲酸乙二酯树脂、聚萘二甲酸丁二酯树脂、聚对苯二甲酸丁二酯树脂、聚芳酯树脂、聚苯醚树脂、聚苯硫醚树脂、聚砜树脂、聚醚砜树脂、聚醚醚酮树脂以及聚乳酸树脂等。在本发明中，热塑性树脂可以单独使用，多种组合使用、或作为共聚物或改性聚合物使用。
以100重量份的增强纤维计，基质树脂的含量优选为10至800重量份，更优选为20至300重量份，还更优选为20至200重量份，还更优选为30至150重量份，特别优选为50至100重量份。
此外，增强纤维与热塑性树脂之间的量的关系可以被称为由下式定义的增强纤维的体积含量比率(以下，简称为Vf。)
增强纤维的体积含量比率(Vol％)＝100×[增强纤维的体积/(增强纤维的体积+热塑性树脂的体积)]
增强纤维的体积含量比率Vf与由以100重量份增强纤维计的重量份所表示的热塑性树脂的含量通过利用增强纤维的密度和热塑性树脂的密度来转换。
此外，在不破坏本发明的目标的范围内，本发明的无序毡可以包含添加剂，例如各种纤维状或非纤维状有机纤维或无机纤维的填料、阻燃剂、抗UV剂、颜料、脱模剂、软化剂、塑化剂以及表面活性剂。
[纤维增强复合材料成形制品]
由于构成无序毡的增强纤维具有上述特性，所以本发明的无序毡具有作为高成形性的优点。由此，本发明的无序毡可以被用作用于获得纤维增强复合材料成形制品的中间材料。
即，本发明包括由无序毡获得的纤维增强复合材料成形制品的发明。
本发明纤维增强复合材料成形制品包含平均纤维长度为3至100mm的增强纤维和热塑性树脂，并且优选地，增强纤维满足下列i)至iii)。
i)增强纤维的重均纤维宽度(Ww)满足下式(1)。
0.03mm<Ww<5.0mm(1)
ii)定义为增强纤维的重均纤维宽度(Ww)与数均纤维宽度(Wn)的比率的分布率((Ww/Wn)为1.8以上且20.0以下。
iii)增强纤维的重均纤维厚度小于重均纤维宽度(Ww)。
可以通过控制单位面积纤维重量和热塑性树脂的量，在适合的范围内调整本发明的纤维增强复合材料成形制品的厚度。
对构成本发明的纤维增强复合材料成形制品的增强纤维的种类没有特别限制，并且可以优选地包括在无序毡的增强纤维中描述的实例。
对构成本发明的纤维增强复合材料成形制品的树脂的种类没有特别限制，并且可以优选地包括在无序毡的基质树脂中描述的实例。
与如上基于无序毡的热塑性树脂的含量一样，以100重量份的增强纤维计，本发明的纤维增强复合材料成形制品的热塑性树脂的含量优选为10至800重量份，更优选为20至300重量份，还更优选为20至200重量份，还更优选为30至150重量份，特别优选为50至100重量份。
对本发明的纤维增强复合材料成形制品的的形状没有特别限制。例如，其形状可以为片状和板状，可以具有弯曲部，截面可以为具有诸如字母T形、字母L形、字母U形以及草帽形的直立面的形状，并且可以为包括这些形状的3D形状。
本发明的纤维增强复合材料成形制品可以具有各种厚度，例如，0.2至100mm；但即使该纤维增强复合材料成形制品为薄壁成形制品，性能或外观也可以非常好。具体而言，作为成型板的厚度可以为0.2mm至2.0mm(更精确地，如果必需极其严格地测量，为25℃下的厚度)。纤维增强复合材料成形制品中的增强纤维的单位面积纤维重量优选为25至10,000g/m2，更优选为50至4,000g/m2，还更优选为600g/m2至3,000g/m2，并且还更优选为600g/m2至2,200g/m2。
本发明包括在中心或表层中使用至少一种本发明的纤维增强复合材料成形制品的层叠体。本发明的层叠体可以进一步包括连续的增强纤维在其中单向平行布置的单向纤维增强复合材料的至少一种，作为中心或表层。本发明的层叠体可以进一步包括除了本发明的纤维增强复合材料成形制品或单向的纤维增强复合材料之外的纤维增强复合材料成形制品(以下简称另一种纤维增强复合材料成形制品)的至少一种，作为中心或表层。本发明的层叠体可以进一步包括不包含增强纤维的树脂的至少一种，作为中心或表层。
单向纤维增强复合材料或另一种纤维增强复合材料成形制品的基质树脂、以及不包含增强纤维的树脂，可以为热固性树脂或热塑性树脂。
[制造无序毡的方法]
制造本发明的无序毡的方法为优选地包括下列步骤1至4的方法。
1.切割增强纤维的步骤(切割步骤)
2.将切割的纤维导入管中、利用空气输送该导入的增强纤维、并喷撒该增强纤维的步骤(喷撒步骤)
3.固定喷撒的增强纤维以获得增强纤维毡的步骤(固定步骤)
4.向增强纤维毡添加热塑性树脂以获得无序毡的步骤(热塑性树脂添加步骤)
<切割步骤>
将描述切割增强纤维的步骤。作为待切割的增强纤维，容易获得或使用的长纤维的单纤维被结束的形式、即所谓的线股是优选的。增强纤维的切割方法是使用诸如旋切机的刀具切割增强纤维的步骤。使用旋切机的切割步骤的实例如图1所示。对连续地切割增强纤维的刀具的角度没有特别限制，并且一般来说，刀具可以具有相对于纤维成90度或一定角度的刃或以螺旋方式布置的刃。具有螺旋刀具的旋切机的实例如图2所示。
本发明的无序毡的特征在于，如上所述，增强纤维具有特定的纤维宽度分布。即，通过在无序毡中包含具有不同纤维宽度的纤维，使增强纤维之间的间隙更小，并由此增强填充性能。对纤维宽度的分布没有特别限制，并且其峰形状可以是单一的或多个。
为了获得所期望的增强纤维的纤维宽度和分布率，可以通过下述的拓宽方法和分离方法来控制在切割步骤中供应的增强纤维的尺寸，诸如纤维宽度或纤维厚度。此外，优选地将切割的增强纤维利用压缩空气等开纤至更细的增强纤维。
此外，通过使用多种增强纤维，可以控制无序毡的平均纤维宽度或分布率，并且在切割步骤或下述的喷撒步骤中，可以优选地通过组合具有不同纤维宽度或纤维厚度的增强纤维来控制平均纤维宽度或分布率。
对纤维的拓宽方法没有特别限制，可以包括将诸如凸销等的扩展拉布机推向纤维的方法、通过在纤维的加工方向的交叉方向上穿过气流而使纤维在流动方向上拱起的方法、以及施加振动的方法等。通过使用安装在后端的用于控制纤维宽度的控制辊，可以使拓宽的增强纤维优选地变为所期望的纤维宽度。
此外，为了形成本发明的无序毡，如上所述拓宽增强纤维，然后可以将增强纤维的宽度分离为更小(参见图3)。
对纤维的分离方法没有特别限制，例如，可以包括使用分条机等以使线股变为细纤维束的方法。在使用分条机分离线股的情况下，通过控制分条间隔可以适当地获得所期望的纤维宽度。此外，通过以特定的纤维宽度使纤维穿过分离的刀状分条刃或穿过选择的梳状分条器，分条刃能够优选地控制纤维宽度。此外，通过选择增强纤维的上浆剂并分离增强纤维，可以容易地获得所需的增强纤维的平均纤维数量。
由此，通过纤维拓宽和纤维分离，可以以小的或相同的纤维宽度来控制增强纤维。因此，能够获得无序毡中所包含的增强纤维的增强作用的展现优异、提高了均质性、增强纤维毡的厚度的不均匀性小、并且机械强度优异的无序毡。
<喷撒步骤>
随后，通过将切割的增强纤维导入位于切割机的下游侧的锥形管中来执行喷撒步骤。对将增强纤维输送到锥形管中的方法没有特别限制，但优选的是，使锥形管内能够产生吸引风速，并由此可以利用空气将增强纤维输送到锥形管中。在切割步骤期间，当分别切割多种增强纤维时，增强纤维可以优选地通过在锥形管中混合它们而在锥形管中混合。
此外，在喷撒步骤中，将压缩空气直接吹向增强纤维，以适当地拓宽增强纤维宽度的分布。可以通过吹送的压缩空气的压力来控制分布的区域。
可以将输送的增强纤维优选地喷撒在安装于喷撒设备下方的透气片材上。
此外，可以将输送的增强纤维优选地喷撒在具有抽吸装置的可移动透气片材上，即使在下面的固定步骤中也是如此。
此外，在喷撒步骤期间，将纤维状或粉末状的热塑性树脂与切割的增强纤维一起同时喷撒在片材上，以适当地获得包含增强纤维和热塑性树脂的无序毡。
<固定步骤>
随后，将喷撒的增强纤维固定以获得增强纤维毡。具体而言，通过从透气片材的下部抽气来获得增强纤维毡的固定喷撒的增强纤维的方法是优选的。即使在同时喷撒增强纤维和纤维状或粉末状的热塑性树脂的情况下，纤维状或粉末状的热塑性树脂也随着增强纤维被固定。此外，固定步骤可以在喷撒步骤期间与喷撒增强纤维等的步骤连续地执行。
<热塑性树脂添加步骤>
热塑性树脂添加步骤可以与所述步骤1至3同时执行，例如，在如上所述的喷撒步骤期间，可以喷撒粉末状的热塑性树脂。当在上述步骤1至3期间不添加热塑性树脂而形成增强纤维毡时，可以通过在增强纤维毡上搭载或层叠片状或膜状热塑性树脂来获得本发明的无序毡，在此情况下，片状或膜状热塑性树脂可以处于熔融状态。
此外，在喷撒步骤期间，在通过喷撒粉末状的热塑性树脂而获得的无序毡上，也可以如上所述搭载或层叠片状、膜状、或粉末状热塑性树脂。
[纤维增强复合材料成形制品的制造]
可以对本发明的无序毡进行成型，以获得纤维增强复合材料成形制品。获得纤维增强复合材料成形制品的方法可以包括通过使用压制机(apress)等对如上所述获得的无序毡进行加热并加压来获得纤维增强复合材料成形制品的方法。对获得本发明的纤维增强复合材料成形制品的方法没有特别限制，但是可以通过真空成型，液压成型，或利用热压、冷压等成型来适当地获得成形制品。可以通过冷压成型适当地获得本发明的纤维增强复合材料成形制品，在冷压成型中，将无序毡加热至所包含的热塑性树脂的熔点以上或玻璃化转变温度以上，并插入模具中以获得形状，该模具的温度被维持在熔点以上或玻璃化转变温度以上。
在对无序毡进行成型的情况下，优选的是，在作为基质的热塑性树脂为结晶体的情况下，在熔点以上加热无序毡；或在热塑性树脂为无定形的情况下，在玻璃化转变点以上的温度下加热无序毡。更优选，加热温度是热塑性树脂的分解点以下的温度。可以将加压介质控制至作为基质的热塑性树脂的熔点以上或玻璃化转变点以上，并且控制在熔点以下或玻璃化转变点以下。此外，在成型期间，可以适当地添加热塑性树脂以根据目的获得具有不同厚度的纤维增强复合材料成形制品。对添加的热塑性树脂没有特别限制，具体实例可以是在基质树脂中描述的热塑性树脂。此外，树脂的形式可以使用熔融树脂、或纤维状、粉末状或膜状树脂。
可以将本发明的无序毡原样用作预成型体，也可以形成为成型板以形成作为最终形式的成形制品。
[实施例]
以下示出实施例，但本发明并不限于这些实施例。特别是，除非另有提及，否则增强纤维或其样品的纤维长度、纤维宽度和纤维厚度的单位为mm，而重量单位为g。此外，在下列实施例和比较例中使用的碳纤维或热塑性树脂的密度如下所示。
PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)STS40-24K：1.75g/cm3
PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)UMS40-24K：1.79g/cm3
PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)HTS40-12K：1.76g/cm3
PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)UTS50-24K：1.79g/cm3
聚丙烯：0.91g/cm3
聚酰胺6：1.14g/cm3
聚碳酸酯：1.20g/cm3
[计算无序毡中增强纤维的数均纤维宽度和重均纤维宽度的方法]
将无序毡切割至100mm×100mm，并且用镊子随机抽出300根增强纤维。测量并记录每根抽出的增强纤维的纤维宽度Wi、纤维重量wi、和纤维厚度ti。在纤维宽度和纤维厚度的测量中使用能够测量至1/100mm的游标卡尺，在重量的测量中使用能够测量至1/100mg的天平。收集无法测量的小尺寸增强纤维，以测量其重量。此外，在使用两种以上增强纤维的情况下，将增强纤维划分为每种增强纤维，测量并评价每种增强纤维。
对于所有抽出的纤维，测量纤维宽度Wi和纤维重量wi，然后利用下式(4)计算数均纤维宽度(Wn)。
Wn＝ΣWi/I(4)
I为增强纤维的数量，除了小于300的情况，该纤维数量为300。
此外，通过下式(5)由增强纤维的总质量w计算增强纤维的重均纤维宽度(Ww)。
Ww＝Σ(Wi×wi/w)(5)
此外，在增强纤维和热塑性树脂未相互分离并且由此中断测量的情况下，在通过例如在500℃下加热约1小时去除热塑性树脂之后，执行测量。
[计算增强纤维的分布率(Ww/Wn)的方法]
通过下式(6)由计算出的数均纤维宽度(Wn)和重均纤维宽度(Ww)来计算获得的增强纤维的平均纤维宽度分布率(Ww/Wn)。
平均纤维宽度分布率(Ww/Wn)＝重均纤维宽度(Ww)/数均纤维宽度(Wn)(6)
[检查无序毡中增强纤维宽度分布的峰位置的方法]
由所述计算出的纤维宽度Wi和纤维重量wi，以及增强纤维的总重量w，做出纤维宽度与纤维重量分数(％)的曲线图，鉴于获得的增强纤维宽度分布形状，检查纤维宽度分布的峰的位置。
此外，在使用两种以上增强纤维的情况下，对每种增强纤维做出曲线图，并评价每种增强纤维。
[计算无序毡中增强纤维的重均纤维厚度的方法]
对于所有抽出的纤维，在测量纤维厚度ti和纤维重量wi之后，利用下式(7)计算重均纤维厚度t。
T＝Σ(ti×wi/w)(7)
[计算纤维增强复合材料成形制品中增强纤维的数均纤维宽度和重均纤维宽度的方法]
通过在将复合材料成形制品切割为100mm×100mm的形状并且通过在烘箱内于500℃下加热约1小时去除树脂之后，通过以无序毡相同的顺序抽出纤维，以测量纤维宽度Wi、纤维重量wi等，来计算纤维增强复合材料成形制品的增强纤维的平均纤维宽度。
[计算增强纤维毡或者无序毡中平均纤维长度L的方法]
使用一对镊子从增强纤维毡或无序毡随机抽出100根增强纤维，使用游标卡尺将每个纤维长度Li测量至1mm并记录。优选的是，相对于纤维长度，抽取期间的尺寸可以在足够大的范围内。
利用下式由每个测量的纤维长度Li计算平均纤维长度L。
L＝ΣLi/100
此外，在增强纤维和热塑性树脂未相互分离并且由此中断测量的情况下，在通过在500℃下加热约1小时去除热塑性树脂之后执行测量。
[纤维增强复合材料成形制品(成型板)的热塑性树脂的浸渍程度的评价]
利用超声波探伤测试来评价纤维增强复合材料成形制品(成型板)的浸渍程度。利用超声波探伤成像设备(KJTDCo.,Ltd，SDS-WIN)在5MHz的探伤频率和2.0mm×2.0mm扫描间距下执行探伤测试，来评价浸渍程度。在该评价中，在具有90％以上的反射波强度的部分截面处执行显微镜观察，然后证实不存在缺陷或空隙。在探伤测试中，当具有高反射波强度(在示例性实施方式中为70％以上)的部分的面积比率大时，成型板的内部致密，并且成型板中热塑性树脂的浸渍程度高。另一方面，当具有低反射波强度(在示例性实施方式中为50％以下)的部位的面积比率大时，成型板的内部出现微小空隙部分，并且成型板中存在许多未浸渍部。
[拉伸测试]
使用射水机从纤维增强复合材料成形制品(成型板)切割出测试片，使用由InstronCorporation制造的通用测试机参考JISK7164测量拉伸强度和拉伸模量。将测试片的形状设定为1B系B型测试片。卡盘间的距离为115mm，测试速度为10mm/min。此外，分别在成形制品的任意方向(0°方向)和该任意方向的垂直方向(90°方向)上切割测试片，然后在两个方向上测量拉伸强度和拉伸模量。此外，关于拉伸模量，计算以较大值除以较小值所获得的比率Eδ。
[实施例1]
作为增强纤维，将由TOHOTENAXCo.,Ltd.制造的PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)STS40-24K线股(纤维直径：7μm，纤维宽度：10mm，拉伸强度：4,000MPa)拓宽至具有22mm的宽度。在利用分离设备加工拓宽的纤维之前，将拓宽的纤维通过内部宽度为20mm的辊，将纤维宽度精确地控制为20mm的宽度。使用由硬质合金制成的盘状分离刃将宽度为20mm的拓宽的增强纤维线股以1.2mm的间隔在10m/sec的线速度下分条，以及以0.3mm的间隔在30m/sec的线速度下分条，以供应至两组切割设备。利用由硬质合金制成的旋切机作为切割设备，来切割以两种纤维宽度分条的增强纤维线股，在该旋切机中，以12mm的间隔形成两个刃，使得纤维长度为12mm。从旋切机的出口侧连接的一个锥形管布置在两台旋切机下方。将压缩空气供应至锥形管，以5m/sec的吸引风速将每种增强纤维导入并输送至锥形管，将两种增强纤维在锥形管内混合。将以500μm的粒径粉碎并分级的聚丙烯(J-106G，由PrimePolymerCo.,Ltd.制造)作为基质树脂，从锥形管的一侧供应。接下来，在将可移动的传送网安装在锥形管的出口的下方以通过网下方的吹风机执行抽吸的同时，从锥形管供应增强纤维，以获得单位面积纤维重量为1,270g/m2的无序毡。当观察无序毡中的增强纤维的形式时，增强纤维的纤维轴几乎平行于无序毡的平面，并且纤维无序地分散在平面内。
获得的无序毡的增强纤维的平均纤维长度为12mm，重均纤维厚度为0.06mm。构成无序毡的增强纤维的重均纤维宽度(Ww)为0.51mm，数均纤维宽度(Wn)为0.25mm，分布率(Ww/Wn)为2.01。此外，利用曲线图表示纤维宽度和纤维重量分数，当检查纤维宽度分布的峰位置时，证实峰位于纤维宽度的0.29mm和1.18mm处。
利用在220℃加热的压制设备在4MPa下对获得的无序毡加热10分钟，以获得厚度为1.6mm的成型板。当在获得的成型板处执行超声波探伤测试时，观察到反射波强度为70％以上的部分占80％以上。
获得的成型板的增强纤维的体积含量比率为45Vol％，作为基于JIS7164评价拉伸特性的结果，拉伸强度为490MPa，拉伸模量为36GPa。此外，0°方向与90°方向上的拉伸模量的比率为1.04。
[实施例2]
作为增强纤维，将由TOHOTENAXCo.,Ltd.制造的PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)UMS40-24K线股(纤维直径：4.8μm，纤维宽度：10mm，拉伸强度：4,600MPa)拓宽至具有16mm的宽度。在利用分离设备加工拓宽的纤维之前，将拓宽的纤维通过内部宽度为15mm的辊，将纤维宽度精确地控制为15mm的宽度。使用由硬质合金制成的盘状分离刃将宽度为15mm的拓宽的增强纤维线股以0.8mm的间隔在35m/sec的线速度下分条，以及以0.2mm的间隔在15m/sec的线速度下分条，以供应至两组切割设备。使用由硬质合金制成的旋切机作为切割设备，来切割增强纤维，在该旋切机中，以6mm的间隔形成两个刃，使得纤维长度为6mm。
在使用旋切机切割以0.8mm的间隔分条的增强纤维后，通过向布置在旋切机正下方的锥形管供应压缩空气，以5m/sec的吸引风速将增强纤维导入锥形管中。
将以0.2mm的间隔分条的增强纤维供应至切割设备，然后输送至喷撒设备的具有小孔的管中，使用压缩机将压缩空气供应至小孔，以对增强纤维进行开纤。在此情况下，小孔的喷射速度为80m/sec。随后，将开纤的增强纤维导入锥形管，在锥形管中与以0.8mm的间隔分条的增强纤维混合。接下来，在可移动的传送网安装在锥形管的出口的下方以通过网下方的吹风机执行抽吸的同时，从锥形管供应增强纤维，以获得单位面积纤维重量为1,410g/m2的无序毡。当观察增强纤维无序毡中的增强纤维的形式时，增强纤维的纤维轴几乎平行于无序毡的平面，并且纤维无序地分散在平面内。
随后，将熔融的基质树脂供应至毡。即，使用聚酰胺6(A1030，由UnitikaLimited制造)作为基质树脂并熔融，从安装在传送网上侧5cm处的宽度为1m的T-模以与线速度相同的速度挤出厚度为1.2mm的膜状熔融树脂体，将熔融树脂供应至整个毡。在此情况下，利用红外加热器加热增强纤维毡上供应有树脂的部分，以防止树脂冷却并凝固。
此外，在增强纤维的供应量为1,410g/min且基质树脂的供应量为1,370g/min的条件下操作设备，并且在固定网上形成由增强纤维和热塑性树脂构成的无序毡。随后，通过在280℃的设定温度下利用一对加热辊加热并加压，获得树脂均匀地浸渍到其中的无序毡。
获得的无序毡的增强纤维的平均纤维长度为6mm，重均纤维厚度为0.07mm。构成无序毡的增强纤维的重均纤维宽度(Ww)为0.52mm，数均纤维宽度(Wn)为0.12mm，分布率(Ww/Wn)为4.31。此外，利用曲线图表示纤维宽度和纤维重量分数，当检查纤维宽度分布的峰位置时，证实峰位于纤维宽度的0.08mm和0.79mm处。
利用在260℃下加热的压制设备在4MPa下对获得的无序毡加热10分钟，以获得厚度为2.0mm的成型板。当在获得的成型板处执行超声波探伤测试时，观察到反射波强度为70％以上的部分占80％以上。
获得的成型板的增强纤维的体积含量比率为40Vol％，作为基于JIS7164评价拉伸特性的结果，拉伸强度为500MPa，拉伸模量为51GPa。此外，0°方向与90°方向上的拉伸模量的比率为1.03。
[实施例3]
作为增强纤维，将由TOHOTENAXCo.,Ltd.制造的PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)HTS40-12K线股(纤维直径：7.0μm，纤维宽度：8mm，拉伸强度：4,200MPa)拓宽至具有16mm的宽度。在利用分离设备加工拓宽的增强纤维之前，将拓宽的纤维通过内部宽度为15mm的辊，将纤维宽度精确地控制为15mm的宽度。使用由硬质合金制成的盘状分离刃将宽度为15mm的拓宽的增强纤维线股以5.0mm的间隔在20m/sec的线速度下分条，以及以0.5mm的间隔在20m/sec的线速度下分条，以供应至两组切割设备。使用由硬质合金制成的旋切机作为切割设备，来切割增强纤维，在该旋切机中，以30mm的间隔来设置刃，以具有30mm的纤维长度。利用旋切机分别切割具有两种纤维宽度的增强纤维。从旋切机的出口侧连接的锥形管布置在旋切机下方。将压缩空气供应至锥形管，以5m/sec的吸引风速将每种增强纤维导入并输送至锥形管，将两种增强纤维在锥形管内混合。将以500μm的粒径粉碎并分级的聚碳酸酯(“Panlite”(注册商标)L-1225Y，由TeijinChemicalsLtd.制造)作为基质树脂，从锥形管的一侧供应。接下来，在将可移动的传送网安装在锥形管的出口的下方以通过网下方的吹风机执行抽吸的同时，从锥形管供应增强纤维，以获得单位面积纤维重量为2,900g/m2的无序毡。当观察无序毡中的增强纤维的形式时，增强纤维的纤维轴几乎平行于无序毡的平面，并且纤维无序地分散在平面内。
获得的无序毡的增强纤维的平均纤维长度为30mm，重均纤维厚度为0.05mm。构成无序毡的增强纤维的重均纤维宽度(Ww)为2.77mm，数均纤维宽度(Wn)为0.73mm，分布率(Ww/Wn)为3.82。此外，利用曲线图表示纤维宽度和纤维重量分数，当检查纤维宽度分布的峰位置时，证实峰位于纤维宽度的0.48mm和5.00mm处。
利用在300℃下加热的压制设备在4MPa下对获得的无序毡加热10分钟，以获得厚度为3.0mm的成型板。当在获得的成型板处执行超声波探伤测试时，观察到反射波强度为70％以上的部分占80％以上。
获得的成型板的增强纤维的体积含量比率为55Vol％，作为基于JIS7164评价拉伸特性的结果，拉伸强度为600MPa，拉伸模量为44GPa。此外，0°方向与90°方向上的拉伸模量的比率为1.07。
[比较例1]
作为增强纤维，将由TOHOTENAXCo.,Ltd.制造的PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)HTS40-12K线股(纤维直径：7.0μm，纤维宽度：8mm，拉伸强度：4,200MPa)拓宽至具有16mm的宽度。在利用分离设备加工拓宽的增强纤维之前，将拓宽的纤维通过内部宽度为15mm的辊，将纤维宽度精确地控制为15mm的宽度。使用由硬质合金制成的盘状分离刃，以3.2mm的间隔对增强纤维线股进行分条。使用以30mm的间隔设置刃的旋切机作为切割设备，将分条的增强纤维线股切割至具有30mm的纤维长度。锥形管布置在旋切机的正下方。通过将压缩空气供应至锥形管，以5m/sec的吸引风速将切割的增强纤维导入并输送至锥形管。将以500μm的粒径粉碎并分级的聚碳酸酯(“Panlite”(注册商标)L-1225Y，由TeijinChemicalsLtd.制造)作为基质树脂，从锥形管的一侧供应。接下来，在将可移动的传送网安装在锥形管的出口的下方以通过网下方的吹风机执行抽吸的同时，从锥形管供应增强纤维，以获得单位面积纤维重量为2,900g/m2的无序毡。当观察无序毡中的增强纤维的形式时，增强纤维的纤维轴几乎平行于无序毡的平面，并且纤维无序地分散在平面内。
获得的无序毡的增强纤维的平均纤维长度为30mm，重均纤维厚度为0.05mm。构成无序毡的增强纤维的重均纤维宽度(Ww)为3.04mm，数均纤维宽度(Wn)为2.32mm，分布率(Ww/Wn)为1.31。此外，利用曲线图表示纤维宽度和纤维重量分数，当检查纤维宽度分布的峰位置时，证实一个单峰位于纤维宽度的3.18mm处。
利用在300℃下加热的压制设备在4MPa下对获得的无序毡加热10分钟，以获得厚度为3.2mm的成型板。当在获得的成型板处执行超声波探伤测试时，观察到反射波强度为70％以上的部分占58％以上，并且在成型板中检查到未浸渍部分。
获得的成型板的增强纤维的体积含量比率为52Vol％，作为基于JIS7164评价拉伸特性的结果，拉伸强度为440MPa，拉伸模量为41GPa。此外，0°方向与90°方向上的拉伸模量的比率为1.16。
[实施例4]
作为增强纤维，将由TOHOTENAXCo.,Ltd.制造的PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)UTS50-24K线股(纤维直径：6.9μm，纤维宽度：10mm，拉伸强度：5,000MPa)拓宽至具有22mm的宽度。在利用分离设备加工拓宽的纤维之前，将拓宽的纤维通过内部宽度为20mm的辊，将纤维宽度精确地控制为20mm的宽度。使用由硬质合金制成的盘状分离刃将宽度为20mm的拓宽的增强纤维线股以3.6mm的间隔在35m/sec的线速度下分条，以及以0.3mm的间隔在15m/sec的线速度下分条，以供应至两组切割设备。使用由硬质合金制成的旋切机作为切割设备，来切割增强纤维，在该旋切机中，分别以20mm和4mm的间隔来设置刃，以具有20mm和4mm的纤维长度。
在使用旋切机将以3.6mm的间隔分条的增强纤维切割至20mm后，通过向布置在旋切机正下方的锥形管供应压缩空气，以5m/sec的吸引风速将增强纤维导入锥形管中。
将以0.3mm的间隔分条的增强纤维切割至4mm，然后输送至喷撒设备的具有小孔的管中，使用压缩机将压缩空气供应至小孔，以对增强纤维进行开纤。在此情况下，小孔的喷射速度为80m/sec。随后，将以0.3mm的间隔分条的增强纤维导入锥形管，在锥形管中与以3.6mm的间隔分条的增强纤维混合。此外，将以500μm的粒径粉碎并分级的聚酰胺6(“A1030”，由UnitikaLimited制造)作为基质树脂，从锥形管的一侧供应，将可移动的传送网安装在锥形管的出口的下方，通过利用网下方的吹风机执行抽吸，从锥形管供应碳纤维，以获得单位面积纤维重量为2,900g/m2的无序毡。当观察无序毡中的增强纤维的形状时，增强纤维的纤维轴几乎平行于无序毡的平面，并且纤维无序地分散在平面内。
获得的无序毡的增强纤维的平均纤维长度为15.2mm，重均纤维厚度为0.05mm。构成无序毡的增强纤维的重均纤维宽度(Ww)为2.54mm，数均纤维宽度(Wn)为0.38mm，分布率(Ww/Wn)为6.68。此外，利用曲线图表示纤维宽度和纤维重量分数，当检查纤维宽度分布的峰位置时，证实峰位于纤维宽度的0.15mm和3.57mm处。利用在260℃下加热的压制设备在4MPa下对获得的无序毡加热10分钟，以获得厚度为3.0mm的成型板。当在获得的成型板处执行超声波探伤测试时，观察到反射波强度为70％以上的部分占80％以上。
获得的成型板的增强纤维的体积含量比率为55Vol％，作为基于JIS7164评价拉伸特性的结果，拉伸强度为620MPa，拉伸模量为45GPa。此外，0°方向与90°方向上的拉伸模量的比率为1.06。
[实施例5]
作为增强纤维，将由TOHOTENAXCo.,Ltd.制造的PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)STS40-24K线股(纤维直径：7.0μm，纤维宽度：10mm，拉伸强度：4,000MPa)拓宽至具有20mm的宽度。在利用分离设备加工拓宽的增强纤维之前，将拓宽的纤维通过内部宽度为18mm的辊，将纤维宽度精确地控制具有为18mm的宽度。使用由硬质合金制成的盘状分离刃将宽度为18mm的拓宽的增强纤维线股分别以5.8mm的间隔在30m/sec的线速度下分条，以及以0.3mm的间隔在20m/sec的线速度下分条，以供应至两组切割设备。使用由硬质合金制成的旋切机作为切割设备，来切割增强纤维，在该旋切机中，以20mm的间隔设置两个刃，以具有20mm的纤维长度。
在使用旋切机切割以5.8mm的间隔分条的增强纤维后，通过向布置在旋切机正下方的锥形管供应压缩空气，以5m/sec的吸引风速将增强纤维导入锥形管中。
将以0.3mm的间隔分条的增强纤维切割，然后输送至喷撒设备的具有小孔的管中，使用压缩机将压缩空气供应至小孔，以对增强纤维进行开纤。在此情况下，小孔的喷射速度为80m/sec。随后，将以0.3mm的间隔分条的开纤增强纤维导入锥形管，在锥形管中与以5.8mm的间隔分条的增强纤维混合。此外，将以500μm的粒径粉碎并分级的聚酰胺6(“A1030”，由UnitikaLimited制造)作为基质树脂，从锥形管的一侧供应，将可移动的传送网安装在锥形管的出口的下方，通过利用网下方的吹风机执行抽吸，从锥形管供应增强纤维，以获得单位面积纤维重量为2,900g/m2的无序毡。当观察无序毡中的增强纤维的形式时，增强纤维的纤维轴几乎平行于无序毡的平面，并且纤维无序地分散在平面内。
获得的无序毡的增强纤维的平均纤维长度为20mm，重均纤维厚度为0.06mm。构成无序毡的增强纤维的重均纤维宽度(Ww)为3.55mm，数均纤维宽度(Wn)为0.37mm，分布率(Ww/Wn)为9.69。此外，利用曲线图表示纤维宽度和纤维重量分数，当检查纤维宽度分布的峰位置时，证实峰位于纤维宽度的0.02mm和5.78mm处。利用在260℃下加热的压制设备在4MPa下对获得的无序毡加热10分钟，以获得厚度为3.0mm的成型板。当在获得的成型板处执行超声波探伤测试时，观察到反射波强度为70％以上的部分占80％以上。
获得的成型板的增强纤维的体积含量比率为55Vol％，作为基于JIS7164评价拉伸特性的结果，拉伸强度为500MPa，拉伸模量为44GPa。此外，0°方向与90°方向上的拉伸模量的比率为1.12。
[比较例2]
作为增强纤维，使用旋切机切割由TOHOTENAXCo.,Ltd.制造的PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)HTS40-12K线股(纤维直径：7.0μm，纤维宽度：8mm，拉伸强度：4,200MPa)，以具有6mm的纤维长度。
将切割的增强纤维供应至分散罐中，把将要分散在分散液中的9g增强纤维在15L水中搅拌3分钟。在分散罐中搅拌3分钟后，将获得的增强纤维的浆液供应至300mm×300mm的矩形造纸设备，通过去除分散液以获得单位面积增强纤维重量为100g/m2的造纸基材。获得的造纸基材在100℃的温度下加热并干燥1小时。
构成获得的造纸基材的增强纤维的重均纤维厚度为0.01mm，重均纤维宽度(Ww)为0.01mm，分布率(Ww/Wn)为1.0，并且增强纤维完全分散为单纤维。
交替层叠造纸基材和聚丙烯膜(J-106G，由PrimePolymerCo.,Ltd.制造)，以具有2,600g/m2的单位面积增强纤维(碳纤维)重量和1,270g/m2的单位面积树脂(聚丙烯)重量，在220℃的设定温度下利用一对加热辊加热并加压。随后，利用在220℃加热的压制设备在10MPa下对造纸基材和聚丙烯膜加热10分钟，以获得厚度为约30mm的非浸渍板。板在各层之间脱落，因为树脂未充分浸渍到以评价机械强度的程度。
在获得的成型板中，增强纤维的平均纤维长度为2.1mm。即，增强纤维的平均纤维长度减小了制备造纸基材之前的切割期间的增强纤维的平均纤维长度的1/3。这是因为增强纤维在造纸和压制成型期间被破坏了。
[比较例3]
作为增强纤维，使用由TOHOTENAXCo.,Ltd.制造的PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)HTS40-12K线股(纤维直径：7.0μm，纤维宽度：8mm，拉伸强度：4,200MPa)。作为增强纤维线股，使用盘状分离刃将增强纤维分别以1.0mm的间隔在35m/sec的线速度下分条，和不分条但以65m/sec的线速度通过，以供应至两组切割设备。使用由硬质合金制成的旋切机作为切割设备，来切割增强纤维，在该旋切机中，以30mm的间隔设置两个刃，以具有30mm的纤维长度。
将以1.0mm的间隔分条的增强纤维切割，然后输送至喷撒设备的具有小孔的管中，使用压缩机将压缩空气供应至小孔，以对增强纤维进行开纤。在此情况下，小孔的喷射速度为50m/sec。
将未分条的增强纤维切割，然后以5m/sec吸引风速导入布置在切割机正下方的锥形管。随后，将每种增强纤维都导入锥形管，两种增强纤维在锥形管中混合。此外，将以500μm的粒径粉碎并分级的聚碳酸脂(“Panlite”(注册商标)L-1225Y，由TeijinChemicalsLtd.制造)作为基质树脂，从锥形管的这侧供应，将可移动的传送网安装在锥形管的出口的下方，通过利用网下方的吹风机执行抽吸，从锥形管供应碳纤维，以获得单位面积纤维重量为2,900g/m2的无序毡。当观察无序毡中的增强纤维的形式时，增强纤维的纤维轴几乎平行于无序毡的平面，并且纤维无序地分散在平面内。
获得的无序毡的增强纤维的平均纤维长度为30mm，重均纤维厚度为0.07mm。构成无序毡的增强纤维的重均纤维宽度(Ww)为5.17mm，数均纤维宽度(Wn)为1.94mm，分布率(Ww/Wn)为2.67。此外，利用曲线图表示纤维宽度和纤维重量分数，当检查纤维宽度分布的峰位置时，证实峰位于纤维宽度的0.92mm和8.00mm处。利用在300℃下加热的压制设备在4MPa下对获得的无序毡加热10分钟，以获得厚度为3.2mm的成型板。当在获得的成型板处执行超声波探伤测试时，观察到反射波强度为70％以上的部分占43％以上，并且在成型板中检查到许多未浸渍部分。
获得的成型板的增强纤维的体积含量比率为51Vol％，作为基于JIS7164评价拉伸特性的结果，拉伸强度为370MPa，拉伸模量为32GPa。此外，0°方向与90°方向上的拉伸模量的比率为1.23。
工业应用性
因此，由于由本发明获得的无序毡和纤维增强复合材料成形制品具有优异的机械强度、优异的各向同性、以及高拉伸模量，所以无序毡和纤维增强复合材料成形制品除了各种电子产品或机械的框架、外壳等，还可用于各种构件，例如，车辆的内板、外板和构件。
尽管已经参考详细具体的实施方式描述了本发明，但对本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的主旨和范围的情况下，可以进行各种改进和修改。
本发明基于2012年8月1日提交的日本专利申请No.2012-171142，其全部内容通过参考并入此处。

Claims (13)

1.一种无序毡，该无序毡包含：
增强纤维，该增强纤维的平均纤维长度为3至100mm；以及
热塑性树脂，
其中，所述增强纤维满足下列i)至iii)：
i)所述增强纤维的重均纤维宽度(Ww)满足下式(1)：
0.03mm<Ww<5.0mm(1)；
ii)定义为所述增强纤维的所述重均纤维宽度(Ww)与数均纤维宽度(Wn)的比率的平均纤维宽度分布率(Ww/Wn)为1.8以上且20.0以下；并且
iii)所述增强纤维的重均纤维厚度小于所述重均纤维宽度(Ww)。
2.根据权利要求1所述的无序毡，
其中，所述增强纤维为选自由碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维组成的组中的至少一种纤维。
3.根据权利要求1所述的无序毡，
其中，所述增强纤维的所述重均纤维宽度(Ww)满足下式(2)：
0.1mm<Ww<3.0mm(2)。
4.根据权利要求1所述的无序毡，
其中，所述无序毡中包含的所述增强纤维的纤维宽度分布具有至少两个峰。
5.根据权利要求4所述的无序毡，
其中，所述无序毡中包含的所述增强纤维的所述纤维宽度分布具有至少两个峰，
一个峰位于所述纤维宽度的0.01mm以上且小于0.50mm的范围内，并且
另一个峰位于所述纤维宽度的0.50mm以上且2.00mm以下的范围内。
6.根据权利要求4所述的无序毡，
其中，所述无序毡中包含的所述增强纤维的所述纤维宽度分布具有至少两个峰，
一个峰位于所述纤维宽度的0.10mm以上且小于1.00mm的范围内，并且
另一个峰位于所述纤维宽度的1.00mm以上且5.00mm以下的范围内。
7.根据权利要求1所述的无序毡，
其中，所述增强纤维的所述平均纤维宽度分布率(Ww/Wn)为大于2.0且10.0以下。
8.根据权利要求1所述的无序毡，
其中，所述增强纤维的所述重均纤维厚度为0.01mm以上且0.30mm以下。
9.根据权利要求1所述的无序毡，
其中，单位面积增强纤维重量为25至10,000g/m2。
10.根据权利要求1所述的无序毡，
其中，以100重量份的所述增强纤维计，所述热塑性树脂的含量为10至800重量份。
11.一种纤维增强复合材料成形制品，该纤维增强复合材料成形制品由根据权利要求1至10任意一项所述的无序毡获得。
12.根据权利要求11所述的纤维增强复合材料成形制品，
其中，所述纤维增强复合材料成形制品包含平均纤维长度为3至100mm的增强纤维和热塑性树脂，
所述增强纤维满足下列i)至iii)：
i)所述增强纤维的重均纤维宽度(Ww)满足下式(1)：
0.03mm<Ww<5.0mm(1)；
ii)定义为所述增强纤维的所述重均纤维宽度(Ww)与数均纤维宽度(Wn)的比率的分布率(Ww/Wn)为1.8以上且20.0以下；并且
iii)所述增强纤维的重均纤维厚度小于所述重均纤维宽度(Ww)。
13.根据权利要求11所述的纤维增强复合材料成形制品，
其中，所述纤维增强复合材料成形制品的厚度为0.2至100mm。
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