CN107614579A - 带状预浸料及纤维强化成形体 - Google Patents

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Abstract

本发明的一个方面是带状预浸料，其包括：多个纤维，沿一个方向取向；以及粘结剂，含浸于所述多个纤维；其中，所述带状预浸料的平均厚度为50μm以上且150μm以下，所述多个纤维的含有率为30体积%以上且60体积%以下，根据与所述多个纤维的取向方向垂直的方向的剖面图像，从纵横分别n等分而成的各区域的纤维面积率a求得的变异系数Cv(n)的分形维数D为0.4以上且1.5以下，所述n为2以上的整数，而且根据对所述多个纤维的取向方向的剖面图像进行傅里叶变换而得到的功率谱图像的近似椭圆，以下述式(1)来表示的取向度P为0.8以上且小于1.0，取向度P=1‑(近似椭圆的短轴/长轴) (1)。

Description

带状预浸料及纤维强化成形体
技术领域
本发明涉及带状预浸料及纤维强化成形体。
背景技术
具备沿一个方向取向的多个纤维及含浸于该多个纤维中的粘结剂的带状预浸料被用作制造纤维强化成形体的中间材料。该带状预浸料通过层叠冲压法或长丝缠绕法等而能够成形纤维强化成形体。对于用于制造这样的纤维强化成形体的带状预浸料，不仅要求其能够形成具有优异的机械特性及质量均匀性的纤维强化成形体，而且还要求其在制造纤维强化成形体时具有优异的加工性。
作为提高带状预浸料的加工性的方法，例如有通过减小平均厚度来提高柔软性的方法。此外，作为提高由带状预浸料形成的纤维强化成形体的机械特性及质量均匀性的方法，例如有提高多个纤维的含有量的方法以及提高多个纤维的分散度及取向度的方法等。
然而，若减小带状预浸料的平均厚度，则多个纤维的含有量也会随之下降。此外，为了增加多个纤维的含有量而使多个纤维的含有率增加时，因粘结剂含浸时的纤维的凝聚或成形时与模具的摩擦等而产生的起毛等，而容易导致多个纤维的分散度及取向度下降。这样，由于对带状预浸料进行减小平均厚度的同时，对该带状预浸料进行增加多个纤维的分散度、取向度及含有率为困难，因此，仅对它们进行调整是难以全部满足上述的要求的。
作了满足上述的要求而被研发出的其它的带状预浸料，例如被提出了如下的带状预浸料：在使热塑性树脂含浸于强化纤维薄片而成的带状预浸料中，使其剖面形状实质上为平行四边形，而且使其上下表面实质上为平面(参照专利文献1)。
另外，还被提出了具有如下特征的带状预浸料：在使强化纤维含浸于热塑性树脂中而获得的带状预浸料中，将强化纤维单丝的拉伸弹性模量、强化纤维单丝的剖面面积、带状预浸料中的强化纤维单丝的数量、以及带状成形材料的平均厚度和空隙率设定在指定的范围(参照专利文献2)。
此外，还被提出了碳纤维强化聚碳酸脂系的带状预浸料，该碳纤维强化聚碳酸脂系的带状预浸料由250℃的熔融粘度为1至100Pa·s的聚碳酸脂树脂和沿一个方向被并丝的碳纤维所形成(参照专利文献3)。
然而，即使是上述的以往的带状预浸料也难以满足以下的要求：加工性优异，而且能够形成满足机械特性及质量均匀性的所有要求的纤维强化成形体。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开公报特开2000-355629号
专利文献2：日本专利公开公报特开平6-143273号
专利文献3：日本专利公开公报特开2014-91825号。
发明内容
本发明鉴于上述的情况而作，其目的在于提供一种如下的带状预浸料：能够形成机械特性及质量均匀性优异的纤维强化成形体，而且加工性优异。
本发明的一个方面涉及带状预浸料，其包括：多个纤维，沿一个方向取向；以及粘结剂，含浸于所述多个纤维；其中，所述带状预浸料的平均厚度为50μm以上且150μm以下，所述多个纤维的含有率为30体积%以上且60体积%以下，根据与所述多个纤维的取向方向垂直的方向的剖面图像，从纵横分别n等分而成的各区域的纤维面积率a求得的变异系数Cv(n)的分形维数D为0.4以上且1.5以下，所述n为2以上的整数，而且根据对所述多个纤维的取向方向的剖面图像进行傅里叶变换而得到的功率谱图像的近似椭圆，以下述式(1)来表示的取向度P为0.8以上且小于1.0，取向度P=1-(近似椭圆的短轴/长轴) (1)。
本发明的上述目的、特征以及其它的目的、特征及优点通过附图及以下的详细记载将变得更为明了。
附图说明
图1是表示本发明的一实施方式所涉及的带状预浸料的模式俯视图。
图2是沿图1的X1-X1线的模式剖面放大图。
图3A是用于说明多个纤维的分散度的计算方法的模式图。
图3B是用于说明多个纤维的分散度的计算方法的模式图。
图3C是用于说明多个纤维的分散度的计算方法的模式图。
图4A是用于计算带状预浸料的取向度P的剖面图像的一个例子。
图4B是对图4A的剖面图像进行了二值化处理后的图像。
图4C是对图4B的图像进行傅里叶变换而获得的二维功率谱图像。
图4D是表示根据图4C的二维功率谱图像而描绘出的近似椭圆的图像。
图5A是实施例1的带状预浸料的算术平均粗糙度(Ra)的测定数据。
图5B是比较例1的带状预浸料的算术平均粗糙度(Ra)的测定数据。
图6A是实施例1的带状预浸料的剖面图像。
图6B是比较例1的带状预浸料的剖面图像。
图7A是实施例1的带状预浸料的平面照片。
图7B是比较例1的带状预浸料的平面照片。
具体实施方式
以下，适当地参照附图来说明本发明的实施方式。
〈第一实施方式〉
[带状预浸料]
图1及图2所示的带状预浸料1包括沿一个方向取向的多个纤维2和含浸于该多个纤维2的粘结剂3。该带状预浸料1在不损害本发明的效果的范围内还可以进一步包括其它的任意成分。
所述带状预浸料1的平均厚度为50μm以上且150μm以下，上述多个纤维的含有率为30体积%以上且60体积%以下，根据与上述多个纤维的取向方向垂直的方向的剖面图像，从纵横分别n等分而成的各区域的纤维面积率a求得的变异系数Cv(n)的分形维数D为0.4以上且1.5以下，所述n为2以上的整数，而且根据对上述多个纤维的取向方向的剖面图像进行傅里叶变换而得到的功率谱图像的近似椭圆，以下述式(1)来表示的取向度P为0.8以上且小于1.0。
取向度P=1-(近似椭圆的短轴/长轴)　　　　　(1)
所述带状预浸料由于平均厚度在上述范围，薄度适中，因而既能够保持多个纤维的含有量又能够具有优异的加工性。此外，所述带状预浸料由于多个纤维的含有率在上述范围，因而既能够保持后述的多个纤维的分散度及取向度又能够增加多个纤维的含有量。而且，所述带状预浸料根据剖面图像算出的分形维数D在上述范围而且比较高。此处，上述分形维数D的数值越大表示多个纤维的分散性更为优异，亦即表示多个纤维更均匀地分布在粘结剂中。因此，所述带状预浸料的机械特性及质量均匀性优异。而且，所述带状预浸料由于多个纤维的取向度在上述范围而且比较高。所述取向度的数值越大表示多个纤维的取向性更为优异，亦即表示多个纤维的取向方向的同一性高。因此，从这一点来看，所述带状预浸料的机械特性及质量均匀性优异。即，所述带状预浸料由于平均厚度、多个纤维的含有率、分散度及取向度在上述范围，因而其加工性、以及纤维强化成形体的机械特性及质量均匀性均优异且取得良好的平衡。
此处，所谓“粘结剂”包含使纤维分散的基质状的粘结剂。所谓“平均厚度”是指按照日本工业规格JIS-K7130：1999“塑料薄膜及薄片的厚度测定方法”进行测定时所得的值。所谓“纤维的取向方向”是指利用显微镜观察带状预浸料的一侧的表面的正方形区域(例如500μm×500μm)时，上述区域中所含的纤维的相对于带状预浸料的长边方向的平均取向角度所示的方向。所谓“与纤维的取向方向垂直的方向的剖面图像”是指将纤维的取向方向设为法线方向的剖面图像。所谓“纤维的取向方向的剖面图像”是指从与纤维的取向方向正交的方向拍摄所得的剖面图像。即，“纤维的取向方向的剖面图像”例如可举出与带状预浸料的主面平行的剖面图像等。“剖面图像”包含通过CT等而获得的切片图像。
所述带状预浸料1的平均厚度的下限为50μm，优选为55μm，更优选为62μm。另一方面，所述带状预浸料1的平均厚度的上限为150μm，优选为130μm，更优选为90μm，进一步优选为70μm。若所述带状预浸料1的平均厚度小于上述下限，则有可能在加工等时容易发生断裂。相反地，若所述带状预浸料1的平均厚度超过上述上限，则有可能因柔软性不足而导致加工性下降。
此处，“平均厚度”的厚度是指所述带状预浸料1的厚度方向的长度。例如可举出所述厚度为所述带状预浸料1的与多个纤维2的取向方向及宽度方向垂直的方向的长度等。
所述带状预浸料1的平均宽度没有特别的限定，可以根据用途而作适当的变更。所述带状预浸料1的平均宽度的下限，例如为1cm。另一方面，所述带状预浸料1的平均宽度的上限，例如为50cm。
此处，“平均宽度”是指在任意的十处所测定的宽度的平均值。宽度是指所述带状预浸料1的宽度方向的长度。例如可举出所述宽度为所述带状预浸料1的与多个纤维2的取向方向及厚度方向垂直的方向的长度等，更具体而言，可举出所述宽度是所述带状预浸料1的与多个纤维2的取向方向垂直的方向的长度中的最长的长度等。
所述带状预浸料1的算术平均粗糙度(Ra)的下限，优选为2μm，更优选为3.5μm，进一步优选为4μm。另一方面，上述算术平均粗糙度(Ra)的上限，优选为8μm，更优选为6μm，进一步优选为4.5μm。若上述算术平均粗糙度(Ra)小于上述下限，则在进行层叠冲压或长丝缠绕时空气难以从叠层之间泄出，有可能导致加工性下降。此外，因纤维强化成形体中产生气泡而会导致其机械特性下降、外观恶化等。另一方面，若上述算术平均粗糙度(Ra)超过上述上限，则在进行层叠冲压或长丝缠绕时容易在叠层之间产生间隙，有可能导致加工性下降。此外，有可能因纤维强化成形体中产生气泡而导致其机械特性下降、外观恶化等。而且，在制造及保存之际，将所述带状预浸料1卷绕于卷筒等时有可能导致该卷绕物不必要地过大。此处，算术平均粗糙度(Ra)是指所述带状预浸料1的表面的算术平均粗糙度，亦即是所述带状预浸料1的与多个纤维2的取向方向垂直的方向的表面的算术平均粗糙度，例如可举出所述带状预浸料1的主表面的算术平均粗糙度等。
此处，“算术平均粗糙度(Ra)”是指作为测定方法而按日本工业规格JIS-B0651：2001“产品的几何特性规格(GPS)-表面特性：轮廓曲线方式-触针式表面粗糙度测定仪的特性”，将评价长度设为2.5mm将截止值设为0.8mm来算出的表面粗糙度的算术平均值。
(纤维)
多个纤维2沿一个方向取向，以提高纤维强化成形体的机械特性。多个纤维2的取向方向与所述带状预浸料1的长边方向相同便可。作为多个纤维2，例如可举出以玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、金属纤维、陶瓷纤维、天然食物纤维等作为其主成分的例子。作为多个纤维2，优选为以玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、金属纤维及这些纤维的组合作为其主成分。
作为上述碳纤维，例如可举出聚丙烯腈(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、木质素系碳纤维等。
作为上述有机纤维，可举出：由例如聚苯并噻唑、聚苯并恶唑等含杂环聚合物形成的纤维；芳纶纤维；聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维等。
作为上述金属纤维的主成分，例如可举出铜、铁、不锈钢、铝、镍、银、及它们的合金等。
多个纤维2也可以是实施了表面处理后的纤维。作为上述表面处理，例如可举出偶联处理、氧化处理、臭氧处理、等离子体处理、电晕处理、喷砂处理等。
多个纤维2的分散度的下限为0.4，优选为0.5，更优选为0.6，进一步优选为0.75。另一方面，多个纤维2的分散度的上限为1.5，优选为1.3或1.0，更优选为0.85。若多个纤维2的分散度小于上述下限，则有可能导致纤维强化成形体的机械特性及质量均匀性变得不足。相反地，若多个纤维2的分散度超过上述上限，则有可能导致在成本的增加与纤维强化成形体的机械特性及质量均匀性的提高之间的平衡恶化。
此处，多个纤维2的分散度是指按如下的步骤而被算出的值。有关该步骤，参照以模式图表示的图3A至图3C进行说明。首先，沿着与多个纤维2的取向方向垂直的方向切断所述带状预浸料1，通过显微镜(例如奥林巴斯株式会社的光学显微镜“BX51”)拍摄剖面图像(图3A)。该剖面图像有必要时可以利用图像处理软件(例如株式会社HULINKS的“SigmaScanPro”)进行二值化处理，以使多个纤维2成为白色，粘结剂3成为黑色。其次，将上述剖面图像的正方形区域(例如四边各为75μm的图3A的区域Z)纵横各分为n(n为2以上的整数)等分(图3B中，n=7)，在n2个的各区域中测定多个纤维2的面积率a。以标准偏差σa除该各区域的面积率a的平均值aAVG来算出变异系数Cv(n)。其次，在X轴上取1/n且在Y轴上取变异系数Cv(n)来绘出双对数图，通过最小二乘法来求出近似直线的斜率(图3C)。上述斜率乘以-1所得的值亦即分形维数D被设为多个纤维2的分散度。上述图中的绘出点的下限例如为5。另一方面，上述图中的绘出点的上限例如为10。此外，n的下限例如为5。另一方面，n的上限例如为100。
多个纤维2的取向度P的下限为0.8，优选为0.85，更优选为0.9。另一方面，多个纤维2的取向度P为小于1.0。多个纤维2的取向度P的上限优选为0.99，更优选为0.96，进一步优选为0.95。若多个纤维2的取向度P小于上述下限，则有可能导致纤维强化成形体的机械特性及质量均匀性不足。相反地，若多个纤维2的取向度P超过上述上限，则有可能导致在成本的增加与纤维强化成形体的机械特性及质量均匀性的提高之间的平衡恶化。
此处，多个纤维2的取向度P是指按如下的步骤而被算出的值。有关该步骤，参照图4A至图4D进行说明。首先，通过使用作为X射线透视装置(例如株式会社岛津制作所的“SMX-1000Plus”)的X射线CT(计算机断层拍摄)等来拍摄所述带状预浸料1的多个纤维2的取向方向的剖面图像(切片图像)(图4A)。作为拍摄方法，优选采用从与所述带状预浸料1的面方向(planar direction)正交的方向进行拍摄的方法。此外，该剖面图像有必要时可以通过图像处理来进行二值化处理，以使密度低的部分成为白色，密度高的部分成为黑色(图4B)。其次，通过对上述剖面图像的正方形区域(例如四边各为1.0mm)进行傅里叶变换来获得二维功率谱图像(图4C)。通过该功率谱图像获得平均振幅的角度分布图，并描绘其近似椭圆(图4D)，测定该近似椭圆的长轴(图4D的d1)以及短轴(图4D的d2)，由下式(1)来算出取向度P。
取向度P=1-(近似椭圆的短轴/长轴) (1)
此外，作为取向度P，优选采用利用多个(例如3个)剖面图像进行测定而获得的值的平均值。作为上述多个剖面图像，优选采用相对于所述带状预浸料1的一侧的表面的距离分别不同的图像。作为上述距离，优选采用规定值(例如相对于带状预浸料的一侧的表面的距离分别为平均厚度的5％、50％及95％)。
多个纤维2的平均纤维长度没有特别的限定，可以根据用途而作适当的变更。但是，多个纤维2的平均纤维长度以能够获得的多个纤维2的一个卷筒上的纤维连续长度为上限。此外，所述带状预浸料1的平均长度与多个纤维2的平均纤维长度大致相同。
多个纤维2的平均纤度没有特别的限定，可以根据市售而能够获得的多个纤维的纤度或带状预浸料的平均厚度及平均宽度而作适当的变更。多个纤维2为碳纤维时的具体的平均纤度例如为800g/1,000m以上且3,200g/1,000m以下。此外，多个纤维2为玻璃纤维时的具体的平均纤度例如为1,000g/1,000m以上且5,000g/m以下，更具体而言为1,200g/1,000m、2,400g/1,000m、4,800g/1,000m等。此处，“平均纤度”是指按照日本工业规格JIS-L1013：2010“化学纤维纤丝测试方法”中所记载的B法(简便法)进行测定所得的正量纤度的平均值。此外，1g/1,000m相当于1tex。
多个纤维2的含有率的下限为30体积%，优选为35体积%，更优选为40体积%。另一方面，多个纤维2的含有率的上限为60体积%，优选为55体积%，更优选为50体积%。若多个纤维2的含有率小于上述下限，则有可能导致纤维强化成形体的机械特性下降。相反地，若多个纤维2的含有率超过上述上限，则有可能导致多个纤维2的分散度及取向度的在上述范围内的调整变得困难。
此处，“多个纤维的含有率”是指以密度除以按日本工业规格JIS-K7075：1991“碳纤维强化塑料的纤维含有率及空洞率测试方法”所测定的多个纤维的质量含有率而被算出的体积含有率。
(粘结剂)
粘结剂3含浸于多个纤维2中，粘结多个纤维2。粘结剂3可以作为使多个纤维2分散的基质发挥作用。粘结剂3通常以热塑性树脂作为主成分，在不损害本发明的效果的范围内，其可以含有其它的任意成分。作为上述其它的任意成分例如可举出热固性树脂、以及其硬化剂等。
此处，“主成分”是指含有量为最多的成分，例如含有量为50质量%以上的成分。
作为热塑性树脂例如可举出：高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、线性低密度聚乙烯等聚乙烯；尼龙6、尼龙66等聚酰胺；聚丙烯；丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)；聚缩醛；聚碳酸脂；聚对苯二甲酸乙二醇酯；聚对苯二甲酸丁二醇酯；聚醚酰亚胺；聚苯乙烯；聚醚砜；聚苯硫醚；聚芳醚酮；聚醚醚酮等。热塑性树脂优选为聚丙烯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚缩醛、聚碳酸脂、以及这些树脂的组合。
粘结剂3中的热塑性树脂的含有量的下限，优选为60质量%，更优选为75质量%，进一步优选为90质量%，特别优选为99质量%。若热塑性树脂的含有量小于上述下限，则有可能导致所述带状预浸料1的加工性下降。
作为热固性树脂，例如可举出不饱和聚酯、乙烯基酯树脂、环氧树脂、苯并恶嗪树脂、酚醛树脂、尿素树脂、密胺树脂及聚酰亚胺等。此外，这些热固性树脂是未形成基于通常硬化处理的三维架桥结构的、未硬化的热固性树脂。此外，在粘结剂3含有热固性树脂的情况下，优选进一步含有与该热固性树脂对应的硬化剂。
粘结剂3的含有率的下限，优选为40体积%，更优选为45体积%，进一步优选为50体积%。另一方面，粘结剂3的含有率的上限，优选为70体积%，更优选为65体积%，进一步优选为60体积%。若粘结剂3的含有率小于上述下限，则有可能导致所述带状预浸料1的制造困难。相反地，若粘结剂3的含有率超过上述上限，则有可能导致多个纤维2的含有量不足。
作为所述带状预浸料1可含的任意成分，例如可举出：二氧化硅、氧化铝、氢氧化镁、氢氧化铝、硼酸锌、氧化锑等无机填料；丙烯酸橡胶微粒、硅粉、尼龙粉末等有机填料等。
[带状预浸料的制造方法]
作为所述带状预浸料1的制造方法，可举出包括例如以下工序的方法(拉拔法)等：使熔融的粘结剂3含浸于多个纤维2的工序(含浸工序)；让含浸有粘结剂3的多个纤维2通过喷嘴的工序(喷嘴通过工序)；以及，冷却通过喷嘴后的多个纤维2的工序(冷却工序)。所述带状预浸料1的制造方法较为理想的是还包括让纤维束开纤的工序(开纤工序)。
(开纤工序)
上述开纤工序对纤维束进行开纤。被开纤后的纤维束在后述的含浸工序作为多个纤维2而被利用。作为使纤维束开纤的方法，例如可举出使开纤滚轮的转动面与纤维束接触的方法等，其中，开纤滚轮是以中心为轴进行转动的剖面圆形的开纤滚轮，纤维束基于马达的卷取等而在被赋予张力的情况下移动。在上述方法中，纤维束基于与开纤滚轮的转动面的接触而被开纤为多个纤维2。此外，也可以取代上述的开纤滚轮而使用不以中心为轴转动的剖面圆形的引导杆。
纤维束是将图1及图2所示的多个纤维2束扎而成的纤维束。纤维束所含的纤维数可以根据纤维束的种类等而作适当的变更。在纤维束为碳纤维的纤维束的情况下，纤维束所含的纤维数例如为10,000条以上且50,0000条以下，具体而言例如为12,000条(12k)、24,000条(24k)、48,000条(48k)等。此外，所述带状预浸料1的制造方法中，可以仅使用一束的纤维束，也可以使用二束以上的纤维束。
上述开纤工序也可以事先对纤维束进行预热。由此，可以软化纤维束上所附着的上胶剂，其结果，能够提高开纤工序及后述的含浸工序的效率。上胶剂是指为了集合多个纤维2以便容易进行处理而附着于纤维束的上胶剂。对纤维束进行预热的方法没有特别的限定，可举出使用以往公知的预热机等而预热的方法等。上述预热温度的下限例如为80℃。另一方面，上述预热温度的上限例如为200℃。
纤维束所接触的上述开纤滚轮及引导杆的共计数的下限，优选为3，更优选为4。另一方面，上述开纤滚轮及引导杆的共计数的上限，优选为8，更优选为6。若上述开纤滚轮及引导杆的共计数小于上述下限，则有可能使纤维束的开纤变得不足，多个纤维2偏向于所述带状预浸料1的宽度方向中央而导致分散度及取向度下降。相反地，若上述开纤滚轮及引导杆的共计数超过上述上限，则有可能使纤维束过度开纤，在成形时多个纤维2偏向于所述带状预浸料1的宽度方向两端而导致分散度及取向度下降。此外，还有可能因施加于纤维束的张力的增加而导致纤维束断裂等。
施加于纤维束的张力的下限例如为250g。另一方面，施加于纤维束的张力的上限例如为350g。若施加于纤维束的张力小于上述下限，则有可能导致所述带状预浸料1的多个纤维2的分散度及取向度下降。相反地，若施加于纤维束的张力超过上述上限，则有可能导致纤维束断裂等。
施加于纤维束的张力较为理想的是保持为大致恒定值。作为使施加于纤维束的张力保持为大致恒定值的方法，例如可举出通过浮动滚筒来调整施加于纤维束的张力的方法等。通过使施加于纤维束的张力保持为大致恒定值，能够提高所述带状预浸料1的分散度及取向度。
纤维束的移动速度的下限，例如为2.5m/分钟。另一方面，纤维束的移动速度的上限，例如为5.0m/分钟。若纤维束的移动速度小于上述下限，则有可能导致所述带状预浸料1的生产率下降。相反地，若纤维束的移动速度超过上述上限，则有可能导致所述带状预浸料1的多个纤维2的分散度及取向度下降。
(含浸工序)
上述含浸工序使多个纤维2含浸于熔融的粘结剂3。作为多个纤维2，例如可举出使纤维束开纤后的多个纤维等。作为使多个纤维2含浸于熔融的粘结剂3中的方法，例如可举出以下的方法：基于马达的卷取等而使多个纤维2在被赋予张力的情况下移动，使之在熔融的粘结剂3的存积容器内通过。由此，熔融的粘结剂3被含浸在多个纤维2之间。上述含浸工序与上述开纤工序可以同时进行。即，在熔融的粘结剂3的存积容器内设置上述开纤滚轮及引导杆，在进行开纤的情况下可以使纤维束含浸于熔融的粘结剂3中。
熔融的粘结剂3的存积容器内的温度的下限，例如为200℃。另一方面，熔融的粘结剂3的存积容器内的温度的上限，例如为300℃。
熔融的粘结剂3的MFR(熔体流动速率)的下限，优选为25g/10分钟，更优选为50g/10分钟。另一方面，熔融的粘结剂3的MFR的上限，优选为150g/10分钟，更优选为120g/10分钟。若熔融的粘结剂3的MFR小于上述下限，则有可能导致后述的喷嘴通过工序变得困难。另一方面，若熔融的粘结剂3的MFR超过上述上限，则有可能导致粘结剂3在后述的喷嘴通过工序中的成形变得困难。此处，“熔融的粘结剂3的MFR”是指按照日本工业规格JIS-K7210-1：2014“塑料-热塑性塑料的熔体质量流率(MFR)以及熔体体积流动速率(MVR)的求取方法-第一部：标准的测试方法”进行测定所得的值。
(喷嘴通过工序)
上述喷嘴通过工序使含浸有粘结剂3的多个纤维2通过喷嘴。作为使含浸有粘结剂3的多个纤维2通过喷嘴的方法，可举出以下的方法等：基于由马达进行的卷取等，使含浸有粘结剂3的多个纤维2在被施加张力的情况下移动，并通过喷嘴。上述移动速度以及被施加的张力通常与开纤工序的相同。多个纤维2与含浸于该多个纤维2中的粘结剂3在上述喷嘴通过工序中被成形为带状。上述喷嘴的温度的下限，例如为200℃。另一方面，上述喷嘴的温度的上限，例如为300℃。
上述喷嘴的开口优选为矩形狭缝。上述矩形狭缝的长边方向的平均长度可以设为与上述的所述带状预浸料1的平均宽度大致相同。此外，上述矩形狭缝的短边方向的平均长度可以设为与上述的所述带状预浸料1的平均厚度大致相同。通过调整上述矩形狭缝的长边方向及短边方向的平均长度，能够调整所述带状预浸料1的平均宽度及平均厚度。
(冷却工序)
上述冷却工序冷却通过喷嘴后的多个纤维2。上述冷却工序的目的在于：在开纤后的多个纤维2凝聚之前使粘结剂3急速冷却而使之固化。通过上述冷却工序，来完成所述带状预浸料1。作为冷却通过喷嘴后的多个纤维2的方法，例如可举出使表面被冷却后的冷却滚轮与通过喷嘴后的多个纤维2接触的方法等，该多个纤维2基于被马达卷取等而在被施加有张力的情况下移动。上述移动速度以及被施加的张力通常与开纤工序的相同。作为冷却上述冷却滚轮的表面的方法，例如可举出供应冷却水的方法等。
上述冷却工序从防止所述带状预浸料1的翘曲等的观点出发较为理想的是利用两个冷却滚轮，一方的冷却滚轮与通过喷嘴后的纤维束的一侧表面接触，另一方的冷却滚轮与通过喷嘴后的纤维束的相反一侧表面接触。此外，上述冷却工序也可以采用3个以上的冷却滚轮。此外，上述冷却工序也可以通过水冷或气冷在上述冷却滚轮的下游进一步冷却通过喷嘴后的纤维束。
上述冷却滚轮的表面温度的下限，例如为15℃。另一方面，上述冷却滚轮的表面温度的上限，例如为30℃。
含浸有粘结剂3的多个纤维2在刚通过喷嘴后其表面比较滑溜，但是，随着时间的经过和熔融的粘结剂3的流动等，其表面逐渐变得粗糙。为此，通过对通过喷嘴后的多个纤维2至接触冷却滚轮为止的时间、冷却滚轮的表面温度、冷却滚轮的数量、以及通过喷嘴后的多个纤维2与冷却滚轮的接触面积进行调整，能够将所述带状预浸料1的算术平均表面粗糙度(Ra)调整到所希望的范围。
通过上述的喷嘴后的多个纤维2至接触冷却滚轮为止的时间可以利用喷嘴的远端与含浸有粘结剂3的多个纤维接触冷却滚轮的位置之间的距离(以下将该距离还称作“喷嘴的远端与冷却滚轮之间的距离”)来进行调整。上述距离的下限，优选为5mm，更优选为8mm。另一方面，上述距离的上限，优选为20mm，更优选为12mm。若上述距离小于上述下限或超过上述上限，则有可能导致难以将所述带状预浸料1的算术平均表面粗糙度(Ra)调整到所希望的范围。
[优点]
所述带状预浸料1由于平均厚度适度地薄，多个纤维2的含有率适度地多，而且多个纤维2的分散度及取向度适度地高，因此，其的加工性、以及纤维强化成形体的机械特性及质量均匀性均优异且取得良好的平衡。
〈第二实施方式〉
[纤维强化成形体]
所述纤维强化成形体包括所述带状预浸料1。所述纤维强化成形体可以是由一个所述带状预浸料1形成的纤维强化成形体，也可以是包含多个所述带状预浸料1的纤维强化成形体。作为所述纤维强化成形体，例如可举出使多个所述带状预浸料1层叠而成的层叠体。即，所述纤维强化成形体是将所述带状预浸料1组合而成的纤维强化成形体。所述纤维强化成形体的形状没有特别的限定，例如可举出板状、筒状等。板状的所述纤维强化成形体能够良好地用于例如汽车、飞机等的外板等。此外，筒状的所述纤维强化成形体能够良好地用于例如：高尔夫球棍的杆、钓竿等体育用品；箱、配管等结构体的加强件等。
[板状的纤维强化成形体的制造方法]
作为板状的所述纤维强化成形体的制造方法，例如可举出包括以下工序的方法(层叠冲压法)等：将所述带状预浸料1切断为所希望的尺寸的工序(切断工序)；使所切断的所述带状预浸料1彼此层叠来形成层叠体的工序(层叠体形成工序)；对上述层叠体进行加热加压的工序(加热加压工序)。
(切断工序)
上述切断工序将所述带状预浸料1切断为所希望的尺寸。作为将所述带状预浸料1切断为所希望的尺寸的方法，例如可举出使用刀具、剪具等沿着与多个纤维2的取向方向垂直的方向及或平行的方向进行切断的方法等。
(层叠体形成工序)
上述层叠体形成工序通过将所切断的所述带状预浸料1彼此层叠来形成层叠体。作为形成该层叠体的方法，例如可举出将所切断的所述带状预浸料1依次层叠在基材的上侧的方法等。上述层叠体的层数的下限，例如为4。另一方面，上述层叠体的层数的上限，例如为100。此外，上述层叠体也可以为：其至少一部分的层是所述带状预浸料1以外的别的层。作为上述的别的层，例如可举出以金属、树脂等作为主成分的层等。
上述层叠体形成工序中，以所述带状预浸料1的多个纤维2的取向方向为准各向同性(quasi-isotropic)的方式进行层叠便可。即，当设某一层的多个纤维2的取向方向为0°时，以与该层相邻地被层叠的层的多个纤维2的取向方向为倾斜180°/m(m为全层数)的方式进行层叠便可。这样，通过使所述带状预浸料1的多个纤维2的取向方向成为准各向同性的方式进行层叠，便能够对该纤维强化成形体中的多个纤维2的取向方向赋予准各向同性，能够提高针对来自所有方向的负荷的强度。
(加热加压工序)
上述加热加压工序对上述层叠体进行加热加压。通过进行加热加压，从而使构成上述层叠体的各预浸料所含的粘结剂熔融，使层叠后的预浸料被复合化。作为对上述层叠体进行加热加压的方法没有特别的限定，例如可举出冲压成形法、高压釜成形法、袋模成形法、带缠绕成形法、内压成形法等以往公知的方法等。上述加热温度，例如为150℃以上且250℃以下。此外，上述加压压力，例如为3MPa以上且8MPa以下。上述加热加压的时间，例如为1分钟以上且15分钟以下。
[筒状的纤维强化成形体的制造方法]
作为筒状的所述纤维强化成形体的制造方法，例如可举出包括以下工序的方法(长丝缠绕法)等：将所述带状预浸料1卷绕在支撑体上的工序(卷绕工序)；对所卷绕的所述带状预浸料1进行加热加压的工序(加热加压工序)。上述加热加压工序与板状的所述纤维强化成形体的制造方法相同，因此省略其说明。
(卷绕工序)
上述卷绕工序将所述带状预浸料1卷绕在支撑体上。作为在支撑体上卷绕所述带状预浸料1的方法，例如可举出螺旋绕、并绕等方法。作为上述支撑体没有特别的限定，例如可举出以金属、树脂等作为主成分的圆柱状或筒状的支撑体等。
筒状的所述纤维强化成形体的制造方法中，在加热加压工序后，可以使所述纤维强化成形体从上述支撑体中分离。此外，在上述支撑体为如箱、配管等结构体的情况下，也可以不从上述支撑体中分离所述纤维强化成形体，而将所述纤维强化成形体用作提高针对上述结构体的内压的强度的加强件。
<优点>
所述纤维强化成形体通过将所述带状预浸料1层叠而被制成，因而机械特性及质量均匀性优异。
[其它的实施方式]
上述实施方式并不限定本发明的技术方案。因此，上述实施方式是可以根据本说明书的记载及技术常识而对上述实施方式的各部分的结构单元进行省略、置换或追加的，所有这些都应该被解释为属于本发明的范围。
所述带状预浸料也可以在一侧的表面上层叠粘接剂层等别的层。此外，在多个纤维的主成分为如碳纤维、金属纤维等具有导电性的纤维的情况下，所述带状预浸料在多个纤维的取向方向上具有导电性，但是由于其在其它的方向上不具有导电性，因此，其可以用于各向异性导电层的形成。
如上所述，本说明书公开了各种各样的实施方式的技术，以下，对其中的主要技术进行总结。
本发明的一个方面涉及带状预浸料，所述带状预浸料包括：多个纤维，沿一个方向取向；以及粘结剂，含浸于所述多个纤维；其中，所述带状预浸料的平均厚度为50μm以上且150μm以下，所述多个纤维的含有率为30体积%以上且60体积%以下，根据与所述多个纤维的取向方向垂直的方向的剖面图像，从纵横分别n等分而成的各区域的纤维面积率a求得的变异系数Cv(n)的分形维数D为0.4以上且1.5以下，所述n为2以上的整数，而且根据对所述多个纤维的取向方向的剖面图像进行傅里叶变换而得到的功率谱图像的近似椭圆，以下述式(1)来表示的取向度P为0.8以上且小于1.0，取向度P=1-(近似椭圆的短轴/长轴) (1)。
所述带状预浸料的加工性、以及纤维强化成形体的机械特性及质量均匀性均优异且取得良好的平衡。
上述带状预浸料中，较为理想的是所述多个纤维以玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、金属纤维或这些纤维的组合作为主成分。
这些纤维在柔软性和强度之间的平衡上优异。因此，通过使上述多个纤维以玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、金属纤维或这些纤维的组合作为主成分，能够进一步提高加工性，而且能够更容易提高多个纤维的分散度及取向度，因而能够进一步提高纤维强化成形体的机械特性及质量均匀性。
所述带状预浸料中，较为理想的是所述粘结剂的主成分为热塑性树脂。
由于热塑性树脂通过加热便能够容易熔融和成形，因此，上述粘结剂以上述的热塑性树脂作为主成分的方案能够进一步提高加工性。
所述带状预浸料中，较为理想的是所述带状预浸料的算术平均粗糙度Ra为2μm以上且8μm以下。
据此，由于所述带状预浸料的所述算术平均粗糙度(Ra)被设定在所述范围，因而在进行层叠冲压或长丝缠绕时空气容易从层间泄出，因此能够进一步提高加工性。此外，由于能够抑制纤维强化成形体的气泡的发生，因此，能够进一步提高机械特性及质量均匀性。
此外，本发明的另一个方面涉及纤维强化成形体，所述纤维强化成形体包括上述的带状预浸料。
由于所述纤维强化成形体通过将所述带状预浸料层叠而被制成，因此，其机械特性及质量均匀性优异。
根据本发明，所述带状预浸料能够形成机械特性及质量均匀性优异的纤维强化成形体，而且加工性优异。此外，所述纤维强化成形体的机械特性及质量均匀性优异。
实施例
以下，通过实施例来更具体地说明本发明，但是，本发明并不限定于此。
首先，将本实施例中所使用的多个纤维(纤维束)和用作粘结剂的树脂表示在下面。
碳纤维(CF)：东丽株式会社的东丽卡丝“T-700SC”(12k)
玻璃纤维(GF)：日东纺织株式会社的直接无捻粗纱“RS240 QR483”(2,400tex)
聚丙烯(PP)：将普瑞曼聚合物株式会社的“Prime Polypro”(MFR=30g/10分钟)、与作为纤维/树脂界面粘接剂的三洋化成工业株式会社的无水马来酸变性聚丙烯“YOUMEX1010”以质量比(mass ratio)为95：5干混合而成。
<带状预浸料的制造>
在以下的条件下实施拉拔法，对所使用的纤维束的种类及数量、喷嘴的矩形狭缝的尺寸(短边方向的尺寸)、以及喷嘴的远端与冷却滚轮之间的距离进行调整，从而制造了表1所示的实施例1至5及比较例1至4的带状预浸料。
喷嘴的矩形狭缝的尺寸：长边方向为15mm，短边方向为60μm以上且180μm以下
纤维预热温度/树脂含浸槽温度/喷嘴温度：180℃/250℃/250℃
冷却滚轮温度：20℃
带状预浸料牵拉速度(纤维束的移动速度)：3.5m/分钟
喷嘴的远端与冷却滚轮之间的距离：实施例为10mm，比较例为40mm。
<带状预浸料的特性的测定方法>
[算术平均粗糙度(Ra)]
带状预浸料的算术平均粗糙度(Ra)按照日本工业规格JIS-B0651：2001，以评价长度为2.5mm，截止值为0.8mm而被算出。此处的算术平均粗糙度(Ra)表示带状预浸料的主面(principal sirface)的粗糙度。实施例1的测定数据被表示于图5A，比较例1的测定数据被表示于图5B。
[分散度(分形维数D)]
带状预浸料的分形维数D利用本发明的实施方式所说明的方法来进行了测定。将实施例1及比较例2的带状预浸料沿着与多个纤维的取向方向垂直的方向进行了切断，由显微镜拍摄所得的剖面图像分别被表示于图6A图6B。由该剖面图像的正方形区域(四边各为75μm)求得了分形维数D。
[取向度P]
带状预浸料的取向度P利用以下的方法来进行了测定。即，首先从与所述带状预浸料1的面方向正交的方向拍摄了带状预浸料的多个纤维的取向方向的剖面图像。其次，对该剖面图像通过图像处理来进行了二值化处理，以使密度低的部分成为白色，密度高的部分成为黑色。此后，通过对上述剖面图像的正方形区域(四边各为75μm)进行傅里叶变换来获得了二维功率谱图像。从该功率谱图像获得平均振幅的角度分布图，并描绘出其近似椭圆，测定该近似椭圆的长轴及短轴，通过以下的式(1)来算出了取向度P。
取向度P=1-(近似椭圆的短轴/长轴)　　　　　(1)。
[带状预浸料的外观]
实施例1及比较例1的带状预浸料的平面照片被表示于图7A及图7B。实施例1的带状预浸料由于其分形维数D为0.4以上且1.5以下，而且其取向度P为0.8以上且小于1.0，因此，其外观均匀。另一方面，比较例1的带状预浸料由于其分形维数D为上述范围外，因此，其表面可以确认到条纹。
<评价>
[弯曲测试]
将各带状预浸料按指定的长度进行了切断，且层叠表1中所示的个数，并装填于模腔的平均宽度为15mm的模具中。在热压机上将该模具无压地加热到220℃，保持了10分钟而使树脂熔融。树脂熔融后，将按压夹具载置于带状预浸料，利用该按压夹具维持了220℃、5Mpa、2分钟加压的状态。此后，使模具冷却至常温，获得了表1所示平均厚度的纤维强化树脂成形体。将该纤维强化树脂成形体作为测试片，按照日本工业规格JIS-K7074：1988年“碳纤维强化塑料的弯曲测试方法”进行三支点弯曲测试，以测定了各测试片的弯曲强度及弯曲弹性模量。三支点弯曲测试的条件表示如下。
测试片尺寸：长度为100mm，宽度为15mm
温度：常温
压头半径：5mm
支点半径：2mm
支点间距离：80mm
测试速度：1.0mm/min。
三支点弯曲测试中，对每一测试片各进行5处的测试，算出了其平均值及标准偏差。弯曲强度[MPa]以及弯曲弹性模量[GPa]的数值越大表示机械特性更优异，此外，标准偏差越小表示质量均匀性更优异。弯曲强度在平均值为330MPa以上且标准偏差为20.0以下的情况下被判断为“A(良好)”，在其余的情况下被判断为“B(非良好)”。此外，弯曲弹性模量[GPa]在平均值为25MPa以上且标准偏差为4.0以下的情况下被判断为“A(良好)”，在其余的情况下被判断为“B(非良好)”。评价结果被表示于表1。
从表1中可知，由分形维数D为0.4以上且1.5以下而且取向度P为0.8以上且小于1.0的实施例1至5的带状预浸料制作而成的测试片，其弯曲强度及弯曲弹性模量良好。另一方面，由分形维数D及取向度P的任一者处于上述范围外的比较例1至4的带状预浸料制作而成的测试片，其弯曲强度及弯曲弹性模量的任一者非良好。由此可判断为：所述带状预浸料基于分形维数D及取向度P被设定在上述范围，能够形成机械特性及质量均匀性优异的纤维强化成形体。此外，所述带状预浸料由于平均厚度为50μm以上且150μm以下，因此，其被判断为加工性优异。
此外，实施例的带状预浸料由于算术平均粗糙度(Ra)为2μm以上且8μm以下，因而进行层叠冲压或长丝缠绕时空气容易从层间泄出，因此其被判断了加工性优异。而且由于能够抑制纤维强化成形体的气泡的发生，因此其被判断了机械特性及质量均匀性更为优异。
本申请以2015年5月22日提出的日本专利申请2015-105014号为基础，其内容包含在本申请中。
为了表述本发明，在上述的说明中，参照附图并通过实施方式而恰当且充分地说明了本发明，但应该认识到只要是本领域技术人员便能够容易地变更及或改良上述的实施方式。因此，只要本领域技术人员所实施的变更形态或改良形态未脱离发明内容部分中记载的本发明的权利范围，则应该解释为这样的变更形态或该改良形态包括在发明内容部分中记载的本发明的权利范围内。
产业上的可利用性
根据本发明，所述带状预浸料能够形成机械特性及质量均匀性优异的纤维强化成形体，而且其加工性优异。此外，所述纤维强化成形体的机械特性及质量均匀性优异。

Claims (5)

1. 一种带状预浸料，其特征在于包括：
多个纤维，沿一个方向取向；以及
粘结剂，含浸于所述多个纤维；其中，
所述带状预浸料的平均厚度为50μm以上且150μm以下，
所述多个纤维的含有率为30体积%以上且60体积%以下，
根据与所述多个纤维的取向方向垂直的方向的剖面图像，从纵横分别n等分而成的各区域的纤维面积率a求得的变异系数Cv(n)的分形维数D为0.4以上且1.5以下，所述n为2以上的整数，而且
根据对所述多个纤维的取向方向的剖面图像进行傅里叶变换而得到的功率谱图像的近似椭圆，以下述式(1)来表示的取向度P为0.8以上且小于1.0，
取向度P=1-(近似椭圆的短轴/长轴) (1)。
2.根据权利要求1所述的带状预浸料，其特征在于：
所述多个纤维以玻璃纤维、碳纤维、有机纤维、金属纤维或这些纤维的组合作为主成分。
3.根据权利要求1所述的带状预浸料，其特征在于：
所述粘结剂的主成分为热塑性树脂。
4.根据权利要求1所述的带状预浸料，其特征在于：
所述带状预浸料的算术平均粗糙度Ra为2μm以上且8μm以下。
5.一种纤维强化成形体，其特征在于包括：
权利要求1至4中任一项所述的带状预浸料。
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