JP2017132220A - 炭素繊維強化プラスチックの製造方法及び炭素繊維強化プラスチック - Google Patents

Abstract

【課題】強度を確保しながら生産性を向上可能な炭素繊維強化プラスチックの製造方法及び炭素繊維強化プラスチックを提供する。【解決手段】一実施形態に係る炭素繊維強化プラスチックの製造方法は 熱可塑性樹脂製のカバーリング糸１４ａが緯編みされた編み構造を有するカバー１４により、連続した複数の炭素繊維を含む炭素繊維糸１２の周囲が覆われた連続した複合糸１０を織成することによって少なくとも一つの複合糸構造体１６を製造する複合糸構造体形成工程Ｓ１０と、一つの複合糸構造体又は複数の複合糸構造体が積層されてなる積層体１８を、加熱及び加圧し、カバーリング糸を溶融することによって、炭素繊維糸が織成された状態の炭素繊維糸構造体２６を熱可塑性樹脂で埋設する加熱加圧工程Ｓ１４と、を備える。【選択図】図５

Description

本発明は、炭素繊維強化プラスチックの製造方法及び炭素繊維強化プラスチックに関する。

炭素繊維強化プラスチック（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ：ＣＦＲＰ）は、マトリックス樹脂内に補助材としての複数の炭素繊維が埋設されて構成される。市場に流通しているＣＦＲＰのマトリックス樹脂としては、軽量性及び強度の観点から熱硬化性樹脂が用いられている。

特許第５６６５５７３号公報

ＣＦＲＰでは、一定の強度を得るために、複数の炭素繊維間にマトリックス樹脂を含浸させる必要がある。マトリックス樹脂に熱硬化性樹脂を採用している場合、マトリックス樹脂を複数の炭素繊維間に含浸させると共に、硬化させるのに時間を要し、生産性が低かった。このような問題点を解決するために、マトリックス樹脂に熱可塑性樹脂を利用したものが開発されてきている。

しかしながら、熱可塑性樹脂は、通常、熱硬化性樹脂より粘度が高いため、従来使用されている熱硬化性樹脂用のＣＦＲＰ製造装置又は製造方法では、複数の炭素繊維間の含浸率が低下し（例えば、体積ボイド率が高くなり）、その結果、強度が低下することが考えられる。一方、熱可塑性樹脂を使用しながら含浸率を高めるためには、炭素繊維として短繊維を使用することが考えられるが、その場合、連続した炭素繊維を使用している場合より炭素繊維による強度補強が低下するため、その結果、ＣＦＲＰの強度が低下する傾向にある。

そこで、本発明は、強度を確保しながら生産性を向上可能な炭素繊維強化プラスチックの製造方法及び炭素繊維強化プラスチックを提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る炭素繊維強化プラスチックの製造方法は、熱可塑性樹脂製のカバーリング糸が緯編みされた編み構造を有するカバーにより、連続した複数の炭素繊維を含む炭素繊維糸の周囲が覆われており連続した複合糸を織成することによって少なくとも一つの複合糸構造体を製造する複合糸構造体形成工程と、一つの上記複合糸構造体又は複数の上記複合糸構造体が積層されてなる積層体を、加熱及び加圧し、上記カバーリング糸を溶融することによって、上記炭素繊維糸が織成された状態の炭素繊維糸構造体を上記熱可塑性樹脂で埋設する加熱加圧工程と、を備える。

上記複合糸は、炭素繊維糸が、熱可塑性樹脂製のカバーリング糸が緯編みされた編み構造を有するカバ−により覆われているので、連続した複合糸を容易に織成して、複合糸構造体を形成できる。そして、上記製造方法では、複合糸構造体を加熱及び加圧することで炭素繊維強化プラスチックを得ているため、炭素繊維強化プラスチックの生産性の向上を図ることができる。また、複合糸のカバーを構成するカバーリング糸が緯編みされていることから、炭素繊維糸とカバーリング糸との密着性の向上も図れる。そのため、複合糸構造体を加熱及び加圧することで、カバーリング糸を構成する熱可塑性樹脂で炭素繊維糸を埋設した際に、炭素繊維強化プラスチックの体積ボイド率を低下可能である。同様の理由で、炭素繊維強化プラスチックの繊維体積含有率の向上も図れる。また、複合糸構造体は、連続した複合糸が織成されて構成されているので、カバーリング糸が加熱され溶融された後に残存する炭素繊維糸構造体も、連続した炭素繊維糸で構成される。よって、炭素繊維糸の強度を有効に利用可能である。その結果、強度を確保できる。

一実施形態において上記製造方法は、上記複合糸構造体を洗浄する洗浄工程を更に備え、 上記洗浄工程前において、上記炭素繊維糸に含まれる複数の上記炭素繊維は、集束剤により集束されており、上記洗浄工程では、上記集束剤を除去し、上記加熱加圧工程では、上記洗浄工程で洗浄された一つの上記複合糸構造体又は上記積層体を加熱及び加圧してもよい。

この場合、複数の炭素繊維を集束するための集束剤を、洗浄工程で除去することから、炭素繊維と熱可塑性樹脂が接する界面の密着性を向上可能である。その結果、炭素繊維強化プラスチックの強度の向上が図れる。

本発明の他の側面に係る炭素繊維強化プラスチックは、連続した炭素繊維を含む炭素繊維糸が織成された状態の炭素繊維糸構造体と、上記炭素繊維糸構造体を埋設する熱可塑性樹脂からなる樹脂部と、を備える。

この炭素繊維強化プラスチックは、上記本発明に係る炭素繊維強化プラスチックの製造方法で好適に製造できる。その結果、上記炭素繊維強化プラスチックの製造方法と同様の作用効果を有する。

一実施形態に係る炭素繊維強化プラスチックは、複数の上記炭素繊維糸構造体を備え、複数の上記炭素繊維糸構造体は、積層されており、上記樹脂部は、積層された複数の上記炭素繊維糸構造体が埋設されてもよい。

一実施形態において、上記炭素繊維強化プラスチックにおけるボイド率が実質的に０％であり得る。この場合、炭素繊維強化プラスチックの強度を確保し易い。

一実施形態において、上記炭素繊維強化プラスチックにおける繊維体積含有率が２０体積％以上であり得る。この場合、炭素繊維の強度をより有効に活用できることから、炭素繊維強化プラスチックの強度を向上し得る。

本発明の更に他の側面に係る炭素繊維強化プラスチックは、熱可塑性樹脂からなるカバーリング糸が緯編みされた編み構造を有するカバーにより、連続した複数の炭素繊維を含む炭素繊維糸の周囲が覆われた連続した複合糸が織成されてなる複合糸構造体を加熱及び加圧してなる成形体である。

複合糸構造体を構成する複合糸において、炭素繊維糸は、緯編みされたカバーリング糸で構成されるカバーで覆われている。よって、複合糸構造体を加熱及び加圧してなる成形体である上記炭素繊維強化プラスチックは、連続した炭素繊維糸からなる織成構造が、カバーリング糸が溶融された熱可塑性樹脂で埋設された構造を有する。上記複合糸では、熱可塑性樹脂製のカバーリング糸が緯編みされた編み構造を有するカバ−により炭素繊維糸が覆われていることから、連続した複合糸を容易に織成して、複合糸構造体を製造できる。そして、その複合糸構造体を加熱及び加圧することで、炭素繊維強化プラスチックを製造できるため、炭素繊維強化プラスチックの生産性の向上を図ることができる。また、複合糸のカバーを構成するカバーリング糸が緯編みされていることから、炭素繊維糸とカバーリング糸との密着性の向上も図れる。そのため、複合糸構造体を加熱及び加圧することで、カバーリング糸を構成する熱可塑性樹脂で炭素繊維糸を埋設した際に、炭素繊維強化プラスチック体積ボイド率を低下できる。同様の理由で、炭素繊維強化プラスチックの繊維体積含有率の向上も図れる。また、複合糸構造体は、連続した炭素繊維糸が織成されて構成されているので、炭素繊維強化プラスチックは、炭素繊維糸の強度を有効に利用可能である。その結果、強度を確保可能できる。

本発明によれば、強度を確保しながら生産性を向上可能な炭素繊維強化プラスチックの製造方法及び炭素繊維強化プラスチックを提供できる。

一実施形態に係る炭素繊維強化プラスチックの製造方法に用いられる複合糸を一部破断して示す図である。 図１に示した複合糸の端面を示す図である。 図１及び図２に示したカバーの展開図である。 実際に製造した複合糸を示す図面である。 一実施形態に係る炭素繊維強化プラスチックの製造方法のフローチャートである。 一実施形態に係る炭素繊維強化プラスチックの製造方法が備える複合糸構造体形成工程で製造される複合糸構造体の概略構成を示す平面図である。 実際に製造された複合糸構造体を示す図面である。 一実施形態に係る炭素繊維強化プラスチックの製造方法が備える熱プレス成形（加熱加圧）工程を説明するための図面である。 熱プレス成形（加熱加圧）工程における温度及び圧力条件の一例を示す図面である。 （ａ）は、一実施形態に係る炭素繊維強化プラスチックの製造方法で製造された炭素繊維強化プラスチックの概略構成を示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）のＸ（ｂ）―Ｘ（ｂ）線に沿った断面構成の模式図である。 実験１で製造された炭素繊維強化プラスチックを示す図面である。 （ａ）は、実験１で製造された炭素繊維強化プラスチックのＳＥＭ画像を示す図面であり、（ｂ）は、実験１で製造された炭素繊維強化プラスチックのマイクロＣＴスキャン画像を示す図面である。 引張試験を説明するための図面である。 三点曲げ試験を説明するための図面である。 （ａ）は、実験２で製造された炭素繊維強化プラスチックのＳＥＭ画像を示す図面であり、（ｂ）は、実験２で製造された炭素繊維強化プラスチックのマイクロＣＴスキャン画像を示す図面である。 複合糸の他の例の端面を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。各図面において同一要素に対しては同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、一実施形態に係る炭素繊維強化プラスチック（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ：ＣＦＲＰ）を製造するために使用される複合糸の構成を一部破断して複合糸の構成を模式的に示す図面であり、図２は、図１に示した複合糸の端面を模式的に示す図面である。図１及び図２に示した複合糸１０は、炭素繊維糸１２と、カバー１４とを備える。

炭素繊維糸１２は、複合糸１０における芯糸であり、多数本の連続した炭素繊維１２ａの炭素繊維束である。炭素繊維束としては、例えば、１Ｋ（１０００フイラメント）、３Ｋ（３０００フイラメント）などを用いることができる。以下、断らない限り、複合糸１０における炭素繊維糸１２に含まれる複数の炭素繊維１２ａは、集束剤で集束されている。炭素繊維糸１２の周囲は、カバー１４によって覆われている。

カバー１４の展開図である図３に示したように、カバー１４は、編成糸であるカバーリング糸１４ａが緯編み（ニット）された編み構造を有し、炭素繊維糸１２の周囲を覆う。カバー１４は、炭素繊維糸１２を保護するためのものである。

一実施形態において、カバー１４におけるウェール数、すなわち同一コースの編み目の数は、例えば、２個以上６個以下である。カバー１４における自然長１ｃｍあたりのコース数、すなわち同一ウェールの自然長１ｃｍあたりの編み目の数は、例えば、６個以上１４個以下である。

一実施形態において、カバーリング糸１４ａには、例えば、容易にカバーリングできる太さである３３ｄｔｅｘ(デシテックス)から２５０ｄｔｅｘ(デシテックス)の繊維糸が用いられる。カバーリング糸１４ａの材料は熱可塑性樹脂である。すなわち、カバーリング糸１４ａは、熱可塑性の繊維糸である。上記熱可塑性樹脂の例としては、ポリエチレン樹脂、ポリエステル樹脂、ナイロン（ポリアミド）樹脂、ポリプロピレン樹脂などが挙げられる。

上記複合糸１０は、炭素繊維糸１２をカバー１４で覆うことによって製造され得る。具体的には、連続するカバーリング糸１４ａを緯編み（ニット）することによって、炭素繊維糸１２の周囲をカバー１４で覆う。これにより、連続した複合糸１０が製造される。図４は、炭素繊維糸１２の周囲を、カバーリング糸１４ａを緯編みしたカバー１４で被覆して製造された複合糸１０を示す図面である。

次に、複合糸１０を用いた炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）の製造方法について説明する。図５は、ＣＦＲＰの製造方法のフローチャートである。ＣＦＲＰの製造方法は、複合糸構造体形成工程Ｓ１０と、熱プレス成形工程（加熱加圧工程）Ｓ１４と、を備える。ＣＦＲＰの製造方法は、図５に示したように、洗浄工程Ｓ１２を備えてもよい。更に、ＣＦＲＰの製造方法は、前述したようにして複合糸１０を製造する複合糸製造工程を備えてもよい。次に、複合糸１０の製造方法が有する各工程について説明する。以下で述べるＣＦＲＰの製造方法は、断らない限り、洗浄工程Ｓ１２を備える形態についての説明である。

［複合糸構造体形成工程］
この工程では、複合糸１０を織ることで、図６に模式的に示したように、複合糸構造体１６を形成する。図６では、複合糸構造体１６を一部拡大して模式的に示している。図６では、炭素繊維糸１２を模式的に示しており、炭素繊維糸１２に含まれる炭素繊維１２ａなどの図示は省略している。図６以降の他の図でも同様である。

複合糸構造体１６は、連続した複合糸１０を、縦糸及び緯糸にそれぞれ用いて織成された織物である。図６では、複合糸１０が平織りされたシート状（又は布状）の複合糸構造体１６を示している。複合糸１０が織成されてなる複合糸構造体１６は、例えば、織機により形成され得る。図７は、複合糸１０を平織りすることで実際に製造された複合糸構造体１６の一例を示す図面である。複合糸構造体形成工程Ｓ１０では、ＣＦＲＰ２４の製造に使用する数の複合糸構造体１６を製造すればよい。例えば、１枚、４枚又は８枚の複合糸構造体１６を製造する。以下では、断らない限り、複数枚の複合糸構造体１６を用いたＣＦＲＰ２４の製造工程を説明する。

［洗浄工程］
この工程では、複合糸構造体形成工程Ｓ１０で形成した複合糸構造体１６を集束剤除去剤で洗浄し、炭素繊維糸１２に含まれる複数の炭素繊維１２ａの集束に用いられていた集束剤を除去する。集束剤除去剤としては、集束剤の種類に応じたものを使用すればよい。集束剤除去剤の例としては、アセトン、トルエン、キシレンなどが挙げられる。洗浄方法としては、集束剤除去剤を含む溶液に複合糸構造体１６を浸漬する方法、シャワー洗浄、スプレー洗浄、超音波洗浄などが挙げられる。洗浄工程Ｓ１２で複合糸構造体１６を洗浄した後は、複合糸構造体１６を乾燥させる。

［熱プレス成形工程］
熱プレス成形工程Ｓ１４では、図８に模式的に示したように、複数の複合糸構造体１６を積層してなる積層体１８を、熱プレス成形する。

積層体１８を形成する際には、複数の複合糸構造体１６を、炭素繊維糸で縫い合わせることによって固定してもよい。熱プレス成形は、熱プレス装置２０で実施される。具体的には、熱プレス装置２０が有する一対のプレス板２２Ａ，２２Ｂの間に、被成形部材である積層体１８を配置し、一対のプレス板２２Ａ，２２Ｂで積層体１８に所定の温度条件で温度を付与しながら所定の加圧条件で圧力を印加して熱プレス成形を行う。

図９は、熱プレス成形を実施する際の熱プレス条件の一例を示す模式図であり、熱プレス成形工程Ｓ１４における温度変化及び圧力変化の一例を示している。図９において、横軸は、積層体１８の加熱開始時からの時間を示しており、縦軸の一方は積層体１８の厚さ方向における中央部での温度を示しており、縦軸の他方は、積層体１８に印加した圧力を示している。

熱プレス成形を実施する際、まず、一対のプレス板２２Ａ，２２Ｂで積層体１８を保持する。一対のプレス板２２Ａ，２２Ｂから積層体１８に作用する第１の圧力Ｐ１の例は、０ＭＰａ〜５ＭＰａである。

このように積層体１８を保持した状態で、加熱開始から時間ｔ１までの間に一対のプレス板２２Ａ，２２Ｂの温度を上昇させ、積層体１８の厚さ方向における中央部における温度を温度Ｔａまで上昇させる（加熱工程）。

時間ｔ１は、例えば１分〜３０分であり、熱プレス装置２０の性能、サイズなどに応じて決定され得る。時間ｔ１は、熱プレス装置２０の性能、サイズなどで可能な範囲内で、積層体１８を構成する複合糸構造体１６の枚数などに応じて適宜設定されてもよい。例えば、積層体１８が４枚の複合糸構造体１６を有する場合、時間ｔ１は、１４分であり、積層体１８が６枚の複合糸構造体１６を有する場合、時間ｔ１は、１５分であり、積層体１８が８枚の複合糸構造体１６を有する場合、時間ｔ１は、１６分であり得る。

温度Ｔａは、カバーリング糸１４ａを構成する熱可塑性樹脂の融点Ｍｐ（度）より高い温度であればよい。温度Ｔａは、通常、Ｍｐ＋７５度以下である。カバーリング糸１４ａがナイロン６からなる場合、ナイロン６の融点は２２５度であることから、温度Ｔａの一例は、２３０度である。

積層体１８の内部温度を温度Ｔａまで上昇させた後、温度及び圧力を一定に保つ。その状態を時間ｔ２まで維持しながらカバーリング糸１４ａを溶融させる（溶融工程）。（ｔ２−ｔ１）の例は、０分〜３０分である。時間ｔ２において、積層体１８に印加する圧力を、第１の圧力Ｐ１より高い第２の圧力Ｐ２まで上げる。第２の圧力Ｐ２の例は、１ＭＰａ〜１５ＭＰａである。その後、温度Ｔａで積層体１８を加熱すると共に第２の圧力Ｐ２で積層体１８を加圧して積層体１８を時間ｔ３まで熱プレスする（プレス工程）。（ｔ３―ｔ２）の例は、１分〜３０分であり、例えば、１５分である。時間ｔ３以降、一対のプレス板２２Ａ，２２Ｂの温度を順次下げることによって、積層体１８を冷却し、積層体１８内部の温度を、カバーリング糸１４ａを構成する熱可塑性樹脂のガラス転移温度Ｔｇ以下まで下げ、熱可塑性樹脂を固化する（冷却工程）。冷却時間は、例えば１分〜３００分である。

図９に示したような熱プレス条件に基づいて、積層体１８を熱プレス成形することによって、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に模式的に示したＣＦＲＰ２４を得る。ＣＦＲＰの製造工程における時間ｔ１，ｔ２，ｔ３と、第１及び第２の圧力Ｐ１，Ｐ２とは、製造するＣＦＲＰ２４の所望の特性（強度など）に応じて最適化されればよく、上記例示した値に限定されない。

次に、上記のように製造されたＣＦＲＰ２４の構成につい図１０（ａ）及び図１０（ｂ）を利用して説明する。図１０（ａ）は、一実施形態に係るＣＦＲＰの概略構成を示す平面図であり、図１０（ａ）では、ＣＦＲＰを一部拡大して示している。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＸ（ｂ）−Ｘ（ｂ）線に沿った断面構成の模式図である。

ＣＦＲＰ２４は、複数の炭素繊維糸構造体２６と、それを埋設する熱可塑性樹脂からなる樹脂部２８とを有する。

炭素繊維糸構造体２６は、複合糸構造体１６において、カバーリング糸１４ａが溶融して残存する炭素繊維糸１２から構成されている。複合糸構造体１６は、連続した複合糸１０の織成体であるため、炭素繊維糸構造体２６は、連続した炭素繊維糸１２の織成体に対応する。本実施形態において、炭素繊維糸構造体２６は、連続した炭素繊維糸１２が平織りされた構造を有する。

上記製造方法では、洗浄工程Ｓ１２を備えるため、ＣＦＲＰ２４では、複数の炭素繊維１２ａを集束するための集束剤は除去されている。しかしながら、炭素繊維糸１２を構成していた複数の炭素繊維１２ａは、樹脂部２８を構成する熱可塑性樹脂で一体化されているため、ＣＦＲＰ２４の説明においても、図１に示した複合糸１０を構成する炭素繊維糸１２に含まれる複数の炭素繊維１２ａの集まりを、炭素繊維糸１２と称する。

樹脂部２８は、ＣＦＲＰ２４においてマトリックスとして機能する。樹脂部２８は、カバーリング糸１４ａが溶融・固化して形成されている。よって、樹脂部２８は、カバーリング糸１４ａを構成する熱可塑性樹脂からなる。

一実施形態において、ＣＦＲＰ２４の体積ボイド率は、実質的に０％である。「実質的に０％以下」とは、体積ボイド率が０．１％以下であることを意味している。本明細書において、「ボイド」とは、樹脂部２８における空隙と共に、炭素繊維１２ａ間における未含浸領域も含む概念である。ＣＦＲＰ２４の体積ボイド率は、０．０００００％以下で有り得る。ＣＦＲＰ２４におけるボイドが占める体積をＶ１、樹脂部２８が占める体積をＶ２、炭素繊維１２ａが占める体積をＶ３とし、体積ボイド率をα（％）としたとき、体積ボイド率α（％）は、式（１）で定義される。体積ボイド率α（％）は、マイクロＣＴスキャナーで計測され得る。本明細書における体積ボイド率（％）はマイクロＣＴスキャナーとして、ＢＲＵＫＥＲ ｍｉｃｒｏ ＣＴ社製のＭｉｃｒｏ−ＣＴ Ｓｃａｎ（型番：ＢＲＵＫＥＲ ＳＫＹＳＣＡＮ １１７２）を使用した場合の数値である。
α＝{Ｖ１/（Ｖ１＋Ｖ２＋Ｖ３）}×１００・・・（１）

一実施形態において、ＣＦＲＰ２４の繊維体積含有率は、２０体積％以上で有り得る。繊維体積含有率は、好ましくは、４０体積％以上であり、更に好ましくは、５０体積％以上である。繊維体積含有率は、９０体積％以下で有り得る。ＣＦＲＰ２４の繊維体積含有率をβ（体積％）としたとき、繊維体積含有率β（体積％）は、式（２）で定義され、ＪＩＳ Ｋ７０７５に準拠して測定される。
β＝｛Ｖ３/（Ｖ２＋Ｖ３）｝×１００・・・（２）
式（２）における、Ｖ２及びＶ３は、体積ボイド率αの場合と同様に、ＣＦＲＰ２４において、樹脂部２８が占める体積及び炭素繊維１２ａが占める体積である。

次に、ＣＦＲＰ２４の製造方法及びＣＦＲＰ２４の作用効果について説明する。

ＣＦＲＰ２４の製造方法では、複合糸１０を製造し、その複合糸１０を織成することで、複合糸構造体１６を形成している。その後、複合糸構造体１６を熱プレス成形することによって、ＣＦＲＰ２４を得ている。したがって、ＣＦＲＰ２４は、複合糸構造体１６の熱プレス成形体である。

複合糸１０は、炭素繊維糸１２がカバー１４により覆われることによって構成されている。よって、炭素繊維糸１２が炭素繊維束であっても、複合糸１０を通常の糸と同様に扱うことができるので、連続する複合糸１０を織った織物としての複合糸構造体１６の形成が容易である。また、複合糸１０のカバーリング糸１４ａが熱可塑性樹脂製であることから、複合糸構造体１６を熱プレス成形することでＣＦＲＰ２４が得られる。よって、ＣＦＲＰ２４の生産性の向上が図れる。

複合糸１０において、炭素繊維糸１２の周囲は、熱可塑性樹脂からなるカバーリング糸１４ａで覆われていることから、カバーリング糸１４ａを炭素繊維糸１２に近接して配置できている。これにより、複合糸構造体１６を熱プレス成形した際に、熱可塑性樹脂を炭素繊維束内部に含浸させやすい。そのため、ＣＦＲＰ２４において、より低い体積ボイド率(例えば、実質的に０％)を実現できるので、ＣＦＲＰ２４の強度を確保できる。上述したように、複合糸構造体１６を熱プレス成形した際に、熱可塑性樹脂を炭素繊維束内部に含浸させやすいことから、熱可塑性樹脂の量が少なくても炭素繊維束内部に熱可塑性樹脂を含浸できる。よって、ＣＦＲＰ２４における繊維体積含有率の向上が図れる。そのため、ＣＦＲＰ２４の強度が向上する。

また、複合糸構造体１６が連続した複合糸１０により構成されていることから、ＣＦＲＰ２４における炭素繊維糸構造体２６も連続した炭素繊維糸１２で構成され得る。その結果、炭素繊維糸１２を構成する連続繊維としての炭素繊維１２ａの強度を利用できるので、ＣＦＲＰ２４の強度を確保できる。換言すれば、ＣＦＲＰ２４は、短繊維としての炭素繊維により製造されるＣＦＲＰよりも高い強度を得られる。

複合糸１０が備えるカバー１４は、カバーリング糸１４ａが緯編み（ニット）された編み構造を有する。編み構造が緯編みの場合、一方向に延在する炭素繊維糸１２をカバーリング糸１４ａで巻き込むように編目を編成するため、カバー１４のカバーリング糸１４ａによって炭素繊維糸１２を比較的に強く締め付けることができ、炭素繊維糸１２に対するカバー１４の密着度又は締め付け力を高めることができる。編成の際にカバーリング糸１４ａのテンションの強弱を調節することで、炭素繊維糸１２に対してカバーリング糸１４ａが適切に密着するように編成することができる。その結果、複合糸１０が織成されてなる複合糸構造体１６を熱プレス（加熱及び加圧）した際に、炭素繊維束内部への熱可塑性樹脂（カバーリング糸１４ａが溶融したもの）の浸透性（浸透度）を高めることができ、炭素繊維束と熱可塑性樹脂との密着度を高めることができる。その結果、ＣＦＲＰ２４の強度向上が図れる。ただし、緯編みの場合、炭素繊維糸１２を傷つけるほどの締結力はないので、炭素繊維糸１２をカバーリング糸１４ａで覆っても、炭素繊維糸１２を傷つけることを抑制することができる。

ＣＦＲＰ２４が複合糸構造体１６を熱プレス成形して製造されていることから、ＣＦＲＰ２４の構造は複合糸構造体１６の構造に依存する。一方、複合糸構造体１６は、炭素繊維束である炭素繊維糸１２がカバー１４で覆われた複合糸１０を織って構成されていることから、複合糸構造体１６を形成する際に、炭素繊維１２ａが切断されるなどの炭素繊維１２ａの損傷を防止しながら種々の構造の複合糸構造体１６を形成できる。

また、炭素繊維糸１２に対して熱可塑性のカバーリング糸１４ａの太さや密度を変えることによってその両者の比率を設定することができるため、目的に応じた混合比率をもったＣＦＲＰ２４を製造可能である。よって、例えば、ＣＦＲＰ２４の強度なども容易に調整できる。

ＣＦＲＰ２４において、マトリックスは、熱可塑性樹脂からなることから、マトリックスが熱硬化性樹脂からなる場合より、ＣＦＲＰ２４のリサイクル性に優れる。

カバーリング糸１４ａの太さが３３ｄｔｅｘ以上２５０ｄｔｅｘ以下である形態では、次の利点を有する。すなわち、カバー１４におけるカバーリング糸１４ａの太さが３３ｄｔｅｘ以上であれば、炭素繊維糸１２に対するカバーリング糸１４ａの被覆率を高めることができ、カバーリング糸１４ａが緯編みされたカバー１４における隙間から炭素繊維糸１２が外方へ飛び出てしまうことを好適に抑制することができる。カバーリング糸１４ａの太さが２５０ｄｔｅｘ以下であれば、編み機を用いた編成がし易い。

カバー１４における同一コースの編み目の数が２個以上６個以下である形態では、カバー１４の筒編みの直径を小さくすることができ、炭素繊維糸１２に対するカバー１４のカバーリング糸の密着度（締め付け力）を高めることができる。

カバー１４における同一ウェールの自然長１ｃｍあたりの編み目の数が６個以上１４個以下である形態では、次の利点を有する。すなわち、カバー１４における同一ウェールの自然長１ｃｍあたりの編み目の数が６個以上であれば、炭素繊維糸１２に対するカバー１４のカバーリング糸の被覆率を高めることができ、カバー１４のカバーリング糸の隙間から炭素繊維糸１２が外方へ飛び出てしまうことを十分に抑制することができる。

カバー１４における同一ウェールの自然長１ｃｍあたりの編み目の数が１４個以下であれば、カバー１４編目が細かくなり過ぎることに起因して、カバーリング編目の目かぶり（タックキズ）不良が発生することを抑制することができ、また、複合糸１０の柔軟性がなくなり、複合糸１０で織成するのが困難になることを抑制することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態として複合糸の変形例及びそれを用いたＣＦＲＰについて説明する。第２の実施形態の説明では、複合糸を複合糸１０Ａと称する点以外は、第１の実施形態と対応する要素と同様の要素には、同じ符号を付し、重複する説明を省略する。

第２の実施形態における複合糸１０Ａは、図１６に模式的に示したように、複数本の炭素繊維糸１２を有すると共に、複数本の熱可塑性樹脂からなる樹脂繊維糸３６を更に有する点で、主に複合糸１０の構成と相違する。この相違点を中心にして第２の実施形態を説明する。図１６は、複合糸１０Ａの端面の模式図である。図１６では、炭素繊維糸１２、樹脂繊維糸３６及びカバー１４を模式的に示している。

樹脂繊維糸３６は、炭素繊維糸１２の延在方向に延びており、炭素繊維糸１２と平行に配置される。樹脂繊維糸３６を構成する熱可塑性樹脂の例は、カバーリング糸１４ａについて説明した場合の熱可塑性樹脂の例と同様であり得る。樹脂繊維糸３６及びカバーリング糸１４ａを構成する熱可塑性樹脂は同じでもよいし、又は、異なってもよい。複合糸１０Ａでは、カバーリング糸１４ａが緯編みされたカバー１４で、引き揃えられた複数本の炭素繊維糸１２と複数本の樹脂繊維糸３６との束が被覆される。

複合糸１０Ａにおいても、炭素繊維糸１２は、カバー１４で覆われている。したがって、第１の実施形態における複合糸１０の代わりに複合糸１０Ａを織成して、第１の実施形態の場合と同様に、複合糸構造体１６を形成した後、それを熱プレス成形することでＣＦＲＰ２４を製造しても、第１の実施形態の場合と少なくとも同様の作用効果を有する。複合糸１０Ａを用いることで更に次のような作用効果を有する。

複合糸１０Ａが樹脂繊維糸３６を有する場合には、熱プレス成形工程Ｓ１４で樹脂繊維糸３６も溶融してＣＦＲＰ２４を構成する樹脂部２８となる。よって、樹脂繊維糸３６の本数、サイズなどを調整することで、ＣＦＲＰ２４の繊維体積含有率βを調整可能である。

複合糸１０Ａでは、カバー１４の内側に熱可塑性樹脂製の樹脂繊維糸３６が配置されるので、複合糸１０Ａが複数本の炭素繊維糸１２を有する場合、炭素繊維１２ａと熱可塑性樹脂との距離を短くすることが可能となる。その結果、炭素繊維１２ａ間に熱可塑性樹脂を含浸させやすい。特に、図１６に示したように、複数本の炭素繊維糸１２の間に樹脂繊維糸３６を配置することで、炭素繊維１２ａと熱可塑性樹脂との距離をより短くすることが可能となり、炭素繊維１２ａ間に熱可塑性樹脂を更に含浸させやすい。

複合糸１０Ａは、少なくとも一本の炭素繊維糸１２と、少なくとも一本の樹脂繊維糸３６を有していればよい。

以下、実験結果を参照して、ＣＦＲＰ２４の製造方法及びＣＦＲＰ２４の作用効果を具体的に説明する。

［実験１］
実験１では、第１の実施形態で説明した複合糸１０を用いた。複合糸１０は、カバーリング糸１４ａを緯編みしてなるカバー１４によって、１本の炭素繊維糸１２の周囲を被覆して構成されていた。炭素繊維糸１２には、東レ株式会社製のトレカ糸３Ｋ（Ｔ３００Ｂ−３０００−５０Ｂ）を使用した。カバーリング糸１４ａには、ナイロン糸（東レ株式会社製のＷＮ７０ｄ／２−２４ｆーＶＦ５５５−ＢＣ）を使用した。上記複合糸１０を用いて、図５に示したフローチャートに従ってＣＦＲＰを製造した。

まず、複合糸構造体形成工程Ｓ１０を実施した。すなわち、上記複合糸１０を縦糸及び緯糸として用いて平織りすることで、シート状の複合糸構造体１６を４枚製造した。

その後、洗浄工程Ｓ１２を実施した。洗浄工程Ｓ１２では、形成した全ての複合糸構造体１６をアセトンに漬けて６０分洗浄した。

続いて、熱プレス成形工程Ｓ１４を実施した。熱プレス成形工程Ｓ１４では、４枚の複合糸構造体１６を積層して、積層体１８を構成した。積層体１８を構成する際、４枚の複合糸構造体１６を炭素繊維糸で縫い合わせて固定した。その後、熱プレス装置２０に積層体１８をセットし、熱プレス成形を行った。温度条件及び圧力条件は、図９に示したように設定した。図９において、時間ｔ１を１４分とし、時間ｔ２を１９分とし、時間ｔ３を３４分とした。第１の圧力Ｐ１を０．８３ＭＰａとし、第２の圧力Ｐ２を３ＭＰａとした。これにより、厚さ０．８ｍｍの板状のＣＦＲＰ２４を製造できた。

図１１は、製造された板状のＣＦＲＰ２４を示す図面である。図１１より、ＣＦＲＰ板を製造できていることが実証された。また、図１２（ａ）は、製造されたＣＦＲＰをＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）で観察したＳＥＭ画像を示す図面であり、図１２（ｂ）は、製造されたＣＦＲＰのマイクロＣＴスキャン画像を示す図面である。マイクロＣＴスキャン画像の取得には、マイクロＣＴスキャナーとして、ＢＲＵＫＥＲ ｍｉｃｒｏ ＣＴ社製のＭｉｃｒｏ−ＣＴ Ｓｃａｎ（型番：ＢＲＵＫＥＲ ＳＫＹＳＣＡＮ １１７２）を使用した。式（１）で定義されており、製造されたＣＦＲＰ２４を上記マイクロＣＴスキャナーで計測して得られた体積ボイド率αは、０．０００００％であった。すなわち、体積ボイド率αが実質的に０％であるＣＦＲＰ２４を製造できていることが実証された。また、ＪＩＳ Ｋ７０７５に準拠して測定され式（２）により算出された実験１のＣＦＲＰ２４の繊維体積含有率βは、４５．６体積％であり、繊維体積含有率βが２０体積％以上９０体積％以下のＣＦＲＰ２４が製造できていることが実証された。

製造したＣＦＲＰ２４に対して引張試験及び三点曲げ試験を実施した。引張試験及び三点曲げ試験の試験方法ついて説明する。

［引張試験］
島津製作所製の万能試験機（型番：ＡＵＴＯＧＲＡＰＨ ＡＧ−Ｉ）を用いて、ＣＦＲＰ２４の引張試験を行った。具体的には、製造されたＣＦＲＰ２４から図１３に示したように矩形の試験片Ｓ１を切り出した。試験片Ｓ１の長手方向の長さｔａは、１５０ｍｍであり、幅方向の長さｔｂは、２０ｍｍであった。製造したＣＦＲＰ２４の厚さが０．８ｍｍであったことから、試験片Ｓ１の厚さｈａは、０．８ｍｍであった。試験片Ｓ１の長手方向の一端における長さＬ１ａ（ｍｍ）の領域の表裏に長さＬ１ａ（ｍｍ）のアルミ板３０Ａを接着すると共に、試験片Ｓ１の長手方向の他端における長さＬ１ａ（ｍｍ）の領域の表裏に長さＬ１ａ（ｍｍ）のアルミ板３０Ｂを接着した。長さＬ１ａは、４０ｍｍであり、アルミ板３０Ａ，３０Ｂの厚さｈｂ（ｍｍ）は２．０ｍｍであった。試験片Ｓ１の長手方向において、アルミ板３０Ａ，３０Ｂの間の距離Ｌ１ｂは、７０ｍｍであった。アルミ板３０Ａ，３０Ｂの部分をクランプで把持し、試験速度ｖａ（ｍｍ／ｍｉｎ）で長手方向に試験片Ｓ１を引っ張った。試験速度ｖａ（ｍｍ／ｍｉｎ）は、５ｍｍ／ｍｉｎであった。その結果、最大の引張応力σｔは、約４４８ＭＰａであった。引張応力σｔは、荷重をＰｔとしたとき、式（３）で算出した。
σｔ＝Ｐｔ／（ｔｂ×ｈａ）・・・（３）

［三点曲げ試験］
島津製作所製の万能試験機（ＡＵＴＯＧＲＡＰＨ ＡＧ−Ｉ）を用いて、ＣＦＲＰ２４の三点曲げ試験を行った。具体的には、製造されたＣＦＲＰ２４から図１４に示したように矩形の試験片Ｓ２を切り出した。試験片Ｓ２の長手方向の長さｔａは、１００ｍｍであり、幅方向の長さｔｂは、１０ｍｍであった。試験片Ｓ２の両端からＬ２ａ（ｍｍ）の位置にそれぞれ支持棒３２を配置して、試験片Ｓ２を支持した。長さＬ２ａ（ｍｍ）は、試験片Ｓ２の端から支持棒３２の軸線までの長さである。長さＬ２ａ（ｍｍ）は、３０ｍｍであり、一対の支持棒３２，３２の軸線間の距離Ｌ２ｂ（ｍｍ）は、４０ｍｍであった。一対の支持棒３２，３２の間の中点位置（試験片Ｓ２の長手法方向における中点位置）において、棒状の圧子３４で、試験片Ｓ２の上面を試験速度ｖｂ（ｍｍ／ｍｉｎ）で押圧した。試験速度ｖｂ（ｍｍ／ｍｉｎ）は、５ｍｍ／ｍｉｎであった。その結果、最大の曲げ応力σｂは、５４３ＭＰａであった。曲げ応力σｂは、荷重をＰｂとしたとき、式（４）で算出した。
σｂ＝（３×Ｐｂ×Ｌ２ｂ）／｛２×ｔｂ×（ｈａ）^２｝・・・（４）

［実験２］
実験２では、実験１と同様の構成の複合糸１０を用いて、複合糸構造体形成工程Ｓ１０において実験１の場合と同様にして８枚の複合糸構造体１６を形成した。洗浄工程Ｓ１２は、実験１の場合と同様であるため説明を省略する。熱プレス成形工程Ｓ１４では、８枚の複合糸構造体１６を積層した積層体１８を、実験１の場合と同様の熱プレス装置２０にセットし、図９に示した温度条件及び圧力条件で熱プレス成形を行った。実験２では、図９における時間ｔ１を１６分とし、時間ｔ２を２１分とし、時間ｔ３を３６分とし、第１の圧力Ｐ１を０．８３ＭＰａとし、第２の圧力Ｐ２を３ＭＰａとした。これにより、厚さ１．５ｍｍの板状のＣＦＲＰ２４を製造した。

図１５（ａ）は、製造された板状のＣＦＲＰ２４をＳＥＭ観察したＳＥＭ画像を示す図面であり、図１５（ｂ）は、製造されたＣＦＲＰ２４のマイクロＣＴスキャン画像を示す図面である。マイクロＣＴスキャン画像の取得には、実験１で使用したマイクロＣＴスキャナーを使用した。式（１）で定義されており、製造されたＣＦＲＰ２４を上記マイクロＣＴスキャナーで計測して得られた体積ボイド率αは、０．０００００％であった。すなわち、体積ボイド率αが実質的に０％であるＣＦＲＰ２４を製造できていることが実証された。また、ＪＩＳ Ｋ７０７５に準拠して測定され式（２）により算出された実験２のＣＦＲＰ２４の繊維体積含有率βは、５１．１体積％であり、繊維体積含有率βが２０体積％以上９０体積％以下のＣＦＲＰ２４が製造できていることが実証された。

実験２で製造されたＣＦＲＰ２４に対して、実験１と同様に引張試験及び三点曲げ試験を実施した。引張試験は、試験片Ｓ１の厚さｈａが１．５ｍｍであった点以外は、実験１と同じ試験条件で行った。その結果、最大の引張応力σｔは、約５５９ＭＰａであった。三点曲げ試験は、距離Ｌ２ｂ（ｍｍ）を６０ｍｍに変更した点及び試験片Ｓ２の厚さｈａが１．５ｍｍであった点以外は、実験１と同様の試験条件で行った。その結果、最大の曲げ応力σｂは、６１３ＭＰａであった。

実験１，２において、体積ボイド率αは、何れも実質的に０％であった。すなわち、ＣＦＲＰ２４を製造する際の複合糸構造体１６の数に依存せずに、体積ボイド率αが実質的に０％のＣＦＲＰ２４を製造できていることがわかる。実験１，２では連続した複合糸１０を用いてＣＦＲＰ２４を製造しているため、ＣＦＲＰ２４のマトリックス内には連続した炭素繊維１２ａが埋設されており、炭素繊維１２ａの強度を有効に利用できている。よって、強度向上が図れたＣＦＲＰ２４を製造できていることがわかる。

以上、本発明の実施形態及び実験例について説明したが、本発明は上記実施形態及び実験例に示した形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形され得る。例えば、上記実施形態では、主に、複数の複合糸構造体１６を積層した積層体１８を熱プレス成形してなるＣＦＲＰ（熱プレス成形体）２４について説明した。しかしながら、ＣＦＲＰ２４は、一つの複合糸構造体１６が熱プレス成形された熱プレス成形体であってもよい。すなわち、ＣＦＲＰ２４が備える炭素繊維糸構造体２６は一つでもよい。

複合糸構造体は、複合糸が平織されたものに限らず、他の織り方、例えば、綾織、朱子織などで形成されてもよい。

上記実施形態及び実験例では、複合糸構造体を加熱及び加圧してＣＦＲＰを得る方法として熱プレスを例示した。しかしながら、複合糸構造体を加熱及び加圧してなる成形体としてのＣＦＲＰが得られれば、加熱及び加圧の方法は熱プレスに限定されない。

１０，１０Ａ…複合糸、１２…炭素繊維糸、１２ａ…炭素繊維、１４…カバー、１４ａ…カバーリング糸、１６…複合糸構造体、１８…積層体、２４…ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック)、２６…炭素繊維糸構造体、２８…樹脂部、３６…樹脂繊維糸。

Claims (7)

1. 熱可塑性樹脂製のカバーリング糸が緯編みされた編み構造を有するカバーにより、連続した複数の炭素繊維を含む炭素繊維糸の周囲が覆われており連続した複合糸を織成することによって少なくとも一つの複合糸構造体を製造する複合糸構造体形成工程と、
   一つの前記複合糸構造体又は複数の前記複合糸構造体が積層されてなる積層体を、加熱及び加圧して、前記カバーリング糸を溶融することによって、前記炭素繊維糸が織成された状態の炭素繊維糸構造体を前記熱可塑性樹脂で埋設する加熱加圧工程と、
   を備える、炭素繊維強化プラスチックの製造方法。
2. 前記複合糸構造体を洗浄する洗浄工程を更に備え、
   前記洗浄工程前において、前記炭素繊維糸に含まれる複数の前記炭素繊維は、集束剤により集束されており、
   前記洗浄工程では、前記集束剤を除去し、
   前記加熱加圧工程では、前記洗浄工程で洗浄された一つの前記複合糸構造体又は前記積層体を熱プレス成形する、
   請求項１に記載の炭素繊維強化プラスチックの製造方法。
3. 連続した複数の炭素繊維を含む炭素繊維糸が織成された状態の炭素繊維糸構造体と、
   前記炭素繊維糸構造体を埋設する熱可塑性樹脂からなる樹脂部と、
   を備える炭素繊維強化プラスチック。
4. 複数の前記炭素繊維糸構造体を備え、
   複数の前記炭素繊維糸構造体は、積層されており、
   前記樹脂部は、積層された複数の前記炭素繊維糸構造体を埋設する、
   請求項３に記載の炭素繊維強化プラスチック。
5. 前記炭素繊維強化プラスチックにおける体積ボイド率が実質的に０％である、
   請求項３又は４に記載の炭素繊維強化プラスチック。
6. 前記炭素繊維強化プラスチックにおける繊維体積含有率が２０体積％以上である、
   請求項３〜５の何れか一項に記載の炭素繊維強化プラスチック。
7. 熱可塑性樹脂からなるカバーリング糸が緯編みされた編み構造を有するカバーにより、連続した複数の炭素繊維を含む炭素繊維糸の周囲が覆われた連続した複合糸が織成されてなる複合糸構造体を加熱及び加圧してなる成形体である、炭素繊維強化プラスチック。