JP2023005555A - 繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）に優れた繊維強化熱可塑性樹脂からなる成形体を提供すること。【解決手段】熱可塑性樹脂１と数平均繊維長が０．０５～２０ｍｍの繊維２とを含有し、前記繊維の含有率が１～７０質量％であり、厚さが０．５～２ｍｍである射出成形体からなる層が２層以上積層された積層成形体であり、前記積層成形体全体について、前記積層成形体の面方向に平行な方向への前記繊維の配向度が０．７５以上であり、各層の表面の少なくとも一部が互いに直接融着していることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体。【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体及びその製造方法に関する。

熱可塑性樹脂と炭素繊維等の強化繊維とを複合化した繊維強化熱可塑性樹脂からなる成形体は、軽量かつ高い力学特性を有しており、自動車や建材等、様々な分野で使用されている。このような繊維強化熱可塑性樹脂からなる成形体は、繊維強化熱可塑性樹脂が成形加工性に優れているため、射出成形により製造されることが多い。

例えば、特開２０１３－１３３３７８号公報（特許文献１）には、質量平均繊維長が１～１０ｍｍの炭素繊維を１０～７０質量％含む炭素繊維強化熱可塑性樹脂であって、熱可塑性樹脂中で炭素繊維が２次元ランダム配向しており、長さが３ｍｍ～３０ｍｍ、幅が１ｍｍ～１０ｍｍ、厚みが０．５ｍｍ～１０ｍｍの炭素繊維強化熱可塑性樹脂を射出成形することによって得られる、質量平均繊維長が０．４～１０ｍｍの炭素繊維を含む成形品が記載されている。しかしながら、この成形品においては、炭素繊維がランダムに分散しているため、大きな衝撃が加わるような用途においては、力学特性（特に、曲げ特性）が必ずしも十分なものではなかった。

一方、特開２０１６－９８２７１号公報（特許文献２）には、数平均繊維長が１μｍ以上５ｍｍ以下であり、数平均繊維径が５ｎｍ以上３０μｍ以下である不連続繊維及び熱可塑性樹脂を含む組成物を、塑性域において、ストロークに対する圧力の勾配が０Ｐａ／ｍｍ以上１．０Ｐａ／ｍｍ以下の条件で押出成形することによって得られる、不連続繊維が熱可塑性樹脂中に十分に配向しているプリプレグが記載されている。しかしながら、このプリプレグにおいては、不連続繊維が、その表面付近では一方向に配向しているものの、中心部ではランダムに分散しているため、大きな衝撃が加わるような用途においては、力学特性（特に、曲げ特性）が必ずしも十分なものではなかった。

また、特開２０００－１０８２３６号公報（特許文献３）には、強化繊維で補強した繊維強化熱可塑性樹脂層と熱可塑性樹脂層を交互に積層し、加圧プレス成形することによって得られる、強化繊維が配向している繊維強化熱可塑性樹脂積層板が記載されている。さらに、特開２０１６－１８００３７号公報（特許文献４）には、一方向に配向した平均繊維長が５～５０ｍｍの炭素繊維及び熱可塑性樹脂を含む層と、一方向に配向した連続した炭素繊維及び熱可塑性樹脂を含む層とを有する炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料を熱成形することによって得られる成形体が記載されている。しかしながら、これらの積層板や成形体においては、極めて薄い層を多量に積層して熱成形するため、面内全体にわたって均一に熱及び圧力を付与しても、各層でのたわみや高低差が生じることにより、繊維の向きにばらつきが生じやすく、特に、積層板や成形体の中心部における繊維の配向度は十分に高いものではなかった。このため、大きな衝撃が加わるような用途においては、力学特性（特に、曲げ特性）が必ずしも十分なものではなかった。また、これらの積層板や成形体は、射出成形により製造した積層体に比べて、コスト、賦形性、再加工性、多量生産（短時間での成形サイクル）、複雑な形状への適応性等に劣るものであった。さらに、厚さが２ｍｍを超える積層板や成形体を製造するには、極めて多くの層を積層して熱成形する必要があるため、製造工程が複雑化するだけでなく、均一なプレス成形を行っても、繊維を均質に配向することが一層困難となる傾向にあった。

特開２０１３－１３３３７８号公報 特開２０１６－９８２７１号公報 特開２０００－１０８２３６号公報 特開２０１６－１８００３７号公報

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）に優れた繊維強化熱可塑性樹脂からなる成形体及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、熱可塑性樹脂と強化繊維とを複合化した繊維強化熱可塑性樹脂を射出成形した場合、厚さが２ｍｍ以下の射出成形体においては、高い力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）が得られるのに対して、厚さが２ｍｍを超える単層の射出成形体においては、力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）が低下することを見出した。さらに、本発明者らは、厚さが２ｍｍ以下の射出成形体を重ね合わせたり、接着剤を用いて接着したりしても、得られる積層成形体においては、力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）が向上しないことも見出した。

そこで、本発明者らは、更に鋭意研究を重ねた結果、熱可塑性樹脂と強化繊維とを複合化した繊維強化熱可塑性樹脂からなる、厚さが２ｍｍ以下の射出成形体の上に、繊維強化熱可塑性樹脂を射出成形して、厚さが２ｍｍ以下の射出成形体を積層することによって、力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）に優れた積層成形体が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体は、熱可塑性樹脂と数平均繊維長が０．０５～２０ｍｍの繊維とを含有し、前記繊維の含有率が１～７０質量％であり、厚さが０．５～２ｍｍである射出成形体からなる層が２層以上積層された積層成形体であり、前記積層成形体全体について、前記積層成形体の面方向に平行な方向への前記繊維の配向度が０．７５以上であり、各層の表面の少なくとも一部が互いに直接融着していることを特徴とするものである。

本発明の繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体においては、前記積層成形体全体の厚さが２．０ｍｍ以上であることが好ましい。また、各層において、隣接する層と直接融着している層表面の割合が１０％以上であることが好ましい。さらに、前記繊維が炭素繊維であることが好ましい。

また、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体の製造方法は、熱可塑性樹脂と数平均繊維長が０．０５～２０ｍｍの繊維とを含有し、前記繊維の含有率が１～７０質量％であり、厚さが０．５～２ｍｍである下層の成形体を射出成形又は射出プレス成形した後、前記下層の成形体の表面上に、前記熱可塑性樹脂と前記繊維とを含有し、前記繊維の含有率が１～７０質量％であり、厚さが０．５～２ｍｍである上層の成形体を射出成形又は射出プレス成形することにより、前記成形体からなる層同士が、その層表面の少なくとも一部において、互いに直接融着している積層成形体を得ることを特徴とする方法である。

本発明の繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体の製造方法においては、前記下層の成形体を、表面温度が３０～２８０℃となるように加熱しながら、前記上層の成形体を射出成形又は射出プレス成形することが好ましく、前記下層の成形体を、表面温度が前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）より５～１００℃高い温度（Ｔｇ＋５℃～Ｔｇ＋１００℃）となるように予熱した後、前記上層の成形体を射出成形又は射出プレス成形することがより好ましい。

なお、本発明によって、力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）に優れた繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体が得られる理由は必ずしも定かではないが、本発明者らは以下のように推察する。すなわち、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体は、繊維強化熱可塑性樹脂からなる、厚さが２ｍｍ以下の射出成形体の上に、繊維強化熱可塑性樹脂を射出成形して、厚さが２ｍｍ以下の射出成形体を積層することによって得られるものである。繊維強化熱可塑性樹脂を厚さが２ｍｍ以下となるように射出成形した場合、繊維強化熱可塑性樹脂の流路が狭いため、繊維が一定の方向に揃いやすく、得られる射出成形体においては、図１に示すように、表面から中心部までの全体にわたって、熱可塑性樹脂１中で繊維２が成形体の面方向に平行な方向に高度に配向し、高い力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）が得られると推察される。そして、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体においては、このような射出成形体を射出成形により積層しているため、射出成形体からなる各層が、その表面の少なくとも一部において直接融着しているため、積層成形体全体として、高い力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）が得られると推察される。

一方、繊維強化熱可塑性樹脂を射出成形して作製した、厚さが２ｍｍを超える単層の成形体においては、繊維強化熱可塑性樹脂の流路が広いため、繊維の向きにばらつきが生じ、図２に示すように、熱可塑性樹脂１中で、繊維２は、成形体の表面付近においては成形体の面方向に平行な方向に配向しているものの、中心部においてはランダムに配向し、力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）が低下すると推察される。

また、繊維強化熱可塑性樹脂からなる、厚さが２ｍｍ以下の射出成形体を重ね合わせた場合には、射出成形体からなる各層が直接融着していないため、各層があたかも独立した成形体として振る舞い、力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）が向上しないと推察される。

さらに、繊維強化熱可塑性樹脂からなる、厚さが２ｍｍ以下の射出成形体を接着剤を用いて接着した場合においては、射出成形体からなる層と接着剤層との間に界面が生じるため、力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）が向上しないと推察される。

本発明によれば、力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）に優れた繊維強化熱可塑性樹脂からなる成形体を得ることが可能となる。

本発明の繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体の内部構造を示す模式図である。 繊維強化熱可塑性樹脂からなる従来の単層の成形体の内部構造を示す模式図である。 実施例で作製した繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体の製造工程を示す模式図である。

以下、本発明をその好適な実施形態に即して詳細に説明する。

〔繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体〕
先ず、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体について説明する。本発明の繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体（以下、単に「積層成形体」ともいう）は、熱可塑性樹脂と平均繊維長が０．０５～２０ｍｍの繊維とを含有し、前記繊維の含有率が１～７０質量％であり、厚さが０．５～２ｍｍである射出成形体からなる層が２層以上積層された積層成形体であり、前記積層成形体全体について、前記積層成形体の面方向に平行な方向への前記繊維の配向度が０．７５以上であり、各層の表面の少なくとも一部が互いに直接融着したものである。

本発明に用いられる熱可塑性樹脂としては特に制限はなく、例えば、ポリアミド、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニルアルコール、ポリスチレン、スチレン－ブタジエン系樹脂、アクリロニトリル－スチレン系樹脂、アクリロニトリル－ブタジエン－スチレン系樹脂、アクリル系樹脂、メタクリル系樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリアリレート、ポリフェニレンエーテル、ポリフェニレンスルフィド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリ乳酸等が挙げられる。これらの熱可塑性樹脂は１種を単独で使用しても２種以上を併用してもよい。また、これらの熱可塑性樹脂の中でも、ポリアミド、ポリプロピレンが好ましい。

本発明に用いられる繊維としては、繊維強化熱可塑性樹脂に用いられる強化繊維であれば特に制限はなく、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アルミナ繊維、炭化ケイ素繊維、窒化ホウ素繊維、金属繊維等の無機繊維、パルプ、リグニン、ヘミセルロース、セルロース、セルロースナノファイバー等の天然繊維、アラミド繊維、ビニロン繊維等の有機繊維等が挙げられる。これらの繊維は１種を単独で使用しても２種以上を併用してもよく、また、リサイクル繊維やリユース繊維を用いることもできる。これらの繊維の中でも、炭素繊維、ガラス繊維、パルプ、セルロースナノファイバーが好ましい。

本発明に用いられる繊維の数平均繊維長は、０．０５～２０ｍｍであることが必要であり、０．１０～２０ｍｍであることが好ましく、０．１５～１５ｍｍであることがより好ましく、０．２０～１０ｍｍであることが更に好ましく、０．２５～５ｍｍであることが特に好ましく、０．３～４ｍｍであることが最も好ましい。繊維の数平均繊維長が前記下限未満になると、アスペクト比が減少して繊維の配向がランダム配向となり、得られる積層成形体において、力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）が十分に向上しない傾向にあり、他方、前記上限を超えると、繊維の凝集や湾曲配向による力学特性のばらつきが増大し、得られる積層成形体において、力学特性に対する信頼性が低下する傾向にある。

本発明の積層成形体の各層を構成する射出成形体は、このような熱可塑性樹脂と繊維とを含有するものである。このような射出成形体において、繊維の含有率は、１～７０質量％であることが必要であり、２～６５質量％であることが好ましく、３～６０質量％であることがより好ましく、５～５０質量％であることが更に好ましい。繊維の含有率が前記下限未満になると、得られる積層成形体において、力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）が十分に向上しない傾向にある。他方、繊維の含有率が前記上限を超える射出成形体は、粘度上昇により繊維強化熱可塑性樹脂の流動性が低下し、射出成形性が低下する場合がある。

また、前記射出成形体の厚さは、０．５～２ｍｍであることが必要であり、０．６～１．９ｍｍであることが好ましく、０．７～１．８ｍｍであることがより好ましく、０．８～１．７ｍｍであることが更に好ましい。厚さが前記下限未満の射出成形体は、冷却固化により繊維強化熱可塑性樹脂の流動性が低下し、射出成形性が低下する場合がある。他方、射出成形体の厚さが前記上限を超えると、得られる積層成形体において、繊維の配向度が低下するため、力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）が十分に向上しない傾向にある。

本発明の積層成形体において、前記射出成形体からなる層の数は、２層以上であれば特に制限はなく、３層以上であってもよいが、生産性（総成形時間の短縮）の観点から、２層であることが好ましい。

また、本発明の積層成形体の全体の厚さとしては特に制限はないが、１．１ｍｍ以上が好ましく、１．２ｍｍ以上がより好ましく、１．５ｍｍ以上が更に好ましく、２．０ｍｍ以上がまた更に好ましく、２．５ｍｍ以上が特に好ましく、３．０ｍｍ以上が最も好ましい。特に、成形体全体の厚さが２．０ｍｍを超える場合には、単層で、力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）に優れた射出成形体を得ることが困難であり、前記射出成形体を射出成形により積層する必要がある。

本発明の積層成形体においては、積層成形体全体について、積層成形体の面方向に平行な方向への繊維の配向度が０．７５以上であることが必要であり、０．７６以上であることが好ましく、０．７７以上であることがより好ましく、０．７８以上であることが更に好ましい。繊維の配向度が前記下限未満になると、得られる積層成形体において、力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）が十分に向上しない傾向にある。

なお、繊維の配向度は以下の方法により求めることができる。すなわち、前記積層成形体において、５つの測定領域（縦２ｍｍ×横２ｍｍ）を無作為に抽出して切出し、これを試験片として、三次元計測Ｘ線ＣＴ装置を用いて、各試験片の３次元画像を取得する。得られた３次元画像について、ＣＴデータ解析ソフトウェアを用いて、繊維の配向解析を行い、各試験片における繊維の配向テンソル及びその最大固有値を算出する。ここで、繊維の配向テンソルの最大固有値は、繊維の配向の強さを表す尺度として用いることができる。したがって、本発明においては、これを繊維の配向度とし、５つの測定領域（試験片）のそれぞれにおいて面方向に平行な方向への繊維の配向度を求め、その平均値を積層成形体における面方向に平行な方向への繊維の配向度とする。なお、繊維の配向度の上限は１．０であり、これは、全ての繊維が積層成形体の面方向に平行な方向に配向していることを意味する。

また、本発明の積層成形体においては、前記射出成形体からなる各層が、その表面の少なくとも一部において互いに直接融着していることが必要であり、各層においては、隣接する層と直接融着している層表面の割合が１０％以上であることが好ましく、３０％以上であることがより好ましく、５０％以上であることが更に好ましく、９０％以上であることが特に好ましく、９５％以上であることが最も好ましい。隣接する層と直接融着している層表面の割合が前記下限未満になると、積層成形体全体として、力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）が十分に向上しない傾向にある。

〔繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体の製造方法〕
次に、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体の製造方法について説明する。本発明の繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体の製造方法は、熱可塑性樹脂と数平均繊維長が０．０５～２０ｍｍの繊維とを含有し、前記繊維の含有率が１～７０質量％であり、厚さが０．５～２ｍｍである下層の成形体を射出成形又は射出プレス成形した後、前記下層の成形体の表面上に、熱可塑性樹脂と数平均繊維長が０．０５～２０ｍｍの繊維とを含有し、前記繊維の含有率が１～７０質量％であり、厚さが０．５～２ｍｍである上層の成形体を射出成形又は射出プレス成形することにより、前記成形体からなる層同士が、その層表面の少なくとも一部において、互いに直接融着している積層成形体を得る方法である。また、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体の製造方法においては、このような射出成形又は射出プレス成形を繰返すことにより、前記成形体からなる層が３層以上積層された積層成形体を製造することも可能である。

本発明の繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体の製造方法においては、先ず、前記熱可塑性樹脂と前記繊維とを含有し、繊維の含有率が１～７０質量％であり、厚さが０．５～２ｍｍである下層の成形体を射出成形又は射出プレス成形（好ましくは、射出成形）により作製する。具体的には、前記熱可塑性樹脂と前記繊維とを含有し、繊維の含有率が１～７０質量％である繊維強化熱可塑性樹脂を、得られる下層の成形体の厚さが０．５～２ｍｍとなるように射出成形又は射出プレス成形（好ましくは、射出成形）することによって、前記下層の成形体を作製する。

前記繊維強化熱可塑性樹脂としては、前記熱可塑性樹脂と前記繊維とを所定の割合で含有するものであれば、特に制限はなく、市販の繊維強化熱可塑性樹脂であっても、成形直前に前記熱可塑性樹脂と前記繊維とを所定の割合で混合して調製したものであってもよい。

成形時に使用する金型としては特に制限はないが、射出成形と必要に応じて予熱とを行うことが可能な成形体の型を複数有する金型が好ましい。このような金型を用いることによって、一回の成形サイクルで複数の成形体の射出成形と必要に応じて予熱とを同時に実施することが可能である。また、コアバックシステムを採用した金型のように、成形体の厚さを変更することが可能な金型を用いることによって、下層の成形体を作製した後、金型の設定厚さを変更することによって、下層の成形体を金型から脱型せずに、上層の成形体を作製することが可能となる。

成形時の樹脂の溶融温度は、使用する樹脂に応じて適宜設定することができるが、１５０～４５０℃であることが好ましい。また、金型温度も、使用する樹脂に応じて適宜設定することができるが、３０～２８０℃であることが好ましく、４０～２００℃であることがより好ましく、５０～１５０℃であることが更に好ましい。

次に、このようにして作製した下層の成形体の表面上に、前記熱可塑性樹脂と前記繊維とを含有し、繊維の含有率が１～７０質量％であり、厚さが０．５～２ｍｍである上層の成形体を射出成形又は射出プレス成形（好ましくは、射出成形）により作製する。具体的には、前記下層の成形体の表面上に、前記熱可塑性樹脂と前記繊維とを含有し、繊維の含有率が１～７０質量％である前記繊維強化熱可塑性樹脂を、得られる上層の成形体の厚さが０．５～２ｍｍとなるように射出成形又は射出プレス成形（好ましくは、射出成形）することによって、前記上層の成形体を作製する。このように、下層の成形体の表面上に、射出成形又は射出プレス成形により上層の成形体を作製することによって、成形体からなる層同士を、その層表面の少なくとも一部において、互いに直接融着させることができ、力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）に優れた積層成形体を得ることができる。

成形時の樹脂の溶融温度は、使用する樹脂に応じて適宜設定することができるが、１５０～４５０℃であることが好ましい。また、金型温度も、使用する樹脂に応じて適宜設定することができるが、３０～２８０℃であることが好ましく、４０～２００℃であることがより好ましく、５０～１５０℃であることが更に好ましい。

また、上層の成形体を作製する際の下層の成形体の表面温度としては特に制限はないが、３０～２８０℃が好ましく、４０～２００℃がより好ましく、５０～１５０℃が更に好ましい。下層の成形体の表面温度が前記下限未満になると、成形体からなる層同士が十分に融着せず、積層成形体全体として、力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）が十分に向上しない傾向にあり、他方、前記上限を超えると、下層の成形体が熱変形して、繊維の配向が乱れるため、得られる積層成形体において、力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）が十分に向上しない傾向にある。

また、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体の製造方法においては、前記下層の成形体を、前記熱可塑性樹脂の融点や軟化点以下の温度で予熱した後、前記上層の成形体を射出成形又は射出プレス成形することが好ましい。これにより、成形体からなる層同士を、その層表面の少なくとも一部において、互いに直接融着させることができ、力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）に優れた積層成形体を得ることができる。

予熱温度として具体的には、下層の積層体の表面温度が、前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）より５～１００℃高い温度（Ｔｇ＋５℃～Ｔｇ＋１００℃）となる温度が好ましく、前記Ｔｇより１０～６０℃高い温度（Ｔｇ＋１０℃～Ｔｇ＋６０℃）となる温度がより好ましく、前記Ｔｇより１５～５０℃高い温度（Ｔｇ＋１５℃～Ｔｇ＋５０℃）となる温度が更に好ましく、前記Ｔｇより２０～４５℃高い温度（Ｔｇ＋２０℃～Ｔｇ＋４５℃）となる温度が特に好ましい。予熱温度が前記下限未満になると、成形体からなる層同士が十分に融着せず、積層成形体全体として、力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）が十分に向上しない傾向にあり、他方、前記上限を超えると、下層の成形体が熱変形して、繊維の配向が乱れるため、得られる積層成形体において、力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）が十分に向上しない傾向にある。

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
先ず、炭素繊維（ＣＦ）含有率が３０質量％の炭素繊維強化ポリアミド６（東レ株式会社製「長繊維ＣＦ強化６ナイロン トレカＴＬＰ１０６０」）にポリアミド６（東レ株式会社製「アミランＣＭ１００１」）を混合して、ＣＦ含有率が１０質量％の炭素繊維強化ポリアミド６を調製した。

次に、この炭素繊維強化ポリアミド６を用いて、溶融温度２８０℃、金型温度８０℃の条件で射出成形を行い、図３（Ａ）に示すように、厚さが２ｍｍの多目的試験片形状の下層用成形体３を作製した。得られた下層用成形体３を金型に挿入し、この下層用成形体３の表面温度が５０℃なるように加熱しながら、図（Ｂ）に示すように、前記炭素繊維強化ポリアミド６（ＣＦ含有率：１０質量％）を溶融温度２８０℃の条件で前記下層用成形体３の表面上に射出成形して、厚さが２ｍｍの上層の成形体４を積層し、図（Ｃ）に示すように、前記下層用成形体３と前記上層の成形体４とが直接融着している多目的試験片形状の積層成形体（全長：１７０ｍｍ、平行部の長さ：８０ｍｍ、端部の幅：２０ｍｍ、中央の平行部の幅：１０ｍｍ、厚さ：４ｍｍ）を作製した。

（実施例２）
ＣＦ含有率が３０質量％の炭素繊維強化ポリアミド６（東レ株式会社製「長繊維ＣＦ強化６ナイロン トレカＴＬＰ１０６０」）にポリアミド６（東レ株式会社製「アミランＣＭ１００１」）を混合して、ＣＦ含有率が２０質量％の炭素繊維強化ポリアミド６を調製した。

ＣＦ含有率が１０質量％の炭素繊維強化ポリアミド６の代わりに、この炭素繊維強化ポリアミド６（ＣＦ含有率：２０質量％）を用いた以外は実施例１と同様にして、前記下層用成形体３（厚さ：２ｍｍ）と前記上層の成形体４（厚さ：２ｍｍ）とが直接融着している多目的試験片形状の積層成形体（厚さ：４ｍｍ）を作製した。積層成形体を作製した。

（実施例３）
ＣＦ含有率が１０質量％の炭素繊維強化ポリアミド６の代わりに、ＣＦ含有率が３０質量％の炭素繊維強化ポリアミド６（東レ株式会社製「長繊維ＣＦ強化６ナイロン トレカＴＬＰ１０６０」）を、ポリアミド６を混合せずに、そのまま用いた以外は実施例１と同様にして、前記下層用成形体３（厚さ：２ｍｍ）と前記上層の成形体４（厚さ：２ｍｍ）とが直接融着している多目的試験片形状の積層成形体（厚さ：４ｍｍ）を作製した。

（実施例４）
下層用成形体を金型に挿入し、この下層用成形体の表面温度が８０℃なるように予熱した後、前記炭素繊維強化ポリアミド６（ＣＦ含有率：３０質量％）を溶融温度２８０℃の条件で前記下層用成形体の表面上に射出成形した以外は実施例３と同様にして、前記下層用成形体３（厚さ：２ｍｍ）と前記上層の成形体４（厚さ：２ｍｍ）とが直接融着している多目的試験片形状の積層成形体（厚さ：４ｍｍ）を作製した。

（比較例１）
実施例１と同様にして調製した炭素繊維強化ポリアミド６（ＣＦ含有率：１０質量％）を用いて、溶融温度２８０℃、金型温度８０℃の条件で射出成形を行い、多目的試験片形状の単層の成形体（全長：１７０ｍｍ、平行部の長さ：８０ｍｍ、端部の幅：２０ｍｍ、中央の平行部の幅：１０ｍｍ、厚さ：４ｍｍ）を作製した。

（比較例２）
実施例２と同様にして調製した炭素繊維強化ポリアミド６（ＣＦ含有率：２０質量％）を用いて、溶融温度２８０℃、金型温度８０℃の条件で射出成形を行い、多目的試験片形状の単層の成形体（全長：１７０ｍｍ、平行部の長さ：８０ｍｍ、端部の幅：２０ｍｍ、中央の平行部の幅：１０ｍｍ、厚さ：４ｍｍ）を作製した。

（比較例３）
ＣＦ含有率が３０質量％の炭素繊維強化ポリアミド６（東レ株式会社製「長繊維ＣＦ強化６ナイロン トレカＴＬＰ１０６０」）を用いて、溶融温度２８０℃、金型温度８０℃の条件で射出成形を行い、多目的試験片形状の単層の成形体（全長：１７０ｍｍ、平行部の長さ：８０ｍｍ、端部の幅：２０ｍｍ、中央の平行部の幅：１０ｍｍ、厚さ：４ｍｍ）を作製した。

（比較例４）
ＣＦ含有率が３０質量％の炭素繊維強化ポリアミド６（東レ株式会社製「長繊維ＣＦ強化６ナイロン トレカＴＬＰ１０６０」）を用いて、溶融温度２８０℃、金型温度８０℃の条件で射出成形を行い、厚さが２ｍｍの多目的試験片形状の成形体を２枚作製した。この２枚の成形体を重ね合わせて、多目的試験片形状の積層成形体（全長：１７０ｍｍ、平行部の長さ：８０ｍｍ、端部の幅：２０ｍｍ、中央の平行部の幅：１０ｍｍ、厚さ：４ｍｍ）を作製した。

（比較例５）
比較例４と同様にして、厚さが２ｍｍの多目的試験片形状の成形体を２枚作製した。この２枚の成形体を、接着剤（セメダイン株式会社製「ＳｕｐｅｒＸ」）を用いて接着し、多目的試験片形状の積層成形体（全長：１７０ｍｍ、平行部の長さ：８０ｍｍ、端部の幅：２０ｍｍ、中央の平行部の幅：１０ｍｍ、厚さ：４ｍｍ）を作製した。

＜繊維の数平均繊維長＞
得られた多目的試験片形状の積層成形体の平行部から試験片（縦１０ｍｍ×横１０ｍｍ×厚さ４ｍｍ）を切出し、空気気流下、５００℃で加熱して樹脂部を灰化除去した。残存した繊維を撮影し、画像解析ソフトを用いて、無作為に抽出した６千本の繊維について繊維長を測定して、その数平均値を求め、これを繊維の数平均繊維長とした。その結果を表１に示す。

＜積層成形体における繊維の配向度＞
得られた積層成形体から、無作為に抽出した５つの測定領域（縦２ｍｍ×横２ｍｍ）を切出し、これを試験片（縦２ｍｍ×横２ｍｍ×厚さ４ｍｍ）として、三次元計測Ｘ線ＣＴ装置（ヤマト科学株式会社製「ＴＤＭ１０００Ｈ－ＩＩ」）を用いて、各試験片の３次元画像を取得した。得られた３次元画像について、ＣＴデータ解析ソフトウェア（ボリュームグラフィックス株式会社製「ＶＧＳＴＵＤＩＯ ＭＡＸ」）を用いて、繊維の配向解析を行い、各試験片における繊維の配向テンソル及びその最大固有値を算出した。繊維の配向テンソルの最大固有値は、繊維の配向の強さを表す尺度として用いることができ、本発明においては、これを繊維の配向度とした。５つの測定領域（試験片）のそれぞれにおいて面方向に平行な方向への繊維の配向度を求め、その平均値を積層成形体における面方向に平行な方向への繊維の配向度とした。その結果を表１に示す。

＜融着領域の割合＞
得られた積層成形体の積層間を剥離し、剥離面をデジタル式マイクロスコープ（キーエンス株式会社製「ＶＨＸ－７０００）を用いて観察し、剥離面の輝度の差に基づいて融着領域を特定し、剥離面全体に占める融着領域の割合を求めた。その結果を表１に示す。

＜曲げ弾性率及び曲げ強度＞
得られた積層成形体を用いて、試験速度：２ｍｍ／ｍｉｎ、支持間距離：６４ｍｍ、温度：２３℃で３点曲げ試験を行い、曲げ弾性率及び曲げ強さを測定した。その結果を表１に示す。

表１に示したように、熱可塑性樹脂と炭素繊維とを含有する、特定の厚さの下層用成形体を射出成形した後、この下層用成形体上に、熱可塑性樹脂と炭素繊維とを含有する、特定の厚さの上層の成形体を射出成形することによって、面方向への炭素繊維の配向度が高く、力学特性（特に、曲げ特性）に優れた積層成形体が得られることがわかった（実施例１～４）。

また、下層用成形体を所定の温度に予熱した後、上層の成形体を射出成形した場合（実施例４）には、下層用成形体を所定の温度に予熱しなかった場合（実施例３）に比べて、力学特性（特に、曲げ特性）が向上することがわかった。

一方、熱可塑性樹脂と炭素繊維とを含有する単層の射出成形体（比較例１～３）は、実施例１～３で得られた積層成形体に比べて、面方向への炭素繊維の配向度が低く、力学特性（特に、曲げ特性）に劣ることがわかった。

また、熱可塑性樹脂と炭素繊維とを含有する、特定の厚さの射出成形体を、重ね合わせた場合（比較例４）や、接着剤により接着した場合（比較例５）には、面方向への炭素繊維の配向度が高い積層成形体が得られるものの、この積層成形体は、実施例１～３で得られた積層成形体に比べて、力学特性（特に、曲げ特性）に劣ることがわかった。

以上説明したように、本発明によれば、力学特性（特に、曲げ弾性率及び曲げ強度）に優れた繊維強化熱可塑性樹脂からなる成形体を得ることが可能となる。したがって、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体は、大きな衝撃が加わるような部材、例えば、自動車用部材、電車用部材、航空宇宙用部材、産業機械用部材、建築用部材、家電用素材、スポーツ・レジャー用素材、圧力容器、保護具用素材等として特に有用である。

１：熱可塑性樹脂、２：繊維、３：下層用成形体、４：上層の成形体

Claims (7)

1. 熱可塑性樹脂と数平均繊維長が０．０５～２０ｍｍの繊維とを含有し、前記繊維の含有率が１～７０質量％であり、厚さが０．５～２ｍｍである射出成形体からなる層が２層以上積層された積層成形体であり、
   前記積層成形体全体について、前記積層成形体の面方向に平行な方向への前記繊維の配向度が０．７５以上であり、
   各層の表面の少なくとも一部が互いに直接融着していることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体。
2. 前記積層成形体全体の厚さが２．０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体。
3. 各層において、隣接する層と直接融着している層表面の割合が１０％以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体。
4. 前記繊維が炭素繊維であることを特徴とする請求項１～３のうちのいずれか一項に記載の繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体。
5. 熱可塑性樹脂と数平均繊維長が０．０５～２０ｍｍの繊維とを含有し、前記繊維の含有率が１～７０質量％であり、厚さが０．５～２ｍｍである下層の成形体を射出成形又は射出プレス成形した後、前記下層の成形体の表面上に、前記熱可塑性樹脂と前記繊維とを含有し、前記繊維の含有率が１～７０質量％であり、厚さが０．５～２ｍｍである上層の成形体を射出成形又は射出プレス成形することにより、前記成形体からなる層同士が、その層表面の少なくとも一部において、互いに直接融着している積層成形体を得ることを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体の製造方法。
6. 前記下層の成形体を、表面温度が３０～２８０℃となるように加熱しながら、前記上層の成形体を射出成形又は射出プレス成形することを特徴とする請求項５に記載の繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体の製造方法。
7. 前記下層の成形体を、表面温度が前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）より５～１００℃高い温度（Ｔｇ＋５℃～Ｔｇ＋１００℃）となるように予熱した後、前記上層の成形体を射出成形又は射出プレス成形することを特徴とする請求項５又は６に記載の繊維強化熱可塑性樹脂積層成形体の製造方法。

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