JP2023014995A - 炭素繊維不織布プリプレグ、その製造方法及びこれを用いた炭素繊維強化樹脂成形体 - Google Patents

Abstract

【課題】連続炭素繊維を含むプリプレグと同様な使い方ができ、取り扱い性も良好な炭素繊維不織布プリプレグ、その製造方法及びこれを用いた繊維強化樹脂成形体を提供する。【解決手段】不連続炭素繊維を含む炭素繊維不織布シートと、樹脂を含む炭素繊維不織布プリプレグであって、前記炭素繊維不織布シートは、繊維が配向された矩形の繊維ウェブが、２枚以上積層されており、前記炭素繊維不織布シートには、樹脂が一体化される。このプリプレグは、不連続炭素繊維を含む繊維をカード機で開繊し、実質的に一方向に繊維を配向させて繊維ウェブとし、繊維ウェブを積層させ積層ウェブとし、両端をカットして炭素繊維不織布シート１５とし、樹脂を含浸あるいは樹脂シート１８ａ，１８ｂで挟んで製造する。【選択図】図４

Description

本発明は、不連続の炭素繊維を含む不織布プリプレグ、その製造方法及びこれを用いた繊維強化樹脂成形体に関する。

炭素繊維とマトリックス樹脂からなる炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）は、軽量で比強度、比弾性率が高く、力学的特性に優れ、耐候性、耐薬品性も高いことから、航空機、自動車、タンク、コンクリート補強材、スポーツ用途等様々な用途に使用され、あるいは適用することが検討されている。ＣＦＲＰの製造の際には炭素繊維シートの切断などにより端材が発生し、有効活用が問題となる。また、ＣＦＲＰ成形体を処分する際も炭素繊維の有効活用（リサイクル）が問題となる。

廃ＣＦＲＰから炭素繊維を取り出す方法として、焼成法、溶解法などがあり、特許文献１には溶解法が提案されている。これは樹脂を溶かす方法であり、高品質なリサイクル炭素繊維を得ることができる。しかし、溶解処理後の炭素繊維は不連続となり、綿状に絡まり合った状態であり、そのままではＣＦＲＰに再生することは難しい。リサイクル炭素繊維をＣＦＲＰに再生する方法として、特許文献２～４には乾式法（カード）で開繊することが提案されている。本出願人らも特許文献５において、カード機で開繊することを提案している。

特開２００７－２９７６４１号公報 再表２０１２－０８６６８２号公報 特表２０１３－５１９５４６号公報 特開２０１４－０２５１７５号公報 特開２０１６－１５１０８１号公報

しかし、従来の特許文献２～４の技術では、連続炭素繊維シートと同様な使い方をした成形品を得るための繊維が所定の方向に配向した長尺状の炭素繊維不織布シートを作製することに問題があり、特許文献５の技術では高配向であるが、取り扱い性が困難であるという問題があった。

本発明は、前記従来の問題を解決するため、連続炭素繊維を含むプリプレグと同様な使い方ができ、取り扱い性も良好な炭素繊維不織布プリプレグ、その製造方法及びこれを用いた繊維強化樹脂成形体を提供する。

本発明の炭素繊維不織布プリプレグは、不連続炭素繊維を含む炭素繊維不織布シートと樹脂からなる炭素繊維不織布プリプレグであって、前記炭素繊維不織布シートは、繊維が配向された矩形の繊維ウェブが、２枚以上積層されており、前記炭素繊維不織布シートには、樹脂が一体化されることを特徴とする。ここでいう矩形とは、角の角度が必ずしも９０°でなくてもよく、台形や平行四辺形を含む。

本発明の第１番目の炭素繊維不織布プリプレグの製造方法は、不連続炭素繊維を含む繊維をカード機で開繊し、実質的に一方向に繊維を配向させて繊維ウェブとし、前記繊維ウェブをローラに巻き付けて積層し、積層した繊維ウェブを切り開き、ローラ巻取式パラレルウェブとし、両端をカットして炭素繊維不織布シートとし、前記炭素繊維不織布シートに樹脂を含浸することを特徴とする。前記積層された繊維ウェブは、矩形となっており、パラレルウェブである。

本発明の第２番目の炭素繊維不織布プリプレグの製造方法は、不連続炭素繊維を含む繊維をカード機で開繊し、実質的に一方向に繊維を配向させて繊維ウェブとし、幅方向又は斜め方向にカットして矩形の繊維ウェブとし、前記矩形の繊維ウェブを積層してパラレルウェブ及びクロスウェブから選ばれる少なくとも一つの長尺状ウェブとし、前記長尺状ウェブの両端をカットして炭素繊維不織布シートとし、前記炭素繊維不織布シートに樹脂を含侵することを特徴とする。

本発明の繊維強化樹脂成形体は、炭素繊維不織布シートとマトリックス樹脂を含む繊維強化樹脂成形体であって、前記成形体のマトリックス樹脂は、前記の炭素繊維不織布プリプレグに含まれる樹脂を少なくとも一部に含むことを特徴とする。

本発明の炭素繊維不織布プリプレグは、不連続炭素繊維を含む炭素繊維不織布シートと樹脂からなる炭素繊維不織布プリプレグであって、前記炭素繊維不織布シートは、繊維が配向された矩形の繊維ウェブが、２枚以上積層されており、前記炭素繊維不織布シートには、樹脂が一体化されることにより、連続炭素繊維のプリプレグと同様な使い方ができ、取り扱い性も良好である。本発明の製造方法は、前記炭素繊維不織布シートを乾式法で製造することができ、効率よく合理的に本発明の炭素繊維不織布プリプレグを製造できる。また、本発明の繊維強化樹脂成形体は前記の炭素繊維不織布シートとマトリックス樹脂を含むことにより、繊維の配向方向の引張強度が高い繊維強化樹脂成形体とすることができる。

図１は本発明の一実施形態のカード機の模式的断面図である。 図２は同、カード機で得られた矩形の繊維ウェブの端部をずらせて積層し、長尺状ウェブとした模式的説明図である。 図３は本発明の一実施形態の炭素繊維不織布シートの模式的斜視図である。 図４は本発明の一実施形態の炭素繊維不織布プリプレグの製造工程を示す模式的断面図である。 図５は同、炭素繊維の繊維ウェブの表面写真である。 図６は同、炭素繊維の繊維ウェブの表面拡大写真である。 図７は同、炭素繊維の繊維ウェブの端部をずらせて積層した部分を示す表面写真である。 図８は本発明の別の実施形態の長尺状クロスウェブの模式的斜視図である。

本発明の炭素繊維不織布プリプレグは、不連続炭素繊維を含む炭素繊維不織布シートと樹脂からなる炭素繊維不織布プリプレグである。前記炭素繊維不織布シートは、所定の方向に繊維が配向された矩形の繊維ウェブが２枚以上積層された積層ウェブとなり、前記炭素繊維不織布シートには、樹脂が一体化される。本発明の炭素繊維不織布シートは、不連続炭素繊維を一成分とする炭素繊維不織布シートである。これにより、繊維強化樹脂成形体としたときに繊維の配向方向に強度が高く、品質の高い繊維強化樹脂成形体が得られる。前記において所定の方向とは、繊維ウェブの長さ方向のことをいう。

前記炭素繊維不織布シートは、パラレルウェブ及びクロスウェブから選ばれる少なくとも一つの炭素繊維不織布シートが好ましい。これらの炭素繊維不織布シートは所定の方向に繊維が配向し、繊維強化樹脂成形体としたときに繊維の配向方向に強度が高く、品質の高い繊維強化樹脂成形体が得られる。具体的にはパラレルウェブの炭素繊維不織布シートは、構成繊維が実質的に一方向に配向している。クロスウェブの炭素繊維不織布シートは、矩形の繊維ウェブの積層方向を変えることにより、構成繊維は矩形の繊維ウェブの積層方向に沿って配向している。

前記矩形の繊維ウェブは、端部をずらせて積層され、長尺状ウェブに形成されているのが好ましい。前記矩形の繊維ウェブは、幅は同一であるので、端部を所定の長さずらせて積層すると、積層数が同一の長尺状ウェブが得られる。前記長尺状ウェブは、積層数も長さも任意とすることができる。前記長尺状ウェブの両端をカットして炭素繊維不織布シートとし、前記炭素繊維不織布シートに樹脂を含浸させることで炭素繊維不織布プリプレグが得られる。この炭素繊維不織布プリプレグは連続炭素繊維プリプレグと同様な使い方ができる。すなわち、真空バッグ法、加圧バッグ法、オートクレーブ法、ホットプレス法、シートワインド法、引抜成形法などで成形されるが、本発明の炭素繊維不織布プリプレグも同様な使い方ができる。一例として、矩形の繊維ウェブを繊維配向が同一になるように、端部を所定の長さずらせて積層した長尺状パラレルウェブから、両端をカットして得られた炭素繊維不織布シートに、マトリックス樹脂としてエポキシ樹脂を用いた場合、前記炭素繊維不織布プリプレグから得られる炭素繊維強化樹脂の炭素繊維の配向方向の引張強度は３４０ＭＰａ以上となり、アルミ合金Ａ２０２４(超ジュラルミン)に匹敵するレベルとなる。

前記炭素繊維不織布シートは、不織布シートを母数としたとき、不連続炭素繊維が５０～１００質量％、炭素繊維以外の強化繊維が０～５０質量％であるのが好ましく、より好ましく不連続炭素繊維が７０～１００質量％、炭素繊維以外の強化繊維が０～３０質量％はであり、さらに好ましくは不連続炭素繊維が９０～１００質量％、炭素繊維以外の強化繊維が０～１０質量％である。強化繊維としては、強度：１８ｃＮ／decitex以上、弾性率：３８０ｃＮ／decitex以上の高強度かつ高弾性有機繊維であるのが好ましい。具体的には、アラミド（パラ系、メタ系を含む）繊維、ポリアリレート繊維、ポリ（ｐ－フェニレンベンゾビスオキザール）（ＰＢＯ）繊維、ポリ（ｐ－フェニレンベンゾビスチアゾール）（ＰＢＺＴ）繊維、高分子量ポリエチレン繊維、ポリエーテルエーテルケトン繊維、ポリビニルアルコール繊維などが好ましい。

以下、不連続炭素繊維を成分とする炭素繊維不織布シートを例に挙げて説明する。繊維ウェブは、カード機の開繊装置上で開繊された炭素繊維が、実質的に一方向に配向されている。開繊装置はシリンダ又はベルトコンベアが好ましい。シリンダ又はベルトコンベア上には多数の金属製針が備えられているが、炭素繊維はこの多数の金属製針の間に、開繊されかつ実質的に一方向に配向されて、剥ぎ取られる。これにより一方向に配向した繊維ウェブが得られる。繊維ウェブは、幅方向または斜め方向にカットされ矩形の繊維ウェブとなる。シリンダ又はベルトコンベア幅及び直径又は長さは様々なものを選択できるので、生産量に見合ったものを選択して使用する。

炭素繊維不織布シートの単位面積当たりの質量は１～１０００ｇ／ｍ^２であり、より好ましくは５～５００ｇ／ｍ^２であり、さらに好ましくは１０～３００ｇ／ｍ^２である。繊維ウェブの単位面積当たりの質量は０．１～１００ｇ／ｍ^２が好ましく、より好ましくは０．５～５０ｇ／ｍ^２であり、さらに好ましくは１～３０ｇ／ｍ^２である。前記の範囲であれば、成形に都合が良い。

前記矩形の繊維ウェブの積層数は２～１００枚であるのが好ましく、より好ましくは５～５０枚であり、さらに好ましくは１０～４０枚である。前記の積層数であれば、単位面積当たりの質量も高くでき、強度の高い炭素繊維強化樹脂成形体ができる。

前記矩形の繊維ウェブの端部は１枚当たり１～１０００ｍｍずらせて積層されているのが好ましく、より好ましくは５～５００ｍｍであり、さらに好ましくは１０～３００ｍｍである。前記のずらせ量であれば、均一な長尺状ウェブとすることができる。ここで長尺状とは、理論的には無限であるが、実用上は１～２５ｍ程度である。

本発明において、「実質的に一方向に配向」とは、５０質量％以上が±１０度以内の角度で配向されていることをいう。したがって、矩形の繊維ウェブを構成する繊維は、５０質量％以上が±１０度以内の角度で配向されていることが好ましく、さらに好ましくは６０質量％以上が±１０度以内の角度で配向されており、より好ましくは７０質量％以上が±１０度以内の角度で配向されている。前記の範囲であれば、配向性が高く、強度が高く、品質の高い繊維強化樹脂成形体が得られる。

前記矩形の繊維ウェブは、荷重５００Ｐａをかけたときの平均密度が０．０１～０．４０ｇ／ｃｍ^３であることが好ましく、さらに好ましい平均密度は０．０２～０．２０ｇ／ｃｍ^３であり、より好ましくは０．０３～０．１５ｇ／ｃｍ^３である。前記の範囲であれば、成形に都合が良い。

前記矩形の繊維ウェブを構成する繊維の繊維長は任意とすることができるが、好ましくは繊維長分布が１～３００ｍｍであり、より好ましくは５～２００ｍｍであり、さらに好ましくは１０～１５０ｍｍである。前記の範囲であれば、品質的に問題はなく、成形に都合が良い。

前記矩形の繊維ウェブの大きさは、炭素繊維不織布シートの長さ方向（ＭＤ）の長さが３０～５０００ｍｍであり、ＭＤと直交する方向（ＣＤ）の長さは２０～３０００ｍｍが好ましい。前記の範囲であれば、品質的に問題はなく、成形に都合が良い。

前記炭素繊維不織布シートに含む一成分の炭素繊維は、リサイクルされた炭素繊維が好ましいが、新規の炭素繊維を切断したもの、ＣＦＲＰの製造の際の炭素繊維シートの切断などにより端材として発生したものなど、どのようなものでも使用できる。炭素繊維の原料は、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系、ピッチ系等どのようなものでもよい。また、本発明の炭素繊維不織布シートと別の方法で作成された炭素繊維シート（例えば連続繊維シート、炭素繊維織物など）とを積層してプリプレグにすることもできる。

前記炭素繊維不織布プリプレグと別の方法で作成された炭素繊維シート（例えば連続繊維シート）もしくは別の方法で作成されたプリプレグとを積層して成形することもできる。

前記樹脂は、熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂から選ばれる少なくとも一つの樹脂であり、前記炭素繊維不織布シートに含侵又は溶融固化状態で一体化されることが好ましい。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂などがある。これらの樹脂は硬化剤と配合して使用される。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン樹脂、ナイロン６、ナイロン６６などのポリアミド樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリプチレンテレフタレートなどのポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂などがある。

前記繊維と樹脂との割合は、繊維５～７０体積％、樹脂９５～３０体積％が好ましく、より好ましくは繊維１０～６５体積％、樹脂９０～３５体積％であり、さらに好ましくは繊維１５～６０体積％、樹脂８５～４０体積％である。前記の範囲であれば、樹脂を繊維強化樹脂成形体のマトリックス樹脂の少なくとも一部として使用できる。

成形時の脱気性が向上するため、前記樹脂は炭素繊維不織布シートに半含浸されることが好ましい。

次に本発明の第１番目の炭素繊維不織布プリプレグの製造方法について説明する。
（１）繊維ウェブ形成工程
不連続炭素繊維を含む繊維をカード機で開繊し、実質的に一方向に繊維を配向させて繊維ウェブとする。必要に応じてサイジング剤を付与してもよい。炭素繊維以外の強化繊維を加える場合は、この工程で加えて混合する。
（２）パラレルウェブ形成工程
前記繊維ウェブをローラに巻き付けて積層し、積層した繊維ウェブを切り開き、ローラ巻取式パラレルウェブとする。
（３）不織布形成工程
前記ローラ巻取式パラレルウェブの両端をカットして炭素繊維不織布シートとする。
（４）樹脂一体化工程
前記炭素繊維不織布シートを樹脂シートで挟み、熱プレスする。これにより炭素繊維不織布シートに樹脂が含侵又は溶融固化状態で一体化した炭素繊維不織布プリプレグとなる。また、炭素繊維不織布シートを樹脂シートで挟む際に、サイジング剤の付与や、炭素繊維不織布シートを複数枚積層させてもよい。

本発明の第２番目の炭素繊維不織布プリプレグの製造方法は次のとおりである。
（１）繊維ウェブ形成工程
不連続炭素繊維を含む繊維をカード機で開繊し、実質的に一方向に炭素繊維を配向させて繊維ウェブとする。必要に応じてサイジング剤を付与してもよい。炭素繊維以外の強化繊維を加える場合は、この工程で加えて混合する。
（２）第１カット工程
前記繊維ウェブは長尺状で得られるので、幅方向又は斜め方向にカットして矩形とする。幅方向又は斜め方向にカットする方法は特に限定されないが、例えば同一速度で動くカッターでカットしてもよい。もしくは、長尺状の繊維ウェブを静置でカットする方法がある。このようにして矩形の繊維ウェブとする。
（３）積層工程
前記矩形の繊維ウェブの端部をずらせて積層し、長尺状ウェブとする。
（４）第２カット工程
前記長尺状ウェブの両端をカットして本発明の炭素繊維不織布シートを得る。ここでいう両端とは先端部と後端部の不均一積層部分をいう。前記長尺状ウェブは必要に応じて所定の長さにカットしてもよい。
（５）樹脂一体化工程
前記炭素繊維不織布シートを樹脂シートで挟み、熱プレスする。これにより炭素繊維不織布シートに樹脂が含侵又は溶融固化状態で一体化した炭素繊維不織布プリプレグとなる。また、炭素繊維不織布シートを樹脂シートで挟む際に、サイジング剤の付与や、炭素繊維不織布シートを複数枚積層させてもよい。

本発明の繊維強化樹脂成形体は、炭素繊維不織布シートとマトリックス樹脂を含む繊維強化樹脂成形体であって、前記成形体のマトリックス樹脂は、前記プリプレグに含まれる樹脂を少なくとも一部に含む。繊維強化樹脂成形体の成形時には、新たな樹脂を追加することもできる。本発明の炭素繊維不織布プリプレグを用いた成形法としては、真空バッグ法、加圧バッグ法、オートクレーブ法、ホットプレス法、シートワインド法、引抜成形法などが採用できる。

以下、図面を用いて説明する。以下の図面において、同一符号は同一物を示す。図１は本発明の一実施例のカード機１の模式的断面図である。このカード機１は、不連続炭素繊維２がフィードローラ３ａ，３ｂから供給され、テーカインローラ４を通過し、シリンダ５とワーカ６ａ，７ａ、及びストリッパ６ｂ，７ｂの協働により開繊され、ドッファ８を通過し、振動コム９により剥ぎ取られ、繊維ウェブとして取り出す。１１は基台である。繊維ウェブは不連続繊維の炭素繊維が開繊され、一方向に配列し、長尺状である。この繊維ウェブは排出ベルト１２から取り出される。その際には一例として繊維ウェブと同速度で移動するカッター１３で幅方向にカットされ、矩形の繊維ウェブ１０として取り出される。

図２は同、カード機で得られた矩形の繊維ウェブ１０の端部をずらせて積層し、長尺状ウェブ１４、２４とした模式的説明図である。この長尺状ウェブ１４、２４を所定の長さにカットし炭素繊維不織布シート１５とする。炭素繊維不織布シート１５は単位面積当たりの質量が安定し、多数枚作成しても各々の炭素繊維不織布シート１５はほぼ均一な質量となる。両端はカットされ、再度カード機に供給して炭素繊維不織布シート１５としてもよい。矢印は進行方向である。

図３は本発明の一実施形態の長尺状パラレルウェブ１４の模式的斜視図である。長尺状パラレルウェブ１４を構成する各炭素繊維１６は一方向に配列している。矩形の繊維ウェブ１０ａ－１０ｉ…が端部をずらせて同じ方向で積層されている。矩形の繊維ウェブ１０ｆを含む左側(矢印カット線１７から左側)が均一な積層数の炭素繊維不織布シートとなる。この例では６層である。矢印ＭＤは炭素繊維不織布シートの長さ方向（ＭＤ）を示している。

図４は本発明の一実施形態の炭素繊維不織布プリプレグ２１の製造工程を示す模式的断面図である。炭素繊維不織布シート１５の両面に樹脂シート１８ａ，１８ｂと、その外側から剥離シート１９ａ，１９ｂを貼り合わせ、加熱加圧ローラ２０ａ，２０ｂで熱プレスし、樹脂を低粘度化し、炭素繊維不織布シート１５を構成する炭素繊維群と一体化する。得られた炭素繊維不織布プリプレグ２１は取り扱い性が良く、ロール状態の巻き上げ体２２にする。

図５は本発明の一実施形態の繊維ウェブの表面写真、図６は同、繊維ウェブの表面拡大写真、図７は矩形の繊維ウェブの端部をずらせて積層した部分を示す表面写真である。２３ａ，２３ｂは積層部分である。積層数は、右側１枚、中２枚、左側３枚である。

図８は本発明の別の実施形態の長尺状クロスウェブ２４の模式的斜視図の一例である。矩形の繊維ウェブ１０ａ－１０ｉ…が、１枚ずつ繊維方向が０°と９０°となるように交互に、かつ端部をずらせて積層されている。例えば矩形の繊維ウェブ１０ａの繊維方向は０°、矩形の繊維ウェブ１０ｂの繊維方向は９０°に配向されている。これにより、長さ方向と幅方向の強度が高くなる。繊維を縦、横、斜めに配向させれば、それぞれの方向の強度が高くなる。
図３と同様に、繊維ウェブ１０ｆを含む左側(矢印カット線１７から左側)が均一な積層数の炭素繊維不織布シートとなる。この例では６層である。矢印ＭＤは炭素繊維不織布シートの長さ方向（ＭＤ）を示している。

以下、実施例を用いてさらに具体的に説明する。なお、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
＜試験片の引張試験＞
ＡＳＴＭ Ｄ３０３９(２０１７)を参考にし、インストロン万能試験機 モデル５９８２を使用し、ロードセル１００ｋＮ、引張速度１．０ｍｍ／ｓｅｃ、で炭素繊維強化樹脂成形体の引張強度を測定した。

（実施例１）
繊維トウ廃材から溶解法によりリサイクルされた炭素繊維（東レ社製、商品名“Ｔ８００Ｓ”、繊維長８０ｍｍ）を、ワイヤーカード機へ投入して、幅３０ｃｍの繊維ウェブを得た。繊維ウェブは目付２．２ｇ／ｍ^２で、繊維ウェブをローラに巻き付けて積層し、積層した繊維ウェブを切り開き、平均目付４２ｇ／ｍ^２のローラ巻取式パラレルウェブの炭素繊維不織布シートを得た。この炭素繊維不織布シートを構成する炭素繊維はマイクロスコープの画像を観察したところ、５０質量％以上が±１０度以内の角度で配向されていた。得られた炭素繊維不織布シートを長さ方向２５０ｍｍ、幅方向１５０ｍｍ程度にトリムして、サイズ剤を付与し（平均７ｗｔ％）、乾燥させて基材を作製した。この基材を５枚積層し、シート状にしたエポキシ樹脂（１８０℃硬化、目付５７９．６ｇ／ｍ^２）で挟み、熱プレスで１００℃、０．３ＭＰａの条件で１０分プレスし、樹脂シートと基材を一体化させた炭素繊維不織布プリプレグを得た。プリプレグを２層積層し、バギングしてオートクレーブに入れ、０．５ＭＰａで加圧しながら、１２０℃で１５分加熱後、１８０℃で２時間加熱して、炭素繊維強化樹脂成形体の母板を成形した。母板の厚さは１．８ｍｍ、密度は１．３２ｇ／ｃｍ^３、繊維体積含有率は１９％だった。この母板から縦２３０ｍｍ、横２５ｍｍの試験片を切り出した。その物性は表１にまとめて示す。

（実施例２）
実施例１と同じ原料から目付２．２ｇ／ｍ^２の繊維ウェブを得た。繊維ウェブを長さ５０ｃｍで幅方向にカットして矩形の繊維ウェブとした。カットした端部を３．１ｃｍずつずらして矩形の繊維ウェブを３２枚積層し、平均目付３５ｇ／ｍ^２の炭素繊維不織布シートを得た。実施例１と同様の操作を行い、得られた基材を１０枚積層し、シート状にしたエポキシ樹脂（１８０℃硬化、目付約９７０ｇ／ｍ^２）で挟み、真空熱プレスで１００℃、０．３ＭＰａの条件で１０分プレスし、樹脂シートと基材を一体化させたプリプレグを得た。プリプレグ１層をバッグしてオートクレーブに入れ、０．５ＭＰａで加圧しながら、１２０℃で１５分加熱後、１８０℃で２時間加熱して、炭素繊維強化樹脂成形体の母板を成形した。母板の厚さは１．２ｍ、密度は１．２８ｇ／ｃｍ^３、繊維体積含有率は１９％だった。この母板から縦２３０ｍｍ、横２５ｍｍの試験片を切り出した。その物性は表１にまとめて示す。

（比較例１）
この比較例は湿式抄紙法により炭素繊維とバインダー繊維をシート化し、炭素繊維強化樹脂成形体とした例である。炭素繊維トウから溶解法によりリサイクルされた炭素繊維（東邦テナックス社製、商品名“ＩＭＳ６０”、繊維長６ｍｍ）とバインダー繊維（ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）繊維、繊維長６ｍｍ）を質量比７：３の割合で混合し、水中で撹拌して繊維スラリーを作成した。得られたスラリーを手抄筒で抄紙して湿紙を得た。この湿紙をヒーターで乾燥させ、単位面積当たりの質量３０ｇ／ｍ^２の湿式炭素繊維不織布シートを得た。得られた湿式炭素繊維不織布シートの構成炭素繊維は一方向には配向していなかった。
この湿式炭素繊維不織布シートを８枚積層し、２４０ｇ／ｍ^２の炭素繊維強化樹脂成形体基材を形成した。この炭素繊維強化樹脂成形体の基材に、エポキシ樹脂（ナガセケムテックス社製、商品名“ＸＮＲ／６８０９”）をＶａＲＴＭ法で含浸させ、素繊維強化樹脂成形体の母板を成形した。この母板からＡＳＴＭ Ｄ３０３９（２０１７）を参考にして縦２４０ｍｍ、横２５ｍｍ、厚さ１．１ｍｍ、密度１．２ｇ／ｃｍ^３の試験片を切り出した。その物性は表１にまとめて示す。

表１から明らかなとおり、本発明の炭素繊維不織布プリプレグは、繊維配向方向の引張強度が高く、連続炭素繊維一方向プリプレグと同様な成形品を得ることができた。この炭素繊維不織布プリプレグを使用した成形体の引張強度はアルミ合金A2024(超ジュラルミン)に匹敵するレベルであった。

本発明の炭素繊維は、資源の有効活用からリサイクルされた炭素繊維であるのが好ましいが、新規の炭素繊維を切断したもの、ＣＦＲＰの製造の際の炭素繊維シートの切断などにより端材として発生したものなど、どのようなものでも使用できる。とくに今後は航空機や自動車などの廃材として廃ＣＦＲＰが大量に発生することが予想され、廃ＣＦＲＰから取り出される炭素繊維は絡まり合った状態であるから、このような絡まり合った炭素繊維の開繊性及び配向性を高くすることができる本発明の適用分野は広い。また用途としては、自動車、スポーツ用品、介護用品、導電性電気・電子部品、電磁波シールド材などに有用である。

１ カード機
２ 不連続炭素繊維
３ａ，３ｂ フィードローラ
４ テーカインローラ
５ シリンダ
６ａ，７ａ ワーカ
６ｂ，７ｂ ストリッパ
８ ドッファ
９ 振動コム
１０，１０ａ－１０ｉ 矩形の繊維ウェブ
１１ 基台
１２ 排出ベルト
１３ カッター
１４ 長尺状パラレルウェブ
１５ 炭素繊維不織布シート
１６ 繊維ウェブを構成する炭素繊維
１７ カット線
１８ａ，１８ｂ 樹脂シート
１９ａ，１９ｂ 剥離シート
２０ａ，２０ｂ 加熱加圧ローラ
２１ プリプレグ
２２ 巻き上げ体
２３ａ，２３ｂ 積層部分
２４ 長尺状クロスウェブ

Claims (15)

1. 不連続炭素繊維を含む炭素繊維不織布シートと、樹脂を含む炭素繊維不織布プリプレグであって、
   前記炭素繊維不織布シートは、繊維が配向された矩形の繊維ウェブが２枚以上積層されており、
   前記炭素繊維不織布シートには、樹脂が一体化されることを特徴とする炭素繊維不織布プリプレグ。
2. 前記炭素繊維不織布シートは、パラレルウェブ及びクロスウェブから選ばれる少なくとも一つの繊維ウェブの積層体である請求項１に記載の炭素繊維不織布プリプレグ。
3. 前記矩形の繊維ウェブは、端部をずらせて積層され、長尺状ウェブに形成されている請求項１又は２に記載の炭素繊維不織布プリプレグ。
4. 前記炭素繊維不織布シートは、炭素繊維不織布シートを母数としたとき、不連続炭素繊維が５０～１００質量％、炭素繊維以外の強化繊維が０～５０質量％である請求項１～３のいずれかに記載の炭素繊維不織布プリプレグ。
5. 前記樹脂は、熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂から選ばれる少なくとも一つの樹脂であり、前記炭素繊維不織布シートに含侵又は溶融固化状態で一体化される請求項１～４のいずれか１項に記載の炭素繊維不織布プリプレグ。
6. 前記炭素繊維不織布シートを構成する繊維と樹脂との割合は、繊維５～７０体積％、樹脂３０～９５体積％である請求項１～５のいずれか１項に記載の炭素繊維不織布プリプレグ。
7. 前記炭素繊維不織布シートは、単位面積当たりの質量が１～１０００ｇ／ｍ^２である請求項１～６のいずれか１項に記載の炭素繊維不織布プリプレグ。
8. 前記矩形の繊維ウェブの積層数が２～１００枚である請求項１～７のいずれか１項に記載の炭素繊維不織布プリプレグ。
9. 前記矩形の繊維ウェブの端部は、１枚当たり１～１０００ｍｍずらせて積層されている請求項１～８のいずれか１項に記載の炭素繊維不織布プリプレグ。
10. 前記矩形の繊維ウェブを構成する炭素繊維は、繊維長分布が１～３００ｍｍである請求項１～９のいずれか１項に記載の炭素繊維不織布プリプレグ。
11. 前記炭素繊維不織布シートを構成する炭素繊維は、リサイクルされた炭素繊維を含む請求項１～１０のいずれか１項に記載の炭素繊維不織布プリプレグ。
12. 請求項１～１１のいずれか１項に記載の炭素繊維不織布プリプレグの製造方法であって、
    不連続炭素繊維を含む繊維をカード機で開繊し、実質的に一方向に繊維を配向させて繊維ウェブとし、
    前記繊維ウェブをローラに巻き付けて積層し、積層した繊維ウェブを切り開き、ローラ巻取式パラレルウェブとし、両端をカットして炭素繊維不織布シートとし、
    前記炭素繊維不織布シートに樹脂を含浸することを特徴とする炭素繊維不織布プリプレグの製造方法。
13. 請求項１～１１のいずれか１項に記載の炭素繊維不織布プリプレグの製造方法であって、
    不連続炭素繊維を含む繊維をカード機で開繊し、実質的に一方向に繊維を配向させて繊維ウェブとし、幅方向にカットして矩形とし、
    前記矩形の繊維ウェブを積層してパラレルウェブ及びクロスウェブから選ばれる少なくとも一つの炭素繊維不織布シートとし、
    前記炭素繊維不織布シートに樹脂を含侵することを特徴とする炭素繊維不織布プリプレグの製造方法。
14. 前記矩形の繊維ウェブは、端部をずらせて積層し、長尺状ウェブに形成する請求項１２又は１３に記載の炭素繊維不織布プリプレグの製造方法。
15. 炭素繊維不織布シートとマトリックス樹脂を含む繊維強化樹脂成形体であって、
    前記成形体のマトリックス樹脂は、請求項１～１１のいずれか１項に記載の炭素繊維不織布プリプレグに含まれる樹脂を少なくとも一部に含むことを特徴とする繊維強化樹脂成形体。

Images