JP2023144177A - 自己組織化繊維束及びその製造方法と、成形体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バージン繊維からもリサイクル繊維からも簡便に製造することができる、新規な繊維束を提供する。【解決手段】複数の無機繊維と複数の有機繊維と有機バインダーとからなる、自己組織化繊維束。【選択図】図１

Description

本発明は、主として、自己組織化繊維束（Ｓｅｌｆ－Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｂｕｎｄｌｅ；以下、「ＳＡＦＢ」と略称する場合がある。）及びその製造方法と、ＳＡＦＢを用いた成形体及びその製造方法に関する。

炭素繊維を補強材に用いた繊維強化プラスチックであるＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）は、自動車、船舶、鉄道車両、有人航空機、無人航空機その他の輸送機器の部品に適した、軽量かつ力学特性に優れた材料であり、近年その重要度はますます高くなっている。

炭素繊維ペレットを熱可塑性樹脂に添加する方法で炭素繊維強化熱可塑性プラスチックを製造することが提案されている。炭素繊維ペレットは、短尺炭素繊維をサイジング剤の溶液または懸濁液と混合することによって炭素繊維凝集体を形成し、これをディスクペレタイザーでペレット化した後、乾燥させることにより製造される（特許文献１）。

連続炭素繊維と連続熱可塑性樹脂繊維を重ね合わせて開繊し、均一に混じり合ったテープ状の混繊糸を得る方法が知られている。また、混繊糸を短尺にカットして金型内に充填し、加熱プレスすることによってリブ等の複雑形状のある成形体を製造する方法が提案されている（特許文献２）。

特表平１０－５０３８１２号公報 特開２０１６－１９９０２２号公報

本発明の主たる目的は、バージン繊維からもリサイクル繊維からも簡便に製造することができる、新規な繊維束を提供することである。
本明細書中には、本発明の各実施形態により解決され得る課題が明示的または黙示的に示されている場合がある。

本発明は、以下［１］～［２９］の実施形態を含む。
［１］複数の無機繊維と複数の有機繊維と有機バインダーとからなる、自己組織化繊維束。
［２］前記複数の無機繊維の繊維長が６０ｍｍ以下である、［１］に記載の自己組織化繊維束。
［３］前記複数の有機繊維の繊維長が６０ｍｍ以下である、［１］または［２］に記載の自己組織化繊維束。
［４］前記自己組織化繊維束の長さが３ｍｍ以上である、［１］～［３］のいずれかに記載の自己組織化繊維束。
［５］前記無機繊維の平均繊維長が前記自己組織化繊維束の長さより短い、［１］～［４］のいずれかに記載の自己組織化繊維束。
［６］前記有機繊維の平均繊維長が前記自己組織化繊維束の長さより短い、［１］～［５］のいずれかに記載の自己組織化繊維束。
［７］前記自己組織化繊維束中の無機繊維の含有量が３０ｗｔ％以上７５ｗｔ％未満である、［１］～［６］のいずれかに記載の自己組織化繊維束。
［８］前記無機繊維が炭素繊維またはガラス繊維を含む、［１］～［７］のいずれかに記載の自己組織化繊維束。
［９］前記自己組織化繊維束が炭素繊維を含む、［８］に記載の自己組織化繊維束。
［１０］前記自己組織化繊維束中の有機繊維の含有量が２５ｗｔ％以上６０ｗｔ％未満である、［１］～［９］のいずれかに記載の自己組織化繊維束。
［１１］前記有機繊維が熱可塑性樹脂繊維を含む、［１］～［１９］のいずれかに記載の自己組織化繊維束。
［１２］前記有機繊維のうち８０ｗｔ％以上が熱可塑性樹脂繊維である、［１１］に記載の自己組織化繊維束。
［１３］前記熱可塑性樹脂繊維を構成する熱可塑性樹脂が、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂からなる群より選ばれる少なくとも１種の樹脂を含む、［１１］または［１２］に記載の自己組織化繊維束。
［１４］前記複数の無機繊維において、繊維長の最大値と最小値の差が５ｍｍ以内である、［１］～［１３］のいずれかに記載の自己組織化繊維束。
［１５］前記自己組織化繊維束中の全繊維において、繊維長の最大値と最小値の差が５ｍｍ以内である、［１］～［１４］のいずれかに記載の自己組織化繊維束。
［１６］前記有機バインダーがエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリウレタン樹脂およびポリアミド樹脂から選ばれる１種以上の樹脂材料を含有する、［１］～［１５］のいずれかに記載の自己組織化繊維束。
［１７］前記有機バインダーの含有量が１ｗｔ％以上７ｗｔ％未満である、［１］～［１６］のいずれかに記載の自己組織化繊維束。
［１８］前記自己組織化繊維束中の炭素繊維の含有量が３０ｗｔ％以上８０ｗｔ％未満である、［９］に記載の自己組織化繊維束。
［１９］前記複数の炭素繊維の全てが熱劣化していない炭素繊維である、［９］に記載の自己組織化繊維束。
［２０］前記複数の炭素繊維が熱劣化した炭素繊維を含む、［９］に記載の自己組織化繊維束。
［２１］前記複数の炭素繊維の全てが熱劣化した炭素繊維である、［９］に記載の自己組織化繊維束。
［２２］前記自己組織化繊維束の各末端において前記複数の無機繊維および有機繊維の先端の位置が不揃いである、［１］～［１８］のいずれかに記載の自己組織化繊維束。
［２３］形状が種子状、ニードル状またはワイヤ状である、［１］～［１９］のいずれかに記載の自己組織化繊維束。
［２４］［１］～［２３］のいずれかに記載の自己組織化繊維束を複数、互いに融着させてなる成形体。
［２５］［１］～［２３］のいずれかに記載の自己組織化繊維束を複数、互いに融着させることを含む、成形体の製造方法。
［２６］互いに融着させるときに熱可塑性樹脂が補われる、［２５］に記載の成形体の製造方法。
［２７］［１］～［２３］のいずれかに記載の自己組織化繊維束を複数、金型に散布し、圧縮成形することを含む、成形体の製造方法。
［２８］［１］～［２３］のいずれかに記載の自己組織化繊維束を複数、溶融混錬させることを含む、ペレットの製造方法。
［２９］［１］～［２３］のいずれかに記載の自己組織化繊維束を複数、溶融混錬させて射出成形することを含む、成形体の製造方法。

バージン繊維からもリサイクル繊維からも簡便に製造することができる、新規な繊維束が提供される。この繊維束は、圧縮成形法を含む各種方法でＦＲＰ製品を製造するときに中間材料として好適に用いることができる。ペレットなどのＦＲＰ用中間材料の新規な補強材としても好適に用いることができる。

図１は、ＳＡＦＢを示す写真である。 図２は、チョップド炭素繊維束の末端を示す拡大写真である。 図３は、ＳＡＦＢを金型に散布した状態を示す写真である。 図４は、ＳＡＦＢを成形した成形体を示す写真である。

以下に本発明の実施形態を詳細に説明する。

１．自己組織化繊維束（ＳＡＦＢ）
ＳＡＦＢは、複数の無機繊維および複数の有機繊維が自ら束をなすように集合する過程を経て形成される。ＳＡＦＢを形成する前の段階において、複数の無機繊維および複数の有機繊維は、全部がモノフィラメントであってもよいし、全部が例えば１００本未満という少数のフィラメントからなる微細繊維束であってもよく、あるいは、モノフィラメントと微細繊維束の両方を含んでもよい。

ＳＡＦＢの末端では、図１に例示するように、束を構成する複数の繊維の先端の位置が不揃いである。これは、連続繊維束を切断することにより得られるチョップド繊維束の末端において、図２に示すように複数の繊維の先端の位置が揃っているのとは対照的である。

１本のＳＡＦＢに含まれる無機繊維と有機繊維の合計本数（フィラメント数）は、好ましくは１．５Ｋ以上４．５Ｋ未満の範囲内である。
ここで「Ｋ」は１０００を表す記号で、例えば、１Ｋは１０００を意味し、１０Ｋは１００００を意味し、１００Ｋは１０００００を意味する。

繊維長が短い程、繊維が自己組織化によってバンドル化するときに交絡が起こり難く、形成されるＳＡＦＢは、樹脂含浸させ容易いものとなる。従って、ＳＡＦＢを構成する全ての繊維において、繊維長は好ましくは６０ｍｍ以下、より好ましくは４０ｍｍ以下、更に好ましくは３０ｍｍ以下であり、２０ｍｍ以下であってもよい。無機繊維の平均繊維長はＳＡＦＢの長さより短いことが好ましい。有機繊維の平均繊維長はＳＡＦＢの長さより短いことが好ましい。ＳＡＦＢを構成する全ての繊維の平均繊維長はＳＡＦＢの長さより短いことが好ましい。

一方、繊維長が短か過ぎる繊維は補強材としての効果が低いことから、ＳＡＦＢを構成する炭素繊維の繊維長は好ましくは３ｍｍ以上であり、より好ましくは１０ｍｍ以上である。
繊維の大部分が３ｍｍ以上の繊維長を有するＳＡＦＢは長さが３ｍｍを超えるのが普通であり、繊維の大部分が１０ｍｍ以上の繊維長を有するＳＡＦＢは長さが１０ｍｍを超えるのが普通である。ＳＡＦＢの長さは３ｍｍ以上、６ｍｍ以上、１２ｍｍ以上、２０ｍｍ以上、５０ｍｍ以上、７０ｍｍ以上であり得る。ＳＡＦＢの長さは１００ｍｍ以下、７０ｍｍ以下、５０ｍｍ以下、４０ｍｍ以下、２５ｍｍ以下、１２ｍｍ以下、６ｍｍ以下であり得る。ＳＡＦＢを散布して成形する場合のＳＡＦＢの長さは１２ｍｍ以上５０ｍｍ以下、２０ｍｍ以上４０ｍｍ以下であることが好ましい。ＳＡＦＢを射出成形に用いる場合または、ペレットの原料にＳＡＦＢを用いる場合のＳＡＦＢの長さは３ｍｍ以上１２ｍｍ以下であることが好ましい。
ＳＡＦＢの長さと含有する繊維の本数に応じて、ＳＡＦＢの形状は種子状、ニードル状またはワイヤ状であり得る。

更には、ＳＡＦＢの長さの１０％以下の長さの繊維を含まないか、含むとしてもその量がＳＡＦＢを構成する繊維の５ｗｔ％未満であることが好ましい。

一例では、ＳＡＦＢを同等の繊維長を有する繊維のみから構成することで、製造ロット間でのＳＡＦＢの品質のバラツキを抑えることができる。ＳＡＦＢを構成する複数の無機繊維間または全繊維間において、繊維長の最大値と最小値の差は好ましくは５ｍｍ以内、より好ましくは４ｍｍ以内、更に好ましくは３ｍｍ以内である。

ＳＡＦＢを構成する繊維のフィラメント直径に特に制限はなく、例えば５μｍ～１００μｍの範囲内であればよい。例えば、ＰＡＮ系炭素繊維が通常有するフィラメント直径の範囲は５μｍ～１５μｍである。

ＳＡＦＢを構成する有機繊維の例としては、化学繊維、天然繊維が挙げられる。化学繊維の例としては、熱可塑性樹脂繊維、熱硬化性樹脂繊維が挙げられる。熱可塑性樹脂繊維を構成する熱可塑性樹脂の例としては、ポリアミド樹脂（ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１２、ナイロンＭＸＤ６等）、ポリオレフィン樹脂（低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン等）、変性ポリオレフィン樹脂（変性ポリプロピレン樹脂等）、ポリエステル樹脂（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）、ポリカーボネート樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリフェニレンオキシド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリスチレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂が挙げられる。熱硬化性樹脂繊維を構成する熱硬化性樹脂の例としては、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、シアネートエステル樹脂、ＢＭＩ（ビスマレイミド）、ポリイミド樹脂、フェノール樹脂が挙げられる。天然繊維の例としては、綿（コットン）、麻、ケナフ、バンブーコットン、バンブーレーヨン、レーヨン等の植物繊維、ウール、シルク等の動物繊維が挙げられる。金属を被覆した有機繊維であってもよい。ＳＡＦＢ中の有機繊維の含有量は、１ｗｔ％以上９０ｗｔ％未満、１０ｗｔ％以上８０ｗｔ％未満、２０ｗｔ％以上７０ｗｔ％未満、２５ｗｔ％以上６０ｗｔ％未満または３０ｗｔ％以上５０ｗｔ％未満であり得る。
成形体のマトリクス樹脂材料として有機繊維を用いる場合には、熱可塑性樹脂繊維が好適である。このとき有機繊維のうち８０ｗｔ％以上、９０ｗｔ％以上が熱可塑性樹脂繊維となり得る。有機繊維のうち１００ｗｔ％以下、９５ｗｔ％以下が熱可塑性樹脂繊維となり得る。熱可塑性樹脂繊維を構成する熱可塑性樹脂は、強度の観点から、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、またはポリフェニレンサルファイド樹脂が好ましい。成形体の補強材料として有機繊維を用いる場合には、植物繊維、アラミド繊維（熱可塑性樹脂繊維を構成する熱可塑性樹脂がポリアミド樹脂）、ポリイミド繊維（熱硬化性樹脂繊維を構成する熱硬化性樹脂がポリイミド樹脂）等の有機繊維が好適である。

ＳＡＦＢを構成する無機繊維の例としては、炭素繊維、ガラス繊維、シリカ繊維、ボロン繊維、炭化ケイ素繊維、窒化ケイ素繊維、アルミナ繊維等が挙げられる。金属繊維を含んでもよく、金属を被覆した無機繊維であってもよい。例えば、金属繊維を使用すれば導電性および熱伝導性を向上させることができる。ＳＡＦＢ中の無機繊維の含有量は、１ｗｔ％以上９０ｗｔ％未満、１０ｗｔ％以上８５ｗｔ％未満、２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％未満、３０ｗｔ％以上７５ｗｔ％未満または５０ｗｔ％以上７０ｗｔ％未満であり得る。
成形体の補強材料として無機繊維を用いる場合には、最終成形物である構造材の強度等の機械物性を考慮すると、炭素繊維が好適である。このとき無機繊維のうち８０ｗｔ％以上、９０ｗｔ％以上が炭素繊維となり得る。無機繊維のうち１００ｗｔ％以下、９５ｗｔ％以下が炭素繊維となり得る。ＳＡＦＢを散布して成形する場合のＳＡＦＢ中の炭素繊維の含有量は、３０ｗｔ％以上８０ｗｔ％未満または４５ｗｔ％以上７０ｗｔ％未満であり得る。ＳＡＦＢを射出成形に用いる場合のＳＡＦＢ中の炭素繊維の含有量は、１０ｗｔ％以上６０ｗｔ％未満または２０ｗｔ％以上５０ｗｔ％未満であり得る。ペレットの原料にＳＡＦＢを用いる場合のＳＡＦＢの中の炭素繊維の含有量は、６０ｗｔ％以上９９ｗｔ％未満または８０ｗｔ％以上９５ｗｔ％未満であり得る。

ＳＡＦＢを構成する炭素繊維は、全てが熱劣化していない炭素繊維であってもよいし、一部が熱劣化していない炭素繊維で残部が熱劣化した炭素繊維であってもよく、あるいは、全てが熱劣化した炭素繊維であってもよい。熱劣化していない炭素繊維とは、典型的には、バージン炭素繊維である。熱劣化した炭素繊維とは、典型的には、ＣＦＲＰの廃材から回収されたリサイクル炭素繊維であり、マトリックス樹脂を熱分解させて除去する過程で熱劣化したものである。

ＳＡＦＢは、繊維同士を互いに結着させる有機バインダーを含有する。有機バインダーの材料の好適例は、市販されている一般的な炭素繊維束でサイジングに使用されている樹脂である。言い換えれば、サイジング剤の成分樹脂といってもよい。かかる樹脂の例としては、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（エポキシアクリレート樹脂ともいう）、ポリウレタン樹脂およびポリアミド樹脂が挙げられるが、これらに限定されるものではない。これらの樹脂は１種を単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせて用いてもよい。有機バインダーには上記の樹脂に加えて、界面活性剤が配合されてもよい。

ＳＡＦＢの有機バインダー含有量は、１ｗｔ％以上７ｗｔ％未満、０．５ｗｔ％以上１．５ｗｔ％未満、１．５ｗｔ％以上３ｗｔ％未満、３ｗｔ％以上５ｗｔ％未満、５ｗｔ％以上７ｗｔ％未満または７ｗｔ％以上１０ｗｔ％未満であり得る。
２．自己組織化繊維束（ＳＡＦＢ）の製造方法
以下では、短尺熱可塑性樹脂繊維とバージン炭素繊維を出発原料に用いる方法と、短尺熱可塑性樹脂繊維とリサイクル炭素繊維を出発原料に用いる方法とに分けて、実施形態に係るＳＡＦＢの製造方法を説明する。原料の炭素繊維は、無機繊維や補強材料としての有機繊維に置き換えてＳＡＦＢを製造することができ、原料の短尺熱可塑性樹脂繊維は、マトリクス樹脂材料としての有機繊維に置き換えてＳＡＦＢを製造することができる。

２．１．バージン炭素繊維を出発原料に用いる方法
バージン炭素繊維を出発原料に用いる方法は、典型的には、次の（ｉ）～（ｉｖ）の工程を含む。
（ｉ）チョップ工程
（ｉｉ）混合工程
（ｉｉｉ）バンドル化工程
（ｉｖ）乾燥工程
各工程の詳細を以下に説明する。

（ｉ）チョップ工程
チョップ工程では、バージン炭素繊維からなる連続炭素繊維束を、例えばロータリーカッターを用いて、繊維方向に所定の間隔で切断することによりチョップド炭素繊維束とする。
連続炭素繊維束の束サイズ（束を構成する炭素繊維フィラメントの数）は、例えば１０Ｋ以上であり、１２Ｋ以上、１５Ｋ以上、２４Ｋ以上、３６Ｋ以上、４８Ｋ以上または５０Ｋ以上であってもよい。上限は特にないが、例えば１００Ｋ以下である。
ここで「Ｋ」は１０００を表す記号で、例えば、１Ｋは１０００を意味し、１０Ｋは１００００を意味する。
連続炭素繊維束の束サイズが大きい程、１片のチョップド炭素繊維束に含まれる炭素繊維フィラメントの本数が多いので、ＳＡＦＢの生産効率が高くなる。加えて、連続炭素繊維束の生産コストも、束サイズの増加と共に低下する。従って、連続炭素繊維束の束サイズは、好ましくは２４Ｋ以上、より好ましくは３６Ｋ以上、更に好ましくは４８Ｋ以上である。
チョップド炭素繊維束の繊維長は、製造すべきＳＡＦＢを構成する炭素繊維に要求される長さに設定される。チョップ工程の後、炭素繊維を意図的に切断する工程は無いからである。
チョップド炭素繊維束の繊維長は、限定するものではないが、例えば３ｍｍ以上であり、５ｍｍ以上または１０ｍｍ以上であってもよく、また、例えば６０ｍｍ以下であり、５０ｍｍ以下、４０ｍｍ以下、３０ｍｍ以下または２０ｍｍ以下であってもよい。
同じ繊維長を有する複数の短尺炭素繊維から形成されるＳＡＦＢの長さ、言い換えれば、短尺炭素繊維の引き揃え方向の寸法は、短尺炭素繊維の繊維長と同等以上となる。

（ｉｉ）混合工程
混合工程では、チョップ工程で得たチョップド炭素繊維束と短尺熱可塑性樹脂繊維を混ぜて炭素繊維混合物を得る。短尺樹脂繊維は、連続熱可塑性樹脂繊維束を、例えばロータリーカッターを用いて、繊維方向に所定の間隔で切断することにより得た短尺熱可塑性樹脂繊維であってもよい。綿状の不連続熱可塑性樹脂繊維であってもよい。
混合工程では一般的な解繊機を用いることができるが、限定するものではない。
一例では、ヘンシェルミキサーのような撹拌混合機にチョップド炭素繊維束と短尺熱可塑性樹脂繊維を投入し、ドライ状態で撹拌することで混合することができる。この方法は、生成する繊維混合物を撹拌混合機から取り出すことなく、次のバンドル化工程に進むことができる利点がある。
混合工程を省略してバンドル化工程を進めてもよい。

短尺熱可塑性樹脂繊維の繊維長は、限定するものではないが、例えば３ｍｍ以上であり、５ｍｍ以上または１０ｍｍ以上であってもよく、また、例えば６０ｍｍ以下であり、５０ｍｍ以下、４０ｍｍ以下、３０ｍｍ以下または２０ｍｍ以下であってもよい。混合性の観点から短尺炭素繊維よりも長さが短いものが好適である。
短尺樹脂繊維の繊維径は、限定するものではないが、例えば７μｍ以上であり、１０μｍ以上または２０μｍ以上であってもよく、また、例えば１００μｍ以下であり、８０μｍ以下、６０μｍ以下、４０μｍ以下または３０μｍ以下であってもよい。混合性の観点から短尺炭素繊維よりも径が大きいものが好適である。

（ｉｉｉ）バンドル化工程
バンドル化工程では、混合工程で得た繊維混合物をバンドル化液と混合する。混合物を構成する炭素繊維および熱可塑性樹脂繊維は、バンドル化液の表面張力に基づく毛細管力によって凝集し、バンドル化液を含有する繊維束を形成する。
バンドル化液として使用するのは、特に制限はないが、液体であってもよく、例えば、溶剤、溶剤に有機化合物を溶解させたもの、機械的に分散させたもの、界面活性剤により分散させたもの、加温して粘度を低下させたもの等を用いることができる。
バンドル化液が含有する好ましい液体成分は水である。水の強い表面張力は、毛細管効果による短尺炭素繊維のバンドル化を強く促進させる。また、水は不燃性なので、防爆仕様の撹拌装置が必要ない点においても好ましい。
バンドル化液の量は、短尺炭素繊維と短尺熱可塑性樹脂繊維の総量である１００質量部に対し、例えば２０～１００質量部であるが、限定するものではない。バンドル化液の量は、混合物の状態を観察しながら適宜調節することができる。

バンドル化液の粘度は、１０Ｐａ・ｓ以下であればＳＡＦＢの形状を均一にすることが可能である。粘度は、８Ｐａ・ｓ以下、５Ｐａ・ｓ以下、２Ｐａ・ｓ以下、０．５Ｐａ・ｓ以下とすることができる。一方、粘度は０．０００１Ｐａ・ｓ以上とすることができる。加温してバンドル化するときは、そのときの温度で上記粘度の範囲のバンドル化液を使用できる。
粘度は、Ｂ型回転粘度計（例えば、ブルックフィールド製ＬＶＤＶ－１ Ｐｒｉ）を用いて、回転速度：５０ｒｐｍ、スピンドル：Ｓ６１という条件で測定される値である。

バンドル化液の表面張力は、１２０ｍＮ／ｍ以下であれば繊維間に液架橋を形成することができ、繊維の移動を容易にして繊維を配向させることが可能である。表面張力は、１１０ｍＮ／ｍ以下、１００ｍＮ／ｍ以下、９０ｍＮ／ｍ以下、７２ｍＮ／ｍ以下、６０ｍＮ／ｍ以下、５０ｍＮ／ｍ以下、４０ｍＮ／ｍ以下とすることができる。一方、表面張力は１０ｍＮ／ｍ以上、１５ｍＮ／ｍ以上、２０ｍＮ／ｍ以上、３０ｍＮ／ｍ以上とすることができる。
表面張力はプレート法（垂直板法）により測定された値である。加温してバンドル化するときは、そのときの温度で上記張力の範囲のバンドル化液を使用できる。

繊維混合物とバンドル化液を混ぜ合わせる方法に限定はないが、短時間で効率的に混合するためには撹拌することが好ましい。
撹拌には、ヘンシェルミキサーとして知られる撹拌混合機を好ましく使用することができる。撹拌混合機はアジテーターブレード（撹拌翼）のみを備えるタイプであってもよいし、チョッパーが付属したものであってもよい。ジャケット付きの撹拌混合機では、ジャケット内部に熱媒体を流すことにより撹拌槽の温度調節が可能である。
撹拌槽は、繊維混合物を投入する前に予め加熱し、バンドル化液の粘度が上述の好ましい範囲内となる温度に保持しておくことができる。

（ｉｖ）乾燥工程
乾燥工程では、バンドル化工程で形成されたＳＡＦＢを乾燥することによって、ＳＡＦＢが含有するバンドル化液に含まれる溶剤を蒸発させて、有機バインダーの接着によって、ＳＡＦＢの形状を維持できる。乾燥は強制乾燥であってもよいし自然乾燥であってもよい。
一例では、撹拌混合機の撹拌槽内で形成されたＳＡＦＢを、撹拌槽から取り出すことなく、撹拌槽内で撹拌しながら乾燥することができる。
他の一例では、撹拌混合機の撹拌槽内で形成されたＳＡＦＢを撹拌槽から取り出し、別の場所で乾燥してもよい。別の場所は、例えば、熱風乾燥機であってもよいし、あるいは、輸送管の中や搬送ベルトの上であってもよい。
このようにして得られるＳＡＦＢの集合としての嵩密度は、例えば０．０３～３．５ｇ／ｃｍ^３とすることができる。用いた原料繊維により異なるが、例えば炭素繊維を用いた場合、ＳＡＦＢの嵩密度は０．１ｇ／ｃｍ^３以上が好ましく、０．２ｇ／ｃｍ^３以上が特に好ましい。
有機バインダーは、短尺炭素繊維と短尺熱可塑性樹脂繊維とバンドル化液のいずれかに含まれていてもよく、（ｉｉ）混合工程から（ｉｉｉ）バンドル化工程までのいずれの工程で加えてもよい。

２．２．リサイクル炭素繊維を出発原料に用いる方法
前記２．１．に記したＳＡＦＢの製造方法において、出発原料のバージン炭素繊維の全部または一部を、リサイクル炭素繊維に置き換えることができる。
リサイクル炭素繊維の好適例は、一方向性プリプレグの端材または一方向性プリプレグを硬化させてなるＣＦＲＰの廃材から回収される炭素繊維や、ＳＭＣ（シートモールディングコンパウンド）の端材またはＳＭＣを硬化させてなるＣＦＲＰの廃材から回収される炭素繊維である。一方向性プリプレグに含まれる炭素繊維は、回収された炭素繊維を前記２．１．におけるチョップ工程を経て短尺炭素繊維とされてもよいし、一方向性プリプレグまたはＣＦＲＰを所定の長さに切断してから短尺炭素繊維を回収してもよい。ＳＭＣに含まれる炭素繊維は実質的に全てが同じ繊維長を有しており、それは通常３ｍｍ～６０ｍｍの範囲内にある。

例えば、上記の端材または廃材を好ましくは６００℃以上の温度で乾留し、更に、酸化性雰囲気下で例えば５５０℃以上、好ましくは６００℃以上に加熱することによって、マトリックス樹脂を完全に熱分解させると、殆ど全てが同一の繊維長を有するリサイクル炭素繊維からなる炭素繊維綿が残る。このリサイクル炭素繊維は熱劣化しており、バージン炭素繊維と比べると強度が低いが、ＦＲＰ用の補強材として使用するには十分な強度を有する。

ＣＦＲＰの廃材から炭素繊維を回収する他の方法として、亜臨界流体または超臨界流体を用いてマトリックス樹脂を分解させる方法が挙げられる。綿状のリサイクル炭素繊維が得られるように、マトリックス樹脂は完全に除去される。除去し切れない樹脂残渣は、酸化性雰囲気下で熱処理することにより除去してもよい。この方法で得られるリサイクル炭素繊維も、熱劣化しているために、バージン炭素繊維と比べると強度が低い。

一方向プリプレグやＳＭＣの端材から炭素繊維を回収する他の方法として、亜臨界流体または超臨界流体であってもよい溶剤を用いて未硬化のマトリックス樹脂を洗い出す方法が挙げられる。この方法によれば、バージン炭素繊維と同等の強度を有する、熱劣化していないリサイクル炭素繊維を得ることができる。

ＳＭＣを硬化させてなるＣＦＲＰまたはＳＭＣの端材から上記の方法で回収されるリサイクル炭素繊維は、通常３ｍｍ～６０ｍｍの範囲内の繊維長を有する短繊維であり、ＳＡＦＢの製造に用いるにあたり更なる切断を要さない他、サイジング剤も除去されている。このようなリサイクル炭素繊維のみを出発原料として用いたときは、バージン炭素繊維を出発原料に用いるときと異なり、（ｉ）チョップ工程が不要であり、前述の（ｉｉ）混合工程と（ｉｉｉ）バンドル化工程と（ｉｖ）乾燥工程を行えばよい。

熱処理が不十分で樹脂残渣が固着したリサイクル炭素繊維は、混合工程の前に解繊させてもよい。
一例では、ヘンシェルミキサーのような撹拌混合機にリサイクル炭素繊維を投入し、他の成分を加えることなくドライ状態で撹拌することで解繊することができる。この方法は、生成する炭素繊維混合物を撹拌混合機から取り出すことなく、次の混合工程およびバンドル化工程に進むことができる利点がある。

リサイクル炭素繊維に炭素繊維以外の繊維が混入していることは珍しくない。例えば、ガラス繊維からなるステッチを含む炭素繊維クロスを補強材に用いたＣＦＲＰから回収されたリサイクル炭素繊維では、ガラス繊維の混入が認められ得る。
リサイクル炭素繊維を出発原料として使用する場合、混入した炭素繊維以外の繊維を除去してから使用してもよいが、必須ではない。つまり、実施形態に係る製造方法では、ＳＡＦＢの出発原料として炭素繊維以外の繊維が混入したリサイクル炭素繊維を使用してもよい。

３．成形体とその製造方法
本発明の他の一実施形態は、ＳＡＦＢを複数、互いに融着させてなる成形体である。マトリクス樹脂材料として有機繊維を用いる場合には、有機繊維を溶融させることで、隣り合うＳＡＦＢどうしを融着させることができる。補強材料としての繊維のみ含有する場合には、有機バインダーを溶融または反応させることで、隣り合うＳＡＦＢどうしを融着させることができる。補強材となる繊維の含有量を調整できることから、融着させるときに熱可塑性樹脂を加えて補ってもよい。例えば、複数のＳＡＦＢを金型に散布し圧縮成形することで成形体が得られる。オーブンなどで圧力を付与しないままＳＡＦＢを加熱して融着させることもできる。

４．ＳＡＦＢを用いたペレットの製造方法
ＳＡＦＢを複数、溶融混錬させることによりペレットが製造できる。ペレットの製造方法としては、例えば、複数のＳＡＦＢを樹脂などの他の成分を添加することなくそのまま溶融混錬する方法、熱可塑性樹脂およびＳＡＦＢをドライブレンドした後に溶融混練する方法、溶融状態の熱可塑性樹にＳＡＦＢを供給して混練する方法等が挙げられる。溶融混練は、単軸押出機、二軸押出機等の押出機を用いる。押出機に取り付けられるホッパーにＳＡＦＢを投入することでホッパーからニーディングゾーンへＳＡＦＢがフィードされるときに繊維のブリッジを抑制することができる利点を有する。ＳＡＦＢをペレットのように、射出成形の原料として用いることができる。

［実験例１］
（ＳＡＦＢの製造）
バージン炭素繊維（パイロフィルチョップドファイバーＴＲ０３ＣＭ、三菱ケミカル社製、カット長１２ｍｍ、サイジング剤は炭素繊維に対して１．５ｗｔ％含有）１２１ｇとポリカーボネート繊維（ＰＣ６．７ｄｔｅｘ×５ｍｍ、ダイワボウポリテック社製、カット長５ｍｍ）８０ｇを撹拌混合機（ヘンシェルミキサーＦＭ１０Ｂ、三井三池製作所社製、装置容積９リットル）に投入し、撹拌翼１２００ｒｐｍ（撹拌翼の周速：１３ｍ／秒）の速度で撹拌し、１分経過したところで、バンドル化液である水８０ｇを投入し、続けて１分間撹拌した。
混合物を観察したところ、短尺炭素繊維と短尺樹脂繊維が自発的にバンドル化していた。この混合物を、箱型乾燥機を用いて１２０℃で１２０分という条件で乾燥させることにより、ＳＡＦＢを得た。長さ２２．６ｍｍのＳＡＦＢが確認された。
得られたＳＡＦＢの有機バインダー含有量は繊維全体に対して０．９ｗｔ％、炭素繊維含有量は６０ｗｔ％であり５０ｖｏｌ％であった。なお、バンドル化液として用いた水には有機バインダーを添加しておらず、ポリカーボネート繊維はサイジング剤を含有していないため、このＳＡＦＢが含有する有機バインダーは、原料の炭素繊維に含まれていたサイジング剤のみであり、このサイジング剤は全量が残留していると仮定した。
（成形体の製造）
ＳＡＦＢ１８ｇを縦１００ｍｍ、横６０ｍｍ、深さ１５ｍｍの凹部を有する下金型（材質：ＳＵＳ４２０Ｊ２）内に配置した（図３）。ＳＡＦＢの方向はランダムとした。次に、縦１００ｍｍ、横６０ｍｍ、高さ１５ｍｍの凸部を有する上金型（材質：ＳＵＳ４２０Ｊ２）を挿入し、圧力８ＭＰａ、金型温度２４０℃で１０分間プレスした。次に、圧力を保持したまま常温になるまで冷却し、脱型して厚み２．０ｍｍの成形体を得た（図４）。
成型体の密度は１．４７ｇ／ｃｍ^３、曲げ強度は２２７ＭＰａ、曲げ弾性率は２１．９ＧＰａであった。成型体の断面に空隙は見られなかった。
［実験例２］
（混抄マットの製造）
バージン炭素繊維（パイロフィルチョップドファイバーＴＲ０３ＣＭ、三菱ケミカル社製、カット長１２ｍｍ、サイジング剤は炭素繊維に対して１．５ｗｔ％含有）とポリカーボネート繊維（ＰＣ６．７ｄｔｅｘ×５ｍｍ、ダイワボウポリテック社製、カット長５ｍｍ）を使用し、これを水に分散させて、製紙用の丸網抄紙機によって、目付１０４ｇ／ｍ^２の混抄マットを得た。この混抄マットの炭素繊維含有量は３９ｗｔ％であり３０ｖｏｌ％であった。
（成形体の製造）
混抄マットを２０枚重ねて縦１００ｍｍ、横６０ｍｍ、深さ１５ｍｍの凹部を有する下金型（材質：ＳＵＳ４２０Ｊ２）内に配置した。次に、縦１００ｍｍ、横６０ｍｍ、高さ１５ｍｍの凸部を有する上金型（材質：ＳＵＳ４２０Ｊ２）を挿入し、圧力８ＭＰａ、金型温度２４０℃で１０分間プレスした。次に、圧力を保持したまま常温になるまで冷却し、脱型して厚み１．７ｍｍの成形体を得た。
成形体の密度は１．３３ｇ／ｃｍ^３、曲げ強度は２１２ＭＰａ、曲げ弾性率は１９．４ＧＰａであった。成型体の断面に空隙が見られた。

一般的なポリカーボネート樹脂の炭素繊維ペレットからなる成形体の密度は１．２４ｇ／ｃｍ^３～１．３６ｇ／ｃｍ^３、曲げ強度は１８０～２４０ＭＰａ、曲げ弾性率は７．６～１９．１ＧＰａである。

実施形態に係るＳＡＦＢは、自動車、自動二輪車、自転車、船舶、鉄道車両、有人航空機、無人航空機その他の輸送用機器の他、スポーツ用品、レジャー用品、家電製品、農機具、建材などに用いられる各種のＣＦＲＰ部品を製造するために好ましく使用することができる。

Claims (29)

1. 複数の無機繊維と複数の有機繊維と有機バインダーとからなる、自己組織化繊維束。
2. 前記複数の無機繊維の繊維長が６０ｍｍ以下である、請求項１に記載の自己組織化繊維束。
3. 前記複数の有機繊維の繊維長が６０ｍｍ以下である、請求項１または２に記載の自己組織化繊維束。
4. 前記自己組織化繊維束の長さが３ｍｍ以上である、請求項１～３のいずれか一項に記載の自己組織化繊維束。
5. 前記無機繊維の平均繊維長が前記自己組織化繊維束の長さより短い、請求項１～４のいずれか一項に記載の自己組織化繊維束。
6. 前記有機繊維の平均繊維長が前記自己組織化繊維束の長さより短い、請求項１～５のいずれか一項に記載の自己組織化繊維束。
7. 前記自己組織化繊維束中の無機繊維の含有量が３０ｗｔ％以上７５ｗｔ％未満である、請求項１～６のいずれか一項に記載の自己組織化繊維束。
8. 前記無機繊維が炭素繊維またはガラス繊維を含む、請求項１～７のいずれか一項に記載の自己組織化繊維束。
9. 前記自己組織化繊維束が炭素繊維を含む、請求項８に記載の自己組織化繊維束。
10. 前記自己組織化繊維束中の有機繊維の含有量が２５ｗｔ％以上６０ｗｔ％未満である、請求項１～９のいずれか一項に記載の自己組織化繊維束。
11. 前記有機繊維が熱可塑性樹脂繊維を含む、請求項１～１０のいずれか一項に記載の自己組織化繊維束。
12. 前記有機繊維のうち８０ｗｔ％以上が熱可塑性樹脂繊維である、請求項１１に記載の自己組織化繊維束。
13. 前記熱可塑性樹脂繊維を構成する熱可塑性樹脂が、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂からなる群より選ばれる少なくとも１種の樹脂を含む、請求項１１または１２に記載の自己組織化繊維束。
14. 前記複数の無機繊維において、繊維長の最大値と最小値の差が５ｍｍ以内である、請求項１～１３のいずれか一項に記載の自己組織化繊維束。
15. 前記自己組織化繊維束中の全繊維において、繊維長の最大値と最小値の差が５ｍｍ以内である、請求項１～１４のいずれか一項に記載の自己組織化繊維束。
16. 前記有機バインダーがエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリウレタン樹脂およびポリアミド樹脂から選ばれる１種以上の樹脂材料を含有する、請求項１～１５のいずれか一項に記載の自己組織化繊維束。
17. 前記有機バインダーの含有量が１ｗｔ％以上７ｗｔ％未満である、請求項１～１６のいずれか一項に記載の自己組織化繊維束。
18. 前記自己組織化繊維束中の炭素繊維の含有量が３０ｗｔ％以上８０ｗｔ％未満である、請求項９に記載の自己組織化繊維束。
19. 前記複数の炭素繊維の全てが熱劣化していない炭素繊維である、請求項９に記載の自己組織化繊維束。
20. 前記複数の炭素繊維が熱劣化した炭素繊維を含む、請求項９に記載の自己組織化繊維束。
21. 前記複数の炭素繊維の全てが熱劣化した炭素繊維である、請求項９に記載の自己組織化繊維束。
22. 前記自己組織化繊維束の各末端において前記複数の無機繊維および有機繊維の先端の位置が不揃いである、請求項１～１８のいずれか一項に記載の自己組織化繊維束。
23. 形状が種子状、ニードル状またはワイヤ状である、請求項１～１９のいずれか一項に記載の自己組織化繊維束。
24. 請求項１～２３のいずれか一項に記載の自己組織化繊維束を複数、互いに融着させてなる成形体。
25. 請求項１～２３のいずれか一項に記載の自己組織化繊維束を複数、互いに融着させることを含む、成形体の製造方法。
26. 互いに融着させるときに熱可塑性樹脂が補われる、請求項２５に記載の成形体の製造方法。
27. 請求項１～２３のいずれか一項に記載の自己組織化繊維束を複数、金型に散布し、圧縮成形することを含む、成形体の製造方法。
28. 請求項１～２３のいずれか一項に記載の自己組織化繊維束を複数、溶融混錬させることを含む、ペレットの製造方法。
29. 請求項１～２３のいずれか一項に記載の自己組織化繊維束を複数、溶融混錬させて射出成形することを含む、成形体の製造方法。

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