JP5512908B1 - ランダムマットおよび繊維強化複合材料成形体 - Google Patents

Abstract

等方性で、かつ機械強度に優れる繊維強化複合材料成形体とその中間材料として用いられるランダムマットを提供する。
平均繊維長３〜１００ｍｍの強化繊維と熱可塑性樹脂とを含み、前記強化繊維が下記ｉ）〜ｉｉｉ）を満たすランダムマット。
ｉ）強化繊維の重量平均繊維幅（Ｗｗ）が下記式（１）を満たす。
０．０３ｍｍ＜Ｗｗ＜５．０ｍｍ （１）
ｉｉ）強化繊維について、重量平均繊維幅（Ｗｗ）の数平均繊維幅（Ｗｎ）に対する比として定義される平均繊維幅分散比（Ｗｗ/Ｗｎ）が１．８以上２０．０以下である。
ｉｉｉ）強化繊維の重量平均繊維厚みが、その重量平均繊維幅（Ｗｗ）よりも小さい。

Description

本発明は、熱可塑性樹脂をマトリクスとする繊維強化複合材料成形体の中間材料として用いられるランダムマットと、それより得られる繊維強化複合材料成形体に関するものである。

炭素繊維やアラミド繊維、ガラス繊維などを強化繊維として用いた繊維強化複合材料として、等方性であるランダムマットが、賦形性や工程の簡便さより用いられている。このランダムマットは、カットした強化繊維単体、あるいは熱硬化性の樹脂を成形型に同時に吹きつけるスプレーアップ方式（乾式）や、バインダーを含有させたスラリーに予めカットした強化繊維を添加し、抄紙する方法（湿式）等により得る事ができる。

複合材料の機械物性を向上させる手段としては、強化繊維体積含有率（Ｖｆ）を高くする事が知られているが、カット繊維を用いたランダムマットの場合、３次元方向の繊維が存在する、繊維の交絡が多いなどの理由により、強化繊維体積含有率を高くすることが困難であった。またランダムマットを用いた場合は連続繊維を用いた場合と比較して繊維が不連続であるため、強化繊維の強度を十分に発現させる事が困難であり、成形体にした後の強化繊維の強度発現率として、理論値に対し５０％以下になってしまうという問題があった。非特許文献１には、熱硬化性樹脂をマトリクスとした炭素繊維のランダムマットからの複合材料が挙げられている。かかる複合材料の強度発現率は理論値に対し４４％程度である。

また、従来の熱硬化性樹脂をマトリクスとした複合材料では、予め、強化繊維基材に熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグと呼ばれる中間材料を、オートクレーブを用いて２時間以上加熱・加圧する事により得られていた。近年、樹脂を含浸させていない強化繊維基材を金型内にセットした後、熱硬化性樹脂を流し入れるＲＴＭ成形方法が提案され、成形時間は大幅に短縮されたが、ＲＴＭ成形方法を用いた場合でも、１つの部品を成形するまでに１０分以上必要となる。
そのため、従来の熱硬化性樹脂に代わり、熱可塑性樹脂をマトリクスに用いたコンポジットが注目されている。

熱可塑性樹脂をマトリクスとした、熱可塑スタンピング成形（ＴＰ−ＳＭＣ）（特許文献１）は、予め熱可塑性樹脂を含浸させたチョップドファイバーを融点以上に加熱し、これを金型内の一部に投入した後、直ちに型を締め、型内にて繊維と樹脂を流動させる事により製品形状を得、冷却・成型するという成型方法である。この手法では、予め樹脂を含浸させた繊維を用いる事により、約１分程度という短い時間で成形が可能である。これらはＳＭＣやスタンパブルシートと呼ばれるような成形材料とする方法であって、かかる熱可塑スタンピング成形では、型内を繊維と樹脂を流動させるために、薄肉なものが作れない、繊維配向が乱れ、制御が困難である等の問題があった。

さらに特許文献２では、繊維集合体の繊維長を１ｍｍから１５ｍｍの範囲で、連続的に分布させ、短繊維がランダムに交じり合って集合することで、繊維が部分的に集合斑を形成するのを防ぎ、均一で等方性に優れたものが得られることを提案している。しかしながらこの手法では短繊維が厚み方向にも配向してしまうという問題があった。

日本国特許第４１６１４０９号公報 日本国特開平５−９８５３号公報

Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ＰａｒｔＡ ３８ （２００７） ｐ．７５５〜７７０

しかしながら、上記の従来技術では、等方性で、引張強度に優れ、かつ引張弾性率が高い繊維強化複合材料成形体については検討されていない。
本発明の課題は、上記従来技術の諸問題を解決しようとするものであり、等方性で、かつ機械強度に優れる繊維強化複合材料成形体とその中間材料として用いられるランダムマットを提供することにある。特に繊維強化複合材料成形体を占める強化繊維の体積含有率が高く、引張弾性率に優れた繊維強化複合材料成形体を提供しようとするものである。

本発明者らは、熱可塑性樹脂と特定の重量平均繊維幅、平均繊維幅分散比および重量平均繊維厚みの不連続な強化繊維を含むランダムマットより、機械強度およびその等方性に優れ、かつ機械強度、特に引張弾性率が高い繊維強化複合材料成形体を提供できることを見出した。
更に、本発明者らは、ランダムマットにおいて、大小異なる大きさの強化繊維を混在させることで、強化繊維の部分的な集合斑が生じることを防ぐことができ、かつ、単糸状など細かな強化繊維のみから構成されるランダムマットにおける、厚み方向への配向や繊維の交絡によって、マットが嵩高くなるという問題も防ぐことができることも見出した。そして、大小異なる大きさの強化繊維を含むランダムマットを用いることで、より強化繊維体積含有率が高く、かつ、より機械強度が優れる繊維強化複合材料成形体を提供できることを見出し、本発明を完成させた。
即ち、本発明は平均繊維長３〜１００ｍｍの強化繊維と熱可塑性樹脂とを含み、前記強化繊維が下記ｉ）〜ｉｉｉ）を満たすランダムマットおよび、それを成形して得られる繊維強化複合材料成形体である。
ｉ）強化繊維の重量平均繊維幅（Ｗｗ）が下記式（１）を満たす。
０．０３ｍｍ＜Ｗｗ＜５．０ｍｍ （１）
ｉｉ）強化繊維について、重量平均繊維幅（Ｗｗ）の数平均繊維幅（Ｗｎ）に対する比として定義される平均繊維幅分散比（Ｗｗ/Ｗｎ）が１．８以上２０．０以下である。
ｉｉｉ）強化繊維の重量平均繊維厚みが、その重量平均繊維幅（Ｗｗ）よりも小さい。

本発明は、熱可塑性樹脂と強化繊維を含むランダムマットにおいて、含まれる強化繊維が、特定の繊維幅分布を有することで、強化繊維の充填性を高め、優れた機械強度を有する。さらに、面内方向において強化繊維が特定の方向に配向しておらず等方性である。
したがって、本発明のランダムマットより得られる繊維強化複合材料成形体は優れた機械強度を有し、またその等方性に優れ、かつ機械強度、特に引張弾性率が高いため、各種構成部材、例えば自動車の内板、外板、構成部材、また各種電気製品、機械のフレームや筐体等に用いることができる。

ロータリーカッターを用いたカット工程の一例の模式図である。 好ましいロータリー分繊カッターの一例について、正面と断面の概略を示す模式図である。 繊維の拡幅・分繊方法の好ましい一例の模式図である。

以下に、本発明の実施の形態について順次説明する。本発明に関する記載において、重量とは質量を意味する。
本発明は、平均繊維長３〜１００ｍｍの強化繊維と熱可塑性樹脂とを含み、その強化繊維が下記ｉ）〜ｉｉｉ）を満たすランダムマットに関する。
ｉ）強化繊維の重量平均繊維幅（Ｗｗ）が下記式（１）を満たす。
０．０３ｍｍ＜Ｗｗ＜５．０ｍｍ （１）
ｉｉ）強化繊維について重量平均繊維幅（Ｗｗ）の数平均繊維幅（Ｗｎ）に対する比として定義される平均繊維幅分散比（Ｗｗ/Ｗｎ）が１．８以上２０．０以下である。
ｉｉｉ）強化繊維の重量平均繊維厚みが、その重量平均繊維幅（Ｗｗ）よりも小さい。

本発明のランダムマットに含まれる強化繊維の重量平均繊維幅（Ｗｗ）とは、ランダムマットから取り出した充分な数（好ましくは、１００ｍｍ×１００ｍｍに切り出したランダムマットから取り出した２００〜１０００本であり、より好ましくは３００〜１０００本であり、たとえば３００本である）の強化繊維の各々について、それらの幅（以下、繊維幅またはＷ_ｉと表記することがある）と重量（以下、繊維重量またはｗ_ｉと表記することがある。）、更に、取り出した強化繊維の総重量（ｗ）から、以下の式（５）により求めることができる。
Ｗｗ＝Σ（Ｗ_ｉ×ｗ_ｉ／ｗ） （５）
上記式（５）において、ｉは１から、ランダムマットより取り出した強化繊維の数までの自然数である。

本発明のランダムマットに関して、強化繊維の重量平均繊維幅（Ｗｗ）は、前記式（１）のとおり、０．０３ｍｍより大きく５．０ｍｍより小さく、０．０３ｍｍより大きく４．０ｍｍより小さいことが好ましく、０．１ｍｍより大きく３．０ｍｍより小さい、つまり下記式（２）
０．１ｍｍ＜Ｗｗ＜３．０ｍｍ （２）
で示されるものであると好ましく、０．２ｍｍより大きく２．４ｍｍより小さいと更に好ましく、０．３ｍｍより大きく２．０ｍｍより小さいと特に好ましい。強化繊維の重量平均繊維幅（Ｗｗ）が０．０３ｍｍ以下の場合、繊維幅の分散比の制御が困難になるなどの恐れがあり、５．０ｍｍ以上の場合は、ランダムマットの強化繊維の充填性を損ない、該ランダムマットより得られる成形体の強化繊維体積含有率や機械強度が不十分なものとなる場合があるといった問題が生じることがある。

本発明のランダムマットは、含有する強化繊維について、重量平均繊維幅（Ｗｗ）の、数平均繊維幅（Ｗｎ）に対する比として定義される平均繊維幅分散比（Ｗｗ/Ｗｎ）が１．８以上２０．０以下であり、好ましくは１．８以上１０．０以下である。Ｗｗ/Ｗｎの下限値については、２．０より大きいことが好ましく、例えば２．０１以上が好ましい。Ｗｗ/Ｗｎは２．０超過１５．０以下が好ましく、２．０超過１２．０以下がより好ましく、２．０超過１０．０以下が更に好ましく、２．０超過８．０以下であると特に好ましく、２．０超過６．０以下であると最も好ましい。この平均繊維幅分散比（Ｗｗ/Ｗｎ、本発明において、単に分散比と略称することがある）が１．８以上であると、強化繊維間に空隙が生じにくく、強化繊維体積含有率を高めやすいため好ましい。Ｗｗ/Ｗｎが２０．０を超す場合は、分散比の制御が困難になるという点で好ましくない。
ここで、数平均繊維幅（Ｗｎ）は、重量平均繊維幅（Ｗｗ）について上述した手順にて、ランダムマットから充分な数（Ｉ）の強化繊維を取り出し、それら各々について、繊維幅（Ｗ_ｉ）を測定し、以下式（４）により算出される。
Ｗｎ＝ΣＷ_ｉ／Ｉ （４）

本発明のランダムマットに含まれる強化繊維は、その重量平均繊維厚みが、その重量平均繊維幅（Ｗｗ）よりも小さいものであり、重量平均繊維厚みが重量平均繊維幅（Ｗｗ）の１／５以下であると好ましく、１／７以下であるとより好ましく、１／１０以下であるとより一層好ましく、１／２０以下であると更に好ましく、１／５０以下であると特に好ましい。強化繊維の重量平均繊維厚みが、その重量平均繊維幅（Ｗｗ）と等しい場合、面内方向のみならず厚み方向にも繊維が配向してしまい、繊維の交絡によって強化繊維体積含有率を高くすることが困難になるといった問題が生じることが懸念される。
本発明においては、強化繊維の長さ方向を除いた２つの方向の長さのうち、短い方を「厚み」とし、もう一方を「幅」とする。強化繊維の長手方向に垂直な断面における直交する二方向の寸法が等しい場合、任意の一方向を強化繊維の幅とし、もう一方を強化繊維の厚みとする。

本発明のランダムマットに含まれる強化繊維の重量平均繊維厚みとしては、０．０１ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下であると好ましく、０．０２ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下であるとより好ましく、０．０３ｍｍ以上０．１５ｍｍ以下であると更に好ましく、０．０３ｍｍ以上０．１０ｍｍ以下であると特に好ましい。マトリクスである熱可塑性樹脂の含浸の点から、強化繊維の重量平均繊維厚みが０．３０ｍｍ以下であると好ましい。強化繊維の重量平均繊維厚みの下限の０．０１ｍｍ以上等の数値については特に、厳密なものでは無い。

なお、強化繊維の重量平均繊維厚み（ｔ）については、前記の重量平均繊維幅（Ｗｗ）について示したものと同様の操作を行い、取り出した全ての強化繊維についての繊維厚み（ｔ_ｉ）と繊維重量（ｗ_i）、そして取り出した強化繊維の総重量（ｗ）を測定後、以下の式（７）により求めることができる。
ｔ＝Σ（ｔ_ｉ×ｗ_ｉ／ｗ） （７）

本発明のランダムマットの面内において、強化繊維は特定の方向に配向しておらず、無作為な方向に分散して配置されている。本発明のランダムマットは面内等方性の中間材料である。本発明のランダムマットを加工して得られる成形体では、ランダムマット中の強化繊維の等方性が、成形体においても維持されている。ランダムマットより成形体を得て、互いに直交する二方向の引張弾性率の比を求めることで、ランダムマットおよびそれからの成形体の等方性を定量的に評価できる。ランダムマットから得られた成形体における２方向の弾性率の値のうち大きいものを小さいもので割った比が２を超えないときに等方性であるとする。比が１．３を超えないときは等方性に優れているとする。

本発明のランダムマットは、上記のとおり、所定の重量平均繊維幅、平均繊維幅分散比および重量平均繊維厚みの強化繊維と熱可塑性樹脂とを含んで構成される。本発明のランダムマットは、前記強化繊維から構成される強化繊維マットと熱可塑性樹脂とを含んで構成されることが好ましい。本発明でいう強化繊維マットはマトリクスとしての熱可塑性樹脂を含まず不連続な強化繊維から構成される面状体（マット状物）である。本発明に関する強化繊維マットは、強化繊維がサイジング剤や、マットとする時に少量のバインダーを含んだものでもよく、また、面内において強化繊維がランダムな方向に配向しており、実質的に面内の縦横方向の物性がほぼ等しいマットであると好ましい。
強化繊維の種類としては特に制限はなく、単一であっても、２種類以上の混合であっても構わない。
本発明のランダムマットにおいて、強化繊維マットが熱可塑性樹脂を含む形態としては、強化繊維マットに、粉末状、繊維状、または塊状などの熱可塑性樹脂が含まれるものであってもよく、強化繊維マットを熱可塑性樹脂がマトリクスとして保持しているものでもよく、また、強化繊維マットにシート状やフィルム状などの熱可塑性樹脂が搭載または積層されたものであっても良い。ランダムマット中の熱可塑性樹脂は溶融状態であっても良い。なお、本発明のランダムマットに含まれる強化繊維マットについて、重量平均繊維幅（Ｗｗ）や、繊維幅の分散比（Ｗｗ／Ｗｎ）などを求めれば、それらの値を該ランダムマットのものと見なすことができることは言うまでもない。
本発明のランダムマットは、プリフォームとしてそのまま最終形態の繊維強化材料成形体（以下、単に成形体と称することがある）を得るのに用いられてもよく、加熱などにより熱可塑性樹脂を含浸させプリプレグとされてから最終形態の成形体を得るのに用いられてもよい。本発明のランダムマットは、熱可塑性樹脂の含浸された、上記プリプレグも包含する。
ここでいう最終形態の成形体は、ランダムマットやその成形板を加圧・加熱して得られたものに対して、さらなる加熱や加圧により（さらなる成形により）、マトリクスである熱可塑性樹脂を溶融させて、他の形状や厚みにしない形態の成形体のことをいう。
従って、ランダムマット等を加圧・加熱して得られたものを、切断して他の形状の形態にしたものや、研磨して薄くしたり、樹脂等を塗布して厚くしたりしたものは、加熱・加圧をしていないため、最終形態の成形体である。なお、切断や加工の手段として熱を利用する場合は、ここでの加熱に該当しない。
また、溶融状態の熱可塑性樹脂が供給されたランダムマットを成形する際に、供給された熱可塑性樹脂が溶融状態のままで成形する場合は、例えば、加圧だけの成形で成形体が得られる。

本発明のランダムマットは、プリフォームとしてそのまま成形に用いても良く、成形板としてから成形に用いてもよく、所望の成形に合わせて各種目付けが選択できるが、ランダムマットにおける強化繊維の目付けは、好ましくは２５〜１００００ｇ／ｍ^２であり、より好ましくは５０〜４０００ｇ／ｍ^２であり、更に好ましくは６００ｇ／ｍ^２〜３０００ｇ／ｍ^２であり、より一層好ましくは６００ｇ／ｍ^２〜２２００ｇ／ｍ^２である。

本発明のランダムマットは、含有する強化繊維について、繊維幅を横軸に、各繊維幅（Ｗ_ｉ）の強化繊維の繊維重量分率を縦軸としたグラフなどにより表される、強化繊維幅分布（以下、単に、繊維幅分布と略称することがある）が、1つ以上のピークを有するものであると好ましく、少なくとも２つのピークを有するものであるとより好ましい。ここで言うピークとは、鋭い形状のものに限らず、半値幅の広い山状や台形状のものであってもよい。また、左右対称の形状であっても、左右非対称のものであってもよい。
強化繊維幅分布が少なくとも２つのピークを有するものであると、ランダムマットにおける強化繊維間の空隙がより少なくなり、充填性が高いものとなり好ましい。
強化繊維幅分布が少なくとも２つのピークを有するものは、少なくとも異なる２種の間隔でスリットされた強化繊維を用いることなどで得ることができる。

本発明のランダムマットに含まれる強化繊維の繊維幅分布が有する少なくとも２つのピークとしては、あるピークが繊維幅０．０１ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満の範囲内にあり、別のピークが繊維幅０．５０ｍｍ以上２．００ｍｍ以下の範囲内にあると好ましく、あるピークが繊維幅０．１０ｍｍ以上１．００ｍｍ未満の範囲内にあり、別のピークが繊維幅１．００ｍｍ以上５．００ｍｍ以下の範囲内にあるものも好ましい。さらに上記の範囲にピークを有するものであって、かつ繊維幅の小さい範囲の繊維重量分率が、繊維幅の大きい範囲の繊維重量分率より大きいとさらに好ましい。
繊維幅分布が３つ以上のピークを有する場合、うち２つが上記範囲にあれば、残りは、他の範囲にあっても良く、上記範囲にあっても良い。

［強化繊維］
ランダムマットに含まれる強化繊維は不連続であり、ある程度長い強化繊維を含んで強化機能が発現できることを特徴とする。繊維長は、得られたランダムマットにおける強化繊維の繊維長を測定して求めた平均繊維長で表現される。平均繊維長の測定方法としては無作為に抽出した１００本の繊維の繊維長を、ノギス等を用いて１ｍｍ単位まで測定し、その平均を求める方法が挙げられる。

本発明のランダムマットにおける強化繊維の平均繊維長は、３ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、好ましくは４ｍｍ以上５０ｍｍ以下であり、より好ましくは５ｍｍ以上３０ｍｍ以下であり、さらに好ましくは５ｍｍ以上２０ｍｍ以下である。ランダムマットにおける強化繊維の充填性を上げる点から、強化繊維の繊維長は繊維幅とより近いものが好ましく、平均繊維長と重量平均繊維幅（Ｗｗ）の比が５０／１以下であると好ましく、３０／１以下であるとより好ましく、１０／１以下であるとより一層好ましい。
繊維長の分布としては、単一であっても構わないし、２種類以上の混合であっても構わない。

後述する好ましい強化繊維のカット方法において、強化繊維を固定長にカットしてランダムマットを製造した場合、平均繊維長はカットした繊維長と等しくなる。
強化繊維は、炭素繊維、アラミド繊維、およびガラス繊維からなる群から選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。ランダムマットを構成する強化繊維は、軽量でありながら強度に優れた複合材料が提供できる点で炭素繊維が好ましい。上記炭素繊維としては、一般的にポリアクリロニトリル系炭素繊維（以下、ＰＡＮ系炭素繊維と略称することがある）、石油ピッチ系炭素繊維、石炭ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、リグニン系炭素繊維、フェノール系炭素繊維、気相成長系炭素繊維などが知られているが、本発明においてはこれらのいずれの炭素繊維であっても好適に用いることができ、特にＰＡＮ系炭素繊維が好ましく、これらの炭素繊維は１種類単独で用いられてもよく、複数の種類の混合物として用いられても良い。本発明のランダムマットに用いられる強化繊維としては、炭素繊維単独であっても、耐衝撃性を付与する等のためにガラス繊維やアラミド繊維などを含むものでも構わない。炭素繊維の場合、平均繊維径は好ましくは１〜５０μｍであり、より好ましくは３〜１２μｍであり、より一層好ましくは５〜９μｍ、極めて好ましくは５〜７μｍである。炭素繊維はサイジング剤が付着されたものを用いることが好ましく、サイジング剤は炭素繊維１００重量部に対し、０超〜１０重量部であることが好ましい。
本発明における強化繊維は、単糸状に開繊した状態であってもよいし、複数の単糸が集まった繊維束であってもよいし、単糸と繊維束が混在していてもよい。

［マトリクス樹脂］
本発明のランダムマットに含まれるマトリクス樹脂は熱可塑性樹脂である。熱可塑性樹脂の種類としては例えば塩化ビニル樹脂、塩化ビニリデン樹脂、酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリロニトリル−スチレン樹脂（ＡＳ樹脂）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン樹脂（ＡＢＳ樹脂）、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド６樹脂、ポリアミド１１樹脂、ポリアミド１２樹脂、ポリアミド４６樹脂、ポリアミド６６樹脂、ポリアミド６１０樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、ポリブチレンナフタレート樹脂、ボリブチレンテレフタレート樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、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、ポリ乳酸樹脂などからなる群より選ばれる１種類以上のものが挙げられる。本発明においては、上記の熱可塑性樹脂を、単独で使用してもよく、複数種を混合して使用してもよく、共重合体や変性体として使用してもよい。

マトリクス樹脂の存在量としては、強化繊維１００重量部に対し、１０〜８００重量部であると好ましく、２０〜３００重量部であるとより好ましく、２０〜２００重量部であるとより一層好ましく、３０〜１５０重量部であるとさらに好ましく、５０〜１００重量部であると特に好ましい。
なお、強化繊維と熱可塑性樹脂との量の関係については、下記式で定義される強化繊維体積含有率（以下Ｖｆと略記することがある）でも定義することができる。
強化繊維体積含有率（Ｖｏｌ％）＝１００×［強化繊維の体積／（強化繊維の体積＋熱可塑性樹脂の体積）］

この強化繊維体積含有率（Ｖｆ）と、上記の強化繊維１００重量部に対する重量部で表した熱可塑性樹脂の存在量とは、強化繊維の密度と熱可塑性樹脂の密度を用いて換算される。
また、本発明のランダムマット中には、本発明の目的を損なわない範囲で、有機繊維または無機繊維の各種繊維状または非繊維状フィラー、難燃剤、耐ＵＶ剤、顔料、離型剤、軟化剤、可塑剤、界面活性剤の添加剤を含んでいてもよい。

［繊維強化複合材料成形体］
本発明のランダムマットは、構成する強化繊維が、前記のような特徴を有するため、賦型性が高いという利点も併せ持っている。そのため本発明のランダムマットを、繊維強化複合材料成形体を得るための中間材料として好ましく用いることができる。
すなわち本発明はランダムマットから得られる繊維強化複合材料成形体の発明を包含するものである。

本発明の繊維強化複合材料成形体としては、平均繊維長３〜１００ｍｍの強化繊維と熱可塑性樹脂とを含み、その強化繊維が下記ｉ）〜ｉｉｉ）を満たすものであると好ましい。
ｉ）強化繊維の重量平均繊維幅（Ｗｗ）が下記式（１）を満たす。
０．０３ｍｍ＜Ｗｗ＜５．０ｍｍ （１）
ｉｉ）強化繊維における重量平均繊維幅（Ｗｗ）の数平均繊維幅（Ｗｎ）に対する比として定義される分散比（Ｗｗ/Ｗｎ）が１．８以上２０．０以下である。
ｉｉｉ）強化繊維の重量平均繊維厚みが、その重量平均繊維幅（Ｗｗ）よりも小さい。

本発明の繊維強化複合材料成形体の厚みは、含有する強化繊維の目付および熱可塑性樹脂量を制御することで、適正な範囲に好ましく調整される。
本発明の繊維強化複合材料成形体を構成する強化繊維の種類としてはとくに限定はなく、ランダムマットの強化繊維の項に述べたものが好ましく挙げられる。
本発明の繊維強化複合材料成形体を構成する樹脂の種類としてはとくに限定はなく、ランダムマットのマトリクス樹脂の項に述べたものが好ましく挙げられる。

本発明の繊維強化複合材料成形体における熱可塑性樹脂の存在量は、ランダムマットにおける熱可塑性樹脂量について前述したとおり、強化繊維１００重量部に対し、１０〜８００重量部であると好ましく、２０〜３００重量部であるとより好ましく、２０〜２００重量部であるとより一層好ましい、３０〜１５０重量部であるとさらに好ましく、５０〜１００重量部であると特に好ましい。

本発明における繊維強化複合材料成形体の形状は特に限定されない。当該形状としては、例えば、シート状、板状でもよく、曲面部を有していてもよく、断面がＴ字型、Ｌ字型、コの字型、ハット型といった立ち面部などを有するものでもよく、これらを含む三次元形状のものであってもよい。
本発明の繊維強化複合材料成形体は、種々の肉厚、例えば０．２〜１００ｍｍの肉厚のものとすることができるが、より薄肉の成形体でも物性や外観が極めて良好なものとすることが可能であり、具体的には成形板としての肉厚が０．２ｍｍ〜２．０ｍｍ（極めて厳密に定める必要があるならば２５℃での肉厚）とすることができる。繊維強化複合材料成形体における強化繊維の目付けは好ましくは２５〜１００００ｇ／ｍ^２、より好ましくは５０〜４０００ｇ／ｍ^２であり、更に好ましくは６００ｇ／ｍ^２〜３０００ｇ／ｍ^２であり、より一層好ましくは６００ｇ／ｍ^２〜２２００ｇ／ｍ^２である。

本発明は、少なくとも１種の本発明の繊維強化複合材料成形体をコア材やスキン層に用いた積層体も包含する。本発明の積層体は、更に、連続強化繊維が一方向に揃えて配置された、少なくとも１種の一方向繊維強化複合材料をコア材やスキン層として含んでいても良い。本発明の積層体は、更に、本発明の繊維強化複合材料成形体や一方向繊維強化複合材料以外の繊維強化複合材料成形体（以下、他の繊維強化複合材料成形体と称する）の少なくとも１種を、コア材やスキン層として含んでいても良い。本発明の積層体は、更に、強化繊維を含まない樹脂の少なくとも１種をコア材やスキン層として含んでいても良い。
上記の、一方向繊維強化複合材料や他の繊維強化複合材料成形体のマトリクス樹脂、強化繊維を含まない樹脂は、熱硬化性樹脂でも熱可塑性樹脂であっても良い。

［ランダムマットの製造方法］
本発明のランダムマットの製造方法としては、以下の工程１〜４を含む方法が好ましい。
１．強化繊維をカットする工程（カット工程）
２．カットされた強化繊維を管内に導入し、空気により搬送し散布する工程（散布工程）
３．散布された強化繊維を定着させ、強化繊維マットを得る工程（定着工程）
４．強化繊維マットに熱可塑性樹脂を添加して、ランダムマットを得る工程（熱可塑性樹脂添加工程）

＜カット工程＞
強化繊維をカットする工程について述べる。カットされる強化繊維としては、長繊維の単糸が束ねられた形状の、いわゆるストランドが入手や扱いがし易く好ましい。強化繊維のカット方法は、好ましくはロータリーカッター等のナイフを用いて強化繊維をカットする工程である。ロータリーカッターを用いたカット工程の一例を図１に示す。強化繊維を連続的にカットするためのナイフ角度は特に限定されるものではなく、一般的な、繊維に対し、９０度の刃を用いても、角度を持たせたものでも、螺旋状に並べたものでも構わない。螺旋状ナイフを有するロータリーカッターの例を図２に示す。

本発明のランダムマットは上述のように強化繊維が特定の繊維幅分布を有することを特徴とする。すなわちランダムマット中に繊維幅の異なる繊維が存在することで強化繊維間の空隙をより少なくし、充填性を高めることができる。繊維幅の分布については特に限定はなく、そのピーク形状は単一のものであっても、複数からなるものであってもよい。

強化繊維の繊維幅、およびその分散比を目的のものにするためには、カット工程に供する強化繊維の大きさ、例えば繊維幅や繊維厚みを、後述する拡幅方法、分繊方法で制御することが好ましい。また、カットした強化繊維を圧縮空気等で開繊させて、より細かい強化繊維とすることも好ましい。
さらに、複数の強化繊維を用いて、ランダムマットの平均繊維幅や分散比を制御することもでき、カット工程や後述する散布工程等において、異なる繊維幅や繊維厚みとした強化繊維を混合させることによっても、好ましく制御することが出来る。

繊維の拡幅の方法についてはとくに限定はなく、拡張スプレッダー、例えば凸型のピンなどを繊維に押し当てる方法や、繊維の進行方向に対し、交差方向に気流を通過させて繊維を風下方向へ弓なりに撓ませる方法、振動を与える方法などが挙げられる。拡幅した強化繊維は、後段に繊維幅を規制するための規制ローラーを設けることで、目的の繊維幅とすることが好ましい。
さらに本発明のランダムマットを製造するには、上記のように拡幅した後、強化繊維幅をより小さく分繊することが好ましい（図３も参照）。

繊維分繊の方法としては、とくに限定はなく、例えばスリッターでストランドを細い束にする方法などが挙げられる。スリッターを用いて繊維を分繊する場合、スリット間隔を調整することで、目的の繊維幅のものを好適に得られる。さらに、スリット刃には、一定の繊維幅とした強化繊維を、ナイフ状のスリット刃に通すことで繊維を切り分けるか、くし状としたスリットに通して繊維を選り分けることで、より好ましく繊維幅を制御するが出来る。また、強化繊維の収束剤を選択し、分繊することで強化繊維中の平均繊維数が目的の数量のものを得易くすることも出来る。

このように繊維拡幅に次いで繊維分繊を行うことで、強化繊維を小型で、かつ同程度の繊維幅に制御することができる。そのためランダムマットに含まれる強化繊維の強化機能の発現性に優れ、均質性が向上し、強化繊維マットの厚み斑が小さく機械強度に優れたランダムマットが得られる。

＜散布工程＞
次いでカットされた強化繊維をカッター下流のテーパ管内に導入し、散布する工程を行う。強化繊維をテーパ管へ搬送する方法については特に限定はないが、テーパ管に吸引風速を発生させ、空気によりテーパ管内部へと搬送させることが好ましい。カット工程において、複数の強化繊維を個別にカットした場合、テーパ管内部で混合させることにより、強化繊維を好ましく混合させることが出来る。
また、散布工程において、強化繊維に圧縮空気を直接吹きつけることで、強化繊維幅の分布を適宜広げることも好ましい。分布の広さは吹きつける圧縮空気の圧力によってコントロールする事も出来る。

搬送した強化繊維は散布装置下部に設けた通気性シート上に散布することが好ましい。
また下記の定着工程のためにも、吸引機構を持つ可動式の通気性シート上に散布することが好ましい。
また散布工程において、カットされた強化繊維とともに、繊維状又は粉末状の熱可塑性樹脂を同時に、シート上に散布することで、強化繊維と熱可塑樹脂とを含むランダムマットを好適に得ることができる。

＜定着工程＞
次いで散布された強化繊維を定着させ、強化繊維マットを得る。具体的には、散布された強化繊維を通気性シート下部よりエアを吸引して、強化繊維を定着させて強化繊維マットを得る方法が好ましい。強化繊維と同時に繊維状または、粉末状の熱可塑性樹脂を散布する場合であっても、強化繊維に伴って定着される。なお、この定着工程の処理は、前記の散布工程において、強化繊維などを散布するのと連続して行っても良い。

＜熱可塑性樹脂添加工程＞
熱可塑性樹脂添加工程は前述する１〜３の工程と同時に行ってもよく、例えば、上記の散布工程で、粉末状等の熱可塑性樹脂を散布しても良い。そのような前述する１〜３の工程における熱可塑性樹脂の添加をせず、強化繊維マットを作成した場合は、強化繊維マットにシート状やフィルム状などの熱可塑性樹脂を搭載または積層し本発明のランダムマットとすることができ、この場合シート状またはフィルム状の熱可塑性樹脂は溶融状態であっても良い。
なお、上記の散布工程で、粉末状等の熱化成樹脂を散布して得られたランダムマットに対して、上記のように、シート状やフィルム状、または粉末状などの熱可塑性樹脂を搭載または積層しても良い。

［繊維強化複合材料成形体の製造］
本発明のランダムマットを成形して、繊維強化複合材料成形体を得ることができる。繊維強化複合材料成形体を得る方法としては、上記のようにして得られたランダムマットをプレス等により加熱・加圧して得る方法が挙げられる。本発明の繊維強化複合材料成形体を得る方法に特に限定はないが、例えば真空成形や液圧成形、ホットプレス、コールドプレス等により成形することで好適に該成形体を得ることが出来る。なかでも本発明の繊維強化複合材料成形体は、ランダムマットを、その含有する熱可塑性樹脂の融点あるいはガラス転移温度以上まで加熱した後、該樹脂の融点あるいはガラス転移温度以下の温度に保った型で挟み込んで形状を得る、コールドプレス成形において好適に得られる。

ランダムマットを成形する場合、予めマトリクスである熱可塑性樹脂が結晶性の場合は融点以上、または熱可塑性樹脂が非晶性の場合はガラス転移点以上の温度、好ましくは、更に熱可塑性樹脂の分解点以下の温度に、ランダムマットが加熱されていることが好ましい。加圧媒体は、マトリクスである熱可塑性樹脂の融点またはガラス転移点以上に調整されていても、融点またはガラス転移点以下に調整されていてもよい。また成形する際に、適宜、熱可塑性樹脂を加えることで目的に応じて厚みの異なる繊維強化複合材料成形体を得ることが出来る。加える熱可塑性樹脂は特に指定は無く、具体例としてはマトリクス樹脂の項で述べたものと同じものが挙げられる。さらに樹脂の形態も、溶融樹脂や繊維状、粉末状やフィルム状などを用いることができる。
これら本発明のランダムマットは、プリフォームとしてそのまま用いられてもよく、成形板とされてから最終形態の成形体としても良い。

以下に実施例を示すが、本発明はこれらに制限されるものではない。なお、特に、注記無い限り、強化繊維やその試料について、繊維の長さ、繊維幅および繊維厚みの単位はｍｍ、重量の単位はｇである。なお、以下の実施例、比較例で用いた炭素繊維や熱可塑性樹脂の密度は以下のとおりである。
ＰＡＮ系炭素繊維“テナックス”(登録商標)ＳＴＳ４０−２４Ｋ：１．７５ｇ／ｃｍ^３
ＰＡＮ系炭素繊維“テナックス”(登録商標)ＵＭＳ４０−２４Ｋ：１．７９ｇ／ｃｍ^３
ＰＡＮ系炭素繊維“テナックス”(登録商標)ＨＴＳ４０−１２Ｋ：１．７６ｇ／ｃｍ^３
ＰＡＮ系炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＵＴＳ５０−２４Ｋ：１．７９ｇ／ｃｍ^３
ポリプロピレン：０．９１ｇ／ｃｍ^３
ポリアミド６：１．１４ｇ／ｃｍ^３
ポリカーボネート：１．２０ｇ／ｃｍ^３

［ランダムマットにおける強化繊維の数平均繊維幅および重量平均繊維幅の求め方］
ランダムマットを１００ｍｍ×１００ｍｍに切り出し、強化繊維をピンセットで無作為に３００本取り出す。取り出した強化繊維について、個々の繊維幅（Ｗ_ｉ）と繊維重量（ｗ_ｉ）、繊維厚み（ｔ_ｉ）を測定し、記録する。繊維幅と繊維厚みの測定には、１／１００ｍｍまで測定可能なノギスを用い、重量の測定には、１／１００ｍｇまで測定可能な天秤を用いる。重量が測定できない小型の強化繊維については、同じ繊維幅のものをまとめて重量を測定した。なお、２種類以上の強化繊維が使用されている場合には、繊維の種類毎に分け、各々について測定及び評価を行う。

取り出した全ての繊維について繊維幅（Ｗ_ｉ）と繊維重量（ｗ_ｉ）測定後、数平均繊維幅（Ｗｎ）を以下の式（４）により求める。
Ｗｎ＝ΣＷ_ｉ／Ｉ （４）
Ｉは強化繊維の本数であり、繊維本数が３００本に満たない場合を除き、その値は３００である。
さらに、強化繊維の重量平均繊維幅（Ｗｗ）を、強化繊維の総重量（ｗ）から以下の式（５）により求める。
Ｗｗ＝Σ（Ｗ_ｉ×ｗ_ｉ／ｗ） （５）
なお、強化繊維と熱可塑性樹脂とを分離できず上記測定に支障がある場合は、例えば５００℃で１時間程度加熱する等して、熱可塑性樹脂を除去した後に上記測定を行う。

［強化繊維における分散比（Ｗｗ/Ｗｎ）の求め方］
得られた強化繊維の数平均繊維幅（Ｗｎ）、および重量平均繊維幅（Ｗｗ）より、平均繊維幅分散比（Ｗｗ／Ｗｎ）を以下の式（６）により求める。
平均繊維幅分散比（Ｗｗ／Ｗｎ）＝重量平均繊維幅（Ｗｗ）／数平均繊維幅（Ｗｎ） （６）

［ランダムマットにおける強化繊維幅分布のピーク位置の確認方法］
上記により得られた繊維幅（Ｗ_ｉ）と繊維重量（ｗ_ｉ）および強化繊維の総重量（ｗ）より、繊維幅と繊維重量分率（％）とのグラフを作成し、得られた強化繊維幅分布の形状より、繊維幅分布が有するピークの位置の確認を行う。
なお、２種類以上の強化繊維が使用されている場合には、それぞれの繊維の種類毎にグラフを作成し、評価を行う。

［ランダムマットにおける強化繊維の重量平均繊維厚みの求め方］
上記により、取り出した全ての強化繊維について繊維厚み（ｔ_ｉ）と繊維重量（ｗ_ｉ）測定後、重量平均繊維厚み（ｔ）を以下の式（７）により求める。
ｔ＝Σ（ｔ_ｉ×ｗ_ｉ／ｗ） （７）

［繊維強化複合材料成形体における強化繊維の数平均繊維幅および重量平均繊維幅の求め方］
繊維強化複合材料成形体中の強化繊維の平均繊維幅は、複合材料成形体を１００ｍｍ×１００ｍｍに切り出し、５００℃で１時間程度炉内にて加熱して樹脂を除去した後、ランダムマットと同様の手順で、繊維を取り出して繊維幅（Ｗ_ｉ）と繊維重量（ｗ_ｉ）等を測定し求める。

［強化繊維マットまたはランダムマットにおける平均繊維長Ｌの求め方］
強化繊維マットまたはランダムマットより、強化繊維を、ピンセットを用いて無作為に１００本取り出し、個々の繊維長Ｌ_ｉを、ノギスを用いて、１ｍｍまで測定し、記録する。取り出す際の大きさは繊維長に対して、十分大きい範囲について、取り出すことが好ましい。
得られた個々の繊維長Ｌ_ｉより、下記式より平均繊維長Ｌを求める。
Ｌ＝ΣＬ_ｉ／１００
なお、強化繊維と熱可塑性樹脂とを分離できず上記測定に支障がある場合は、例えば５００℃で１時間程度加熱する等して、熱可塑性樹脂を除去した後に上記の測定を行う。

［繊維強化複合材料成形体（成形板）の熱可塑性樹脂の含浸程度の評価］
繊維強化複合材料成形体（成形板）の含浸程度は、超音波探傷試験により評価する。超音波探傷映像化装置（日本クラウトクレーマー（株） ＳＤＳ−ＷＩＮ）にて探傷機周波数５ＭＨｚ、走査ピッチ２．０ｍｍ×２．０ｍｍで探傷試験を行うことで評価した。評価を行うに当って、反射波強度９０％以上の部分の断面において顕微鏡観察を行い、欠陥や空隙が存在しないことを確認した。探傷試験において反射波強度が高い（本実施例では７０％以上）部分の面積割合が多いほど、成形板の内部が緻密であり、成形板において熱可塑性樹脂の含浸程度が高いとする。一方反射波強度が低い（本実施例では５０％以下）部分の面積割合が多いほど、成形板の内部に微細な空隙部があり、成形板において未含浸部分が多いとする。

［引張試験］
ウォータージェットを用いて繊維強化複合材料成形体（成形板）から試験片を切出し、ＪＩＳ Ｋ ７１６４を参考として、インストロン社製の万能試験機を用いて、引張強度および引張弾性率を測定した。試験片の形状は１Ｂ系Ｂ形試験片とした。チャック間距離は１１５ｍｍ、試験速度は１０ｍｍ／分とした。なお、試験片については、成形体の任意の方向（０度方向）、およびこれと直交する方向（９０度方向）についてそれぞれ切出し、両方向の引張強度および引張弾性率を測定した。また、引張弾性率については、大きい方の値を小さい方の値で割った比（Ｅδ）を算出した。

［実施例１］
強化繊維として、東邦テナックス社製のＰＡＮ系炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＳＴＳ４０−２４Ｋストランド（繊維径７．０μｍ 繊維幅１０ｍｍ 引張強度４０００ＭＰａ）を繊維拡幅して２２ｍｍ幅とした。拡幅した繊維を分繊装置に処する前に、内幅２０ｍｍのローラーに通すことで繊維幅を正確に２０ｍｍ幅となるように調節を行った。拡幅して２０ｍｍ幅とした強化繊維ストランドを、超硬合金製の円盤状の分繊刃を用いて、ライン速度１０ｍ／ｓｅｃで１．２ｍｍ間隔にスリットしたものと、ライン速度３０ｍ／ｓｅｃで０．３ｍｍ間隔にスリットをしたものとし、それらをそれぞれ二組のカット装置に供給した。カット装置として、どちらも１２ｍｍ間隔に刃が形成された超硬合金製のロータリーカッターを使用して２種類の繊維幅にスリットした強化繊維ストランドをそれぞれ繊維長が１２ｍｍになるようにカットした。この２つのロータリーカッターの下部に、それぞれのロータリーカッター出側からつながる１つのテーパ管を配置した。このテーパ管に圧縮空気を送りこみ、吸引風速５ｍ／ｓｅｃにてそれぞれの強化繊維をテーパ管に導入し、搬送してテーパ管内で両強化繊維を混合した。テーパ管の側面よりマトリクス樹脂として、粒子径５００μｍに粉砕、分級したポリプロピレン（プライムポリマー社製 Ｊ−１０６Ｇ）を供給した。次に、テーパ管出口の下部に、移動可能なコンベアネットを設置し、ネット下部のブロワにより吸引を行いながら、上記テーパ管より強化繊維を供給し、繊維目付１２７０ｇ／ｍ^２のランダムマットを得た。ランダムマットにおける強化繊維の形態を観察したところ、強化繊維の繊維軸は面とほぼ並行にあり、面内においては無作為に分散されていた。

得られたランダムマットの強化繊維の平均繊維長は１２ｍｍであり、重量平均繊維厚みは０．０６ｍｍであった。ランダムマットを構成する強化繊維の重量平均繊維幅（Ｗｗ）は０．５１ｍｍであり、数平均繊維幅（Ｗｎ）は０．２５ｍｍであり、分散比（Ｗｗ／Ｗｎ）は２．０１であった。さらに、繊維幅と繊維重量分率とをグラフにし、その繊維幅分布が有するピークの位置の確認を行ったところ、繊維幅０．２９ｍｍと１．１８ｍｍにそれぞれピークを確認した。
得られたランダムマットを２２０℃に加熱したプレス装置にて、４．０ＭＰａにて１０分間加熱し、厚さ１．６ｍｍの成形板を得た。得られた成形板について超音波探傷試験を行ったところ、反射波強度が７０％以上の部分が８０％以上観察された。
得られた成形板の強化繊維体積含有率は４５Ｖｏｌ％であり、ＪＩＳ７１６４に準拠し引張特性の評価を行った結果、引張強度は４９０ＭＰａであり、引張弾性率は３６ＧＰａであった。また、０度方向と９０度方向の引張弾性率比は１．０４であった。

［実施例２］
強化繊維として、東邦テナックス社製のＰＡＮ系炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＵＭＳ４０−２４Ｋストランド（繊維径４．８μｍ 繊維幅１０ｍｍ 引張強度４６００ＭＰａ）を繊維拡幅して１６ｍｍ幅とした。拡幅した繊維を分繊装置に処する前に、内幅１５ｍｍのローラーに通すことで繊維幅を正確に１５ｍｍ幅となるように調節を行った。拡幅して１５ｍｍ幅とした強化繊維ストランドを、超硬合金の円盤状の分繊刃を用いて、ライン速度３５ｍ／ｓｅｃで強化繊維を０．８ｍｍ間隔にスリットしたものと、ライン速度１５ｍ／ｓｅｃで０．２ｍｍ間隔にスリットしたものとし、それらをそれぞれ二組のカット装置に供給した。カット装置として、どちらも６ｍｍ間隔に刃が形成された超硬合金製のロータリーカッターを使用して繊維長が６ｍｍになるようにした。
０．８ｍｍ間隔にスリットした強化繊維を、ロータリーカッターでカットした後に、直下に配置したテーパ管に、圧縮空気を送りこむことによって、吸引風速５ｍ／ｓｅｃにてテーパ管に導入した。
０．２ｍｍ間隔にスリットした強化繊維をカット装置に供給後、散布装置の小孔を有した管に送り、そこへコンプレッサーを用いて小孔から圧縮空気を送気することにより、強化繊維の開繊を行った。この時、小孔からの吐出風速は８０ｍ／ｓｅｃであった。その後、開繊された強化繊維をテーパ管へと導入し、０．８ｍｍ間隔にスリットした強化繊維とテーパ管内で混合した。次に、テーパ管出口の下部に、移動可能なコンベアネットを設置し、ネット下部のブロワにより吸引を行いながら、上記テーパ管より強化繊維を供給し、繊維目付１４１０ｇ／ｍ^２の強化繊維マットを得た。強化繊維マットにおける強化繊維の形態を観察したところ、強化繊維の繊維軸は面とほぼ並行にあり、面内においては無作為に分散されていた。

次いで、このマット上に、溶融したマトリクス樹脂を供給した。すなわち、マトリクス樹脂としてポリアミド６（ユニチカ社製 Ａ１０３０）を使用し、これを溶融して、コンベアネット上方５ｃｍの位置に設けた幅１ｍのＴ−ダイから厚み１．２ｍｍの膜状溶融樹脂体をコンベアライン速度と同速度で押し出し、マット全面に溶融樹脂を供給した。この際、強化繊維マット面上の樹脂が供給される箇所を、赤外線ヒータにより加熱して、樹脂の冷却固化を防ぐようにした。
そして、強化繊維の供給量を１４１０ｇ／ｍｉｎに対し、マトリクス樹脂の供給量を１３７０ｇ／ｍｉｎとする条件で装置を稼動したところ、定着ネット上に強化繊維と熱可塑性樹脂からなるランダムマットが形成された。引き続き、これを設定温度２８０℃の一対の加熱ローラーにより加熱加圧して、樹脂が均一に含浸したランダムマットを得た。

得られたランダムマットの強化繊維の平均繊維長は６ｍｍであり、重量平均繊維厚みは０．０７ｍｍであった。ランダムマットを構成する強化繊維の重量平均繊維幅（Ｗｗ）は０．５２ｍｍであり、数平均繊維幅（Ｗｎ）は０．１２ｍｍであり、分散比（Ｗｗ／Ｗｎ）は４．３１であった。さらに、繊維幅と繊維重量分率とをグラフにし、その繊維幅分布が有するピークの位置の確認を行ったところ、繊維幅０．０８ｍｍと０．７９ｍｍにそれぞれピークを確認した。
得られたランダムマットを２６０℃に加熱したプレス装置にて、４．０ＭＰａにて１０分間加熱し、厚さ２．０ｍｍの成形板を得た。得られた成形板について超音波探傷試験を行ったところ、反射波強度が７０％以上の部分が８０％以上観察された。
得られた成形板の強化繊維体積含有率は４０Ｖｏｌ％であり、ＪＩＳ７１６４に準拠し引張特性の評価を行った結果、引張強度は５００ＭＰａであり、引張弾性率は５１ＧＰａであった。また、０度方向と９０度方向の引張弾性率比は１．０３であった。

［実施例３］
強化繊維として、東邦テナックス社製のＰＡＮ系炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＨＴＳ４０−１２Ｋストランド（繊維径７．０μｍ 繊維幅８ｍｍ 引張強度４２００ＭＰａ）を繊維拡幅して１６ｍｍ幅とした。拡幅した強化繊維ストランドを分繊装置に処する前に、内幅１５ｍｍのローラーに通すことで繊維幅を正確に１５ｍｍ幅となるように調節を行った。拡幅して１５ｍｍ幅とした強化繊維ストランドを、超硬合金の円盤状の分繊刃を用いて、ライン速度２０ｍ／ｓｅｃで強化繊維を５．０ｍｍ間隔にスリットしたものと、ライン速度２０ｍ／ｓｅｃで０．５ｍｍ間隔にスリットをしたものとし、それらをそれぞれ二組のカット装置に供給した。カット装置として、どちらも３０ｍｍ間隔に刃が形成された超硬合金製のロータリーカッターを使用して繊維長が３０ｍｍになるようにカットした。このロータリーカッターで、２種類の繊維幅にした強化繊維をそれぞれカットした。このロータリーカッターの下部に、それぞれのロータリーカッター出側からつながる１つのテーパ管を配置した。このテーパ管に圧縮空気を送りこむことにより、吸引風速５ｍ／ｓｅｃにてそれぞれの強化繊維をテーパ管に導入し、搬送してテーパ管内で両強化繊維を混合した。テーパ管の側面よりマトリクス樹脂として、粒子径５００μｍに粉砕、分級したポリカーボネート（帝人化成社製“パンライト”（登録商標）Ｌ−１２２５Ｙ）を供給した。次に、テーパ管出口の下部に、移動可能なコンベアネットを設置し、ネット下部のブロワにより吸引を行いながら、上記テーパ管より強化繊維を供給し、繊維目付２９００ｇ／ｍ^２のランダムマットを得た。ランダムマットにおける強化繊維の形態を観察したところ、強化繊維の繊維軸は面とほぼ並行にあり、面内においては無作為に分散されていた。

得られたランダムマットの強化繊維の平均繊維長は３０ｍｍであり、重量平均繊維厚みは０．０５ｍｍであった。ランダムマットを構成する強化繊維の重量平均繊維幅（Ｗｗ）は２．７７ｍｍであり、数平均繊維幅（Ｗｎ）は０．７３ｍｍであり、分散比（Ｗｗ／Ｗｎ）は３．８２であった。さらに、繊維幅と繊維重量分率とをグラフにし、その繊維幅分布が有するピークの位置の確認を行ったところ、繊維幅０．４８ｍｍと５．００ｍｍにそれぞれピークを確認した。
得られたランダムマットを３００℃に加熱したプレス装置にて、４．０ＭＰａにて１０分間加熱し、厚さ３．０ｍｍの成形板を得た。得られた成形板について超音波探傷試験を行ったところ、反射波強度が７０％以上の部分が８０％以上観察された。
得られた成形板の強化繊維体積含有率は５５Ｖｏｌ％であり、ＪＩＳ７１６４に準拠し引張特性の評価を行った結果、引張強度は６００ＭＰａであり、引張弾性率は４４ＧＰａであった。また、０度方向と９０度方向の引張弾性率比は１．０７であった。

［比較例１］
強化繊維として、東邦テナックス社製のＰＡＮ系炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＨＴＳ４０−１２Ｋストランド（繊維径７．０μｍ 繊維幅８ｍｍ 引張強度４２００ＭＰａ）を繊維拡幅して１６ｍｍ幅とした。拡幅した強化繊維ストランドを分繊装置に処する前に、内幅１５ｍｍのローラーに通すことで繊維幅を正確に１５ｍｍ幅となるように調節を行った。分繊装置には、超硬合金の円盤状の分繊刃を用いて、強化繊維ストランドを３．２ｍｍ間隔にスリットした。カット装置として、３０ｍｍ間隔に刃が形成されたロータリーカッターを使用して、スリットされた強化繊維ストランドを繊維長が３０ｍｍになるようにカットした。このロータリーカッターの直下にテーパ管を配置した。このテーパ管に圧縮空気を送りこむことにより、吸引風速５ｍ／ｓｅｃにてカットされた強化繊維をテーパ管に導入し、搬送した。テーパ管の側面よりマトリクス樹脂として、粒子径５００μｍに粉砕、分級したポリカーボネート（帝人化成社製“パンライト”（登録商標）Ｌ−１２２５Ｙ）を供給した。次に、テーパ管出口の下部に、移動可能なコンベアネットを設置し、ネット下部のブロワにより吸引を行いながら、上記テーパ管より強化繊維を供給し、繊維目付２９００ｇ／ｍ^２のランダムマットを得た。ランダムマットにおける強化繊維の形態を観察したところ、強化繊維の繊維軸は面とほぼ並行にあり、面内においては無作為に分散されていた。

得られたランダムマットの強化繊維の平均繊維長は３０ｍｍであり、重量平均繊維厚みは０．０５ｍｍであった。ランダムマットを構成する強化繊維の重量平均繊維幅（Ｗｗ）は３．０４ｍｍであり、数平均繊維幅（Ｗｎ）は２．３２ｍｍであり、分散比（Ｗｗ／Ｗｎ）は１．３１であった。さらに、繊維幅と繊維重量分率とをグラフにし、その繊維幅分布が有するピークの位置の確認を行ったところ、繊維幅３．１８ｍｍに単一のピークを確認した。
得られたランダムマットを３００℃に加熱したプレス装置にて、４．０ＭＰａにて１０分間加熱し、厚さ３．２ｍｍの成形板を得た。得られた成形板について超音波探傷試験を行ったところ、反射波強度が７０％以上の部分が５８％観察され、成形板内部に未含浸部分が確認された。
得られた成形板の強化繊維体積含有率は５２Ｖｏｌ％であり、ＪＩＳ７１６４に準拠し引張特性の評価を行った結果、引張強度は４４０ＭＰａであり、引張弾性率は４１ＧＰａであった。また、０度方向と９０度方向の引張弾性率比は１．１６であった。

［実施例４］
強化繊維として、東邦テナックス社製のＰＡＮ系炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＵＴＳ５０−２４Ｋストランド（繊維径６．９μｍ 繊維幅１０ｍｍ 引張強度５０００ＭＰａ）を繊維拡幅して２２ｍｍ幅とした。拡幅した強化繊維ストランドを分繊装置に処する前に、内幅２０ｍｍのローラーに通すことで繊維幅を正確に２０ｍｍ幅となるように調節を行った。拡幅して２０ｍｍ幅とした強化繊維ストランドを、円盤状の分繊刃を用いて、ライン速度３５ｍ／ｓｅｃで強化繊維ストランドを３．６ｍｍ間隔にスリットしたものと、ライン速度１５ｍ／ｓｅｃで０．３ｍｍ間隔にスリットしたものとし、それらをそれぞれ二組のカット装置に供給した。カット装置として、それぞれ２０ｍｍ間隔と４ｍｍ間隔に刃が形成された超硬合金製のロータリーカッターを使用して繊維長が２０ｍｍと４ｍｍになるようにした。
３．６ｍｍ間隔にスリットした強化繊維ストランドを、ロータリーカッターで２０ｍｍにカットした後に、直下に配置したテーパ管に圧縮空気を送りこむことによって、吸引風速５ｍ／ｓｅｃにてテーパ管に導入した。
０．３ｍｍ間隔にスリットした強化繊維ストランドを４ｍｍにカットした後、散布装置の小孔を有した管に送り、コンプレッサーを用いて小孔から圧縮空気を送気することによって、開繊を行った。この時、小孔からの吐出風速は８０ｍ／ｓｅｃであった。その後、０．３ｍｍ間隔にスリットした強化繊維をテーパ管へと導入し、３．６ｍｍ間隔にスリットした強化繊維とテーパ管内で混合した。さらにテーパ管の側面よりマトリクス樹脂として、粒子径５００μｍに粉砕、分級したポリアミド６（ユニチカ社製“Ａ１０３０”）を供給し、テーパ管出口の下部に、移動可能なコンベアネットを設置し、ネット下部のブロワにより吸引を行いながら、上記テーパ管より炭素繊維を供給し、繊維目付２９００ｇ／ｍ^２のランダムマットを得た。ランダムマットにおける強化繊維の形態を観察したところ、強化繊維の繊維軸は面とほぼ並行にあり、面内においては無作為に分散されていた。
得られたランダムマットの強化繊維の平均繊維長は１５．２ｍｍであり、重量平均繊維厚みは０．０５ｍｍであった。ランダムマットを構成する強化繊維の重量平均繊維幅（Ｗｗ）は２．５４ｍｍであり、数平均繊維幅（Ｗｎ）は０．３８ｍｍであり、分散比（Ｗｗ／Ｗｎ）は６．６８であった。さらに、繊維幅と繊維重量分率とをグラフにし、その繊維幅分布が有するピークの位置の確認を行ったところ、繊維幅０．１５ｍｍと３．５７ｍｍにそれぞれピークを確認した。得られたランダムマットを２６０℃に加熱したプレス装置にて、４．０ＭＰａにて１０分間加熱し、厚さ３．０ｍｍの成形板を得た。得られた成形板について超音波探傷試験を行ったところ、反射波強度が７０％以上の部分が８０％以上観察された。
得られた成形板の強化繊維体積含有率は５５Ｖｏｌ％であり、ＪＩＳ７１６４に準拠し引張特性の評価を行った結果、引張強度は６２０ＭＰａであり、引張弾性率は４５ＧＰａであった。また、０度方向と９０度方向の引張弾性率比は１．０６であった。

［実施例５］
強化繊維として、東邦テナックス社製のＰＡＮ系炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＳＴＳ４０−２４Ｋストランド（繊維径７．０μｍ 繊維幅１０ｍｍ 引張強度４０００ＭＰａ）を繊維拡幅して２０ｍｍ幅とした。拡幅した強化繊維ストランドを分繊装置に処する前に、内幅１８ｍｍのローラーに通すことで繊維幅を正確に１８ｍｍ幅となるように調節を行った。拡幅して１８ｍｍ幅とした強化繊維ストランドをそれぞれ、円盤状の分繊刃を用いて、ライン速度３０ｍ／ｓｅｃで強化繊維ストランドを５．８ｍｍ間隔にスリットしたものと、ライン速度２０ｍ／ｓｅｃで０．３ｍｍ間隔にスリットしたものをそれぞれ二組のカット装置に供給した。カット装置として、どちらも、２０ｍｍ間隔に刃が形成された超硬合金製のロータリーカッターを使用して繊維長が２０ｍｍになるよう強化繊維ストランドをカットした。
５．８ｍｍ間隔にスリットした強化繊維を、ロータリーカッターでカットした後に、直下に配置したテーパ管に圧縮空気を送りこむことによって、吸引風速５ｍ／ｓｅｃにてテーパ管に導入した。
０．３ｍｍ間隔にスリットした強化繊維ストランドをカットした後、散布装置の小孔を有した管に送り、そこへコンプレッサーを用いて小孔から圧縮空気を送気することによって、開繊を行った。この時、小孔からの吐出風速は８０ｍ／ｓｅｃであった。その後、０．３ｍｍ間隔にスリットされ開繊された強化繊維をテーパ管へと導入し、５．８ｍｍ間隔にスリットした強化繊維とテーパ管内で混合した。さらにテーパ管の側面よりマトリクス樹脂として、粒子径５００μｍに粉砕、分級したポリアミド６（ユニチカ社製“Ａ１０３０”）を供給し、テーパ管出口の下部に、移動可能なコンベアネットを設置し、ネット下部のブロワにより吸引を行いながら、上記テーパ管より強化繊維を供給し、繊維目付２９００ｇ／ｍ^２のランダムマットを得た。ランダムマットにおける強化繊維の形態を観察したところ、強化繊維の繊維軸は面とほぼ並行にあり、面内においては無作為に分散されていた。
得られたランダムマットの強化繊維の平均繊維長は２０ｍｍであり、重量平均繊維厚みは０．０６ｍｍであった。ランダムマットを構成する強化繊維の重量平均繊維幅（Ｗｗ）は３．５５ｍｍであり、数平均繊維幅（Ｗｎ）は０．３７ｍｍであり、分散比（Ｗｗ／Ｗｎ）は９．６９であった。さらに、繊維幅と繊維重量分率とをグラフにし、その繊維幅分布が有するピークの位置の確認を行ったところ、繊維幅０．０２ｍｍと５．７８ｍｍにそれぞれピークを確認した。得られたランダムマットを２６０℃に加熱したプレス装置にて、４．０ＭＰａにて１０分間加熱し、厚さ３．０ｍｍの成形板を得た。得られた成形板について超音波探傷試験を行ったところ、反射波強度が７０％以上の部分が８０％以上観察された。
得られた成形板の強化繊維体積含有率は５５Ｖｏｌ％であり、ＪＩＳ７１６４に準拠し引張特性の評価を行った結果、引張強度は５００ＭＰａであり、引張弾性率は４４ＧＰａであった。また、０度方向と９０度方向の引張弾性率比は１．１２であった。

［比較例２］
強化繊維として、東邦テナックス社製のＰＡＮ系炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＨＴＳ４０−１２Ｋストランド（繊維径７．０μｍ繊維幅８ｍｍ 引張強度４２００ＭＰａ）を用い、ロータリーカッターで６ｍｍにカットした。
カットした強化繊維は分散槽に供給し、強化繊維９ｇに対して水１５Lで３分間撹拌することで強化繊維を分散液に分散させた。分散槽で３分間撹拌した後、得られた強化繊維のスラリーを３００ｍｍ×３００ｍｍの角型抄紙装置に供給し、分散液を除去することで強化繊維目付が１００ｇ／ｍ^２の抄紙基材を得た。得られた抄紙基材は１００℃の温度で１時間程度加熱し、乾燥した。
得られた抄紙基材を構成する強化繊維の重量平均繊維厚みは０．０１ｍｍ、重量平均繊維幅（Ｗｗ）は０．０１ｍｍであり、数平均繊維幅（Ｗｎ）は０．０１ｍｍであり、分散比（Ｗｗ／Ｗｎ）は１．０であり、強化繊維はほぼ単糸にまで完全に分散されていた。
抄紙基材と、ポリプロピレンフィルム（プライムポリマー社製 Ｊ−１０６Ｇ）とを、強化繊維(炭素繊維）目付２６００ｇ／ｍ^２、樹脂（ポリプロピレン）目付１２７０ｇ／ｍ^２となるよう、交互に積層し、設定温度２２０℃の一対の加熱ローラーにより加熱加圧した。その後、２２０℃に加熱したプレス装置にて、１０ＭＰａにて１０分間加熱したところ、厚さ３０ｍｍ程度の未含浸な板が得られた。板は、樹脂が十分にまわっておらず、層間で剥離してしまい機械強度の評価を行うことができなかった。
得られた成形板において、強化繊維の平均繊維長を測定したところ２．１ｍｍであり、抄紙基材の作製前のカット時の強化繊維の平均繊維長の１／３程度に減少していた。これは、抄紙やプレス成形の際に強化繊維が折損したためである。

［比較例３］
強化繊維として、東邦テナックス社製のＰＡＮ系炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＨＴＳ４０−１２Ｋストランド（繊維径７．０μｍ繊維幅８ｍｍ 引張強度４２００ＭＰａ）を用いた。強化繊維ストランドとしては、円盤状の分繊刃を用いて、ライン速度３５ｍ／ｓｅｃで強化繊維を１．０ｍｍ間隔にスリットしたものと、ライン速度６５ｍ／ｓｅｃでスリットせずに通過させたものとをそれぞれ二組のカット装置に供給した。カット装置には、どちらも３０ｍｍ間隔に刃が形成された超硬合金製のロータリーカッターを使用して繊維長が３０ｍｍになるようにした。
１．０ｍｍ間隔にスリットした強化繊維ストランドを、ロータリーカッターでカットした後、散布装置の小孔を有した管に送り、コンプレッサーを用いて小孔から圧縮空気を送気することにより、強化繊維の開繊を行った。この時、小孔からの吐出風速は５０ｍ／ｓｅｃであった。
スリットしなかった強化繊維はカットした後に、直下に配置したテーパ管に、吸引風速５ｍ／ｓｅｃにて導入した。その後、それぞれの強化繊維をテーパ管へと導入し、２種類の強化繊維をテーパ管内で混合した。さらにテーパ管の側面よりマトリクス樹脂として、粒子径５００μｍに粉砕、分級したポリカーボネート（帝人化成社製“パンライト”（登録商標）Ｌ−１２２５Ｙ）を供給し、テーパ管出口の下部に、移動可能なコンベアネットを設置し、ネット下部のブロワにより吸引を行いながら、上記テーパ管より強化繊維を供給し、強化繊維目付２９００ｇ／ｍ^２のランダムマットを得た。ランダムマットにおける強化繊維の形態を観察したところ、強化繊維の繊維軸は面とほぼ並行にあり、面内においては無作為に分散されていた。
得られたランダムマットの強化繊維の平均繊維長は３０ｍｍであり、重量平均繊維厚みは０．０７ｍｍであった。ランダムマットを構成する強化繊維の重量平均繊維幅（Ｗｗ）は５．１７ｍｍであり、数平均繊維幅（Ｗｎ）は１．９４ｍｍであり、分散比（Ｗｗ／Ｗｎ）は２．６７であった。さらに、繊維幅と繊維重量分率とをグラフにし、その繊維幅分布が有するピークの位置の確認を行ったところ、繊維幅０．９２ｍｍと８．００ｍｍにそれぞれピークを確認した。得られたランダムマットを３００℃に加熱したプレス装置にて、４．０ＭＰａにて１０分間加熱し、厚さ３．２ｍｍの成形板を得た。得られた成形板について超音波探傷試験を行ったところ、反射波強度が７０％以上の部分が４３％観察され、成形板内部に未含浸部分が多く確認された。
得られた成形板の強化繊維体積含有率は５１Ｖｏｌ％であり、ＪＩＳ７１６４に準拠し引張特性の評価を行った結果、引張強度は３７０ＭＰａであり、引張弾性率は３２ＧＰａであった。また、０度方向と９０度方向の引張弾性率比は１．２３であった。

本発明により得られるランダムマットおよび繊維強化複合材料成形体は優れた機械強度を有し、またその等方性に優れ、かつ引張弾性率が高いため、各種構成部材、例えば自動車の内板、外板、構成部材、また各種電気製品、機械のフレームや筐体等に用いることができる。

本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、２０１２年８月１日出願の日本特許出願（特願２０１２−１７１１４２）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

１．強化繊維
２．ピンチローラー
３．ゴムローラー
４．ロータリーカッター本体
５．刃
６．カットされた強化繊維
７．刃のピッチ
８．拡幅された強化繊維
９．拡幅装置
１０．繊維幅規制ローラー
１１．分繊スリッター
１２．分繊された強化繊維

Claims (13)

1. 平均繊維長３〜１００ｍｍの強化繊維と熱可塑性樹脂とを含み、前記強化繊維が下記ｉ）〜ｉｉｉ）を満たすランダムマット。
   ｉ）強化繊維の重量平均繊維幅（Ｗｗ）が下記式（１）を満たす。
   ０．０３ｍｍ＜Ｗｗ＜５．０ｍｍ （１）
   ｉｉ）強化繊維について、重量平均繊維幅（Ｗｗ）の数平均繊維幅（Ｗｎ）に対する比として定義される平均繊維幅分散比（Ｗｗ/Ｗｎ）が１．８以上２０．０以下である。
   ｉｉｉ）強化繊維の重量平均繊維厚みが、その重量平均繊維幅（Ｗｗ）よりも小さい。
2. 強化繊維が炭素繊維、アラミド繊維、およびガラス繊維からなる群から選ばれる少なくとも一種である請求項１に記載のランダムマット。
3. 強化繊維の重量平均繊維幅（Ｗｗ）が下記式（２）を満たす、請求項１または２に記載のランダムマット。
   ０．１ｍｍ＜Ｗｗ＜３．０ｍｍ （２）
4. ランダムマットに含まれる強化繊維の繊維幅分布が、少なくとも２つのピークを有する請求項１〜３のいずれか１項に記載のランダムマット。
5. ランダムマットに含まれる強化繊維の繊維幅分布が少なくとも２つのピークを有し、あるピークが繊維幅０．０１ｍｍ以上０．５０ｍｍ未満の範囲内にあり、別のピークが繊維幅０．５０ｍｍ以上２．００ｍｍ以下の範囲内にある請求項４に記載のランダムマット。
6. ランダムマットに含まれる強化繊維の繊維幅分布が少なくとも２つのピークを有し、あるピークが繊維幅０．１０ｍｍ以上１．００ｍｍ未満の範囲内にあり、別のピークが繊維幅１．００ｍｍ以上５．００ｍｍ以下の範囲内にある請求項４に記載のランダムマット。
7. 強化繊維の平均繊維幅分散比（Ｗｗ/Ｗｎ）が２．０超過１０．０以下である請求項１〜６のいずれか１項に記載のランダムマット。
8. 強化繊維の重量平均繊維厚みが０．０１ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下である請求項１〜７のいずれか１項に記載のランダムマット。
9. 強化繊維目付が２５〜１００００ｇ／ｍ^２である請求項１〜８のいずれか１項に記載のランダムマット。
10. 熱可塑性樹脂の存在量が、強化繊維１００重量部に対し、１０〜８００重量部である請求項１〜９のいずれか１項に記載のランダムマット。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載のランダムマットから得られる繊維強化複合材料成形体。
12. 平均繊維長３〜１００ｍｍの強化繊維と熱可塑性樹脂とを含み、前記強化繊維が下記ｉ）〜ｉｉｉ）を満たす請求項１１に記載の繊維強化複合材料成形体。
    ｉ）強化繊維の重量平均繊維幅（Ｗｗ）が下記式（１）を満たす。
    ０．０３ｍｍ＜Ｗｗ＜５．０ｍｍ （１）
    ｉｉ）強化繊維における重量平均繊維幅（Ｗｗ）の数平均繊維幅（Ｗｎ）に対する比として定義される分散比（Ｗｗ/Ｗｎ）が１．８以上２０．０以下である。
    ｉｉｉ）強化繊維の重量平均繊維厚みが、その重量平均繊維幅（Ｗｗ）よりも小さい。
13. 肉厚が０．２〜１００ｍｍである請求項１１または１２に記載の繊維強化複合材料成形体。

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