JP5721698B2 - 繊維強化複合材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、強化繊維から構成される不織布と熱可塑性樹脂とが複合化された材料の製造方法に関する。

自動車部品は軽量化のため炭素素材の利用が進められており、炭素繊維等の強化繊維を含む織物シートと熱可塑性樹脂とからなる複合材が良く知られている。例えば特許文献１には、透明又は半透明の熱可塑性樹脂に炭素繊維及び／又は合成繊維で成る織物シートを積層し含有させ強度、意匠性、成型性に優れた織物加飾樹脂製品を成形する方法が開示されている。熱可塑性樹脂は、熱硬化性樹脂に比べて成形タクトの短縮には有効であるが、溶融粘度が高いために、織物シートへ含浸する速度が極めて遅く、トータルとしての成形サイクルを短縮することはできない。
したがって、これまでは織物シートへの射出による樹脂の含浸には、粘度の低い熱硬化性樹脂が用いられているが、これは自動車も含め比較的高価な用途に限られている。

特開２００９−５１０８０号公報

特許文献１のように織物シートへ熱可塑性樹脂を含浸させるのとは異なり、強化繊維を含む熱可塑性樹脂からなるペレットを用いて射出成形を行う技術が知られている。しかし、この方式では、含まれる強化繊維が射出成形時、特にペレットを溶融させる可塑化工程にてスクリュ内で強いせん断力を受けることで折損してしまう。そのために、成形品内の強化繊維は、ペレット状態のときよりも射出成形後の繊維長が極端に短くなる。したがって、この方式による熱可塑性樹脂を用いた繊維強化複合材は、連続繊維である織物シートを用いた複合材に比べ機械的強度が低いために、用途が限定されていた。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、射出成形サイクルを短縮しつつ、熱可塑性樹脂を用いた繊維強化複合材の機械的強度を向上することを目的とする。

かかる目的のもとなされた、本発明の繊維強化複合材の製造方法は、強化繊維の単位面積当たりの繊維量が、４０〜５００ｇ／ｍ^２の範囲の不織布を金型内に設置する工程（ａ）と、熱可塑性樹脂を金型内に射出して不織布と熱可塑性樹脂とからなる成形品を得る工程（ｂ）と、を備える。本発明における強化繊維は炭素繊維又はガラス繊維からなり、本発明は、工程（ｂ）における射出成形として、射出圧縮成形を行うとともに、射出圧縮成形の圧縮量が１〜３ｍｍであることを特徴とする。
本発明の繊維強化複合材の製造方法は、強化繊維の単位面積当たりの繊維量が上記範囲内である不織布に対して熱可塑性樹脂を射出成形する。この不織布は織物シートに比べて繊維間の隙間が多いので、溶融した熱可塑性樹脂の含浸が容易であるため、織物シートに対して射出成形するのに比べて、強化繊維と樹脂との接触面積が大きくなり高い強度を発現することができる。また、不織布に対して熱可塑性樹脂を射出する方法によると、強化繊維を含むペレットを用いる方法に比べて成形後の強化繊維の長さを長く維持できる。これは、後者では強化繊維がスクリュ内で強いせん断力を受けるのに対して、本発明の場合は金型内に不織布が設置されているのでスクリュ内には強化繊維が存在せずせん断力を受けることがないためである。

本発明は、強化繊維を含むペレットを用いる方法に比べて不織布を構成する強化繊維の折損が低減される効果を有するが、この効果をより顕著にするために、工程（ｂ）における射出成形として、射出圧縮成形を行う。射出圧縮成形は射出時の圧力が低いという特徴を有しているが、強化繊維の折損を低減するという射出圧縮成形による新規な効果が本発明により見出された。
また、射出圧縮成形の圧縮速度は、５〜１５ｍｍ／ｓｅｃであることが好ましい。

本発明の繊維強化複合材の製造方法において、工程（ａ）において金型または不織布を加熱した後に、工程（ｂ）における射出成形を行うことが好ましい。本発明により得られる繊維強化複合材の機械的強度を向上するためには、不織布を構成する繊維と熱可塑性樹脂との親和性、濡れ性、密着性の向上を射出時に図ることが望まれる。そのために、本発明では、射出を開始する前に金型または不織布を加熱することを推奨するのである。
また、本発明の繊維強化複合材の製造方法において、工程（ａ）において金型の少なくとも一部を加熱した後に、工程（ｂ）における射出成形を行うことが好ましい。例えば、不織布を可動金型内に配置した状態で可動金型を加熱すると、射出充填された高温の溶融樹脂が、金型または不織布に接触した際に、金型または不織布に熱を奪われて樹脂の粘度が上昇するのを抑制することができる。これにより、不織布を構成する繊維と熱可塑性樹脂との親和性、濡れ性が向上し、溶融樹脂が不織布の繊維間に浸透するのを促進させるとともに、樹脂と繊維の密着性を向上させて、射出圧縮成形により得られる繊維強化複合材の機械的強度が向上する。一方、不織布を可動金型内に配置した状態で固定金型を加熱すると、固定金型及び固定ダイプレートに形成された樹脂流入路も加熱されることになる。これにより、樹脂流路を加熱しなかった場合に比べ、金型キャビティ内に入ったときの熱可塑性樹脂の流動性が向上し、不織布と熱可塑性樹脂が接触した際に、樹脂から不織布に加わる剪断力が抑制され、不織布中の繊維の剥離、散乱、および散乱にともなう繊維の折損や成形品の厚みバラツキを低減することができる。金型を構成する可動金型及び固定金型のうちの一方のみを加熱した場合にも、上記したような効果が得られるので、金型全体を加熱する形態のみならず、金型の少なくとも一部を加熱する形態を本発明は包含する。また、加熱する金型は、不織布を設置した金型のみでも、不織布を設置した金型と対向する金型のみでも、あるいは、不織布を設置した金型と不織布を設置した金型と対向する金型の両方でも良い。不織布を設置した金型を加熱した場合は、金型に接触している不織布も共に加熱することができ、上記したような効果を得るのに有効である。また不織布を設置する金型において不織布を設置するために特殊な構造となっている場合で、加熱用の特殊構造を設けることが難しいなどの場合は、不織布を設置していない金型にのみ加熱用の構造を設けても良い。この場合は、不織布に対向する金型のキャビティ表面の加熱だけでなく、不織布に対向する金型からの輻射熱によって不織布を加熱することができる。
また成形品において冷却時の収縮度合いの異なる樹脂と不織布が密着していることにより、成形品に反りなどの成形不具合が発生した場合は、不織布がない側のキャビティ表面温度と、不織布を備えた側のキャビティ表面温度に差をつけるように、不織布を設置した側の金型または不織布を設置していない側の金型に対し、反対側の金型に温度差をつけて高温に加熱してもよいし、加熱速度に差をつけてもよい。この場合、不織布が有る側の成形品表面と不織布がない側の成形品表面で固化時の樹脂の収縮量、または収縮速度を個別に制御できるので成形品の反り不具合の解消に有効である。
更に言えば、加熱する箇所は不織布を設置した箇所のみでも、不織布が設置されていない箇所のみでも、あるいは不織布の設置箇所に関係なく、キャビティ全体でもよい。この場合、不織布と接触する樹脂温度を高温に維持することにおいては、加熱する箇所は不織布が設置された箇所よりも射出充填流の上流側を含むことが好ましい。
更には、加熱する箇所を複数のブロックに分割して設け、各部で温度差を設けるように加熱しても良いし、各ブロックを順序立ててあるいはランダムに時間差をもって加熱してもよい。また加熱後の冷却方法においては、固定金型あるいは可動金型、または不織布の設置した側の金型あるいは不織布を設置しない側の金型、または各加熱ブロックの、冷却タイミングまたは冷却速度を、加熱方法と同様に独立に制御してもよい。
以上の通り加熱方法および冷却方法は上記に限らず、いかなる方法にて金型または不織布を加熱または冷却しても良い。

不織布を構成する繊維と熱可塑性樹脂との親和性の向上する他の手段として、本発明は、射出発泡成形を適用した繊維強化複合材の製造方法も提供する。具体的には、工程（ｂ）で射出される熱可塑性樹脂に、熱分解型の化学発泡剤を混合することができる。この製造方法にも、金型または不織布の加熱を適用することができる。

本発明の繊維強化複合材の製造方法によれば、不織布は織物シートに比べて、溶融した熱可塑性樹脂の含浸が容易であるため、織物シートに対して射出成形するのに比べて、強化繊維と樹脂との接触面積が大きくなり、また、従来の強化繊維を含むペレットを射出成形して得られる繊維強化複合材よりも、成形後の強化繊維の長さを長く維持できるので、高い機械的強度が得られる。

射出成形機の主要部概略を示す断面図である。 金型キャビティ内に突出させたピンを貫通させて不織布を固定する方法を示す図であり、（ａ）、（ｂ）は型開（待機）状態を示し、（ｃ）は型閉状態を示す。また、（ａ）は（ｂ）のＡ−Ａ矢視断面、（ｂ）は可動金型をキャビティ側から観た平面図、（ｃ）は（ａ）と同じ箇所の断面図である。 アクティブ温調を用いた射出成形の手順を説明する図である。 三次元プリフォーム型を用いて不織布をプリフォームする様子を示す断面図である。 第１実施例で得られた繊維強化複合材（比較例２、実施例１）について、重量平均繊維長及び引張強度の評価を行った結果を示すグラフである。 第１実施例で得られた繊維強化複合材について、圧縮量に対する厚みバラツキ、重量平均繊維長の関係を示すグラフである。 第２実施例における圧縮速度、射出成形に対する重量平均繊維長の関係を示すグラフである。 第３実施例における各種成形と得られた繊維強化複合材の引張強度の関係を示すグラフである。

本発明にかかる繊維強化複合材の製造方法は、強化繊維からなる不織布を金型内に設置する工程（ａ）と、熱可塑性樹脂を金型内に射出して不織布と熱可塑性樹脂とからなる成形品を得る工程（ｂ）と、を備えることを特徴とする。以下、本発明により製造される繊維強化複合材について説明した後に、工程（ａ）、工程（ｂ）の順に、図面を参照しながら実施の形態を説明する。

［繊維強化複合材］
本発明による繊維強化複合材は、強化繊維からなる不織布（以下、単に不織布ということがある）と、熱可塑性樹脂とからなる。繊維強化複合材は、詳しくは後述するように、不織布に熱可塑性樹脂を射出成形することで得られるものであり、不織布はよく知られているように、繊維を織らずに絡み合わせたシート状のものをいい、外部に連通する多数の空孔が内部に存在する。射出成形時に溶融した熱可塑性樹脂が浸透して不織布の空孔内を満たし、繊維強化複合材のマトリックスとでも言うべき熱可塑性樹脂の機械的強度を向上させる。本発明が不織布を用いるのは、射出成形により熱可塑性樹脂を内部に浸透させるのが織物に比べて容易であることと、繊維の配向方向が不定方向であるため、強度特性の配向依存性がないためである。そして機械的強度の向上を十分に発現させるためには、不織布への熱可塑性樹脂の浸透性、及び不織布と熱可塑性樹脂との親和性を十分に確保することが重要である。後述するように、本発明の製造方法はこの点に特に対応した手段をも提供する。

熱可塑性樹脂は不織布の空孔内を満たすものであるから、繊維強化複合材における熱可塑性樹脂の占める比率は不織布よりも少なくなる。その中で、熱可塑性樹脂が占める比率が少なすぎる（不織布の占める比率が多すぎる）と、空孔を熱可塑性樹脂で十分に満たすことができずに親和性を十分に確保できない場合がある。また、熱可塑性樹脂の占める比率が多すぎる（不織布の占める比率が少なすぎる）と、不織布により強化されない部分が増えるために、強度向上効果を十分に得られない場合がある。以上の観点より、熱可塑性樹脂に対する不織布の体積比を１０〜６０％程度とすることが好ましい。なお、ここでいう不織布の体積は、空孔の部分は含まないと考えるものとする。

＜不織布＞
本発明に用いる不織布は、強化繊維から構成される。強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、ボロン繊維、アラミド繊維を用いることができるが、その中で炭素繊維、ガラス繊維を用いることが好ましい。なお、炭素繊維とは、よく知られているように、有機系の繊維を炭化した繊維状物質であって、炭化度が９０〜９８％以上のものをいうが、具体的な材質を本発明は問わない。また、ガラス繊維とは、よく知られているように、ケイ酸塩を主成分とするガラスを溶融、加工して繊維状にしたものをいうが、これについても具体的な材質を本発明は問わない。

強化繊維のサイズは特に限定されないが、繊維の径（直径、以下同じ）は１〜２０μｍ、繊維の長さは３〜１００ｍｍの範囲から選択されるのが好ましく、アスペクト比としては１００以上とするのが好ましい。繊維径が細すぎると不織布の製造過程でのハンドリングが難しく、折損などが生じやすく、またコストも著しく高くなり、また、繊維径が太すぎると熱可塑性樹脂との接触面積が低減するため所望の強度を発現できなくなる。また、繊維長が短すぎると強度が低下し、繊維長が長すぎるとコストアップの要因となる。なお、不織布を構成する強化繊維の繊維径及び繊維長は必ずしも一種類である必要はなく、複数の種類（径、長さ）の繊維を混ぜ合わせて不織布を構成してもよい。

不織布の目付量（単位面積当たりの繊維量）は、４０〜５００ｇ／ｍ^２の範囲から選択する。目付量が小さすぎると要求される強度特性を示さなくなり、また、目付量が大きすぎると重量増や強化材の繊維間への樹脂浸透性が悪化する。

本発明に用いられる不織布は、目付量が厚み方向に均等なものに限らず、不均等にすることができる。例えば、表裏両層の目付量を中間層の目付量に比べて大きくすると、繊維強化複合材としての曲げ剛性を向上させることができる。例えば、表裏両層の目付量を１００ｇ／ｍ^２、中間層の目付量を２０ｇ／ｍ ^２とする。このように目付量を傾斜させることにより、必要な機械的強度を得るのに、中間層における繊維量を必要最小限にできるので、コスト及び重量増加を抑制することができる。また、不織布の厚み方向の一方の側の目付量を大きくし、他方の側の目付量を小さくすることにより、表裏で剛性などの物性が異なる繊維強化複合材を製造することも可能である。なお、このような目付量を傾斜させることは、一枚の不織布で実現できることはもちろん、複数枚の不織布を積層することで実現することもできる。

＜熱可塑性樹脂＞
本発明に用いられる熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン、ポリメタクリレート、ポリメチルメタクリレート等のポリアクリレート系ポリマー、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリエステルカーボネート、ポリサルホン、ポリイミド、ポリエーテルイミド等の公知の材質から選択すればよい。
原料としての熱可塑性樹脂は、樹脂のみで構成されている場合に限らず、強化繊維を含む熱可塑性樹脂を用いてもよい。例えば、強化繊維を含んでいるペレットを熱可塑性樹脂と混合してもよいし、強化繊維を含んでいるペレットのみを原料としてもよい。

［射出成形 工程（ａ）］
図１に射出成形機１０の主要部概略を示しているように、射出成形機１０は、固定ダイプレート１４に固定金型１１が取り付けられ、固定金型１１に対向する可動金型１２は可動ダイプレート１５に取り付けられている。可動金型１２には固定金型１１に対向する面側にキャビティ１３が設けられている。固定金型１１の背面側には、固定金型１１及び固定ダイプレート１４に形成された樹脂流入路１６の入り口に当接するノズル１８を備えた射出シリンダ１７が配置されている。

射出成形するのに先立ち、強化繊維からなる不織布Ｎを可動金型１２のキャビティ１３内の所定位置に設置する。所定位置に設置された不織布Ｎは、型閉時や射出成形の最中に位置ずれを起こさないように固定されることが必要になる。不織布Ｎの固定方法としては、粘着剤を用いて金型に貼り付ける、あるいは、金型に設けた通気孔を介して不織布Ｎを真空引きする、といったことが考えられる。また、金型キャビティ内に突出させたピンを貫通させて不織布Ｎを固定することもできる。以下、ピンで不織布Ｎを固定する方法について、図２を参照して説明する。ただし、図２に示す不織布Ｎの固定方法はあくまで一例であり、他の手法を採用してもよいことは言うまでもない。

図２に示すように、可動金型１２は不織布Ｎをキャビティ１３の所定位置に固定する固定機構２０を備える。固定機構２０は、可動金型１２の内部に設けられる収容スペース１９内に、前後方向（可動金型１２の移動方向）に往復動可能に収容される。固定機構２０は平板状のベース２１と、ベース２１から立設する４本の固定ピン２２と、ベース２１の四隅から立設する作動コラム２３とから構成される。固定機構２０は、図２（ａ），（ｂ）に示す待機状態において、固定ピン２２の先端が不織布Ｎを貫通できるようにキャビティ１３に突出するとともに、作動コラム２３の先端が可動金型１２の前端面から突出する。この待機状態において、４本の固定ピン２２が不織布Ｎを刺すことで、不織布Ｎをキャビティ１３内に位置決めする。

不織布Ｎを位置決めした後に、可動金型１２を固定金型１１に向けて金型を閉じる。可動金型１２の前端面が固定金型１１に接する射出位置まで可動金型１２を前進させると、作動コラム２３の先端が固定金型１１に接することで、固定機構２０は後方に押し込まれる。この動作に伴って、固定ピン２２はその先端が不織布Ｎをわずかに刺す程度まで後退する。この状態になったなら射出成形を開始する。

［射出成形 工程（ｂ）］
熱可塑性樹脂の射出は基本的には定法に従って行えばよいが、本発明は射出圧縮成形を適用することを推奨する。
＜射出圧縮成形＞
射出圧縮成形は、型開装置によってあるいは金型内樹脂圧によって、射出圧縮に必要な所定の金型の開き量ｅだけ型開きをした状態で射出動作を行ない、射出開始から射出完了までの間に、可動金型１２を固定金型１１に向けて開き量ｅだけ移動させることでキャビティ１３内の可塑化された溶融樹脂を圧縮する方法である。射出圧縮成形は、射出時にキャビティをわずかに拡大し、樹脂の充填を無理なく行った後に成形品に圧力を加えるため、型内圧の一様化が進み、低歪で反りやひけの無い成形品が得られるとされている。本発明は、不織布に射出圧縮成形を適用することにより、従来から知られている効果とは異なる効果を見出した。この効果は具体的には後述する第１実施例で明らかになるが、射出圧縮成形は射出時の樹脂の圧力が低い（例えば２〜５０ＭＰａ、好ましくは２〜３０ＭＰａ、更に好ましくは２〜２０ＭＰａ）ことで、樹脂の射出時に不織布を構成する強化繊維が折損するのを抑制できる。また射出圧縮成形は、樹脂流動の上流（ゲート部）とキャビティ末端部との圧力差が小さい（例えば、３０ＭＰａ以下、好ましくは２０ＭＰａ以下、更に好ましくは１０ＭＰａ以下）ので、キャビティ末端部でも樹脂圧を高くすることができる。その結果として、不織布の末端部においても樹脂の浸透圧を高くすることができ、樹脂と炭素繊維の密着度を高めることができる。この効果を新たに見出したことは、繊維強化複合材の機械的強度を確保する上で極めて重要である。

本発明者等の検討によると、射出圧縮成形の圧縮量によって、得られる繊維強化複合材の厚みのバラツキが変動する。また、樹脂の射出により不織布を構成する強化繊維に折損が生じることは前述したとおりであるが、当初の繊維長に対する成形後の繊維長が射出圧縮成形の圧縮量によって変動する。後述する第１実施例に示されるように、圧縮量が大きくなるにつれて複合材の厚みのバラツキが大きくなる一方、射出後の繊維長については圧縮量が２ｍｍのときにピークを示している。以上より、本発明において射出圧縮成形を適用する場合には、圧縮量を１〜３ｍｍ程度に設定することが好ましい。
また、射出圧縮成形の圧縮速度については、遅い方が成形後の繊維長が長くなる傾向にあるが、射出成形サイクルをも考慮すると、５〜１５ｍｍ／ｓｅｃの範囲に設定することが好ましい。

＜予熱（加熱）＞
繊維強化複合材の機械的強度を向上するためには、不織布への熱可塑性樹脂の浸透性、及び不織布を構成する繊維と熱可塑性樹脂との親和性、濡れ性の向上を射出時に図ることが好ましい。ここでいう浸透性とは、溶融された熱可塑性樹脂が不織布中の空孔に浸透することをいい、また、親和とは浸透した樹脂と繊維がなじむことをいう。また、濡れとは前記の親和と同類語であるが、樹脂の繊維表面との接触角の大きさで評価し、該接触角が小さい場合に濡れ性が高いという。そのために、本発明では、射出を開始する前に不織布または金型を加熱することが好ましい。この加熱を予熱という。
予熱の温度は、用いられる熱可塑性樹脂の融点に応じて、当該融点以上の範囲で選択されるのが望ましいが、融点以下でも効果を得ることが可能である。いくつかの熱可塑性樹脂について例示しておくと、融点が２５５±１０℃程度のＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）の加熱温度は、１２０℃以上が好ましく、１７０℃以上がより好ましい。融点が２１０±５℃程度のＰＡ６（ポリアミド６）の加熱温度は、１００℃以上が好ましく、１３０℃以上がより好ましい。また、融点が１６５±１０℃程度のＰＰ（ポリプロピレン）加熱温度は、８０℃以上が好ましく、１００℃以上がより好ましい。

予熱は金型の所定位置に不織布を設置した状態で行うことが好ましいが、射出成形機の外部で予熱が行われた不織布を金型の所定位置に設置することもできる。ただし、外部で予熱を行う場合には、温度低下を避けるために予熱された不織布を保温する必要があること、予熱を行う設備が別途必要であること、等の制約があるため、金型に設置した状態で予熱を行うことが好ましい。
金型に不織布を設置した状態で予熱を行うには、例えば、熱風を不織布または金型に吹きつけることができる。また、不織布を構成する強化繊維が炭素繊維の場合には、不織布に渦電流を作用させて誘導加熱することができるし、不織布に通電することで抵抗加熱することもできる。さらに、金型（可動金型１２）内に冷媒流路を設け、この冷媒流路に加熱媒体を供給することで不織布を加熱することもできる。また、金型の加熱のために金型内部に電気ヒーターなどを埋め込む方法も用いることができる。金型の加熱には、加圧熱水や水蒸気、誘導加熱を用いてもよいが、電気ヒーターによる加熱が好ましい。
不織布を加熱する場合に金型を介して加熱を行う場合は、熱容量の大きな金型も加熱されているため、不織布の温度低下を防ぐのに有効である。この加熱方法は、本出願人により提供される射出成形機に設けられるアクティブ温調システム（例えば、月刊プラスチックエージ２００８年２月号）により容易に実現できる。アクティブ温調システム（以下、単にアクティブ温調）は、冷却媒体をも冷媒流路に供給することもできる。

アクティブ温調を用いた射出成形の手順を図３に基づいて説明する。
金型のキャビティ内に不織布を設置した後に、アクティブ温調側を動作させ、冷媒流路に加熱媒体を供給して金型を加熱する。金型を加熱することで、不織布を所望する温度まで加熱する。この間、射出に関する動作は待機状態とされる。なお、金型を加熱するタイミングは限定されず、成形サイクルを短縮するために不織布を設置するよりも前に金型の加熱を開始することもできる。
不織布が所定の温度まで加熱されて予熱を終了すると、金型を閉じて（型閉）、熱可塑性樹脂を金型のキャビティ内に射出するとともに、射出が完了した後も保圧を所定時間行う（射出＋保圧）。この間、アクティブ温調側は、別途設けたバイパス流路内に冷媒を流すことで、金型への冷媒の供給を行わない。なお、予熱が終了すると、アクティブ温調側は供給する媒体を冷却媒体に切替えておく。
保圧が終了すると、射出側は冷却工程（冷却）に移行する。アクティブ温調側は、冷却媒体を金型の冷媒流路に供給することで、成形された複合材を強制的に冷却する。
以上のように、アクティブ温調を利用することで、不織布に予熱を与える工程から冷却までの工程を効率よく連続的に行うことができる。なお、ここでは射出圧縮成形について触れなかったが、アクティブ温調の樹脂の溶融粘度上昇を抑制し圧力伝搬を向上させる効果と射出圧縮成形の成形品末端まで圧縮圧力（樹脂圧力）の負荷が可能な効果を組み合わせることが、不織布末端まで樹脂を浸透させることに有効であることは言うまでもない。

以上の予熱は、前述した浸透性および親和性の向上を図る以外に、不織布の型付けを行うのに利用することができる。例えば、円弧状断面を有する複合材を得たい場合には、不織布を予め円弧状に型付け（プリフォーム）した後に、射出成形することが好ましい。プリフォームするには、図４に示す三次元プリフォーム機３０に不織布Ｎを固定した状態で不織布Ｎを加熱する。三次元プリフォーム機３０は、ダイプレート３１と、ダイプレート３１から突出する半円柱状断面を有するプリフォーム型３２を備えており、ダイプレート３１及びプリフォーム型３２には通気路３３が設けられている。通気路３３は、プリフォーム型３２内で通気路３３の一方端が真空ポンプ３４に接続される一方、その他方端がプリフォーム型３２の表面に開口しているので、真空ポンプ３４を動作させることで、不織布Ｎをプリフォーム型３２の表面に吸引させることができる。不織布Ｎを吸引、固定した状態で、熱風を不織布Ｎに吹き付けたり、プリフォーム型３２を直接加熱することでプリフォームすることができる。
なお、図４は射出成形機外に三次元プリフォーム機３０を設けることを前提としているが、アクティブ温調を利用することでプリフォームを射出成形機において行うこともできる。

＜発泡成形＞
本発明は、浸透性および親和性の向上を図り、繊維強化複合材を高強度化する目的で、予熱に代えて、又は予熱とともに射出発泡成形を行うことが好ましい。
射出発泡成形を行う方法として、原料の熱可塑性樹脂ペレットに、アゾジカルボン酸アミドや重曹、クエン酸などの熱分解型の化学発泡剤を混合する化学発泡法と、ガス状もしくは超臨界状態の物理発泡剤を射出成形機のシリンダの途中で注入する物理発泡方法とが知られているが、本発明は両者を適用することができる。

本発明において、射出発泡成形を適用することにより以下の作用、効果が期待される。
不織布表面には曲がりくねった強化繊維に倣って凹凸が存在する。凹凸を有するために不織布表面から内部へ熱可塑性樹脂は浸入しにくいが、樹脂の流動末端部においても発泡圧により樹脂を不織布内に強制的に浸入させることができるので、浸透性および親和性の向上が図られる。
また、射出された樹脂を低粘度化することにより、不織布内への樹脂の浸入を促進させて、不織布に対する樹脂のアンカー効果を向上させる。したがって、不織布と樹脂との密着強度が向上し、繊維強化複合材の強度向上に寄与する。
さらに、射出発泡成形を行うと、射出される樹脂の粘度を低下させることで低圧射出を実現し、樹脂の充填時に不織布の所定位置からのズレ、不織布へのシワの発生を抑制する。なお、ここでは金型または不織布の加熱について触れなかったが、金型または不織布の加熱を行うことによる樹脂の溶融粘度上昇の抑制効果を、射出発泡成形の樹脂の粘度低下効果に組み合わせることにより、不織布内への樹脂の浸入を促進させて、不織布に対する樹脂のアンカー効果を更に向上させることは言うまでもない。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更を加えることができる。例えば、不織布の厚み方向に貫通孔を複数個設けることにより、不織布に対する熱可塑性樹脂の密着強度を向上できるといった効果を期待できる。貫通孔の代わりに、不織布の表面に突起を設けてもよい。
次に、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。

［第１実施例］
以下に示す試験条件の下、炭素繊維不織布を射出成形機の金型内に設置して射出成形を行い、炭素繊維不織布に熱可塑性樹脂が含浸された複合材を作製した。なお、炭素繊維不織布を用いることなく樹脂のみを射出成形する例を比較例１とした。また、射出成形については、表１に示す条件（圧縮量、圧縮速度、圧縮開始スクリュ位置）で、射出圧縮成形を適用した例も行った。なお、表１の圧縮開始スクリュ位置比率は以下の式（１）により定義される。
得られた複合材について、成形品厚み分布、成形品厚みバラツキ、重量平均繊維長及び引張強度の評価を行った。結果を表２、図５及び図６に示す。なお、重量平均繊維長は、複合材の熱可塑性樹脂を加熱により除去した後に７００〜１０００本の炭素繊維を無作為に抽出して求めた。
圧縮開始スクリュ位置比率＝１−（圧縮開始位置／射出開始位置）…（１）

［試験条件］
成形機：三菱重工プラスチックテクノロジー製射出成形機 ４５０ＭＥII−５０
金 型：要素試験用平板金型 （１８０×６００ｍｍ、厚み２．０ｍｍ）、中央ダイレクトゲート
炭素繊維不織布：炭素繊維不織布、目付量：２００ｇ／ｍ^２、１５０×４００ｍｍ
ガラス不織布：ガラス繊維不織布、目付量：２００ｇ／ｍ^２、１５０×４００ｍｍ
樹 脂：ＰＡ６ 東レ製 ＣＭ１０１７（熱可塑性樹脂）
金型温度：８０℃

表２、図５及び図６に示される結果より、以下のことが判る。
射出成形により熱可塑性樹脂を炭素繊維不織布に含浸させることで、熱可塑性樹脂に比べて引張強度を格段に向上できる。
また、射出圧縮成形を適用することにより、通常の射出成形よりも複合材の引張強度を向上できる。これは、射出圧縮成形による複合材の炭素繊維の長さが射出圧縮成形のそれよりも長いことに基づいている。つまり、射出圧縮成形も含め、射出成形の際には繊維不織布に圧力が加わるので、不織布を構成する炭素繊維の中には折損して当初より短くなるものがある。しかしながら、射出圧縮成形は、通常の圧縮に比べて成形時の圧力が低い（例えば、２〜５０ＭＰａ、好ましくは２〜３０ＭＰａ、更に好ましくは２〜２０ＭＰａ）ので、炭素繊維の折損の程度が通常射出成形よりも軽微になる。その結果として、複合材中の炭素繊維の長さが通常射出によるものより長くなり、引張強度が高い。

次に、図６に示されるように、射出圧縮成形の圧縮量によって、複合材の厚みのバラツキ及び重量平均繊維長が変動する。つまり、圧縮量が大きくなるにつれて複合材の厚みのバラツキが大きくなる。一方、重量平均繊維長については、２ｍｍの圧縮量のときにピークを示している。この結果より、高強度の複合材を高い精度で作製する場合には、圧縮量は１〜３ｍｍ程度に設定することが好ましい。なお、圧縮量に上記のようにピークが現れるのは、繊維を折損させる作用が圧縮量によって相違するためと解される。つまり、圧縮量が大きくなると、圧縮動作時の樹脂の変形量が大きくなることで繊維が折損するのに対して、圧縮量が小さくなると、樹脂の流れる流路が狭くなるのに伴って樹脂の流れ速度が速くなり、大きいせん断応力が発生して繊維が折損する。

［第２実施例］
射出圧縮成形における圧縮速度と、射出成形における射出速度とを表３に示す値にする以外は、第１実施例の射出圧縮成形と同様にして複合材を作製した。得られた複合材について第１実施例と同様の評価を行った。その結果を表４及び図７に示す。

圧縮速度が速くなると、繊維長は短くなる傾向にある。試験した条件（圧縮速度）の中では１０ｍｍ／ｓのときに重量平均繊維長が最も長くなった。
また、射出速度による重量平均繊維長の影響ついては、７０ｃｃ／ｓｅｃと１００ｃｃ／ｓｅｃとでは有意差は見られない。

［第３実施例］
不織布を構成する繊維と熱可塑性樹脂との親和性向上を狙うため、不織布の予熱効果について検討した。
表５に示す条件で射出成形を開始する前に炭素繊維不織布を加熱（予熱）するか又は発泡成形する以外は第１実施例の射出圧縮成形と同様にして複合材を作製した。得られた複合材について第１実施例と同様の評価を行った。その結果を表６及び図８に示す。
なお、発泡成形は、化学発泡剤（重曹系化学発泡剤、永和化成製発泡剤、ＥＥ２０５Ｄ）を２ｗｔ％だけ熱可塑性樹脂原料と混ぜて射出成形機のホッパーに投入しスクリュにて可塑化混合を行い射出成形機のノズルを通して、金型内に射出するものである。また、予熱については、金型内の所定位置に設置された炭素繊維不織布を熱風で加熱する方法と、前述したアクティブ温調により金型を介して加熱する方法の２通りで行った。

その結果、射出成形を行うまえに不織布の予熱を行うことで引張強度が向上することか確認された。ただし、予熱の方法としては、アクティブ温調の方が、予熱温度を高くできることに加え、金型自体も加熱され熱くなっているために炭素繊維不織布の温度が低下しにくい。そのために、炭素繊維不織布と熱可塑性樹脂との親和性がより高いままで射出成形が行われ、アクティブ温調による複合材の引張強度が高いものと解される。また、発泡成形を適用することでも、炭素繊維不織布と熱可塑性樹脂との親和性を向上し、複合材の引張強度を向上できる。特に、アクティブ温調と発泡成形を組み合わせた例（実施例１５）は、熱可塑性樹脂が流れやすく、かつ冷えにくいため、厚みバラツキが小さくなり、引張強度も高い。

［第４実施例］
表７に示すように、ガラス繊維不織布を第１実施例の射出圧縮成形と同様にして複合材を作製した。得られた複合材について第１実施例と同様の評価を行った。その結果を表８に示すが、炭素繊維と同様にガラス繊維を用いた不織布でも、複合材の強度向上が確認された。

［第５実施例］
金型温度と樹脂の流動性との関係について検討した。
金型温度が表９に示す温度に達した後に射出圧縮成形を行った以外は、第１実施例の実施例２と同様にして複合材を作製した。得られた複合材について第１実施例と同様に引張強度を測定した。その結果を表９に示す。なお、第５実施例では、金型加熱のみを行い、熱風加熱は行っていない。

表９に示すように、金型温度が上昇すると複合材の強度が向上した。よって、高強度の複合材を得るために、金型を所定温度に加熱した状態で射出圧縮成形を行うことが有効であることが確認できた。
表９には、射出圧力（溶融した熱可塑性樹脂を射出するときの充填完了時（末端圧力０）のキャビティの入口にかかる圧力）も示しているが、金型温度が高温になるほど、低い射出圧力で射出圧縮成形を行うことができた。つまり、金型を加熱することにより樹脂の流動性が向上することが確認できた。樹脂の流動性が向上することで重量平均繊維長が長くなり、その結果、複合材の強度が向上したものと考えられる。また、成形品の外観においては、光沢があり高外観品質が得られた。これは樹脂が不織布内に浸潤して不織布の外表面にまで樹脂が浸透し金型と不織布の間に入り込んで不織布表面を覆い、かつ金型表面自体が高温となっていることから、成形品外表面の金型転写性が向上したためであると考えられる。
使用した熱可塑性樹脂（ＰＡ６ 東レ製 ＣＭ１０１７）の融点は２２５℃である。金型温度が１２０℃以上になると射出圧力が低減したことを考慮すると、金型温度は以下のように設定することが好ましい。
熱可塑性樹脂の融点−７５℃≦金型温度
但し、金型温度が高温になりすぎると、溶融樹脂の劣化が進むため、金型温度の上限は以下のように設定することが好ましい。
金型温度≦熱可塑性樹脂の融点＋５０℃
より好ましい金型温度の範囲は、以下の通りである。
熱可塑性樹脂の融点−５０℃≦金型温度≦熱可塑性樹脂の融点＋５０℃
また、実施例１９（金型温度が１８０℃）と実施例２０（金型温度が２１０℃）とを比較すると、両者の引張強度の値は同じである。金型加熱に伴う費用を抑えつつ、金型加熱による樹脂の流動性向上という効果を享受するには、金型温度の範囲を以下の通りに設定することがさらに好ましい。
熱可塑性樹脂の融点−５０℃≦金型温度≦熱可塑性樹脂の融点

［第６実施例］
実施例１３、１５、１７〜２０では、固定金型と不織布が設置される可動金型の両方をアクティブ温調により加熱した。これに対し、第６実施例では、固定金型および可動金型のいずれか一方のみを加熱した場合の効果を確認した。なお、第６実施例では、金型加熱のみを行い、熱風加熱は行っていない。
固定金型および可動金型のいずれか一方のみを加熱した後に射出圧縮成形を行った以外は、第３実施例の実施例１５（発泡成形有り）または実施例１３（発泡成形なし）と同様にして複合材を作製した。得られた複合材について第１実施例と同様の評価を行った。その結果を表１０に示す。

表１０に示すように、固定金型および可動金型のいずれか一方のみを加熱した後に射出圧縮成形を行った場合にも、固定金型および可動金型の両方を加熱した場合と同等の効果を得ることができた。

１０…射出成形機
１１…固定金型、１２…可動金型、１３…キャビティ、１７…射出シリンダ
２０…固定機構、２２…固定ピン、２３…作動コラム
３０…三次元プリフォーム機、３２…プリフォーム型

Claims (7)

1. 強化繊維の単位面積当たりの繊維量が、４０〜５００ｇ／ｍ^２の範囲の不織布を金型内に設置する工程（ａ）と、
   熱可塑性樹脂を前記金型内に射出して前記不織布と前記熱可塑性樹脂とからなる成形品を得る工程（ｂ）と、
   を備え、
   前記強化繊維が炭素繊維又はガラス繊維からなり、
   前記工程（ｂ）における前記射出による成形として、射出圧縮成形が行われるとともに、
   前記射出圧縮成形の圧縮量が１〜３ｍｍである、ことを特徴とする繊維強化複合材の製造方法。
2. 前記射出圧縮成形の圧縮速度が５〜１５ｍｍ／ｓｅｃである、
   請求項１に記載の繊維強化複合材の製造方法。
3. 前記工程（ａ）において前記不織布を加熱した後に、
   前記工程（ｂ）における射出成形を行う、
   請求項１または２に記載の繊維強化複合材の製造方法。
4. 前記工程（ａ）において前記金型の少なくとも一部を加熱した後に、
   前記工程（ｂ）における射出成形を行う、
   請求項１または２に記載の繊維強化複合材の製造方法。
5. 前記工程（ｂ）で射出される前記熱可塑性樹脂には、熱分解型の化学発泡剤が混合されている、
   請求項１に記載の繊維強化複合材の製造方法。
6. 前記強化繊維が前記炭素繊維であり、
   前記不織布の加熱方法が、前記不織布に渦電流を作用させて誘導加熱する、
   または前記不織布に通電することで抵抗加熱する加熱方法である、
   請求項３に記載の繊維強化複合材の製造方法。
7. 前記不織布の加熱方法が、
   前記不織布を設置した側の前記金型または前記不織布を設置していない側の前記金型に対し、前記金型に対向する金型に温度差をつけて加熱する、又は加熱速度に差をつけて加熱する加熱方法である、
   請求項３に記載の繊維強化複合材の製造方法。

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