JP5737870B2

JP5737870B2 - 繊維強化複合材用の不織布素材

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Publication number: JP5737870B2
Application number: JP2010147593A
Authority: JP
Inventors: 別所　正博; 正博別所; 松尾　識; 松尾　　識
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2010-06-29
Publication date: 2015-06-17
Anticipated expiration: 2030-06-29
Also published as: JP2012011568A

Description

本発明は、熱可塑性樹脂と複合化されることに用いられる強化繊維からなる不織布素材に関する。

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おいてスクリュ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、強化繊維は、ペレット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、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。

本発明者は、強化繊維からなる不織布に対して熱可塑性樹脂を射出成形することに繊維強化複合材を得ることを検討した。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が含浸するのが容易であり、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。つまり、金型内に不織布を設置した状態で当該金型内に樹脂を射出するようにすれば、強化繊維は強いせん断力を受けるスクリュを通過することがない。射出成形時にも、不織布は流動する溶融樹脂からせん断力を受けるが、このせん断力は射出成形機のスクリュ内で受けるせん断力に比べて小さいために、強化繊維が折損する度合いが小さくてすむ。その結果として、得られる繊維強化複合材に含まれる強化繊維を長くできる。この際、強化繊維を含む成形品の強度を十分に発現させるためには、不織布（強化繊維）への熱可塑性樹脂の浸透性および不織布を構成する強化繊維とマトリクスをなす熱可塑性樹脂との親和性（接着性）を十分に確保することが重要である。

本発明は、不織布素材に由来する強化繊維が熱可塑性樹脂からなるマトリクス中に保持される繊維強化複合材を射出成形方法により成形するのに用いられる不織布素材において、強化繊維からなる不織布と、熱可塑性樹脂からなる繊維又は粒子を含ませることで、これを射出成形に供すれば、強化繊維とマトリクスをなす熱可塑性樹脂との親和性を十分に確保することを提案する。

不織布素材に熱可塑性樹脂からなる繊維を含ませるには少なくとも二つの形態がある。
一つ目の形態は、不織布を作製（抄紙）する際に、熱可塑性樹脂からなる繊維も同時に抄紙する。この形態によると、二次元平面内において強化繊維と熱可塑性樹脂繊維がランダムに配向する不織布素材が得られる。この不織布素材は隣接する強化繊維の間に熱可塑性樹脂繊維が予め介在しているので、熱可塑性樹脂を射出成形すると、強化繊維の間に介在している熱可塑性樹脂繊維が溶融、凝固することで、浸透性及び親和性を兼ね備えることができる。

二つ目の形態は、強化繊維からなる不織布と熱可塑性樹脂繊維からなる繊維シートとを積層したものを不織布素材とするものである。この不織布素材は、熱可塑性樹脂繊維からなる繊維シートが不織布に隣接して配置されているので、熱可塑性樹脂を射出成形すると、不織布に隣接している熱可塑性樹脂繊維が溶融することで、強化繊維間に容易に浸透することができる。
なお、繊維シートには、熱可塑性樹脂繊維を規則的に織ったシート状物だけでなく、熱可塑性樹脂繊維からなる不織布を用いることもできる。

次に、不織布素材に含ませる熱可塑性樹脂は粒子状であってもよい。この形態においても、隣接する強化繊維の間に熱可塑性樹脂からなる粒子が予め介在しているので、熱可塑性樹脂を射出成形すると、強化繊維の間に介在している熱可塑性樹脂粒子が溶融、凝固することで、浸透性及び親和性を兼ね備えることができる。

以上の素材は、射出成形に供される前に、加熱する、好ましくは当該熱可塑性樹脂の融点以上に加熱することで、強化繊維と熱可塑性樹脂との密着性を向上させることができる。

次に、本発明は、不織布に貫通孔及び突起の一方又は双方を設けることで、強化繊維と熱可塑性樹脂との密着力を向上することもできる。本発明において、単数に限らず複数の貫通孔、突起を設けることができる。

本発明の繊維強化複合材は、溶融した熱可塑性樹脂の含浸が容易である不織布を金型中に配置して射出成形により製造できるので、繊維強化複合材中に存在する強化繊維の長さを１０〜３０ｍｍと長くできる。その結果、本発明の繊維強化複合材は、高い機械的強度が得られる。

繊維強化複合材の一例を示す断面図である。（ａ）は、一枚の不織布と一枚の繊維シートを積層した不織布素材の断面構成を示し、（ｂ）は複数枚の不織布と複数枚の繊維シートとを交互に積層した不織布素材の断面構成を示している。（ａ）は貫通孔を設けた不織布素材の断面を示し、（ｂ）は突起を設けた不織布素材の断面を示す。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断面図であり、（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。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
［繊維強化複合材］
図１に示すように、本発明による繊維強化複合材１００は、厚み方向の中央部に配置される内層１０１と、内層１０１の厚み方向の両側に配置される外層１０３とを備えている。この繊維強化複合材１００は、内層１０１及び外層１０３には熱可塑性樹脂からなるマトリクスが満たされているが、内層１０１にはマトリクスに保持される強化繊維が存在する。この例では、外層１０３は強化繊維が存在することなくマトリクスのみからなるが、外層１０３に強化繊維が存在していてもよい。本発明において強化繊維の存在位置は任意であり、内層１０１を挟む外層１０３に選択的に強化繊維を配置させることもできるし、厚み方向の全域に亘って強化繊維を配置させてもよい。なお、図中、平行な方向の点線が強化繊維（不織布）の存在を示している。

繊維強化複合材は、詳しくは後述するように、金型内に不織布を配置した状態で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をなす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に加え、繊維の配向方向が不定方向であるため、機械的強度の平面方向の依存性がないことによる。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、本発明はこの点に特に対応した手段を講ずる。

本発明による繊維強化複合材中には、繊維長が１０ｍｍ以上の強化繊維を含む。それにより、本発明による繊維強化複合材は機械的強度が高い。一方、強化繊維の長さは長いほど機械的強度の向上にとっては好ましいが、３０ｍｍを超えてもさほど強度向上の作用は見られなくなる。したがって、本発明の繊維強化複合材には１０〜３０ｍｍの繊維長の強化繊維を含む。好ましい長さは１５〜３０ｍｍ、より好ましい長さは２０〜３０ｍｍである。なお、ここでいう繊維長とは、強化繊維の個々の長さをいう。
本発明による繊維強化複合材は、以上のように１０〜３０ｍｍの繊維長の強化繊維を含むとともに、重量平均で特定される繊維長が３ｍｍ以上である。つまり、１０〜３０ｍｍと長い繊維長の強化繊維だけで繊維強化複合材を構成することは最も好ましいが、前述したように、射出成形の過程で強化繊維は折損する。したがって、１０〜３０ｍｍの繊維長の強化繊維が含まれるだけでなく、繊維強化複合材を構成する強化繊維の全体としての繊維長を重量平均繊維長で３ｍｍ以上にすることが、機械的強度の向上にとって好ましいからである。
本発明による強化繊維の長さは重量平均で特定される。この重量平均による繊維長は、重量平均繊維長は、以下の方法によって測定するものとする。
成形品の任意の場所から、６０〜１００ｍｍ角程度の正方形状の試験片を切り出し、これを樹脂の分解温度以上の温度で所定時間加熱して樹脂分を灰化除去し強化繊維のみとする。この後、強化繊維のみとした試験片を適当な液媒中で分散させ７００〜１０００本の繊維の長さを、画像処理などを用いて計測する。
さらに、計測した個々の繊維の長さから下式を用いることによって重量平均繊維長を求める。ただし、式中のＬｉは繊維長であり、Ｑｉは繊維長Ｌｉの本数である。
[重量平均繊維長]＝（ΣＱｉ×Ｌｉ²)／(ΣＱｉ×Ｌｉ)

本発明の繊維強化複合材に含まれる強化繊維は不織布に由来する。織物は織り方に応じて平面方向の強度に異方性を有するのに比べて不織布は等方性を有する。したがって、本発明の繊維強化複合材は平面方向の強度が等方性を有し、平面方向の任意の方向ａの引張強度をσａ、任意の方向ａに直交する方向ｂの引張強度をσｂとすると、｜σｂ−σａ｜／σａ≦０．１を満足することができる。平面方向の強度の等方性は、より好ましくは｜σｂ−σａ｜／σａ≦０．０７、さらに好ましくは｜σｂ−σａ｜／σａ≦０．０３である。

本発明において、不織布に由来する強化繊維、と表現している理由は以下の通りである。本発明の繊維強化複合材は、金型内に不織布を配置した状態で射出成形することで作製される。射出成形する過程で不織布は熱可塑性樹脂による圧力を受けることで原型が崩れてしまい、不織布とは言えない形態になることもある。したがって、最終的に得られる繊維強化複合材では、不織布とは言わずに、不織布に由来する強化繊維と言うのである。もちろん、最終的に得られる繊維強化複合材が原型を留めている不織布を含む場合であっても、個々の強化繊維は不織布に由来するものであることに相違はない。

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。より好ましい体積比は１５〜５５％、さらに好ましい体積比は２０〜５０％である。なお、ここでいう不織布の体積は、空孔の部分は含まないものとする。

本発明は、後述するように、射出発泡成形により繊維強化複合材を製造することができる。この場合、得られる繊維強化複合材には射出発泡成形に由来する空孔がマトリクス中に存在する。この空孔の直径は、概ね、０．１〜１ｍｍ程度である。

＜不織布＞
次に本発明に用いられる不織布について説明する。
本発明に用いられる不織布は、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。

不織布における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）は特に限定されないが、４０〜５００ｍ^２の範囲から選択されるのが好ましい。目付量が小さすぎると要求される強度特性を得るのが難しくなり、また、目付量が大きすぎると重量増や強化繊維間への樹脂浸透性が悪化する。

本発明における不織布は、一枚のウェブから構成することもできるし、複数枚のウェブを積層して構成することもできる。一枚か複数枚かの選択は、基本的には、繊維強化複合材において強化繊維が要求される厚さに基づいてなされる。ただし、他の要因に基づいて、不織布を構成するウェブの枚数を選択できることはもちろんである。

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／ｃｍ^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、一枚のウェブで不織布を構成できることはもちろん、複数枚のウェブが積層された不織布とすることもできる。複数枚のウェブが積層された不織布については、ウェブ同士を単純に積層してもよいし、ウェブ同士を結合させてもよい。つまり、本発明において、ウェブの積層状態は任意である。この結合には、次に説明するケミカルボンド法等の公知の方法を適用することができる。不織布の積層状態を適切に選択することにより、先に説明した第１形態〜第３形態を作り分けることができる。

本発明に用いる不織布の製造方法は限定されず、乾式法、湿式法、スパンボンド法、メルトプレーン法、エアレイド法などの公知の方法を広く適用することができる。また、これらの製法で得られた不織布（ウェブ）の繊維を結合する方法としては、ケミカルボンド法（浸漬法，スプレー法）、サーマルボンド法、ニードルパンチ法、水流交絡法などの公知の方法を広く適用することができる。この結合方法は、ウェブ同士を結合させる場合にも適用できる。

＜熱可塑性樹脂繊維＞
本発明の不織布素材は、強化繊維に加えて熱可塑性樹脂からなる繊維又は粒子を含む。
熱可塑性樹脂からなる繊維を含ませるには、上述したように、不織布を製造（抄紙）する際に、熱可塑性樹脂からなる繊維も同時に含ませ（抄紙）ればよい。これにより、二次元平面内において強化繊維と熱可塑性繊維がランダムに配向している不織布を得ることができる。
不織布素材に含まれる熱可塑性樹脂繊維の材質は限定されるものでなく、マトリクスを構成する熱可塑性樹脂と同様のものを適用できる。好ましくは、熱可塑性樹脂繊維はマトリクスを構成する熱可塑性樹脂と同じ材質にする。

本発明において、不織布素材における強化繊維と熱可塑性樹脂繊維の比率は、熱可塑性樹脂繊維による親和性向上効果を十分に享受するため、不織布素材を１００とすると体積比で１０％以上とすることが好ましく、２０％以上とすることがより好ましい。一方、熱可塑性樹脂繊維が多すぎる場合には不織布素材における強化繊維の割合が少なくなり、そのために繊維強化複合材に占める熱可塑性樹脂繊維の割合が多くなってしまい、薄肉の繊維強化複合材１００に対応するのが困難になる。したがって、不織布素材を１００とすると体積比で７０％以下とすることが好ましく、６０％以下とすることがより好ましい。

熱可塑性樹脂繊維のサイズは特に限定されず、径（直径、以下同じ）は２０〜８０μｍ、長さは３〜１００ｍｍの範囲から、強化繊維の径、長さをも考慮して適宜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。なお、こ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。

また、本発明は、強化繊維からなる不織布と熱可塑性樹脂からなる樹脂シートとを積層したものを不織布素材とすることもできる。
この不織布素材４０は、図２（ａ）に示すように、強化繊維からなる不織布４１と熱可塑性樹脂繊維からなる繊維シート４３とを積層したものである。繊維シート４３は、織物、不織布及び網状体のいずれであってもよい。
図２（ａ）に示す一枚の不織布４１と一枚の繊維シート４３の組合せは最小単位であり、図２（ｂ）に示すように、複数枚の不織布４１と複数枚の繊維シート４３とを交互に積層した不織布素材４０とすることもできる。

強化繊維からなる不織布４１と熱可塑性樹脂繊維からなる繊維シート４３との比率は、上述したのと同様の理由により、不織布４１に対して体積比で１０〜７０％とすることが好ましく、２０〜６０％とすることがより好ましい。
繊維シート４３を構成する熱可塑性樹脂繊維のサイズは、上述したのと同様の理由により、径は２０〜８０μｍ、長さは３〜１００ｍｍの範囲から適宜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。なお、この繊維径及び繊維長は必ずしも一種類である必要がないのも同様である。

＜熱可塑性樹脂粒子＞
本発明は、熱可塑性樹脂繊維の代わりに熱可塑性樹脂からなる粒子を含ませることができる。この熱可塑性樹脂粒子は、強化繊維からなる不織布素材中に分散、保持される。
不織布素材中に含まれる熱可塑性樹脂粒子の比率は、熱可塑性樹脂繊維を含ませる場合と同様の理由により、強化繊維からなる不織布素材に対して２０〜６０体積％とするのが好ましい。
熱可塑性樹脂粒子は粒径が１〜２０μｍの範囲とすることが好ましい。１μｍ未満ではコストが高くなる。また、凝集しやすなりまた大気中に浮遊しやすくなるため製造工程でのハンドリングが困難となる。一方、２０μｍを超えると強化繊維や熱可塑性樹脂と接触する表面積が小さくなる。また、流径が大きいとその分粒子1個あたりの重量が増え強化繊維から脱離しやすくなるためである。
より好ましい熱可塑性樹脂粒子の粒径は３〜１５μｍである。

不織布素材に熱可塑性樹脂粒子を含ませるには、不織布を製造（抄紙）する際に、強化繊維を分散させた溶液中に熱可塑性樹脂粒子を混在させればよいが、この方法に限定されることはない。
熱可塑性樹脂粒子の形状は、球形、鱗片状及び板状等のいずれであってもよい。

以上説明した不織布素材は、射出成形に供される前に、当該熱可塑性樹脂の融点以上に加熱して熱可塑性樹脂（繊維粒子）を流動化させることで、強化繊維間への浸透度合いを高め、強化繊維と熱可塑性樹脂との密着性を向上させることができる。
加熱温度の上限は融点±２０℃にすることが好ましい。融点＋２０℃まで加熱すれば熱可塑性樹脂を射出した際にその熱により十分に親和性を向上することができるからである。加熱時間は、熱可塑性樹脂を十分に流動化させるために、１０秒以上とすることが好ましい。一方、１８０秒を超えてもそれ以上の効果が期待できない。したがって、加熱時間は１０〜１８０秒の範囲で適宜選択するのが好ましい。
この加熱の際、当該素材に外部より圧力を負荷すると強化繊維と熱可塑性樹脂との密着性をより向上できるので好ましい。加える圧力は、１〜１００ｋｇｆ／ｃｍ^２の範囲で選択される。

＜貫通孔＞
本発明は、繊維強化複合材における強化繊維と熱可塑性樹脂との密着力を向上するために、不織布素材に貫通孔及び突起の一方又は双方を設けることができる。
図３（ａ）に貫通孔５１を設けた不織布素材５０を示す。不織布素材５０に対して表裏にある熱可塑性樹脂（マトリクス）が貫通孔５１の内部にて結合するので、不織布素材５０（強化繊維）と熱可塑性樹脂との密着力が向上する。また、不織布素材５０の表裏の一方から射出された熱可塑性樹脂が、反射出側に回り込みやすくなるため、繊維強化複合材の厚み方向の中央に不織布素材（強化繊維）を位置決めするのに有利である。そのため、厚み方向の強度物性を均等にできるとともに、そりの抑制の効果が期待される。

射出時に内部への熱可塑性樹脂の浸入を容易にするために、貫通孔５１の径は１ｍｍ以上とするのが好ましい。一方、径が大きすぎると繊維強化複合材に占める強化繊維の量が減り強度向上効果が損なわれるため、貫通孔５１の径は５ｍｍ以下にすることが好ましい。
貫通孔５１の数は、特に制約されるものではなく、1ｃｍ^２あたり1〜１０個程度とすればよい。

＜突起＞
貫通孔５１の代わりに、図３（ｂ）に示すように、不織布素材６０の表面に突起６１を付与することができる。突起６１の周囲を熱可塑性樹脂が取り囲むので、不織布素材６０の平面方向に引張作用が働いた場合でも、強化繊維と熱可塑性樹脂とは樹脂と繊維間の密着強度だけでなく機械的な樹脂への不織布の食い込みが発生するため、より強度を向上できる。この効果を得るために、突起６１が不織布素材６０の表面よりも突出する高さは０．５ｍｍ以上、好ましくは１ｍｍ以上とする。突起６１の径、数は、貫通孔５１の数と同様に、１〜５ｍｍ、1ｃｍ^２あたり1〜１０個程度とすればよい。
突起６１は、突起６１の形状に対応する型を不織布素材６０の表面に押し付けるエンボス成形により形成することができる。この場合、突起６１に対応してへこみが形成される。

＜熱可塑性樹脂＞
本発明のマトリクスを構成し、又は熱可塑性樹脂繊維・粒子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。
マトリクスを構成する熱可塑性樹脂と、熱可塑性樹脂繊維・粒子を構成する熱可塑性樹脂は、同じ素材からなることが好ましいが、異種材質を用いることを本発明は許容する。

［製造方法］
以下、本発明の繊維強化複合材を製造する好適な方法を説明する。
図４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に刺して不織布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５を参照して説明する。ただし、図５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５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５（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をちょうど貫通する程度まで後退する。この状態になったなら射出成形を開始する。
＜射出圧縮成形＞
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。
射出圧縮成形は、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。本発明によると、射出圧縮成形は射出時の樹脂の圧力が低いことで、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という効果を奏することが見出された。

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、著しく遅くなると射出成形サイクルに影響するため、５〜１５ｍｍ／ｓｅｃの範囲に設定することが好ましい。

＜予熱＞
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。そのために、本発明では、射出を開始する前に不織布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。
金型を介するこの加熱は、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７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。
金型が所定の温度まで加熱されて不織布の予熱を終了すると、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。
保圧の途中もしくは保圧が終了すると、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、アクティブ温調と射出圧縮成形を組み合わせることが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。

＜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。
不織布内部にはそれぞれの強化繊維によって形成される空孔が存在する。不織布表面からこの内部の空孔へ熱可塑性樹脂は浸入しにくいが、発泡成形を適用することにより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、浸透性の向上が図られる。
また、発泡剤により射出される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。

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
４０，５０，６０…不織布素材
４１…不織布、４３…繊維シート、５１…貫通孔、６１…突起
１００…繊維強化複合材
１０１…内層、１０３…外層

Claims

不織布素材に由来する強化繊維と、前記強化繊維を保持する熱可塑性樹脂からなるマトリクス材と、を備える繊維強化複合材を射出成形方法により成形するのに用いられる不織布素材であって、
前記不織布素材は、
強化繊維からなる不織布と、熱可塑性樹脂からなる繊維又は粒子と、を含み、前記射出成形方法における射出成形に供されることを特徴とする不織布素材。
前記強化繊維と熱可塑性樹脂からなる前記繊維がランダムに配向する、
請求項１に記載の不織布素材。
前記強化繊維からなる不織布と熱可塑性樹脂繊維からなる繊維シートとが積層されている、
請求項１に記載の不織布素材。
貫通孔及び突起の一方又は双方が設けられる、
請求項１に記載の不織布素材。