JP6535218B2 - テープ状プリプレグ及び繊維強化成形体 - Google Patents

Description

本発明は、テープ状プリプレグ及び繊維強化成形体に関する。

一方向に配向する複数の繊維と、これらの複数の繊維に含浸するバインダーとを備えるテープ状プリプレグは、繊維強化成形体を製造するための中間材料であり、積層プレス法、フィラメントワインディング法等により成形される。このテープ状プリプレグは、機械的特性及び品質の均一性に優れる繊維強化成形体を形成でき、かつ加工性に優れることが要求される。

テープ状プリプレグの加工性を向上させる方法としては、例えば平均厚さを低減させることで柔軟性を向上させる方法がある。また、テープ状プリプレグにより形成される繊維強化成形体の機械的特性及び品質の均一性を向上させる方法としては、例えば複数の繊維の含有量を増加させる方法、複数の繊維の分散度及び配向度を高める方法等がある。しかし、テープ状プリプレグの平均厚さを低減させると、それに伴って複数の繊維の含有量も低下する。また、複数の繊維の含有量を増加させるために複数の繊維の含有率を増加させる場合、バインダー含浸時の繊維の凝集や成形時のダイとの擦れ等による毛羽立ちの発生などに起因して複数の繊維の分散度及び配向度が低下し易くなる。このように、テープ状プリプレグは、平均厚さの低減と、複数の繊維の分散度、配向度及び含有率の増加とを同時に行い難いため、これらの調整のみでは上述の要求を全て満たすことが困難である。

そこで、上述の要求を満たす別の方法として、例えば強化繊維間に熱可塑性樹脂が高度に含浸され、断面形状が実質的に平行四辺形であり、かつ上下の表面が実質的に平面であるテープ状プリプレグが提案されている（特開２０００−３５５６２９号公報参照）。また、強化繊維を熱可塑性樹脂で含浸して得られ、強化繊維モノフィラメントの伸長弾性率及び断面積と、強化繊維モノフィラメントの本数と、平均厚さ及び空隙率とを所定の範囲とすることを特徴とするテープ状プリプレグが提案されている（特開平６−１４３２７３号公報参照）。さらに、２５０℃の溶融粘度が１〜１００Ｐａ・ｓのポリカーボネート樹脂、及び一方向に引き揃えられた炭素繊維からなる炭素繊維強化ポリカーボネート系テープ状プリプレグが提案されている（特開２０１４−９１８２５号公報参照）。しかし、上記従来のテープ状プリプレグによっても、加工性並びに繊維強化成形体の機械的特性及び品質の均一性の全ての要求を満たすことが困難である。

特開２０００−３５５６２９号公報 特開平６−１４３２７３号公報 特開２０１４−９１８２５号公報

本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、機械的特性及び品質の均一性に優れる繊維強化成形体を形成でき、かつ加工性に優れるテープ状プリプレグを提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた発明は、一方向に配向する複数の繊維と、これらの複数の繊維に含浸するバインダーとを備えるテープ状プリプレグであって、平均厚さが５０μｍ以上１５０μｍ以下、上記複数の繊維の含有率が３０体積％以上６０体積％以下、上記複数の繊維の配向方向と垂直方向の断面画像に基づき、縦横にｎ（ｎは２以上の整数）等分した各領域の繊維面積率ａから求められる変動係数Ｃｖ（ｎ）のフラクタル次元Ｄが０．４以上１．５以下、かつ上記複数の繊維の配向方向の断面画像に対するフーリエ変換により得られるパワースペクトル画像の近似楕円に基づき、下記式（１）で表される配向度Ｐが０．８以上１．０未満であることを特徴とする。
配向度Ｐ＝１−（近似楕円の短径／長径）・・・・（１）

当該テープ状プリプレグは、平均厚さが上記範囲であり、適度に薄いことで、複数の繊維の含有量を保持しつつ、加工性に優れる。また、当該テープ状プリプレグは、複数の繊維の含有率が上記範囲であることで、後述する複数の繊維の分散度及び配向度を保持しつつ、複数の繊維の含有量を増加できる。さらに、当該テープ状プリプレグは、断面画像に基づき算出されるフラクタル次元Ｄが上記範囲であり比較的高い。ここで、上記フラクタル次元Ｄは、数値が大きいほど複数の繊維の分散性に優れること、つまり複数の繊維がより均一にバインダーに分散していることを示す。そのため、当該テープ状プリプレグは、機械的特性及び品質の均一性に優れる。さらに、当該テープ状プリプレグは、複数の繊維の配向度が上記範囲であり比較的高い。この配向度は、数値が大きいほど複数の繊維の配向性に優れること、つまり複数の繊維の配向方向の同一性が高いことを示す。そのため、当該テープ状プリプレグは、この点からも機械的特性及び品質の均一性に優れる。すなわち、当該テープ状プリプレグは、平均厚さ、複数の繊維の含有率、分散度及び配向度が上記範囲であることで、加工性並びに繊維強化成形体の機械的特性及び品質の均一性の全てがバランスよく優れる。

上記複数の繊維が、ガラス繊維、炭素繊維、有機繊維、金属繊維又はこれらの組み合わせを主成分とするとよい。これらの繊維は、柔軟性及び強度のバランスに優れる。そのため、上記複数の繊維がガラス繊維、炭素繊維、有機繊維、金属繊維又はこれらの組み合わせを主成分とすることで、加工性をより向上でき、かつ複数の繊維の分散度及び配向度をより高くし易いため、繊維強化成形体の機械的特性及び品質の均一性をより向上できる。

上記バインダーが、熱可塑性樹脂を主成分とするとよい。熱可塑性樹脂は、加熱により溶融及び成形が容易に可能であるため、上記バインダーが上述の熱可塑性樹脂を主成分とすることで、加工性をより向上できる。

当該テープ状プリプレグの上記複数の繊維の配向方向と垂直方向の算術平均粗さ（Ｒａ）としては、２μｍ以上８μｍ以下が好ましい。このように、当該テープ状プリプレグの上記算術平均粗さ（Ｒａ）を上記範囲とすることで、積層プレスやフィラメントワインディングの際に層間から空気が抜け易くなるため、加工性をより向上できる。また、繊維強化成形体の気泡の発生を抑制できるため、機械的特性及び品質均質性をより向上できる。

上記課題を解決するためになされた別の発明は、テープ状プリプレグを複合化した繊維強化成形体である。

当該繊維強化成形体は、当該テープ状プリプレグの複合化により製造されるため、機械的特性及び品質の均一性に優れる。

ここで「バインダー」とは、繊維を分散させるマトリックス状のものを含む。「平均厚さ」とは、ＪＩＳ−Ｋ７１３０：１９９９「プラスチック−フィルム及びシート−厚さ測定方法」に準拠して測定した値をいう。「繊維の配向方向」とは、テープ状プリプレグの一方の面の正方形領域（例えば５００μｍ×５００μｍ）を顕微鏡で観察したときに、上記領域に含まれる繊維のテープ状プリプレグの長手方向に対する平均配向角度の示す方向をいう。「繊維の配向方向の断面画像」とは、繊維の配向方向と直交する方向から撮影した断面画像をいい、「断面画像」とはＣＴ等により得られるスライス像を含む。「主成分」とは、最も含有量が多い成分であり、例えば含有量が５０質量％以上の成分をいう。「複数の繊維の含有率」は、ＪＩＳ−Ｋ７０７５：１９９１「炭素繊維強化プラスチックの繊維含有率及び空洞率試験方法」に準拠して測定される複数の繊維の質量含有率を密度で除すことで算出される体積含有率をいう。「算術平均粗さ（Ｒａ）」とは、測定手法をＪＩＳ−Ｂ０６５１：２００１「製品の幾何特性仕様（ＧＰＳ）−表面性状：輪郭曲線方式−触針式表面粗さ測定機の特性」に準拠し、評価長さを２．５ｍｍ、カットオフ値を０．８ｍｍとして算出される表面粗さの算術平均値をいう。

当該テープ状プリプレグは、機械的特性及び品質の均一性に優れる繊維強化成形体を形成でき、かつ加工性に優れる。また、当該繊維強化成形体は、機械的特性及び品質の均一性に優れる。

本発明の一実施形態に係るテープ状プリプレグを示す模式的平面図である。 図１のＸ１−Ｘ１線における模式的断面拡大図である。 複数の繊維の分散度の算出方法の説明に用いる模式図である。 複数の繊維の分散度の算出方法の説明に用いる模式図である。 複数の繊維の分散度の算出方法の説明に用いる模式図である。 テープ状プリプレグの配向度Ｐの算出に用いる断面画像の一例である。 図４Ａの断面画像を二値化処理した画像である。 図４Ｂの画像に対するフーリエ変換により得た二次元パワースペクトル画像である。 図４Ｃの二次元パワースペクトル画像から描いた近似楕円を示す画像である。 実施例１のテープ状プリプレグの算術平均粗さ（Ｒａ）の測定データである。 比較例１のテープ状プリプレグの算術平均粗さ（Ｒａ）の測定データである。 実施例１のテープ状プリプレグの断面画像である。 比較例１のテープ状プリプレグの断面画像である。 実施例１のテープ状プリプレグの平面写真である。 比較例１のテープ状プリプレグの平面写真である。

以下、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しつつ説明する。

＜第１実施形態＞
［テープ状プリプレグ］
図１及び２の当該テープ状プリプレグ１は、一方向に配向する複数の繊維２と、これらの複数の繊維２に含浸するバインダー３とを備える。当該テープ状プリプレグ１は、本発明の効果を損なわない範囲において、他の任意成分をさらに備えてもよい。

当該テープ状プリプレグ１の平均厚さの下限としては、５０μｍであり、５５μｍが好ましく、６２μｍがより好ましい。一方、当該テープ状プリプレグ１の平均厚さの上限としては、１５０μｍであり、１３０μｍが好ましく、９０μｍがより好ましく、７０がさらに好ましい。当該テープ状プリプレグ１の平均厚さが上記下限より小さい場合、加工時等に破断し易くなるおそれがある。逆に、当該テープ状プリプレグ１の平均厚さが上記上限を超える場合、柔軟性が不十分となることで加工性が低下するおそれがある。

当該テープ状プリプレグ１の平均幅は、特に限定されず、用途に合わせて適宜変更可能である。当該テープ状プリプレグ１の平均幅の下限としては、例えば１ｃｍである。一方、当該テープ状プリプレグ１の平均幅の上限としては、例えば５０ｃｍである。ここで「平均幅」とは、任意の十点において測定した幅の平均値をいい、幅とは複数の繊維２の配向方向と垂直方向の長さをいう。

当該テープ状プリプレグ１の複数の繊維２の配向方向と垂直方向の算術平均粗さ（Ｒａ）の下限としては、２μｍが好ましく、３．５μｍがより好ましく、４μｍがさらに好ましい。一方、上記算術平均粗さ（Ｒａ）の上限としては、８μｍが好ましく、６μｍがより好ましく、４．５μｍがさらに好ましい。上記算術平均粗さ（Ｒａ）が上記下限より小さい場合、積層プレスやフィラメントワインディングの際に層間から空気が抜け難くなるため、加工性の低下のおそれがある。また、繊維強化成形体に気泡が発生することにより、機械的特性の低下、外観の悪化等のおそれがある。一方、上記算術平均粗さ（Ｒａ）が上記上限を超える場合、積層プレスやフィラメントワインディングの際に層間に隙間が生じ易くなるため、加工性の低下のおそれがある。また、繊維強化成形体に気泡が発生することによる機械的特性の低下、外観の悪化等のおそれがある。さらに、製造及び保存の際に当該テープ状プリプレグ１をボビン等に巻回したときに巻回物が不要に大きくなるおそれがある。

（繊維）
複数の繊維２は、一方向に配向し、繊維強化成形体の機械的特性を向上する。複数の繊維２の配向方向は、当該テープ状プリプレグ１の長手方向と同一であるとよい。複数の繊維２としては、例えばガラス繊維、炭素繊維、有機繊維、金属繊維、セラミック繊維、天然食物繊維等を主成分とするものが挙げられる。複数の繊維２としては、ガラス繊維、炭素繊維、有機繊維、金属繊維及びこれらの組み合わせを主成分とするものが好ましい。

上記炭素繊維としては、例えばポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、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、リグニン系炭素繊維等が挙げられる。

上記有機繊維としては、例えばポリベンゾチアゾール、ポリベンゾオキサゾール等の複素環含有ポリマーにより形成される繊維、アラミド繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維などが挙げられる。

上記金属繊維の主成分としては、例えば銅、鉄、ステンレス、アルミニウム、ニッケル、銀、これらの合金等が挙げられる。

複数の繊維２は、表面処理を受けたものであってもよい。上記表面処理としては、例えばカップリング処理、酸化処理、オゾン処理、プラズマ処理、コロナ処理、ブラスト処理等が挙げられる。

複数の繊維２の分散度の下限としては、０．４であり、０．５が好ましく、０．６がより好ましく、０．７５がさらに好ましい。一方、複数の繊維２の分散度の上限としては、１．５であり、１．３が好ましく、１．０が好ましく、０．８５がより好ましい。複数の繊維２の分散度が上記下限より小さい場合、繊維強化成形体の機械的特性及び品質の均一性が不十分となるおそれがある。逆に、複数の繊維２の分散度が上記上限を超える場合、コストの増加と、繊維強化成形体の機械的特性及び品質の均一性の向上とのバランスが悪化するおそれがある。

ここで、複数の繊維２の分散度は、以下の手順により算出される値をいう。上記手順について、模式図として図３Ａ〜図３Ｃを参照しつつ説明する。まず、複数の繊維２の配向方向と垂直方向に当該テープ状プリプレグ１を切断し、顕微鏡（例えばオリンパス社の光学顕微鏡「ＢＸ５１」）により断面画像を撮影する（図３Ａ）。この断面画像は、必要に応じ複数の繊維２が白色、バインダー３が黒色となるように画像処理ソフト（例えばヒューリンクス社の「ＳｉｇｍａＳｃａｎ Ｐｒｏ」）で二値化処理してもよい。次に、上記断面画像の正方形領域（例えば７５μｍ四方、図３Ａにおける領域Ｚ）を縦横にｎ（ｎは２以上の整数）等分し（図３Ｂ、ｎ＝７）、ｎ^２個の各領域で複数の繊維２の面積率ａを測定する。この各領域の面積率ａの平均値ａ_ＡＶＧを標準偏差σ_ａで除すことにより変動係数Ｃ_ｖ（ｎ）を算出する。そして、Ｘ軸に１／ｎ、Ｙ軸に変動係数Ｃ_ｖ（ｎ）を両対数プロットし、最小二乗法により近似直線の傾きを求める（図３Ｃ）。上記傾きに−１を乗じた値であるフラクタル次元Ｄを複数の繊維２の分散度とする。上記プロットにおけるプロット数の下限としては、例えば５である。一方、上記プロットにおけるプロット数の上限としては、例えば１０である。また、ｎの下限としては、例えば５である。一方、ｎの上限としては、例えば１００である。

複数の繊維２の配向度Ｐの下限としては、０．８であり、０．８５が好ましく、０．９がより好ましい。一方、複数の繊維２の配向度Ｐは、１．０未満である。複数の繊維２の配向度Ｐの上限としては、０．９９が好ましく、０．０９６がより好ましく、０．９５がさらに好ましい。複数の繊維２の配向度Ｐが上記下限より小さい場合、繊維強化成形体の機械的特性及び品質の均一性が不十分となるおそれがある。逆に、複数の繊維２の配向度Ｐが上記上限を超える場合、コストの増加と、繊維強化成形体の機械的特性及び品質の均一性の向上とのバランスが悪化するおそれがある。

ここで、複数の繊維２の配向度Ｐは、以下の手順により算出される値をいう。上記手順について、図４Ａ〜図４Ｄを参照しつつ説明する。まず、Ｘ線透視装置（例えば島津製作所社の「ＳＭＸ−１０００Ｐｌｕｓ」）を用いたＸ線ＣＴ（コンピュータ断層撮影）などにより、当該テープ状プリプレグ１の複数の繊維２の配向方向の断面画像（スライス画像）を撮影する（図４Ａ）。撮影方法としては、当該テープ状プリプレグ１の面方向と直交する方向から撮影する方法が好ましい。また、この断面画像は、必要に応じ密度の低い部分が白色、密度の高い部分が黒色となるように画像処理で二値化処理してもよい（図４Ｂ）。次に、上記断面画像の正方形領域（例えば１．０ｍｍ四方）に対するフーリエ変換により二次元パワースペクトル画像を得る（図４Ｃ）。このパワースペクトル画像より平均振幅の角度分布図を得てその近似楕円を描き（図４Ｄ）、その近似楕円の長径（図４Ｄのｄ１）及び短径（図４Ｄのｄ２）を測定し、以下の式（１）により配向度Ｐを算出する。
配向度Ｐ＝１−（近似楕円の短径／長径）・・・・（１）

なお、配向度Ｐは、複数（例えば３）の断面画像を用いて測定した値の平均値であるとよい。上記複数の断面画像は、当該テープ状プリプレグ１の一方の面からの距離がそれぞれ異なるとよい。上記距離は、一定（例えばテープ状プリプレグの一方の面からの距離がそれぞれ平均厚さの５％、５０％及び９５％）であるとよい。

複数の繊維２の平均繊維長は、特に限定されず、用途に応じて適宜変更可能である。但し、複数の繊維２の平均繊維長は、入手可能な複数の繊維２の１ボビンの連続繊維長が上限となる。なお、当該テープ状プリプレグ１の平均長さは、複数の繊維２の平均繊維長と略同一である。

複数の繊維２の平均繊度としては、特に限定されず、市販され入手可能な複数の繊維の繊度やテープ状プリプレグの平均厚さ及び幅に応じて適宜変更可能である。複数の繊維２が炭素繊維である場合の具体的な平均繊度としては、例えば８００ｇ／１，０００ｍ以上３，２００ｇ／１，０００ｍ以下である。また、複数の繊維２がガラス繊維である場合の具体的な平均繊度としては、例えば１，０００ｇ／１，０００ｍ以上５，０００ｇ／ｍ以下であり、より具体的には１，２００ｇ／１，０００ｍ、２，４００ｇ／１，０００ｍ、４，８００ｇ／１，０００ｍ等である。ここで「平均繊度」とは、ＪＩＳ−Ｌ１０１３：２０１０「化学繊維フィラメント糸試験方法」に記載のＢ法（簡便法）に準拠して測定した正量繊度の平均値をいう。なお、１ｇ／１，０００ｍは、１ｔｅｘに相当する。

複数の繊維２の含有率の下限としては、３０体積％であり、３５体積％が好ましく、４０体積％がより好ましい。一方、複数の繊維２の含有率の上限としては、６０体積％であり、５５体積％が好ましく、５０体積％がより好ましい。複数の繊維２の含有率が上記下限より小さい場合、繊維強化成形体の機械的特性の低下のおそれがある。逆に、複数の繊維２の含有率が上記上限を超える場合、複数の繊維２の分散度及び配向度の上記範囲への調整が困難となるおそれがある。

（バインダー）
バインダー３は、複数の繊維２に含浸し、複数の繊維２を接着する。バインダー３は、複数の繊維２を分散させるマトリックスとして機能してもよい。バインダー３は、通常熱可塑性樹脂を主成分とし、本発明の効果を損なわない範囲において、他の任意成分を含有してもよい。上記他の任意成分としては、例えば熱硬化性樹脂、その硬化剤等が挙げられる。

熱可塑性樹脂としては、例えば高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、直鎖低密度ポリエチレン等のポリエチレン、ナイロン６、ナイロン６６等のポリアミド、ポリプロピレン、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ）、ポリアセタール、ポリカーボネート、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、ポリエーテルイミド、ポリスチレン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトンなどが挙げられる。熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン、ポリアミド、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、ポリアセタール、ポリカーボネート及びこれらの組み合わせが好ましい。

バインダー３における熱可塑性樹脂の含有量の下限としては、６０質量％が好ましく、７５質量％がより好ましく、９０質量％がさらに好ましく、９９質量％が特に好ましい。熱可塑性樹脂の含有量が上記下限より小さい場合、当該テープ状プリプレグ１の加工性の低下のおそれがある。

熱硬化性樹脂としては、例えば不飽和ポリエステル、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂及びポリイミド等が挙げられる。なお、これらの熱硬化性樹脂は、通常硬化処理による三次元架橋構造の形成を行っていない未硬化の熱硬化性樹脂である。また、バインダー３が熱硬化性樹脂を含有する場合、この熱硬化性樹脂に対応する硬化剤をさらに含有するとよい。

バインダー３の含有率の下限としては、４０体積％が好ましく、４５体積％がより好ましく、５０体積％がさらに好ましい。一方、バインダー３の含有率の上限としては、７０体積％が好ましく、６５体積％がより好ましく、６０体積％がさらに好ましい。バインダー３の含有率が上記下限より小さい場合、当該テープ状プリプレグ１の製造が困難となるおそれがある。逆に、バインダー３の含有率が上記上限を超える場合、複数の繊維２の含有量が不十分となるおそれがある。

当該テープ状プリプレグ１が含んでもよい任意成分としては、例えばシリカ、アルミナ、水酸化マグネシウム、水酸化アルミニウム、ホウ酸亜鉛、酸化アンチモン等の無機フィラー、アクリルゴム微粒子、シリコンパウダー、ナイロンパウダー等の有機フィラーなどが挙げられる。

［テープ状プリプレグの製造方法］
当該テープ状プリプレグ１の製造方法としては、例えば溶融したバインダー３を複数の繊維２に含浸させる工程（含浸工程）と、バインダー３を含浸させた複数の繊維２をノズルに通過させる工程（ノズル通過工程）と、ノズルを通過した複数の繊維２を冷却する工程（冷却工程）とを備える方法（引抜き法）等が挙げられる。当該テープ状プリプレグ１の製造方法は、繊維束を開繊する工程（開繊工程）をさらに備えることが好ましい。

（開繊工程）
本工程は、繊維束を開繊する。開繊した繊維束は、後述する含浸工程で複数の繊維２として用いる。繊維束を開繊する方法としては、例えば中心を軸に回転する断面円形の開繊ローラの回転面と、モータによる巻き取り等により、張力が付加されつつ走行する繊維束とを接触させる方法等が挙げられる。上記方法では、開繊ローラの回転面との接触により繊維束が複数の繊維２に開繊する。なお、上記開繊ローラの代わりに、中心を軸に回転しない断面円形のガイドバーを用いてもよい。

繊維束は、図１及び２の複数の繊維２を束ねたものである。繊維束に含まれる繊維数は、繊維束の種類等によって適宜変更可能である。繊維束が炭素繊維の繊維束である場合、繊維束に含まれる繊維数としては、例えば１０，０００本以上５０，００００本以下であり、具体的には、例えば１２，０００本（１２Ｋ）、２４，０００本（２４Ｋ）、４８，０００本（４８Ｋ）等である。なお、当該テープ状プリプレグ１の製造方法では、繊維束を１のみ用いてもよく、２以上用いてもよい。

本工程は、事前に繊維束を予熱してもよい。これにより、繊維束に付着している収束剤を軟化でき、その結果、開繊工程及び後述する含浸工程の効率を向上できる。なお、収束剤とは、複数の繊維２を収束させて扱いやすくするために繊維束に付着させるものである。繊維束を予熱する方法としては、特に限定されず、従来公知の予熱機等を用いる方法などが挙げられる。上記予熱温度の下限としては、例えば８０℃である。一方、上記予熱温度の上限としては、例えば２００℃である。

繊維束が接触する上記開繊ローラ及びガイドバーの合計数の下限としては、３が好ましく、４がより好ましい。一方、上記開繊ローラ及びガイドバーの合計数の上限としては、８が好ましく、６がより好ましい。上記開繊ローラ及びガイドバーの合計数が上記下限より小さい場合、繊維束の開繊が不十分となり、複数の繊維２が当該テープ状プリプレグ１の幅方向中央に偏ることで分散度及び配向度が低下するおそれがある。逆に、上記開繊ローラ及びガイドバーの合計数が上記上限を超える場合、繊維束が過度に開繊し、成形時に複数の繊維２が当該テープ状プリプレグ１の幅方向両端に偏ることで分散度及び配向度が低下するおそれがある。また、繊維束に付加される張力が増加することによる繊維束の破断のおそれがある。

繊維束に付加される張力の下限としては、例えば２５０ｇである。一方、繊維束に付加される張力の上限としては、例えば３５０ｇである。繊維束に付加される張力が上記下限より小さい場合、当該テープ状プリプレグ１の複数の繊維２の分散度及び配向度が低下するおそれがある。逆に、繊維束に付加される張力が上記上限を超える場合、繊維束の破断等のおそれがある。

繊維束に付加される張力は、略一定に保たれることが好ましい。繊維束に付加される張力を略一定に保つ方法としては、例えばダンサーロールにより繊維束に付与する張力を調整する方法等が挙げられる。繊維束に付加される張力を略一定に保つことで、当該テープ状プリプレグ１の分散度及び配向度を高めることができる。

繊維束の走行速度の下限としては、例えば２．５ｍ／分である。一方、繊維束の走行速度の上限としては、例えば５．０ｍ／分である。繊維束の走行速度が上記下限より小さい場合、当該テープ状プリプレグ１の生産性低下のおそれがある。逆に、繊維束の走行速度が上記上限を超える場合、当該テープ状プリプレグ１の複数の繊維２の分散度及び配向度が低下するおそれがある。

（含浸工程）
本工程は、溶融したバインダー３を複数の繊維２に含浸させる。複数の繊維２としては、例えば繊維束を開繊したもの等が挙げられる。複数の繊維２に溶融したバインダー３を含浸させる方法としては、例えばモータによる巻き取り等により、張力を付加しつつ複数の繊維２を走行させ、溶融したバインダー３の貯留容器内を通過させる方法などが挙げられる。これにより、複数の繊維２の間には溶融したバインダー３が含浸される。本工程は、開繊工程と同時に行うとよい。すなわち、溶融したバインダー３の貯留容器内に上記開繊ローラ及びガイドバーを配設し、繊維束を開繊させつつ溶融したバインダー３を含浸させるとよい。

溶融したバインダー３の貯留容器内の温度の下限としては、例えば２００℃である。一方、溶融したバインダー３の貯留容器内の温度の上限としては、例えば３００℃である。

溶融したバインダー３のＭＦＲ（メルトフローレート）の下限としては、２５ｇ／１０分が好ましく、５０ｇ／１０分がより好ましい。一方、溶融したバインダー３のＭＦＲの上限としては、１５０ｇ／１０分が好ましく、１２０ｇ／１０分がより好ましい。溶融したバインダー３のＭＦＲが上記下限より小さい場合、後述するノズル通過工程が困難となるおそれがある。一方、溶融したバインダー３のＭＦＲが上記上限を超える場合、後述するノズル通過工程でバインダー３の成形が困難となるおそれがある。ここで「溶融したバインダー３のＭＦＲ」は、ＪＩＳ−Ｋ７２１０−１：２０１４「プラスチック−熱可塑性プラスチックのメルトマスフローレイト（ＭＦＲ）及びメルトボリュームフローレイト（ＭＶＲ）の求め方−第１部：標準的試験方法」に準拠して測定した値をいう。

（ノズル通過工程）
本工程は、バインダー３を含浸させた複数の繊維２をノズルに通過させる。バインダー３を含浸させた複数の繊維２をノズルに通過させる方法としては、モータによる巻き取り等により、バインダー３を含浸させた複数の繊維２を張力を付加しつつ走行させ、ノズルに通過させる方法などが挙げられる。上記走行速度及び付加される張力は、通常開繊工程と同様である。複数の繊維２と、この複数の繊維２に含浸するバインダー３とは、本工程でテープ状に成形される。上記ノズルの温度の下限としては、例えば２００℃である。一方、上記ノズルの温度の上限としては、例えば３００℃である。

上記ノズルは、開口が矩形スリットであるとよい。上記矩形スリットの長手方向の平均長さは、上述の当該テープ状プリプレグ１の平均幅と略同一とすることができる。また、上記矩形スリットの短手方向の平均長さは、上述の当該テープ状プリプレグ１の平均厚さと略同一とすることができる。上記矩形スリットの長手方向及び短手方向の平均長さの調整により、当該テープ状プリプレグ１の平均幅及び平均厚さを調整できる。

（冷却工程）
本工程は、ノズルを通過した複数の繊維２を冷却する。本工程は、開繊された複数の繊維２が凝集する前にバインダー３を急冷して固化させることを目的とする。本工程により、当該テープ状プリプレグ１が完成する。ノズルを通過した複数の繊維２を冷却する方法としては、例えば表面を冷却した冷却ローラと、モータによる巻き取り等により、張力が付加されつつ走行する、ノズルを通過させた複数の繊維２とを接触させる方法などが挙げられる。上記走行速度及び付加される張力は、通常開繊工程と同様である。上記冷却ローラの表面を冷却する方法としては、例えば冷却水を供給する方法等が挙げられる。

本工程は、当該テープ状プリプレグ１の反り等を防止する観点から、２つの冷却ローラを用い、一方の冷却ローラはノズルを通過した繊維束の表面に接触させ、他方の冷却ローラはノズルを通過した繊維束の裏面に接触させることが好ましい。また、本工程は、３以上の冷却ローラを用いてもよい。なお、本工程は、水冷又は空冷により、上記冷却ローラの下流でノズルを通過した繊維束をさらに冷却してもよい。

上記冷却ローラの表面温度の下限としては、例えば１５℃である。一方、上記冷却ローラの表面温度の上限としては、例えば３０℃である。

バインダー３が含浸した複数の繊維２は、ノズルを通過した直後は表面が比較的滑らかであるが、時間の経過と伴に溶融したバインダー３の流動等により徐々に表面が粗くなる。そのため、ノズルを通過した複数の繊維２が冷却ローラに接触するまでの時間、冷却ローラの表面温度、冷却ローラの数及びノズルを通過した複数の繊維２と冷却ローラとの接触面積の調整により、当該テープ状プリプレグ１の算術平均表面粗さ（Ｒａ）を所望の範囲に調整できる。

上述のノズルを通過した複数の繊維２が冷却ローラに接触するまでの時間は、ノズルの先端と、バインダー３が含浸した複数の繊維が冷却ローラに接触する位置との間の距離（以下、「ノズルの先端と冷却ローラとの間の距離」ともいう）で調整できる。上記距離の下限としては、５ｍｍが好ましく、８ｍｍがより好ましい。一方、上記距離の上限としては、２０ｍｍが好ましく、１２ｍｍがより好ましい。上記距離が上記下限未満である場合、又は上記上限を超える場合、当該テープ状プリプレグ１の算術平均表面粗さ（Ｒａ）を所望の範囲に調整することが困難となるおそれがある。

［利点］
当該テープ状プリプレグ１は、平均厚さが適度に薄く、複数の繊維２の含有率が適度に多く、かつ複数の繊維２の分散度及び配向度が適度に高いことで、加工性並びに繊維強化成形体の機械的特性及び品質の均一性の全てがバランスよく優れる。

＜第２実施形態＞
［繊維強化成形体］
当該繊維強化成形体は、当該テープ状プリプレグ１を複合化したものである。当該繊維強化成形体の形状は、特に限定されないが、例えば板状、筒状等が挙げられる。板状の当該繊維強化成形体は、例えば自動車、航空機等の外装などに好適に用いることができる。また、筒状の当該繊維強化成形体は、例えばゴルフシャフト、釣竿等のスポーツ用品、タンク、配管等の構造体の補強材などに好適に用いることができる。

［板状の繊維強化成形体の製造方法］
板状の当該繊維強化成形体の製造方法としては、例えば当該テープ状プリプレグ１を所望のサイズに切断する工程（切断工程）と、切断した当該テープ状プリプレグ１同士の積層により積層体を形成する工程（積層体形成工程）と、上記積層体を加熱加圧する工程（加熱加圧工程）とを備える方法（積層プレス法）等が挙げられる。

（切断工程）
本工程は、当該テープ状プリプレグ１を所望のサイズに切断する。当該テープ状プリプレグ１を所望のサイズに切断する方法としては、例えばカッター、鋏等を用い、複数の繊維２の配向方向と垂直方向及び／又は平行方向に切断する方法などが挙げられる。

（積層体形成工程）
本工程は、切断した当該テープ状プリプレグ１同士の積層により積層体を形成する。この積層体を形成する方法としては、例えば切断した当該テープ状プリプレグ１を基材の上側に順次積層する方法等が挙げられる。上記積層体の層数の下限としては、例えば４である。一方、上記積層体の層数の上限としては、例えば１００である。なお、上記積層体は、少なくとも一部の層が当該テープ状プリプレグ１以外の他の層であってもよい。上記他の層としては、例えば金属、樹脂等を主成分とする層などが挙げられる。

本工程では、当該テープ状プリプレグ１の複数の繊維２の配向方向が擬似等方となるように積層するとよい。すなわち、ある層の複数の繊維２の配向方向を０°としたとき、このある層に隣接して積層される層の複数の繊維２の配向方向が１８０°／ｍ（ｍは全層数）ずつ傾くように積層するとよい。このように、当該テープ状プリプレグ１の複数の繊維２の配向方向が擬似等方となるように積層することで、当該繊維強化成形体における複数の繊維２の配向方向に擬似等方性を付与でき、あらゆる方向からの負荷に対する強度を向上できる。

（加熱加圧工程）
本工程は、上記積層体を加熱加圧する。上記積層体を加熱加圧する方法としては、特に限定されず、例えばプレス成形法、オートクレーブ成形法、バッギング成形法、ラッピングテープ法、内圧成形法等の従来公知の方法などが挙げられる。上記加熱温度としては、例えば１５０℃以上２５０℃以下である。また、上記加圧圧力としては、例えば３ＭＰａ以上８ＭＰａ以下である。上記加熱加圧の時間としては、例えば１分以上１５分以下である。

［筒状の繊維強化成形体の製造方法］
筒状の当該繊維強化成形体の製造方法としては、例えば当該テープ状プリプレグ１を支持体に巻回する工程（巻回工程）と、巻回した当該テープ状プリプレグ１を加熱加圧する工程（加熱加圧工程）とを備える方法（フィラメントワインディング法）等が挙げられる。上記加熱加圧工程は、板状の当該繊維強化成形体の製造方法と同様であるため、説明を省略する。

（巻回工程）
本工程は、当該テープ状プリプレグ１を支持体に巻回する。当該テープ状プリプレグ１の支持体への巻回方法としては、例えばらせん巻き、パラレル巻き等が挙げられる。上記支持体としては、特に限定されず、例えば金属、樹脂等を主成分とする円柱状又は筒状の支持体などが挙げられる。

筒状の当該繊維強化成形体の製造方法は、加熱加圧工程後、上記支持体から当該繊維強化成形体を分離させてもよい。また、上記支持体がタンク、配管等の構造体である場合、上記支持体から当該繊維強化成形体を分離させず、上記構造体の内圧に対する強度を向上する補強材として用いてもよい。

＜利点＞
当該繊維強化成形体は、当該テープ状プリプレグ１の複合化により製造されるため、機械的特性及び品質の均一性に優れる。

［その他の実施形態］
上記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、上記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて上記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。

当該テープ状プリプレグは、一方の面に接着剤層等の他の層が積層されていてもよい。また、複数の繊維の主成分が炭素繊維、金属繊維等の導電性を有する繊維である場合、当該テープ状プリプレグは、複数の繊維の配向方向には導電性を有するが、それ以外の方向には導電性を有さないため、異方性導電層の形成に用いることができる。

以下、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

まず、本実施例で使用した複数の繊維（繊維束）とバインダーに用いる樹脂とを以下に示す。
炭素繊維（ＣＦ）：東レ社のトレカ糸「Ｔ−７００ＳＣ」（１２Ｋ）
ガラス繊維（ＧＦ）：日東紡社のダイレクトロービング「ＲＳ２４０ ＱＲ４８３」（２，４００ｔｅｘ）
ポリプロピレン（ＰＰ）：プライムポリマー社の「プライムポリプロ」（ＭＦＲ＝３０）と繊維／樹脂界面接着剤として三洋化成社の無水マレイン酸変性ポリプロピレン「ユーメックス１０１０」とを重量比９５：５でドライブレンドしたもの

＜テープ状プリプレグの製造＞
以下の条件で引抜き法を行い、使用する繊維束の種類及び数、ノズルの矩形スリットの寸法（短手方向）、並びにノズルの先端と冷却ローラとの間の距離を調整することにより、表１に示す実施例１〜５及び比較例１〜４のテープ状プリプレグを製造した。
ノズルの矩形スリットの寸法：長手方向１５ｍｍ、短手方向６０μｍ以上１８０μｍ以下
繊維余熱温度／樹脂含浸槽温度／ノズル温度：１８０℃／２５０℃／２５０℃
冷却ローラ温度：２０℃
テープ状プリプレグ引取速度（繊維束の走行速度）：３．５ｍ／分
ノズルの先端と冷却ローラとの間の距離：実施例１０ｍｍ、比較例４０ｍｍ

＜テープ状プリプレグの特性の測定方法＞
［算術平均粗さ（Ｒａ）］
テープ状プリプレグの算術平均粗さ（Ｒａ）は、ＪＩＳ−Ｂ０６５１：２００１に準拠し、評価長さを２．５ｍｍ、カットオフ値を０．８ｍｍとして算出した。なお、実施例１の測定データを図５Ａに、比較例１の測定データを図５Ｂにそれぞれ示す。

［分散度（フラクタル次元Ｄ）］
テープ状プリプレグのフラクタル次元Ｄは、本発明の実施形態で説明した方法によって測定した。実施例１及び比較例２のテープ状プリプレグを複数の繊維の配向方向と垂直方向に切断し、顕微鏡により撮影した断面画像を図６Ａ及び図６Ｂにそれぞれ示す。この断面画像の正方形領域（７５μｍ四方）からフラクタル次元Ｄを求めた。

［配向度Ｐ］
テープ状プリプレグの配向度Ｐは、以下の方法で測定した。すなわち、まず当該テープ状プリプレグ１の面方向と直交する方向から、テープ状プリプレグの複数の繊維の配向方向の断面画像を撮影した。次に、この断面画像を密度の低い部分が白色、密度の高い部分が黒色となるように画像処理で二値化処理した。その後、上記断面画像の正方形領域（７５μｍ四方）に対するフーリエ変換により二次元パワースペクトル画像を得た。このパワースペクトル画像より平均振幅の角度分布図を得てその近似楕円を描き、その近似楕円の長径及び短径を測定し、以下の式（１）により配向度Ｐを算出した。
配向度Ｐ＝１−（近似楕円の短径／長径）・・・・（１）

［テープ状プリプレグの外観］
実施例１及び比較例１のテープ状プリプレグの平面写真を図７Ａ及び図７Ｂに示す。実施例１のテープ状プリプレグは、フラクタル次元Ｄが０．４以上１．５以下であり、かつ配向度Ｐが０．８以上１．０未満であるため、外観が均一であった。一方、比較例１のテープ状プリプレグは、フラクタル次元Ｄが上記範囲外であるため、表面にスジが確認された。

＜評価＞
［曲げ試験］
各テープ状プリプレグを所定の長さに切断し、表１に示す枚数を積層し、キャビティの平均幅が１５ｍｍの金型に装填した。この金型をホットプレス上で無圧にて２２０℃に加熱し、１０分保持することで樹脂を溶融させた。樹脂溶融後、テープ状プリプレグに押圧治具を載せ、この押圧治具を介して２２０℃、５ＭＰａ、２分間加圧した状態を保持した。その後、金型を常温まで冷却し、表１に示す平均厚さの繊維強化樹脂成形体を得た。この繊維強化樹脂成形体を試験片としてＪＩＳ−Ｋ７０７４：１９８８年「炭素繊維強化プラスチックの曲げ試験方法」に準拠して３点曲げ試験を行い、各試験片の曲げ強度及び曲げ弾性率を測定した。３点曲げ試験の条件を以下に示す。
試験片寸法：長さ１００ｍｍ、幅１５ｍｍ
温度：常温
圧子半径：５ｍｍ
支点半径：２ｍｍ
支点間距離：８０ｍｍ
試験速度：１．０ｍｍ／ｍｉｎ

３点曲げ試験は、各試験片あたり５点ずつ行い、その平均値及び標準偏差を算出した。曲げ強度［ＭＰａ］及び曲げ弾性率［ＧＰａ］は、その数値が大きいほど機械的特性に優れることを示し、またその標準偏差が小さいほど品質の均一性に優れることを示す。曲げ強度は、平均値が３３０ＭＰａ以上であり、かつ標準偏差が２０．０以下である場合を「Ａ（良好）」、それ以外の場合を「Ｂ（良好ではない）」と判断される。また、曲げ弾性率［ＧＰａ］は、平均値が２５ＭＰａ以上であり、かつ標準偏差が４．０以下である場合を「Ａ（良好）」、それ以外の場合を「Ｂ（良好ではない）」と判断される。評価結果を表１に示す。

表１から明らかなように、フラクタル次元Ｄが０．４以上１．５以下であり、かつ配向度Ｐが０．８以上１．０未満である実施例１〜５のテープ状プリプレグにより作製した試験片は、曲げ強度及び曲げ弾性率が良好であった。一方、フラクタル次元Ｄ及び配向度Ｐのいずれかが上記範囲外である比較例１〜４のテープ状プリプレグにより作製した試験片は、曲げ強度及び曲げ弾性率のいずれかが良好ではなかった。このことから、当該テープ状プリプレグは、フラクタル次元Ｄ及び配向度Ｐを上記範囲とすることで、機械的特性及び品質の均一性に優れる繊維強化成形体を形成できると判断される。また、当該テープ状プリプレグは、平均厚さが５０μｍ以上１５０μｍ以下であるため、加工性にも優れると判断される。

また、実施例のテープ状プリプレグは、算術平均粗さ（Ｒａ）が２μｍ以上８μｍ以下であるため、積層プレスやフィラメントワインディングの際に層間から空気が抜け易くなるため、加工性に優れると判断される。また、繊維強化成形体の気泡の発生を抑制できるため、機械的特性及び品質均質性により優れると判断される。

当該テープ状プリプレグは、機械的特性及び品質の均一性に優れる繊維強化成形体を形成でき、かつ加工性に優れる。また、当該繊維強化成形体は、機械的特性及び品質の均一性に優れる。

１ テープ状プリプレグ
２ 繊維
３ バインダー

Claims (5)

1. 一方向に配向する複数の繊維と、これらの複数の繊維に含浸するバインダーとを備えるテープ状プリプレグであって、
   平均厚さが５０μｍ以上１５０μｍ以下、
   上記複数の繊維の含有率が３０体積％以上６０体積％以下、
   上記複数の繊維の配向方向と垂直方向の断面画像に基づき、縦横にｎ（ｎは２以上の整数）等分した各領域の繊維面積率ａから求められる変動係数Ｃｖ（ｎ）のフラクタル次元Ｄが０．４以上１．５以下、かつ
   上記複数の繊維の配向方向の断面画像に対するフーリエ変換により得られるパワースペクトル画像の近似楕円に基づき、下記式（１）で表される配向度Ｐが０．８以上１．０未満であることを特徴とするテープ状プリプレグ。
   配向度Ｐ＝１−（近似楕円の短径／長径）・・・・（１）
   
2. 上記複数の繊維が、ガラス繊維、炭素繊維、有機繊維、金属繊維又はこれらの組み合わせを主成分とする請求項１に記載のテープ状プリプレグ。
3. 上記バインダーの主成分が熱可塑性樹脂である請求項１又は請求項２に記載のテープ状プリプレグ。
4. 上記複数の繊維の配向方向と垂直方向の算術平均粗さ（Ｒａ）が２μｍ以上８μｍ以下である請求項１、請求項２又は請求項３に記載のテープ状プリプレグ。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のテープ状プリプレグを複合化した繊維強化成形体。