JP6540005B2 - スタンパブル基材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭素繊維複合材料であるスタンパブル基材に関し、スタンパブル基材を用いて成形品を作製する場合に高い流動性と機械特性を両立できるようにしたスタンパブル基材の製造方法に関する。

炭素繊維と熱可塑性樹脂からなる炭素繊維複合材料は、種々の成形品の製造に用いられており、従来から、製造された成形品の高い機械特性や、成形の際の良好な流動性を目指した種々の提案がなされている。なかでも、強化繊維マットに熱可塑性樹脂を含浸させたスタンパブル基材（スタンパブルシートと称する場合もある）を用いて加熱、プレス成形することによりスタンピング成形品を製造する方法は比較的大型の構造体を容易に製造可能なことから、軽量、高剛性を求められる各種構造体の製造に採用されている。

特許文献１には、炭素繊維複合材料中の特定の炭素繊維束の繊維全量に対する割合を低く抑え、その特定の炭素繊維束中の平均繊維数を特定の範囲にした複合材料が提案されている。

しかしながら、この特許文献１に記載されているような、炭素繊維複合材料中の炭素繊維束が細く、かつそのような炭素繊維束の繊維全量に対する存在割合が少なく炭素繊維が開繊した炭素繊維複合材料は、それを用いて製造した成形品の機械特性には優れるが、成形の際の流動性が低く、成形性に劣る。これは、強化繊維である炭素繊維が十分に分散しているため応力が集中しににくく、炭素繊維の補強効果が十分発揮される一方、炭素繊維同士が交差してお互いの動きを制約して動きにくくなるためである。

一方、特許文献２には、炭素繊維複合材料中の上記同様の特定の炭素繊維束の繊維全量に対する割合をより高く設定し、その特定の炭素繊維束中の平均繊維数を別の特定の範囲にした複合材料が提案されている。

しかしながら、この特許文献２に記載されているような、炭素繊維束が太く、かつその太い炭素繊維束の存在割合が多い炭素繊維複合材料は、それを用いて成形品を製造する際の流動性が高く成形性に優れるが、リブや細かい形状への炭素繊維の成形追従性が悪く、機械特性が低くばらつきも大きい。これは、炭素繊維束が太いため、細かい部材への炭素繊維の追従性が悪く、炭素繊維の端部に応力が集中しやすいが、炭素繊維がネットワークを形成していないため動きやすいためである。

また、特許文献３には連続したガラス繊維と、該ガラス繊維を挟圧することによってその一部を切断し、繊維長が１０ｍｍ以上の長繊維と１０ｍｍ未満の短繊維とが含有されてなるガラス繊維マットの製造方法が提案されている。

しかし、特許文献３に記載されているような連続繊維を狭圧により切断する方法では繊維長の分布が大きくなりスタンピング成形時の流動性を阻害する欠点を有している。

特開２０１１−１７８８９０号公報 特開２０１１−１７８８９１号公報 ＷＯ９６／０４０４７７号公報

そこで本発明の課題は、上記のような従来の炭素繊維複合材料では達成できなかった、高流動性と機械特性を両立でき、機械特性のばらつきも少なく、大面積の成形品も投影面積においてチャージ率１００％未満で成形可能な炭素繊維追従性にも優れるスタンパブル基材及びその製造方法、並びにスタンピング成形品を提供することにある。

上記課題を解決するために種々検討を行った結果、本発明者は、以下に示すスタンパブル基材の製造方法を見いだすに至った。
（１） スタンパブル基材の製造方法であって、少なくとも、
繊維長が６〜５０ｍｍの不連続繊維束を開繊手段により開繊、配向させて不連続炭素繊維マット前駆体を得る工程、
前記不連続炭素繊維マット前駆体を５〜１００ＭＰａの圧力で圧搾して、１００本以上の単繊維が束になった繊維束として構成される繊維Ａと、１００本未満の単繊維が束になった繊維束および分散された単繊維を破断させた繊維Ｂとを含み、前記繊維Ａの数平均繊維長が６〜５０ｍｍ、前記繊維Ｂの数平均繊維長が１〜１０ｍｍであり、前記繊維Ｂの数平均繊維長が前記繊維Ａの数平均繊維長未満となる不連続繊維マットを形成する圧搾工程、前記不連続繊維マットにマトリックス樹脂を含浸、固化する含浸固化工程、
を有することを特徴とするスタンパブル基材の製造方法。
（２） 前記開繊手段が、カーディング法またはエアレイド法である（１）に記載のスタンパブル基材の製造方法。
（３） 前記不連続繊維マットに含まれる全強化繊維に対して、繊維Ａの重量割合が３０〜９０重量％である（１）または（２）に記載のスタンパブル基材の製造方法。
（４） 前記不連続繊維束に熱可塑性樹脂繊維を添加した繊維集合体を前記開繊手段により開繊・配向させることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載のスタンパブル基材の製造方法。

本発明によれば、高流動性と機械特性を両立でき、機械特性のばらつきも少なく、大面積の成形品も投影面積においてチャージ率１００％未満で成形可能な炭素繊維追従性にも優れるスタンパブル基材及びその製造方法、並びにスタンピング成形品を提供することができる。特に、機械特性の中でも曲げ強度、衝撃、クリープ、疲労を高めることができるので、スタンピング成形性が良好であり、リブやボス形状を有する複雑成形の成形体、厚みの異なる部分を有する成形体、及び大面積を有する成形体をトリムレスで容易に作ることが可能となる。

カーディング装置の一例を示す概略構成図である。 エアレイド装置の一例を示す概略構成図である。 流動性試験の様子を示す概略構成図である。

前記課題を解決するためになされた本発明は、１００本以上の単繊維が束になった繊維束として構成される繊維Ａと、１００本未満の単繊維が束になった繊維束および分散された単繊維からなる繊維Ｂとを含み、繊維Ａの数平均繊維長が６〜５０ｍｍ、繊維Ｂの数平均繊維長が１〜１０ｍｍであり、繊維Ｂの数平均繊維長が繊維Ａの数平均繊維長未満である不連続繊維マットに、マトリックス樹脂を含浸、固化したスタンパブル基材である。上記繊維構成にすることにより、繊維同士および繊維と繊維束が接する交絡点数を減少させることができる。

本発明において、不連続繊維マットを構成する繊維Ａは、単繊維が１００本以上束になった繊維束として構成されている。繊維Ａがこの繊維束形態を有すると、繊維の交絡点数を減少させることができるため、流動性を向上させることができる。繊維束を構成する単繊維数が１００本未満になると、後述する繊維Ｂとの差異が見出しにくくなり、単繊維レベルに高分散した不連続繊維マットに対する見かけの繊維数減少効果が少なく、スタンピング成形時の流動性が低下する場合がある。繊維Ａの単繊維数の上限は、繊維Ａを構成する強化繊維束に含まれる単糸数に依存するが、後述するように４８，０００本程度である。より好ましくは２４，０００本、更に好ましくは１２，０００本である。

また、繊維Ｂは、１００本未満の単繊維が束になった繊維束および分散された単繊維からなる形態を有することにより、スタンパブル基材やスタンピング成形品における機械特性を向上させることができる。

さらに、繊維Ａの数平均繊維長を６〜５０ｍｍ、繊維Ｂの数平均繊維長を１〜１０ｍｍとすることにより、繊維Ｂ同士、または繊維Ａと繊維Ｂとの交絡部位を減少させ、成形流動時の負荷抵抗を下げることができる。さらに、不連続繊維マット内に繊維Ｂと繊維Ａとが混在することにより、スタンパブル基材の繊維体積含有率を高くすることができ、優れた機械特性を発揮することができる。

繊維Ａの数平均繊維長が５０ｍｍよりも長いと、不連続繊維マットに占める繊維束の束数が少なくなり、スタンピング成形品の異方性が大きくなる傾向になる。一方、数平均繊維長が６ｍｍ未満では応力伝達が悪くなり機械特性が低下する場合がある。

また、繊維Ｂの数平均繊維長が１０ｍｍを超えると、単繊維間又は繊維束間での交絡部位が多くなり、スタンピング成形時の流動性低下を生じる場合がある。また１ｍｍよりも短いとクッラクが進展しやすくなるため、スタンパブル基材やスタンピング成形品の機械特性を低下させる場合がある。

ここで、繊維Ｂの数平均繊維長を、繊維Ａの数平均繊維長未満とすることにより、スタンパブル基材としての機械特性を保持したまま、流動性を向上させることができる。これは、不連続繊維マットを構成する繊維束の数平均繊維長が、マトリックス樹脂を含浸させたスタンパブル基材をスタンピング成形する際の流動性と機械特性に影響するからである。すなわち、スタンパブル基材に繊維Ｂを存在させると、繊維Ｂを構成する単繊維間または繊維束間に形成される交絡部位が増加するため、成形時における流動時の負荷抵抗の因子となる。そこで、繊維Ｂの数平均繊維長を繊維Ａの数平均繊維長未満とすることで、単繊維間または繊維束間に存在する交絡部位を減少させることができ、その結果、成形流動時の負荷抵抗を下げることができる。同時に繊維Ａを一定量含有させることにより、成形流動性が優れ、成形性を良くする効果が得られる。また、繊維Ｂの繊維長を短くした細い繊維束を含有させることにより、成形物の引張り強度と強化繊維の強度の比である成形品の強度発現率に優れ、良好な機械特性を保持することができる。ここで、繊維間に形成される交絡部位とは、基材厚み方向を視点としたとき２本以上の繊維が０°＜θ＜１８０°の範囲の角度を持って接触し交差した部位のことである。

ここで、本発明に用いる繊維Ａ、繊維Ｂは、スタンピング成形品が発現する機械特性を満足できる強化繊維であることが好ましく、具体的には炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などが使用できる。この中でも、特に炭素繊維がスタンパブル基材やスタンピング成形品において強度、剛性など機械特性の観点から好ましい。

本発明に使用できる炭素繊維としては、特に限定されないが、高強度、高弾性率炭素繊維が使用でき、これらは１種または２種以上を併用してもよい。中でも、ＰＡＮ系、ピッチ系、レーヨン系などの炭素繊維が挙げられる。得られるスタンピング成形品の強度と弾性率とのバランスの観点から、ＰＡＮ系炭素繊維がさらに好ましい。

炭素繊維の密度は、１．６５〜１．９５ｇ／ｃｍ^３のものが好ましく、さらには１．７〜１．８５ｇ／ｃｍ^３のものがより好ましい。密度が大き過ぎると、得られる炭素繊維強化プラスチックの軽量性能に劣り、小さ過ぎると、得られる炭素繊維強化プラスチックの機械特性が低くなるおそれがある。

また、炭素繊維は生産性の観点から、単繊維が収束した繊維束の状態であることが好ましく、繊維束中の単糸数が多いものが好ましい。炭素繊維束とした場合の単糸数には、１，０００〜１００，０００本の範囲内で使用することができ、とりわけ１，０００〜４８，０００本の範囲内で使用することが好ましい。以下、不連続繊維マットを構成する繊維Ａ、繊維Ｂを総称して「不連続繊維集合体」ということがある。

また、本発明において、不連続繊維マットに含まれる全炭素繊維に対して、繊維Ａの重量割合は３０〜９０重量％であることが好ましい。スタンパブル基材やスタンピング成形品において繊維Ａは流動性、繊維Ｂは機械特性に寄与する要素であり、不連続繊維マットにおけるこれらの重量割合を特定の範囲内とすることにより、成形流動性と機械特性の特性バランスを取ることができる。繊維全量に対する繊維Ａの重量割合は、好ましくは３５〜７０重量％、より好ましくは４０〜６０重量％、さらに好ましくは４５〜５０重量％である。繊維Ａの割合が３０重量％未満では、繊維Ｂを構成する単繊維間又は繊維束間での絡み合いが強くなり、成形時の流動性が低下するおそれがある。また９０重量％を超えると、不連続繊維マット中の繊維同士の拘束力が弱まり、スタンピング成形品中に繊維の偏りが生じやすくスタンピング成形品の機械特性が低下するおそれがある。

また、本発明において、不連続繊維マットを構成する不連続繊維集合体は、分散された単繊維から、４８，０００本までの単繊維が束になった繊維束に含まれる単繊維本数に分布を持つ繊維束を複数有することが好ましい。１つの繊維束内の単繊維数が４８，０００本を超えると繊維束の開繊が悪くなり、物性のばらつきが大きくなるおそれがある。繊維Ａを構成する各繊維束の単繊維数は、１００〜４８，０００本が好ましく、１００〜２４，０００本がより好ましく、５００〜１，０００本が更に好ましい。単繊維数の分布（ばらつき）は特に制限されるものではなく、特定の単繊維数を中心にピークを集めたり、逆にピークができないように平準な分布とすることもできる。

また、本発明において、不連続繊維マットを構成する不連続繊維集合体に、熱可塑性樹脂繊維が含有されることが好ましい。

後述するように、不連続繊維マットは、開繊手段により開繊・配向させて得られるものである。炭素繊維等の不連続繊維のみから構成される不連続繊維マットの場合のうち、特に炭素繊維は剛直で脆いため、カーディングやエアレイド等の開繊工程において絡まりにくく折れやすい。そのため、炭素繊維を開繊工程に直接適用させると、切れやすいため繊維長が短くなったり、炭素繊維が不連続繊維マットから脱落しやすかったりする場合がある。そこで、柔軟で折れにくく、絡みやすい熱可塑性樹脂繊維を含ませることにより、等方性が高い不連続繊維マットを形成することができる。

本発明において、不連続繊維マットを構成する不連続繊維集合体の中に熱可塑性樹脂繊維を含ませる場合には、熱可塑性樹脂繊維を含ませた後における不連続繊維集合体の含有率を２０〜９５重量％とすることが好ましい。より好ましくは５０〜９５重量％、さらに好ましくは７０〜９５重量％である。一定量の熱可塑性樹脂繊維を添加することにより、等方性の高い不連続繊維マットを得ることができる。熱可塑性樹脂繊維の添加量が多くなると、高い機械特性を得ることが困難になりやすい。

また、熱可塑性樹脂繊維の繊維長は、不連続繊維集合体に含まれる繊維束の形態保持や、不連続繊維集合体を構成する単繊維の脱落が防止できる範囲であれば特に限定はなく、１０〜１００ｍｍであることが好ましい。

なお、熱可塑性樹脂繊維の繊維長は、不連続繊維集合体を構成する単繊維および／または繊維束の繊維長に応じて相対的に決定することも可能である。例えば、不連続繊維集合体を配向させる目的で不連続繊維集合体を延伸する際には、繊維長の長い単繊維および／または繊維束により大きな張力がかかる。このため、不連続繊維集合体に張力をかけて不連続繊維集合体の長さ方向に配向させたい場合は、不連続繊維集合体を構成する単繊維および／または繊維束の繊維長を、熱可塑性樹脂繊維の繊維長よりも長くし、逆の場合には、不連続繊維集合体を構成する単繊維および／または繊維束の繊維長を、熱可塑性樹脂繊維の繊維長よりも短くすることができる。

また、不連続繊維集合体との絡み合いの効果を高める目的で、熱可塑性樹脂繊維に捲縮を付与することが好ましい。捲縮の程度は、本発明の目的が達成できる範囲であれば特に限定はなく、一般的には捲縮数５〜２５山／２５ｍｍ程度、捲縮率３〜３０％程度の熱可塑性樹脂繊維を用いることができる。

このような熱可塑性樹脂繊維の材料としては特に制限は無く、炭素繊維複合材料の機械特性を大きく低下させない範囲で適宜選択することができる。例示するなら、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂等のポリオレフィン系樹脂、ナイロン６樹脂、ナイロン６，６樹脂等のポリアミド系樹脂、ポリエチレンテレフタレー樹脂ト、ポリブチレンテレフタレート樹脂等のポリエステル系樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエーテルスルフォン樹脂、芳香族ポリアミド樹脂等の樹脂を紡糸して得られた繊維を用いることができる。

さらに、熱可塑性樹脂繊維の材料は、マトリックス樹脂との組み合わせにより適宜選択して用いることが好ましい。特に、マトリックス樹脂と同じ樹脂、あるいはマトリックス樹脂と相溶性のある樹脂、マトリックス樹脂と接着性の高い樹脂を用いてなる熱可塑性樹脂繊維は、炭素繊維強化プラスチックの機械特性を低下させないので好ましい。例示すると熱可塑性樹脂繊維がポリアミド繊維、ポリフェニレンスルフィド繊維、ポリプロピレン繊維、ポリエーテルエーテルケトン繊維及びフェノキシ樹脂繊維からなる群より選ばれる少なくとも１種の繊維であることが好ましい。

本発明で用いるマトリックス樹脂は特に制限は無く、炭素繊維強化プラスチックの機械特性を大きく低下させない範囲で適宜選択することができる。例示するなら、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂等のポリオレフィン系樹脂、ナイロン６樹脂、ナイロン６，６樹脂、ナイロン６，１０樹脂、ナイロン１２樹脂等のポリアミド系樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂等のポリエステル系樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエーテルスルフォン樹脂、芳香族ポリアミド樹脂等の樹脂を用いることができる。このうち、熱可塑性マトリックス樹脂がポリアミド樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂及びフェノキシ樹脂からなる群より選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。

また、本発明に係るスタンパブル基材の製造方法は、少なくとも、繊維長が６〜５０ｍｍの不連続繊維束を開繊手段により開繊、配向させて不連続繊維マット前駆体を得る工程、前記不連続繊維マット前駆体を５〜１００ＭＰａの圧力で圧搾して、１００本以上の単繊維が束になった繊維束として構成される繊維Ａと、１００本未満の単繊維が束になった繊維束および分散された単繊維を破断させた繊維Ｂとを含み、前記繊維Ａの数平均繊維長が６〜５０ｍｍ、前記繊維Ｂの数平均繊維長が１〜１０ｍｍであり、前記繊維Ｂの数平均繊維長が前記繊維Ａの数平均繊維長未満となる不連続繊維マットを形成する圧搾工程、前記不連続繊維マットにマトリックス樹脂を含浸、固化する含浸固化工程を有するスタンパブル基材の製造方法を特徴とする。

最初に、複数の連続繊維からなる連続繊維束を６〜５０ｍｍの長さに切断して不連続繊維束とし、後述する開繊手段により開繊・配向させて不連続繊維マット前駆体を得る。このとき、不連続繊維マット前駆体には、様々な単繊維数から構成される複数の不連続繊維束や、単繊維レベルにまで分散された単繊維が存在する。この不連続繊維マット前駆体に一定の圧力を付与し、圧搾すると、分散した単繊維や、一定本数未満の単繊維からなる不連続繊維束を構成する単繊維が優先的に破断させられ、数平均繊維長が１〜１０ｍｍの繊維Ｂを生成することができる。一方、一定本数以上の単繊維で構成される不連続繊維束は、圧搾によっても破断しにくく、数平均繊維長が６〜５０ｍｍの繊維Ａを生成することができる。このように、圧搾によって、繊維Ａの数平均繊維長が６〜５０ｍｍ、繊維Ｂの数平均繊維長が１〜１０ｍｍであり、前記繊維Ｂの数平均繊維長が前記繊維Ａの数平均繊維長未満となる不連続繊維マットとなる。その後、不連続繊維マットにマトリックス樹脂を含浸、固化することにより、スタンパブル基材を得ることができる。

不連続繊維マット前駆体を圧搾する際の圧力は、５〜１００ＭＰａとすることが重要である。５ＭＰａ未満では単繊維の破断が少なく、繊維Ｂの数平均繊維長を１〜１０ｍｍとするのが困難となり、得られる不連続繊維マットの流動性改善効果も少なくなる。逆に、１００ＭＰａを超えると、繊維Ａとして残すべき単繊維の破断を招き、繊維Ａの数平均繊維長が短くなり、得られる不連続繊維マットの機械特性の低下を招くおそれがある。

不連続繊維マット前駆体を圧搾して製造する方法としては、不連続繊維マット前駆体を二枚の金属板で挟んでプレス機で圧力を加えることができる。連続して製造するには、一対の金属ベルトあるいは金属ロールで挟むことが好ましい。また、金属板やロールに凹凸を付与することによって、分散された単繊維や一定本数未満の単繊維の束を部分的に切断した不連続繊維マットを得ることも可能である。

また、本発明に係るスタンパブル基材の別の製造方法は、予め、繊維長の異なる複数種類の不連続繊維束を混合し、開繊手段により開繊・配向させて、１００本以上の単繊維が束になった繊維束として構成される繊維Ａと、１００本未満の単繊維が束になった繊維束および分散された単繊維からなる繊維Ｂとを含む不連続炭素繊維マットを作成することも重要である。また、あらかじめ、繊維長の異なる複数種類の不連続繊維束をそれぞれ予備開繊させ、混合した後、開繊手段により開繊・配向させて、１００本以上の単繊維が束になった繊維束として構成される繊維Ａと、１００本未満の単繊維が束になった繊維束および分散された単繊維からなる繊維Ｂとを含む不連続炭素繊維マットを作成することも好ましい。このように作成された不連続繊維マットに、マトリックス樹脂を含浸、固化してスタンパブル基材を得ることもできる。

これは、予め、繊維長の異なる２種類以上の不連続繊維束をそれぞれ準備しておき、それを一定の割合で混合するものである。この混合物をカーディング法またはエアレイド法等の開繊手段により開繊・配向させて、１００本以上の単繊維が束になった繊維束として構成される繊維Ａと、１００本未満の単繊維が束になった繊維束および分散された単繊維からなる繊維Ｂとを含む不連続繊維マットを作成する方法である。この方法によれば、プレス等による加圧手段が不要になり、設備的にも簡素に行える。また、繊維長とともに繊維束数も異なる２種以上の不連続繊維束をそれぞれ一定の重量割合で混合しても構わない。

また、不連続繊維マットを製造するさらに別の方法としては、一度不連続繊維マット化した繊維（繊維Ａもしくは繊維Ｂ用）に、連続繊維束から切り出した（いわゆるバージン）の不連続繊維束（繊維Ｂ用もしくは繊維Ａ用）を、所定量の割合でばらまくことで不連続繊維マットを得る方法や、チョップドされた不連続繊維束を溶液に分散させた後、シート状に製造する湿式法が挙げられる。

さらには、繊維長の異なる２種類以上の不連続繊維束をそれぞれ準備しておき、数平均繊維長が１〜１０ｍｍの繊維長をもつ繊維束のみを予め予備開繊させておき、マット化する際に予備開繊させた繊維束と６〜５０ｍｍの繊維長を持つもう一方の繊維束を混合し、さらに開繊させることで、１００本未満の単繊維が束になった繊維束および分散された単繊維からなる繊維Ｂの数平均繊維長が、１００本以上の単繊維が束になった繊維束として構成される繊維Ａの数平均繊維長未満となる不連続繊維マットを得ることができる。この方法により、繊維Ｂの繊維長を任意にコントロールすることができる。

例えば、２種の異なる繊維長の不連続繊維束を用いて不連続繊維マットを製造する場合、数平均繊維長が１〜１０ｍｍ以下かつ繊維Ａの数平均繊維長未満に短くチョップドされた不連続繊維束を予め予備開繊しておき、後に繊維Ａと予備開繊した繊維Ａよりも短い繊維を、それぞれ繊維Ａの重合割合が３０〜９０重量％、予備開繊した短い繊維Ａよりも短い繊維を１０〜７０重量％の割合で混合し、開繊手段により開繊・配向させることができる。この方法によれば、不連続繊維マットは、１００本以上の単繊維が束になった繊維束として構成される繊維Ａと、１００本未満の単繊維が束になった繊維束および分散された単繊維からなる繊維Ｂとを含められる。また、前記繊維Ａの数平均繊維長が６〜５０ｍｍ、前記繊維Ｂの数平均繊維長が１〜１０ｍｍであり、前記繊維Ｂの数平均繊維長が前記繊維Ａの数平均繊維長未満とすることができる。さらに、不連続繊維マット全繊維に対して、繊維Ａの重量割合が３０から９０重量％、繊維Ｂの重量割合が１０〜７０重量％となる不連続繊維マットを製造することができる。

さらに得られた前記不連続繊維マットを５〜１００ＭＰａの圧力で圧搾することにより、繊維長をより正確にコントロールすることができる。

また、本発明に係るスタンパブル基材の製造方法において、開繊手段が、カーディング法またはエアレイド法であることが好ましい。得られる不連続炭素繊維マットの均一性の観点からは、カーディング法によって得ることが好ましく、炭素繊維の折れや曲がりを防ぐ観点からは、エアレイド法によって得ることが好ましい。

不連続繊維マットを得る方法の一つであるカーディング法について以下に説明する。本製法に限定されるものではない。本発明でいうカーディングとは、不連続な繊維の集合体をくし状のもので概略同一方向に力を加えることにより、不連続な繊維の方向を揃えることや、繊維を開繊する操作のことをいう。一般的には針状の突起を表面に多数備えたロール及び／またはのこぎりの刃状の突起を有するメタリックワイヤを巻きつけたロールを有するカーディング装置を用いて行う。

このようなカーディングを実施するにあたっては、炭素繊維が折れるのを防ぐ目的で炭素繊維がカーディング装置の中に存在する時間（滞留時間）を短くすることが好ましい。具体的にはカーディング装置のシリンダーロールに巻かれたワイヤ上に存在する炭素繊維をできるだけ短時間でドッファーロールに移行させることか好ましい。従って、かかる移行を促進するためにシリンダーロールの回転数は、例えば１５０ｍｉｎ^−１以上といった高い回転数で回転させることが好ましい。また、同様の理由で、ドッファーロールの表面速度は例えば、１０ｍ／分以上といった速い速度が好ましい。

炭素繊維束をカーディングする工程は特に制限がなく一般的なものを用いることが出来る。例えば、図１に示すように、カーディング装置１は、シリンダーロール２と、その外周面に近接して上流側に設けられたテイクインロール３と、テイクインロール３とは反対側の下流側においてシリンダーロール２の外周面に近接して設けられたドッファーロール４と、テイクインロール３とドッファーロール４との間においてシリンダーロール２の外周面に近接して設けられた複数のワーカーロール５と、ワーカーロール５に近接して設けられたストリッパーロール６と、テイクインロール３と近接して設けられたフィードロール７及びベルトコンベアー８とから主として構成されている。

ベルトコンベアー８に不連続な炭素繊維束９が供給され、炭素繊維束９はフィードロールの外周面、次いでテイクインロール３の外周面を介してシリンダーロール２の外周面上に導入される。この段階までで炭素繊維束は解され、綿状の炭素繊維束の集合体となっている。シリンダーロール２の外周面上に導入された綿状の炭素繊維束の集合体は一部、ワーカーロール５の外周面上に巻き付くが、この炭素繊維はストリッパーロール６によって剥ぎ取られ再びシリンダーロール２の外周面上に戻される。フィードロール７、テイクイロール３、シリンダーロール２、ワーカーロール５、ストリッパーロール６のそれぞれのロールの外周面上には多数の針、突起が立った状態で存在しており、上記工程で炭素繊維束が針の作用により所定の束まで開繊され、ある程度配向される。かかる過程を経て所定の炭素繊維束まで開繊され、炭素繊維集合体の１形態であるシート状のウェブ１０としてドッファーロール４の外周面上に移動する。

また、不連続繊維マットを得る方法の一つであるエアレイドに関しても、特に制限がなく一般的なものを用いることができる。このエアレイドは、カットした炭素繊維束単体もしくはカットした炭素繊維束と熱可塑性樹脂繊維を管内に導入し、圧縮空気を吹き付け、繊維束を開繊させる方法やピンシリンダー等によって物理的に繊維束を開繊させる方法などによって開繊、拡散、定着させた不連続繊維マットを得る工程である。一般的なエアレイド法としては、本州製紙法、クロイヤー法、ダンウェブ法、Ｊ＆Ｊ法、ＫＣ法、スコット法などが挙げられる。具体的には、カットした炭素繊維束単体、またはカットした炭素繊維束と熱可塑性樹脂繊維もしくは熱可塑性樹脂粒子を管内に導入し、圧縮空気を吹き付けることにより繊維束を開繊させ、拡散、定着させた不連続繊維マットを得る工程や、図２に示すように、エアレイド装置１１は、互いに逆回転する円筒状でかつ細孔を持つドラム１２と各ドラム１２内に設置されたピンシリンダー１３を有し、多量の空気と共に炭素繊維束単体もしくは炭素繊維束と熱可塑性樹脂繊維もしくは熱可塑性樹脂粒子がドラム１２に風送され、ドラム１２内のピンシリンダー１３によって開繊され、細孔より排出されて、その下を走行するワイヤ１４上に落下する。ここで風送に用いた空気はワイヤ１４下に設置されたサクションボックス１５に吸引され、開繊された炭素繊維束単体もしくは開繊された炭素繊維束と熱可塑性樹脂繊維もしくは熱可塑性樹脂粒子のみワイヤ１４上に残り、不連続繊維マットを得る工程である。

また、本発明にいて、上記カーディングやエアレイド等の開繊手段によって不連続な繊維束が開繊・配向された状態で繊維同士の絡み合いや摩擦により形態を保持させた不連続繊維マット前駆体や不連続繊維マットは、薄いシート状のウェブとしても取り扱うことができ、ウェブを積層して必要に応じて絡合や接着させて得られる不織布等を例示することができる。

本発明において、不連続繊維マットにマトリックス樹脂を含浸する方法は特に限定するものではなく、熱可塑性樹脂繊維を含有する繊維集合体を作製し、繊維集合体に含まれる熱可塑性樹脂繊維をそのままマトリックス樹脂として使用してもかまわないし、熱可塑性樹脂繊維を含まない繊維集合体を原料として用い、スタンパブル基材を製造する任意の段階でマトリックス樹脂を含浸してもかまわない。

また、熱可塑性樹脂繊維を含有する繊維集合体を原料として用いる場合であっても、スタンパブル基材を製造する任意の段階でマトリックス樹脂を含浸することもできる。このような場合、熱可塑性樹脂繊維を構成する樹脂とマトリックス樹脂は同一の樹脂であってもかまわないし、異なる樹脂であってもかまわない。熱可塑性樹脂繊維を構成する樹脂とマトリックス樹脂が異なる場合は、両者は相溶性を有するか、あるいは、親和性が高い方が好ましい。

スタンパブル基材を製造するに際し、不連続繊維マットへの、マトリックス樹脂の含浸を、含浸プレス機を用いて実施することができる。プレス機としてはマトリックス樹脂の含浸に必要な温度、圧力を実現できるものであれば特に制限はなく、上下する平面状のプラテンを有する通常のプレス機や、１対のエンドレススチールベルトが走行する機構を有するいわゆるダブルベルトプレス機を用いることができる。かかる含浸工程においてはマトリックス樹脂を、フィルム、不織布又は織物等のシート状とした後、不連続繊維マットと積層し、その状態で上記プレス機等を用いてマトリックス樹脂を溶融・含浸することができる。

また、マトリックス樹脂を用いて不連続な繊維を作製し、繊維集合体を作製する工程で無機繊維と混合することにより、マトリックス樹脂と無機繊維を含む繊維集合体を作製し、この繊維集合体をプレス機等を用いて加熱・加圧する方法も採用することができる。

さらに、生成されたスタンパブル基材を用いて一定形状にスタンピング成形することにより、所望の形状のスタンピング成形品を得ることができる。

ここで、スタンピング成形とは、予め基材を予熱し、コールドプレスすることにより目的とする形状に成形する手法である。

次に、本発明の実施例、比較例について説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。先ず、実施例、比較例で用いた特性、測定方法について説明する。

（１）繊維Ａ及び繊維Ｂの数平均繊維長の測定方法
不連続炭素繊維シートから１００ｍｍ×１００ｍｍのサンプルを切り出し、その後、サンプルを５５０℃に加熱した電気炉の中で１時間程度加熱してマトリックス樹脂等の有機物を焼き飛ばした。室温まで冷却した後に残った不連続炭素繊維シートからマット、繊維束形態を崩さないように、ピンセットで不連続炭素繊維シートを約１ｇ抽出した。

抽出した全ての炭素繊維束（単糸も含む）についてデジタル顕微鏡を用いて断面観察を行い、繊維束を形成する炭素繊維単糸の本数Ｎｎを数えることで繊維Ａと繊維Ｂに振り分けた。

振り分けたすべての繊維Ａと繊維Ｂについて、個々の炭素繊維束の長さＬｎを測定した。繊維Ａと繊維Ｂのそれぞれの個数Ｎｎに対して、（数式１）により、数平均繊維長Ｌｎを求めた。

（２）流動性試験（スタンピング成形）
図３に示す装置を用いて、以下の手順で流動性試験を行った。
１）スタンパブル基材を寸法１００ｍｍ×１００ｍｍ×２ｍｍとなるように切り出し、２枚重ねて炭素繊維複合材料２１とした。
２）ヒーター２２で炭素繊維複合材料２１を所定の温度で予熱した。
３）所定温度に昇温したプレス盤２３に配置し、所定圧力・所定時間加圧した。
４）得られた成形品２４の表面積（ｍｍ^２）と、プレス前の炭素繊維複合材料２１の表面積Ａ１（ｍｍ^２）を測定し、Ａ２／Ａ１×１００を流動率（％）とした。

マトリックス樹脂別の評価条件を、以下の通り設定した。
Ａ）マトリックス樹脂がナイロン（Ｎｙ）の場合：
ナイロンをマトリックス樹脂とした炭素繊維複合材料２１の場合、ヒーター２２で基材中心温度（二枚重ねた間の温度）が２６０℃となるように予熱後、１５０℃に昇温したプレス盤２３に配し、１０ＭＰａで３０秒間加圧した。
Ｂ）マトリックス樹脂がポリプロピレン（ＰＰ）の場合：
ポリプロピレンをマトリックス樹脂とした炭素繊維複合材料２１の場合、ヒーター２２で基材中心温度を２２０℃となるように予熱後、１２０℃に昇温したプレス盤２３に配し、１０ＭＰａで３０秒間加圧した。
Ｃ）マトリックス樹脂がポリフェニレンスルフィド樹脂（ＰＰＳ）の場合：
ポリフェニレンスルフィド樹脂をマトリックス樹脂とした炭素繊維複合材料２１の場合、ヒーター２２で基材中心温度を３２０℃となるように予熱後、１５０℃に昇温したプレス盤２３に配し、１０ＭＰａで３０秒間加圧した。

（３）Ｖｆ（スタンパブル基材中の炭素繊維の含有率）
スタンパブル基材から約２ｇのサンプルを切り出し、その質量を測定した。その後、サンプルを５００℃に加熱した電気炉の中で１時間加熱してマトリックス樹脂等の有機物を焼き飛ばした。室温まで冷却してから、残った炭素繊維の質量を測定した。炭素繊維の質量に対する、マトリックス樹脂等の有機物を焼き飛ばす前のサンプルの質量に対する比率を測定し、炭素繊維の含有率（％）を算出した。

（４）本発明の実施例、比較例で用いた炭素繊維について説明する。
炭素繊維１：繊維径７μｍ、引張弾性率２３０ＧＰａでフィラメント数が１２０００本の連続した炭素繊維束に対し、水系サイジング剤を炭素繊維束に１．０重量％付着させ炭素繊維１を得た。
炭素繊維２：フィラメント数を３０００本とした以外は炭素繊維１と同様とした。
炭素繊維３：フィラメント数を４８０００本とした以外は炭素繊維１と同様とした。

（５）不連続繊維マットの製法
次に不連続繊維マットについて説明する。
炭素繊維１を繊維長１０ｍｍにカットし、カットした炭素繊維１とナイロン６短繊維（短繊維繊度１．７ｄｔｅｘ、カット長５１ｍｍ、捲縮数１２山／２５ｍｍ、捲縮率１５％）を質量比で８０：２０の割合で混合して繊維集合体を生成し、その繊維集合体をカーディング装置に投入した。出てきたウェブをクロスラップし、炭素繊維とナイロン６繊維とからなる目付１００ｇ／ｃｍ^２のシート状の炭素繊維シートを形成した。得られた炭素繊維シートをプレス機に設置し、２０ＭＰａの圧力で５秒間加圧し不連続繊維マット１を得た。

得られた不連続繊維マット１を５００℃で１時間焼き飛ばし、残った炭素繊維シートから１ｇサンプリングして繊維Ａと繊維Ｂの重量割合と繊維長の測定結果を（表１）に示す。

表１において、列は作成した不連続繊維マットＮｏを示す。

行は上段から、炭素繊維種とそのフィラメント数（本）、その次の欄は、繊維集合体における炭素繊維（ＣＦ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ））と熱可塑樹脂繊維の含有量をそれぞれ示す。炭素繊維の欄では炭素繊維をカットした一定の繊維長（ＣＦチョップド長（ｍｍ））の炭素繊維の含有重量％を示す。本実施例又は比較例では数平均繊維長が５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ、５０ｍｍ又は１００ｍｍのサンプルを作成し例示した。熱可塑樹脂繊維はナイロン短繊維、ＰＰ（ポリプロピレン）短繊維、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）短繊維のサンプルを例示した。

その次の欄は、不連続繊維マットの作成工法（マット化工法）を示す。カードはカーディング法を表している。

その次の欄は、不連続繊維マットを圧搾するプレス加圧の圧力（ＭＰａ）を示す。

その次の欄は、不連続繊維マット中に存在する炭素繊維中の繊維Ａと繊維Ｂの重量割合（重量％）とそれら繊維の数平均繊維長（ｍｍ）を示す。

不連続繊維マット２〜４は炭素繊維１の繊維長を、表１のＣＦチョップド長（ｍｍ）の欄に示す長さにカットした以外は不連続繊維マット１と同様とした。

不連続繊維マット５は不連続繊維マット２のプレス加圧なしとした以外は同様とした。

不連続繊維マット６は炭素繊維１を繊維長５ｍｍと２０ｍｍに切断し、１：１にブレンドした後、ナイロン６短繊維（短繊維繊度１．７ｄｔｅｘ、カット長５１ｍｍ、捲縮数１２山／２５ｍｍ、捲縮率１５％）を質量比で８０：２０の割合で混合して繊維集合体を生成し、その繊維集合体をカーディング装置に投入した。出てきたウェブをクロスラップし、炭素繊維とナイロン６繊維とからなる目付１００ｇ／ｃｍ^２のシート状の炭素繊維シートを形成した。得られた炭素繊維シートをプレス機に設置し、２０ＭＰａの圧力で５秒加圧し不連続繊維マット６を得た。得られた不連続繊維マット６を５００℃で１時間焼き飛ばし、残った炭素繊維シートから１ｇサンプリングして繊維Ａと繊維Ｂの重量割合と繊維長の測定結果を表１に示す。

不連続繊維マット７は繊維長５ｍｍと２０ｍｍに切断し、３：７でブレンドした以外は不連続繊維マット６と同様とした。

不連続繊維マット８は炭素繊維１を２０ｍｍに切断しナイロン６短繊維（短繊維繊度１．７ｄｔｅｘ、カット長５１ｍｍ、捲縮数１２山／２５ｍｍ、捲縮率１５％）を質量比で８０：２０の割合で混合して繊維集合体を生成し、その繊維集合体を、エアレイド装置に投入し、炭素繊維とナイロン６繊維とからなる目付１００ｇ／ｃｍ^２のシート状の炭素繊維シートを形成した。得られた不連続繊維マット８を５００℃で１時間焼き飛ばし、残った炭素繊維シートから１ｇサンプリングして繊維Ａと繊維Ｂの重量割合と繊維長の測定結果を表１に示す。

不連続繊維マット９、１０はフィラメント数が異なる炭素繊維２および３を使用した以外は不連続繊維マット２と同様とした。

不連続繊維マット１１は炭素繊維１を５ｍｍに切断し、水槽に入れ攪拌により単糸まで分散させた後、金網で抄き１５０℃の乾燥機で乾燥させて目付１００ｇ／ｃｍ^２のシート状の炭素繊維シートを形成した。得られた不連続繊維マット１を５００℃で１時間焼き飛ばし、残った炭素繊維シートから１ｇサンプリングして計測した結果、繊維Ａは計測されず、繊維Ｂのみであった。測定結果を表１に示す。

不連続繊維マット１２はポリプロピレン短繊維（短繊維繊度１．７ｄｔｅｘ、カット長５１ｍｍ、捲縮数１２山／２５ｍｍ、捲縮率１５％）を使用した以外は不連続繊維マット２と同様とした。繊維Ａおよび繊維Ｂの測定結果は表１に示す。

不連続繊維マット１３はポリプロピレン短繊維（短繊維繊度１．７ｄｔｅｘ、カット長５１ｍｍ、捲縮数１２山／２５ｍｍ、捲縮率１５％）を使用した以外は不連続繊維マット５と同様とした。繊維Ａおよび繊維Ｂの測定結果は表１に示す。

不連続繊維マット１４はＰＰＳ繊維（短繊維繊度１．７ｄｔｅｘ、カット長５１ｍｍ、捲縮数１２山／２５ｍｍ、捲縮率１５％））を使用した以外は不連続繊維マット２と同様とした。繊維Ａおよび繊維Ｂの測定結果は表１に示す。

不連続繊維マット１５はＰＰＳ繊維（短繊維繊度１．７ｄｔｅｘ、カット長５１ｍｍ、捲縮数１２山／２５ｍｍ、捲縮率１５％））を使用した以外は不連続繊維マット５と同様とした。繊維Ａおよび繊維Ｂの測定結果は表１に示す。

（実施例１）
不連続繊維マット１の巻取り方向を０°とし、不連続繊維マット１を１２枚、（０°／９０°／０°／９０°／０°／９０°）ｓとなるように積層し、さらに積層した不連続繊維マット１中の炭素繊維とマトリックス樹脂の重量比が４０：６０となるようにナイロン樹脂メルトブロー不織布（「ＣＭ１００１」、相対粘度（ηｒ）＝２．３、東レ（株）製）を積層した後に、全体をステンレス板で挟み、２４０℃で９０ｓ間予熱後、２．０ＭＰａの圧力をかけながら１８０ｓ間、２４０℃にてホットプレスした。ついで、加圧状態で５０℃まで冷却し、厚さ２ｍｍのスタンパブルシートを得た。得られたスタンパブルシートの流動率（％）、流動性判断（○：実使用上問題ないレベル、×：実使用上問題があるレベル）、曲げ強度を（表２）に示す。

表２において、列は実施例又は比較例を示す。

行は上段から、表１で示した不連続繊維マットのＮｏ、その次の欄にはマトリックス樹脂、その次の欄にはスタンパブルシートの特性を示す。不連続繊維マットとマトリックス樹脂の配合重量割合（重量％）を示し、スタンパブルシート特性では流動率（％）、流動性判断、曲げ強度（ＭＰａ）を示す。

得られたスタンパブルシートの表層の０°方向に対して、０°と９０°方向の曲げ強度を測定したところ、０°と９０°方向の曲げ強度の平均値は４２０ＭＰａであった。得られた平板から１００ｍｍ×１００ｍｍの寸法になるようにサンプルを切り出し、流動試験を行ったところ、流動率は４５０％と非常に高い流動性を示し、流動性判断は実使用上問題のないレベルである「○」と判断した。

（実施例２，３および比較例１）
不連続繊維マット２〜４を使用した以外は実施例１と同様とした。

得られたシートの曲げ強度および流動率を表２に示す。繊維長が長くなると流動率が低下する傾向にあり、比較例１は流動率が１１０％と殆ど流動しない結果であった。繊維Ａを構成する繊維長が５０ｍｍ以下で、且つ繊維Ｂを構成する繊維長が繊維Ａより短い場合は流動率が２００％を超え良好であった。

（比較例２）
不連続繊維マット５を使用した以外は実施例２と同様とした。繊維Ａを構成する繊維長が５０ｍｍ以下でも、繊維Ｂの繊維長が１０ｍｍ以上の場合流動率が大幅に低下し１８０％であった。このことから繊維（Ｂ）の繊維長が短いことがシートの流動性に大きく寄与していることがわかる。

（実施例４，５）
不連続繊維マット６および７を使用した以外は実施例１と同様とした。繊維Ｂを構成する短い繊維は、あらかじめ短く切断したチョップド繊維を使用しても、プレス機で不連続繊維マットを圧搾するのと同等の効果が得られることがわかる。

（比較例３）
不連続繊維マット８を使用した以外は実施例１と同様とした。比較例３は繊維Ａおよび繊維Ｂを構成する繊維を全て５ｍｍとした。繊維長が短く繊維の交絡が少ないため流動率は非常に良好であるが、繊維Ａの繊維長が短いため曲げ強度への影響が大きく好ましくない。

（実施例６，７）
不連続繊維マット９、１０を使用した以外は実施例２と同様とした。チョップド繊維用の連続繊維のフィラメント数を３０００本および４８０００本としたが、流動率、曲げ強度ともに実施例２とほぼ同等と良好な結果であった。

（比較例４）
不連続繊維マット１１を使用した以外は実施例１と同様とした。繊維長は５ｍｍと短いが高度に繊維が分散しているため、曲げ強度は４８０ＭＰａと非常に高いが、繊維の交絡が多く流動率は１０５％と殆ど流動しない結果であった。

（実施例８）
不連続マット１２および含浸させた熱可塑性マトリックス樹脂にポリプロピレンを使用した以外は実施例２と同様とした。熱可塑性マトリックス樹脂をＰＰ（ポリプロピレン）としたが、曲げ強度も十分に発現し、流動率も良好な結果であった。

（比較例５）
不連続繊維マット１３を使用した以外は実施例８が繊維Ａを構成する繊維長が５０ｍｍ以下でも、繊維Ｂの繊維長が１０ｍｍ以上の場合流動率が大幅に低下し１６０％であった。このことから繊維Ｂの繊維長が短いことがシートの流動性に寄与していることがわかる。

（実施例９）
不連続マット１４および含浸させた熱可塑性マトリックス樹脂にＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）を使用した以外は実施例１と同様とした。樹脂をＰＰＳとしたが、流動率、曲げ強度ともに良好な結果であった。

（比較例６）
不連続繊維マット１５を使用した以外は実施例９と同様とした。繊維Ａを構成する繊維長が５０ｍｍ以下でも、繊維Ｂの繊維長が１０ｍｍ以上の場合流動率が大幅に低下し１７０％であった。このことから繊維Ｂの繊維長が短いことがシートの流動性に寄与していることがわかる。

本発明に係るスタンパブル基材及びその製造方法は、特に、大型かつ比較的複雑な形状の成形品を短時間のうちに効率よく優れた品質をもって成形するために有用である。

１ カーディング装置
２ シリンダーロール
３ テイクインロール
４ ドッファーロール
５ ワーカーロール
６ ストリッパーロール
７ フィードロール
８ ベルトコンベアー
９ 不連続な炭素繊維
１０ シート状のウェブ
１１ エアレイド装置
１２ ドラム
１３ ピンシリンダー
１４ ワイヤ
１５ サクションボックス
２１ 炭素繊維複合材料
２２ ヒーター
２３ プレス盤
２４ 流動試験後成形品

Claims (4)

1. スタンパブル基材の製造方法であって、少なくとも、
   繊維長が６〜５０ｍｍの不連続繊維束を開繊手段により開繊、配向させて不連続炭素繊維マット前駆体を得る工程、
   前記不連続炭素繊維マット前駆体を５〜１００ＭＰａの圧力で圧搾して、１００本以上の単繊維が束になった繊維束として構成される繊維Ａと、１００本未満の単繊維が束になった繊維束および分散された単繊維を破断させた繊維Ｂとを含み、前記繊維Ａの数平均繊維長が６〜５０ｍｍ、前記繊維Ｂの数平均繊維長が１〜１０ｍｍであり、前記繊維Ｂの数平均繊維長が前記繊維Ａの数平均繊維長未満となる不連続繊維マットを形成する圧搾工程、前記不連続繊維マットにマトリックス樹脂を含浸、固化する含浸固化工程、
   を有することを特徴とするスタンパブル基材の製造方法。
2. 前記開繊手段が、カーディング法またはエアレイド法である請求項１に記載のスタンパブル基材の製造方法。
3. 前記不連続繊維マットに含まれる全強化繊維に対して、繊維Ａの重量割合が３０〜９０重量％である請求項１または２に記載のスタンパブル基材の製造方法。
4. 前記不連続繊維束に熱可塑性樹脂繊維を添加した繊維集合体を前記開繊手段により開繊・配向させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のスタンパブル基材の製造方法。