JP6863298B2

JP6863298B2 - 構造体

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Publication number: JP6863298B2
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Authority: JP
Inventors: 武部　佳樹; 佳樹武部; 聖藤岡; 本間　雅登; 雅登本間
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Description

本発明は、強化繊維、第１の樹脂、及び室温でゴム弾性を示す第２の樹脂から構成される構造体に関するものである。

近年、自動車、スポーツ製品等の産業用製品については、剛性や軽量性の向上に対する市場要求が年々高まっている。このような要求に応えるべく、剛性や軽量性に優れる繊維強化樹脂は、各種産業用途に幅広く利用されている。これら用途では強化繊維の優れた力学特性を活用した高強度、高剛性部材に適応する製品開発が主であった。一方、繊維強化樹脂においては、近年、用途展開が急速に進んでおり強度や剛性以外にも、柔軟性が必要な用途が着目されている。しかし、このような柔軟性を活かした用途の開発は、成形用副資材としてゴム質重合体に耐熱繊維を含浸せしめた材料などの一部の用途へのみの展開しかされていなかった（特許文献１、２参照）。

特開平０９−２７７２９５号公報特許第４４４０９６３号公報

しかしながら、自動車内装材や医療用途では、柔軟性や荷重に対する弾性回復力（クッション性）が必要なものの、前述の特許文献１や２に記載の方法では、弾性回復力（クッション性）を満足しながらも、同時に軽量性も有する材料を得ることができない問題があった。

そこで本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、柔軟性の指標となる圧縮特性もしくは引張破断伸度及び軽量性に優れる構造体を提供することにある。

前記課題を解決するための本発明は以下である。
（１）強化繊維、第１の樹脂、及び室温でゴム弾性を示す第２の樹脂を含む構造体であり、
前記強化繊維が不連続繊維であり、
接触する前記強化繊維間の交点を、前記第１の樹脂及び／又は前記第２の樹脂により被覆してなる、構造体。

本発明に係る構造体によれば、圧縮特性もしくは引張破断伸度及び軽量性に優れる構造体を提供できる。

以下、本発明の構造体について説明する。
本発明の構造体は、強化繊維、第１の樹脂、及び室温でゴム弾性を示す第２の樹脂を含む構造体であり、前記強化繊維が不連続繊維であり、接触する前記強化繊維間の交点を、前記第１の樹脂及び／又は前記第２の樹脂により被覆してなる構造体である。このような本発明は、適度な圧縮特性もしくは引張破断伸度と軽量性を有し、かつ取り扱い性に優れる特徴を有する。

〔強化繊維〕
本発明の構造体は、強化繊維を有する。そしてこの強化繊維は、不連続繊維である。さらに不連続繊維は、構造体中において、略モノフィラメント状、且つ、ランダムに分散していることが好ましい。強化繊維を不連続繊維とすることで、シート状の構造体の構造体前駆体ないし構造体を、外力を加えて成形する場合に、複雑形状への賦型が容易となる。また、強化繊維を略モノフィラメント状、且つ、ランダムに分散させることで、構造体中に繊維束として存在する強化繊維が少なくなるため、強化繊維の繊維束端における弱部が極小化でき、優れた補強効率及び信頼性に加えて、等方性も付与される。

ここで、略モノフィラメント状とは、強化繊維単糸が５００本未満の細繊度ストランドにて存在することを指す。さらに好ましくは、モノフィラメント状に分散していることである。さらに、モノフィラメント状とは、単糸として存在することを指す。さらに好ましくは、モノフィラメント状の単繊維がランダムに分散していることである。

本発明における強化繊維は、不織布状の形態をとることが、強化繊維への第１の樹脂および第２の樹脂の含浸の容易さの観点から好ましい。さらに、強化繊維が不織布状の形態を有していることにより、不織布自体のハンドリング性の容易さに加え、一般的に高粘度とされる熱可塑性樹脂を第１の樹脂及び／又は第２の樹脂として用いた場合においても含浸を容易なものとできるため好ましい。ここで、不織布状の形態とは、強化繊維のストランド及び／又はモノフィラメントが規則性なく面状に分散した形態を指し、チョップドストランドマット、コンティニュアンスストランドマット、抄紙マット、カーディングマット、エアレイドマット等を例示できる（以下、これらをまとめて強化繊維マットと称す）。

構造体中の強化繊維は、質量平均繊維長さが１〜１５ｍｍであることが、構造体への強化繊維の補強効率を高めることができ、構造体に優れた力学特性を与えられるため好ましい。強化繊維の質量平均繊維長さが１ｍｍ未満である場合、構造体中の空隙を効率よく形成できないため、密度が高くなる場合があり、言い換えれば、同一質量でありながら所望する厚さの構造体を得ることが困難となるので好ましくない。一方、強化繊維の質量平均繊維長さが１５ｍｍより長い場合には、構造体中で強化繊維が、自重により屈曲しやすくなり、力学特性の発現を阻害する要因となるので好ましくない。

質量平均繊維長さは、構造体中の樹脂成分を焼失や溶出等の方法により取り除き、残った強化繊維から無作為に４００本を選択し、その長さを１０μｍ単位まで測定し、次式により質量平均繊維長さを求めることができる。
質量平均繊維長さ＝Σ（Ｌｉ×Ｗｉ／１００）
Ｌｉ：測定した繊維長さ（ｉ＝１、２、３、・・・、ｎ）
Ｗｉ：繊維長さＬｉの繊維の質量分率（ｉ＝１、２、３、・・・、ｎ）

強化繊維の種類は、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、ガラス繊維、及びアラミド繊維からなる群より選ばれる少なくとも１種であることが、構造体としたときの力学特性と軽量性のバランスの観点から好ましい。さらに強化繊維は、表面処理が施されているものであってもよい。表面処理としては、導電体として金属の被着処理の他に、カップリング剤による処理、サイジング剤による処理、結束剤による処理、添加剤の付着処理等がある。また、これらの強化繊維は１種類を単独で用いてもよいし、２種類以上を併用してもよい。中でも、軽量化効果の観点から、比強度、比剛性に優れるＰＡＮ系、ピッチ系、レーヨン系等の炭素繊維が好ましく用いられる。また、得られる構造体の経済性を高める観点からは、ガラス繊維が好ましく用いられ、とりわけ力学特性と経済性とのバランスから炭素繊維とガラス繊維とを併用することが好ましい。さらに、得られる構造体の衝撃吸収性や賦形性を高める観点からは、アラミド繊維が好ましく用いられ、とりわけ力学特性と衝撃吸収性とのバランスから炭素繊維とアラミド繊維とを併用することが好ましい。また、得られる構造体の導電性を高める観点からは、ニッケルや銅やイッテルビウム等の金属を被覆した強化繊維を用いることもできる。これらの中で、強度と弾性率等の力学特性に優れるＰＡＮ系の炭素繊維をより好ましく用いることができる。

強化繊維は、引張破断伸度が１％以上１０％以下の範囲内であることが、構造体とした時の構造体の引張破断伸度を１％以上とできることから好ましい。強化繊維の引張破断伸度が１％以上であると、構造体としたときに第２の樹脂のゴム弾性を活用することができ、延性的な構造体とすることができるため好ましい。一方、構造体の引張破断伸度が１０％以下であると、構造体自身が柔軟になりすぎることを防ぐことができ、取り扱い性に優れるため好ましい。

なお、強化繊維の引張破断伸度は、ＪＩＳＲ７６０６（２０００）により求めることができ、引張破断伸度の測定においては、単繊維を複数本束ねた繊維束から強化繊維が構成される場合、その１本（単繊維）を抜き出し測定に供することにより求めることができる。

〔第１の樹脂〕
本発明の構造体は、第１の樹脂を含む。ここで本発明における第１の樹脂とは、後述する第２の樹脂以外の樹脂、すなわち、室温でゴム弾性を示さない樹脂である。このような第１の樹脂としては、第２の樹脂以外の熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を例示できる。また、本発明においては、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂とがブレンドされていてもよい。

第１の樹脂は、不連続繊維である強化繊維を目止めすることで、第２の樹脂と複合化させるときのハンドリング性を向上させる効果を有する。さらには、第２の樹脂と強化繊維の親和性を高める効果を有することもある。

第１の樹脂としては、軟化点又は融点が５０℃以上であることが好ましい。第１の樹脂が５０℃以上の軟化点又は融点を有することにより、第１の樹脂が付与された強化繊維に、第２の樹脂を含浸させる場合の含浸温度や構造体を成型する場合の成形温度で、第１の樹脂が溶融や消失することがないため、第２の樹脂が架橋反応ないしは加硫反応を示す場合に、その反応を阻害することがない。他方、第２の樹脂が熱可塑性樹脂の場合には、含浸温度にて第１の樹脂が溶融し消失することを低減できる。

第１の樹脂は、前述の強化繊維のハンドリング性を向上させる観点や、第２の樹脂と強化繊維の親和性を向上させる観点から、強化繊維１００質量部に対し、５質量部以上２５質量部以下の含有量であることが好ましい。強化繊維１００質量部に対する第１の樹脂の含有量が５質量部未満であると、強化繊維のハンドリング性が劣り、２５質量部を超えると、第２の樹脂を強化繊維に含浸させる場合に第２の樹脂の侵入経路を阻害してしまい、構造体を得ることが困難になる場合がある。第１の樹脂は強化繊維への付与を工業的に容易にする観点から、水溶性やエマルジョンであってもよい。

〔第２の樹脂〕
本発明の構造体は、第２の樹脂を含む。ここで本発明における第２の樹脂とは、室温でゴム弾性を示す樹脂である。樹脂が室温でゴム弾性を示すとは、室温下にて樹脂を変形させ、変形に要した応力を開放した後に、元の形状に戻る特徴をいう。具体的には、ＪＩＳＫ６４００（２０１２）に記載の１号形ダンベル試験片を伸張した後に、伸張に有した応力を解除する。その後、ほぼ元の長さに弾性的に回復することを指す。ただし、元の長さに完全に回復する必要はなく、伸張前の寸法を１００％とした場合に、伸張に有した応力を開放した後の寸法変化が、８０％以上１２０％以下、好ましくは９０％以上１５０％以下を示すものでもよい。なお、室温とは２５℃を意味する。

第２の樹脂は、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、クロロプレンゴム、フッ素ゴム、ポリオレフィン系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、及びポリアミド系熱可塑性エラストマーからなる群より選ばれる少なくとも１種を含むことが好ましい。第２の樹脂を用いることで、構造体を圧縮した時のクッション性に優れる。さらに、製造の容易さから、熱硬化性を示す樹脂については、架橋もしくは加硫反応以前では、液状体であることが好ましい。かかる観点から、シリコーンゴム、フッ素ゴムを好ましく用いることができる。さらに、第２の樹脂が熱可塑性樹脂である場合には、溶融温度または軟化温度を有し、フィルム状に成膜できることが、構造体を製造する観点から好ましい。かかる観点から、ポリエステル系熱可塑性エラストマーを好ましく、例示できる。

また、本発明の目的を損なわない範囲で、本発明に係る構造体中の第１の樹脂や第２の樹脂は、エラストマー又はゴム成分等の耐衝撃性向上剤、他の充填材や添加剤を含有してもよい。充填材や添加剤の例としては、無機充填材、難燃剤、導電性付与剤、結晶核剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤、制振剤、抗菌剤、防虫剤、防臭剤、着色防止剤、熱安定剤、離型剤、帯電防止剤、可塑剤、滑剤、着色剤、顔料、染料、発泡剤、制泡剤、又は、カップリング剤を例示できる。

本発明の構造体は、接触する強化繊維間の交点（強化繊維間の交点を、以下、交点と記す）を、第１の樹脂及び／又は第２の樹脂が被覆していることが好ましい。

さらに強化繊維と強化繊維の交点における第１の樹脂及び／又は第２の樹脂の被覆厚みが１μｍ以上、１５μｍ以下の範囲内にあることが、圧縮時の弾性回復力を発現させる観点から好ましい。第１の樹脂及び／又は第２の樹脂に被覆された交点の被覆状態は、構造体の形状安定性や、圧縮特性の発現の観点から、少なくとも構造体を構成する強化繊維の単繊維同士の交差する点が被覆されていれば十分であるが、さらに好ましい態様とすれば、第１の樹脂及び／又は第２の樹脂は、交点の周囲に、上述の厚みで被覆された状態であることが好ましい。この状態は、強化繊維間の交点の表面が第１の樹脂及び／又は第２の樹脂によって露出していない、言い換えれば、強化繊維が第１の樹脂及び／又は第２の樹脂により電線状の皮膜を形成していることを意味する。このことにより、構造体は、さらに、形状安定性を有すると共に、力学特性の発現を十分なものとする。また、第１の樹脂及び／又は第２の樹脂に被覆された交点の被覆状態は、その強化繊維の全てにおいて被覆されている必要はなく、本発明にかかる構造体の形状安定性や、圧縮弾性率を損なわない範囲内であればよく、接触する強化繊維間が形成する交点の５０％以上が被覆されている状態が好ましく、さらに好ましくは、圧縮時の弾性回復力を発現の安定性の観点から８０％以上である。

ここで、強化繊維と強化繊維の交点を被覆する樹脂は、第１の樹脂または第２の樹脂のいずれか一方だけでもよいし、第１の樹脂と第２の樹脂の両方によって被覆されてもよい。好ましくは、強化繊維は第１の樹脂に被覆された後、第２の樹脂によりさらに被覆されることが、強化繊維の取り扱い性、構造体としたときの圧縮時における弾性回復力が効果的に発現する観点から好ましい。

かかる被覆状態は、構造体を小片に切り出し、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などの高倍率に観察可能な装置を用いることで測定できる。例えば、ＳＥＭにより３０００倍の倍率で観察、撮影し、得られた画像の強化繊維の断面がカットされた任意の５０ヶ所から、強化繊維間の交点に被覆している第１の樹脂及び／又は第２の樹脂の被覆厚さを測定することができる。交点を被覆した第１の樹脂及び／又は第２の樹脂の厚みの代表値としては、かかる５０ヶ所の測定結果の算術平均値を用いることにより求まる。測定に際しては、予め第２の樹脂が付与されていない強化繊維（上述の通り第１の樹脂により結合されてなる強化繊維の交点）を上記と同様に観察、撮影し、交点の直径を求めておき、第２の樹脂を付与した後の画像から得られる交点の直径から、前述の交点の直径を差し引いて求めることで、さらに精度の良い測定結果を得ることができる。かかる交点の直径は、観察視野から得られる交点の断面の最大直径を求める。求めた最大直径と直角方向の繊維径を測定し、算術平均としたものを交点ならびに第１の樹脂及び／又は第２の樹脂に被覆された交点の直径とする。

かかる被覆割合は、構造体を小片に切り出し、その断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などの高倍率に観察可能な装置を用いることで測定できる。例えば、ＳＥＭにより１０００倍の倍率で観察、撮影し、得られた画像から得られる任意の４００ヶ所から、第１の樹脂及び／又は第２の樹脂が被覆している交点の数を測定した交点の数（すなわち、４００）で除することにより、第１の樹脂及び／又は第２の樹脂により交点が被覆された被覆割合が算出できる。なお、４００ヶ所未満でも被覆割合を得ることは可能であるが、４００ヶ所以上とすることにより、測定者間での誤差を小さくすることができるため好ましい。

第２の樹脂は、引張破断伸度が２００％以上であり、引張破断強度が１０ＭＰａ以上であることが、構造体の引張破断伸度を１％以上にできることから好ましい。一方、第２の樹脂の引張破断伸度が、２００％以上であることにより、第２の樹脂の破断伸度が十分であることから、構造体を脆性的なものとすることを防ぐことができる。第２の樹脂の引張破断伸度は、より好ましくは５００％以上である。一方、第２の樹脂の引張破断強度を１０ＭＰａ以上とすることにより、構造体において所望の圧縮時の弾性回復力を十分なものとできる。第２の樹脂の引張破断強度は、より好ましくは、２５ＭＰａ以上である。
第２の樹脂の引張破断伸度と引張破断強度は、引張試験（ＪＩＳＫ６４００（２０１２））により求めることができる。

〔構造体〕
本発明における構造体は空隙を有することが好ましく、さらに密度が０．０１ｇ／ｃｍ^３以上、１．３ｇ／ｃｍ^３以下であることが好ましい。構造体の密度ρが１．３ｇ／ｃｍ^３以下であることにより、構造体とした場合の質量の増加を防ぎ、軽量性を担保することができるため好ましい。構造体の密度が０．０１ｇ／ｃｍ^３以上であることにより、構造体自身の密度には優れ、構造体中の強化繊維と樹脂成分（第１の樹脂および第２の樹脂）の体積割合が少なくなりすぎることを防ぐことができる。そのため、弾性回復力、引張強度のバランスの取れた構造体とすることができるため好ましく、上述の観点から、構造体の密度は０．０３ｇ／ｃｍ^３以上であることが好ましく、更に、軽量性と弾性回復力、引張強度のバランスを考慮すると、０．１ｇ／ｃｍ^３以上が好ましい。

本発明の構造体を１００体積％とすると、空隙の体積含有率は１０体積％以上９７体積％以下の範囲内であることが好ましい。空隙の体積含有率が１０体積％以上である場合、構造体の軽量性を満足するため好ましい。一方、空隙の体積含有率が９７体積％以下である場合には、言い換えれば、強化繊維の周囲に被覆された樹脂成分（第１の樹脂および第２の樹脂）の厚みが十分に確保され、構造体中における強化繊維同士の補強が十分に行われるため、力学特性を向上させることができ好ましい。

ここで空隙とは、樹脂成分（第１の樹脂および第２の樹脂）により被覆された強化繊維が柱状の支持体となり、それが重なり合い、又は、交差することにより形成された空間のことを指す。例えば強化繊維に樹脂成分（第１の樹脂および第２の樹脂）が予め含浸された構造体前駆体を加熱して構造体を得る場合、加熱に伴う樹脂成分（第１の樹脂および第２の樹脂）の溶融又は軟化により、強化繊維が起毛することで空隙が形成される。これは、構造体前駆体において、加圧により圧縮状態とされていた内部の強化繊維が、その弾性率に由来する起毛力によって起毛する性質に基づく。

本発明において体積含有率は、構造体を構成する樹脂（第１の樹脂と第２の樹脂の合計）、強化繊維、及び空隙のそれぞれの体積含有率の合計を１００体積％とする。
つまり、樹脂（第１の樹脂と第２の樹脂の合計）、強化繊維、及び空隙の合計を１００体積％とした場合、構造体における樹脂（第１の樹脂と第２の樹脂の合計）の体積含有率は、２．５体積％以上８５体積％以下の範囲内にあることが好ましい。樹脂（第１の樹脂と第２の樹脂の合計）の体積含有率が２．５体積％以上である場合、構造体中の強化繊維同士を結着し、強化繊維の補強効果を十分なものとすることができるため、構造体の力学特性、とりわけ曲げ特性を満足できるので好ましい。一方、樹脂（第１の樹脂と第２の樹脂の合計）の体積含有率が８５体積％以下の場合には、樹脂量が少ないことから、空隙構造をとることが容易となるので好ましい。

さらに本発明の構造体は、５０％圧縮時の弾性回復力が１ＭＰａ以上であることが好ましい。ここで、弾性回復力は、ＪＩＳＫ７２２０（２００６）で測定される構造体を厚み方向に５０％圧縮した際の圧縮強度である。厚み方向の５０％圧縮時の弾性回復力が１ＭＰａ以上であることにより、構造体は形状保持性に優れるため、例えば製品として他部材に取り付ける際のハンドリング性に優れる。さらに、実用上、構造体の面内方向を負荷がかかる方向として用いた場合、軽微な荷重には耐えることができ、さらに、一定以上の荷重が加わった場合には変形するため、構造体を製品として用いた場合に、取り付け時における作業者への保護の観点から好ましい。５０％圧縮時の弾性回復力は、１ＭＰａ以上あれば実用上問題ないが、好ましくは３ＭＰａ以上である。

さらに、構造体は、引張破断伸度が１％以上２０％以下の範囲内であることが好ましい。ここで、引張破断伸度は、ＪＩＳＫ６４００（２０１２）で測定される構造体の繊維配向方向の引張試験において観察される破断時の伸度である。また、繊維配向方向とは強化繊維の長さ方向を意味する。引張破断伸度が１％以上２０％以下であることにより、構造体を取り扱う際に屈曲やよれが少なくなりハンドリング性に優れる。構造体の引張破断伸度は、好ましくは３％以上１５％以下、さらに好ましくは、５％以上１５％以下が取り扱い性の観点から好ましい。

本発明にかかる構造体の製造方法は、マット状の強化繊維（以下、単に強化繊維マットと称す）に予め第１の樹脂を含浸させた第１の構造体前駆体を介して製造することができる。第１の構造体前駆体を製造する方法としては、強化繊維マットと第１の樹脂とを積層し、第１の樹脂を溶融又は第1の樹脂の軟化温度以上に加熱した状態で圧力を付与し、強化繊維マットに第１の樹脂を含浸させる方法を用いることが、製造の容易さの観点から好ましい。他方、第１の樹脂が水溶液やエマルジョンの形態である場合には、強化繊維マットに、カーテンコートやディップ、浸漬などの方法により添加し、水分や溶媒分を乾燥させる方法を採用することもできるが、強化繊維マットに第１の樹脂を付与できる手法であれば、方法によらず採用することができる。

また、構造体は、第１の構造体前駆体に、第２の樹脂を含浸させた第２の構造体前駆体を介して製造することができる。第１の構造体前駆体への第２の樹脂の付与方法は、第１の構造体前駆体に、第２の樹脂をさらに含浸させることにより行うことができる。例えば、第２の樹脂が熱可塑性を示す場合には、第１の構造体前駆体と第２の樹脂とを積層し、第２の樹脂を溶融又は第２の樹脂の軟化温度以上に加熱した状態で圧力を付与し、第１の構造体前駆体の強化繊維マットに含浸させる方法を用いることが、製造の容易さの観点から好ましい。具体的には、第１の構造体前駆体の厚み方向の両側から第２の樹脂を配置した積層物を加熱、加圧して、溶融含浸させる方法が好ましく例示できる。上記各方法を実現するための設備としては、圧縮成形機やダブルベルトプレスを好適に用いることができる。バッチ式の場合は前者であり、加熱用と冷却用との２機以上を並列した間欠式プレスシステムとすることで生産性の向上が図れる。連続式の場合は後者であり、連続的な加工を容易に行うことができるので連続生産性に優れる。

また、第２の樹脂が溶媒中に分散している場合や、室温で液状を示す場合には、第１の構造体前駆体に、カーテンコートやディップ、浸漬、真空圧成型などの方法により、第２の樹脂を浸透させ、水分や溶媒分を乾燥させる方法や、第２の樹脂を浸透させた第１の構造体前駆体を第２の樹脂が架橋反応または加硫反応を開始する温度にて加熱することで構造体を得ることができる。

本発明の構造体は、圧縮時の弾性回復力や軽量性の観点から、自動車内外装、電気・電子機器筐体、自転車、スポーツ用品用構造材、航空機内装材、医療機器などの構成部品に好ましく用いられる。なかでも、とりわけ複数の部品から構成されるモジュール部材に好適である。

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。

（１）構造体における空隙の体積含有率
構造体から縦１０ｍｍ、横１０ｍｍに試験片を切り出し、断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）（（株）日立ハイテクノロジーズ製Ｓ−４８００型）により観察し、構造体の表面から、等間隔に１０箇所を１０００倍の倍率で撮影した。それぞれの画像について、画像内の空隙の面積Ａ_ａを求めた。さらに、空隙の面積Ａ_ａを画像全体の面積で除算することにより空隙率を算出した。構造体の空隙の体積含有率は、５枚の試験片でそれぞれ１０箇所ずつ撮影した合計５０箇所の空隙率から算術平均により求めた。

（２）構造体の密度
構造体から試験片を切り出し、ＪＩＳＫ７２２２（２００５）を参考にして構造体の見かけ密度を測定した。試験片の寸法は縦１００ｍｍ、横１００ｍｍとした。試験片の縦、横、厚みをマイクロメーターで測定し、得られた値より試験片の体積Ｖを算出した。また、切り出した試験片の質量Ｍを電子天秤で測定した。得られた質量Ｍ及び体積Ｖを次式に代入することにより構造体の密度ρを算出した。
ρ［ｇ／ｃｍ^３］＝１０^３×Ｍ［ｇ］／Ｖ［ｍｍ^３］

（３）構造体の５０％圧縮時における弾性回復力
構造体から試験片を切り出し、ＪＩＳＫ７２２０（２００６）を参考にして構造体の圧縮特性を測定した。試験片は、縦２５±１ｍｍ、横２５±１ｍｍに切り出した。得られた試験片の圧縮特性は万能試験機を用いて測定した。この時、変形率５０％時に到達した最大の力Ｆ_ｍと試験片の試験前の底面断面積Ａ_０とを用いて、次式より圧縮強さσ_ｍを算出し、弾性回復力とした。測定装置としては“インストロン（登録商標）”５５６５型万能材料試験機（インストロン・ジャパン（株）製）を使用した。
σ_ｍ［ＭＰａ］＝Ｆ_ｍ［Ｎ］／Ａ_０［ｍｍ^２］

（４）構造体の引張破断伸度
構造体から試験片を切り出し、ＪＩＳＫ６４００（２０１２）を参考にして構造体の引張特性を測定した。試験片は１号形に切り出した。得られた試験片の引張特性は万能試験機を用いて測定した。測定装置としては“インストロン（登録商標）”５５６５型万能材料試験機（インストロン・ジャパン（株）製）を使用した。

（５）構造体における樹脂の被覆厚み
構造体を縦１０ｍｍ、横１０ｍｍに試験片を切り出し、断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）（（株）日立ハイテクノロジーズ製Ｓ−４８００型）により観察し、任意の１０箇所を３０００倍の倍率で撮影した。得られた画像の強化繊維の交点の断面がカットされた任意の５０ヶ所から、強化繊維の交点に被覆している樹脂の被覆厚さを測定し、５０箇所の算術平均を樹脂の被覆厚みとした。

（６）第１の樹脂の強化繊維に対する含有量
第１の樹脂を被覆させる前の強化繊維を縦２５±１ｍｍ、横２５±１ｍｍに切り出し、質量Ｗ１を測定した。その後、第１の樹脂を含有させた強化繊維の質量Ｗ２を測定した。次式により第１の樹脂の含有量Ｗｒを算出し、強化繊維１００質量部あたりの量を算出した。
第１の樹脂の強化繊維に対する含有量Ｗｒ（質量）＝Ｗ２−Ｗ１

（７）第１の樹脂の軟化点又は融点
融点は示差走査熱量計（ＤＳＣ）により評価を行った。密閉型サンプル容器に５ｍｇの試料を詰め、昇温速度１０℃／分で３０℃の温度から３００℃の温度まで昇温し、評価した。評価装置には、ＰｅｒｋｉｎＥｌｍｅｒ社製ＰｙｒｉｓｌＤＳＣを用いた。
また融点の評価が困難なもの（融点が存在しない場合）については、ビカット軟化温度をＩＳＯ３０６（２００４）（錘１０Ｎ使用）に準拠して評価し、軟化点とした。

（８）第２の樹脂の引張特性
ＪＩＳＫ６４００（２０１２）に記載の方法を参考にし、引張試験を行い、引張破断伸度、引張破断強度を評価した。得られた試験片の引張特性は万能試験機を用いて測定した。測定装置としては“インストロン（登録商標）”５５６５型万能材料試験機（インストロン・ジャパン（株）製）を使用した。
第２の樹脂のゴム弾性の有無については、同試験において、（試験片の長さを基準の１００％として）２００％伸張時に応力を開放し、形状が１５０％以下に戻るか否かを目視にて確認した。１５０％以下に戻る場合は「有」、１５０％を超える場合もしくは、破断する場合は「無」とした。
なお、試験片は１号形ダンベル試験片形状を作製して試験に供した。試験片の作製は、熱可塑性を示す第２の樹脂については、射出成型により試験片を作製した。また、室温にて液状の性質を示す第２の樹脂については、１号形ダンベル試験片と同型状の凹部を有する金型に第２の樹脂を流し込み、金型を閉じた後、架橋ないしは硬化する温度／時間にて硬化させることで、試験片を作製した。

（９）構造体における強化繊維の体積含有率Ｖｆ
構造体の質量Ｗｓを測定した後、構造体を空気中５００℃で３０分間加熱して樹脂成分を焼き飛ばし、残った強化繊維の質量Ｗｆを測定し、次式により算出した。このとき、強化繊維および樹脂の密度は、ＪＩＳＺ８８０７（２０１２）の液中ひょう量法に従って測定した結果を用いる。
Ｖｆ（体積％）＝（Ｗｆ／ρｆ）／｛Ｗｆ／ρｆ＋（Ｗｓ−Ｗｆ）／ρｒ｝×１００
ρｆ：強化繊維の密度（ｇ／ｃｍ^３）
ρｒ：樹脂の密度（ｇ／ｃｍ^３）

（１０）第１の樹脂の体積含有率
強化繊維と第１の樹脂のみからなる構造体の前駆体を作製し、（１）と同様の方法により求めた前駆体における空隙の体積含有率、強化繊維の体積含有率の値を用いて、下式により第１の樹脂の体積含有率を求めた。
第１の樹脂のＶｒ１（体積％）＝１００−（Ｖｆ＋Ｖａ）
Ｖｆ：強化繊維の体積含有率（体積％）
Ｖａ：空隙の体積含有率（体積％）
Ｖｒ１：第1の樹脂の体積含有率（体積％）

（１１）第２の樹脂の体積含有率
（１）、（９）、（１０）より求めた構造体における空隙の体積含有率、強化繊維の体積含有率、および第１の樹脂の体積含有率との値を用いて、下式により樹脂の体積含有率を求めた。
第２の樹脂のＶｒ２（体積％）＝１００−（Ｖｆ＋Ｖａ＋Ｖｒ１）
Ｖｆ：強化繊維の体積含有率（体積％）
Ｖａ：空隙の体積含有率（体積％）
Ｖｒ１：第1の樹脂の体積含有率（体積％）

（１２）構造体における樹脂の被覆割合
構造体を縦１０ｍｍ、横１０ｍｍに試験片を切り出し、断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）（（株）日立ハイテクノロジーズ製Ｓ−４８００型）により観察し、任意の１０箇所を１０００倍の倍率で撮影した。得られた画像から強化繊維の交点について、任意の４０ヶ所から、強化繊維の交点の個数および、強化繊維の交点に被覆している樹脂の被覆箇所の個数を測定し、下式により樹脂の被覆割合（％）とした。
樹脂の被覆割合（％）＝（Ｃ２／Ｃ１）×１００
Ｃ１：測定した交点の個数（個）
Ｃ２：Ｃ１の内、樹脂が被覆している交点の個数（個）

下記の実施例および比較例において以下の材料を使用した。
［炭素繊維］
ポリアクリロニトリルを主成分とする共重合体から紡糸、焼成処理、及び表面酸化処理を行い、総単糸数１２，０００本の連続炭素繊維を得た。この連続炭素繊維の特性は次に示す通りであった。
比重：１．８
引張強度：４６００ＭＰａ
引張弾性率：２２０ＧＰａ
引張破断伸度：２．１％

［アラミド繊維］
アラミド繊維（東レ・デュポン（株）製“ケブラー”（登録商標）２９）を用いた。
比重：１．４４
引張強度：２９００ＭＰａ
引張弾性率：７０ＧＰａ
引張破断伸度：３．６％

［ポリアミド］
第１の樹脂として、水溶性ポリアミド樹脂（東レ（株）“ＡＱナイロン”（登録商標）Ｐ−７０）を用いた。
軟化点：８５℃

［ポリウレタン］
第１の樹脂として、ポリウレタン水分散体（第一工業製薬（株）“スーパーフレックス”（登録商標）１５０）を用いた。
軟化点：１９５℃
融点：２１２℃

［ポリエステル樹脂］
ポリエステル樹脂（東レ（株）製“ハイトレル”（登録商標）ＳＢ７５４）からなる目付１２１ｇ／ｍ^２の樹脂フィルムを作製し、第２の樹脂として用いた。得られた樹脂フィルムの特性を表１に示す。

［シリコーンゴム］
シリコーンゴム（東レ・ダウコーニングシリコーン（株）製ＲＢＬ−９２００−４０）を用いた。本シリコーンゴムのＡ剤（主剤）とＢ剤（硬化剤）を１：１の混合比にて混合して、１２４ｇ／ｍ^２となるよう量を採取し、攪拌することでシリコーンゴムを作製し、第２の樹脂として用いた。シリコーンゴムの特性を表１に示す。

［エポキシ樹脂］
エポキシ樹脂（ジャパンエポキシレジン（株）“エピコート”（登録商標）８２８：３０質量部、“エピコート”（登録商標）１００１：３５質量部、“エピコート”（登録商標）１５４：３５質量部）に、熱可塑性樹脂ポリビニルホルマール（チッソ（株）“ビニレック”（登録商標）Ｋ）５質量部をニーダーで加熱混練してポリビニルホルマールを均一に溶解させた後、硬化剤ジシアンジアミド（ジャパンエポキシレジン（株）ＤＩＣＹ７）３．５質量部と、硬化促進剤４，４−メチレンビス（フェニルジメチルウレア）（ピイ・ティ・アイジャパン（株）“オミキュア”（登録商標）５２）７質量部を、ニーダーで混練して未硬化のエポキシ樹脂組成物を調整した。これからナイフコーターを用いて目付１３２ｇ／ｍ^２の樹脂フィルムを作製し、第２の樹脂として使用した。得られた樹脂フィルムの特性を表１に示す。

（実施例１）
強化繊維として炭素繊維を用い、カートリッジカッターで６ｍｍにカットし、チョップド炭素繊維を得た。水と界面活性剤（ナカライテクス（株）製、ポリオキシエチレンラウリルエーテル（商品名））とからなる濃度０．１質量％の分散液を作製し、この分散液とチョップド炭素繊維とを用いて、強化繊維マットを製造した。製造装置は、分散槽としての容器下部に開口コックを有する直径１０００ｍｍの円筒形状の容器、分散槽と抄紙槽とを接続する直線状の輸送部（傾斜角３０°）を備えている。分散槽の上面の開口部には撹拌機が付属し、開口部からチョップド炭素繊維及び分散液（分散媒体）を投入可能である。抄紙槽は、底部に幅５００ｍｍの抄紙面を有するメッシュコンベアを備え、炭素繊維基材（抄紙基材）を運搬可能なコンベアをメッシュコンベアに接続している。抄紙は分散液中の炭素繊維濃度を０．０５質量％として行った。抄紙した強化繊維マットは２００℃の乾燥炉で３０分間乾燥し、強化繊維マットを得た。得られた目付は５０ｇ／ｍ^２であった。

第１の樹脂としてポリアミドを、１質量％になるように水に溶解させた。このポリアミド水溶液を、上記で得た強化繊維マットに対して付与した。１１０℃に温度調節された熱風オーブンに投入し、２時間乾燥させて第１の構造体前駆体を得た。得られた第１の構造体前駆体のポリアミドの付着率は、強化繊維マット１００質量部に対して１０質量部であった。
第１の構造体前駆体に第２の樹脂としてポリエステル樹脂を、［第２の樹脂／第１の構造体前駆体／第２の樹脂／第１の構造体前駆体／第２の樹脂／第１の構造体前駆体／第２の樹脂／第１の構造体前駆体／第１の構造体前駆体／第２の樹脂／第１の構造体前駆体／第２の樹脂／第１の構造体前駆体／第２の樹脂／第１の構造体前駆体／第２の樹脂］の順番に配置した積層物を作製した。次いで、以下の工程（１）〜（５）を経ることにより構造体を得た。特性を表２に示す。
（１）積層物を２００℃に予熱したプレス成形用金型キャビティ内に配置して金型を閉じる。
（２）次いで、１２０秒間保持した後、３ＭＰａの圧力を付与してさらに６０秒間保持する。
（３）工程（２）の後、金型キャビティを開放し、その末端に金属スペーサーを挿入し、構造体を得る際の厚みが３．４ｍｍとなるように調整する。
（４）その後、再度、金型キャビティを締結し、圧力を保持した状態でキャビティ温度を５０℃まで冷却する。
（５）金型を開いて構造体を取り出す。

（実施例２）
第１の樹脂の含有量を８質量部に代えた以外は、実施例１と同様の積層物を得、次いで、以下の工程（１）〜（４）を経ることにより構造体を得た。特性を表２に示す。
（１）積層物を２００℃に予熱したプレス成形用金型キャビティ内に配置して金型を閉じる。
（２）次いで、３ＭＰａの圧力を付与してさらに１２０秒間保持する。
（３）その後、圧力を保持した状態でキャビティ温度を５０℃まで冷却する。
（４）金型を開いて構造体を取り出す。

（実施例３）
第１の樹脂をポリアミドからポリウレタンとし、第１の樹脂の含有量を１０質量部に代えるとともに、構造体中における強化繊維の質量割合を５５質量％に代えた以外は、実施例１と同様の積層物を得、次いで、以下の工程（１）〜（５）を経ることにより構造体を得た。特性を表２に示す。
（１）積層物を２００℃に予熱したプレス成形用金型キャビティ内に配置して金型を閉じる。
（２）次いで、１２０秒間保持した後、３ＭＰａの圧力を付与してさらに６０秒間保持する。
（３）工程（２）の後、金型キャビティを開放し、その末端に金属スペーサーを挿入し、構造体を得る際の厚みが５．９ｍｍとなるように調整する。
（４）その後、再度、金型キャビティを締結し、圧力を保持した状態でキャビティ温度を５０℃まで冷却する。
（５）金型を開いて構造体を取り出す。

（実施例４）
実施例４では、第２の樹脂をポリエステル樹脂からシリコーンゴムに変更した。実施例１で使用した第１の構造体前駆体を８枚積層したものをステンレス製容器に収め、シリコーンゴムを流し込み、第１の構造体前駆体にシリコーンゴムが含浸するまでハンドローラーにてしごくことで積層物を作製した。次いで、以下の工程（１）〜（４）を経ることにより構造体を得た。特性を表２に示す。
（１）積層物を１５０℃に予熱したプレス成形用金型キャビティ内に配置して金型を閉じる。
（２）次いで、３ＭＰａの圧力を付与してさらに６０分間保持する。
（３）その後、圧力を保持した状態でキャビティ温度を３０℃まで冷却する。
（４）金型を開いて構造体を取り出す。

（実施例５）
実施例４と同様に積層物を得た。次いで、以下の工程（１）〜（４）を経ることにより構造体を得た。特性を表２に示す。
（１）積層物を１５０℃に予熱したプレス成形用金型キャビティ内に配置する。
（２）次いで、金型キャビティの末端に金属スペーサーを挿入し、構造体を得る際の厚みが３．３ｍｍとなるように調整し、金型を閉じた後、１０分間保持する。
（３）その後、圧力を保持した状態でキャビティ温度を３０℃まで冷却する。
（４）金型を開いて構造体を取り出す。

（実施例６）
実施例１と同様にして第１の構造体前駆体を得た。第２の樹脂の量を構造体中における強化繊維の質量割合が５５質量％になるように調製して積層体を得た以外は、実施例１と同様にして構造体を得た。特性を表２に示す。

（実施例７）
強化繊維を炭素繊維からアラミド繊維に代え、第１の樹脂をポリアミドからポリウレタンに代え、構造体中におけるアラミド繊維の質量割合を２５質量％に代えた以外は、実施例１と同様に構造体を得た。特性を表２に示す。

（実施例８）
強化繊維を炭素繊維からアラミド繊維に代え、第１の樹脂をポリアミドからポリウレタンとし、第１の樹脂の含有量を１０質量部に代えるとともに、構造体中におけるアラミド繊維の質量割合を２５質量％に代えた以外は、実施例２と同様に構造体を得た。特性を表２に示す。

（比較例１）
第１の樹脂の含有量を８質量部に代え、第２の樹脂をポリエステル樹脂からエポキシ樹脂に代えた以外は、実施例１と同様の積層物を得、次いで、以下の工程（１）〜（４）を経ることにより構造体を得た。特性を表３に示す。
（１）積層物を１５０℃に予熱したプレス成形用金型キャビティ内に配置して金型を閉じる。
（２）次いで、３ＭＰａの圧力を付与してさらに１０分間保持する。
（３）その後、圧力を保持した状態でキャビティ温度を５０℃まで冷却する。
（４）金型を開いて構造体を取り出す。

（比較例２）
第１の樹脂をポリアミドからポリウレタンに代え、強化繊維に対する含有量を３０質量部に調製し、積層物とした。次いで、以下の工程（１）〜（４）を経ることにより構造体を得た。特性を表３に示す。
（１）積層物を１５０℃に予熱したプレス成形用金型キャビティ内に配置する。
（２）次いで、金型キャビティの末端に金属スペーサーを挿入し、構造体を得る際の厚みが１．５ｍｍとなるように調整し、金型を閉じた後、１０分間保持する。
（３）その後、圧力を保持した状態でキャビティ温度を５０℃まで冷却する。
（４）金型を開いて構造体を取り出す。

（比較例３）
強化繊維を炭素繊維からアラミド繊維に代え、第１の樹脂を用いず、第２の樹脂にエポキシ樹脂を用いて積層物を作製した。次いで、以下の工程（１）〜（４）を経ることにより構造体を得た。特性を表３に示す。
（１）積層物を１５０℃に予熱したプレス成形用金型キャビティ内に配置して金型を閉じる。
（２）次いで、３ＭＰａの圧力を付与してさらに１０分間保持する。
（３）その後、圧力を保持した状態でキャビティ温度を５０℃まで冷却する。
（４）金型を開いて構造体を取り出す。

〔検討〕
本実施例１、３、５〜７により、強化繊維、第１の樹脂、及び室温でゴム弾性を示す第２の樹脂から構成される構造体であり、前記強化繊維として不連続繊維を使用し、第１の樹脂で結合された強化繊維間の交点を、第２の樹脂により被覆してなる構造体は、いずれも５０％圧縮時における弾性回復力が、１ＭＰａ以上、引張伸度が１％以上となる結果を得た。また、空隙率が小さいことにより５０％圧縮時の弾性回復力が測定できない実施例２、４、８においても、比較例１、３との対比から、引張破断伸度に優れることがわかり、優れた柔軟性と軽量性を両立していることがわかった。また、実施例１〜８と比較例３との対比により、強化繊維が第１の樹脂で被覆されていることで、強化繊維からなるマットが搬送中もばらけることもなく取り扱いに優れていることが確認できた。また、比較例１および３においては、第２の樹脂を、室温でゴム弾性を有しないエポキシ樹脂にしたため、５０％圧縮時の弾性回復力を示すことはなかった。また、比較例１は引張伸度が１％以上となったが、空隙を有さない構造体であったことから、強化繊維の引張伸度が反映されたものと考えられた。さらに、実施例３、実施例７によれば、強化繊維の種類を変更しても、引張破断伸度が適切な構造体を得ることができた。以上の結果から、本発明の範囲における構造体は、優れた圧縮特性、引張特性を有することが明確である。

本発明によれば、圧縮時の弾性回復力もしくは引張破断伸度に代表される柔軟性および軽量性に優れた構造体を提供することができる。

Claims

強化繊維、第１の樹脂、及び室温でゴム弾性を示す第２の樹脂を含む構造体であり、
前記強化繊維が不連続繊維であり、
接触する前記強化繊維間の交点を、前記第１の樹脂及び／又は前記第２の樹脂により被覆してなり、前記構造体の５０％圧縮時の弾性回復力が１ＭＰａ以上である、構造体。
前記構造体は空隙を有し、前記構造体の密度が０．０１ｇ／ｃｍ^３以上１．３ｇ／ｃｍ^３以下である、請求項１に記載の構造体。
前記構造体中の前記空隙の体積含有率が、１０体積％以上９７体積％以下の範囲内である、請求項２に記載の構造体。
前記構造体は、引張破断伸度が１％以上２０％以下の範囲内である、請求項１〜３のいずれかに記載の構造体。
前記強化繊維は、引張破断伸度が１％以上１０％以下の範囲内である、請求項１〜４のいずれかに記載の構造体。
前記強化繊維が、ＰＡＮ系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維、ガラス繊維、及びアラミド繊維からなる群より選ばれる少なくとも１種を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の構造体。
前記強化繊維間の交点を被覆する前記第１の樹脂及び／又は第２の樹脂の被覆厚みが１μｍ以上１５μｍ以下の範囲内にある、請求項１〜６のいずれかに記載の構造体。
前記第２の樹脂は、引張破断伸度が２００％以上で、引張破断強度が１０ＭＰａ以上である、請求項１〜７のいずれかに記載の構造体。
前記第２の樹脂が、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム、アクリロニトリルブタジエンゴム、クロロプレンゴム、フッ素ゴム、ポリオレフィン系熱可塑性エラストマー、ポリウレタン系熱可塑性エラストマー、ポリエステル系熱可塑性エラストマー、及びポリアミド系熱可塑性エラストマーからなる群より選ばれる少なくとも１種を含む、請求項１〜８のいずれかに記載の構造体。
前記第１の樹脂の軟化点又は融点が５０℃以上である、請求項１〜９のいずれかに記載の構造体。
前記第１の樹脂が、前記強化繊維１００質量部に対し、５質量部以上２５質量部以下である、請求項１〜１０のいずれかに記載の構造体。