JP7076656B1 - 成形体およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、一方向に配向して配列された強化繊維を含む繊維強化樹脂により得られる、荷重の印加によるエネルギーを軽減する性能が高い成形体を提供する。上記課題を解決するための本発明は、一方向に配向して配列された複数の強化繊維と、前記強化繊維に含浸されたマトリクス樹脂と、を含む繊維強化樹脂層が積層されてなる強化層を有する、成形体に関する。前記成形体において、前記強化層は、前記強化層の長軸方向に対して前記強化繊維がなす角度である、ずらし角度が、２５°以上６５°以下または－６５°以上－２５°以下となる繊維強化樹脂層である、配向ずらし層を複数層有する。

Description

本発明は、成形体およびその製造方法に関する。

所定の方向に配向して配列された複数の強化繊維と、上記強化繊維に含浸された樹脂組成物（マトリクス樹脂）と、を含む繊維強化樹脂が知られている。この繊維強化樹脂は、金属よりも軽量であり、一方で機械的強度が高いため、各種の構造材または補強材としての使用が検討されている。

特許文献１には、互いに直交する２つの方向に配向して格子状に配列された強化繊維と、上記強化繊維に含浸されたマトリクス樹脂と、を含む繊維強化樹脂を、ランダムに配向された強化繊維と、上記強化繊維に含浸されたマトリクス樹脂と、を含む繊維強化樹脂で挟むように積層してなる構造材を、自動車の衝撃吸収部材として使用することが記載されている。

特許文献１には、上記格子状に配列された強化繊維は、車の前後方向に対して０°（前後方向）および９０°（車幅方向）に配向するように、配置すると記載されている。そして、特許文献１には、上記格子状に配列された強化繊維は、前後方向の衝突荷重に対して大きな強度を有すると記載されている。

国際公開第２０１４／１０６９２４号

特許文献１にも記載のように、所定の方向に配向して配列された強化繊維を含む繊維強化樹脂は、荷重に対する強度が強い（弾性率が高い）ため、各種構造材や補強材などとして有用である。

しかし、たとえば自動車には、乗車する人間の安全を考慮して、衝突時のエネルギーを軽減することも求められる。そして、衝突時のエネルギーを軽減するために、自動車には、ゴム材料などの、引張荷重の印加により伸びやすい（破断ひずみが大きい）材料から形成された部材を使用されている。しかし、上記繊維強化樹脂は、破断ひずみが小さく、衝撃吸収性能には劣ると考えられている。一方で、ゴム材料などは、弾性率が低く、構造材や補強材などとしての使用には不向きである。

上記問題に鑑み、本発明は、一方向に配向して配列された強化繊維を含む繊維強化樹脂により得られる、荷重の印加によるエネルギーを軽減する性能が高い成形体、および当該成形体の製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための本発明の一態様に関する成形体は、一方向に配向して配列された複数の強化繊維と、前記強化繊維に含浸されたマトリクス樹脂と、を含む繊維強化樹脂層が積層されてなる強化層を有する。前記成形体において、前記強化層は、前記強化層の長軸方向に対して前記強化繊維がなす角度である、ずらし角度が、２５°以上６５°以下または－６５°以上－２５°以下となる繊維強化樹脂層である、配向ずらし層を複数層有する。

上記の課題を解決するための本発明の他の態様に関する薄膜状の成形体は、一方向に配向して配列された複数の強化繊維と、前記強化繊維に含浸されたマトリクス樹脂と、を含む繊維強化樹脂層が積層されてなる強化層を有する成形体。前記成形体において、前記強化層は、引張弾性率が５．０ＧＰａ以上かつ破断ひずみが７．０％以上である。

上記の課題を解決するための本発明の他の態様に関する成形体の製造方法は、一方向に配向して配列された複数の強化繊維と、上記強化繊維に含浸されたマトリクス樹脂と、を有する複数の薄膜状の繊維強化樹脂を積層し互いに溶着させて強化層を形成する工程を有する。上記製造方法において、複数の薄膜状の繊維強化樹脂を、前記強化層の長軸方向に対して前記強化繊維がなす角度である、ずらし角度が、２５°以上６５°以下または－６５°以上－２５°以下となる繊維強化樹脂層である、配向ずらし層が複数層形成される角度に配置して融着させて前記強化層を形成する。

本発明によれば、一方向に配向して配列された強化繊維を含む繊維強化樹脂により得られる、荷重の印加によるエネルギーを軽減する性能が高い成形体、および当該成形体の製造方法が提供される。

１．成形体
本発明の一実施形態は、一方向に配向して配列された複数の強化繊維と、上記強化繊維に含浸された樹脂組成物（マトリクス樹脂）と、を含む、繊維強化樹脂層が積層されてなる強化層を有する、成形体に関する。上記強化層は、上記繊維強化樹脂層が積層されてなり、かつ上記繊維強化樹脂層は、強化繊維が配向する角度が、強化層の長軸方向に対してずれた方向となるように積層された層を有する。

１－１．強化層
１－１－１．強化層の構成
上記強化層は、複数の上記繊維強化樹脂層が積層されてなる。上記複数の繊維強化樹脂層は、強化繊維の配向された方向が互いに異なる複数の繊維強化樹脂層を含み、かつ、各層のマトリクス樹脂は融着されて一体化されている。

なお、繊維強化樹脂層とは、マトリクス樹脂と、同一層内では同じ方向に配向されている複数の強化繊維のまとまりと、を含む層である。そのため、複数の強化繊維がある方向に配向されている層と、複数の強化繊維が異なる方向に配向されている層と、は別の繊維強化樹脂層である。また、強化繊維が同一方向に配向されるように複数の層を積層させて強化層を製造したとき、強化層の断面を観察すると、下層の強化繊維がひとつの強化繊維のまとまりを形成し、上層強化繊維が異なる強化繊維のまとまりを形成することが観察される。このように、強化繊維が同一方向に配向された層が積層方向に連続して配置されていたとしても、製造時に別の層として形成し、これにより断面に強化繊維のまとまりが分離して観察される（つまり、上下の強化繊維のまとまりの間に、マトリクス樹脂がリッチな領域が観察される）ときは、これらは別の繊維強化樹脂層であるとする。

また、製造時に、同じ厚みのＵＤシート（後述）を積層させて融着させて強化層を形成したと判断できるときは、ひとつのＵＤシートの厚みに相当する厚みを有する領域を、ひとつの繊維強化樹脂層としてもよい。

上記強化層は、それのみで平面状または立体状の成形体を構成してもよいし、他の基材の表面に配置されて、当該基材を強化していてもよい。成形体が、複数の上記繊維強化樹脂層が積層されてマトリクス樹脂が融着している部位を有するときは、当該複数の繊維強化樹脂層の全体が強化層である。

上記強化層の平面形状は特に限定されないものの、長軸方向を有する形状である。

長軸方向とは、たとえば基材層が長方形状であるときは、対向する短辺同士を結ぶ方向である。成形体が長方形以外の形状であるときは、長軸方向は、当該成形体の内部に含まれ得る最も面積の大きな長方形について、対向する短辺同士を結ぶ方向である。

上記強化層は、強化繊維が配向された方向が上記長軸方向に対してなす角度（以下、単に「ずらし角度」ともいう。）が、２５°以上６５°以下となるように積層されて融着された繊維強化樹脂層（以下、単に「配向ずらし層」ともいう。）を、複数層含む。

上記強化層を有する成形体は、一方向に配向して配列された複数の強化繊維により、弾性率が高められている。そして、本発明者の知見によれば、上記配向ずらし層を有する強化層は、印加されたエネルギーを多く吸収することができる（たとえば、引張試験における破断時のひずみエネルギー（以下、単に「ひずみエネルギー」ともいう。）が高い）。そのため、上記強化層を有する成形体は、剛性が高く、かつ衝撃吸収性能にも優れる。

一方で、特許文献１に記載のような、ずらし角度が０°および９０°である積層体は、弾性率は高いものの、ひずみエネルギーが小さい。

上記複数の配向ずらし層は、積層方向に連続して配置されていてもよいし、間に配向ずらし層ではない層（つまり、強化繊維が長軸方向に配向されているか、またはずらし角度が２５°以上６５°以下ではない層）を挟んで積層されていてもよい。

また、上記複数の配向ずらし層は、ずらし角度がすべて同一であってもよいし、ずらし角度が異なる複数の配向ずらし層を含んでいてもよい。

また、上記複数の配向ずらし層は、長軸方向に対して同じ方向に強化繊維がずらされて配置されていてもよいし、長軸方向に対して異なる方向に強化繊維がずらされて配置された層を含んでいてもよい。つまり、任意の（たとえば積層方向における一方の端部に配置された）配向ずらし層におけるずらし角度を正の数値（２５°以上６５°以下）とするとき、強化層は、ずらし角度が－２５°未満－６５°超となる他の配向ずらし層を有してもよい。なお、以下、ずらし角度が２５°以上６５°以下である配向ずらし層を「正の配向ずらし層」ともいい、ずらし角度が－２５°以下－６５°以上である配向ずらし層を「負の配向ずらし層」ともいう。

強化層のひずみエネルギーをより高める観点から、複数の配向ずらし層は、積層方向に連続して配置されていることが好ましい。また、同様の観点から、複数の配向ずらし層は、正の配向ずらし層と負の配向ずらし層とが積層方向に連続して配置されていることが好ましい。

強化層のひずみエネルギーをより高める観点から、複数の配向ずらし層が積層方向に連続して配置されているとき、連続する２つの配向ずらし層のずらし角度は、より近いことが好ましい。具体的には、上記連続する２つの配向ずらし層は、ずらし角度の絶対値の差が０°以上３０°以下であることが好ましく、０°以上２０°以下であることがより好ましく、０°以上１０°以下であることがさらに好ましく、０°以上５°以下であることが特に好ましい。なお、本明細書において、ずらし角度の絶対値の差とは、ずらし角度の絶対値がより大きい配向ずらし層のずらし角度から、ずらし角度の絶対値がより小さい配向ずらし層のずらし角度を除算して得られる値を意味する。

また、複数個の上記連続する２つの配向ずらし層の組が強化層に含まれるとき、すべての配向ずらし層の組において、これらの連続する２つの配向ずらし層のずらし角度の絶対値の差が、０°以上３０°以下であることが好ましく、０°以上２０°以下であることがより好ましく、０°以上１０°以下であることがさらに好ましく、０°以上５°以下であることが特に好ましい。言い換えると、強化層は、連続する２つの配向ずらし層のずらし角度の絶対値の差が、上記範囲に含まれないような連続する２つの配向ずらし層の組を、有さないことが好ましい。

同様に、積層体は、ずらし層におけるずらし角度の絶対値と、積層方向に配向ずらし層と連続して配置された繊維強化樹脂層における、一方向に配向して配列された強化繊維が上記強化層の長軸方向に対してなす角度の絶対値と、の差が常に０°以上３０°以下であることが好ましく、０°以上２０°以下であることがより好ましく、０°以上１０°以下であることがさらに好ましく、０°以上５°以下であることが特に好ましい。

また、強化層のひずみエネルギーをより高める観点から、正の配向ずらし層と負の配向ずらし層とが積層方向に連続して配置されているときも、連続する２つの配向ずらし層は、ずらし角度の絶対値の差が、０°以上３０°以下であることが好ましく、０°以上２０°以下であることがより好ましく、０°以上１０°以下であることがさらに好ましく、０°以上５°以下であることが特に好ましい。

同様に、強化層が複数の正の配向ずらし層と複数の負の配向ずらし層とを有するとき、正の配向ずらし層のずらし角度の平均値の絶対値と、負の配向ずらし層のずらし角度の平均値の絶対値と、の差が、０°以上３０°以下であることが好ましく、０°以上２０°以下であることがより好ましく、０°以上１０°以下であることがさらに好ましく、０°以上５°以下であることが特に好ましい。

また、強化層のひずみエネルギーをより高める観点から、複数の配向ずらし層は、ずらし角度がより近い少なくとも一組の配向ずらし層の組を有することが好ましい。具体的には、複数の配向ずらし層は、ずらし角度の差が０°以上３０°以下である一組の配向ずらし層の組を有することが好ましく、ずらし角度の差が０°以上２０°以下である一組の配向ずらし層の組を有することがより好ましく、ずらし角度の差が０°以上１０°以下である一組の配向ずらし層の組を有することがさらに好ましく、ずらし角度の差が０°以上３０°以下である一組の配向ずらし層の組を有することが特に好ましい。

また、同様の観点から、複数の配向ずらし層は、ずらし角度の絶対値が最も大きい配向ずらし層におけるずらし角度の絶対値と、ずらし角度の絶対値が最も大きい配向ずらし層におけるずらし角度の絶対値と、の差が、０°以上３０°以下であることが好ましく、０°以上２０°以下であることがより好ましく、０°以上１０°以下であることがさらに好ましく、０°以上５°以下であることが特に好ましい。

強化層は、３層以上１００層以下の配向ずらし層を有することが好ましく、４層以上５０層以下の配向ずらし層を有することがより好ましい。配向ずらし層の層数が３層以上であると、強化層の反りを生じにくくすることができる。配向ずらし層の層数が１００層以下であると、強化層の作製が容易である。

なお、強化層または成形体は、配向ずらし層ではない層（以下、単に「非配向ずらし層」ともいう。）を有していてもよい。ただし、強化層のひずみエネルギーおよび破断ひずみをより高める観点から、強化層または成形体は、ずらし角度が０°以上２５°未満である非配向ずらし層を含まないことが好ましい。また、強化層のひずみエネルギーおよび弾性率をより高める観点から、強化層または成形体は、６５°より大きく９０°以下である非配向ずらし層を含まないことが好ましい。これらの観点から、強化層または成形体は、非配向ずらし層を含まないことがさらに好ましい。

また、強化層は、ずらし角度が２５°以上６５°以下である配向ずらし層を有すればよいが、強化層のひずみエネルギー、弾性率および破断ひずみをより高める観点から、ずらし角度が２５°以上５０°以下の配向ずらし層を有することが好ましく、ずらし角度が３０°以上４５°以下の配向ずらし層を有することがより好ましい。

強化層の厚みは、０．３ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましく、０．４ｍｍ以上５ｍｍ以下であることがより好ましい。上記厚みが０．３ｍｍ以上であると、ひずみエネルギーをより大きくでき、かつ強化層のみからなる成形体についての取り扱い性が向上する。上記厚みが１０ｍｍ以下であると、強化層が配置される基材の表面形状（たとえば、曲面や段差など）への追従性が高まる。

強化層における、強化繊維が配向している平面に平行な表面の面積は、０．０１ｍ^２以上であることが好ましく、０．０５ｍ^２以上であることがより好ましく、０．１ｍ^２以上であることが更に好ましい。面積が最大である面の面積が上記の値以上であると、締結具などで固定されていても十分な面積を有するため、ひずみエネルギーが向上する効果がより発現しやすくなる傾向がある。面積が最大である面の面積は、例えば、１００ｍ^２以下であってもよい。なお、成形体が強化層のみからなり、かつ表裏の表面の面積が異なるような場合には、表裏のうち面積が小さい表面の面積が上記範囲であることが好ましい。

強化層は、最小の幅（強化繊維が配向している平面において、長軸方向と直交する方向の幅）が５ｍｍ以上であることが好ましく、１０ｍｍ以上であることがより好ましく、２０ｍｍ以上であることが更に好ましい。最小の幅が上記値以上であると、実際の製造において生じ得るわずかな欠けなどの不具合が存在していても、ひずみエネルギーが向上する効果がより発現しやすくなる傾向がある。強化層の最小の幅は、例えば、１０ｍ以下であってもよい。

強化層は、一方向に配向して配列された複数の強化繊維と、前記強化繊維に含浸されたマトリクス樹脂と、を含む繊維強化樹脂層が積層されてなる。そして、上記繊維強化樹脂層は、上述した配向ずらし層を含む。上記マトリクス樹脂は、典型的には、層間で溶着して一体化されている。

このように構成された強化層は、引張弾性率が高く、破断ひずみも大きい。そのため、強化層は、変形しにくいが、高い応力を印加して変形させたときの、破断するまでの伸びも大きい。そのため、強化層は、ひずみエネルギーが大きい。具体的には、上記強化層は、引張弾性率が５．０ＧＰａ以上かつ破断ひずみが７．０％以上とすることができる。強化層の引張弾性率は、５．０ＧＰａ以上であることが好ましく、１０．０ＧＰａ以上であることがより好ましい。強化層の引張弾性率の上限は特に限定されないものの、１００．０ＧＰａ以下とすることができる。強化層の破断ひずみは、５．０％以上であることが好ましく、８．０％以上であることがより好ましい。強化層の破断ひずみの上限は特に限定されないものの、３００．０％以下とすることができる。

同様に、上記強化層は、引張破断強度が２０．０ＭＰａ以上であることが好ましく、１００．０ＭＰａ以上であることがより好ましい。強化層の引張破断強度の上限は特に限定されないものの、２０００．０ＭＰａ以下とすることができる。また、上記強化層は、単位体積あたりのひずみエネルギーが、１Ｎ・ｍｍ／ｍｍ^３以上であることが好ましく、２．００Ｎ・ｍｍ／ｍｍ^３以上であることがより好ましい。強化層の単位体積あたりのひずみエネルギーの上限は特に限定されないものの、１０．００Ｎ・ｍｍ／ｍｍ^３以下とすることができる。

上記強化層の引張弾性率および破断ひずみは、縦２５０ｍｍ×横１５ｍｍの引張試験片形状に切り出した強化層について、引張試験機（たとえば、株式会社島津製作所製、ＡＧ－Ｘ １００ｋＮ）を用いて、引張速度１．５ｍｍ／分、２３℃で行った引張試験の結果から得られる応力ひずみ曲線をもとに、ＩＳＯ ５２７－５（２００９年）に準拠して得られる値とすることができる。

１－１－２．強化繊維
上記強化繊維の材料は、特に限定されない。たとえば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、炭化珪素繊維、ボロン繊維、および金属繊維などを、上記強化繊維として用いることができる。これらのうち、炭素繊維およびガラス繊維が好ましい。

上記強化繊維は、強化繊維による強度の向上効果を十分に高める観点からは、平均直径が１μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましく、４μｍ以上１０μｍ以下であることがより好ましい。

上記強化繊維の長さは、通常１５ｍｍ以上である。上記強化繊維の長さの下限値は、２０ｍｍ以上が好ましく、１００ｍｍ以上がより好ましく、５００ｍｍ以上がさらに好ましい。上記強化繊維の長さの上限値の最大値は、たとえば５０ｍである。通常、後述する成形体の製造方法に用いられるＵＤシートは、ＵＤシートを製造後に所望の長さに裁断されたものが用いられる。そのため、成形体が含むＵＤシートが含む強化繊維の長さは、上述の長さの最小値によりも小さくなることがあり得る。

また、上記強化繊維は、サイジング剤によりサイジング処理されていてもよい。

上記サイジング剤は特に限定されないが、変性ポリオレフィンが好ましく、得には、カルボン酸金属塩を含む変性ポリオレフィンであることがより好ましい。上記変性ポリオレフィンは、たとえば、未変性ポリオレフィンの重合体鎖に、カルボン酸基、カルボン酸無水物基またはカルボン酸エステル基をグラフト導入し、かつ上記官能基と金属カチオンとの間で塩を形成させたものである。

上記未変性ポリオレフィンは、エチレンに由来する構成単位の含有量が５０モル％以上であるエチレン系重合体、またはプロピレンに由来する構成単位の含有量が５０モル％以上であるプロピレン系重合体であることが好ましい。上記エチレン系重合体の例には、エチレン単独重合体、およびエチレンと炭素原子数３以上１０以下のα－オレフィンとの共重合体が含まれる。上記プロピレン系重合体の例には、プロピレン単独重合体、およびプロピレンとエチレンまたは炭素原子数４以上１０以下のα－オレフィンとの共重合体が含まれる。上記未変性ポリオレフィンは、ホモポリプロピレン、ホモポリエチレン、エチレン・プロピレン共重合体、プロピレン・１－ブテン共重合体、またはエチレン・プロピレン・１－ブテン共重合体であることが好ましい。

また、上記強化繊維は、集束されて繊維束となっていてもよい。このとき収束された炭素繊維束あたりの単糸数は、１００本以上１００，０００本以下であることが好ましく、１，０００本以上５０，０００本以下であることがより好ましい。

強化層の全質量に対する、上記強化繊維の含有量は、２０質量％以上８０質量％以下であることが好ましく、３０質量％以上７５質量％以下であることがより好ましく、３０質量％以上６５質量％以下であることがさらに好ましく、３５質量％以上６０質量％以下であることが特に好ましい。

強化層の全体積に対する、上記強化繊維の含有量は、１０体積％以上７０体積％以下であることが好ましく、１５体積％以上６０体積％以下であることがより好ましく、２０体積％以上６０体積％以下であることがさらに好ましい。

１－１－３．マトリクス樹脂
上記マトリクス樹脂の材料は、特に限定されない、上記マトリクス樹脂は、熱可塑性樹脂であってもよいし、熱硬化性樹脂であってもよい。また、上記マトリクス樹脂は、結晶性樹脂であってもよいし、非結晶性樹脂であってもよい。

上記熱可塑性樹脂の例には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、およびポリ４－メチル－１－ペンテンなどを含むポリオレフィン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリスチレン樹脂、熱可塑性ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンスルファイド樹脂、ポリアセタール樹脂、アクリル系樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリエーテルニトリル樹脂、塩化ビニル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ならびにフッ素樹脂などが含まれる。

上記熱硬化性樹脂の例には、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ユリア樹脂、ジアリルフタレート樹脂、シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、フラン樹脂、ケトン樹脂、キシレン樹脂、熱硬化性ポリイミド樹脂、不飽和ポリエステル樹脂およびジアリルテレフタレート樹脂などが含まれる。

これらのうち、強化層のひずみエネルギーをより高める観点からは、熱可塑性樹脂が好ましい。また、同様の観点から、熱可塑性樹脂のうち、ポリアミド樹脂およびポリオレフィン樹脂が好ましい。

上記マトリクス樹脂は、添加剤を含む樹脂組成物であってもよい。上記添加剤の例には、公知の充填材（無機充填材、有機充填材）、顔料、染料、耐候性安定剤、耐熱安定剤、帯電防止剤、スリップ防止剤、酸化防止剤、防黴剤、抗菌剤、難燃剤、および軟化剤などが含まれる。たとえば、レーザーの照射によってＵＤシートを融着させて強化層を形成するときは、上記マトリクス樹脂は、照射する波長のレーザーを吸収する色素を含有する樹脂組成物であることが好ましい。上記色素は、３００ｎｍ以上３０００ｎｍ以下のいずれかの波長の光を吸収する色素であればよく、カーボンブラックであることが好ましい。

また、マトリクス樹脂は、上記以外の樹脂や、上記強化繊維よりも短い長さの短繊維などの他の成分を含んでいてもよい。

強化層の全質量に対する、上記マトリクス樹脂の含有量は、２０質量％以上８０質量％以下であることが好ましく、２５質量％以上７０質量％以下であることがより好ましく、３５質量％以上７０質量％以下であることがさらに好ましく、４０質量％以上６５質量％以下であることが特に好ましい。

１－２．成形体の形状・構成
上記強化層は、強化層のみで成形体を構成していてもよいし、他の基材の表面に配置されて、基材と強化層とを含む成形体を構成してもよい。いずれの場合においても、強化層は、各層の繊維方向を均一にする観点から、平面状の成形体であるか、あるいは他の基材の表面に二次元形状に形成された層であることが好ましい。

強化層のみで成形体を構成するとき、成形体の形状は平面状であってもよいし曲面状であってもよい。また、このとき、成形体の形状は、立体的な形状であってもよい。

上記基材は、樹脂、金属およびセラミックスのいずれの材料からなる基材であってもよい。また、基材の形状は、平面状または曲面状であってもよいし、ハット断面、Ｉ字、Ｕ字断面などの立体的な形状であってもよい。

強化層は、基材の表面に接着剤などにより貼り付けられていてもよいし、基材が樹脂を含むときは、基剤と構成する樹脂と強化層に含まれるマトリクス樹脂とが融着により接合されていてもよい。このとき、基材を構成する樹脂は、強化層のマトリクス樹脂と同種の樹脂であることが好ましい。なお、同じ種類の樹脂とは、樹脂を構成する主鎖における、モノマーに由来する各構成単位同士を結合する結合構造（たとえば、エステル構造およびアミド結合など）が同一であるか、または同一の重合性基（たとえば、ビニル基など）によって結合されていることを意味する。上記同じ種類の樹脂は、同じモノマー（たとえばエチレン、プロピレン）に由来する構成単位を有することが好ましい。

基材の形状は、特に限定されない。たとえば、基材は、一方向に伸びている長軸状の形状であってもよい。このとき、上記基材の長軸方向と、上記強化層の上記長軸方向と、は略一致することが好ましい。上記強化層は、強化層が配置された基材の、強化層の長軸方向への強度が高く、かつ強化層の長軸方向への荷重の印加によるエネルギーを効率よく軽減することができる。そのため、基材の長軸方向と強化層の長軸方向とを略一致させることで、これらの長軸方向への荷重がかかることが予測される用途への構造材または補強材として好適に使用することができる。

なお、本明細書において、略一致とは、双方の方向の角度差が０°であることのみならず、微差を含んでもよいことを意味する。具体的には、本明細書において、略一致とは、双方の方向の角度差が０°以上１０°以下であることを意味し、０°以上５°以下であることが好ましい。

２．成形体の製造方法
成形体の製造方法は、特に限定されない。たとえば、予め作製しておいた強化層を基材の表面に貼り付けたり、一方向に配向して配列された複数の強化繊維と、上記強化繊維に含浸されたマトリクス樹脂と、を有する薄膜状の繊維強化樹脂（単に「ＵＤシート」ともいう。）を、熱プレスやレーザー照射により基材の表面に融着させたり、強化層をインサート成形により基材と一体化させたりする方法で、成形体を製造することができる。このとき、基材を用いずにＵＤシートのみを熱プレスやレーザー照射により互いに融着させることで、強化層のみからなる成形体を得ることもできる。

ＵＤシートを用いて強化層を作製するときは、それぞれの配向ずらし層のずらし角度が上述した範囲内になるように、ＵＤシートの角度をずらして積層し、あるいは強化繊維の配向方向が異なるＵＤシートを積層して、熱プレスやレーザー照射によりＵＤシートを融着させればよい。

あるいは、すでに基材に配置されていたり、より下層の繊維強化樹脂層に融着していたりするＵＤシートに対して、ずらし角度が上述した範囲内になるように、次の繊維強化樹脂層を形成するためのＵＤシートを配置して、熱プレスやレーザー照射により新たな繊維強化樹脂層（配向ずらし層）を形成させる工程を繰り返し行ってもよい。

ＵＤシートの全質量に対する、上記強化繊維の含有量は、２０質量％以上８０質量％以下であることが好ましく、３０質量％以上７５質量％以下であることがより好ましく、３０質量％以上６５質量％以下であることがさらに好ましく、３５質量％以上６０質量％以下であることが特に好ましい。また、ＵＤシートの全質量に対する、上記マトリクス樹脂の含有量は、２０質量％以上８０質量％以下であることが好ましく、２５質量％以上７０質量％以下であることがより好ましく、３５質量％以上７０質量％以下であることがさらに好ましく、４０質量％以上６５質量％以下であることが特に好ましい。

ＵＤシートの全体積に対する、上記強化繊維の含有量（繊維体積含有率：Ｖｆ）は、１０体積％以上７０体積％以下であることが好ましく、１５体積％以上６０体積％以下であることがより好ましく、２０体積％以上６０体積％以下であることがさらに好ましい。

ＵＤシートの厚みは特に限定されないが、１μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以上４００μｍ以下であることがより好ましく、５μｍ以上３００μｍ以下であることがさらに好ましい。

ＵＤシートの使用時の態様も特に限定されず、単独のＵＤシートをそのまま使用してもよいし、ＵＤシートを適宜切断してテープ状にして使用してもよい。

なお、配向ずらし層のずらし角度が上述した範囲内になるように強化繊維を組み立て、その後、強化繊維にマトリクス樹脂を含浸して、強化層を作製してもよい。

３．用途
上記成形体の用途は限定されないが、他の構造材料の補強材として有用であり、特に、瞬間的な衝撃が発生する車両や航空機を構成する部材の補強材として有用である。

上記成形体の用途の具体例には、主翼、垂直および水平尾翼などを含む一次構造材、補助翼、方向舵および昇降舵などを含む二次構造材、座席およびテーブルなどを含む内装材、動力装置、油圧シリンダー、ならびにコンポジットブレーキなどを含む、航空機およびヘリコプターなどの一般的な飛行体の部品部材、ノズルコーンおよびモーターケースなどを含むロケット部品部材、アンテナ、構造体、太陽電池パネル、バッテリーケースおよび望遠鏡などを含む人工衛星部品部材、フレーム、シャフト、ローラー、板バネ、工作機械ヘッド、ロボットアーム、搬送ハンドおよび合成繊維ポットなどを含む機械部品部材、遠心分離機ローターおよびウラン濃縮筒などを含む高速回転体部品部材、パラボラアンテナ、電池部材、レーダー、音響スピーカーコーン、コンピューター部品、プリンター部品、パソコン筐体およびタブレット筐体などを含む電子電機部品部材、骨格部品、準構造部品、外板部品、内外装部品、動力装置、他機器－油圧シリンダー、ブレーキ、バッテリーケース、ドライブシャフト、エンジンパーツ、スポイラー、レーシングカーボディー、クラッシュコーン、イス、タブレット、電話カバー、アンダーカバー、サイドカバー、トランスミッションカバー、バッテリートレイ、リアステップ、スペアタイア容器、バス車体壁およびトラック車体壁などを含む自動車・バイク部品部材、内装材、床板パネル、天井パネル、リニアモーターカー車体、新幹線・鉄道車体、窓拭きワイパー、台車および座席などを含む車両部品部材、ヨット、クルーザーおよびボートなどを含む船舶船体、マスト、ラダー、プロペラ、硬帆、スクリュー、軍用艦胴体、潜水艦胴体および深海探査船などを含む船舶部品部材・機体、アクチュエーター、シリンダー、ボンベ、水素タンク、ＣＮＧタンクおよび酸素タンクなどを含む圧力容器部品部材、攪拌翼、パイプ、タンク、ピットフロアーおよびプラント配管などを含む科学装置部品・部材、ブレード、スキン、骨格構造および除氷システムなどを含む風力発電部品部材、Ｘ線診断装置部品、車椅子、人工骨、義足・義手、松葉杖、介護補助器具・ロボット（パワーアシストスーツ）、歩行機および介護用ベッドなどを含む医療・介護機器部品部材・用品、ＣＦコンポジットケーブル、コンクリート補強部材、ガードレール、橋梁、トンネル壁、フード、ケーブル、テンションロッド、ストランドロッドおよびフレキシブルパイプなどを含む土木建築・インフラ部品部材、マリンライザー、フレキシブルジャンパー、フレキシブルライザーおよびドリリングライザーなどを含む海底油田採掘用部品部材、釣竿、リール、ゴルフクラブ、テニスラケット、バドミントンラケット、スキー板、ストック、スノーボード、アイスホッケースティック、スノーモービル、弓具、剣道竹刀、野球バット、水泳飛び込み台、障害者用スポーツ用品およびスポーツヘルメットなどを含むスポーツ・レジャー用品。）フレーム、ディスクホイール、リム、ハンドルおよびサドルなどを含む自転車部品、メガネ、鞄、洋傘およびボールペンなどを含む生活用品、ならびに、プラスチックパレット、コンテナ、物流資材、樹脂型、家具、洋傘、ヘルメット、パイプ、足場板、安全靴、プロテクター、燃料電池カバー、ドローンブレード、フレーム、ジグおよびジグフレームなどを含むその他産業用途の部品部材・用品などが含まれる。

以下、実施例を参照して本発明を更に具体的に説明するが、本発明の範囲は実施例の記載に限定されない。

１．成形体の作製
ＵＤシートとして、一方向に配列した炭素繊維にポリプロピレンを含浸させたＵＤシート（三井化学株式会社製、ＴＡＦＮＥＸ（登録商標）、繊維体積分率（ＶＦ）：５０％、厚さ、０．１６ｍｍ）を用意した。このＵＤシートを、縦３００ｍｍ×横２００ｍｍ、炭素繊維の配向方向が縦方向に対して３０°となるように切断して、融着用シートを作製した。

ポリイミド製の離型フィルム（底面フィルム）の表面に、７枚の融着用シートを重ねて配置し、その上にさらにポリイミド製の離型フィルム（上面フィルム）を配置した。７枚の融着用シートは、底面フィルムの表面に沿って定めた一方向に対して、炭素繊維の配向方向が交互に３０°およびー３０°となるように配置した。

上記底面フィルム、７枚の融着用シートおよび上面フィルムを重ねた積層体を、プレス装置（東洋精機製、ミニテストプレス）に配置し、加圧時の温度を１８０℃として２ＭＰａの圧力を印加しながら３分間保持し、その後、圧力を開放した。その後すぐに、３０℃の冷却水を通した冷却用プレス装置に、上記熱プレスされた積層体を配置して、２ＭＰａの圧力を印加しながら３分間保持し、その後、圧力を開放した。その後、冷却用プレス装置から積層体を取り出し、離型フィルムを除去して、７層の繊維強化樹脂層が積層されてなる強化層のみからなる、成形体１を得た。

離型フィルムに配置された７枚の融着用シートの、底面フィルムの表面に沿って定めた一方向に対して炭素繊維の配向方向がなす角度が、表１に示す角度となるように、融着用シートを作製して熱プレスし、成形体２～成形体８を得た。なお、成形体４の作製時には、一方向に配列した炭素繊維にポリアミド１２（宇部興産株式会社製、ＵＢＥＳＴＡ３０１４Ｕ）を含浸させたＵＤシート（繊維体積分率（ＶＦ）：５０％、厚さ、０．１６ｍｍ）を用意した。

成形体１～成形体８の各層の繊維強化樹脂層におけるマトリクス樹脂の種類、および、炭素繊維の配向方向が上記一方向に対してなす角度を、表１に示す。なお、第１層が最も底面フィルム側に配置された層であり、第７層が最も底面フィルム側に配置された層である。

２．成形体の評価
成形体１～成形体８を、上記底面フィルムの表面に沿って定めた一方向を縦方向として、縦２５０ｍｍ×横１５ｍｍの引張試験片形状に切り出した。それぞれの成形体から切り出された切出片に対して、縦方向の両端部にガラス繊維強化樹脂（ＧＦＲＰ）製のタブ（日光化成株式会社製、ニコライトＮＬ－ＥＧ、５６ｍｍ×１５ｍｍ×１．５ｍｍ）を接着剤（東亜合成株式会社製、アロンアルファ エクストラ ４０２０）によって張り付けて、引張試験片とした。

引張試験機（株式会社島津製作所製、ＡＧ－Ｘ １００ｋＮ）にそれぞれの引張試験片を設置して、引張速度１．５ｍｍ／分、２３℃で引張試験を行った。ＩＳＯ ５２７－５（２００９年）に準拠して、得られた応力ひずみ線図から、引張弾性率、引張破断強度および破断ひずみを求めた。また、応力ひずみ線図における破断までの応力の積分値をひずみエネルギーとし、得られた歪みエネルギーを引張試験片の体積で除算して、単位体積あたりのひずみエネルギーを求めた。

成形体１～成形体８の評価結果を、表２に示す。

表２から明らかなように、成形体の長軸（縦）方向に対して炭素繊維の配向方向がなす角度を０°に近づけるほど、引張弾性率および引張破断強度が高くなる傾向が見られたが、一方で破断ひずみは小さくなっていた（成形体５、成型体８など）。また、炭素繊維の配向方向を０°と９０°としたときも同様の形状が見られた（成形体７）。
炭素繊維の配向方向を９０°に近づけると、破断ひずみは大きくなる傾向が見られたが、一方で引張弾性率が低下し、ひずみエネルギーも極端に低下していた（成形体６）。

これに対し、炭素繊維の配向方向を２５°以上６５°以下とすると、弾性率が高く、かつ破断ひずみも大きくして、ひずみエネルギーが高い成形体を得ることができた（成形体１～成形体４）。

本出願は、２０２０年９月１７日出願の日本国出願番号２０２０－１５６４１７号に基づく優先権を主張する出願であり、当該出願の明細書、特許請求の範囲および図面に記載された内容は本出願に援用される。

本発明の成形体は、弾性が高く、かつ荷重の印加によるエネルギーを軽減する性能も高い。そのため、本発明の成形体は、各種構造材および補強材として好適に使用することができる。

Claims (10)

1. 一方向に配向して配列された複数の強化繊維と、前記強化繊維に含浸されたマトリクス樹脂と、を含む繊維強化樹脂層が積層されてなる強化層を有する成形体（ＦＲＰ製円筒体を除く）であって、
   前記強化層は、前記繊維強化樹脂層の積層方向に平面視したときの表面形状が、その内部に含まれ得る最も面積の大きな長方形を設定したときに、短辺および長辺を有する長方形が１つのみ設定される形状であり、
   前記長方形の対向する短辺同士を結ぶ方向を長軸方向とするとき、
   前記強化層は、前記強化層の長軸方向に対して前記強化繊維がなす角度である、ずらし角度が、２５°以上６５°以下または－６５°以上－２５°以下となる繊維強化樹脂層である、配向ずらし層を複数層有し、
   前記複数の配向ずらし層は、
   前記ずらし角度が２５°以上６５°以下である正の配向ずらし層と、
   前記ずらし角度が－６５°以上－２５°以下である負の配向ずらし層と、
   が積層方向に連続して配置された一組の配向ずらし層を有し、
   前記強化層は、
   前記強化層の長軸方向に対して－２５°より大きく２５°未満の角度に配向して配列された複数の強化繊維と、前記強化繊維に含浸されかつ前記配向ずらし層のマトリクス樹脂と融着しているマトリクス樹脂と、を含む非配向ずらし層を有さず、
   前記強化層の長軸方向に対して６５°より大きく９０°以下または－９０°以上－６５°未満の角度に配向して配列された複数の強化繊維と、前記強化繊維に含浸されかつ前記配向ずらし層のマトリクス樹脂と融着しているマトリクス樹脂と、を含む非配向ずらし層を有さない、
   成形体。
2. 前記連続して配置された一組の配向ずらし層は、すべての前記配向ずらし層の組において、前記ずらし角度の絶対値の差が１０°以下である、請求項１に記載の成形体。
3. 前記強化層における、
   前記ずらし角度の絶対値が最も大きい配向ずらし層と、
   前記ずらし角度の絶対値が最も小さい配向ずらし層と、との間の、
   前記ずらし角度の絶対値の差が１０°以下である、
   請求項１または２に記載の成形体。
4. 前記配向ずらし層における前記ずらし角度の絶対値と、
   複数の強化繊維と、前記強化繊維に含浸されかつ前記配向ずらし層のマトリクス樹脂と融着しているマトリクス樹脂と、を含む繊維強化樹脂層における前記強化繊維が前記強化層に長軸方向に対してなす角度の絶対値と
   の差は常に１０°以下である、
   請求項１～３のいずれか１項に記載の成形体。
5. 前記マトリクス樹脂は、熱可塑性樹脂である、請求項１～４のいずれか１項に記載の成形体。
6. 前記強化繊維は、炭素繊維またはガラス繊維である、請求項１～５のいずれか１項に記載の成形体。
7. 前記強化層と、前記強化層を表面に有する基材と、を有する、請求項１～６のいずれか１項に記載の成形体。
8. 前記基材は長軸状の形状であり、前記基材の長軸方向と前記強化層の長軸方向との角度差は０°以上１０°以下である、請求項７に記載の成形体。
9. 前記強化層のみからなる、請求項１～６のいずれか１項に記載の成形体。
10. 一方向に配向して配列された複数の強化繊維と、上記強化繊維に含浸されたマトリクス樹脂と、を有する複数の薄膜状の繊維強化樹脂を積層し互いに溶着させて強化層を形成する工程を有する、成形体の製造方法（ＦＲＰ製円筒体の製造方法を除く）であって、
    前記強化層は、前記繊維強化樹脂の積層方向に平面視したときの表面形状が、その内部に含まれ得る最も面積の大きな長方形を設定したときに、短辺および長辺を有する長方形が１つのみ設定される形状であり、
    前記長方形の対向する短辺同士を結ぶ方向を長軸方向とするとき、
    複数の薄膜状の繊維強化樹脂を、前記強化層の長軸方向に対して前記強化繊維がなす角度である、ずらし角度が、２５°以上６５°以下または－６５°以上－２５°以下となる繊維強化樹脂層が、複数層形成される角度に配置して融着させて前記強化層を形成し、
    このとき、
    前記ずらし角度が２５°以上６５°以下である繊維強化樹脂層と、
    前記ずらし角度が－６５°以上－２５°以下である繊維強化樹脂層と、
    が積層方向に連続して配置された一組の繊維強化樹脂層を形成し、
    ただし、前記複数の薄膜状の繊維強化樹脂のいずれも、前記ずらし角度が－２５°より大きく２５°未満となる繊維強化樹脂層が形成される角度には配置せず、かつ、
    前記複数の薄膜状の繊維強化樹脂のいずれも、前記ずらし角度が６５°より大きく９０°以下または－９０°以上－６５°未満となる繊維強化樹脂層が形成される角度には配置せずに前記強化層を形成する、
    成形体の製造方法。