JPWO2008020628A1 - 多軸補強積層成型品及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、高強度で層間剥離の発生を抑止した積層成形品を得ることができ、製造時間の短縮及び製造コストの節減が可能な多軸補強積層成型品及びその製造方法を提供することを目的とするものである。多軸補強積層成型品Ｆは、補強繊維シートを備えた繊維補強層ＳＲ１〜ＳＲ３が積層されて構成されており、補強繊維シートの補強繊維が３軸方向に配列するように積層されている。各繊維補強層の間には樹脂層ＴＰ１及びＴＰ２が形成されている。樹脂層ＴＰ１及びＴＰ２は、多数の粒子状熱可塑性樹脂材料がほぼ均一に分布して互いに熱融着しており、分布した熱可塑性樹脂材料が隣接する繊維補強層に熱融着により接着した状態となっている。熱可塑性樹脂材料の間には、多数の微小な隙間が形成されて熱硬化性樹脂材料が含浸して各繊維補強層及び各樹脂層全体に満遍なく行き渡っている。

Description

本発明は、炭素繊維、ガラス繊維などの補強繊維からなる補強繊維シートを多方向に配列して熱硬化性樹脂をマトリックスとして含浸させた多軸補強積層成型品及びその製造方法に関するものである。

繊維補強複合材料は、繊維材料とマトリックス材料を組み合せたもので、軽量で剛性が高く多様な機能設計が可能な材料であり、航空宇宙分野、輸送分野、土木建築分野、運動器具分野等の幅広い分野で用いられている。特に、炭素繊維又はガラス繊維といった補強繊維材料を熱硬化性樹脂材料と組み合せた繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）が主流となっている。ＦＲＰでは、一方向に引き揃えられた長繊維からなる補強繊維シートを積層しその方向を多方向に設定することで、多方向の強度が強化されたＦＲＰを設計することができる。また、一方向に引き揃えられた帯状の長繊維糸を用いて織成した織物シートを使用してＦＲＰを製造することも行われている。

マトリックス樹脂材料としてエポキシ樹脂材料等の熱硬化性樹脂材料を使用すると、成形時の粘度が低く繊維束中への樹脂材料の含浸が容易であり、積層成形法等のいろいろな成形法により成形品を得やすいといった利点がある。しかし、熱硬化性樹脂材料は、一般に靭性が低く、成形品の耐衝撃特性が低くなりやすい。さらに、積層成形品では、引張り荷重が加わると層間剥離が生じやすいといった問題があった。

層間剥離への対応策として、例えば、特許文献１では、長繊維からなる強化繊維、熱硬化性樹脂組成物、熱硬化性樹脂組成物に溶解しない微粒子及び熱硬化性樹脂組成物に溶解しうる樹脂を素材とする微粒子からなり、両微粒子が表面に局在化している繊維強化複合材料が記載されており、表面に局在化した両微粒子によってプリプレグのハンドリング性を維持しつつ、耐衝撃性、層間靭性の向上を図る点が記載されている。そして、微粒子を表面へ局在化させる方法としては、強化繊維及びマトリックス樹脂からなるプリプレグの表面に両微粒子を付着させる方法、両微粒子をマトリックス樹脂の中に予め均一となるように混合しておき、強化繊維に含浸させる過程において繊維間隙によるろ過現象によりプリプレグの表面に局在化させる方法、マトリックスの一部を強化繊維に含浸させた一次プリプレグを作成し、両微粒子を高濃度に含有する残りのマトリックス樹脂を塗布したフィルムを一次プリプレグに貼り付ける方法が挙げられている。こうした強化繊維、マトリックス樹脂及び樹脂微粒子を構成要素とするプリプレグは、特許文献２においても記載されている。

また、他の方法として、非特許文献１では、積層成形して繊維補強複合材料を製造する場合、厚さの薄いプリプレグシートを用いることで、マイクロクラック（層内樹脂割れ）やデラミネーション（層間剥離）の発生を抑止することができると報告されている。

一方、複合材料の成形加工においても、低コストの生産技術を確立することは重要である。成形加工法の主流といえる積層成形法では、繊維補強シートやプリプレグシートをいかに効率よく積層するかが課題となるが、その解決方法の１つとして、あらかじめ多方向に繊維を配列させた多軸補強シート材を使用する方法が提案されており、積層回数を軽減する、疑似等方性が得やすいなどの利点から注目されている。

多軸補強シート材として、例えば、特許文献３では、トウ状の炭素繊維糸の複数本が互いに並列に配列されてなるシートの複数枚が、それぞれのシートの炭素繊維糸の配列方向が、基準とする方向に対して、異なる角度をもって積層された状態で、ステッチ糸で一体化されたステッチ基材であり、このステッチ基材にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化プラスチックが記載されている。

また、特許文献４では、長手方向に対して繊維シートの方向が＋θ°よりなる第１繊維シート層と繊維シートの方向が−θ°よりなる第２繊維シート層の二層から構成された繊維補強シートで、前記繊維シートが、熱融着糸、または、目止め剤を付着させた繊維束よりなることを特徴とする二軸補強の繊維補強シートが記載されている。
特開平７−４１５７５号公報 米国特許第５０２８４７８号明細書 国際公開第２００１／０６３０３３ 特開２００６−０２２４７１ 国際公開第２００５／００２８１９号パンフレット 笹山秀樹外５名「多方向強化複合材料積層板の初期破損に関する層厚さの影響」、日本複合材料学会誌、30、4（2004）、p.142-148

上述した特許文献１及び２に記載された方法では、シート表面に微粒子を局在化させた一方向に繊維補強されたプリプレグシートを積層して成形品を得るが、当該プリプレグシートの積層体をオートクレーブ法などにより成形する際、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂材料は繊維束中を流動するため微粒子が熱硬化性樹脂とともに流動し、微粒子をシート層間に安定した状態で滞留させることが難しい。各層間に十分な量の微粒子を均一に分布させないと、強度にムラが発生して層間靭性を十分向上させることができないといった課題がある。

さらに、特許文献１及び２には、一方向補強されたプリプレグシートを使用して多方向に補強された積層成形品を得る方法が記載されているが、こうした方法では一方向補強プリプレグシートそのものを予め製造するための手間がかかり、さらにプリプレグシートの積層回数が増えて積層成形品を得るまでの所要時間がかかることから、製造コストが高くならざるを得ない。

特許文献３では、多軸補強されたステッチ基材を製造し、樹脂材料を含浸させた繊維強化プラスチックが記載されているが、ステッチ糸の存在により熱硬化性樹脂材料がステッチ部分に過度に存在するようになり、積層成形品を得た場合に、その部分に応力集中が発生し積層材の強度が低下する課題がある。さらにステッチ糸により繊維束が拘束されるため、繊維束中に熱硬化性樹脂の未含浸部分が生じる課題がある。

特許文献４では、熱融着糸、または、目止め剤を付着させた繊維シートを使用した二軸補強の繊維補強シートが記載されているが、熱融着糸及び目止め剤の使用目的は、繊維がばらけない、つまり繊維を目止めすることにあるため、繊維シート上における熱融着糸および目止め剤の分布状態が均一に分布されているとは限らない。また、その使用量も定められているわけではなく、熱融着糸および目止め剤の多い部分が存在すると、積層成形品を得た場合に、その部分に応力集中が発生しその部分から破壊しやすくなるおそれがある。つまり、熱硬化性樹脂材料を含浸させて機械的特性に優れた積層成型品を得ることを目的とした熱融着糸及び目止め剤の使用が行われていないのである。

本発明者らは、これまで鋭意研究開発を進めた結果、非特許文献１に記載されているように、長繊維が集束した長繊維束を開繊した幅広で厚さの薄い繊維補強シートを用いることで、マイクロクラック（層内樹脂割れ）やデラミネーション（層間剥離）の発生を抑えた積層成形品を得ることができるという知見を得ており、また、特許文献５に記載されているように、材料コストが安い太繊度繊維束を幅広で薄い開繊シートに製造する開繊技術を開発している。

そこで、本発明は、こうした知見や開繊技術に基づいて、高強度で層間剥離の発生を抑止した補強繊維及び熱硬化性樹脂材料を備えた多軸補強積層成型品、並びに製造時間の短縮及び製造コストの節減を可能とする多軸補強積層成型品の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係る多軸補強積層成型品は、補強繊維がｎ（ｎは２以上）軸方向に配列するように積層された複数の繊維補強層を備えるとともに熱硬化性樹脂材料が全体に含浸されて硬化した多軸補強積層成型品であって、繊維補強層のうち少なくとも一層は平均厚みが８０μｍ以下であり、各繊維補強層間には、片面側又は両面側の繊維補強層の平均厚みｔに対して平均厚み０．３×ｔ以下の樹脂層が形成されており、各樹脂層には、熱硬化性樹脂材料中に体積比３０〜７０％の熱可塑性樹脂材料がほぼ均一に分布して少なくとも一部が繊維補強層に接着していることを特徴とする。さらに、前記樹脂層の平均厚みは、片面側又は両面側の繊維補強層の平均厚みｔに対して平均厚み０．２×ｔ以下であることを特徴とする。さらに、前記熱可塑性樹脂材料が粒子状又は繊維状であることを特徴とする。さらに、前記繊維補強層は、すべて平均厚み８０μｍ以下であることを特徴とする。

本発明に係る多軸補強積層成型品の製造方法は、複数本の連続した補強繊維をほぼ均一に引き揃えて構成され少なくとも１枚は目付け８０ｇ／ｍ²以下である複数枚の補強繊維シートに対して、各補強繊維シートの片面又は両面に、積層する際に隣接する補強繊維シートのうち単位面積当り重量が小さい補強繊維シートの重量に対して１０％以下の量となるように熱可塑性樹脂材料をほぼ均一に分散させた後、当該熱可塑性樹脂材料を加熱又は加熱加圧することにより当該補強繊維シートに付着させて樹脂付着補強繊維シートを形成する樹脂付着工程と、複数枚の樹脂付着補強繊維シートを、それぞれの補強繊維の引き揃えた方向が多方向となり、かつ、各樹脂付着補強繊維シート間に前記熱可塑性樹脂材料が配置されるように積層して積層シートを形成する積層工程と、積層シートの少なくとも一方の面側から熱硬化性樹脂材料を含浸させて多軸補強プリプレグシートを形成する含浸工程と、前記多軸補強プリプレグシートを所要の大きさに切断し、所要の角度で、所要の枚数を積層した後、加熱加圧成型することにより熱硬化性樹脂材料を硬化させる成型工程と、を備えることを特徴とする。さらに、前記積層工程では、少なくとも１枚の連続した樹脂付着補強繊維シートを用いて連続した積層シートを形成することを特徴とする。

本発明に係る別の多軸補強積層成型品の製造方法は、複数本の連続した補強繊維をほぼ均一に引き揃えて構成され少なくとも１枚は目付け８０ｇ／ｍ²以下である複数枚の補強繊維シートに対して、各補強繊維シートの片面又は両面に、積層する際に隣接する補強繊維シートのうち単位面積当り重量が小さい補強繊維シートの重量に対して１０％以下の量となるように熱可塑性樹脂材料をほぼ均一に分散させた後、当該熱可塑性樹脂材料を加熱又は加熱加圧することにより当該補強繊維シートに付着させて樹脂付着補強繊維シートを形成する樹脂付着工程と、少なくとも１枚の連続した樹脂付着補強繊維シートを含む複数枚の樹脂付着補強繊維シートを、それぞれの補強繊維の引き揃えた方向が多方向となり、かつ、各樹脂付着補強繊維シート間に前記熱可塑性樹脂材料が配置されるように積層して連続した積層シートを形成する積層工程と、連続した積層シートの少なくとも一方の面側から熱硬化性樹脂材料を含浸させて連続した多軸補強プリプレグシートを形成する含浸工程と、前記多軸補強プリプレグシートを所要の大きさに切断し、所要の角度で、所要の枚数を積層した後、加熱加圧成型することにより熱硬化性樹脂材料を硬化させる成型工程と、を備えることを特徴とする。

本発明に係るさらに別の多軸補強積層成型品の製造方法は、複数本の連続した補強繊維をほぼ均一に引き揃えて構成され少なくとも１枚は目付け８０ｇ／ｍ²以下である複数枚の補強繊維シートに対して、各補強繊維シートの片面又は両面に、積層する際に隣接する補強繊維シートのうち単位面積当り重量が小さい補強繊維シートの重量に対して１０％以下の量となるように熱可塑性樹脂材料をほぼ均一に分散させた後、当該熱可塑性樹脂材料を加熱又は加熱加圧することにより当該補強繊維シートに付着させて樹脂付着補強繊維シートを形成する樹脂付着工程と、複数枚の樹脂付着補強繊維シートを、それぞれの補強繊維の引き揃えた方向が多方向となり、かつ、各樹脂付着補強繊維シート間に前記熱可塑性樹脂材料が配置されるように積層して積層シートを形成する積層工程と、前記積層シートを所要の大きさに切断し、所要の角度で、所要の枚数を成型型内に積層した後、当該成型型内に熱硬化性樹脂材料を注入し前記積層シートに熱硬化性樹脂材料を含浸させ、加熱又は加熱加圧成型することにより熱硬化性樹脂材料を硬化させる成型工程と、を備えることを特徴とする。

さらに、上記の製造方法において、積層シートを加熱又は加熱加圧することで、各補強繊維シートを熱可塑性樹脂材料により互いに熱融着させて一体化する一体化工程を備えることを特徴とする。さらに、前記熱可塑性樹脂材料として、平均粒径が８０μｍ以下の微粒子又は平均断面径８０μｍ以下の繊維の熱可塑性樹脂材料を用いることを特徴とする。さらに、前記補強繊維シートは、少なくとも１枚が、補強繊維束を連続して開繊させた開繊糸を幅方向に複数本引き揃えた、目付け８０ｇ／ｍ²以下の開繊糸シートであることを特徴とする。

本発明に係る多軸補強積層成型品は、繊維補強層のうち少なくとも一層は平均厚みが８０μｍ以下であるので、例えば、引張荷重の加わる方向がわかる場合、その方向とほぼ直交する方向に補強されるよう薄層の繊維補強層を形成することにより、非特許文献１に記載されているように、マイクロクラック（層内樹脂割れ）やデラミネーション（層間剥離）の発生を抑えることが期待できる。さらに、すべての層が薄層の繊維補強層である場合、種々の方向から加わる強度に対して、マイクロクラック（層内樹脂割れ）やデラミネーション（層間剥離）の発生を抑えることができる。

また、本発明に係る多軸補強積層成型品は、各繊維補強層間に、片面側又は両面側の繊維補強層の平均厚みｔに対して平均厚み０．３×ｔ以下の樹脂層を形成することで、樹脂層が薄層化されてその部分への応力集中が抑止される。平均厚みが０．３×ｔを超えると、その部分への応力集中が発生して層間剥離の発生、剥離の進展等が生じやすくなる。また、各繊維補強層は隣接する繊維補強層からの拘束により曲げ強度及び圧縮強度などの種々の機械的特性が向上することもあるため、樹脂層の厚みは薄層であるほどよく、樹脂層は０．２×ｔ以下に形成するのがさらに好ましい。

なお、各繊維補強層間には、粒子状又は繊維状の熱可塑性樹脂材料がほぼ均一に分布しているため、樹脂層は必ず存在するようになる。ここで、粒子状の熱可塑性樹脂材料には、潰れて扁平状になったものも含まれる。

本発明者らが実験した経験的な知見によれば、樹脂層の平均厚みの最小値は０．０７７×ｔであり、部分的には０．０５×ｔの厚みも存在した。したがって、こうした知見に基づき、樹脂層は、平均厚み０．０５×ｔ以上となる。また、樹脂層の平均厚みの最大値は０．２９４×ｔとなった。局所的には０．３×ｔ以上になる部分もあるが、平均厚みでみると全体として樹脂層は０．３×ｔ以下になる。

また、各樹脂層には、熱硬化性樹脂材料中に体積比３０〜７０％の熱可塑性樹脂材料がほぼ均一に分布して少なくとも一部が繊維補強層に接着しているので、熱可塑性樹脂材料が不均一に分布することによる応力集中が発生せず、熱可塑性樹脂材料が体積比３０〜７０％存在して少なくとも一部が繊維補強層に接着していることで、熱硬化性樹脂材料の含浸に伴う樹脂流動による補強繊維のばらけや蛇行を確実に防止することができる。

本発明に係る多軸補強積層成型品の製造方法では、複数本の連続した補強繊維をほぼ均一に引き揃えて構成され少なくとも１枚は目付け８０ｇ／ｍ²以下である複数枚の補強繊維シートに対して、各補強繊維シートの片面又は両面に、熱可塑性樹脂材料を付着させ補強繊維シートの目止めすることが重要である。補強繊維シートを多方向に積層した後に熱硬化性樹脂材料を含浸させる際に、ほぼ均一に引き揃えられた補強を予め熱可塑性樹脂材料で目止めして、樹脂の流れによる繊維蛇行を防止することができる。そして、熱可塑性樹脂材料を補強繊維シート全体にほぼ均一に分散させて付着させておけば、補強繊維シート全体において熱硬化性樹脂材料の含浸時に樹脂流動による繊維蛇行を防止できる。

また、分散する熱可塑性樹脂材料の量を、積層する際に隣接する補強繊維シートのうち単位面積当り重量が小さい補強繊維シートの重量に対して１０％以下の量に設定することで、薄層の樹脂層を形成することができる。なお、熱可塑性樹脂材料が補強繊維に接着し目止め効果を得るには、熱可塑性樹脂材料の量が多いほど良い。しかし、熱可塑性樹脂材料の量が多くなると、各繊維補強層間に形成される樹脂層が厚くなり、その部分への応力集中が発生して層間剥離の発生、剥離の進展等が生じやすくなる。本発明者らの知見によれば、目止め効果が得られるとともに応力集中による剥離現象を抑えるには、熱可塑性樹脂材料の量を、積層する際に隣接する補強繊維シートのうち単位面積当り重量が小さい補強繊維シートの重量に対して１〜１０％の範囲内に設定することが望ましい。

また、熱可塑性樹脂材料を分散した後、加熱または加熱加圧することにより補強繊維シートに付着させることで、熱可塑性樹脂材料が扁平な状態に広がって付着するようになり、形成される樹脂層を薄層化することができる。熱可塑性樹脂材料が粒子状又は繊維状であればほぼ均一に分布させる上で好ましく、繊維補強層全体に満遍なく接着させることができる。また、熱可塑性樹脂材料を揮発性の有機溶媒に溶解させた溶液を噴霧又は塗布等により補強繊維シート上に満遍なく付着させることで、熱可塑性樹脂材料を分散させるようにしてもよい。そして、熱可塑性樹脂材料として、平均粒径が８０μｍ以下の微粒子又は平均断面径８０μｍ以下の繊維の熱可塑性樹脂材料を用いることで、より均一に分散させられるとともに、樹脂層の薄層化に寄与する。また、溶液の噴霧又は塗布等により熱可塑性樹脂材料を分散させれば、さらに樹脂層の薄層化が可能になる。

また、目付け８０ｇ／ｍ²以下の補強繊維シートを用いることで、繊維径７μｍの炭素繊維を使用し繊維体積含有率６０％の繊維補強層を考えた場合、目付け８０ｇ／ｍ²の繊維量で平均厚み約８０μｍの薄層の繊維補強層を得ることができ、より薄層化した繊維補強層を形成してマイクロクラック（層内樹脂割れ）やデラミネーション（層間剥離）の発生を抑えられた多軸補強積層成型品を得ることができる。

また、積層シートに熱硬化性樹脂材料を含浸させるので、含浸工程が一度で済むため、製造時間の短縮及び製造コストの節減を実現できる。例えば、一方向補強プリプレグシートを製造しそれらのプリプレグシートを積層して多軸補強プリプレグシートを製造する方法では、一方向補強プリプレグシートを製造するために複数回含浸工程が必要となるが、本発明では、積層した後に含浸するため効率よく多軸補強プリプレグシートを製造することができる。

また、積層シートを所要の大きさに切断し、所要の角度で、所要の枚数を成型型内に積層することにより、従来の一方向補強シートを順に積層する場合に比べそうした手間が省ける。特に、薄層シートであれば、積層回数が増え、またシートを構成する繊維がばらけ易いが、本発明で使用する積層シートであれば、繊維がばらけることなく、積層回数を削減して、成型型内に積層する作業を効率化できる。

さらに、本発明で使用する積層シートは、ステッチ止めされた多軸補強シートと比べ、繊維が予め均一に分散されているため、樹脂含浸において、樹脂の多い部分（樹脂リッチ部分）ができにくい。特に、薄層シート部分において、繊維が均一に分散していることは重要であり、ステッチなどの存在により、繊維がまとめられている部分と樹脂の多い部分が生じると、そうした不均一による応力集中が生じて剥離等の問題が発生する可能性が高まる。

また、積層シートを加熱又は加熱加圧することで、各補強繊維シートを熱可塑性樹脂材料により互いに熱融着させて一体化することで、各補強繊維シートの目止め効果が向上し、積層シートをハンドリングする際にも各補強繊維シートがばらけずに扱いやすくなる。

以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。

図１は、本発明に係る実施形態に関する多軸補強積層成型品Ｆの断面の一部を拡大して示す模式図である。多軸補強積層成型品Ｆは、補強繊維シートを備えた繊維補強層を複数積層して構成されており、各繊維補強層の補強繊維シートの補強繊維がｎ（ｎは２以上）軸方向に配列するように積層されている。図１では、補強繊維シートを備えた繊維補強層ＳＲ１〜ＳＲ３が積層された部分を拡大して示しており、各繊維補強層の補強繊維シートの補強繊維が異なる軸方向に配列するように積層されている。

各繊維補強層の間には樹脂層ＴＰ１及びＴＰ２が形成されている。樹脂層ＴＰ１及びＴＰ２は、熱可塑性樹脂材料がほぼ均一に分布して互いに熱融着しており、さらに、分布した熱可塑性樹脂材料が隣接する繊維補強層に熱融着により接着した状態となっている。なお、熱可塑性樹脂材料は加熱または加熱加圧の工程により、その形状が扁平に押し広げられた薄層状態になって、樹脂層に存在する。また、熱可塑性樹脂材料の間には、多数の微小な隙間が形成されて熱硬化性樹脂材料が容易に含浸できるようになっている。そして、図示されていないが、各繊維補強層及び各樹脂層全体に熱硬化性樹脂材料が満遍なく行き渡っている。

繊維補強層ＳＲ１〜ＳＲ３の補強繊維シートは、複数本の補強繊維を面状にほぼ均一に引き揃えて構成されている。補強繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、ポリオキシメチレン繊維、アロマティック・ポリアミド繊維等のＦＲＰに用いられる高強度・高弾性率の無機繊維や有機繊維などが挙げられ、これらの繊維を複数組み合せてもよく、また繊度については特に限定されない。また、特許文献３に記載されているような公知技術により幅広で薄い補強繊維シートに成形されるようになる。

また、補強繊維シートの厚さは、８０μｍ以下となるように成形することが好ましく、非特許文献１に記載されているように、補強繊維シートの厚さが薄くなることで、層間剥離の発生を抑えることができる。繊維径７μｍの炭素繊維を使用し繊維体積含有率６０％の繊維補強層を考えた場合、目付け８０ｇ／ｍ²の繊維量で平均厚み約８０μｍの薄層の繊維補強層を得ることができる。

なお、厚さの測定については、ＪＩＳ Ｒ３４２０−１９８９「ガラス繊維一般試験方法」を参考に、最小目盛１μｍの数字表示式マイクロメータを使用し、測定面が試料面に平行に軽く接触した状態でラチェットが３回音を立てた時の目盛値を厚さとした。

樹脂層に分布している熱可塑性樹脂材料は、補強繊維シートを熱融着して補強繊維がばらけないように一体化するもので、アクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂等の種々の熱可塑性樹脂が使用されるが、特に融点の低い熱可塑性樹脂材料が好ましく、例えば、吸水性の低いポリアミド１２等が好ましい。熱可塑性樹脂材料の大きさは、長繊維を確実に止着し、かつ均一に薄い状態で分散することができる大きさが望ましく、粒子状の場合には平均粒径が８０μｍ以下、好ましくは５〜４０μｍ程度に設定するとよい。粒子状の熱可塑性樹脂材料の代わりに繊維状の熱可塑性樹脂材料を用いることもでき、その場合には平均断面径が８０μｍ以下短繊維又は長繊維を用いるとよい。

なお、樹脂層は、熱可塑性樹脂材料が加熱または加熱加圧され、その形状が扁平に押し広げられた薄層状態になることで形成される。そして、熱可塑性樹脂材料の間には隙間が形成されて熱硬化性樹脂材料が含浸できるようになっている。熱硬化性樹脂材料を容易に、かつボイドなく品質の良い状態で含浸させ、熱可塑性樹脂材料に応力集中が生じないようにするためには、熱可塑性樹脂材料の間に形成される隙間は小さくするとともにできるだけ均一な隙間に形成することが重要となる。そのためには、熱可塑性樹脂材料の大きさを小さくするとともにできるだけ均一に分散させることが必要であり、こうしたことから熱可塑性樹脂材料として繊維状のものより粒子状のものが好ましく、粒径の細かい粒子状の熱可塑性樹脂材料を均一に分散させることがさらに望ましい。

また、熱可塑性樹脂材料を有機溶媒などで溶かした溶液状のものを用いてもよい。溶液状の熱可塑性樹脂材料を補強繊維シートに均一に塗布した後、加熱または加熱加圧により溶媒を揮発させ、熱可塑性樹脂材料を補強繊維に止着させてもよい。なお、溶液状の熱可塑性樹脂は有機溶媒の揮発という工程がふくまれるため、人体への影響が懸念される。従って、有機溶媒を使用しない、粉体状または繊維状の熱可塑性樹脂材料を用いる工程の方が、人体への影響も少なくなる。

また、樹脂層内に分布する熱可塑性樹脂材料の量は、各補強繊維シートの熱融着を行うとともに熱硬化性樹脂材料の含浸の妨げとならない量に設定することが必要で、積層する際に隣接する補強繊維シートのうち単位面積当り重量が小さい補強繊維シートの重量に対して１０％以下の量となるように設定するのがよく、好ましくは３〜８％である。

熱硬化性樹脂材料としては、熱又は光や電子線等のエネルギーにより硬化する樹脂が好ましく、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂が挙げられる。特に、エポキシ樹脂が好ましく用いられ、一般に硬化剤や硬化触媒と組み合せて用いられる。

樹脂層には、熱硬化性樹脂材料中に体積比３０％〜７０％の熱可塑性樹脂材料が含まれていることが好ましい。体積比が３０％未満では熱可塑性樹脂材料が補強繊維シート全体に熱融着するのに十分ではなく、補強繊維シートがばらけやすくなる。また、体積比が７０％を超えると、含浸する熱硬化性樹脂材料の量が少なくなり、プリプレグシートを固化した場合に、層間での応力集中などにより機械的強度低下を生じやすくなる。

樹脂層の厚さは、片面側又は両面側の繊維補強層の平均厚みｔに対して平均厚み０．３×ｔ以下に設定するとよい。図１の例では、例えば、樹脂層ＴＰ１の平均厚みｄ１とすると、両面側の繊維補強層ＳＲ１及びＳＲ２のそれぞれの平均厚みｔ１及びｔ２であるから、
ｄ１＝０．３×ｔ１、又は、０．３×ｔ２、又は、０．３×（ｔ１＋ｔ２）／２
に設定すればよい。平均厚さが繊維補強層の平均厚みの０．３倍を超えると、樹脂層が厚くなって層間剥離が発生しやすくなるため、０．３倍以下に設定することが好ましい。また、各繊維補強層は隣接する繊維補強層からの拘束により曲げ強度及び圧縮強度などの種々の機械的特性が向上することもあるため、樹脂層の厚みは薄層であるほどよく、０．２倍以下に設定することがさらに好ましい。

繊維補強層中には図２に示すような局所的な樹脂リッチ部ＰＲが存在する場合がある。しかし、その大きさは小さいため、応力集中などによる機械的強度低下の原因となることはない。局所的な樹脂リッチ部などの存在により厚みが一定になりにくい箇所も存在するが、厚みは、図２に示すように層としての平均厚みを用いればよい。

多軸補強積層成型品Ｐの成型に用いる多軸補強プリプレグシート全体の平均厚みは、３００μｍ以下とすることが好ましい。平均厚みを３００μｍ以下に設定しておけば、プリプレグシート製造時に、内部まで熱硬化性樹脂材料が確実に含浸されてボイド（空隙）部分の発生しない良好な品質のシートとなる。一方、平均厚みが３００μｍを超えると、ドレープ性が低下したシートとなり、プリプレグシートを積層成形する際に加工が難しくなる。

図３及び図４は、多軸補強積層成型品の製造工程における樹脂付着工程に関する説明図であり、図３は、補強繊維シートの片面に熱可塑性樹脂材料をほぼ均一に分散させて熱融着させる樹脂付着工程を示す説明図である。

補強繊維シートは、例えば、特許文献３に記載されているような公知技術によって開繊されてシート供給ローラ１に巻き付けられており、シート供給ローラ１から順次繰出されるようになっている。補強繊維シートの目付けは８０ｇ／ｍ²に設定されている。繰出された補強繊維シートの上方に、粉末状、繊維状又は溶液状の熱可塑性樹脂材料が収容された散布器Ｔ１が配置されており、散布器Ｔ１の散布口から補強繊維シートの上面に全幅にわたって熱可塑性樹脂材料がほぼ均一に散布される。散布する量は、積層する際に隣接する補強繊維シートのうち単位面積当り重量が小さい補強繊維シートの重量に対して５％以下の量に設定しておく。

繰出される補強繊維シートの上方には、離型フィルムＲ１が巻き付けられたフィルム供給ローラ３が配置されており、散布された熱可塑性樹脂材料の上面にフィルム供給ローラ３から繰出された離型フィルムＲ１が搬送される。離型フィルムＲ１は、補強繊維シートに重ね合わされてヒートローラ２ａ及びプレスローラ２ｂの間に搬入されて密着した状態で巻取りローラ７に巻き取られる。補強繊維シート上に散布された熱可塑性樹脂材料は、ヒートローラ２ａの加熱処理により補強繊維シートに熱融着されて補強繊維ばらけ、各繊維の蛇行を防止する。

図４は、補強繊維シートの両面に熱可塑性樹脂材料をほぼ均一に分散させて熱融着させる樹脂付着工程を示す説明図である。供給ローラ１から繰出された補強繊維シートの上方に、粉末状、繊維状又は溶液状の熱可塑性樹脂材料が収容された散布器Ｔ２が配置されており、散布器Ｔ１の散布口から補強繊維シートの上面に全幅にわたって熱可塑性樹脂材料がほぼ均一に散布される。散布する量は、積層する際に隣接する補強繊維シートのうち単位面積当り重量が小さい補強繊維シートの重量に対して５％以下の量に設定しておく。

繰出される補強繊維シートの上方には、離型フィルムＲ２が巻き付けられたフィルム供給ローラ４が配置されており、散布された熱可塑性樹脂材料の上面にフィルム供給ローラ４から繰出された離型フィルムＲ２が搬送される。また、繰出される補強繊維シートの下方には、離型フィルムＲ３が巻き付けられたフィルム供給ローラ５が配置されており、フィルム供給ローラ５から繰出された離型フィルムＲ３の上面には、粉末状、繊維状又は溶液状の熱可塑性樹脂材料が収容された散布器Ｔ３から離型フィルムＲ３の上面に全幅にわたって熱可塑性樹脂材料がほぼ均一に散布される。散布する量は、積層する際に隣接する補強繊維シートのうち単位面積当り重量が小さい補強繊維シートの重量に対して５％以下の量に設定しておく。

そして、離型フィルムＲ２は、補強繊維シート上面に重ね合わされ、離型フィルムＲ３は、補強繊維シートの下面に重ね合わされてヒートローラ６ａ及びプレスローラ６ｂの間に搬入されて密着した状態で巻取りローラ８に巻き取られる。補強繊維シート上に散布された熱可塑性樹脂材料は、ヒートローラ６ａの加熱処理により補強繊維シートの上面に熱融着される。同様に、離型フィルムＲ３上に散布された熱可塑性樹脂材料は、補強繊維シートの下面に熱融着される。こうして補強繊維シートの両面に熱融着された熱可塑性樹脂材料は、補強繊維シートの補強繊維のばらけ、各繊維の蛇行を防止する。

図５は、多軸補強積層成型品の製造工程における積層工程及び含浸工程に関する説明図である。図３で説明した片面のみ樹脂付着された補強繊維シートＳ１がシート供給ローラ１０から順次繰出されるようになっている。繰出された補強繊維シートＳ１は、上面に密着している離型フィルムＲ１がフィードローラ１１から上方に分離されて搬送されてフィルム巻取りローラ１２に巻き取られる。

上面に樹脂が付着した補強繊維シートＳ１には、その幅に合せて所定長さに切断された補強繊維シートＳ２が上方から順次重ね合わされていく。補強繊維シートＳ２は、図３で説明した両面に樹脂付着した補強繊維シートであり、図示せぬシート供給ローラから繰出された後両面の離型フィルムＲ２及びＲ３を分離して所定の長さに切断したものである。補強繊維シートＳ２は、補強繊維シートＳ１に重ね合わされた状態で互いの補強繊維の引き揃えた方向が異なるように設定されている。そして、切断された補強繊維シートＳ２は、前に配置したシートと突き合わせるか重なるように順次配置されていく。

配置された補強繊維シートＳ２の上面には、その幅に合せて所定長さに切断された補強繊維シートＳ３が上方から順次重ね合わされていく。補強繊維シートＳ３は、図３で説明した下面のみ樹脂付着した補強繊維シートであり、図示せぬシート供給ローラから繰出された後片面の離型フィルムＲ１を分離して所定の長さに切断したものである。補強繊維シートＳ３は、補強繊維シートＳ１及びＳ２に重ね合わされた状態で互いの補強繊維の引き揃えた方向がいずれも異なるように設定されている。例えば、補強繊維シートＳ２の引き揃えた方向を開繊シートＳ１とは＋４５度の角度ずらせた場合には、補強繊維シートＳ３の引き揃えた方向を補強繊維シートＳ１とは−４５度の角度ずらせるようにすればよい。そして、切断された補強繊維シートＳ３は、前に配置したシートと突き合わせるか重なるように順次配置されていく。

こうして３枚の補強繊維シートＳ１〜Ｓ３を積層した状態でヒートローラ１３ａ及びプレスローラ１３ｂの間に搬入し、加熱及び加圧処理することで、ヒートローラ１３ａの加熱により各補強繊維シートの間に付着した熱可塑性樹脂材料が溶融して層を形成する。こうして３枚の補強繊維シートＳ１〜Ｓ３を熱可塑性樹脂材料の熱融着により一体化し連続した積層シート体Ｌが作成される。この場合、各補強繊維シートの間に形成された層状の熱可塑性樹脂材料は、上述した樹脂付着工程でそれぞれ単位面積当り５％以下の量が付着しているので、一体化することで単位面積当り１０％以下の量に設定される。なお、この例では、樹脂付着工程でそれぞれの補強繊維シートに半分ずつ熱可塑性樹脂材料を付着させるようにしているが、それぞれの補強繊維シートにどれだけの割合で付着させるかは適宜設定すればよく、限定されない。要は、最終的に単位面積当り１０％以下の量となるように設定すればよい。

次に、熱硬化性樹脂材料の含浸工程を説明する。積層シート体Ｌは、上面に離型フィルムＲが密着するとともに下面に接着フィルムＴ４が密着した状態で３対のヒートローラ１７ａ及びプレスローラ１７ｂの間を通過するように搬送される。

離型フィルムＲは、フィルム供給ローラ１５ａに巻き付けられており、接着フィルムＴ４は、フィルム供給ローラ１４ａに巻き付けられている。そして、それぞれフィルム供給ローラ１４ａ及び１５ａから繰出されて積層シート体Ｌとともにフィードローラ１６ａ及び１６ｂの間に導入されて上下面に密着した状態となる。そして、３対のヒートローラ１７ａ及びプレスローラ１７ｂの間を通過した後フィードローラ１８ａ及び１８ｂから搬出されると、離型フィルムＲは、積層シート体Ｌの上面から分離してフィルム巻取りローラ１５ｂに巻き取られ、接着フィルムＴ４は、積層シート体Ｌの下面から分離してフィルム巻取りローラ１４ｂに巻き取られる。

接着フィルムＴ４は、離型フィルムの片面全体に熱硬化性樹脂材料がほぼ均一な厚さで担持されており、熱硬化性樹脂材料が担持された面を積層シート体Ｌに密着した状態でヒートローラ１７ａ及びプレスローラ１７ｂの間を通過するようになっている。したがって、積層シート体Ｌの下面全体に熱硬化性樹脂材料が密着した状態で加熱及び加圧が行われて、加熱により粘度の低下した熱硬化性樹脂材料が加圧により積層シート体Ｌの厚さ方向に圧入されるようになる。圧入された熱硬化性樹脂材料は、積層シート体Ｌ内を上面に向かって含浸していくが、上面は離型フィルムＲにより被覆されているため上面から漏れ出すことはない。こうして、熱硬化性樹脂材料は積層シート体Ｌの内部を含浸していき、全体に満遍なく行き渡るようになる。その際に、各開繊シートの間に形成された熱可塑性樹脂材料による樹脂層には、熱融着材の間に多数の隙間が形成されているため、スムーズに熱硬化性樹脂材料が通過して含浸するようになるが、熱可塑性樹脂材料自体は補強繊維シートに熱融着されているため流動することはない。

したがって、各補強繊維シートの間に熱可塑性樹脂材料をほぼ均一に分布した状態で積層シート体Ｌ内に熱硬化性樹脂材料を満遍なく行き渡らせたプリプレグＰが製造される。

こうして製造されたプリプレグＰは、上下面から離型フィルムＲ及び接着フィルムＴ４が分離された後、シート巻取りローラ２０に巻き取られていく。その際に、フィルム供給ローラ１９に巻き付けられた離型フィルムを下面に密着させて巻き込んでいくことで、巻取り状態でプリプレグＰが接着されてしまうことを防止する。

含浸工程において、積層シートの少なくとも一方の面側に対して熱硬化性樹脂材料を担持した離型フィルムを密着させて加圧しながら加熱することで、熱硬化性樹脂材料を含浸させる工程が一度で済むため、離型フィルムの使用量や使用長さを節減できる。そして、離型フィルムに所要量の熱硬化性樹脂材料を厚く形成して用いれば、使用する離型フィルムの生産コストを従来より節減でき、製造コスト負担を小さくすることができる。

図６は、多軸補強積層成型品の製造工程における成型工程に関する説明図である。含浸工程で製造されたプリプレグＰを所要の大きさに切断し（図６（ａ））、切断したプリプレグＰ１〜Ｐ３を、適宜配置する角度をずらせて積層した後、オートクレーブ装置３０内に設置した型３１にセットする。そして、型３１にセットしたプリプレグを加熱及び加圧することにより熱硬化性樹脂材料を硬化させて成型する。

以上説明した製造方法では、積層工程において補強繊維シートＳ１に切断した補強繊維シートＳ２及びＳ３を積層するようにしているが、例えば特開２００３−２２１７７１号公報に記載されているように、補強繊維シートを巻付け折り返して複数層に積層するようにしてもよい。この場合にも折り返す補強繊維シートの間に熱可塑性樹脂材料を散布しながら巻き付けていくようにすればよい。

次に、多軸補強積層成型品に関する別の製造工程を説明する。上述の製造工程では、熱硬化性樹脂材料を含浸させたプリプレグを積層して成型するようにしているが、積層シートを切断して積層した後熱硬化性樹脂材料を含浸させて成型するようにしてもよい。

この製造工程では、樹脂付着工程及び積層工程は、上述の製造工程と同一であるので、説明は省略する。図７は、この製造工程における成型工程に関する説明図である。図４に示す積層工程で作成された積層シート体Ｌは、一旦巻取られて成型工程に持ち込まれる。成型工程では、巻き取られた積層シート体Ｌを繰出して所要の大きさに切断し（図７（ａ））、切断した積層シート体Ｌ１〜Ｌ３を、適宜配置する角度をずらせて積層した後、下型４１内に離型フィルムＲを敷いて載置する。そして、上方から離型フィルムＲ及び上型４０で覆うようにして積層シート体Ｌ１〜Ｌ３を型内にセットする（図７（ｂ））。

セットされた型全体を真空バック４２で密封し、加熱装置４３にセットする（図７（ｃ））。真空バック４２には、空気吸引口４２ａ及び樹脂注入口４２ｂが設けられており、所定温度で加熱しながら樹脂注入口４２ｂより熱硬化性樹脂材料を注入する。注入された熱硬化性樹脂材料は、加熱により流動性が高まり、真空バック４２内をスムーズに流通していく。そして、空気吸引口４２ａから空気を吸引しながら注入することで、熱硬化性樹脂材料が積層シート体Ｌ１〜Ｌ３内に満遍なく含浸されるようになる。

真空バック４２内が熱硬化性樹脂材料で充填された後加熱装置４３の加熱温度を上昇させることで熱硬化性樹脂材料を硬化させて成型する。

［実施例１］
以下の材料を用いて多軸補強プリプレグシートを製造した。
＜使用材料＞
（補強繊維に使用した繊維）
東レ株式会社製；T800SC-24K、繊維直径約５．５μｍ、繊維本数２４０００本
（熱硬化性樹脂材料に使用した樹脂材料）
Bryte Technologies, Inc.,製；BT250E-1、エポキシ樹脂
（熱可塑性樹脂材料に使用した樹脂材料）
東レ株式会社製；SP-500、ナイロン１２パウダー、平均粒径５μｍ
＜製造工程＞
（１）補強繊維束T800SC-24Kを空気開繊法（特許第3049225号公報参照）にて幅２４ｍｍに開繊し、開繊糸としてリールに巻く。
（２）開繊糸を巻いたリールを幅方向に１３本並べ、特開２００５−０２９９１２号公報記載の方法及び装置にて隙間のない補強繊維シートを得る。得られた補強繊維シートは、幅３１０ｍｍ、繊維目付け約４３ｇ／ｍ²であった。
（３）得られた補強繊維シートに、熱可塑性樹脂材料SP-500を平均重量比約８％にて補強繊維シートの片面に均一分散させ、その後２５０℃に加熱したヒートロールに通すことで、熱可塑性樹脂粉体を付着、繊維がばらけないように目止めした樹脂付着補強繊維シートを得た。
（４）得られた複数枚の樹脂付着補強繊維シートを樹脂付着面を上側にして、その補強繊維の引き揃えた方向の角度を、９０度、−４５度、０度そして４５度の順に積層し、その後、連続プレス装置（特開２００３−１８１８３２号公報参照）にて２５０℃、約０．５ＭＰａの加工条件で連続した積層シートを得た。
（５）得られた積層シートの両面から熱硬化性樹脂材料BT250E-1を、上記連続プレス装置にて９０℃、約１ＭＰａの加工条件で連続含浸させ、幅約３１０ｍｍ、平均厚み約１７７μｍ、繊維体積含有率約５４％の多軸補強プリプレグシートを得た。

＜積層成形板の製造及び評価＞
（１）得られた多軸補強プリプレグシートを所要の大きさに切断し、６枚重ね合わせて積層した後、オートクレーブ装置（株式会社芦田製作所製）にて、１２５℃、２時間加熱処理して熱硬化性樹脂材料を硬化させて、［４５／０／−４５／９０］３Ｓとなる、幅３２０ｍｍ×長さ３２０ｍｍ×厚み１．０６ｍｍの積層成形板を得た。
（２）得られた積層成形板を垂直に切断した断面を観察した。図８は、その断面を拡大して撮影した写真である。繊維補強層の平均厚み約３９μｍ、樹脂層の平均厚み約５μｍであったことから、樹脂層の平均厚みは、繊維補強層の３９分の５であり、繊維補強層の平均厚みの約０．１２８であった。また、熱可塑性樹脂材料が樹脂層に全て存在するとして計算すると、樹脂層に占める熱可塑性樹脂材料の割合は約６８％であった。
（３）積層成形板から幅２０ｍｍ×長さ２５０ｍｍの短冊形状の試験片を取り出し、引張り試験を行った。引張り試験には、材料万能試験機AUTOGRAPH（ロードセル10トン；島津製作所製）を用い、ひずみはゲージ長さ１００ｍｍのＭＴＳ製軸伸び計を用いて計測した。引張り試験において、試験片にＡＥセンサを上下2個取り付け，破損により発生するＡＥを計測することで初期破損応力及び層間剥離を測定した。ＡＥセンサは、共振周波数１５００ｋＨｚのセンサ（日本フィジカルアコースティック社製）を用いた。ＡＥセンサから検出されたＡＥ信号は、プリアンプ（２０ｄＢに設定）及びバンドパスフィルタ（１００ｋＨｚ〜３００ｋＨｚ）で処理した。しきい値は４５ｄＢに設定した。そして、大振幅のＡＥが測定されて大きなエネルギー解放が検出された時点を層間剥離が発生した時点とした。以上の引張り試験の結果、破断応力が約１０８０ＭＰａ、破断ひずみが約１．９５％、初期弾性率が約５２ＧＰａであった。そして、層間剥離は、最終破断が生じるわずか前、応力約１０５０ＭＰａ、ひずみ約１．９２％の時点で発生した。

［実施例２］
以下の材料を用いて多軸補強プリプレグシートを製造した。
＜使用材料＞
（補強繊維に使用した繊維）
東レ株式会社製；T800SC-24K、繊維直径約５．５μｍ、繊維本数２４０００本
（熱硬化性樹脂材料に使用した樹脂材料）
Bryte Technologies, Inc.,製；BT250E-1、エポキシ樹脂
（熱可塑性樹脂材料に使用した樹脂材料）
東レ株式会社製；SP-500、ナイロン１２パウダー、平均粒径５μｍ
＜製造工程＞
（１）補強繊維束T800SC-24Kを空気開繊法（特許第3049225号公報参照）にて幅２４ｍｍに開繊し、開繊糸としてリールに巻く。
（２）開繊糸を巻いたリールを幅方向に１３本並べ、特開２００５−０２９９１２号公報記載の方法及び装置にて隙間のない補強繊維シートを得る。得られた補強繊維シートは、幅３１０ｍｍ、繊維目付け約４３ｇ／ｍ2であった。
（３）得られた補強繊維シートに、熱可塑性樹脂材料SP-500を平均重量比約３％にて補強繊維シートの片面に均一分散させ、その後２５０℃に加熱したヒートロールに通すことで、熱可塑性樹脂粉体を付着、繊維がばらけないように目止めした樹脂付着補強繊維シートを得た。
（４）得られた複数枚の樹脂付着補強繊維シートを樹脂付着面を上側にして、その補強繊維の引き揃えた方向の角度を、９０度、−４５度、０度そして４５度の順に積層し、その後、連続プレス装置（特開２００３−１８１８３２号公報参照）にて２５０℃、約０．５ＭＰａの加工条件で連続した積層シートを得た。
（５）得られた積層シートの両面から熱硬化性樹脂材料BT250E-1を、上記連続プレス装置にて９０℃、約１ＭＰａの加工条件で連続含浸させ、幅約３１０ｍｍ、平均厚み約１７０μｍ、繊維体積含有率約５７％の多軸補強プリプレグシートを得た。

＜積層成形板の製造及び評価＞
（１）得られた多軸補強プリプレグシートを所要の大きさに切断し、６枚重ね合わせて積層した後、オートクレーブ装置（株式会社芦田製作所製）にて、１２５℃、２時間加熱処理して熱硬化性樹脂材料を硬化させて、［４５／０／−４５／９０］３Ｓとなる、幅３２０ｍｍ×長さ３２０ｍｍ×厚み１．０６ｍｍの積層成形板を得た。
（２）得られた積層成形板を垂直に切断した断面を観察した。繊維補強層の平均厚み約３９μｍ、樹脂層の平均厚み約４μｍであったことから、樹脂層の平均厚みは、繊維補強層の３９分の４であり、繊維補強層の平均厚みの約０．１０２であった。また、熱可塑性樹脂材料が樹脂層に全て存在するとして計算すると、樹脂層に占める熱可塑性樹脂材料の割合は約３１％であった。
（３）積層成形板から幅２０ｍｍ×長さ２５０ｍｍの短冊形状の試験片を取り出し、実施例１と同様の引張り試験を行った。引張り試験の結果、破断応力が約１０４０ＭＰａ、破断ひずみが約１．９１％、初期弾性率が約５３ＧＰａであった。そして、層間剥離は、最終破断が生じるわずか前、応力約９９５ＭＰａ、ひずみ約１．８７％の時点で発生した。

［実施例３］
以下の材料を用いて多軸補強プリプレグシートを製造した。
＜使用材料＞
（補強繊維に使用した繊維）
東邦テナックス株式会社製；HTA-12K、直径約７μm、繊維本数１２０００本
（熱硬化性樹脂材料に使用した樹脂材料）
Bryte Technologies, Inc.,製；BT250E-1、エポキシ樹脂
（熱可塑性樹脂材料に使用した樹脂材料）
東レ株式会社製；ホットメルト用共重合ポリアミド樹脂パウダー、CM842P48、平均粒径８０μｍ、低融点（１１５℃）樹脂
＜製造工程＞
（１）補強繊維束TA-12Kを空気開繊法（特許第3049225号公報参照）にて幅２０ｍｍに開繊し、開繊糸としてリールに巻く。
（２）開繊糸を巻いたリールを幅方向に１６本並べ、特開２００５−０２９９１２号公報記載の方法及び装置にて隙間のない補強繊維シートを得る。得られた補強繊維シートは、幅３２０ｍｍ、繊維目付け約４２ｇ／ｍ²であった。
（３）得られた補強繊維シートに、熱可塑性樹脂材料CM842P48を平均重量比約５％にて補強繊維シートの片面に均一分散させ、その後１２０℃に加熱したヒートロールに通すことで、熱可塑性樹脂粉体を付着、繊維がばらけないように目止めした樹脂付着補強繊維シートを得た。
（４）得られた複数枚の樹脂付着補強繊維シートを樹脂付着面を上側にして、その補強繊維の引き揃えた方向の角度を、９０度、−４５度、０度そして４５度の順に積層し、その後、連続プレス装置（特開２００３−１８１８３２号公報参照）にて１２０℃、約０．５ＭＰａの加工条件で連続した積層シートを得た。
（５）得られた積層シートの両面から熱硬化性樹脂材料BT250E-1を、上記連続プレス装置にて９０℃、約１ＭＰａの加工条件で連続含浸させ、幅約３２０ｍｍ、平均厚み約１６８μｍ、繊維体積含有率約５６％の多軸補強プリプレグシートを得た。

＜積層成形板の製造及び評価＞
（１）得られた多軸補強プリプレグシートを所要の大きさに切断し、６枚重ね合わせて積層した後、オートクレーブ装置（株式会社芦田製作所製）にて、１２５℃、２時間加熱処理して熱硬化性樹脂材料を硬化させて、［４５／０／−４５／９０］３Ｓとなる、幅３２０ｍｍ×長さ３２０ｍｍ×厚み１．０８ｍｍの積層成形板を得た。
（２）得られた積層成形板を垂直に切断した断面を観察した。繊維補強層の平均厚み約３９μｍ、樹脂層の平均厚み約３μｍであったことから、樹脂層の平均厚みは、繊維補強層の３９分の３であり、繊維補強層の平均厚みの約０．０７７であった。また、熱可塑性樹脂材料が樹脂層に全て存在するとして計算すると、樹脂層に占める熱可塑性樹脂材料の割合は約６２％であった。
（３）積層成形板から幅２０ｍｍ×長さ２５０ｍｍの短冊形状の試験片を取り出し、実施例１と同様の引張り試験を行った。引張り試験の結果、破断応力が約８２０ＭＰａ、破断ひずみが約１．８１％、初期弾性率が約４５ＧＰａであった。そして、層間剥離は、最終破断が生じるわずか前、応力約８００ＭＰａ、ひずみ約１．７２％の時点で発生した。

［実施例４］
以下の材料を用いて多軸補強積層成型品を製造した。
＜使用材料＞
（補強繊維に使用した繊維）
三菱レイヨン株式会社製；TR50S−15K、繊維直径約７μｍ、繊維本数１５０００本
（熱硬化性樹脂材料に使用した樹脂材料）
ビスフェノールA型エポキシ樹脂を用いた。
主剤はエピクロン850（大日本インキ化学工業株式会社製）、硬化剤は2E4MZ（2エチル4メチルイミダゾール、四国化成株式会社製）を用いた。主剤100部に対し、硬化剤4部を投入し、常温で撹拌後、樹脂として使用した。
（熱可塑性樹脂材料に使用した樹脂材料）
東レ株式会社製；SP-500、ナイロン１２パウダー、平均粒径５μｍ
＜製造工程＞
（１）補強繊維束TR50S―15Kを空気開繊法（特許第3049225号公報参照）にて幅２４ｍｍに開繊し、開繊糸としてリールに巻く。
（２）開繊糸を巻いたリールを幅方向に１３本並べ、特開２００５−０２９９１２号公報記載の方法及び装置にて隙間のない補強繊維シートを得る。得られた補強繊維シートは、幅３１０ｍｍ、繊維目付け約４２ｇ／ｍ²であった。
（３）得られた補強繊維シートに、熱可塑性樹脂材料SP-500を平均重量比約１０％にて補強繊維シートの片面に均一分散させ、その後２５０℃に加熱したヒートロールに通すことで、熱可塑性樹脂粉体を付着、繊維がばらけないように目止めした樹脂付着補強繊維シートを得た。
（４）得られた複数枚の樹脂付着補強繊維シートを樹脂付着面を上側にして、その補強繊維の引き揃えた方向の角度を、９０度、−４５度、０度そして４５度の順に積層し、その後、連続プレス装置（特開２００３−１８１８３２号公報参照）にて２５０℃、約０．５ＭＰａの加工条件で連続した積層シートを得た。

＜積層成形板の製造及び評価＞
（１）得られた積層シートを所要の大きさに切断し、１２枚重ね合わせて積層材とした後、離型フィルムを敷いた平面下金型に当該積層材をセットし、離型フィルムと平面上金型をのせて、全体を真空バックで覆った。真空バックの２カ所に穴をあけ、１カ所は内部の空気を吸引する口、もう１カ所は樹脂を注入する口とした。
（２）真空バックで覆われた一式を約５０℃に加熱されたホットプレート上に置き、平面上下金型及び当該積層材を約５０℃に保持した。これは、エポキシ樹脂の粘度を下げ、樹脂の流れを良くするために行った。
（３）空気吸引口から真空ポンプで空気を吸引させながら、樹脂注入口からエポキシ樹脂を注入し、空気吸引口からエポキシ樹脂があふれたところで、樹脂の注入を終了した。その後、そのまままの状態で、ホットプレートの温度を１２５℃にして、約２時間放置し、エポキシ樹脂を硬化させた。そして、［４５／０／−４５／９０］３Ｓとなる、幅３２０ｍｍ×長さ３２０ｍｍ×厚み約２．１５ｍｍ、繊維体積含有率約５４％の積層成形板を得た。
（４）得られた積層成形板を垂直に切断した断面を観察した。繊維補強層の平均厚み約３８μｍ、樹脂層の平均厚み約７μｍであったことから、樹脂層の平均厚みは、繊維補強層の約３８分の７であり、繊維補強層の平均厚みの約０．１８であった。また、熱可塑性樹脂材料が樹脂層に全て存在するとして計算すると、樹脂層に占める熱可塑性樹脂材料の割合は約５９％であった。
（５）積層成形板から幅２０ｍｍ×長さ２５０ｍｍの短冊形状の試験片を取り出し、実施例１と同様の引張り試験を行った。引張り試験の結果、破断応力が約８９０ＭＰａ、破断ひずみが約１．７４％、初期弾性率が４７ＧＰａであった。そして、層間剥離は、最終破断が生じるわずか前、応力約８２５ＭＰａ、ひずみ約１．６４％の時点で発生した。

［実施例５］
以下の材料を用いて多軸補強プリプレグシートを製造した。
＜使用材料＞
（補強繊維に使用した繊維）
東レ株式会社製；T800SC-24K、繊維直径約５．５μｍ、繊維本数２４０００本
（熱硬化性樹脂材料に使用した樹脂材料）
Bryte Technologies, Inc.,製；BT250E-1、エポキシ樹脂
（熱可塑性樹脂材料に使用した樹脂材料）
ナイロン１２短繊維
＜製造工程＞
（１）補強繊維束T800SC-24Kを空気開繊法（特許第3049225号公報参照）にて幅２４ｍｍに開繊し、開繊糸としてリールに巻く。
（２）開繊糸を巻いたリールを幅方向に１３本並べ、特開２００５−０２９９１２号公報記載の方法及び装置にて隙間のない補強繊維シートを得る。得られた補強繊維シートは、幅３１０ｍｍ、繊維目付け約４３ｇ／ｍ²であった。
（３）得られた補強繊維シートに、熱可塑性樹脂材料であるナイロン１２短繊維を補強繊維シートの片面に平均目付け４ｇ／ｍ²程度でほぼ均一に分散させ、その後２００℃に加熱したヒートロールに通すことで、ナイロン１２短繊維を付着、繊維がばらけないように目止めした樹脂付着補強繊維シートを得た。
（４）得られた複数枚の樹脂付着補強繊維シートを樹脂付着面を上側にして、その補強繊維の引き揃えた方向の角度を、９０度、−４５度、０度そして４５度の順に積層し、その後、連続プレス装置（特開２００３−１８１８３２号公報参照）にて２００℃、約０．５ＭＰａの加工条件で連続した積層シートを得た。
（５）得られた積層シートの両面から熱硬化性樹脂材料BT250E-1を、上記連続プレス装置にて９０℃、約１ＭＰａの加工条件で連続含浸させ、幅約３１０ｍｍ、平均厚み約１７８μｍ、繊維体積含有率約５４％の多軸補強プリプレグシートを得た。

＜積層成形板の製造及び評価＞
（１）得られた多軸補強プリプレグシートを所要の大きさに切断し、６枚重ね合わせて積層した後、オートクレーブ装置（株式会社芦田製作所製）にて、１２５℃、２時間加熱処理して熱硬化性樹脂材料を硬化させて、［４５／０／−４５／９０］３Ｓとなる、幅３２０ｍｍ×長さ３２０ｍｍ×厚み１．０７ｍｍの積層成形板を得た。
（２）得られた積層成形板を垂直に切断した断面を観察した。繊維補強層の平均厚み約３４μｍ、樹脂層の平均厚み約１０μｍであったことから、樹脂層の平均厚みは、補強層の３４分の１０であり、繊維補強層の平均厚みの約０．２９４であった。また、熱可塑性樹脂材料が樹脂層に全て存在するとして計算すると、樹脂層に占める熱可塑性樹脂材料の割合は約３９％であった。
（３）積層成形板から幅２０ｍｍ×長さ２５０ｍｍの短冊形状の試験片を取り出し、実施例１と同様の引張り試験を行った。引張り試験の結果、破断応力が約１００２ＭＰａ、破断ひずみが約１．８３％、初期弾性率が約５２ＧＰａであった。そして、層間剥離は、最終破断が生じるわずか前、応力約９５０ＭＰａ、ひずみ約１．７６％の時点で発生した。

［比較例１］
以下の材料を用いて一方向補強プリプレグシートを製造した。
＜使用材料＞
（補強繊維に使用した繊維）
東レ株式会社製；T800SC-24K、繊維直径約５．５μｍ、繊維本数２４０００本
（熱硬化性樹脂材料に使用した樹脂材料）
Bryte Technologies, Inc.,製；BT250E-1、エポキシ樹脂
＜製造工程＞
（１）補強繊維束T800SC-24Kを空気開繊法（特許第3049225号公報参照）にて幅２４ｍｍに開繊し、開繊糸としてリールに巻く。
（２）開繊糸を巻いたリールを幅方向に１３本並べ、特開２００５−０２９９１２号公報記載の方法及び装置にて隙間のない補強繊維シートを得る。得られた補強繊維シートは、幅３１０ｍｍ、繊維目付け約４３ｇ／ｍ²であった。
（３）得られた補強繊維シートの片面から熱硬化性樹脂材料BT250E-1を、上記連続プレス装置にて９０℃、約１ＭＰａの加工条件で連続含浸させ、幅約３１０ｍｍ、平均厚み約４１μｍ、繊維体積含有率約５８％の一方向補強プリプレグシートを得た。

＜積層成形板の製造及び評価＞
（１）得られた一方向補強プリプレグシートを４８枚重ね合わせて積層した後、オートクレーブ装置（株式会社芦田製作所製）にて、１２５℃、２時間加熱処理して熱硬化性樹脂材料を硬化させて、［４５／０／−４５／９０］６Ｓとなる、幅３２０ｍｍ×長さ３２０ｍｍ×厚み１．９９ｍｍの積層成形板を得た。
（２）積層成形板から幅２０ｍｍ×長さ２５０ｍｍの短冊形状の試験片を取り出し、実施例１と同様の引張り試験を行った。引張り試験の結果、破断応力が約１０１４ＭＰａ、破断ひずみが約１．８５％、初期弾性率が約５３ＧＰａであった。そして、層間剥離は、最終破断が生じるわずか前、応力約９９０ＭＰａ、ひずみ約１．８１％の時点で発生した。

［比較例２］
＜使用材料＞
比較例１と同様の材料を用いた。
＜製造工程＞
比較例１と同様の製造工程により一方向補強プリプレプレグシートを製造した。
＜積層成形板の製造及び評価＞
（１）得られた一方向補強プリプレグシートを同方向に３枚積層した、つまり厚みが薄層の一方向補強プリプレグシートが３倍になる一方向補強プリプレグシートを１６組重ね合わせて積層した後、オートクレーブ装置（株式会社芦田製作所製）にて、１２５℃、２時間加熱処理して熱硬化性樹脂材料を硬化させて、［４５／０／−４５／９０］６Ｓとなる、幅３２０ｍｍ×長さ３２０ｍｍ×厚み１．９９ｍｍの積層成形板を得た。
（２）積層成形板から幅２０ｍｍ×長さ２５０ｍｍの短冊形状の試験片を取り出し、実施例１と同様の引張り試験を行った。引張り試験の結果、破断応力が約８９０ＭＰａ、破断ひずみが約１．７８％、初期弾性率が約５２ＧＰａであった。そして、層間剥離は、比較例１よりは早い段階の、応力約７８０ＭＰａ、ひずみ約１．４８％の時点で発生した。

以上の実施例及び比較例の結果から以下のことがわかる。
（１）繊維補強層の厚みが約１２０μｍの積層成形板の場合、引張り試験中に層間剥離を生じる。これに対し、繊維補強層約４０μｍの薄層繊維補強層を有する積層成形板は層間剥離が最終破断強度にほぼ至るまで発生しないことがわかる。この結果は、非特許文献１の結果と同じである。
（２）実施例１から５では、積層成形板の層間剥離強度が薄層の繊維補強層を有した積層成形板と同様の結果となっている。つまり、本発明によれば、良好な品質を維持した、製造コスト優れた多軸補強積層成型品を得ることが期待できる。

本発明に係る実施形態に関する多軸補強積層成型品の断面を示す模式図である。 繊維補強層の断面を示す模式図である。 本発明に係る製造方法の樹脂付着工程に関する説明図である。 本発明に係る製造方法の別の樹脂付着工程に関する説明図である。 本発明に係る製造方法の積層工程及び含浸工程に関する説明図である。 多軸補強積層成型品の製造工程における成型工程に関する説明図である。 別の製造工程における成型工程に関する説明図である。 積層成形板の断面を撮影した写真である。

符号の説明

Ｆ 成型品
Ｌ 積層シート体
Ｐ プリプレグ
Ｒ 離型フィルム
Ｓ 補強繊維シート
Ｔ１ 散布器
Ｔ２ 散布器
Ｔ３ 散布器
Ｔ４ 接着フィルム
１ シート供給ローラ
2a ヒートローラ
2b プレスローラ
３ フィルム供給ローラ
４ フィルム供給ローラ
５ フィルム供給ローラ
6a ヒートローラ
6b プレスローラ
７ 巻取りローラ
８ 巻取りローラ
10 シート供給ローラ
11 フィードローラ
12 フィルム巻取りローラ
13a ヒートローラ
13b プレスローラ
14a フィルム供給ローラ
14b フィルム巻取りローラ
15a フィルム供給ローラ
15b フィルム巻取りローラ
16a フィードローラ
16b フィードローラ
17a ヒートローラ
17b プレスローラ
18a フィードローラ
18b フィードローラ
19 フィルム供給ローラ
20 シート巻取りローラ

本発明に係る多軸補強積層成型品は、補強繊維がｎ（ｎは２以上）軸方向に配列するように積層された複数の繊維補強層を備えるとともに熱硬化性樹脂材料が全体に含浸されて硬化した多軸補強積層成型品であって、繊維補強層のうち少なくとも一層は平均厚みが８０μｍ以下であり、各繊維補強層間には、片面側又は両面側の繊維補強層の平均厚みｔに対して平均厚み０．３×ｔ以下の補強繊維の存在しない樹脂層が形成されており、各樹脂層には、含浸された前記熱硬化性樹脂材料中に層内に占める割合が体積比３０〜７０％の熱可塑性樹脂材料が層全体にほぼ均一に分布して少なくとも一部が繊維補強層に接着していることを特徴とする。さらに、前記樹脂層は、片面側又は両面側の繊維補強層の平均厚みｔに対して平均厚み０．２×ｔ以下であることを特徴とする。さらに、前記熱可塑性樹脂材料が粒子状又は繊維状であることを特徴とする。さらに、前記繊維補強層は、すべて平均厚み８０μｍ以下であることを特徴とする。

Claims (10)

1. 補強繊維がｎ（ｎは２以上）軸方向に配列するように積層された複数の繊維補強層を備えるとともに熱硬化性樹脂材料が全体に含浸されて硬化した多軸補強積層成型品であって、繊維補強層のうち少なくとも一層は平均厚みが８０μｍ以下であり、各繊維補強層間には、片面側又は両面側の繊維補強層の平均厚みｔに対して平均厚み０．３×ｔ以下の樹脂層が形成されており、各樹脂層には、熱硬化性樹脂材料中に体積比３０〜７０％の熱可塑性樹脂材料がほぼ均一に分布して少なくとも一部が繊維補強層に接着していることを特徴とする多軸補強積層成型品。
2. 前記樹脂層は、片面側又は両面側の繊維補強層の平均厚みｔに対して平均厚み０．２×ｔ以下であることを特徴とする請求項１に記載の多軸補強積層成型品。
3. 前記熱可塑性樹脂材料が粒子状又は繊維状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の多軸補強積層成型品。
4. 前記繊維補強層は、すべて平均厚み８０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の多軸補強積層成型品。
5. 複数本の連続した補強繊維をほぼ均一に引き揃えて構成され少なくとも１枚は目付け８０ｇ／ｍ²以下である複数枚の補強繊維シートに対して、各補強繊維シートの片面又は両面に、積層する際に隣接する補強繊維シートのうち単位面積当り重量が小さい補強繊維シートの重量に対して１０％以下の量となるように熱可塑性樹脂材料をほぼ均一に分散させた後、当該熱可塑性樹脂材料を加熱又は加熱加圧することにより当該補強繊維シートに付着させて樹脂付着補強繊維シートを形成する樹脂付着工程と、
   複数枚の樹脂付着補強繊維シートを、それぞれの補強繊維の引き揃えた方向が多方向となり、かつ、各樹脂付着補強繊維シート間に前記熱可塑性樹脂材料が配置されるように積層して積層シートを形成する積層工程と、
   積層シートの少なくとも一方の面側から熱硬化性樹脂材料を含浸させて多軸補強プリプレグシートを形成する含浸工程と、
   前記多軸補強プリプレグシートを所要の大きさに切断し、所要の角度で、所要の枚数を積層した後、加熱加圧成型することにより熱硬化性樹脂材料を硬化させる成型工程と、
   を備えることを特徴とする多軸補強積層成型品の製造方法。
6. 複数本の連続した補強繊維をほぼ均一に引き揃えて構成され少なくとも１枚は目付け８０ｇ／ｍ²以下である複数枚の補強繊維シートに対して、各補強繊維シートの片面又は両面に、積層する際に隣接する補強繊維シートのうち単位面積当り重量が小さい補強繊維シートの重量に対して１０％以下の量となるように熱可塑性樹脂材料をほぼ均一に分散させた後、当該熱可塑性樹脂材料を加熱又は加熱加圧することにより当該補強繊維シートに付着させて樹脂付着補強繊維シートを形成する樹脂付着工程と、
   少なくとも１枚の連続した樹脂付着補強繊維シートを含む複数枚の樹脂付着補強繊維シートを、それぞれの補強繊維の引き揃えた方向が多方向となり、かつ、各樹脂付着補強繊維シート間に前記熱可塑性樹脂材料が配置されるように積層して連続した積層シートを形成する積層工程と、
   連続した積層シートの少なくとも一方の面側から熱硬化性樹脂材料を含浸させて連続した多軸補強プリプレグシートを形成する含浸工程と、
   前記多軸補強プリプレグシートを所要の大きさに切断し、所要の角度で、所要の枚数を積層した後、加熱加圧成型することにより熱硬化性樹脂材料を硬化させる成型工程と、
   を備えることを特徴とする多軸補強積層成型品の製造方法。
7. 複数本の連続した補強繊維をほぼ均一に引き揃えて構成され少なくとも１枚は目付け８０ｇ／ｍ²以下である複数枚の補強繊維シートに対して、各補強繊維シートの片面又は両面に、積層する際に隣接する補強繊維シートのうち単位面積当り重量が小さい補強繊維シートの重量に対して１０％以下の量となるように熱可塑性樹脂材料をほぼ均一に分散させた後、当該熱可塑性樹脂材料を加熱又は加熱加圧することにより当該補強繊維シートに付着させて樹脂付着補強繊維シートを形成する樹脂付着工程と、
   複数枚の樹脂付着補強繊維シートを、それぞれの補強繊維の引き揃えた方向が多方向となり、かつ、各樹脂付着補強繊維シート間に前記熱可塑性樹脂材料が配置されるように積層して積層シートを形成する積層工程と、
   前記積層シートを所要の大きさに切断し、所要の角度で、所要の枚数を成型型内に積層した後、当該成型型内に熱硬化性樹脂材料を注入し前記積層シートに熱硬化性樹脂材料を含浸させ、加熱又は加熱加圧成型することにより熱硬化性樹脂材料を硬化させる成型工程と、
   を備えることを特徴とする多軸補強積層成型品の製造方法。
8. 積層シートを加熱又は加熱加圧することで、各補強繊維シートを熱可塑性樹脂材料により互いに熱融着させて一体化する一体化工程を備えることを特徴とする請求項５から７のずれかに記載の製造方法。
9. 前記熱可塑性樹脂材料として、平均粒径が８０μｍ以下の微粒子又は平均断面径８０μｍ以下の繊維の熱可塑性樹脂材料を用いることを特徴とする請求項５から８のいずれかに記載の製造方法。
10. 前記補強繊維シートは、少なくとも１枚が、補強繊維束を連続して開繊させた開繊糸を幅方向に複数本引き揃えた、目付け８０ｇ／ｍ²以下の開繊糸シートであることを特徴とする請求項５から９のいずれかに記載の製造方法。