WO2013018920A1 - 低圧成形による成形体の製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明の成形体の製造方法は、平均繊維長５～１００ｍｍの炭素繊維束と熱可塑性樹脂を含む特定のランダムマットを準備し、このランダムマットを熱可塑性樹脂によって含浸し、金型内で０．１～２０ＭＰａの範囲でプレスし、ついで金型内から取り出すことを特徴とするものである。低圧で成形できるので、複雑かつ大型の成形体を製造することができる。

Description

低圧成形による成形体の製造方法

　本発明は、熱可塑性樹脂と炭素繊維とを含む成形体の製造方法である。特に詳しくは、圧力の低いプレス成形法により、熱可塑性樹脂と炭素繊維とを含む成形体を製造する方法、およびそれより得られる成形体に関する。

　繊維強化複合材料、特に炭素繊維を強化繊維として用いた複合材料は、その高い比強度、比剛性を利用して、軽量化が求められている自動車用途への適用が期待されている。特にマトリックス樹脂が熱可塑性の場合は生産性とリサイクル性の観点から有望である。
　特許文献１には、特定の繊維長の炭素繊維に樹脂を含浸し、２つの炭素繊維単糸を特定の範囲内に交差する複合材料前駆体（プリプレグ）を用いてサンドウィッチ構造のプリフォームを作成し、ついでこれをプレス成形することが記載されている。ここで、２つの炭素繊維単糸を特定の範囲内に交差するために、湿式法によって抄紙する方法が具体例として示されている。しかしながら、かかる方法は乾燥工程等が必要であり、製造工程上煩雑となる場合が多い。また比較的厚みの厚いプリプレグを作製することが難しい。そうすると成形時にも積層枚数が多く必要であり、成形工程上も煩雑になる。
　特許文献２には、複数の補強繊維束が、マトリックスである熱可塑性樹脂中にランダムに配置された複合繊維強化補強成形体用シート材料が記載されている。ここで、当該補強繊維束は、一定の割合で引きそろえられた状態で当該熱可塑性樹脂によって繊維束の周囲を被覆し、または繊維束中に含浸された後、カットされてチョップドストランドに形成される。さらに、このシート材料は型に挿入され熱プレスにより成形されることが記載されている。この方法では、繊維束が熱可塑性樹脂によって被覆または含浸された後にカットされるので、カットされたチョップドストランドはある幅を有して繊維配向が一方向に近くなる。そのため、チョップドストランドを均一に分散させ成形体シートとした場合にも高い等方性を得がたいという問題がある。
特開２０１０−２３５７７９号公報 特開平１０−３１６７７１号公報

　本発明の主たる目的は、熱可塑性樹脂と炭素繊維とを含む成形体の新規な製造方法を提供することにある。
　本発明の他の目的は、上記成形体を、プレス成形法を用いてより低圧で製造する新規な方法を提供することにある。
　本発明の他の目的は、低圧成形により、大型の成形体を容易に製造できる製造方法を提供することにある。
　本発明のさらなる目的は、上記製造方法によって製造できる力学的等方性の良好な成形体を提供することにある。
　本発明の他の目的および利点は以下の説明から明らかになろう。
　本発明者らは、炭素繊維と熱可塑性樹脂とからなる成形体（ＣＦＲＴＰ）を生産性に優れた低圧成形法によって製造する方法について鋭意検討した。特に、特定の長さのチョップドストランドとその繊維束に注目した。その結果、繊維束が特定の開繊度を満たすマット基材を用いることが極めて重要であるという知見に基づき本発明を完成したものである。
　本発明によれば、本発明の目的および利点は、
［１］炭素繊維と熱可塑性樹脂とを含む成形体を製造する方法において、
（１）平均繊維長５~１００ｍｍの炭素繊維束と熱可塑性樹脂を含むランダムマットを準備する工程、
（２）当該ランダムマットを金型内に配置する前または後に、熱可塑性樹脂が結晶性の場合は融点以上から分解温度未満、非晶性の場合はガラス転移温度以上から分解温度未満に加熱及び加圧して当該熱可塑性樹脂を炭素繊維束内に含浸させる工程、
（３）当該含浸されたランダムマットを、金型内で圧力が０．１~２０ＭＰａの範囲で加圧して成形する工程、及び
（４）得られた成形体を金型から取り出す工程、
を含み、上記（１）~（４）の各工程をこの順に行い、かつ、前記ランダムマットは、炭素繊維が２５~１００００ｇ／ｍ^２の目付け量であり、そして実質的に面内方向にランダムに配向しており、炭素繊維束は、下記式（１）で定義される臨界単糸数以上が集束している炭素繊維束（Ａ）と臨界単糸数未満の炭素繊維（Ｂ）とを含んでなり、炭素繊維束（Ａ）は、当該ランダムマットの繊維全量に対する割合が２０Ｖｏｌ％以上９９Ｖｏｌ％未満の範囲である、ことを特徴とする成形体の製造方法、
　臨界単糸数＝６００／Ｄ　　　　　　　　　　（１）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
によって達成される。
　また、本発明は以下の発明も含む。
［２］工程（１）は、
（１−１）炭素繊維をカットした後開繊させる工程を含む、上記［１］の成形体の製造方法。
［３］前記（３）の工程において、圧力が０．５~１０ＭＰａの範囲である上記［１］、［２］の成形体の製造方法。
［４］圧力が０．５~５ＭＰａの範囲である上記［３］の成形体の製造方法。
［５］（２−１）前記（２）の工程において、当該ランダムマットを金型内に配置する前に、加温及び加圧して当該熱可塑性樹脂を炭素繊維束内に含浸させる工程、及び
　（３−１）前記（３）の工程において、当該含浸されたランダムマットを金型内に配置し、熱可塑性樹脂が結晶性の場合は結晶化温度未満、非晶性の場合はガラス転移温度未満に温度調節された金型で加圧して成形する工程、
を含む、上記［１］~［４］の成形体の製造方法。
［６］（３−２）前記（３−１）の工程において、加圧する前に、スライド下降速度５０~１００００ｍｍ／ｓｅｃで金型を型締めする、上記［５］の成形体の製造方法。
［７］（２−２）前記（２）の工程において、当該ランダムマットを金型内に配置した後に、当該金型を、熱可塑性樹脂が結晶性の場合は融点以上から分解温度未満、非晶性の場合はガラス転移温度以上から分解温度未満に昇温して当該ランダムマットを加熱し加圧して当該熱可塑性樹脂を炭素繊維束内に含浸させる工程、
を含み、かつ当該（２−２）の工程に引き続いて前記（３）の工程を行う、上記［１］~［４］の成形体の製造方法。
［８］ランダムマットにおける炭素繊維と熱可塑性樹脂の存在比が、炭素繊維１００重量部に対して熱可塑性樹脂５０~１０００重量部である上記［１］~［７］の成形体の製造方法。
［９］ランダムマットにおける炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（２）を満たす上記［１］~［８］の成形体の製造方法。
　０．７×１０^４／Ｄ^２＜Ｎ＜１×１０^５／Ｄ^２　　　（２）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
［１０］炭素繊維束（Ａ）は、当該ランダムマットの繊維全量に対する割合が３０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満の範囲である、上記［１］~［９］の成形体の製造方法。
［１１］任意の方向、及びこれと直交する方向についての引張弾性率の大きい方の値を小さい方の値で割った比（Ｅδ）が１．０以上１．４を超えない範囲である、上記［１］~［１０］の製造方法により得られる成形体。
［１２］任意の方向、及びこれと直角の角度を成す方向に試験片を切り出し、繊維体積含有率（Ｖｆ）の大きいほうの値を小さい方の値で割った比（Ｖｆｓ）が１．０~１．２の範囲である上記［１］~［１０］の製造方法により得られる成形体。

　図１は、実施例１~５、比較例１、および参考例１で用いた金型の平面図である。
　図２は、実施例６、７で用いた金型の平面図である。
　図３は、実施例１~５、比較例１および参考例１で得られた成形体の引張試験片切り出し位置を示す模式図である。
　図４は、実施例１~５、比較例１および参考例１で得られた成形体のＶｆ測定位置を示す模式図である。
　図５は、実施例６、７で得られた成形体のＶｆ測定位置を示す模式図である。

１．金型形状平面図
２．Ｂ−Ｂ断面図
３．Ａ−Ａ断面図
４．成形体平面図
５．引張試験片の切り出し位置
６．Ｖｆ測定サンプルの切り出し位置

　以下に、本発明の実施の形態について説明する。
　本発明は、炭素繊維と熱可塑性樹脂とを含む成形体を製造する方法において、下記（１）~（４）
（１）平均繊維長５~１００ｍｍの炭素繊維束と熱可塑性樹脂を含むランダムマットを準備する工程、
（２）当該ランダムマットを金型内に配置する前または後に、熱可塑性樹脂が結晶性の場合は融点以上から分解温度未満、非晶性の場合はガラス転移温度以上から分解温度未満に加温及び加圧して当該熱可塑性樹脂を炭素繊維束内に含浸させる工程、
（３）当該含浸されたランダムマットを、金型内で圧力が０．１~２０ＭＰａの範囲で加圧して成形する工程、
（４）得られた成形体を金型から取り出す工程、
の各工程をこの順に行うものである。以下、各工程について順に説明する。
［ランダムマットを準備する工程（１）］
　本発明におけるランダムマットを構成する炭素繊維は、連続繊維ではなく、平均繊維長５~１００ｍｍの炭素繊維束を含む不連続なものである。
　炭素繊維束の平均繊維長は５~１００ｍｍである。後述するランダムマットの好ましい製造方法により、特定の開繊度を満たすランダムマットを得て、このような特定の平均繊維長を有する炭素繊維束を含んだ繊維強化複合材料からなる成形体が提供できる。この成形体は、静的な強度および剛性だけでなく、衝撃的な荷重や長期の疲労荷重に対しても高い物性を発現する。また本発明の製造方法によれば、複雑な形状を有する成形体を成形する場合においても、炭素繊維のランダムな配向が崩れにくい。したがって、成形体のほとんどの部分において炭素繊維は面内方向に関して２次元的に等方性でランダムな配向を保つことが可能となる。
　炭素繊維束の平均繊維長は１０~１００ｍｍが好ましく、１５~１００ｍｍがより好ましく、１５~８０ｍｍが更に好ましい。炭素繊維束の平均繊維長は２０~６０ｍｍであることが最も好ましい。ここで、ランダムマットに含まれる炭素繊維（束）の平均繊維長とは、例えば、無作為に抽出した炭素繊維１００本の長さを、ルーペを用いて１ｍｍ単位まで測定して記録した。得られた全ての炭素繊維の長さ（Ｌｉ）から、下記式により平均繊維長を求めたることができる。
　また、成形体に含まれる炭素繊維は、５００℃×１時間程度、炉内にて樹脂を除去した後、無作為に抽出した炭素繊維１００本の長さを、ルーペを用いて１ｍｍ単位まで測定して記録した。得られた全ての炭素繊維の長さ（Ｌｉ）から、次式により平均繊維長を求めることができる。
　平均繊維長＝ΣＬｉ／１００
　本発明における炭素繊維束は、その平均繊維長が上記の範囲であれば、繊維長がただ一つのものであってもよいし、繊維長が複数の繊維が含まれていてもよい。もちろん、繊維長に分布があってもよい。分布のピークは２以上あってもよい。
　上記ランダムマットを構成する炭素繊維は、上記炭素繊維束の他に、単糸の状態または臨界単糸数未満の炭素繊維束またはこれらの両方が存在する。これらを炭素繊維（Ｂ）とし、臨界単糸数以上の炭素繊維束を（Ａ）とする。
　具体的には、下記式（１）で定義される臨界単糸数以上が集束している炭素繊維束（Ａ）、並びに、炭素繊維（Ｂ）として臨界単糸数未満の炭素繊維束（Ｂ_１）と炭素繊維単糸（Ｂ_２）の少なくとも一方が混在している。
　臨界単糸数＝６００／Ｄ　　　　　　　　　　（１）
　ここで、当該強化繊維束（Ａ）は、ランダムマットを構成する炭素繊維の全量（炭素繊維束（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の合計）を基準としてその体積割合が２０Ｖｏｌ％以上９９Ｖｏｌ％未満の範囲である。そして、炭素繊維束（Ｂ_１）と炭素繊維単糸（Ｂ_２）の合計である炭素繊維（Ｂ）は、当該ランダムマットを構成する炭素繊維の全量を基準としてその体積割合が１Ｖｏｌ％超８０Ｖｏｌ％以下の範囲である。このように、本発明は、炭素繊維束の開繊程度がコントロールされた特定本数以上の炭素繊維からなる炭素繊維束Ａと、それ以外の、炭素繊維（Ｂ）を１Ｖｏｌ％超８０Ｖｏｌ％以下の比率で含むことを特徴とする。炭素繊維全量に対する炭素繊維束（Ａ）の割合が２０Ｖｏｌ％未満になると、表面品位に優れる成形体が得られるという利点はあるものの、ランダムマットを成形する際に型内で炭素繊維を流動させ難くなる。このため、金型キャビティ端部まで炭素繊維を充填することができず、設計寸法通りの成形体を得ることが困難となる。炭素繊維束（Ａ）の割合が９９Ｖｏｌ％以上になると、炭素繊維の交絡部が局部的に厚くなり、等方性が得られにくくなる。言い換えれば、炭素繊維（Ｂ）を１Ｖｏｌ％超８０Ｖｏｌ％以下の比率で含むことによって、機械物性が良好で等方性の成形体が得られる。そして、薄肉化に対応できる成形性の良好な成形体を製造することができる。
　上記炭素繊維束（Ａ）は、ランダムマットを構成する炭素繊維の全量に対する割合の下限値が、好ましくは３０ｖｏｌ％、より好ましくは５０ｖｏｌ％である。また上限値は、好ましくは９０ｖｏｌ％、より好ましくは７０ｖｏｌ％である。炭素繊維束（Ａ）の好ましい範囲としては、３０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満である。
　上記炭素繊維（Ｂ）は、炭素繊維束の少なくとも一部が完全に開繊されて単糸となった状態のもの（Ｂ_２）、及び臨界単糸数未満の束で不完全にもしくは部分的に開繊された状態のもの（Ｂ_１）を含有してなる。炭素繊維束（Ｂ_１）と炭素繊維単糸（Ｂ_２）との割合としては、炭素繊維束（Ｂ_１）と炭素繊維単糸（Ｂ_２）との体積の合計を基準として、炭素繊維束（Ｂ_１）が好ましくは１~９９％、より好ましくは２０~７０％の範囲である。
　なお、炭素繊維束（Ａ）の割合は、例えば、後述する製造方法において、拡幅処理、スリット処理、カット工程、開繊工程等の条件を組み合わせることにより制御することができる。
　炭素繊維の平均繊維径としては特に限定はないが、好ましい平均繊維径は３~１２μｍであり、より好ましくは５~９μｍであり、さらに好ましくは５~７μｍである。
　上記炭素繊維束（Ａ）の臨界単糸数について、炭素繊維の平均繊維径が５~７μｍである場合、臨界単糸数は８６~１２０本となる。臨界単糸数が８６本よりも小さくなると、単糸の状態に近い繊維束、すなわち（Ｂ_１）および（Ｂ_２）が増える傾向になる。そうなると、ランダムマット中での炭素繊維同士の絡み合いが強くなり、成形体製造時の流動性が低下する恐れがある。また、臨界単糸数が１２０本よりも多くなると、炭素繊維同士の絡み合いが弱くなり、製造時の流動性は向上するが炭素繊維の配向が起きやすくなる。そのため得られる成形体は異方性を生じることがある。
　炭素繊維束（Ａ）における平均繊維数（Ｎ）は、下記式（２）を満たすことが好ましい。
　０．７×１０^４／Ｄ^２＜Ｎ＜１×１０^５／Ｄ^２　　　（２）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
　炭素繊維の平均繊維径が５μｍである場合、繊維束中の平均繊維数は２８０~４０００本の範囲となるが、外観や等方性を維持しやすい等の理由により、なかでも６００~１６００本であることが好ましい。炭素繊維の平均繊維径が７μｍの場合、繊維束中の平均繊維数は１４２~２０４０本の範囲となるが、外観や等方性を維持しやすい等の理由により、なかでも３００~８００本であることが好ましい。
　上記式（２）において、炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が０．７×１０^４／Ｄ^２以下の場合、全体として高い繊維体積含有率（Ｖｆ）の成形体を得ることが困難となる。また炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が１×１０^５／Ｄ^２以上の場合、成形体中に局部的に厚い部分が生じ、ボイドの原因となりやすい。炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は、下記式（２−１）を満たすことがより好ましい。
　０．７×１０^４／Ｄ^２＜Ｎ＜６×１０^４／Ｄ^２　　　（２−１）
　例えば、１ｍｍ以下の薄肉な成形体を得ようとした場合、単純に分繊しただけの炭素繊維を用いたのでは、疎密が大きく、良好な物性が得られない。又、全ての繊維を開繊した場合には、より薄いものを得ることは容易になるが、繊維の交絡が多くなり、繊維体積含有率の高いものが得られない。上記式（１）で定義される臨界単糸数以上の炭素繊維束（Ａ）と、炭素繊維単糸の状態（Ｂ_２）又は臨界単糸数未満の炭素繊維（Ｂ_１）又はその両方をランダムマット内に同時に存在させることにより、薄肉であり、物性発現率の高い成形体を実現することが可能である。
　ランダムマットの厚さとしては特に制限はないが、０．５ｍｍ以上のものを用いることができる。当該ランダムマットにより薄肉の成形体を得るという本発明の効果を発揮する点では、厚みは好ましくは１~１００ｍｍ、より好ましくは２~５０ｍｍの範囲である。なお、ランダムマットは複数枚を積層して次工程に用いることもできる。
　本発明に用いるランダムマットにおける炭素繊維の目付量は、２５~１００００ｇ／ｍ^２の範囲である。目付量が２５ｇ／ｍ^２未満の場合には、ランダムマット中で炭素繊維の分布が不均一になりやすく、十分な補強効果が発現しないことがある。一方で、１００００ｇ／ｍ^２を超える場合には、炭素繊維が多すぎるためにプリプレグ作製時に熱可塑性樹脂が含浸しにくく、成形体中で欠点となるボイドが発生しやすい傾向となる。また、熱可塑性樹脂と比べて炭素繊維は比重が大きいため、成形体が重くなる。目付量は、好ましくは２５~６０００ｇ／ｍ^２の範囲であり、より好ましくは２５~３０００ｇ／ｍ^２の範囲である。
　本発明におけるランダムマットは、その面内方向に炭素繊維が実質的に無秩序でランダムに配向しているものであって、特定の方向に繊維が配向していない。つまり、炭素繊維は面内方向にバラバラの方向に配置されている。そして当該ランダムマットを成形して最終的に得られた成形体は２次元的に等方性が維持される。
　上記ランダムマット中には、上述した炭素繊維の他に、本発明の目的を損なわない範囲であれば（例えば炭素繊維全量の３０％以下の範囲で）、ガラス繊維、ステンレス繊維、アルミナ繊維、鉱物繊維などの無機繊維、ポリエーテルエーテルケトン繊維、ポリフェニレンサルファイド繊維、ポリエーテルスルホン繊維、アラミド繊維、ポリベンゾオキサゾール繊維、ポリアリレート繊維、ポリケトン繊維、ポリエステル繊維、ポリアミド繊維、ポリビニルアルコール繊維などの有機繊維を含んでもよい。
　本発明におけるランダムマットには、前記炭素繊維束の他に、熱可塑性樹脂が含まれる。ここで、熱可塑性樹脂の種類としては、例えばポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂などのポリオレフィン、ポリアミド６樹脂、ポリアミド１１樹脂、ポリアミド１２樹脂、ポリアミド４６樹脂、ポリアミド６６樹脂、ポリアミド６１０樹脂などのポリアミド、ポリカーボネート樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、ボリブチレンテレフタレート樹脂、ポリアリレート樹脂などの芳香族ポリエステル、ポリ乳酸樹脂などの脂肪族ポリエステル、塩化ビニル樹脂、塩化ビニリデン樹脂、酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリスチレン樹脂、アクリロニトリル−スチレン樹脂（ＡＳ樹脂）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂（ＡＢＳ樹脂）、アクリル樹脂、メタクリル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、が挙げられる。これらの樹脂は２種類以上併用してもよい。
　これらの中で、成形性、生産性、機械的強度の点で、ポリオレフィン、ポリアミド、芳香族ポリエステルが性能のバランスが良好であり好ましい。
　上記ランダムマットにおける熱可塑性樹脂の存在量は、炭素繊維束（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の合計を基準として１００重量部に対し、好ましくは５０~１０００重量部、より好ましくは５０~５００重量部である。更に好ましくは、合計１００重量部に対し、熱可塑性樹脂６０~３００重量部である。１００重量部に対する熱可塑性樹脂の割合が５０重量部より少ないと得られる成形体中にボイドが発生しやすくなり、強度や剛性が低くなることがある。また、熱可塑性樹脂の割合が１０００重量部より多くなると炭素繊維を含有することによる補強効果が発現しにくい。
　繊維体積含有率（Ｖｆ）で表すと、上記ランダムマットおよび本発明により得られる成形体において、成形体の体積（炭素繊維全体＋熱可塑性樹脂）を基準として、繊維体積含有率は好ましくは５~８０％の範囲であり、より好ましくは２０~６０％の範囲である。炭素繊維の繊維体積含有率が５％より低くなると、含有することによる補強効果が十分に発現しないことがある。また、８０％を超えると成形体中にボイドが発生しやすくなり、成形体の物性が低下することがある。
　なお、ランダムマットには、本発明の目的を損なわない範囲で、機能性の充填材や添加剤が含有されても良い。例えば、有機／無機フィラー、難燃剤、耐ＵＶ剤、顔料、離型剤、軟化剤、可塑剤、界面活性剤などが挙げられるが、この限りではない。特に電子・電気機器用途や自動車用途においては、高い難燃性が要求されることがあるため、熱可塑性樹脂に難燃剤を含有させることが好ましい。難燃剤の例としては、公知のものが使用できる。具体的には、リン系難燃剤、窒素系難燃剤、シリコーン化合物、有機アルカリ金属塩、有機アルカリ土類金属塩、臭素系難燃剤等を挙げることができる。これらの難燃剤は単独で使用しても良いし、複数を併用して用いても良い。難燃剤の含有量は、物性、成形性、難燃性のバランスから樹脂１００重量部に対して１~４０重量部とすることが好ましく、１~２０重量部とすることがさらに好ましい。
　本発明に用いられるランダムマットは、各種の厚みとすることが可能であるが、これをプリプレグとして用い、最終的に厚みが０．２~１ｍｍ程度の薄肉の成形体を好適に得ることができる。すなわち、目的とする成形体の厚さに合わせたランダムマットを作製することにより、特にサンドイッチ材の表皮等、薄物の成形体を得ることができる。
　ランダムマット中の炭素繊維と熱可塑性樹脂の割合は、ランダムマット製造時の各成分の仕込量により規定できる。しかし、繊維と樹脂の割合をより正確に評価したい場合には、次の方法で確認できる。例えば、構成成分の溶解性の違いを利用した方法として、１ｃｍ^２から１０ｃｍ^２の試料の重量を秤量する。繊維または樹脂のいずれか一方を溶解、または分解する薬品を使用して溶解成分を抽出する。次に、残渣を洗浄および乾燥後に秤量する。残渣と溶解成分の重量、および繊維と樹脂の比重から、繊維と樹脂の体積分率を算出する。例えば、樹脂としてポリプロピレンを用いた場合、加熱したトルエンまたはキシレンを用いることにより、ポリプロピレンのみを溶解することができる。樹脂がポリアミドの場合は、加熱したギ酸によりポリアミドを分解することができる。樹脂がポリカーボネートの場合には加熱した塩素化炭化水素を用いることにより、ポリカーボネートを溶解することができる。また、樹脂を燃焼除去することによってもそれぞれの重量および体積分率を算出できる。この場合、よく乾燥させた試料の重量を秤量後、電気炉等を用いて５００~７００℃で５~６０分処理して樹脂成分を燃焼する。乾燥雰囲気で残留した繊維を放冷後、秤量することにより各成分の重量を算出することが出来る。
　本発明におけるランダムマットの製造方法は、特に限定されるものではない。例えば、繊維状または粒子状の熱可塑性樹脂またはその両方を炭素繊維と混合して存在させるように製造してもよく、マトリクス樹脂成分を含まないランダムマットに溶融状態の熱可塑性樹脂を供給して製造してもよい。
　以下に、ランダムマットの好ましい製造方法について詳述する。ランダムマットの製造方法としては、好ましくは、以下の（Ｉ）、（ＩＩＩ）、（ＩＶ）、（Ｖ）または（Ｖ’）の各工程を実施する方法が挙げられ、さらに好ましくは（Ｉ）と（ＩＩＩ）の工程の間に（ＩＩ）の工程を実施する方法が挙げられる。これらの工程を順次実施することにより、特に良好な等方性を有するランダムマット、さらにはランダムマットから成形体を製造することができる。
　（Ｉ）炭素繊維ストランド供給工程
　炭素繊維ストランド供給工程では、クリール部に配置された複数の炭素繊維巻糸体から、炭素繊維それぞれの糸条を引出し、単独の糸条からなるかまたは単糸を複数本引き揃えてなる炭素繊維ストランドとして供給する。このとき、ストランド幅は１０~５０ｍｍ（特に２０~３０ｍｍ）の範囲とすることが好ましい。供給される炭素繊維のストランド幅が小さい場合には、必要に応じて、当ストランド供給工程にて所定幅まで拡幅して、薄い広幅のストランドとして供給してもよい。この拡幅操作は、例えば、ストランドを拡幅用のローラーやバー等と接触させることにより行うことができる。
　（ＩＩ）ストランドスリット工程
　ストランドスリット工程では、供給された炭素繊維ストランドを、好ましくはストランド長手方向と平行に（すなわち繊維軸方向に沿って）連続的にスリットし、ストランド幅が０．０５~５ｍｍ、好ましくは０．１~１．０ｍｍの複数本の細幅ストランドとする。具体的には、前工程から連続的に移送されてくる広幅のストランドを、繊維軸方向と平行な刃を有する縦スリット装置（スリッター）を用いて縦方向に連続的にカットするか、広幅ストランドの走行路に１個または複数個の分割ガイドを設け、それによりストランドを複数本に分割すること等により実施することができる。この工程においては、ライン上に拡幅用のガイドやバーなどを設置して、炭素繊維を拡幅処理しながらスリットを加えてもよい。
　（ＩＩＩ）炭素繊維カット工程
　次に、炭素繊維カット工程にて、スリット処理を行っていないストランド、または上記のごとくスリットした細幅の炭素繊維ストランドを、平均繊維長５~１００ｍｍにカット（切断）する。
　炭素繊維を平均繊維長５~１００ｍｍにカットする際に使用する装置としては、ロータリーカッターが好ましい。さらにロータリーカッターの中でも、特定の角度を有する螺旋状ナイフを備えたものが好ましい。炭素繊維を連続的にカットするためのナイフ角度は、使用する炭素繊維の幅と、カットした後の平均繊維長により幾何学的に計算することができ、それらの関係は、炭素繊維の平均繊維長（刃のピッチ）＝炭素繊維ストランド幅×ｔａｎ（９０−θ）の条件を満たすようにすることが好ましい。（ここで、θは周方向とナイフの配置方向のなす角である。）
　例えば、繊維方向に交叉するナイフと繊維軸方向と平行なナイフとを有するカッターを用いれば、繊維束を縦方向にスリットすると同時に特定の繊維長にカットすることができ、このようなカッターを使用すれば、ストランドスリット工程（ＩＩ）と炭素繊維カット（ＩＩＩ）とを同時に実施することができる。
　（ＩＶ）炭素繊維開繊工程
　炭素繊維開繊工程では、該ストランド片を所望のサイズ（集束本数）の繊維束に分割するように開繊する。例えば気体による開繊方法やスリットによる開繊方法を挙げることができる。
　具体的には、気体による開繊方法では、ストランド片を経路内に導入し、該経路を通過するストランド片に空気等の気体を吹き付けることにより、該ストランド片を所望の集束サイズに分離させるとともに気体中に分散させる。開繊の度合いについては、吹き付ける気体の圧力等により適宜コントロールすることができる。スリットによる開繊方法では、前記した（ＩＩ）ストランドスリット工程と同様の操作でストランド幅を調整することで開繊の度合いを適宜コントロールすることができる。
　この炭素繊維開繊工程では、ストランド片を構成する全繊維をバラバラに分離させて完全に単糸状になるまで分離するように開繊するのではなく、一部は単糸状またはそれに近い状態まで開繊されるが、多くの部分は単糸の一定の本数以上が集束した繊維束となるように調整する必要がある。すなわち、開繊の程度を、上記式（１）で定義される臨界単糸数以上からなる炭素繊維束（Ａ）と臨界単糸数未満からなる炭素繊維（Ｂ）の割合、さらに、好ましくは炭素繊維束（Ａ）における平均繊維数（Ｎ）を満たすようにする必要がある。
　（Ｖ）ランダムマット形成工程
　ランダムマット形成工程においては、まず、カットし開繊させた炭素繊維を空気中に拡散させる。それと同時に、粉粒体状または短繊維状の熱可塑性樹脂（以下、これらを「熱可塑性樹脂粒子等」と総称する）を供給し、炭素繊維を熱可塑性樹脂粒子等とともに開繊装置下方に設けた通気性支持体上に散布する。これにより、該支持体上で炭素繊維と熱可塑性樹脂粒子等が混在する状態を形成し、所定の厚さとなるよう堆積・定着させてランダムマットを形成させる。
　ランダムマット形成工程では、好ましくは、気体で開繊した炭素繊維とは別経路から熱可塑性樹脂粒子等を供給し、これらを同時に通気性支持体上に向けて散布する。両者はほぼ均一に混ざり合った状態で通気性支持体上へマット状に堆積され、その状態で定着させる。この際、通気性支持体をネットからなるコンベアで構成し、一方向に連続的に移動させつつその上に堆積させるようにすれば、連続的にランダムマットを形成することができる。また、支持体を前後左右に移動させることにより、均一な堆積を実現することができる。
　ランダムマット形成工程では、炭素繊維および熱可塑性樹脂粒子等は、面内方向にランダムに配向するように散布されることが好ましい。開繊した炭素繊維を２次元的に配向させながら塗布するためには、下流側に拡大した円錐形等のテーパー管を用いることが好ましい。このテーパー管内では、炭素繊維に吹き付けた気体が拡散して管内の流速が減速するため、炭素繊維に回転力が与えられる。このベンチュリ効果を利用することで、開繊した炭素繊維を熱可塑性樹脂粒子等とともに均等に斑無く散布することができる。また、後述する定着工程のためにも、下方に吸引機構を持つ可動式の通気支持体（ネットコンベア等）上に散布して、ランダムマット状に堆積させることが好ましい。
　ランダムマット形成工程には、炭素繊維および熱可塑性樹脂を定着させる工程を含む。定着させる工程とは、堆積した炭素繊維および熱可塑性樹脂粒子等を定着させる工程である。例えば、通気性支持体の下部よりエアを吸引して炭素繊維を定着させる方法が挙げられる。炭素繊維と同時に散布された熱可塑性樹脂は、繊維状であればエア吸引により、粒子状であっても炭素繊維に伴って定着することができる。
　このように堆積面の下部より吸引することにより、２次元的にランダムに配向したマットを得ることができる。かくして得られるランダムマットは、これを構成する炭素繊維の間隙や近傍に熱可塑性樹脂粒子等が均一に存在することで、後述する加熱含浸加圧工程（工程（２））において、樹脂の移動距離が短く、比較的短時間で樹脂の含浸が可能となる。
　なお、通気性支持体を構成するシートあるいはネット等の目開きが大きく、熱可塑性樹脂粒子等の一部が支持体を通過して堆積しない場合には、支持体の表面に不織布等をセットし、当該不織布上に炭素繊維および熱可塑性樹脂粒子等を吹き付けて定着させることも可能である。
　炭素繊維ストランドを一定の長さにカットした後、そのストランド片およびカット時に単糸状態に分離した炭素繊維を吸引搬送する輸送経路に供給する。同時または続いて、該輸送経路の途中または終端部に設置した気体吹付けノズルから炭素繊維に気体を吹付け、切断したストランド片を所望サイズ（太さ）の炭素繊維束に分離・開繊させる。これと同時に、該炭素繊維を熱可塑性樹脂粒子等とともに、一定方向へ連続的または間欠的に移動する通気性支持体（以下「定着ネットということがある）の表面に向けて吹き付け、堆積して定着させることによりランダムマットを形成することも可能である。
　上述のとおり、ランダムマットには炭素繊維と粉粒体状または繊維状またはその両方の熱可塑性樹脂が、斑なく混合して存在する。そのため、型内で繊維と樹脂を大きく流動させる必要がなく、熱可塑性樹脂を容易に含浸できるという利点がある。その結果、得られる成形体においても、ランダムマット中の炭素繊維の等方性を保つことが可能となる。
　（Ｖ’）ランダムマット形成工程（その２）
　また別のランダムマット形成工程としては、まず、マトリクス樹脂を含まない以外は上記（Ｖ）のランダムマット形成工程と同様に炭素繊維から構成されるランダムマットを得る。ついで、これに溶融状態の熱可塑性樹脂を供給し、炭素繊維と熱可塑性樹脂とを含むランダムマットを得る方法が挙げられる。このような方法としては、例えば、炭素繊維開繊工程（ＩＶ）で得られる開繊された炭素繊維ストランドをマット状に堆積させるとともに、上方に設けたダイから溶融状態の熱可塑性樹脂を膜状溶融体として吐出させる。そして、堆積したマット上に該熱可塑性樹脂を供給して、マットのほぼ全面に含浸させることができる。
　この方法において、炭素繊維ストランドをマット状に堆積させる好ましい方法は、上記（Ｖ）に記載のとおりである。熱可塑性樹脂の供給量についても上記（Ｖ）と同様であるが、ダイから押し出す溶融状態の熱可塑性樹脂の量、具体的にはダイから膜状に供給する場合には膜の厚み、および押出速度等については適宜調整すればよい。
　上記したごとく、本発明に用いるランダムマットに含まれる炭素繊維は、カットされマット状に成形させたのちに、熱可塑性樹脂による含浸工程に付される。
［熱可塑性樹脂を炭素繊維束内に含浸させる工程（２）］
　上記工程（１）を経て、熱可塑性樹脂を炭素繊維束内に含浸させる工程（２）（以下、含浸工程（２）ということがある）を行う。
　ここで、含浸工程（２）としては２つの方法がある。すなわち、（２−１）前記ランダムマットに熱可塑性樹脂を供給し含浸させてから当該金型に収める方法（コールドプレス法）と、（２−２）当該金型にランダムマットを収め、そのあとで金型内に熱可塑性樹脂を供給し含浸させる方法（ホットプレス法）、である。
　まず、（２−１）の工程について説明する。
　このコールドプレス工程では、まず、ランダムマット及び熱可塑性樹脂を加熱して、この熱可塑性樹脂をランダムマット中に十分に含浸させる。加熱時の温度としては、熱可塑性樹脂が結晶性の場合は融点以上から分解温度未満であり、非晶性の場合はガラス転移温度以上から分解温度未満である。加熱された熱可塑性樹脂は、必要に応じて加圧を施されてランダムマット内に浸透し、炭素繊維束内部に含浸される。本発明の特徴の１つとして炭素繊維束が特定長さでかつ特定量含有する炭素繊維束（Ａ）が存在するため、炭素繊維束の厚み方向に熱可塑性樹脂が十分行きわたる。加圧する際の圧力としては、例えば、０．１~５．０ＭＰａの範囲で行うことができる。
　このように熱可塑性樹脂がランダムマットに含浸されてプリプレグを得る。得られたプリプレグは、（ｉ）熱可塑性樹脂が結晶性の場合は融点以上熱分解温度未満の温度に保つか、または再加熱したのち、（ｉｉ）熱可塑性樹脂が非晶性の場合はガラス転移温度以上熱分解温度未満の温度に保つか、または再加熱したのち、次の工程（３）を行うための金型内に配置される。プリプレグの温度は例えばプリプレグ表面にＫタイプの熱電対を貼付け加熱炉外に設置した計測機により測定を行うことができる。
　プリプレグにおける炭素繊維の形態はランダムマット中における状態を保っている。すなわち、プリプレグ中の炭素繊維はランダムマットにおける繊維長や等方性、開繊程度を維持しており、上記のランダムマットに記載したものと同様である。
　次に、（２−２）の工程について説明する。
　このホットプレス工程では、まず、当該ランダムマットを金型内に収める。ついで、当該金型を、熱可塑性樹脂が結晶性の場合は融点以上から分解温度未満、非晶性の場合はガラス転移温度以上から分解温度未満に昇温して、熱可塑性樹脂とランダムマットのいずれも加熱する。加熱された熱可塑性樹脂は、好ましくは加圧を施されてランダムマット内に浸透し、炭素繊維束内に含浸される。本発明の特徴の１つとして炭素繊維束が特定長さでかつ特定量含有する炭素繊維束（Ａ）が存在するため、炭素繊維束の厚み方向に熱可塑性樹脂が十分行きわたる。加圧する際の圧力としては、例えば、０．１~５．０ＭＰａの範囲で行うのがよい。ここでは、次工程（３）で行われる圧力（０．１~２０ＭＰａ）よりも低い圧力で、好ましくは０．５~２０分保持して、熱可塑性樹脂を炭素繊維束内に含浸させる。熱可塑性樹脂が結晶性の場合は熱可塑性樹脂の融点以上熱分解温度未満の温度まで、非晶性の場合は熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上熱分解温度未満の温度までランダムマットを加温する。次工程（３）に移る間の時間は成形機の性能により適宜選択できるが、成形する時間を短縮する為、１~１００秒であることが好ましい。
［加圧して成形する工程（３）］
　上記コールドプレス工程（２−１）を経て得られたプリプレグは、この工程（３）において、金型内に配置され特定の温度及び圧力でプレス成形に供される。ここでプレス成形時の金型温度としては、熱可塑性樹脂が結晶性の場合は融点未満（好ましくは結晶化温度以下）、非晶性の場合はガラス転移温度未満がよい。このような比較的低温に加熱調節されることにより、プレス成形の成形時間と成形体の取り出し時間が短く、生産性が良好である。金型の温度は、好ましくは熱可塑性樹脂が結晶性の場合は融点−１０℃以下（好ましくは結晶化温度−１０℃以下）、非晶性の場合はガラス転移温度−１０℃以下に調整する。
　この工程では、プレスする際のスライド下降速度が５０~１００００ｍｍ／ｓｅｃの範囲で型締めを行うことが好ましく、１００~１０００ｍｍ／ｓｅｃであることがより好ましい。加温したプリプレグは温度が下がると固化するため型締め速度は早いに越したことはないが、あまり早すぎると金型の耐久性や安全性に問題が生じる。プリプレグを目標圧力まで加圧の際に目標圧力に達するまでの時間は０．０１~１０秒であることが望ましい。
　目標圧力は０．１~２０ＭＰａ、好ましくは０．５~１０ＭＰａ、より好ましくは０．５~５ＭＰａである。圧力の上限値は低い方がよいが、３ＭＰａ未満が理想的である。目標圧力が０．１ＭＰａ未満であると十分な流動が出来ずに成形体の形状が得られないことがある。２０ＭＰａ超であると大型の成形体を成形する場合に成形機やユーティリティー設備の容量が大きくなってしまう。本発明においては、前記した特定の炭素繊維束（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）とを含むことで、繊維の配向を維持した状態、つまりは等方性を維持した状態でプレス時に十分な流動性を有するので、複雑な形状や大型の成形体を製造することができる。
　また、金型内でのプリプレグの厚みとしては、得ようとする成形体の形状の厚みに合わせて適宜選択できる。但し、後述の、金型へのプリプレグのチャージ率が５０％以上８０％以下の時は、流動を適切に行う為に、プリプレグの厚みまたはプリプレグを積層した厚みの総和が１．０ｍｍ以上であることが好ましい。
　上記ホットプレス工程（２−２）を経た場合には、この工程（３）において、前記したように、好ましくは０．１~５．０ＭＰａの範囲で加圧したあと、引き続いて金型内で含浸されたランダムマットを、０．１~２０ＭＰａの範囲の圧力でプレス成形する。ここで金型温度は、前工程（２−２）における金型温度と同じでも、１℃以上熱分解温度未満まで昇温させても良い。また、プレスは１段加圧でも多段加圧でもよい。多段加圧の場合は後段ほど昇温させてもあるいは冷却させても良く、昇温と冷却を交互に施しても良い。
　前記工程（３）におけるプリプレグまたは前記工程（２）のおけるランダムマットを、金型内に配置する際、下記式（３）で表されるチャージ率が５０％以上１００％以下とすることが好ましい。
　チャージ率（％）＝１００×基材面積（ｍｍ^２）／金型キャビティ投影面積（ｍｍ^２）（３）
（ここで基材面積とは配置した全てのプリプレグの抜き方向への投影面積であり、金型キャビティ投影面積とは抜き方向への投影面積である）
　例えば、１枚または２~１０枚の重ね合わせたプリプレグを金型キャビティへ配置することができる。重ね合わせる場合、得ようとする成形体に応じて一部、または全体を重ね合わせて用いる。ここでプリプレグ端部の一部または全ての面が、金型キャビティエッジ部と接しないことが望ましい。また重ね合わせる場合、プリプレグは全て同一の形状である必要はなく、それぞれ一部または全部が重ね合わされば良い。
［金型から取り出す工程（４）］
　この工程（４）は、熱可塑性樹脂が結晶性の場合は融点未満（好ましくは結晶化温度未満）、非晶性の場合はガラス転移温度未満に金型温度を調節することにより、成形を完結させる工程である。具体的には、金型との熱交換により、熱可塑性樹脂の結晶性の場合は結晶化温度未満、非晶性の場合はガラス転移温度未満まで冷却された後に型を開き、成形体を取り出す。金型の温度は、熱可塑性樹脂が結晶性の場合は融点（好ましくは結晶化温度）−２００℃以上融点（好ましくは結晶化温度）−１０℃以下、非晶性の場合はガラス転移温度−２００℃以上ガラス転移温度−１０℃以下とすることが好ましい。具体的には、金型温度は４０~１８０℃が好ましく、６０~１６０℃がより好ましい。金型温度が４０℃より低いと金型内の温度が急速に冷却し、所望の成形体が得られない場合がある。金型温度が１８０℃を超えると脱型する成形体の温度が高すぎて、離型後に反りや変形を生じることがある。金型の冷却方法には特に限定はなく、金型内温調回路に冷却媒体を流すなどの方法により適宜冷却すれば良い。
　なお、ホットプレス工程を行った場合には、コールドプレス工程を行った場合に比べて冷却工程に要する時間がかかることがあるが、冷却条件等により適宜コントロールすることができる。その冷却時間としては、成形時間の短縮の観点から０．１~１０分であることが好ましい。
［本発明で得られる成形体］
　本発明における成形体は、上述のとおり、前記のランダムマットから構成される繊維強化複合材料を成形することによって得ることができる。この複合材料において、炭素繊維の繊維束内および単糸間には熱可塑性樹脂が十分含浸しており、その含浸度は９０％以上であることが好ましい。炭素繊維への熱可塑性樹脂の含浸度は９５％以上であることが更に好ましい。含浸度が低いと成形体の物性が求められるレベルに到達しないことがある。繊維強化複合材料からなる成形体においても炭素繊維の繊維長、および炭素繊維束と炭素繊維単糸の割合は前記ランダムマット中における状態を保っている。また成形体は、ランダムマットにおける等方性、開繊程度も実質的に維持しており、ランダムマットに記載したものと同様である。
　本発明の成形体は、厚みの異なる各部位においても繊維体積含有率（Ｖｆ）がほぼ等しいものを得ることも、炭素繊維含有量も傾斜させることも可能であり、得ようとする成形体の用途に合わせ適宜選択できる。厚みの異なる各部位においても一定の繊維強化効果を実現する目的で、Ｖｆは他の部位とほぼ同一とすることが好ましい。各部位におけるＶｆがほぼ同一とは、具体的には任意の箇所から試験片を切り出し、大きい方の値を小さい方の値で割った比が１．０~１．２であることをいう。
　本発明においる成形体は、実質的に等方性である。ここで等方性とは、成形体の任意の方向、及びこれと直交する方向を基準とする引張試験を行って引張弾性率を測定する。このとき測定した引張弾性率の値のうち大きいものを小さいもので割った比（Ｅδ）が１．４を超えないことをいう。好ましくは１．３以下である。
　それゆえ、本発明によれば、次の成形体が包含されることも容易に理解されよう。すなわち、
平均繊維長５~１００ｍｍの炭素繊維と熱可塑性樹脂を含んでなり、
炭素繊維が２５~１００００ｇ／ｍ^２の目付け量であり、そして実質的に面内方向にランダムに配向しており、炭素繊維は、下記式（１）で定義される臨界単糸数以上が集束している炭素繊維束（Ａ）と臨界単糸数未満の炭素繊維（Ｂ）とを含み、炭素繊維束（Ａ）は、当該ランダムマットの繊維全量に対する割合が２０Ｖｏｌ％以上９９Ｖｏｌ％未満の範囲であり、
炭素繊維と熱可塑性樹脂の存在比が、炭素繊維１００重量部に対して熱可塑性樹脂５０~１０００重量部であり、
任意の方向、及びこれと直交する方向についての引張弾性率の大きい方の値を小さい方の値で割った比（Ｅδ）が１．０以上１．４を超えない範囲であり、
任意の方向、及びこれと直角の角度を成す方向に試験片を切り出し、繊維体積含有率（Ｖｆ）の大きいほうの値を小さい方の値で割った比（Ｖｆｓ）が１．０~１．２の範囲である、
ことを特徴とする成形体。
　臨界単糸数＝６００／Ｄ　　　　　　　　　　（１）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）

　以下に実施例を示すが、本発明はこれらに制限されるものではない。
１．炭素繊維
　本実施例で用いた炭素繊維は以下の２種類である。
（１）東邦テナックス社製：テナックスＳＴＳ４０−２４ＫＳ（繊維径７μｍ、繊維幅１０ｍｍ）
（２）東邦テナックス社製：テナックスＩＭＳ６０−１２Ｋ（繊維径５μｍ、繊維幅６ｍｍ）
２．マトリックス樹脂
（１）ポリカーボネート樹脂（帝人化成社製のポリカーボネート：パンライトＬ−１２２５Ｌ　ガラス転移温度１４５~１５０℃、熱分解温度３５０℃）
（２）ＰＡ６６繊維（旭化成せんい製のポリアミド６６繊維：Ｔ５ナイロン（繊度１４００ｄｔｅｘ）融点２６０℃、熱分解温度約３１０℃）
（３）ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂（ポリプラスチックス社製：デュラネックス５００ＦＰ　融点２２０℃、分解温度約３３０℃）
（４）ＰＡ６樹脂（ユニチカ社製　Ａ１０３０　融点２２０℃、分解温度３００℃）
（５）ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂（プライムポリマー製のポリプロピレン：プライムポリプロＪ１０８Ｍ　融点１７０℃、熱分解温度約２８０℃）
３．引張弾性率の大きい方の値を小さい方の値で割った比（Ｅδ）の算出
　得られた成形体の図３に示す位置から任意の方向とそれと直角の角度を成す方向にサンプルを切り出した。続いて、インストロン社製の万能試験装置を用い、ＪＩＳ　Ｋ−７１６４に準拠して引張試験を行い、その結果に基づき算出した。
４．繊維体積含有率（Ｖｆ）の大きいほうの値を小さい方の値で割った比（Ｖｆｓ）の算出
　図４、図５に示す成形体中の２箇所からサンプルを３ｃｍ×３ｃｍの大きさに切り出し、６００℃で１５分かけて繊維を分離した。この繊維を用いて、繊維体積含有率（Ｖｆ）の大きいほうの値を小さい方の値で割った比（Ｖｆｓ）を求めた。
　まず、ランダムマットの「製造例」を以下に示す。
製造例１
　炭素繊維（テナックスＳＴＳ４０−２４ＫＳ）を２０ｍｍ幅に拡幅しながら、繊維長１０ｍｍにカットした。つぎに、炭素繊維の供給量を３０１ｇ／ｍｉｎでテーパー管内に導入した。テーパー管内で空気を炭素繊維に吹き付けて所望の割合となるように繊維束を部分的に開繊しつつ、テーパー管出口の下部に設置したテーブル上に散布した。またマトリックス樹脂として、平均粒径が約７１０μｍに冷凍粉砕したポリカーボネート樹脂を４８０ｇ／ｍｉｎでテーパー管内に供給し炭素繊維と同時に散布した。これにより、平均繊維長１０ｍｍの炭素繊維とポリカーボネートが混合された、厚み１ｍｍ程度のランダムマットを得た。結果を表１に示す。ここで、炭素繊維（Ｂ）中の臨界単糸数未満の炭素繊維束（Ｂ_１）と炭素繊維単糸（Ｂ_２）をピンセットで分別しそれらの存在比率（重量比）を確認したところ、約９：１の割合であった。
製造例２
　炭素繊維（テナックスＩＭＳ６０−１２Ｋ）を長さ２０ｍｍにカットした。つぎに、炭素繊維の供給量を１２２２ｇ／ｍｉｎでテーパー管内に導入した。テーパー管内で空気を炭素繊維に吹き付けて所望の割合となるように繊維束を部分的に開繊しつつ、テーパー管出口の下部に設置したテーブル上に散布した。またマトリックス樹脂として、２ｍｍにドライカットしたＰＡ６６繊維を３０００ｇ／ｍｉｎでテーパー管内に供給し、炭素繊維と同時に散布した。これにより、平均繊維長２０ｍｍの炭素繊維とポリアミド６６が混合された、厚み１０ｍｍ程度のランダムマットを得た。結果を表１に示す。
製造例３
　炭素繊維（テナックスＳＴＳ４０−２４ＫＳ）を２０ｍｍ幅に拡幅しながら、繊維長１０ｍｍにカットした。ついで炭素繊維の供給量を３０１ｇ／ｍｉｎでテーパー管内に導入した。テーパー管内で空気を炭素繊維に吹き付けて所望の割合となるように繊維束を部分的に開繊しつつ、テーパー管出口の下部に設置したテーブル上に散布した。またマトリックス樹脂として、平均粒子径を１ｍｍにしたポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）樹脂を４８０ｇ／ｍｉｎでテーパー管内に供給し、炭素繊維と同時に散布した。これにより、平均繊維長１０ｍｍの炭素繊維とＰＢＴが混合された、厚み１ｍｍ程度のランダムマットを得た。結果を表１に示す。
製造例４
　炭素繊維（テナックスＳＴＳ４０−２４ＫＳ）を２０ｍｍ幅に拡幅後、０．３ｍｍ幅にスリットしながら、繊維長２０ｍｍにカットした。カットした炭素繊維をテーパー管に供給した。テーパー管内で空気を炭素繊維に吹き付けて所望の割合となるように繊維束を部分的に開繊しつつ、テーパー管出口の下部に設置したテーブル上に散布して、厚み４ｍｍのマットを作製した。次いで得られたマット上に、炭素繊維の供給量１００ｇ／ｍｉｎに対し、ＰＡ６樹脂の供給量は３００ｇ／ｍｉｎとして溶融したＰＡ６樹脂を押出機で溶融して、Ｔ−ダイから当該マットの全面に供給した。その後、マット面上の樹脂が供給される箇所を赤外線ヒーターにより加熱して、樹脂の冷却固化を防ぐようにした。引き続き、これを設定温度２８０℃の１対の加熱ローラーにより加熱加圧し、最終的に、炭素繊維とＰＡ６からなる樹脂含浸率９９％、厚み１．０ｍｍ、繊維体積含有率１８％のプリプレグを得た。結果を表１に示す。
製造例５
　炭素繊維（テナックスＳＴＳ４０−２４ＫＳ）を２０ｍｍ幅に拡幅しながら、繊維長１０ｍｍにカットした。ついで、炭素繊維の供給量を３０１ｇ／ｍｉｎでテーパー管内に導入した。テーパー管内では空気を炭素繊維に吹き付けずに、テーパー管出口の下部に設置したテーブル上に散布した。またマトリックス樹脂として、平均粒径が約７１０μｍに冷凍粉砕したポリカーボネート樹脂を４８０ｇ／ｍｉｎでテーパー管内に供給し、炭素繊維と同時に散布した。これにより、平均繊維長１０ｍｍの炭素繊維とポリカーボネートが混合された、厚み１ｍｍ程度のランダムマットを得た。結果を表１に示す。
製造例６
　炭素繊維（テナックスＳＴＳ４０−２４ＫＳ）を２０ｍｍ幅に拡幅しながら、繊維長１０ｍｍにカットした。つぎに、炭素繊維の供給量を３０１ｇ／ｍｉｎでテーパー管内に導入した。テーパー管内で十分に強い風力の空気を炭素繊維に吹き付けて繊維束をできるだけ開繊しつつ、テーパー管出口の下部に設置したテーブル上に散布した。またマトリックス樹脂として、平均粒径が約７１０μｍに冷凍粉砕したポリカーボネート樹脂を４８０ｇ／ｍｉｎでテーパー管内に供給し、炭素繊維と同時に散布した。これにより、平均繊維長１０ｍｍの炭素繊維とポリカーボネートが混合された、厚み１ｍｍ程度のランダムマットを得た。結果を表１に示す。
製造例７
　ガラス繊維（日本電気硝子社製：ＥＸ−２５００（平均繊維径１５μｍ、繊維幅９ｍｍ）を長さ５０ｍｍにカットした。次に、ガラス繊維の供給量を４１２ｇ／ｍｉｎでテーパー管内に導入し、テーパー管内で空気をガラス繊維に吹き付けて繊維束を部分的に開繊しつつ、テーパー管出口の下部に設置したテーブル上に散布した。またマトリックス樹脂として、平均粒径が約１ｍｍに冷凍粉砕したポリプロピレン（ＰＰ）樹脂（プライムポリマー製のポリプロピレン：プライムポリプロＪ１０８Ｍ　融点１７０℃、熱分解温度約２８０℃）を６００ｇ／ｍｉｎでテーパー管内に供給し、ガラス繊維と同時に散布した。これにより、平均繊維長５０ｍｍのガラス繊維とＰＰが混合された、厚み１ｍｍ程度のランダムマットを得た。結果を表１に示す。

炭素繊維束（Ａ）の割合^１）：臨界単糸数以上が集束している炭素繊維束のマットの繊維全量に対する体積割合
炭素繊維（Ｂ）の割合^２）：臨界単糸数未満の炭素繊維束（Ｂ_１）と炭素繊維単糸（Ｂ_２）を合わせた炭素繊維のマットの繊維全量に対する体積割合
実施例１
　製造例１で作製したランダムマットを、含浸用の平板金型をセットした川崎油工製５００ｔ油圧式プレス機を用いて３００℃、１ＭＰａで５分間プレスした後、５０℃まで冷却して、樹脂含浸度９９％、厚み０．６ｍｍ、繊維体積含有率３０％のプリプレグを得た。
　次に、得られたプリプレグをＮＧＫキルンテック製のＩＲオーブンを用いて３００℃に加熱したものを４枚重ね、金型温度を１２０℃に設定、プリプレグの大きさ１００ｃｍ×１２０ｃｍでチャージ率８０％となる様に図１に示す金型の中心に配置した。ついで、スライド下降速度２５０ｍｍ／ｓｅｃ、２．５ＭＰａの圧力で６０秒間プレス（コールドプレス）して成形体を得た。結果を表２に示す。Ｅδは１に近く、等方性に優れていた。また、Ｖｆｓも１に近く、成形体全体において炭素繊維含有率がほぼ均一であった。
実施例２
　製造例２で作製したランダムマットを、含浸用の平板金型をセットした川崎油工製５００ｔ油圧式プレス機を用いて２８０℃、１ＭＰａで５分間プレスした後、５０℃まで冷却して、樹脂含浸度９９％、厚み３．２ｍｍ、繊維体積含有率２０％のプリプレグを得た。
　次に、得られたプリプレグをＮＧＫキルンテック製のＩＲオーブンを用いて２８０℃に加熱したものを、金型温度を１００℃に設定、プリプレグの大きさ９０ｃｍ×１００ｃｍでチャージ率６０％となる様に図１に示す金型の中心に配置した。ついで、スライド下降速度２５０ｍｍ／ｓｅｃ、５ＭＰａの圧力で６０秒間プレス（コールドプレス）して成形体を得た。結果を表２に示す。Ｅδは１に近く、等方性に優れていた。また、Ｖｆｓも１に近く、成形体全体において炭素繊維含有率がほぼ均一であった。
実施例３
　製造例３で作製したランダムマットを、含浸用の平板金型をセットした川崎油工製５００ｔ油圧式プレス機を用いて２７０℃、２ＭＰａで５分間プレスした後、５０℃まで冷却して、樹脂含浸度９９％、厚み０．６ｍｍ、繊維体積含有率３０％のプリプレグを得た。
　次に、得られたプリプレグをＮＧＫキルンテック製のＩＲオーブンを用いて３００℃に加熱したものを４枚重ね、金型温度を１２０℃に設定、プリプレグの大きさ１００ｃｍ×１２０ｃｍでチャージ率８０％となる様に図１に示す金型の中心に配置した。ついで、スライド下降速度２５０ｍｍ／ｓｅｃ、２．５ＭＰａの圧力で６０秒間プレス（コールドプレス）して成形体を得た。結果を表２に示す。Ｅδは１に近く、等方性に優れていた。また、Ｖｆｓも１に近く、成形体全体において炭素繊維含有率がほぼ均一であった
実施例４
　製造例４で得られたプリプレグをＮＧＫキルンテック製のＩＲオーブンを用いて２８０℃に加熱したものを３枚重ね、金型温度を１００℃に設定、プリプレグの大きさ１００ｃｍ×１２０ｃｍでチャージ率８０％となるように図１に示す金型の中心に配置した。ついで、スライド下降速度２５０ｍｍ／ｓｅｃ、５ＭＰａの圧力で６０秒間プレス（コールドプレス）して成形体を得た。結果を表２に示す。Ｅδは１に近く、等方性に優れていた。また、Ｖｆｓも１に近く、成形体全体において炭素繊維含有率がほぼ均一であった。
実施例５
　製造例１で作製したランダムマットを４枚重ね、川崎油工製５００ｔ油圧式プレス機を用いて、ランダムマットの大きさ１００ｃｍ×１２０ｃｍでチャージ率８０％となるように図１に示す金型の中心に配置した。次に、３００℃、１ＭＰａで７分間プレス（ホットプレス）した後、５０℃まで冷却して、樹脂含浸度９９％、厚み２．０ｍｍ、繊維体積含有率３０％の成形体を得た。結果を表２に示す。Ｅδは１に近く、等方性に優れていた。また、Ｖｆｓも１に近く、成形体全体において炭素繊維含有率がほぼ均一であった。
実施例６
　製造例１で作製したランダムマットを、含浸用の平板金型をセットした川崎油工製５００ｔ油圧式プレス機を用いて３００℃、１ＭＰａで５分間プレスした。その後、５０℃まで冷却して、樹脂含浸度９９％、厚み０．６ｍｍ、繊維体積含有率３０％のプリプレグを得た。次に、得られたプリプレグをＮＧＫキルンテック製のＩＲオーブンを用いて３００℃に加熱したものを４枚重ね、金型温度を１２０℃に設定、プリプレグの大きさ３１ｃｍ×３１ｃｍでチャージ率８０％となる様に図２に示す金型の中心に配置した。ついで、スライド下降速度２５０ｍｍ／ｓｅｃ、２．５ＭＰａの圧力で６０秒間コールドプレスして成形体を得た。結果を表２に示す。Ｖｆｓは１に近く、成形体全体において炭素繊維含有率がほぼ均一であった。
実施例７
　製造例４で得られたプリプレグをＮＧＫキルンテック製のＩＲオーブンを用いて２８０℃に加熱したものを３枚重ね、金型温度を１００℃に設定、プリプレグの大きさ１００ｃｍ×１２０ｃｍでチャージ率８０％となるように図２に示す金型の中心に配置した。ついで、スライド下降速度２５０ｍｍ／ｓｅｃ、０．８ＭＰａの圧力で６０秒間プレス（コールドプレス）して成形体を得た。得られた成形体は表面性が良好ではなかったが、形状は金型通りの寸法で成形出来た。結果を表２に示す。Ｖｆｓは１に近く、成形体全体において炭素繊維含有率がほぼ均一であった。

比較例１
　製造例５で作製したランダムマットを、含浸用の平板金型をセットした川崎油工製５００ｔ油圧式プレス機を用いて３００℃、１ＭＰａで５分間プレスした後、５０℃まで冷却して、樹脂含浸度９９％、厚み０．６ｍｍ、繊維体積含有率３０％のプリプレグを得た。
　次に、得られたプリプレグをＮＧＫキルンテック製のＩＲオーブンを用いて３００℃に加熱したものを４枚重ね、金型温度を１２０℃に設定、プリプレグの大きさ１００ｃｍ×１２０ｃｍでチャージ率８０％となる様に図１に示す金型の中心に配置した。ついで、スライド下降速度２５０ｍｍ／ｓｅｃ、２．５ＭＰａの圧力で６０秒間コールドプレス成形をして成形体を得た。結果を表２に示す。Ｅδは大きく、力学的に異方性が大きかった。またＶｆｓも１．９であり、Ｖｆのムラが確認された。炭素繊維束（Ａ）について、マットの繊維全量に対する割合が１００％と大きく、さらには平均繊維数（Ｎ）についても１５０００と大きかったことが原因と考えられる。
比較例２
　製造例６で作製したランダムマットを、含浸用の平板金型をセットした川崎油工製５００ｔ油圧式プレス機を用いて３００℃、１ＭＰａで５分間プレスした。その後、５０℃まで冷却して、樹脂含浸度９９％、厚み０．６ｍｍ、繊維体積含有率３０％のプリプレグを得た。
　次に、得られたプリプレグをＮＧＫキルンテック製のＩＲオーブンを用いて３００℃に加熱したものを４枚重ね、金型温度を１２０℃に設定、プリプレグの大きさ１００ｃｍ×１２０ｃｍでチャージ率８０％となる様に図１に示す金型の中心に配置した。ついで、スライド下降速度２５０ｍｍ／ｓｅｃ、２．５ＭＰａの圧力で６０秒間コールドプレス成形をした。結果を表２に示す。
　ランダムマットの炭素繊維束（Ａ）について、マットの繊維全量に対する割合が４％と低かったため成形体の４隅２５ｃｍ程度の部分が流動せずに完全な成形体を得ることができなかった。
参考例１
　製造例７で作製したランダムマットを、含浸用の平板金型をセットした川崎油工製５００ｔ油圧式プレス機を用いて２２０℃、１ＭＰａで５分間プレスした。その後、５０℃まで冷却して、樹脂含浸度９９％、厚み０．６ｍｍ、繊維体積含有率２０％のプリプレグを得た。
　次に、得られたプリプレグをＮＧＫキルンテック製のＩＲオーブンを用いて２２０℃に加熱したものを４枚重ね、金型温度を１００℃に設定、プリプレグの大きさ１００ｃｍ×１２０ｃｍでチャージ率８０％となる様に図１に示す金型に配置した。ついで、スライド下降速度２５０ｍｍ／ｓｅｃ、７ＭＰａの圧力で６０秒間コールドプレスして成形体を得た。結果を表２に示す。このように、炭素繊維の代わりにガラス繊維を用いると、炭素繊維を用いた場合に比べて、比較的高いプレス圧力を要することがわかった。

　本発明によれば、特定の繊維長の炭素繊維束を含むランダムマットを熱可塑性樹脂によって含浸し低圧でプレス成形することにより、等方性が良好で、機械特定と生産性に優れた成形体を提供できる。低圧で成形できるので、形状が複雑な成形体や大型の成形体を得る製造法として有用である。

Claims (13)

1. 炭素繊維と熱可塑性樹脂とを含む成形体を製造する方法において、
   （１）平均繊維長５~１００ｍｍの炭素繊維束と熱可塑性樹脂を含むランダムマットを準備する工程、
   （２）当該ランダムマットを金型内に配置する前または後に、熱可塑性樹脂が結晶性の場合は融点以上から分解温度未満、非晶性の場合はガラス転移温度以上から分解温度未満に加熱及び加圧して当該熱可塑性樹脂を炭素繊維束内に含浸させる工程、
   （３）当該含浸されたランダムマットを、金型内で圧力が０．１~２０ＭＰａの範囲で加圧して成形する工程、及び
   （４）得られた成形体を金型から取り出す工程、
   を含み、上記（１）~（４）の各工程をこの順に行い、かつ、前記ランダムマットは、炭素繊維が２５~１００００ｇ／ｍ^２の目付け量であり、そして実質的に面内方向にランダムに配向しており、炭素繊維束は、下記式（１）で定義される臨界単糸数以上が集束している炭素繊維束（Ａ）と臨界単糸数未満の炭素繊維（Ｂ）とを含んでなり、炭素繊維束（Ａ）は、当該ランダムマットの繊維全量に対する割合が２０Ｖｏｌ％以上９９Ｖｏｌ％未満の範囲である、ことを特徴とする成形体の製造方法。
   　臨界単糸数＝６００／Ｄ　　　　　　　　　　（１）
   （ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
2. 工程（１）は、
   （１−１）炭素繊維をカットした後開繊させる工程、
   を含む、請求項１記載の成形体の製造方法。
3. 前記（３）の工程において、圧力が０．５~１０ＭＰａの範囲である請求項１に記載の成形体の製造方法。
4. 圧力が０．５~５ＭＰａの範囲である請求項３に記載の成形体の製造方法。
5. （２−１）前記（２）の工程において、当該ランダムマットを金型内に配置する前に、加温及び加圧して当該熱可塑性樹脂を炭素繊維束内に含浸させる工程、及び
   　（３−１）前記（３）の工程において、当該含浸されたランダムマットを金型内に配置し、熱可塑性樹脂が結晶性の場合は結晶化温度未満、非晶性の場合はガラス転移温度未満に温度調節された金型で加圧して成形する工程、
   を含む、請求項１に記載の成形体の製造方法。
6. （３−２）前記（３−１）の工程において、加圧する前に、スライド下降速度５０~１００００ｍｍ／ｓｅｃで金型を型締めする、請求項５に記載の成形体の製造方法。
7. （２−２）前記（２）の工程において、当該ランダムマットを金型内に配置した後に、当該金型を、熱可塑性樹脂が結晶性の場合は融点以上から分解温度未満、非晶性の場合はガラス転移温度以上から分解温度未満に昇温して当該ランダムマットを加熱し加圧して当該熱可塑性樹脂を炭素繊維束内に含浸させる工程、
   を含み、かつ当該（２−２）の工程に引き続いて前記（３）の工程を行う、請求項１に記載の成形体の製造方法。
8. ランダムマットにおける炭素繊維と熱可塑性樹脂の存在比が、炭素繊維１００重量部に対して熱可塑性樹脂５０~１０００重量部である請求項１に記載の成形体の製造方法。
9. ランダムマットにおける炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（２）を満たす請求項１に記載の成形体の製造方法。
   　０．７×１０^４／Ｄ^２＜Ｎ＜１×１０^５／Ｄ^２　　　（２）
   （ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
10. 炭素繊維束（Ａ）は、当該ランダムマットの繊維全量に対する割合が３０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満の範囲である、請求項９に記載の成形体の製造方法。
11. 任意の方向、及びこれと直交する方向についての引張弾性率の大きい方の値を小さい方の値で割った比（Ｅδ）が１．０以上１．４を超えない範囲である、請求項１に記載の製造方法により得られる成形体。
12. 任意の方向、及びこれと直角の角度を成す方向に試験片を切り出し、繊維体積含有率（Ｖｆ）の大きいほうの値を小さい方の値で割った比（Ｖｆｓ）が１．０~１．２の範囲である請求項１に記載の製造方法により得られる成形体。
13. 平均繊維長５~１００ｍｍの炭素繊維と熱可塑性樹脂を含んでなり、
    炭素繊維が２５~１００００ｇ／ｍ^２の目付け量であり、実質的に面内方向にランダムに配向しており、炭素繊維は、下記式（１）で定義される臨界単糸数以上が集束している炭素繊維束（Ａ）と臨界単糸数未満の炭素繊維（Ｂ）とを含み、炭素繊維束（Ａ）は、当該ランダムマットの繊維全量に対する割合が２０Ｖｏｌ％以上９９Ｖｏｌ％未満の範囲であり、炭素繊維と熱可塑性樹脂の存在比が、炭素繊維１００重量部に対して熱可塑性樹脂５０~１０００重量部であり、かつ、
    任意の方向、及びこれと直交する方向についての引張弾性率の大きい方の値を小さい方の値で割った比（Ｅδ）が１．０以上１．４を超えない範囲であり、
    任意の方向、及びこれと直角の角度を成す方向に試験片を切り出し、繊維体積含有率（Ｖｆ）の大きいほうの値を小さい方の値で割った比（Ｖｆｓ）が１．０~１．２の範囲である、ことを特徴とする成形体。
    　臨界単糸数＝６００／Ｄ　　　　　　　　　　（１）
    （ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）

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