WO2014061384A1 - 連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体、およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
溶融粘度の高い熱可塑性樹脂を連続繊維に短時間で含浸させる技術を提供することで、連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料を短いサイクルで成形することを可能とすること。 連続繊維束１と、当該連続繊維束１を締め付けることなくその周囲を被覆する熱可塑性樹脂繊維（被覆２）とからなり、前記連続繊維束１が偏平に変形可能であることを特徴とする連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体１０およびその製造方法である。
Description
本発明は、連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体、およびその製造方法に関するものである。
繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の製造に用いる中間材料として、コミングルヤーン（混繊糸）、プリプレグテープ、マイクロブレーデッドヤーン（ＭＢＹ）が知られている。
コミングルヤーンは、含浸性に優れてはいるものの、汎用的な熱可塑性樹脂との限定的な組み合わせしか選べないといった制約や、混繊過程で強化繊維が損傷するという問題がある。
また、プリプレグテープは、予め樹脂が繊維に含浸されているため、含浸に時間がかからないという特長があるが、繊維束ではなくテープ状であり剛性が高いため、適用可能な形状が平面や曲面に限られるという問題がある。
コミングルヤーンは、含浸性に優れてはいるものの、汎用的な熱可塑性樹脂との限定的な組み合わせしか選べないといった制約や、混繊過程で強化繊維が損傷するという問題がある。
また、プリプレグテープは、予め樹脂が繊維に含浸されているため、含浸に時間がかからないという特長があるが、繊維束ではなくテープ状であり剛性が高いため、適用可能な形状が平面や曲面に限られるという問題がある。
一方、マイクロブレーデッドヤーンは、様々な熱可塑性樹脂繊維との組み合わせが可能であり、強化繊維の損傷が少ない、比較的安価に作成することが可能であるなどといった優れた特長を有している。
このように、熱可塑性樹脂を母材樹脂とし、連続繊維を強化繊維とした連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、熱硬化性樹脂複合材料に比べリサイクル性能を有し、繊維が連続しているため強化繊維の強度を最大に活かすことができることから、自動車や航空機向け構造材料として、大幅な需要の拡大が期待されている。
このように、熱可塑性樹脂を母材樹脂とし、連続繊維を強化繊維とした連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、熱硬化性樹脂複合材料に比べリサイクル性能を有し、繊維が連続しているため強化繊維の強度を最大に活かすことができることから、自動車や航空機向け構造材料として、大幅な需要の拡大が期待されている。
しかしながら、熱可塑性樹脂の溶融粘度は、硬化前の熱硬化性樹脂と比較して極めて高い（熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂、熱可塑性樹脂としてナイロン（ＰＡ６）樹脂を例に取ると、 前者は数十Ｐａ・ｓであるのに対して、後者は数百～数千Ｐａ・ｓである。）ため、複合材料成形時に連続繊維の中への含浸が難しいことが問題となっている。
特に連続繊維強化複合材料においては、繊維を流動させず、繊維集合体に浸み込ませる成形形態をとることから、より含浸が困難となる。
連続繊維強化複合材料においては、樹脂を十分に連続繊維束の中に含浸させることにより、多数本の連続繊維すべての優れた剛性と強度を引き出すことが可能となるため、含浸不十分の成形品では、力学的特性の低下が起こる原因となる。そのため、未含浸の領域をできるだけ減らすことが重要となる。
現在、連続繊維強化熱可塑性複合材料作製のために、樹脂をできるだけ連続繊維に含浸させやすくした種々の中間材料および成形方法が開発されており、それら従来技術の具体的な特徴と問題点は以下の通りである。
連続繊維強化複合材料においては、樹脂を十分に連続繊維束の中に含浸させることにより、多数本の連続繊維すべての優れた剛性と強度を引き出すことが可能となるため、含浸不十分の成形品では、力学的特性の低下が起こる原因となる。そのため、未含浸の領域をできるだけ減らすことが重要となる。
現在、連続繊維強化熱可塑性複合材料作製のために、樹脂をできるだけ連続繊維に含浸させやすくした種々の中間材料および成形方法が開発されており、それら従来技術の具体的な特徴と問題点は以下の通りである。
特許文献１に記載の発明は、長繊維強化熱可塑性樹脂複合材料のための、連続強化繊維束と連続熱可塑性樹脂繊維束とが均一に混繊された複合材料用混繊糸（含浸性中間材料）である。かかる複合材料用混繊糸は、既に説明した通り、優れた含浸性を有するが、繊維と樹脂の組み合わせが限定される他、混繊工程において強化繊維が損傷しているなどの問題点を有する。
特許文献２に記載の発明は、ガラス繊維ロービングに関する発明であり、連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体に関する本発明とは根本的に異なるものである。
特許文献３に記載の発明は、組物技術を用いて樹脂繊維を連続繊維に被覆した中間材料であり、組物技術を用いる点において本発明と共通性を有している。
しかし、この発明は、熱可塑性樹脂繊維の管状体によって強化用繊維を被覆しているものであるため、含浸しにくい、含浸時間が長い、などの問題点を有している。
しかし、この発明は、熱可塑性樹脂繊維の管状体によって強化用繊維を被覆しているものであるため、含浸しにくい、含浸時間が長い、などの問題点を有している。
連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料を短いサイクルで成形するためには、溶融粘度の高い熱可塑性樹脂を連続繊維に短時間で含浸させる技術が必要となる。その技術の一つが繊維状中間材料技術であり、連続繊維の近傍に母材となる樹脂を繊維の形態にして配置することによって、高温で成形した際に樹脂繊維が溶融し、連続繊維に含浸する技術となる。
前記マイクロブレーデッドヤーン４０は、組物技術を使って連続繊維束１の周りに多数本の樹脂繊維の被覆４１を設ける方法により作製された繊維状中間材料である（特許文献４、図１０参照）。
この中間材料の特長としては、既に説明した通り、どのような繊維材料の組み合わせであっても、組物技術により被覆するだけなので中間材料が容易に作製できること、および、樹脂繊維の割合を容易に制御でき、強化繊維を被覆することによって繊維の損傷が押さえられることも特長である。
この中間材料の特長としては、既に説明した通り、どのような繊維材料の組み合わせであっても、組物技術により被覆するだけなので中間材料が容易に作製できること、および、樹脂繊維の割合を容易に制御でき、強化繊維を被覆することによって繊維の損傷が押さえられることも特長である。
しかしながら、組物構造となっている多数本の樹脂繊維からなる被覆４１により、連続繊維束１が周りから締め付けられているため、樹脂繊維の被覆４１と連続繊維束１との隙間がほぼ０％であり、連続繊維の束の断面が円形状になってしまう（図１１参照）。
この現象により、樹脂繊維が溶けて連続繊維束１の内部に含浸するまでの距離Ｔ２が長くなり、含浸に時間がかかってしまう。また、締め付けによって連続繊維の束の密度が高くなるため、これも含浸を阻害する要因となる。
この現象により、樹脂繊維が溶けて連続繊維束１の内部に含浸するまでの距離Ｔ２が長くなり、含浸に時間がかかってしまう。また、締め付けによって連続繊維の束の密度が高くなるため、これも含浸を阻害する要因となる。
本発明が解決しようとする課題は、連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の製造に際し、連続繊維束の断面が「円形状になる」、「密度が高くなる」ことにより、含浸に時間がかかってしまうということであり、本発明の目的は、これらの含浸を阻害する２つの問題点を解決し、溶融粘度の高い熱可塑性樹脂を連続繊維（強化繊維）に短時間で含浸させる技術を提供することで、連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料を短いサイクルで成形することを可能とすることである。
本発明は、連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の中間材料を製造するに際し、多数本の熱可塑性樹脂繊維による連続繊維への締め付けを解消し、連続繊維束が偏平に変形可能とするために、以下の作成方法を採用したことを特徴とする。
（１）連続繊維の束の径より一回り大きな径のガイド（例えば金属丸棒又は金属パイプ）に対し、熱可塑性樹脂繊維からなる被覆構造を作製し、その被覆構造（例えば組物構造、織物構造又は編物構造）にて連続繊維束を被覆することにより、連続繊維束に対する締め付けが無い中間材料を作製する。
（２）熱可塑性樹脂繊維を組物構造を使って被覆させるときにおいては、長手方向に対して斜めに配向された組糸だけでなく、長手方向に配向された中央糸を組糸間に挿入することにより、組物構造の変形を抑え、連続繊維束に対する締め付けを抑制する。
なお、従来のマイクロブレーデッドヤーンにおいて、中央糸を挿入する技術は、組物構造物の強度を増す目的で用いられている。しかしながら、本発明においては、（１）で作製する連続繊維束よりも一回り大きい組物構造の形状を維持するためという目的で挿入させる点が特徴である。
（１）連続繊維の束の径より一回り大きな径のガイド（例えば金属丸棒又は金属パイプ）に対し、熱可塑性樹脂繊維からなる被覆構造を作製し、その被覆構造（例えば組物構造、織物構造又は編物構造）にて連続繊維束を被覆することにより、連続繊維束に対する締め付けが無い中間材料を作製する。
（２）熱可塑性樹脂繊維を組物構造を使って被覆させるときにおいては、長手方向に対して斜めに配向された組糸だけでなく、長手方向に配向された中央糸を組糸間に挿入することにより、組物構造の変形を抑え、連続繊維束に対する締め付けを抑制する。
なお、従来のマイクロブレーデッドヤーンにおいて、中央糸を挿入する技術は、組物構造物の強度を増す目的で用いられている。しかしながら、本発明においては、（１）で作製する連続繊維束よりも一回り大きい組物構造の形状を維持するためという目的で挿入させる点が特徴である。
本発明による課題を解決するための手段は、具体的には、
『連続繊維束と、当該連続繊維束を締め付けることなくその周囲を被覆する熱可塑性樹脂繊維とからなり、前記連続繊維束が偏平に変形可能であることを特徴とする連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体。』を特徴とする。
『連続繊維束と、当該連続繊維束を締め付けることなくその周囲を被覆する熱可塑性樹脂繊維とからなり、前記連続繊維束が偏平に変形可能であることを特徴とする連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体。』を特徴とする。
さらに、本発明の前記熱可塑性樹脂繊維は、
（ａ）長手方向に対して斜めに配向された組糸と、当該組糸間に挿入されるように長手方向に配向された中央糸とからなり、前記連続繊維束の周囲を網状に被覆する組物構造
（ｂ）長手方向に対して直交して交差する経糸と緯糸とからなり、前記連続繊維束の周囲を網状に被覆する織物構造
（ｃ）ループを形成する糸からなり、前記連続繊維束の周囲を網状に被覆する編物構造
上記（ａ）～（ｃ）のいずれかの構造となっていることを特徴とする。
（ａ）長手方向に対して斜めに配向された組糸と、当該組糸間に挿入されるように長手方向に配向された中央糸とからなり、前記連続繊維束の周囲を網状に被覆する組物構造
（ｂ）長手方向に対して直交して交差する経糸と緯糸とからなり、前記連続繊維束の周囲を網状に被覆する織物構造
（ｃ）ループを形成する糸からなり、前記連続繊維束の周囲を網状に被覆する編物構造
上記（ａ）～（ｃ）のいずれかの構造となっていることを特徴とする。
また、本発明は、
『連続繊維束と、当該連続繊維束を締め付けることなくその周囲を被覆する熱可塑性樹脂繊維とからなり、前記連続繊維束が偏平に変形可能である連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体の製造方法であって、前記連続繊維束の外径より一回り大きな外径を有するガイドを被覆するように熱可塑性樹脂繊維からなる被覆構造を作製し、その被覆構造内に前記連続繊維束を挿通配置するようにした連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体の製造方法』を特徴とする。
『連続繊維束と、当該連続繊維束を締め付けることなくその周囲を被覆する熱可塑性樹脂繊維とからなり、前記連続繊維束が偏平に変形可能である連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体の製造方法であって、前記連続繊維束の外径より一回り大きな外径を有するガイドを被覆するように熱可塑性樹脂繊維からなる被覆構造を作製し、その被覆構造内に前記連続繊維束を挿通配置するようにした連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体の製造方法』を特徴とする。
さらに、本発明は、
『連続繊維束と、当該連続繊維束を締め付けることなくその周囲を被覆する熱可塑性樹脂繊維とからなり、前記連続繊維束が偏平に変形可能である連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体の製造方法であって、前記連続繊維束の外径より一回り大きな外径を有するガイドを被覆するように熱可塑性樹脂繊維からなる被覆構造を作製し、前記ガイドの内側に前記連続繊維束を挿通し、当該連続繊維束と、前記熱可塑性樹脂繊維からなる被覆構造とを同時に前記ガイドから抜き取ることにより、前記被覆構造内に前記連続繊維束を挿通配置するようにした連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体の製造方法』を特徴とする。
さらに、本発明の前記連続繊維束は、そのアスペクト比が１．２以上の値となるように変形可能であることを特徴とする。
また、本発明の前記連続繊維束は、好ましくは、そのアスペクト比が３～１０の値となるように変形可能であることを特徴とする。
『連続繊維束と、当該連続繊維束を締め付けることなくその周囲を被覆する熱可塑性樹脂繊維とからなり、前記連続繊維束が偏平に変形可能である連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体の製造方法であって、前記連続繊維束の外径より一回り大きな外径を有するガイドを被覆するように熱可塑性樹脂繊維からなる被覆構造を作製し、前記ガイドの内側に前記連続繊維束を挿通し、当該連続繊維束と、前記熱可塑性樹脂繊維からなる被覆構造とを同時に前記ガイドから抜き取ることにより、前記被覆構造内に前記連続繊維束を挿通配置するようにした連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体の製造方法』を特徴とする。
さらに、本発明の前記連続繊維束は、そのアスペクト比が１．２以上の値となるように変形可能であることを特徴とする。
また、本発明の前記連続繊維束は、好ましくは、そのアスペクト比が３～１０の値となるように変形可能であることを特徴とする。
上記構成を採用したことにより、本発明の連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体においては、従来技術による中間材料とは異なり、樹脂繊維による連続繊維束に対する締め付けが緩くなることにより、連続繊維の断面が偏平に変形できるようになり、中心までの距離（含浸距離）が短くなるため、含浸時間が短くなる。また、繊維の密度が低くなることからも、溶融した樹脂が連続繊維束に含浸しやすくなる。
従って、本発明の強化繊維／樹脂繊維複合体においては、従来と同じ温度、同じ圧力、同じ時間でプレス成形を行った場合に、含浸していない割合（未含浸率）が著しく低下し、成形時間を大幅に短縮させることができるとともに、成形品の強度を高めることも可能となった。
従って、本発明の強化繊維／樹脂繊維複合体においては、従来と同じ温度、同じ圧力、同じ時間でプレス成形を行った場合に、含浸していない割合（未含浸率）が著しく低下し、成形時間を大幅に短縮させることができるとともに、成形品の強度を高めることも可能となった。
さらに、本発明は、含浸時間の短縮によってできるだけ早く成形可能な中間材料を提供できるため、量産サイクルが上がり、成形品の製造コストを低減することもできるという優れた効果を有する。
なお、複合材料の形状が本発明において偏平化又は楕円形化することによる支障は、生じない。
また、本発明の強化繊維／樹脂繊維複合体は、熱可塑性樹脂繊維を用いるものであるため、リサイクルや二次加工を容易に行うこともできる。
なお、複合材料の形状が本発明において偏平化又は楕円形化することによる支障は、生じない。
また、本発明の強化繊維／樹脂繊維複合体は、熱可塑性樹脂繊維を用いるものであるため、リサイクルや二次加工を容易に行うこともできる。
従って、本発明は、自動車製造や航空機製造などのための軽量化材料およびその製造方法を提供でき、各種の産業上極めて有効なものである。
本発明は、図１に示すように、多数本の連続繊維１ａからなる連続繊維束１と、当該連続繊維束１を締め付けることなくその周囲を網状に被覆する熱可塑性樹脂繊維（被覆２）とからなり、前記連続繊維束１が偏平に変形可能であることを特徴とする連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体１０であって、連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の中間材料として用いられるものである。
本発明において、前記連続繊維束が「偏平」に変形している状態としては、前記連続繊維束のアスペクト比として約３～１０程度のものが好適に含まれる。
即ち、連続繊維束の断面形状が楕円形である場合の長径：短径の比が３～１０であるもの、又は、連続繊維束の断面形状が長方形である場合の長辺：短辺の比が３～１０であるものが本発明の実施形態として好適である。
そして、連続繊維束の断面形状が図１に例示した状態のものであれば、そのアスペクト比は約４．０となる。
ここで、図１１に示すように、連続繊維束の断面形状がほぼ円形であって、指でつぶすように押さえつけても連続繊維束のアスペクト比が１．２以上の値に変形しないものは、被覆が連続繊維束を締め付けているものと考えられ、本発明の範囲外のものであると考えられる。
本発明において、前記連続繊維束が「偏平」に変形している状態としては、前記連続繊維束のアスペクト比として約３～１０程度のものが好適に含まれる。
即ち、連続繊維束の断面形状が楕円形である場合の長径：短径の比が３～１０であるもの、又は、連続繊維束の断面形状が長方形である場合の長辺：短辺の比が３～１０であるものが本発明の実施形態として好適である。
そして、連続繊維束の断面形状が図１に例示した状態のものであれば、そのアスペクト比は約４．０となる。
ここで、図１１に示すように、連続繊維束の断面形状がほぼ円形であって、指でつぶすように押さえつけても連続繊維束のアスペクト比が１．２以上の値に変形しないものは、被覆が連続繊維束を締め付けているものと考えられ、本発明の範囲外のものであると考えられる。
本発明の前記連続繊維束１としては、ガラス繊維束、炭素繊維束、アラミド繊維束、金属繊維束、セラミック繊維束といった軽く柔軟性および強度に優れた材料を好適に用いることができるが、ジュート、ケナフなどの天然繊維からなるものを用いるなど、これらに限定されるものではない。
さらに、これらの材料を２種以上適宜組み合わせて使用したり、同一材料で太さや形状の異なるものを組み合わせて使用したり、紡糸したものを使用することもできる。
さらに、これらの材料を２種以上適宜組み合わせて使用したり、同一材料で太さや形状の異なるものを組み合わせて使用したり、紡糸したものを使用することもできる。
本発明の前記熱可塑性樹脂繊維の被覆２を構成する樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂（汎用樹脂）、ナイロンなどのポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（エンジニアリング樹脂）などの材料を好適に用いることができるが、これらに限定されるものではない。
また、本発明において、前記熱可塑性樹脂繊維は、長手方向に対して斜めに連続的に配向された組糸２ａと、当該組糸２ａ間に挿入されるように長手方向に配向された中央糸２ｂとからなる組物構造２０であって、前記連続繊維束１の周囲を常時緩く網状に被覆するものであることが望ましい（図１、図２参照）。
また、本発明において、前記熱可塑性樹脂繊維は、長手方向に対して斜めに連続的に配向された組糸２ａと、当該組糸２ａ間に挿入されるように長手方向に配向された中央糸２ｂとからなる組物構造２０であって、前記連続繊維束１の周囲を常時緩く網状に被覆するものであることが望ましい（図１、図２参照）。
即ち、上記のように長手方向に配向された中央糸２ｂを用いる構成とすることにより、熱可塑性樹脂繊維の被覆２が長手方向に引っ張られても網状にされている熱可塑性樹脂繊維によって連続繊維束１が締め付けられることを防ぐことができる。
従って、連続繊維束１の断面が常に偏平に変形できるようになり、連続繊維束１の中心までの距離（厚み）が短くなるため、熱可塑性樹脂繊維の被覆２が溶融した樹脂が連続繊維束１に含浸する時間が短くなるという効果を得ることができる。また、連続繊維束１の密度が低くなり、溶融した熱可塑性樹脂が連続繊維束１にさらに含浸しやすくなるという効果を得ることができる。
従って、連続繊維束１の断面が常に偏平に変形できるようになり、連続繊維束１の中心までの距離（厚み）が短くなるため、熱可塑性樹脂繊維の被覆２が溶融した樹脂が連続繊維束１に含浸する時間が短くなるという効果を得ることができる。また、連続繊維束１の密度が低くなり、溶融した熱可塑性樹脂が連続繊維束１にさらに含浸しやすくなるという効果を得ることができる。
さらに、前記連続繊維束１を締め付けることなくその周囲を被覆する熱可塑性樹脂繊維の被覆２の被覆構造については、上記組物構造２０の他、
図３（Ａ）に示すように中央糸を含まない組物構造２１であったり、
図３（Ｂ）に示すように長手方向に対して直交して交差する経糸と緯糸とからなり、前記連続繊維束１の周囲を網状に被覆する織物構造２２，２３，２４、又は、
図３（Ｃ）に示すようにループを形成する糸からなり、前記連続繊維束１の周囲を網状に被覆する編物構造２５，２６、を採用してもよい。
図３（Ａ）に示すように中央糸を含まない組物構造２１であったり、
図３（Ｂ）に示すように長手方向に対して直交して交差する経糸と緯糸とからなり、前記連続繊維束１の周囲を網状に被覆する織物構造２２，２３，２４、又は、
図３（Ｃ）に示すようにループを形成する糸からなり、前記連続繊維束１の周囲を網状に被覆する編物構造２５，２６、を採用してもよい。
上記の織物構造２２，２３，２４としては、図３（Ｂ）の左側から順に、平織（Plain）、綾織（Twill）、朱子織（Satin）を含み、平織は経糸と緯糸が１本ずつ上下して交差した構造であり、綾織は１本の糸の上（または下）を交差し２本の糸の下（または上）を交差する構造である。
朱子織は経糸と緯糸の交差点をなるべく少なくし、さらにその交差点を連続しないように分散させた構造である。図３（Ｂ）における右側の図は５枚朱子の例を示しており１本の糸の上（または下）を交差し、４本の糸の下（または上）を交差する構造を有している。
朱子織は経糸と緯糸の交差点をなるべく少なくし、さらにその交差点を連続しないように分散させた構造である。図３（Ｂ）における右側の図は５枚朱子の例を示しており１本の糸の上（または下）を交差し、４本の糸の下（または上）を交差する構造を有している。
上記の編物構造２５，２６としては、繊維束がよこ方向に移動しながらループが形成される緯編物と、繊維束がたて方向に移動しながらループが形成される経編物とを含み、図３（Ｃ）に示す緯編構造は、最も単純な平（Plain）編構造であり、日常使用されるシャツ、靴下、セーターなどに多用されている編構造である。
強化繊維／樹脂繊維複合体を構成する連続繊維束の周囲を網状に被覆する樹脂繊維による被覆構造として有益である緯編物の特長のひとつは、その高い伸縮性（破断ひずみが１００％以上）であり、複雑形状への賦型性に優れる。平編以外にも、様々な構造を有する緯編物により、連続繊維束１の周囲を網状に被覆する樹脂繊維による被覆構造が作製可能である。
強化繊維／樹脂繊維複合体を構成する連続繊維束の周囲を網状に被覆する樹脂繊維による被覆構造として有益である緯編物の特長のひとつは、その高い伸縮性（破断ひずみが１００％以上）であり、複雑形状への賦型性に優れる。平編以外にも、様々な構造を有する緯編物により、連続繊維束１の周囲を網状に被覆する樹脂繊維による被覆構造が作製可能である。
また、連続繊維束１と、その周囲を網状に被覆する熱可塑性樹脂繊維２ａ，２ｂの割合は、最終的に成形される製品に求められる強度、密度、重量、生産コストなどから算定して適宜決定すればよい。
また、本発明は、連続繊維束１と、当該連続繊維束１を締め付けることなくその周囲を網状に被覆する熱可塑性樹脂繊維２ａ，２ｂとからなり、前記連続繊維束１が偏平に変形可能である連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体の製造方法であって、前記連続繊維束の外径より一回り大きな外径を有するガイドに熱可塑性樹脂繊維からなる被覆構造（２０～２６）を作製し、その被覆構造内に前記連続繊維束を挿通配置するようにした連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体の製造方法である。
ここで、前記熱可塑性樹脂繊維からなる被覆２としては、上記にて説明した通り、長手方向に対して斜めに配向された組糸２ａと、当該組糸２ａ間に挿入されるように長手方向に配向された中央糸２ｂとからなる組物構造２０であって、前記連続繊維束１の周囲を締め付けることなく常時緩く網状に被覆するものであることが望ましい。
次に、連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体の実施例１について説明する。
本発明を具体化した強化繊維／樹脂繊維複合体１０の実施例に用いた連続繊維束１は、太さ７μｍの炭素繊維１２０００本からなるもの（東レ株式会社製Ｔ７００－１２Ｋ）であって、連続繊維１ａが絡み合うことなく長手方向に延びている繊維束である。
本発明を具体化した実施例の前記連続繊維束１を締め付けることなくその周囲を網状に被覆する熱可塑性樹脂繊維は、４７０テックスのナイロン６６（東レ株式会社製ＰＡ６６－４７０Ｔ）を２４本用いており、図２に示すように長手方向に対して斜めに連続的に配向された組糸２ａと、当該組糸２ａ間に挿入されるように長手方向に配向された中央糸２ｂとからなる組物構造２０としている。
ここで、本実施例において、前記連続繊維束１と、熱可塑性樹脂繊維２ａ，２ｂとからなる強化繊維／樹脂繊維複合体の断面を同心円状の円形と仮定した場合、樹脂繊維からなる被覆２の直径は１．５ｍｍ、強化繊維からなる連続繊維束１の直径は０．９ｍｍ、樹脂繊維の被覆２と連続繊維束１と間の隙間は０．３ｍｍとなった。
この実施例の強化繊維／樹脂繊維複合体１０を偏平に変形させた場合のアスペクト比は、約７となる。
この実施例の強化繊維／樹脂繊維複合体１０を偏平に変形させた場合のアスペクト比は、約７となる。
このように長手方向に配向された中央糸２ｂを用いる構成とすることにより、熱可塑性樹脂繊維が長手方向に引っ張られても網状にされている熱可塑性樹脂繊維による連続繊維束１の締め付けが生じることを防ぐことができる。
このため、連続繊維束１の断面が常に偏平に変形できるようになり、連続繊維束１の中心までの距離が短くなるため、含浸時間が短くなるという効果を得ることができる。
また、連続繊維束１の密度が低くなり、溶融した熱可塑性樹脂が連続繊維束１によりいっそう含浸しやすくなるという効果を得ることができる。
このため、連続繊維束１の断面が常に偏平に変形できるようになり、連続繊維束１の中心までの距離が短くなるため、含浸時間が短くなるという効果を得ることができる。
また、連続繊維束１の密度が低くなり、溶融した熱可塑性樹脂が連続繊維束１によりいっそう含浸しやすくなるという効果を得ることができる。
従って、上記構成された強化繊維／樹脂繊維複合体１０は、従来通り軽量であって高強度の成形品を製造できるものであり、かつ、従来とは異なり種々の形状への成形が容易であってしかも成形時間を短縮できるという特長を有しており、連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の中間材料として、優れた実用性を備えたものとなる。
本発明による連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の中間材料についての具体的な成形条件としては、およそ下記のとおりである。
成形温度・・・樹脂の融点＋摂氏３０度程度
圧力・・・１～１０ＭＰａ
成形時間・・・１～３０分
本発明による連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の中間材料についての具体的な成形条件としては、およそ下記のとおりである。
成形温度・・・樹脂の融点＋摂氏３０度程度
圧力・・・１～１０ＭＰａ
成形時間・・・１～３０分
次に、本発明を具体化した上記実施例の強化繊維／樹脂繊維複合体１０の製造方法の一例について説明する。
まず、図２及び図４に示すように、強化繊維としての連続繊維束１を被覆するための熱可塑性樹脂繊維による被覆構造（２０）を製造するため、連続繊維束１の外径よりも一回り大きな外径を有するガイドＧ１を用意する（ステップＳ１）。
このガイドＧ１の形状は、図５（Ａ）に示すように好ましくは円筒状（パイプ状）であるが、図５（Ｂ）に示すように円筒の一部を切り欠いたガイドＧ２（断面Ｃ字状又は断面Ｕ字状）であってもよく、また、複数本の棒状体又は断面が弧状の板状体からなるガイドＧ３，Ｇ４であってもよい。
上記のように複数本の棒状体又は板状体からガイドを構成する場合には、図５（Ｃ），（Ｄ）に示すようにそれらを円周上に並べるように配置するのが好ましい。
このガイドＧ１の形状は、図５（Ａ）に示すように好ましくは円筒状（パイプ状）であるが、図５（Ｂ）に示すように円筒の一部を切り欠いたガイドＧ２（断面Ｃ字状又は断面Ｕ字状）であってもよく、また、複数本の棒状体又は断面が弧状の板状体からなるガイドＧ３，Ｇ４であってもよい。
上記のように複数本の棒状体又は板状体からガイドを構成する場合には、図５（Ｃ），（Ｄ）に示すようにそれらを円周上に並べるように配置するのが好ましい。
次に、前記ガイドＧ１の周囲に巻き付けて被覆するようにして熱可塑性樹脂繊維の組糸２ａおよび中央糸２ｂからなる被覆構造（組物構造２０）を設ける（ステップＳ２）。
そして、ガイドＧ１の内側に連続繊維１ａからなる連続繊維束１を通し、熱可塑性樹脂繊維による被覆構造（組物構造２０）と同時にガイドから引き出す（ステップＳ３）ことにより、熱可塑性樹脂繊維２ａ，２ｂによる被覆２によって緩く被覆された連続繊維束１からなる強化繊維／樹脂繊維複合体１０を製造することができる。
そして、ガイドＧ１の内側に連続繊維１ａからなる連続繊維束１を通し、熱可塑性樹脂繊維による被覆構造（組物構造２０）と同時にガイドから引き出す（ステップＳ３）ことにより、熱可塑性樹脂繊維２ａ，２ｂによる被覆２によって緩く被覆された連続繊維束１からなる強化繊維／樹脂繊維複合体１０を製造することができる。
なお、上記の製造方法の一例においては、ガイドＧ１から連続繊維束１と熱可塑性樹脂繊維２ａ，２ｂとを同時に抜き取るようにして強化繊維／樹脂繊維複合体１０を製造したが（上記ステップＳ３）、当該ステップＳ３に代えて、筒状又は棒状のガイドから熱可塑性樹脂繊維による被覆構造（組物構造２０）を取り外してから、熱可塑性樹脂繊維による被覆２の内部に連続繊維束１を挿通する（ステップＳ４）ことにより強化繊維／樹脂繊維複合体１０を製造する方法を採用してもよい（図６参照）。
なお、上記ステップ４において、中実の棒状のガイドＧ５を用いる場合、その外形状としては、断面円形の丸棒を用いることが好ましいが、多角柱状のガイドＧ６を用いてもよい。
なお、上記ステップ４において、中実の棒状のガイドＧ５を用いる場合、その外形状としては、断面円形の丸棒を用いることが好ましいが、多角柱状のガイドＧ６を用いてもよい。
次に、上記のように構成した実施例１の強化繊維／樹脂繊維複合体１０について、従来のマイクロブレーデッドヤーン４０と性能を比較した結果について説明する。
上記のように構成した実施例１の強化繊維／樹脂繊維複合体と、同一の材料にて構成した従来のマイクロブレーデッドヤーンとをそれぞれ同じ温度（摂氏２９０度）、同じ圧力（５ＭＰａ）、同じ時間（１０分）でプレス成形を行ったところ、図７の一部断面写真および図８のグラフに示すように、実施例１の強化繊維／樹脂繊維複合体において含浸していない部分の割合（未含浸率）が、従来のマイクロブレーデッドヤーンの１／３以下となり、成形時間を大幅に短縮することが可能であることが確認できた。
上記のように構成した実施例１の強化繊維／樹脂繊維複合体と、同一の材料にて構成した従来のマイクロブレーデッドヤーンとをそれぞれ同じ温度（摂氏２９０度）、同じ圧力（５ＭＰａ）、同じ時間（１０分）でプレス成形を行ったところ、図７の一部断面写真および図８のグラフに示すように、実施例１の強化繊維／樹脂繊維複合体において含浸していない部分の割合（未含浸率）が、従来のマイクロブレーデッドヤーンの１／３以下となり、成形時間を大幅に短縮することが可能であることが確認できた。
さらに、上記のように構成した実施例１の強化繊維／樹脂繊維複合体１０と、同一の材料にて構成した従来のマイクロブレーデッドヤーン４０とをそれぞれ同じ温度（摂氏２９０度）、同じ圧力（５ＭＰａ）、同じ時間（３分、５分、１０分）でプレス成形を行ったものについて、引張強度を比較したところ、図９に示すグラフのとおりとなり、同じ成形時間で成形した場合において、実施例１の強化繊維／樹脂繊維複合体１０を中間材料とした成形品は、従来のマイクロブレーデッドヤーン４０を中間材料とした成形品よりも強度が優れていることが確認できた。
即ち、本発明による強化繊維／樹脂繊維複合体１０は、溶融した樹脂が短時間で連続繊維束１に１００％含浸し、所期の強度を備えた成形品を得ることができるため、本発明による強化繊維／樹脂繊維複合体１０を中間材料とした成形品は、量産サイクルが向上し、コスト削減に貢献できるものとなる。
本発明は、上記各実施例の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更して実施することが可能であり、熱可塑性樹脂繊維として色、強度、太さといった性質の異なるものを複数組み合わせて網状の被覆構造を製造するようにして実施してもよい。
例えば、被覆構造として、組糸と中央糸からなる組物構造を採用する場合に、組糸と中央糸とで性質の異なる糸を用いて実施してもよい。
例えば、被覆構造として、組糸と中央糸からなる組物構造を採用する場合に、組糸と中央糸とで性質の異なる糸を用いて実施してもよい。
また、本発明における「網状の被覆構造」には、繊維と繊維の間に隙間が無く「網目」が詰まったものと、繊維と繊維の間に隙間が生じているものの両者を含むものである。
本発明は、様々な連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材を容易に提供可能となるため、自動車製造や航空機製造など様々な分野における構造部材の製造用中間材料として好適に利用可能である。
１ 連続繊維束
１ａ 連続繊維
２ 樹脂繊維の被覆
２ａ 組糸（樹脂繊維）
２ｂ 中央糸（樹脂繊維）
１０ 強化繊維／樹脂繊維複合体（連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材製造用中間材料）
２０ 組物構造（被覆構造）
２１ 組物構造（被覆構造）
２２ 織物構造（被覆構造：平織）
２３ 織物構造（被覆構造：綾織）
２４ 織物構造（被覆構造：朱子織）
２５ 編物構造（被覆構造：平編）
２６ 編物構造（被覆構造：平編）
４０ 従来のマイクロブレーデッドヤーン
４１ 従来の樹脂繊維の被覆
Ｇ１ ガイド（パイプ）
Ｇ２ ガイド（断面Ｃ字状又は断面Ｕ字状）
Ｇ３ ガイド（複数本の板状体から構成されている）
Ｇ４ ガイド（複数本の棒状体又は板状体から構成されている）
Ｇ５ ガイド（丸棒）
Ｇ６ ガイド（多角柱）
Ｔ１ 含浸距離
Ｔ２ 従来の含浸距離
１ａ 連続繊維
２ 樹脂繊維の被覆
２ａ 組糸（樹脂繊維）
２ｂ 中央糸（樹脂繊維）
１０ 強化繊維／樹脂繊維複合体（連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材製造用中間材料）
２０ 組物構造（被覆構造）
２１ 組物構造（被覆構造）
２２ 織物構造（被覆構造：平織）
２３ 織物構造（被覆構造：綾織）
２４ 織物構造（被覆構造：朱子織）
２５ 編物構造（被覆構造：平編）
２６ 編物構造（被覆構造：平編）
４０ 従来のマイクロブレーデッドヤーン
４１ 従来の樹脂繊維の被覆
Ｇ１ ガイド（パイプ）
Ｇ２ ガイド（断面Ｃ字状又は断面Ｕ字状）
Ｇ３ ガイド（複数本の板状体から構成されている）
Ｇ４ ガイド（複数本の棒状体又は板状体から構成されている）
Ｇ５ ガイド（丸棒）
Ｇ６ ガイド（多角柱）
Ｔ１ 含浸距離
Ｔ２ 従来の含浸距離
Claims (8)
- 連続繊維束と、
当該連続繊維束を締め付けることなくその周囲を被覆する熱可塑性樹脂繊維とからなり、
前記連続繊維束が偏平に変形可能であることを特徴とする連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体。 - 前記熱可塑性樹脂繊維は、
（ａ）長手方向に対して斜めに配向された組糸と、当該組糸間に挿入されるように長手方向に配向された中央糸とからなり、前記連続繊維束の周囲を網状に被覆する組物構造
（ｂ）長手方向に対して直交して交差する経糸と緯糸とからなり、前記連続繊維束の周囲を網状に被覆する織物構造
（ｃ）ループを形成する糸からなり、前記連続繊維束の周囲を網状に被覆する編物構造
上記（ａ）～（ｃ）のいずれかの構造となっていることを特徴とする請求項１に記載の連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体。 - 前記連続繊維束は、そのアスペクト比が１．２以上の値となるように変形可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体。
- 前記連続繊維束は、そのアスペクト比が３～１０の値となるように変形可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載の連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体。
- 連続繊維束と、
当該連続繊維束を締め付けることなくその周囲を被覆する熱可塑性樹脂繊維とからなり、
前記連続繊維束が偏平に変形可能である連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体の製造方法であって、
前記連続繊維束の外径より一回り大きな外径を有するガイドを被覆するように熱可塑性樹脂繊維からなる被覆構造を作製し、その被覆構造内に前記連続繊維束を挿通配置するようにしたことを特徴とする連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体の製造方法。 - 連続繊維束と、
当該連続繊維束を締め付けることなくその周囲を被覆する熱可塑性樹脂繊維とからなり、
前記連続繊維束が偏平に変形可能である連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体の製造方法であって、
前記連続繊維束の外径より一回り大きな外径を有するガイドを被覆するように熱可塑性樹脂繊維からなる被覆構造を作製し、
前記ガイドの内側に前記連続繊維束を挿通し、
当該連続繊維束と、前記熱可塑性樹脂繊維からなる被覆構造とを同時に前記ガイドから抜き取ることにより、前記被覆構造内に前記連続繊維束を挿通配置するようにしたことを特徴とする連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体の製造方法。 - 前記連続繊維束は、そのアスペクト比が１．２以上の値となるように変形可能なものであることを特徴とする請求項５又は６に記載の連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体の製造方法。
- 前記連続繊維束は、そのアスペクト比が３～１０の値となるように変形可能なものであることを特徴とする請求項５又は６に記載の連続繊維強化熱可塑性樹脂複合材料製造用の強化繊維／樹脂繊維複合体の製造方法。
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