(57)【要約】本発明の目的は、強化繊維と熱可塑性樹脂とから構成され、薄肉でありながら機械物性に優れ、かつ等方性の成形体が提供可能な繊維強化複合材料を提供することである。  本発明は、繊維長５〜１００ｍｍの強化繊維と熱可塑性樹脂とから構成され、下記（１）式、および（２）式で定義される粘弾性特性において、マトリクス樹脂の融点±２５℃における平均値が下記式（３）式を満たす事を特徴とする強化繊維複合材料である。ｔａｎδ＝Ｇ”／Ｇ’                          （１）ｔａｎδ’＝Ｖｆ×ｔａｎδ／（１００−Ｖｆ）              （２）０．０１≦ｔａｎδ’≦０．２                （３）（ここでＧ’は強化繊維複合材料の貯蔵弾性率（Ｐａ）を示し、Ｇ”は強化繊維複合材料の損失弾性率（Ｐａ）を示し、Ｖｆは強化繊維複合材料中における強化繊維の体積分率（％）を示す）
2012140793.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維長５〜１００ｍｍの強化繊維と熱可塑性樹脂とから構成され、下記（１）式、および（２）式で定義され、粘弾性特性を示すｔａｎδ’において、マトリクス樹脂の融点±２５℃における平均値が下記式（３）式を満たす事を特徴とする強化繊維複合材料。
ｔａｎδ＝Ｇ“／Ｇ’                          （１）
ｔａｎδ’＝Ｖｆ×ｔａｎδ／（１００−Ｖｆ）              （２）
０．０１≦ｔａｎδ’≦０．２                （３）
（ここでＧ’は強化繊維複合材料の貯蔵弾性率（Ｐａ）を示し、Ｇ“は強化繊維複合材料の損失弾性率（Ｐａ）を示し、Ｖｆは強化繊維複合材料中における強化繊維の体積分率（％）を示す）
【請求項２】
強化繊維複合材料中の強化繊維について、式（４）で定義される臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）の、強化繊維複合材料の繊維全量に対する割合が２０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満であり、かつ強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（５）を満たす請求項１に記載の強化繊維複合材料。
臨界単糸数＝６００／Ｄ                      （４）
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２    （５）
（ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
【請求項３】
強化繊維と熱可塑性樹脂とから構成され、強化繊維の目付けが２５〜３０００ｇ／ｍ２であり、式（４）で定義される臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）について、マットの繊維全量に対する割合が２０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満であり、かつ強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（５）を満たすランダムマットを成形して得られる請求項１に記載の強化繊維複合材料。
臨界単糸数＝６００／Ｄ                      （４）
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２    （５）
（ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
【請求項４】
強化繊維が炭素繊維、アラミド繊維、およびガラス繊維からなる群から選ばれる少なくとも一種である請求項１に記載の強化繊維複合材料。
【請求項５】
熱可塑性樹脂がポリアミド６樹脂、およびポリプロピレン樹脂からなる群から選ばれる少なくとも一種である請求項１に記載の強化繊維複合材料。
【請求項６】
熱可塑性樹脂の存在量が、強化繊維１００重量部に対し、５０〜１０００重量部である請求項１に記載の強化繊維複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強化繊維と熱可塑性樹脂とから構成され、薄肉でありながら機械物性に優れ、かつ等方性の成形体が提供可能な繊維強化複合材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維やアラミド繊維、ガラス繊維などを強化繊維として用いた繊維強化複合材料は、その高い比強度・比弾性率を利用して、航空機や自動車などの構造材料や、テニスラケット、ゴルフシャフト、釣り竿などの一般産業やスポーツ用途などに広く利用されてきた。これらに用いられる強化繊維の形態としては、連続繊維を用いて作られる織物や、１方向に繊維が引き揃えられたＵＤシート、カットした繊維を用いて作られるランダムシート、不織布等がある。
一般的に、連続繊維を用いた織物やＵＤシート等は、繊維の持つ異方性から、例えば０／＋４５／−４５／９０等の様に、様々な角度に積層され、さらに成形品の反りを防ぐため、面対象に積層されるなど、積層工程が煩雑になる事が、繊維強化複合材料のコストを引き上げる原因の一つとなっていた。
そのため、予め等方性であるランダムマットを用いる事で、比較的安価な繊維強化複合材料を得る事ができる。このランダムマットは、カットした強化繊維単体、あるいは熱硬化性の樹脂を成形型に同時に吹き付けるスプレーアップ方式（乾式）や、バインダーを含有させたスラリーに予めカットした強化繊維を添加し、抄紙する方法（湿式）等により得る事ができるが、装置が比較的小型である事から、乾式製造方法を用いる事で、より安価にランダムマットを得る事ができる。
乾式製造方法としては、連続繊維を用いて、カットと同時に吹き付ける手法が多く用いられ、その多くはロータリーカッターを使用したものである。しかしながら、繊維長を長くするために、刃の間隔を広くした場合、カット頻度が下がることより、繊維の吐出が不連続となってしまう。このため、局所的なマットの繊維目付け斑が生じ、特に目付けの低いマットを作成する場合には、厚み斑が顕著になる事から、表面意匠が不良になるという問題があった。
一方、繊維強化複合材料のコストを引き上げるもう一つの要因として、成形時間が長いという点がある。通常、繊維強化複合材料は、予め、強化繊維基材に熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグと呼ばれる材料を、オートクレーブを用いて２時間以上加熱・加圧する事により得られる。近年、樹脂を含侵させていない強化繊維基材を金型内にセットした後、熱硬化性樹脂を流し入れるＲＴＭ成形方法が提案され、成形時間は大幅に短縮された。しかしながら、ＲＴＭ成形方法を用いた場合でも、１つの部品を成形するまでに１０分以上必要となる。
そのため、従来の熱硬化性樹脂に代わり、熱可塑性樹脂をマトリックスに用いたコンポジットが注目されている。しかしながら、熱可塑性樹脂は、一般的に熱硬化性樹脂と比較して粘度が高く、そのため、繊維基材に樹脂を含浸させる時間が長く、結果として成形までのタクトが長くなるという問題があった。
これらの問題を解決する手法として、熱可塑スタンピング成形（ＴＰ−ＳＭＣ）と呼ばれる手法が提案されている。これは、予め熱可塑性樹脂を含浸させたチョップドファイバーを融点又は流動可能な温度以上に加熱し、これを金型内の一部に投入した後、直ちに型を閉め、型内にて繊維と樹脂を流動させる事により製品形状を得、冷却・成型するという成型方法である。この手法では、予め樹脂を含浸させた繊維を用いる事により、約１分程度という短い時間で成形が可能である。チョップド繊維束および成形材料の製造方法についての特許文献１および２があるが、これらはＳＭＣやスタンパブルシートと呼ばれるような成形材料とする方法であって、かかる熱可塑スタンピング成形では、型内を繊維と樹脂を大きく流動させるために、繊維配向が乱れ、カット繊維を用いたランダムマットの場合、一方向への繊維配向に起因する等方性の欠如が生じる。結果として、樹脂及び強化繊維の流動による一方向への配向に起因する等方性複合材料としての物性発現率が低下してしまう。また、強化繊維とマトリクス樹脂の流動を伴う型内成形においては、特に成形品の厚み方向と平面寸法の安定性を確保する為の金型温度や金型構造を工夫する必要がある為、大量生産においては製造条件の調整が困難になる、更には薄物が作れない等の問題があった。一方、熱可塑性樹脂をマトリクスとする複合材料について、強化繊維含む長繊維ペレットを射出成形する技術も提案されているが、長繊維ペレットとはいえペレットの長さに制限があり、さらに混練により熱可塑性樹脂中で強化繊維が切断されてしまい強化繊維の長さを保てないなどの課題があった。またこのような射出成形による成形方法では強化繊維が配向してしまい等方性のものが得られない等の課題があった。
また繊維流動させず、薄肉のものを作る手段として、強化繊維より抄紙法にて薄いシートを作成した後、樹脂を含浸させてプリプレグを作成する手法が提案されている（特許文献３）。抄紙法では分散液中に均質に強化繊維を分散させるため、強化繊維は単糸状となる。
【特許文献１】特開２００９−１１４６１１号公報
【特許文献２】特開２００９−１１４６１２号公報
【特許文献３】特開２０１０−２３５７７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の課題は、薄肉でありながら機械物性に優れ、かつ等方性の成形体を得ることを目的とした、強化繊維と熱可塑性樹脂とから構成される繊維強化複合材料を提供することにある。さらには特定の粘弾性特性を有する繊維強化複合材料とすることで、型内で、一定レベルで強化繊維とマトリクス樹脂を流動させつつ、寸法精度よく、成形体が得られる強化繊維複合材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は薄肉でありながら機械物性に優れ、かつ等方性の成形体を得ることを目的とし鋭意検討した結果、特定の粘弾性特性を有する繊維強化複合材料とすることで、熱可塑性マトリクス樹脂を容易に含浸でき、マトリクス樹脂及び強化繊維の流動を一定レベルで許容し、強化繊維の一方向への配向を抑制しながら成形することが可能であることを見出し、本発明に至ったものである。即ち、本発明は、平均繊維長５〜１００ｍｍの強化繊維と熱可塑性樹脂とから構成され、下記（１）式、および（２）式で定義され、粘弾性特性を示すｔａｎδ’において、マトリクス樹脂の融点±２５℃における平均値が（３）式を満たす事を特徴とする強化繊維複合材料である。
ｔａｎδ＝Ｇ”／Ｇ’                          （１）
ｔａｎδ’＝Ｖｆ×ｔａｎδ／（１００−Ｖｆ）              （２）
０．０１≦ｔａｎδ’≦０．２                （３）
（ここでＧ’は強化繊維複合材料の貯蔵弾性率（Ｐａ）を示し、Ｇ”は強化繊維複合材料の損失弾性率（Ｐａ）を示し、Ｖｆは強化繊維複合材料中における強化繊維の体積分率（％）を示す）
このような強化繊維複合材料は、複合材料中に含まれる強化繊維が特定の開繊度を有するランダムマットを成形することで好ましく得ることができる。強化繊維が特定の開繊度を有するランダムマットとは、式（４）で定義される臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）について、マットの繊維全量に対する割合が２０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満であり、かつ強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（５）を満たすものである。
臨界単糸数＝６００／Ｄ                        （４）
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜  １×１０５／Ｄ２    （５）
（ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
【発明の効果】
【０００５】
本発明の強化繊維複合材料により、表面品位に優れた成形体が、寸法精度よく提供できる。ここで寸法精度が良いとは、成形体の厚みが所望の厚み通りに成形出来る事であり、また金型形状通りに成形品を製造できる事である。特に成形体の厚み寸法は引張強度や曲げ強度といった材料物性に大きく影響する為、最終的には構造体として、設計値通りの製品を生産できるかどうかを左右する重要な要素となるので、本発明の強化繊維複合材料から設計値どおりの成形体に得られる効果は大きい。
また本発明の繊維強化複合材料を用い成形することで、成形品の薄肉化や等方化が可能であり、複雑な３次元形状への賦形追従性を確保できる。本発明の繊維強化複合材料は、各種構成部材、例えば自動車の内板、外板、構成部材、また各種電気製品、機械のフレームや筐体等のプリフォームとして用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
図１はカット工程の概略図である。
図２はロータリー螺旋カッターの正面と断面の概略図である。
図３はロータリー分繊カッターの正面と断面の概略図である。
図４は実施例１の強化繊維複合材料におけるｔａｎδ’の測定結果である。
図５は実施例２の強化繊維複合材料におけるｔａｎδ’の測定結果である。
図６は比較例１の強化繊維複合材料におけるｔａｎδ’の測定結果である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下に、本発明の実施の形態について順次説明する。
［強化繊維複合材料］
本発明の強化繊維複合材料は、平均繊維長５〜１００ｍｍの強化繊維と熱可塑性樹脂とから構成され、実質的に複合材料の変形特性における弾性成分が支配的な材料である。
本発明の強化繊維複合材料は、下記式（１）及び式（２）で定義され、粘弾性特性を示すｔａｎδ’において、マトリクス樹脂の融点±２５℃における平均値が式（３）を満足することを特徴とする。
ｔａｎδ＝Ｇ”／Ｇ’                          （１）
ｔａｎδ’＝Ｖｆ×ｔａｎδ／（１００−Ｖｆ）              （２）
０．０１≦ｔａｎδ’≦０．２                （３）
（ここでＧ’は強化繊維複合材料の貯蔵弾性率（Ｐａ）を示し、Ｇ”は強化繊維複合材料の損失弾性率（Ｐａ）を示し、Ｖｆは強化繊維複合材料中における強化繊維の体積分率（％）を示す）
ここで、「実質的に複合材料の変形特性における弾性成分が支配的」とは、複合材料を熱変形させる際に、材料の流動特性を支配する粘性成分、つまり複合材料の損失弾性率Ｇ“を、材料の形状保持特性を支配する成分、つまり複合材料の貯蔵弾性率Ｇ’で割り、複合材料中に含まれる強化繊維の体積含有率で無次元化した値が０．２を越えないことを言う。
［強化繊維複合材料における強化繊維］
本発明の強化繊維複合材料は、ある程度長い強化繊維を含んで強化機能が発現できる事を特徴とする。強化繊維の繊維長は、強化繊維複合材料における強化繊維の繊維長を測定して求めた平均繊維長で表現される。平均繊維長の測定方法としては、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１００本の繊維の繊維長をノギスおよびルーペ等を用いて１ｍｍ単位まで測定し、その平均を求める方法が挙げられる。
本発明の強化繊維複合材料における強化繊維の平均繊維長は５〜１００ｍｍ以下であり、好ましくは１０〜１００ｍｍであり、より好ましくは１５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、さらに好ましくは１５ｍｍ以上８０ｍｍ以下である。更には２０ｍｍ以上６０ｍｍ以下が好ましい。
後述する複合材料の好ましい製造例において、強化繊維を固定長にカットしてランダムマットを製造した場合、ランダムマットおよび複合材料における強化繊維の平均繊維長は、カットした繊維長とほぼ等しくなる。
複合材料は成形用のプリプレグとしても有用であり、所望の成形体に合わせて各種の目付けが選択できる。複合材料中の強化繊維の目付けは、２５〜４５００ｇ／ｍ２が好ましい。
強化繊維複合材料中の強化繊維は、式（４）で定義される臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）および、単糸の状態または臨界単糸数未満で構成される繊維束が存在することが好ましい。
臨界単糸数＝６００／Ｄ                  （４）
（ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
強化繊維複合材料中の強化繊維について、強化繊維束（Ａ）の強化繊維複合材料の繊維全量に対する割合が２０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満であることが好ましい。より好ましくは割合が３０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満である。
強化繊維複合材料中の強化繊維は、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（５）を満たすことが好ましい。
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２    （５）
（ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
なかでも臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は、６×１０４／Ｄ２未満であることが好ましい。
強化繊維複合材料は、強化繊維と熱可塑性樹脂とからなるランダムマットをプレス成形することで好ましく製造できる。強化繊維複合材料中の強化繊維の開繊程度は、ランダムマットにおける状態がほぼ維持される。強化繊維複合材料中の強化繊維について、強化繊維束（Ａ）の割合、ならびに強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）を上記の範囲とするには、ランダムマットにおける強化繊維束（Ａ）の割合、ならびに強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）を制御することで、好ましく調整できる。ランダムマットにおける強化繊維束（Ａ）の割合、ならびに平均繊維数好ましい制御方法については後述する。
強化繊維複合材料を構成する強化繊維は、炭素繊維、アラミド繊維、およびガラス繊維からなる群から選ばれる少なくとも一種であることが好ましい。これらは併用することもでき、なかでも炭素繊維が、軽量でありながら強度に優れた複合材料が提供できる点で好ましい。炭素繊維の場合、平均繊維径は好ましくは３〜１２μｍであり、より好ましくは５〜７μｍである。
強化繊維はサイジング剤が付着されたものを用いることが好ましく、サイジング剤は強化繊維１００重量部に対し、０超〜１０重量部であることが好ましい。
［強化繊維複合材料における熱可塑性樹脂］
強化繊維複合材料を構成する熱可塑性樹脂の種類としてはとくに限定はないが、例えば塩化ビニル樹脂、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、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、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、ポリアセタール樹脂、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、ポリブチレンナフタレート樹脂、ポリアリレート樹脂、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、ポリ乳酸樹脂などが挙げられる。なかでもポリアミド６樹脂、ポリプロピレン樹脂からなる群から選ばれる少なくとも一種が好ましい。これらの熱可塑性樹脂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。
強化繊維複合材料における熱可塑性樹脂の存在量は、強化繊維１００重量部に対し、５０〜１０００重量部であることが好ましい。より好ましくは、強化繊維１００重量部に対し、熱可塑性樹脂５５〜５００重量部、更に好ましくは、強化繊維１００重量部に対し、熱可塑性樹脂６０〜３００重量部である。
強化繊維複合材料について、下記式（７）で定義される強化繊維体積含有率（Ｖｆ）は５〜８０％であることが好ましい。
強化繊維体積含有率（Ｖｆ）＝１００×強化繊維の体積／（強化繊維の体積＋熱可塑性樹脂の体積）          （７）
この強化繊維体積含有率（Ｖｆ）は繊維強化複合材料、つまりはこれにより構成される成形体に含まれる強化繊維と熱顔組成樹脂との組成を示すものである。この強化繊維体積含有率が５％より低くなると、補強効果が十分に発現しない虞がある。また、８０％を超えると繊維強化複合材料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可能性がある。上記の強化繊維体積含有率としては２０〜６０％であるとより好ましい。
上記の強化繊維体積含有率（Ｖｆ）を算出する具体的な方法としては、成形体の試料から熱可塑性樹脂を除去して、強化繊維と熱可塑性樹脂の質量を求め、更にこれら質量の値を各成分の密度を用いて体積に換算し、これら体積の値を上記式に当てはめて求める方法を挙げることができる。
上記の成形体試料から熱可塑性樹脂を除去する方法としては、強化繊維が炭素繊維やガラス繊維などの無機繊維の場合には、燃焼（熱分解）除去による方法を簡便で好ましいものとして使用できる。この場合、よく乾燥させた成形体試料の質量を秤量後、電気炉等を用いて５００〜７００℃で５〜６０分処理して熱可塑性樹脂成分を燃焼する。燃焼後に残留した強化繊維を乾燥雰囲気で放冷後、秤量することにより各成分の質量を算出することが出来る。
上記の成形体試料から熱可塑性樹脂を除去する方法として、熱可塑性樹脂を分解し易い、または溶解し易い化学物質を用いて、熱可塑性樹脂を分解または溶解除去する方法も好ましい。具体的に言うと、面積１ｃｍ２から１０ｃｍ２の薄片の成形体試料の質量を秤量し、熱可塑性樹脂を溶解、または分解する化学物質を使用して溶解成分を抽出すればよい。その後、残渣を洗浄および乾燥後に秤量し、各成分の質量を求めることができる。例えば、熱可塑性樹脂がポリプロピレンの場合、加熱したトルエンまたはキシレンを用いることにより、ポリプロピレンを溶解することができる。熱可塑性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。
なおランダムマットから強化繊維複合材料を得る場合、ランダムマット作製時の、強化繊維分と樹脂分の供給量（質量基準）比をランダムマット中の強化繊維分と樹脂分との質量比とみなしても良い。
［他の剤］
本発明の強化繊維複合材料中には、本発明の目的を損なわない範囲で、有機繊維または無機繊維の各種繊維状または非繊維状フィラー、難燃剤、耐ＵＶ剤、顔料、離型剤、軟化剤、可塑剤、界面活性剤の添加剤を含んでいてもよい。
［強化繊維複合材料の流動特性］
成形時の金型内における加熱工程において、材料を一定レベルの流動範囲に抑制することが等方性材料としての強化繊維物性発現率の維持と製品寸法精度にも好ましい影響を与える。本発明の強化繊維複合材料は、式（１）及び式（２）で定義され、粘弾性特性を示すｔａｎδ’において、
ｔａｎδ＝Ｇ”／Ｇ’                                （１）
ｔａｎδ’＝Ｖｆ×ｔａｎδ／（１００−Ｖｆ）              （２）
（ここでＧ’は強化繊維複合材料の貯蔵弾性率（Ｐａ）を示し、Ｇ”は強化繊維複合材料の損失弾性率（Ｐａ）を示し、Ｖｆは強化繊維複合材料中における強化繊維の体積分率（％）を示す）
マトリクス樹脂の融点±２５℃における平均値が下記式（３）
０．０１≦ｔａｎδ’≦０．２                      （３）
を満足する事を特徴とする。
ここで、Ｇ’は材料の弾性成分を示し、Ｇ”は粘性成分を示すものである。ｔａｎδは、粘性成分と弾性成分を合わせ持つ材料特性の中で、材料にひずみが与えられて変形する際の挙動を表し、粘性的な成分と弾性的な成分のうち、どちらが支配的な挙動として現われるかを粘性と弾性成分の比で示す。粘性効果が大きい程、ｔａｎδは大きな値を示す。本発明の強化繊維複合材料は、マトリクス樹脂の融点±２５℃の範囲で、粘弾性特性を示すｔａｎδ’がほぼ一定であることを特徴とする。なかでも本発明の強化繊維複合材料は、マトリクス樹脂の融点−２５℃〜融点＋３５℃の範囲でも式（３）式を満たすことが好ましい。
ｔａｎδ’が０．０１未満の場合、強化繊維複合材料の貯蔵弾性率Ｇ’が損失弾性率Ｇ”よりも相対的に大きく、加熱時に強化繊維とマトリクス樹脂が全く流動しない剛直な材料となる為、プレス成形工程での加熱時に、材料の型内追従性が損なわれてしまい、所定の製品形状が得られにくくなる。一方でｔａｎδ’は０．２を越えた値となると、貯蔵弾性率Ｇ’の効果が損失弾性率Ｇ”に対して相対的に低下し、加熱時に強化繊維とマトリクス樹脂が流動し易い材料となり、強化繊維の一方向への顕著な配向が生じてしまう。ｔａｎδ’の値が０．０１以上０．２以下にある場合は、複合材料製品の最終形状に合わせて、製品寸法を確保出来る範囲で材料をわずかに流動させながら複雑な３次元形状への賦形追従性を確保する事が可能となる。
マトリクス樹脂の融点±２５℃におけるｔａｎδ’の平均値はより好ましくは０．０２以上０．１５以下である。
図４および図５に、本発明の強化繊維複合材料の一例として、マトリクスをポリアミドとし、強化繊維を炭素繊維とする強化繊維複合材料中であって、炭素繊維の体積分率が３０％の強化繊維複合材料の粘弾性特性を示すｔａｎδ’の測定結果を示す。図４は、式（４）で定義される臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）について、マットの繊維全量に対する割合が３０Ｖｏｌ％以上のランダムマットから得られた強化繊維複合材料の粘弾性特性、ｔａｎδ’の測定結果であり、図５は、強化繊維束（Ａ）の割合が７０％のランダムマットから得られた強化繊維複合材料の粘弾性特性、ｔａｎδ’の測定結果である。横軸は、マトリクス樹脂の融点（Ｔｍ）を中心とした加熱温度の範囲（このたびの例ではマトリクス樹脂の融点は２２５℃であり、測定温度範囲は２００〜２６０℃である）を示し、縦軸は強化繊維複合材料のｔａｎδ’の値を示す。これに示すとおり臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）の割合が３０％、７０％のランダムマットから得られるいずれの強化繊維複合材料においても、マトリクス樹脂の融点±２５℃、ならびにマトリクス樹脂の融点−２５℃〜融点＋３５℃の範囲において、ｔａｎδ’はほぼ安定した値を示している。つまり、本発明における強化繊維複合材料は、マトリクス樹脂の融点±２５℃、ならびにマトリクス樹脂の融点−２５℃〜融点＋３５℃の範囲の広い温度範囲において、ほぼ安定した粘弾性特性を示しており、成形時における型内の温度条件にかかわらず材料としての成形性、寸法精度を維持可能な特性を有していることを示している。
粘弾性特性は、具体的には強化繊維複合材料の出発物質であるランダムマット、もしくは強化繊維複合材料における強化繊維束（Ａ）の割合を選択することでコントロールすることが可能である。
とくに強化繊維束（Ａ）の割合が２０％以上４０％以下、なかでも３０％以上４０％以下の場合は、貯蔵弾性率Ｇ’の効果が損失弾性率Ｇ”に対して相対的に大きな材料となり、型内での材料加熱時に、強化繊維とマトリクス樹脂をわずかに流動させながら賦形性を確保できるものとなる。
一方、強化繊維束（Ａ）の割合が７０％以上９０％未満の場合は貯蔵弾性率Ｇ’の効果が損失弾性率Ｇ”に対して相対的に小さな材料となり、型内での材料加熱時に、強化繊維とマトリクス樹脂を一定レベルで流動させながら強化繊維の一方向への配向を抑制し、等方性を維持した上で複雑な形状への賦形性を確保できるものとなる。
［ランダムマット］
本発明の特定の粘弾性特性を満たす強化繊維複合材料は、強化繊維と熱可塑性樹脂とから構成され、強化繊維が特定の開繊度を満たして存在するランダムマットを成形することで好ましく得ることができる。強化繊維が特定の開繊度で存在するランダムマットとは、具体的には平均繊維長５〜１００ｍｍの強化繊維と熱可塑性樹脂とから構成され、強化繊維の目付けが２５〜３０００ｇ／ｍ２であり、下記式（４）で定義される臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）について、マットの繊維全量に対する割合が２０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満であり、かつ強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（５）を満たすものである。
臨界単糸数＝６００／Ｄ      （４）
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜  １×１０５／Ｄ２      （５）
（ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
ランダムマットの面内において、強化繊維は特定の方向に配向しておらず、無作為な方向に分散して配置されている。
本発明の複合材料は面内等方性の材料である。本発明を用いた成形体において、互いに直交する二方向の引張弾性率の比を求めることで、成形体の等方性を定量的に評価できる。成形体における２方向の弾性率の値のうち大きいものを小さいもので割った比が２を超えないときに等方性であるとする。比が１．３を超えないときは等方性に優れているとする。
ランダムマットにおける強化繊維の目付けは２５〜３０００ｇ／ｍ２の範囲である。ランダムマットから得られる本発明の強化繊維複合材料は、プリプレグとして有用であり、所望の成形に合わせて各種目付けが選択できる。
本発明の強化繊維複合材料を好ましく提供するためのランダムマットは、強化繊維として、式（４）
臨界単糸数＝６００／Ｄ      （４）
（ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
で定義する臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）を含む。ランダムマット中には、強化繊維束（Ａ）以外の強化繊維として、単糸の状態または臨界単糸数未満で構成される繊維束が存在する。
強化繊維束（Ａ）について、マットの繊維全量に対する割合が２０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満であることが好ましい。強化繊維束の存在量の下限は３０Ｖｏｌ％であることが好ましい。強化繊維束の存在量を２０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満とするには、後述する好ましい製法においては、例えば開繊工程における吹き付ける空気の圧力等によりコントロールすることができる。また、カット工程に供する繊維束の大きさ、例えば束の幅や幅当たりの繊維数を調整することでコントロールすることもできる。具体的には開繊するなどして繊維束の幅を広げてカット工程に供すること、カット工程の前にスリット工程を設ける方法が挙げられる。またを短い刃を多数並べたいわゆる分繊ナイフを用いて繊維束をカットする方法や、カットすると同時に、スリットする方法が挙げられる。好ましい条件については開繊工程の項に記載する。
本発明の強化繊維複合材料を好ましく提供するためのランダムマットは、さらに臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（５）
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２      （５）
（ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
を満たすことが好ましい。なかでも臨界単糸数以上で構成される強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は、６×１０４／Ｄ２未満であることが好ましい。
強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）を上記範囲とするには、後述する好ましい製法においては、カット工程に供する繊維束の大きさ、例えば束の幅や幅当たりの繊維数を調整することでコントロールすることもできる。具体的には開繊するなどして繊維束の幅を広げてカット工程に供すること、カット工程の前にスリット工程を設ける方法が挙げられる。また繊維束をカットと同時に、スリットしても良い。
また開繊工程における吹き付ける空気の圧力等によりカットされた繊維束のばらけ方を調整し、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）をコントロールすることもできる。好ましい条件については開繊工程ならびにカット工程の項に記載する。
具体的にはランダムマットを構成する炭素繊維の平均繊維径が５〜７μｍの場合、臨界単糸数は８６〜１２０本となり、炭素繊維の平均繊維径が５μｍの場合、繊維束中の平均繊維数は２８０超〜４０００本未満の範囲となるが、なかでも６００〜２５００本であることが好ましい。より好ましくは６００〜１６００本である。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超〜２０４０本未満の範囲となるが、なかでも３００〜１５００本であることが好ましい。より好ましくは３００〜８００本である。
ランダムマットは上記のような強化繊維と熱可塑性樹脂とから構成されるが、熱可塑性樹脂は固体の状態で存在し、本発明の繊維強化複合材料を得るためのプリフォームとなる。熱可塑性樹脂の種類は上述したとおりである。ランダムマットにおいては、熱可塑性樹脂が、繊維状および／または粒子状で存在することが好ましい。強化繊維と繊維状および／または粒子状の熱可塑性樹脂が混合して存在していることにより、型内で繊維と樹脂を流動させる必要がなく、成形時に熱可塑性樹脂を強化繊維束内および強化繊維の単糸間に容易に含浸できることを特徴とする。熱可塑性樹脂の種類を２種以上とすることもでき、また繊維状と粒子状のものを併用してもよい。
繊維状の場合、繊度１００〜５０００ｄｔｅｘのもの、より好ましくは繊度１０００〜２０００ｄｔｅｘものがより好ましく、平均繊維長としては０．５〜５０ｍｍが好ましく、より好ましくは平均繊維長１〜１０ｍｍである。
粒子状の場合、球状、細片状、あるいはペレットのような円柱状が好ましく挙げられる。球状の場合は、真円または楕円の回転体、あるいは卵状のような形状が好ましく挙げられる。球とした場合の好ましい平均粒子径は０．０１〜１０００μｍである。より好ましくは平均粒子径０．１〜９００μｍものがより好ましく、更に好ましくは平均粒子径１〜８００μｍものがより好ましい。粒子径分布についてはとくに制限はないが、分布シャープなものがより薄い成形体を得る目的としてはより好ましいが、分級等の操作により所望の粒度分布として用いる事が出来る。
細片状の場合、ペレットのような円柱状や、角柱状、リン片状が好ましい形状として挙げられ、フィルムを細く裁断して短冊状としたものも好ましい。この場合ある程度のアスペクト比を有しても良いが、好ましい長さは上記の繊維状の場合と同程度とする。
ランダムマット中には、本発明の目的を損なわない範囲で、有機繊維等の各種繊維状または非繊維状フィラー、難燃剤、耐ＵＶ剤、顔料、離型剤、軟化剤、可塑剤、界面活性剤の添加剤を含んでいてもよい。
［強化繊維複合材料の製造方法］
以下本発明の強化繊維複合材料を好ましく得る方法について述べる。本発明の強化繊維複合材料は、強化繊維と熱可塑性樹脂とからなるランダムマットをプレス成形することで好ましく製造できる。
すなわち本発明の強化繊維複合材料は、以下の工程１〜５より、好ましく製造される。
１．強化繊維をカットする工程、
２．カットされた強化繊維を管内に導入し空気を繊維に吹き付ける事により、繊維束を開繊させる工程、
３．開繊させた強化繊維を拡散させると同時に、繊維状又は粒子状の熱可塑性樹脂とともに吸引し、強化繊維と熱可塑性樹脂を散布する塗布工程、
４．塗布された強化繊維および熱可塑性樹脂を定着させランダムマットを得る工程。
５．得られたランダムマットをプレス成形する工程。
以下、各工程について詳細に述べる。
［カット工程］
本発明方法における強化繊維のカット方法は、具体的にはナイフを用いて強化繊維をカットする工程である。カットに用いるナイフとしてはロータリーカッター等が好ましい。ロータリーカッターとしては、螺旋状ナイフ、あるいは短い刃を多数並べたいわゆる分繊ナイフを設けたものが好ましい。カット工程の具体的な模式図を図１に示す。螺旋状ナイフを有するロータリーカッターの一例を図２に、分繊ナイフを有するロータリーカッターの一例を図３に示す。
強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）を本発明における好ましい範囲とするために、カット工程に供する繊維束の大きさ、例えば束の幅や幅当たりの繊維数を調整することでコントロールすることが好ましい。
カットに用いる繊維束としてあらかじめ強化繊維の繊維束数が（５）式の範囲であるものを用いる事が好ましい。しかしながら、一般的に繊維束数が少ないほど、繊維の価格が高価になってしまう。そこで安価に入手できる繊維束数の多い強化繊維束を用いる場合には、カット工程に供する繊維束の幅や幅当たりの繊維数を調整してカット工程に供することが好ましい。具体的には開繊するなどして繊維束を薄く広げて拡幅してカット工程に供することや、カット工程の前にスリット工程を設ける方法が挙げられる。スリット工程を設ける方法では、予め繊維束を細くした後、カット工程に供するため、カッターとしては、特別な機構を持たない、通常の平刃、螺旋刃などが使用できる。
また分繊ナイフを用いて繊維束をカットする方法や、スリット機能を有するカッターを用いて、カットすると同時にスリットする方法が挙げられる。
分繊ナイフを用いる場合、ナイフ幅が狭いものを用いる事で平均繊維数（Ｎ）を小さくする事ができ、逆にナイフの幅が広いものを用いる事で平均繊維数（Ｎ）を大きくする事ができる。
また、スリット機能を有するカッターとして、繊維方向に垂直な刃に加え繊維方向に平行なスリット機能のある刃を有した分繊カッターを用いても良い。
表面品位に優れる熱可塑樹脂強化用ランダムマットを得るためには、繊維の疎密斑が大きく影響する。通常の平刃を配置したロータリーカッターでは、繊維のカットが不連続であり、そのまま塗布工程に導入した場合には、繊維目付けに斑ができてしまう。そのため、角度を規定したナイフを用いて繊維を途切れる事無く、連続的にカットする事により、疎密斑の小さい塗布が可能となる。すなわち強化繊維を連続的にカットする目的で、ナイフは、特定の角度で規則的にロータリーカッターに配列されることが好ましい。周方向と刃の配置方向とのなす角が下記式（６）を満たすようにカットすることが好ましい。
刃のピッチ＝強化繊維ストランド幅×ｔａｎ（９０−θ）  （６）
（ここで、θは周方向とナイフの配置方向のなす角である。）
周方向の刃のピッチは、そのまま強化繊維の繊維長に反映される。
図２〜３は、このように角度を規定したナイフの例であり、これらのカッターの例における周方向とナイフの配置方向のなす角θを図中に示す。
［開繊工程］
開繊工程はカットされた強化繊維を管内に導入し、空気を繊維に吹き付ける事により、繊維束を開繊させる工程である。開繊の度合い、強化繊維束（Ａ）の存在量、および強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）については、空気の圧力等により適宜コントロールする事が出来る。開繊工程において、好ましくは圧縮空気吹き付け孔より、風速１〜１０００ｍ／ｓｅｃにて空気を直接繊維束に吹き付ける事により、強化繊維を開繊させる事ができる。より好ましくは風速５〜５００ｍ／ｓｅｃである。具体的には強化繊維の通る管内にΦ１〜２ｍｍ程度の孔を数箇所あけ、外側より０．０１〜１．０ＭＰａ、より好ましくは０．２〜０．８ＭＰａ程度の圧力をかけ、圧縮空気を繊維束に直接吹き付ける。風速を下げる事により、より多くの繊維束を残す事が可能であり、逆に、風速を上げる事により、繊維束を単糸状まで開繊させる事ができる。
［塗布工程］
塗布工程は開繊させた強化繊維を、拡散させると同時に、繊維状又は粒子状の熱可塑性樹脂とともに吸引し、強化繊維と熱可塑性樹脂を散布する塗布工程である。開繊させた強化繊維と、繊維状又は粒子状の熱可塑性樹脂とを好ましくは同時に、シート上、具体的には開繊装置下部に設けた通気性シート上に塗布する。
塗布工程において、熱可塑性樹脂の供給量は、強化繊維１００重量部に対し、５０〜１０００重量部であることが好ましい。より好ましくは、強化繊維１００重量部に対し、熱可塑性樹脂５５〜５００重量部、更に好ましくは、強化繊維１００重量部に対し、熱可塑性樹脂６０〜３００重量部である。
ここで、強化繊維と、繊維状又は粒子状の熱可塑性樹脂は２次元配向する様に散布することが好ましい。開繊した繊維を２次元配向させながら塗布するためには、塗布方法及び下記の定着方法が重要となる。強化繊維の塗布方法には、円錐形等のテーパ管を用いることが好ましい。円錐等の管内では、空気が拡散し、管内の流速が減速し、このとき強化繊維には回転力が与えられる。このベンチュリ効果を利用して開繊させた強化繊維を好ましく拡散させ散布することができる。
また下記の定着工程と塗布工程は同時に行う、すなわち塗布して堆積させつつ定着させても良い。吸引機構を持つ可動式の通気性シート上に散布し、マット状に堆積させその状態で定着させることが好ましい。この際、通気性シート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させることができる。また、通気性シートを前後左右に移動させることにより均一な堆積が実現するようにしてもよい。さらには強化繊維と熱可塑性樹脂との塗布（吹付け）部の先端を、連続的に移動する通気性支持体の移動方向と直交する方向に往復運動させて連続して塗布〜定着させることも好ましい。  ここで強化繊維および熱可塑性樹脂は、ランダムマット中に均等に斑無く散布することが好ましい。
［定着工程］
定着工程は、塗布された強化繊維および熱可塑性樹脂を定着させる工程である。好ましくは通気性シート下部よりエアを吸引して繊維を定着させる。強化繊維と同時に散布された熱可塑性樹脂も混合されつつ、繊維状であればエア吸引により、粒子状であっても強化繊維に伴って定着される。
通気性のシートを通して、下部より吸引する事により、２次元配向の高いマットを得る事ができる。又、発生する負圧を用いて粒子状、又は繊維状の熱可塑性樹脂を吸引し、更に、管内で発生する拡散流により、強化繊維と容易に混合する事ができる。得られる強化基材は、強化繊維の近傍に熱可塑性樹脂が存在する事により、含浸工程において、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、予め、用いるマトリックス樹脂と同じ材質の通気性の不織布等を定着部にセットし、不織布上に強化繊維及び粒子を吹き付ける事も可能である。
上記のランダムマットの好ましく製造方法により、繊維の長軸が３次元方向に配向しているものが少なく、二次元配向性のあるランダムマットとすることができる。
なおランダムマットを工業的に生産する場合には、通気性支持体を連続的に移動させつつ塗布〜定着させることが好ましい。
［プレス］
次いで得られたランダムマットをプレス成形することにより、本発明の強化繊維複合材料を得ることができる。このときランダムマットは複数枚重ねて、所望の厚さや繊維目付量とした上でプレスすることもできる。プレス成形の方法および条件にはとくに制限はないが、具体的には加圧下でランダムマット中の熱可塑性樹脂を溶融し、強化繊維束内および強化繊維の単糸間に熱可塑性樹脂を含浸させた後冷却して成形することが好ましい。なかでも
マトリックスの熱可塑性樹脂の融点以上融点プラス８０℃または分解温度以下の条件にて熱プレスすることが好ましい。プレスの圧力およびプレス時間も適宜選択できる。
［繊維強化複合材料］
本発明の強化繊維複合材料を成形して、薄肉でありながら機械物性に優れ、かつ等方性の成形体を得ることができる。本発明の強化繊維複合材料は成形時の加熱工程において、従来のスタンピング成形の如く型内で繊維と樹脂を大きく流動させる必要がない為、強化繊維の一方向への配向抑制による機械物性の向上と寸法精度の高い製品が得ることができる。一方、複雑な３次元形状の成形においては、とりわけ金型内に存在する垂直面が問題となる。つまり、金型内の垂直面への材料セットにおける材料の滑り落ち問題や、予め垂直部に材料をセットした場合に、上金型を下型に向かってスライドさせると平面部にセットされた材料に対し、垂直部の材料の方が早く金型に接触する為に、平面部の材料に十分な加圧ができないといった問題が発生する。特に垂直面の高さが大きい場合にはこの問題が顕著になるため、複雑形状の成形体を製造する場合には、一定レベルで材料を流動させる必要がある。本発明の強化繊維複合材料では、特定の粘弾性特性を有するので、一定レベルで強化繊維とマトリクス樹脂を流動させることが可能であり、流動させた場合においても得られた強化繊維複合材料の成形体の等方性は維持されており、機械物性の高い製品を、寸法精度良く得られることを特徴とする。また型内で強化繊維とマトリクス樹脂を流動させることで、薄肉のものも好ましく成形することができる。
このようにして例えば板状の繊維強化複合材料を短時間で効率よく得ることができ、板状の繊維強化複合材料は、さらに立体成形用のプリプレグ、なかでもプレス成形用のプリプレグとして有用である。具体的には板状の繊維強化複合材料を融点以上あるいはガラス転移点以上まで加熱し、これを得ようとする成形体の形状に合わせ単独または複数枚重ね、融点未満あるいはガラス転移点未満に保持した金型内に投入し、加圧した後、冷却する、いわゆるコールドプレスにて成形体を得る事ができる。
または、金型内に板状の繊維強化複合材料を投入し融点以上あるいはガラス転移点以上まで昇温しつつ、プレス成形を行い、次いで金型を融点未満あるいはガラス転移温度未満まで冷却する、いわゆるホットプレスにて成形体を得る事ができる。
本発明の強化繊維複合材料は、実質的に複合材料の変形特性における弾性成分が支配的な材料である。
【実施例】
【０００８】
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）ランダムマットにおける強化繊維束の分析
ランダムマットを１００ｍｍ×１００ｍｍ程度に切り出す。
切り出したマットより、繊維束をピンセットで全て取り出し、強化繊維束（Ａ）の束の数（Ｉ）および繊維束の長さ（Ｌｉ）と重量（Ｗｉ）を測定し、記録する。ピンセットにて取り出す事ができない程度に繊維束が小さいものについては、まとめて最後に重量を測定する（Ｗｋ）。重量の測定には、１／１００ｍｇまで測定可能な天秤を用いる。ランダムマットに使用している強化繊維の繊維径（Ｄ）より、臨界単糸数を計算し、臨界単糸数以上の強化繊維束（Ａ）と、それ以外に分ける。なお、２種類以上の強化繊維が使用されている場合には、繊維の種類毎に分け、各々について測定及び評価を行う。
強化繊維束（Ａ）の平均繊維数（Ｎ）の求め方は以下の通りである。
各強化繊維束中の繊維本数（Ｎｉ）は使用している強化繊維の繊度（Ｆ）より、次式により求められる。
Ｎｉ＝Ｗｉ／（Ｌｉ×Ｆ）
強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は、強化繊維束（Ａ）の束の数（Ｉ）より、次式により求められる。
Ｎ＝ΣＮｉ／Ｉ
強化繊維束（Ａ）のマットの繊維全量に対する割合（ＶＲ）は、強化繊維の密度（ρ）を用いて次式により求められる。
ＶＲ＝Σ（Ｗｉ／ρ）×１００／（（Ｗｋ＋ΣＷｉ）／ρ）
２）強化繊維複合材料における強化繊維束分析
強化繊維複合材料については、５００℃×１時間程度、炉内にて樹脂を除去した後、上記のランダムマットにおける方法と同様にして測定する。
３）ランダムマットまたは複合材料に含まれる強化繊維の平均繊維長の分析
ランダムマットまたは複合材料より無作為に抽出した強化繊維１００本の長さをノギスおよびルーペで１ｍｍ単位まで測定して記録し、測定した全ての強化繊維の長さ（Ｌｉ）から、次式により平均繊維長（Ｌａ）を求めた。複合材料の場合は５００℃×１時間程度、炉内にて樹脂を除去した後、強化繊維を抽出した。
Ｌａ＝ΣＬｉ／１００
４）複合材料における繊維配向の分析
複合材料を成形した後、繊維の等方性を測定する方法としては、成形板の任意の方向、及びこれと直行する方向を基準とする引張り試験を行い、引張弾性率を測定し、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）を測定する事で確認できる。弾性率の比が１に近いほど、等方性に優れる材料である。本実施例では弾性率の比が１．３以下の場合、等方性に優れると評価する。
５）粘弾性特性の測定
サンプルを直径２５ｍｍ、厚み１ｍｍに加工し、ＴＡインスツルメントジャパン社のＲＤＡ−ｉｉダイナミックアナライザーを使用して、２枚のパラレルプレートで挟んだサンプルに周期的なひずみを与えた際の応答により粘弾性特性Ｇ’、Ｇ”を測定し、下記式に従ってｔａｎδを求めた。
ｔａｎδ＝Ｇ”／Ｇ’                                （１）
ｔａｎδ’＝Ｖｆ×ｔａｎδ／（１００−Ｖｆ）              （２）
（ここでＧ’は強化繊維複合材料の貯蔵弾性率（Ｐａ）を示し、Ｇ”は強化繊維複合材料の損失弾性率（Ｐａ）を示し、Ｖｆは強化繊維複合材料中における強化繊維の体積分率（％）を示す）
測定手順としては、装置自体の線膨張の影響を考慮し、２３０℃（測定温度２００℃〜２６０℃の中間）でパラレルプレート間の距離のゼロ点を合わせ、パラレルプレート間にサンプルを設置した状態で融点以上となる２６０℃まで昇温し、パラレルプレートとサンプルを接着させた（ナイロン６の融点は２２５℃）。このとき、クリアランスを変動させるとパラレルプレート内部にある炭素繊維の構造が変化することが懸念されるので、クリアランスは固定し、負荷ひずみを０．１％・周波数を１Ｈｚ、温度を２６０℃から２００℃まで降下させて測定を行った。
実施例１
強化繊維として、東邦テナックス社製の炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＳＴＳ４０−２４ＫＳ（平均繊維径７μｍ、引張強度４０００ＭＰａ、繊維幅１０ｍｍ）を使用した。カット装置には、図２に示すような、超硬合金製の螺旋状ナイフを表面に配置したφ１５０ｍｍのロータリーカッターを用いた。
このとき、下記式（６）
刃のピッチ＝強化繊維ストランド幅×ｔａｎ（９０−θ）  （６）
（ここで、θは周方向とナイフのなす角である。）
におけるθは５５度であり、刃のピッチを２０ｍｍとし、強化繊維を繊維長２０ｍｍにカットするようにした。開繊装置として、径の異なるＳＵＳ３０４製のニップルを溶接し、二重管を製作した。内側の管に小孔を設け、外側の管との間にコンプレッサーを用いて圧縮空気を送気した。この時、小孔からの風速は、４５０ｍ／ｓｅｃであった。この管をロータリーカッターの直下に配置し、さらに、その下部にはテーパ管を溶接した。テーパ管の側面より、マトリックス樹脂としてユニチカ社製のナイロン樹脂“Ａ１０３０”を供給し、炭素繊維の体積含有率（Ｖｆ）３０Ｖｏｌ％とした。
次に、テーパ管出口の下部に、ＸＹ方向に移動可能なテーブルを設置し、テーブル下部よりブロワにて吸引を行った。そして、強化繊維の供給量を１１０ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂の供給量を２５３ｇ／ｍｉｎ、にセットし装置を稼動して、強化繊維と熱可塑性樹脂が混合されたランダムマットを得た。ランダムマットにおける強化繊維の形態を観察したところ、強化繊維の繊維軸は面とほぼ並行にあり、面内においては無作為に分散されていた。得られたランダムマットは、強化繊維の平均繊維長は２０ｍｍであり、炭素繊維１００重量部に対し、樹脂２３０重量部であり、強化繊維の目付け量は、４２０ｇ／ｍ２であった。
得られたランダムマットについて、強化繊維束（Ａ）の割合と、平均繊維数（Ｎ）を調べたところ、式（１）で定義される臨界単糸数は８６であり、強化繊維束（Ａ）について、マットの繊維全量に対する割合は３０％、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は２４０であった。また、ナイロンパウダーは、強化繊維中に大きな斑が無い状態で分散されていた。
得られたランダムマット３枚を２６０℃に加熱したプレス装置にて、１ＭＰａにて３分間加熱し、材料厚さ１．０ｍｍの成形板、すなわち本発明の強化繊維複合材料を得た。得られた成形板について超音波探傷試験を行ったところ、未含浸部やボイドは確認されなかった。
得られた成形板について粘弾性特性Ｇ’、Ｇ”、ｔａｎδを測定した結果、マトリクス樹脂の融点±２５℃におけるｔａｎδ’の平均値は０．０１３であった。マトリクス樹脂の融点−２５℃〜融点＋３５℃の範囲におけるｔａｎδ’の平均値は０．０１２であった。図４に２００℃〜２６０℃におけるｔａｎδ’の測定結果を示す。
得られた成形体の厚み寸法は１．０５ｍｍであり、薄板でありながら所定厚みの５％増に収まった成形体を得る事ができた。また、得られた成形板の０度及び９０度方向の引張り弾性率を測定したところ、弾性率の比（Ｅδ）は１．０３であり、繊維配向は殆ど無く、等方性が維持された成形板を得る事ができた。更に、この成形板を５００℃×１時間程度炉内にて加熱し、樹脂を除去し、強化繊維の平均繊維長を求めたところ２０ｍｍであった。成形版から樹脂を除去し、強化繊維束（Ａ）の割合と、平均繊維数（Ｎ）を調べたところ、強化繊維束（Ａ）の繊維全量に対する割合は３０％、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は２４０であり、上記ランダムマットの測定結果と差異は見られなかった。
実施例２
強化繊維として、東邦テナックス社製の炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＳＴＳ４０−２４ＫＳ（繊維径７μｍ、引張強度４０００ＭＰａ）を使用し、マトリクス樹脂にはユニチカ社製のナイロン樹脂“Ａ１０３０”を用い、開繊装置の小孔からの風速を１５０ｍ／ｓｅｃとして吹付けを行った以外は実施例１と同様にして炭素繊維の体積含有率（Ｖｆ）３０Ｖｏｌ％のランダムマットを得た。ランダムマットにおける強化繊維の形態を観察したところ、強化繊維の繊維軸は面とほぼ並行にあり、面内においては無作為に分散されていた。得られたランダムマットの強化繊維の平均繊維長は２０ｍｍであり、得られたランダムマットについて、強化繊維束（Ａ）の割合と平均繊維数（Ｎ）を調べたところ、式（１）で定義される臨界単糸数は８６であり、強化繊維束（Ａ）について、マットの繊維全量に対する割合は７０％、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は９００であった。
得られたランダムマットより実施例１と同様の作製方法にて成形板、すなわち本発明の強化繊維複合材料を得た。得られた成形板について粘弾性特性Ｇ’、Ｇ”、ｔａｎδを測定した結果、マトリクス樹脂の融点±２５℃におけるｔａｎδ’の平均値は０．１１９であった。マトリクス樹脂の融点−２５℃〜融点＋３５℃の範囲におけるｔａｎδ’の平均値は０．１１７であった。図５に２００℃〜２６０℃におけるｔａｎδ’の測定結果を示す。
得られた成形体の厚み寸法は１．００ｍｍであり所望の設計値通りの厚み寸法を得る事ができた。また、得られた成形板の０度及び９０度方向の引張り弾性率を測定したところ、弾性率の比（Ｅδ）は１．０４であり、繊維配向は殆ど無く、等方性が維持された成形板を得る事ができた。更に、この成形板を５００℃×１時間程度炉内にて加熱し、樹脂を除去し、強化繊維の平均繊維長を求めたところ２０ｍｍであった。成形板から樹脂を除去し、強化繊維束（Ａ）の割合と、平均繊維数（Ｎ）を調べたところ、強化繊維束（Ａ）の繊維全量に対する割合は７０％、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は９００であり、上記ランダムマットの測定結果と差異は見られなかった。
比較例１
小孔からの風速を、５０ｍ／ｓｅｃとした以外は実施例１と同様にランダムマットを作成した。ランダムマットにおける強化繊維の形態を観察したところ、強化繊維の繊維軸は面とほぼ並行にあり、面内においては無作為に分散されていた。強化繊維の平均繊維長は２０ｍｍであり、得られたランダムマットについて、強化繊維束（Ａ）の割合と、平均繊維数（Ｎ）を調べたところ、式（１）で定義される臨界単糸数は８６であり、強化繊維束（Ａ）について、マットの繊維全量に対する割合は９５％、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は１５００であった。
得られたランダムマットは、強化繊維束が太く、このランダムマットを用いて実施例１と同様に成形板を作成し、超音波探傷試験を行ったところ、未含浸部が確認された。更に、成形板をカットし、断面を観察したところ、繊維束内部に樹脂が含浸されていない部分が確認できた。
得られたランダムマットを、２６０℃に加熱したプレス装置にて、圧力を４ＭＰａに上げ、３分間加熱し成形板を得た。得られた成形板は、約２倍の面積に広がり、厚さは０．３ｍｍ程度と約半分になっていた。得られた成形板は目視で繊維流動が確認でき、流動方向、及び流動に対し、９０度方向の引張り弾性率を測定したところ、弾性率の比（Ｅδ）は２．３３であり、大きく繊維配向している事を確認した。更に、この成形板を５００℃×１時間程度炉内にて加熱し、樹脂を除去し、強化繊維の平均繊維長を求めたところ２０ｍｍであった。成形板から樹脂を除去し、強化繊維束（Ａ）の割合と、平均繊維数（Ｎ）を調べたところ、強化繊維束（Ａ）の繊維全量に対する割合は９５％、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は１５００であり、上記に記載のランダムマットの測定結果と差異は見られなかった。得られた成形板について粘弾性特性Ｇ’、Ｇ”、ｔａｎδを測定した結果、マトリクス樹脂の融点±２５℃におけるｔａｎδ’の平均値は０．４８であった。マトリクス樹脂の融点−２５℃〜融点＋３５℃の範囲におけるｔａｎδ’の平均値は０．４６であった。図６に２００℃〜２６０℃におけるｔａｎδ’の測定結果を示す。
【符号の説明】
【０００９】
１．強化繊維
２．ピンチローラー
３．ゴムローラー
４．ロータリーカッター本体
５．刃
６．カットされた強化繊維
７．刃のピッチ
【図１】
2012140793.tif 000003
【図２】
2012140793.tif 000004
【図３】
2012140793.tif 000005
【図４】
2012140793.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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