(57)【要約】本発明の目的は、繊維強化複合材料成形体のプリフォームとして用いられるランダムマット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、強化繊維の目付けが２５〜３０００ｇ／ｍ２であり、式（１）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（２）を満たすことを特徴とするランダムマットである。  臨界単糸数＝６００／Ｄ      （１）  ０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２      （２）（ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
2012105080.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、式（１）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（２）を満たすことを特徴とするランダムマット。
臨界単糸数＝６００／Ｄ      （１）
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２      （２）
（ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
【請求項２】
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ことを特徴とする請求項１に記載のランダムマット。
【請求項３】
ランダムマットにおける熱可塑性樹脂の存在量が、強化繊維１００重量部に対し、５０〜１０００重量部である事を特徴とする請求項１に記載のランダムマット。
【請求項４】
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を特徴とする請求項１に記載のランダムマット。
【請求項５】
以下の工程１〜４を含む、請求項１〜４のいずれかに記載のランダムマットの製造方法。
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る工程。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載のランダムマットを成形して得られる強化繊維複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化複合材料成形体のプリフォームとして用いられるランダムマット、およびそれより得られる強化繊維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られる事ができる。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、樹脂を含浸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流動させるために、薄肉ものが作れない、繊維配向が乱れ、制御が困難である等の問題があった。
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、繊維強化複合材料成形体のプリフォームとして用いられるランダムマット、およびそれより得られる強化繊維複合材料に関するものである。本発明のランダムマットは、熱可塑性のマトリックス樹脂をランダムマットにおける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し、これより薄肉でかつ機械物性に優れた繊維強化複合材料が提供できる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、熱可塑性樹脂と特定の収束あるいは開繊条件を満たす強化繊維とから構成されるランダムマットとすることで、熱可塑性のマトリックス樹脂を容易に含浸でき、繊維強化複合材料が好適に提供でき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の強化繊維の目付けが２５〜３０００ｇ／ｍ２であり、式（１）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（２）を満たすことを特徴とするランダムマット、
臨界単糸数＝６００／Ｄ      （１）
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２      （２）
（ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
ランダムマットの製造方法、およびそれより得られる強化繊維複合材料である。
【発明の効果】
【０００５】
本発明のランダムマットは繊維強化複合材料成形のプリフォームとして好ましく用いられ、これより表面品位に優れた繊維強化複合材料が提供できる。また本発明のランダムマットをプリフォームとすることで、薄肉化や等方性に優れた繊維強化複合材料が提供できる。本発明のランダムマットは、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一例（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一例（正面と断面の概略図）である。
図４は繊維方向に平行な刃を有するカッターの一例（正面図と斜視図の概略図）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。
［ランダムマット］
本発明のランダムマットは、繊維長５〜１００ｍｍの強化繊維と熱可塑性樹脂とから構成され、強化繊維の目付けが２５〜３０００ｇ／ｍ２であり、下記式（１）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（２）を満たすことを特徴とする。
臨界単糸数＝６００／Ｄ      （１）
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２      （２）
（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。
本発明のランダムマットは面内等方性の材料である。ランダムマットより成形体を得た場合に、ランダムマット中の強化繊維の等方性は、成形体においても維持される。ランダムマットより成形体を得て、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、ランダムマットおよびそれからの成形体の等方性を定量的に評価できる。ランダムマットから得られた成形体における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。
［強化繊維］
ランダムマットを構成する強化繊維は不連続であり、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。繊維長は、得られたランダムマット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無作為に抽出した１００本の繊維の繊維長をノギス等を用いて１ｍｍ単位まで測定し、その平均を求める方法が挙げられる。
本発明のランダムマットにおける強化繊維の平均繊維長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。
後述する好ましい強化繊維のカット方法において、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、平均繊維長はカットした繊維長とほぼ等しくなる。
ランダムマット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。
［開繊程度］
本発明のランダムマットは、式（１）
臨界単糸数＝６００／Ｄ      （１）
（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）について、マットの繊維全量に対する割合が３０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満であることを特徴とする。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。
すなわち本発明のランダムマットには、平均繊維径に依存して定義される臨界単糸数以上で構成される強化繊維束の存在量を３０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満とする、すなわち強化繊維の開繊程度をコントロールし、特定本数以上の強化繊維からなる強化繊維束と、それ以外の開繊された強化繊維を特定の比率で含むことを特徴とする。強化繊維束の存在量を３０Ｖｏｌ％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。
繊維全量に対する強化繊維束（Ａ）の割合が３０Ｖｏｌ％未満になると、本発明のランダムマットを成形した際に、表面品位に優れる複合材料が得られるという利点はあるものの、機械物性に優れた繊維強化複合材料が得にくくなる。強化繊維束（Ａ）の割合が９０Ｖｏｌ％以上になると、繊維の交絡部が局部的に厚くなり、薄肉のものが得られず、本発明の目的にそぐわない。強化繊維束（Ａ）の割合はより好ましくは３０Ｖｏｌ％以上８０Ｖｏｌ％未満である。
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（２）
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２      （２）
（ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
を満たすことを特徴とする。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。
強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が０．７×１０４／Ｄ２以下の場合、高い繊維体積含有率（Ｖｆ）を得る事が困難となる。また強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が１×１０５／Ｄ２以上の場合、局部的に厚い部分が生じ、ボイドの原因となりやすい。
１ｍｍ以下の薄肉な複合材料を得ようとした場合、単純に分繊しただけの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事は容易になるが、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。式（１）で定義される臨界単糸以上の強化繊維束（Ａ）と、単糸の状態又は臨界単糸数未満の強化繊維（Ｂ）が同時に存在するランダムマットにより、薄肉であり、かつ得られる物性の高いランダムマットを得る事が可能である。
本発明のランダムマットは、各種の厚みとすることが可能であるが、これをプリフォームとして、厚みが０．２〜１ｍｍ程度の薄肉の成形品も好適に得ることができる。すなわち本発明により、各種目的とする成形品の厚さに合わせたランダムマットを作成する事ができ、特にサンドイッチ材の表皮等、薄物の成形品のプリフォームとして有用である。
［熱可塑性樹脂］
本発明のランダムマットは固体の熱可塑性樹脂を含み、繊維強化複合材料を得るためのプリフォームとなる。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。熱可塑性樹脂は、繊維状又は粒子状で構成されることが好ましい。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。
熱可塑性樹脂の種類としては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。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。
ランダムマット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。
［他の剤］
本発明の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。
［製造方法］
以下本発明のランダムマットを好ましく得る方法について述べる。本発明のランダムマットは以下の工程１〜４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る工程。
すなわち本発明は、上記の工程１〜４を含む、ランダムマットの製造方法を包含する。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（２）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の例を図４に示す。図４のカッターは、繊維方向に垂直な短い刃が螺旋状に、ある一定の間隔にて設けられており、これらで繊維をカットすると同時に、繊維方向に平行な刃によりスリットすることができる。
また図２に示すような分繊ナイフにおいても、分繊ナイフ間に繊維方向に平行な刃を設けても良い。
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（３）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）    （３）
（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〜図４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］
本発明方法における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。好ましくは風速５〜５００ｍ／ｓｅｃであり、より好ましくは風速５０超〜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］
本発明方法における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同時に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］
本発明方法における定着工程は、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い製造方法により、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。
塗布および定着工程は同時に行ってもよい。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。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。
［繊維強化複合材料］
本発明のランダムマットをプリフォームとして成形することにより、強化繊維と、熱可塑性樹脂とからなる繊維強化複合材料を得ることができる。成形方法としては、プレス成形およびまたは熱成形が好ましい。本発明のランダムマットは熱可塑性樹脂を容易に含浸しやすい特徴を持つため、ホットプレス成形などにより成形して、繊維強化複合材料を効率よく得ることができる。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。
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る。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。
すなわち本発明はランダムマットより得られた繊維強化複合材料を包含する。上述のとおり本発明のランダムマットは強化繊維と熱可塑性樹脂が混合され、近接して存在しているので、型内で繊維と樹脂を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ことを特徴とする。本発明のランダムマットより得られた繊維強化複合材料においても、ランダムマット中の強化繊維の形態、すなわち等方性を保つことが可能となる。またランダムマットにおける強化繊維の開繊程度も、繊維強化複合材料においてもほぼ維持される。
すなわち本発明は好ましくは、上記のランダムマットから得られる平均繊維長５ｍｍ超１００ｍｍ以下の強化繊維と熱可塑性樹脂とから構成され、強化繊維が実質的に２次元ランダムに配向しており、式（１）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、繊維全量に対する強化繊維束（Ａ）の割合が３０Ｖｏｌ％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（２）を満たすことを特徴とする複合材料である。
臨界単糸数＝６００／Ｄ      （１）
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２      （２）
（ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
複合材料における強化繊維の平均繊維長や繊維束については、複合材料より樹脂を除去した後、ランダムマットにおける方法と同様に測定できる。
【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）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
３）複合材料における強化繊維束分析
成形板、すなわち本発明の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。
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）を測定した。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。
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、繊維幅１０ｍｍ）を拡幅して、繊維幅２０ｍｍとしたものを使用した。カット装置には、超硬合金を用いて螺旋状ナイフを表面に配置したロータリーカッターを用いた。このとき、下記式（３）
刃のピッチ＝強化繊維ストランド幅×ｔａｎ（９０−θ）    （３）
（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６３度であり、刃のピッチを１０ｍｍとし、強化繊維を繊維長１０ｍｍ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、マトリックス樹脂を供給し、このマトリックス樹脂として、帝人化成社製のポリカーボネート“パンライト”（登録商標）Ｌ−１２２５Ｌペレットを冷凍粉砕し、更に、２０メッシュ、及び１００メッシュにて分級した粒子を用いた。ポリカーボネートパウダーの平均粒径は約７１０μｍであった。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１８０ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂の供給量を４８０ｇ／ｍｉｎ、にセットして装置を稼動し、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の強化繊維の平均繊維長は１０ｍｍであり、目付け量は、２００ｇ／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３５％、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は２４０であった。また、ポリカーボネートパウダーは、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を３００℃に加熱したプレス装置にて、１ＭＰａにて３分間加熱し、厚さ０．６ｍｍの成形板（本発明の強化繊維複合材料である、以下成形板）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材料を得る事ができた。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１０ｍｍ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３５％、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）ＩＭＳ６０−１２Ｋ（平均繊維径５μｍ、繊維幅６ｍｍ）を使用した。カット装置には、超硬合金を用いて螺旋状ナイフを表面に配置したロータリーカッターを用いた。このロータリーカッターには、繊維束を小型化する目的で、図４に示すような繊維方向に平行な刃を０．５ｍｍ間隔で設けた分繊カッターを用いた。このとき、上記式（３）中のθは１７度、刃のピッチを２０ｍｍとし、強化繊維を繊維長２０ｍｍにカットした。開繊装置として、小孔を有した管を用意し、コンプレッサーを用いて圧縮空気を送気した。小孔からの風速は、１５０ｍ／ｓｅｃとした。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、マトリックス樹脂を供給し、このマトリックス樹脂として、２ｍｍにドライカットしたＰＡ６６繊維（旭化成せんい製  Ｔ５ナイロン  繊度１４００ｄｔｅｘ）を用いた。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１０００ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂の供給量を３０００ｇ／ｍｉｎ、にセットして装置を稼動し、強化繊維とポリアミド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の強化繊維の平均繊維長は２０ｍｍであり、目付け量は１０００ｇ／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１２０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８６％、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は９００であった。また、ナイロン繊維は、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を２８０℃に加熱したプレス装置にて、１．０ＭＰａにて３分間加熱し、厚さ３．２ｍｍの成形板を得た。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１．０７であり、繊維配向は殆ど無く、等方性が維持された材料を得る事ができた。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８６％、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。
実施例３
強化繊維として、日本電気硝子社製のガラス繊維ＥＸ−２５００（平均繊維径１５μｍ、繊維幅９ｍｍ）を使用した。カット装置には、超硬合金を用いて、繊維と９０度方向の短い刃が斜めに配置された、分繊ナイフを表面に配置したロータリーカッターを用いた。ナイフの幅は１ｍｍであり、さらにナイフ間には繊維束を小型化する目的で、繊維方向に平行な刃を設けた。このとき、上記式（３）中のθは１０度であり、刃のピッチを５０ｍｍとし、強化繊維を繊維長５０ｍｍにカットした。開繊装置として、実施例１と同様の装置を用いた。コンプレッサーの圧力を下げる事により、小孔からの風速は、３５０ｍ／ｓｅｃとした。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、マトリックス樹脂を供給し、このマトリックス樹脂として、帝人化成社製のポリカーボネート“パンライト”（登録商標）Ｌ−１２２５Ｌペレットを冷凍粉砕し、更に、３０メッシュ、及び２００メッシュにて分級したパウダーを用いた。このとき、平均粒径は約３６０μｍであった。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３００ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂の供給量を６００ｇ／ｍｉｎ、にセットして装置を稼動し、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の強化繊維の平均繊維長は５０ｍｍであり、目付け量３００ｇ／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４０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６８％、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は６０であった。また、ポリカーボネートパウダーは、強化繊維中に大きな斑が無い状態で分散されていた。
このランダムマットを３００℃に加熱したプレス装置にて、１．０ＭＰａにて３分間加熱し、厚さ０．６ｍｍの成形板を得た。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１．１４であり、繊維配向は殆ど無く、等方性が維持された材料を得る事ができた。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、５０ｍｍ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、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４
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、繊維幅１０ｍｍ）を開繊して、繊維幅３０ｍｍとしたものを使用した。カット装置には、超硬合金を用いて螺旋状ナイフを表面に配置したロータリーカッターを用いた。このとき、上記式（３）中のθは４５度であり、刃のピッチを３０ｍｍとし、強化繊維を繊維長３０ｍｍ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、２００ｍ／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、マトリックス樹脂を供給し、このマトリックス樹脂として、帝人化成社製のポリカーボネート“パンライト”（登録商標）Ｌ−１２２５Ｌペレットを冷凍粉砕し、更に、２０メッシュ、及び１００メッシュにて分級した粒子を用いた。ポリカーボネートパウダーの平均粒径は約７１０μｍであった。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１０００ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂の供給量を１１００ｇ／ｍｉｎ、にセットして装置を稼動し、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の強化繊維の平均繊維長は３０ｍｍであり、目付け量１０００ｇ／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６０％、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は１６２０であった。また、ポリカーボネートパウダーは、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を３層重ね、３００℃に加熱したプレス装置にて、１ＭＰａにて３分間加熱し、厚さ１．５ｍｍの成形板を得た。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１．０１であり、繊維配向は殆ど無く、等方性が維持された材料を得る事ができた。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３０ｍｍ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、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５
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、繊維幅１０ｍｍ）を開繊して、繊維幅２０ｍｍとしたものを使用した。カット装置には、超硬合金を用いて螺旋状ナイフを表面に配置したロータリーカッターを用いた。このとき、上記式（３）中のθは６８度であり、刃のピッチを８ｍｍとし、強化繊維を繊維長８ｍｍ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、３５０ｍ／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、マトリックス樹脂を供給し、このマトリックス樹脂として、帝人化成社製のポリカーボネート“パンライト”（登録商標）Ｌ−１２２５Ｌペレットを冷凍粉砕し、更に、２０メッシュ、及び１００メッシュにて分級した粒子を用いた。ポリカーボネートパウダーの平均粒径は約７１０μｍであった。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１２００ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂の供給量を１６００ｇ／ｍｉｎ、にセットして装置を稼動し、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の強化繊維の平均繊維長は８ｍｍであり、目付け量１２００ｇ／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３８％、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は２２０であった。また、ポリカーボネートパウダーは、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を３００℃に加熱したプレス装置にて、１ＭＰａにて３分間加熱し、厚さ１．９ｍｍの成形板を得た。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１．０２であり、繊維配向は殆ど無く、等方性が維持された材料を得る事ができた。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８ｍｍ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、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６
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  繊維幅１０ｍｍ  引張強度４０００ＭＰａ）を拡幅して３０ｍｍ幅として使用した。分繊装置には、超硬合金を用いて円盤状の刃を作成し、１ｍｍ間隔に配置したスリッターを用いた。カット装置には、超硬合金を用いて螺旋状ナイフを表面に配置したロータリーカッターを用いた。このとき、上記式（３）中のθは４５度であり、刃のピッチを３０ｍｍとし、強化繊維を繊維長３０ｍｍ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、３５０ｍ／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、マトリックス樹脂を供給し、このマトリックス樹脂として、帝人化成社製のポリカーボネート“パンライト”（登録商標）Ｌ−１２２５Ｌペレットを冷凍粉砕し、更に、２０メッシュ、及び１００メッシュにて分級した粒子を用いた。ポリカーボネートパウダーの平均粒径は約７１０μｍであった。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５００ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂の供給量を５５０ｇ／ｍｉｎ、にセットして装置を稼動し、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の強化繊維の平均繊維長は３０ｍｍであり、目付け量５００ｇ／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３５％、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は２７０であった。また、ポリカーボネートパウダーは、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を４層重ね、３００℃に加熱したプレス装置にて、１ＭＰａにて３分間加熱し、厚さ３．０ｍｍの成形板を得た。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１．０２であり、繊維配向は殆ど無く、等方性が維持された材料を得る事ができた。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３０ｍｍ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、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７
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、ストランド幅１０ｍｍ）を３０ｍｍに拡幅して使用した。分繊装置には、超硬合金を用いて円盤状の刃を作成し、０．５ｍｍ間隔に配置したスリッターを用いた。カット装置には、超硬合金を用いて螺旋状ナイフを表面に配置したロータリーカッターを用いた。このとき、上記式（３）中のθは４５度であり、刃のピッチを３０ｍｍとし、強化繊維を繊維長３０ｍｍにカットするようにした。
カッターを通過したストランドをロータリーカッターの直下に配置したフレキシブルな輸送配管に導入し、引き続き、これを開繊装置に導入した。開繊装置としては、径の異なるＳＵＳ３０４製のニップルを溶接し、二重管を製作して使用した。二重管の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、１００ｍ／ｓｅｃであった。この管の下部には下方に向けて径が拡大するテーパ管を溶接した。
上記テーパー管の側面より、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”を供給した。そして、テーパー管出口の下部に、一定方向に移動する通気性の支持体（以後、定着ネットと呼ぶ）を設置し、その下方よりブロワにて吸引を行い、その定着ネット上に、該フレキシブルな輸送配管とテーパ管を幅方向に往復運動させながら、カットした強化繊維とナイロン樹脂の混合体を帯状に堆積させた。そして、強化繊維の供給量を５００ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂の供給量を５３０ｇ／ｍｉｎ、にセットして装置を稼動し、支持体上に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の強化繊維の平均繊維長は３０ｍｍであり、目付け量５００ｇ／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８５％、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は３７０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を２層重ね、２６０℃に加熱したプレス装置にて、１ＭＰａにて３分間加熱し、厚さ１．５ｍｍの成形板を得た。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材料を得る事ができた。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３０ｍｍ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、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。
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。
比較例２
比較例１と同様にして得られたランダムマットを、３００℃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、樹脂を除去した後、強化繊維束（Ａ）の割合と、平均繊維数（Ｎ）を調べたところ、比較例１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。
【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
８．繊維方向に平行な刃
【図１】
2012105080.tif 000003
【図２】
2012105080.tif 000004
【図３】
2012105080.tif 000005
【図４】
2012105080.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成25年2月8日(2013.2.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均繊維長５〜１００ｍｍの炭素繊維である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（１）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（２）を満たすことを特徴とするランダムマット。
臨界単糸数＝６００／Ｄ      （１）
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２      （２）
（ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
【請求項２】
ランダムマットにおける熱可塑性樹脂の存在量が、強化繊維１００重量部に対し、５０〜１０００重量部である事を特徴とする請求項１に記載のランダムマット。
【請求項３】
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を特徴とする請求項１に記載のランダムマット。
【請求項４】
以下の工程１〜４を含む、請求項１〜３のいずれかに記載のランダムマットの製造方法。
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る工程。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載のランダムマットを成形して得られる繊維強化複合材料。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維を強化繊維として用いた繊維強化複合材料成形体のプリフォームとして用いられるランダムマット、およびそれより得られる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、面対称に積層されるなど、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。
【０００３】
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、樹脂を含浸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。
【０００４】
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流動させるために、薄肉ものが作れない、繊維配向が乱れ、制御が困難である等の問題があった。
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。
【０００５】
【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】
【０００６】
本発明の課題は、強化繊維が炭素繊維である繊維強化複合材料成形体のプリフォームとして用いられるランダムマット、およびそれより得られる繊維強化複合材料に関するものである。本発明のランダムマットは、熱可塑性のマトリックス樹脂をランダムマットにおける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し、これより薄肉でかつ機械物性に優れた繊維強化複合材料が提供できる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、熱可塑性樹脂と特定の収束あるいは開繊条件を満たす強化繊維とから構成されるランダムマットとすることで、熱可塑性のマトリックス樹脂を容易に含浸でき、繊維強化複合材料が好適に提供でき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、強化繊維が炭素繊維であり、強化繊維の目付けが２５〜３０００ｇ／ｍ２であり、式（１）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（２）を満たすことを特徴とするランダムマット、
臨界単糸数＝６００／Ｄ      （１）
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２      （２）
（ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
ランダムマットの製造方法、およびそれより得られる繊維強化複合材料である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のランダムマットは繊維強化複合材料成形のプリフォームとして好ましく用いられ、これより表面品位に優れた繊維強化複合材料が提供できる。また本発明のランダムマットをプリフォームとすることで、薄肉化や等方性に優れた繊維強化複合材料が提供できる。本発明のランダムマットは、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】
【０００９】
【図１】図１はカット工程の概略図である。
【図２】図２はロータリー螺旋カッターの一例（正面と断面の概略図）である。
【図３】図３はロータリー分繊カッターの一例（正面と断面の概略図）である。
【図４】図４は繊維方向に平行な刃を有するカッターの一例（正面図と斜視図の概略図）である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施の形態について順次説明する。
【００１１】
[ランダムマット]
本発明のランダムマットは、平均繊維長５〜１００ｍｍの炭素繊維である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（１）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（２）を満たすことを特徴とする。
臨界単糸数＝６００／Ｄ      （１）
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２      （２）
（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。
【００１２】
本発明のランダムマットは面内等方性の材料である。ランダムマットより成形体を得た場合に、ランダムマット中の強化繊維の等方性は、成形体においても維持される。ランダムマットより成形体を得て、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、ランダムマットおよびそれからの成形体の等方性を定量的に評価できる。ランダムマットから得られた成形体における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。
【００１３】
［強化繊維］
ランダムマットを構成する強化繊維は不連続の炭素繊維であり、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。繊維長は、得られたランダムマット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無作為に抽出した１００本の繊維の繊維長をノギス等を用いて１ｍｍ単位まで測定し、その平均を求める方法が挙げられる。
本発明のランダムマットにおける強化繊維の平均繊維長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。
後述する好ましい強化繊維のカット方法において、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、平均繊維長はカットした繊維長とほぼ等しくなる。
ランダムマット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。
【００１４】
［開繊程度］
本発明のランダムマットは、式（１）
臨界単糸数＝６００／Ｄ      （１）
（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）について、マットの繊維全量に対する割合が３０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満であることを特徴とする。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。
すなわち、本発明のランダムマットには、平均繊維径に依存して定義される臨界単糸数以上で構成される強化繊維束の存在量を３０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満とする、すなわち強化繊維の開繊程度をコントロールし、特定本数以上の強化繊維からなる強化繊維束と、それ以外の開繊された強化繊維を特定の比率で含むことを特徴とする。強化繊維束の存在量を３０Ｖｏｌ％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。
繊維全量に対する強化繊維束（Ａ）の割合が３０Ｖｏｌ％未満になると、本発明のランダムマットを成形した際に、表面品位に優れる複合材料が得られるという利点はあるものの、機械物性に優れた繊維強化複合材料が得にくくなる。強化繊維束（Ａ）の割合が９０Ｖｏｌ％以上になると、繊維の交絡部が局部的に厚くなり、薄肉のものが得られず、本発明の目的にそぐわない。強化繊維束（Ａ）の割合はより好ましくは３０Ｖｏｌ％以上８０Ｖｏｌ％未満である。
【００１５】
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（２）
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２      （２）
（ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
を満たすことを特徴とする。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。
強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が０．７×１０４／Ｄ２以下の場合、高い繊維体積含有率（Ｖｆ）を得る事が困難となる。また強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が１×１０５／Ｄ２以上の場合、局部的に厚い部分が生じ、ボイドの原因となりやすい。
１ｍｍ以下の薄肉な複合材料を得ようとした場合、単純に分繊しただけの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事は容易になるが、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。式（１）で定義される臨界単糸以上の強化繊維束（Ａ）と、単糸の状態又は臨界単糸数未満の強化繊維（Ｂ）が同時に存在するランダムマットにより、薄肉であり、かつ得られる物性の高いランダムマットを得る事が可能である。
本発明のランダムマットは、各種の厚みとすることが可能であるが、これをプリフォームとして、厚みが０．２〜１mm程度の薄肉の成形品も好適に得ることができる。すなわち本発明により、各種目的とする成形品の厚さに合わせたランダムマットを作成する事ができ、特にサンドイッチ材の表皮等、薄物の成形品のプリフォームとして有用である。
【００１６】
［熱可塑性樹脂］
本発明のランダムマットは固体の熱可塑性樹脂を含み、繊維強化複合材料を得るためのプリフォームとなる。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。熱可塑性樹脂は、繊維状又は粒子状で構成されることが好ましい。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、更に好ましくは平均粒子径１〜８００μｍである。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。
熱可塑性樹脂の種類としては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。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。
ランダムマット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。
【００１７】
［他の剤］
本発明の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。
【００１８】
[製造方法]
以下本発明のランダムマットを好ましく得る方法について述べる。本発明のランダムマットは以下の工程１〜４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る工程。
すなわち本発明は、上記の工程１〜４を含む、ランダムマットの製造方法を包含する。
以下、各工程について詳細に述べる。
【００１９】
[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（２）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の例を図４に示す。図４のカッターは、繊維方向に垂直な短い刃が螺旋状に、ある一定の間隔にて設けられており、これらで繊維をカットすると同時に、繊維方向に平行な刃によりスリットすることができる。
また図２に示すような分繊ナイフにおいても、分繊ナイフ間に繊維方向に平行な刃を設けても良い。
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（３）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）  （３）
（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〜図４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。
【００２０】
[開繊工程]
本発明方法における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。好ましくは風速５〜５００ｍ／ｓｅｃであり、より好ましくは風速５０超〜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。
【００２１】
[塗布工程]
本発明方法における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同時に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。
【００２２】
[定着工程]
本発明方法における定着工程は、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い製造方法により、繊維の長軸が３次元方向に配向しているものが少なく、２次元配向性のあるランダムマットとすることができる。
塗布および定着工程は同時に行ってもよい。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。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。
【００２３】
[繊維強化複合材料]
本発明のランダムマットをプリフォームとして成形することにより、強化繊維と、熱可塑性樹脂とからなる繊維強化複合材料を得ることができる。成形方法としては、プレス成形およびまたは熱成形が好ましい。本発明のランダムマットは熱可塑性樹脂を容易に含浸しやすい特徴を持つため、ホットプレス成形などにより成形して、繊維強化複合材料を効率よく得ることができる。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。
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る。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。
すなわち本発明はランダムマットより得られた繊維強化複合材料を包含する。上述のとおり本発明のランダムマットは強化繊維と熱可塑性樹脂が混合され、近接して存在しているので、型内で繊維と樹脂を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ことを特徴とする。本発明のランダムマットより得られた繊維強化複合材料においても、ランダムマット中の強化繊維の形態、すなわち等方性を保つことが可能となる。またランダムマットにおける強化繊維の開繊程度も、繊維強化複合材料においてもほぼ維持される。
すなわち本発明は好ましくは、上記のランダムマットから得られる平均繊維長５ｍｍ以上１００ｍｍ以下の強化繊維と熱可塑性樹脂とから構成され、強化繊維が実質的に２次元ランダムに配向しており、式（１）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、繊維全量に対する強化繊維束（Ａ）の割合が３０Ｖｏｌ％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（２）を満たすことを特徴とする複合材料である。
臨界単糸数＝６００／Ｄ      （１）
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２      （２）
（ここでＤは強化繊維の平均繊維径（μｍ）である）
複合材料における強化繊維の平均繊維長や繊維束については、複合材料より樹脂を除去した後、ランダムマットにおける方法と同様に測定できる。
【実施例】
【００２４】
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）
【００２５】
２）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
【００２６】
３）複合材料における強化繊維束分析
成形板、すなわち本発明の繊維強化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。
【００２７】
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、及びこれと直交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）を測定した。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。
【００２８】
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、繊維幅１０ｍｍ）を拡幅して、繊維幅２０ｍｍとしたものを使用した。カット装置には、超硬合金を用いて螺旋状ナイフを表面に配置したロータリーカッターを用いた。このとき、下記式（３）
刃のピッチ＝強化繊維ストランド幅×ｔａｎ（９０−θ）  （３）
（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６３度であり、刃のピッチを１０ｍｍとし、強化繊維を繊維長１０ｍｍ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、マトリックス樹脂を供給し、このマトリックス樹脂として、帝人化成社製のポリカーボネート“パンライト”（登録商標）Ｌ−１２２５Ｌペレットを冷凍粉砕し、更に、２０メッシュ、及び１００メッシュにて分級した粒子を用いた。ポリカーボネートパウダーの平均粒径は約７１０μｍであった。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１８０ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂の供給量を４８０ｇ／ｍｉｎ、にセットして装置を稼動し、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の強化繊維の平均繊維長は１０ｍｍであり、目付け量は、２００ｇ／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３５％、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は２４０であった。また、ポリカーボネートパウダーは、強化繊維中に大きな斑が無い状態で分散されていた。
【００２９】
得られたランダムマットを３００℃に加熱したプレス装置にて、１ＭＰａにて３分間加熱し、厚さ０．６ｍｍの成形板（本発明の繊維強化複合材料である、以下成形板）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材料を得る事ができた。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１０ｍｍ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３５％、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。
【００３０】
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）ＩＭＳ６０−１２Ｋ（平均繊維径５μｍ、繊維幅６ｍｍ）を使用した。カット装置には、超硬合金を用いて螺旋状ナイフを表面に配置したロータリーカッターを用いた。このロータリーカッターには、繊維束を小型化する目的で、図４に示すような繊維方向に平行な刃を０．５ｍｍ間隔で設けた分繊カッターを用いた。このとき、上記式（３）中のθは１７度、刃のピッチを２０ｍｍとし、強化繊維を繊維長２０ｍｍにカットした。開繊装置として、小孔を有した管を用意し、コンプレッサーを用いて圧縮空気を送気した。小孔からの風速は、１５０ｍ／ｓｅｃとした。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、マトリックス樹脂を供給し、このマトリックス樹脂として、２ｍｍにドライカットしたＰＡ（ポリアミド）６６繊維（旭化成せんい製  Ｔ５ナイロン  繊度１４００ｄｔｅｘ）を用いた。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１０００ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂の供給量を３０００ｇ／ｍｉｎ、にセットして装置を稼動し、強化繊維とポリアミド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の強化繊維の平均繊維長は２０ｍｍであり、目付け量は１０００ｇ／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１２０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８６％、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は９００であった。また、ナイロン繊維は、強化繊維中に大きな斑が無い状態で分散されていた。
【００３１】
得られたランダムマットを２８０℃に加熱したプレス装置にて、１．０ＭＰaにて３分間加熱し、厚さ３．２ｍｍの成形板を得た。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１．０７であり、繊維配向は殆ど無く、等方性が維持された材料を得る事ができた。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８６％、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。
【００３２】
実施例４
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、繊維幅１０ｍｍ）を開繊して、繊維幅３０ｍｍとしたものを使用した。カット装置には、超硬合金を用いて螺旋状ナイフを表面に配置したロータリーカッターを用いた。このとき、上記式（３）中のθは４５度であり、刃のピッチを３０ｍｍとし、強化繊維を繊維長３０ｍｍ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、２００ｍ／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、マトリックス樹脂を供給し、このマトリックス樹脂として、帝人化成社製のポリカーボネート“パンライト”（登録商標）Ｌ−１２２５Ｌペレットを冷凍粉砕し、更に、２０メッシュ、及び１００メッシュにて分級した粒子を用いた。ポリカーボネートパウダーの平均粒径は約７１０μｍであった。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１０００ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂の供給量を１１００ｇ／ｍｉｎ、にセットして装置を稼動し、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の強化繊維の平均繊維長は３０ｍｍであり、目付け量１０００ｇ／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６０％、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は１６２０であった。また、ポリカーボネートパウダーは、強化繊維中に大きな斑が無い状態で分散されていた。
【００３３】
得られたランダムマットを３層重ね、３００℃に加熱したプレス装置にて、１ＭＰａにて３分間加熱し、厚さ１．５ｍｍの成形板を得た。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１．０１であり、繊維配向は殆ど無く、等方性が維持された材料を得る事ができた。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３０ｍｍ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、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。
【００３４】
実施例５
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、繊維幅１０ｍｍ）を開繊して、繊維幅２０ｍｍとしたものを使用した。カット装置には、超硬合金を用いて螺旋状ナイフを表面に配置したロータリーカッターを用いた。このとき、上記式（３）中のθは６８度であり、刃のピッチを８ｍｍとし、強化繊維を繊維長８ｍｍ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、３５０ｍ／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、マトリックス樹脂を供給し、このマトリックス樹脂として、帝人化成社製のポリカーボネート“パンライト”（登録商標）Ｌ−１２２５Ｌペレットを冷凍粉砕し、更に、２０メッシュ、及び１００メッシュにて分級した粒子を用いた。ポリカーボネートパウダーの平均粒径は約７１０μｍであった。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１２００ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂の供給量を１６００ｇ／ｍｉｎ、にセットして装置を稼動し、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の強化繊維の平均繊維長は８ｍｍであり、目付け量１２００ｇ／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３８％、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は２２０であった。また、ポリカーボネートパウダーは、強化繊維中に大きな斑が無い状態で分散されていた。
【００３５】
得られたランダムマットを３００℃に加熱したプレス装置にて、１ＭＰａにて３分間加熱し、厚さ１．９ｍｍの成形板を得た。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１．０２であり、繊維配向は殆ど無く、等方性が維持された材料を得る事ができた。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８ｍｍ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、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。
【００３６】
実施例６
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  繊維幅１０ｍｍ  引張強度４０００MPa）を拡幅して３０ｍｍ幅として使用した。分繊装置には、超硬合金を用いて円盤状の刃を作成し、１ｍｍ間隔に配置したスリッターを用いた。カット装置には、超硬合金を用いて螺旋状ナイフを表面に配置したロータリーカッターを用いた。このとき、上記式（３）中のθは４５度であり、刃のピッチを３０ｍｍとし、強化繊維を繊維長３０ｍｍ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、３５０ｍ／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、マトリックス樹脂を供給し、このマトリックス樹脂として、帝人化成社製のポリカーボネート“パンライト”（登録商標）Ｌ−１２２５Ｌペレットを冷凍粉砕し、更に、２０メッシュ、及び１００メッシュにて分級した粒子を用いた。ポリカーボネートパウダーの平均粒径は約７１０μｍであった。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５００ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂の供給量を５５０ｇ／ｍｉｎ、にセットして装置を稼動し、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の強化繊維の平均繊維長は３０ｍｍであり、目付け量５００ｇ／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３５％、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は２７０であった。また、ポリカーボネートパウダーは、強化繊維中に大きな斑が無い状態で分散されていた。
【００３７】
得られたランダムマットを４層重ね、３００℃に加熱したプレス装置にて、１ＭＰａにて３分間加熱し、厚さ３．０ｍｍの成形板を得た。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１．０２であり、繊維配向は殆ど無く、等方性が維持された材料を得る事ができた。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３０ｍｍ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、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。
【００３８】
実施例７
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、ストランド幅１０ｍｍ）を３０ｍｍに拡幅して使用した。分繊装置には、超硬合金を用いて円盤状の刃を作成し、０．５ｍｍ間隔に配置したスリッターを用いた。カット装置には、超硬合金を用いて螺旋状ナイフを表面に配置したロータリーカッターを用いた。このとき、上記式（３）中のθは４５度であり、刃のピッチを３０ｍｍとし、強化繊維を繊維長３０ｍｍにカットするようにした。
カッターを通過したストランドをロータリーカッターの直下に配置したフレキシブルな輸送配管に導入し、引き続き、これを開繊装置に導入した。開繊装置としては、径の異なるＳＵＳ３０４製のニップルを溶接し、二重管を製作して使用した。二重管の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、１００ｍ／ｓｅｃであった。この管の下部には下方に向けて径が拡大するテーパ管を溶接した。
上記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”を供給した。そして、テ―パ管出口の下部に、一定方向に移動する通気性の支持体（以後、定着ネットと呼ぶ）を設置し、その下方よりブロワにて吸引を行い、その定着ネット上に、該フレキシブルな輸送配管とテーパ管を幅方向に往復運動させながら、カットした強化繊維とナイロン樹脂の混合体を帯状に堆積させた。そして、強化繊維の供給量を５００ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂の供給量を５３０ｇ／ｍｉｎ、にセットして装置を稼動し、支持体上に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の強化繊維の平均繊維長は３０ｍｍであり、目付け量５００ｇ／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８５％、強化繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は３７０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。
【００３９】
得られたランダムマットを２層重ね、２６０℃に加熱したプレス装置にて、１ＭＰａにて３分間加熱し、厚さ１．５ｍｍの成形板を得た。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材料を得る事ができた。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３０ｍｍ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、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。
【００４０】
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。
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。
【００４１】
比較例２
比較例１と同様にして得られたランダムマットを、３００℃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、樹脂を除去した後、強化繊維束（Ａ）の割合と、平均繊維数（Ｎ）を調べたところ、比較例１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。
【符号の説明】
【００４２】
１．強化繊維（炭素繊維）
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
８．繊維方向に平行な刃
【国際調査報告】
2012105080.tif 000007
2012105080.tif 000008
2012105080.tif 000009
2012105080.tif 000010