(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
芯成分が炭素繊維からなり鞘成分が第１の熱可塑性樹脂からなる芯鞘構造を有するペレットと第２の熱可塑性樹脂とを溶融し、溶融された前記ペレットおよび前記第２の熱可塑性樹脂を所定温度にて混練する炭素繊維複合材料の製造方法において、前記第２の熱可塑性樹脂は、前記所定温度にて前記第１の熱可塑性樹脂よりも粘度が高く、前記所定温度における前記第１の熱可塑性樹脂の粘度が５０〜５００ｐｏｉｓｅであり、前記所定温度における前記第２の熱可塑性樹脂の粘度が１，０００〜１０，０００ｐｏｉｓｅであり、前記所定温度が前記第２の熱可塑性樹脂の融点よりも高く、前記所定温度と前記第２の熱可塑性樹脂の融点との差が３０〜９０℃であることを特徴とする炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項２】
前記所定温度において、前記第２の熱可塑性樹脂の粘度が前記第１の熱可塑性樹脂の粘度の１０〜７５０倍である、請求項１に記載の炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項３】
前記第２の熱可塑性樹脂の融点が１００〜３７０℃である、請求項１または２に記載の炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項４】
溶融された前記ペレットおよび前記第２の熱可塑性樹脂にさらに炭素繊維を加える、請求項１〜３のいずれかに記載の炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項５】
前記炭素繊維複合材料において、炭素繊維が５〜６０重量％の割合で含まれている、請求項１〜４のいずれかに記載の炭素繊維複合材料の製造方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の炭素繊維複合材料の製造方法により製造された炭素繊維複合材料を溶融し、その後成形することを特徴とする成形品の製造方法。
【請求項７】
前記炭素繊維複合材料を溶融押出法または固化押出法により成形する、請求項６に記載の成形品の製造方法。
【請求項８】
前記炭素繊維複合材料を成形して中間成形体を形成した後、該中間成形体をさらにプレス成型法、真空成型法、ブロー成形法または曲げ加工により成形する、請求項６に記載の成形品の製造方法。
【請求項９】
前記中間成形体が、圧力０．２〜１００ＭＰａおよび温度１００〜３７０℃の条件下で熱プレスされる、請求項８に記載の成形品の製造方法。
【請求項１０】
前記中間成形体が、圧力１×１０−５〜０．０５ＭＰａおよび温度１００〜３７０℃の条件下で真空成型される、請求項８に記載の成形品の製造方法。
【請求項１１】
前記中間成形体が、空気圧０．２〜１０ＭＰａおよび温度１００〜３７０℃の条件下でブロー成形される、請求項８に記載の成形品の製造方法。
【請求項１２】
前記中間成形体が、熱可塑性樹脂材料、ガラス繊維基布または前記炭素繊維複合材料同士と積層された状態にて成形される、請求項８〜１１のいずれかに記載の成形品の製造方法。
【請求項１３】
芯成分が炭素繊維からなり鞘成分が第１の熱可塑性樹脂からなる芯鞘構造を有するペレットと第２の熱可塑性樹脂とを溶融し、溶融された前記ペレットおよび前記第２の熱可塑性樹脂を所定温度にて混練してなる炭素繊維複合材料であって、前記第２の熱可塑性樹脂から構成される海相内に、前記第１の熱可塑性樹脂から構成される島相が分散している構造を有し、第２の熱可塑性樹脂の融点＋３０℃〜第２の熱可塑性樹脂の融点＋９０℃の全温度範囲内において、前記第１の熱可塑性樹脂の粘度が５０〜５００ｐｏｉｓｅであり、前記第２の熱可塑性樹脂の粘度が１，０００〜１０，０００ｐｏｉｓｅであり、前記所定温度が前記第２の熱可塑性樹脂の融点よりも高く、前記所定温度と前記第２の熱可塑性樹脂の融点との差が３０〜９０℃であることを特徴とする炭素繊維複合材料。
【請求項１４】
前記炭素繊維および前記島相が前記海相内に均一に分散している、請求項１３に記載の炭素繊維複合材料。
【請求項１５】
前記第１の熱可塑性樹脂の屈折率が、前記第２の熱可塑性樹脂の屈折率と異なっている、請求項１３または１４に記載の炭素繊維複合材料。
【請求項１６】
前記炭素繊維を５〜６０重量％の割合で含んでいる、請求項１３〜１５のいずれかに記載の炭素繊維複合材料。
【請求項１７】
前記島相の平均直径が１０ｎｍ〜１００μｍである、請求項１３〜１６のいずれかに記載の炭素繊維複合材料。
【請求項１８】
前記島相の平均直径が１０ｎｍ〜１μｍである、請求項１７に記載の炭素繊維複合材料。
【請求項１９】
請求項１３〜１８のいずれかに記載の炭素繊維複合材料を成形してなる成形品。
【請求項２０】
溶融押出法または固化押出法により成形される、請求項１９に記載の成形品。
【請求項２１】
前記炭素繊維複合材料を成形して中間成形体を形成した後、該中間成形体をさらにプレス成型法、真空成型法、ブロー成形法または曲げ加工により成形してなる、請求項１９に記載の成形品。
【請求項２２】
前記中間成形体が、圧力０．２〜１００ＭＰａおよび温度１００〜３７０℃の条件下で熱プレスされる、請求項２１に記載の成形品。
【請求項２３】
前記中間成形体が、圧力１×１０−５〜０．０５ＭＰａおよび温度１００〜３７０℃の条件下で真空成型される、請求項２１に記載の成形品。
【請求項２４】
前記中間成形体が、空気圧０．２〜１０ＭＰａおよび温度１００〜３７０℃の条件下でブロー成形される、請求項２１に記載の成形品。
【請求項２５】
前記中間成形体が、熱可塑性樹脂材料、ガラス繊維基布または前記炭素繊維複合材料同士と積層された状態にて成形される、請求項２１〜２４のいずれかに記載の成形品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力学特性の向上が図られ後加工が容易であり押出成形に好適な炭素繊維複合材料、当該炭素繊維複合材料を用いてなる成形品、ならびに当該炭素繊維複合材料および当該成形品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術においては、炭素繊維に液状の熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグを準備し、これを高温高圧化でオートクレーブ処理することで、炭素繊維複合材料を得ていた。しかしながら、プリプレグを低温下で保管するための低温設備や、オートクレーブのための高温設備などの高価な設備が必要となり、これらの設備を有することが大きな負担となっていた。【０００３】
そこで、従来の熱硬化性樹脂の代わりに取り扱いやすい熱可塑性樹脂を用いる方法として、特許文献１には、連続した炭素繊維束のまわりに熱可塑性樹脂が被覆されてなる成形用材料で、成形材料が５０ｍｍ以下に切断されているものが開示されている。このような構成において、炭素繊維と樹脂との密着性を高めるためには、低粘度の熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。
しかしながら、低粘度樹脂は、金型内への樹脂の充填により成形を行う射出成形には適しているものの、溶融した樹脂を押出機からダイスへ流し込むことにより成形を行う押出成形においては、成形品の形状が安定せず、切削性や力学特性が不足しがちになるという問題を有しており、高粘度の熱可塑性樹脂を併用する方法が模索されていた。【０００４】
そこで、高粘度の熱可塑性樹脂を用いる方法として、特許文献２には、炭素繊維の束を低粘度の熱可塑性樹脂で被覆した後、さらに高粘度の熱可塑性樹脂で被覆するペレットの製造方法が開示されている。
しかしながら、この方法で得られたペレットを押出成形に用いる場合、低粘度の熱可塑性樹脂と高粘度の熱可塑性樹脂が完全に分離しており、樹脂内における炭素繊維の分散が不十分となるため、成形時または成形後にクラックやボイドが発生することが多く、製品として利用することは難しかった。【０００５】
そこで、特許文献３には、引揃えられた長繊維に合成樹脂を含浸させてなる長繊維強化合成樹脂ストランドまたは任意長さに切断された長繊維強化合成樹脂ペレットであって、繊維含有率の高い層と、繊維含有率の低い層によって構成されたものが開示されている。そして、このようなストランドまたはペレットにより得られる発明の効果として、長繊維が束となって引き揃えられた状態を保ったストランドまたはペレットであるため成形品の耐衝撃強度が良好であること、繊維束を含浸させるための樹脂は低粘度のものであり含浸スピードが速いこと、繊維束を含浸させるための樹脂以外に樹脂の分子量不足等の問題を補うための別の樹脂を使用した複合ストランドまたはペレットであるので高強度・高弾性の成形品が得られること、などが挙げられている。
しかしながら、このようなストランドまたはペレットを押出成形に用いる場合、長繊維が束となって収束しているので、溶融された樹脂内で炭素繊維が解繊することは出来ず、また、複雑化された形状へ成形した場合には炭素繊維が密集する状態となる。その結果、押出成形の際に長繊維によって樹脂がはじき出されるスプリングバックが起こり、目的の形状を得ることが困難となるだけでなく、炭素繊維が樹脂全体に均一に分散せず、かえって成形品のクラックやボイドの原因となるおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実開昭６０−６２９１２号公報
【特許文献２】特開２００９−２６３４８２号公報
【特許文献３】特開平６−３２０５３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明はかかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、熱可塑性樹脂および炭素繊維からなり力学特性および加工容易性に優れ押出成形に好適な炭素繊維複合材料、当該炭素繊維複合材料を用いてなる成形品、ならびに当該炭素繊維複合材料および当該成形品の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る炭素繊維複合材料およびそれを用いてなる成形品ならびにそれらの製造方法は、以下の構成を有する。【０００９】
（１）芯成分が炭素繊維からなり鞘成分が第１の熱可塑性樹脂からなる芯鞘構造を有するペレットと第２の熱可塑性樹脂とを溶融し、溶融されたペレットおよび第２の熱可塑性樹脂を所定温度にて混練する炭素繊維複合材料の製造方法において、第２の熱可塑性樹脂は、所定温度にて第１の熱可塑性樹脂よりも粘度が高く、所定温度における第１の熱可塑性樹脂の粘度が５０〜５００ｐｏｉｓｅであり、所定温度における第２の熱可塑性樹脂の粘度が１，０００〜１０，０００ｐｏｉｓｅであり、前記所定温度が前記第２の熱可塑性樹脂の融点よりも高く、前記所定温度と前記第２の熱可塑性樹脂の融点との差が３０〜９０℃であることを特徴とする炭素繊維複合材料の製造方法。
（２）所定温度において、第２の熱可塑性樹脂の粘度が第１の熱可塑性樹脂の粘度の１０〜７５０倍である、（１）の炭素繊維複合材料の製造方法。
（３）第２の熱可塑性樹脂の融点が１００〜３７０℃である、（１）または（２）の炭素繊維複合材料の製造方法。
（４）溶融されたペレットおよび第２の熱可塑性樹脂にさらに炭素繊維を加える、（１）〜（３）のいずれかに記載の炭素繊維複合材料の製造方法。
（５）炭素繊維複合材料において、炭素繊維が５〜６０重量％の割合で含まれている、（１）〜（４）のいずれかに記載の炭素繊維複合材料の製造方法。
（６）（１）〜（５）のいずれかの炭素繊維複合材料の製造方法により製造された炭素繊維複合材料を溶融し、その後成形することを特徴とする成形品の製造方法。
（７）炭素繊維複合材料を溶融押出法または固化押出法により成形する、（６）の成形品の製造方法。
（８）炭素繊維複合材料を成形して中間成形体を形成した後、当該中間成形体をさらにプレス成型法、真空成型法、ブロー成形法または曲げ加工により成形する、（６）の成形品の製造方法。
（９）中間成形体が、圧力０．２〜１００ＭＰａおよび温度１００〜３７０℃の条件下で熱プレスされる、（８）の成形品の製造方法。
（１０）中間成形体が、圧力１×１０−５〜０．０５ＭＰａおよび温度１００〜３７０℃の条件下で真空成型される、（８）の成形品の製造方法。
（１１）中間成形体が、空気圧０．２〜１０ＭＰａおよび温度１００〜３７０℃の条件下でブロー成形される、（８）の成形品の製造方法。
（１２）中間成形体が、熱可塑性樹脂材料、ガラス繊維基布または炭素繊維複合材料同士と積層された状態にて成形される、（８）〜（１１）のいずれかの成形品の製造方法。
（１３）芯成分が炭素繊維からなり鞘成分が第１の熱可塑性樹脂からなる芯鞘構造を有するペレットと第２の熱可塑性樹脂とを溶融し、溶融された前記ペレットおよび前記第２の熱可塑性樹脂を所定温度にて混練してなる炭素繊維複合材料であって、第２の熱可塑性樹脂から構成される海相内に、第１の熱可塑性樹脂から構成される島相が分散している構造を有し、第２の熱可塑性樹脂の融点＋３０℃〜第２の熱可塑性樹脂の融点＋９０℃の全温度範囲内において、前記第１の熱可塑性樹脂の粘度が５０〜５００ｐｏｉｓｅであり、前記第２の熱可塑性樹脂の粘度が１，０００〜１０，０００ｐｏｉｓｅであり、前記所定温度が前記第２の熱可塑性樹脂の融点よりも高く、前記所定温度と前記第２の熱可塑性樹脂の融点との差が３０〜９０℃であることを特徴とする炭素繊維複合材料。
（１４）前記炭素繊維および前記島相が前記海相内に均一に分散している、（１３）の炭素繊維複合材料。
（１５）第１の熱可塑性樹脂の屈折率が、第２の熱可塑性樹脂の屈折率と異なっている、（１３）または（１４）の炭素繊維複合材料。
（１６）炭素繊維を５〜６０重量％の割合で含んでいる、（１３）〜（１５）のいずれかの炭素繊維複合材料。
（１７）島相の平均直径が１０ｎｍ〜１００μｍである、（１３）〜（１６）のいずれかの炭素繊維複合材料。
（１８）島相の平均直径が１０ｎｍ〜１μｍである、（１７）の炭素繊維複合材料。
（１９）（１３）〜（１８）のいずれかの炭素繊維複合材料を成形してなる成形品。
（２０）溶融押出法または固化押出法により成形される、（１９）の成形品。
（２１）炭素繊維複合材料を成形して中間成形体を形成した後、当該中間成形体をさらにプレス成型法、真空成型法、ブロー成形法または曲げ加工により成形してなる、（１９）の成形品。
（２２）中間成形体が、圧力０．２〜１００ＭＰａおよび温度１００〜３７０℃の条件下で熱プレスされる、（２１）の成形品。
（２３）中間成形体が、圧力１×１０−５〜０．０５ＭＰａおよび温度１００〜３７０℃の条件下で真空成型される、（２１）の成形品。
（２４）中間成形体が、空気圧０．２〜１０ＭＰａおよび温度１００〜３７０℃の条件下でブロー成形される、（２１）の成形品。
（２５）中間成形体が、熱可塑性樹脂材料、ガラス繊維基布または炭素繊維複合材料同士と積層された状態にて成形される、（２１）〜（２４）のいずれかの成形品。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の炭素繊維複合材料を用いることにより、押出成形において、製品中に発生するクラックやボイドを抑えることができる。  その結果、切削加工や熱処理処理によるプレス加工や曲げ加工といった後加工が容易にできる。
また、樹脂が熱可塑性であることから、リサイクルの容易な成形品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施態様に係る炭素繊維複合材料からなるペレットを示す概略斜視図である。
【図２】図１に示すペレットの構造を説明するための部分拡大断面図であり、（ａ）は炭素繊維複合材料の構造の一例を示す模式横断面図、（ｂ）は炭素繊維複合材料の側断面を電子顕微鏡にて観察した結果の一例を示す断面観察図である。
【図３】従来の３層構造を有するペレットの一例を示す概略斜視図である。
【図４】従来の２層構造を有するペレットの一例を示す概略斜視図である。
【図５】図１のペレットの製造方法の一例を示す製造工程図である。
【図６】図１のペレットの製造方法の他の例を示す製造工程図である。
【図７】図４のペレットの製造方法の一例を示す製造工程図である。
【図８】図３のペレットの製造に用いられるダイの一例を示す概略縦断面図である。
【図９】溶融押出法によるシートの製造方法の一例を示す製造工程図である。
【図１０】溶融押出法によるパイプの製造方法の一例を示す製造工程図である。
【図１１】図１０の製造方法によって製造されたパイプの断面形状を例示する概略断面図である。
【図１２】溶融押出法による丸棒の製造方法の一例を示す製造工程図である。
【図１３】図１２の製造方法によって製造された丸棒の断面形状を例示する概略断面図である。
【図１４】溶融押出法による異形品の製造方法の一例を示す製造工程図である。
【図１５】図１４の製造方法により製造された異形品の断面形状を例示する概略断面図であり、（ａ）はＩ形異形品の断面形状を、（ｂ）はＨ形異形品の断面形状を、（ｃ）はＴ形異形品の断面形状を、それぞれ示している。
【図１６】固化押出法による成形品の製造方法の一例を示す製造工程図である。
【図１７】図１６の製造方法によって製造された成形品の断面形状を例示する概略断面図であり、（ａ）は押出ブロックの断面形状を、（ｂ）は丸棒の断面形状を、それぞれ示している。
【図１８】熱プレス成形による成形工程の第１の例を示すフロー図であり、（ａ）は材料としての炭素繊維複合材料シートを準備する工程、（ｂ）はシートを金型内で積層する工程、（ｃ）はシートが積層されてなる積層体を金型内の所定位置に投入する工程、（ｄ）は金型を閉じて熱プレスを行う工程、（ｅ）は金型を開放して成形体を取り出す工程、（ｆ）は成形体のバリ取りを行って成形品を得る工程を、それぞれ示している。
【図１９】熱プレス成形による成形工程の第２の例を示すフロー図であり、（ａ）は材料としての炭素繊維複合材料シートを準備する工程、（ｂ）はシートを金型に入れる工程、（ｃ）は金型を閉じて熱プレスを行う工程、（ｄ）は金型を開放して成形体を取り出す工程、（ｅ）は成形体のバリ取りを行って成形品を得る工程を、それぞれ示している。
【図２０】熱プレス成形による成形工程の第３の例を示すフロー図であり、（ａ）は材料としての炭素繊維複合材料シートを準備する工程、（ｂ）はシートを金型に入れる工程、（ｃ）は金型を閉じて熱プレスを行う工程、（ｄ）は金型を開放して成形体を取り出す工程、（ｅ）は成形体のバリ取りを行って成形品を得る工程を、それぞれ示している。
【図２１】熱プレス成形による成形工程の第４の例を示すフロー図であり、（ａ）は炭素繊維複合材料シートを加熱する工程、（ｂ）は加熱されたシートを金型に入れる工程、（ｃ）は金型を閉じて熱プレスを行う工程、（ｄ）は金型を開放して成形体を取り出す工程、（ｅ）は成形体のバリ取りを行って成形品を得る工程を、それぞれ示している。
【図２２】真空成形による成形工程の一例を示すフロー図であり、（ａ）は炭素繊維複合材料シートを加熱する工程、（ｂ）は加熱されたシートを金型に入れる工程、（ｃ）はシートを賦型して真空成形を行う工程、（ｄ）は成形体を金型から取り出す工程、（ｅ）は成形体のバリ取りを行って成形品を得る工程を、それぞれ示している。
【図２３】ブロー成形による成形工程の一例を示すフロー図であり、（ａ）は炭素繊維複合材料シートを用いてなるシート保持体を加熱する工程、（ｂ）は加熱されたシート保持体を金型に入れる工程、（ｃ）は金型を閉じてブロー成形を行う工程、（ｄ）は金型を開放して成形品保持体を取り出す工程、（ｅ）は保持体の取り外しおよび成形体のバリ取りを行って成形品を得る工程、（ｆ）は得られた成形品の断面図を、それぞれ示している。
【図２４】熱プレス成形による成形工程の第５の例を示すフロー図であり、（ａ）は材料として炭素繊維複合材料シートおよびガラス繊維織物を準備する工程、（ｂ）はシートおよび織物を金型内で積層する工程、（ｃ）はシートおよび織物が積層されてなる積層体を金型内の所定位置に投入する工程、（ｄ）は金型を閉じて熱プレスを行う工程、（ｅ）は金型を開放して成形体を取り出す工程、（ｆ）は成形体のバリ取りを行って成形品を得る工程を、それぞれ示している。
【図２５】熱プレス成形による成形工程の第６の例を示すフロー図であり、（ａ）は材料として炭素繊維複合材料シートおよび熱可塑性樹脂シートを準備する工程、（ｂ）はシートを金型内で積層する工程、（ｃ）はシートが積層されてなる積層体を金型内の所定位置に投入する工程、（ｄ）は金型を閉じて熱プレスを行う工程、（ｅ）は金型を開放して成形体を取り出す工程、（ｆ）は成形体のバリ取りを行って成形品を得る工程を、それぞれ示している。
【図２６】熱プレス成形による成形工程の第７の例を示すフロー図であり、（ａ）は材料としての炭素繊維複合材料シートを金型に入れる工程、（ｂ）は金型を閉じて熱プレスを行う工程、（ｃ）は金型を開放して成形体を取り出す工程、（ｄ）は成形体のバリ取りを行って成形品を得る工程を、それぞれ示している。
【図２７】成形品の二次加工の一例を示す概略斜視図であり、（ａ）は二次加工の材料となる異形押出品、（ｂ）は異形押出品を曲げ加工してなるＳ字曲げ加工品、（ｃ）は異形押出品を曲げ加工してなる四角状曲げ加工品を、それぞれ示している。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を詳細に説明する。
【００１３】
本発明における炭素繊維複合材料の製造方法は、芯成分が炭素繊維からなり鞘成分が第１の熱可塑性樹脂からなる芯鞘構造を有するペレットと第２の熱可塑性樹脂とを溶融し、溶融されたペレットおよび第２の熱可塑性樹脂を所定温度にて混練する炭素繊維複合材料の製造方法において、第２の熱可塑性樹脂は、所定温度にて第１の熱可塑性樹脂よりも粘度が高いことを特徴とする方法からなる。
【００１４】
また、本発明は、上記製造方法によって製造された炭素繊維複合材料も提供する。すなわち、本発明における炭素繊維複合材料は、芯成分が炭素繊維からなり鞘成分が第１の熱可塑性樹脂からなる芯鞘構造を有するペレットと第２の熱可塑性樹脂とを溶融し、溶融された前記ペレットおよび前記第２の熱可塑性樹脂を所定温度にて混練してなる炭素繊維複合材料であって、第２の熱可塑性樹脂から構成される海相内に、第１の熱可塑性樹脂から構成される島相が分散している構造を有し、第２の熱可塑性樹脂の融点＋３０℃〜第２の熱可塑性樹脂の融点＋９０℃の全温度範囲内において、前記第１の熱可塑性樹脂の粘度が５０〜５００ｐｏｉｓｅであり、前記第２の熱可塑性樹脂の粘度が１，０００〜１０，０００ｐｏｉｓｅであり、前記所定温度が前記第２の熱可塑性樹脂の融点よりも高く、前記所定温度と前記第２の熱可塑性樹脂の融点との差が３０〜９０℃であることを特徴とするものからなる。なお、このような炭素繊維複合材料は、ハイブリッド炭素繊維複合樹脂またはハイブリッドアロイ炭素繊維複合樹脂と呼ばれることもある。とくに、島相の平均直径（後述）が１μｍ以下のものは、ナノアロイ（登録商標）と類似の優れた特性を有しており、ハイブリッドナノアロイ炭素繊維複合樹脂と呼ばれることもある。
【００１５】
成形の材料として用いられる炭素繊維複合材料においては、炭素繊維と樹脂との親和性、すなわち密着性が高いことが、成形時に最も重要なポイントとなる。また、一般的に、熱可塑性樹脂においては、粘度が低いほど炭素繊維との密着性が高くなる。そこで、例えば、炭素繊維と低粘度の樹脂とからなるペレット用いて炭素繊維複合材料を製造することも考えられる。しかしながら、炭素繊維複合材料の樹脂として粘度の低い樹脂のみを用いると、成形時に樹脂が炭素繊維の配向に追従してしまうため、炭素繊維が樹脂を撥ねのけるスプリングバックや、クラック、ボイドなどの不具合が発生するおそれがあり、目的の成形品を得ることが難しい。これに対し、上記炭素繊維複合材料の製造方法により製造された炭素繊維複合材料によれば、相対的に粘度の低い第１の熱可塑性樹脂で炭素繊維を包むことにより炭素繊維と樹脂との親和性を確保しつつ、相対的に粘度の高い第２の熱可塑性樹脂で第１の熱可塑性樹脂を覆うことによってスプリングバックやクラック、ボイドなどの不具合を抑制することができ、目的の成形品を得ることができるようになる。しかも、従来技術における炭素繊維複合材料と異なり、炭素繊維、第１の熱可塑性樹脂および第２の熱可塑性樹脂がいずれも均一に分散しているので、剛性の高い成形品を得ることができる。
【００１６】
上記第１の熱可塑性樹脂の屈折率は、第２の熱可塑性樹脂の屈折率と異なっていることが好ましい。
【００１７】
炭素繊維と樹脂との親和性の確保の観点から、上記炭素繊維複合材料に含まれる炭素繊維のうち５０重量％以上が島相内に存在することが好ましい。また、島相内に存在する炭素繊維の割合は７０重量％以上であることがより好ましく、９０重量％以上であることがさらに好ましい。
【００１８】
本発明における炭素繊維の繊維径は、０．５〜２０μｍが好ましく、５〜１５μｍがより好ましい。繊維径が太すぎると、成形品の熱曲げ加工の際に反発が強くなり、ねじれや凸凹が生じるおそれがある。また、繊維径が細いと、成形品の機械強度が低下するおそれがある。
【００１９】
上記炭素繊維複合材料において、炭素繊維が含まれている割合は５〜６０重量％であることが好ましく、さらに１５〜５０重量％であることが好ましく、さらに２０〜４０重量％であることが好ましい。
【００２０】
上述の所定温度は、第２の熱可塑性樹脂の融点（第２の熱可塑性樹脂が非晶性である場合は、ガラス転移点）よりも高い。また、所定温度と第２の熱可塑性樹脂の融点との差は、３０〜９０℃であることが好ましく、４０〜９０℃であることがより好ましい。
【００２１】
なお、第１の熱可塑性樹脂の融点は、１００〜３７０℃であることが好ましい。また、第２の熱可塑性樹脂の融点は、１００〜３７０℃であることが好ましい。
【００２２】
第２の熱可塑性樹脂の粘度は、上記所定温度において、第１の熱可塑性樹脂の粘度に対し１０〜７５０倍であることが好ましく、２０〜５００倍であることがより好ましく、５０〜２００倍であることがさらに好ましい。
【００２３】
また、上記所定温度においては、第１の熱可塑性樹脂の粘度が５０〜５００ｐｏｉｓｅであり、第２の熱可塑性樹脂の粘度が１，０００〜１０，０００ｐｏｉｓｅである。さらに、上記所定温度において、第１の熱可塑性樹脂の粘度が１００〜３００ｐｏｉｓｅであり、第２の熱可塑性樹脂の粘度が１，５００ｐｏｉｓｅ〜５０００ｐｏｉｓｅであることがより好ましい。
【００２４】
なお、第１の熱可塑性樹脂と第２の熱可塑性樹脂は、樹脂成分が同じであってもよいし、異なっていてもよい。例えば、成分が同じで重合度および粘度が異なる２種類の樹脂のうち、粘度が相対的に低い方の樹脂を第１の熱可塑性樹脂、粘度が相対的に高い方の樹脂を第２の熱可塑性樹脂として用いることもできる。
【００２５】
炭素繊維複合材料の製造に用いられる熱可塑性樹脂は、ポリオレフィン（例えばポリエチレン、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリブチレン、ポリスチレン）でもよく、またはポリアミド（例えばナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１１、ナイロン１２、ナイロン６１０、芳香族ナイロン）でもよく、またはポリイミド、ポリアミドイミド、またはポリカーボネート、またはポリエステル（例えばポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリプロピレンテレフタレート）でもよく、またはポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリスルフォキサイド、またはポリテトラフルオロエチレン、アクロニトリルブタジエンスチレン共重合体（ＡＢＳ）、ポリアセタール、ポリエーテル、ポリエーテル・エーテル・ケトン、ポリオキシメチレンでもよい。また、上記熱可塑性樹脂の誘導体や、上記熱可塑性樹脂の共重合体、さらにそれらの混合物でもよい。
【００２６】
上記熱可塑性樹脂としてはポリアミドが好ましく、ナイロン６、ナイロン６６、それらの誘導体もしくは共重合体、または上記のいずれかを含む混合物がより好ましく、ナイロン６、ナイロン６６がさらに好ましい。
また、上記熱可塑性樹脂としてはポリオレフィンも好ましく、ポリエチレン、ポリプロピレン、それらの誘導体もしくは共重合体、または上記のいずれかを含む混合物がより好ましく、ポリエチレン、ポリプロピレンがさらに好ましい。
さらに、アクロニトリルブタジエンスチレン共重合体、その誘導体もしくは共重合体、または上記のいずれかを含む混合物も好ましい。
さらに、ポリフェニレンサルファイド、その誘導体もしくは共重合体、または上記のいずれかを含む混合物も好ましい。
【００２７】
上記島相の平均直径は１０ｎｍ〜５００μｍであることが好ましい。なお、島相の平均直径とは、炭素繊維複合材料の断面において、各島相を同一面積の真円に換算したときの直径の平均値を指す。島相の平均直径が１μｍ以上のハイブリッドアロイ炭素繊維複合樹脂の場合、平均直径は１μｍ〜５００μｍであることが好ましく、１μｍ〜１００μｍであることがより好ましい。また、島相の平均直径が１μｍ未満のハイブリッドナノアロイ炭素繊維複合樹脂の場合、平均直径は１０ｎｍ〜１μｍであることが好ましく、５０ｎｍ〜１μｍであることがより好ましく、１５０ｎｍ〜１μｍであることがさらに好ましい。
【００２８】
なお、混練においては、一軸や二軸の押出機を用いることが好ましい。また、当該押出機のシリンダー後半部に真空ベントが設けられていることが好ましく、当該押出機の先端にギアポンプが備えられていることがより好ましい。
【００２９】
上記炭素繊維複合材料の製造方法においては、溶融されたペレットおよび第２の熱可塑性樹脂に、さらに炭素繊維を加えることもできる。これにより、炭素繊維複合材料における炭素繊維の含有率を高め、強度を向上させることができる。炭素繊維を加える方法としては、例えば、炭素繊維ロービングから引き出された炭素繊維フィラメントを直接押出機に供給する方法や、適度な長さにカットされた炭素繊維を押出機に供給する方法などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００３０】
上記炭素繊維複合材料は成形用途に適している。すなわち、上記炭素繊維複合材料を溶融し、その後成形することにより、力学強度および加工容易性に優れた成形品を得ることができる。特に、炭素繊維および熱可塑性樹脂からなる上記炭素繊維複合材料は、従来技術ではスプリングバックなどの不具合を抑えることが難しかった押出成形に適しており、溶融押出法、固化押出法のどちらも好適に利用できる。また、上記炭素繊維複合材料は、従来の射出成形にも好適に用いることができる。
【００３１】
成形方法はとくに限定されず、例えば、特開平４−１５２１２２号公報に記載されているマンドレルの製造方法および樹脂マンドレルの押出成形装置、特開２００１−３１５１９３号公報に記載されている溶融押出の合成樹脂のパイプの製造方法、特開２０００−３１３０５２号公報に記載されている固化押出成形製法およびその製造装置、特開２００８−２４６８６５号公報に記載されている偏肉樹脂シートの製造方法および装置などの公知の手段を用いて、上記炭素繊維複合材料からなる成形品を得ることができる。また、成形品の形状については、例えば、加熱、冷却、減圧（真空減圧）、断熱などをダイス周りで行うことによって目的の形状に整えることができる。
【００３２】
さらに、上記の成型方法で得られた炭素繊維複合材料からなる成形品に、さらに二次加工を施し、目的の形状に再成形することも可能である。二次加工の方法としては、例えば、異材積層、同材積層、型内加熱、型外加熱、型内冷却、型外冷却、型内加圧、型外加圧、型内減圧（真空減圧）、型外減圧、型内熱曲げ加工、型外熱曲げ加工、延伸、断熱などが挙げられ、これらの方法を組み合わせて実施することもできる。
【００３３】
なお、上記成形においては、炭素繊維複合材料からなるペレットに、さらに他のペレットを混練させて成形することもできる。
【００３４】
上記炭素繊維複合材料には、上述のペレットや樹脂、炭素繊維以外のものが含まれていてもよい。例えば、炭素繊維の束の収束や表面処理のための熱硬化性樹脂が１〜１０重量％含まれていてもよい。また、アミノシラン、エポキシシラン、アミドシラン、アジドシラン、アクリルシランのようなシランカップリング剤や、チタネート系カップリング剤、またはこれらの混合物が含まれていてもよい。
【００３５】
なお、芯鞘構造を有するペレットの製造方法としては、公知の方法を用いることができる。例えば、樹脂含浸用ロールを備えた含浸ダイを設置し、押出機で溶融された第１の熱可塑性樹脂を含浸ダイの樹脂槽内に溜める。開繊されたロービング状の炭素繊維を含浸ダイの樹脂槽内に導入し、炭素繊維ロービングの表面を第１の熱可塑性樹脂で被覆しつつ、含浸ローラーで炭素繊維ロービングを挟むことにより第１の樹脂を炭素繊維ロービングに含浸させる。この際、炭素繊維ロービングの搬送は、樹脂槽の下流に位置するフィードローラが炭素繊維ロービングを引っ張ることにより行われる。下流に搬送された炭素繊維ロービングは、ダイによって樹脂量が調整され断面形状が整えられた後に、カッターを有する切断装置に送り込まれる。そして、この第１の熱可塑性樹脂に覆われた炭素繊維ロービングを切断装置のカッターによって切断することにより、炭素繊維からなる芯が第１の熱可塑性樹脂によって覆われた芯鞘構造を有するペレットを得ることができる。また、この方法で得られた芯鞘構造を有するペレットに第２の熱可塑性樹脂からなるペレットを添加し、これらのペレットを二軸の押出機により混練し、ダイによって樹脂量を調整し断面形状を整えた後に、カッターを有する切断装置に送り込んで切断することにより、上記炭素繊維複合材料からなるペレットを製造することができる。
【００３６】
熱可塑性樹脂には、その特性を大きく損なわない限りにおいて、添加剤が添加されていてもよい。例えば、ヒンダードフェノール類、リン化合物、ヒンダードアミン類、イオウ化合物、銅化合物、アルカリ金属のハロゲン化物またはこれらの混合物が、熱安定剤、酸化防止剤、強化材、顔料、着色防止剤、耐候剤、難燃剤、可塑剤、結晶核剤、離型剤などの添加剤として添加されていてもよい。
【００３７】
なお、上記成形においては、成形工程を複数回実施してもよい。例えば、上述の成形方法として、炭素繊維複合材料を一旦成形して中間成形体を形成した後、得られた中間成形体をさらにプレス成形法、真空成形法またはブロー成形法により成形して成形品を製造する方法を採用することができる。また、中間成形体を成形する際に、複数の成形方法を組み合わせて実施してもよい。
【００３８】
成形工程において、金型や炭素繊維複合材料を加熱する方法はとくに限定されず、電気ヒーター、ガスオーブン、誘電コイル、高圧蒸気などの公知の加熱手段を適宜用いることができる。
【００３９】
成形品周りにできるバリについては、金型の嵌合時に同時に切り取ってもよいし、別工程でトムソン打ち抜きにより抜き取ってもよい。また、金型より小さなサイズの炭素繊維複合材料シートを用いて金型内に完全充填させることにより、バリの発生そのものを抑えることもできる。
【００４０】
上記成形において、炭素繊維複合材料は積層させて用いることもでき、炭素繊維複合材料とは異なる他の材料と組み合わせて用いることも可能である。例えば、複数の炭素繊維複合材料同士を積層させてなる積層体を用いて成形を行ってもよいし、単独または複数の炭素繊維複合材料を、単独または複数の他の材料と積層させて積層体を構成し、成形を行ってもよい。積層可能な他の材料としては、例えば、金属、ガラスやＰＴＦＥ、ポリエステル、ポリアミドなど熱可塑性樹脂からなる繊維、ポリウレタンなどの熱硬化性樹脂からなる基布、不織布、またはシート、さらに熱硬化型のＣＦＲＰのシートやテープなどが挙げられ、２種類以上の材料を組み合わせて用いることもできる。また、このような他の材料は積層体内のいずれの層に配置されていてもよく、積層体の上端および／または下端に積層されていてもよい。
【００４１】
また、あらかじめ炭素繊維複合材料に光沢系の金属粉、鉱物、岩石、砂類が混合されていてもよい。
【００４２】
なお、炭素繊維複合材料を積層させて用いる場合、炭素繊維の配向状態を考慮して、炭素繊維の配向方向が９０°交差するように炭素繊維複合材料が積層されることが好ましい。このように炭素繊維の配向方向を調整することで、成形体の物性を向上させることができる。
【００４３】
また、積層体のそれぞれの層は、単一の略シート状の炭素繊維複合材料で構成されていてもよいし、複数の炭素繊維複合材料の組み合わせによって構成されていてもよい。例えば、複数の帯状の炭素繊維複合材料を幅方向に並べて一つの層を形成したり、複数の帯状の炭素繊維複合材料を格子状に組み合わせて層を形成したりすることも可能である。とくに、複数の帯状の炭素繊維複合材料が幅方向に並べられてなる層を、炭素繊維複合材料の配列方向を９０°交差させつつ積層することが好ましい。このような構成を採用することで、より広い面積を確保しつつ、上下に厚くすることができる。
【００４４】
さらに、事前に加熱された上下の平板の金型で挟み０．２ＭＰａ〜１００ＭＰａの圧力をかけることで、一枚で厚物の広幅長尺のシート化にすることもできる。
【００４５】
上述のプレス成形法を用いて炭素繊維複合材料の成形を行う場合、例えば熱プレス加工を実施する場合は、圧力は０．２〜１００ＭＰａが好ましく、１〜５０ＭＰａがさらに好ましい。
【００４６】
また、熱プレスの温度は１００〜３７０℃であることが好ましい。より詳しくは、炭素繊維複合材料に含まれる熱可塑性樹脂の融点を基準として、金型温度が−１０〜９０℃の範囲内にあることが好ましく、０〜５０℃の範囲内にあることがより好ましい。
【００４７】
熱プレス成形の方法は特に限定されないが、一例としては、以下の方法を挙げることができる。まず、一個または複数個の炭素繊維複合材料を上記温度で加熱して溶融した後、これを金型に入れ、金型を閉じて密閉状態とする。そして、金型の温度が炭素繊維複合材料の融点以下である状態で、上記圧力にて加圧し、金型を開いて成形品を取り出す。
【００４８】
熱プレス成形の別の方法としては、一個または複数個の炭素繊維複合材料を、金型温度が炭素繊維複合材料の融点以下に調整された金型に入れ、金型を閉じる。続いて、金型の温度を上記温度まで加熱して炭素繊維複合材料を溶融状態とし、上記圧力にて加圧する。この時、金型は密閉状態となっている。その後、放冷や水冷などによって金型を冷却し、金型内の炭素繊維複合材料が固化した後、金型を開いて成形品を取り出す。
【００４９】
熱プレス成形のさらに別の方法としては、一個または複数個の炭素繊維複合材料を上記温度で加熱して半溶融状態とし、これを金型に入れる。このとき、炭素繊維複合材料は、表面のみが半溶融状態となっていることが好ましい。続いて金型を閉じるが、完全には密閉せず、金型を開放状態としておく。そして、金型の温度が炭素繊維複合材料の融点以下である状態で、上記圧力にて加圧した後、金型を開いて成形品を取り出す。
【００５０】
このような熱プレス成形を行う場合、炭素繊維複合材料の形状はシート状であることが好ましい。シートの厚みは０．１〜３ｍｍが好ましく、０．５〜２ｍｍがより好ましく、１．０〜１．５ｍｍがさらに好ましい。
【００５１】
また、金型が凸金型およびそれに対応する凹金型からなる場合、金型の配置についてはとくに制限はない。例えば、上型が凸金型であり下型がそれに対応する凹金型であってもよいし、その逆であってもよい。
【００５２】
上述の真空成形法を用いて炭素繊維複合材料の成形を行う場合、圧力は１×１０−５〜０．０５ＭＰａが好ましく、０．５×１０−４〜０．０５ＭＰａがより好ましく、０．５×１０−４〜１×１０−３ＭＰａがさらに好ましい。
【００５３】
また、真空成形時の温度は１００〜３７０℃であることが好ましい。より詳しくは、炭素繊維複合材料に含まれる熱可塑性樹脂の融点を基準として、温度が−１０〜９０℃の範囲内であることが好ましく、０〜５０℃の範囲内であることがより好ましい。
【００５４】
真空成形の方法はとくに限定されないが、一例としては、以下の方法を挙げることができる。まず、一個または複数個の炭素繊維複合材料を上記温度にて加熱して溶融状態とし、これを金型に入れて金型を閉じる。そして、金型の温度が炭素繊維複合材料の融点以下である状態で、上記圧力にて減圧を行った後、金型を開いて成形品を取り出す。このとき、減圧は上型側または下型側のいずれか一方で行ってもよいし、上型側および下型側の両方にて同時に行ってもよい。
【００５５】
真空成形の別の方法としては、一個または複数個の炭素繊維複合材料を上記温度にて加熱して溶融状態とし、これを金型に入れる。そして、金型の下型を上昇させた後、下型側から上記圧力にて吸引を行い、金型を開いて成形品を取り出す。
【００５６】
真空成形のさらに別の方法としては、一個または複数個の炭素繊維複合材料を上記温度にて加熱して溶融状態とし、これを金型に入れる。そして、金型の上型を上昇させた後、上型側から上記圧力にて吸引を行い、金型を開いて成形品を取り出す。
【００５７】
このような真空成形を行う場合、炭素繊維複合材料を加熱した後、金型による成形を行う前に、下方からエアーを吹き付けたり、圧縮空気を用いたりして成形の均一化を図ることもできる。このとき、炭素繊維複合材料の形状はシート状であることが好ましい。なお、圧縮空気を用いる場合、圧力は０．１〜１０ＭＰａであることが好ましく、炭素繊維複合材料が破れないように圧力を調整することが好ましい。
【００５８】
上述のブロー成形法を用いて炭素繊維複合材料の成形を行う場合、ブロー圧力は０．２〜１０ＭＰａが好ましく、０．５〜２ＭＰａがより好ましい。
【００５９】
また、ブロー成形時の温度は１００〜３７０℃であることが好ましい。より詳しくは、炭素繊維複合材料に含まれる熱可塑性樹脂の融点を基準として、温度が−１０〜９０℃の範囲内にあることが好ましく、０〜５０℃の範囲内にあることがより好ましい。
【００６０】
真空成形の方法はとくに限定されないが、一例としては、以下の方法を挙げることができる。まず、炭素繊維複合材料からなる一枚または複数枚のシートを上記温度にて加熱し、半溶融状態とした後、ブローを行ってシートを広げる。このとき、シートは表面のみが半溶融状態となっていることが好ましい。続いて、半溶融状態のシートを金型へ入れ、金型を閉じてブローを行う。このとき、金型は密閉状態である。そして、金型の温度が炭素繊維複合材料の融点以下である状態で、上記圧力にて加圧した後、金型を開いて成形品を取り出す。
【００６１】
曲げ加工の方法はとくに限定されないが、一例としては、以下の方法を挙げることができる。まず、一個または複数個の炭素繊維複合材料からなるＩ形異形押出品を１００〜３７０℃で加熱し、半溶融状態とした後、型に沿わせて固定し、オーブン内でさらに１００〜３７０℃で加熱する。そして、室温まで冷却した後、型から取り外して成形品を取り出す。
なお、曲げにくいときには、曲げる部分などを局部的に有機溶剤などを用いて柔らかくしてから加熱し、曲げ加工を行うこともできる。
【００６２】
次に、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。なお、各実施例および比較例において、使用した材料および破壊強度の測定方法は以下の通りである。
【００６３】
（１）使用した材料
（Ａ）炭素繊維ロービング／フィラメント
繊維径７μｍ、番手２００ｔｅｘ、巻き長３０，０００ｍの炭素繊維フィラメントを準備する。このフィラメントを５本合糸し、ポリウレタンの収束剤を２重量％付与して、平坦な帯状の炭素繊維ロービングを用意する。
（Ｂ）第１の熱可塑性樹脂
Ｂ１：ナイロン６（融点：２２５℃、２７５℃における粘度：１００ｐｏｉｓｅ）
Ｂ２：ナイロン６６（融点：２５５℃、３０５℃における粘度：２５０ｐｏｉｓｅ）
Ｂ３：ＰＰ（融点：１７０℃、２２０℃における粘度：７０ｐｏｉｓｅ）
Ｂ４：ＡＢＳ（ガラス転移点（軟化点）：１９０℃、２４０℃における粘度：１２０ｐｏｉｓｅ）
Ｂ５：ＰＰＳ（融点：２８５℃、３３５℃における粘度：２６０ｐｏｉｓｅ）
（Ｃ）第２の熱可塑性樹脂
Ｃ１：ナイロン６（融点：２２５℃、２７５℃における粘度：１，１００ｐｏｉｓｅ）
Ｃ２：ナイロン６６（融点：２５５℃、３０５℃における粘度：５，５００ｐｏｉｓｅ）
Ｃ３：ＰＰ（融点：１７０℃、２２０℃における粘度：１，７７０ｐｏｉｓｅ）
Ｃ４：ＡＢＳ（軟化点：１９０℃、２４０℃における粘度：２，５２０ｐｏｉｓｅ）
Ｃ５：ＰＰＳ（融点：２５５℃、３３５℃における粘度：８，０６０ｐｏｉｓｅ）
【００６４】
（２）破壊強度の測定方法
破壊強度（曲げ強度および曲げ弾性率）の測定にあたっては、ＪＩＳ規格Ｋ７１６１に準じてテンシロン引っ張り試験機（ＲＴＦ−１３６０）を使用した。
【００６５】
［実施例１］
以下、各実施例および比較例における試験条件は、特に記載しない限り、基本的に実施例１に準じるものとする。
図７は、炭素繊維からなる芯が熱可塑性樹脂によって覆われた芯鞘構造を有するペレットの従来技術における製造方法を示している。図７の製造方法において、平坦な帯状の炭素繊維ロービング４６を解繊装置５０を介して押出機６０に送出するとともに、ナイロン６からなる第１の熱可塑性樹脂Ｂ１を押出機６０に投入し、溶融された第１の熱可塑性樹脂６１（Ｂ１）をダイ５１を通して温度２７５℃で炭素繊維ロービングへ吐出することにより、炭素繊維ロービング４６の表面を樹脂Ｂ１で被覆する。ダイ５１から引き出された炭素繊維ロービング４６は、シゴキバー５２を通されて樹脂Ｂ１の炭素繊維への含浸度が高められた後、収束賦型部５３にて形状を整えられ、冷却部５４にて冷却される。そして、表面が樹脂Ｂ１で被覆された炭素繊維ロービング４６をトップローラ５５およびボトムローラ５６によって引き取りつつ、回転刃５８と固定刃６２とを備えたストランドカッター５７にてカットすることにより、図４に示すように、炭素繊維からなる芯がナイロン６によって覆われた芯鞘構造を有するペレット６（図７におけるペレット５９）を得る。なお、得られたペレット６中の炭素繊維の含有率は３０％である。
この芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレット６を図５に示すペレット供給装置４２に投入し、ペレット供給経路Ｐ１より供給口３０を通して押出機２２内へ当該ペレットを供給する。また、第２の熱可塑性樹脂Ｃ１からなるペレットをペレット供給装置４３に投入し、ペレット供給経路Ｐ２より供給口３０を通して押出機２２内へ当該ペレットを供給する。この第２の熱可塑性樹脂Ｃ１はナイロン６からなり、上記Ｂ１と比べて粘度が高い。これらのペレットを、モーター２０および変速機２１を備えた押出機２２内において温度２７５℃にて混練し、ベント２９で脱気し、ギアポンプ２３で計量しながらダイス２６に流し込むことにより、ガット２８を得る。そして、得られたガット２８を冷却部２４にて冷却した後、ストランドカッター２７にてカットし、ナイロン６からなるハイブリッドペレット１（炭素繊維複合材料からなるペレット）を得る。このナイロン６からなるハイブリッドペレット１中の炭素繊維の含有率は１５重量％である。
このハイブリッドペレットを用いて射出成形し、測定幅１０±０．５ｍｍ、測定長さ８０±２ｍｍのダンベル片を作製した。得られたダンベル片の曲げ強度は２５０ＭＰａ、曲げ弾性率は１０．２ＧＰａであった。
【００６６】
実施例１に記載の方法により製造された炭素繊維複合材料からなるペレット１の構造を図１および図２に示す。図１は、本発明の一実施態様に係るハイブリッドペレット１（炭素繊維複合材料からなるペレット）を示す概略斜視図である。また、図２は、ハイブリッドペレット１の構造を説明するための部分拡大断面図であり、（ａ）はハイブリッドペレット１の断面１ａの状態を示す模式横断面図、（ｂ）は実施例１の方法により製造されたハイブリッドペレット１の側断面１ｂを電子顕微鏡にて観察した結果を示す断面観察図である。なお、図２（ｂ）においては、炭素繊維２および島相３の識別を容易化すべく、黒色で表されている炭素繊維２の周囲を細い白線で縁取りするとともに、第１の熱可塑性樹脂から構成される島相３を太い白線で囲んで表示している。図２に示す通り、ハイブリッドペレット１は、第２の熱可塑性樹脂から構成される海相４内に、第１の熱可塑性樹脂から構成される島相３が分散している構造を有しており、炭素繊維２および島相３はハイブリッドペレット１内に均一に分散している。このような炭素繊維複合材料によれば、炭素繊維や熱可塑性樹脂の偏在に起因する不具合（例えば、スプリングバックやボイド）が未然に防止されるため、射出成形だけでなく押出成形においても、表面状態が良好で剛性に優れた成形品を得ることができる。
【００６７】
実施例１に記載の方法において用いたペレット６の構造を図４に示す。図４において、炭素繊維含有樹脂からなるペレット６は、炭素繊維２からなる芯が熱可塑性樹脂３（実施例１においては、ナイロン６からなる第１の熱可塑性樹脂Ｂ１）により覆われている芯鞘構造を有している。なお、芯鞘構造を有するペレットの構成は上記のみに限定されるものではなく、種々のペレットを適宜利用することができる。例えば、図３に示すように、炭素繊維２からなる芯が熱可塑性樹脂３に覆われ、さらにその外側が熱可塑性樹脂３よりも粘度の高い熱可塑性樹脂４（例えば、ナイロン６からなる第２の熱可塑性樹脂Ｂ２）により覆われているペレット５を、炭素繊維複合材料の原料として用いることも可能である。
【００６８】
［実施例２］
図７に示す製造方法において、ナイロン６６からなる第１の熱可塑性樹脂Ｂ２を押出機６０から平坦な帯状の炭素繊維ロービングへ温度３０５℃で吐出し、炭素繊維からなる芯がナイロン６６によって覆われた芯鞘構造を有する芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレット６を得る。得られた芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレット６中の炭素繊維の含有率は４０重量％である。
このナイロン６６からなる芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレット６を図５に示すペレット供給装置４２に投入するとともに、第２の熱可塑性樹脂Ｃ２からなるペレットをペレット供給装置４３に投入する。この第２の熱可塑性樹脂Ｃ２はナイロン６６からなり、上記Ｂ２と比べて粘度が高い。これらのペレットを温度３０５℃にて混練し、図５に示す製造方法により、ナイロン６６からなるハイブリッドペレット１を得る。このナイロン６６からなるハイブリッドペレット１中の炭素繊維の含有率は２０重量％である。
【００６９】
［実施例３］
図７に示す製造方法において、ＰＰからなる第１の熱可塑性樹脂Ｂ３を押出機６０から平坦な帯状の炭素繊維ロービングへ温度２２０℃で吐出し、炭素繊維からなる芯がＰＰによって覆われた芯鞘構造を有する芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレット６を得る。得られた芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレット６中の炭素繊維の含有率は２０重量％である。
このＰＰからなる芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレット６を図５に示すペレット供給装置４２に投入するとともに、第２の熱可塑性樹脂Ｃ３からなるペレットをペレット供給装置４３に投入する。この第２の熱可塑性樹脂Ｃ３はＰＰからなり、上記Ｂ３と比べて粘度が高い。これらのペレットを温度２２０℃にて混練し、図５に示す製造方法により、ＰＰからなるハイブリッドペレット１を得る。このＰＰからなるハイブリッドペレット１中の炭素繊維の含有率は１５重量％である。
【００７０】
［実施例４］
図７に示す製造方法において、ＡＢＳからなる第１の熱可塑性樹脂Ｂ４を押出機６０から平坦な帯状の炭素繊維ロービングへ温度２４０℃で吐出し、炭素繊維からなる芯がＡＢＳによって覆われた芯鞘構造を有する芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレット６を得る。得られた芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレット６中の炭素繊維の含有率は２５重量％である。
このＡＢＳからなる芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレット６を図５に示すペレット供給装置４２に投入するとともに、第２の熱可塑性樹脂Ｃ４からなるペレットをペレット供給装置４３に投入する。この第２の熱可塑性樹脂Ｃ４はＡＢＳからなり、上記Ｂ４と比べて粘度が高い。これらを温度２４０℃にて混練し、図５に示す製造方法により、ＡＢＳからなるハイブリッドペレット１を得る。このＡＢＳからなるハイブリッドペレット１中の炭素繊維の含有率は１５重量％である。
【００７１】
［実施例５］
図７に示す製造方法において、ＰＰＳからなる第１の熱可塑性樹脂Ｂ５を押出機６０から平坦な帯状の炭素繊維ロービングへ温度３３５℃で吐出し、炭素繊維からなる芯がＰＰＳによって覆われた芯鞘構造を有する芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレット６を得る。得られた芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレット６中の炭素繊維の含有率は３０重量％である。
このＰＰＳからなる芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレット６を図５に示すペレット供給装置４２に投入するとともに、第２の熱可塑性樹脂Ｃ５からなるペレットをペレット供給装置４３に投入する。この第２の熱可塑性樹脂Ｃ５はＰＰＳからなり、上記Ｂ５と比べて粘度が高い。これらのペレットを温度３３５℃にて混練し、図５に示す製造方法により、ＰＰＳからなるハイブリッドペレット１を得る。このＰＰＳからなるハイブリッドペレット１の炭素繊維の含有率は２０重量％である。
【００７２】
［実施例６］
図７に示す製造方法において、ナイロン６からなる第１の熱可塑性樹脂Ｂ１を押出機６０から平坦な帯状の炭素繊維ロービングへ温度２７５℃で吐出し、炭素繊維からなる芯がナイロン６によって覆われた芯鞘構造を有する芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレットを得る。得られた芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレット６中の炭素繊維の含有率は３０重量％である。
このナイロン６からなる芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレット６を図５に示すペレット供給装置４２に投入し、ペレット供給経路Ｐ１より供給口３０を通じて押出機２２へ当該ペレットを供給する。また、第２の熱可塑性樹脂Ｃ１からなるペレットをペレット供給装置４３に投入し、ペレット供給経路Ｐ２の代わりに、ペレット供給経路Ｐ３よりサイドフィーダー２５を通して押出機２２へ当該ペレットを供給する。これらのペレットを温度２７０℃にて混練し、図５に示す製造方法により、ナイロン６からなるハイブリッドペレット１を得る。このナイロン６からなるハイブリッドペレット１中の炭素繊維の含有率は２０重量％である。
【００７３】
［実施例７］
図７に示す製造方法において、ナイロン６からなる第１の熱可塑性樹脂Ｂ１を押出機６０から平坦な帯状の炭素繊維ロービングへ温度２７５℃で吐出し、炭素繊維からなる芯がナイロン６によって覆われた芯鞘構造を有する芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレット６を得る。得られた芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレット６中の炭素繊維の含有率は３０重量％である。
このナイロン６の芯鞘型の炭素繊維樹脂ペレット６を図５に示すペレット供給装置４２に投入し、ペレット供給経路Ｐ１から供給口３０を通して押出機２２内へ当該ペレットを供給する。また、第２の熱可塑性樹脂Ｃ１からなるペレットをペレット供給装置４３に投入し、ペレット供給経路Ｐ２の代わりに、ペレット供給経路Ｐ３からサイドフィーダー２５を通して押出機２２内へ当該ペレットを供給する。そして、これらのペレットを温度２７５℃にて混練し、図５に示す製造方法により、ナイロン６からなるハイブリッドペレット１を得る。このナイロン６からなるハイブリッドペレット１中の炭素繊維の含有率は２０重量％である。
【００７４】
［実施例８］
図７に示す製造方法において、ナイロン６からなる第１の熱可塑性樹脂Ｂ１を押出機６０から平坦な帯状の炭素繊維ロービングへ温度２７５℃で吐出し、炭素繊維からなる芯がナイロン６によって覆われた芯鞘構造を有する芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレット６を得る。得られた芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレット６中の炭素繊維の含有率は３０重量％である。
このナイロン６からなる芯鞘型の炭素繊維樹脂ペレット６を図５に示すペレット供給装置４２に投入し、ペレット供給経路Ｐ１から供給口３０を通して押出機２２内へ当該ペレットを供給する。また、第２の熱可塑性樹脂Ｃ２からなるペレットをペレット供給装置４３に投入し、ペレット供給経路Ｐ２の代わりに、ペレット供給経路Ｐ３からサイドフィーダー２５を通して押出機２２内へ当該ペレットを供給する。そして、これらのペレットを温度３０５℃にて混練し、図５に示す製造方法により、ナイロン６およびナイロン６６からなるハイブリッドペレット１を得る。このハイブリッドペレット１中の炭素繊維の含有率は１５重量％である。
【００７５】
［実施例９］
図７に示す製造方法において、ナイロン６からなる第１の熱可塑性樹脂Ｂ１を押出機６０から平坦な帯状の炭素繊維ロービングへ温度２７５℃で吐出し、炭素繊維からなる芯がナイロン６によって覆われた芯鞘構造を有する芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレット６を得る。芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレット６中の炭素繊維の含有率は３５重量％である。
このナイロン６からなる芯鞘型の炭素繊維樹脂ペレット６を図６に示すペレット供給装置４２に投入し、ペレット供給経路Ｐ１より供給口３０を通して押出機２２内へ当該ペレットを供給する。また、第２の熱可塑性樹脂からなるペレットをペレット供給装置４３に投入し、ペレット供給経路Ｐ２より供給口３０を通して押出機２２内へ当該ペレットを供給する。さらに、図６に示すとおり、サイドフィーダー２５の開口部を通して、平坦な帯状の炭素繊維ロービングを押出機２２内へ供給する。これらのペレットおよび炭素繊維ロービングを温度２７５℃にて混練し、図６に示す製造方法により、ナイロン６からなるハイブリッドペレット１を得る。このナイロン６からなるハイブリッドペレット１中の炭素繊維の含有率は４７重量％である。
【００７６】
［実施例１０］
上記実施例１に記載のハイブリッドペレット１を用いて、図９に示す溶融押出シートの製造装置１１１にて吐出量２００ｇ／ｍｉｎで押出成形し、幅３００ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのシートを作製した。
具体的に説明すると、図９に示す溶融押出シートの製造装置１１１において、ダイ１１２からシート状に押し出された溶融状態の樹脂材料１１４は、ヒーターロール１１６，１１８，１２０の間を通過後、ステンレスベルト１２４およびベルト用ヒーターロール１２２を備えた加熱炉１２６にて温度調節される。そして、温度調節されたシート状の樹脂材料１１４をカッター１２８にて切断することにより、溶融押出成形品としてのシート１２９が得られる。
本実施例において、得られたシート１２９の破壊強度を測定したところ、縦方向（長手方向）の曲げ強度は２３１ＭＰａ、曲げ弾性率は９．８ＧＰａであった。また、横方向（幅方向）の曲げ強度は２１２ＭＰａ、曲げ弾性率は９．２ＧＰａであった。
【００７７】
［実施例１１］
上記実施例１のハイブリッドペレット１を用いて、図１０に示す溶融押出パイプの製造装置１３０にて吐出量５０ｇ／ｍｉｎで押出成形し、内径２０ｍｍ、外径２５ｍｍのパイプを作製した。
具体的に説明すると、図１０に示す溶融押出パイプの製造装置１３０において、溶融押出パイプ用ダイ１３１から溶融状態にて押し出された樹脂材料１１４は、温度調節水入口１４１および温度調節水出口１４５に連通する冷却部１３９を有するパイプ用サイジングダイ１３５にて形状を整えられ、恒温水槽１４７にて冷却される。そして、冷却された樹脂材料１１４を引取機１４９で連続的に引き取りつつカッター１５０にて切断することにより、溶融押出パイプ１５１が得られる。
本実施例において、得られたパイプ１５１の曲げ強度は２３６ＭＰａ、曲げ弾性率は９．６ＧＰａであった。また、このパイプ１５１の断面形状を図１１に示す。
【００７８】
［実施例１２］
上記実施例１のハイブリッドペレット１を用いて、図１２に示す溶融押出中実成形品の製造装置１８０にて吐出量７０ｇ／ｍｉｎで押出成形し、外径１５ｍｍの丸棒を作製した。
具体的に説明すると、図１２に示す溶融押出中実品の製造装置１８０において、溶融押出中実品用ダイ１８５から溶融状態にて押し出された樹脂材料１１４は、中実成形品用サイジングダイ１８７にて形状を整えられ、恒温水槽１４７により冷却される。そして、冷却された樹脂材料１１４を、引取機１４９で連続的に引き取りつつカッター１５０にて切断することにより、溶融押出中実品１８８（本実施例においては、丸棒）が得られる。なお、製造装置１８０のその他の構成は図１０に示す製造装置１３０と同様であるので、図１０と同一の符号を付すことにより説明を省略する。
本実施例において、得られた丸棒１８８の曲げ強度は２４１ＭＰａ、曲げ弾性率は９．９ＧＰａであった。また、この丸棒１８８の断面形状を図１３に示す。
【００７９】
［実施例１３］
上記実施例１のハイブリッドペレット１を用いて、図１４に示す溶融押出異形品の製造装置１９０にて吐出量７０ｇ／ｍｉｎで押出成形し、Ｉ型、Ｈ型、Ｔ型の異形押出成形品を作製した。
具体的に説明すると、図１４に示す溶融押出中実品の製造装置１９０において、溶融押出異形品用ダイ１９１から溶融状態にて押し出された樹脂材料１１４は、溶融押出異形品用サイジングダイ１９２にて形状を整えられ、恒温水槽１４７により冷却される。そして、冷却された樹脂材料１１４を、引取機１４９で連続的に引き取りつつカッター１５０にて切断することにより、溶融押出異形品１９４が得られる。なお、製造装置１９０のその他の構成は図１０に示す製造装置１３０と同様であるので、図１０と同一の符号を付すことにより説明を省略する。
本実施例において、得られた異形押出成形品１９４の曲げ強度は２３８ＭＰａ、曲げ弾性率は１０．１ＧＰａであった。また、Ｉ型異形品１９７、Ｈ型異形品１９８、Ｔ型異形品１９９の断面形状を図１５に示す。
【００８０】
［実施例１４］
上記実施例１のハイブリッドペレット１を用いて、図１６に示す固化押出成形品の製造装置２１０にて吐出量３０ｇ／ｍｉｎで押出成形し、幅３００ｍｍ、厚み１００ｍｍの押出ブロックを作製した。
具体的に説明すると、図１６に示す固化押出成形品の製造装置２１０において、固化押出用ダイ２１２から溶融状態にて押し出された樹脂材料１１４は、ヒーター２１５を備えた加熱部２１３にて加熱された後、水路２１９を備えた冷却部２１７にて冷却され、引取機２２７にて連続的に引き取られ、固化押出成形品２３０となる。なお、加熱部２１３と冷却部２１７の間には断熱材２１８が設けられている。
この製造装置２１０により得られた押出ブロック２３１を切削加工して、測定幅１０±０．５ｍｍ、測定長さ８０±２ｍｍのダンベル片を作製した。得られたダンベル片の曲げ強度は２７５ＭＰａ、曲げ弾性率は１１．５ＧＰａであった。また、押出ブロック２３１の断面形状を図１７（ａ）に示す。
【００８１】
［実施例１５］
上記実施例１のハイブリッドペレット１を用いて、図１６に示す固化押出成形品の製造装置２１０にて丸棒用ダイスを用いて吐出量３０ｇ／ｍｉｎで押出成形し、φ１５０ｍｍの丸棒を作製した。
得られた丸棒２３２の曲げ強度は２６５ＭＰａ、曲げ弾性率は１０．８ＧＰａであった。また、丸棒２３２の断面形状を図１７（ｂ）に示す。
【００８２】
［実施例１６］
実施例２に記載のナイロン６６および炭素繊維からなるハイブリッドペレット１を用いて、実施例１０と同様に、図９に示す溶融押出シートの製造装置１１１にて吐出量２００ｇ／ｍｉｎで押出成形し、幅３００ｍｍ、厚さ０．６ｍｍのシートを作製した。得られたシートはスプリングバックやボイドの発生がなく、形状および表面状態も良好であった。
【００８３】
［実施例１７］
実施例３に記載のＰＰおよび炭素繊維からなるハイブリッドペレット１を用いて、実施例１３と同様に、図１４に示す溶融押出異形品の製造装置１９０にて吐出量７０ｇ／ｍｉｎで押出成形し、Ｉ型、Ｈ型、Ｔ型の異形押出成形品を作製した。得られた異形押出成形品はスプリングバックやボイドの発生がなく、形状および表面状態も良好であった。
【００８４】
［実施例１８］
実施例４に記載のＡＢＳおよび炭素繊維からなるハイブリッドペレット１を用いて、実施例１１と同様に、図１０に示す溶融押出パイプの製造装置１３０にて吐出量５０ｇ／ｍｉｎで押出成形し、内径２１ｍｍ、外径２５ｍｍのパイプを作製した。得られたパイプはスプリングバックやボイドの発生がなく、形状および表面状態も良好であった。
【００８５】
［実施例１９］
実施例５に記載のＰＰＳおよび炭素繊維からなるハイブリッドペレット１を用いて、実施例１０と同様に、図９に示す溶融押出シートの製造装置１１１にて吐出量２００ｇ／ｍｉｎで押出成形し、幅３００ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのシートを作製した。得られたシートはスプリングバックやボイドの発生がなく、形状および表面状態も良好であった。
【００８６】
［実施例２０］
実施例１０の溶融押出成形シートを中間成形体として用いて、図１８に示すように、熱プレス成形法によりシートを作成した。具体的には、まず、実施例１０で得られた溶融押出成形シート１２９を幅３００ｍｍ、長さ１２００ｍｍでカットしてシート１２９ａを作成した。そして、図１８（ａ）に示すように、合計１６枚のシート１２９ａを４枚ずつ４層に積層し、各層のシートが隣接する他の層のシートと９０度交差するようにシートを配列して、図１８（ｂ）に示す４層の積層体３００を作成した。この積層体３００を、図１８（ｃ）に示すように、凹金型３０１および凸金型３０２からなりヒーター３０５および水冷管３０６を備えた金型に入れ、図１８（ｄ）に示すように金型を閉じた後、金型温度２５０℃、圧力２０ＭＰａの条件下で５分間加圧した。そして、水冷管３０６にて金型を冷やした後、図１８（ｅ）に示すように金型を開いて、図１８（ｆ）に示す熱プレス成形シート３０８を得た。
得られた熱プレス成形シート３０８の寸法は、縦、横ともに１２００ｍｍであり、厚さは１．１９ｍｍであった。
【００８７】
［実施例２１］
実施例１０の溶融押出成形シートを中間成形体として用いて、図１９に示すように、熱プレス成形法により成形品を作成した。具体的には、まず、実施例１０で得られた溶融押出成形シート１２９を幅３００ｍｍ、長さ３００ｍｍでカットし、図１９（ａ）に示すシート１２９ｂを作成した後、このシート１２９ｂを、図１９（ｂ）に示すように、ヒーター３０５および水冷管３０６を備えた１個取りの金型に入れた。この金型は箱状凹金型３２０およびそれに対応する形状の凸金型３２１からなり、賦型部の寸法は高さ１０ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ１７０ｍｍであった。続いて、図１９（ｃ）に示すように金型を閉じ、金型温度２５０℃、圧力１５ＭＰａの条件下で５分間加圧した。そして、水冷管３０６にて金型を冷やし、図１９（ｄ）に示すように金型を開いた後、取り出した熱プレス成形体３２４のバリ取りを行って、図１９（ｅ）に示す箱状の熱プレス成形品３２５を得た。
得られた熱プレス成形品３２５の寸法は、高さ１０ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ１７０ｍｍであり、厚さは０．２５ｍｍであった。
【００８８】
［実施例２２］
実施例２０の熱プレス成形シートを中間成形体として用いて、図２０に示すように、熱プレス成形法により成形品を作成した。具体的には、まず、実施例２０で得られた熱プレス成形シート３０８を幅３００ｍｍ、長さ３００ｍｍにカットして図２０（ａ）に示すシート３０８ａを作成した後、このシート３０８ａを、図２０（ｂ）に示すように、ヒーター３０５および水冷管３０６を備えた１個取りの金型に入れた。この金型は箱状凹金型３２０およびそれに対応する形状の凸金型３２１からなり、賦型部の寸法は高さ１０ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ１７０ｍｍであった。続いて、図２０（ｃ）に示すように金型を閉じ、金型温度２５０℃、圧力１５ＭＰａの条件下で５分間加圧した。そして、水冷管３０６にて金型を冷やし、図２０（ｄ）に示すように金型を開いた後、取り出した熱プレス成形体３２７のバリ取りを行って、図２０（ｅ）に示す箱状の熱プレス成形品３２６を得た。
得られた熱プレス成形品３２６の寸法は、高さ１０ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ１７０ｍｍであり、厚さは１．０４ｍｍであった。
【００８９】
［実施例２３］
実施例２０の熱プレス成形シートを中間成形体として用いて、図２１に示すように、熱プレス成形法により成形品を作成した。具体的には、まず、実施例２０で得られた熱プレス成形シート３０８を幅３００ｍｍ、長さ３００ｍｍにカットして、図２１（ａ）に示すシート３０８ａを作成した。そして、このシート３０８ａをガス加熱オーブンにて２４５℃で５分間加熱した後、図２１（ｂ）に示すように、箱状凹金型３２０とそれに対応する凸金型３２１からなる１個取りの金型に入れた。この金型はあらかじめヒーター３０５にて１３０℃に加熱されており、賦型部の寸法は高さ１０ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ１７０ｍｍであった。続いて、図２１（ｃ）に示すように金型を閉じ、圧力２０ＭＰａで２分間加圧を行った。そして、図２１（ｄ）に示すように金型を開いた後、取り出した熱プレス成形体３２７ａのバリ取りを行って、図２１（ｅ）に示す箱形状の熱プレス成形品３２６ａを得た。
得られた熱プレス成形品３２６ａの寸法は、高さ１０ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ１７０ｍｍであり、厚さは１．０９ｍｍであった。
【００９０】
［実施例２４］
実施例２０の熱プレス成形シートを中間成形体として用いて、図２２に示すように、真空成形法により成形品を作成した。具体的には、まず、実施例２０で得られた熱プレス成形シート３０８を幅３００ｍｍ、長さ３００ｍｍにカットして図２２（ａ）に示すシート３０８ａを作成し、このシート３０８ａを上下２枚の電気赤外線ヒーターにて２４５℃で５分間加熱した。続いて、図２２（ｂ）に示すように吸引孔３３４、吸引口３３５およびヒーター３０５を備えた１個取りの真空成形金型３４２にシート３０８ａを入れ、金型温度８０℃にて図２２（ｃ）に示すようにシート３０８ａを賦型した後、圧力１．０×１０−４ＭＰａの条件下で、２分間、吸引孔３３４にて減圧吸引を行った。この金型の賦型部の寸法は高さ８ｍｍ、幅１４０ｍｍ、長さ１７０ｍｍであった。そして、図２２（ｄ）に示すように金型を開いた後、取り出した真空成形体３４６のバリ取りを行って、図２２（ｅ）に示す箱状の真空成形品３４７を得た。
得られた真空成形品３４７の寸法は、高さ１０ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ１７０ｍｍであり、厚さは０．６７ｍｍであった。
【００９１】
［実施例２５］
実施例２０の熱プレス成形シートを中間成形体として用いて、図２３に示すように、ブロー成形法により成形品を作成した。具体的には、まず、実施例２０で得られた熱プレス成形シート３０８を幅３００ｍｍ、長さ５００ｍｍにカットしてシート３０８ｂを作成した。続いて、図２３（ａ）に示すように、２枚のシート３０８ｂをシート固定具３５１に固定してシート保持体３５２を作成し、このシート保持体３５２を赤外線ヒーターにて２４５℃で５分間加熱した後、１５５℃に加熱された金型に入れた。この金型は、図２３（ｂ）に示すように、凹型の上型３５４および凸型の下型３５３からなり、ブロー口３５５、ブロー孔３５６およびヒーター３０５を備えていた。また、上型３５４の賦型部の寸法は高さ３０ｍｍ、幅１１０ｍｍ、長さ１６０ｍｍであり、下型３５３の賦型部の寸法は高さ１０ｍｍ、幅１１０ｍｍ、長さ１６０ｍｍであった。図２３（ｃ）に示すように金型を閉じた後、空気圧１．５ＭＰａにて圧縮空気をブロー孔３５６から２分間流し込み、成形を行った。そして、図２３（ｄ）に示すように金型を開いた後、取り出したブロー成形品保持体３５７についてシート固定具３５１の取り外しおよびバリ取りを行って、図２３（ｅ）および図２３（ｆ）に示す箱状のブロー成形品３５８を得た。
得られたブロー成形品３５８の寸法は、高さ２０ｍｍ、幅１１０ｍｍ、長さ１６０ｍｍであり、厚さは０．５１ｍｍであった。また、図２３（ｆ）に示すブロー成形品３５８の断面図から分かるように、ブロー成形品３５８の内部は中空であった。
【００９２】
［実施例２６］
実施例１０の溶融押出成形シートを中間成形体として用いて、図２４に示すように、熱プレス成形法により成形品を作成した。具体的には、まず、実施例１０で得られた溶融押出成形シート１２９を、幅３００ｍｍ、長さ１２００ｍｍにカットしてシート１２９ａを作成した。そして、図２４（ａ）に示すように、合計８枚のシート１２９ａを４枚ずつ２層に積層し、上層のシートが下層のシートに対し９０度交差するように各層のシートを配列するとともに、目付１１０ｇ／ｍ２、厚さ０．１５ｍｍのガラス繊維織物３７１を最上面に載置して、３層の積層体３７２を作成した。この積層体３７２を、図２４（ｂ）および図２４（ｃ）に示すように、凹金型３０１および凸金型３０２からなりヒーター３０５および水冷管３０６を備えた金型に入れ、図２４（ｄ）に示すように金型を閉じた後、金型温度２５０℃、圧力１５ＭＰａの条件下で５分間加圧した。そして、水冷管３０６にて金型を冷やした後、図２４（ｅ）に示すように金型を開いて、図２４（ｆ）に示すように、炭素繊維複合材料およびガラス繊維織物からなる熱プレス成形シート３７５を得た。
得られた熱プレス成形シート３７５の寸法は、縦、横いずれも１２００ｍｍであり、厚さは０．７２ｍｍであった。
【００９３】
［実施例２７］
実施例１０の溶融押出シートを中間成形体として用いて、図２５に示すように、熱プレス成形法により成形品を作成した。具体的には、まず、実施例１０で得られた溶融押出成形シート１２９を幅３００ｍｍ、長さ１２００ｍｍにカットし、シート１２９ａを作成した。そして、図２５（ａ）に示すように、合計８枚のシート材１２９ａを４枚ずつ２層に積層し、上層のシートが下層のシートに対し９０度交差するように各層のシート材を配列するとともに、この２層の間に、ポリプロピレンからなる厚み０．５０ｍｍの熱可塑性樹脂シート３７７を配置して、３層の積層体３７８を作成した。この積層体３７２を、図２５（ｂ）および図２５（ｃ）に示すように、凹金型３０１および凸金型３０２からなりヒーター３０５および水冷管３０６を備えた金型に入れ、図２５（ｄ）に示すように金型を閉じた後、金型温度２５０℃、圧力１０ＭＰａの条件下で５分間加圧した。そして、水冷管３０６にて金型を冷やした後、図２５（ｅ）に示すように金型を開いて、図２５（ｆ）に示すように、炭素繊維複合材料およびポリプロピレンからなる熱プレス成形シート３７９を得た。
得られた熱プレス成形シート３７９の寸法は、縦、横いずれも１２００ｍｍであり、厚みは１．０５ｍｍであった。
【００９４】
［実施例２８］
実施例２６の熱プレス成形シートを中間成形体として用いて、図２６に示すように、熱プレス成形法により成形品を作成した。具体的には、まず、実施例２６で得られた熱プレス成形シート３７５を、図２６（ａ）に示すように、ヒーター３０５および水冷管３０６を備えた３個取りの金型に入れた。この金型は上型３９１およびそれに対応する下型３９２からなり、賦型部の寸法はいずれも高さ５ｍｍ、幅１４０ｍｍ、長さ２００ｍｍであった。続いて、図２６（ｂ）に示すように金型を閉じ、金型温度２５０℃、圧力１２ＭＰａの条件下で７分間加圧した。そして、水冷管３０６にて金型を冷やし、図２６（ｃ）に示すように金型を開いた後、取り出した熱プレス成形体３９４のバリ取りを行って、図２６（ｄ）に示す３個の箱状の熱プレス成形品３９３を得た。
得られた熱プレス成形品３９３の寸法は、高さ５ｍｍ、幅１４０ｍｍ、長さ２５０ｍｍであり、厚さは０．８９ｍｍであった。
【００９５】
［実施例２９］
実施例１０の溶融押出シートを中間成形体として用いて、実施例２７とほぼ同様の方法で成形品を成形した。具体的には、まず、実施例１０で得られた溶融押出シート１２９を、幅３００ｍｍ、長さ１２００ｍｍにカットしてシートを作成した。そして、合計８枚のシートを４枚ずつ２層に積層し、上層のシートが下層のシートに対し９０度交差するように各層のシートを配列するとともに、この２層の間に、目付９０ｇ／ｍ２で厚み０．１５ｍｍの炭素繊維織物を配置して、３層の積層体を作成した。この積層体を凹金型および凸金型からなる金型に入れ、金型を閉じた後、金型温度２５０℃、圧力２０ＭＰａの条件下で５分間加圧した。そして、水冷管３０６にて金型を冷やした後、金型を開いて、炭素繊維複合材料および炭素繊維織物からなる熱プレス成形シートを得た。
得られた熱プレス成形シートの寸法は、縦、横いずれも１２００ｍｍであり、厚みは０．７１ｍｍであった。
【００９６】
［実施例３０］
実施例２９の熱プレス成形シートを中間成形体として用いて、実施例２４とほぼ同様の方法により成形品を成形した。具体的には、まず、実施例２９で得られた熱プレス成形シートを幅３００ｍｍ、長さ３００ｍｍにカットしてシートを作成し、このシートを上下２枚の電気赤外線ヒーターにて２４５℃で５分間加熱した。続いて、このシートを１個取りの真空成形金型に入れ、金型温度８０℃にてシートを賦型した後、圧力１．０×１０−４ＭＰａの条件下で、２分間減圧吸引を行った。金型の賦型部の寸法は高さ８ｍｍ、幅１４０ｍｍ、長さ１７０ｍｍであった。そして、金型を開いた後、取り出した真空成形体のバリ取りを行って、箱状の真空成形品を得た。
得られた真空成形品の寸法は、高さ８ｍｍ、幅１４０ｍｍ、長さ１７０ｍｍであり、厚みは０．６１ｍｍであった。
【００９７】
［実施例３１］
実施例２７の熱プレス成形シートを中間成形体として用いて、実施例２５とほぼ同様の方法により成形品を作成した。具体的には、まず、実施例２０で得られた熱プレス成形シートを幅３００ｍｍ、長さ５００ｍｍにカットしてシートを作成し、この２枚のシートをシート固定具に固定してシート保持体を作成した。このシート保持体を赤外線ヒーターにて２４５℃で５分間加熱した後、金型に入れて金型を閉じた。続いて、金型温度８０℃の条件下で圧力１．５ＭＰａにて空気を２分間流し込み、成形を行った。そして、金型を開いた後、取り出したブロー成形体のバリ取りを行って、中空で箱状のブロー成形品を得た。
得られたブロー成形品の寸法は、高さ２０ｍｍ、幅１１０ｍｍ、長さ１６０ｍｍであり、厚みは０．５０ｍｍであった。また、得られたブロー成形品の内部は中空であった。
【００９８】
［実施例３２］
実施例１７で得られた異形押出品Ｉ型１９７を、オーブンで２００℃に加熱し、曲げ加工を行った。図２７に示すように、Ｓ字状の曲げ加工品４０１や、四角状の曲げ加工品４０２を得ることができた。
【００９９】
［比較例１］
以下、各比較例における試験条件は、特に記載しない限り、基本的に実施例１に準じるものとする。
芯鞘構造を有するペレットの従来技術における製造方法である図７の製造方法において、ナイロン６からなる第１の熱可塑性樹脂Ｂ１を押出機６０から平坦な帯状の炭素繊維ロービングへ温度２７５℃で吐出し、炭素繊維からなる芯がナイロン６によって覆われた芯鞘構造を有する芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレット６を得る。得られた芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレット６中の炭素繊維の含有率は１５％である。
このペレットを用いて射出成形し、実施例１と同様のダンベル片を作成した。得られたダンベル片の曲げ強度は１８８ＭＰａ、曲げ弾性率は８．０ＧＰａであった。
【０１００】
［比較例２］
芯鞘構造を有するペレットの従来技術における製造方法である図７の製造方法において、ダイ５１の代わりに図８のダイ７０を用いることにより、図３に示す３層構造を有するペレット５を製造する。具体的に説明すると、ダイ７０内において、溶融された第１の熱可塑性樹脂６１を導入穴７２ａを通して炭素繊維ロービング４６へ吐出し、炭素繊維ロービング４６の表面を第１の熱可塑性樹脂６１で被覆する。続いて、溶融された第２の熱可塑性樹脂７１を導入穴７２ｂを通して炭素繊維ロービング４６へ吐出し、第１の熱可塑性樹脂６１の表面を、第２の熱可塑性樹脂７１で被覆する。その他の手順は図７に示す製造方法と同様である。本比較例では、第１の熱可塑性樹脂としてナイロン６からなる樹脂Ｂ１を、第２の熱可塑性樹脂としてナイロン６からなる樹脂Ｂ２をそれぞれ使用し、ダイ７０内の温度を２７５℃とすることにより、図３に記載の３層構造を有するペレット５を得た。得られた芯鞘型の炭素繊維樹脂ペレット５中の炭素繊維の含有率は１５％である。
このペレットを用いて射出成形し、実施例１と同様のダンベル片を作成した。得られたダンベル片の曲げ強度は２１０ＭＰａ、曲げ弾性率は９．３ＧＰａであった。
【０１０１】
［比較例３］
また、上記比較例１に記載の芯鞘型の炭素繊維含有樹脂ペレット６を用いて、特開平４−１５２１２２号公報に記載されているマンドレルの製造方法および押出成形装置、特開２００１−３１５１９３号公報に記載されている溶融押出の合成樹脂のパイプの製造方法、特開２０００−３１３０５２号公報に記載されている固化押出成形製法およびその製造装置、ならびに特開２００８−２４６８６５号公報に記載されている偏肉樹脂シートの製造方法および装置などの公知の手段により成形品を作製しようと試みたが、炭素繊維が低粘度の樹脂を押しのけてしまい、製品としての品質基準を満足する成形品が得られなかった。また、炭素繊維の分散が不十分なため、得られた成形品は炭素繊維が表面に現れており、形状も著しく劣っていた。
【０１０２】
［比較例４］
また、上記比較例２に記載のナイロン６からなる炭素繊維含有樹脂ペレット５を用いて、特開平４−１５２１２２号公報に記載されているマンドレルの製造方法および押出成形装置や、特開２００１−３１５１９３号公報に記載されている溶融押出の合成樹脂のパイプの製造方法、特開２０００−３１３０５２号公報に記載されている固化押出成形製法およびその製造装置、ならびに特開２００８−２４６８６５号公報に記載されている偏肉樹脂シートの製造方法および装置などの公知の手段により成形品を作製しようと試みたが、炭素繊維、樹脂Ｂ１および当該Ｂ１よりも粘度の高い樹脂Ｂ２の分散がいずれも不十分であり、製品としての品質基準を満足する成形品が得られなかった。また、炭素繊維の分散が不十分なため、得られた成形品は炭素繊維が表面に現れており、形状も著しく劣っていた。
【０１０３】
［比較例５］
上記比較例１に記載のペレット６を用いて、図９に示す溶融押出シートの製造装置１１１にて吐出量２００ｇ／ｍｉｎで押出成形し、幅３００ｍｍ、厚さ０．３ｍｍのシートの作製を試みたが、目的とする厚さのシートは得ることができず、０．７ｍｍの厚さが限界であった。また、０．７ｍｍ厚のシートを作製することはできたものの、得られたシートは解繊性が低く、表面品位も劣っていた。
【０１０４】
［比較例６］
上記比較例１に記載のペレット６を用いて、図１０に示す溶融押出パイプの製造装置１３０にて吐出量５０ｇ／ｍｉｎで押出成形し、内径２０ｍｍ、外径２５ｍｍのパイプの作製を試みたが、炭素繊維によるスプリングバックが発生してしまい、所望のパイプを作製することができなかった。
【０１０５】
［比較例７］
上記比較例１に記載のペレット６を用いて、図１２に示す溶融押出中実成形品の製造装置１８０にて吐出量７０ｇ／ｍｉｎで押出成形し、外径１５ｍｍの丸棒の作製を試みたが、炭素繊維によるスプリングバックが発生してしまい、所望の丸棒を作製することができなかった。
【０１０６】
［比較例８］
上記比較例１に記載のペレット６を用いて、図１４に示す溶融押出異形品の製造装置１９０にて吐出量７０ｇ／ｍｉｎで押出成形し、Ｉ型、Ｈ型、Ｔ型の異形押出成形品の作製を試みたが、炭素繊維のスプリングバックが発生してしまい、所望の成形品を作製することができなかった。
【０１０７】
［比較例９］
上記比較例１に記載のペレット６を用いて、図１６に示す固化押出成形品の製造装置２１０にて吐出量３０ｇ／ｍｉｎで押出成形し、幅３００ｍｍ、厚み１００ｍｍの押出ブロックを作成した。
この押出ブロックを切削加工して、測定幅１０±０．５ｍｍ、測定長さ８０±２ｍｍのダンベル片を作製しようとしたが、ブロック内にボイドがあり、所望のダンベル片を作製することができなかった。
【０１０８】
［比較例１０］
上記比較例１に記載のペレット６を用いて、図１６に示す固化押出成形品の製造装置２１０にて吐出量３０ｇ／ｍｉｎで押出成形し、φ１５０ｍｍの丸棒の作製を試みたが、断面にボイドが多く、所望の丸棒を作製することができなかった。
【０１０９】
［比較例１１］
ガラス繊維を２０重量％含んでいるナイロン６のペレット１１０を用いて、図９に示す溶融押出シートの製造装置１１１にて吐出量２００ｇ／ｍｉｎで押出成形し、幅３００ｍｍ、厚さ０．７ｍｍのシートを作製しようと試みたが、つまりが発生してしまい、所望のシートを作製することができなかった。
そこで、このペレットを用いて射出成形し、実施例１と同様のダンベル片を作製した。得られたダンベル片の曲げ強度は１７１ＭＰａ、曲げ弾性率は５．８ＧＰａであった。
【０１１０】
［比較例１２］
比較例２に記載のペレット５を用いて、図１０に示す溶融押出パイプの製造装置１３０にて吐出量５０ｇ／ｍｉｎで押出成形し、内径２０ｍｍ、外径２５ｍｍのパイプを作製しようと試みたが、つまりが発生してしまい、所望の成形品を作製することができなかった。
【０１１１】
［比較例１３］
比較例２に記載のペレット５を用いて、図１２に示す溶融押出中実成形品の製造装置１８０にて吐出量７０ｇ／ｍｉｎで押出成形し、外径１５ｍｍの丸棒を作製しようと試みたが、得られた丸棒は断面にボイドが多く、安定して連続的に成形することはできなかった。
【０１１２】
［比較例１４］
比較例２に記載のペレット５を用いて、図１４に示す溶融押出異形品の製造装置１９０にて吐出量７０ｇ／ｍｉｎで押出成形し、Ｉ型、Ｈ型、Ｔ型の異形押出成形品の作製を試みたが、得られた成形品は断面にボイドが多く、安定して連続的に成形することはできなかった。
【０１１３】
［比較例１５］
比較例２に記載のペレット５を用いて、図１６に示す固化押出成形品の製造装置２１０にて吐出量３０ｇ／ｍｉｎで押出成形し、幅３００ｍｍ、厚み１００ｍｍの押出ブロックを作製した。
この押出ブロックを切削加工して、測定幅１０±０．５ｍｍ、測定長さ８０±２ｍｍのダンベル片を作製しようと試みたが、ブロック内にボイドがあり、所望のダンベル片を作製することができなかった。
【０１１４】
［比較例１６］
比較例２に記載のペレット５を用いて、図１６に示す固化押出成形品の製造装置２１０にて吐出量３０ｇ／ｍｉｎで押出成形し、φ１５０ｍｍの丸棒を作製した。得られた丸棒を調べたところ、断面にボイドが発生していた。
【０１１５】
［比較例１７］
ナイロン６からなり強化繊維が入っていない非強化のペレットを用いて、図１６に示す固化押出成形品の製造装置２１０にて吐出量３０ｇ／ｍｉｎで押出成形し、幅３００ｍｍ、厚み１００ｍｍの押出ブロックを作製した。そして、上記押出ブロックを切削加工してダンベル片を作製し、強度の測定を行ったところ、曲げ強度は１０６ＭＰａ、曲げ弾性率は２．７ＧＰａであった。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
本発明に係る炭素繊維複合材料およびその成形品は、高い強度と優れた加工性が要求されるあらゆる用途に好適であり、緩衝材、断熱材、補強材、シートベルト、パイプなどの量産品としての用途のみならず、金型製造前のサンプルや半導体産業向けの製品など、高精度が要求される多品種少量生産品としての用途にも好適である。
【符号の説明】
【０１１７】
１  炭素繊維複合材料からなるペレット
２  炭素繊維
３  第１の熱可塑性樹脂
４  第２の熱可塑性樹脂
５  ３層構造を有するペレット
６  ２層構造を有するペレット
２０  モーター
２１  変速機
２２  押出機
２３  ギアポンプ
２４  冷却部
２５  サイドフィーダー
２６  ダイス
２７  ストランドカッター
２８  ガット
２９  ベント
３０  供給口
４２，４３  ペレット供給装置
４５  ボビン
４６  炭素繊維ロービング
５０  解繊装置
５１  ダイ
５２  シゴキバー
５３  収束賦型部
５４  冷却部
５５  ボトムローラー
５６  トップローラー
５７  ストランドカッター
５８  回転刃
６０  押出機
６１  第１の熱可塑性樹脂
６２  固定刃
７０  ダイ
７１  第２の熱可塑性樹脂
７２ａ，７２ｂ  導入穴
７５  ペレット
１１１  溶融押出シートの製造装置
１１２  ダイ
１１４  炭素繊維複合材料
１１６，１１８，１２０  ヒーターロール
１２２  ベルト用ヒーターロール
１２４  ステンレスベルト
１２６  加熱炉
１２８  カッター
１２９，１２９ａ，１２９ｂ  シート
１３０  溶融押出パイプの製造装置
１３１  溶融押出パイプ用ダイ
１３５  パイプ用サイジングダイ
１３９  冷却部
１４１  温度調節水入口
１４５  温度調節水出口
１４７  恒温水槽
１４９  引取機
１５０  カッター
１５１  溶融押出パイプ
１８０  溶融押出中実成形品の製造装置
１８５  溶融押出中実成形品用ダイ
１８７  中実成形品用サイジングダイ
１８８  溶融押出中実品
１９０  溶融押出異形品の製造装置
１９１  溶融押出異形品用ダイ
１９２  異形品用サイジングダイ
１９４  溶融押出異形品
１９７  Ｉ形異形品
１９８  Ｈ形異形品
１９９  Ｔ形異形品
２１０  固化押出成形品の製造装置
２１２  固化押出成形品用ダイ
２１３  加熱部
２１５  ヒーター
２１７  冷却部
２１８  断熱材
２１９  水路
２２７  引取機
２３０  固化押出成形品
２３１  ブロック
２３２  丸棒
３００  積層体
３０１  凹金型
３０２  凸金型
３０５  ヒーター
３０６  水冷管
３０８，３０８ａ，３０８ｂ  熱プレス成形シート
３２０  箱形状用凹金型
３２１  箱形状用凸金型
３２４，３２７，３２７ａ，３９４  熱プレス成形体
３２５，３２６，３２６ａ，３７５，３７９，３９３  熱プレス成形品
３４２  真空成形金型
３４４  吸引孔
３４５  吸引口
３４６  真空成形体
３４７  真空成形品
３５１  シート固定具
３５２  シート保持体
３５３，３９２  下型
３５４，３９１  上型
３５５  ブロー口
３５６  ブロー孔
３５７  ブロー成形品保持体
３５８  ブロー成形品
３７１  ガラス繊維織物
３７２，３７８  積層体
３７７  熱可塑性樹脂シート
４０１  Ｓ字状曲げ加工品
４０２  四角状曲げ加工品
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３  ペレット供給経路
【図１】
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【図２】
0005608818.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
0005608818.tif 000006
【図６】
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【図７】
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【図８】
0005608818.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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