(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多数本の連続した補強繊維で形成された繊維束の外周に熱可塑性樹脂をコーティングして、熱可塑性樹脂の繊維束に対する含浸度が、繊維束のフィラメント総本数の断面積の１０％以下で且つその熱可塑性樹脂が前記繊維束の周方向の長さの９０％以上を覆った構成の樹脂被覆糸を作成し、これを短く切断して短糸とし、その短糸をランダムに散布、堆積させてマット状とし、且つその短糸同志の交点を接合させてマット状複合材とすることを特徴とする複合材の製造方法。
【請求項２】
多数本の連続した補強繊維で形成された繊維束を走行させた状態で、その繊維束を包囲するように且つその繊維束に接触しない位置に配置した環状の吐出口から熱可塑性樹脂を中空の円筒状に押し出し、その熱可塑性樹脂を圧力フリーの状況下で前記繊維束の外周に接触させ、外周に位置する連続繊維に接着した状態となるようにコーティングすることで前記樹脂被覆糸を作成することを特徴とする請求項１記載の複合材の製造方法。
【請求項３】
多数本の連続した補強繊維で形成された繊維束の外周に熱可塑性樹脂をコーティングして、熱可塑性樹脂の繊維束に対する含浸度が、繊維束のフィラメント総本数の断面積の１０％以下で且つその熱可塑性樹脂が前記繊維束の周方向の長さの９０％以上を覆った構成の樹脂被覆糸を作成し、これを短く切断して短糸とし、その短糸をランダムに散布、堆積させてマット状とし、その後、このマット状のものを加圧、加熱して、熱可塑性樹脂を溶融し、シート状複合材とすることを特徴とする複合材の製造方法。
【請求項４】
多数本の連続した補強繊維で形成された繊維束を走行させた状態で、その繊維束を包囲するように且つその繊維束に接触しない位置に配置した環状の吐出口から熱可塑性樹脂を中空の円筒状に押し出し、その熱可塑性樹脂を圧力フリーの状況下で前記繊維束の外周に接触させ、外周に位置する連続繊維に接着した状態となるようにコーティングすることで前記樹脂被覆糸を作成することを特徴とする請求項３記載の複合材の製造方法。
【請求項５】
前記樹脂被覆糸における補強繊維の体積含有率が３０〜７０％であり、この樹脂被覆糸を切断して作った短糸の長さが１０〜６０ｍｍであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の複合材の製造方法。
【請求項６】
多数本の繊維で形成された繊維束の外周に熱可塑性樹脂をコーティングして形成され、熱可塑性樹脂の繊維束に対する含浸度が、繊維束のフィラメント総本数の断面積の１０％以下で且つその熱可塑性樹脂が前記繊維束の周方向の長さの９０％以上を覆った構成の樹脂被覆糸をマット状に形成してなるマット状複合材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繊維補強熱可塑性樹脂の成形材料或いは成形品である複合材の製造方法に関し、また、繊維と熱可塑性樹脂との複合材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、産業資材分野の用途に用いられる熱可塑性樹脂として、機械的、耐衝撃性が要求される際には、熱可塑性樹脂をガラス繊維等の補強繊維で強化した複合材である繊維補強熱可塑性樹脂が用いられている。ここで、樹脂を補強する補強繊維の形態には複数種類のものがあり、その１例として、多数本の連続した補強繊維を集束して形成したストランドを適当な長さに切断し、それをマット状としたチョップドストランドマットを用いたものがある。
【０００３】
熱可塑性樹脂をチョップドストランドマットで補強した複合材を製造する方法としては、次のものが知られている。
(1) チョップドストランドマットを熱可塑性樹脂フイルムと積層し、全体を加熱、加圧して樹脂を溶融し、チョップドストランドマットに含浸させる方法。
(2) チョップドストランドマットを製造する際或いは複合材の成形の際に、樹脂パウダーを散布し、その樹脂パウダーを含んだチョップドストランドマットを加熱、加圧して樹脂を溶融し、チョップドストランドマットに含浸させる方法。
(3) 補強繊維のチョップドストランドと熱可塑性樹脂のチョップドストランドを混合してチョップドストランドマットを作成し、そのチョップドストランドマットを加熱、加圧して樹脂を溶融し、補強繊維のチョップドストランドマットに含浸させる方法。
(4) 上記(1)〜(3)の方法でチョップドストランドマットに樹脂を含浸させたシートを作成し、それを成形材料（スタンパブルシート）として、再度加熱し、加圧して所望形状に成形する方法。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来のチョップドストランドマットで補強した熱可塑性樹脂の複合材の製造方法には次のような問題点があった。
【０００５】
補強繊維のチョップドストランドマットと樹脂フイルムを積層して成形する方法では、チョップドストランドマットに対する樹脂の含浸が困難であり、特に、補強繊維のストランド同志の交点への樹脂含浸が困難であるため、樹脂の含浸に時間がかかり、生産性が悪かった。また、補強繊維のチョップドストランドマットに樹脂パウダーを散布して成形する方法或いは補強繊維と熱可塑性樹脂のチョップドストランドを混合して成形する方法では、補強繊維のチョップドストランドマットの内部に樹脂が存在しているため、幾分か樹脂の含浸は容易となるが、依然として、満足すべき程には含浸速度が改良されていない。更に、補強繊維の含有率を上げると流動性が極端に悪化し、含浸が一層困難となり、また補強繊維を樹脂が覆わないなどの問題が生じる。このため、補強繊維の含有率は体積含有率で３０％程度が限度であった。しかも、チョップドストランドマットの厚さが大きい場合には樹脂の含浸が一層困難で、例えば、２ｍｍを越えるような厚いシートを一度に成形することは、実質的には不可能であり、このため予め薄いチョップドストランドマットに樹脂を含浸させた薄いシートを製造し、それを積層するという方法を取らざるを得ず、生産性が悪かった。
【０００６】
更に、チョップドストランドマットは、短く切断したストランドをランダムに散布、堆積して製造するが、その際、ストランドの切断時にストランドの分繊や毛羽だちが生じ、毛羽だったストランド同志が絡み合ったりするため均一に散布することが難しく、このため、マット内におけるストランドの密度むらが大きい。このため、このチョップドストランドマットに樹脂フイルムを重ねる等によって、樹脂を均一に付与して成形した複合材においても、補強繊維の分布むらが大きく、従って、補強繊維の含有率や厚みが場所によって大きくばらつき、品質むらとなっていた。更に、チョップドストランドマットに樹脂パウダーを散布する方法では、上記したチョップドストランドマット自体における密度むらに加えて、樹脂パウダーの保持むらも大きく、このため、複合材中における補強繊維の分布むらが一層大きくなり、補強繊維の含有率や厚みが場所によって一層大きくばらつき、品質むらが大きかった。また、補強繊維チョップドストランドと熱可塑性樹脂繊維チョップドストランドとを混合してチョップドストランドマットを作成して成形する方法でも、補強繊維と熱可塑性樹脂繊維の両チョップドストランドの混合が困難で、補強繊維のチョップドストランドの分布がきわめて不均一となり、やはり複合材中における補強繊維の分布むらが一層大きくなり、補強繊維の含有率や厚みが場所によって一層大きくばらつき、品質むらが大きくなっていた。
【０００７】
本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、熱可塑性樹脂をマット状の補強繊維で補強した高品質の複合材を敏速且つ容易に成形することを可能とする成形材料として使用可能なマット状の複合材を製造する方法、並びに、熱可塑性樹脂をマット状の補強繊維で補強した高品質のシート状の複合材を敏速且つ容易に製造することを可能とする方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記したチョップドストランドマットを用いた従来の製造方法における問題点を解決するため、多数本の連続した補強繊維で形成した繊維束の外周をあらかじめ熱可塑性樹脂でコーティングして、熱可塑性樹脂の繊維束に対する含浸度が、繊維束のフィラメント総本数の断面積の１０％以下で且つその熱可塑性樹脂が前記繊維束の周方向の長さの９０％以上を覆った構成の樹脂被覆糸を作り、これを短く切断して短糸とし、その短糸を散布、堆積させてマット状としたものを複合材の製造に用いることを特徴とする。
【０００９】
このように、あらかじめ樹脂被覆糸を作っておくと、補強繊維に対する被覆樹脂量を均一にコントロールしておくことにより、補強繊維糸の長手方向における補強繊維の含有率を均一にでき、この樹脂被覆糸で作ったマット状のものでは、補強繊維の含有率が均一になる。更に、樹脂被覆糸は表面を樹脂が覆っているため平滑であり、また、熱可塑性樹脂の繊維束に対する含浸度が１０％以下であるので繊維束全体に樹脂を含浸させた場合に比べて樹脂被覆糸が軟らかく、この樹脂被覆糸の短糸を散布、堆積させてマット状のものを作る際のハンドリング性が良好であると共に、短糸をきわめて均一な密度に散布、堆積させることができ、従って、得られたマット状のものでは補強繊維の密度、含有率が共にきわめて均一となっている。更に、このマット状のものを加熱、加圧して成形すると、各短糸では補強繊維を熱可塑性樹脂が包囲しているため、樹脂が補強繊維に敏速に含浸し、しかも短糸の交点にも樹脂が存在しているため、含浸しにくい補強繊維同志の交点が存在しておらず、このため含浸が良好に行われる。かくして、熱可塑性樹脂をマット状の補強繊維で強化した複合材を敏速に成形して得ることができると共に、得られた複合材中では樹脂含浸が確実で且つ補強繊維の含有率及び分布が均一となっており、高強度、高品質の繊維補強熱可塑性樹脂成形体を得ることができる。
【００１０】
更に、本発明者等は、上記した樹脂被覆糸のマット状のものが成形材料としてのみならず、吸音材、断熱材等の他の用途にも好適に使用可能であることも見出した。従って、本発明は、多数本の繊維で形成された繊維束の外周に熱可塑性樹脂をコーティングしてなる樹脂被覆糸をマット状に形成してなるマット状複合材をも提供する。このマット状複合材では、繊維束が樹脂で被覆されているため、繊維束として、毛羽立ったり、粉塵の発生しやすいガラス繊維等の無機繊維を用いた場合でも、毛羽立ったり、粉塵が発生したりすることがなく、取り扱い性が良い。また、樹脂被覆糸内には、繊維束のみならず空気層も存在しているため、優れた断熱効果、吸音効果を有しており、従って、このマット状複合材は断熱効果、吸音効果に優れている。特に、繊維束として断熱性の良いガラス繊維を用いれば、更に断熱効果の良いマットが得られる。また、被覆樹脂として耐熱性の良いＰＰＳ樹脂やＰＥＥＫ樹脂を用いれば、耐熱性の良い断熱材、吸音材として使用可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の第一の実施の形態は、多数本の連続した補強繊維で形成された繊維束の外周に熱可塑性樹脂をコーティングして樹脂被覆糸を作成し、これを短く切断して短糸とし、その短糸をランダムに散布、堆積させてマット状とし、且つその短糸同志の交点を接合させてマット状複合材とすることを特徴とする複合材の製造方法である。この方法で製造されたマット状複合材は、通常、成形材料として使用される。
【００１２】
また、本発明の第二の実施の形態は、多数本の連続した補強繊維で形成された繊維束の外周に熱可塑性樹脂をコーティングして樹脂被覆糸を作成し、これを短く切断して短糸とし、その短糸をランダムに散布、堆積させてマット状とし、その後、このマット状のものを加圧、加熱して、熱可塑性樹脂を溶融し、シート状複合材とすることを特徴とする複合材の製造方法である。この方法で製造されたシート状複合材は、成形材料として使用されてもよいし、或いは製品として使用されてもよい。
【００１３】
本発明に用いる補強繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維等の無機繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維等の有機繊維、更にボロン繊維、アルミナ繊維等の金属繊維等を挙げることができるが、特に、これらに限定されるものではなく、また、これらの補強繊維を２種以上併用してもよく、その場合更に効果を引き出すことも可能である。これらの補強繊維は、連続繊維を多数本集束して形成された繊維束の形態で使用され、繊維束の形態は、多数本の連続繊維フィラメントを集束したストランド、複数のストランドを更にまとめたロービング、多数本の連続繊維フィラメントを単に集めたトウ、或いはこれらに適当に撚りを加えたヤーンであってもよい。繊維束を構成する補強繊維のフィラメント径、フィラメント数等は、この樹脂被覆糸から製造する繊維補強熱可塑性樹脂成形品に要求される物性や成形時の条件等に応じて定められる。具体的には、補強繊維がガラス繊維や炭素繊維の場合には、フィラメント径は５〜２０μｍ程度に、フィラメント数は２００〜１２０００本程度に定められる。フィラメント本数は少ないほうが均一性、含浸性が高まるが、コスト高となるので、高品質の成形品を得る場合は、ガラス繊維の場合で２００〜２０００本程度が望ましく、また、アラミド繊維の場合には、フィラメント径が１０〜１４μｍ程度、フィラメント本数が２００〜２０００本程度が好ましい。
【００１４】
本発明に用いられる熱可塑性樹脂の素材としては、ナイロン６、ナイロン１２、ナイロン６６、芳香族ナイロン等のポリアミド樹脂、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等のポリエステル樹脂、ポリエチレンやポリプロピレン等のオレフィン系樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリカーボネート樹脂等が挙げられるが、特にこれらに限定されるものではなく、また、これらの熱可塑性樹脂を２種類以上併用してもよい。なお、熱可塑性樹脂には、通常一般に用いられる着色剤や充填剤、安定剤、難燃剤、帯電防止剤、結晶化剤当を適宜添加することができる。
【００１５】
本発明では上記したように、まず、繊維束の外周に熱可塑性樹脂をコーティングして樹脂被覆糸を作成する。このコーティングは、以下に示す方法及び装置で実施することができる。ただし、本発明はこの方法に限定されるものではない。
【００１６】
図２はコーティング装置の１例を示す概略側面図、図１はそのコーティング装置のクロスヘッドダイの概略断面図、図３はそのクロスヘッドダイの樹脂吐出部分の概略断面図、図４は図３のＡ−Ａ矢視図である。１は多数本の補強繊維で形成された繊維束、２はその繊維束１を供給する給糸装置、３は樹脂を溶融して押し出すためのスクリュー式押出機、４は繊維束１の外周に樹脂をコーティングするためのクロスヘッドダイ、５は樹脂被覆糸、６は熱可塑性樹脂冷却槽、７は巻取装置である。
【００１７】
クロスヘッドダイ４は、中央に繊維束１を通過させる繊維用穴１０を、その周囲に溶融樹脂を通す円筒状通路１１を有しており、その下端に環状の吐出口１２が形成されている。繊維用穴１０は繊維束１をゆるく通過させることができるような寸法に作られている。例えば、繊維束１を円形断面とした時の直径が１ｍｍ程度の場合、繊維用穴１０の内径は２〜６ｍｍ程度に定められる。吐出口１２は繊維束１を通過させる繊維用穴１０から間隔を開けて配置されており、従って吐出口１２から吐出された後の溶融樹脂１４が圧力フリーの状況下で繊維束１の外周に接触可能となっている。繊維用穴１０の吐出口１２との間隔はあまり大きくなると、吐出口１２から円形断面で吐出された樹脂１４が繊維束１に接触するまでに時間がかかり、必要な接着力を得られない場合が生じるので、通常は２ｍｍ以下に選定され、好ましくは１ｍｍ程度に選定される。
【００１８】
次に、上記装置を用いて繊維束１にコーティングを行い、樹脂被覆糸を製造する方法を説明する。まず、熱可塑性樹脂ペレットをスクリュー式押出機３のホッパー３ａに投入し、シリンダ部３ｂで加熱溶融させ、スクリューによりクロスヘッドダイ４に導入させる。クロスヘッドダイ４に導入された溶融樹脂１４は円筒状通路１１を通り、下端の環状の吐出口１２から筒状に吐出される。一方、繊維束１は給糸装置２から引き出され、クロスヘッドダイ４の中央の繊維用穴１０内を下方に走行しており、従って、吐出口１２から吐出された樹脂１４は走行中の繊維束１を取り囲んだ状態となっている。吐出口１２から吐出された樹脂１４は、表面張力や冷却による収縮、更には下方に引っ張られることによって縮径し、繊維束１の外周に接触すると共にその部分の連続繊維に接着する。かくして、繊維束１の周りに樹脂１４が被覆コーティングされる。このコーティングによって形成された樹脂被覆糸５は、その後、熱可塑性樹脂冷却槽６を通ることで冷却され、巻取装置７で巻き取られる。
【００１９】
以上のコーティング動作において、熱可塑性樹脂は吐出口１２から吐出され、圧力が解放された状態で即ち圧力フリーの状態で繊維束１の外周に接触する。このため、繊維束１に接触した樹脂１４が内部の連続繊維間に含浸することはあまりない。かくして、熱可塑性樹脂被膜が繊維束１の外周に位置する連続繊維のみに接着した構造の樹脂被覆糸が製造される。ここで、補強繊維束１の外周に位置する連続繊維とそれを取り囲んだ熱可塑性樹脂被膜との良好な接着を確保するには、吐出口１２から吐出された溶融樹脂１４があまり冷却固化しない状態で繊維束１に接触することが望ましく、このため、吐出された溶融樹脂１４を吐出口１２の直下５〜３０ｍｍの間で繊維束１に接触させることが良い。また、熱可塑性樹脂の吐出温度条件としては、熱可塑性樹脂の融点より３０〜６０°Ｃ程度高い温度とするのが良い。また、その時の溶融樹脂の粘度は１００００ポイズ以下が望ましい。
【００２０】
上記の方法で製造される樹脂被覆糸５における補強繊維の含有率は、クロスヘッドダイ４を通過する繊維束１の走行速度と吐出口１２からの熱可塑性樹脂の吐出流量によって定まる。そして、この走行速度並びに吐出流量は容易に一定にコントロール可能であるので、これを一定にコントロールすることにより、長手方向における補強繊維の含有率を均一とした樹脂被覆糸を得ることができる。
【００２１】
本発明に用いる樹脂被覆糸中の補強繊維の体積含有率（補強繊維と樹脂との体積の和に対する補強繊維の体積割合）は、その樹脂被覆糸を用いて製造する繊維補強熱可塑性樹脂成形品に要求される補強繊維の体積含有率に応じて定められるものであり、通常は、３０〜７０％程度に設定され、好ましくは、４０〜６５％である。この体積含有率が３０％未満の場合、補強繊維量が少なくなって、最終製品に目的の物性（強度）を得ることが困難となる。一方、７０％を越えると、樹脂分が少なくなるためコーティングが困難となって、補強繊維束の外周の被覆されない部分が多くなり、コーティング工程よりも後の工程で毛羽だちが多くなって作業性が損なわれ、また、最終製品を成形した際に補強繊維が製品の表面に露出して外観を悪くするばかりでなく、強度の低下を生じやすい。このため、上記した含有率が好ましい。
【００２２】
本発明に用いる樹脂被覆糸は、繊維束を熱可塑性樹脂でコーティングしたものであるが、そのコーティングの際、熱可塑性樹脂が繊維束の外周のみに留まらず、一部の熱可塑性樹脂は繊維束内に含浸してゆく。この含浸は或る程度は許容され、且つ後工程である成形工程における樹脂の含浸を早めるので望ましいものであるが、過度になると好ましくない。そこで本発明では、樹脂被覆糸における、熱可塑性樹脂の繊維束に対する含浸度は、繊維束のフィラメント総本数の断面積の１０％以下に設定される。これは、この含浸度が１０％を越えると、樹脂被覆糸が剛直となり、ハンドリングが悪くなって製造上のトラブルが多くなるため、及び１０％を越える含浸度を得るためには生産性がかなり低下して好ましくないためである。樹脂被覆糸における熱可塑性樹脂の繊維束内への含浸度は、繊維束に対する樹脂コーティングの運転条件によって或る程度は制御可能であり、例えば、繊維束１の走行速度を低下させたり、樹脂の吐出温度を高くして粘度を低下させたりすることにより、含浸度を大きくできる。また、繊維束を樹脂で被覆した直後において、その樹脂被覆糸をニップローラで挟み付けて圧縮する等の加工を加えることによっても含浸率を高めることができる。
【００２３】
また、樹脂被覆糸において、内部の補強繊維束は樹脂によって完全に覆われていることが望ましいが、多少被覆されない部分があっても差し支えない。本発明では、熱可塑性樹脂が繊維束の周方向の長さの９０％以上を覆っている構成とする。樹脂によって覆った部分が９０％未満であると、コーティング工程よりも後の工程で毛羽だちが多くなって作業性が損なわれ、また、最終製品を成形した際に補強繊維が製品の表面に露出して外観を悪くするばかりでなく、その部分は含浸不良となりやすく、強度の低下を生じやすい。
【００２４】
本発明は上述のように、樹脂被覆糸を作成した後、これを短く切断して短糸とし、その短糸をランダムに散布、堆積させてマット状としている。ここで、短糸の長さとしては、１０〜６０ｍｍに設定することが好ましい。これは、この長さが１０ｍｍよりも短い場合は、補強繊維による補強効率が低下し、６０ｍｍよりも長い場合はその短糸を均一に分散させて均一な密度のマットを製造することが困難となるためである。また、その短糸の長さが１５〜４０ｍｍであれば、より好ましい。本発明に使用する樹脂被覆糸の断面形状は何ら限定されず、円形でも偏平形状でも良い。
【００２５】
短糸をランダムに散布、堆積させてマット状とする際には、短糸を極力均一に散布し、均一な密度のマット状とする。この際、短糸は外周面が熱可塑性樹脂で被覆されているため、ガラス繊維などの補強繊維のみの場合に比べて、短糸の分繊や毛羽立ちがなく、表面が滑りやすいために均一な散布が容易である。ここで、前記したマット状に作ったものの中における短糸の密度の均一さは、これを成形して作成した繊維補強熱可塑性樹脂成形品の中における補強繊維の分散の均一さに影響し、従って成形品中における強度分布に影響しているので、できる限り均一であることが望ましい。
【００２６】
短糸を散布、堆積させてマット状とする方法としては、公知の方法を適宜使用可能であり、例えば、切断装置で切断して作成した短糸を単に、移動中のネット等の堆積面上に落下させ、堆積させる方法、短糸を空間内で空気などによって飛翔させ、ネット等の堆積面上に堆積させる方法、短糸を液状流体内で攪拌し、浮遊させた後に、ネット等の堆積面上に堆積させる方法等を用いることができる。また、生産量が少量の場合には、短糸を手で適当な面の上に散布、堆積させてもよい。なお、このマット状のものを作成するに際し、樹脂被覆糸の短糸に加えて、少量の補強繊維或いは熱可塑性樹脂繊維を加える等の変更を行ってもよい。
【００２７】
以上のように単に短糸を散布、堆積させて作成したマット状のものは、短糸同志の絡み合いが少ないために、ばらけやすく、取り扱いにくい。そこで、本発明の第一の実施の形態では、このマット状のものの短糸同志の交点を適当な手段で接合することにより、ばらけにくくなったマット状複合材を製造する。短糸同志の交点の接合方法としては、適当なバインダーを用いてもよいが、短糸外周面が熱可塑性樹脂であるので、それを用いて接合することが好ましい。すなわち、短糸を散布、堆積させて作ったマット状のものを加熱し、短糸の交点同志を熱融着させて接合させる。これにより、ばらけにくいマット状複合材を製造できる。また、短糸同志を熱融着等によって接合させる際、マット状のものの全体を加圧してもよく、これにより短糸の密度の大きい、空隙の少ないマット状複合材を得ることができる。ここで、マット状複合材の厚さ、空隙率等の仕様は、その使用目的に応じて適当に定めるものであるが、成形材料として使用する場合には、厚さは、好ましくは１〜１０ｍｍに、一層好ましくは２〜５ｍｍに定められ、空隙率は、好ましくは２０〜６０％に定められる。厚さ及び空隙率が上記の範囲を越えて大きくなると、断熱効果が大きくなって加熱が困難となり、従って成形動作が困難となり、一方、厚さが上記範囲よりも低くなると生産効率が低下する。また、空隙率を上記範囲よりも低くすると、マット状複合材の製造時に加圧時間を長く必要としマット状複合材の生産性が低下する。このため、上記の範囲が好適である。
【００２８】
かくして、得られたマット状複合材は、マット状であると共に複合材を構成する短糸自体も含浸度が低くて軟らかいので、適度な軟らかさを備えており、樹脂被覆糸の短糸がランダムに且つ均一な密度で分散配置された構成となっている。このマット状複合材は、主として成形材料として使用される。例えば、このマット状複合材を単体で或いは複数枚を積層して、所望の型内に装着し、加熱、加圧することにより、樹脂を溶融して補強繊維内に含浸させ、繊維補強熱可塑性樹脂成形品を作ることができる。
【００２９】
ここで、成形材料であるマット状複合材は軟らかいので、型なじみ性が良く、このため立体形状の成形に好適に使用できる。また、各短糸では熱可塑性樹脂が補強繊維を取り囲んで存在しているため、加熱、加圧による含浸の際、溶融した樹脂の流れる距離が短くてよく、このため、確実且つ敏速な含浸が得られ、しかも、含浸の困難な補強繊維同士の交点においても、被覆樹脂が補強繊維間に存在しているため、この部分での含浸不良を生じることがない。
【００３０】
更に、マット状複合材を構成している各短糸内では、予め補強繊維の周囲が一定量の樹脂で被覆されていて補強繊維と樹脂の比率が一定であり、このため、マット状複合材のどの部分をとっても補強繊維と樹脂の比率はほぼ一定の割合となっている。即ち、補強繊維の体積含有率の場所によるばらつきはきわめて小さい範囲内に抑えられている。このようにマット状複合材内における補強繊維の体積含有率のばらつきが極めて小さく抑えられているので、そのマット状複合材内に短糸が均等に分散していることとあいまって、このマット状複合材を成形して得られた成形品中においても、補強繊維の体積含有率のばらつきをきわめて小さい範囲内に抑えることができる。例えば、マット状複合材からシートを成形した場合、得られたシートにおける補強繊維の体積含有率のばらつきを、補強繊維の種類や補強繊維の含有率の水準によっても異なるが、おおよそ±１．５％の範囲におさめることができる。なお、ここで用いた体積含有率のばらつきとは、シートを５ｇ程度の大きさに５箇所以上切り取り、ＪＩＳ  Ｋ７０５２に従って計測した体積含有率の最大値と最小値から求めたものである。このように、本発明のマット状複合材から作った成形品では補強繊維の含有率の場所によるばらつきを小さい範囲内に抑えることができるため、樹脂の含浸度に場所によるばらつきが少なく、補強繊維の分布を均一にすることができるのとあいまって、成形品中の強度むらを少なくすることができる。
【００３１】
また、マット状複合材内の各短糸における補強繊維の体積含有率が、成形品における補強繊維の体積含有率となるので、高補強繊維含有率の短糸を用いることにより、高補強繊維含有率の成形品を得ることができ、例えば、補強繊維の体積含有率が７０％の樹脂被覆糸の短糸を用いることにより、補強繊維の体積含有率が７０％の繊維補強熱可塑性樹脂成形品の製造が可能である。かくして、上記したマット状複合材を用いることにより、含浸性が良く、強度特性の優れた、強度むらの少ない繊維補強熱可塑性樹脂成形品を生産性良く製造することができる。
【００３２】
上記したマット状複合材は、最終形状をした繊維補強熱可塑性樹脂成形品の製造に用いるのみならず、スタンパブルシート等の成形材料を作るためにも使用可能である。すなわち、このマット状複合材を加熱、加圧し、樹脂を溶融して補強繊維に含浸させて平坦なシートとし、それをスタンパブルシート等の成形材料として使用することもできる。この場合においても、補強繊維が均一に分散した、且つ含浸性のよいシートを敏速に得ることができ、また、得られたシートは樹脂の含浸が良いので、それを用いて高品質の成形品を成形できる。
【００３３】
更に、上記したマット状複合材は、成形材料として使用する場合に限らず、マットとしての特性を利用した用途、例えば、断熱材、吸音材等としても使用可能である。なお、このような用途に使用する場合には、短糸を構成する繊維（熱可塑性樹脂で被覆された繊維）は、補強繊維として作用するものではないので、必ずしも強度は必要なく、使用目的に応じて適当なものを用いればよい。ただし、耐熱性を要求されるような用途には、補強繊維としても有用なガラス繊維などの無機繊維を用いることが好ましい。また、この用途の場合には、マットを構成する糸は短糸に限らず、連続した樹脂被覆糸をそのまま用いてマット状複合材としてもよい。
【００３４】
上記した本発明の第一の実施の形態では、短糸を散布、堆積してマット状とし、且つその短糸の交点同志を接合することでマット状複合材を製造したが、本発明の第二の実施の形態では、短糸を散布、堆積してマット状とした後、そのマット状のものを加圧、加熱し、熱可塑性樹脂を溶融させて補強繊維に含浸させ、シート状複合材を製造することを特徴とする。
【００３５】
この場合においても、前記した第一の実施の形態の場合と同様に、加圧、加熱してシート状とする対象のマット状のものが、補強繊維を熱可塑性樹脂で被覆した短糸で構成されているので、加熱、加圧による含浸の際、溶融した樹脂の流れる距離が短くてよく、このため、確実且つ敏速な含浸が得られ、しかも、含浸の困難な補強繊維同士の交点においても、あらかじめ補強繊維間に被覆樹脂が存在しているため、この部分での含浸不良を生じることがない。更に、マット状のものでは短糸が均一な密度となるように分布しており、且つ各短糸内では補強繊維の含有率が一定であるので、これを加熱、加圧して得たシート状複合材内における補強繊維の密度及び含有率も均一であり、均一な品質の且つ均一な厚さのものを得ることができる。また、各短糸における補強繊維の体積含有率が、得られたシート状複合材における補強繊維の体積含有率となるので、高補強繊維含有率の短糸を用いることにより、高補強繊維含有率のシート状複合材を得ることができる。かくして、この実施の形態では、含浸性が良く、強度特性の優れたシート状複合材を生産性良く製造することができる。
【００３６】
上記の手順で得たシート状複合材は、そのまま最終製品すなわち成形板として使用することもできるし、スタンパブルシート等の成形材料として使用することもできる。このシート状複合材を最終製品として使用する場合には、樹脂を確実に含浸させ、且つ内部に空気の残留しない状態即ちボイドのない状態とすることが好ましく、このため、十分な加熱、加圧時間を取ることが好ましい。一方、成形材料として使用する場合には、二次成形時に完全な含浸並びに脱泡を行うことができるので、シート状複合材自体には、多少含浸の不十分な部分とか、気泡などが残留した形態でもよく、このため、加熱、加圧時間を適宜短縮して生産性を上げるようにしてもよい。このように、マット状のものを加熱、加圧してシート状複合材を製造する際の成形の程度は種々変更可能であり、使用目的に応じて適宜定めればよい。シート状複合材の空隙率は５％以下が好ましく、３％以下が一層好ましい。
【００３７】
短糸からなるマット状のものを加熱、加圧してシート状複合材を成形する方法としても公知の方法を適宜使用可能であり、例えば、熱プレスによりバッチ式で行う方法、ダブルベルトプレスを用いて連続的に行う方法、熱ロールにより連続的に行う方法等を挙げることができる。
【００３８】
本発明の第二の実施の形態によって製造されたシート状複合材を成形材料として使用する場合も、そのシート状複合材の中には補強繊維が均一に分散しており、且つ各補強繊維束が樹脂で囲まれているので、容易且つ敏速に成形して所望形状の成形品を得ることができ、しかも、得られる成形品における補強繊維の分散が均一で、高品質のものを得ることができる。更に、補強繊維の含有率の高い成形品を得ることもできる。
【００３９】
なお、このシート状複合材を成形材料として使用する場合、或いは第一の実施の形態において製造したマット状複合材を成形材料として使用する場合、単体で使用する場合に限らず、積層して使用することも可能であり、しかも、積層する際には、シート状複合材のみを、或いはマット状複合材のみを積層する場合に限らず、シート状複合材とマット状複合材を一緒に積層するとか、他の成形材料、例えば樹脂フイルム、シート状或いはマット状の補強材等と一緒に積層する等の変更を行ってもよい。
【００４０】
【実施例】
以下、実施例を挙げて、本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに何ら限定されるものではない。
【００４１】
〔実施例１〕
ガラス繊維束（５４０ｔｅｘ、１３μｍ×１６００本）にナイロン樹脂を被覆した樹脂被覆糸（ガラス繊維の体積含有率４５％、樹脂の含浸率約１０％）を作成し、これを平均繊維長２０ｍｍに切断して短糸とした。この短糸を８５０ｇ、プレス金型の平坦な凹部（長さ４００ｍｍ×幅４００ｍｍ×深さ３０ｍｍ）内に、手で均一となるように且つランダムに散布してマット状に堆積し、これを成形温度２７０°Ｃ、成形圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ2 、加圧時間１０分の条件で予備成形した。これにより、厚さ３ｍｍのシート状複合材を得た。
【００４２】
得られたシート状複合材は、表面が平滑で且つガラス繊維が確実に樹脂で覆われていた。このシート状複合材の断面を切断して顕微鏡で観察したところ、内部に気泡が残っているものの、ガラス繊維束内及びガラス繊維束同志の交点には確実に樹脂が含浸していた。更に、このシート状複合材におけるガラス繊維の体積含有率の場所によるばらつきを測定したところ、約±１．０％の範囲内に入っていた。
また、このシート状複合材を成形材料とし、これを二次加工した。すなわち、このシート状複合材を４００°Ｃの遠赤外ヒーターで３分間プレヒートし、半径５０ｍｍ、厚さ２ｍｍの１２０°Ｃに設定した凹凸金型に挿入し、半球を成形し、評価した。その結果を表１に示す。
【００４３】
〔比較例１〕
ガラス繊維束（５４０ｔｅｘ、１３μｍ×１６００本）にナイロン樹脂を被覆した樹脂被覆糸（ガラス繊維の体積含有率４５％、樹脂の含浸率約５０％）を作成し、これを平均繊維長２０ｍｍに切断して短糸とした。この短糸を８５０ｇ、プレス金型の平坦な凹部（長さ４００ｍｍ×幅４００ｍｍ×深さ３０ｍｍ）内に、手で均一となるように且つランダムに散布してマット状に堆積し、これを成形温度２７０°Ｃ、成形圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ2 、加圧時間１０分の条件で予備成形した。これにより、厚さ３ｍｍのシート状複合材を得た。
【００４４】
得られたシート状複合材は、実施例１の場合と同様に、表面が平滑で且つガラス繊維が確実に樹脂で覆われていた。このシート状複合材の断面を切断して顕微鏡で観察したところ、内部に気泡が残っているものの、ガラス繊維束内及びガラス繊維束同志の交点には確実に樹脂が含浸していた。更に、このシート状複合材におけるガラス繊維の体積含有率の場所によるばらつきは、約±１．０％の範囲内に入っていた。
また、このシート状複合材を成形材料とし、これを二次加工した。すなわち、このシート状複合材を４００°Ｃの遠赤外ヒーターで３分間プレヒートし、半径５０ｍｍ、厚さ２ｍｍの１２０°Ｃに設定した凹凸金型に挿入し、半球を成形し、評価した。その結果を表１に示す。
【００４５】
〔比較例２〕
ガラス繊維束（５４０ｔｅｘ、１３μｍ×１６００本）にナイロン樹脂を被覆した樹脂被覆糸（ガラス繊維の体積含有率４５％、樹脂の含浸率約７０％）を作成し、これを平均繊維長２０ｍｍに切断して短糸とした。この短糸を８５０ｇ、プレス金型の平坦な凹部（長さ４００ｍｍ×幅４００ｍｍ×深さ３０ｍｍ）内に、手で均一となるように且つランダムに散布してマット状に堆積し、これを成形温度２７０°Ｃ、成形圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ2 、加圧時間１０分の条件で予備成形した。これにより、厚さ３ｍｍのシート状複合材を得た。
【００４６】
得られたシート状複合材は、実施例１の場合と同様に、表面が平滑で且つガラス繊維が確実に樹脂で覆われていた。このシート状複合材の断面を切断して顕微鏡で観察したところ、内部に気泡が残っているものの、ガラス繊維束内及びガラス繊維束同志の交点には確実に樹脂が含浸していた。更に、このシート状複合材におけるガラス繊維の体積含有率の場所によるばらつきは、約±１．０％の範囲内に入っていた。
また、このシート状複合材を成形材料とし、これを二次加工した。すなわち、このシート状複合材を４００°Ｃの遠赤外ヒーターで３分間プレヒートし、半径５０ｍｍ、厚さ２ｍｍの１２０°Ｃに設定した凹凸金型に挿入し、半球を成形し、評価した。その結果を表１に示す。
【００４７】
〔比較例３〕
ガラス繊維束（５４０ｔｅｘ、１３μｍ×１６００本）にナイロン樹脂を被覆した樹脂被覆糸（ガラス繊維の体積含有率３０％、樹脂の含浸率約７０％）を作成し、これを平均繊維長２０ｍｍに切断して短糸とした。この短糸を７５０ｇ、プレス金型の平坦な凹部（長さ４００ｍｍ×幅４００ｍｍ×深さ３０ｍｍ）内に、手で均一となるように且つランダムに散布してマット状に堆積し、これを成形温度２７０°Ｃ、成形圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ2 、加圧時間１０分の条件で予備成形した。これにより、厚さ３ｍｍのシート状複合材を得た。
【００４８】
得られたシート状複合材は、実施例１の場合と同様に、表面が平滑で且つガラス繊維が確実に樹脂で覆われていた。このシート状複合材の断面を切断して顕微鏡で観察したところ、内部に気泡が残っているものの、ガラス繊維束内及びガラス繊維束同志の交点には確実に樹脂が含浸していた。更に、このシート状複合材におけるガラス繊維の体積含有率の場所によるばらつきは、約±１．０％の範囲内に入っていた。
また、このシート状複合材を成形材料とし、これを二次加工した。すなわち、シート状複合材を４００°Ｃの遠赤外ヒーターで３分間プレヒートし、半径５０ｍｍ、厚さ２ｍｍの１２０°Ｃに設定した凹凸金型に挿入し、半球を成形し、評価した。その結果を表１に示す。
【００４９】
〔実施例２〕
ガラス繊維束（５４０ｔｅｘ、１３μｍ×１６００本）にナイロン樹脂を被覆した樹脂被覆糸（ガラス繊維の体積含有率６０％、樹脂の含浸率約１０％）を作成し、これを平均繊維長２０ｍｍに切断して短糸とした。この短糸を９５０ｇ、プレス金型の平坦な凹部（長さ４００ｍｍ×幅４００ｍｍ×深さ３０ｍｍ）内に、手で均一となるように且つランダムに散布してマット状に堆積し、これを成形温度２７０°Ｃ、成形圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ2 、加圧時間１０分の条件で予備成形した。これにより、厚さ３ｍｍのシート状複合材を得た。
【００５０】
得られたシート状複合材は、表面が平滑で且つガラス繊維が確実に樹脂で覆われていた。このシート状複合材の断面を切断して顕微鏡で観察したところ、内部に気泡が残っているものの、ガラス繊維束内及びガラス繊維束同志の交点には確実に樹脂が含浸していた。更に、このシート状複合材におけるガラス繊維の体積含有率の場所によるばらつきは、約±１．０％の範囲内に入っていた。
また、このシート状複合材を成形材料とし、これを二次加工した。すなわち、このシート状複合材を４００°Ｃの遠赤外ヒーターで３分間プレヒートし、半径５０ｍｍ、厚さ２ｍｍの１２０°Ｃに設定した凹凸金型に挿入し、半球を成形し、評価した。その結果を表１に示す。
【００５１】
〔比較例４〕
ガラス繊維束（５４０ｔｅｘ、１３μｍ×１６００本）を平均繊維長２０ｍｍに切断したチョップドストランドと、ナイロン繊維束（６６０ｔｅｘ、２０μｍ×１５０本）を平均繊維長２０ｍｍに切断したチョップドストランドとを用意し、これをガラス繊維の体積含有率が４５％になるように混合しながら、トータルで８５０ｇを、プレス金型の平坦な凹部（長さ４００ｍｍ×幅４００ｍｍ×深さ４０ｍｍ）内に、手で均一となるように且つランダムに散布してマット状に堆積し、これを成形温度２７０°Ｃ、成形圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ2 、加圧時間１０分の条件で予備成形した。しかしながら、この場合にはガラス繊維に対する樹脂の含浸が少なく、シート状に成形できなかった。
【００５２】
〔比較例５〕
比較例４と同じガラス繊維のチョップドストランドと、ナイロン繊維のチョップドストランドとを、ガラス繊維の体積含有率が４５％になるように混合しながら、トータルで８５０ｇを、プレス金型の平坦な凹部（長さ４００ｍｍ×幅４００ｍｍ×深さ４０ｍｍ）内に、手で均一となるように且つランダムに散布してマット状に堆積し、これを成形温度２７０°Ｃ、成形圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ2 、加圧時間６０分の条件で予備成形した。これにより、厚さ３ｍｍのシート状複合材を得た。
【００５３】
得られたシート状複合材には、ガラス繊維と樹脂が局在化したところが多く見られた。このシート材の断面を切断して顕微鏡で観察したところ、気泡が多く存在しており、しかも、ガラス繊維束内及びガラス繊維束同志の交点に樹脂の含浸不良の部分が多く見られた。更に、このシート状複合材におけるガラス繊維の体積含有率の場所によるばらつきを測定したところ、約±６．０％もあった。
また、このシート状複合材を成形材料とし、これを二次加工した。すなわち、このシート状複合材を４００°Ｃの遠赤外ヒーターに３分間プレヒートし、半径５０ｍｍ、厚さ２ｍｍの１２０°Ｃに設定した凹凸金型に挿入し、半球を成形し、評価した。その結果を表１に示す。
【００５４】
【表１】
0003724067.tif 000002
【００５５】
なお、表１において、シート状複合材の製造における「ＧＦ分散」とは、短糸をランダムに散布して均一なマット状に堆積させる際の作業性を示しており、良好な側から、◎、〇、△、×の順番で示している。また、二次加工における「流動性」とは金型内部での複合材の流れを示すものであり、〇は良好を、×は不良を示している。「圧迫強度」は、成形品を押しつぶす時の押力で、ＪＩＳ  Ｔ８１０１に準じて測定している。外観も、〇は良好を、×は不良を示している。
【００５６】
上記した実施例１、２、比較例１〜５の説明及び表１から良く分かるように、実施例１、２では容易に短糸を均一に散布できたが、比較例１〜３では散布が若干困難であり、比較例５ではきわめて困難であった。これは、実施例１、２では短糸内における樹脂の含浸が少ないため、短糸に柔軟性があり、一方、比較例１〜３では樹脂の含浸が多いため、短糸が硬くなっており、この短糸の柔軟性が作業性に影響しているため、及び比較例５では、ガラス繊維のチョップドストランドが滑りにくいためであると思われる。また、シート状複合材におけるガラス繊維の体積含有率のばらつきは、実施例１、２及び比較例１〜３ではきわめて小さいが、比較例５ではかなり大きくなっている。これは、比較例５において、ガラス繊維のチョップドストランドとナイロン繊維のチョップドストランドとの混合がかなり不均一となっていたためと思われる。
【００５７】
二次加工の際の流動性は、比較例５ではきわめて劣っている。これは、シート状複合材内にガラス繊維同志が接触する交点が多数存在しており、この部分が滑らないので賦形性が悪くなったためと思われる。また、この比較例５のものは外観も悪くなっている。これに対し、実施例１、２及び比較例１〜３では、ガラス繊維に対する含浸が十分に行われているため、流動性が良く、良好な外観の成形品を得ることができると共に、その圧迫強度も大きくなっている。
【００５８】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明は、多数本の連続した補強繊維で形成された繊維束の外周に熱可塑性樹脂をコーティングして、熱可塑性樹脂の繊維束に対する含浸度が、繊維束のフィラメント総本数の断面積の１０％以下で且つその熱可塑性樹脂が前記繊維束の周方向の長さの９０％以上を覆った構成の樹脂被覆糸を作成し、これを短く切断して短糸とし、その短糸をランダムに散布、堆積させてマット状とし、且つその短糸同志の交点を接合させてマット状複合材を製造する構成したことにより、この樹脂被覆糸の短糸を散布、堆積させてマット状とする際のハンドリング性が良好であると共に、短糸を良好に且つ均一に分散させてマット状とすることができ、補強繊維が均一に分散され、補強繊維のコンテントむらが小さく、且つ補強繊維の樹脂に対する含有率が均一なマット状複合材を容易に製造できるという効果を有している。また、樹脂被覆糸における補強繊維の含有率を高めておくことにより、補強繊維の含有率の高いマット状複合材も容易に製造できるという効果も有している。
【００５９】
更に、この発明の方法で得られたマット状複合材は、補強繊維が樹脂被覆されているため、補強繊維が露出する部分はほとんどなく、このため、毛羽立ちやすくまた破損しやすいガラス繊維などを補強繊維として用いた場合でも、毛羽立ちや破損がなく、きわめて取り扱い易く、また、適度な柔軟性を有しているため型なじみ性が良い。しかも、このマット状複合材を加熱、加圧して成形することにより、溶融した樹脂で補強繊維を敏速に含浸でき、また、短糸の交点にも樹脂が始めから存在しているため、補強繊維同志の交点に含浸不良を生じるということがなく、このため、樹脂含浸が確実で且つ補強繊維の含有率及び分布が均一な、高強度、高品質の繊維補強熱可塑性樹脂成形品を生産性良く得ることができる。また、そのマット状複合材における補強繊維の含有率を高めておくことにより、例えば、補強繊維が体積含有率で８０％程度というような高含有率の繊維補強熱可塑性樹脂成形品を製造することも可能である。このように、本発明の製造方法によって得られたマット状複合材は、繊維補強熱可塑性樹脂成形品のための成形材料としてきわめて好適に使用できるという効果を有している。
【００６０】
また、本発明は、多数本の連続した補強繊維で形成された繊維束の外周に熱可塑性樹脂をコーティングして、熱可塑性樹脂の繊維束に対する含浸度が、繊維束のフィラメント総本数の断面積の１０％以下で且つその熱可塑性樹脂が前記繊維束の周方向の長さの９０％以上を覆った構成の樹脂被覆糸を作成し、これを短く切断して短糸とし、その短糸をランダムに散布、堆積させてマット状とし、その後、このマット状のものを加圧、加熱して、熱可塑性樹脂を溶融し、シート状複合材を製造するという構成としたことにより、この樹脂被覆糸の短糸を散布、堆積させてマット状とする際のハンドリング性が良好であると共に、樹脂中に補強繊維が均一に分散され且つ樹脂が補強繊維中に良好に含浸した繊維補強熱可塑性樹脂成形シートを生産性良く製造することができ、また、補強繊維の含有率をきわめて高くした成形シートを製造することもできるという効果を有している。また、本発明方法によって製造されたシート状複合材は、そのまま製品シートとして使用できる他、スタンパブルシート等の成形材料としても使用でき、成形材料として使用した時には、容易に、樹脂含浸が確実で且つ補強繊維の含有率及び分布が均一な、高強度、高品質の繊維補強熱可塑性樹脂成形品を生産性良く得ることができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施に用いる樹脂被覆糸を製造するためのコーティング装置の１例のクロスヘッドダイを示す概略断面図
【図２】  そのコーティング装置の概略側面図
【図３】  そのクロスヘッドダイの樹脂吐出部分の概略断面図
【図４】  図３のＡ−Ａ矢視図
【符号の説明】
１  繊維束
２  給糸装置
３  スクリュー式押出機
４  クロスヘッドダイ
５  樹脂被覆糸
６  熱可塑性樹脂冷却槽
７  巻取装置
１０  繊維用穴
１１  円筒状通路
１２  吐出口
１４  樹脂
【図１】
0003724067.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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