(57)【要約】【課題】  本発明は、熱可塑性樹脂と強化繊維とを含むチョップドＵＤテープを繊維配向が二次元ランダムになるようにシート状に積層した繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートの製造方法に関する。【解決手段】  熱可塑性樹脂と強化繊維とを含むチョップドＵＤテープを、チョップドＵＤテープに含まれる強化繊維の配向が二次元ランダムとなるように積層し、積層体とする工程、積層体を大気圧下で、加熱する工程、加熱後の積層体を１３０℃以下まで、冷却する工程、引き続き、加圧・加熱することで繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートとする工程を含む、繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートの製造方法により達成する。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性樹脂と強化繊維とを含むチョップドＵＤテープを、チョップドＵＤテープに含まれる強化繊維の配向が二次元ランダムとなるように積層し、積層体とする工程、
積層体を大気圧下で、加熱する工程、
加熱後の積層体を１３０℃以下まで、冷却する工程、
引き続き、加圧・加熱することで繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートとする工程を含む、繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートの製造方法。
【請求項２】
前記加圧・加熱することで繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートとする工程において、加熱した後の積層体を複数重ねて加圧・加熱する請求項１に記載の繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性樹脂と強化繊維とを含むチョップドＵＤテープを繊維配向が二次元ランダムになるようにシート状に積層した繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とした繊維強化熱可塑性樹脂プリプレグには、強化繊維の形態及びその配向性の面から次の様なものが存在する。強化繊維として非連続繊維を使用するものとして、プリプレグを短冊状にカットした（チョップドＵＤテープ）がある。これは、熱可塑性樹脂をマトリックスとしたプリプレグを、例えば、２５ｍｍから５０ｍｍ程度の繊維長に切断した小片状テープである。かかるテープは、成形時の流動性、例えばスタンピング成形時の流動性が良好であり、色々な複雑な形状の成形品を成形するのに適している（特許文献１〜３参照）。しかしながら成形時に、強化繊維を樹脂により流動化させる必要があることから、強化繊維の体積含有率を高くすることができないという問題がある。また、強化繊維の長さが短いために弾性率、強度などの物性は、連続繊維を使用したものに比べて劣るという問題点もある。
【０００３】
チョップドＵＤテープの繊維配向を二次元ランダムにシート状に積層した積層物は非常に嵩高いため、シート状に積層した堆積物から高い機械特性を有する繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートを得るためには、そのチョップドＵＤテープ間の空隙を抜く必要があった。また、チョップドＵＤテープの繊維配向を二次元ランダムにシート状に積層した堆積物は非常に嵩高いため、これらをバッチ式で製造する場合には金型の深さが深いものを使用する必要があり、厚い金型が必要であった。厚い金型は熱容量が大きいため、チョップドＵＤテープの繊維配向を二次元ランダムにシート状に積層したものを含む金型を加熱プレス後に冷却プレスする場合や急速加熱冷却システムを用いる場合に昇温時間や降温時間に長時間かかってしまうことがあった。
【０００４】
特許文献４によると、チョップドＵＤテープを一体化するために、超音波溶着機あるいは、樹脂の融点以上に温度を保持した針状突起物を、シート状の積層物の厚さ方向に貫通させる方法でシート状の積層物が１０ｃｍ２当たり１〜４００箇所を点溶着され一体化させることで、嵩高いチョップドストランドの積層体を薄くすることを示した。しかし、多数の超音波溶着装置を必要としたり、加熱した針状突起物を使用したりすることで、当該シートは高価なものとなり、さらに全体を安定して点溶着するのは難しいという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１５５８６２号公報
【特許文献２】特開平２−１４３８１０号公報
【特許文献３】特開平７−１６４４３９号公報
【特許文献４】特開２００７−２６２３６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明によれば、高価な装置や、大型の金型を用いることなしに、嵩高いチョップドストランドの積層体を薄くすることが可能となる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の要旨は、熱可塑性樹脂と強化繊維とを含むチョップドＵＤテープを、チョップドＵＤテープに含まれる強化繊維の配向が二次元ランダムとなるように積層し、積層体とする工程、
積層体を大気圧下で、赤外線ヒーターで加熱する工程、
引き続き、加圧・加熱することで繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートとする工程を含む、繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートの製造方法にある。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートの製造方法により得られる繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートは、チョップドＵＤテープを二次元ランダムにシート状に積層し、予め加熱することで、ランダムシートの厚みを減少させたランダムシートであるため、柔軟性があり取扱性に優れるものである。
【０００９】
また、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートの製造方法により得られる繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートは、ランダムシートの厚みを減少させたランダムシートであるため、従来のランダムシートの製造では、大型の金型を使用することが必要であったのに対して、大型の金型を必要とせずに繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートを製造できるため、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートは非常に安価に生産できる。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（チョップドＵＤテープ）
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートの製造方法により得られる繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートは、熱可塑性樹脂と強化繊維とを含むチョップドＵＤテープを用いることが必要である。チョップドＵＤテープは、熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とした一方向配列プリプレグを、例えば、１５ｍｍから１００ｍｍ程度の繊維長に切断した小片のプリプレグとして用いることができる。
【００１１】
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートの製造方法に用いることができるチョップドＵＤテープに含まれる熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミド、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリエーテルイミド、ポリアリーレンオキシド、熱可塑性ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、アクリロニトリルブタジエンスチレンなる群から選ばれた１種若しくは２種以上の樹脂等が挙げられる。また、用途によっては、一部熱硬化性樹脂と混合して用いることもできる。中でも、耐熱性、弾性率、耐薬品性に優れたポリアミド樹脂やアクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）樹脂が、特に好ましい。これらの熱可塑性樹脂には、通常用いられる着色剤や各種添加剤等が含まれていてもよい。
【００１２】
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートの製造方法に用いることができるチョップドＵＤテープは、強化繊維体積含有率（Ｖｆ）が２０〜５０％（熱可塑性樹脂の体積含有率が８０〜５０％）であることが好ましく、強化繊維体積含有率（Ｖｆ）は２０〜４５％（熱可塑性樹脂の体積含有率が８０〜５５％）であることが更に好ましい。チョップドＵＤテープの繊維軸方向の長さが１５〜１００ｍｍであるが、好ましくは１５〜７５ｍｍ、更に好ましくは２５〜５０ｍｍである。体積含有率、繊維長、厚さが前記条件を満足するものは、特に、十分な機械的物性の繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートとなるので好ましい。
【００１３】
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートの製造方法に用いることができる強化繊維としては、無機繊維、有機繊維、金属繊維またはそれらの混合からなる繊維である。無機繊維としては、炭素繊維、黒鉛繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、タングステンカーバイド繊維、ボロン繊維、ガラス繊維などが挙げられる。有機繊維としては、アラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、その他一般のナイロン、ポリエステル等の有機繊維が挙げられる。金属繊維としては、ステンレス、鉄等の繊維が使用可能であり、また金属を被覆した炭素繊維等もある。本発明において特に好ましいのは炭素繊維である。炭素繊維には、ポリアクリロニトリル(ＰＡＮ)系、石油・石炭ピッチ系、レーヨン系、リグニン系などがあるが、何れの炭素繊維も使用することができる。特に、ＰＡＮを原料としたＰＡＮ系炭素繊維で、１２，０００〜４８，０００フィラメントのストランド又はトウが、工業的規模における生産性及び機械的特性に優れており好ましい。
【００１４】
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートの製造方法に用いることができるチョップドＵＤテープは、例えば、強化繊維の繊維束を、厚さが０．１ｍｍ以下になるように開繊させ引き揃え、次いで開繊された繊維束に熱可塑性樹脂を繊維体積含有率（Ｖｆ）が２０〜５０％の範囲になるように付与することで形成された繊維強化プリプレグを長手方向に対し、所望の幅、長さで裁断することによって得ることもできる。好ましい巾は３０ｍｍ以下、繊維軸方向の長さは１５〜１００ｍｍ、好ましくは１５〜７５ｍｍである。
【００１５】
チョップドＵＤテープとする際の熱可塑性樹脂の付与方法は、特に限定されるものではなく、例えば、強化繊維のストランドに直接溶融した熱可塑性樹脂を含浸する方法や、フィルム状の熱可塑性樹脂を溶融して強化繊維のシートに含浸させる方法、粉体状の熱可塑性樹脂を溶融して強化繊維のシートに含浸させる方法などがある。樹脂を含浸した強化繊維のストランドの裁断の方法は特に限定されないが、ギロチン方式、コダック方式、ロータリー方式等のカッタ−が利用できる。
【００１６】
次に、得られたチョップドＵＤテープは、繊維配向が二次元ランダムになるようにシート状に均一に積層される。チョップドＵＤテープを、二次元ランダムにシート状に積層させる方法としては、例えば、定量フィーダーなどを用いつつ、チョップドＵＤテープを高い位置からベルトコンベア−などの上に自然落下させるなど公知の方法が使用できる。
【００１７】
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートは、こうして得られたチョップドＵＤテープのシート状の積層物を赤外線ヒーターや加熱盤、加熱ロール等の熱源により熱可塑製樹脂を融点以上まで加熱することによって、樹脂を軟化させて積層物の厚みを減少させることで、チョップドＵＤテープどうしがバラバラにならずに接着するため取扱性が良好になる。また、つづく工程で実施するプレスに使用する金型の厚みが薄くできるため、金型を含めた加熱及び冷却時間を短くすることができる。
【００１８】
樹脂を軟化させて積層物の厚みを減少させた際のランダムシートの目付けは１０００〜２５００ｇ／ｍ２であることが好ましい。１０００ｇ／ｍ２以上の場合はシート状の積層物に隙間が発生しないためであり、２５００ｇ／ｍ２以下の場合は仮止めランダムシートの厚み方向に均一に加熱することができる。
【００１９】
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートの製造方法においては、赤外線ヒーター及び加熱盤の設定温度を、熱可塑性樹脂が結晶性高分子の場合、融点＋５０〜１５０℃とすることが好ましい。設定温度を融点＋５０℃以上とする場合は、ランダムシートの加熱時間を短くすることができる。また設定温度を融点＋１５０℃以下とした場合は熱可塑製樹脂の熱分解を抑制することができるので好ましい。熱可塑性樹脂が非晶性高分子の場合、ガラス転移温度に対して、＋１００〜２００℃と設定することが好ましい。設定温度をガラス転移温度に対して＋１００℃以上とする場合は、ランダムシートの加熱時間を短くすることができる。また設定温度をガラス転移温度に対して＋２００℃以下とする場合は熱可塑製樹脂の熱分解を抑制することができるので好ましい。
【００２０】
本発明の繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートの製造方法により得られた繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートは、様々なＦＲＰ成形品を製造するための中間素材として用いることができる。本発明の繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートを使用したＦＲＰ成形品の成形方法は、特に限定されるものではなく、前記繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートを一枚または複数枚積層し、金型プレス法、オートクレーブ法、熱間・冷間プレス法等で成形して成形品とすることができる。
【実施例】
【００２１】
以下、実施例により、本発明を詳述する。
（実施例１）
炭素繊維（三菱レイヨン社製、製品名；ＴＲ５０Ｓ、１０００ｔｅｘ、１５，０００本のストランド）を使用し、長繊維を一方向に配向した目付１００ｇ／ｍ２の炭素繊維シート状物の両面に、ＰＰ製のフィルム（三菱化学製、製品名：Ｐ９５８、目付３６．４ｇ／ｍ２）を重ね、２３０〜２６０℃に加熱して、ＰＰ製のフィルムをシート状物に溶融含浸させプリプレグを作製した。得られたプリプレグの厚さは０．１３〜０．１４ｍｍであった。繊維体積分率は４０％であった。
【００２２】
上記で得られた樹脂含浸シート状物を、幅１５ｍｍにスリットした後、ギロチン方式の裁断機を用いて、長さ２５ｍｍに裁断してチョップドＵＤテープを作製した。得られたチョップドＵＤテープをアルミ板の上に自然落下させ、プリプレグの繊維配向が二次元ランダムになるよう積層した。積層体のプリプレグ目付けが１２７０ｇ／ｍ２となるように積層した場合、積層体の嵩高さは約６〜７ｍｍであった。
【００２３】
得られた積層体を、遠赤外線ヒーター（日本ガイシ製、製品名：インフラスタインヒーターＡＳ）によって２７０℃設定で５分加熱すると、樹脂が溶融し、厚みが減少し、厚み約２〜３ｍｍとなった。加熱した後のランダムシートは柔軟性に優れ取扱性の良いものであった。
【００２４】
加熱した後で得られた繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートを、２枚重ねて深さ１６．５ｍｍの印籠形状の鋼材型に入れ、加熱冷却二段式プレス（神藤金属工業所製、５０トンプレス）を用いて加熱盤温度２２０℃、２ＭＰａ、７分で加熱プレス後、冷却盤温度３０℃、２ＭＰａ、４分で冷却プレスを実施し、厚さが約２ｍｍの繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートを取り出した。作製した繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートは外観上にもチョップドＵＤテープの形状が保持されたものであった。
【００２５】
（比較例１）
実施例１と同様の方法で、作製したチョップドＵＤテープを印籠形状の鋼材型に繊維配向が二次元ランダムになるように、目付けが２５４０ｇ／ｍ２となるようにシート状に積層した。赤外線ヒーターで加熱せずに実施例１と同様の方法で加熱プレス及び冷却プレスを実施したところ、作製した繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートはチョップドＵＤテープの形状が曲がったものやチョップドＵＤテープの形状が保持されていないものであった。
【００２６】
（実施例２）
実施例１と同様の方法で作製したチョップドＵＤテープからなる仮止めランダムシートを４枚重ねて、実施例１と同様の方法で厚さが約４ｍｍの繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートを作製した。作製した繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートは外観上にもチョップドストランドの形状が保持されたものであった。
【００２７】
（比較例２）
実施例１と同様の方法で、作製したチョップドＵＤテープを印籠形状の鋼材型に繊維配向が二次元ランダムになるように、５０８０ｇ／ｍ２となるようにシート状に積層し、厚さが約４ｍｍの繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートを得ようと試みたが、積層体が嵩高くなり、深さ１６．５ｍｍの印籠形状の金型に積層することができなかった。
【００２８】
以上のように本発明は熱可塑性樹脂と強化繊維とからなるチョップドＵＤテープであって、繊維配向が二次元ランダムにシート状に積層し、予め加熱して厚みを減少させた仮止めランダムシートを作製した後に、それらを一枚または複数枚重ねて加圧一体化して作製した繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートであるが、これにより厚みの厚い繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートや仮止めランダムシート化により取扱性が良いため大きなサイズの繊維強化熱可塑性樹脂ランダムシートを製造しやすいと想定できる。よって本発明は産業的に有用であると言える。
【００２９】
【表１】
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