(57)【要約】 【課題】  大判の積層物の製造方法において、その過程での作業性、取扱い性及び積層物の流動性、成形性、物性を向上させた方法を提供する。【解決手段】  複数の一方向に配向した強化繊維と熱可塑性樹脂とからなるプリプレグ層がランダムな方向に配向して一体化されている平板状の積層基材であって、前記プリプレグ層に、繊維を横切る方向に繊維を切断する深さの切込を有しており、前記切込の切込幅（繊維長）と切込長の積が、２２０ｍｍ×ｍｍ以上、１５０００ｍｍ×ｍｍ未満であり、平板の一辺が１００ｃｍ以上で面積６，０００ｃｍ２であることを特徴とする大判の積層基材及び積層物の製造方法。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維と熱可塑性樹脂を含む一方向プリプレグが、ランダムな方向に配向するように積層された平板状の積層基材であって、
前記一方向プリプレグは、強化繊維を横切る方向に強化繊維を切断する深さの切込を有し、前記切込の幅と前記切断された強化繊維長さの積が、２２０ｍｍ２以上、１５０００ｍｍ２未満であり、
平板状の積層基材の一辺の長さが１００ｃｍ以上で、面積６０００ｃｍ２である積層基材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大型での成形を可能とし、成形後の部品が、構造材に適用可能な優れた力学物性、低バラツキ性を有し、スタンピング成形時の複雑な形状への賦形性に優れ、短時間で成形可能であることを特徴とする中間基材、およびその製造方法に関する。さらに詳しくは、リブ，ボス等の３次元形状の成形に容易に追随し、構造部材として機械強度を維持し、例えば航空機部材、自動車部材、スポーツ用具等に好適に用いられる繊維強化プラスチックの中間基材である積層基材、およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化熱可塑性プラスチックの成形方法としては、プリプレグと称される連続した強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸せしめた中間基材を積層し、プレス等で加熱加圧することにより目的の形状に賦形するスタンピング成形が最も一般的に行われている。これにより得られた繊維強化プラスチックは、連続繊維であるゆえに優れた力学物性を有する。また連続繊維は規則的な配列であるため、基材の配置により必要とする力学物性に設計することが可能であり、力学物性のバラツキも小さい。しかしながら、連続繊維であるゆえに３次元形状等の複雑な形状を形成することは難しく、主として平面形状に近い部材に限られる。
【０００３】
また、近年では生産効率の向上を目的に強化繊維を直接成形機のスクリュー部に送り込み、繊維の切断と分散を同時に行い、その後連続して射出成形や押出成形を行うＬＦＴ−Ｄ成形も行われている。この方法によると強化繊維は適当な長さに切断されているため流動が容易であり３次元形状等の複雑な形状にも追従可能となる。しかしながら、ＬＦＴ−Ｄはその切断および分散工程において繊維長のムラや繊維分布のムラを生じてしまうために、力学物性が低下し、あるいはその値のバラツキが大きくなってしまうという問題があった。
【０００４】
上述のような材料の欠点を埋めるべく、連続繊維と熱可塑性樹脂からなるプリプレグに切込を入れることにより、短時間成形が可能であり、成形時には優れた賦形性を示し、繊維強化プラスチックとしたときに優れた力学物性を発現するとされる基材が開示されている。（特許文献１）しかしながらＬＦＴ−Ｄと比較すると力学特性は高く、かつそのバラツキが小さくなるものの、構造材として適用するには十分な強度とは言えなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６３−２４７０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記のような従来技術に伴う問題点を解決しようとするものであって、構造材に適用可能な曲げ強度や引張弾性率など優れた力学物性、その低バラツキ性を持ち、複雑な形状への賦形性に優れて短時間成形可能である中間基材、およびその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、強化繊維と熱可塑性樹脂を含む一方向プリプレグが、それぞれ任意の方向に配向するように積層された平板状の積層基材であって、前記一方向プリプレグは、強化繊維を横切る方向に強化繊維を切断する深さの切込を有し、前記切込の幅と前記切断された強化繊維長さの積が、２２０ｍｍ２以上、１５０００ｍｍ２未満であり、平板状の積層基材の一辺の長さが１００ｃｍ以上で、面積６０００ｃｍ２である積層基材である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、構造材に適用可能な曲げ強度や引張弾性率など優れた力学物性、その低バラツキ性を持ち、複雑な形状への賦形性に優れて短時間成形可能なである大判の中間基材、およびその製造方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１の切込プリプレグを示す図である。
【図２】切り込み線が曲線の場合の切込プリプレレグの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の積層基材に用いることができるプリプレグとしては、一方向に配向した強化繊維と熱可塑性樹脂を含むプリプレグに、特定のパターンで切込を施したプリプレグを、積層厚み方向に繊維長を変化させ積層し、溶着もしくは加熱加圧する積層基材である。
【００１１】
切込みの施されたプリプレグに含まれる強化繊維の長さは長いほど力学特性に優れるものの、スタンピング成形時の流動性は低下する。そのため強化繊維の長さは、強度発現部と流動部に応じて所定の長さにする必要がある。ここでいう強度発現部とは平板形状に近い部分でかつ最外層に近い部分のことをいう。また流動部とはリブやボスなど複雑な３次元形状部のことでこちらも最外層に近い部分である。
【００１２】
切込みの施されたプリプレグに含まれる強化繊維の長さは力学特性から５ｍｍ以上、好ましくは１０ｍｍ以上、２０ｍｍ以上がより好ましい。またリブなど複雑な３次元形状への流動性から考えると１００ｍｍ以下、好ましくは６０ｍｍ以下、３０ｍｍ以下がより好ましい。以上のことから切込みの施されたプリプレグに含まれる強化繊維の長さは５ｍｍ以上、１００ｍｍ以下が好ましく、積層基材内の高強度部，流動部がこの範囲で繊維長分布を持つことが好ましい。
【００１３】
また切込プリプレグを複数枚、積層した積層基材は、あらかじめ切込により繊維長を調整したプリプレグを適切に積層できるので、上記の厚み方向に強化繊維の長さを変えることが可能となる。
【００１４】
切り込みの形状は直線であっても、折れ線であっても、曲線であっても良い。但し切り込み線は、１本の切り込み線中において強化繊維を横切る方向が逆転しないことが必要である。切り込みの幅は１本の切り込み線の強化繊維に垂直な面への投影線の長さとして定義され、積層基材を作成する際の作業性、取り扱い性から３５０ｍｍ以下、好ましくは１８０ｍｍ以下、３５ｍｍ以下がより好ましい。
【００１５】
切込プリプレグに含まれる強化繊維の配列する方向と、切り込み線とがなす角度（切り込み線が折れ線の場合は折れ線中の各線分とがなす角度。切り込み線が曲線の場合は曲線各部位における接線とがなす角度。以下総称して切込角度という。）にも特に制限があるわけではないが、製造時間の短縮は製造コストの削減から、切込角度の絶対値は大きいほど良い。切込角度の絶対値は３０°以上が好ましく，さらには４５°以上が好ましい。
【００１６】
本発明の積層基材に用いることができるプリプレグに用いるマトリックス樹脂は、熱可塑性樹脂を用いることが望ましい。すなわち、不連続な強化繊維を用いた繊維強化プラスチックの場合、繊維端部同士を連結するように破壊するため、一般的に熱硬化性樹脂よりも靱性値が高い熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂として用いることで、強度、特に衝撃性が向上する。さらに熱可塑性樹脂は化学反応を伴うことなく冷却固化して形状を決定するので、短時間成形が可能であり、生産性に優れる。
【００１７】
本発明の積層基材に用いることができるプリプレグの厚みは２００μｍより大きくても良い流動性を得ることができるが、本発明に係るプリプレグはその切込部において強化繊維がプリプレグ厚み全体にわたって分断されるため、プリプレグ厚みが大きければ大きいほど強度が低下する傾向があり、構造材に適用することを前提とするならば、２００μｍ以下とするのが良い。一方厚みが５０μｍ未満ではプリプレグの取り扱いが難しく積層基材を構成するプリプレグが非常に多くなり生産性が著しく悪化する。よって生産性の観点から５０μｍ以上２００μｍ以下であるのが良く、１００μｍ以上１５０μｍ以下がより良い。
【００１８】
本発明の積層基材に用いることができるプリプレグに含まれる強化繊維の体積含有率Ｖｆは５０％以下で十分な流動性を得ることができる。Ｖｆが低いほど流動性は向上するが、Ｖｆが２０％未満では構造材に必要な力学特性は得られない。流動性と力学特性の関係を鑑みると、２０％以上５０％以下が好ましく、３０％以上４０％以下がより好ましく。
【００１９】
本発明の積層基材に用いることができる強化繊維の種類は特に限定されず、無機繊維、有機繊維、金属繊維、またはこれらを組み合わせたハイブリッド構成の繊維を用いることができる。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繊維、ポリエステルなどが挙げられる。金属繊維としては、ステンレス、鉄等の繊維が挙げられる。また金属を被覆した炭素繊維でもよい。これらの中では、最終成形物の強度等の機械特性を考慮すると、炭素繊維が好ましい。また、強化繊維の平均繊維直径は、１〜５０μｍであることが好ましく、５〜２０μｍであることがより好ましい。
【００２０】
本発明の積層基材に用いることができる熱可塑性樹脂としては、ポリアミド（ナイロン６、ナイロン６６等）、ポリオレフィン（ポリエチレン、ポリプロピレン等）、変性ポリオレフィン（酸変性ポリプロピレン等）、ポリエステル（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）、ポリカーボネート、ポリアミドイミド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリスチレン、ＡＢＳ、ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリエステルや、アクリロニトリルとスチレンの共重合体、ナイロン６とナイロン６６との共重合ナイロンのように共重合等が挙げられる。これらは、一種単独で、または二種以上を併用して用いることができる。中でも、低温での成形性の観点からポリプロピレン、特に炭素繊維との付着性の観点から酸変性ポリプロピレンが好ましく、高温での力学特性の観点からポリアミドが好ましい。
【００２１】
また、得たい成形品の要求特性に応じて、難燃剤、耐候性改良剤、その他酸化防止剤、熱安定剤、紫外線吸収剤、可塑剤、滑剤、着色剤、相溶化剤、導電性フィラー等を加えても良い。
【００２２】
以下に本発明の積層基材の製造方法の一態様を説明するが、本発明はこれによって特に制限されるものではない。
まず、上述した熱可塑性樹脂の形態として例えばフィルム状のものを二層分準備し、その二層の間に上述した繊維束で構成される繊維シートを挟み込み、加熱及び加圧を行う工程を経て積層体とする。より具体的には、対を形成する熱可塑性樹脂フィルムを送り出す２つのロールから二層分のフィルムを送り出すとともに、繊維シートのロールから供給される繊維シートをその層間に挟み込ませ、熱可塑性樹脂フィルム−繊維シート−熱可塑性樹脂フィルムの三層構造、いわゆるサンドイッチ構造が構成された後に、加熱及び加圧する。加熱及び加圧する手段としては、公知のものを用いることができ、二個以上の熱ロールを利用したり、予熱装置と熱ロールの対を複数使用したりするなどの多段階の工程を要するものであってもよい。ここで、熱可塑性樹脂からなる層は一層である必要はなく、繊維シートを挟む熱可塑性樹脂とは別の種類の熱可塑性樹脂からなるフィルムを、上記のような装置を用いてさらに積層させてもよい。加熱温度は、熱可塑性樹脂の種類にもよるが、通常、１００〜４００℃が好ましい。一方、加圧時の圧力は、通常０．１〜１０ＭＰａであることが好ましい。
【００２３】
上記のような操作を経ることで、強化繊維と強化繊維との空隙に、熱可塑性樹脂が含浸され、熱可塑性樹脂含浸繊維プリプレグとなる。このような熱可塑性樹脂含浸繊維プリプレグは、市販されているものを用いてもよい。
【００２４】
このようにして得た繊維強化熱可塑性樹脂プリプレグを、例えばレーザーマーカー、カッティングプロッター、抜型等を利用して切込を入れ、本発明にかかる切込プリプレグを得ることができる。
【００２５】
本発明にかかるプリプレグにおいて繊維体積含有率（Ｖｆ）は、積層基材の流動性の向上と破壊強度を大きくする観点から１０〜５０％であることが好ましく、より好ましくは２０〜４０％である。かかるＶｆ値は、ＪＩＳ  Ｋ７０７５に基づき測定できる。
【００２６】
次工程では、上記のようにして得た切込プリプレグを疑似等方積層、０°／９０°交互積層、ランダム積層など任意の積層構成になるように積層して積層物を作成する。この際、超音波溶着機で隣接する層をなす切込プリプレグをスポット溶接しながら積層することで積層基材とすることもできる。
【００２７】
上記積層物ないしスポット溶接をしながら積層することによって得られた積層基材においては、プリプレグの積層数が８〜９６層となることが好ましい。
【００２８】
次工程では、上記のようにして得た積層物を加熱及び加圧（ホットスタンピング）して一体化した積層基材を成形する。この工程は、通常の装置、例えば加熱プレス機を用いて行うことができ、その際に用いる型については、所望の形状を有するものを用いることができる。型の材質についても、繊維強化熱可塑性樹脂シートのホットスタンピング成形で通常用いられるものを採用することができ、金属製のいわゆる金型を用いることができる。具体的に本工程は、例えば前記積層物を型内に配置して、加熱及び加圧することにより行うことができる。加熱においては、前記熱可塑性樹脂の種類にもよるが、通常１００〜４００℃、好ましくは１５０〜３５０℃で加熱する。さらに予備加熱を行ってもよい。予備加熱については、前記プリプレグに用いられている熱可塑性樹脂の種類にもよるが、通常１５０〜４００℃、好ましくは２００〜３８０℃で加熱する。
【００２９】
前記加圧において積層物にかける圧力としては、好ましくは０．１〜１０．０ＭＰａであり、より好ましくは０．２〜２．０ＭＰａである。この圧力については、プレス力を積層物の初期面積で除した値とする。また、加熱・加圧する時間は、通常０．１〜３０分間、好ましくは０．５〜１０分間であることが好ましく。また、加熱及び加圧の後に設ける冷却時間は、通常０．５〜３０分間であることがさらに好ましい。上記ホットスタンピング成形を経た積層基材の厚さは、通常０．５〜１０ｍｍとなる。
【００３０】
なお、前記加熱及び加圧は、型と上記積層物との間に潤滑剤が存在する条件下で行ってもよい。潤滑剤の作用により、前記加熱及び加圧時に上記積層物を構成する積層基材内の繊維の流動性が高まるため、繊維束内への熱可塑性樹脂の含浸を高まるとともに、得られる積層基材において繊維内及び繊維と熱可塑性樹脂の間におけるボイドを低減させることができるからである。このような潤滑剤としては、例えばシリコーン系潤滑剤やフッ素系潤滑剤を用いることができる。また、これらの混合物を用いてもよい。シリコーン系潤滑剤としては、高温環境で用いることができる耐熱性のものが好ましく用いられる。より具体的には、メチルフェニルシリコーンオイルやジメチルシリコーンオイルのようなシリコーンオイルを挙げることができ、市販されているものを好ましく用いることができる。
フッ素系潤滑剤としては、高温環境で用いることができる耐熱性のものが好ましく用いられる。そのようなものの具体例としては、パーフルオロポリエーテルオイルや三フッ化塩化エチレンの低重合物（重量平均分子量５００〜１３００）のようなフッ素オイルを用いることができる。
【００３１】
上記潤滑剤は、上記積層物の片側若しくは両側の表面上、前記金型の片側もしくは両側の表面上または上記積層基材及び金型の双方の片側若しくは両側の表面上に、潤滑剤塗布装置などの適当な手段によって供給されてもよいし、予め金型の表面上に塗布しておいてもよい。上記の態様の中では、上記プリプレグの両側の表面に潤滑剤が供給される態様が好ましい。
【実施例】
【００３２】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。本実施例及び比較例における各物性の測定及び評価は以下の方法で行った。
（作業性）
プリプレグ基材をカッティングプロッター（レザック社製、製品名：Ｌ−２５００カッティングプロッター）を用いて強化繊維と直角方向に一定間隔で切込を入れるのに要した時間を測定した。評価の判定は以下の基準で行った。
「◎」：１ｍ２あたりの作業時間４００秒未満。
「○」：１ｍ２あたりの作業時間４００秒以上８００秒未満。
「×」：１ｍ２あたりの作業時間８００秒以上。
【００３３】
（取り扱い性）
カッティングプロッターにて切り込みを施した、それぞれのサイズのプリプレグを積層する際の取り扱い性を作業者の感覚にて評価した。評価の判定は以下の基準で行った。
「○」：取り扱い易い。
「×」：取り扱い難い。
【００３４】
（流動性）
一体化された積層基材より５２ｍｍ×５２ｍｍの板状物を２枚切り出した。その板状物を２枚重ねて、東洋精機製ミニテストプレスＭＰ−２ＦＨにて２３０℃まで加熱後に同様のプレス機で１４５℃プレス温度、油圧２ＭＰａで１分間プレスした。プレス成形前後での厚みを測定し、プレス成形前の厚みをプレス成形後の厚みで除すことにより流動性の評価とし、３段階で評価した。
「○」：３以上。
「△」：２以上３未満。
「×」：２未満。
【００３５】
（物性）
一体化された積層基材より、長さ１００ｍｍ，幅２５ｍｍの曲げ強度試験片を切り出した。ＪＩＳ  Ｋ−７０７４に規定する試験方法に従い、標点間距離を８０ｍｍとし、クロスヘッド速度５．０ｍｍ／分で３点曲げ試験を行った。試験機としてはインストロン万能試験機４４６５型を用いた。測定した試験片の数はｎ＝６とし、平均値の曲げ強度の値を物性の評価とし、３段階で評価した。
「○」：３００ＭＰａ以上。
「△」：２００ＭＰａ以上３００ＭＰａ未満。
「×」：２００ＭＰａ未満。
【００３６】
（判定（総合））
各評価結果を総合して、以下の基準で総合判定を行った。
「◎」：全ての評価結果が○以上である。
「○」：全ての評価結果に×はないが、△のものがある。
「×」：評価結果に×であるものがある。
【００３７】
（実施例１）
一方向に炭素繊維（三菱レイヨン製、製品名：パイロフィル（登録商標）ＴＲ−５０Ｓ１５Ｌ）を平面状に引き揃えて目付が７２ｇ／ｍ２となる繊維シートとし、繊維シートの両面から、酸変性ポリプロピレン樹脂（三菱化学製、商品名：モディック（登録商標）Ｐ９５８）からなる目付が２７ｇ／ｍ２のフィルムを挟み、カレンダロールを複数回通して加熱と加圧より、樹脂を繊維シートに含浸し、繊維体積含有率Ｖｆ４０％、厚み０．１０ｍｍのプリプレグ基材を作成した。
【００３８】
このプリプレグ基材をカッティングプロッター（レザック社製、製品名：Ｌ−２５００カッティングプロッター）を用いて図１に示すように繊維と４５度の角度をなす方向に、切断された繊維の長さが一定となるよう一定間隔で切込を入れ、規定のサイズに切り出した。切り出した切込プリプレグを２４層疑似等方（［０°／４５°／９０°／−４５°］３Ｓ）に重ねつつ、超音波溶着機（日本エマソン社製、製品名：２０００ＬＰｔ）でスポット溶接して、一体化して平板状の積層基材を作成した。この平板状の積層基材を印籠金型内に配置して加熱し多段プレス機で２００℃に加熱したのち，油圧５ＭＰａの圧力で７分間保持後、同一の圧力で室温まで冷却した。
【００３９】
（実施例２〜１０、比較例１〜３）
実施例１と同様に、表１、２に示す切込の幅、繊維長、サイズで作成し同様の作業及び評価を行い、その結果は表１に示した。
実施例１〜１０の切込プリプレグは、作業性、取り扱い性に優れる。また、得られる積層基材は、流動性、物性に優れている。比較例１は作業性が劣っていた。比較例２は、取り扱い性が劣っていた。比較例３は、切込のない連続繊維であることから流動性が劣っていた。
【００４０】
【表１】
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【００４１】
【表２】
2014172267.tif 000004
【符号の説明】
【００４２】
１・・・・・強化繊維
２・・・・・切込
３・・・・・繊維長
４・・・・・切込の幅
【図１】
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【図２】
2014172267.tif 000006