(57)【要約】平均繊維長３ｍｍ以上１００ｍｍ以下の炭素繊維１００質量部に３〜１０００質量部の熱可塑性樹脂が固着し、空孔率が７ｖｏｌ％超過１００ｖｏｌ％未満となっている複合基材。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均繊維長３ｍｍ以上１００ｍｍ以下の炭素繊維１００質量部に３〜１０００質量部の熱可塑性樹脂が固着し、空孔率が７ｖｏｌ％超過１００ｖｏｌ％未満となっている複合基材。
【請求項２】
炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが複合されたマット状物を、加熱および加圧することにより得られる複合基材であって、１回の加熱および加圧における空孔率の減少が４０ｖｏｌ％を超えることなく加熱および加圧することにより得られる請求項１記載の複合基材
【請求項３】
炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが複合されたマット状物を、加熱および加圧することにより得られる複合基材であって、空孔率６０ｖｏｌ％以上の複合基材を得てから、更に該複合基材を、１回の加熱および加圧における空孔率の減少が２０ｖｏｌ％を超えることがないように加熱および加圧することにより得られる、空孔率が７ｖｏｌ％超過８０ｖｏｌ％未満である請求項１または２に記載の複合基材。
【請求項４】
炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが複合されたマット状物を、加熱および加圧することにより得られる複合基材であって、空孔率４０ｖｏｌ％以上６０ｖｏｌ％未満の複合基材を得てから、更に該複合基材を、１回の加熱および加圧における空孔率の減少が３０ｖｏｌ％を超えることがないように加熱および加圧することにより得られる、空孔率が７ｖｏｌ％超過８０ｖｏｌ％未満である請求項１〜３のいずれかに記載の複合基材。
【請求項５】
炭素繊維が、幅５ｍｍ以下であり、幅に対して厚みが１／２以下である請求項１〜４のいずれかに記載の複合基材
【請求項６】
炭素繊維中、下記式（１）で定義される臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ａ）が存在する請求項１〜５のいずれかに記載の複合基材。
臨界単糸数＝６００／Ｄ      （１）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である。）
【請求項７】
上記複合基材に含まれる炭素繊維全量のうち、上記炭素繊維束（Ａ）の割合が０ｖｏｌ％超９９ｖｏｌ％未満である請求項６に記載の複合基材。
【請求項８】
上記炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（２）を満たす請求項６または７に記載の複合基材。
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜２×１０５／Ｄ２      （２）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である。）
【請求項９】
炭素繊維が２次元ランダム配向したマット状物となっている請求項１〜８のいずれかに記載の複合基材。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の複合基材を、加圧することによって得られる複合材料。
【請求項１１】
空孔率が０Ｖｏｌ％以上７Ｖｏｌ％以下である請求項１０に記載の複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性樹脂をマトリクスとした炭素繊維強化複合材料、ここでは成形に直接用いられる前駆体を意味する、の中間体である複合基材に関するものであって、面内方向において特定の方向に配向しておらず面内等方性および機械特性に優れた炭素繊維強化複合材料の生産に好適であり、ハンドリング性および面内等方性に優れた複合基材を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属材料が用いられていた用途において、金属材料の代わりに、繊維強化複合材料、特に、炭素繊維、アラミド繊維、またはガラス繊維等の強化繊維と、樹脂とを含む繊維強化複合材料を用いて、当該用途で必要な機械物性および生産性を維持したまま、軽量化を達成することが重要な技術課題となっている。
繊維強化複合材料の機械物性を向上させる手段としては、連続繊維の使用や繊維体積含有率（Ｖｆ）を高くする事が知られている。繊維強化複合材料に連続繊維を使用した場合、Ｖｆの増加による機械物性向上は見込めるが、一般的に連続繊維を用いた織物や一方向性材料等は、繊維の持つ異方性から、例えば０度／＋４５度／−４５度／９０度等の様に、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り、生産性が低くなるという問題があった。一方、カット繊維のマット状物から得られる繊維強化複合材料の場合、３次元方向の繊維が存在する、または、繊維の交絡が多いなどの理由により、繊維体積含有率を高くすることが困難であった。また強化繊維複合材料の強化繊維として、カット繊維のマット状物を用いた場合は連続繊維を用いた場合と比較して繊維が不連続であるため、強化繊維の強度を十分に発現させる事が困難であり、成形物にした後の強化繊維の強度発現率として、理論値に対し５０％以下になってしまうという問題があった。例えば、非特許文献１には、熱硬化性樹脂をマトリクスとした炭素繊維のマットから得られる強化繊維複合材料が挙げられている。かかる強化繊維複合材料の強度発現率は理論値に対し４４％程度である。
また、従来提案されてきた熱硬化性樹脂をマトリックスとした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中間基材を、オートクレーブを用いて、場合によっては２時間以上加熱・加圧する事により得られる。あるいは、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（特許文献１）。
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複合材料、特に、強化繊維として炭素繊維を用いた複合材料（炭素繊維強化複合材料）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。また、炭素繊維強化複合材料として、炭素繊維が面内で特定の方向に配向していない、面内等方性を有するものが好ましいことが知られているが、炭素繊維のマット等に熱可塑性樹脂を含浸させて複合材料とする際に、溶融状態の熱可塑性樹脂は高粘度のため、これを含浸させるため高い圧力を要し、成形時と同様に繊維および樹脂の流動に起因した繊維配向の乱れが生じて、面内等方性の維持が困難となるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−６８７２０号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｐａｒｔ  Ａ、  ３８（２００７）７５５〜７７０頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、面内方向において特定の方向に配向しておらず面内等方性および機械特性に優れた、熱可塑性樹脂をマトリクスとした炭素繊維強化複合材料の生産に好適であり、ハンドリング性および面内等方性に優れた複合基材を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を行い、直接成形に用いられる成形材料である前駆体（繊維強化複合材料）の、更に前の段階の中間体に着目し、炭素繊維と熱可塑性樹脂からなり、特定の空孔率を有する複合基材が、炭素繊維強化複合材料の中間体として好適であることを見い出し、本発明を完成させた。本発明の構成を以下に示す。
［１］  平均繊維長３ｍｍ以上１００ｍｍ以下の炭素繊維１００質量部に３〜１０００質量部の熱可塑性樹脂が固着し、空孔率が７ｖｏｌ％超過１００ｖｏｌ％未満となっている複合基材。
［２］  炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが複合されたマット状物を、加熱および加圧することにより得られる複合基材であって、１回の加熱および加圧における空孔率の減少が４０ｖｏｌ％を超えることなく加熱および加圧することにより得られる上記項［１］記載の複合基材。
［３］  炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが複合されたマット状物を、加熱および加圧することにより得られる複合基材であって、空孔率６０ｖｏｌ％以上の複合基材を得てから、更に該複合基材を、１回の加熱および加圧における空孔率の減少が２０ｖｏｌ％を超えることがないように加熱および加圧することにより得られる、空孔率が７ｖｏｌ％超過８０ｖｏｌ％未満である上記項［１］または［２］に記載の複合基材。
［４］  炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが複合されたマット状物を、加熱および加圧することにより得られる複合基材であって、空孔率４０ｖｏｌ％以上６０ｖｏｌ％未満の複合基材を得てから、更に該複合基材を、１回の加熱および加圧における空孔率の減少が３０ｖｏｌ％を超えることがないように加熱および加圧することにより得られる、空孔率が７ｖｏｌ％超過８０ｖｏｌ％未満である上記項［１］〜［３］のいずれかに記載の複合基材。
［５］  炭素繊維が、幅５ｍｍ以下であり、幅に対して厚みが１／２以下である上記項［１］〜［４］のいずれかに記載の複合基材。
［６］  炭素繊維中、下記式（１）で定義される臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ａ）が存在する上記項［１］〜［５］のいずれかに記載の複合基材。
臨界単糸数＝６００／Ｄ      （１）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である。）
［７］  上記複合基材に含まれる炭素繊維全量のうち、上記炭素繊維束（Ａ）の割合が０ｖｏｌ％超９９ｖｏｌ％未満である上記項［６］に記載の複合基材。
［８］  上記炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（２）を満たす上記項［６］または［７］に記載の複合基材。
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜２×１０５／Ｄ２      （２）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である。）
［９］  炭素繊維が２次元ランダム配向したマット状物となっている上記項［１］〜［８］のいずれかに記載の複合基材。
［１０］  上記項［１］〜［９］のいずれかに記載の複合基材を、加圧することによって得られる複合材料。
［１１］  空孔率が０ｖｏｌ％以上７ｖｏｌ％以下である上記項［１０］に記載の複合材料。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の複合基材は、炭素繊維強化複合材料（以下、単に、複合材料と称することがある）の中間体として好適であり、ハンドリング性および面内等方性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
図１は、カット工程の概略図である。
図２は、螺旋状ナイフを有するロータリーカッターの一例の正面と断面の概略図である。
図３は、分繊ナイフを有するロータリーカッターの一例の正面と断面の概略図である。
図４は、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一例の概略図である。
図５は、加熱・加圧工程の一例の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の実施の形態について順次説明する。以下、本発明に関して、重量との語が用いられている箇所があるが、いずれにおいても、重量は質量を意味する。
［複合基材］
本発明の複合基材は、平均繊維長３ｍｍ以上１００ｍｍ以下の炭素繊維１００質量部に対して３〜１０００質量部の熱可塑性樹脂が固着し、空孔率が７ｖｏｌ％超過１００ｖｏｌ％未満となっているものである。
上記の空孔率とは、本発明の複合基材が内包する空気の割合であり、次式（３）に基づいて定義され、体積基準の百分率（ｖｏｌ％）で表される。
空孔率（Ｖｒ）＝（ｔ２−ｔ１）／ｔ２×１００      （３）
（ここで、ｔ１は複合基材に含まれる炭素繊維と熱可塑性樹脂の量から計算される、該複合基材が空孔率０ｖｏｌ％の場合の理論厚み、ｔ２は該複合基材の平均厚みである。）
上記式（３）において、ｔ１とｔ２としてミリメートル（ｍｍ）、センチメートル（ｃｍ）、またはメートル（ｍ）など種々の長さの単位で示された数量を使用できるが、当然、ｔ１とｔ２は同じ単位で示された数量である。また、ｔ１とｔ２は、複合基材の同じ所定の面積あたりの複合基材厚みである。
本発明の複合基材の空孔率は、上記のとおり７ｖｏｌ％超過１００ｖｏｌ％未満であるが、更に、９０ｖｏｌ％未満であると好ましく、８０ｖｏｌ％以下であるとより一層好ましく、７５ｖｏｌ％以下であると更に好ましく、５０ｖｏｌ％以下であるとまた更に好ましく、４０ｖｏｌ％以下であると特に好ましい。
更に、本発明の複合基材の空孔率は１０ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％未満であると好ましく、１０ｖｏｌ％以上９０ｖｏｌ％未満であるとより好ましく、１０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下であるとより一層好ましく、２０ｖｏｌ％以上７５ｖｏｌ％以下であると更に好ましく、２５ｖｏｌ％以上５０ｖｏｌ％以下であると更に好ましく、３０ｖｏｌ％以上４０ｖｏｌ％以下であると特に好ましい。
本発明の複合基材においては、炭素繊維に熱可塑性樹脂が固着した状態となっている。この固着した状態とは、本発明の複合基材の作製方法に関して後に述べるように、炭素繊維が絡みあったマット状物（以下、炭素繊維マットと称することがある。）に熱可塑性樹脂のシートや溶融物を供給し、加熱および加圧することにより含浸する処理、または炭素繊維が絡みあったマット状物に熱可塑性樹脂の紛体や繊維が付着または絡みあった混合マット状物（本発明において、該混合マット状物を混合ランダムマットと称し、以下、特に注記なくランダムマットと称した場合は、該混合マット状物を指す。）を、当該熱可塑性樹の軟化点（本発明については、当該熱可塑性樹脂が結晶性の場合はその融点、非晶性の場合はそのガラス転移点を指す）以上に加熱、時には合わせて加圧する処理などにより、炭素繊維のマット状物における繊維束間および繊維束内の全体に熱可塑性樹脂が行きわたり一体化した状態となっていることを指す。特に、本発明の複合基材では、炭素繊維マットやランダムマットが、後述のような２次元ランダム配向したものであると、面内等方性に優れ、該複合基材から得られる複合材料も面内等方性に優れたものとなるので非常に好ましい。
本発明の複合基材の形状に特に制限はないが、面方向に対し厚み方向の寸法が小さい、板状物、特に略長方形板状物が代表的なものとして例示され、該板状物はいわゆる長尺物であってもよい。
本発明において炭素繊維マットに、熱可塑性樹脂の固体シートやシート状溶融物が積層されたものを積層ランダムマットと称する。
本発明において、前記の混合ランダムマットや積層ランダムマットを包含する上位概念として、炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが、混合や積層等により複合されたマット状物との意味で、複合ランダムマットとの語を使用する。
［炭素繊維］
本発明の複合基材を構成する炭素繊維は不連続であり、平均繊維長３ｍｍ以上１００ｍｍ以下である。本発明の複合基材は、ある程度長い炭素繊維を含んで強化機能が発現できることを特徴とし、好ましくは炭素繊維の平均繊維長が５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、より好ましくは１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、より一層好ましくは１５ｍｍ以上８０ｍｍ以下であり、さらには２０ｍｍ以上６０ｍｍ以下が好ましい。本発明の複合基材を作製する方法について後で示すが、そのカット工程において、炭素繊維ストランドをカットする際に、一定のカット長、例えば５０ｍｍなど、にてカットすることができる。この炭素繊維ストランドのカットされたものを用いて得られた複合基材中の炭素繊維の平均繊維長は、上記のカット長となる。
本発明の複合基材において、炭素繊維の目付けは、２５ｇ／ｍ２以上１００００ｇ／ｍ２以下であると好ましく、２５ｇ／ｍ２以上５０００ｇ／ｍ２以下であるとより好ましく、より一層好ましくは２５ｇ／ｍ２以上３０００ｇ／ｍ２以下である。
本発明の複合基材に含まれる炭素繊維の平均繊維径は３〜１２μｍであると好ましく、５〜９μｍであるとより好ましく、５〜７μｍであるとより一層好ましい。炭素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、サイジング剤の付着量は炭素繊維１００質量部に対し、０超〜１０質量部であることが好ましい。
また、本発明の複合基材に含まれる炭素繊維は、開繊されたものが好ましい。ここで定義する開繊とは、本発明の複合基材の作製方法に関して後で例示するように、炭素繊維の束を幅広く、かつ薄く調整された炭素繊維のストランドを、分繊工程等を経る事などにより、ある一定の単糸量と繊維束の割合および該繊維束の集束本数に調整されることをいう。本発明の複合基材は、炭素繊維、つまり、炭素繊維束や炭素繊維単糸が、絡み合ったマット状物となったものであると好ましい。特に、炭素繊維ストランドが所定の長さでカットされた炭素繊維束などを、支持体上に散布し堆積させたものに見られる、当該炭素繊維束などが２次元状に絡み合って疑似平面を形成しつつ堆積し、各々の炭素繊維が当該疑似平面内に配向した状態、つまり炭素繊維などが２次元ランダム配向した状態になったマット状物が本発明の複合基材には好ましい。これは、マット状物において炭素繊維などが２次元ランダム配向した状態は複合基材においても保たれ、そのような複合基材からは面内等方性や機械物性に優れた複合材料を得ることができるからである。
炭素繊維は、その前駆体によってポリアクリロニトリル系（以下ＰＡＮ系と略することがある）、ピッチ系、レーヨン系などがあり、本発明の複合基材にはいずれも用いることができるが、物性や価格の面で、ＰＡＮ系の炭素繊維が特に好ましい。
本発明において、炭素繊維ストランドとは、炭素繊維フィラメント（単糸）が、単糸数１０００本程度以上にて集合している長い炭素繊維の束であり、ボビン（筒状の糸巻き）に巻いて運搬や取り扱いができ、後述する拡幅工程などで一定時間、連続的に処理ができる程度の充分な長さを有するものを指す。
［開繊程度］
一般的に、市販されている炭素繊維は、数千〜数万本のフィラメント（単糸）が集合した繊維束となっている。特に薄肉の複合材料を得る場合、炭素繊維を繊維束のまま使用すると、繊維の交絡部が局部的に厚くなり、薄肉のものが得られない。そのため、炭素繊維を開繊して使用することが重要となるが、本発明の複合基材は炭素繊維の開繊程度をコントロールした複合基材とし、特定本数以上の炭素繊維からなる炭素繊維束と、それ以外の開繊された炭素繊維を特定の比率で含むことが好ましい。
なお、本発明の説明に関して、分繊との用語も以下用いられることがあるが、分繊とは炭素繊維束、特に炭素繊維ストランドを２本以上の炭素繊維束に分けることを指す。炭素繊維ストランドに対し、後述のような拡幅と分繊の双方の処理が行われると、開繊された炭素繊維（ストランド）となる。
すなわち本発明の複合基材中の炭素繊維は、下記式（１）で定義される臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ａ）と、それ以外の開繊された炭素繊維、すなわち単糸の状態または臨界単糸数未満で構成される繊維束とからなることが好ましい。
臨界単糸数＝６００／Ｄ      （１）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
本発明の複合基材中の炭素繊維は、炭素繊維全量に対する炭素繊維束（Ａ）の割合が０ｖｏｌ％超９９ｖｏｌ％未満であることが好ましい。炭素繊維束（Ａ）の割合が９９ｖｏｌ％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ないことがある。炭素繊維束（Ａ）の割合はより好ましくは３０ｖｏｌ％以上９５ｖｏｌ％未満であり、さらに好ましくは５０ｖｏｌ％以上９０ｖｏｌ％未満である。
炭素繊維束の存在量を目的の割合にするには、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。具体的には繊維を拡幅することで、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。好ましい開繊条件については開繊工程の項に記載する。
さらに本発明の複合基材は、炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（２）を満たすことが好ましい。
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜２×１０５／Ｄ２      （２）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
炭素繊維束（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。また炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が２×１０５／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。
炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）を目的の数量にするには、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製することでコントロールすることもできる。具体的には繊維を拡幅することで、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開繊の程度を調整し、炭素繊維束（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カット工程ならびに開繊工程の項に記載する。
このように式（１）で定義される臨界単糸以上の炭素繊維束（Ａ）と、単糸の状態又は臨界単糸数未満の炭素繊維（Ｂ）が同時に存在する複合基材とすることで、これを用いることにより、繊維の充填効率がよく、疎密のばらつきが少なく、より機械強度に優れた複合材料を提供できる。
またこのように特定本数以上の炭素繊維からなる炭素繊維束と、それ以外の開繊された炭素繊維を特定の比率で共存させることで、複合基材中の炭素繊維の存在量、すなわち繊維体積含有率（Ｖｆ）を高めることが可能になる。
具体的には複合基材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本となる。
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本超過〜８０００本未満の範囲となるが、なかでも６００本〜６０００本であることが好ましい。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本超過〜４０８２本未満の範囲となるが、なかでも４００〜４０００本であることが好ましい。本発明の複合基材は、各種の厚みにすることが可能であり、これを用いることにより最終的に厚みが０．２〜４ｍｍ程度の成形品を得ることも可能である。
［熱可塑性樹脂］
本発明の複合基材において、熱可塑性樹脂は炭素繊維に固着した状態で存在しており、熱可塑性樹脂の存在量は、炭素繊維１００質量部に対し、３〜１０００質量部であり、好ましくは、炭素繊維１００質量部に対し、熱可塑性樹脂５０〜５００質量部、さらに好ましくは炭素繊維１００質量部に対し、熱可塑性樹脂５０〜３００質量部である。
本発明の複合基材の好ましい作製方法は下記に詳述するが、熱可塑性樹脂は、繊維状、粒子状、シート状の溶融状態、またはこれらのうちの２種類以上の形態で供され、複合ランダムマットを得た後に、複合ランダムマットを加熱および加圧することで、複合ランダムマット中の熱可塑性樹脂が溶融し、炭素繊維間に含浸することで複合基材となる。用いる熱可塑性樹脂が粒子状の場合、平均粒子径は０．０１μｍ〜３ｍｍであることが好ましく、平均粒子径０．１μｍ〜１ｍｍであるとより好ましく、平均粒子径１μｍ〜０．８ｍｍであると更に好ましい。粒子状の熱可塑性樹脂の粒度分布についてはとくに制限はないが、分布の小さいものがより均質な複合基材を得る目的としてはより好ましい。粒子状の熱可塑性樹脂について分級等の処理をすることにより、目的の粒度分布のものとして本発明において好ましく用いる事が出来る。繊維状の熱可塑性樹脂のとしては、繊度１００〜５０００ｄｔｅｘのものが好ましく、繊度１０００〜２０００ｄｔｅｘものがより好ましい。粒子状の熱可塑性樹脂の平均繊維長としては０．５〜５０ｍｍが好ましく、平均繊維長１〜１０ｍｍであるとより好ましい。シート状の熱可塑性樹脂の場合、先に述べた炭素繊維の様態を満たすマットの片面あるいは両面に設置する。シート状の熱可塑性樹脂の厚みは、最終成形品厚みおよび炭素繊維に対する熱可塑性樹脂の存在量に応じて適宜設定されるが、０．１〜１０ｍｍであると好ましく、０．５〜４ｍｍであるとより好ましい。
熱可塑性樹脂の種類としては、特に限定は無いが、上記に示すように繊維状、粒子状またはシート状の形態をとりうるものが好ましく、単独で用いても複数種類を用いてもよい。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４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２６樹脂、ポリアミド４６樹脂、ポリアミド６６樹脂、ポリアミド６９樹脂、ポリアミド６１０樹脂、ポリアミド６１１樹脂、ポリアミド６１２樹脂、ポリアミド１２１２樹脂、ポリアミド６Ｔ樹脂、ポリアミド６Ｉ樹脂、ポリアミド１１樹脂、ポリアミド９１２樹脂、ポリアミド１０１２樹脂、ポリアミド９Ｔ樹脂、ポリアミド９Ｉ樹脂、ポリアミド１０Ｔ樹脂、ポリアミド１０Ｉ樹脂、ポリアミド１１Ｔ樹脂、ポリアミド１１Ｉ樹脂、ポリアミド１２Ｔ樹脂、ポリアミド１２Ｉ樹脂、およびポリアミドＭＸＤ６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、ポリトリメチレンテレフタレート樹脂、ポリトリメチレンナフタレート樹脂、ポリブチレンナフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリ（１，４−シクロヘキサンジメタノール  テレフタレート）、ポリ乳酸樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリビニルナフタレート樹脂、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、これらの共重合体、変性体、および２種類以上のブレンド、ポリマーアロイなどがあげられる。
上記の熱可塑性樹脂のうち、ポリアミド４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２６樹脂、ポリアミド４６樹脂、ポリアミド６６樹脂、ポリアミド６９樹脂、ポリアミド６１０樹脂、ポリアミド６１１樹脂、ポリアミド６１２樹脂、ポリアミド１２１２樹脂、ポリアミド６Ｔ樹脂、ポリアミド６Ｉ樹脂、ポリアミド１１樹脂、ポリアミド９１２樹脂、ポリアミド１０１２樹脂、ポリアミド９Ｔ樹脂、ポリアミド９Ｉ樹脂、ポリアミド１０Ｔ樹脂、ポリアミド１０Ｉ樹脂、ポリアミド１１Ｔ樹脂、ポリアミド１１Ｉ樹脂、ポリアミド１２Ｔ樹脂、ポリアミド１２Ｉ樹脂、およびポリアミドＭＸＤ６樹脂などのポリアミド樹脂、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、ポリトリメチレンテレフタレート樹脂、ポリトリメチレンナフタレート樹脂、ポリブチレンナフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリ（１，４−シクロヘキサンジメタノール  テレフタレート）、ポリ乳酸樹脂、ポリアリレート樹脂などのポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、これらの共重合体、変性体、および２種類以上のブレンド、ポリマーアロイがより好ましい。
［他の剤］
以下、本発明の複合基材について、これが含有する熱可塑性樹脂をマトリクス樹脂と略称することがある。
本発明の複合基材中には、本発明の目的を損なわない範囲で、炭素繊維以外の、ガラス繊維、セラミックス繊維、金属繊維に代表される無機繊維、アラミド繊維に代表される有機繊維等の各種繊維状フィラー、非繊維状フィラー、または、難燃剤、耐ＵＶ剤、顔料、離型剤、軟化剤、可塑剤、界面活性剤などの各種添加剤を含んでいてもよい。
［作製方法］
以下本発明の複合基材を好ましく得る方法について述べる。例えば、本発明の複合基材は以下の工程１〜５により、好ましく作製することができる。
１．  拡幅工程：炭素繊維ストランドを拡幅する工程
２．  カット工程：炭素繊維ストランドをカットする工程、
３．  散布工程：炭素繊維ストランドが拡幅およびカットされたものを単独で拡散／散布し、炭素繊維マットとする工程、あるいは、拡幅およびカットされた炭素繊維を、繊維状もしくはパウダー状の熱可塑性樹脂と共に、拡散／散布しこれらの混合物である（混合）ランダムマットとする工程、
４．  搬送工程：（混合）ランダムマットを搬送する工程、または炭素繊維マットを搬送し、その間に該炭素繊維マットの片面あるいは両面にシート状の溶融熱可塑性樹脂を供給する工程、
５．  加熱・加圧工程：搬送された（混合）ランダムマットまたは、シート状の溶融熱可塑性樹脂が付着した炭素繊維マット（積層ランダムマット）を加熱および加圧し、複合基材を得る工程。
［拡幅工程］
炭素繊維などの高機能繊維のストランドは、拡幅されたもの、つまり物理的な力が加えられるなどして、その繊維束が幅広く、且つ薄く配列したものとなると、その機能を更に有効に発揮する。本発明の複合材料を作製するにおいても、炭素繊維ストランドは拡幅されたものであると好ましい。炭素繊維ストランドの拡幅、すなわち炭素繊維束を幅広く、かつ薄くする工程は、この工程以後の処理工程と連続でも、不連続でも構わない。
本発明の複合基材を作製する際に、炭素繊維ストランドを拡幅する方法としては、公知のものを採用することができる。例えば、ボビンから引き出された複数本の炭素繊維ストランドを、その走行方向に直交して設置された複数本の断面形状が円形のバーに連続的に所定の張力下でバーに接触させ、多段階で該炭素繊維ストランドを拡幅することができる。拡幅幅は、ボビンから引き出された炭素繊維ストランド幅に対して、１．１〜５倍の幅に拡幅する事が好ましい。より好ましくは、１．１〜３倍である。
［カット工程］
次いで、拡幅された炭素繊維ストランドをカットする工程について述べる。炭素繊維ストランドをカット方法としては、公知のものを採用できるが、ロータリーカッター等のナイフを用いる方法が好ましい。
ロータリーカッターとしては、角度を規定した螺旋状ナイフ、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。
炭素繊維束（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。
カットに用いる炭素繊維ストランドとして予め集束本数が前記式（２）の範囲であるものを用いることが好ましい。しかしながら、一般的に集束本数が少ないほど、炭素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集束本数の多い炭素繊維ストランドを用いる場合には、カット工程に供する炭素繊維ストランド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。具体的には上記の拡幅工程を経て炭素繊維ストランドの幅を広げて薄くした後、カット工程に供する、もしくは拡幅工程後にスリット加工を経て、カット工程に供する方法が挙げられる。スリット加工を行う方法では、予め集束本数が（２）式の範囲に調整後、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ことで平均繊維数（Ｎ）を小さくすることができ、逆にナイフの幅が広いものを用いることで平均繊維数（Ｎ）を大きくすることができる。
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。この分繊カッターは、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いるものであり、これらの刃で繊維をカットすると同時に、繊維方向に垂直な刃によりスリットすることができる。図４に示される分繊カッターも当該図に示すとおり、ロータリーカッターの周方向とナイフの配置方向のなす角θが、一定のものである。
最終的に得られる複合材料の安定した機械的特性の発現および表面品位に優れる複合材料を得るためには、複合材料の面内方向における炭素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、炭素繊維のカットが不連続であり、これを散布工程に導入した場合には、炭素繊維目付けの斑が発生してしまう。そのため、角度を規定したナイフを用いて炭素繊維を連続的にカットすることにより、疎密斑の小さい散布が可能となる。炭素繊維を連続的にカットするためのナイフ角度は、使用する炭素繊維の幅と、刃のピッチにより幾何学的に計算され、それらの関係は、下記の式（４）とすることが好ましい。周方向の刃のピッチは、そのまま炭素繊維の繊維長に反映される。
炭素繊維の繊維長（刃のピッチ）＝炭素繊維ストランド幅×ｔａｎ（９０−θ）          （４）
ここで、θは周方向とナイフの配置方向のなす角である。
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。
なお、本工程において炭素繊維を所定の長さにカットし、以後、炭素繊維をカットすることなく、本発明の複合基材とした場合、該複合基材中の炭素繊維の平均繊維長は、上記のカット時の長さとなる。
［散布工程］
散布工程とは、炭素繊維ストランドが分繊および定長でカットされたものを散布する工程である。散布工程においては、繊維状又はパウダー状の熱可塑性樹脂を、炭素繊維と同時に散布することも可能である。これらカットされた炭素繊維などを通気性支持体上に散布することで、本発明の複合基材に好適な炭素繊維マットやランダムマットを得ることができる。
散布工程において、炭素繊維と同時に熱可塑性樹脂を供給する場合、熱可塑性樹脂の供給量は、炭素繊維１００質量部に対し、３〜１０００質量部であることが好ましい。より好ましくは、炭素繊維１００質量部に対し、熱可塑性樹脂５０〜５００質量部、更に好ましくは、炭素繊維１００質量部に対し、熱可塑性樹脂５０〜３００質量部である。
散布工程において、炭素繊維あるいは炭素繊維と熱可塑性樹脂の供給量を適宜選択することで所望の厚さのものを得ることができる。
ここで、炭素繊維もしくは炭素繊維と繊維状又はパウダー状の熱可塑性樹脂は２次元配向する様に散布されることが好ましい。開繊した炭素繊維を２次元配向させながら塗布するためには、散布方法及び下記の定着方法が重要となる。炭素繊維の散布方法には、円錐形等のテーパー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、管内の流速が減速する。このベンチュリ効果を利用して、炭素繊維に回転力が与えられ、拡散させ散布することができる。
上記の拡幅工程およびカット工程において、本発明で定義する開繊程度の調整が行われるが、散布工程においても付加的に開繊程度を調整する事も可能である。管内に導入された炭素繊維に、空気を吹き付ける事により、繊維束を開繊させる。より具体的にはカットされた炭素繊維を連続的に管内に導入し、圧力空気を直接繊維に吹き付ける事により、繊維束をバラバラに開繊させる工程である。開繊の度合いについては、空気の圧力等により適宜コントロールする事が出来る。
好ましい炭素繊維の開繊方法は、圧縮空気を直接炭素繊維に吹き付ける方法である。具体的には圧縮空気吹き付け孔より、好ましくは風速１〜５００ｍ／ｓｅｃにて空気を吹き付ける事により、炭素繊維を開繊させる事ができる。好ましくは炭素繊維の通る管内に直径１ｍｍ程度の孔を数箇所あけ、外側より０．０１〜０．８ＭＰａ程度の圧力をかけ、圧縮空気を繊維束に直接吹き付けることにより、繊維束を任意の開繊度まで開繊する事ができる。
炭素繊維マットやランダムマットにおいて、炭素繊維および紛体や繊維状の熱可塑性樹脂を定着させるために、炭素繊維もしくは炭素繊維と熱可塑性樹脂が堆積される通気性支持体の該堆積部分の下部より、エアを吸引して炭素繊維や熱可塑性樹脂を定着させることが好ましい。このように堆積面の下部より吸引することにより、２次元配向の高いマットを得ることができる。なお、定着後の炭素繊維マットやランダムマットの空孔率は９０％以上である。ここで、定着とは、炭素繊維が絡みあったマットに熱可塑性樹脂の粉末や繊維がしっかりと食い込み、該マットを運搬するなどしても、該熱可塑性樹脂粉末や繊維が容易に脱落しない状態を言う。
なお、通気性支持体の構成により熱可塑性樹脂粒子等の一部が支持体を通過してマット内に残らない場合には、これを防ぐため、支持体の表面に別途不織布等をセットし、その不織布上に炭素繊維及び熱可塑性樹脂粒子等を吹き付けて定着させることも可能である。
この場合は、不織布を熱可塑性樹脂と同じ樹脂で構成すれば、堆積したマットから不織布を剥がす必要はなく、以後の加熱・加圧工程で加工することにより、不織布構成繊維も複合材料のマトリクスとなる熱可塑性樹脂の一部として利用することができる。
上記のような散布工程の処理により、炭素繊維が２次元ランダム配向した炭素繊維マットやランダムマットを得ることができる。
［搬送工程］
搬送工程とは、上記散布工程で得られたランダムマットを搬送する工程、または上記散布工程で得られた炭素繊維マットを搬送し、その間に該炭素繊維マットの片面あるいは両面にシート状の溶融熱可塑性樹脂を供給する工程である。
散布工程に記載の通気性支持体を、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、その上に炭素繊維、または、炭素繊維と熱可塑性樹脂の混合物を堆積させるようにすれば、連続的に炭素繊維マットもしくはランダムマットを形成させることができる。
散布工程において炭素繊維のみを散布した場合、該炭素繊維マットの片面もしくは両面にシート状の溶融熱可塑樹脂を供給する機構が設置される。該溶融熱可塑樹脂の供給方法は、押出機等で溶融・搬送される熱可塑樹脂もしくは必要に応じて種々の添加剤を含む熱可塑性樹脂を、Ｔダイ等を使用して所定の幅・厚み・時間あたりの供給量をシート状に溶融状態で、該炭素繊維マット上に供給するものである。該炭素繊維マットの両面に供給する場合は、上記の方法で、溶融熱可塑樹脂シートを、耐熱性があるベルト上に供給した上に、該炭素繊維マットをその形態を保持したまま連続的に設置し、該炭素繊維マット上にも同様に溶融熱可塑性樹脂シートが供給されることにより実施される。
［加熱・加圧工程］
加熱・加圧工程とは、上記のように搬送されたランダムマットまたは、シート状の溶融熱可塑性樹脂が付着した炭素繊維マットを加熱および加圧し、７ｖｏｌ％超過１００ｖｏｌ％未満の空孔率を有する複合基材を得る工程である。
上記のランダムマットなどを加熱・加圧して本発明の複合基材とするには、熱可塑性樹脂やその複合材料を加熱・加圧する公知の方法を用いることができ、バッチ式の装置による方法でも連続式の装置による方法のいずれでも良い。
本加熱・加圧工程における加圧方法に特に限定はないが、ロールやベルトプレス機などによる隙間制御あるいは加圧力制御による方法が好ましく挙げられる。ロールによる加圧を行う場合、予め目的の空孔率の複合基材になるように、ロールの間隔長さを調節して加圧をすることが好ましい。具体的な例として、間隙を有する上下一対のロールを加圧装置として用い、このロール対の間隙に前記ランダムマット等を挟持して通過させることで加圧する場合、前記式（３）
空孔率（Ｖｒ）＝（ｔ２−ｔ１）／ｔ２×１００      （３）
（ここで、ｔ１は複合基材に含まれる炭素繊維と熱可塑性樹脂の量から計算される、該複合基材が空孔率０ｖｏｌ％の場合の理論厚み、ｔ２は該複合基材の平均厚みである。）
において、ロール対の間隙長さを、得られる複合基材の平均厚みｔ２とみなすことができる。つまり、ロールによる加圧を行う場合、上記式（３）の関係から目的とする空孔率に対応したロール対の間隙長さを求めることができる。本例以外の加圧方法を用いる場合も、該複合基材を挟持する治具間隙長さを、得られる複合基材の平均厚みｔ２とみなすことができる。
本加熱・加圧工程における加熱方法に特に限定はないが、赤外線ヒーターや熱風による加熱や加熱ロール、加熱プレートによって加熱することで好ましく得られる。加熱温度にとくに限定はないが、好ましくはランダムマット等の基材温度がマトリクス樹脂の融点以上融点プラス１００℃以下、より好ましくはマトリクス樹脂の融点以上融点プラス５０℃以下となるように温度設定するのが好ましい。
本加熱・加圧工程にあたり、ランダムマット等の基材は予めマトリクスである熱可塑性樹脂の融点、または熱可塑性樹脂が非晶性の場合はガラス転移温度以上に加熱しておくことにより、より効率よく処理が可能となる。ロールやベルトなど本加熱・加圧工程を構成し、ランダムマット等の基材と接触する装置構成部品は、マトリクスである熱可塑性樹脂の軟化点以上に調整されていても、軟化点未満に調整されていても良い。上記部品の少なくとも一方をマトリクスである熱可塑性樹脂の溶融温度以上に調整することで、連続の加熱・加圧工程とすることがより好ましい。図５に加熱・加圧をロールで行う場合における構成例の模式図を示す。
本発明の複合基材を得るための加熱・加圧方法としては、前記の赤外線ヒーターや熱風などの加熱源を有する加熱炉中に複数のロール対を設け、このロール対の間隙にランダムマット等を挟持し、通過させる方法が簡便で好ましい。
上記のランダムマットなどへの加熱・加圧処理は１回でも複数回でもよく、また、１回以上の加熱・加圧処理により、本発明の７ｖｏｌ％超過１００ｖｏｌ％未満の空孔率を有する複合基材とした後、これに対して更に加熱・加圧処理を行い、より低い空孔率の本発明の複合基材としても良い。以後、本発明において、複数回の加熱・加圧処理を行う場合、最初にランダムマットまたは、シート状の溶融熱可塑性樹脂が付着した炭素繊維マットを加熱および加圧する処理を１段階目、１段階目の処理により得られた複合基材を、更に加熱・加圧する処理を２段階目のように称することがある。
本発明の複合基材は、上記のように、複数回の加熱・加圧処理を行うことにより得られるものが好ましい、複数回の加熱・加圧処理により複合基材の空孔率を目標値まで低減させると、特に面内等方性に優れた複合基材を得ることができるからである。以下、好ましい態様として空孔率９０ｖｏｌ％以上であるランダムマットに対する複数回の加熱・加圧処理を例示する。
まず、第１段階目に、空孔率が９０ｖｏｌ％以上のランダムマットを７５ｖｏｌ％以上９０ｖｏｌ％未満に調整する。これは、空孔率０ｖｏｌ％時の厚み対してランダムマットの厚みを４倍以上１０倍未満に調整する事に相当する。この際に基材に付与される圧力は０．０１ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下となる範囲で調整される事が好ましい。この減少率以上に空孔率を大きく減少するとランダムマットに過度の圧力が付与されるため、面内等方性の欠如や加熱／加圧工程における運転不良が発生する。また、逆に空孔率の減少割合が小さすぎると、ランダムマットの昇温効率が著しく低下し、エネルギの浪費や装置の長大化を招いてしまう。次いで、２段階目以降で空孔率を４０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％未満、３０ｖｏｌ％以上７５ｖｏｌ％未満などとなるよう順次空孔率を減少することにより、面内等方性に優れた複合材料を得るのに適した複合基材が得られる。
この加熱・加圧工程では、１回の加熱・加圧処理による空孔率の減少が４０ｖｏｌ％未満であると面内等方性に優れた複合材料が得られやすいので好ましく、３２ｖｏｌ％以下であるとより好ましく、２３ｖｏｌ％以下であると更に好ましく、２０ｖｏｌ％以下であるとより一層好ましい。
以上、本発明の複合基材を作製する方法における加熱・加圧工程について示したが、空孔率が９０ｖｏｌ％以上の本発明の複合基材については、加圧せず加熱のみによって得ることも容易にできる。例えば、炭素繊維が絡みあったマット状物に熱可塑性樹脂の紛体や繊維が付着または絡みあったランダムマットは空孔率が高く、空孔率９０ｖｏｌ％以上のものも多いので、そのようなランダムマットを加圧せず、加熱のみを行えば、空孔率９０ｖｏｌ％以上の本発明の複合基材が得られる。
上記加熱・加圧工程の後、本発明の複合基材は、複合材料の作製にそのまま使用されてもよく、用いられる前に、適当な寸法・形状に切断されてもよい。
［本発明の複合基材のより好ましい態様］
本発明の複合基材としては、炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが複合されたマット状物を、加熱および加圧することにより得られる上記のような複合基材であって、１回の加熱および加圧における空孔率の減少が４０ｖｏｌ％を超えることなく加熱および加圧することにより得られるものであると、これを用いることで、繊維配向が少なく、面内等方性に優れた複合材料を得ることができるので好ましい。本発明においては、上記の１回の加熱および加圧における空孔率の減少が３２ｖｏｌ％以下となるよう加熱および加圧することにより得られる複合基材であるとより好ましく、２３ｖｏｌ％以下となるよう加熱および加圧することにより得られる複合基材であると更に好ましく、２０ｖｏｌ％以下となるよう加熱および加圧することにより得られる複合基材であるとより一層好ましい。
本発明の複合基材としては、炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが複合されたマット状物を、加熱および加圧することにより得られる複合基材であって、空孔率６０ｖｏｌ％以上の複合基材を得てから、更に該複合基材を、１回の加熱および加圧における空孔率の減少が２０ｖｏｌ％を超えることがないように加熱および加圧することにより得られる、空孔率が７ｖｏｌ％超過８０ｖｏｌ％未満である複合基材であると、これを用いることで、より繊維配向が少なく、より面内等方性に優れた複合材料を得ることができるので好ましい。
本発明の複合基材としては、炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが複合されたマット状物を、加熱および加圧することにより得られる複合基材であって、空孔率４０ｖｏｌ％以上６０ｖｏｌ％未満の複合基材を得てから、更に該複合基材を、１回の加熱および加圧における空孔率の減少が３０ｖｏｌ％を超えることがないように加熱および加圧することにより得られた、空孔率が７ｖｏｌ％超過８０ｖｏｌ％未満、好ましくは７ｖｏｌ％超過５０ｖｏｌ％未満、である複合基材であると、これを用いることで、より繊維配向が少なく、より面内等方性に優れた複合材料を得ることができるので好ましい。
本発明の複合基材として、含有する炭素繊維は、幅が５ｍｍ以下であり、幅に対して厚みが１／２以下のものであると、これを用いて、より繊維配向が少なく面内等方性に優れ、かつ、より炭素繊維の物性発現率が優れた複合材料を得ることができるので好ましい。本発明において、炭素繊維の幅とは、炭素繊維の長手方向に垂直な断面において直交する二方向の寸法のうちの長い方であり、炭素繊維の厚みとは、該寸法の短い方である。炭素繊維の長手方向に垂直な断面における直交する二方向の寸法が等しい場合、任意の一方向を炭素繊維の幅とし、もう一方を炭素繊維の厚みとする。本発明の複合基材としては、炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが複合されたマット状物を、加熱および加圧することにより得られる複合基材であって、加熱および加圧する段階を３つ以上含み、そのうちの少なくとも１段階は、加圧を、複合基材の空孔率が減少しない極めて弱い条件にて加熱および加圧を行うことにより得られる、空孔率が７ｖｏｌ％超過８０ｖｏｌ％未満である複合基材であると、これを用いることで、より繊維配向が少なく、より面内等方性に優れた複合材料を得ることができるので好ましい。上記の、複合基材の空孔率が減少しない極めて弱い条件の加圧としては、例えば、複合基材の加熱・加圧を、複数のロール対で行う際、あるロール対の間隙長さを、その前段階のロール対の間隙長さと等しくして行う方法などが挙げられる。
［複合材料］
上記のようにして得られた本発明の複合基材を、更に加圧することにより、各種用途の成形体を得るための前駆体として用いられる複合材料とすることができる。
本発明の複合基材から得られる複合材料は、前記式（３）で定義される空孔率が好ましくは０ｖｏｌ％以上７ｖｏｌ％以下、より好ましくは０ｖｏｌ％以上３ｖｏｌ％以下であり、面内等方性に優れるものである。複合材料の面内等方性は、複合材料の試料片について互いに直交する２方向の引張弾性率を求め、比を求めることで、定量的に評価できる。複合材料における２方向の引張弾性率の値のうち大きい方の値を小さい方の値で割った比（Ｅσ、以下引張弾性率比を称することがある。）が２を超えないときに面内等方性であるとされ、１．３を超えないときは面内等方性に優れているとされる。
本発明の複合基材から複合材料を得る方法としては、前記の、複合基材の作製方法における加熱・加圧工程の後に続けて、該複合基材を、そのマトリクス樹脂の軟化点以上の温度に保ったまま、加圧して、複合材料としても良い。この時、該複合基材を、そのマトリクス樹脂の軟化点以上の温度に保つ方法としては、マトリクス樹脂の軟化点未満の温度まで温度が降下する前に、迅速に複合材料の作製に用いることでも良く、当然、該複合基材を、該軟化点以上の温度に保温または加熱することでも良い。
上記のように複合基材を加圧または加熱・加圧して得られた複合材料は、その後に、複合基材のマトリクス樹脂の軟化点未満に保持された冷却工程を設け、最終的に該熱可塑性樹脂を固化させて複合材料とする方法が好ましく、加圧または加熱・加圧工程後に続けて、マトリクス樹脂の軟化点未満の温度まで冷却しながら加圧する事で、複合材料としても良い。
本発明の複合基材から得られる複合材料の形状に特に制限はないが、複合基材と同様に、板状物、特に略長方形板状物が代表的なものとして例示され、該板状物としては長尺物も好ましい。
［成形体］
上記の複合材料は、成形体の前駆体として用いられる。該複合材料を成形する方法に特に限定はないが、例えば真空成形や液圧成形、ホットプレス、コールドプレス等により成形することで好適に用途に必要な形状を有する成形体を得ることが出来る。
また、上記の複合材料を成形する際に、適宜、該複合材料を全面あるいは部分的に複数積層、あるいは熱可塑性樹脂を加えることで目的に応じて厚みの異なる成形体を得ることが出来る。加える熱可塑性樹脂は特に指定は無く、複合基材におけるマトリクスと同一樹脂であってもよいし、異なっていてもよい。さらに樹脂の形態も、溶融樹脂や繊維状、パウダー状やフィルム状などを用いることができる。成形する際に加える熱可塑性樹脂の具体例としては、複合基材における熱可塑性樹脂の項で述べたものと同じものが挙げられる。
［積層体］
本発明の複合材料としては、その少なくとも一方の表面の一部、または全面に、さらに本発明の複合材料もしくは炭素繊維の一方向材を積層し、積層体にしたものも好ましい。一方向材は、炭素繊維の連続繊維が一方向に引き揃えられた一方向材と熱可塑性樹脂とからなる。一方向材は、複数の一方向材を積層したものであっても良く、一方向に引き揃えた繊維強化材の束をシート状にして角度を変えて積層したもの（多軸織物基材）を、ナイロン糸、ポリエステル糸、ガラス繊維糸等のステッチ糸で、この積層体を厚さ方向に貫通して、積層体の表面と裏面の間を表面方向に沿って往復しステッチしたような多軸織物であっても良い。
一方向材を構成する炭素繊維の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。
一方向材における熱可塑性樹脂の存在量が、炭素繊維１００質量部に対し、３〜４００質量部であることが好ましい。熱可塑性樹脂の存在量は、より好ましくは炭素繊維１００質量部に対し、１０〜１００質量部である。
一方向材を構成する熱可塑性樹脂は複合材料におけるマトリクスと同一であっても異なっていても良い。熱可塑性樹脂の具体例としては複合基材における熱可塑性樹脂の項で述べたものと同じものが挙げられる。
積層の方法としては、特に限定は無いがたとえば熱溶着や圧着する方法が挙げられる。
熱溶着する場合は、上述のランダムマットを加熱する工程にて基材と一方向材を合わせて加熱工程に処することも好ましい。一方向材と基材との接着部分は表面の一部または表面全面であってもよい。本発明の複合材料と一方向材を組み合わせることで、過大な重量増を伴うことなく、成形体中において必要な部位の機械特性を集中的に向上させることができる。
【実施例】
【００１０】
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く、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。なお、以下の実施例、比較例で用いた炭素繊維や熱可塑性樹脂の密度は以下のとおりである。
ＰＡＮ系炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＳＴＳ４０−２４ＫＳ：１．７５ｇ／ｃｍ３
ポリブチレンテレフタレート樹脂：１．３１ｇ／ｃｍ３
ポリカーボネート：１．２０ｇ／ｃｍ３
ポリアミド６：１．１４ｇ／ｃｍ３
［空孔率の求め方］
１）ランダムマットに含まれる炭素繊維および熱可塑性樹脂のそれぞれの存在量より、該ランダムマットより得られる、空孔率０％の複合基材の単位面積（１ｍ２）あたりの理論厚み（ｔ１）を計算する。
２）ランダムマットの全体もしくは所定の面積における厚みを、ノギス等を用いて負荷をかけずに１／１００ｍｍまで１００点／ｍ２測定し、得られた値からランダムマットの平均厚みを求めた。この平均厚みをｔ２とみなし、前項にて求めた複合基材の空孔率０％での理論厚み（ｔ１）とともに前記式（３）にてランダムマットの空孔率を計算し、これを初期空孔率とする。
３）複合基材の加熱・加圧工程における空孔率漸減処理時の複合基材の平均厚みをｔ２として、空孔量（ｔ２−ｔ１）より複合基材の空孔率（Ｖｒ）を以下の式（３）により求める。
Ｖｒ＝（ｔ２−ｔ１）／ｔ２×１００      （３）
（ここで、ｔ１は複合基材に含まれる炭素繊維と熱可塑性樹脂の量から計算される、該複合基材が空孔率０ｖｏｌ％の場合の理論厚み、ｔ２は該複合基材の平均厚みである。）
なお、加熱および加圧工程における各段階のｔ２は、加圧を行うロール対の間隙長さを、上記の複合基材平均厚み（ｔ２）とした。
実施例において、ある加熱・加圧処理における空孔率の減少値が、その加熱・加圧処理前後の空孔率の減算結果と整合しない場合がある。これは、複合基材の空孔率は小数点以下を四捨五入した値で表示されているが、各段階の加熱・加圧処理における空孔率の減少値は、小数点以下の四捨五入無しの空孔率の値を用いた計算結果の小数点以下を四捨五入した数値を採用しており、そのために誤差が生ることがあるためである。
［複合基材における炭素繊維束（Ａ）の繊維全量に対する割合の求め方］
１）複合基材を１００ｍｍ×１００ｍｍに切り出し、５００℃×１時間程度、炉内にて樹脂を除去する。
２）樹脂を除去した複合基材より、繊維束をピンセットで全て取り出す。
３）全ての繊維束について、個々の繊維束の長さ（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（Ｗｋ）を測定する。このとき、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炭素繊維の繊維径（Ｄ）より、臨界単糸数を計算し、臨界単糸数以上の炭素繊維束（Ａ）と、それ以外に分ける。なお、２種類以上の炭素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。
４）全ての分類について測定後、炭素繊維束（Ａ）の平均繊維数（Ｎ）を以下の計算により求める。各炭素繊維束中の繊維本数（Ｎｉ）は使用している炭素繊維の繊度（Ｆ）より、式（５）により求められる。
Ｎｉ＝Ｗｉ／（Ｌｉ×Ｆ）      （５）
炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は炭素繊維束（Ａ）の束の数（Ｉ）より、以下の式（６）により求める。
Ｎ＝ΣＮｉ／Ｉ      （６）
また、炭素繊維束（Ａ）のマットの繊維全体に対する割合（ＶＲ）は、炭素繊維の繊維比重（ρ）を用いて次式（７）により求められる。
ＶＲ＝Σ（Ｗｉ／ρ）×１００／（（Ｗｋ＋ΣＷｉ）／ρ）      （７）
なお、複合基材に含まれる炭素繊維の幅や厚みについても、上記のように複合基材から樹脂を除去し、炭素繊維を取り出して測定することができる。
［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、炭素繊維の面内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、または引張弾性率比と記することがある）を測定する事で確認できる。引張弾性率の比が１に近いほど、面内等方性に優れる材料である。
［実施例１］
炭素繊維として、東邦テナックス社製のＰＡＮ系炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＳＴＳ４０−２４ＫＳ（平均繊維径７μｍ、ストランド幅１０ｍｍ）ストランドを使用した。この炭素繊維ストランドを１５〜２０ｍｍに拡幅し、更に縦スリット装置を使用して、幅０．８ｍｍにスリットした後、繊維長２０ｍｍにカットを行った。カット装置としては、超硬合金製の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。
ロータリー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、これを散布装置（気体吹付けノズル）に導入した。散布装置としては、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、５０ｍ／ｓｅｃであった。この二重管の下部には下方に向けて径が拡大するテーパー管を溶接した。
上記テーパー管の側面より、マトリックス樹脂を供給した。マトリックス樹脂としてはユニチカ社製のナイロン６樹脂“Ａ１０３０”の粒子を使用した。
そして、テ―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ー管を定速で移動する定着ネットの幅方向に往復運動させながら、カットした炭素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、炭素繊維の供給量を２１２ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂の供給量を３２０ｇ／ｍｉｎにセットし、装置を稼動したところ、定着ネット上に炭素繊維とマトリックス樹脂（熱可塑性樹脂）とが斑なく混合されたランダムマットが一定方向に移動する定着ネット上に連続的に形成された。このランダムマットの炭素繊維の目付け量は、２６５ｇ／ｍ２であった。
得られたランダムマットについて、炭素繊維束（Ａ）の割合と、平均繊維数（Ｎ）を調べたところ、上記式（１）で定義される臨界単糸数は８６であり、炭素繊維束（Ａ）について、マットの繊維全量に対する割合は８０Ｖｏｌ％、炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は６００であった。また、ナイロン６粒子は、炭素繊維中に殆ど斑の無い状態で均一に分散され、且つ、定着されていた。また、初期空孔率は９１ｖｏｌ％であった。
上記のランダムマットを、スチールベルト、ロール、加熱炉で構成される装置を用いて、加熱・加圧処理を行った。該装置は、加熱炉内に間隙を有する上下一対のロールが複数設置されており、このロール間隙に上記ランダムマットを挟持する形でスチールベルトを連続的に通過させる構造となっている。上記の加熱炉内に設置されたロール間隙を調整する事で、スチールベルトを介してランダムマットに作用される圧力も調整され、複合基材が目的とする空孔率を有するものとなる。
以下に示すとおり、表面温度が２６０〜３６０℃となるように設定した複数のロール間隙を、最終の複合材料厚みが３ｍｍとなるように上記のランダムマット６枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材に対する加熱・加圧処理は、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された７対のロールにより、７段階にて行い、ランダムマットの初期空孔率９１ｖｏｌ％に対して、８５ｖｏｌ％、８０ｖｏｌ％、７５ｖｏｌ％、７０ｖｏｌ％、５８ｖｏｌ％、４７ｖｏｌ％、２９ｖｏｌ％と段階的に空孔率を漸減させて、工程不良を起こすこと無く、炭素繊維に熱可塑性樹脂が固着している複合基材を得た。１回の加熱・加圧において空孔率が最も減少したのは、７段階目であり１８ｖｏｌ％減少した。空孔率６０Ｖｏｌ％以上の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは５段階目であり、１２ｖｏｌ％減少した。空孔率４０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％未満の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは７段階目であり、１８ｖｏｌ％減少した。
上記で得られた高温の複合基材を該熱可塑性樹脂の軟化点以下の温度の冷却ロール対を用いた冷却・加圧工程の後、厚み３ｍｍの複合材料板を得た。得られた複合材料板から試験片を切り出して、ＪＩＳ７１６４に準拠し測定を行った結果、任意の方向及びこれと直交する方向の引張弾性率比は、１．０７であった。
なお、上記の得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の平均繊維長は、炭素繊維ストランドをカットした際の長さの２０ｍｍである。同様に、得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の幅は５ｍｍより相当狭いものであり、炭素繊維の厚みは当該幅の１／２以下であった。
［実施例２］
実施例１に記載のランダムマットを用いて、以下に示すとおり、表面温度が２６０〜３６０℃となるように設定した複数のロール対の間隙を、最終の複合材料厚みが３ｍｍとなるように上記のランダムマット６枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材を得るための加熱・加圧は、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された６対のロールにより６段階にて行い、ランダムマットの初期空孔率９１ｖｏｌ％に対して、８３ｖｏｌ％、７８ｖｏｌ％、６７ｖｏｌ％、５０ｖｏｌ％、３３ｖｏｌ％、１９ｖｏｌ％と段階的に空孔率を漸減させて、工程不良無く、炭素繊維に熱可塑性樹脂が固着している複合基材を得た。１回の加熱・加圧において空孔率が最も減少したのは、４および５段階目であり、これらの段階ではいずれも空孔率が１７ｖｏｌ％減少した。空孔率６０Ｖｏｌ％以上の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは１７ｖｏｌ％減少した４段階目である。空孔率４０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％未満の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは１７ｖｏｌ％減少した５段階目である。
上記で得られた高温の複合基材を該熱可塑性樹脂の軟化点以下の冷却ロール対を用いた冷却・加圧工程の後、厚み３ｍｍの複合材料板を得た。得られた複合材料板から試験片を切り出して、ＪＩＳ７１６４に準拠し測定を行った結果、任意の方向及びこれと直交する方向の引張弾性率比は、１．１２であった。
なお、上記にて得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の平均繊維長は、炭素繊維ストランドをカットした際の長さの２０ｍｍである。同様に、得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の幅は、５ｍｍより相当狭いものであり、炭素繊維の厚みは当該幅の１／２以下であった。
［実施例３］
実施例１に記載のランダムマット用いて、以下に示すとおり、表面温度が２６０〜３６０℃となるように設定した複数のロール対の間隙を、最終の複合材料厚みが３ｍｍとなるように上記のランダムマット６枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材を得るための加熱・加圧は、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された５対のロールにより５段階にて行い、ランダムマットの初期空孔率９１ｖｏｌ％に対して、８０ｖｏｌ％、７８ｖｏｌ％、６０ｖｏｌ％、４１ｖｏｌ％、２３ｖｏｌ％と段階的に空孔率を漸減させて、工程不良無く、炭素繊維に熱可塑性樹脂が固着している複合基材を得た。１回の加熱・加圧において空孔率が最も減少したのは、４段階目であり、これらの段階ではいずれも空孔率が１９ｖｏｌ％減少した。空孔率６０Ｖｏｌ％以上の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは１９ｖｏｌ％減少した４段階目である。空孔率４０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％未満の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは１８ｖｏｌ％減少した５段階目である。
上記で得られた高温の複合基材を該熱可塑性樹脂の軟化点以下の冷却ロール対を用いた冷却・加圧工程の後、厚み３ｍｍの複合材料板を得た。得られた複合材料板から試験片を切り出して、ＪＩＳ７１６４に準拠し測定を行った結果、任意の方向及びこれと直交する方向の引張弾性率比は、１．０９であった。
なお、上記にて得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の平均繊維長は、炭素繊維ストランドをカットした際の長さの２０ｍｍである。同様に、得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の幅は５ｍｍより相当狭いものであり、炭素繊維の厚みは当該幅の１／２以下であった。
［比較例１］
実施例１に記載のランダムマット用いて、以下に示すとおり、表面温度が２６０〜３６０℃となるように設定した複数のロール対の間隙を、最終の複合材料厚みが３ｍｍとなるように上記のランダムマット６枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材を得るための加熱・加圧を、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された６対のロールにより６段階にて行い、ランダムマットの初期空孔率９１ｖｏｌ％に対して、８０ｖｏｌ％、７８ｖｏｌ％、６０ｖｏｌ％、５０ｖｏｌ％、３３ｖｏｌ％、７ｖｏｌ％と段階的に空孔率を漸減させて、工程不良無く複合基材を得た。１回の加熱・加圧において空孔率が最も減少したのは、６段階目であり、２６ｖｏｌ％減少した。空孔率６０Ｖｏｌ％以上の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは１８ｖｏｌ％減少した３段階目である。空孔率４０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％未満の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは１７ｖｏｌ％減少した５段階目である。
上記で得られた高温の複合基材を該熱可塑性樹脂の軟化点以下の冷却ロール対を用いた冷却・加圧工程の後、厚み３ｍｍの複合材料板を得た。得られた複合材料板において、ＪＳ７１６４に準拠し測定を行った結果、任意の方向及びこれと直交する方向の引張弾性率比は、１．４３であり、複合材料の表面の目視観察から複合基材作製工程におけるスチールベルトの走行方向に沿って炭素繊維が配向している事が確認された。
［参考例１］
実施例１に記載のランダムマット用いて、以下に示すとおり、表面温度が２６０〜３６０℃となるように設定した複数のロール対の間隙を、最終の複合材料厚みが３ｍｍとなるように上記のランダムマット６枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材の加熱・加圧を、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された１対のロールにより行い、初期空孔率９１ｖｏｌ％のランダムマットから空孔率が６７ｖｏｌ％の複合基材を得ようとしたところ、スチールベルトに挟持されたランダムマットがロール間隙より下流に進まない工程不良が生じ、複合基材を得る事が出来なかった。
［参考例２］
実施例１に記載のランダムマット用いて、表面温度が２６０〜３６０℃となるように設定した複数のロール対の間隙を、最終の複合材料厚みが３ｍｍとなるように上記のランダムマット６枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材の加熱・加圧を、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された２対のロールにより行い、初期空孔率９１ｖｏｌ％のランダムマットに対して、８３ｖｏｌ％、５０ｖｏｌ％となるように段階的な空孔率を減少させようとしたところ、２段階目の加熱・加圧において参考例１と同様の工程不良が生じ、複合材料を得るために使用できる複合基材を得る事が出来なかった。
［実施例４］
炭素繊維の供給量を２３６ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂であるナイロン６樹脂“Ａ１０３０”の供給量を２７５ｇ／ｍｉｎとする以外は、実施例１におけるランダムマット作製と同様に操作を行い、炭素繊維の目付量が、２９４ｇ／ｍ２であり、初期空孔率が８８Ｖｏｌ％のランダムマットを得た。このランダムマットの炭素繊維束（Ａ）の割合と、平均繊維数（Ｎ）は実施例１と同じであった。得られたランダムマットにおいて、ナイロン６粒子は、炭素繊維中に殆ど斑の無い状態で均一に分散され、且つ、定着されていた。
上記にて得られたランダムマットを用いて、以下に示すとおり、表面温度が２６０〜３６０℃となるように設定した複数のロール対の間隙を、最終の複合材料厚みが３．７ｍｍとなるように上記のランダムマット８枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材に対する加熱・加圧は、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された５対のロールのうちの３つを５段階、但し、そのうち２つの段階においては、空孔率が減少しない極めて弱い加圧条件にて行い、ランダムマットの初期空孔率８８ｖｏｌ％に対して、５９ｖｏｌ％、５９ｖｏｌ％、３８ｖｏｌ％、３８ｖｏｌ％、８ｖｏｌ％と段階的に空孔率を漸減させて、工程不良無く、炭素繊維に熱可塑性樹脂が固着している複合基材を得た。１回の加熱・加圧において空孔率が最も減少したのは、３１ｖｏｌ％減少した５段階目である。空孔率６０Ｖｏｌ％以上の複合基材を更に加熱・加圧した段階は無かった。空孔率４０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％未満の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは２１ｖｏｌ％減少した３段階目である。
上記で得られた高温の複合基材を該熱可塑性樹脂の軟化点以下の冷却ロール対を用いた冷却・加圧工程の後、厚み３．７ｍｍの複合材料板を得た。得られた複合材料板から試験片を切り出して、ＪＩＳ７１６４に準拠し測定を行った結果、任意の方向及びこれと直交する方向の引張弾性率比は、１．１８であった。
なお、上記にて得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の平均繊維長は、炭素繊維ストランドをカットした際の長さの２０ｍｍである。同様に、得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の幅は５ｍｍより相当狭いものであり、炭素繊維の厚みは当該幅の１／２以下であった。
［実施例５］
実施例４に記載のランダムマットを用いて、以下に示すとおり、表面温度が２６０〜３６０℃となるように設定した複数のロール対の間隙を、最終の複合材料厚みが２．８ｍｍとなるように上記のランダムマット６枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材に対する加熱・加圧は、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された６対のロールにより６段階、但し、そのうち２つの段階においては、空孔率が減少しない極めて弱い加圧条件にて行い、ランダムマットの初期空孔率８８ｖｏｌ％に対して、６９ｖｏｌ％、６９ｖｏｌ％、５３ｖｏｌ％、５３ｖｏｌ％、３０ｖｏｌ％、２０ｖｏｌ％と段階的に空孔率を漸減させて、工程不良無く、炭素繊維に熱可塑性樹脂が固着している複合基材を得た。１回の加熱・加圧において空孔率が最も減少したのは、５段階目であり、２３ｖｏｌ％減少した。空孔率６０Ｖｏｌ％以上の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは１６ｖｏｌ％減少した３段階目である。空孔率４０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％未満の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは２３ｖｏｌ％減少した５段階目である。
上記で得られた高温の複合基材を該熱可塑性樹脂の軟化点以下の冷却ロール対を用いた冷却・加圧工程の後、厚み２．８ｍｍの複合材料板を得た。得られた複合材料板から試験片を切り出して、ＪＩＳ７１６４に準拠し測定を行った結果、任意の方向及びこれと直交する方向の引張弾性率比は、１．０９であった。
なお、上記にて得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の平均繊維長は、炭素繊維ストランドをカットした際の長さの２０ｍｍである。同様に、得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の幅は５ｍｍより相当狭いものであり、炭素繊維の厚みは当該幅の１／２以下であった。
［実施例６］
実施例４に記載のランダムマットを用いて、以下に示すとおり、表面温度が２６０〜３６０℃となるように設定した複数のロール対の間隙を、最終の複合材料厚みが２．３ｍｍとなるように上記のランダムマット５枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材に対する加熱・加圧は、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された６対のロールにより６段階、但し、そのうち２つの段階においては、空孔率が減少しない極めて弱い加圧条件にて行い、ランダムマットの初期空孔率８８ｖｏｌ％に対して、７４ｖｏｌ％、７４ｖｏｌ％、６２ｖｏｌ％、６２ｖｏｌ％、４３ｖｏｌ％、１６ｖｏｌ％と段階的に空孔率を漸減させて、工程不良無く、炭素繊維に熱可塑性樹脂が固着している複合基材を得た。１回の加熱・加圧において空孔率が最も減少したのは、６段階目であり、２６ｖｏｌ％減少した。空孔率６０Ｖｏｌ％以上の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは１６ｖｏｌ％減少した３段階目である。空孔率４０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％未満の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは２６ｖｏｌ％減少した６段階目である。
上記で得られた高温の複合基材を該熱可塑性樹脂の軟化点以下の冷却ロール対を用いた冷却・加圧工程の後、厚み２．３ｍｍの複合材料板を得た。得られた複合材料板から試験片を切り出して、ＪＩＳ７１６４に準拠し測定を行った結果、任意の方向及びこれと直交する方向の引張弾性率比は、１．１３であった。
なお、上記にて得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の平均繊維長は、炭素繊維ストランドをカットした際の長さの２０ｍｍである。同様に、得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の幅は、５ｍｍより相当狭いものであり、炭素繊維の厚みは当該幅の１／２以下であった。
［実施例７］
実施例４に記載のランダムマットを用いて、以下に示すとおり、表面温度が２６０〜３６０℃となるように設定したロール対の間隙を、最終の複合材料厚みが１．９ｍｍとなるように上記のランダムマット４枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材に対する加熱・加圧は、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された６対のロールにより６段階、但し、そのうち２つの段階においては、空孔率が減少しない極めて弱い加圧条件にて行い、ランダムマットの初期空孔率８８ｖｏｌ％に対して、７９ｖｏｌ％、７９ｖｏｌ％、６８ｖｏｌ％、６８ｖｏｌ％、５３ｖｏｌ％、２１ｖｏｌ％と段階的に空孔率を漸減させて、工程不良無く、炭素繊維に熱可塑性樹脂が固着している複合基材を得た。１回の加熱・加圧において空孔率が最も減少したのは、６段階目であり、３２ｖｏｌ％減少した。空孔率６０Ｖｏｌ％以上の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは、１６ｖｏｌ％減少した５段階目である。空孔率４０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％未満の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは３２ｖｏｌ％減少した６段階目である。
上記で得られた高温の複合基材を該熱可塑性樹脂の軟化点以下の冷却ロール対を用いた冷却・加圧工程の後、厚み１．９ｍｍの複合材料板を得た。得られた複合材料板から試験片を切り出して、ＪＩＳ７１６４に準拠し測定を行った結果、任意の方向及びこれと直交する方向の引張弾性率比は、１．０７であった。
なお、上記にて得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の平均繊維長は、炭素繊維ストランドをカットした際の長さの２０ｍｍである。同様に、得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の幅は５ｍｍより相当狭いものであり、炭素繊維の厚みは当該幅の１／２以下であった。
［実施例８］
炭素繊維の供給量を９４５ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂であるナイロン６樹脂“Ａ１０３０”の供給量を１１０２ｇ／ｍｉｎとする以外は、実施例１におけるランダムマット作製と同様に操作を行い、炭素繊維の目付量が、９４５ｇ／ｍ２であり、初期空孔率が９３Ｖｏｌ％のランダムマットを得た。このランダムマットの炭素繊維束（Ａ）の割合と、平均繊維数（Ｎ）は実施例１と同じであった。得られたランダムマットにおいて、ナイロン６粒子は、炭素繊維中に殆ど斑の無い状態で均一に分散され、且つ、定着されていた。
上記にて得られたランダムマットを用いて、以下に示すとおり、表面温度が２６０〜３６０℃となるように設定したロール対の間隙を、最終の複合材料厚みが１．５ｍｍとなるように上記のランダムマット１枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材に対する加熱・加圧は、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された６対のロールにより６段階、但し、そのうち２つの段階においては、空孔率がの減少しない極めて弱い加圧条件にて行い、ランダムマットの初期空孔率９３ｖｏｌ％に対して、７５ｖｏｌ％、７５ｖｏｌ％、６３ｖｏｌ％、６３ｖｏｌ％、５０ｖｏｌ％、２５ｖｏｌ％と段階的に空孔率を漸減させて、工程不良無く、炭素繊維に熱可塑性樹脂が固着している複合基材を得た。１回の加熱・加圧において空孔率が最も減少したのは、６段階目であり、２５ｖｏｌ％減少した。空孔率６０Ｖｏｌ％以上の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは、１３ｖｏｌ％減少した５段階目である。空孔率４０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％未満の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは２５Ｖｏｌ％減少した５段階目である。
上記で得られた高温の複合基材を該熱可塑性樹脂の軟化点以下の冷却ロール対を用いた冷却・加圧工程の後、厚み１．５ｍｍの複合材料板を得た。得られた複合材料板から試験片を切り出して、ＪＩＳ７１６４に準拠し測定を行った結果、任意の方向及びこれと直交する方向の引張弾性率比は、１．０４であった。
なお、上記にて得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の平均繊維長は、炭素繊維ストランドをカットした際の長さの２０ｍｍである。同様に、得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の幅は５ｍｍより相当狭いものであり、炭素繊維の厚みは当該幅の１／２以下であった。
［実施例９］
炭素繊維の供給量を１２６０ｇ／ｍｉｎとし、マトリックス樹脂としてナイロン６樹脂“Ａ１０３０”でなくポリカーボネート（帝人化成（株）製パンライト（登録商標）Ｌ−１２２５Ｙ）を供給量１５６０ｇ／ｍｉｎにて使用する以外は、実施例１におけるランダムマット作製と同様に操作を行い、炭素繊維の目付量が、１２６０ｇ／ｍ２であり、初期空孔率が９１Ｖｏｌ％のランダムマットを得た。このランダムマットの炭素繊維束（Ａ）の割合と、平均繊維数（Ｎ）は実施例１と同じであった。得られたランダムマットにおいて、ポリカーボネート粒子は、炭素繊維中に殆ど斑の無い状態で均一に分散され、且つ、定着されていた。
上記にて得られたランダムマットを用いて、以下に示すとおり、表面温度が２６０〜３６０℃となるように設定したロール対の間隙を、最終の複合材料厚みが２．０ｍｍとなるように上記のランダムマット１枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材を得るための加熱・加圧は、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された６対のロールにより６段階にて行い、ランダムマットの初期空孔率９１ｖｏｌ％に対して、８０ｖｏｌ％、６７ｖｏｌ％、５０ｖｏｌ％、３３ｖｏｌ％、２０ｖｏｌ％、９ｖｏｌ％と段階的に空孔率を漸減させて、工程不良無く、炭素繊維に熱可塑性樹脂が固着している複合基材を得た。１回の加熱・加圧において空孔率が最も減少したのは、３および４段階目であり、これらの段階ではいずれも空孔率が１７ｖｏｌ％減少した。空孔率６０Ｖｏｌ％以上の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは１７ｖｏｌ％減少した３段階目である。空孔率４０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％未満の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは１７ｖｏｌ％減少した４段階目である。
上記で得られた高温の複合基材を該熱可塑性樹脂の軟化点以下の冷却ロール対を用いた冷却・加圧工程の後、厚み２．０ｍｍの複合材料板を得た。得られた複合材料板から試験片を切り出して、ＪＩＳ７１６４に準拠し測定を行った結果、任意の方向及びこれと直交する方向の引張弾性率比は、１．０８であった。
なお、上記にて得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の平均繊維長は、炭素繊維ストランドをカットした際の長さの２０ｍｍである。同様に、得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の幅は５ｍｍより相当狭いものであり、炭素繊維の厚みは当該幅の１／２以下であった。
［実施例１０］
炭素繊維の供給量を１２６０ｇ／ｍｉｎとし、マトリックス樹脂としてナイロン６樹脂“Ａ１０３０”でなくポリブチレンテレフタレート樹脂（ウィンテックポリマー（株）製  ジュラネックス（登録商標）２００２、以下ＰＢＴと略して示すことがある）を供給量１７０３ｇ／ｍｉｎにて使用する以外は、実施例１におけるランダムマット作製と同様に操作を行い、炭素繊維の目付量が、１２６０ｇ／ｍ２であり、初期空孔率が９１Ｖｏｌ％のランダムマットを得た。このランダムマットの炭素繊維束（Ａ）の割合と、平均繊維数（Ｎ）は実施例１と同じであった。得られたランダムマットにおいて、ＰＢＴ粒子は、炭素繊維中に殆ど斑の無い状態で均一に分散され、且つ、定着されていた。
上記にて得られたランダムマットを用いて、以下に示すとおり、表面温度が２６０〜４００℃となるように設定したロール対の間隙を、最終の複合材料厚みが２．０ｍｍとなるように上記のランダムマット１枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材を得るための加熱・加圧は、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された５対のロールにより５段階にて行い、ランダムマットの初期空孔率９１ｖｏｌ％に対して、７２ｖｏｌ％、６０ｖｏｌ％、４３ｖｏｌ％、２０ｖｏｌ％、１０ｖｏｌ％と段階的に空孔率を漸減させて、工程不良無く、炭素繊維に熱可塑性樹脂が固着している複合基材を得た。１回の加熱・加圧において空孔率が最も減少したのは、空孔率が２３ｖｏｌ％減少した４段階目である。空孔率６０Ｖｏｌ％以上の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは１７ｖｏｌ％減少した３段階目である。空孔率４０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％未満の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは２３ｖｏｌ％減少した４段階目である。
上記で得られた高温の複合基材を該熱可塑性樹脂の軟化点以下の冷却ロール対を用いた冷却・加圧工程の後、厚み２．０ｍｍの複合材料板を得た。得られた複合材料板から試験片を切り出して、ＪＩＳ７１６４に準拠し測定を行った結果、任意の方向及びこれと直交する方向の引張弾性率比は、１．０５であった。
なお、上記にて得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の平均繊維長は、炭素繊維ストランドをカットした際の長さの２０ｍｍである。同様に、得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の幅は５ｍｍより相当狭いものであり、炭素繊維の厚みは当該幅の１／２以下であった。
【産業上の利用可能性】
【００１１】
本発明の複合基材は、自動車の構造部材など種々の用途に有用な炭素繊維強化複合材料の生産に好適である。
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、２０１２年７月５日に出願された日本特許出願（特願２０１２−１５１４７０号）に基づくものであり、その内容の全てが参照として本出願に組み込まれる。
【表１】
2014007389.tif 000003
【符号の説明】
【００１２】
１  炭素繊維
２  ピンチロール
３  ゴムロール
４  ロータリーカッター本体
５  刃
６  カットされた炭素繊維
７  刃のピッチ
８  繊維方向に平行な刃
９  加熱・加圧ロール
１０  複合基材
【図１】
2014007389.tif 000004
【図２】
2014007389.tif 000005
【図３】
2014007389.tif 000006
【図４】
2014007389.tif 000007
【図５】
2014007389.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成26年4月16日(2014.4.16)
【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３ｍｍ以上１００ｍｍ以下の炭素繊維１００質量部に３〜１０００質量部の熱可塑性樹脂が固着し、空孔率が７ｖｏｌ％超過１００ｖｏｌ％未満となっている複合基材。
【請求項２】
炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが複合されたマット状物を、加熱および加圧することにより得られる複合基材であって、１回の加熱および加圧における空孔率の減少が４０ｖｏｌ％を超えることなく加熱および加圧することにより得られる請求項１記載の複合基材。
【請求項３】
炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが複合されたマット状物を、加熱および加圧することにより得られる複合基材であって、空孔率６０ｖｏｌ％以上の複合基材を得てから、更に該複合基材を、１回の加熱および加圧における空孔率の減少が２０ｖｏｌ％を超えることがないように加熱および加圧することにより得られる、空孔率が７ｖｏｌ％超過８０ｖｏｌ％未満である請求項１または２に記載の複合基材。
【請求項４】
炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが複合されたマット状物を、加熱および加圧することにより得られる複合基材であって、空孔率４０ｖｏｌ％以上６０ｖｏｌ％未満の複合基材を得てから、更に該複合基材を、１回の加熱および加圧における空孔率の減少が３０ｖｏｌ％を超えることがないように加熱および加圧することにより得られる、空孔率が７ｖｏｌ％超過８０ｖｏｌ％未満である請求項１〜３のいずれかに記載の複合基材。
【請求項５】
炭素繊維が、幅５ｍｍ以下であり、幅に対して厚みが１／２以下である請求項１〜４のいずれかに記載の複合基材
【請求項６】
炭素繊維中、下記式（１）で定義される臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ａ）が存在する請求項１〜５のいずれかに記載の複合基材。
臨界単糸数＝６００／Ｄ        （１）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である。）
【請求項７】
上記複合基材に含まれる炭素繊維全量のうち、上記炭素繊維束（Ａ）の割合が０ｖｏｌ％超９９ｖｏｌ％未満である請求項６に記載の複合基材。
【請求項８】
上記炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（２）を満たす請求項６または７に記載の複合基材。
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜２×１０５／Ｄ２        （２）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である。）
【請求項９】
炭素繊維が２次元ランダム配向したマット状物となっている請求項１〜８のいずれかに記載の複合基材。
【請求項１０】
空孔率が７ｖｏｌ％超過９０ｖｏｌ％未満である請求項１記載の複合基材。
【請求項１１】
空孔率が７ｖｏｌ％超過４０ｖｏｌ％未満である請求項１記載の複合基材。
【請求項１２】
長尺物の板状物である請求項１記載の複合基材。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の複合基材を、加圧することによって得られる複合材料。
【請求項１４】
空孔率が０Ｖｏｌ％以上７Ｖｏｌ％以下である請求項１３に記載の複合材料。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
び加圧することにより得られる複合基材であって、空孔率６０ｖｏｌ％以上の複合基材を得てから、更に該複合基材を、１回の加熱および加圧における空孔率の減少が２０ｖｏｌ％を超えることがないように加熱および加圧することにより得られる、空孔率が７ｖｏｌ％超過８０ｖｏｌ％未満である上記項［１］または［２］に記載の複合基材。
［４］  炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが複合されたマット状物を、加熱および加圧することにより得られる複合基材であって、空孔率４０ｖｏｌ％以上６０ｖｏｌ％未満の複合基材を得てから、更に該複合基材を、１回の加熱および加圧における空孔率の減少が３０ｖｏｌ％を超えることがないように加熱および加圧することにより得られる、空孔率が７ｖｏｌ％超過８０ｖｏｌ％未満である上記項［１］〜［３］のいずれかに記載の複合基材。
［５］  炭素繊維が、幅５ｍｍ以下であり、幅に対して厚みが１／２以下である上記項［１］〜［４］のいずれかに記載の複合基材。
［６］  炭素繊維中、下記式（１）で定義される臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ａ）が存在する上記項［１］〜［５］のいずれかに記載の複合基材。
臨界単糸数＝６００／Ｄ        （１）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である。）
［７］  上記複合基材に含まれる炭素繊維全量のうち、上記炭素繊維束（Ａ）の割合が０ｖｏｌ％超９９ｖｏｌ％未満である上記項［６］に記載の複合基材。
［８］  上記炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（２）を満たす上記項［６］または［７］に記載の複合基材。
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜２×１０５／Ｄ２      （２）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である。）
［９］  炭素繊維が２次元ランダム配向したマット状物となっている上記項［１］〜［８］のいずれかに記載の複合基材。
［１０］  空孔率が７ｖｏｌ％超過９０ｖｏｌ％未満である上記項［１］記載の複合基材。
［１１］  空孔率が７ｖｏｌ％超過４０ｖｏｌ％未満である上記項［１］記載の
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
複合基材。
［１２］  長尺物の板状物である上記項［１］記載の複合基材。
［１３］  上記項［１］〜［１２］のいずれかに記載の複合基材を、加圧することによって得られる複合材料。
［１４］  空孔率が０Ｖｏｌ％以上７Ｖｏｌ％以下である上記項［１３］に記載の複合材料。
発明の効果
本発明の複合基材は、炭素繊維強化複合材料（以下、単に、複合材料と称することがある）の中間体として好適であり、ハンドリング性および面内等方性に優れている。
図面の簡単な説明
図１は、カット工程の概略図である。
図２は、螺旋状ナイフを有するロータリーカッターの一例の正面と断面の概略図である。
図３は、分繊ナイフを有するロータリーカッターの一例の正面と断面の概略図である。
図４は、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一例の概略図である。
図５は、加熱・加圧工程の一例の模式図である。
発明を実施するための形態
以下、本発明の実施の形態について順次説明する。以下、本発明に関して、重量との語が用いられている箇所があるが、いずれにおいても、重量は質量を意味する。
［複合基材］
本発明の複合基材は、平均繊維長３ｍｍ以上１００ｍｍ以下の炭素繊維１００質量部に対して３〜１０００質量部の熱可塑性樹脂が固着し、空孔率が７ｖｏｌ％超過１００ｖｏｌ％未満となっているものである。
上記の空孔率とは、本発明の複合基材が内包する空気の割合であり、次式（３）に基づいて定義され、体積基準の百分率（ｖｏｌ％）で表される。
空孔率（Ｖｒ）＝（ｔ２−ｔ１）／ｔ２×１００      （３）
【手続補正書】
【提出日】平成26年12月19日(2014.12.19)
【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３ｍｍ以上１００ｍｍ以下の炭素繊維１００質量部に３〜１０００質量部の熱可塑性樹脂が固着し、空孔率が７ｖｏｌ％超過１００ｖｏｌ％未満となっている複合基材。
【請求項２】
炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが複合されたマット状物を、加熱および加圧することにより得られる複合基材であって、１回の加熱および加圧における空孔率の減少が４０ｖｏｌ％を超えることなく加熱および加圧することにより得られる請求項１記載の複合基材。
【請求項３】
炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが複合されたマット状物を、加熱および加圧することにより得られる複合基材であって、空孔率６０ｖｏｌ％以上の複合基材を得てから、更に該複合基材を、１回の加熱および加圧における空孔率の減少が２０ｖｏｌ％を超えることがないように加熱および加圧することにより得られる、空孔率が７ｖｏｌ％超過８０ｖｏｌ％未満である請求項１または２に記載の複合基材。
【請求項４】
炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが複合されたマット状物を、加熱および加圧することにより得られる複合基材であって、空孔率４０ｖｏｌ％以上６０ｖｏｌ％未満の複合基材を得てから、更に該複合基材を、１回の加熱および加圧における空孔率の減少が３０ｖｏｌ％を超えることがないように加熱および加圧することにより得られる、空孔率が７ｖｏｌ％超過８０ｖｏｌ％未満である請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合基材。
【請求項５】
炭素繊維が、幅５ｍｍ以下であり、幅に対して厚みが１／２以下である請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合基材。
【請求項６】
炭素繊維中、下記式（１）で定義される臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ａ）が存在する請求項１〜５のいずれか１項に記載の複合基材。
臨界単糸数＝６００／Ｄ      （１）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である。）
【請求項７】
上記複合基材に含まれる炭素繊維全量のうち、上記炭素繊維束（Ａ）の割合が０ｖｏｌ％超９９ｖｏｌ％未満である請求項６に記載の複合基材。
【請求項８】
上記炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（２）を満たす請求項６または７に記載の複合基材。
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜２×１０５／Ｄ２      （２）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である。）
【請求項９】
炭素繊維が２次元ランダム配向したマット状物となっている請求項１〜８のいずれか１項に記載の複合基材。
【請求項１０】
空孔率が７ｖｏｌ％超過９０ｖｏｌ％未満である請求項１記載の複合基材。
【請求項１１】
空孔率が７ｖｏｌ％超過４０ｖｏｌ％未満である請求項１記載の複合基材。
【請求項１２】
長尺状の板状物である請求項１記載の複合基材。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の複合基材を、加圧することによって得られる複合材料。
【請求項１４】
空孔率が０ｖｏｌ％以上７ｖｏｌ％以下である請求項１３に記載の複合材料。
【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、熱可塑性樹脂をマトリクスとした炭素繊維強化複合材料、ここでは成形に直接用いられる前駆体を意味する、の中間体である複合基材に関するものであって、面内方向において特定の方向に配向しておらず面内等方性および機械特性に優れた炭素繊維強化複合材料の生産に好適であり、ハンドリング性および面内等方性に優れた複合基材を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、金属材料が用いられていた用途において、金属材料の代わりに、繊維強化複合材料、特に、炭素繊維、アラミド繊維、またはガラス繊維等の強化繊維と、樹脂とを含む繊維強化複合材料を用いて、当該用途で必要な機械物性および生産性を維持したまま、軽量化を達成することが重要な技術課題となっている。
繊維強化複合材料の機械物性を向上させる手段としては、連続繊維の使用や繊維体積含有率（Ｖｆ）を高くする事が知られている。繊維強化複合材料に連続繊維を使用した場合、Ｖｆの増加による機械物性向上は見込めるが、一般的に連続繊維を用いた織物や一方向性材料等は、繊維の持つ異方性から、例えば０度／＋４５度／-４５度／９０度等の様に、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り、生産性が低くなるという問題があった。一方、カット繊維のマット状物から得られる繊維強化複合材料の場合、３次元方向の繊維が存在する、または、繊維の交絡が多いなどの理由により、繊維体積含有率を高くすることが困難であった。また強化繊維複合材料の強化繊維として、カット繊維のマット状物を用いた場合は連続繊維を用いた場合と比較して繊維が不連続であるため、強化繊維の強度を十分に発現させる事が困難であり、成形物にした後の強化繊維の強度発現率として、理論値に対し５０％以下になってしまうという問題があった。例えば、非特許文献１には、熱硬化性樹脂をマトリクスとした炭素繊維のマットから得られる強化繊維複合材料が挙げられている。かかる強化繊維複合材料の強度発現率は理論値に対し４４％程度である。
また、従来提案されてきた熱硬化性樹脂をマトリックスとした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中間基材を、オートクレーブを用いて、場合によっては２時間以上加熱・加圧する事により得られる。あるいは、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（特許文献１）。
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複合材料、特に、強化繊維として炭素繊維を用いた複合材料（炭素繊維強化複合材料）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。また、炭素繊維強化複合材料として、炭素繊維が面内で特定の方向に配向していない、面内等方性を有するものが好ましいことが知られているが、炭素繊維のマット等に熱可塑性樹脂を含浸させて複合材料とする際に、溶融状態の熱可塑性樹脂は高粘度のため、これを含浸させるため高い圧力を要し、成形時と同様に繊維および樹脂の流動に起因した繊維配向の乱れが生じて、面内等方性の維持が困難となるという問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８-６８７２０号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｐａｒｔ  Ａ、  ３８（２００７）７５５〜７７０頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、面内方向において特定の方向に配向しておらず面内等方性および機械特性に優れた、熱可塑性樹脂をマトリクスとした炭素繊維強化複合材料の生産に好適であり、ハンドリング性および面内等方性に優れた複合基材を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を行い、直接成形に用いられる成形材料である前駆体（繊維強化複合材料）の、更に前の段階の中間体に着目し、炭素繊維と熱可塑性樹脂からなり、特定の空孔率を有する複合基材が、炭素繊維強化複合材料の中間体として好適であることを見い出し、本発明を完成させた。本発明の構成を以下に示す。
【０００７】
［１］  平均繊維長３ｍｍ以上１００ｍｍ以下の炭素繊維１００質量部に３〜１０００質量部の熱可塑性樹脂が固着し、空孔率が７ｖｏｌ％超過１００ｖｏｌ％未満となっている複合基材。
［２］  炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが複合されたマット状物を、加熱および加圧することにより得られる複合基材であって、１回の加熱および加圧における空孔率の減少が４０ｖｏｌ％を超えることなく加熱および加圧することにより得られる上記項［１］記載の複合基材。
［３］  炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが複合されたマット状物を、加熱および加圧することにより得られる複合基材であって、空孔率６０ｖｏｌ％以上の複合基材を得てから、更に該複合基材を、１回の加熱および加圧における空孔率の減少が２０ｖｏｌ％を超えることがないように加熱および加圧することにより得られる、空孔率が７ｖｏｌ％超過８０ｖｏｌ％未満である上記項［１］または［２］に記載の複合基材。
［４］  炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが複合されたマット状物を、加熱および加圧することにより得られる複合基材であって、空孔率４０ｖｏｌ％以上６０ｖｏｌ％未満の複合基材を得てから、更に該複合基材を、１回の加熱および加圧における空孔率の減少が３０ｖｏｌ％を超えることがないように加熱および加圧することにより得られる、空孔率が７ｖｏｌ％超過８０ｖｏｌ％未満である上記項［１］〜［３］のいずれか１項に記載の複合基材。
［５］  炭素繊維が、幅５ｍｍ以下であり、幅に対して厚みが１／２以下である上記項［１］〜［４］のいずれか１項に記載の複合基材。
［６］  炭素繊維中、下記式（１）で定義される臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ａ）が存在する上記項［１］〜［５］のいずれか１項に記載の複合基材。
臨界単糸数＝６００／Ｄ      （１）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である。）
［７］  上記複合基材に含まれる炭素繊維全量のうち、上記炭素繊維束（Ａ）の割合が０ｖｏｌ％超９９ｖｏｌ％未満である上記項［６］に記載の複合基材。
［８］  上記炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（２）を満たす上記項［６］または［７］に記載の複合基材。
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜２×１０５／Ｄ２      （２）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である。）
［９］  炭素繊維が２次元ランダム配向したマット状物となっている上記項［１］〜［８］のいずれか１項に記載の複合基材。
［１０］  空孔率が７ｖｏｌ％超過９０ｖｏｌ％未満である上記項［１］記載の複合基材。
［１１］  空孔率が７ｖｏｌ％超過４０ｖｏｌ％未満である上記項［１］記載の複合基材。
［１２］  長尺状の板状物である上記項［１］記載の複合基材。
［１３］  上記項［１］〜［１２］のいずれか１項に記載の複合基材を、加圧することによって得られる複合材料。
［１４］  空孔率が０ｖｏｌ％以上７ｖｏｌ％以下である上記項［１３］に記載の複合材料。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の複合基材は、炭素繊維強化複合材料（以下、単に、複合材料と称することがある）の中間体として好適であり、ハンドリング性および面内等方性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
図１は、カット工程の概略図である。
図２は、螺旋状ナイフを有するロータリーカッターの一例の正面と断面の概略図である。
図３は、分繊ナイフを有するロータリーカッターの一例の正面と断面の概略図である。
図４は、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一例の概略図である。
図５は、加熱・加圧工程の一例の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について順次説明する。以下、本発明に関して、重量との語が用いられている箇所があるが、いずれにおいても、重量は質量を意味する。
【００１１】
［複合基材］
本発明の複合基材は、平均繊維長３ｍｍ以上１００ｍｍ以下の炭素繊維１００質量部に対して３〜１０００質量部の熱可塑性樹脂が固着し、空孔率が７ｖｏｌ％超過１００ｖｏｌ％未満となっているものである。
上記の空孔率とは、本発明の複合基材が内包する空気の割合であり、次式（３）に基づいて定義され、体積基準の百分率（ｖｏｌ％）で表される。
空孔率（Ｖｒ）＝（ｔ２-ｔ１）／ｔ２×１００      （３）
（ここで、ｔ１は複合基材に含まれる炭素繊維と熱可塑性樹脂の量から計算される、該複合基材が空孔率０ｖｏｌ％の場合の理論厚み、ｔ２は該複合基材の平均厚みである。）
上記式（３）において、ｔ１とｔ２としてミリメートル（ｍｍ）、センチメートル（ｃｍ）、またはメートル（ｍ）など種々の長さの単位で示された数量を使用できるが、当然、ｔ１とｔ２は同じ単位で示された数量である。また、ｔ１とｔ２は、複合基材の同じ所定の面積あたりの複合基材厚みである。
【００１２】
本発明の複合基材の空孔率は、上記のとおり７ｖｏｌ％超過１００ｖｏｌ％未満であるが、更に、９０ｖｏｌ％未満であると好ましく、８０ｖｏｌ％以下であるとより一層好ましく、７５ｖｏｌ％以下であると更に好ましく、５０ｖｏｌ％以下であるとまた更に好ましく、４０ｖｏｌ％以下であると特に好ましい。
更に、本発明の複合基材の空孔率は１０ｖｏｌ％以上１００ｖｏｌ％未満であると好ましく、１０ｖｏｌ％以上９０ｖｏｌ％未満であるとより好ましく、１０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下であるとより一層好ましく、２０ｖｏｌ％以上７５ｖｏｌ％以下であると更に好ましく、２５ｖｏｌ％以上５０ｖｏｌ％以下であると更に好ましく、３０ｖｏｌ％以上４０ｖｏｌ％以下であると特に好ましい。
【００１３】
本発明の複合基材においては、炭素繊維に熱可塑性樹脂が固着した状態となっている。この固着した状態とは、本発明の複合基材の作製方法に関して後に述べるように、炭素繊維が絡みあったマット状物（以下、炭素繊維マットと称することがある。）に熱可塑性樹脂のシートや溶融物を供給し、加熱および加圧することにより含浸する処理、または炭素繊維が絡みあったマット状物に熱可塑性樹脂の紛体や繊維が付着または絡みあった混合マット状物（本発明において、該混合マット状物を混合ランダムマットと称し、以下、特に注記なくランダムマットと称した場合は、該混合マット状物を指す。）を、当該熱可塑性樹の軟化点（本発明については、当該熱可塑性樹脂が結晶性の場合はその融点、非晶性の場合はそのガラス転移点を指す）以上に加熱、時には合わせて加圧する処理などにより、炭素繊維のマット状物における繊維束間および繊維束内の全体に熱可塑性樹脂が行きわたり一体化した状態となっていることを指す。特に、本発明の複合基材では、炭素繊維マットやランダムマットが、後述のような２次元ランダム配向したものであると、面内等方性に優れ、該複合基材から得られる複合材料も面内等方性に優れたものとなるので非常に好ましい。
【００１４】
本発明の複合基材の形状に特に制限はないが、面方向に対し厚み方向の寸法が小さい、板状物、特に略長方形板状物が代表的なものとして例示され、該板状物はいわゆる長尺物であってもよい。
本発明において炭素繊維マットに、熱可塑性樹脂の固体シートやシート状溶融物が積層されたものを積層ランダムマットと称する。
本発明において、前記の混合ランダムマットや積層ランダムマットを包含する上位概念として、炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが、混合や積層等により複合されたマット状物との意味で、複合ランダムマットとの語を使用する。
【００１５】
［炭素繊維］
本発明の複合基材を構成する炭素繊維は不連続であり、平均繊維長３ｍｍ以上１００ｍｍ以下である。本発明の複合基材は、ある程度長い炭素繊維を含んで強化機能が発現できることを特徴とし、好ましくは炭素繊維の平均繊維長が５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、より好ましくは１０ｍｍ以上１００ｍｍ以下であり、より一層好ましくは１５ｍｍ以上８０ｍｍ以下であり、さらには２０ｍｍ以上６０ｍｍ以下が好ましい。本発明の複合基材を作製する方法について後で示すが、そのカット工程において、炭素繊維ストランドをカットする際に、一定のカット長、例えば５０ｍｍなど、にてカットすることができる。この炭素繊維ストランドのカットされたものを用いて得られた複合基材中の炭素繊維の平均繊維長は、上記のカット長となる。
【００１６】
本発明の複合基材において、炭素繊維の目付けは、２５ｇ／ｍ２以上１００００ｇ／ｍ２以下であると好ましく、２５ｇ／ｍ２以上５０００ｇ／ｍ２以下であるとより好ましく、より一層好ましくは２５ｇ／ｍ２以上３０００ｇ／ｍ２以下である。
本発明の複合基材に含まれる炭素繊維の平均繊維径は３〜１２μｍであると好ましく、５〜９μｍであるとより好ましく、５〜７μｍであるとより一層好ましい。炭素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、サイジング剤の付着量は炭素繊維１００質量部に対し、０超〜１０質量部であることが好ましい。
【００１７】
また、本発明の複合基材に含まれる炭素繊維は、開繊されたものが好ましい。ここで定義する開繊とは、本発明の複合基材の作製方法に関して後で例示するように、炭素繊維の束を幅広く、かつ薄く調整された炭素繊維のストランドを、分繊工程等を経る事などにより、ある一定の単糸量と繊維束の割合および該繊維束の集束本数に調整されることをいう。本発明の複合基材は、炭素繊維、つまり、炭素繊維束や炭素繊維単糸が、絡み合ったマット状物となったものであると好ましい。特に、炭素繊維ストランドが所定の長さでカットされた炭素繊維束などを、支持体上に散布し堆積させたものに見られる、当該炭素繊維束などが２次元状に絡み合って疑似平面を形成しつつ堆積し、各々の炭素繊維が当該疑似平面内に配向した状態、つまり炭素繊維などが２次元ランダム配向した状態になったマット状物が本発明の複合基材には好ましい。これは、マット状物において炭素繊維などが２次元ランダム配向した状態は複合基材においても保たれ、そのような複合基材からは面内等方性や機械物性に優れた複合材料を得ることができるからである。
【００１８】
炭素繊維は、その前駆体によってポリアクリロニトリル系（以下ＰＡＮ系と略することがある）、ピッチ系、レーヨン系などがあり、本発明の複合基材にはいずれも用いることができるが、物性や価格の面で、ＰＡＮ系の炭素繊維が特に好ましい。
本発明において、炭素繊維ストランドとは、炭素繊維フィラメント（単糸）が、単糸数１０００本程度以上にて集合している長い炭素繊維の束であり、ボビン（筒状の糸巻き）に巻いて運搬や取り扱いができ、後述する拡幅工程などで一定時間、連続的に処理ができる程度の充分な長さを有するものを指す。
【００１９】
［開繊程度］
一般的に、市販されている炭素繊維は、数千〜数万本のフィラメント（単糸）が集合した繊維束となっている。特に薄肉の複合材料を得る場合、炭素繊維を繊維束のまま使用すると、繊維の交絡部が局部的に厚くなり、薄肉のものが得られない。そのため、炭素繊維を開繊して使用することが重要となるが、本発明の複合基材は炭素繊維の開繊程度をコントロールした複合基材とし、特定本数以上の炭素繊維からなる炭素繊維束と、それ以外の開繊された炭素繊維を特定の比率で含むことが好ましい。
なお、本発明の説明に関して、分繊との用語も以下用いられることがあるが、分繊とは炭素繊維束、特に炭素繊維ストランドを２本以上の炭素繊維束に分けることを指す。炭素繊維ストランドに対し、後述のような拡幅と分繊の双方の処理が行われると、開繊された炭素繊維（ストランド）となる。
すなわち本発明の複合基材中の炭素繊維は、下記式（１）で定義される臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ａ）と、それ以外の開繊された炭素繊維、すなわち単糸の状態または臨界単糸数未満で構成される繊維束とからなることが好ましい。
臨界単糸数＝６００／Ｄ      （１）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
【００２０】
本発明の複合基材中の炭素繊維は、炭素繊維全量に対する炭素繊維束（Ａ）の割合が０ｖｏｌ％超９９ｖｏｌ％未満であることが好ましい。炭素繊維束（Ａ）の割合が９９ｖｏｌ％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ないことがある。炭素繊維束（Ａ）の割合はより好ましくは３０ｖｏｌ％以上９５ｖｏｌ％未満であり、さらに好ましくは５０ｖｏｌ％以上９０ｖｏｌ％未満である。
炭素繊維束の存在量を目的の割合にするには、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。具体的には繊維を拡幅することで、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。好ましい開繊条件については開繊工程の項に記載する。
さらに本発明の複合基材は、炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（２）を満たすことが好ましい。
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜２×１０５／Ｄ２      （２）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
【００２１】
炭素繊維束（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。また炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が２×１０５／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。
炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）を目的の数量にするには、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製することでコントロールすることもできる。具体的には繊維を拡幅することで、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開繊の程度を調整し、炭素繊維束（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カット工程ならびに開繊工程の項に記載する。
このように式（１）で定義される臨界単糸以上の炭素繊維束（Ａ）と、単糸の状態又は臨界単糸数未満の炭素繊維（Ｂ）が同時に存在する複合基材とすることで、これを用いることにより、繊維の充填効率がよく、疎密のばらつきが少なく、より機械強度に優れた複合材料を提供できる。
またこのように特定本数以上の炭素繊維からなる炭素繊維束と、それ以外の開繊された炭素繊維を特定の比率で共存させることで、複合基材中の炭素繊維の存在量、すなわち繊維体積含有率（Ｖｆ）を高めることが可能になる。
具体的には複合基材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本となる。
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本超過〜８０００本未満の範囲となるが、なかでも６００本〜６０００本であることが好ましい。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本超過〜４０８２本未満の範囲となるが、なかでも４００〜４０００本であることが好ましい。本発明の複合基材は、各種の厚みにすることが可能であり、これを用いることにより最終的に厚みが０．２〜４ｍｍ程度の成形品を得ることも可能である。
【００２２】
［熱可塑性樹脂］
本発明の複合基材において、熱可塑性樹脂は炭素繊維に固着した状態で存在しており、熱可塑性樹脂の存在量は、炭素繊維１００質量部に対し、３〜１０００質量部であり、好ましくは、炭素繊維１００質量部に対し、熱可塑性樹脂５０〜５００質量部、さらに好ましくは炭素繊維１００質量部に対し、熱可塑性樹脂５０〜３００質量部である。
本発明の複合基材の好ましい作製方法は下記に詳述するが、熱可塑性樹脂は、繊維状、粒子状、シート状の溶融状態、またはこれらのうちの２種類以上の形態で供され、複合ランダムマットを得た後に、複合ランダムマットを加熱および加圧することで、複合ランダムマット中の熱可塑性樹脂が溶融し、炭素繊維間に含浸することで複合基材となる。用いる熱可塑性樹脂が粒子状の場合、平均粒子径は０．０１μｍ〜３ｍｍであることが好ましく、平均粒子径０．１μｍ〜１ｍｍであるとより好ましく、平均粒子径１μｍ〜０．８ｍｍであると更に好ましい。粒子状の熱可塑性樹脂の粒度分布についてはとくに制限はないが、分布の小さいものがより均質な複合基材を得る目的としてはより好ましい。粒子状の熱可塑性樹脂について分級等の処理をすることにより、目的の粒度分布のものとして本発明において好ましく用いる事が出来る。繊維状の熱可塑性樹脂のとしては、繊度１００〜５０００ｄｔｅｘのものが好ましく、繊度１０００〜２０００ｄｔｅｘものがより好ましい。粒子状の熱可塑性樹脂の平均繊維長としては０．５〜５０ｍｍが好ましく、平均繊維長１〜１０ｍｍであるとより好ましい。シート状の熱可塑性樹脂の場合、先に述べた炭素繊維の様態を満たすマットの片面あるいは両面に設置する。シート状の熱可塑性樹脂の厚みは、最終成形品厚みおよび炭素繊維に対する熱可塑性樹脂の存在量に応じて適宜設定されるが、０．１〜１０ｍｍであると好ましく、０．５〜４ｍｍであるとより好ましい。
【００２３】
熱可塑性樹脂の種類としては、特に限定は無いが、上記に示すように繊維状、粒子状またはシート状の形態をとりうるものが好ましく、単独で用いても複数種類を用いてもよい。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４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２６樹脂、ポリアミド４６樹脂、ポリアミド６６樹脂、ポリアミド６９樹脂、ポリアミド６１０樹脂、ポリアミド６１１樹脂、ポリアミド６１２樹脂、ポリアミド１２１２樹脂、ポリアミド６Ｔ樹脂、ポリアミド６Ｉ樹脂、ポリアミド１１樹脂、ポリアミド９１２樹脂、ポリアミド１０１２樹脂、ポリアミド９Ｔ樹脂、ポリアミド９Ｉ樹脂、ポリアミド１０Ｔ樹脂、ポリアミド１０Ｉ樹脂、ポリアミド１１Ｔ樹脂、ポリアミド１１Ｉ樹脂、ポリアミド１２Ｔ樹脂、ポリアミド１２Ｉ樹脂、およびポリアミドＭＸＤ６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、ポリトリメチレンテレフタレート樹脂、ポリトリメチレンナフタレート樹脂、ポリブチレンナフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリ（１，４-シクロヘキサンジメタノール  テレフタレート）、ポリ乳酸樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリビニルナフタレート樹脂、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、これらの共重合体、変性体、および２種類以上のブレンド、ポリマーアロイなどがあげられる。
上記の熱可塑性樹脂のうち、ポリアミド４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２６樹脂、ポリアミド４６樹脂、ポリアミド６６樹脂、ポリアミド６９樹脂、ポリアミド６１０樹脂、ポリアミド６１１樹脂、ポリアミド６１２樹脂、ポリアミド１２１２樹脂、ポリアミド６Ｔ樹脂、ポリアミド６Ｉ樹脂、ポリアミド１１樹脂、ポリアミド９１２樹脂、ポリアミド１０１２樹脂、ポリアミド９Ｔ樹脂、ポリアミド９Ｉ樹脂、ポリアミド１０Ｔ樹脂、ポリアミド１０Ｉ樹脂、ポリアミド１１Ｔ樹脂、ポリアミド１１Ｉ樹脂、ポリアミド１２Ｔ樹脂、ポリアミド１２Ｉ樹脂、およびポリアミドＭＸＤ６樹脂などのポリアミド樹脂、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、ポリトリメチレンテレフタレート樹脂、ポリトリメチレンナフタレート樹脂、ポリブチレンナフタレート樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリ（１，４-シクロヘキサンジメタノール  テレフタレート）、ポリ乳酸樹脂、ポリアリレート樹脂などのポリエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、これらの共重合体、変性体、および２種類以上のブレンド、ポリマーアロイがより好ましい。
【００２４】
［他の剤］
以下、本発明の複合基材について、これが含有する熱可塑性樹脂をマトリクス樹脂と略称することがある。
本発明の複合基材中には、本発明の目的を損なわない範囲で、炭素繊維以外の、ガラス繊維、セラミックス繊維、金属繊維に代表される無機繊維、アラミド繊維に代表される有機繊維等の各種繊維状フィラー、非繊維状フィラー、または、難燃剤、耐ＵＶ剤、顔料、離型剤、軟化剤、可塑剤、界面活性剤などの各種添加剤を含んでいてもよい。
【００２５】
［作製方法］
以下本発明の複合基材を好ましく得る方法について述べる。例えば、本発明の複合基材は以下の工程１〜５により、好ましく作製することができる。
１．  拡幅工程：炭素繊維ストランドを拡幅する工程
２．  カット工程：炭素繊維ストランドをカットする工程、
３．  散布工程：炭素繊維ストランドが拡幅およびカットされたものを単独で拡散／散布し、炭素繊維マットとする工程、あるいは、拡幅およびカットされた炭素繊維を、繊維状もしくはパウダー状の熱可塑性樹脂と共に、拡散／散布しこれらの混合物である（混合）ランダムマットとする工程、
４．  搬送工程：（混合）ランダムマットを搬送する工程、または炭素繊維マットを搬送し、その間に該炭素繊維マットの片面あるいは両面にシート状の溶融熱可塑性樹脂を供給する工程、
５．  加熱・加圧工程：搬送された（混合）ランダムマットまたは、シート状の溶融熱可塑性樹脂が付着した炭素繊維マット（積層ランダムマット）を加熱および加圧し、複合基材を得る工程。
【００２６】
［拡幅工程］
炭素繊維などの高機能繊維のストランドは、拡幅されたもの、つまり物理的な力が加えられるなどして、その繊維束が幅広く、且つ薄く配列したものとなると、その機能を更に有効に発揮する。本発明の複合材料を作製するにおいても、炭素繊維ストランドは拡幅されたものであると好ましい。炭素繊維ストランドの拡幅、すなわち炭素繊維束を幅広く、かつ薄くする工程は、この工程以後の処理工程と連続でも、不連続でも構わない。
本発明の複合基材を作製する際に、炭素繊維ストランドを拡幅する方法としては、公知のものを採用することができる。例えば、ボビンから引き出された複数本の炭素繊維ストランドを、その走行方向に直交して設置された複数本の断面形状が円形のバーに連続的に所定の張力下でバーに接触させ、多段階で該炭素繊維ストランドを拡幅することができる。拡幅幅は、ボビンから引き出された炭素繊維ストランド幅に対して、１．１〜５倍の幅に拡幅する事が好ましい。より好ましくは、１．１〜３倍である。
【００２７】
［カット工程］
次いで、拡幅された炭素繊維ストランドをカットする工程について述べる。炭素繊維ストランドをカット方法としては、公知のものを採用できるが、ロータリーカッター等のナイフを用いる方法が好ましい。
ロータリーカッターとしては、角度を規定した螺旋状ナイフ、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。
炭素繊維束（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。
カットに用いる炭素繊維ストランドとして予め集束本数が前記式（２）の範囲であるものを用いることが好ましい。しかしながら、一般的に集束本数が少ないほど、炭素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集束本数の多い炭素繊維ストランドを用いる場合には、カット工程に供する炭素繊維ストランド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。具体的には上記の拡幅工程を経て炭素繊維ストランドの幅を広げて薄くした後、カット工程に供する、もしくは拡幅工程後にスリット加工を経て、カット工程に供する方法が挙げられる。スリット加工を行う方法では、予め集束本数が（２）式の範囲に調整後、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。
【００２８】
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ことで平均繊維数（Ｎ）を小さくすることができ、逆にナイフの幅が広いものを用いることで平均繊維数（Ｎ）を大きくすることができる。
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。この分繊カッターは、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いるものであり、これらの刃で繊維をカットすると同時に、繊維方向に垂直な刃によりスリットすることができる。図４に示される分繊カッターも当該図に示すとおり、ロータリーカッターの周方向とナイフの配置方向のなす角θが、一定のものである。
最終的に得られる複合材料の安定した機械的特性の発現および表面品位に優れる複合材料を得るためには、複合材料の面内方向における炭素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、炭素繊維のカットが不連続であり、これを散布工程に導入した場合には、炭素繊維目付けの斑が発生してしまう。そのため、角度を規定したナイフを用いて炭素繊維を連続的にカットすることにより、疎密斑の小さい散布が可能となる。炭素繊維を連続的にカットするためのナイフ角度は、使用する炭素繊維の幅と、刃のピッチにより幾何学的に計算され、それらの関係は、下記の式（４）とすることが好ましい。周方向の刃のピッチは、そのまま炭素繊維の繊維長に反映される。
炭素繊維の繊維長（刃のピッチ）＝炭素繊維ストランド幅×ｔａｎ（９０-θ）    （４）
ここで、θは周方向とナイフの配置方向のなす角である。
【００２９】
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。
なお、本工程において炭素繊維を所定の長さにカットし、以後、炭素繊維をカットすることなく、本発明の複合基材とした場合、該複合基材中の炭素繊維の平均繊維長は、上記のカット時の長さとなる。
［散布工程］
散布工程とは、炭素繊維ストランドが分繊および定長でカットされたものを散布する工程である。散布工程においては、繊維状又はパウダー状の熱可塑性樹脂を、炭素繊維と同時に散布することも可能である。これらカットされた炭素繊維などを通気性支持体上に散布することで、本発明の複合基材に好適な炭素繊維マットやランダムマットを得ることができる。
散布工程において、炭素繊維と同時に熱可塑性樹脂を供給する場合、熱可塑性樹脂の供給量は、炭素繊維１００質量部に対し、３〜１０００質量部であることが好ましい。より好ましくは、炭素繊維１００質量部に対し、熱可塑性樹脂５０〜５００質量部、更に好ましくは、炭素繊維１００質量部に対し、熱可塑性樹脂５０〜３００質量部である。
散布工程において、炭素繊維あるいは炭素繊維と熱可塑性樹脂の供給量を適宜選択することで所望の厚さのものを得ることができる。
ここで、炭素繊維もしくは炭素繊維と繊維状又はパウダー状の熱可塑性樹脂は２次元配向する様に散布されることが好ましい。開繊した炭素繊維を２次元配向させながら塗布するためには、散布方法及び下記の定着方法が重要となる。炭素繊維の散布方法には、円錐形等のテーパー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、管内の流速が減速する。このベンチュリ効果を利用して、炭素繊維に回転力が与えられ、拡散させ散布することができる。
上記の拡幅工程およびカット工程において、本発明で定義する開繊程度の調整が行われるが、散布工程においても付加的に開繊程度を調整する事も可能である。管内に導入された炭素繊維に、空気を吹き付ける事により、繊維束を開繊させる。より具体的にはカットされた炭素繊維を連続的に管内に導入し、圧力空気を直接繊維に吹き付ける事により、繊維束をバラバラに開繊させる工程である。開繊の度合いについては、空気の圧力等により適宜コントロールする事が出来る。
【００３０】
好ましい炭素繊維の開繊方法は、圧縮空気を直接炭素繊維に吹き付ける方法である。具体的には圧縮空気吹き付け孔より、好ましくは風速１〜５００ｍ／ｓｅｃにて空気を吹き付ける事により、炭素繊維を開繊させる事ができる。好ましくは炭素繊維の通る管内に直径１ｍｍ程度の孔を数箇所あけ、外側より０．０１〜０．８ＭＰａ程度の圧力をかけ、圧縮空気を繊維束に直接吹き付けることにより、繊維束を任意の開繊度まで開繊する事ができる。
炭素繊維マットやランダムマットにおいて、炭素繊維および紛体や繊維状の熱可塑性樹脂を定着させるために、炭素繊維もしくは炭素繊維と熱可塑性樹脂が堆積される通気性支持体の該堆積部分の下部より、エアを吸引して炭素繊維や熱可塑性樹脂を定着させることが好ましい。このように堆積面の下部より吸引することにより、２次元配向の高いマットを得ることができる。なお、定着後の炭素繊維マットやランダムマットの空孔率は９０％以上である。ここで、定着とは、炭素繊維が絡みあったマットに熱可塑性樹脂の粉末や繊維がしっかりと食い込み、該マットを運搬するなどしても、該熱可塑性樹脂粉末や繊維が容易に脱落しない状態を言う。
なお、通気性支持体の構成により熱可塑性樹脂粒子等の一部が支持体を通過してマット内に残らない場合には、これを防ぐため、支持体の表面に別途不織布等をセットし、その不織布上に炭素繊維及び熱可塑性樹脂粒子等を吹き付けて定着させることも可能である。
この場合は、不織布を熱可塑性樹脂と同じ樹脂で構成すれば、堆積したマットから不織布を剥がす必要はなく、以後の加熱・加圧工程で加工することにより、不織布構成繊維も複合材料のマトリクスとなる熱可塑性樹脂の一部として利用することができる。
上記のような散布工程の処理により、炭素繊維が２次元ランダム配向した炭素繊維マットやランダムマットを得ることができる。
【００３１】
［搬送工程］
搬送工程とは、上記散布工程で得られたランダムマットを搬送する工程、または上記散布工程で得られた炭素繊維マットを搬送し、その間に該炭素繊維マットの片面あるいは両面にシート状の溶融熱可塑性樹脂を供給する工程である。
散布工程に記載の通気性支持体を、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、その上に炭素繊維、または、炭素繊維と熱可塑性樹脂の混合物を堆積させるようにすれば、連続的に炭素繊維マットもしくはランダムマットを形成させることができる。
散布工程において炭素繊維のみを散布した場合、該炭素繊維マットの片面もしくは両面にシート状の溶融熱可塑樹脂を供給する機構が設置される。該溶融熱可塑樹脂の供給方法は、押出機等で溶融・搬送される熱可塑樹脂もしくは必要に応じて種々の添加剤を含む熱可塑性樹脂を、Ｔダイ等を使用して所定の幅・厚み・時間あたりの供給量をシート状に溶融状態で、該炭素繊維マット上に供給するものである。該炭素繊維マットの両面に供給する場合は、上記の方法で、溶融熱可塑樹脂シートを、耐熱性があるベルト上に供給した上に、該炭素繊維マットをその形態を保持したまま連続的に設置し、該炭素繊維マット上にも同様に溶融熱可塑性樹脂シートが供給されることにより実施される。
【００３２】
［加熱・加圧工程］
加熱・加圧工程とは、上記のように搬送されたランダムマットまたは、シート状の溶融熱可塑性樹脂が付着した炭素繊維マットを加熱および加圧し、７ｖｏｌ％超過１００ｖｏｌ％未満の空孔率を有する複合基材を得る工程である。
上記のランダムマットなどを加熱・加圧して本発明の複合基材とするには、熱可塑性樹脂やその複合材料を加熱・加圧する公知の方法を用いることができ、バッチ式の装置による方法でも連続式の装置による方法のいずれでも良い。
本加熱・加圧工程における加圧方法に特に限定はないが、ロールやベルトプレス機などによる隙間制御あるいは加圧力制御による方法が好ましく挙げられる。ロールによる加圧を行う場合、予め目的の空孔率の複合基材になるように、ロールの間隔長さを調節して加圧をすることが好ましい。具体的な例として、間隙を有する上下一対のロールを加圧装置として用い、このロール対の間隙に前記ランダムマット等を挟持して通過させることで加圧する場合、前記式（３）
空孔率（Ｖｒ）＝（ｔ２-ｔ１）／ｔ２×１００      （３）
（ここで、ｔ１は複合基材に含まれる炭素繊維と熱可塑性樹脂の量から計算される、該複合基材が空孔率０ｖｏｌ％の場合の理論厚み、ｔ２は該複合基材の平均厚みである。）
において、ロール対の間隙長さを、得られる複合基材の平均厚みｔ２とみなすことができる。つまり、ロールによる加圧を行う場合、上記式（３）の関係から目的とする空孔率に対応したロール対の間隙長さを求めることができる。本例以外の加圧方法を用いる場合も、該複合基材を挟持する治具間隙長さを、得られる複合基材の平均厚みｔ２とみなすことができる。
本加熱・加圧工程における加熱方法に特に限定はないが、赤外線ヒーターや熱風による加熱や加熱ロール、加熱プレートによって加熱することで好ましく得られる。加熱温度にとくに限定はないが、好ましくはランダムマット等の基材温度がマトリクス樹脂の融点以上融点プラス１００℃以下、より好ましくはマトリクス樹脂の融点以上融点プラス５０℃以下となるように温度設定するのが好ましい。
本加熱・加圧工程にあたり、ランダムマット等の基材は予めマトリクスである熱可塑性樹脂の融点、または熱可塑性樹脂が非晶性の場合はガラス転移温度以上に加熱しておくことにより、より効率よく処理が可能となる。ロールやベルトなど本加熱・加圧工程を構成し、ランダムマット等の基材と接触する装置構成部品は、マトリクスである熱可塑性樹脂の軟化点以上に調整されていても、軟化点未満に調整されていても良い。上記部品の少なくとも一方をマトリクスである熱可塑性樹脂の溶融温度以上に調整することで、連続の加熱・加圧工程とすることがより好ましい。図５に加熱・加圧をロールで行う場合における構成例の模式図を示す。
【００３３】
本発明の複合基材を得るための加熱・加圧方法としては、前記の赤外線ヒーターや熱風などの加熱源を有する加熱炉中に複数のロール対を設け、このロール対の間隙にランダムマット等を挟持し、通過させる方法が簡便で好ましい。
上記のランダムマットなどへの加熱・加圧処理は１回でも複数回でもよく、また、１回以上の加熱・加圧処理により、本発明の７ｖｏｌ％超過１００ｖｏｌ％未満の空孔率を有する複合基材とした後、これに対して更に加熱・加圧処理を行い、より低い空孔率の本発明の複合基材としても良い。以後、本発明において、複数回の加熱・加圧処理を行う場合、最初にランダムマットまたは、シート状の溶融熱可塑性樹脂が付着した炭素繊維マットを加熱および加圧する処理を１段階目、１段階目の処理により得られた複合基材を、更に加熱・加圧する処理を２段階目のように称することがある。
本発明の複合基材は、上記のように、複数回の加熱・加圧処理を行うことにより得られるものが好ましい、複数回の加熱・加圧処理により複合基材の空孔率を目標値まで低減させると、特に面内等方性に優れた複合基材を得ることができるからである。以下、好ましい態様として空孔率９０ｖｏｌ％以上であるランダムマットに対する複数回の加熱・加圧処理を例示する。
まず、第１段階目に、空孔率が９０ｖｏｌ％以上のランダムマットを７５ｖｏｌ％以上９０ｖｏｌ％未満に調整する。これは、空孔率０ｖｏｌ％時の厚み対してランダムマットの厚みを４倍以上１０倍未満に調整する事に相当する。この際に基材に付与される圧力は０．０１ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下となる範囲で調整される事が好ましい。この減少率以上に空孔率を大きく減少するとランダムマットに過度の圧力が付与されるため、面内等方性の欠如や加熱／加圧工程における運転不良が発生する。また、逆に空孔率の減少割合が小さすぎると、ランダムマットの昇温効率が著しく低下し、エネルギの浪費や装置の長大化を招いてしまう。次いで、２段階目以降で空孔率を４０ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％未満、３０ｖｏｌ％以上７５ｖｏｌ％未満などとなるよう順次空孔率を減少することにより、面内等方性に優れた複合材料を得るのに適した複合基材が得られる。
この加熱・加圧工程では、１回の加熱・加圧処理による空孔率の減少が４０ｖｏｌ％未満であると面内等方性に優れた複合材料が得られやすいので好ましく、３２ｖｏｌ％以下であるとより好ましく、２３ｖｏｌ％以下であると更に好ましく、２０ｖｏｌ％以下であるとより一層好ましい。
以上、本発明の複合基材を作製する方法における加熱・加圧工程について示したが、空孔率が９０ｖｏｌ％以上の本発明の複合基材については、加圧せず加熱のみによって得ることも容易にできる。例えば、炭素繊維が絡みあったマット状物に熱可塑性樹脂の紛体や繊維が付着または絡みあったランダムマットは空孔率が高く、空孔率９０ｖｏｌ％以上のものも多いので、そのようなランダムマットを加圧せず、加熱のみを行えば、空孔率９０ｖｏｌ％以上の本発明の複合基材が得られる。
上記加熱・加圧工程の後、本発明の複合基材は、複合材料の作製にそのまま使用されてもよく、用いられる前に、適当な寸法・形状に切断されてもよい。
【００３４】
［本発明の複合基材のより好ましい態様］
本発明の複合基材としては、炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが複合されたマット状物を、加熱および加圧することにより得られる上記のような複合基材であって、１回の加熱および加圧における空孔率の減少が４０ｖｏｌ％を超えることなく加熱および加圧することにより得られるものであると、これを用いることで、繊維配向が少なく、面内等方性に優れた複合材料を得ることができるので好ましい。本発明においては、上記の１回の加熱および加圧における空孔率の減少が３２ｖｏｌ％以下となるよう加熱および加圧することにより得られる複合基材であるとより好ましく、２３ｖｏｌ％以下となるよう加熱および加圧することにより得られる複合基材であると更に好ましく、２０ｖｏｌ％以下となるよう加熱および加圧することにより得られる複合基材であるとより一層好ましい。
本発明の複合基材としては、炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが複合されたマット状物を、加熱および加圧することにより得られる複合基材であって、空孔率６０ｖｏｌ％以上の複合基材を得てから、更に該複合基材を、１回の加熱および加圧における空孔率の減少が２０ｖｏｌ％を超えることがないように加熱および加圧することにより得られる、空孔率が７ｖｏｌ％超過８０ｖｏｌ％未満である複合基材であると、これを用いることで、より繊維配向が少なく、より面内等方性に優れた複合材料を得ることができるので好ましい。
本発明の複合基材としては、炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが複合されたマット状物を、加熱および加圧することにより得られる複合基材であって、空孔率４０ｖｏｌ％以上６０ｖｏｌ％未満の複合基材を得てから、更に該複合基材を、１回の加熱および加圧における空孔率の減少が３０ｖｏｌ％を超えることがないように加熱および加圧することにより得られた、空孔率が７ｖｏｌ％超過８０ｖｏｌ％未満、好ましくは７ｖｏｌ％超過５０ｖｏｌ％未満、である複合基材であると、これを用いることで、より繊維配向が少なく、より面内等方性に優れた複合材料を得ることができるので好ましい。
【００３５】
本発明の複合基材として、含有する炭素繊維は、幅が５ｍｍ以下であり、幅に対して厚みが１／２以下のものであると、これを用いて、より繊維配向が少なく面内等方性に優れ、かつ、より炭素繊維の物性発現率が優れた複合材料を得ることができるので好ましい。本発明において、炭素繊維の幅とは、炭素繊維の長手方向に垂直な断面において直交する二方向の寸法のうちの長い方であり、炭素繊維の厚みとは、該寸法の短い方である。炭素繊維の長手方向に垂直な断面における直交する二方向の寸法が等しい場合、任意の一方向を炭素繊維の幅とし、もう一方を炭素繊維の厚みとする。本発明の複合基材としては、炭素繊維マットと熱可塑性樹脂とが複合されたマット状物を、加熱および加圧することにより得られる複合基材であって、加熱および加圧する段階を３つ以上含み、そのうちの少なくとも１段階は、加圧を、複合基材の空孔率が減少しない極めて弱い条件にて加熱および加圧を行うことにより得られる、空孔率が７ｖｏｌ％超過８０ｖｏｌ％未満である複合基材であると、これを用いることで、より繊維配向が少なく、より面内等方性に優れた複合材料を得ることができるので好ましい。上記の、複合基材の空孔率が減少しない極めて弱い条件の加圧としては、例えば、複合基材の加熱・加圧を、複数のロール対で行う際、あるロール対の間隙長さを、その前段階のロール対の間隙長さと等しくして行う方法などが挙げられる。
【００３６】
［複合材料］
上記のようにして得られた本発明の複合基材を、更に加圧することにより、各種用途の成形体を得るための前駆体として用いられる複合材料とすることができる。
本発明の複合基材から得られる複合材料は、前記式（３）で定義される空孔率が好ましくは０ｖｏｌ％以上７ｖｏｌ％以下、より好ましくは０ｖｏｌ％以上３ｖｏｌ％以下であり、面内等方性に優れるものである。複合材料の面内等方性は、複合材料の試料片について互いに直交する２方向の引張弾性率を求め、比を求めることで、定量的に評価できる。複合材料における２方向の引張弾性率の値のうち大きい方の値を小さい方の値で割った比（Ｅσ、以下引張弾性率比を称することがある。）が２を超えないときに面内等方性であるとされ、１．３を超えないときは面内等方性に優れているとされる。
本発明の複合基材から複合材料を得る方法としては、前記の、複合基材の作製方法における加熱・加圧工程の後に続けて、該複合基材を、そのマトリクス樹脂の軟化点以上の温度に保ったまま、加圧して、複合材料としても良い。この時、該複合基材を、そのマトリクス樹脂の軟化点以上の温度に保つ方法としては、マトリクス樹脂の軟化点未満の温度まで温度が降下する前に、迅速に複合材料の作製に用いることでも良く、当然、該複合基材を、該軟化点以上の温度に保温または加熱することでも良い。
上記のように複合基材を加圧または加熱・加圧して得られた複合材料は、その後に、複合基材のマトリクス樹脂の軟化点未満に保持された冷却工程を設け、最終的に該熱可塑性樹脂を固化させて複合材料とする方法が好ましく、加圧または加熱・加圧工程後に続けて、マトリクス樹脂の軟化点未満の温度まで冷却しながら加圧する事で、複合材料としても良い。
本発明の複合基材から得られる複合材料の形状に特に制限はないが、複合基材と同様に、板状物、特に略長方形板状物が代表的なものとして例示され、該板状物としては長尺物も好ましい。
【００３７】
［成形体］
上記の複合材料は、成形体の前駆体として用いられる。該複合材料を成形する方法に特に限定はないが、例えば真空成形や液圧成形、ホットプレス、コールドプレス等により成形することで好適に用途に必要な形状を有する成形体を得ることが出来る。
また、上記の複合材料を成形する際に、適宜、該複合材料を全面あるいは部分的に複数積層、あるいは熱可塑性樹脂を加えることで目的に応じて厚みの異なる成形体を得ることが出来る。加える熱可塑性樹脂は特に指定は無く、複合基材におけるマトリクスと同一樹脂であってもよいし、異なっていてもよい。さらに樹脂の形態も、溶融樹脂や繊維状、パウダー状やフィルム状などを用いることができる。成形する際に加える熱可塑性樹脂の具体例としては、複合基材における熱可塑性樹脂の項で述べたものと同じものが挙げられる。
【００３８】
［積層体］
本発明の複合材料としては、その少なくとも一方の表面の一部、または全面に、さらに本発明の複合材料もしくは炭素繊維の一方向材を積層し、積層体にしたものも好ましい。一方向材は、炭素繊維の連続繊維が一方向に引き揃えられた一方向材と熱可塑性樹脂とからなる。一方向材は、複数の一方向材を積層したものであっても良く、一方向に引き揃えた繊維強化材の束をシート状にして角度を変えて積層したもの（多軸織物基材）を、ナイロン糸、ポリエステル糸、ガラス繊維糸等のステッチ糸で、この積層体を厚さ方向に貫通して、積層体の表面と裏面の間を表面方向に沿って往復しステッチしたような多軸織物であっても良い。
一方向材を構成する炭素繊維の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。
一方向材における熱可塑性樹脂の存在量が、炭素繊維１００質量部に対し、３〜４００質量部であることが好ましい。熱可塑性樹脂の存在量は、より好ましくは炭素繊維１００質量部に対し、１０〜１００質量部である。
一方向材を構成する熱可塑性樹脂は複合材料におけるマトリクスと同一であっても異なっていても良い。熱可塑性樹脂の具体例としては複合基材における熱可塑性樹脂の項で述べたものと同じものが挙げられる。
積層の方法としては、特に限定は無いがたとえば熱溶着や圧着する方法が挙げられる。
熱溶着する場合は、上述のランダムマットを加熱する工程にて基材と一方向材を合わせて加熱工程に処することも好ましい。一方向材と基材との接着部分は表面の一部または表面全面であってもよい。本発明の複合材料と一方向材を組み合わせることで、過大な重量増を伴うことなく、成形体中において必要な部位の機械特性を集中的に向上させることができる。
【実施例】
【００３９】
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く、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。なお、以下の実施例、比較例で用いた炭素繊維や熱可塑性樹脂の密度は以下のとおりである。
ＰＡＮ系炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＳＴＳ４０-２４ＫＳ：１．７５ｇ／ｃｍ３
ポリブチレンテレフタレート樹脂：１．３１ｇ／ｃｍ３
ポリカーボネート：１．２０ｇ／ｃｍ３
ポリアミド６：１．１４ｇ／ｃｍ３
【００４０】
［空孔率の求め方］
１）ランダムマットに含まれる炭素繊維および熱可塑性樹脂のそれぞれの存在量より、該ランダムマットより得られる、空孔率０％の複合基材の単位面積（１ｍ２）あたりの理論厚み（ｔ１）を計算する。
２）ランダムマットの全体もしくは所定の面積における厚みを、ノギス等を用いて負荷をかけずに１／１００ｍｍまで１００点／ｍ２測定し、得られた値からランダムマットの平均厚みを求めた。この平均厚みをｔ２とみなし、前項にて求めた複合基材の空孔率０％での理論厚み（ｔ１）とともに前記式（３）にてランダムマットの空孔率を計算し、これを初期空孔率とする。
３）複合基材の加熱・加圧工程における空孔率漸減処理時の複合基材の平均厚みをｔ２として、空孔量（ｔ２-ｔ１）より複合基材の空孔率（Ｖｒ）を以下の式（３）により求める。
Ｖｒ＝（ｔ２-ｔ１）／ｔ２×１００      （３）
（ここで、ｔ１は複合基材に含まれる炭素繊維と熱可塑性樹脂の量から計算される、該複合基材が空孔率０ｖｏｌ％の場合の理論厚み、ｔ２は該複合基材の平均厚みである。）
なお、加熱および加圧工程における各段階のｔ２は、加圧を行うロール対の間隙長さを、上記の複合基材平均厚み（ｔ２）とした。
実施例において、ある加熱・加圧処理における空孔率の減少値が、その加熱・加圧処理前後の空孔率の減算結果と整合しない場合がある。これは、複合基材の空孔率は小数点以下を四捨五入した値で表示されているが、各段階の加熱・加圧処理における空孔率の減少値は、小数点以下の四捨五入無しの空孔率の値を用いた計算結果の小数点以下を四捨五入した数値を採用しており、そのために誤差が生ることがあるためである。
【００４１】
［複合基材における炭素繊維束（Ａ）の繊維全量に対する割合の求め方］
１）複合基材を１００ｍｍ×１００ｍｍに切り出し、５００℃×１時間程度、炉内にて樹脂を除去する。
２）樹脂を除去した複合基材より、繊維束をピンセットで全て取り出す。
３）全ての繊維束について、個々の繊維束の長さ（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（Ｗｋ）を測定する。このとき、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炭素繊維の繊維径（Ｄ）より、臨界単糸数を計算し、臨界単糸数以上の炭素繊維束（Ａ）と、それ以外に分ける。なお、２種類以上の炭素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。
４）全ての分類について測定後、炭素繊維束（Ａ）の平均繊維数（Ｎ）を以下の計算により求める。各炭素繊維束中の繊維本数（Ｎｉ）は使用している炭素繊維の繊度（Ｆ）より、式（５）により求められる。
Ｎｉ＝Ｗｉ／（Ｌｉ×Ｆ）      （５）
炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は炭素繊維束（Ａ）の束の数（Ｉ）より、以下の式（６）により求める。
Ｎ＝ΣＮｉ／Ｉ      （６）
また、炭素繊維束（Ａ）のマットの繊維全体に対する割合（ＶＲ）は、炭素繊維の繊維比重（ρ）を用いて次式（７）により求められる。
ＶＲ＝Σ（Ｗｉ／ρ）×１００／（（Ｗｋ＋ΣＷｉ）／ρ）      （７）
なお、複合基材に含まれる炭素繊維の幅や厚みについても、上記のように複合基材から樹脂を除去し、炭素繊維を取り出して測定することができる。
【００４２】
［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、炭素繊維の面内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、または引張弾性率比と記することがある）を測定する事で確認できる。引張弾性率の比が１に近いほど、面内等方性に優れる材料である。
【００４３】
［実施例１］
炭素繊維として、東邦テナックス社製のＰＡＮ系炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＳＴＳ４０-２４ＫＳ（平均繊維径７μｍ、ストランド幅１０ｍｍ）ストランドを使用した。この炭素繊維ストランドを１５〜２０ｍｍに拡幅し、更に縦スリット装置を使用して、幅０．８ｍｍにスリットした後、繊維長２０ｍｍにカットを行った。カット装置としては、超硬合金製の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。
ロータリー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、これを散布装置（気体吹付けノズル）に導入した。散布装置としては、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、５０ｍ／ｓｅｃであった。この二重管の下部には下方に向けて径が拡大するテーパー管を溶接した。
上記テーパー管の側面より、マトリックス樹脂を供給した。マトリックス樹脂としてはユニチカ社製のナイロン６樹脂“Ａ１０３０”の粒子を使用した。
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ー管を定速で移動する定着ネットの幅方向に往復運動させながら、カットした炭素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、炭素繊維の供給量を２１２ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂の供給量を３２０ｇ／ｍｉｎにセットし、装置を稼動したところ、定着ネット上に炭素繊維とマトリックス樹脂（熱可塑性樹脂）とが斑なく混合されたランダムマットが一定方向に移動する定着ネット上に連続的に形成された。このランダムマットの炭素繊維の目付け量は、２６５ｇ／ｍ２であった。
得られたランダムマットについて、炭素繊維束（Ａ）の割合と、平均繊維数（Ｎ）を調べたところ、上記式（１）で定義される臨界単糸数は８６であり、炭素繊維束（Ａ）について、マットの繊維全量に対する割合は８０Ｖｏｌ％、炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）は６００であった。また、ナイロン６粒子は、炭素繊維中に殆ど斑の無い状態で均一に分散され、且つ、定着されていた。また、初期空孔率は９１ｖｏｌ％であった。
上記のランダムマットを、スチールベルト、ロール、加熱炉で構成される装置を用いて、加熱・加圧処理を行った。該装置は、加熱炉内に間隙を有する上下一対のロールが複数設置されており、このロール間隙に上記ランダムマットを挟持する形でスチールベルトを連続的に通過させる構造となっている。上記の加熱炉内に設置されたロール間隙を調整する事で、スチールベルトを介してランダムマットに作用される圧力も調整され、複合基材が目的とする空孔率を有するものとなる。
以下に示すとおり、表面温度が２６０〜３６０℃となるように設定した複数のロール間隙を、最終の複合材料厚みが３ｍｍとなるように上記のランダムマット６枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材に対する加熱・加圧処理は、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された７対のロールにより、７段階にて行い、ランダムマットの初期空孔率９１ｖｏｌ％に対して、８５ｖｏｌ％、８０ｖｏｌ％、７５ｖｏｌ％、７０ｖｏｌ％、５８ｖｏｌ％、４７ｖｏｌ％、２９ｖｏｌ％と段階的に空孔率を漸減させて、工程不良を起こすこと無く、炭素繊維に熱可塑性樹脂が固着している複合基材を得た。１回の加熱・加圧において空孔率が最も減少したのは、７段階目であり１８ｖｏｌ％減少した。空孔率６０Ｖｏｌ％以上の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは５段階目であり、１２ｖｏｌ％減少した。空孔率４０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％未満の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは７段階目であり、１８ｖｏｌ％減少した。
上記で得られた高温の複合基材を該熱可塑性樹脂の軟化点以下の温度の冷却ロール対を用いた冷却・加圧工程の後、厚み３ｍｍの複合材料板を得た。得られた複合材料板から試験片を切り出して、ＪＩＳ７１６４に準拠し測定を行った結果、任意の方向及びこれと直交する方向の引張弾性率比は、１．０７であった。
なお、上記の得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の平均繊維長は、炭素繊維ストランドをカットした際の長さの２０ｍｍである。同様に、得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の幅は５ｍｍより相当狭いものであり、炭素繊維の厚みは当該幅の１／２以下であった。
【００４４】
［実施例２］
実施例１に記載のランダムマットを用いて、以下に示すとおり、表面温度が２６０〜３６０℃となるように設定した複数のロール対の間隙を、最終の複合材料厚みが３ｍｍとなるように上記のランダムマット６枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材を得るための加熱・加圧は、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された６対のロールにより６段階にて行い、ランダムマットの初期空孔率９１ｖｏｌ％に対して、８３ｖｏｌ％、７８ｖｏｌ％、６７ｖｏｌ％、５０ｖｏｌ％、３３ｖｏｌ％、１９ｖｏｌ％と段階的に空孔率を漸減させて、工程不良無く、炭素繊維に熱可塑性樹脂が固着している複合基材を得た。１回の加熱・加圧において空孔率が最も減少したのは、４および５段階目であり、これらの段階ではいずれも空孔率が１７ｖｏｌ％減少した。空孔率６０Ｖｏｌ％以上の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは１７ｖｏｌ％減少した４段階目である。空孔率４０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％未満の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは１７ｖｏｌ％減少した５段階目である。
上記で得られた高温の複合基材を該熱可塑性樹脂の軟化点以下の冷却ロール対を用いた冷却・加圧工程の後、厚み３ｍｍの複合材料板を得た。得られた複合材料板から試験片を切り出して、ＪＩＳ７１６４に準拠し測定を行った結果、任意の方向及びこれと直交する方向の引張弾性率比は、１．１２であった。
なお、上記にて得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の平均繊維長は、炭素繊維ストランドをカットした際の長さの２０ｍｍである。同様に、得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の幅は、５ｍｍより相当狭いものであり、炭素繊維の厚みは当該幅の１／２以下であった。
【００４５】
［実施例３］
実施例１に記載のランダムマット用いて、以下に示すとおり、表面温度が２６０〜３６０℃となるように設定した複数のロール対の間隙を、最終の複合材料厚みが３ｍｍとなるように上記のランダムマット６枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材を得るための加熱・加圧は、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された５対のロールにより５段階にて行い、ランダムマットの初期空孔率９１ｖｏｌ％に対して、８０ｖｏｌ％、７８ｖｏｌ％、６０ｖｏｌ％、４１ｖｏｌ％、２３ｖｏｌ％と段階的に空孔率を漸減させて、工程不良無く、炭素繊維に熱可塑性樹脂が固着している複合基材を得た。１回の加熱・加圧において空孔率が最も減少したのは、４段階目であり、これらの段階ではいずれも空孔率が１９ｖｏｌ％減少した。空孔率６０Ｖｏｌ％以上の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは１９ｖｏｌ％減少した４段階目である。空孔率４０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％未満の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは１８ｖｏｌ％減少した５段階目である。
上記で得られた高温の複合基材を該熱可塑性樹脂の軟化点以下の冷却ロール対を用いた冷却・加圧工程の後、厚み３ｍｍの複合材料板を得た。得られた複合材料板から試験片を切り出して、ＪＩＳ７１６４に準拠し測定を行った結果、任意の方向及びこれと直交する方向の引張弾性率比は、１．０９であった。
なお、上記にて得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の平均繊維長は、炭素繊維ストランドをカットした際の長さの２０ｍｍである。同様に、得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の幅は５ｍｍより相当狭いものであり、炭素繊維の厚みは当該幅の１／２以下であった。
【００４６】
［比較例１］
実施例１に記載のランダムマット用いて、以下に示すとおり、表面温度が２６０〜３６０℃となるように設定した複数のロール対の間隙を、最終の複合材料厚みが３ｍｍとなるように上記のランダムマット６枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材を得るための加熱・加圧を、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された６対のロールにより６段階にて行い、ランダムマットの初期空孔率９１ｖｏｌ％に対して、８０ｖｏｌ％、７８ｖｏｌ％、６０ｖｏｌ％、５０ｖｏｌ％、３３ｖｏｌ％、７ｖｏｌ％と段階的に空孔率を漸減させて、工程不良無く複合基材を得た。１回の加熱・加圧において空孔率が最も減少したのは、６段階目であり、２６ｖｏｌ％減少した。空孔率６０Ｖｏｌ％以上の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは１８ｖｏｌ％減少した３段階目である。空孔率４０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％未満の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは１７ｖｏｌ％減少した５段階目である。
上記で得られた高温の複合基材を該熱可塑性樹脂の軟化点以下の冷却ロール対を用いた冷却・加圧工程の後、厚み３ｍｍの複合材料板を得た。得られた複合材料板において、ＪＳ７１６４に準拠し測定を行った結果、任意の方向及びこれと直交する方向の引張弾性率比は、１．４３であり、複合材料の表面の目視観察から複合基材作製工程におけるスチールベルトの走行方向に沿って炭素繊維が配向している事が確認された。
【００４７】
［参考例１］
実施例１に記載のランダムマット用いて、以下に示すとおり、表面温度が２６０〜３６０℃となるように設定した複数のロール対の間隙を、最終の複合材料厚みが３ｍｍとなるように上記のランダムマット６枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材の加熱・加圧を、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された１対のロールにより行い、初期空孔率９１ｖｏｌ％のランダムマットから空孔率が６７ｖｏｌ％の複合基材を得ようとしたところ、スチールベルトに挟持されたランダムマットがロール間隙より下流に進まない工程不良が生じ、複合基材を得る事が出来なかった。
【００４８】
［参考例２］
実施例１に記載のランダムマット用いて、表面温度が２６０〜３６０℃となるように設定した複数のロール対の間隙を、最終の複合材料厚みが３ｍｍとなるように上記のランダムマット６枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材の加熱・加圧を、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された２対のロールにより行い、初期空孔率９１ｖｏｌ％のランダムマットに対して、８３ｖｏｌ％、５０ｖｏｌ％となるように段階的な空孔率を減少させようとしたところ、２段階目の加熱・加圧において参考例１と同様の工程不良が生じ、複合材料を得るために使用できる複合基材を得る事が出来なかった。
【００４９】
［実施例４］
炭素繊維の供給量を２３６ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂であるナイロン６樹脂“Ａ１０３０”の供給量を２７５ｇ／ｍｉｎとする以外は、実施例１におけるランダムマット作製と同様に操作を行い、炭素繊維の目付量が、２９４ｇ／ｍ２であり、初期空孔率が８８Ｖｏｌ％のランダムマットを得た。このランダムマットの炭素繊維束（Ａ）の割合と、平均繊維数（Ｎ）は実施例１と同じであった。得られたランダムマットにおいて、ナイロン６粒子は、炭素繊維中に殆ど斑の無い状態で均一に分散され、且つ、定着されていた。
上記にて得られたランダムマットを用いて、以下に示すとおり、表面温度が２６０〜３６０℃となるように設定した複数のロール対の間隙を、最終の複合材料厚みが３．７ｍｍとなるように上記のランダムマット８枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材に対する加熱・加圧は、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された５対のロールのうちの３つを５段階、但し、そのうち２つの段階においては、空孔率が減少しない極めて弱い加圧条件にて行い、ランダムマットの初期空孔率８８ｖｏｌ％に対して、５９ｖｏｌ％、５９ｖｏｌ％、３８ｖｏｌ％、３８ｖｏｌ％、８ｖｏｌ％と段階的に空孔率を漸減させて、工程不良無く、炭素繊維に熱可塑性樹脂が固着している複合基材を得た。１回の加熱・加圧において空孔率が最も減少したのは、３１ｖｏｌ％減少した５段階目である。空孔率６０Ｖｏｌ％以上の複合基材を更に加熱・加圧した段階は無かった。空孔率４０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％未満の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは２１ｖｏｌ％減少した３段階目である。
上記で得られた高温の複合基材を該熱可塑性樹脂の軟化点以下の冷却ロール対を用いた冷却・加圧工程の後、厚み３．７ｍｍの複合材料板を得た。得られた複合材料板から試験片を切り出して、ＪＩＳ７１６４に準拠し測定を行った結果、任意の方向及びこれと直交する方向の引張弾性率比は、１．１８であった。
なお、上記にて得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の平均繊維長は、炭素繊維ストランドをカットした際の長さの２０ｍｍである。同様に、得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の幅は５ｍｍより相当狭いものであり、炭素繊維の厚みは当該幅の１／２以下であった。
【００５０】
［実施例５］
実施例４に記載のランダムマットを用いて、以下に示すとおり、表面温度が２６０〜３６０℃となるように設定した複数のロール対の間隙を、最終の複合材料厚みが２．８ｍｍとなるように上記のランダムマット６枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材に対する加熱・加圧は、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された６対のロールにより６段階、但し、そのうち２つの段階においては、空孔率が減少しない極めて弱い加圧条件にて行い、ランダムマットの初期空孔率８８ｖｏｌ％に対して、６９ｖｏｌ％、６９ｖｏｌ％、５３ｖｏｌ％、５３ｖｏｌ％、３０ｖｏｌ％、２０ｖｏｌ％と段階的に空孔率を漸減させて、工程不良無く、炭素繊維に熱可塑性樹脂が固着している複合基材を得た。１回の加熱・加圧において空孔率が最も減少したのは、５段階目であり、２３ｖｏｌ％減少した。空孔率６０Ｖｏｌ％以上の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは１６ｖｏｌ％減少した３段階目である。空孔率４０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％未満の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは２３ｖｏｌ％減少した５段階目である。
上記で得られた高温の複合基材を該熱可塑性樹脂の軟化点以下の冷却ロール対を用いた冷却・加圧工程の後、厚み２．８ｍｍの複合材料板を得た。得られた複合材料板から試験片を切り出して、ＪＩＳ７１６４に準拠し測定を行った結果、任意の方向及びこれと直交する方向の引張弾性率比は、１．０９であった。
なお、上記にて得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の平均繊維長は、炭素繊維ストランドをカットした際の長さの２０ｍｍである。同様に、得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の幅は５ｍｍより相当狭いものであり、炭素繊維の厚みは当該幅の１／２以下であった。
【００５１】
［実施例６］
実施例４に記載のランダムマットを用いて、以下に示すとおり、表面温度が２６０〜３６０℃となるように設定した複数のロール対の間隙を、最終の複合材料厚みが２．３ｍｍとなるように上記のランダムマット５枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材に対する加熱・加圧は、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された６対のロールにより６段階、但し、そのうち２つの段階においては、空孔率が減少しない極めて弱い加圧条件にて行い、ランダムマットの初期空孔率８８ｖｏｌ％に対して、７４ｖｏｌ％、７４ｖｏｌ％、６２ｖｏｌ％、６２ｖｏｌ％、４３ｖｏｌ％、１６ｖｏｌ％と段階的に空孔率を漸減させて、工程不良無く、炭素繊維に熱可塑性樹脂が固着している複合基材を得た。１回の加熱・加圧において空孔率が最も減少したのは、６段階目であり、２６ｖｏｌ％減少した。空孔率６０Ｖｏｌ％以上の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは１６ｖｏｌ％減少した３段階目である。空孔率４０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％未満の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは２６ｖｏｌ％減少した６段階目である。
上記で得られた高温の複合基材を該熱可塑性樹脂の軟化点以下の冷却ロール対を用いた冷却・加圧工程の後、厚み２．３ｍｍの複合材料板を得た。得られた複合材料板から試験片を切り出して、ＪＩＳ７１６４に準拠し測定を行った結果、任意の方向及びこれと直交する方向の引張弾性率比は、１．１３であった。
なお、上記にて得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の平均繊維長は、炭素繊維ストランドをカットした際の長さの２０ｍｍである。同様に、得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の幅は、５ｍｍより相当狭いものであり、炭素繊維の厚みは当該幅の１／２以下であった。
【００５２】
［実施例７］
実施例４に記載のランダムマットを用いて、以下に示すとおり、表面温度が２６０〜３６０℃となるように設定したロール対の間隙を、最終の複合材料厚みが１．９ｍｍとなるように上記のランダムマット４枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材に対する加熱・加圧は、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された６対のロールにより６段階、但し、そのうち２つの段階においては、空孔率が減少しない極めて弱い加圧条件にて行い、ランダムマットの初期空孔率８８ｖｏｌ％に対して、７９ｖｏｌ％、７９ｖｏｌ％、６８ｖｏｌ％、６８ｖｏｌ％、５３ｖｏｌ％、２１ｖｏｌ％と段階的に空孔率を漸減させて、工程不良無く、炭素繊維に熱可塑性樹脂が固着している複合基材を得た。１回の加熱・加圧において空孔率が最も減少したのは、６段階目であり、３２ｖｏｌ％減少した。空孔率６０Ｖｏｌ％以上の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは、１６ｖｏｌ％減少した５段階目である。空孔率４０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％未満の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは３２ｖｏｌ％減少した６段階目である。
上記で得られた高温の複合基材を該熱可塑性樹脂の軟化点以下の冷却ロール対を用いた冷却・加圧工程の後、厚み１．９ｍｍの複合材料板を得た。得られた複合材料板から試験片を切り出して、ＪＩＳ７１６４に準拠し測定を行った結果、任意の方向及びこれと直交する方向の引張弾性率比は、１．０７であった。
なお、上記にて得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の平均繊維長は、炭素繊維ストランドをカットした際の長さの２０ｍｍである。同様に、得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の幅は５ｍｍより相当狭いものであり、炭素繊維の厚みは当該幅の１／２以下であった。
【００５３】
［実施例８］
炭素繊維の供給量を９４５ｇ／ｍｉｎ、マトリックス樹脂であるナイロン６樹脂“Ａ１０３０”の供給量を１１０２ｇ／ｍｉｎとする以外は、実施例１におけるランダムマット作製と同様に操作を行い、炭素繊維の目付量が、９４５ｇ／ｍ２であり、初期空孔率が９３Ｖｏｌ％のランダムマットを得た。このランダムマットの炭素繊維束（Ａ）の割合と、平均繊維数（Ｎ）は実施例１と同じであった。得られたランダムマットにおいて、ナイロン６粒子は、炭素繊維中に殆ど斑の無い状態で均一に分散され、且つ、定着されていた。
上記にて得られたランダムマットを用いて、以下に示すとおり、表面温度が２６０〜３６０℃となるように設定したロール対の間隙を、最終の複合材料厚みが１．５ｍｍとなるように上記のランダムマット１枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材に対する加熱・加圧は、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された６対のロールにより６段階、但し、そのうち２つの段階においては、空孔率がの減少しない極めて弱い加圧条件にて行い、ランダムマットの初期空孔率９３ｖｏｌ％に対して、７５ｖｏｌ％、７５ｖｏｌ％、６３ｖｏｌ％、６３ｖｏｌ％、５０ｖｏｌ％、２５ｖｏｌ％と段階的に空孔率を漸減させて、工程不良無く、炭素繊維に熱可塑性樹脂が固着している複合基材を得た。１回の加熱・加圧において空孔率が最も減少したのは、６段階目であり、２５ｖｏｌ％減少した。空孔率６０Ｖｏｌ％以上の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは、１３ｖｏｌ％減少した５段階目である。空孔率４０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％未満の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは２５Ｖｏｌ％減少した５段階目である。
上記で得られた高温の複合基材を該熱可塑性樹脂の軟化点以下の冷却ロール対を用いた冷却・加圧工程の後、厚み１．５ｍｍの複合材料板を得た。得られた複合材料板から試験片を切り出して、ＪＩＳ７１６４に準拠し測定を行った結果、任意の方向及びこれと直交する方向の引張弾性率比は、１．０４であった。
なお、上記にて得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の平均繊維長は、炭素繊維ストランドをカットした際の長さの２０ｍｍである。同様に、得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の幅は５ｍｍより相当狭いものであり、炭素繊維の厚みは当該幅の１／２以下であった。
【００５４】
［実施例９］
炭素繊維の供給量を１２６０ｇ／ｍｉｎとし、マトリックス樹脂としてナイロン６樹脂“Ａ１０３０”でなくポリカーボネート（帝人化成（株）製パンライト（登録商標）Ｌ-１２２５Ｙ）を供給量１５６０ｇ／ｍｉｎにて使用する以外は、実施例１におけるランダムマット作製と同様に操作を行い、炭素繊維の目付量が、１２６０ｇ／ｍ２であり、初期空孔率が９１Ｖｏｌ％のランダムマットを得た。このランダムマットの炭素繊維束（Ａ）の割合と、平均繊維数（Ｎ）は実施例１と同じであった。得られたランダムマットにおいて、ポリカーボネート粒子は、炭素繊維中に殆ど斑の無い状態で均一に分散され、且つ、定着されていた。
上記にて得られたランダムマットを用いて、以下に示すとおり、表面温度が２６０〜３６０℃となるように設定したロール対の間隙を、最終の複合材料厚みが２．０ｍｍとなるように上記のランダムマット１枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材を得るための加熱・加圧は、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された６対のロールにより６段階にて行い、ランダムマットの初期空孔率９１ｖｏｌ％に対して、８０ｖｏｌ％、６７ｖｏｌ％、５０ｖｏｌ％、３３ｖｏｌ％、２０ｖｏｌ％、９ｖｏｌ％と段階的に空孔率を漸減させて、工程不良無く、炭素繊維に熱可塑性樹脂が固着している複合基材を得た。１回の加熱・加圧において空孔率が最も減少したのは、３および４段階目であり、これらの段階ではいずれも空孔率が１７ｖｏｌ％減少した。空孔率６０Ｖｏｌ％以上の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは１７ｖｏｌ％減少した３段階目である。空孔率４０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％未満の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは１７ｖｏｌ％減少した４段階目である。
上記で得られた高温の複合基材を該熱可塑性樹脂の軟化点以下の冷却ロール対を用いた冷却・加圧工程の後、厚み２．０ｍｍの複合材料板を得た。得られた複合材料板から試験片を切り出して、ＪＩＳ７１６４に準拠し測定を行った結果、任意の方向及びこれと直交する方向の引張弾性率比は、１．０８であった。
なお、上記にて得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の平均繊維長は、炭素繊維ストランドをカットした際の長さの２０ｍｍである。同様に、得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の幅は５ｍｍより相当狭いものであり、炭素繊維の厚みは当該幅の１／２以下であった。
【００５５】
［実施例１０］
炭素繊維の供給量を１２６０ｇ／ｍｉｎとし、マトリックス樹脂としてナイロン６樹脂“Ａ１０３０”でなくポリブチレンテレフタレート樹脂（ウィンテックポリマー（株）製  ジュラネックス（登録商標）２００２、以下ＰＢＴと略して示すことがある）を供給量１７０３ｇ／ｍｉｎにて使用する以外は、実施例１におけるランダムマット作製と同様に操作を行い、炭素繊維の目付量が、１２６０ｇ／ｍ２であり、初期空孔率が９１Ｖｏｌ％のランダムマットを得た。このランダムマットの炭素繊維束（Ａ）の割合と、平均繊維数（Ｎ）は実施例１と同じであった。得られたランダムマットにおいて、ＰＢＴ粒子は、炭素繊維中に殆ど斑の無い状態で均一に分散され、且つ、定着されていた。
上記にて得られたランダムマットを用いて、以下に示すとおり、表面温度が２６０〜４００℃となるように設定したロール対の間隙を、最終の複合材料厚みが２．０ｍｍとなるように上記のランダムマット１枚を挟持したスチールベルトを通過させた。複合基材を得るための加熱・加圧は、加熱炉内でスチールベルトの走行方向に設置された５対のロールにより５段階にて行い、ランダムマットの初期空孔率９１ｖｏｌ％に対して、７２ｖｏｌ％、６０ｖｏｌ％、４３ｖｏｌ％、２０ｖｏｌ％、１０ｖｏｌ％と段階的に空孔率を漸減させて、工程不良無く、炭素繊維に熱可塑性樹脂が固着している複合基材を得た。１回の加熱・加圧において空孔率が最も減少したのは、空孔率が２３ｖｏｌ％減少した４段階目である。空孔率６０Ｖｏｌ％以上の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは１７ｖｏｌ％減少した３段階目である。空孔率４０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％未満の複合基材を更に加熱・加圧した段階で、１回の加熱・加圧における空孔率が最も減少したのは２３ｖｏｌ％減少した４段階目である。
上記で得られた高温の複合基材を該熱可塑性樹脂の軟化点以下の冷却ロール対を用いた冷却・加圧工程の後、厚み２．０ｍｍの複合材料板を得た。得られた複合材料板から試験片を切り出して、ＪＩＳ７１６４に準拠し測定を行った結果、任意の方向及びこれと直交する方向の引張弾性率比は、１．０５であった。
なお、上記にて得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の平均繊維長は、炭素繊維ストランドをカットした際の長さの２０ｍｍである。同様に、得られた複合基材や複合材料中の炭素繊維の幅は５ｍｍより相当狭いものであり、炭素繊維の厚みは当該幅の１／２以下であった。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明の複合基材は、自動車の構造部材など種々の用途に有用な炭素繊維強化複合材料の生産に好適である。
【００５７】
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、２０１２年７月５日に出願された日本特許出願（特願２０１２-１５１４７０号）に基づくものであり、その内容の全てが参照として本出願に組み込まれる。
【００５８】
【表１】
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【符号の説明】
【００５９】
１  炭素繊維
２  ピンチロール
３  ゴムロール
４  ロータリーカッター本体
５  刃
６  カットされた炭素繊維
７  刃のピッチ
８  繊維方向に平行な刃
９  加熱・加圧ロール
１０  複合基材
【国際調査報告】
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