(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
不連続な強化繊維からなる、圧縮可能な強化繊維基材を金型のキャビティ内に配置し、該キャビティ内に溶融した熱可塑性樹脂を注入して前記強化繊維基材に含浸させる繊維強化プラスチックの製造方法において、前記強化繊維基材として該強化繊維基材中に熱可塑性樹脂を３〜５０重量％含むものを用い、前記金型をそのキャビティ容積を可変可能な金型に構成し、前記強化繊維基材を金型のキャビティ内に配置し型締めした後、前記溶融した熱可塑性樹脂をキャビティ内に注入する樹脂圧で金型を開いた後、金型のキャビティ容積を縮小することにより、熱可塑性樹脂が含浸した、あるいは含浸しつつある前記強化繊維基材をキャビティ内で圧縮することを特徴とする、繊維強化プラスチックの製造方法。
【請求項２】
不連続な強化繊維からなる、圧縮可能な強化繊維基材を金型のキャビティ内に配置し、該キャビティ内に溶融した熱可塑性樹脂を注入して前記強化繊維基材に含浸させる繊維強化プラスチックの製造方法において、前記強化繊維基材がカード装置により作成されたものであり、前記金型をそのキャビティ容積を可変可能な金型に構成し、前記強化繊維基材を金型のキャビティ内に配置し型締めした後、前記溶融した熱可塑性樹脂をキャビティ内に注入する樹脂圧で金型を開いた後、金型のキャビティ容積を縮小することにより、熱可塑性樹脂が含浸した、あるいは含浸しつつある前記強化繊維基材をキャビティ内で圧縮することを特徴とする、繊維強化プラスチックの製造方法。
【請求項３】
不連続な強化繊維からなる、圧縮可能な強化繊維基材を金型のキャビティ内に配置し、該キャビティ内に溶融した熱可塑性樹脂を注入して前記強化繊維基材に含浸させる繊維強化プラスチックの製造方法において、前記強化繊維基材が、前記不連続な強化繊維の少なくとも一部が特定の方向に配向されたものからなり、前記金型をそのキャビティ容積を可変可能な金型に構成し、前記強化繊維基材を金型のキャビティ内に配置し型締めした後、前記溶融した熱可塑性樹脂をキャビティ内に注入する樹脂圧で金型を開いた後、金型のキャビティ容積を縮小することにより、熱可塑性樹脂が含浸した、あるいは含浸しつつある前記強化繊維基材をキャビティ内で圧縮することを特徴とする、繊維強化プラスチックの製造方法。
【請求項４】
前記キャビティ容積を縮小する際の圧縮力が１０ＭＰａ以上である、請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
【請求項５】
前記キャビティ容積が可変可能な金型として、対向配置される型同士がインロー構造または可動コアを介して型締め、型開き可能な金型を用いる、請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
【請求項６】
キャビティ内を減圧した状態で溶融した熱可塑性樹脂を注入した後、キャビティ容積を縮小させる、請求項１〜５のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
【請求項７】
前記圧縮可能な強化繊維基材として、２ＭＰａで圧縮したときの基材の見かけ空隙率が７０％以上である基材を用いる、請求項１〜６のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
【請求項８】
前記圧縮可能な強化繊維基材として、１０ＭＰａで圧縮したときの基材の見かけ空隙率が４０％以下である基材を用いる、請求項１〜７のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
【請求項９】
前記強化繊維基材の強化繊維が炭素繊維からなる、請求項１〜８のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
【請求項１０】
前記強化繊維基材に含まれる炭素繊維の重量平均繊維長が１ｍｍ以上、１００ｍｍ以下である、請求項９に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
【請求項１１】
前記強化繊維基材が抄紙により作成されたものである、請求項１、３〜１０のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
【請求項１２】
前記強化繊維基材が、前記不連続な強化繊維がランダムに配向されたものからなる、請求項１、２、４〜１１のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
【請求項１３】
成形後の繊維強化プラスチックの前記特定方向の弾性率と特定方向と直交する方向の弾性率の比が２：１〜１０：１である、請求項３〜１０のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
【請求項１４】
前記熱可塑性樹脂の成形温度が１００℃以上である、請求項１〜１３のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
【請求項１５】
前記熱可塑性樹脂が、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリエステル、ポリフェニレンスルフィド、ポリカーボネート、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミドからなる群から選ばれたものからなる、請求項１〜１４のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
【請求項１６】
前記金型として、熱可塑性樹脂が充填されるゲートと反対側のキャビティ部位にガス抜きを設けた射出圧縮成形用金型を用いる、請求項１〜１５のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化プラスチックの製造方法に関し、とくに、複雑な形状であっても高い機械特性を有する繊維強化プラスチックを容易にかつ安価に成形可能な繊維強化プラスチックの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
強化繊維とマトリックス樹脂からなる繊維強化プラスチック（ＦＲＰ［Fiber Reinforced Plastic］と言うこともある。）、中でも、炭素繊維とマトリックス樹脂からなる炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ［Carbon Fiber Reinforced Plastic］と言うこともある。）は、機械特性、軽量性、耐腐食性等に優れることから、種々の用途に幅広く展開されている。ＦＲＰの製造方法としては、予め樹脂を含浸させた、いわゆるプリプレグを用いる方法もあるが、成形できるＦＲＰの形状の範囲をより広くし、成形に要する時間をより短くすることが要求される場合には、例えば、自動車用部品や電子機器部品等のように大量生産することが求められる場合には、実質的に樹脂を含まない強化繊維基材（乾式の強化繊維基材）を所定の形状に賦形し、それにマトリックス樹脂を含浸させて所望のＦＲＰを成形する方法が多く用いられる。【０００３】
このようなＦＲＰの成形において、マトリックス樹脂として熱硬化性樹脂を使用する場合には、硬化前の熱硬化性樹脂の粘度が低いため、それを金型内で強化繊維基材に含浸してから硬化させることができる。この方法は高価なオートクレーブが不要であり、成形時間も比較的短時間ですむという利点がある。【０００４】
一方、より複雑な形状のＦＲＰを成形するためには、とくに量産品にも対応させるためには、マトリックス樹脂として、成形性のより良好な熱可塑性樹脂を使用することが望ましいと考えられる。ところが、熱可塑性樹脂は、一般に、熱硬化性樹脂と比較して溶融時の粘度が高いため、溶融樹脂を短時間のうちに良好に強化繊維基材に含浸させることが困難なことが多く、金型内で樹脂を強化繊維基材に含浸する成形方法によりＦＲＰを高い生産性をもって製造することは困難であった。【０００５】
マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を使用し、それを比較的良好に強化繊維基材に含浸させるためには、強化繊維基材を不連続な強化繊維を用いて不織布状に形成し、該基材の空隙率を高くして高粘度の樹脂を含浸しやすくすることが考えられる。しかし、このような空隙率の高い繊維強化基材であっても熱可塑性樹脂を含浸することは容易ではなく、もっぱらマトリックス樹脂を一旦、不織布等のシート状とし、強化繊維基材と積層した状態で加熱しながら加圧する方法が知られているのみであった（例えば、特許文献１、２）。かかる空隙率の高い強化繊維基材を射出成形用金型の中に配置して熱可塑性樹脂を射出してもきわめて繊維含有率が低いか、空隙（ボイド）の多いＣＦＲＰしか得ることができなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−０３７３５８号公報
【特許文献２】特開２０１０−２３５７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明の課題は、複雑な形状であっても高い機械特性を有する繊維強化プラスチックを容易にかつ安価に成形できる繊維強化プラスチックの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明に係る繊維強化プラスチックの製造方法は、不連続な強化繊維からなる、圧縮可能な強化繊維基材を金型のキャビティ内に配置し、該キャビティ内に溶融した熱可塑性樹脂を注入して前記強化繊維基材に含浸させる繊維強化プラスチックの製造方法において、前記強化繊維基材として該強化繊維基材中に熱可塑性樹脂を３〜５０重量％含むものを用い、前記金型をそのキャビティ容積を可変可能な金型に構成し、前記強化繊維基材を金型のキャビティ内に配置し型締めした後、前記溶融した熱可塑性樹脂をキャビティ内に注入する樹脂圧で金型を開いた後、金型のキャビティ容積を縮小することにより、熱可塑性樹脂が含浸した、あるいは含浸しつつある前記強化繊維基材をキャビティ内で圧縮することを特徴とする方法からなる。
【０００９】
このような本発明に係る繊維強化プラスチックの製造方法においては、強化繊維基材が、不連続な強化繊維から形成されているので、密な織物基材等に比べて空隙率が高く、粘度の高い溶融熱可塑性樹脂が比較的含浸されやすい基材に形成されている。したがって、この強化繊維基材のみについてみれば、良好な樹脂含浸性を有し、この面からは優れた成形性を発現する。しかし、単にこの強化繊維基材に高粘度の熱可塑性樹脂を含浸させるだけでは、前述したように、強化繊維の繊維体積含有率が低くなり、ＦＲＰに成形された場合に所望の高い機械特性が得られないか、ＦＲＰ内のボイドが多くなるため、良好な品位のＦＲＰが得られにくい。そこで本発明では、このような良好な樹脂含浸性を有する強化繊維基材を金型のキャビティ内に配置し、例えば繊維強化基材を金型内に配置する前、または配置した後に金型を加熱した後、溶融熱可塑性樹脂を金型内に注入するに際し、金型をそのキャビティ容積を可変可能な金型に構成しておき、溶融熱可塑性樹脂を金型のキャビティ内に注入した後に、金型のキャビティ容積を機械的に縮小する。そして、この金型のキャビティ容積の縮小により、熱可塑性樹脂が含浸した、あるいは含浸しつつある上記強化繊維基材をキャビティ内で圧縮するようにしている。このキャビティ内での強化繊維基材の圧縮により、その見かけ空隙率が小さくされ、成形されるＦＲＰの繊維体積含有率が高められて、ＦＲＰとしての高い機械特性が実現される。また同時に、強化繊維基材の見かけ空隙率が小さくされることで、基材内に閉じ込められようとしていたボイドが押し出されるか、極めて小さく抑えられ、ＦＲＰに成形した後の良好な品位が確保される。具体的には、例えば、キャビティ内に強化繊維基材を配置した段階で、キャビティ内に空間を形成しておき、この空間に溶融熱可塑性樹脂を注入すると、該樹脂が容易に空間内に充満し、実質的に充満後にプレスすることにより、強化繊維基材の空間に面する全面から空隙率の高い基材に短い含浸距離をもって迅速に樹脂を含浸させることができる。それとともに、強化繊維基材もプレスによって圧縮されるから、繊維体積含有率が高められて、ＦＲＰとして高い機械特性が得られることとなる。さらに、不連続な強化繊維から形成された、例えば不織布状に形成された強化繊維基材は、優れた賦形性を有するので、複雑な成形形状にも容易に対応でき、このような強化繊維基材を用いることで良好な成形性が維持される。この良好な成形性は、強化繊維基材を金型内に配置した後の金型内での上記圧縮によっては、何ら阻害されない。すなわち、良好な成形性が維持されつつ、ＦＲＰとしての高い機械特性、良好な品位が容易に確保されることになる。【００１０】
上記のような本発明に係る繊維強化プラスチックの製造方法においては、金型のキャビティ容積の縮小は、次のように行うことができる。例えば、予め金型を開いた状態で上記溶融した熱可塑性樹脂を金型のキャビティ内に注入した後、金型を型締めすることにより、金型のキャビティ容積を縮小することができる。また、上記強化繊維基材を金型のキャビティ内に配置し型締めした後、上記溶融した熱可塑性樹脂をキャビティ内に注入する樹脂圧で金型を開いた後、キャビティ容積を縮小することもできる。上記の本発明に係る繊維強化プラスチックの製造方法では後者の方法を採用している。このような方法により、見かけ空隙率が高く良好な樹脂含浸性を有する強化繊維基材の状態でその基材に容易にかつ十分に熱可塑性樹脂を含浸させ、樹脂が含浸した、あるいは含浸しつつある強化繊維基材をキャビティ内で圧縮することができ、それによって、成形されるＦＲＰの繊維体積含有率が高められて、ＦＲＰとしての高い機械特性が実現される。
【００１１】
また、上記金型のキャビティ容積の縮小においては、キャビティ容積を縮小する際の圧縮力が１０ＭＰａ以上であることが好ましい。すなわち、キャビティ内で樹脂が含浸した、あるいは含浸しつつある強化繊維基材を圧縮することになるので、圧縮により十分に低い見かけ空隙率（十分に高い繊維体積含有率）を達成するためには、圧縮力が１０ＭＰａ以上であることが好ましい。【００１２】
また、上記キャビティ容積が可変可能な金型としては、例えば、対向配置される型同士がインロー構造または可動コアを介して型締め、型開き可能な金型を用いることができる。すなわち、インロー構造を有する金型においては、型開き状態にある型同士を型締め方向に作動させることによりキャビティ容積を縮小することができる。可動コアを備えた金型においては、可動コアをキャビティ内で特定方向に作動させることによりキャビティ容積を縮小することができる。ただし、キャビティ容積が可変可能な金型であれば、これらの構造以外の金型も使用可能である。【００１３】
また、上記溶融した熱可塑性樹脂のキャビティ内への注入に関しては、キャビティ内を減圧した状態で溶融した熱可塑性樹脂を注入することもでき、樹脂注入後に、キャビティ容積を縮小させればよい。減圧により、強化繊維基材からガスを円滑に排出できるので、ガスによるボイドの発生を一層良好に抑えることができる。また、減圧したキャビティ内へ溶融した熱可塑性樹脂を注入することにより、より容易に万遍なく樹脂をキャビティ内に行き渡らせることが可能になる。【００１４】
また、本発明に係る繊維強化プラスチックの製造方法においては、強化繊維基材は、その初期特性として、極力空隙率が高く、高粘度の溶融熱可塑性樹脂が含浸されやすいことが好ましい。一方で、上記金型内での所定の圧縮後には、高い繊維体積含有率を達成するために、極力空隙率が低く抑えられることが好ましい。このような観点から、本発明では、上記強化繊維基材自体の特性として、２ＭＰａで圧縮したときの（つまり、基材自体の特性を定量的に規定するために小さな圧力で圧縮したときの）基材の見かけ空隙率が７０％以上であることが好ましい。また、上記強化繊維基材を１０ＭＰａで圧縮したときの基材の見かけ空隙率が４０％以下であることが好ましい。【００１５】
また、本発明では、上記強化繊維基材の強化繊維の種類としては特に限定されず、炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維など、さらにはこれらを組み合わせたハイブリッド構成の強化繊維の使用が可能であるが、より高い機械特性を実現するためには、上記強化繊維基材の強化繊維が炭素繊維からなることが好ましい。【００１６】
また、本発明では、上記強化繊維基材の強化繊維が炭素繊維からなる場合、高い機械特性を実現するために、強化繊維基材に含まれる炭素繊維の重量平均繊維長が１ｍｍ以上であることが好ましい。重量平均繊維長が短すぎると、強化繊維としての機能が小さくなり、機械特性向上効果が小さくなる。また、前述したような良好な成形性を維持するためには、上記強化繊維基材に含まれる炭素繊維の重量平均繊維長が１００ｍｍ以下であることが好ましい。重量平均繊維長が長すぎると、連続繊維に近くなるので、基材の賦形性、ＦＲＰの成形性が低下するおそれがある。【００１７】
また、本発明においては、前述したように、上記強化繊維基材として、該強化繊維基材中に熱可塑性樹脂を３〜５０重量％含むものを用いることが可能である。この熱可塑性樹脂は、強化繊維基材の形態を保持するための接着機能を主な役目としており、ＦＲＰ成形のためのマトリックス樹脂とは役目を異にする。ただし、その樹脂種は、マトリックス樹脂と同一種であってもよい。
【００１８】
また、本発明では、基材の良好な賦形性を確保し、基材への良好な樹脂含浸性を確保するためには、上記不連続な強化繊維から形成される強化繊維基材は不織布の形態に形成されていることが望ましい。このような望ましい形態は、上記強化繊維基材が抄紙により作製されたものであることにより、あるいは、上記強化繊維基材がカード装置により作製されたものであることにより、すなわち、本発明に係る繊維強化プラスチックの製造方法を、不連続な強化繊維からなる、圧縮可能な強化繊維基材を金型のキャビティ内に配置し、該キャビティ内に溶融した熱可塑性樹脂を注入して前記強化繊維基材に含浸させる繊維強化プラスチックの製造方法において、前記強化繊維基材がカード装置により作成されたものであり、前記金型をそのキャビティ容積を可変可能な金型に構成し、前記強化繊維基材を金型のキャビティ内に配置し型締めした後、前記溶融した熱可塑性樹脂をキャビティ内に注入する樹脂圧で金型を開いた後、金型のキャビティ容積を縮小することにより、熱可塑性樹脂が含浸した、あるいは含浸しつつある前記強化繊維基材をキャビティ内で圧縮することを特徴とする方法とすることにより、実現可能である。
【００１９】
また、本発明において、とくに、より優れた基材の賦形性やより複雑な形状のＦＲＰの成形が望まれる場合には、上記強化繊維基材が、不連続な強化繊維がランダムに配向されたものからなる形態が好ましい。一方、成形されるＦＲＰに特定の方向への高い機械特性の発現が望まれる場合には、上記強化繊維基材が、不連続な強化繊維の少なくとも一部がその特定の方向に配向されたものからなる形態が好ましい。すなわち、本発明に係る繊維強化プラスチックの製造方法を、不連続な強化繊維からなる、圧縮可能な強化繊維基材を金型のキャビティ内に配置し、該キャビティ内に溶融した熱可塑性樹脂を注入して前記強化繊維基材に含浸させる繊維強化プラスチックの製造方法において、前記強化繊維基材が、前記不連続な強化繊維の少なくとも一部が特定の方向に配向されたものからなり、前記金型をそのキャビティ容積を可変可能な金型に構成し、前記強化繊維基材を金型のキャビティ内に配置し型締めした後、前記溶融した熱可塑性樹脂をキャビティ内に注入する樹脂圧で金型を開いた後、金型のキャビティ容積を縮小することにより、熱可塑性樹脂が含浸した、あるいは含浸しつつある前記強化繊維基材をキャビティ内で圧縮することを特徴とする方法とすることができる。このように不連続な強化繊維の少なくとも一部を特定の方向に配向させることは、上述のカード装置によっても実現可能である。
【００２０】
また、上記のように不連続な強化繊維の少なくとも一部を特定の方向に配向させる場合、成形後の繊維強化プラスチックの上記特定の方向の弾性率と該特定の方向と直交する方向の弾性率の比を、例えば、２：１〜１０：１の範囲内にすることが可能である。【００２１】
また、本発明においては、上記強化繊維基材に含浸されるマトリックス樹脂としての上記熱可塑性樹脂の種類は特に限定されないが、その成形温度は、例えば１００℃以上であることが好ましい。例えば、本発明において金型を１００℃以上の温度に加熱する場合、とくに熱可塑性樹脂の成形温度が１００℃以上であることが好ましい。【００２２】
本発明において使用可能な熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリオレフィン、ポリアミド、ポリエステル、ポリフェニレンスルフィド、ポリカーボネート、ポリエーテルケトン、ポリエーテルイミドからなる群から選ばれたものを例示できる。【００２３】
また、本発明においては、上記金型として、熱可塑性樹脂が充填されるゲートと反対側のキャビティ部位にガス抜きを設けた射出圧縮成形用金型を用いることができる。このような金型を用いれば、金型のキャビティ内に溶融した熱可塑性樹脂が注入される際、ガス抜きを通して適切にガスが排出されるとともに、金型のキャビティ容積を縮小する際にも適切にガスが排出され、より円滑に圧縮成形を行うことが可能になる。【００２４】
また、本発明においては、上記圧縮可能な強化繊維基材が樹脂フイルムパック中に減圧された状態で保持された基材を用いることもでき、このような形態の基材を金型のキャビティ内に配置することができる。そして本発明は、このような形態の基材を用いることに関して、不連続な強化繊維からなる、圧縮可能な強化繊維基材を金型のキャビティ内に配置し、該キャビティ内に溶融した熱可塑性樹脂を注入して前記強化繊維基材に含浸させる繊維強化プラスチックの製造方法において、前記金型をそのキャビティ容積を可変可能な金型に構成し、前記圧縮可能な強化繊維基材が樹脂フイルムパック中に減圧された状態で保持された基材を、前記金型のキャビティ内に配置し、前記溶融した熱可塑性樹脂を注入した後、金型のキャビティ容積を縮小することにより、熱可塑性樹脂が含浸した、あるいは含浸しつつある前記強化繊維基材をキャビティ内で圧縮することを特徴とする、繊維強化プラスチックの製造方法も提供する（本願請求項１９に係る発明）。このような形態の基材を用いれば、強化繊維基材の望ましい圧縮可能な状態をハンドリング中にも保持しておくことが可能になり、圧縮が必要とされるときにのみ、その圧縮に供することが可能になる。
【００２５】
さらに、本発明においては、上記圧縮可能な強化繊維基材中に強化繊維が繊維束の状態で存在する場合もあるが、そのような場合には、強化繊維基材中における繊維束の割合が多くなりすぎると、圧縮成形の際の強化繊維含有樹脂の流動性が損なわれるおそれがある。したがって、圧縮可能な強化繊維基材中において、例えば、強化繊維が５０〜１０００本の繊維束を、その圧縮可能な強化繊維基材全体に対して８０重量％以下の量に抑えておくことが好ましい。
【発明の効果】
【００２６】
このように、本発明によれば、複雑な形状であっても高い機械特性を有する繊維強化プラスチックを容易にかつ安価に成形することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の一実施態様に係る繊維強化プラスチックの製造方法における各ステップを示す金型の概略断面図である。
【図２】本発明の別の実施態様に係る繊維強化プラスチックの製造方法における各ステップを示す金型の概略断面図である。
【図３】本発明のさらに別の実施態様に係る繊維強化プラスチックの製造方法における各ステップを示す金型の概略断面図である。
【図４】本発明において強化繊維基材をカード装置によって作製する場合の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下に、本発明のより具体的な実施の形態について説明する。
例えば不連続な強化繊維として、重量平均繊維長５０ｍｍにカットした炭素繊維を用い、該炭素繊維をカード装置に供給して圧縮可能なシート状の炭素繊維基材を作製する。この基材シートを、例えば、射出プレス機に設置した金型のキャビティ内に配置する。基材配置後に、金型を１００℃以上の温度に加熱し、熱可塑性樹脂として例えば溶融ポリアミド樹脂を金型のキャビティ内に射出する。射出とともに、または射出後に、金型のキャビティ容積を縮小することにより、金型内部を圧縮するが、この金型のキャビティ容積の縮小による圧縮動作の例については、図１〜図３を参照して後述する。
【００２９】
上記のカード装置による炭素繊維基材の作製は、例えば次のように行う。
図４は、本発明において強化繊維基材をカード装置によって作製する場合の概略構成を例示している。図４に示すカード装置４１は、シリンダーロール４２と、その外周面に近接して上流側に設けられたテイクインロール４３と、テイクインロール４３とは反対側の下流側においてシリンダーロール４２の外周面に近接して設けられたドッファーロール４４と、テイクインロール４３とドッファーロール４４との間においてシリンダーロール４２の外周面に近接して設けられた複数のワーカーロール４５と、ワーカーロール４５に近接して設けられたストリッパーロール４６と、テイクインロール４３と近接して設けられたフィードロール４７及びベルトコンベアー４８とから主として構成されている。
【００３０】
ベルトコンベアー４８上に、例えば重量平均繊維長５０ｍｍにカットした不連続な炭素繊維４９の集合体が供給され、不連続な炭素繊維４９はフィードロール４７の外周面、次いでテイクインロール４３の外周面を介してシリンダーロール４２の外周面上に導入される。この段階までは、不連続な炭素繊維２９は綿状の形態になっている。シリンダーロール４２の外周面上に導入された綿状の炭素繊維の一部は、各ワーカーロール４５の外周面上に巻き付くが、この炭素繊維は各ストリッパーロール４６によって剥ぎ取られ再びシリンダーロール４２の外周面上に戻される。フィードロール４７、テイクインロール４３、シリンダーロール４２、ワーカーロール４５、ストリッパーロール４６のそれぞれのロールの外周面上には多数の針、突起が立った状態で存在しており、上記工程で炭素繊維が針の作用により単繊維状に開繊されると同時に大半の炭素繊維の配向方向が特定の方向、つまり、シリンダーロール４２の回転方向に揃えられる。かかる過程を経て開繊され繊維の配向が進められた炭素繊維は、炭素繊維集合体の一形態であるシート状のウエブ５０としてドッファーロール４４の外周面上に移動する。さらに、ウエブ５０を、その幅を所定幅まで狭めながら引き取ることにより、不連続な炭素繊維からなるシート状の基材が形成される。
【００３１】
上記のようなカーディングにおいて、不連続な炭素繊維２９の集合体は、炭素繊維のみから構成されていてもよいが、不連続な有機繊維、とくに熱可塑性樹脂からなる繊維を混合してカーディングを行うこともできる。特に、カーディングする際に熱可塑性樹脂繊維を添加することは、カーディングでの炭素繊維の破断を防ぐことができるので好ましい。炭素繊維は剛直で脆いため、絡まりにくく折れやすい。そのため、炭素繊維だけからなる炭素繊維集合体では、カーディング中に、炭素繊維が切れやすかったり、炭素繊維が脱落しやすいという問題がある。そこで、柔軟で折れにくく、絡みやすい熱可塑性樹脂繊維を含むことにより、炭素繊維が切れにくく、炭素繊維が脱落しにくい炭素繊維集合体を形成することができる。また、このような熱可塑性樹脂繊維を混合してカーディングを行い、カーディング後に、熱可塑性樹脂繊維の少なくとも一部を溶融させた後、プレスを施すようにすることも好ましい。すなわち、適度に少ない量の熱可塑性樹脂繊維を混合しておき、炭素繊維に所定のカーディング処理、例えば、一部の炭素繊維が特定の方向に配向されるようにカーディング処理を施した状態で熱可塑性樹脂繊維の少なくとも一部を溶融させることにより、熱可塑性樹脂繊維に所定のシート状基材の形態を保持するためのバインダーの役目を担わせ、その状態でプレスを施すことにより、保持された形態を熱可塑性樹脂繊維を介して適度に固定することも好ましい。
【００３２】
上記のように炭素繊維集合体中に熱可塑性樹脂繊維を含む場合には、炭素繊維集合体中の炭素繊維の含有率は、好ましくは５０〜９５質量％、より好ましくは７０〜９５質量％である。炭素繊維の割合が低いと炭素繊維強化プラスチックとしたときに高い機械特性を得ることが困難となり、逆に、熱可塑性樹脂繊維の割合が低すぎると、上記の炭素繊維集合体に熱可塑性樹脂繊維を混合させた際の熱可塑性樹脂繊維の役割が期待できないか、小さくなる。
【００３３】
また、上述の熱可塑性樹脂繊維による、絡み合いの効果をより高めるためには、熱可塑性樹脂繊維に捲縮を付与しておくことが好ましい。捲縮の程度は、特に限定されないが、一般的には捲縮数５〜２５山／２５ｍｍ程度、捲縮率３〜３０％程度の熱可塑性樹脂繊維を用いることができる。
【００３４】
かかる熱可塑性樹脂繊維の材料としては特に制限は無く、炭素繊維強化プラスチックの機械特性を大きく低下させない範囲で適宜選択することができる。例示するなら、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ナイロン６、ナイロン６，６等のポリアミド系樹脂、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系樹脂、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、芳香族ポリアミド等の樹脂を紡糸して得られた繊維を用いることができる。かかる熱可塑性樹脂繊維の材料は、炭素繊維強化プラスチックのマトリックス樹脂との組み合わせにより適宜選択することが好ましい。特に、マトリックス樹脂と同じ樹脂、あるいはマトリックス樹脂と相溶性のある樹脂、マトリックス樹脂と接着性の高い樹脂を用いてなる熱可塑性樹脂繊維は、炭素繊維強化プラスチックの機械特性を低下させないので好ましい
【００３５】
また、上記のように熱可塑性樹脂繊維を炭素繊維に混合してカーディングを行い、カーディング後に、熱可塑性樹脂繊維の少なくとも一部を溶融させた後、プレスを施す場合のプレスの方法としては、とくに限定されず、例えば、平板で挟んで加圧する通常のプレス機や一対のロールで挟んで加圧するカレンダーロール等を用いることができる。
【００３６】
なお、上記はカーディング処理を施して、炭素繊維基材を作製する手法を例示したが、カーディング処理を施さずに、単に抄紙により炭素繊維基材を作製することも可能である。例えば、図４におけるベルトコンベアー４８上に、重量平均繊維長５０ｍｍにカットした不連続な炭素繊維４９の集合体を供給し、それを例えば上述のようなカレンダーロール等を用いて加圧することにより、シート状の炭素繊維基材を作製することも可能である。この場合、上記同様、炭素繊維集合体中に熱可塑性樹脂繊維を混合し、それに、シート状の基材形態を保持させるためのバインダーの機能を持たせることが好ましい。
【００３７】
また、上記のようなカレンダーロール等を用いた処理や類似の処理により、基材自体の特性、とくに、前述した２ＭＰａで圧縮したときの基材の見かけ空隙率や１０ＭＰａで圧縮したときの基材の見かけ空隙率を、望ましい特性に制御することが可能である。
【００３８】
このように望ましい圧縮特性を有するように作成された基材を用いて、その圧縮可能な基材を金型内に配置し、基材配置前あるいは基材配置後に、金型を例えば１００℃以上の温度に加熱し、溶融熱可塑性樹脂を金型内に射出等により注入し、注入とともに、または注入後に、金型内部を圧縮することにより、複雑な成形形状であっても、高い機械特性を有する繊維強化プラスチックを容易にかつ安価に製造することができる。
【００３９】
以下に、本発明における金型のキャビティ容積の縮小による圧縮動作について、図１〜図３を参照して例示する。
【００４０】
図１は、本発明の一実施態様に係る繊維強化プラスチックの製造方法における各ステップを示している。図１（Ａ）に示すように、互いに対向配置される型２、３同士がインロー構造４を有する金型１が用いられ、型開き状態にある金型１のキャビティ５内に、前述の如く作成された見かけ空隙率が比較的低い強化繊維基材６が配置される。この状態にて、図１（Ｂ）に示すように、例えば一方の型２を通して、キャビティ５内に溶融した熱可塑性樹脂７が射出により注入、供給される。そして、図１（Ｃ）に示すように、型２、３同士が、インロー構造４を介して精度よく型締めされ、上記キャビティ５の容積が縮小される。このキャビティ容積の縮小により、金型１のキャビティ５の内部が圧縮され、熱可塑性樹脂７が含浸された、あるいは含浸されつつあった強化繊維基材６も圧縮される。この圧縮を介して、ボイドが抑制された、優れた樹脂含浸状態が得られるとともに、高い繊維体積含有率が達成され、高い機械特性を有する繊維強化プラスチック８が得られる。
【００４１】
図２は、本発明の別の実施態様に係る繊維強化プラスチックの製造方法における各ステップを示している。図２（Ａ）に示すように、上述の実施態様と同様の、互いに対向配置される型２、３同士がインロー構造４を有する金型１が用いられ、そのキャビティ５内に強化繊維基材１１が配置されて先に型締めされる。このときには、基材１１は大きくは圧縮されない。この状態にて、図２（Ｂ）に示すように、例えば一方の型２を通して、キャビティ５内に溶融した熱可塑性樹脂７が射出により注入、供給され、注入される際の樹脂圧で、型２、３同士が、インロー構造４を介して精度よく少し型開きされる。キャビティ５内に充填された溶融熱可塑性樹脂７は、比較的空隙率の大きな強化繊維基材１１に含浸し始める。そして、図２（Ｃ）に示すように、型２、３同士が、インロー構造４を介して精度よく型締めされ、上記キャビティ５の容積が縮小される。この段階でのキャビティ容積の縮小により、金型１のキャビティ５の内部が圧縮され、熱可塑性樹脂７が含浸された、あるいは含浸されつつあった強化繊維基材１１も圧縮される。この圧縮を介して、ボイドが抑制された、優れた樹脂含浸状態が得られるとともに、高い繊維体積含有率が達成され、高い機械特性を有する繊維強化プラスチック１２が得られる。
【００４２】
図３は、本発明のさらに別の実施態様に係る繊維強化プラスチックの製造方法における各ステップを示している。図３（Ａ）に示すように、互いに対向配置される型２２、２３間にキャビティ２４を形成する金型２１が用いられる。このキャビティ２４内には、キャビティ２４内を移動可能な可動コア２５が設けられており、可動コア２５は、一方の型２３に設けられた駆動手段２６（例えば、ボールスクリューからなる駆動手段）により、キャビティ２４内を両方向に強制移動できるようになっている。金型２１のキャビティ２４内には、前述の如く作成された見かけ空隙率が比較的低い強化繊維基材２７が配置される。強化繊維基材２７を配置した後、他方の型２２に設けられた弁２８が開かれ、吸引路２９を通しての吸引（矢印）により、キャビティ２４内が減圧される。このとき、キャビティ２４は、型２２、２３間に配置されたシール材３０により外部からシールされている。この状態にて、図３（Ｂ）に示すように、例えば一方の型２２を通して、キャビティ２４内に溶融した熱可塑性樹脂３１が射出により注入、供給される。このとき、弁２８は閉じられ、吸引路２９の樹脂詰まりは回避されている。キャビティ２４内に充填された溶融熱可塑性樹脂３１は、比較的空隙率の大きな強化繊維基材２７に含浸し始める。そして、図３（Ｃ）に示すように、可動コア２５が駆動手段２６によりキャビティ２４内で強制的に移動され、キャビティ２４の容積が縮小される。このキャビティ容積の縮小により、熱可塑性樹脂３１が含浸された、あるいは含浸されつつあった強化繊維基材２７も圧縮される。この圧縮を介して、ボイドが抑制された、優れた樹脂含浸状態が得られるとともに、高い繊維体積含有率が達成され、高い機械特性を有する繊維強化プラスチック３２が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明に係る方法は、基本的に熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とするあらゆる繊維強化プラスチックの製造に適用可能である。
【符号の説明】
【００４４】
１、２１  金型
２、３、２２、２３  型
４  インロー構造
５、２４  キャビティ
６、１１、２７  強化繊維基材
７、３１  熱可塑性樹脂
８、１２、３２  繊維強化プラスチック
２５  可動コア
２６  駆動手段
２８  弁
２９  吸引路
３０  シール材
４１  カード装置
４２  シリンダーロール
４３  テイクインロール
４４  ドッファーロール
４５  ワーカーロール
４６  ストリッパーロール
４７  フィードロール
４８  ベルトコンベアー
４９  不連続な炭素繊維
５０  シート状のウエブ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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