(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平均単繊維繊度が１．０〜２．４ｄｔｅｘである複数の炭素繊維からなる炭素繊維束に熱可塑性樹脂組成物を含浸させて形成される炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグであって、
前記炭素繊維束を構成する炭素繊維の単繊維は、繊維長手方向に２μｍ以上にわたり延在する複数本の表面凹凸構造を有し、単繊維の周長さ２０００ｎｍ×繊維軸方向長さ２０００ｎｍの範囲で最高部と最低部の高低差（Ｒｐ−ｖ）が６０〜２００ｎｍある炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ。
【請求項２】
前記熱可塑性樹脂組成物が、以下の式（１）を満たす熱可塑性樹脂である請求項１に記載の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ。
２０≦（ＦＭ／ＦＳ）≦４０  ・・・（１）
（式（１）中、ＦＭはこの熱可塑性樹脂組成物のみからなる樹脂板の曲げ弾性率（ＭＰａ）を表し、ＦＳは該樹脂板の曲げ強度（ＭＰａ）を表す）。
【請求項３】
前記熱可塑性樹脂組成物が、以下の式（２）を満たす熱可塑性樹脂組成物である請求項１または２に記載の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ。
２５≦（ＦＭ／ＦＳ）≦３５  ・・・（２）
（式（２）中、ＦＭはこの熱可塑性樹脂組成物のみからなる樹脂板の曲げ弾性率（ＭＰａ）を表し、ＦＳは該樹脂板の曲げ強度（ＭＰａ）を表す）。
【請求項４】
平均単繊維繊度が１．０ｄｔｅｘ以上２．４ｄｔｅｘ以下であるＰＡＮ系炭素繊維束に、熱可塑性樹脂組成物を含浸させて炭素繊維プリプレグを得る工程を含む炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法であって、
前記ＰＡＮ系炭素繊維束を構成する炭素繊維の単繊維は、繊維長手方向に２μｍ以上にわたり延在する複数本の表面凹凸構造を有し、単繊維の周長さ２０００ｎｍ×繊維軸方向長さ２０００ｎｍの範囲で最高部と最低部の高低差（Ｒｐ−ｖ）が６０〜２００ｎｍあり、
該熱可塑性樹脂組成物が、以下の式（３）を満たす熱可塑性樹脂組成物である炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法。
２０≦（ＦＭ／ＦＳ）≦４０  ・・・（３）
（式（３）中、ＦＭはこの熱可塑性樹脂組成物のみからなる樹脂板の曲げ弾性率（ＭＰａ）を表し、ＦＳは該樹脂板の曲げ強度（ＭＰａ）を表す）。
【請求項５】
前記熱可塑性樹脂組成物がフィルム状である請求項４に記載の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグから形成される炭素繊維複合材料。
【請求項７】
前記炭素繊維束を構成する炭素繊維の単繊維の真円度が０．７０〜０．９０である請求項１に記載の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ。
ただし、真円度は下記式（４）にて求められる。式中、Ｓは、単繊維の断面積、Ｌは、単繊維の断面の周長である。
真円度＝４πＳ／Ｌ２  ・・・（４）
【請求項８】
前記炭素繊維束がＰＡＮ系炭素繊維束である請求項１または７に記載の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ。
【請求項９】
下記式（５）を満たす請求項７または８に記載の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ。
β×（Ｔｃ−２５）×（１００−Ｖｆ）  ＞  ０．５    ・・・（５）
（式中、βは熱可塑性樹脂組成物の線膨張係数（１／℃）であり、Ｔｃは該熱可塑性樹脂組成物の成形下限温度（℃）である。成形下限温度とは、熱可塑性樹脂組成物が融点を有する場合はその融点、熱可塑性樹脂組成物が融点を有さない場合はその粘度が１×１０４Ｐａ・ｓとなる温度を表す。また、Ｖｆは炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの繊維体積含有率（体積％）である。）
【請求項１０】
前記熱可塑性樹脂組成物が、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリプロピレン樹脂の変性樹脂、ポリアミド樹脂の変性樹脂から選ばれる少なくとも１種類の樹脂である請求項７〜９のいずれか一項に記載の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ。
【請求項１１】
請求項７〜１０のいずれか一項に記載の炭素繊維プリプレグを用いた炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ片。
【請求項１２】
請求項７〜１０のいずれか一項に記載の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを用いた炭素繊維強化複合材料。
【請求項１３】
請求項１１に記載の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ片を用いた炭素繊維強化複合材料。
【請求項１４】
請求項１２または１３に記載の炭素繊維強化複合材料を用いた自動車用部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維と熱可塑性樹脂とを含む炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ、炭素繊維複合材料、ならびに製造方法に関する。
本願は、２０１２年３月２９日に、日本に出願された特願２０１２−０７５９８６号、及び２０１２年４月１７日に、日本に出願された特願２０１２−０９３９５０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。【０００２】
炭素繊維等の強化繊維と熱可塑性樹脂とを含む強化繊維プリプレグは、その中に強化繊維を均一に分散させることが重要である。これは、プリプレグ中での繊維分散度が低いために熱可塑性樹脂の多い領域や繊維の多い領域が存在すると、そのプリプレグを使用した複合材料成形品に応力がかかった場合に、不均一部分に応力が集中して破壊の起点となってしまう可能性が高いためである。【０００３】
炭素繊維等の強化繊維と熱可塑性樹脂とを含む熱可塑性樹脂プリプレグを溶融法にて製造する際には、熱可塑性樹脂を強化繊維束に均一に含浸させるために、含浸時の熱可塑性樹脂を低粘度にすることが望まれる。熱可塑性樹脂の粘度を下げるには、高温にすることが一般的であるが、高温にすることによって熱可塑性樹脂の熱分解（低分子量化）が進むことがある。そのため、このような熱可塑性樹脂は、再度加熱することによって複合材料（成形品）を得る材料としては不適なものである。
なお、特許文献１では、熱分解開始温度から１０℃低い温度での粘度が５〜５００Ｐａ・ｓの熱可塑性樹脂を用いてプリプレグを製造することが記載されている。【０００４】
また、炭素繊維等の強化繊維と熱可塑性樹脂とを含む熱可塑性樹脂プリプレグを製造する他の方法としては、熱可塑性樹脂の微粒子のサスペンジョンに強化繊維束を浸漬して、この樹脂微粒子を強化繊維に付着させ、加熱溶融することで、熱可塑性樹脂を強化繊維間に含浸させてプリプレグを製造する方法（特許文献２）や、強化繊維束に熱可塑性樹脂微粒子を付着させ、バインダー樹脂溶液を用いてプリプレグを製造する方法（特許文献３）がある。【０００５】
炭素繊維等の強化繊維と熱可塑性樹脂とを含む熱可塑性樹脂プリプレグを中間基材として用いた繊維強化複合材料の成形は、プリプレグを積層、もしくプリプレグを裁断してなるプリプレグ片を分散積層した後、これを加熱し、さらに加圧冷却して、プリプレグに含まれる熱可塑性樹脂を一体化させることによって行われている。熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする繊維強化複合材料は耐衝撃性が優れ、かつ短時間で成形できるため、自動車用部品等に最適である。（特許文献４）【０００６】
また熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする繊維強化複合材料の成形手法はプリプレグを用いる手法以外にも、ロングファイバーペレット（ＬＦＰ）等のペレットを用いた射出成形法も知られている（特許文献５）。しかし射出成形法では繊維体積含有率３０体積％以上の繊維強化複合材料の製造は困難であり、高強度・高剛性が求められる部材には適応が困難であるという課題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−６５７８号公報
【特許文献２】特開２００８−４４９９９号公報
【特許文献３】特許第３６８１１２７号
【特許文献４】特開平９−１５５８６２号公報
【特許文献５】特開２００２−２１２３８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載された、熱分解開始温度から１０℃低い温度での樹脂の粘度は、実際のプリプレグ製造時の粘度や実際のプレス成形時の粘度が、樹脂のみで測定した粘度とは異なることがある。そのため、この熱分解開始温度から１０℃低い温度での樹脂の粘度を規定するだけでは不十分な場合があった。また、特許文献１には、マトリックス樹脂とする熱可塑性樹脂の曲げ弾性率及び曲げ強度に関しては特に記載されていない。特許文献２または３の方法では、熱可塑性樹脂を微粒子にしたり、サスペンジョンにしたりする必要があり、さらに樹脂微粒子を強化繊維束中へ均一に分散させることが困難な場合があるため、更なる改良が望まれている。一方、熱可塑性樹脂をフィルム化することは比較的容易であり、均一にフィルム化した状態で熱可塑性樹脂を用いれば、強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸させる際に、この樹脂を均一に供給しやすく、均一な厚みのプリプレグが製造しやすくなる。しかし、機械的特性に優れた熱可塑性樹脂は、一般的に粘度が高く、強化繊維が得られたプリプレグ中に均一に分散しない場合があった。そのため、熱可塑性樹脂及び強化繊維がいずれも均一に分散したプリプレグを製造する方法の開発が望まれた。【０００９】
炭素繊維等の強化繊維と熱可塑性樹脂と含む熱可塑性樹脂プリプレグを中間基材として用いた繊維強化複合材料の成形は、繊維の繊維配向を任意に設計できる点でＬＦＰ等を用いた射出成形法などと比較して優れている。しかし、熱可塑性樹脂プリプレグを加熱後、加圧冷却して一体化させる際、冷却時のマトリックス樹脂の収縮によって繊維が微小蛇行し、強度発現率が低下する問題がある。また、一般に熱可塑性樹脂をマトリックスとした繊維強化複合材料の耐熱温度はマトリックス樹脂の耐熱温度に依存するが、耐熱温度の高いマトリックス樹脂を用いたプリプレグは、成形の際に必要とされる温度も高くなり、この微小蛇行は大きくなる問題がある。本発明では繊維の微小蛇行の少ない、強度発現性に優れた炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグおよび炭素繊維強化複合材料を提供することを目的とするものである。【００１０】
また、本発明では、マトリックス樹脂に、ポリメチルメタクリレート樹脂（ＰＭＭＡ樹脂）、アクリロニトリルスチレン共重合樹脂（ＡＳ樹脂）、ポリアミド１２樹脂（ＰＡ１２樹脂）等の機械的特性に優れた熱可塑性樹脂を用いた場合であっても、炭素繊維が均一に分散して高い曲げ強度を発現する炭素繊維複合材料を与える炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグと、その製造方法、及びそのプリプレグを用いた炭素繊維複合材料を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは上記目的を達成すべく、鋭意検討を重ねた結果、本発明を完成するに至った。本発明は以下の態様を有する。【００１２】
［１］平均単繊維繊度が１．０〜２．４ｄｔｅｘである複数の炭素繊維からなる炭素繊維束に熱可塑性樹脂組成物を含浸させて形成される炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ。【００１３】
［２］前記熱可塑性樹脂組成物が、以下の式（１）を満たす熱可塑性樹脂である［１］に記載の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ。
２０≦（ＦＭ／ＦＳ）≦４０  ・・・（１）
（式（１）中、ＦＭはこの熱可塑性樹脂組成物のみからなる樹脂板の曲げ弾性率（ＭＰａ）を表し、ＦＳは該樹脂板の曲げ強度（ＭＰａ）を表す）。【００１４】
［３］前記熱可塑性樹脂組成物が、以下の式（２）を満たす熱可塑性樹脂組成物である［１］または［２］に記載の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ。
２５≦（ＦＭ／ＦＳ）≦３５  ・・・（２）
（式（２）中、ＦＭはこの熱可塑性樹脂組成物のみからなる樹脂板の曲げ弾性率（ＭＰａ）を表し、ＦＳは該樹脂板の曲げ強度（ＭＰａ）を表す）。【００１５】
［４］平均単繊維繊度が１．０ｄｔｅｘ以上２．４ｄｔｅｘ以下であるＰＡＮ系炭素繊維束に、熱可塑性樹脂組成物を含浸させて炭素繊維プリプレグを得る工程を含む炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法であって、
該熱可塑性樹脂組成物が、以下の式（３）を満たす熱可塑性樹脂組成物である炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法。
２０≦（ＦＭ／ＦＳ）≦４０  ・・・（３）
（式（１）中、ＦＭはこの熱可塑性樹脂組成物のみからなる樹脂板の曲げ弾性率（ＭＰａ）を表し、ＦＳは該樹脂板の曲げ強度（ＭＰａ）を表す）。【００１６】
［５］前記熱可塑性樹脂組成物がフィルム状である［４］に記載の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法。【００１７】
［６］［１］〜［３］のいずれか１項に記載の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグから形成される炭素繊維複合材料。【００１８】
［７］前記炭素繊維束を構成する炭素繊維の単繊維の真円度が０．７０〜０．９０である［１］に記載の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ。
ただし、真円度は下記式（４）にて求められる。式中、Ｓは、単繊維の断面積、Ｌは、単繊維の断面の周長である。
真円度＝４πＳ／Ｌ２  ・・・（４）【００１９】
［８］前記炭素繊維束がＰＡＮ系炭素繊維束である［１］または［７］に記載の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ。【００２０】
［９］下記式（５）を満たす［７］または［８］に記載の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ。
β×（Ｔｃ−２５）×（１００−Ｖｆ）  ＞  ０．５    ・・・（５）
（式中、βは熱可塑性樹脂組成物の線膨張係数（１／℃）であり、Ｔｃは該熱可塑性樹脂組成物の成形下限温度（℃）である。成形下限温度とは、熱可塑性樹脂組成物が融点を有する場合はその融点、熱可塑性樹脂組成物が融点を有さない場合はその粘度が１×１０４Ｐａ・ｓとなる温度を表す。また、Ｖｆは炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの繊維体積含有率（体積％）である。）【００２１】
［１０］前記熱可塑性樹脂組成物が、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリプロピレン樹脂の変性樹脂、ポリアミド樹脂の変性樹脂から選ばれる少なくとも１種類の樹脂である［７］〜［９］のいずれか一項に記載の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ。【００２２】
［１１］［７］〜［１０］のいずれか一項に記載の炭素繊維プリプレグを用いた炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ片。【００２３】
［１２］［７］〜［１０］のいずれか一項に記載の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを用いた炭素繊維強化複合材料。【００２４】
［１３］［１１］に記載の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ片を用いた炭素繊維強化複合材料。【００２５】
［１４］［１２］または［１３］に記載の炭素繊維強化複合材料を用いた自動車用部品。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、マトリックス樹脂に、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、アクリロニトリルスチレン共重合樹脂（ＡＳ樹脂）、ポリアミド１２（ＰＡ１２）等の機械的特性に優れた熱可塑性樹脂を用いた場合であっても、炭素繊維が均一に分散して高い曲げ強度を発現する炭素繊維複合材料を与える炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグと、その製造方法、及びそのプリプレグを用いた炭素繊維複合材料が提供される。また、本発明によれば、耐衝撃性に優れ、かつ成形時間が短く、繊維の微小蛇行が少ない炭素繊維強化複合材料を得ることができる炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ、ならびに該炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを用いて得られる炭素繊維強化複合材料および自動車用部品を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】熱可塑性樹脂としてＰＭＭＡ樹脂を用いて、炭素繊維複合材料（成形品）を製造する際の昇降温度条件例を示すグラフである。
【図２】熱可塑性樹脂としてＡＳ樹脂を用いて、炭素繊維複合材料（成形品）を製造する際の昇降温度条件例を示すグラフである。
【図３】熱可塑性樹脂としてＰＡ１２樹脂を用いて、炭素繊維複合材料（成形品）を製造する際の昇降温度条件例を示すグラフである。
【図４】繊維分散度の測定において、一方向強化炭素繊維複合材料成形板をポリエステル樹脂で包埋する例を示す概念図である。
【図５】繊維分散度の測定において、炭素繊維およびマトリックス樹脂のそれぞれの面積を求める例を示す概念図である。
【図６Ａ】炭素繊維束を構成する単繊維の繊維長手方向に垂直な断面を鏡面処理した後、ＳＥＭで観察した像を示す図である。
【図６Ｂ】炭素繊維束を構成する単繊維の繊維長手方向に垂直な断面を鏡面処理した後、ＳＥＭで観察した像を示す図である。
【図７】画像解析条件を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
＜炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ＞
本発明の第一の態様における炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグは、平均単繊維繊度が１．０〜２．４ｄｔｅｘである複数の炭素繊維からなる炭素繊維束に熱可塑性樹脂組成物を含浸させて形成される炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグである。例えば、平均単繊維繊度が１．０ｄｔｅｘ以上２．４ｄｔｅｘ以下である炭素繊維束に、機械的特性に優れた、即ち、下記の式（１）を満たす熱可塑性樹脂が含浸した構造を有する炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグが好ましいものとして挙げられる。即ち、本発明の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグは、マトリックス樹脂となるこの熱可塑性樹脂と、この炭素繊維とからなる。なお、ｄｔｅｘとは、長さ１０，０００ｍ当たりの繊維の質量をグラム単位で表したものである。
２０≦（ＦＭ／ＦＳ）≦４０  ・・・（１）
式（１）中、ＦＭは、この熱可塑性樹脂のみからなる樹脂板の曲げ弾性率（ＭＰａ）を表し、ＦＳは、この樹脂板の曲げ強度（ＭＰａ）を表す。なお、このＦＭ及びＦＳはいずれも、測定する熱可塑性樹脂を十分に乾燥後、射出成形により成形した試験片を２３±２℃の温度下でＩＳＯ１７８に準拠した方法により測定することで求めることができる。
【００２９】
なお、本発明の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグは、上記炭素繊維束に上記熱可塑性樹脂を完全に含浸させた状態の含浸プリプレグだけでなく、上記炭素繊維束に上記熱可塑性樹脂を完全に含浸させていない状態で両者を一体化させた半含浸プリプレグ（セミプレグ）も含むものであってもよい。
【００３０】
本発明では、１つのプリプレグについて、複数本の上記炭素繊維束を用いることができる。その際、炭素繊維束は１種類のみを使用しても良いし、複数種類を併用しても良い。また、炭素繊維束は、プリプレグにおいて、規則的に並べて使用しても良いし、不規則に並べて使用しても良い。しかしながら、特定方向に比強度、比弾性率が高いことを要求される用途に炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを用いる場合は、通常、炭素繊維束が単一方向に配列したプリプレグを用いることが最も好ましい。
【００３１】
なお、炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグにおける炭素繊維の配向方向は、繊維軸方向に対してほぼ垂直にこの炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを切断して得られる切断面をＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）や光学顕微鏡で観察することにより確認することができる。
本発明の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグは、この複数本の炭素繊維束のうちの隣り合う炭素繊維束間や、この複数本の炭素繊維束の内部に、上記熱可塑性樹脂を含浸させたものであるこ。さらに、炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグは、この複数本の炭素繊維束の表面に上記熱可塑性樹脂が付着した構造を有することができる。
【００３２】
また、本発明の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグに用いる炭素繊維は、得られた炭素繊維複合材料が高い弾性率や強度を発現する観点から、連続繊維であることが好ましい。連続繊維とは、繊維が定期的または不定期的に切れておらず繋がっている状態で、繊維長が１００ｍｍ以上のもののことである。
【００３３】
本発明に用いる炭素繊維は、連続繊維であって、かつ炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ中において単一方向（ＵＤ）に配向していることが特に好ましい。
【００３４】
本発明では、炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを製造する際に、炭素繊維を複数本束ねた状態、即ち、炭素繊維束（通常、炭素繊維トウと呼ばれる）の状態で用いることができる。炭素繊維束を構成する炭素繊維（単繊維）の本数は適宜設定することができるが、例えば、１０００〜６００００本とすることができる。
また、炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを製造する際に、多数の炭素繊維を同一平面上に配列してシート状とした炭素繊維シートの状態で炭素繊維を用いることもできる。さらに、上記炭素繊維束を等間隔かつ同一平面上に配列してシート状とした炭素繊維シートの状態で炭素繊維を用いることもできる。この炭素繊維シートにおける炭素繊維の目付け（ＦＡＷ：Ｆｉｂｅｒ  Ａｒｅａｌ  Ｗｅｉｇｈｔ）は、繊維を開繊させる観点から５０ｇ／ｍ２以上が好ましく、熱可塑性樹脂の含浸しやすさと得られた炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの取扱性の観点から５００ｇ／ｍ２以下が好ましい。さらにプリプレグの積層し易さの観点から、１００ｇ／ｍ２以上がさらに好ましく、高粘度樹脂の含浸性の観点から２５０ｇ／ｍ２以下がさらに好ましい。
【００３５】
本発明の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグにおいて、この炭素繊維の目付ＦＡＷは、炭素繊維シートから一定の面積（例えば、１００ｃｍ２）を切り出してその質量を測定し、炭素繊維シート１ｍ２あたりに換算することにより算出することができる。
また、本発明の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの目付け（ＴＡＷ：Ｔｏｔａｌ  Ａｒｅａｌ  Ｗｅｉｇｈｔ）は、繊維を開繊させる観点から７５ｇ／ｍ２以上、熱可塑性樹脂の含浸しやすさやと得られた炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの取扱性の観点から１０００ｇ／ｍ２以下が好ましい。また、ＴＡＷは、プリプレグの積層し易さの観点から１５０ｇ／ｍ２以上、高粘度樹脂の含浸性の観点から５００ｇ／ｍ２以下がより好ましい。この炭素繊維プリプレグの目付ＴＡＷは、一定面積にカットした炭素繊維プリプレグの質量を測定し、その値を１ｍ２あたりに換算することにより算出することができる。具体的には、７５〜１０００ｇ／ｍ２が好ましく、１５０〜５００ｇ／ｍ２がより好ましい。
なお、炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ中のＰＡＮ系炭素繊維の、炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの全質量に対する質量含有率（Ｗｆ）は、ＦＡＷ／ＴＡＷ×１００（質量％）として算出することができる。
このＷｆは、得られた炭素繊維複合材料に高い機械特性が得られる観点から３０質量％以上、空隙の少ない複合材料が得られる観点から７０質量％以下が好ましく、繊維蛇行が少ない複合材料が得られる観点から４０質量％以上、高粘度樹脂においても空隙の少ない複合材料が得られる観点から６０質量％以下がより好ましい。具体的には、３０〜７０質量％が好ましく、４０〜６０質量％がより好ましい。
【００３６】
＜熱可塑性樹脂組成物＞
（熱可塑性樹脂）
本発明の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグに用いる熱可塑性樹脂組成物は、上記式（１）：２０≦（ＦＭ／ＦＳ）≦４０を満たす熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。一般に、炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグには、マトリックス樹脂として、例えば、以下の熱可塑性樹脂が用いられている。即ち、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂、液晶ポリマー樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリアリレート樹脂、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（ＰＰＳ）樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリスルフォン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、変性ポリスチレン樹脂、ＡＳ樹脂（アクリロニトリルとスチレンとのコポリマー）、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル、ブタジエン及びスチレンのコポリマー）、変性ＡＢＳ樹脂、ＭＢＳ樹脂（メチルメタクリレート、ブタジエン及びスチレンのコポリマー）、変性ＭＢＳ樹脂、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）樹脂、変性ポリメチルメタクリレート樹脂等及びこれらのポリマーアロイ樹脂等である。これらは耐熱性、耐薬品性、力学特性により適切な樹脂を選択することが出来る。これらはいずれか１種を単独で使用してもよく、２種類以上を併用してもよい。２種類以上を併用することが好ましい。
しかしながら、本発明の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグに用いることができる熱可塑性樹脂としては、上記式（１）：２０≦（ＦＭ／ＦＳ）≦４０を満たす機械的特性の優れた熱可塑性樹脂を用いることが好ましい。この熱可塑性樹脂の曲げ強度ＦＳ（ＭＰａ）に対する曲げ弾性率ＦＭ（ＭＰａ）の比（ＦＭ／ＦＳ）が、２０以上であれば複合材料とした際に高い強度を得ることができ、４０以下であれば複合材料とした際に高い耐衝撃性能を得ることができる。また、この比（ＦＭ／ＦＳ）は、複合材料とした時に高い弾性率を得ることができる観点から２５以上とすることが好ましく、複合材料とした時に層間剥離が発生しにくい観点から３５以下とすることが好ましい。即ち、熱可塑性樹脂が、式（２）：２５≦（ＦＭ／ＦＳ）≦３５を満たすことが好ましい。
【００３７】
上記式（１）を満たす具体的な熱可塑性樹脂としては、例えば、以下の樹脂を挙げることができる。即ち、ＰＭＭＡ樹脂（具体的には、三菱レイヨン社製、商品名：ＴＦ８、ＴＦ９等）、ＡＳ樹脂（具体的には、ＵＭＧ  ＡＢＳ社製、商品名：ＡＰ−Ｈ等）、ＰＡ１２樹脂（具体的には、アルケマ社製、ＡＭＮ−Ｏ−ＴＬＤ等）、ＰＰＳ樹脂（具体的には、東レ社製、商品名：Ａ９００等）、ＰＡ６樹脂（具体的には、宇部工業社製、商品名：１０１３Ｂ、東洋紡績社製、商品名：Ｔ８０３等）、及びＰＰ（ポリプロピレン）樹脂（具体的には、三菱化学社製、商品名：モディック（登録商標）Ｐ９５８等）等である。
【００３８】
また、上記式（２）を満たす熱可塑性樹脂としては、例えば、以下の樹脂を挙げることができる。即ち、ＰＭＭＡ樹脂（具体的には、三菱レイヨン社製、商品名：ＴＦ８、ＴＦ９等）、ＡＳ樹脂（具体的には、ＵＭＧ  ＡＢＳ社製、商品名：ＡＰ−Ｈ等）、ＰＡ１２樹脂（具体的には、アルケマ社製、ＡＭＮ−Ｏ−ＴＬＤ等）、ＰＰＳ樹脂（具体的には、東レ社製、商品名：Ａ９００等）、及びＰＡ６樹脂（具体的には、東洋紡績社製、商品名：Ｔ８０３等）等である。
【００３９】
この中でも、高いＦＭを有する観点から、熱可塑性樹脂として、上記式（１）を満たす、ＡＳ樹脂またはＰＭＭＡ樹脂を用いることが好ましい。
なお、上記曲げ弾性率（ＦＭ）や上記曲げ強度（ＦＳ）は、上記式（１）を満たす範囲で用いる熱可塑性樹脂に応じて適宜設定することができる。例えば、熱可塑性樹脂としてＰＭＭＡ樹脂を用いた場合、曲げ弾性率は例えば３０００ＭＰａ以上３５００ＭＰａ以下とすることができ、曲げ強度は例えば９０ＭＰａ以上１２０ＭＰａ以下とすることができる。また、熱可塑性樹脂としてＡＳ樹脂を用いた場合、曲げ弾性率は例えば３３００ＭＰａ以上３６００ＭＰａ以下とすることができ、曲げ強度は例えば９０ＭＰａ以上１１０ＭＰａ以下とすることができる。
【００４０】
＜熱可塑性樹脂組成物＞  
本発明の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグに用いることができる熱可塑性樹脂組成物は、該熱可塑性樹脂組成物の成形下限温度Ｔｃ（℃）、線膨張係数β（１／℃）、および前記炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの繊維体積含有率Ｖｆ（体積％）から求められる下記式（５）の値が０．５を超えることが好ましい。ここで、成形下限温度とは、熱可塑性樹脂組成物が融点を有する結晶性樹脂である場合は融点のことであり、熱可塑性樹脂組成物が融点を有さない非晶性樹脂である場合はゼロせん断粘度が２×１０３Ｐａ・ｓとなる温度Ｔｘ（℃）である。
β×（Ｔｃ−２５）×（１００−Ｖｆ）  ・・・（５）
式（５）の値が０．５を超える場合には、この熱可塑性樹脂組成物を用いて炭素繊維強化複合材料を製造する過程で、２５℃から成形下限温度まで加熱し、引き続き、２５℃まで冷却する際に、炭素繊維束と熱可塑性樹脂組成物の膨張・収縮挙動の違いに起因して、炭素繊維強化複合材料中の炭素繊維の微小蛇行が生じ易い領域となっている。しかしながら、本発明の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを用いた炭素繊維強化複合材料では、炭素繊維の微小蛇行が生じないので、炭素繊維強化複合材料の機械物性の低下が抑制されるので、好ましい。なお、線膨張係数βはＪＩＳ  Ｋ７１９７（１９９１）に従って測定することができる。
【００４１】
熱可塑性樹脂組成物に含まれる熱可塑性樹脂の種類は炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグとした際に、上記式（５）を満たしていれば特に限定されず、例えば、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、液晶ポリマー樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリアリレート樹脂、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、ポリアセタール樹脂、ポリスルフォン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、変性ポリスチレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、変性ＡＢＳ樹脂、ＭＢＳ樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、及びこれらの変性樹脂、及びこれらのポリマーアロイ樹脂が挙げられる。これらはいずれか１種を単独で使用してもよく、２種類以上を併用してもよい。２種類以上を併用することが好ましい。中でもポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂と、それぞれの樹脂の変性樹脂が好ましい。また、より好ましくは酸変性ポリプロピレン樹脂、ポリアミド６樹脂、ポリアミド６１０樹脂、もしくは、ポリカーボネート樹脂である。なかでもポリアミド６樹脂が好ましい。
【００４２】
（ＰＡＮ系炭素繊維）
本発明で用いるＰＡＮ系炭素繊維は、平均単繊維繊度が１．０ｄｔｅｘ以上２．４ｄｔｅｘ以下である。平均単繊維繊度を１．０ｄｔｅｘ以上とすることで、炭素繊維強化複合材料中の繊維の微小蛇行を抑え、強度発現性に優れた炭素繊維強化複合材料が得られる。より好ましい平均単繊維繊度の範囲は１．１〜２．０ｄｔｅｘであり、更に好ましい平均単繊維繊度の範囲は１．２〜１．６ｄｔｅｘである。ここで、平均単繊維繊度は、後述の＜炭素繊維束の平均単繊維繊度の測定＞に記載された方法により求めることができる。なお、ＰＡＮ系炭素繊維の平均単繊維繊度は、プレカーサーとなるＰＡＮ系繊維（ＰＡＮ系炭素繊維前駆体繊維）の平均単繊維繊度により調整することができる。
【００４３】
本発明で用いる炭素繊維束を構成する炭素繊維の単繊維の真円度は０．７０〜０．９０であることが好ましい。真円度が０．７０未満であると単繊維（フィラメント）内での局部的な応力集中により、炭素繊維強化複合材料中の繊維の微小蛇行が顕著となり、炭素繊維強化複合材料の機械物性が低下する。真円度が０．９０を超えると、繊維とマトリックス樹脂の界面接着面積の低下による界面接着強度の低下によって炭素繊維強化複合材料の機械物性が低下する。より好ましい単繊維の真円度の範囲は０．７５〜０．８８であり、更に好ましい単繊維の真円度の範囲は０．８〜０．８６である。
ここで、真円度は下記式（４）にて求められる値であって、Ｓ及びＬは、単繊維の繊維軸に垂直な断面をＳＥＭ観察にて画像解析することによって得られる、単繊維の断面積および周長である。
真円度＝４πＳ／Ｌ２  ・・・（４）
【００４４】
本発明で用いる炭素繊維束を構成する炭素繊維の単繊維の最大フェレ径は、８〜２０μｍが好ましい。８μｍ以上とすることで、各単繊維の曲げ剛性が高く、プリプレグ製造工程における外乱により単繊維同士が絡み合うことが少ないので、繊維束内の単繊維の交絡数が減少し、さらに、単繊維の最大フェレ径が大きい場合は炭素繊維束は繊維数が多くても開繊し易く好ましい。ただし、炭素繊維の単繊維が太い場合は、単繊維の単位長さあたりの体積が増えることに比例して欠陥の存在確率が増加して炭素繊維の強度が低下する。炭素繊維の強度を低下させない観点から、最大フェレ径は２０μｍ以下であることが好ましい。より好ましい単繊維の最大フェレ径の範囲は９〜１７μｍであり、更に好ましくは１０〜１５μｍである。
【００４５】
本発明で用いる炭素繊維束を構成する炭素繊維の単繊維の最小フェレ径を最大フェレ径で除した値は、０．４０〜０．７５が好ましい。単繊維の最小フェレ径を最大フェレ径で除した値が１に近いほど、単繊維同士はより最密充填構造をとり易く、炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグとする際に、炭素繊維の分散および熱可塑性樹脂の含浸が困難となる問題があるが、０．７５以下であれば、炭素繊維の分散および熱可塑性樹脂の含浸が容易である。また単繊維の最小フェレ径を最大フェレ径で除した値が極端に小さい場合は、単繊維内での局部的な応力集中により、炭素繊維強化複合材料中の繊維の微小蛇行が顕著となり、炭素繊維強化複合材料の機械物性が低下するが、０．４０以上であれば、炭素繊維複合材料の機械物性は良好である。より好ましい単繊維の最小フェレ径を最大フェレ径で除した値は０．５０〜０．７０であり、更に好ましいくは０．５５〜０．６５である。
なお、単繊維の最大フェレ径および最小フェレ径は、単繊維の繊維軸に垂直な断面を光学顕微鏡観察またはＳＥＭ観察にて画像解析することによって得られる。
【００４６】
本発明で用いる炭素繊維束を構成する炭素繊維の単繊維は、繊維長手方向に垂直な断面を鏡面処理した後、ＳＥＭで観察した際、明暗縞模様が観察されないこと（つまり、明るさが均一である）か、もしくは図６Ａの様に明るさが外側から内側に向かって徐々に暗くなっていることが好ましい。一般的に、公知の単繊維の最大フェレ径が７μｍ以上の炭素繊維は、炭素繊維の焼成過程に由来する断面方向に焼成斑が生じ易く、この焼成斑はＳＥＭ観察において図６Ｂの様に明るさが縞模様に観察される（即ち、焼成斑が生じた部分が暗い部分となり、焼成斑が生じていない部分が明るい部分として視認される）。本発明に用いる炭素繊維束は、炭素繊維強化複合材料とした際、炭素繊維束を構成する単繊維の繊維長手方向に垂直な断面を鏡面処理した後、ＳＥＭで観察した際、明るさが均一である、もしくは明るさが外側から内側に向かって徐々に暗くなっている炭素繊維からなることが好ましい。ここで「明るさが均一」とは、チャートで横軸に繊維の直径方向、縦軸に画像の明るさをとり、そのチャート上に谷がない状態であり、「明るさが外側から内側に向かって徐々に暗くなっている」とは、チャートで横軸に繊維の直径方向、縦軸に画像の明るさをとり、そのチャート上に谷が一つ以上存在する状態である。
【００４７】
本発明に用いるＰＡＮ系炭素繊維のストランド強度は、複合材料とした際に高い機械特性（例えば、高い強度）が得られる観点から３５００ＭＰａ以上が好ましい。
また、本発明に用いるＰＡＮ系炭素繊維のストランド弾性率は、複合材料とした際に高い機械特性が得られる観点から２００ＧＰａ以上が好ましい。
ストランド強度の好ましい上限値はなく、高ければ高いほど好ましい。ストランド弾性率は２００ＧＰａ以上であれば用途によって使い分けられるものである。このＰＡＮ系炭素繊維のストランド強度およびストランド弾性率は、ＡＳＴＭ  Ｄ４０１８に準拠してエポキシ樹脂含浸ストランドの引張物性を測定することで求めることができる。
【００４８】
本発明で用いる炭素繊維束に含まれる炭素繊維の単繊維の数、即ち、フィラメント数は特に限定せず、１種を単独で使用してもよく、２種類以上を併用してもよいが、好ましいフィラメント数の範囲は３０００本〜６００００本である。炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグとする際、フィラメント数の少ない繊維束を複数本引きそろえて、繊維目付を合わせると、製造工程に必要な櫛（コーム）のピッチが小さくなり、引き揃えるための手間が増えてしまう。しかし、フィラメント数が３０００本以上の炭素繊維束を用いることで、容易に、品質が良好な炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグが得られる。一方、フィラメント数が６００００本以下であれば、取り扱い性が良好で、また均一に開繊することができる。より好ましいフィラメント数の範囲は１２００００〜４００００本であり、更に好ましいフィラメント数の範囲は２００００〜３００００本である。
【００４９】
（ＰＡＮ系炭素繊維の製造方法）
本発明に用いるＰＡＮ系炭素繊維は、平均単繊維繊度を１．０〜２．４ｄｔｅｘの範囲内とすることができるのであれば、公知の方法を用いて製造することができる。このＰＡＮ系炭素繊維は、例えば、以下の工程を含む製造方法により製造することができる。
（１）ＰＡＮ系重合体を紡糸して得られるＰＡＮ系炭素繊維前駆体繊維を、酸化性雰囲気（例えば空気のような酸素が存在する雰囲気）中、例えば２００〜３００℃で加熱処理（以下、「耐炎化処理」ともいう）することにより、耐炎化繊維を得る工程。
（２）前記耐炎化繊維を、不活性雰囲気（例えば、窒素やアルゴン）中、例えば１０００〜１５００℃で加熱処理（以下、「炭素化処理」ともいう）することにより、ＰＡＮ系炭素繊維を得る工程。
【００５０】
また、この炭素繊維に対して、不活性雰囲気中、例えば２０００〜３０００℃で加熱処理（以下、「黒鉛化処理」ともいう）を行い、引張弾性率の高い炭素繊維（黒鉛化繊維）とすることもできる。なお、本発明に用いるＰＡＮ系炭素繊維は、炭素化処理によって得られた繊維（以下、「炭素繊維」ともいう）であっても良いし、黒鉛化処理によって得られた繊維（以下、「黒鉛化繊維」ともいう）であっても良い。
なお、本発明では、ＰＡＮ系重合体を紡糸した際に繊維束の状態としてから耐炎化処理や炭素化処理等を行うことで、ＰＡＮ系炭素繊維束を作製することができる。また、繊維束を構成する単繊維数は、これらの処理（各工程）を通して変化しない。
【００５１】
（ＰＡＮ系重合体）
ＰＡＮ系炭素繊維の原料となるＰＡＮ系重合体（即ち、ポリアクリロニトリル系重合体）は、分子構造中にアクリロニトリルから誘導される構成（以下、「アクリロニトリル単位」という）を含有し、かつ、炭素繊維とした際に上述した平均単繊維繊度を満たすものであれば良く、炭素繊維の分野で公知のものを使用することができる。即ち、このＰＡＮ系重合体には、アクリロニトリル単位が含まれていれば、他のモノマー（例えば、アクリル酸やメタクリル酸やアクリルアミド）から誘導される構成単位を含んでいても良く、ＰＡＮ系重合体中のアクリロニトリル単位の含有率は特に限定されない。また、ＰＡＮ系重合体を得る際の重合方法も特に限定されず、例えば溶液重合や縣濁重合を用いることができる。
【００５２】
（ＰＡＮ系炭素繊維前駆体繊維）
本発明に用いるＰＡＮ系炭素繊維の前駆体となるＰＡＮ系炭素繊維前駆体繊維は、上記ＰＡＮ系重合体を原料として、例えば以下の紡糸方法によって得ることができる。
まず、上記ＰＡＮ系重合体を溶剤に溶解させた紡糸原液を凝固浴中に吐出することによって凝固糸を作製し、この凝固糸を紡糸原液の吐出線速度の例えば０．３〜０．４倍の速度で凝固浴中から引き取る。
ＰＡＮ系重合体を溶解させる溶剤は、この重合体を溶解させることができれば特に制限は無いが、例えば、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミドなどの有機溶剤や、塩化亜鉛、チオシアン酸ナトリウムなどの無機化合物の水溶液を用いることができる。また、紡糸原液中のＰＡＮ系重合体の濃度は、紡糸原液の全質量に対して、例えば、１０〜３５質量％とすることができる。
また、上記凝固浴は、例えば、紡糸原液に用いた溶剤（例えばジメチルアセトアミド）の濃度が、凝固浴の全質量に対して、５０〜７０質量％、温度が３０〜５０℃の溶剤水溶液を用いることができる。
【００５３】
次に、上記で得られた凝固糸（以下、「膨潤糸条」ともいう）を洗浄及び延伸する。洗浄の方法としては、特に制限はないが、一般的に用いられている、水中（特に温水中）に浸漬させる方法がよい。延伸の方法としては、水中、または温水中に浸漬させながら延伸する方法、熱板、ローラー等のよる空気中での乾熱延伸法、また熱風が循環している箱型炉内での延伸でも良く、これらに限定されるものではない。なかでも経済的な観点から、延伸は温水中で行うことが好ましい。温水の温度は４０℃以上８０℃以下が好ましい。延伸の倍率は、１．１〜７．０倍とすることが好ましい。ただし、トータルの延伸倍率は５〜９倍であることが望ましいので、後に二次延伸を行う場合は（すなわち、延伸を２回に分けて行う場合には）、その延伸倍率を考慮して設定することが好ましい。ここで延伸の倍率とは、延伸前後の速度の比（延伸後の速度／延伸前の速度）を意味する。なお、上記洗浄と延伸の順番については、洗浄を先に行っても良く、また同時に行っても良い。さらに、洗浄及び延伸の後に、油剤付着処理や、乾燥処理等を行うこともできる。以上より、ＰＡＮ系炭素繊維前駆体繊維を得ることができる。
【００５４】
なお、このＰＡＮ系炭素繊維前駆体繊維は、高いストランド強度や高い炭素繊維複合材料（成形品）の機械的特性が得られる観点から、不純物、内部ボイド、クレーズやクラック等の表面欠陥を含まないことが好ましい。続いて、得られた前駆体繊維に対して、耐炎化処理及び炭素化処理を行うが、その具体的な処理条件（例えば、処理温度や処理時間）は、上記繊度を満たすＰＡＮ系炭素繊維が得られる範囲で適宜設定することができる。
【００５５】
本発明に用いる炭素繊維束は、表面処理が行われていることが好ましい。表面処理は公知の手法で良いが、例えば、電解液中で電解酸化処理を施したり、気相または液相での酸化処理をほどこしたりすることによって、炭素繊維複合材料とした際の炭素繊維とマトリックス樹脂との親和性および接着を向上させることができる。表面処理の程度としては、電気化学的測定法（サイクリック・ボルタ・メトリー）により求められるｉＰａ値が０．０５〜０．６μＡ／ｃｍ２の範囲であることが好ましい。このｉＰａ値は、炭素繊維の酸素含有官能基数量と電気二重層形成に関与する表面凹凸度と微細構造の影響を受け、特に表層のエッチングを大きく受けた炭素繊維やアニオンイオンが黒鉛結晶に層間に入り込んだ層間化合物を形成している場合、大きな値となる。優れた機械的性能を発現する複合材料において、炭素繊維と樹脂との界面は重要であり、特に適当な極性官能基が存在する表面であって、小さな電気二重層を形成するような表面を有する炭素繊維が最適な界面を形成することがわかっている。ｉＰａ値が０．０５μＡ／ｃｍ２以上であれば、極性官能基の導入数量が十分であり、優れた界面接着性を発現する。一方、０．５μＡ／ｃｍ２以下であれば、過度な表面エッジングや層間化合物の形成が抑制できており、界面接着性が良好である。より好ましいｉＰａ値の範囲は０．０６〜０．３μＡ／ｃｍ２であり、更に好ましいｉＰａ値の範囲は０．０７〜０．１５μＡ／ｃｍ２である。
【００５６】
さらに、本発明に用いる炭素繊維束において、Ｘ線光電子分光法により求められる炭素繊維表面の酸素含有官能基量（Ｏ１Ｓ／Ｃ１Ｓ）が０．０３〜０．５の範囲であることが好ましい。より好ましい炭素繊維表面の酸素含有官能基量（Ｏ１Ｓ／Ｃ１Ｓ）の範囲は０．０４〜０．１０である。また、本発明に用いる炭素繊維束（Ａ）において、Ｘ線光電子分光法により求められる炭素繊維表面の窒素含有官能基量（Ｎ１Ｓ／Ｃ１Ｓ）が０．０２〜０．０８の範囲であることが好ましい。より好ましい炭素繊維表面の窒素含有官能基量（Ｎ１Ｓ／Ｃ１Ｓ）の範囲は０．０３〜０．０６である。
【００５７】
また、本発明では、得られたＰＡＮ系炭素繊維に対して、サイジング剤を付着させて、サイジング剤含有ＰＡＮ系炭素繊維を作製した後、このサイジング剤含有ＰＡＮ系炭素繊維と上述した熱可塑性樹脂とから、本発明の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを作製しても良い。なお、このサイジング剤は、炭素繊維分野で公知のサイジング剤から適宜選択して用いることができるが、具体的には、エポキシ樹脂、エポキシ変性ポリウレタン樹脂、ポリオレフィン樹脂、酸変性ポリオレフィン樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミド樹脂、ウレタン変性エポキシ樹脂、ポリビニルアルコール樹脂、ポリビニルピロリドン樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリヒドロキシ化合物などが挙げられる。好ましいサイジング剤の種類の例としては、エポキシ樹脂、ポリオレフィン樹脂、酸変性ポリオレフィン樹脂、ポリヒドロキシ化合物である。さらに、用いる熱可塑性樹脂に対して濡れ性が良く接触角の小さいサイジング剤を用いることが好ましい。具体的にはマトリックス樹脂に応じて適切に選択することが好ましい。
【００５８】
サイジング剤の付着量は、炭素繊維表面の改質及び化学修飾の観点から、ＰＡＮ系炭素繊維の全質量に対して、０．３質量％以上、含浸性や取扱性の観点から５．０質量％以下が好ましく、収束性や毛羽の発生しにくさの観点から０．４質量％以上、高粘度樹脂の含浸性の観点から３．０質量％以下がより好ましい。また、炭素繊維束に所望する機能を充分に付与する点からは、０．１〜２０質量％であることが好ましい。サイジング剤の付着量を０．１質量％以上とすることで、炭素繊維束に所望する機能を充分に付与することができる。また、サイジング剤の付着量を２０質量％以下とすることで、炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを製造する際の炭素繊維束中へのマトリックス樹脂の含浸が容易となる。好ましいサイジング剤の付着量の範囲は０．２〜２．０質量％であり、より好ましいサイジング剤の付着量の範囲は０．３〜０．６質量％である。なお、このサイジング剤の付着量（質量％）は、サイジング剤が付着している（サイジング剤付着後の）ＰＡＮ系炭素繊維の質量に対するサイジング剤質量の百分率で表記する。
【００５９】
本発明で用いることができる炭素繊維束を構成する炭素繊維の単繊維は、繊維長手方向に２μｍ以上にわたり延在する複数本の表面凹凸構造を有し、単繊維の周長さ２０００ｎｍ×繊維軸方向長さ２０００ｎｍの範囲で最高部と最低部の高低差（Ｒｐ−ｖ）が３０〜２００ｎｍの範囲であることが好ましい。高低差（Ｒｐ−ｖ）が３０ｎｍ以上であれば、アンカー効果により、炭素繊維と熱可塑性樹脂との良好な界面接着強度が発現し、炭素繊維複合材料とした際の機械物性に優れる。一方、高低差（Ｒｐ−ｖ）が極端に大きい場合、つまり、単繊維表面の表面平滑性が極端に低い場合は、炭素繊維複合材料とした際、靭性の低い炭素繊維と熱可塑性樹脂の界面凹凸部に応力が集中して破壊する問題があるが、高低差（Ｒｐ−ｖ）が２００ｎｍ以下であれば、界面凹凸部への応力集中を防ぐことができ、炭素繊維複合材料の機械物性に優れる。好ましい高低差（Ｒｐ−ｖ）の範囲は４５〜１５０ｎｍであり、更に好ましくは６０〜１２５ｎｍである。
【００６０】
本発明で用いることができる炭素繊維束を構成する炭素繊維の単繊維は、繊維長手方向に２μｍ以上にわたり延在する複数本の表面凹凸構造を有し、単繊維の周長さ２０００ｎｍ×繊維軸方向長さ２０００ｎｍの範囲で、平均凹凸度Ｒａが５〜３５ｎｍであることが好ましい。平均凹凸度Ｒａが５ｎｍ以上であれば、アンカー効果により、炭素繊維と熱可塑性樹脂との良好な界面接着強度が発現し、炭素繊維複合材料とした際の機械物性に優れる。一方、平均凹凸度Ｒａが極端に大きい場合、つまり、単繊維表面の表面平滑性が極端に低い場合は、炭素繊維複合材料とした際、靭性の低い炭素繊維と熱可塑性樹脂の界面凹凸部に応力が集中して破壊する問題があるが、平均凹凸度Ｒａが３５ｎｍ以下であれば、界面凹凸部への応力集中を防ぐことができ、炭素繊維複合材料の機械物性に優れる。好ましい平均凹凸度Ｒａの範囲は１０〜３０ｎｍであり、更に好ましくは１５〜２５ｎｍである。
【００６１】
本発明で用いることができる炭素繊維束を構成する炭素繊維の単繊維は、繊維長手方向に２μｍ以上延びる複数本の表面凹凸構造を有し、単繊維の周長さ２μｍあたりの凹凸の回数Ｒｎが５〜３０回／２μｍであることが好ましい。Ｒｎが５回／２μｍ以上であれば、アンカー効果により、炭素繊維と熱可塑性樹脂との良好な界面接着強度が発現し、炭素繊維複合材料とした際の機械物性に優れる。一方、Ｒｎが極端に多い場合、つまり、単繊維表面の表面平滑性が極端に低い場合は、炭素繊維複合材料とした際、靭性の低い炭素繊維と熱可塑性樹脂の界面凹凸部に応力が集中して破壊する問題があるが、Ｒｎが３０回／２μｍ以下であれば、界面凹凸部への応力集中を防ぐことができ、炭素繊維複合材料の機械物性に優れる。好ましいＲｎの範囲は７〜２５回／２μｍであり、更に好ましくは１０〜２０回／２μｍである。なお、高低差（Ｒｐ−ｖ）、ＲａおよびＲｎは走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて単繊維の表面を走査して得ることができる。
【００６２】
本発明に用いることができる炭素繊維束は、ストランド引張強度３０６ｋｇｆ／ｍｍ2（３０００ＭＰａ）以上であることが好ましい。ストランド強度が著しく低い場合、構造材など現在炭素繊維が使用されているほとんどの分野において、使用できないものとなってしまうが、ストランド引張強度３０６ｋｇｆ／ｍｍ2（３０００ＭＰａ）以上であれば構造材として適応可能である。好ましくは３５７ｋｇｆ／ｍｍ2（３５００ＭＰａ）以上であり、より好ましくは４０８ｋｇｆ／ｍｍ2（４０００ＭＰａ）以上である。一方、ストランド引張強度が極端に高い場合は、炭素繊維複合材料とした際、曲げ試験において圧縮側に応力が集中して、圧縮破壊が顕著に起こり曲げ強度が低下するといった問題があるが、ストランド引張強度５５１ｋｇｆ／ｍｍ2（５４００ＭＰａ）以下であれば、引張強度と圧縮強度のバランスが適度であり、炭素繊維複合材料とした際の曲げ強度に優れる。好ましくは５０９．９ｋｇｆ／ｍｍ2（５０００ＭＰａ）以下であり、より好ましくは４７９．３ｋｇｆ／ｍｍ2（４７００ＭＰａ）以下である。
【００６３】
本発明に用いることができる炭素繊維束は、ストランド引張弾性率は２０．４ｔｏｎｆ／ｍｍ2（２００ＧＰａ）以上であることが好ましい。引張弾性率が著しく低い場合、構造材など現在炭素繊維が使用されているほとんどの分野において、使用できないものとなってしまうが、ストランド引張弾性率が２０．４ｔｏｎｆ／ｍｍ2（２００ＧＰａ）以上であれば構造材として適応可能である。好ましくは２１．４ｔｏｎｆ／ｍｍ2（２１０ＧＰａ）以上であり、より好ましくは２２．４ｔｏｎｆ／ｍｍ2（２２０ＧＰａ）以上である。なお、ストランド強度およびストランド弾性率はＪＩＳ  Ｒ７６０１（１９８６）に従って測定することができる。
【００６４】
＜炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法＞
本発明の第二の態様における炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを製造する方法としては、結果的に、上記ＰＡＮ系炭素繊維束に上記熱可塑性樹脂を含浸させた構造を有する炭素繊維プリプレグを得ることができる方法であれば特に限定されず、公知の方法を適宜用いることができる。具体的には、例えば以下の方法を用いることができる。
ａ）加熱して溶融させた熱可塑性樹脂（溶融樹脂）を押出機によって本発明に用いるＰＡＮ系炭素繊維束に含浸させる方法。
ｂ）粉末の熱可塑性樹脂を、ＰＡＮ系炭素繊維の多数の単繊維からなるシートの内部と外部にともに分散させた後、粉末の熱可塑性樹脂を溶融させる方法。
ｃ）熱可塑性樹脂をフィルム化してＰＡＮ系炭素繊維の多数の単繊維からなるシートと重ねて加熱圧着する方法。
ｄ）熱可塑性樹脂を溶剤に溶かして溶液の状態でＰＡＮ系炭素繊維束に含浸させた後、その溶剤を揮発させる方法。
ｅ）熱可塑性樹脂を繊維化して、繊維化した熱可塑性樹脂とＰＡＮ系炭素繊維との混合糸を形成した後、加熱して熱可塑性樹脂の繊維を溶融させる方法。
ｆ）熱可塑性樹脂を形成するためのモノマーを、ＰＡＮ系炭素繊維束に含浸した後に、そのモノマーを重合させてポリマー（熱可塑性樹脂）を形成する方法。
【００６５】
なお、上記方法ａは、熱可塑性樹脂を加工する必要が無いという利点があるが、安定したプリプレグを製造するのが難しい場合がある。また、上記方法ｂは、熱可塑性樹脂が含浸し易いという利点はあるが、粉末を均一にシートに分散させるのが困難な場合がある。上記方法ｃは熱可塑性樹脂をフィルム加工する必要があるが、上述したように機械的特性に優れた熱可塑性樹脂はフィルム化が比較的容易であり、比較的品質の良いプリプレグが作り易い。また、上記方法ｄは溶剤がプリプレグの熱可塑性樹脂の中に残存する可能性が高く、また取り扱いが危険な溶剤を用いる必要がある場合がある。上記方法ｅは熱可塑性樹脂を繊維化する工程及びＰＡＮ系炭素繊維との混合糸にする工程が必要であり、工程数が増加してしまう。そして、上記方法ｆは熱可塑性樹脂を形成するためのモノマーをＰＡＮ系炭素繊維束に含浸させた後にポリマー化を行う環境にするのが困難であるものが多く、安価ではない。
上述のように、本発明の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグは、フィルム化した熱可塑性樹脂をＰＡＮ系炭素繊維の多数の単繊維からなるシートにラミネートする方法ｃを用いて製造することが特に好ましい。
【００６６】
フィルム化した熱可塑性樹脂をＰＡＮ系炭素繊維の多数の単繊維からなるシートにラミネートする方法ｃとしては、具体的には、樹脂を公知の方法で加熱溶融させ、それを一方向に並べた炭素繊維シートの両面または片面に加熱しながら張り合わせる方法である。フィルムの厚さは炭素繊維シートの目付け（ｇ／ｍ２）や炭素繊維含有率により決定されるものであるが、１０〜１００μｍが好ましい。製造条件はフィルム化した樹脂の融点または軟化点以上まで加熱した加熱ゾーンで圧力を掛けて樹脂を含浸し、樹脂の融点または軟化点以下で固化することによりプリプレグを製造することが出来る。加圧する方法はロール状体または平面体で加圧するのが一般的である。加熱及び冷却時の圧力としては１００〜２０００ｋＰａが好ましい。
【００６７】
なお、上記方法ｂ、ｃ及びｅのように、熱可塑性樹脂を加熱により溶融させ、ＰＡＮ系炭素繊維束に含浸させる方法には、加熱プレスと冷却プレスとを組合せて用いることができ、ＰＡＮ系炭素繊維束に熱可塑性樹脂を溶融させて含浸させた後、プリプレグを固化させることもできる。また、間欠プレスやダブルベルトプレスを使用することもでき、加熱ゾーンや冷却ゾーンを設けて、ＰＡＮ系炭素繊維束に熱可塑性樹脂を溶融させて含浸させた後、プリプレグを固化させることもできる。加熱プレスと冷却プレスとを組み合わせる方法は、樹脂を含浸する時間を長くすることが容易で良好な含浸状態を得やすい。ダブルベルトプレスを使用する方法は連続的に生産できるため生産性に優れている。
【００６８】
＜炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ片＞
本発明の第四の態様の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグは、本発明の第五の態様の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ片として用いることができる。炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ片は炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを裁断して得られる。本発明における炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグは公知の手法で裁断することができる。例として、カッティングプロッターを使用する手法や、スリッターとロータリーカッターを併用する手法が上げられる。
炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ片の幅や長さは特に限定しないが、幅が１〜５０ｍｍのものが好ましく、長さが６〜５０ｍｍのものが好ましく、厚さが０．１〜０．５ｍｍのものが好ましい。
【００６９】
＜炭素繊維強化複合材料＞
本発明の第三の態様、及び第六の態様の炭素繊維強化複合材料は、前記炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグおよび／または炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ片を加熱後して加圧冷却することによって得られる。加熱処理における加熱温度としては１５０〜３２０℃が好ましい。加熱時間としては１〜１０分が好ましい。加圧冷却における温度としては１５〜１３０℃が好ましく、圧力としては１００〜２０００ｋＰａがこのましい。
【００７０】
本発明の炭素繊維複合材料は、上述した本発明の炭素繊維プリプレグおよび／または炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ片を使用するものである。この炭素繊維複合材料の形態は、その用途（例えば、航空宇宙、スポーツ、レジャー用途等）に応じて適宜設定することができる。炭素繊維複合材料としては、具体的には、炭素繊維プリプレグを積層させてバキングした後、オートクレーブ成形やＩＲヒーターで材料を加熱した後に冷却プレスを行うスタンピング成形により得られるコンポジットパネル等を挙げることができる。
【００７１】
また、本発明の炭素繊維複合材料には、本発明の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを繊維軸方向に平行に所定の幅でスリットしたテープ状物の織物や組物等も用いることができる。さらに、本発明の炭素繊維複合材料には、本発明の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを所定の大きさに裁断した小片をランダムに配置したランダムシート及びそのプレス成形品等も用いることができる。
【００７２】
本発明の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを用いて作製した炭素繊維複合材料中のＰＡＮ系炭素繊維の体積含有率（Ｖｆ）は、炭素繊維複合材料の全体積に対し、３０体積％以上６０％体積以下が好ましい。ＰＡＮ系炭素繊維の含有率が３０体積％以上であれば、高い機械的特性を有する複合材料とすることができ、６０体積％以下であれば、空隙の少ない複合材料とすることができる。
【００７３】
また、同様の理由から、本発明の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを用いて作製した炭素繊維複合材料中のマトリックス樹脂（熱可塑性樹脂）の体積含有率は、炭素繊維複合材料の全体積に対し、４０体積％以上７０体積％以下が好ましい。
【００７４】
なお、この炭素繊維複合材中のＰＡＮ系炭素繊維及び熱可塑性樹脂の体積含有率は、ＳＡＣＭＡ  ＳＲＭ  １０Ｒ−９４に準拠する方法により特定することができる。
【００７５】
なお、炭素繊維複合材料中のＰＡＮ系炭素繊維の体積含有率（Ｖｆ）における変動係数は小さければ小さい程好ましい。変動係数が小さければ、炭素繊維複合材料に応力がかかった際に均等に応力が分散するため、高い機械特性が得られる。
本発明の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを用いて作製した炭素繊維複合材料は用いるＰＡＮ系炭素繊維及び熱可塑性樹脂の特性から、従来の成形品と比較して、高い０°曲げ強度を有することができる。
【００７６】
本発明の炭素繊維強化複合材料は、炭素繊維強化複合材料の（厚さ）×（１ｍｍ幅）で表される厚さ方向に平行な断面積をＳａ（単位：ｍｍ２）とし、その断面の画像から得られる熱可塑性樹脂体積含有率をＶｒ（単位：体積％）とし、その断面（平面）上に引くことができる炭素繊維強化複合材料の厚さ方向に平行で１５μｍ以上にわたって炭素繊維の断面を通過しない無数の線分によって占められる領域（樹脂領域）の総面積（つまり炭素繊維強化複合材料の厚さ方向に平行で１５μｍ以上にわたって炭素繊維の断面を通過しない無数の線分を積分した値）をＳｔ（単位：ｍｍ２）とした場合の下記式（６）の値が０．４０以下であることが好ましい。
Ｓｔ／（Ｓａ×Ｖｒ）・・・（６）
【００７７】
本発明の炭素繊維強化複合材料は、上記炭素繊維強化複合材料の（厚さ）×（１ｍｍ幅）で表される厚さ方向に平行な断面積において、上記樹脂領域の厚さをＴｔ（単位：ｍｍ）とし、また炭素繊維強化複合材料の厚さ方向に平行な１本の直線上に隣接して存在する互いに独立した樹脂領域間の樹脂領域以外の領域（以下、「繊維強化領域」ともいう）の厚さをＴｆ（単位：ｍｍ）とした場合の、Ｔｔの最大値ｍａｘ（Ｔｔ）およびＴｆの平均値ａｖｅ（Ｔｆ）の比、すなわち下記式（７）の値が１．０以下であることが好ましい。
なお、ここで言う樹脂領域の厚さおよび樹脂領域以外の領域の厚さとは、いずれも炭素繊維強化複合材料の厚さに平行な方向の厚さを言う。
ｍａｘ（Ｔｔ）／ａｖｅ（Ｔｆ）・・・（７）
【００７８】
式（６）の値および式（７）の値が大きい場合、つまり炭素繊維複合材料中の炭素繊維の分散が悪いと、炭素繊維複合材料の強度が低下する問題があるが、式（６）の値が０．４０以下かつ式（７）の値が１．０以下であれば、炭素繊維複合材料中で適度に応力を分散させることができ、炭素繊維複合材料の機械物性に優れる。より好ましい式（６）値は０．２５以下であり、さらに好ましくは０．２０以下である。より好ましい式（７）値は０．８以下であり、さらに好ましくは０．６以下である。
【００７９】
なお、上記の炭素繊維強化複合材料の（厚さ）×（１ｍｍ幅）で表される厚さ方向に平行な断面積Ｓａ（単位：ｍｍ２）、樹脂領域の総面積Ｓｔ、樹脂領域の厚さＴｔおよび、繊維強化領域の厚さＴｆは、炭素繊維複合材料の厚さ方向に平行な断面を鏡面研磨した後、光学顕微鏡観察もしくはＳＥＭ観察して得た画像の画像解析により求めることができる。
炭素繊維強化複合材料の断面において観察される上記の樹脂領域の厚さＴｔは、その定義により常に１５μｍ以上である。１つの樹脂領域が炭素繊維強化複合材料の厚さ方向に平行な１本の直線上に存在する互いに重ならない１５μｍ以上の線分を２本以上有する位置におけるＴｔは、その１本の直線上に存在する互いに重ならない１５μｍ以上の線分の全ての線分の長さの合計と定義する。
炭素繊維強化複合材料の断面において観察される上記の繊維強化領域の厚さＴｆは、上記の定義のみによれば炭素繊維複合材料の厚さを上限とするのみであるが、炭素繊維複合材料の製造に用いたプリプレグの厚さが既知の場合は該プリプレグの厚さを上限とする。１つの繊維強化領域が炭素繊維強化複合材料の厚さ方向に平行な１本の直線上に存在する互いに重ならない２本以上の線分を有する場合においても、Ｔｆはそれぞれの線分の長さでかつ上述の上限以下の値を採用し、ａｖｅ（Ｔｆ）を算出するために用いる厚さ方向に垂直な方向の繊維強化領域の長さは、その線分の数だけ重複して積分して得るものとする。つまりａｖｅ（Ｔｆ）は、“Ｔｆの積分値”を、“Ｔｆの数だけ重複して積分して得られた厚さ方向に垂直な方向の繊維強化領域の長さの総和”で除した値である。
【００８０】
＜自動車用部品＞
本発明の第六の態様における炭素繊維複合材料が好ましく用いられる本発明の第七の態様における自動車用部品は、本発明の炭素繊維強化複合材料で一部または全部が構成されるものである。
【実施例】
【００８１】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により何ら限定されるものではない。【００８２】
以下の実施例および比較例においては、原材料として下記のものを用いた。【００８３】
（ＰＡＮ系炭素繊維：ＣＦ）
・ＰＡＮ系炭素繊維１（ＣＦ１）（平均単繊維繊度：１．２ｄｔｅｘ、ストランド強度：４２１８ＭＰａ、ストランド弾性率：２３６ＧＰａ）
・ＰＡＮ系炭素繊維２（ＣＦ２）（平均単繊維繊度：２．４ｄｔｅｘ、ストランド強度：３４７７ＭＰａ、ストランド弾性率：２３０Ｐａ）
・ＰＡＮ系炭素繊維３（ＣＦ３）（三菱レイヨン社製、商品名：ＴＲ５０Ｓ、平均単繊維繊度：０．６７ｄｔｅｘ、ストランド強度：４９００ＭＰａ、ストランド弾性率：２４０ＧＰａ）
・ＰＡＮ系炭素繊維４（ＣＦ４）（平均単繊維繊度：１．４ｄｔｅｘ、真円度：０．８２、フィラメント数：２４０００本、ストランド強度：４３５．９ｋｇｆ／ｍｍ２（４２７４ＭＰａ）、ストランド弾性率：２３．５ｔｏｎｆ／ｍｍ２（２３０ＧＰａ）、最大フェレ径：１２．８μｍ、サイズ剤種：エポキシ樹脂、サイズ剤付着量：０．４質量％）
・ＰＡＮ系炭素繊維５（ＣＦ５）（平均単繊維繊度：１．４ｄｔｅｘ、真円度：０．８２、フィラメント数：２８０００本、ストランド強度：４１４ｋｇｆ／ｍｍ２（４０５９ＭＰａ）、ストランド弾性率：２４．５ｔｏｎｆ／ｍｍ２（２４０ＧＰａ）、最大フェレ径：１２．８μｍ、サイズ剤種：エポキシ樹脂、サイズ剤付着量：１．２質量％）
・ＰＡＮ系炭素繊維６（ＣＦ６）（平均単繊維繊度：２．４ｄｔｅｘ、真円度：０．８３、フィラメント数：１２０００本、ストランド強度：３６７ｋｇｆ／ｍｍ２（３５９８ＭＰａ）、ストランド弾性率：２３．７ｔｏｎｆ／ｍｍ２（２３２ＧＰａ）、最大フェレ径：１６．４μｍ、サイズ剤種：エポキシ樹脂、サイズ剤付着量：１．２質量％）
・ＰＡＮ系炭素繊維７（ＣＦ７）（平均単繊維繊度：１．２ｄｔｅｘ、真円度：０．７５、フィラメント数：２４０００本、ストランド強度：４３１ｋｇｆ／ｍｍ２（４２２５ＭＰａ）、ストランド弾性率：２３．４ｔｏｎｆ／ｍｍ２（２２９ＧＰａ）、最大フェレ径：１１.９μｍ、サイズ剤種：エポキシ樹脂、サイズ剤付着量：１．２質量％）
・ＰＡＮ系炭素繊維８（ＣＦ８）平均単繊維繊度：２．０ｄｔｅｘ、真円度：０．８３、フィラメント数：１２０００本、ストランド強度：３５６ｋｇｆ／ｍｍ２（３４９０ＭＰａ）、ストランド弾性率：２５．１ｔｏｎｆ／ｍｍ２（２４６ＧＰａ）、最大フェレ径：１５．６μｍ、サイズ剤種：エポキシ樹脂、サイズ剤付着量：１．２質量％）
・ＰＡＮ系炭素繊維９（ＣＦ９）（三菱レイヨン（株）社製  製品名：パイロフィル（登録商標）ＴＲ５０Ｓ  １５Ｌ  ＡＤ、平均単繊維繊度：０．７ｄｔｅｘ、真円度：０．９５、フィラメント数：１５０００本、ストランド強度：５００ｋｇｆ／ｍｍ２（４９００ＭＰａ）、ストランド弾性率：２４．５ｔｏｎｆ／ｍｍ２（２４０ＧＰａ）、最大フェレ径：７．５μｍ、サイズ剤種：エポキシ樹脂、サイズ剤付着量：０．４質量％）
・ＰＡＮ系炭素繊維１０（ＣＦ１０）（三菱レイヨン（株）社製  製品名：パイロフィル（登録商標）ＴＲ５０Ｓ  １２Ｌ  ＡＬ、平均単繊維繊度：０．７ｄｔｅｘ、真円度：０．９５、フィラメント数：１２０００本、ストランド強度：５００ｋｇｆ／ｍｍ２（４９００ＭＰａ）、ストランド弾性率：２４．５ｔｏｎｆ／ｍｍ２（２４０ＧＰａ）、最大フェレ径：７．５μｍ、サイズ剤種：エポキシ樹脂、サイズ剤付着量：１．２質量％）
・ＰＡＮ系炭素繊維１１（ＣＦ１１）（東レ（株）社製  製品名：トレカ（登録商標）Ｔ７００ＳＣ−１２０００  ５０Ｃ）【００８４】
（ＰＡＮ系炭素繊維４の製造方法）
ポリアクリロニトリルを主成分し、メタクリル酸２−ヒドロキシエチルを２モル％含有する共重合体をジメチルアセトアミドに溶解して、湿式紡糸法にて紡糸して、平均単繊維繊度２．５ｄｔｅｘ、総単糸数２４，０００本の炭素繊維前駆体を得た後、２５０〜２９０℃の熱風循環式耐炎化炉にて６０分間空気酸化することで耐炎化処理を行い、窒素雰囲気下において６６０℃で９０秒間および１３５０℃で９０秒間高温熱処理炉にて炭素化処理を行い、電解液中で表面酸化処理を行った後、エポキシ樹脂をサイジング剤として付着量が０．４質量％となる様にサイジング処理して、ＰＡＮ系炭素繊維４を得た。【００８５】
（ＰＡＮ系炭素繊維５の製造方法）
炭素繊維前駆体の総単糸数を２８，０００本とし、サイジング剤付着量を１．２質量％とした以外はＰＡＮ系炭素繊維４の製造方法と同様にして、ＰＡＮ系炭素繊維５を得た。【００８６】
（ＰＡＮ系炭素繊維６の製造方法）
炭素繊維前駆体の平均単繊維繊度４．５ｄｔｅｘ、総単糸数を１２，０００本とした以外はＰＡＮ系炭素繊維５の製造方法と同様にして、ＰＡＮ系炭素繊維６を得た。【００８７】
（ＰＡＮ系炭素繊維７の製造方法）
ポリアクリロニトリルを主成分し、メタクリル酸２−ヒドロキシエチルを２モル％含有する共重合体をジメチルアセトアミドに溶解して、湿式紡糸法にて紡糸して、平均単繊維繊度２．５ｄｔｅｘ、総単糸数２４，０００本の炭素繊維前駆体を得た後、２５０〜２９０℃の熱風循環式耐炎化炉にて７０分間空気酸化することで耐炎化処理を行い、窒素雰囲気下において６６０℃で９０秒間および１３５０℃で９０秒間高温熱処理炉にて炭素化処理を行い、電解液中で表面酸化処理を行った後、エポキシ樹脂をサイジング剤として付着量が１．２質量％となる様にサイジング処理して、ＰＡＮ系炭素繊維７を得た。【００８８】
（ＰＡＮ系炭素繊維８の製造方法）
炭素繊維前駆体の平均単繊維繊度４．５ｄｔｅｘ、総単糸数を１２，０００本とした以外はＰＡＮ系炭素繊７の製造方法と同様にして、ＰＡＮ系炭素繊維８を得た。【００８９】
（熱可塑性樹脂組成物）
・ＰＭＭＡ樹脂１（三菱レイヨン社製、商品名：ＴＦ８、曲げ弾性率３３００ＭＰａ、曲げ強度１２０ＭＰａ）
・ＰＭＭＡ樹脂２（三菱レイヨン社製、商品名：ＴＦ９、曲げ弾性率３３００ＭＰａ、曲げ強度９５ＭＰａ）
・ＡＳ樹脂１（ＵＭＧ  ＡＢＳ社製、商品名：ＡＰ−Ｈ、曲げ弾性率３５２０ＭＰａ、曲げ強度１０８ＭＰａ）
・ＡＳ樹脂２（ＵＭＧ  ＡＢＳ社製、商品名：ＡＰ−Ｆ、曲げ弾性率３４６０ＭＰａ、曲げ強度６９ＭＰａ）
・ＰＡ１２樹脂（アルケマ社製、商品名：ＡＭＮ−Ｏ−ＴＬＤ、曲げ弾性率１１００ＭＰａ、曲げ強度４７ＭＰａ）【００９０】
熱可塑性樹脂組成物
変性ポリプロピレン（三菱化学（株）社製  製品名：モディック（登録商標）Ｐ９５８）
ポリアミド６（宇部興産（株）社製  製品名：ＵＢＥナイロン  １０１３Ｂ）
ポリアミド６１０（ダイセルエボニック（株）社製  製品名：ベスタミドＲテラＨＳ１６）
ポリカーボネート（三菱エンジニアリングプラスチック（株）社製  製品名：レバレックスＭ７０２０）【００９１】
＜炭素繊維束の平均単繊維繊度の測定＞
平均単繊維繊度とは、繊維１本の単位長当りの重さである。炭素繊維束の任意の箇所から長さ１ｍの繊維束を２本とり、各々の質量を測定し、これらの各値をフィラメント数で除した後、１００００倍し、２本の繊維束の平均値を算出し、これを平均単繊維繊度とした。評価結果を表３に示す。【００９２】
＜炭素繊維束の単繊維真円度およびフェレ径の測定および断面の明暗縞模様の有無の確認＞
（サンプルの作製）
長さ５ｃｍに切断した炭素繊維束をエポキシ樹脂（エポマウント主剤：エポマウント硬化剤＝１００：９（質量比））に包埋し、２ｃｍに切断して横断面を露出させ、鏡面処理をした。
（観察面のエッチング処理）
更に、繊維の外形を明瞭にするため、サンプルの横断面を下記の条件でエッチング処理した。
装置：日本電子（株）社製  プラズマエッチング装置（製品名：ＪＰ−１７０）
雰囲気ガス：Ａｒ／Ｏ２＝７５／２５
プラズマ出力：５０Ｗ
真空度：約１２０Ｐａ
処理時間：５ｍｉｎ
（ＳＥＭ観察）
エッチング処理したサンプルの横断面をＳＥＭ（ＰＨＩＬＩＰＳ社製  製品名：ＦＥＩ−ＷＬ２０）で観察し、画面上に５個以上の繊維断面が写っている写真を任意に５枚撮影した。
（真円度測定）
各サンプルについて５枚のＳＥＭ写真から任意に２０個、ただし、１枚の写真から３個以上の単繊維断面を選んで、画像解析ソフトウェア（日本ローパー（株）社製  製品名：Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ  ＰＬＵＳ）を用いて繊維断面の外形をトレースし、各々の周長Ｌおよび面積Ｓを計測し、（４πＳ／Ｌ２）の式により得られた値の平均値を真円度とした。評価結果を表３に示す。【００９３】
（フェレ径測定）
各サンプルについて５枚のＳＥＭ写真から任意に２０個、ただし、１枚の写真から３個以上の単繊維断面を選んで、画像解析ソフトウェア（日本ローパー（株）社製  製品名：Ｉｍａｇｅ−Ｐｒｏ  ＰＬＵＳ）を用いて繊維断面の外形をトレースし、単繊維断面の最大フェレ径および最小フェレ径を計測した。評価結果を表３に示す。【００９４】
（断面の明暗縞模様の有無の確認）
各サンプルについて、撮影した写真を確認し、明暗縞模様の有無を記録した。評価結果を表３に示す。【００９５】
＜炭素繊維束のｉＰａの測定＞
ｉＰａ値は次の方法により測定した。用いる電解液は５％りん酸水溶液でｐＨ３とし、窒素をバブリングさせ溶存酸素の影響を除く。試料である炭素繊維を一方の電極として電解液に浸漬し、対極として充分な表面積を有する白金電極を参照電極としてＡｇ／ＡｇＣｌ電極を用いる。試料形態は長さ５０ｍｍの１２０００フイラメントトウとした。炭素繊維電極と白金電極の間にかける電位の走査範囲は−０．２Ｖから＋０．８Ｖとし、走査速度は２．０ｍＶ／ｓｅｃとした。Ｘ−Ｙレコーダーにより電流−電圧曲線を描き、３回以上掃引させ曲線が安定した段階で、Ａｇ／ＡｇＣｌ標準電極に対して＋０．４Ｖでの電位を基準電位として電流値ｉを読み取り、次式に従ってｉＰａを算出した。評価結果を表３に示す。
ｉＰａ  ＝１（μＡ）／試料長（ｃｍ）×（４π×目付（ｇ／ｃｍ）×フィラメント数／密度（ｇ／ｃｍ３））１／２
試料長とＪＩＳ  Ｒ７６０１に記載されている方法によって求められた試料密度と目付から見掛けの表面積を算出し、電流値ｉを除してｉｐａとした。本測定はサイクリック・ボルタ・メトリー・アナライザー（柳本製作所製、製品名：Ｐ−１１００型）を用いて行った。【００９６】
＜Ｘ線光電子分光法による酸素含有官能基量（Ｏ１Ｓ／ＣｌＳ）および窒素含有官能基量（Ｎ１Ｓ／ＣｌＳ）の測定）
Ｘ線光電子分光機：（ＶＧ社製、製品名：ＥＳＣＡＬＡＢ、２２０ｉＸＬ）
測定方法：炭素繊維をサンプル台にのせて固定し、常法により測定を行った。
酸素濃度は５２４ｅＶ〜５３８ｅＶ、窒素濃度は３９７ｅＶ〜４０２ｅＶ、炭素濃度は２８０ｅＶ〜２９３ｅＶまでの範囲を積分し、Ｏ１ＳピークのＣ１Ｓピーク面積に対する割合を酸素含有官能基量（Ｏ１Ｓ／ＣｌＳ）、Ｎ１ＳピークのＣ１Ｓピーク面積に対する割合を窒素含有官能基量（Ｎ１Ｓ／ＣｌＳ）として評価した。なおＯの感度補正係数２．９３および装置固有の感度補正係数により補正した。評価結果を表３に示す。【００９７】
＜炭素繊維束を構成する単繊維表面のＲｐ−ｖ、Ｒａ、Ｒｎの測定＞
炭素繊維束の単繊維１本に対し、以下条件で測定を行い、１画像得る。【００９８】
（走査型プローブ顕微鏡測定条件）
装置：オリンパス株式会社製  ナノサーチ顕微鏡ＬＥＸＴ  ＯＬＳ−３５００
モード：コンタクトモード
探針：カンチレバー  ＯＭＣＬ−ＡＣ２４０ＴＳ−Ｃ２
走査範囲：２μｍ×２μｍ
走査角度：繊維軸方向に対して垂直方向にスキャン
走査速度：１．０Ｈｚ
ピクセル数：２６８×２６８
測定環境：室温、大気中
得られた画像を走査型プローブ顕微鏡付属の画像解析ソフトを用い、以下の条件にて画像解析を行った。【００９９】
（画像解析条件）
得られた形状像を「傾き補正：曲面フィット」を行い、曲面を平面にフィッティング補正した画像を得た。これを図７に示す。図７中、縦軸は高さ方向を表し、横軸はスキャン方向（繊維軸に対して垂直方向）を表す。平面補正した画像の表面粗さ解析より平均面粗さ（Ｒａ）と面内の最大高低差（Ｐ−Ｖ）と２μｍあたりの凹凸の山の数（Ｒｎ）を求めた。ここで、表面粗さ解析より平均面粗さ（Ｒａ）と面内の最大高低差（Ｐ−Ｖ）と２μｍあたりの凹凸の山の数（Ｒｎ）は、円周長さ２μｍ×繊維軸方向長さ２μｍの走査範囲のデータを用いた。Ｒａは下記式で算出されるものである。
Ｒａ＝{１／（Ｌｘ×Ｌｙ）}∫Ｌｙ０∫ＬX０|ｆ（ｘ，ｙ）|ｄｘｄｙ
中央面：  実表面との高さの偏差が最小となる平面に平行で、 かつ実表面を等しい体積で２分割する平面
ｆ（ｘ，ｙ）： 実表面と中央面との高低差
Ｌｘ、Ｌｙ： ＸＹ平面の大きさ
なおＲｎ算出において、図７に記載の通り、２ｎｍ以上の高低が生じたものを１つの山としてみなして数えた。【０１００】
測定は１サンプルについて単糸５本を走査型プローブ顕微鏡で形状測定し、各測定画像について、平均面粗さ（Ｒａ）、最大高低差（Ｐ−Ｖ）と２μｍあたりの凹凸の山の数（Ｒｎ）を求め、その平均値をサンプルの平均面粗さ（Ｒａ）、最大高低差（Ｒｐ−ｖ）と２μｍあたりの凹凸の山の数（Ｒｎ）とした。単繊維の表面に繊維の長手方向に２μｍ以上延びる表面凹凸構造の有無については、ＡＦＭモードにて単繊維の円周方向に２μｍの範囲を繊維軸方向長さ２μｍに渡り、少しずつ、ずらしながら繰り返し走査し、得られた測定画像から有無を判断した。評価結果を表３に示す。【０１０１】
＜炭素繊維束のストランド強度およびストランド弾性率の測定＞
ＪＩＳ  Ｒ７６０１に準拠して、炭素繊維束のストランド物性（ストランド強度およびストランド弾性率）を測定した。評価結果を表３に示す。【０１０２】
＜樹脂線膨張係数βの測定＞
熱機械測定装置（ＴＭＡ）（ＴＡインスツルメント社製、製品名：Ｑ４００）を用いて、ＪＩＳ  Ｋ７１９７に準拠して樹脂線膨張係数βを測定した。評価結果を表４に示す。【０１０３】
＜樹脂融点の測定＞
ＤＳＣ（ＴＡインスツルメント社製、製品名：Ｑ１０００）を用いて、窒素流量５０ｍｌ／ｍｉｎ、昇温速度１０℃／ｍｉｎの測定条件で、吸発熱量を測定し、融解吸熱ピークを記録し、これを融点とした。評価結果を表４に示す。【０１０４】
＜樹脂粘度の測定＞
レオメータ（ＴＡインスツルメント社製、製品名：ＡＲ−Ｇ２）を用いて、周波数０．０１〜１０ｒａｄ／ｓｅｃ、ストレス３００Ｐａで、測定温度２℃ずつずらして測定し、ゼロせん断粘度が２×１０３Ｐａ・ｓとなる温度Ｔｘを記録した。評価結果を表４に示す。【０１０５】
（実施例１）
上記ＰＡＮ系炭素繊維１（ＣＦ１）と、上記ＰＭＭＡ樹脂１を用いて炭素繊維プリプレグ及び炭素繊維複合材料を作製した。以下、具体的に説明する。
なお、実施例１および後述の実施例２〜７は、参考例である。
【０１０６】
（樹脂フィルムの作製）
まず、加熱冷却二段プレス（神藤金属工業所社製、商品名：Ｆ−３７）を用いて、ＰＭＭＡ樹脂１からなる樹脂ペレット約２．５ｇを２３０〜２４０℃の加熱盤で挟み込み、加圧して薄く引き延ばした。その後、冷却盤で冷却することにより厚み約６９μｍのＰＭＭＡ樹脂１からなる樹脂フィルムを作製した。なお、作製した樹脂フィルムの厚みは、後述する炭素繊維シートに作製した樹脂フィルムを両面から貼り合わせて、この樹脂フィルムを完全に炭素繊維に含浸させたプリプレグで炭素繊維複合材料作製した場合に、この炭素繊維複合材料中の炭素繊維の含有率が５０体積％となるように樹脂フィルムの厚みを設定した。【０１０７】
（炭素繊維シート及び炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの作製）
ＰＡＮ系炭素繊維１をドラムワインドにて巻き付け、炭素繊維の目付（ＦＡＷ：単位面積当たりの質量）が２４８ｇ／ｍ２の一方向の炭素繊維シートを作製した。なお、ＰＡＮ系炭素繊維１は、繊維束（トウ）の状態で取り扱い、各繊維束を構成するＰＡＮ系炭素繊維１の本数は、２４０００本であった。
作製した炭素繊維シートに適度に張力を掛け、炭素繊維シートに両面から、前記樹脂フィルム、フッ素樹脂製フィルム（日東電工社製、商品名：ニトフロンフィルム９７０−４ＵＬ）、及びアルミ製の平板の順に挟み、前記加熱冷却二段プレスの加熱盤で２３０〜２４０℃、５分、２０ｋＰａ、さらに、冷却盤で５分、２０ｋＰａの条件で、炭素繊維が単一方向（ＵＤ）に配向している半含浸プリプレグを作製した。ここで、このプリプレグの目付（ＴＡＷ）は、４３２ｇ／ｍ２であった。【０１０８】
一方向炭素繊維複合材料板（７ｐｌｙ）の成形
得られた一方向プリプレグを、長さ（０°方向（炭素繊維の繊維軸方向に対して平行な方向）の長さ）１５０ｍｍ×幅（９０°方向（炭素繊維の繊維軸方向に直交する方向）の長さ）１５０ｍｍにパターンカットした。次いで、パターンカットした一方向プリプレグを、０°方向に揃えて７枚積層（７ｐｌｙ）し、バギングした後、０．７ＭＰａの窒素圧下、図１に示す昇降温度条件でオートクレーブ成形を行い、厚み約２ｍｍの一方向炭素繊維複合材料板を得た。【０１０９】
（０°曲げ試験）
上記で得られた一方向炭素繊維複合材料板を湿式ダイヤモンドカッターにより長さ（０°方向の長さ）１２０ｍｍ×幅（９０°方向の長さ）１２．７ｍｍの寸法に切断して試験片を作製した。万能試験機（Ｉｎｓｔｒｏｎ社製、商品名：Ｉｎｓｔｒｏｎ５５６５）と、解析ソフト（商品名：Ｂｌｕｅｈｉｌｌ）とを用いて、ＡＳＴＭ  Ｄ７９０に準拠（圧子Ｒ＝５．０、Ｌ／Ｄ＝４０）した方法で得られた試験片に対して３点曲げ試験を行い、０°曲げ強度を算出した。結果を表１、２に示す。【０１１０】
（９０°曲げ試験）
上記で得られた一方向炭素繊維複合材料板を湿式ダイヤモンドカッターにより長さ（９０°方向の長さ）６０ｍｍ×幅（０°方向の長さ）１２．７ｍｍの寸法に切断して試験片を作製した。万能試験機（Ｉｎｓｔｒｏｎ社製、商品名：Ｉｎｓｔｒｏｎ５５６５）と、解析ソフト（商品名：Ｂｌｕｅｈｉｌｌ）とを用いて、ＡＳＴＭ  Ｄ７９０に準拠（圧子Ｒ＝５．０、Ｌ／Ｄ＝１６）した方法で得られた試験片に対して３点曲げ試験を行い、９０°曲げ強度を算出した。結果を表１、２に示す。【０１１１】
（繊維分散度の測定）
図４に示すように、上記で得られた一方向炭素繊維複合材料板１中の炭素繊維の繊維軸方向に対して垂直な切断面（観察面）１ａを観察するために、一方向炭素繊維複合材料成形板１の周りをポリエステル樹脂２（クルツァー社製、商品名：テクノビット４０００）で包埋し、研磨して測定試料を作製した。その後に、この測定試料から、デジタルマイクロスコープ（キーエンス社製、商品名：ＶＨＸ−１００）を用いて、炭素繊維の繊維軸方向に対して垂直な切断面１ａを撮影した。そして、画像解析ソフト（キーエンス社製、商品名：ＶＨアナライザー）を用いて、撮影した切断面１ａの画像から一方向炭素繊維複合材料成形板中のＰＡＮ系炭素繊維の体積含有率（Ｖｆ）及び、このＶｆの変動係数を解析した。【０１１２】
具体的には、まず、図５に示すように、撮影した切断面１ａの画像から任意の場所（画像解析領域３）を選択した。そして、この画像解析領域３を２００μｍ角に３０分割（一方向炭素繊維複合材料板の厚み方向に１０点、幅方向に３点）した。なお、この２００μｍは、図４の画像解析領域３における１区画の１辺の長さｄに対応する。そして、この３０区画について、１区画毎に、その１区画の面積中に含まれるＰＡＮ系炭素繊維部分の領域の面積の割合を、ＰＡＮ系炭素繊維の体積含有率として算出し、この３０区画におけるＰＡＮ系炭素繊維の体積含有率（Ｖｆ）の変動係数（％）（［標準偏差／平均値］×１００）を算出した。なお、この変動係数が小さければ小さい程、一方向炭素繊維複合材料板中の炭素繊維の分散状態（分散度）が良いと言える。【０１１３】
（実施例２）
ＰＡＮ系炭素繊維として、平均単繊維繊度が２．４ｄｔｅｘのＰＡＮ系炭素繊維２（ＣＦ２）を用いて、繊維束を構成する単繊維数を１２０００本に変更した以外は、実施例１と同様にして炭素繊維プリプレグ及び一方向炭素繊維複合材料板を作製した。【０１１４】
（比較例１）
ＰＡＮ系炭素繊維として、平均単繊維繊度が０．６７ｄｔｅｘのＰＡＮ系炭素繊維３（ＣＦ３）を用いて、繊維束を構成する単繊維数を１５０００本に変更した以外は、実施例１と同様にして炭素繊維プリプレグ及び一方向炭素繊維複合材料板を作製した。【０１１５】
（実施例３〜４、比較例２）
マトリックス樹脂をＰＭＭＡ樹脂２に変更した以外は、それぞれ実施例１〜２及び比較例１と同様にして炭素繊維プリプレグ及び一方向炭素繊維複合材料板を作製した。【０１１６】
（実施例５〜６、比較例３）
マトリックス樹脂をＡＳ樹脂１に変更し、一方向炭素繊維複合材料板を作製する際の昇降温度条件を図２に示す昇降温度条件に変更した以外は、それぞれ実施例１〜２及び比較例１と同様にして炭素繊維プリプレグ及び一方向炭素繊維複合材料板を作製した。【０１１７】
（比較例４〜６）
マトリックス樹脂をＡＳ樹脂２に変更し、一方向炭素繊維複合材料板を作製する際の昇降温度条件を図２に示す昇降温度条件に変更した以外は、それぞれ実施例１〜２及び比較例１と同様にして炭素繊維プリプレグ及び一方向炭素繊維複合材料板を作製した。【０１１８】
（実施例７、比較例７）
マトリックス樹脂をＰＡ１２に変更し、一方向炭素繊維複合材料板を作製する際の昇降温度条件を図３に示す昇降温度条件に変更した以外は、それぞれ実施例１及び比較例１と同様にして炭素繊維プリプレグ及び一方向炭素繊維複合材料板を作製した。【０１１９】
各例のＰＡＮ系炭素繊維、熱可塑性樹脂、炭素繊維シート、炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ及び一方向炭素繊維複合材料板の物性を表１、２に示す。【０１２０】
【表１】
0005842916.tif 000002
【０１２１】
【表２】
0005842916.tif 000003
【０１２２】
実施例１及び２はいずれも、単繊維の繊度が本発明の要件を満たさない比較例１と比べて、画像解析によって測定したＶｆの変動係数が小さいことから炭素繊維の分散状態（分散度）が良く、また、０°曲げ強度及び９０°曲げ強度も高いことから機械物性も良好であった。【０１２３】
実施例３及び４はいずれも、単繊維の繊度が本発明の要件を満たさない比較例２と比べて、画像解析によって測定したＶｆの変動係数が小さいことから炭素繊維の分散状態（分散度）が良く、また、０°曲げ強度及び９０°曲げ強度も高いことから機械物性も良好であった。【０１２４】
実施例５及び６はいずれも、単繊維の繊度が本発明の要件を満たさない比較例３と比べて、画像解析によって測定したＶｆの変動係数が小さいことから炭素繊維の分散状態（分散度）が良く、また、０°曲げ強度及び９０°曲げ強度も高いことから機械物性も良好であった。【０１２５】
比較例４〜６は、式（１）を満たさない、即ち、機械的特性が低い熱可塑性樹脂（ＡＳ樹脂２）を用いた場合の炭素繊維複合材料における０°曲げ強度及びＶｆの変動係数を比較したものである。その結果、本発明における単繊維の繊度の要件を満たす比較例４及び５は、０°曲げ強度については、これらの要件を満たさない比較例６と同等の値を示したが、画像解析によって測定したＶｆの変動係数は比較例６と比べて小さくなり炭素繊維の分散状態（分散度）が良くなっていた。しかしながら、比較例４〜６で使用した熱可塑性樹脂は、上述したように式（１）を満たしておらず、９０°曲げ強度及び樹脂の曲げ強度（ＦＳ）が低い結果であった。このことから、複合材料として衝撃が加わった際にプリプレグの層間剥離が発生し、エネルギー吸収性能等の耐衝撃性能も不十分となる可能性が高い。【０１２６】
実施例７はいずれも、単繊維の繊度が本発明の要件を満たさない比較例７と比べて、画像解析によって測定したＶｆの変動係数が小さいことから炭素繊維の分散状態（分散度）が良く、また、０°曲げ強度及び９０°曲げ強度も高いことから機械物性も良好であった。【０１２７】
以上より、平均単繊維繊度が１．０〜２．４ｄｔｅｘであるＰＡＮ系炭素繊維に対して、曲げ弾性率ＦＭ(ＭＰａ)と曲げ強度ＦＳ（ＭＰａ）との比（ＦＭ／ＦＳ）が２０〜４０である熱可塑性樹脂を含浸させて作製した本発明の炭素繊維プリプレグは、プリプレグ中やこのプリプレグを使用した炭素繊維複合材料成形品中で良好な繊維分散状態（分散度）を有することができ、さらに、高い機械的特性（例えば、０°曲げ強度や耐衝撃性）を有することができる。【０１２８】
＜実施例８〜１０、比較例８，９の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法１＞
原料の変性ポリプロピレンを単軸押出機（ＩＫＧ（株）社製、製品名：ＰＭＳ３０）を用いて、厚み４０μｍである樹脂フィルムを得た。【０１２９】
ドラムワインド方式にて、炭素繊維目付１４５ｇ／ｍ２の炭素繊維シートを作製した後、この炭素繊維シートに適度に張力を掛け、炭素繊維シートの両面から前記樹脂フィルム、フッ素樹脂製フィルム（日東電工（株）社製、製品名：ニトフロンフィルム９７０−４ＵＬ）、アルミ製の平板の順に挟み、加熱冷却二段プレスの加熱盤で２３０℃、５分、２０ｋＰａ、冷却盤で５分、３０ｋＰａの条件で繊維体積含有率約５０体積％の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを得た。【０１３０】
＜実施例１１，１２、比較例１０の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法２＞
原料の変性ポリプロピレンをポリアミド６に変更し、加熱冷却二段プレスの加熱盤の条件を２６０℃、１０分に変更した以外は前記炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法１と同様にして、繊維体積含有率約５０体積％の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを得た。【０１３１】
＜実施例１３、比較例１１の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法３＞
原料のポリアミド６をポリアミド６１０に変更し、フィルム厚みを４７μｍ、炭素繊維目付を１１５ｇ／ｍ２に変更した以外は前記炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法２と同様にして、繊維体積含有率約４０体積％の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを得た。【０１３２】
＜実施例１４、比較例１２の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法４＞
原料のポリアミド６をポリカーボネートに変更し、フィルム厚みを３６μｍ、炭素繊維目付を９７ｇ／ｍ２に変更した以外は前記炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法２と同様にして、繊維体積含有率約４３体積％の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを得た。【０１３３】
＜炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの繊維体積含有率Ｖｆの測定＞
前記炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法１〜４で得られた実施例８〜１４、比較例８〜１２の炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを適当なサイズにカットし、ＪＩＳ  Ｋ７０７５に準拠して炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの繊維体積含有率Ｖｆを測定した。評価結果を表５，６に示す。【０１３４】
なお、上記熱可塑性樹脂の曲げ弾性率及び曲げ強度は、測定する熱可塑性樹脂を十分に乾燥後、射出成形により成形した試験片を２３±２℃の温度下でＩＳＯ１７８に準拠した試験方法にて測定することにより求めた値である。【０１３５】
＜炭素繊維複合材料板作製方法１＞
前記炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法１で得られた炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを適当なサイズにカットし、繊維方向が［０°］６＝０°／０°／０°／０°／０°／０°となるように１２枚積み重ね、バギングした後、２３０℃×１５分、昇温速度４℃／分、圧力０．７ＭＰａ、バック内の圧力を−１００ｋＰａの条件でオートクレーブにて成形して、１ｍｍ厚の炭素繊維複合材料板を得た。【０１３６】
＜炭素繊維複合材料板作製方法２＞
前記炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法２で得られた炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを適当なサイズにカットし、繊維方向が［０°］１２＝０°／０°／０°／０°／０°／０°／０°／０°／０°／０°／０°／０°となるように１２枚積み重ね、バギングした後、３００℃×３０分、昇温速度４℃／分、圧力０．７ＭＰａ、バック内の圧力を−１００ｋＰａの条件でオートクレーブにて成形して、１ｍｍ厚の炭素繊維複合材料板を得た。【０１３７】
＜炭素繊維複合材料板作製方法３＞
前記炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法３で得られた炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを適当なサイズにカットし、繊維方向が［０°］８＝０°／０°／０°／０°／０°／０°／０°／０°となるように８枚積み重ね、バギングした後、３００℃×３０分、昇温速度４℃／分、圧力０．７ＭＰａ、バック内の圧力を−１００ｋＰａの条件でオートクレーブにて成形して、１ｍｍ厚の炭素繊維複合材料板を得た。【０１３８】
＜炭素繊維複合材料板作製方法４＞
前記炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法３で得られた炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを適当なサイズにカットし、繊維方向が［０°］９＝０°／０°／０°／０°／０°／０°／０°／０°／０°となるように９枚積み重ね、バギングした後、３００℃×３０分、昇温速度４℃／分、圧力０．７ＭＰａ、バック内の圧力を−１００ｋＰａの条件でオートクレーブにて成形して、１ｍｍ厚の炭素繊維複合材料板を得た。【０１３９】
＜炭素繊維強化複合材料の熱可塑性樹脂体積含有率の測定＞
炭素繊維複合材料板作成方法１〜４で得た炭素繊維複合材料板を３ｃｍ角に切断し、ＪＩＳ  Ｋ７０７５に準拠して熱可塑性樹脂体積含有率Ｖｒを測定した。評価結果を表５，６に示す。【０１４０】
＜炭素繊維強化複合材料の断面のＳｔ、Ｓａ、Ｔｔ、Ｔｆ測定＞
（サンプル作製）
炭素繊維複合材料板作成方法１〜４で得た炭素繊維複合材料板を３ｃｍ角に切断し、ｋｕｌｚｅｒ社製テクノビット４０００に包埋し、テクノビット４０００が硬化した後、鏡面処理をした。【０１４１】
（顕微鏡観察）
包埋したサンプルを下記条件で撮影し、１画像を得た。
装置：（株）キーエンス社製  デジタルマイクロスコープ  ＶＨＸ−１００
レンズ倍率：１５０倍
ピクセル数：１６００×１２００
ドットピッチ：１．３μｍ【０１４２】
（画像処理）
得られた画像において、（厚さ）×（厚さ方向に垂直な方向に１ｍｍ幅）の範囲（つまり厚さがＸｍｍであった場合、面積Ｘｍｍ２の範囲）でソフトウェア：（株）キーエンス社製  デジタル画像計測・解析ソフト  ＶＨ−Ｈ１Ａ５を用いて、「色抽出」により、得られた画像の強化繊維不含領域を色公差５で２値化した後、必要に応じて「ネガ・ポジ反転」で強化繊維不含領域を白、繊維強化領域を黒で表示させた。「小粒子除去」で１２０ピクセル以下の面積の強化繊維不含領域を除去した。【０１４３】
（計測）
デジタル画像計測・解析ソフト（（株）キーエンス社製、製品名：ＶＨ−Ｈ１Ａ５）を用いて、「面積計測」により全ての強化繊維不含層の面積を求め、その総和をＳｔ、（厚さ）×１ｍｍ幅の観察面積の全体をＳａとして記録した。また「メイン計測（２点間）」により全ての強化繊維不含層および繊維強化層を厚みを幅方向５０μｍ間隔で計測し、強化繊維不含層の厚みの最大値をｍａｘ（Ｔｔ）、繊維強化層を厚みの平均値をＡｖｅ（Ｔｆ）として記録した。評価結果を表５，６に示す。【０１４４】
＜炭素繊維複合材料板の圧縮試験＞
炭素繊維複合材料板作成方法１〜４で得た炭素繊維複合材料板に前記炭素繊維複合材料板と同じ材料で作成したタブを接着した後、湿式ダイヤモンドカッターにより長さ(０°方向)８０ｍｍ、幅１２．７ｍｍの寸法に切断して試験片を作製した。得られた試験片をデシケーター内で４８時間乾燥させ、２３±１℃・５０±２％ＲＨの環境下で９６時間コンディショニングした後、万能試験機（ｉｎｓｔｒｏｎ社製、製品名：ｉｎｓｔｒｏｎ５８８２）と解析ソフト（製品名：Ｂｌｕｅｈｉｌｌ）を用い、ＳＡＣＭＡ−９４準拠で０°圧縮試験を行い、０°圧縮強度および弾性率を用いた炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグのＶｆ換算値として算出した。評価結果を表５，６に示す。【０１４５】
（実施例８）
前記ＣＦ４と前記変性ポリプロピレンを用いて、前記炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法１および前記炭素繊維複合材料板作製方法１に従い、炭素繊維複合材料板を作製し、物性を評価した。【０１４６】
（比較例８）
ＣＦ４の代わりに前記ＣＦ９を用いた以外は実施例８と同様に炭素繊維複合材料板を作製し、物性を評価した。比較例８で得られた炭素繊維複合材料の圧縮強度は実施例８と比較して、低い値をとなった。【０１４７】
（実施例９）
ＣＦ４の代わりに前記ＣＦ５を用いた以外は実施例８と同様に炭素繊維複合材料板を作製し、物性を評価した。【０１４８】
（実施例３）
ＣＦ４の代わりに前記ＣＦ６を用いた以外は実施例８と同様に炭素繊維複合材料板を作製し、物性を評価した。【０１４９】
（比較例９）
ＣＦ４の代わりに前記ＣＦ１０を用いた以外は実施例８と同様に炭素繊維複合材料板を作製し、物性を評価した。比較例９で得られた炭素繊維複合材料の圧縮強度は実施例９，１０と比較して、低い値をとなった。【０１５０】
（実施例１１）
前記ＣＦ５と前記ポリアミド６を用いて、前記炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法２および前記炭素繊維複合材料板作製方法２に従い、炭素繊維複合材料板を作製し、物性を評価した。【０１５１】
（実施例１２）
ＣＦ５の代わりに前記ＣＦ６を用いた以外は実施例１１と同様に炭素繊維複合材料板を作製し、物性を評価した。【０１５２】
（比較例１０）
ＣＦ５の代わりに前記ＣＦ１０を用いた以外は実施例１１と同様に炭素繊維複合材料板を作製し、物性を評価した。比較例１０で得られた炭素繊維複合材料の圧縮強度は実施例１１〜１２と比較して、低い値をとなった。【０１５３】
（実施例１３）
前記ＣＦ４と前記ポリアミド６１０を用いて、前記炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法３および前記炭素繊維複合材料板作製方法３に従い、炭素繊維複合材料板を作製し、物性を評価した。【０１５４】
（比較例１１）
ＣＦ４の代わりに前記ＣＦ９を用いた以外は実施例１３と同様に炭素繊維複合材料板を作製し、物性を評価した。比較例１１で得られた炭素繊維複合材料の圧縮強度は実施例１３と比較して、低い値をとなった。【０１５５】
（実施例１４）
前記ＣＦ４と前記ポリカーボネートを用いて、前記炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグの製造方法４および前記炭素繊維複合材料板作製方法４に従い、炭素繊維複合材料板を作製し、物性を評価した。【０１５６】
（比較例１２）
ＣＦ４の代わりに前記ＣＦ９を用いた以外は実施例１４と同様に炭素繊維複合材料板を作製し、物性を評価した。比較例１２で得られた炭素繊維複合材料の圧縮強度は実施例１４と比較して、低い値をとなった。【０１５７】
（比較例１３）
液状ビスフエノールＡ型エポキシ樹脂（三菱化学（株）社製、製品名：ｊＥＲ８２８）を５５質量部、オキサゾリドン型エポキシ樹脂（旭化成イーマテリアルズ（株）社製、製品名：ＡＥＲ４１５２）を４５質量部、ポリビニルホルマール樹脂（チッソ（株）社製、製品名：ビニレックＥ）２質量部を容器に計量し、オイルバスを用いて１６０℃に加熱し溶解混合した。６０℃まで降温させ、ジクロロフェニルジメチルウレア（保土ヶ谷化学工業（株）社製、製品名：ＤＣＭＵ９９）を１．３３質量部、ジシアンジアミド（三菱化学（株）社製、製品名：ＤＩＣＹ１５）を５．３３質量部加え、混練し、エポキシ樹脂組成物を得た。得られたエポキシ樹脂組成物を、コンマコーター（（株）ヒラノテクシード製、製品名：Ｍ−５００）でフィルム状にし、樹脂目付け５０ｇ／ｍ２のレジンフィルム（ホットメルトフィルム）を得た。このレジンフィルムを、ドラムワインド方式によって引き揃えられた前記ＰＡＮ系炭素繊維７の両面に張り合わせ、加熱ロールで含浸させて、繊維目付け２００ｇ／ｍ２、樹脂含有率３２質量％の炭素繊維プリプレグを得た。得られた炭素繊維プリプレグを適当なサイズにカットし、繊維方向が［０°］６＝０°／０°／０°／０°／０°／０°となるように６枚積み重ね、バギングした後、９０℃×１２０分、昇温速度０．５℃／分、バック内圧力を−１００ｋＰａとした条件でオーブンにて硬化成形して、２ｍｍ厚の炭素繊維複合材料板を得た。得られた炭素繊維複合材料板と同じ材料で作成したタブを接着した後、湿式ダイヤモンドカッターにより長さ（０°方向）８０ｍｍ、幅１２．７ｍｍの寸法に切断して試験片を作製した。得られた試験片にて、万能試験機（ｉｎｓｔｒｏｎ社製、製品名：ｉｎｓｔｒｏｎ５８８２）と解析ソフト（製品名：Ｂｌｕｅｈｉｌｌ）を用い、ＳＡＣＭＡ−９４準拠で０°圧縮試験を行い、０°圧縮強度および弾性率をＶｆ５６体積％換算値として算出した。評価結果を表７に示す。【０１５８】
（比較例１４）
ＣＦ１０の代わりに前記ＣＦ７を用いた以外は比較例１３と同様に炭素繊維複合材料板を作製し、物性を評価した。評価結果を表７に示す。【０１５９】
（比較例１５）
ＣＦ１０の代わりに前記ＣＦ８を用いた以外は比較例１３と同様に炭素繊維複合材料板を作製し、物性を評価した。評価結果を表７に示す。
比較例１３〜１５で得られた炭素繊維複合材料の圧縮強度は、炭素繊維束の平均単繊維繊度に関わらず、変化はみられなかった。【０１６０】
【表３】
0005842916.tif 000004
【０１６１】
【表４】
0005842916.tif 000005
【０１６２】
【表５】
0005842916.tif 000006
【０１６３】
【表６】
0005842916.tif 000007
【０１６４】
【表７】
0005842916.tif 000008
【産業上の利用可能性】
【０１６５】
本発明によれば、マトリックス樹脂に、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、アクリロニトリルスチレン共重合樹脂（ＡＳ樹脂）、ポリアミド１２（ＰＡ１２）等の機械的特性に優れた熱可塑性樹脂を用いた場合であっても、炭素繊維が均一に分散して高い曲げ強度を発現する炭素繊維複合材料を与える炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグと、その製造方法、及びそのプリプレグを用いた炭素繊維複合材料が提供される。また、本発明によれば、耐衝撃性に優れ、かつ成形時間が短く、繊維の微小蛇行が少ない炭素繊維強化複合材料を得ることができる炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグ、ならびに該炭素繊維熱可塑性樹脂プリプレグを用いて得られる炭素繊維強化複合材料および自動車用部品を提供できる。
【符号の説明】
【０１６６】
１    一方向炭素繊維複合材料成形板
１ａ  繊維軸方向に対して垂直な切断面（観察面）
２    ポリエステル樹脂
３    画像解析領域
ｄ    １区画の１辺の長さ
【図１】
0005842916.tif 000009
【図２】
0005842916.tif 000010
【図３】
0005842916.tif 000011
【図４】
0005842916.tif 000012
【図５】
0005842916.tif 000013
【図７】
0005842916.tif 000014
【図６Ａ】
0005842916.tif 000015
【図６Ｂ】
0005842916.tif 000016