(57)【要約】【課題】単一材としても使用することが出来る軽量、高剛性の構造体を提供することにある。【解決手段】  強化繊維と樹脂とからなる構造体であって、  前記強化繊維は、質量平均繊維長が１ｍｍ以上１５ｍｍ以下であり、樹脂を介して結合することにより空隙を形成しており、  前記構造体の任意の断面における、強化繊維と樹脂とからなる複合体存在間隔が、１０〜１００μｍの間隔の範囲内であり、前記空隙の最大長さが５μｍ以上２００μｍ以下である構造体。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維と樹脂とからなる構造体であって、
前記強化繊維は、質量平均繊維長が１ｍｍ以上１５ｍｍ以下であり、樹脂を介して結合することにより空隙を形成しており、
前記構造体の任意の断面における、強化繊維と樹脂とからなる複合体存在間隔が、１０〜１００μｍの間隔の範囲内であり、前記空隙の最大長さが５μｍ以上２００μｍ以下である構造体。
【請求項２】
前記強化繊維が略モノフィラメント状であり、前記構造体中にランダムに分散している、請求項１に記載の構造体。
【請求項３】
前記構造体の曲げ弾性率をＥｃ、密度をρとしたとき、Ｅｃ１／３・ρ−１により表される比曲げ剛性が３以上、２０以下の範囲内にある、請求項1又は２のいずれかに記載の構造体。
【請求項４】
前記構造体において、以下の含有量を満足する請求項１〜３のいずれかに記載の構造体。
（１）前記樹脂の体積含有率が２．５体積％以上８５体積％以下。
（２）前記強化繊維の体積含有率が０．５体積％以上５５体積％以下。
（３）前記空隙の体積含有率が１０体積％以上９７体積％以下。
【請求項５】
前記強化繊維の長さをＬｆ、前記構造体の断面方向における前記強化繊維の配向角度をθｆとしたとき、前記構造体の厚みＳｔが条件式：Ｓｔ≧Ｌｆ２・（１−ｃｏｓ（θｆ））を満足する、請求項１〜４のいずれかに記載の構造体。
【請求項６】
前記構造体の密度ρが０．９ｇ／ｃｍ３以下である、請求項１〜５のいずれかに記載の構造体。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の構造体を第１の部材として、該第１の部材の外表面に第２の部材を機械締結、接着接合、熱融着により一体化してなる、複合物品。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれかに記載の構造体を第１の部材として、該第１の部材と第２の部材とからなる複合物品であって、
第１の部材または第２の部材が、他方の部材に内包または埋設される、複合物品。
【請求項９】
前記第２の部材が、金属部材、加飾部材、表面保護部材である、請求項７または８に記載の複合物品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、樹脂と強化繊維と空隙からなる構造体およびその複合物品に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車、航空機、スポーツ製品、建材等の産業用製品において、軽量かつ高機能な材料が求められている。このような要求に応えるべく、軽量性や剛性、強度に優れる繊維強化樹脂が各産業用途に用いられている。例えば、軽量性に優れる繊維強化樹脂材料として、強化繊維と発泡性樹脂とからなる多孔質の繊維強化樹脂材料の検討が為されている（特許文献１）。これらの材料は空孔が脆弱部となるため、単一材料としては剛性、強度が大きく劣る。このため、これらの材料を用いる場合には剛性の高い表皮材と貼合してサンドイッチ構造のコア材として用いられることが多い（特許文献２）。しかしながら、密度の高い表皮材と併用されることで、多孔質構造による軽量化が大きく限定されてしまう。また、多孔質材料は耐衝撃性や音響特性、熱特性、加工性に優れるという特徴を有しており、表皮材と貼合されることで、多孔質構造特有の特性が損なわれる。以上のことから、コア材としてだけでなく、単一材としても機械特性や各種特性を十分に発現することの出来る構造体を提供することが急務となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２９６７７２号公報
【特許文献２】国際公開第２０１４／１６２８７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、単一材としても使用することが出来る軽量、高剛性の構造体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る構造体は、強化繊維と樹脂とからなる構造体であって、前記強化繊維は、質量平均繊維長が１ｍｍ以上１５ｍｍ以下であり、樹脂を介して結合することにより空隙を形成しており、前記構造体の任意の断面における、強化繊維と樹脂とからなる複合体存在間隔が、１０〜１００μｍの間隔の範囲内であり、前記空隙の最大長さが５μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、軽量、高剛性の構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明に係る構造体の断面構造を示す模式図である。
【図２】図２は、本発明で用いる強化繊維マットにおける強化繊維の分散状態の一例を示す模式図である。
【図３】図３は、本発明に係る構造体の面方向及び厚み方向の断面構造の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明に係る構造体および複合物品について説明する。
【０００９】
図１は、本発明に係る構造体の断面構造を示す模式図である。図１に示すように、本発明に係る構造体１は、樹脂２と強化繊維３と空隙４から構成されている。
【００１０】
ここで、強化繊維３の質量平均繊維長は１ｍｍ以上、１５ｍｍ以下の範囲内にある。これにより、強化繊維３の補強効率を高めることができ、構造体１に優れた力学特性を与えられる。強化繊維３の質量平均繊維長が１ｍｍ未満である場合、構造体１中の空隙４を効率よく形成できないため、密度が高くなる場合があり、言い換えれば、同一質量でありながら所望する厚さの構造体１を得ることが困難となるので望ましくない。一方、強化繊維３の質量平均繊維長が１５ｍｍより長い場合には、構造体１中で強化繊維３が、自重により屈曲しやすくなり、力学特性の発現を阻害する要因となるので望ましくない。質量平均繊維長は、構造体１の樹脂成分を焼失や溶出等の方法により取り除き、残った強化繊維３から無作為に４００本を選択し、その長さを１０μｍ単位まで測定し、それらの平均長さとして算出できる。
【００１１】
強化繊維３は、樹脂２を介して結合することにより、空隙４を形成する。例えば強化繊維３に樹脂２が予め含浸された構造体前駆体を加熱して構造体を得る場合、加熱に伴う樹脂２の溶融ないしは軟化により、強化繊維３が起毛することで空隙４が形成される。これは、構造体前駆体において、加圧により圧縮状態とされていた内部の強化繊維３が、その弾性率に由来する起毛力によって起毛する性質に基づく。樹脂２、強化繊維３、および空隙４を上記のような態様とすることで、構造体１は多孔質でありながら強化繊維３の強固なネットワークを形成し、軽量かつ高剛性な構造体となる。
【００１２】
強化繊維３は構造体１内において樹脂２と複合体５を為しており、構造体１の任煮の断面における、複合体５存在間隔が１０〜１００μｍの間隔の範囲内である。複合体５の存在間隔を上述の範囲とすることで、構造体１における樹脂２および強化繊維３を均質に配置することができ、力学特性を十分に発現し、かつ加工性などの機能性も向上する。
【００１３】
複合体５の存在間隔を測定する方法としては、特に制限はないが、例えば構造体１の表面から複合体５の存在間隔を測定する方法を例示できる。この場合、構造体１の表面を研磨して樹脂２および強化繊維３を露出させることで、複合体５をより観察しやすくなる。構造体１の任意の観察断面において、強化繊維３および樹脂２が複合体５を為している箇所を無作為に５０箇所選択し、その周囲に存在する別の任意の複合体５までの最短距離を測定することで存在間隔を測定できる。
【００１４】
また、空隙４の最大長さは５μｍ以上２００μｍ以下である。上記の範囲とすることで、構造体１は空隙による軽量化効果を最大限得ることが出来る。空隙の最大長さが５μｍ未満である場合、構造体１とした場合の空隙の体積含有率が小さくなることを意味し、構造体１の重量が増すこととなるため好ましくない。一方で、空隙の最大長さが２００μｍよりも長い場合、構造体１に荷重負荷がかかった際、該部に応力集中しやすくなり、強度低下を招くこととなるため好ましくない。軽量性と強度の両立の観点から、空隙の最大長さは５μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。
【００１５】
空隙４の最大長さを測定する方法としては、特に制限はないが、例えば構造体１の表面から空隙４の最大長さを測定する方法を例示できる。この場合、構造体１の表面を研磨して樹脂２および強化繊維３を露出させることで、空隙４をより観察しやすくなる。構造体１の任意の観察断面において、空隙４を無作為に５０個選択し、その空隙の最大長さを測定することで測定できる。
【００１６】
構造体１の曲げ弾性率をＥｃ、構造体１の密度をρとしたとき、Ｅｃ１／３・ρ−１として表される構造体１の比曲げ剛性は３以上、２０以下の範囲内であることが好ましい。上記の範囲とすることで、構造体１は十分な軽量化効果を得ることが出来る。
【００１７】
ここで、樹脂２としては、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂を例示できる。また、本発明においては、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂とがブレンドされていてもよい。
【００１８】
本発明における１つの形態において、樹脂２は、少なくとも１種類以上の熱可塑性樹脂を含むことが好ましい。熱可塑性樹脂としては、「ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリトリメチレンテレフタレート（ＰＴＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、液晶ポリエステル等のポリエステル、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリブチレン等のポリオレフィン、ポリオキシメチレン（ＰＯＭ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）等のポリアリーレンスルフィド、ポリケトン（ＰＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルニトリル（ＰＥＮ）、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素系樹脂、液晶ポリマー（ＬＣＰ）」等の結晶性樹脂、「スチレン系樹脂の他、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリサルホン（ＰＳＵ）、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート（ＰＡＲ）」等の非晶性樹脂、その他、フェノール系樹脂、フェノキシ樹脂、さらにポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、ポリイソプレン系、フッ素系樹脂、及びアクリロニトリル系等の熱可塑エラストマー等や、これらの共重合体及び変性体等から選ばれる熱可塑性樹脂を例示できる。
【００１９】
本発明における１つの形態において、樹脂２は、少なくとも１種類以上の熱硬化性樹脂を含むことが好ましい。熱硬化性樹脂としては、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、熱硬化性ポリイミド、これらの共重合体、変性体、及びこれらの少なくとも２種類をブレンドした樹脂を例示できる。また、本発明の目的を損なわない範囲で、本発明に係る構造体の樹脂は、エラストマー又はゴム成分等の耐衝撃性向上剤、他の充填材や添加剤を含有してもよい。充填材や添加剤の例としては、無機充填材、難燃剤、導電性付与剤、結晶核剤、紫外線吸収剤、酸化防止剤、制振剤、抗菌剤、防虫剤、防臭剤、着色防止剤、熱安定剤、離型剤、帯電防止剤、可塑剤、滑剤、着色剤、顔料、染料、発泡剤、制泡剤、又は、カップリング剤を例示できる。
【００２０】
本発明は、前記構造体１００体積％において、強化繊維の体積含有率が０．５体積％以上５５体積％以下、樹脂の体積含有率が２．５体積％以上８５体積％以下、空隙の体積含有率が１０体積％以上９７体積％以下であることが好ましい。つまり構造体１００体積％中の樹脂２の体積含有率は、２．５体積％以上８５体積％以下であることが好ましい。樹脂２の体積含有率は、２．５体積％以上、８５体積％以下の範囲内にあると好ましい。上記の範囲とすることで、樹脂２は強化繊維３の結合の役割を十分に果たし、構造体１の力学的特性および軽量性を向上させることが出来る。
【００２１】
強化繊維３としては、アルミニウム、黄銅、ステンレス等の金属繊維、ＰＡＮ系、レーヨン系、リグニン系、ピッチ系の炭素繊維、黒鉛繊維、ガラス等の絶縁性繊維、アラミド、ＰＢＯ、ポリフェニレンスルフィド、ポリエステル、アクリル、ナイロン、ポリエチレン等の有機繊維、シリコンカーバイト、シリコンナイトライド等の無機繊維を例示できる。また、これらの繊維に表面処理が施されているものであってもよい。表面処理としては、導電体として金属の被着処理の他に、カップリング剤による処理、サイジング剤による処理、結束剤による処理、添加剤の付着処理等がある。また、これらの繊維は１種類を単独で用いてもよいし、２種類以上を併用してもよい。
【００２２】
また、構造体中の強化繊維３は、不連続であり、略モノフィラメント状、且つ、ランダムに分散していることが好ましい。強化繊維３をかかる態様とすることで、シート状の構造体の前駆体ないし構造体を、外力を加えて成形する場合に、複雑形状への賦型が容易となる。また、強化繊維３をかかる態様とすることで、強化繊維３によって形成された空隙が緻密化し、構造体１中における強化繊維３の繊維束端における弱部が極小化できるため、優れた補強効率及び信頼性に加えて、等方性も付与される。ここで、略モノフィラメントとは、強化繊維単糸が５００本未満の細繊度ストランドにて存在することを指す。さらに望ましくは、モノフィラメント状に分散していることである。
【００２３】
ここで、略モノフィラメント状、又は、モノフィラメント状に分散しているとは、構造体１中にて任意に選択した強化繊維３について、その二次元接触角が１°以上である単繊維の割合（以下、繊維分散率とも称す）が８０％以上であることを指し、言い換えれば、構造体１中において単繊維の２本以上が接触して平行した束が２０％未満であることをいう。従って、ここでは、少なくとも強化繊維３におけるフィラメント数１００本以下の繊維束の質量分率が１００％に該当するものが特に好ましい。
【００２４】
二次元接触角とは、不連続な強化繊維の場合、単繊維とこの単繊維が接触する単繊維とで形成される角度のことであり、接触する単繊維同士が形成する角度のうち、０°以上、９０°以下の範囲内にある鋭角側の角度と定義する。この二次元接触角について、図面を用いてさらに説明する。図２は、面方向（図２（ａ））及び厚み方向（図２（ｂ））から観察した時の強化繊維マットにおける強化繊維の分散状態の一例を示す模式図である。単繊維１１ａを基準とすると、単繊維５は図２（ａ）では単繊維６〜１０と交わって観察されるが、図２（ｂ）では単繊維５は単繊維９，１０とは接触していない。この場合、基準となる単繊維１１ａについて、二次元接触角の評価対象となるのは単繊維６〜８であり、接触する２つの単繊維が形成する２つの角度のうち、０°以上９０°以下の範囲内にある鋭角側の角度Ａである。
【００２５】
二次元接触角を測定する方法としては、特に制限はないが、例えば構造体１の表面から強化繊維３の配向を観察する方法を例示できる。この場合、構造体１の表面を研磨して強化繊維３を露出させることで、強化繊維３をより観察しやすくなる。また、Ｘ線ＣＴ透過観察を行って強化繊維３の配向画像を撮影する方法も例示できる。Ｘ線透過性の高い強化繊維３の場合には、強化繊維３にトレーサ用の繊維を混合しておく、又は、強化繊維３にトレーサ用の薬剤を塗布しておくと、強化繊維３を観察しやすくなるため好ましい。また、上記方法で測定が困難な場合には、加熱炉等により構造体１を高温下において樹脂成分を焼失させた後、光学顕微鏡又は電子顕微鏡を用いて取り出した強化繊維３から強化繊維３の配向を観察する方法を例示できる。
【００２６】
上述した観察方法に基づいて繊維分散率は次の手順で測定する。すなわち、無作為に選択した単繊維（図２における単繊維５）に対して接触している全ての単繊維（図２における単繊維６〜８）との二次元接触角を測定する。これを１００本の単繊維について行い、二次元接触角を測定した全ての単繊維の総本数と二次元接触角が１°以上である単繊維の本数との比率から割合を算出する。
【００２７】
さらに、強化繊維３はランダムに分散していることが、とりわけ好ましい。ここで、強化繊維３がランダムに分散しているとは、構造体１における任意に選択した強化繊維３の二次元配向角の算術平均値が３０°以上、６０°以下の範囲内にあることをいう。かかる二次元配向角とは、強化繊維３の単繊維とこの単繊維と交差する単繊維とで形成される角度のことであり、交差する単繊維同士が形成する角度のうち、０°以上、９０°以下の範囲内にある鋭角側の角度と定義する。
【００２８】
この二次元配向角について、図面を用いてさらに説明する。図２（ａ），（ｂ）において、単繊維５を基準とすると、単繊維５は他の単繊維６〜１０と交差している。ここで、交差とは、観察する二次元平面において、基準とする単繊維が他の単繊維と交わって観察される状態のことを意味し、単繊維５と単繊維６〜１０とが必ずしも接触している必要はなく、投影して見た場合に交わって観察される状態についても例外ではない。つまり、基準となる単繊維５について見た場合、単繊維６〜１０の全てが二次元配向角の評価対象であり、図２（ａ）中において二次元配向角は交差する２つの単繊維が形成する２つの角度のうち、０°以上、９０°以下の範囲内にある鋭角側の角度Ａである。
【００２９】
二次元配向角を測定する方法としては、特に制限はないが、例えば、構成要素の表面から強化繊維３の配向を観察する方法を例示でき、上述した二次元接触角の測定方法と同様の手段をとることができる。二次元配向角の平均値は、次の手順で測定する。すなわち、無作為に選択した単繊維（図２における単繊維５）に対して交差している全ての単繊維（図２における単繊維６〜１０）との二次元配向角の平均値を測定する。例えば、ある単繊維に交差する別の単繊維が多数の場合には、交差する別の単繊維を無作為に２０本選び測定した算術平均値を代用してもよい。この測定を別の単繊維を基準として合計５回繰り返し、その算術平均値を二次元配向角の算術平均値として算出する。
【００３０】
強化繊維３が略モノフィラメント状、且つ、ランダムに分散していることで、上述した略モノフィラメント状に分散した強化繊維３により与えられる性能を最大限まで高めることができる。また、構造体１において力学特性に等方性を付与できる。かかる観点から、強化繊維３の繊維分散率は９０％以上であることが望ましく、１００％に近づくほどより好ましい。また、強化繊維３の二次元配向角の算術平均値は、４０°以上、５０°以下の範囲内にあることが望ましく、理想的な角度である４５°に近づくほど好ましい。
【００３１】
強化繊維３の形態としては、構造体１と同程度の長さの連続性強化繊維、又は、所定長に切断された有限長の不連続性強化繊維のいずれであってもよいが、樹脂２を容易に含浸させたり、その量を容易に調整できたりする観点からは、不連続性強化繊維であることが好ましい。
【００３２】
前述のとおり、構造体１００体積％中の強化繊維３の体積含有率は、０．５体積％以上、５５体積％以下の範囲内であることが好ましい。強化繊維の体積含有率が上記の範囲となることで、強化繊維３の補強効果が十分発現され、構造体１の力学特性、とりわけ曲げ特性を満足する。
【００３３】
本発明における構造体１００体積％中の空隙４の含有率は、１０体積％以上、９９体積％以下の範囲内であることが好ましい。上記の範囲に空隙４が存在することで、構造体１は軽量性が向上し、比剛性、比強度に優れる構造となる。本発明において、体積含有率は構造体１を構成する樹脂２と強化繊維３と空隙４のそれぞれの体積含有率の合計を１００体積％とする。
【００３４】
強化繊維３の長さをＬｆ、構造体１の断面方向における強化繊維３の配向角度をθｆとしたとき、構造体１の厚みＳｔは条件式：Ｓｔ≧Ｌｆ２・（１−ｃｏｓ（θｆ））を満足することが好ましい。上記の条件式を満たすことで、強化繊維３が直進性を有する、あるいは、得たい厚みの構造体１と繊維長とのバランスが優れるため、構造体１は、投入した強化繊維３の力学的な特徴を十分に発揮し、厚み設計の自由度が向上する。上記条件式において、強化繊維３の長さとその配向角度が形成する構造体１の特性である曲げ弾性率と比曲げ剛性とのバランスが得られることや、また、構造体１中の繊維長とその配向角度により、成形工程中の固化ないしは硬化以前の状態での変形がしやすく、所望する構造体１の成形が行いやすいことから、構造体１の厚みＳｔの２％以上、２０％以下の値の範囲内が好ましく、とりわけ５％以上、１８％以下の値の範囲内が好ましい。なお、条件式に使用する単位は、Ｓｔ［ｍｍ］、Ｌｆ［ｍｍ］、θｆ［°］である。
【００３５】
ここで、強化繊維３の長さＬｆは、構造体１の樹脂成分を焼失や溶出等の方法により取り除き、残った強化繊維３から無作為に４００本を選択し、その長さを１０μｍ単位まで測定し、それらの長さから算出した質量平均繊維長として算出できる。また、構造体１の断面方向における強化繊維３の配向角度θｆとは、構造体１の断面方向に対する傾き度合いであって、言い換えれば、厚さ方向に対する強化繊維３の傾き度合いである。値が大きいほど厚み方向に立って傾いていることを示し、０°以上、９０°以下の範囲で与えられる。すなわち、強化繊維３の配向角度θｆをかかる範囲内とすることで、構造体１における補強機能をより効果的に発現できる。強化繊維３の配向角度θｆの上限値には特に制限はないが、構造体１とした際の曲げ弾性率の発現に鑑みて、６０°以下であることが望ましく、さらには４５°以下であることがより好ましい。また、強化繊維３の配向角度θｆが３°未満である場合、構造体１中の強化繊維３が平面状、言い換えれば二次元に配向した状態となるので、構造体１の厚みの自由度が減少し、軽量性を満足できないため望ましくない。そのため強化繊維３の配向角度θｆは３°以上であることが好ましい。
【００３６】
強化繊維３の配向角度θｆは、構造体１の面方向に対する垂直断面の観察に基づいて測定できる。図３は、本発明に係る構造体の面方向（図３（ａ））及び厚み方向（図３（ｂ））の断面構造の一例を示す模式図である。図３（ａ）において、強化繊維３ａ，３ｂの断面は、測定を簡便にするため楕円形状に近似されている。ここで、強化繊維３ａの断面は、楕円アスペクト比（＝楕円長軸／楕円短軸）が小さく見られ、対して強化繊維３ｂの断面は、楕円アスペクト比が大きく見られる。一方、図３（ｂ）によると、強化繊維３ａは、厚み方向Ｙに対してほぼ平行な傾きを持ち、強化繊維３ｂは、厚み方向Ｙに対して一定量の傾きを持っている。この場合、強化繊維３ｂについては、構造体１の面方向Ｘと繊維主軸（楕円における長軸方向）αとがなす角度θｘが、強化繊維３ｂの面外角度θｆとほぼ等しくなる。一方、強化繊維３ａについては、角度θｘと配向角度θｆの示す角度に大きな乖離があり、角度θｘが配向角度θｆを反映しているとはいえない。従って、構造体１の面方向に対する垂直断面から配向角度θｆを読み取る場合、繊維断面の楕円アスペクト比が一定値以上のものを抽出することで配向角度θｆの検出精度を高めることができる。
【００３７】
抽出対象となる楕円アスペクト比の指標としては、単繊維の断面形状が真円に近い、すなわち強化繊維３の長尺方向に垂直な断面における繊維アスペクト比が１．１以下である場合、楕円アスペクト比が２０以上の強化繊維３について面方向Ｘと繊維主軸αとのなす角度θｘを測定し、これを配向角度θｆとして採用する方法を利用できる。一方、単繊維の断面形状が楕円形や繭形等であり、繊維アスペクト比が１．１より大きい場合には、より大きな楕円アスペクト比を持つ強化繊維３に注目し、配向角度θｆを測定した方がよく、繊維アスペクト比が１．１以上、１．８未満の場合には楕円アスペクト比が３０以上、繊維アスペクト比が１．８以上、２．５未満の場合には楕円アスペクト比が４０以上、繊維アスペクト比が２．５以上の場合には楕円アスペクト比が５０以上の強化繊維３を選び、配向角度θｆを測定するとよい。
【００３８】
構造体１の密度ρは軽量性の観点から、０．９ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましい。本発明に係る構造体においては、構造体を単独で使用する場合においても、他の部材とあわせて使用する場合おいても、構造体自身の密度は、使用する強化繊維や樹脂により異なるが、構造体の力学特性を保持するという観点から、０．０３ｇ／ｃｍ３以上であることがより好ましい。
【００３９】
本発明に係る構造体１を第１の部材として、第２の部材と合わせて複合物品とすることも出来る。複合物品とすることで、構造体１のみでは発現することの出来ない、機械特性や熱特性、電気的特性などを発現する、あるいは複雑な形状の製品を為すことが出来る。複合物品の形態の１つとしては、第１の部材の外表面に第２の部材を機械締結、接着接合、熱融着により一体化された複合物品が挙げられる。
【００４０】
一体化方法として機械締結を選択する場合、第１の部材に孔を形成し、ボルトやナットを用いて第２の部材と一体化することが例示される。この際、第１の部材における樹脂２を高強度または／および高疲労特性の樹脂とする、強化繊維３を「高強度の繊維にする、ボルトやナットが腐食しにくい非導電性繊維を使用する」、あるいは空隙４の体積含有率を低くすると、孔周辺の構造体の強度が向上し、接合強度が向上するため、好ましい。
【００４１】
接着接合を選択する場合、第１の部材または／および第２の部材に接着剤を塗布し、一体化する方法が例示される。この際、第１の部材表面に接着性を向上させるカップリング剤やプライマを塗布する、プラズマ処理やエッチング処理などの化学処理を行う、第１の部材における樹脂２を高接着性の樹脂とする、強化繊維３を接着界面に露出させる、あるいは空隙４を第１の部材表面に配置することにより接着表面積を増やすとより強固に接着するため好ましい。
【００４２】
熱融着を選択する場合、第１の部材または／および第２の部材の一部を熱により溶融し、融着させる方法が例示される。この際、「第１の部材における強化繊維３を金属繊維や樹脂繊維などの溶融性繊維として溶接・融着する」、「樹脂２を熱可塑性樹脂として溶融・冷却により２次加工する」、「樹脂２を未硬化の熱硬化性樹脂として、熱により硬化させながら第２の部材と一体化する」、あるいは、「溶融した第１または／および第２の部材が他方の部材の凹部に流れ込み、固化する」ことにより、強固に熱融着する。
【００４３】
また、複合物品の別の形態として、第１の部材または第２の部材が、他方の部材に内包または埋設された複合物品が挙げられる。上記の形態とすることで、機械締結や接着接合などの接合工程なく、複合物品を得ることできるため好ましい。
【００４４】
上記の第２の部材としては、金属部材、加飾部材、表面保護部材が好ましく用いられる。金属部材を用いることで、強化繊維、樹脂、および空隙からなる第１の部材を含む複合物品に金属特性を付与できるため、好ましい。また、加飾部材を用いる場合、第１の部材の表面品位を向上させることができるため、好ましい。また、表面保護部材を用いる場合、第１の部材の耐久性が向上するため好ましい。
【００４５】
構造体１は、例えば、「パソコン、ディスプレイ、ＯＡ機器、携帯電話、携帯情報端末、ＰＤＡ（電子手帳等の携帯情報端末）、ビデオカメラ、音響機器、光学機器、オーディオ、エアコン、照明機器、娯楽用品、玩具用品、その他家電製品等の筐体、トレイ、シャーシ、内装部材、またはそのケース」等の電気、電子機器部品、「各種メンバ、各種フレーム、各種ヒンジ、各種アーム、各種車軸、各種車輪用軸受、各種ビーム」、「フード、ルーフ、ドア、フェンダ、トランクリッド、サイドパネル、リアエンドパネル、フロントボディー、アンダーボディー、各種ピラー、各種メンバ、各種フレーム、各種ビーム、各種サポート、各種レール、各種ヒンジ等の、外板、又は、ボディー部品」、「バンパー、バンパービーム、モール、アンダーカバー、エンジンカバー、整流板、スポイラー、カウルルーバー、エアロパーツ等の外装部品」、「インストルメントパネル、シートフレーム、ドアトリム、ピラートリム、ハンドル、各種モジュール等の内装部品」、又は、「モーター部品、ＣＮＧタンク、ガソリンタンク」等の自動車、二輪車用構造部品、「バッテリートレイ、ヘッドランプサポート、ペダルハウジング、プロテクター、ランプリフレクター、ランプハウジング、ノイズシールド、スペアタイヤカバー」等の自動車、二輪車用部品、「遮音壁や防音壁などの壁内部材、裏打ち板、断熱材、保水材、クッション、各種パネル、各種マット」等の建材、「ランディングギアポッド、ウィングレット、スポイラー、エッジ、ラダー、エレベーター、フェイリング、リブ、シート」等の航空機用部品、「床材、壁材、プロペラ、配管、浮力材、各種艤装部品」等の海洋および船舶部品、「車体、シートクッション、床パネル、パンタグラフ、各種内装部材」等の鉄道部品、「ソファー、机、イス」などの家具、「橋骨格および芯材、風車ブレード、ポール、柱、ケーブル、緩衝材、養生マット、フィルター、看板、止水板、輸送用箱体、シェルター」等の産業用材料、小型無人航空機用ボディー、「釣竿、自転車フレーム、ゴルフパター、サーフィンボード、各種ラケット、バット、各種ボール、ポールやポスト」などのスポーツ用品用構造材、「人工骨、靴、かばん、義肢、プロテクター、サポーター、医療機器、衝撃吸収部材」等の医療用部品などに用いることが出来る。
【００４６】
軽量、高剛性に加え、構造体１が難燃性も求められる場合、樹脂２として、ＰＶＣ、ＰＡ、ＰＢＴ、ＰＣ、ＰＥＩ、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ、およびＰＡＩのいずれかを選択し、強化繊維３としてピッチ系炭素繊維またはアラミド繊維を選択して組み合わせることで、自動車、二輪車用部品、航空機用部品、鉄道部品、船舶部品、建材などに好ましく用いられる。構造体１が電磁波透過性も求められる場合、強化繊維３としてガラス繊維を選択することで、電気・電子機器部品、建材、医療用部品などに好ましく用いられる。構造体１に高い比剛性が求められる場合、「樹脂２として軽量性の観点からＰＰや強度の観点からＰＡ、ＰＰＳ、ＰＥＩ、およびＰＥＥＫのいずれかを選択し、強化繊維３としてＰＡＮ系、ピッチ系、レーヨン系等の炭素繊維を選択し、組み合わせる」、あるいは「構造体１又は構造体前駆体をコア層に用い、且つ、連続した強化繊維３に樹脂を含浸せしめたシート状中間基材をスキン層に用いたサンドイッチ構造体とする」ことで、自動車、二輪車用部品、航空機用部品、鉄道部品、船舶部品、建材、スポーツ用品、医療用機器などの主要構造部に好ましく用いられる。構造体１に柔軟性が求められる場合、樹脂２をゴム成分・エラストマー成分とする、もしくは含有させることで、医療用部品、電気、電子機器部品、建材、自動車内装部品、航空機内装部品などに好ましく用いられる。構造体１が高吸水性も求められる場合、空隙４が互いに接続しており、連続気泡の形態をとることで、建材、産業用材料、家具などに好ましく用いられる。構造体１に経済性が求められる場合、樹脂２としてＰＰ、また／あるいは強化繊維３としてガラス繊維を選択することで、電気・電子機器部品、自動車部品、鉄道部品、建材、産業用材料、スポーツ用品に好ましく用いられる。構造体１に導電性が求められる場合、構造体１に導電性粒子を含有させる、また／あるいは強化繊維３として炭素繊維、金属繊維を選択することで、電気・電子機器部品、自動車、二輪車用部品、航空機用部品、鉄道部品、船舶部品、建材などに好ましく用いられる。
【実施例】
【００４７】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
【００４８】
（１）強化繊維の密度ρｆ
ＪＩＳ  Ｒ７６０３（１９９９）Ａ法液置換法により強化繊維の密度ρｆを測定した。
【００４９】
（２）樹脂シートの密度ρｒ
ＪＩＳ  Ｋ７１１２（１９９９）Ａ法水中置換法により樹脂シートの密度ρｒを測定した。
【００５０】
（３）構造体における強化繊維の体積含有率Ｖｆ
構造体の質量Ｗｓを測定した後、構造体を空気中５００℃で３０分間加熱して樹脂成分を焼き飛ばし、残った強化繊維の質量Ｗｆを測定し、次式により算出した。
Ｖｆ（体積％）＝（Ｗｆ／ρｆ）／｛Ｗｆ／ρｆ＋（Ｗｓ−Ｗｆ）／ρｒ｝×１００
ρｆ：強化繊維の密度（ｇ／ｃｍ３）
ρｒ：樹脂シートの密度（ｇ／ｃｍ３）
（４）構造体の曲げ試験
構造体から試験片を切り出し、ＩＳＯ１７８法（１９９３）に従い曲げ弾性率を測定した。試験片は、任意の方向を０°方向とした場合に＋４５°、−４５°、９０°方向の４方向について切り出した試験片を作製し、それぞれの方向について測定数ｎ＝５とし、算術平均値を曲げ弾性率Ｅｃとした。測定装置としては“インストロン（登録商標）”５５６５型万能材料試験機（インストロン・ジャパン（株）製）を使用した。得られた結果より次式により、構造体の比曲げ剛性を算出した。
比曲げ剛性＝Ｅｃ１／３／ρ
（５）構造体における強化繊維の配向角度θｆ
構造体から幅２５ｍｍの小片を切り出し、エポキシ樹脂に包埋した上で、シート厚み方向の垂直断面が観察面となるように研磨して試料を作製した。試料をレーザー顕微鏡（キーエンス（株）製、ＶＫ−９５１０）で４００倍に拡大し、繊維断面形状の観察を行った。観察画像を汎用画像解析ソフトウェア上に展開し、ソフトウェアに組み込まれたプログラムを利用して観察画像中に見える個々の繊維断面を抽出し、繊維断面に内接する楕円を設け、繊維断面の形状を近似した（以降、繊維楕円と呼ぶ）。さらに、繊維楕円の長軸長さα／短軸長さβで表されるアスペクト比が２０以上の繊維楕円に対し、面方向Ｘと繊維楕円の長軸方向とのなす角を求めた。構造体の異なる部位から抽出した観察試料について上記操作を繰り返すことにより、計６００本の強化繊維について配向角度を測定し、その算術平均値を強化繊維の配向角度θｆとして求めた。
【００５１】
（６）構造体の密度ρ
構造体から試験片を切り出し、ＪＩＳ  Ｋ７２２２（２００５）を参考にして構造体の見かけ密度を測定した。試験片の寸法は縦１００ｍｍ、横１００ｍｍとした。試験片の縦、横、厚みをマイクロメーターで測定し、得られた値より試験片の体積Ｖを算出した。また、切り出した試験片の質量Ｍを電子天秤で測定した。得られた質量Ｍ及び体積Ｖを次式に代入することにより構造体の密度ρを算出した。
ρ［ｇ／ｃｍ３］＝１０３×Ｍ［ｇ］／Ｖ［ｍｍ３］
（７）構造体の空隙の体積含有率
構造体から縦１０ｍｍ、横１０ｍｍに試験片を切り出し、断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）（（株）日立ハイテクノロジーズ製  Ｓ−４８００型）により観察し、構造体の表面から、等間隔に１０箇所を１０００倍の倍率で撮影した。それぞれの画像について、画像内の空隙の面積Ａａを求めた。さらに、空隙の面積Ａａを画像全体の面積で除算することにより空隙率を算出した。構造体の空隙の体積含有率は、５枚の試験片でそれぞれ１０箇所ずつ撮影した合計５０箇所の空隙率から算術平均により求めた。
【００５２】
（８）構造体の樹脂の体積含有率
上記により得られる強化繊維および空隙の体積含有率の和を１００体積％から引いた値を樹脂の体積含有率として求めた。
【００５３】
（９）
［炭素繊維１］
ポリアクリロニトリルを主成分とする共重合体から紡糸、焼成処理、及び表面酸化処理を行い、総単糸数１２，０００本の連続炭素繊維を得た。この連続炭素繊維の特性は次に示す通りであった。
単繊維径：７μｍ
密度：１．８ｇ／ｃｍ３
引張強度：４６００ＭＰａ
引張弾性率：２２０ＧＰａ
［ＰＰ樹脂］
未変性ポリプロピレン樹脂（プライムポリマー（株）製“プライムポリプロ”（登録商標）Ｊ１０５Ｇ）８０質量％と、酸変性ポリプロピレン樹脂（三井化学（株）製“アドマー”ＱＢ５１０）２０質量％とからなる目付１００ｇ／ｍ２の樹脂シートを作製した。得られたＰＰ樹脂シートの密度は０．９２ｇ／ｃｍ３であった。
【００５４】
［強化繊維マット１］
炭素繊維１を長さ６ｍｍにカットし、チョップド炭素繊維を得た。チョップド炭素繊維を開綿機に投入して当初の太さの強化繊維束がほとんど存在しない、綿状の強化繊維集合体を得た。この強化繊維集合体を直径６００ｍｍのシリンダーロールを有するカーディング装置に投入し、強化繊維からなるシート状のウエブを形成した。このときのシリンダーロールの回転数は３２０ｒｐｍ、ドッファーの速度は１３ｍ／分であった。このウエブを重ねて強化繊維マット１を得た。得られた強化繊維マット１において、強化繊維は略モノフィラメントに分散していた。また、強化繊維マット１の質量平均繊維長Ｌｆは６ｍｍ、目付は５０ｇ／ｍ２であった。
【００５５】
（実施例１）
強化繊維マットとして強化繊維マット３、樹脂シートとしてＰＰ樹脂を、［樹脂シート／強化繊維マット／樹脂シート／強化繊維マット／樹脂シート／強化繊維マット／樹脂シート／強化繊維マット／強化繊維マット／樹脂シート／強化繊維マット／樹脂シート／強化繊維マット／樹脂シート／強化繊維マット／樹脂シート］の順番に配置した積層物を３枚重ねて積層体を作製した。次いで、以下の工程（Ｉ）〜（Ｖ）を経ることにより構造体を得た。得られた構造体では、断面観察から強化繊維を柱状の支持体とした空隙が確認された。得られた構造体の特性を表１に示す。
【００５６】
続いて、上記の構造体の表面に瞬間接着剤（東亞合成株式会社製、アロンアルファＥＸＴＲＡ速効多用途）を塗布し、Ｍ４六角ナット１種（ＴＲＵＳＣＯ社製、ＳＵＳ３０４）を接着接合し、複合物品を得た。得られた複合物品において、ナットは強固に構造体１に接着していた。
（Ｉ）積層体を２３０℃に予熱したプレス成形用金型キャビティ内に配置して金型を閉じる。
（ＩＩ）次いで、１２０秒間保持した後、３ＭＰａの圧力を付与してさらに６０秒間保持する。
（ＩＩＩ）工程（ＩＩ）の後、金型キャビティを開放し、その末端に金属スペーサーを挿入し、構造体を得る際の厚みが１０．２ｍｍとなるように調整する。
（ＩＶ）その後、再度、金型キャビティを締結し、圧力を保持した状態でキャビティ温度を５０℃まで冷却する。
（Ｖ）金型を開いて構造体を取り出す。
【００５７】
（実施例２）
実施例１と同様にして得られる構造体１に、直径６ｍｍ、深さ８ｍｍの孔をボール盤により形成した。得られた孔にＭ４エンザート（ＫＫＶ社製、ＳＵＳ２２Ｌ）を挿入した。得られた複合物品は孔周辺における構造体１の破壊なく、エンザートが強固に埋設されていた。得られた構造体の特性を表１に示す。
【００５８】
（比較例１）
強化繊維マットとして強化繊維マット３、樹脂シートとしてＰＰ樹脂を、［樹脂シート／強化繊維マット／樹脂シート／強化繊維マット／樹脂シート／強化繊維マット／樹脂シート／強化繊維マット／強化繊維マット／樹脂シート／強化繊維マット／樹脂シート／強化繊維マット／樹脂シート／強化繊維マット／樹脂シート］の順番に配置した積層物を９枚重ね、次いで、以下の工程（Ｉ）〜（ＩＶ）を経ることにより構造体を得た。
得られた構造体１の表面に実施例１と同様の瞬間接着剤を用いて、実施例１と同様のナットを接着接合しようとしたが、十分な接合強度を得られず、すぐにナットは剥がれてしまった。得られた構造体の特性を表１に示す。
（Ｉ）積層体を２３０℃に予熱したプレス成形用金型キャビティ内に配置して金型を閉じる。
（ＩＩ）次いで、１２０秒間保持した後、３ＭＰａの圧力を付与してさらに６０秒間保持する。
（ＩＩＩ）その後、圧力を保持した状態でキャビティ温度を５０℃まで冷却する。
（ＩＶ）金型を開いて構造体を取り出す。
【００５９】
（比較例２）
比較例１と同様にして得られた構造体に、エンザートを挿入するために、直径６ｍｍ、深さ８ｍｍの孔の加工をボール盤により施した。しかし、加工中に発生したバリの量が多く、ドリルの軸がぶれ、平滑な孔を得ることが出来なかった。ついでエンザートを挿入したが、孔とエンザートの間に隙間が存在していた。得られた構造体の特性を表１に示す。
【００６０】
（比較例３）
古川電工製低発泡ポリプロプレンシート“エフセル”を構造体として、直径６ｍｍ、深さ８ｍｍの孔をボール盤により形成した。得られた孔に実施例２と同様のエンザートを挿入したが挿入中に孔周辺の構造体が一部破壊し、緩み無くエンザートを挿入することは出来なかった。得られた構造体の特性を表１に示す。
【００６１】
【表１】
2018104481.tif 000002
【００６２】
〔検討〕
本実施例が、構造体中の強化繊維の質量平均繊維長が１ｍｍ以上１５ｍｍ以下であり、強化繊維と樹脂とからなる複合体の存在間隔が１０〜１００μｍの間隔の範囲内であり、前記空隙の最大長さが５μｍ以上２００μｍ以下を満足する場合に軽量、高剛性な構造体となることが明確である。さらに、実施例１においては、構造体に金属部品が接着一体化した複合物品を形成出来た。これは、構造体に空隙が遍在することにより、接着剤が表層に存在する空隙に一部流入し、接着強度が向上したためと考えられる。また、実施例２においても、構造体１が強度と加工性に優れていることが示された。一方、比較例１においては強化繊維と樹脂とからなる複合体の存在間隔および空隙の最大長さを満足しない場合に、比曲げ剛性が劣る上、マトリックス樹脂の接着性の悪さから複合物品を得ることが出来なかった。また、比較例２においては、空隙の含有率のバランスが悪いために、構造体の加工性が低下していること、比較例３においては、強化繊維が存在していないために構造体の強度が低下し、加工性も低下していることが示された。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明によれば、軽量性、高剛性に優れた構造体を提供することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１  構造体
２  樹脂
３  強化繊維
４  空隙
５〜１０  単繊維
３ａ、３ｂ  単繊維
【図１】
2018104481.tif 000003
【図２】
2018104481.tif 000004
【図３】
2018104481.tif 000005