(57)【要約】【課題】厚さ方向の強度が高い繊維強化樹脂１を製造する。【解決手段】補強繊維としての炭素繊維Ｃと熱硬化性樹脂としてのフェノール樹脂Ｒの粉末を用意する。また、炭素繊維Ｃとして、長さ約１０ｍｍを頂点にした１５〜０．５ｍｍの分布を持つ長繊維と短繊維の炭素繊維を用いる。先ず、炭素繊維Ｃとフェノール樹脂Ｒの粉末を水に分散混合して混合液３を作成する（（Ａ））。  その後、混合液３を基に抄造シート６を作成し、それを脱水後に所要形状に打ち抜いてから乾燥させる（（Ｂ）〜（Ｅ））。その後、抄造シート６を所要の枚数積層させた後に上型２１と下型２２とによって加圧成形して繊維強化樹脂１を得る（（Ｆ）、（Ｇ））。【効果】  繊維強化樹脂１の内部では、短繊維が厚さ方向に沿って維持されて長繊維と絡み合うため、厚さ方向においても強度が高い繊維強化樹脂１を提供できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
補強繊維と樹脂の粉末とを水に分散混合して混合液を作成し、該混合液を基にして抄造シートを作成し、該抄造シートを加圧成形して繊維強化樹脂を得るようにした繊維強化樹脂の製造方法において、
上記補強繊維として、異なる長さに切断された無数の長繊維と短繊維とを採用し、
上記加圧成形して得られる繊維強化樹脂の内部において、上記短繊維が繊維強化樹脂の厚さ方向に維持されて長繊維と絡み合うことを特徴とする繊維強化樹脂の製造方法。
【請求項２】
上記補強繊維として炭素繊維を用いるとともに、該炭素繊維は、長さ約１０ｍｍを頂点にした長さ１５〜０．５ｍｍの分布を持つ長繊維と短繊維とからなることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化樹脂の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は繊維強化樹脂の製造方法に関し、より詳しくは、厚さ方向における強度が高い繊維強化樹脂の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特定方向の強度を高めた繊維強化樹脂の製造方法として、例えば特許文献１が公知である。この特許文献１の製造方法においては、製造過程における加圧力と加熱温度との関係を工夫することにより、繊維強化樹脂の特定方向の強度を高めることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６―７４１９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、従来の製造方法においては、先ず熱可塑性樹脂の粉末と補強繊維を原材料として抄造により抄造シートを製造し、その後、単一の抄造シート又は複数の抄造シートを重ねた状態で加熱した後に加圧して所要の形状（例えば平板状）に成形することにより繊維強化樹脂を製造するようになっている。
しかしながら、従来の製造方法で製造された繊維強化樹脂１は、厚さ方向と交差する方向（Ｘ―Ｙ方向）の強度は高いが、厚さ方向（Ｚ方向）の強度が低いという欠点があった（図５参照）。この原因として、従来の製造方法では原材料として用いる補強繊維ｆの長さが一定であったことが考えられる。このように一定の長さの補強繊維ｆを用いると、加熱後の加圧工程において抄造シートが上下方向から押圧された際に補強繊維ｆの大半が厚さ方向と直交する方向（Ｘ−Ｙ方向）に維持された状態で絡み合うようになる（図５参照）。換言すると、補強繊維ｆの大半が厚さ方向（Ｚ方向）に維持されないので、厚さ方向（Ｚ方向）での補強繊維ｆ同士の絡み合いが少なくなる。そのため、従来の製造方法によって製造した繊維強化樹脂は、厚さ方向における強度が低いという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述した事情に鑑み、本発明は、補強繊維と樹脂の粉末とを水に分散混合して混合液を作成し、該混合液を基にして抄造シートを作成し、該抄造シートを加圧成形して繊維強化樹脂を得るようにした繊維強化樹脂の製造方法において、
上記補強繊維として、異なる長さに切断された無数の長繊維と短繊維とを採用し、上記加圧成形して得られる繊維強化樹脂の内部において、上記短繊維が繊維強化樹脂の厚さ方向に維持されて長繊維と絡み合うことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００６】
このような構成によれば、製造後の繊維強化樹脂の内部において、補強繊維の短繊維は厚さ方向に沿って維持され、かつ厚さ方向と直交する方向に維持されている長繊維と絡み合うことになる。そのため、厚さ方向においても強度が高い繊維強化樹脂を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一実施例を示す繊維強化樹脂の製造方法を示す工程図。
【図２】図１（Ｂ）の要部の縦断面図。
【図３】図１（Ａ）の炭素繊維の本数と長さの分布を示す図。
【図４】図１の製造方法で製造した繊維強化樹脂の要部の模式図。
【図５】従来品の繊維強化樹脂の要部の模式図。
【図６】本発明の第２実施例の要部を示す工程図。
【図７】本発明の第３実施例の要部を示す工程図。
【図８】本発明の第４実施例の要部を示す工程図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図示実施例について本発明を説明すると、図１は本実施例に係る繊維強化樹脂１の成形品の製造方法の工程図であり、本実施例の製造方法は、混合分散工程（Ａ）、抄造工程（Ｂ）、脱水工程（Ｃ）、形状打抜き工程（Ｄ）、乾燥工程（Ｅ）、積層工程（Ｆ）、及び最後の加圧成形工程（Ｇ）とによって構成されている。この製造工程は、図５に示した従来品の繊維強化樹脂１を製造する際の製造方法と基本的に同じである。
本実施例の繊維強化樹脂１は、例えば自動車の内装材に使用されるものであり、熱硬化性樹脂のフェノール樹脂Ｒと補強繊維としての炭素繊維Ｃとを原材料として製造され、完成品は炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）の成形品となる。
【０００９】
先ず、本実施例の混合分散工程では、貯水槽２に水とともに原材料をそれぞれ所定割合で投入し、これを撹拌して所定濃度の混合液３を作成する（図１（Ａ）参照）。
原材料として、フェノール樹脂Ｒの粉末（２０〜５０ｗｔ％以下）と、無数の炭素繊維Ｃ（５０〜７０ｗｔ％）を用いる。上記原材料の割合は、水と混合する前の原材料全体に占める割合となっている。ここで、本実施例においては、炭素繊維Ｃとしてリサイクルで回収されており、長さ約１０ｍｍに切断されて１０ｍｍを頂点として１５〜０．５ｍｍの分布を持つ炭素繊維を用いる（図３参照）。本実施例では、このような長さ分布の無数の長繊維Ｃ１と短繊維Ｃ２を用いることが特徴となっている。
そして、水の投入量（１００ｗｔ％）に対し、上記原材料の合計重量が約０．１〜２ｗｔ％となるように計量し、当該原材料を上記貯水槽２内に水と共に投入してその後撹拌する。
その際、上記原材料の合計重量に対し所定の割合の非イオン界面活性剤を添加する。これにより、フェノール樹脂Ｒの粉末が表面に付着した炭素繊維Ｃ（Ｃ１、Ｃ２）が柔らかい栗毬状に絡まって径１０ｍｍ程度のスラリーＳとして水中に分散されて浮遊し、これにより混合液３が得られるようになっている（図２参照）。
【００１０】
次に、抄造工程では混合液３を基にして抄造により抄造シート６を得るようになっている（図１（Ｂ）、図２参照）。
すなわち、図２に示すように、混合分散工程で使用した貯水槽２の底壁２ａには、多数の抜水孔２ｂが設けられており、該底壁２ａの上面に板状の開閉弁７が図１の左右方向に移動可能に設けられている。
上記開閉弁７には上記抜水孔２ｂと連通可能な連通孔７ａが形成され、通常は各連通孔７ａは抜水孔２ｂと連通しない位置に保持されているが、開閉弁７が作動された際には相互に連通し、貯水槽２内で得られた混合液３を上記抜水孔２ｂと連通孔７ａとを介して下方に落下させるようになっている。
上記貯水槽２の下方は抄造槽８となっており、該抄造槽８内の下方に、所要の空間をあけて抄網９を設けてある。この抄網９の上面で上記抄造シート６を形成するようになっており、当該抄網９は抄網ホルダ１１上に載置してある。
上記抄網９は、例えばステンレス鋼で構成された約６０メッシュの網体であり、また抄網ホルダ１１はパンチングメタルや合成樹脂板などで構成されていて、通水孔１１ａが全面にわたり無数に穿設されている。
上記抄網ホルダ１１の下方は抄造槽１２となっており、この抄造槽１２内には予め上記抄網ホルダ１１ないし抄網９の高さまで水が満たされている。
そして、混合分散工程によって上記貯水槽２内に混合液３を作成し、当該混合液３において上記スラリーＳが分散して水中を漂っている間に、上記開閉弁７を駆動して貯水槽２の全ての抜水孔２ｂを同時に開放する。
すると、スラリーＳの分散した混合液３が抜水孔２ｂおよび連通孔７ａを介して落下し、その際に抜水孔２ｂから落下した炭素繊維Ｃが抄網９上で抄き取られる。
本実施例では上記抄網９から混合液３の水面までの高さが１２０ｃｍとなる程度まで混合液３を供給し、このようにして抄網９の上方において次第に混合液３の収受量が増えていくと、抄造槽８内を落下する落下流１０の勢いにより、抄網９上で上下方向の渦巻流１３が生じ、スラリーＳ中の炭素繊維Ｃが相互に絡まるようになっている。
この後、抄造槽８内に貯留された混合液３は適当な時間静置される。これにより、スラリーＳが沈降し、隣合ったスラリーＳ間でも炭素繊維Ｃが絡み合うようになっている。
この後、上記抄造槽８、１２から水抜きが実施され、これにより水を多量（含水率＝約８５ｗｔ％程度）に含む抄造シート６が抄網９に付着した状態で保持されることとなる。このようにして抄造工程において一枚ずつ抄造シート６が作成されるようになっている。
【００１１】
次に脱水工程では抄造工程によって得られた抄造シート６から水分を脱水させる作業を行う（図１（Ｃ））。
抄造工程によって得られた水を多量に含んだ抄造シート６は、上記抄網９に付着した状態のまま抄造槽８から取り出され、抄網９が付着したままの状態で上下に複数枚積層される。
そして当該積層された抄造シート６は、押圧手段１６により上下から押圧され、これにより抄造シート６内の水が脱水される。
脱水後の抄造シート６は、含水率が約３４〜４２ｗｔ％程度であり、その厚さＴは例えば３０ｍｍ程度となっており、またその目付け量は３０００ｇ/ｍ２程度となっている。
【００１２】
次に形状打抜き工程では上記抄造シート６を所定形状に切断するようになっている（図１（Ｄ））。
上記脱水工程で脱水された抄造シート６は、それぞれ上記単層の抄造シート６の状態で切断装置１８に搬送され、当該切断装置１８によって所定の形状（例えば長方形）に切断される。
【００１３】
次に乾燥工程では上記脱水した抄造シート６を加熱してさらに乾燥させるようになっている（図１（Ｅ））。
つまり、形状打ち抜き工程が終了すると、各抄造シート６は一枚ずつの単層の抄造シート６の状態で所要のラックに収容され、乾燥装置１７に搬入される。
乾燥装置１７では、上記抄造シート６を例えば約６０〜１００℃の環境下において２〜４時間加熱乾燥させる。
【００１４】
次に、積層工程では抄造シート６を後工程で加圧成形するために、当該抄造シート６を狙いの厚さに応じた枚数に積層する（図１（Ｆ））。
また、複数の抄造シート６からなる積層体がずれる等、不安定な場合には７０〜１００℃で２０〜６０秒加圧することで、樹脂の一部を硬化させ仮止めするようにしても良い。
【００１５】
最後に、加圧成形工程では上記積層工程において積層した抄造シート６を、加圧成形することによって所要の製品形状を有した繊維強化樹脂１に成形する（図１（Ｇ））。
すなわち、加圧成形工程では、上型２１と下型２２との間に、上記積層工程後の積層体としての抄造シート６をセットする。なお、必要に応じて複数の抄造シート６を積層した状態で上型２１と下型２２の間にセットするようにしても良い。
すると、プレス装置２０は上型２１を所要量下降させるので、抄造シート６は上型２１と下型２２とによって加圧圧縮されて所要の板厚を有する繊維強化樹脂１の成形品に成形される。
この最後の加圧成形工程において、抄造シート６を構成する炭素繊維Ｃのうちの大半の長繊維Ｃ１は厚さ方向（Ｚ方向）と直交する水平方向（Ｘ―Ｙ）に維持されるとともに、炭素繊維Ｃにおける短繊維Ｃ２は、厚さ方向（Ｚ方向）に沿って維持されることになる（図４参照）。
【００１６】
以上のように本実施例においては、補強繊維として切断した炭素繊維Ｃを用い、かつ、長さ約１０ｍｍを頂点とする１５〜０．５ｍｍの分布となる長繊維Ｃ１と短繊維Ｃ２として用いている。そのため、図４に示すように、製造後の繊維強化樹脂１（炭素繊維強化樹脂）の内部において、短繊維Ｃ２は厚さ方向（Ｚ方向）に沿って維持され、かつ厚さ方向と直交するＸ−Ｙ方向に維持されている長繊維Ｃ１と絡み合うことになる。
つまり、長繊維Ｃ１は厚さ方向と直交するＸ−Ｙ方向において複雑に絡み合っており、かつ、それらの長繊維Ｃ１に対して短繊維Ｃ２が厚さ方向（Ｚ方向）において絡み合うことになる。そのため、厚さ方向と直交するＸ−Ｙ方向だけでなく、厚さ方向（Ｚ方向）においても強度が高い繊維強化樹脂１を提供することができる。
また、本実施例では補強繊維としてリサイクルで回収された炭素繊維Ｃを用いているので、環境保全にも優れた繊維強化樹脂１を提供することができる。
【００１７】
次に図６〜図７は本発明の第２実施例と第３実施例を示したものであり、これらの実施例は、上記第１の実施例における加圧成形工程の上型２０、下型２１（プレス装置２０）を改良したものである。
すなわち、図６に示す第２実施例においては、下型２２に抄造シート６を収容する角柱状の成形穴２２ａを形成してあり、上型２１は成形穴２２ａに嵌合可能な形状と大きさに調整されている。その他の構成及び製造工程は上述した第１の実施例と同じである。
この第２実施例では、最後の加圧成形工程において成形穴２２ａに抄造シート６を収容した後に、上型２１を成形穴２２ａに嵌合させて上方から抄造シート６加圧して圧縮することで、所要の厚さの繊維強化樹脂１（完成品）を得るようになっている。
このような第２実施例であっても上記第１の実施例と同様の作用・効果を得ることができる。
【００１８】
次に図７に示した第３実施例は、上記第２実施例における下型２２を改良したものである。
すなわち、下型２２の成形穴２２ａの底部の中央に円錐状の突起２２ｂが形成されている。その他のプレス装置２０の構成とそれによる加圧成形工程は上記第２実施例と同じである。
この第３実施例においては、極端に肉厚な抄造シート６を突起２２ｂ上に載置し、その状態から上型２１を所要量下降させて抄造シート６を加圧して圧縮するようになっている。それにより、抄造シート６は成形穴２２ａ内に押し流されて、該成形穴２２ａの形状に倣って成形されるようになっている。
この第３実施例によれば、完成品としての繊維強化樹脂１は、その底部中央に上記突起２２ｂに倣った凹部１ａが形成される。このような第３実施例であっても、上述した各実施例と同様の作用・効果を得ることができる。
【００１９】
次に、図８は本発明の第４実施例を示したものである。上述した第１の実施例においては抄造工程において平板状の抄網９を用いていたが、この第４実施例では、所要位置に半球状の突起９ａを備えた抄網９を用いている。また、プレス装置２０としても、下型２２の成形穴２２ａの所定位置に上記各突起９ａに対応する突起２２ｂが形成されている。また、上型２１の下面には、完成品の外部を成形するための成形凹部２１ａが形成されている。
この第４実施例においては、抄造工程において上記突起９ａを有する抄網９等を用いて抄造シート６を作成する。そのため、抄造シート６は突起９ａの箇所が窪んで形成されるとともに、上部外方が略半球状に膨らんだ形となる（図８（Ａ）参照）。
そして、このように立体状となった抄造シート６を加熱溶融工程で上述した加熱した後に、図８（Ｂ）に示すプレス装置２０の上型２１と下型２２により抄造シート１を加圧して成形する。これにより、上部外面が略半球状となり、底面に突起２２ｂによる凹部１ａを備えた完成品としての繊維強化樹脂１の成形品を得ることができる。
このような第４実施例であっても、上記各実施例と同様の作用・効果を得ることができる。
【００２０】
なお、上記実施例における補強繊維としての炭素繊維Ｃの代わりに、ガラス繊維、アラミド繊維、ビニロン繊維、セラミック繊維を用いてもよい。
また、上記実施例においては、熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂Ｒを用いているが、それの代わりに熱可塑性樹脂（例えばポリプロピレン）を用いても良い。
【符号の説明】
【００２１】
１‥繊維強化樹脂                        ３‥混合液
６‥抄造シート                          １７‥乾燥装置
１８‥切断装置                          ２０‥プレス装置
Ｃ‥炭素繊維                            Ｒ‥フェノール樹脂
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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