(57)【要約】【課題】  構造材に適用可能な曲げ強度や引張弾性率など優れた力学物性を有しながら、力学特性のばらつきが低く、さらに複雑な形状への賦形性に優れて、短時間で成形可能である積層基材を安定的に製造する方法、及び積層基材が求められていた。【解決手段】  強化繊維と熱可塑性樹脂とを含むプリプレグを２枚以上積層して、その積層物をプレートに挟んで加圧しながら熱可塑性樹脂の融点あるいはガラス転移温度以上に加熱した後、加熱時の圧力以上に加圧しながら熱可塑性樹脂の融点あるいはガラス転移温度以下に冷却することにより一体化する方法であって、一体化後の積層基材の面積／一体化前の積層基材の面積の比が、１．０１〜１．１０であることを特徴とする積層基材の製造方法。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維と熱可塑性樹脂とを含むプリプレグを２枚以上積層して、その積層物をプレートに挟んで加圧しながら熱可塑性樹脂の融点あるいはガラス転移温度以上に加熱した後、加熱時の圧力以上に加圧しながら熱可塑性樹脂の融点あるいはガラス転移温度以下に冷却することにより一体化する方法であって、一体化後の積層基材の面積／一体化前の積層基材の面積の比が、１．０１〜１．１０であることを特徴とする積層基材の製造方法。
【請求項２】
プリプレグの強化繊維が一方向に配向していることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
積層基材が、一方向に配向した強化繊維と熱可塑性樹脂とを含むプリプレグを複数枚積層した積層基材であって、前記プリプレグは、強化繊維を横切る方向に強化繊維を切断する深さの切込を有し、前記切込が直線状であって、切込と強化繊維のなす角度が３０°以上、６０°以下であり、前記プリプレグ１ｍ２あたりの切込長の総和が２０ｍ以上、１５０ｍ以下であるプリプレグを含むことを特徴とする請求項２に記載の積層基材の製造方法。
【請求項４】
積層基材が、一方向に配向した強化繊維と熱可塑性樹脂とを含むプリプレグを複数枚積層した積層基材であって、前記プリプレグは、強化繊維を横切る方向に強化繊維を切断する深さの切込を有し、前記切込が直線状の中心線に沿った曲線であって、かつ曲線を中心線に投影した際に重なりがなく、該中心線と強化繊維のなす角度が３０°以上、６０°以下であり、前記プリプレグ１ｍ２あたりの切込長の総和が２０ｍ以上、１５０ｍ以下であるプリプレグを含むことを特徴とする請求項２に記載の積層基材の製造方法。
【請求項５】
積層基材が、切込によって切断された強化繊維の長さが１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であるプリプレグを含むことを特徴とする請求項３または４に記載の積層基材の製造方法。
【請求項６】
プリプレグを構成する強化繊維が、強化繊維１００重量％の内、繊維長２ｍｍ〜１０ｍｍの強化繊維の比率が５０〜１００重量％であることを特徴とする請求項１に記載の積層基材の製造方法。
【請求項７】
強化繊維１００重量％の内、繊維長１０ｍｍ超の強化繊維の比率が０〜５０重量％、繊維長２ｍｍ未満の強化繊維の比率が０〜５０重量であることを特徴とする請求項６に記載の積層基材の製造方法。
【請求項８】
前記積層基材を構成する複数のプリプレグが、プリプレグに含まれる強化繊維の方向が疑似等方となるように積層されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の積層基材の製造方法。
【請求項９】
前記積層基材を構成する複数のプリプレグが、プリプレグに含まれる強化繊維の方向が０°であるプリプレグと９０°であるプリプレグが交互に積層されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の積層基材の製造方法。
【請求項１０】
前記強化繊維が、平均単繊維繊度が０．５ｄｔｅｘ以上、２．４ｄｔｅｘ以下である炭素繊維であることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の積層基材の製造方法。
【請求項１１】
前記積層基材が、熱可塑性樹脂のみからなる層をさらに含むことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の積層基材の製造方法。
【請求項１２】
前記積層基材を構成するプリプレグに含まれる強化繊維の体積含有率が２０体積％以上、５５体積％以下であることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の積層基材の製造方法。
【請求項１３】
前記積層基材を構成するプリプレグの厚さが５０μｍ以上、２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の積層基材の製造方法。
【請求項１４】
前記積層基材を構成するプリプレグどうしが接着されていることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の積層基材の製造方法。
【請求項１５】
接着方法が、熱溶着を用いて施されたものであることを特徴とする請求項１４に記載の積層基材の製造方法。
【請求項１６】
接着方法が、振動溶着を用いて施されたものであることを特徴とする請求項１４に記載の積層基材の製造方法。
【請求項１７】
接着方法が、熱プレスを用いて施されたものであることを特徴とする請求項１４に記載の積層基材の製造方法。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれかの方法で製造された積層基材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スタンピング成形時の複雑な形状への賦形性に優れ、短時間で成形可能であり、かつ成形後の部品が構造材に適用可能な優れた力学物性、低ばらつき性を有することを特徴とする積層基材、およびその製造方法に関する。さらに詳しくは、リブ，ボス等の３次元形状の成形に容易に追随し、構造部材として機械強度を維持し、例えば航空機部材、自動車部材、スポーツ用具等に好適に用いられる繊維強化プラスチックの中間基材である積層基材の製造方法、および積層基材に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化熱可塑性プラスチックの成形方法としては、プリプレグと称される連続した強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸せしめた基材を積層し、プレス等で加熱加圧することにより目的の形状に賦形するスタンピング成形が最も一般的に行われている。これにより得られた繊維強化プラスチックは、連続した強化繊維を用いているので優れた力学物性を有する。また連続した強化繊維は規則的に配列することで、必要とする力学物性に設計することが可能であり、力学物性のばらつきも小さい。しかしながら、連続した強化繊維であるゆえに３次元形状等の複雑な形状を形成することは難しく、主として平面形状に近い部材に限られる。
【０００３】
上述のような材料の欠点を埋めるべく、連続繊維と熱可塑性樹脂からなるプリプレグに切込を入れることにより、短時間成形が可能であり、成形時には優れた賦形性を示し、繊維強化プラスチックとしたときに優れた力学物性を発現するとされる積層基材が開示されている（特許文献１）。特許文献１は、積層基材の製造において、切込プリプレグを複数枚積層し、積層した切込プリプレグ基材を加熱し、所定のボイド率となるまで、加圧及び減圧を繰り返すのが良いと記載している。また、該特許文献１は、積層基材の製造に使用する機器としてダブルベルトプレスを例示している。該特許文献１は、プリプレグ層間のボイドを除去し、且つ、積層基材の積層構造を保つ方法を開示していない。
【０００４】
また、非連続繊維と熱可塑性樹脂からなる基材として、強化繊維１００重量％の内、繊維長１０ｍｍを超える強化繊維の比率が０〜５０重量％、繊維長２〜１０ｍｍの強化繊維の比率が５０〜１００重量％、繊維長２ｍｍ未満の強化繊維の比率が０〜５０重量％である強化繊維と熱可塑性樹脂を含むプリプレグからなる基材が知られている（特許文献２）。この基材においても、プリプレグ層間のボイドを除去し、且つ、積層基材の積層構造を保つ方法を開示していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５１６７９５３号公報
【特許文献２】特許第４８６２９１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記のような従来技術に伴う問題点を解決しようとするものであって、構造材に適用可能な曲げ強度や引張弾性率など優れた力学物性を有しながら、力学特性のばらつきが低く、さらに複雑な形状への賦形性に優れて、短時間で成形可能である積層基材を安定的に製造する方法、及び積層基材を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明等は、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、プリプレグ積層体の一体化後の積層基材の面積／一体化前の積層基材の面積の比が、１．０１〜１．１０となるようにコントロールすればよいことを見出し、本発明を完成するに至った。即ち、本発明の要旨は以下の（１）〜（１８）に存する。
【０００８】
（１）  強化繊維と熱可塑性樹脂とを含むプリプレグを２枚以上積層して、その積層物をプレートに挟んで加圧しながら熱可塑性樹脂の融点あるいはガラス転移温度以上に加熱した後、加熱時の圧力以上に加圧しながら熱可塑性樹脂の融点あるいはガラス転移温度以下に冷却することにより一体化する方法であって、一体化後の積層基材の面積／一体化前の積層基材の面積の比が、１．０１〜１．１０であることを特徴とする積層基材の製造方法。
【０００９】
（２）  プリプレグの強化繊維が一方向に配向していることを特徴とする上記（１）に記載の製造方法。
【００１０】
（３）  積層基材が、一方向に配向した強化繊維と熱可塑性樹脂とを含むプリプレグを複数枚積層した積層基材であって、前記プリプレグは、強化繊維を横切る方向に強化繊維を切断する深さの切込を有し、前記切込が直線状であって、切込と強化繊維のなす角度が３０°以上、６０°以下であり、前記プリプレグ１ｍ２あたりの切込長の総和が２０ｍ以上、１５０ｍ以下であるプリプレグを含むことを特徴とする上記（２）に記載の積層基材の製造方法。
【００１１】
（４）  積層基材が、一方向に配向した強化繊維と熱可塑性樹脂とを含むプリプレグを複数枚積層した積層基材であって、前記プリプレグは、強化繊維を横切る方向に強化繊維を切断する深さの切込を有し、前記切込が直線状の中心線に沿った曲線であって、かつ曲線を中心線に投影した際に重なりがなく、該中心線と強化繊維のなす角度が３０°以上、６０°以下であり、前記プリプレグ１ｍ２あたりの切込長の総和が２０ｍ以上、１５０ｍ以下であるプリプレグを含むことを特徴とする上記（２）に記載の積層基材の製造方法。
【００１２】
（５）  積層基材が、切込によって切断された強化繊維の長さが１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下であるプリプレグを含むことを特徴とする上記（３）または（４）に記載の積層基材の製造方法。
【００１３】
（６）  プリプレグを構成する強化繊維が、強化繊維１００重量％の内、繊維長２ｍｍ〜１０ｍｍの比率が５０〜１００重量％であることを特徴とする上記（１）に記載の積層基材の製造方法。
【００１４】
（７）  強化繊維１００重量％の内、繊維長１０ｍｍ超の強化繊維の比率が０〜５０重量％、繊維長２ｍｍ未満の強化繊維の比率が０〜５０重量であることを特徴とする上記（６）に記載の積層基材の製造方法。
【００１５】
（８）  前記積層基材を構成する複数のプリプレグが、プリプレグに含まれる強化繊維の方向が疑似等方となるように積層されることを特徴とする上記（１）から（５）のいずれかに記載の積層基材の製造方法。
【００１６】
（９）  前記積層基材を構成する複数のプリプレグが、プリプレグに含まれる強化繊維の方向が０°であるプリプレグと９０°であるプリプレグが交互に積層されることを特徴とする上記（１）から（５）のいずれかに記載の積層基材の製造方法。
【００１７】
（１０）  前記強化繊維が、平均単繊維繊度が０．５ｄｔｅｘ以上、２．４ｄｔｅｘ以下である炭素繊維であることを特徴とする上記（１）から（９）のいずれかに記載の積層基材の製造方法。
【００１８】
（１１）  前記積層基材が、熱可塑性樹脂のみからなる層をさらに含むことを特徴とする上記（１）から（１０）のいずれかに記載の積層基材の製造方法。
【００１９】
（１２）  前記積層基材を構成するプリプレグに含まれる強化繊維の体積含有率が２０体積％以上、５５体積％以下であることを特徴とする上記（１）から（１１）のいずれかに記載の積層基材の製造方法。
【００２０】
（１３）  前記積層基材を構成するプリプレグの厚さが５０μｍ以上、２００μｍ以下であることを特徴とする上記（１）から（１２）のいずれかに記載の積層基材の製造方法。
【００２１】
（１４）  前記積層基材を構成するプリプレグどうしが接着されていることを特徴とする上記（１）から（１３）のいずれかに記載の積層基材の製造方法。
【００２２】
（１５）  接着方法が、熱溶着を用いて施されたものであることを特徴とする上記（１４）に記載の積層基材の製造方法。
【００２３】
（１６）  接着方法が、振動溶着を用いて施されたものであることを特徴とする上記（１４）に記載の積層基材の製造方法。
【００２４】
（１７）  接着方法が、熱プレスを用いて施されたものであることを特徴とする上記（１４）に記載の積層基材の製造方法。
【００２５】
（１８）  上記（１）〜（１７）のいずれかの方法で製造された積層基材。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、複雑な形状への賦形性に優れて短時間成形可能であり、かつ構造材に適用可能な曲げ強度や引張弾性率など優れた力学物性、その低ばらつき性を持つ積層基材を、プリプレグ間のボイドを除去し、且つ、積層基材の積層構造を保ちながら、安定的に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明のプリプレグの切込の第一例。
【図２】本発明のプリプレグの切込の第二例。
【図３】積層基材の製造方法の第一例
【図４】積層基材の製造方法の第二例
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明は、強化繊維と熱可塑性樹脂とを含むプリプレグを２枚以上積層して、その積層物をプレートに挟んで加圧しながら熱可塑性樹脂の融点あるいはガラス転移温度以上に加熱した後、加熱時の圧力以上に加圧しながら熱可塑性樹脂の融点あるいはガラス転移温度以下に冷却することにより積層物を一体化させる積層基材の製造方法に関する。
【００２９】
本発明が開示する第一の方法では、一体化後の積層基材の面積／一体化前の積層基材の面積の比を１．０１〜１．１０することにより機械的物性に優れ強化繊維の乱れのない基材を得ることができる。具体的には、一体化後の積層基材の面積／一体化前の積層基材の面積の比を１．０１以上にすることにより、プリプレグ間のボイドを減少させることができ機械的物性を高めることができる。また、一体化後の積層基材の面積／一体化前の積層基材の面積の比を１．１以下にすることにより、強化繊維の乱れを抑制することができ、外観が良好でプリプレグの積層構造を保つことができる。
【００３０】
本発明が開示する第二の方法では、プリプレグの強化繊維が一方向に配向していることが必須となる。プリプレグとして、強化繊維を横切る方向に強化繊維を切断する深さの切込を有し、前記切込が直線状であって、切込と強化繊維のなす角度（図１および図２におけるθ）が３０°以上、６０°以下であり、前記プリプレグ１ｍ２あたりの切込長の総和が２０ｍ以上、１５０ｍ以下であるプリプレグを使用する。
【００３１】
本発明が開示する第三の方法では、プリプレグの強化繊維が一方向に配向していることが必須となる。プリプレグとして、強化繊維を横切る方向に強化繊維を切断する深さの切込を有し、前記切込が直線状の中心線に沿った曲線であって、かつ曲線を中心線に投影した際に重なりがなく、該中心線と強化繊維のなす角度（図１および図２におけるθ）が３０°以上、６０°以下であり、前記プリプレグ１ｍ２あたりの切込長の総和が２０ｍ以上、１５０ｍ以下であるプリプレグを使用する。
【００３２】
一般に積層基材に含まれる強化繊維の長さは、長いほど力学特性に優れるものの、スタンピング成形時の流動性は低下する。スタンピング成形時の流動性向上のためには、強化繊維をある長さに切断することが効果的であり、このことによりリブやボスといった複雑な３次元形状にも流動する積層基材を得ることができる。しかしながら一般にランダム材とよばれる切断された強化繊維と樹脂組成物からなるスタンピング成形用の基材は力学特性にばらつきを生じるため、部品設計が困難であった。この解決策として切込を有したプリプレグを複数枚、積層し、力学特性が良好でそのばらつきが小さく、スタンピング成形時の流動性に優れる積層基材が提案されている。
【００３３】
スタンピング成形時の流動性は、繊維を切断する切込と強化繊維のなす角度θのみならず、１ｍ２あたりの切込長の総和ｌａに依存する。θが大きいほど繊維間のせん断力が小さくなるために流動性が高く、ｌａが大きいほどプリプレグ中の切断部分が多いため流動性が高くなる。平板のスタンピング成形の場合、θは２５°以上が好ましく、ｌａは１０ｍ以上が好ましい。さらにリブなど複雑形状のスタンピング成形の場合、θは３０°以上が好ましく、ｌａは２０ｍ以上が好ましい。
【００３４】
曲げ強度、曲げ弾性率に代表される力学物性は、繊維を切断する切込と強化繊維のなす角度θのみならず、１ｍ２あたりの切込長の総和ｌａに依存する。切込と強化繊維のなす角度θが小さいほど機械物性が高いことが知られており、またｌａが小さいほどプリプレグ中の切断部分が少ないために高い力学物性が得られる。例えば自動車の準構造部材に利用するためには、θが７０°以下が好ましく、ｌａは２００ｍ以下が好ましい。またさらに高い力学強度が求められる構造部材に用いるためには、θは６０°以下が好ましく、ｌａは１５０ｍ以下が好ましい。
【００３５】
切込を施したプリプレグを製造する時間や製造コストは、繊維を切断する切込と強化繊維のなす角度θのみならず、１ｍ２あたりの切込長の総和ｌａに大きく依存する。θが小さく、かつｌａが大きい場合であって、カッティングプロッタで切断する場合には切込加工に有する時間が長大になる。また打ち抜きで切込を加工する場合には、打ち抜き刃の製造コストが膨大になるだけでなく、打ち抜く際に強化繊維方向に裂け目が生じやすく、隣接する切込間でシートの欠落が生じる。このためθは１５°以上が好ましく、ｌａは２００ｍ以下が好ましい。さらに切込加工後の積層工程を考慮すると、θは３０°以上が好ましく、ｌａは１５０ｍ以下がさらに好ましい。
【００３６】
前記切込の形状は直線状である必要はない。曲線を用いることで、同一切込角度と同一繊維長でありながら、１ｍ２あたりの切込長の総和ｌａを大きくすることができる。この場合高い力学物性を維持しつつスタンピング成形性の向上が期待できる。
【００３７】
本発明が開示する第四の方法では、プリプレグを構成する強化繊維が、強化繊維１００重量％の内、繊維長２〜１０ｍｍの強化繊維の比率が５０〜１００重量％であるプリプレグを使用する。当該プリプレグは、繊維長１０ｍｍを超える強化繊維と繊維長２ｍｍ未満の強化繊維の合計が０〜５０重量％であるが、より好ましくは、強化繊維１００重量％の内、繊維長１０ｍｍを超える強化繊維の比率が０〜５０重量％、繊維長２ｍｍ未満の強化繊維の比率が０〜５０重量％であるプリプレグを使用する。１０ｍｍより長い強化繊維が５０重量％を超えると積層工程や成形工程での厚みの膨張が大きくなる問題がある。また、２ｍｍ未満の強化繊維が５０重量％を超えるとそのプリプレグや積層体は十分な強度を有さず取扱性に問題があるし、その積層体から得られる成形品の物性が低下する問題がある。
【００３８】
本発明の積層基材に含まれるプリプレグに用いることができる強化繊維としては、強化繊維の種類は特に限定されず、無機繊維、有機繊維、金属繊維、またはこれらを組み合わせたハイブリッド構成の強化繊維が使用できる。無機繊維としては、炭素繊維、黒鉛繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、タングステンカーバイド繊維、ボロン繊維、ガラス繊維などが挙げられる。有機繊維としては、アラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、その他一般のナイロン繊維、ポリエステルなどが挙げられる。金属繊維としては、ステンレス、鉄等の繊維を挙げられ、また金属を被覆した炭素繊維でもよい。これらの中では、最終成形物の強度等の機械特性を考慮すると、炭素繊維が好ましい。また、強化繊維の平均繊維直径は、１〜５０μｍであることが好ましく、５〜２０μｍであることがさらに好ましい。
【００３９】
強化繊維が炭素繊維である場合、その平均単繊維繊度は、０．５ｄｔｅｘ以上、２．４ｄｔｅｘ以下である炭素繊維であることが好ましい。平均単繊維繊度が低すぎると炭素繊維への樹脂含浸が困難になるおそれがあるし、高すぎると炭素繊維と樹脂の界面積が減少するおそれがある。強化繊維の平均単繊維繊度は、より好ましくは０．５５〜２．０ｄｔｅｘ以上、更に好ましくは０．６〜１．５ｄｔｅｘ以上である。
【００４０】
本発明の積層基材に含まれるプリプレグには熱可塑性樹脂を用いることが必要である。すなわち、不連続な強化繊維を用いた繊維強化プラスチックの場合、強化繊維端部どうしを連結するように破壊するため、一般的に熱硬化性樹脂よりも靱性値が高い熱可塑性樹脂を用いることで、強度、特に衝撃性が向上する。さらに熱可塑性樹脂は化学反応を伴うことなく冷却固化して形状を決定するので、短時間成形が可能であり、生産性に優れる。このような熱可塑性樹脂としては、ポリアミド（ナイロン６、ナイロン６６、芳香族ナイロン等）、ポリオレフィン（ポリエチレン、ポリプロピレン等）、変性ポリオレフィン、ポリエステル（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）、ポリカーボネート、ポリアミドイミド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリスチレン、ＡＢＳ、ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリエステルや、アクリロニトリルとスチレンの共重合体等を用いることができる。また、これらの混合物を用いてもよい。さらに、ナイロン６とナイロン６６との共重合ナイロンのように共重合したものであってもよい。また、得たい成形品の要求特性に応じて、難燃剤、耐候性改良剤、その他酸化防止剤、熱安定剤、紫外線吸収剤、可塑剤、滑剤、着色剤、相溶化剤、導電性フィラー等を添加しておくこともできる。
【００４１】
本発明が開示する第一〜第三の方法では、積層基材に含まれるプリプレグは、切込により強化繊維が切断されていることが必要である。切断された強化繊維の長さＬは特に制限されるものではないが、力学特性と流動性の観点から、５ｍｍ以上、１００ｍｍ以下が好ましい。特に十分な力学物性とスタンピング成形時のリブ等の薄肉部への流動を両立させるためには１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下がさらに好ましい。
【００４２】
本発明の積層基材は、積層基材を構成するプリプレグは、前記の繊維を切断する切込と強化繊維のなす角度θと１ｍ２あたりの切込長の総和ｌａの範囲を満たすものであれば、切込の長さと切込の数の異なるプリプレグを積層しても良い。スタンピング成形時、ボスやリブなどの薄肉で三次元形状を有する部分にはθを大きく、かつｌａを大きくすることが好ましい。逆に流動が二次元的で流動長が小さく、高い力学物性を必要とする部分には、θを小さく、かつｌａを小さくすることが好ましい。
【００４３】
本発明の積層基材は、積層基材を構成する複数のプリプレグの間に、熱可塑性樹脂のみからなる層を積層することが、プレス時の流動性をさらに向上する点で好ましい。このような、熱可塑性樹脂のみからなる層としては、プリプレグに含まれる樹脂組成物と同一の樹脂組成物であるかもしくは、ポリアミド（ナイロン６、ナイロン６６、芳香族ナイロン等）、ポリオレフィン（ポリエチレン、ポリプロピレン等）、変性ポリオレフィン、ポリエステル（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）、ポリカーボネート、ポリアミドイミド、ポリフェニレンオキシド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリスチレン、ＡＢＳ、ポリフェニレンサルファイド、液晶ポリエステルや、アクリロニトリルとスチレンの共重合体等などが好ましく用いることができる。
【００４４】
本発明の積層基材は、複数のプリプレグを強化繊維の方向が擬似等方となるように積層されていることが、プレス時の流動の異方性を小さくする点で好ましい。
【００４５】
本発明の積層基材は、プリプレグに含まれる強化繊維の方向が０°であるプリプレグと９０°であるプリプレグが交互に積層されていることが、積層基材の強度の異方性を小さくする点で好ましい。
【００４６】
本発明の積層基材に含まれるプリプレグは、繊維体積含有率Ｖｆが５５％以下であれば、十分な流動性を得ることができるので好ましい。Ｖｆの値が低いほど流動性は向上するが、Ｖｆの値が２０％未満では構造材に必要な力学特性は得られない。流動性と力学特性の関係を鑑みると、２０％以上５５％以下が好ましい。かかるＶｆ値は、ＪＩＳ  Ｋ７０７５に基づき測定できる。
【００４７】
本発明の積層基材に含まれるプリプレグは、切込を有するため、分断されるプリプレグの厚みが大きいほど強度が低下する傾向であり、構造材に適用することを前提とするならば、プリプレグの厚さは２００μｍ以下とするのが良い。一方厚みが５０μｍ未満ではプリプレグの取り扱いが難しく積層基材とするために積層するプリプレグの数が非常に多くなるので、生産性が著しく悪化する。よって生産性の観点から５０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましい。
【００４８】
本発明の積層基材に用いることができるプリプレグは、プリプレグどうしが接着されていることが、取扱いを容易にする点で好ましい。接着方法として、接着剤を用いる方法や、プリプレグに含まれる樹脂を溶融させる方法が例示される。特に、プリプレグに含まれる樹脂が熱可塑性樹脂の場合、後者に記載の方法が好ましい。後者の方法として、熱溶着法、振動溶着法、熱プレス法が例示される。熱溶着法とは接着させたい場所を加熱板等で加熱する方法であるし、振動溶着法とは溶着させたい場所を振動摩擦する方法で樹脂を溶融する方法であるし、熱プレス法とは接着させたい部分を加熱して荷重をかける方法である。
【００４９】
以下に本発明の積層基材に用いることができるプリプレグの製造方法の一態様を説明するが、本発明はこれによって特に制限されるものではない。
【００５０】
本発明の積層基材に用いることができるプリプレグは、例えばフィルム状とした熱可塑性樹脂を二枚準備し、その二枚の間に強化繊維をシート状に並べた強化繊維シート、または強化繊維をカットして抄紙法等により作成するマット状物を挟み込み、加熱及び加圧を行うことにより得ることができる。より具体的には、２枚の熱可塑性樹脂からなるフィルムを送り出す、２つのロールから二枚のフィルムを送り出すとともに、強化繊維シートや強化繊維マットのロールから供給される強化繊維シートや強化繊維マットを二枚のフィルムの間に挟み込ませた後に、加熱及び加圧する。加熱及び加圧する手段としては、公知のものを用いることができ、二個以上の熱ロールを利用したり、予熱装置と熱ロールの対を複数使用したりするなどの多段階の工程を要するものであってもよい。ここで、フィルムを構成する熱可塑性樹脂は一種類ある必要はなく、別の種類の熱可塑性樹脂からなるフィルムを、上記のような装置を用いてさらに積層させてもよい。
【００５１】
上記加熱温度は、熱可塑性樹脂の種類にもよるが、通常、１００〜４００℃であることが好ましい。一方、加圧時の圧力は、通常０．１〜１０ＭＰａであることが好ましい。この範囲であれば、プリプレグに含まれる強化繊維の間に、熱可塑性樹脂を含浸させることができるので好ましい。また、本発明の積層基材に用いることができるプリプレグは、市販されているプリプレグを用いることもできる。
【００５２】
本発明の積層基材に用いることができるプリプレグは、レーザーマーカー、カッティングプロッタや抜型等を利用して切込を入れることにより得ることができるが、前記切込がレーザーマーカーを用いて施されたものであると、曲線やジグザグ線など複雑な切込を高速に加工できるという効果があるので好ましく、また、前記切込がカッティングプロッタを用いて施されたものであると、２ｍ以上の大判のプリプレグ層を加工できるという効果があるので好ましい。さらに、前記切込が抜型を用いて施されたものであると、高速に加工が可能であるという効果があるので好ましい。
【００５３】
次工程では、上記のようにして得られたプリプレグを強化繊維の方向が疑似等方、または交互積層になるよう積層して積層基材を作成する。この際取扱いの容易さから超音波溶着機でスポット溶接した積層基材とすることもできる。また、本発明の積層基材は、プリプレグを４〜９６層となるように積層することが好ましい。
【００５４】
次工程では、上記のようにして得られた積層基材を加熱及び加圧して一体化した積層基材を成形する。この工程は、積層基材をプレートに挟みこんで、圧力をかけながら加熱することからなる。プレートの形状は平板状であっても良いし、印籠型のような金型であっても良い。プレートの材質は特に限定されないが、金属、樹脂、セラミクス等が例示される。プレートまたは金型は、枚様式のプリプレグを一体化させるための物でであっても良いし、ダブルベルトプレス機のように連続式であっても良い。
【００５５】
前記加熱においては、積層基材に含まれる熱可塑性樹脂の融点あるいはガラス転移温度以上に加熱する。具体的には、積層基材に含まれる熱可塑性樹脂にもよるが、（融点あるいはガラス転移温度＋５℃）〜（融点あるいはガラス転移温度＋２００℃）で加熱することが好ましく、さらに好ましくは（融点あるいはガラス転移温度＋１０℃）〜（融点あるいはガラス転移温度＋１５０℃）で加熱することが好ましい。また、前記加熱に先立って、予備加熱を行ってもよい。予備加熱については（融点あるいはガラス転移温度−１００℃）〜（融点あるいはガラス転移温度＋１００℃）が好ましい。予備加熱の時に加圧しても良いし、加圧しなくても良い。
【００５６】
前記加圧において積層基材にかける圧力としては、好ましくは０．１〜１０ＭＰａであり、より好ましくは０．２〜２ＭＰａである。この圧力については、プレス力を積層基材の面積で除した値とする。
【００５７】
上記加熱及び加圧する時間は、０．１〜３０分間であることが好ましく、さらに好ましくは０．５〜１０分間である。
【００５８】
加熱工程の後に冷却工程を実施する。冷却をおこなうことにより、熱可塑性樹脂が固化するので積層基材を一体化することができる。
【００５９】
前記冷却においては、積層基材に含まれる熱可塑性樹脂の融点あるいはガラス転移温度以下に冷却する。具体的には、積層基材に含まれる熱可塑性樹脂にもよるが、（融点あるいはガラス転移温度−２５０℃）〜（融点あるいはガラス転移温度−５℃）で冷却することが好ましく、さらに好ましくは（融点あるいはガラス転移温度−２００℃）〜（融点あるいはガラス転移温度−１０℃）で冷却することが好ましい。
【００６０】
前記冷却において積層基材にかける圧力としては、加熱時の圧力以上とする。冷却時の圧力を加熱時の圧力以上とすることで、プリプレグ間のボイドを減少させることができ機械的物性を高めることができる。冷却時の圧力を加熱時の圧力以上としても、熱可塑性樹脂の融点あるいはガラス転移温度以下であるので、強化繊維の乱れを抑制することができる。加熱時の温度を熱可塑性樹脂の融点あるいはガラス転移温度以上、冷却時の温度を熱可塑性樹脂の融点あるいはガラス転移温度以下、かつ冷却時の圧力を加熱時の圧力以上とし、一体化後の積層基材の面積／一体化前の積層基材の面積の比が、１．０１〜１．１０とすることによる、機械的物性に優れ、外観が良好でプリプレグの積層構造が保たれた積層基材を得ることができる。
【００６１】
上記冷却及び加圧する時間は、０．１〜３０分間であることが好ましく、さらに好ましくは０．５〜１０分間である。
【００６２】
上記成形を経た本発明にかかる一体化した積層基材の厚さは、０．３〜１０ｍｍであることが好ましい。
【実施例】
【００６３】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、実施例に記載の発明に限定されるものではない。
【００６４】
（実施例１）
炭素繊維（三菱レイヨン製、製品名：パイロフィルＴＲ−５０Ｓ１５Ｌ、平均単繊維直径  約７μｍ、平均単繊維繊度  約０．６ｄｔｅｘ）を、強化繊維の方向が一方向となるように平面状に引き揃えて目付が７２．０ｇ／ｍ２である連続した強化繊維シートとした。この強化繊維シートの両面を、酸変性ポリプロピレン樹脂製のフィルム（酸変性ポリプロピレン樹脂：三菱化学製、製品名：モディックＰ９５８、融点１６５℃、目付：３６．４ｇ／ｍ２）で挟み、カレンダロールを通して、熱可塑性樹脂を強化繊維シートに含浸し、繊維体積含有率（Ｖｆ）が３３％、厚さが、０．１２ｍｍの幅５０ｃｍ、長さ５００ｍの連続プリプレグを得た。
【００６５】
得られた連続プリプレグを、ロールに埋め込んだ打ち抜き刃を有する打ち抜き型により連続的に、シートの端部より５ｍｍ内側部分を除き、強化繊維の長さＬ＝２５．０ｍｍ一定、平均切込長ｌ＝２０．０ｍｍになるよう、繊維を切断する切込と強化繊維のなす角度θ＝３０°の切込加工を施した。この際１ｍ２あたりの切込長の総和ｌａ＝８０．０ｍであった。
【００６６】
上記のように切込加工したプリプレグより、縦３０ｃｍ、横３０ｃｍの非連続プリプレグ１６層を切り出し、強化繊維方向が疑似等方（［０°／４５°／９０°／−４５°］ｓ２）になるように重ね、超音波溶着機（日本エマソン社製、製品名：２０００ＬＰｔ）でスポット溶接して積層基材を作成した。
【００６７】
このようにして得た積層基材を、内寸法３０．５ｃｍ角の金属金型（材質、ＳＵＳ３０４）間に設置して、１ＭＰａの圧力で２２０℃で５分間プレスした後、１ＭＰａの圧力で５０℃で３分間プレスすることにより積層基材を得た。積層基材は、金型内部の全域を占めており、その面積は３０．５ｃｍ×３０．５ｃｍ＝９３０．２５ｃｍ２であった。一体化後の積層基材の面積／一体化前の積層基材の面積の比は、１．０３であった。
【００６８】
得られた積層基材から、長さ１００ｍｍ，幅２５ｍｍの曲げ強度試験片を、その試験片の表面と裏面の繊維方向が試験片の長さ方向と平行となるように切り出した。ＪＩＳ  Ｋ−７０７４に規定する試験方法に従い、万能試験機（インストロン社製、製品名：４４６５型）を用いて、標点間距離を８０ｍｍとし、クロスヘッド速度５．０ｍｍ／分で３点曲げ試験を行った。測定した試験片の数はｎ＝６とし、曲げ強度の平均は３２５ＭＰａ、曲げ弾性率の平均は２８．１ＧＰａであった。
【００６９】
（実施例２）
内寸法が３１ｃｍ角である金型を使用した以外は、実施例１と同様な操作を実施した。積層基材は、金型内部の全域を占めており、その面積は３１ｃｍ×３１ｃｍ＝９６１ｃｍ２であった。一体化後の積層基材の面積／一体化前の積層基材の面積の比は、１．０７であった。実施例１と同様に実施した試験結果では、曲げ強度の平均は３２０ＭＰａ、曲げ弾性率の平均は２７．５ＧＰａであった。
【００７０】
（比較例１）
内寸法が３０．１ｃｍ角である金型を使用した以外は、実施例１と同様な操作を実施した。積層基材は、金型内部の全域を占めており、その面積は３０．１ｃｍ×３０．１ｃｍ＝９０６ｃｍ２であった。一体化後の積層基材の面積／一体化前の積層基材の面積の比は、１．００７であった。積層基材の断面を観察したところ、プリプレグの層間にボイドが観察された。実施例１と同様に実施した試験結果では、曲げ強度の平均は３００ＭＰａ、曲げ弾性率の平均は２５．８ＧＰａであった。
【００７１】
（比較例２）
内寸法が３２ｃｍ角である金型を使用した以外は、実施例１と同様な操作を実施した。積層基材は、金型内部の全域を占めており、その面積は３２ｃｍ×３２ｃｍ＝１０２４ｃｍ２であった。一体化後の積層基材の面積／一体化前の積層基材の面積の比は、１．１４であった。積層基材の断面を観察したところ、プリプレグ層間にボイドは観察されなかったが、各プリプレグにおいて炭素繊維が蛇行していた。
【００７２】
（比較例３）
冷却時の圧力を０．９ＭＰａとした以外は、実施例１と同様な操作を実施した。積層基材のプリプレグ層間にボイドが観察された。
【００７３】
（実施例４）
金型の代わりに、図４に示すようなダブルベルトプレス機を用いた。ダブルベルトプレス機の前半部を２２０℃とし、その加熱ゾーン長さは１．５ｍ、また、後半部を５０℃とし、その冷却ゾーン長さは１．５ｍであった。また、加熱ゾーンと冷却ゾーンには、積層基材に同じ圧力がかかるように設定した。使用したベルトの材質は鉄であり、その厚みは１．５ｍｍ、幅３５０ｍｍであった。上下のベルト間の距離を１．８ｍｍとして、１６層からなる３０ｃｍ角の積層基材を１０ｃｍ間隔で連続的にダブルベルトプレス機の下ベルトの上に投入し、上下のベルトを０．５ｍ／分で駆動することにより、連続的に積層基材を得た。一体化前の積層物の厚みは０．１２×１６により１．９２ｍｍと算出され、一体化の後の積層物の厚みは１．８ｍｍであった。従って、一体化後の積層基材の面積／一体化前の積層基材の面積の比＝一体化前の厚み／一体化後の厚み＝１．９２／１．８で算出され１．０６７であった。積層基材の断面を観察したところ、プリプレグ層間にボイドが観察されなかった。実施例１と同様に実施した試験結果では、曲げ強度の平均は３２３ＭＰａ、曲げ弾性率の平均は２７．８ＧＰａであった。
【００７４】
（実施例５、６）
上下のベルト間距離を表１に示すようにした以外は、実施例４と同様な操作を実施した。
【００７５】
（比較例４，５）
上下のベルト間距離を表１に示すようにした以外は、実施例４と同様な操作を実施した。
【００７６】
（実施例７）
炭素繊維（三菱レイヨン製、製品名：パイロフィルＴＲ−５０Ｓ１５Ｌ）を全量６ｍｍにカットして、抄紙法により目付が７２．０ｇ／ｍ２であるマット状の強化繊維シートとした。この強化繊維シートの両面を、酸変性ポリプロピレン樹脂製のフィルム（酸変性ポリプロピレン樹脂：三菱化学製、製品名：モディックＰ９５８、目付：３６．４ｇ／ｍ２）で挟み、カレンダロールを通して、熱可塑性樹脂を強化繊維シートに含浸し、繊維体積含有率（Ｖｆ）が３３％、厚さが０．２ｍｍ、縦３０ｃｍ、横３０ｃｍのプリプレグを得た。この縦３０ｃｍ、横３０ｃｍのプリプレグ１０層を重ね、超音波溶着機（日本エマソン社製、製品名：２０００ＬＰｔ）でスポット溶接して積層物を作成した。
【００７７】
そして、上下のベルト間の距離を１．８５ｍｍとした以外は、実施例４と同様な方法で積層基材を作成した。
【００７８】
（実施例８、実施例９）
上下のベルト間距離を表２に示すようにした以外は、実施例７と同様な操作を実施した。
【００７９】
（比較例６，７）
上下のベルト間距離を表２に示すようにした以外は、実施例７と同様な操作を実施した。
【００８０】
【表１】
2015051630.tif 000003
【００８１】
【表２】
2015051630.tif 000004
【符号の説明】
【００８２】
１、１１：積層基材
２：下金型
３：上金型
１２：下ベルト
１３：上ベルト
【図１】
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【図２】
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【図３】
2015051630.tif 000007
【図４】
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