(57)【要約】【課題】複合材料からなり、軽量かつ高剛性で、熱曲げ加工が可能であり、フィルター、梱包体、断熱材、防振材または防音材に用いられる多孔構造体を提供する。また、多孔構造体の製造方法、および多孔構造体を成形してなる多孔成形体も提供する。【解決手段】熱可塑性樹脂および炭素繊維を含む複合材料からなる基材を有し、一方の端面から他方の端面へ貫通する複数の貫通孔が形成されてなる多孔構造体であって、一方の端面および他方の端面において、複数の貫通孔の開口総面積が、端面の総面積の１０〜９０％であることを特徴とする多孔構造体。また、金属金型、レーザー光線またはジェット水流のいずれかを用いて貫通孔を形成することを特徴とする多孔構造体の製造方法。さらに、多孔構造体を熱プレス成形または熱曲げ加工成形してなる多孔成形体。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑性樹脂および炭素繊維を含む複合材料からなる基材を有し、一方の端面から他方の端面へ貫通する複数の貫通孔が形成されてなる多孔構造体であって、前記一方の端面および他方の端面において、前記複数の貫通孔の開口総面積が、端面の総面積の１０〜９０％であることを特徴とする多孔構造体。
【請求項２】
前記複合材料が炭素繊維を５〜６０重量％含有しており、繊維長さが０．０５〜１．０ｍｍである炭素繊維の割合が、炭素繊維全体に対し７０重量％以上である、請求項１に記載の多孔構造体。
【請求項３】
前記複合材料が第１の熱可塑性樹脂、第２の熱可塑性樹脂および炭素繊維からなり、該複合材料が、前記第２の熱可塑性樹脂から構成される海相内に、前記第１の熱可塑性樹脂から構成される島相が分散している構造を有する、請求項１または２に記載の多孔構造体。
【請求項４】
前記貫通孔の開口部の形状が、円形、楕円形または多角形である、請求項１〜３のいずれかに記載の多孔構造体。
【請求項５】
前記貫通孔の開口部の最長径が０．０１ｍｍ〜１００ｍｍである、請求項１〜４のいずれかに記載の多孔構造体。
【請求項６】
前記基材の厚みが０．０５ｍｍ〜１００ｍｍである、請求項１〜５のいずれかに記載の多孔構造体。
【請求項７】
前記一方の端面において、前記複数の貫通孔の開口部が０．０２ｍｍ〜２００ｍｍの間隔で略等間隔に配列されている、請求項１〜６のいずれかに記載の多孔構造体。
【請求項８】
前記基材からなる層を含む複数層の積層構造を有する、請求項１〜７のいずれかに記載の多孔構造体。
【請求項９】
フィルター、梱包体、断熱材、防振材または防音材として用いられる、請求項１〜８のいずれかに記載の多孔構造体。
【請求項１０】
航空機、ロケット、人工衛星、自動車、自動二輪車、鉄道列車または家屋に用いられる、請求項１〜９のいずれかに記載の多孔構造体。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれかに記載の多孔構造体を熱プレス成形または熱曲げ加工成形してなる多孔成形体。
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれかに記載の多孔構造体の製造方法であって、金属金型、レーザー光線またはジェット水流のいずれかを用いて前記貫通孔を形成することを特徴とする多孔構造体の製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の多孔構造体の製造方法であって、芯成分が炭素繊維からなり鞘成分が第１の熱可塑性樹脂からなる芯鞘構造を有するペレットと、所定の温度にて前記第１の熱可塑性樹脂よりも高い粘度を有する第２の熱可塑性樹脂とを溶融し、溶融された前記ペレットおよび前記第２の熱可塑性樹脂を前記所定温度にて混練することによって前記複合材料を製造する工程をさらに有し、前記第２の熱可塑性樹脂の融点をＴ２とするとき、前記ペレットおよび前記第２の熱可塑性樹脂がＴ２＋１０〜Ｔ２＋７０℃の温度範囲内で混練される多孔構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性樹脂および炭素繊維を含む複合材料からなる多孔構造体に関し、より詳しくは、複合材料からなり、軽量かつ高剛性で、熱曲げ加工が可能であり、フィルター、梱包体、断熱材、防振材、防音材に好適な多孔構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、フィルター、梱包体、断熱材、防振材、防音材などの用途には、金属材料からなる多孔体が用いられてきた。例えば、特許文献１〜３には、車の排気ガス中の粉塵を除去するために、金属製のワイヤメッシュフィルターやパンチングメタルを用いることが記載されている。しかしながら、金属材料は一般に比重が大きく、燃費効率の向上が厳しく要求される自動車などの用途においては、より軽量な多孔体の開発が求められていた。
【０００３】
また、金属材料からなる粉塵除去フィルターは、金属疲労や排ガスによる腐食によって粉塵除去性能が低下する場合があり、環境性能を長期に渡って維持することは難しかった。
【０００４】
これに対し、引用文献４には、集塵機や粉塵濾過機などに取り付ける大型のバグフィルターにおいて、織り糸として炭素繊維を用いることが記載されている。しかしながら、炭素繊維はそれ自体が高価であり、また織り糸として使用すると、その編みの難しさからさらに製布コストがかかるため、製造コストを抑えることが非常に難しかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−１０５９５４号公報
【特許文献２】特開２００２−３３６６２７号公報
【特許文献３】特開２００２−０９７９２７号公報
【特許文献４】特開２０１１−０４５８４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明はかかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い剛性を有し、軽量で、加工性に優れた複合材料からなる多孔構造体を提供することにある。また、本発明は、このような複合材料からなる多孔構造体の製造方法、ならびに多孔構造体を成形してなる多孔成形体もあわせて提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る多孔構造体は、下記（１）〜（１０）のいずれかの構成を有する。
（１）熱可塑性樹脂および炭素繊維を含む複合材料からなる基材を有し、一方の端面から他方の端面へ貫通する複数の貫通孔が形成されてなる多孔構造体であって、前記一方の端面および他方の端面において、前記複数の貫通孔の開口総面積が、端面の総面積の１０〜９０％であることを特徴とする多孔構造体。
（２）前記複合材料が炭素繊維を５〜６０重量％含有しており、繊維長さが０．０５〜１．０ｍｍである炭素繊維の割合が、炭素繊維全体に対し７０重量％以上である、上記（１）の多孔構造体。
（３）前記複合材料が第１の熱可塑性樹脂、第２の熱可塑性樹脂および炭素繊維からなり、該複合材料が、前記第２の熱可塑性樹脂から構成される海相内に、前記第１の熱可塑性樹脂から構成される島相が分散している構造を有する、上記（１）または（２）の多孔構造体。
（４）前記貫通孔の開口部の形状が、円形、楕円形または多角形である、上記（１）〜（３）のいずれかの多孔構造体。
（５）前記貫通孔の開口部の最長径が０．０１ｍｍ〜１００ｍｍである、上記（１）〜（４）のいずれかの多孔構造体。
（６）前記基材の厚みが０．０５ｍｍ〜１００ｍｍである、上記（１）〜（５）のいずれかの多孔構造体。
（７）前記一方の端面において、前記複数の貫通孔の開口部が０．０２ｍｍ〜２００ｍｍの間隔で略等間隔に配列されている、上記（１）〜（６）のいずれかの多孔構造体。
（８）前記基材からなる層を含む複数層の積層構造を有する、上記（１）〜（７）のいずれかの多孔構造体。
（９）フィルター、梱包体、断熱材、防振材または防音材として用いられる、上記（１）〜（８）のいずれかの多孔構造体。
（１０）航空機、ロケット、人工衛星、自動車、自動二輪車、鉄道列車または家屋に用いられる、上記（１）〜（９）のいずれかの多孔構造体。
また、本発明に係る多孔成形体は、下記（１１）の構成を有する。
（１１）上記（１）〜（１０）のいずれかの多孔構造体を熱プレス成形または熱曲げ加工成形してなる多孔成形体。
また、本発明に係る多孔構造体の製造方法は、下記（１２）または（１３）の構成を有する。
（１２）上記（１）〜（１０）のいずれかの多孔構造体の製造方法であって、金属金型、レーザー光線またはジェット水流のいずれかを用いて前記貫通孔を形成することを特徴とする多孔構造体の製造方法。
（１３）上記（１２）の多孔構造体の製造方法であって、芯成分が炭素繊維からなり鞘成分が第１の熱可塑性樹脂からなる芯鞘構造を有するペレットと、所定の温度にて前記第１の熱可塑性樹脂よりも高い粘度を有する第２の熱可塑性樹脂とを溶融し、溶融された前記ペレットおよび前記第２の熱可塑性樹脂を前記所定温度にて混練することによって前記複合材料を製造する工程をさらに有し、前記第２の熱可塑性樹脂の融点をＴ２とするとき、前記ペレットおよび前記第２の熱可塑性樹脂がＴ２＋１０〜Ｔ２＋７０℃の温度範囲内で混練される多孔構造体の製造方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、軽量かつ剛性に優れた複合材料からなる多孔構造体が得られる。また、複合材料が基本的に熱可塑性樹脂からなるので、熱処理加工が容易であり、多孔構造を保持したまま複雑な形状へ加工することができる。また、既存のプレス設備を用いることで成形できる製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施態様に係る多孔構造体の概略斜視図である。
【図２】基材の概略斜視図である。
【図３】図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図４】複合材料の構造を示す模式断面図である。
【図５】パンチングマシーンの構造を例示する概略側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、発明の望ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１１】
本発明に係る多孔構造体は、熱可塑性樹脂および炭素繊維を含む複合材料からなる基材を有し、一方の端面から他方の端面へ貫通する複数の貫通孔が形成されてなる多孔構造体であって、前記一方の端面および他方の端面において、前記複数の貫通孔の開口総面積が、端面の総面積の１０〜９０％であることを特徴とするものからなる。
【００１２】
図１および図２は、多孔構造体の構造を説明するための図である。図１は、本発明の一実施態様に係る多孔構造体を示す概略斜視図であり、とくに、実質的に基材のみからなる単層構造を有する多孔構造体の例を示している。また、図２は、貫通孔が形成される前の基材の状態を示す概略斜視図である。図１において、略シート状の多孔構造体１は熱可塑性樹脂および炭素繊維を含む複合材料からなる基材２を有しており、基材２には、一方の端面６ａから他方の端面６ｂへ貫通する複数の貫通孔３が形成されている。多孔構造体１は、例えば、図２に示す略シート状の基材２に複数の貫通孔３を形成することで得られる。熱可塑性樹脂および炭素繊維を含む複合材料は剛性および靭性に優れているためひび割れなどの破損が生じにくく、図１のように複数の貫通孔３が形成されている状態においても、多孔構造体１は優れた耐久性を発揮する。また、熱可塑性樹脂および炭素繊維はいずれも従来の金属材料と比べて比重が小さく、貫通孔が設けられた多孔構造体１は極めて軽量である。
【００１３】
図３は、図１のＡ−Ａ線に沿った模式断面図を示している。図３において、基材２内には短い炭素繊維５が配合され、炭素繊維間には熱可塑性樹脂４が充填されている。このような構成によれば、炭素繊維５によって基材２の剛性が等方的に強化されるため、高い剛性と優れた靭性を兼ね備えた基材２が得られる。その結果、図１や図３に示すように貫通孔３が形成されている状態においても、多孔構造体１は優れた耐久性を発揮することができる。
【００１４】
熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリオレフィン（例えば、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリブチレン、ポリスチレンなど）、ポリアミド（例えば、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１１、ナイロン１２、ナイロン６１０、芳香族ナイロンなど）、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリカーボネート、ポリエステル（例えば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、ポリプロピレンテレフタレート）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリスルフォキサイド、ポリテトラフルオロエチレン、アクロニトリルブタジエンスチレン共重合体（ＡＢＳ）、ポリアセタール、ポリエーテル、ポリエーテル・エーテル・ケトン、ポリフェニレンオキサイドなどを挙げることができる。また、上記熱可塑性樹脂の誘導体や、上記熱可塑性樹脂の共重合体、さらにはそれらの混合物であってもよい。
【００１５】
上記熱可塑性樹脂の中でも、特に、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１１、ナイロン１２、ナイロン６１０、芳香族ナイロン、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、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、アクロニトリルブタジエンスチレン共重合体（ＡＢＳ）が好ましく使用される。
【００１６】
上記一方の端面および他方の端面において、貫通孔の開口総面積は、端面の総面積の５〜９５％である。すなわち、一方の端面における貫通孔の開口総面積は、一方の端面の総面積の５〜９５％であり、他方の端面における貫通孔の開口総面積は、他方の端面の総面積の５〜９５％である。なお、以下では、端面の総面積に対する貫通孔の開口総面積の割合（貫通孔の開口総面積／端面の総面積）を、単に開口率（％）と称することもある。本発明の多孔構造体においては、重量と強度のバランスの観点から、開口率は１０〜９０％が好ましく、２０〜８０％がより好ましく、３０〜７０％がさらに好ましい。
【００１７】
なお、本発明において貫通孔とは、一方の端面から他方の端面へ略直線状に貫通するように形成された孔のことをいい、スポンジなどの多孔質体において隣接する気泡同士が連通することにより一方の端面と他方の端面が連通する、いわゆる連続気泡構造とは異なるものである。ただし、本発明の多孔構造体はさらに連続気泡構造を有していてもよく、例えば、複合材料からなる多孔質体にさらに複数の略直線状の貫通孔を設けることによって、本発明の多孔構造体を得ることも可能である。
【００１８】
複合材料の炭素繊維含有率は、複合材料全体に対し５〜６０重量％であることが好ましく、１０〜３５重量％であることがより好ましく、１５〜２５重量％であることがさらに好ましい。
【００１９】
また、複合材料は、炭素繊維の短繊維を含有していることが好ましい。具体的には、複合材料中において、繊維長さ０．０５〜１．０ｍｍの炭素繊維が炭素繊維全体に対し５０重量％以上存在していることが好ましく、繊維長さ０．０５〜１．０ｍｍの炭素繊維が炭素繊維全体に対し７０重量％以上存在していることがより好ましく、繊維長さ０．１〜０．５ｍｍの炭素繊維が炭素繊維全体に対し７０重量％以上存在していることがさらに好ましく、繊維長さ０．１５〜０．４ｍｍの炭素繊維が炭素繊維全体に対し７０重量％以上存在していることがとくに好ましい。なお、複合材料は連続した炭素繊維（炭素繊維の長繊維）をさらに含んでいてもよいし、炭素繊維以外の繊維をさらに含んでいてもよい。
【００２０】
複合材料は、第１の熱可塑性樹脂、第２の熱可塑性樹脂および炭素繊維からなり、第２の熱可塑性樹脂から構成される海相内に、第１の熱可塑性樹脂から構成される島相が分散している構造を有することが好ましい。また、第２の熱可塑性樹脂は、第１の熱可塑性樹脂よりも高い粘度を有していることが好ましい。このような海島構造を有する複合材料の一例として、本願出願時点では未公開であるが、国際出願ＰＣＴ／ＪＰ２０１３／０６４６５５に記載された炭素繊維複合材料を挙げることができる。
【００２１】
図４は、海島構造を有する複合材料の断面を示す模式断面図である。図４に示す通り、複合材料７０は、粘度の高い第２の熱可塑性樹脂７２から構成される海相内に、粘度の低い第１の熱可塑性樹脂７１から構成される島相が分散している構造を有しており、炭素繊維５および島相（熱可塑性樹脂７１）は複合材料７０内に均一に分散している。また、炭素繊維５は、粘度が低く炭素繊維との親和性の高い第１の熱可塑性樹脂７１からなる島相内に主に存在しており、それによって炭素繊維と樹脂との密着性が確保されている。
【００２２】
このような海島構造を有する複合材料によれば、相対的に粘度の低い第１の熱可塑性樹脂で炭素繊維の短繊維を包むことにより炭素繊維と樹脂との親和性を確保しつつ、相対的に粘度の高い第２の熱可塑性樹脂で第１の熱可塑性樹脂を覆うことによって炭素繊維および島相を海相内に均一に分散させることができ、炭素繊維や熱可塑性樹脂の偏在に起因する成形時の不具合（例えば、スプリングバックやボイドなど）が未然に防止される。従って、上記複合材料を用いることにより、成形の自由度が大幅に向上され、種々の成形加工を行うことが可能となる。
【００２３】
複合材料が上記海島構造を有する場合、第１の熱可塑性樹脂の融点は、１００〜３７０℃であることが好ましい。また、第２の熱可塑性樹脂の融点は、１００〜３７０℃であることが好ましい。
【００２４】
また、第１の熱可塑性樹脂と第２の熱可塑性樹脂は、樹脂成分が同じであってもよいし、異なっていてもよい。例えば、成分が同じで重合度および粘度が異なる２種類の樹脂のうち、粘度が相対的に低い方の樹脂を第１の熱可塑性樹脂、粘度が相対的に高い方の樹脂を第２の熱可塑性樹脂として用いることもできる。
【００２５】
さらに、第１の熱可塑性樹脂の屈折率は、第２の熱可塑性樹脂の屈折率と異なっていることが好ましい。
【００２６】
複合材料が上記海島構造を有する場合、炭素繊維と樹脂との親和性の確保の観点から、島相内に存在する炭素繊維の割合は、炭素繊維全体に対し５０重量％であることが好ましく、７０重量％以上であることがより好ましく、９０重量％以上であることがさらに好ましい。
【００２７】
上記島相の平均直径は１０ｎｍ〜５００μｍであることが好ましい。なお、島相の平均直径とは、炭素繊維複合材料の断面において、各島相を同一面積の真円に換算したときの直径の平均値を指す。
【００２８】
上記貫通孔の開口部の形状は、円形、楕円形または多角形であることが好ましく、自由曲線からなる形状であることも好ましい。なお、加工容易性の観点からは、円形または四角形であることがより好ましい。
【００２９】
貫通孔の開口部の最長径は、０．０１〜１００ｍｍであることが好ましく、０．０５〜５０ｍｍであることがより好ましく、０．１〜２０ｍｍであることがさらに好ましい。
【００３０】
上記一方の端面および他方の端面において、複数の貫通孔の開口部は０．０２〜２００ｍｍの間隔で略等間隔に配列されていることが好ましい。すなわち、一方の端面において開口部が略等間隔に配列されるとともに、他方の端面においても開口部が略等間隔に配列されていることが好ましい。ここで、開口部の間隔とは、一の開口部の中心から隣接する開口部の中心までの距離を指すものとする。開口部を略等間隔に配列することによって強度の偏りを最小限に抑えることができ、剛性や曲げ弾性率などの機械特性が高い水準に保たれる。なお、開口部の間隔は０．０５〜１００ｍｍであることがより好ましく、０．２〜４０ｍｍであることがさらに好ましい。
【００３１】
基材の曲げ弾性率は、５〜５００ＧＰａであることが好ましく、１０〜３００ＧＰａであることがより好ましく、１０〜１００ＧＰａであることがさらに好ましい。なお、曲げ弾性率の測定方法としては、例えばＪＩＳ  Ｋ  ７０７４（１９８８）に準拠した方法や、ＪＩＳ  Ｋ  ７１７１（２００８）に準拠した方法を用いることができる。
【００３２】
また、基材の厚みは０．０５〜１００ｍｍであることが好ましく、０．１〜５０ｍｍであることがより好ましく、０．３〜２０ｍｍであることがさらに好ましい。
【００３３】
基材の大きさはとくに限定されないが、加工性の点から、通常は１００〜１０００ｍｍ角のサイズで厚みが０．２〜１０ｍｍ程度のものが用いられる。
【００３４】
上記多孔構造体は、実質的に基材のみからなる単層構造を有していてもよいし、基材からなる層を含む複数層の積層構造を有していてもよい。例えば、複合材料からなる基材層の一方の面に表材が積層され、基材層の他方の面に裏材が積層されたサンドイッチ構造を有していてもよいし、一対の基材層の間に芯材層が設けられたサンドイッチ構造を有していてもよい。あるいは、基材層と他の層とが交互に積層された積層構造を採用することも可能である。このような基材層以外の層の材料としては、例えば、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、金属、セラミック、木材、ガラス、またはこれらを組み合わせたものなどが一例として挙げられるが、とくにこれらに限定されるものではない。また、基材層以外の層として発泡樹脂（熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれであってもよい）からなる層を多孔構造体に設けてもよく、発泡樹脂層の構造は独立気泡構造、連続気泡構造のいずれであってもよい。
【００３５】
本発明に係る多孔構造体は、フィルター、梱包材、断熱材、防振材または防音材として好適に用いることができる。熱可塑性樹脂および炭素繊維を含む複合材料は、従来の金属材料と比較すると防振性、防音性および断熱性に優れている。また、複合材料は非常に軽量であるため運搬性に優れており、例えば車両部品の材料として用いた場合、燃費の上昇を最小限に抑えることができる。さらに、複合材料は金属を含んでおらず腐食や金属疲労などのおそれがないため、本発明の多孔構造体をフィルターとして用いることにより、高い環境性能を長期間維持することが可能となる。
【００３６】
また、本発明の多孔構造体には熱可塑性樹脂および炭素繊維を含む複合材料からなる基材が用いられているため、柔軟に加熱成形を行うことができ、成形後も防振性、断熱性などの優れた特性が維持される。従って、本発明の多孔構造体は、耐振動性や耐衝撃性などの耐久性が高い水準で要求される用途や、複雑な形状への加工が要求される用途に好適に用いることができる。このような用途としては、例えば、航空機、ロケット、人工衛星、自動車、自動二輪車、鉄道列車または家屋などが挙げられる。
【００３７】
本発明はまた、上記多孔構造体を成形加工してなる多孔成形体も提供する。上述の通り、本発明の多孔構造体には熱可塑性の複合材料が用いられているので、多孔構造を保持しつつ加熱成形を行うことができ、単純な平板形状だけでなく、複雑な曲面を有する三次元形状への成形が可能である。成形加工の方法としては、例えば熱プレス成形や熱曲げ加工成形などが挙げられ、複数の成形方法を組み合わせることも可能である。なお、成形加工の際は、多孔構造体に形成された貫通孔が熱や圧力によって変形してもよい。
【００３８】
上記熱プレス成形の方法としては、例えば、多孔構造体を加熱して半溶融状態とした後、上型および下型からなる開放系の金型でプレスを行って、多孔構造体を成形する方法が挙げられる。
【００３９】
本発明はまた、上記多孔構造体を製造する方法も提供する。すなわち、熱可塑性樹脂および炭素繊維を含む複合材料からなる基材を有する構造体に複数の貫通孔を形成することにより、貫通孔を有する多孔構造体を製造する方法である。貫通孔を形成するための穿孔手段としては、金属金型、レーザー光線またはジェット水流が挙げられる。
【００４０】
金属金型を備えた穿孔手段（パンチングマシーン）としては、例えば、実開昭６１−８７６２５号公報に記載された装置などを挙げることができる。また、金属金型を備えたプレス装置を穿孔手段として用いることにより、多孔構造体の連続生産を行うことも可能である。
【００４１】
図５は、本発明の多孔構造体の製造に利用可能なパンチングマシーンの一例を示す模式側面図であり、とくに、金属金型を備えたプレス装置の例を示している。図５において、パンチングマシーン８０は、上下に対向した下型８３および上型８６からなる金属金型と、上型８６を押下するストライカー８７を備えたプレス機８８と、基材を固定するためのテーブル８１とを有している。下型８３は下タレット８４に固定されており、上型８６は、上タレット８５に設けられたガイド孔９０内に、上下方向に摺動自在に収容されている。また、テーブル８１には基材を保持するためのクランプ８２およびボール８９が備えられており、クランプ８２は、基材を保持した状態でテーブル８１上を水平方向に移動することができる。なお、図示は省略するが、上タレット８５には、上型８６を上方向に付勢可能な付勢手段（例えば、スプリングなど）が備えられている。
【００４２】
基材２に貫通孔を形成する場合は、図５に示すように基材２をテーブル８２のクランプ８２に固定した状態で、プレス機８８によってストライカー８７を下方向に移動させ、上タレット８５内に収容された上型８６を、付勢手段の押圧に抗して下方向へ押し下げる。ストライカー８７によって押し下げられた上型８６は、下タレット８４に固定された下型８３との協動により基材２を打ち抜き、端面６ａから端面６ｂまで貫通する貫通孔３を基材２に形成する。打ち抜き後にプレス機８８によってストライカー８７を上昇させると、上型８６は付勢手段によって元の位置に復帰される。また、上型８６が押し下げられていない状態のときに、クランプ８２によって基材２を水平方向に移動させると、基材２は上型８６および下型８３に対して相対的に移動する。従って、クランプ８２を用いて基材２の位置決めを行いつつ、プレス機８８による打ち抜きを行うことにより、本発明の多孔構造体を得ることができる。なお、複数の上型を切り替えながら使用することで、形状や大きさの異なる孔が形成された多孔構造体を製造することも可能である。
【００４３】
本発明の多孔構造体の製造方法には、さらに、複合材料を製造する工程が含まれていてもよい。複合材料を製造する工程としては、例えば、上述の海島構造を有する複合材料を製造する工程などが挙げられる。すなわち、炭素繊維からなり鞘成分が第１の熱可塑性樹脂からなる芯鞘構造を有するペレットと、所定の温度にて第１の熱可塑性樹脂よりも高い粘度を有する第２の熱可塑性樹脂とを溶融し、溶融されたペレットおよび第２の熱可塑性樹脂を所定温度にて混練する工程である。ここで、第２の熱可塑性樹脂の融点（第２の熱可塑性樹脂が非晶性である場合は、ガラス転移点）をＴ２とするとき、ペレットおよび第２の熱可塑性樹脂はＴ２＋１０〜Ｔ２＋９０℃の温度範囲内で混練される。なお、ペレットおよび第２の熱可塑性樹脂が混練される際の温度は、Ｔ２＋３０〜Ｔ２＋９０℃であることが好ましく、Ｔ２＋４０〜Ｔ２＋９０℃であることがより好ましい。
【００４４】
上記所定温度において、第２の熱可塑性樹脂の粘度は、第１の熱可塑性樹脂の粘度に対し１０〜７５０倍であることが好ましく、２０〜５００倍であることがより好ましく、５０〜２００倍であることがさらに好ましい。
【００４５】
なお、上記所定温度において、第１の熱可塑性樹脂の粘度は５０〜５００ｐｏｉｓｅであることが好ましく、１００〜３００ｐｏｉｓｅであることがより好ましい。また、上記所定温度において、第２の熱可塑性樹脂の粘度は１，０００〜１０，０００ｐｏｉｓｅであることが好ましく、１，５００ｐｏｉｓｅ〜５，０００ｐｏｉｓｅであることがより好ましい。
【００４６】
溶融されたペレットと第２の熱可塑性樹脂を混練する際には、一軸や二軸の押出機を用いることが好ましい。また、押出機のシリンダー後半部には真空ベントが設けられていることが好ましく、押出機の先端にはギアポンプが備えられていることが好ましい。
【００４７】
また、複合材料を製造する際には、溶融されたペレットおよび第２の熱可塑性樹脂に、さらに炭素繊維を加えることもできる。これにより、複合材料における炭素繊維の含有率を高め、強度を向上させることができる。炭素繊維を加える方法としては、例えば、炭素繊維ロービングから引き出された炭素繊維フィラメントを直接押出機に供給する方法や、適度な長さにカットされた炭素繊維を押出機に供給する方法などが挙げられる。
【００４８】
多孔構造体の製造方法には、さらに、複合材料を用いて基材を製造する工程が含まれていてもよい。基材を製造する工程としては、例えば、上記製造方法によって製造された複合材料を溶融し、その後成形することにより、複合材料からなる基材を製造する工程が挙げられる。なお、基材の成形方法は射出成形であってもよいし、固化押出法、溶融押出法などの押出成形であってもよい。
【００４９】
なお、多孔構造体の材料として、従来は金属板が用いられてきたが、金属製の多孔構造体は軽量化が難しく、燃費向上が重要視される飛行機や車、鉄道列車、ロケットなどの用途において、より軽い製品の登場が望まれていた。
【００５０】
一方、多孔構造体の材料として、強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させてなる繊維強化樹脂を用いた場合、軽量で剛性の高い製品が得られるものの、製造工程において、熱硬化するプリプレグを冷凍下で保管するための低温設備や、オートクレーブのための高温設備などの高価な設備が必要となり、製造コストが非常に高くなってしまう。また、孔開け加工のピッチ間隔を狭くしすぎるとバリが多くなり、層間剥離も発生するため、市場の幅広い要求に応えることは困難であった。
【００５１】
これに対し、熱可塑性樹脂および炭素繊維を含む複合材料からなる本発明の多孔構造体は、上述のとおり軽量でありながら優れた耐久性を有しており、しかも成形性が高いため、市場の要求に柔軟に対応することができる。また、基本的に既存の熱可塑性樹脂用の装置を用いて製造および成形加工を行うことができるため、コストを非常に低く抑えることができる。
【実施例】
【００５２】
以下、実施例および比較例に基づいて本発明を詳細に説明する。なお、各実施例および比較例における試験条件は、特に記載しない限り、基本的に実施例１に準じるものとする。
【００５３】
（使用した材料）
（Ａ）表材の熱可塑性樹脂
Ａ１：ナイロン６（融点：２２５℃）
Ａ２：ナイロン６６（融点：２５５℃）
Ａ３：ＰＰ（融点：１７０℃）
Ａ４：ＡＢＳ（軟化点：１１５℃）
Ａ５：ＰＰＳ（融点：２８５℃）
Ａ６：ＰＥ（融点：１１０℃）
【００５４】
（実施例１）
ナイロン６を７０重量％、炭素繊維（繊維長さ０．２０〜０．３０ｍｍの炭素繊維が、炭素繊維全体に対し５０重量％含まれている）を３０重量％含有する複合材料を用いて、厚み１．５ｍｍ、幅８００ｍｍ、長さ１１００ｍｍのシート状の基材２を１枚作成する。この基材を用いて、図５に示すパンチングマシーン８０にて多孔構造体を製造する。
まず、ナイロン６および炭素繊維を含む複合材料からなる１枚のシート状の基材２を、パンチングマシーン８０のテーブル８１に載せて、クランプ８２で固定する。そして、ストライカー８７をプレス機８８により２０ＭＰａの圧力で下方向に押圧し、上タレット８５内に摺動自在に収容された上型８６を押し下げる。上型８６の横断面形状は直径３ｍｍの円形であり、ストライカー８７によって押し下げられた上型８６は、下タレット８４に固定された下型８３との協動により基材２を打ち抜き、端面６ａから端面６ｂまで貫通する貫通孔３を基材２に形成する。貫通孔３の開口部の形状は略円形状であり、開口部の直径は３．０ｍｍである。打ち抜き後にプレス機８８によってストライカー８７を上昇させると、上型８６も元の位置に復帰される。
続いて、基材２を保持しているクランプ８２を、基材２の長手方向に対し６０度の角度をなす方向（以下、単に「斜め方向」とも称する）へ５ｍｍ移動させ、基材２を上型８６および下型８３に対し相対的に移動させた後、打ち抜き作業を行い、直径３．０ｍｍの第２の貫通孔を基材２に形成する。このとき、第２の貫通孔の軸心から第１の貫通孔の軸心までの間隔は５ｍｍであり、第２の貫通孔と第１の貫通孔の間の幅は２ｍｍである。このように、所定の方向に沿って打ち抜き工程および基材移動工程を等間隔で繰り返すことにより、等間隔に形成された貫通孔が得られる。本実施例では、上記斜め方向およびシート長手方向のそれぞれの方向に沿って５ｍｍ間隔で基材２を打ち抜くことにより、貫通孔が千鳥状（三角格子状）に配列されたシート状の多孔構造体１を得る。
得られた多孔構造体１において、貫通孔３の開口部の形状は直径３．０ｍｍの略円形状であり、開口部の中心から隣接する開口部の中心までの間隔は５ｍｍ、孔と孔の間の幅は２ｍｍであった。貫通孔３の配置は千鳥配置であり、端面の総面積に対する貫通孔の開口部の総面積の比率、すなわち開孔率は３２．６％であった。また、単位面積あたりの重さは１２６４ｇ／ｍ２であった。
【００５５】
（実施例２）
ＰＰを８０重量％、炭素繊維（繊維長さ０．２０〜０．３０ｍｍの炭素繊維が、炭素繊維全体に対し５０重量％含まれている）を２０重量％含有する複合材料を用いて、厚み１．０ｍｍ、幅８００ｍｍ、長さ１０ｍのシートを１枚作成し、パンチングマシーンのテーブル上にクランプで固定する。横断面形状が直径６ｍｍの略円形状である上型をパンチングマシーンに取り付け、シートの長手方向および上述の斜め方向（実施例１を参照）に沿って９ｍｍ間隔で基材を打ち抜くことにより、貫通孔が千鳥状に配列されたシート状の多孔構造体を得る。
得られた多孔構造体において、貫通孔の開口部の形状は直径６ｍｍの略円形状であり、開口部の中心から隣接する開口部の中心までの間隔は９ｍｍ、孔と孔の間の幅は３ｍｍであった。貫通孔の配置は千鳥配置であり、開孔率は４０．３％であった。また、単位面積あたりの重さは６５７ｇ／ｍ２であった。
【００５６】
（実施例３）
ＰＥを８５重量％、炭素繊維（繊維長さ０．２０〜０．３０ｍｍの炭素繊維が、炭素繊維全体に対し５０重量％含まれている）を１５重量％含有する複合材料を用いて、厚み０．６ｍｍ、幅８００ｍｍ、長さ１１００ｍｍのシート状の基材を１枚作成し、パンチングマシーンのテーブル上にクランプで固定する。横断面形状が一辺５ｍｍの略正方形状である上型をパンチングマシーンに取り付け、シート長手方向および幅方向に沿って８ｍｍ間隔で基材を打ち抜くことにより、貫通孔が格子状に配列されたシート状の多孔構造体を得る。
得られた多孔構造体において、貫通孔の開口部の形状は一辺５ｍｍの略正方形状であり、開口部の中心から隣接する開口部の中心までの間隔は８ｍｍ、孔と孔の間の幅は３ｍｍであった。貫通孔の配置は並列配置（格子状）であり、開孔率は３９．１％であった。また、単位面積あたりの重さは３１５ｇ／ｍ２であった。
【００５７】
（実施例４）
ナイロン６６を６５重量％、炭素繊維（繊維長さ０．２０〜０．３０ｍｍの炭素繊維が、炭素繊維全体に対し５０重量％含まれている）を３５重量％含有する複合材料を用いて、厚み０．６ｍｍ、幅８００ｍｍ、長さ１１００ｍｍのシート状の基材を１枚作成し、パンチングマシーンのテーブル上にクランプで固定する。横断面形状が一辺３ｍｍの略正方形状である上型をパンチングマシーンに取り付け、シート長手方向および幅方向に沿って５ｍｍ間隔で基材を打ち抜くことにより、貫通孔が格子状に配列されたシート状の多孔構造体を得る。
得られた多孔構造体１において、貫通孔３の開口部の形状は一辺３ｍｍの略正方形であり、孔の中心から隣接する孔の中心までの間隔は５ｍｍ、孔と孔の間の幅は２ｍｍであった。貫通孔の配置は並列配置であり、開孔率は３６％であった。また、単位面積あたりの重さは４９９／ｍ２であった。
【００５８】
（実施例５）
ＡＢＳを８５重量％、炭素繊維（繊維長さ０．２０〜０．３０ｍｍの炭素繊維が、炭素繊維全体に対し５０重量％含まれている）を３５重量％含有する複合材料を用いて、厚み０．６ｍｍ、幅８００ｍｍ、長さ１１００ｍｍのシート状の基材を１枚作成し、パンチングマシーンのテーブル上にクランプで固定する。横断面形状が直径８ｍｍの略円形状である上型をパンチングマシーンに取り付け、シートの長手方向および上述の斜め方向（実施例１を参照）に沿って１０ｍｍ間隔で基材を打ち抜くことにより、貫通孔が千鳥状に配列されたシート状の多孔構造体を得る。
得られた多孔構造体において、貫通孔の開口部の形状は直径８ｍｍの略円形状であり、開口部の中心から隣接する開口部の中心までの間隔は１０ｍｍ、孔と孔の間の幅は２ｍｍであった。貫通孔の配置は千鳥配置であり、開孔率は５８％であった。また、単位面積あたりの重さは２７７ｇ／ｍ２であった。
【００５９】
（実施例６）
ＰＰＳを８０重量％、炭素繊維（繊維長さ０．２０〜０．３０ｍｍの炭素繊維が、炭素繊維全体に対し５０重量％含まれている）を２０重量％含有する複合材料を用いて、厚み０．６ｍｍ、幅８００ｍｍ、長さ１１００ｍｍのシート状の基材を１枚作成し、パンチングマシーンのテーブル上にクランプで固定する。横断面形状が直径５ｍｍの略円形状である上型をパンチングマシーンに取り付け、８ｍｍ間隔で放射状に貫通孔を形成することにより、シート状の多孔構造体を得る。
得られた多孔構造体において、貫通孔の開口部の形状は直径５ｍｍの略円形状であり、開口部の中心から隣接する開口部の中心までの間隔は８ｍｍ、孔と孔の間の幅は３ｍｍであった。貫通孔の配置は放射状であり、開孔率は５８％であった。また、単位面積あたりの重さは３６３ｇ／ｍ２であった。
【００６０】
（実施例７）
実施例１に記載の多孔構造体１を、ヒーターおよび水冷管を備えた１個取りの金型に入れた。この金型は箱状凹金型およびそれに対応する形状の凸金型からなり、賦形部の寸法は高さ３１．５ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ１７０ｍｍであった。続いて、金型を閉じ、金型温度２３０℃、圧力１５ＭＰａの条件下で５分間加圧した。そして、水冷管にて金型を冷やし、金型を開いた後、取り出した熱プレス成形体のバリ取りを行って、複数の貫通孔を有する箱状の構造体を得た。
得られた構造体の寸法は、高さ３１．５ｍｍ、幅１５０ｍｍ、長さ１７０ｍｍであり、厚さは１．５ｍｍであった。
【００６１】
（比較例１）
厚み１．５ｍｍ、幅８００ｍｍ、長さ１１００ｍｍの鉄製のシートを基材として用いたほかは、実施例１と同様にしてシート状の多孔構造体を得た。
得られた多孔構造体１において、貫通孔３の開口部の形状は直径３．０ｍｍの略円形状であり、開口部の中心から隣接する開口部の中心までの間隔は５ｍｍ、孔と孔の間の幅は２ｍｍであった。貫通孔３の配置は千鳥配置であり、開孔率は３２．６％であった。また、単位面積あたりの重さは７９３６ｇ／ｍ２であった。
【００６２】
（比較例２）
炭素短繊維からなる不織布に液状のエポキシ樹脂を含浸させてなる繊維強化樹脂を用いて、表材を２枚作成した。また、芯材として、独立気泡構造を有するポリウレタンシート（厚み：２０ｍｍ、幅：７５０ｍｍ、長さ１０００ｍｍ）を用意した。芯材の両面に上記表材を積層し、エポキシ樹脂を芯材に含浸させた。そして、この積層体をオートクレーブに入れ、１８０℃で数時間加熱してエポキシ樹脂を硬化させてサンドイッチ構造体を得た。
このサンドイッチ構造体を基材として用いて、８０ＭＰａの圧力にて、実施例１と同様に貫通孔を形成しようと試みたところ、直径３ｍｍの貫通孔は穿設されたものの、層間剥離が発生し、所望の多孔構造体を得ることができなかった。また、端面には炭素繊維の束が露出しており、バリ取りを行う必要があった。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明の多孔構造体は、フィルター、フィルター、梱包材、断熱材、防振材、防音材などの用途に好適に利用できる。また、本発明に係る構造体は、高い剛性を保持したまま複雑な曲面形状へ成形加工することが要求される用途、例えば、航空機、ロケット、人工衛星、自動車、自動二輪車、鉄道列車、家屋などに好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００６４】
１  多孔構造体
２  基材
３  孔
４  熱可塑樹脂
５  炭素繊維
６ａ、６ｂ  端面
７０  複合材料
７１  第１の熱可塑性樹脂
７２  第２の熱可塑性樹脂
８０  パンチングマシーン
８１  テーブル
８２  クランプ
８３  下型
８４  下タレット
８５  上タレット
８６  上型
８７  ストライカー
８８  プレス機
８９  ボール
９０  ガイド孔
【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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