(57)【要約】 【課題】  目ずれを起こさず取り扱いが容易な積層体およびその製造方法を提供する。【解決手段】  本発明の積層体１は、複数の炭素繊維開繊織物からなる繊維層２と、マトリックス樹脂となる樹脂で構成されたフィルムまたは不織布などの樹脂層３とが交互に積層される。繊維層２と樹脂層３とは、樹脂層３の一部を溶融し、溶融した樹脂によって積層方向に部分的に接着している。溶融する樹脂層３の一部は図１（ｂ）の平面図に示すように、平面方向に所定のパターン形状で配置した複数の微小スポット２ａからなる。【選択図】      図１
2008201006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維開繊織物からなる繊維層と、熱可塑性樹脂からなる樹脂層とを積層した積層体であって、
超音波溶融加工によって前記樹脂層の平面方向一部分が積層方向に接着されていることを特徴とする積層体。
【請求項２】
前記樹脂層の一部分は、所定の形状を有する微小スポットであり、この微小スポットが所定のパターンで平面方向にわたって分布していることを特徴とする請求項１記載の積層体。
【請求項３】
前記炭素繊維開繊織物は、目付けが３０〜６００ｇ／ｍ２であることを特徴とする請求項１または２記載の積層体。
【請求項４】
炭素繊維開繊織物からなる繊維層と、熱可塑性樹脂からなる樹脂層とを重ね合わせ、
超音波溶融加工によって前記樹脂層の平面方向一部分を積層方向に接着することを特徴とする積層体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維開繊織物からなる繊維層と、熱可塑性樹脂からなる樹脂層とを積層した積層体およびその製造方法である。
【背景技術】
【０００２】
工業用に主に用いられる樹脂成型物は、軽量ではあるが、弾性率が低く構造用材料としては適していない。そこで、ガラスファイバのように弾性率の高い強化材と樹脂との複合材料として、軽量で強度の高い繊維強化樹脂材料が開発されている。
【０００３】
ガラスファイバを強化材として用いたものは、ＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastics）とも呼ばれ、実現されているが、更なる高強度化を実現するために炭素繊維を強化材として用いたＣＦＲＰ（Carbons Fiber Reinforced Plastics）が開発されている。
【０００４】
特許文献１記載の繊維強化樹脂材料は、炭素繊維のチョップドストランドを、ウレタン系樹脂などの熱可塑性マトリックス樹脂に混入させて成型することで、繊維強化樹脂材料を得ている。
【０００５】
特許文献２記載の繊維強化樹脂材料は、炭素繊維表面に硫酸アンモニウムなどの電解質化合物を５〜１００ｐｐｍ付着させて、熱可塑性のマトリックス樹脂に混入させて、射出成型用のペレットを得ている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１９７２３０号公報
【特許文献２】特開２００２−２１２８７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
さらなる機械特性の向上を実現するために、炭素繊維織物を強化材として用いることが考えられるが、炭素繊維織物に樹脂を含浸させることが非常に困難である。
【０００８】
また、炭素繊維開繊織物を強化材として用いる場合は、炭素繊維開繊織物を複数層重ね合わせた積層体を予め形成することが必要であるが、積層する際に炭素繊維開繊織物の目ずれが起こってしまい、積層体自体の取り扱いが非常に困難である。
【０００９】
本発明の目的は、目ずれを起こさず取り扱いが容易な積層体およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、炭素繊維開繊織物からなる繊維層と、熱可塑性樹脂からなる樹脂層とを積層した積層体であって、
超音波溶融加工によって前記樹脂層の平面方向一部分が積層方向に接着されていることを特徴とする積層体である。
【００１１】
また本発明は、前記樹脂層の一部分は、所定の形状を有する微小スポットであり、この微小スポットが所定のパターンで平面方向にわたって分布していることを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、前記炭素繊維開繊織物は、目付けが３０〜６００ｇ／ｍ２であることを特徴とする。
【００１３】
また本発明は、炭素繊維開繊織物からなる繊維層と、熱可塑性樹脂からなる樹脂層とを重ね合わせ、
超音波溶融加工によって前記樹脂層の平面方向一部分を積層方向に接着することを特徴とする積層体の製造方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、炭素繊維開繊織物からなる繊維層と、熱可塑性樹脂からなる樹脂層とを積層した積層体である。超音波溶融加工によって前記樹脂層の平面方向一部分が溶融されており、この溶融部分において、各層が積層方向に接着されている。
【００１５】
超音波溶融加工によって熱可塑性樹脂の一部分を溶融させることで、積層方向に接着する部分を局所的に形成することができる。
これにより、目ずれを起こさず取り扱いが容易な積層体を実現することができる。
【００１６】
また本発明によれば、前記樹脂層の一部分は、所定の形状を有する微小スポットであり、この微小スポットが所定のパターンで平面方向にわたって分布している。
【００１７】
これにより、積層体の層構成などに応じて最適な接着部分が形成された積層体を実現することができる。
【００１８】
また本発明によれば、目付けが３０〜６００ｇ／ｍ２の炭素繊維開繊織物を繊維層として用いることができる。
【００１９】
また本発明によれば、まず、炭素繊維開繊織物からなる繊維層と、熱可塑性樹脂からなる樹脂層とを重ね合わせ、次に、超音波溶融加工によって前記樹脂層の平面方向一部分を積層方向に接着する。
【００２０】
超音波溶融加工によって熱可塑性樹脂の一部分を溶融させることで、積層方向に接着する部分を局所的に形成することができる。
これにより、目ずれを起こさず取り扱いが容易な積層体を製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は、本発明の実施の一形態である積層体１の構成を示す図である。図１（ａ）は積層体１の断面図であり、図１（ｂ）は積層体１の平面図である。
【００２２】
積装体１は、複数の炭素繊維開繊織物からなる繊維層２と、マトリックス樹脂となる樹脂で構成されたフィルムまたは不織布などの樹脂層３とが交互に積層されたものである。
【００２３】
なお、本実施形態では、樹脂層３が３層、繊維層２が２層からなる全５層の積層体１について説明するが、積層体１の全総数、樹脂層３の数、繊維層２の数はこれに限らず、繊維体積含有率Ｖｆなどが所望の値、たとえば５０〜６０％となるように適宜設定することができる。
【００２４】
繊維層２と樹脂層３とは、樹脂層３の一部を溶融し、溶融した樹脂によって積層方向に部分的に接着している。ここで、溶融する樹脂層３の一部は図１（ｂ）の平面図に示すように、平面方向に所定のパターン形状で配置した複数の微小スポット２ａからなる。
【００２５】
微小スポット２ａは、超音波溶融加工によって形成される接着部分である。超音波溶融加工によって樹脂層３の熱可塑性樹脂の微小スポットに相当する部分を溶融させることで、積層方向に接着する部分を局所的に形成することができる。さらに、微小スポット２ａのような局所的な接着部分を平面方向に分布させることで積層体１全体にわたって積層方向に接着固定することが可能となる。
【００２６】
微小スポット２ａの大きさおよび隣接する微小スポット同士の間隔を所定の値に設定するとともに、微小スポット２ａの平面方向の分布パターンを設定することによって、積層方向に十分な接着強度を実現することが可能となる。
【００２７】
微小スポット２ａの形状としては、たとえば、真円形状、楕円形状、矩形状などが挙げられる。微小スポット２ａの大きさは、真円形状の場合、直径は１〜５ｍｍが好ましく、楕円形状の場合、長径は１〜５０ｍｍ、短径は０．５〜１０ｍｍが好ましく、矩形状の場合、長辺は１〜５０ｍｍ、短辺は０．５〜１０ｍｍが好ましい。
隣接する微小スポット２ａ同士の間隔は、たとえば０〜５０ｍｍが好ましい。
【００２８】
微小スポット２ａの平面方向の分布パターンは、主に３つのパターンからなる。
第１のパターンは、複数の微小スポット２ａを直線または曲線配列し、さらに、この微小スポット配列を複数列設けるパターンであり、第２のパターンは、図２の平面図に示すように、全面にわたって一様に分布させるパターンであり、第３のパターンは、図３の平面図に示すように、複数の微小スポットによって形成された形状パターン、図３では、たとえば木の葉のような形状パターンを、全面にわたって複数個配置するパターンである。
【００２９】
以下では各パターンについて、説明する。
（第１のパターン）
第１のパターンの典型的な例は、前述したように図１（ｂ）に示すパターンである。
【００３０】
図１（ｂ）に示すパターンは、微小スポット２ａの直線配列を格子状に配置したパターンである。微小スポット２ａの形状は、楕円形状で、長径が２ｍｍ、短径が１ｍｍであり、直線配列中の隣接スポット間隔は２ｍｍである。また、格子点のピッチは２５ｍｍとしている。
【００３１】
このような格子状配置の場合、微小スポット２ａの大きさや、格子点のピッチを変えることで種々のパターンを実現することができる。
【００３２】
たとえば、微小スポット２ａを真円形状（直径１．５ｍｍ）とし、格子点ピッチを５５ｍｍとするパターンなども使用することができる。
【００３３】
図４〜９は、微小スポットの第１のパターンの他の例を示す図である。
図４に示すパターンは、微小スポット２ａの直線配列を等間隔で平行に配置したパターンである。
【００３４】
図５に示すパターンは、微小スポット２ａの波線配列を等間隔で平行に配置したパターンである。また、隣接する２つの波線同士は、周期を１／２ずらした波線を交互に配置している。
【００３５】
図６に示すパターンは、微小スポット２ａの波線配列を平行に配置したパターンである。３本の波線を重ね合わせた配列を１グループとして、複数のグループを５０ｍｍ間隔で配置している。３本の波線を重ね合わせたグループ内では、３本のうち２本は、同じ周期で、波線間の間隔が５ｍｍとなるように横方向に間隔を空けて配置し、残りの１本は周期をずらして、他の２本の波線と交差するように配置している。
【００３６】
図７に示すパターンは、微小スポット２ａの波線配列を平行に配置するとともに、配列方向を３つの異なる方向とすることで、３本の波線が特定箇所で交差するように配置したパターンである。交差点間のピッチは、たとえば６６ｍｍとなるように配置している。
【００３７】
図８に示すパターンは、微小スポット２ａの波線配列を平行に配置したパターンである。２本の波線を１グループとし、複数のグループを４１．２５ｍｍ間隔で配置している。グループ内の２本の波線は周期が同じであるが振幅が異なるので、周期に応じて２本の波線が交差するように配置されている。
【００３８】
図９に示すパターンは、微小スポット２ａの直線配列を格子状に配置し、各格子点において円形配置としたパターンである。格子点のピッチは４６．６７ｍｍとしている。
【００３９】
図１０は、第２のパターンの他の例を示す図である。
図１０に示すパターンは、図２に示したパターンとは、微小スポット２ｐの大きさおよび配置間隔が異なっている。
【００４０】
図１１〜１５は、第３のパターンの他の例を示す図である。
図１１に示すパターンは、４つの半円が互いに外側に凸となるように組み合わせた形状パターンを、縦横方向に互いに接するように配置したパターンである。
【００４１】
図１２に示すパターンは、正六角形の形状パターンを、各辺で隣接するように配置したパターンである。正六角形の一辺は、２０．２ｍｍとしている。
【００４２】
図１３に示すパターンは、いわゆるジグソーパズルのような形状パターンを全面に配置したパターンである。
【００４３】
図１４に示すパターンは、向かい合う１周期分の波線２本と、向かい合う半周期分の波線２本とで囲まれた略矩形状の形状パターンを全面に配置したパターンである。
【００４４】
図１５に示すパターンは、いわゆる鳥の羽に似た形状パターンを全面に配置したパターンである。
【００４５】
上記に示したパターンは、微小スポット２ａの配置を示すパターン例であり、図示したパターンに限定されるものではない。
【００４６】
また、上記のようなパターンに配置した微小スポット２ａは、既存の超音波溶融加工装置、たとえばEVER GREEN ULTRASONIC社製、商品名EGQ-8830などを用いて加工することが可能である。本装置は、エンボス加工用の装置であり、加工ローラ表面のパターンを、未接着状態の積層体の樹脂層表面に転写することで積層方向に接着固定された積層体が得られる。
【００４７】
次に繊維層２および樹脂層３について説明する。
繊維層２は、炭素繊維開繊織物からなる。炭素繊維開繊織物は、既存の開繊した炭素繊維を使用することができるが、たとえば、繊維径３〜１０μｍが好ましい。
【００４８】
繊維層２の目付けは、積層体１に所望の特性に応じて選択可能であり、たとえば、３０〜６００ｇ／ｍ２であることが好ましい。
繊維層２の厚みは、積層体１に所望の特性に応じて選択可能であり、たとえば１５〜３５０μｍであることが好ましい。
【００４９】
樹脂層３は、マトリックス樹脂となる樹脂で構成されたフィルムまたは不織布からなる。本発明の積層体に用いられる樹脂としては、熱可塑性樹脂が好適に用いられ、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、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などが挙げられ、特にポリエチレン、ポリカーボネート、ポリプロピレンが好ましい。
【００５０】
樹脂層３の厚みは、積層体１に所望の特性に応じて選択可能であり、
たとえば１５〜３５０μｍであることが好ましい。
【００５１】
フィルムを用いた場合は、取り扱いがより容易であり、不織布を用いた場合は、厚みがより薄いものを実現することができる。
【００５２】
なお、本発明の積層体は、積層体そのものを各種工業用の構造体として使用することも可能であるが、積層体を任意の形状に加工した後、プレス成形などによって、樹脂層３を溶融して炭素繊維強化樹脂とすることが好ましい。
【００５３】
積層体１は、微小スポット部分で溶融接着されているので、繊維層の目ずれなどが発生せず、形状加工に際して取り扱いが容易となる。
【００５４】
（実施例）
本発明の積層体１を以下のような条件で作製した。
・実施例１
繊維層２には、１層当たり目付けが７０ｇ／ｍ２、厚みが３８μｍの炭素繊維開繊織物を用いた。
【００５５】
樹脂層３には、樹脂融点が１１０度、１層当たりの厚みが３０μｍのポリエチレンフィルムを用いた。
【００５６】
層構成は、繊維層２を４層、樹脂層３を５層とし、樹脂層３が積層方向の最外層となるように交互に積層した。
【００５７】
超音波溶融加工は、前述の加工装置を用いて、各層の送り速度を３．０ｍ／ｍｉｎ、ホーン圧を２．０ｋｇ／ｃｍ２、隙間を０．０４ｍｍとし、図１（ａ）に示した第１のパターンである格子状パターンとした。
【００５８】
・実施例２
繊維層２には、１層当たり目付けが２００ｇ／ｍ２、厚みが１１５μｍの炭素繊維開繊織物を用いた。
【００５９】
樹脂層３には、樹脂融点が２４０度、１層当たりの厚みが１００μｍのポリカーボネートフィルムを用いた。
【００６０】
層構成は、繊維層２を４層、樹脂層３を５層とし、樹脂層３が積層方向の最外層となるように交互に積層した。
【００６１】
超音波溶融加工は、前述の加工装置を用いて、各層の送り速度を３．０ｍ／ｍｉｎ、ホーン圧を３．０ｋｇ／ｃｍ２とし、図１（ａ）に示した第１のパターンである格子状パターンとした。
【００６２】
・実施例３
繊維層２には、１層当たり目付けが７０ｇ／ｍ２、厚みが３８μｍの炭素繊維開繊織物を用いた。
【００６３】
樹脂層３には、樹脂融点が１６２度、１層当たりの厚みが２０μｍのポリプロピレン不織布を用いた。
【００６４】
層構成は、繊維層２を４層、樹脂層３を５層とし、樹脂層３が積層方向の最外層となるように交互に積層した。
【００６５】
超音波溶融加工は、前述の加工装置を用いて、各層の送り速度を３．０ｍ／ｍｉｎ、ホーン圧を３．０ｋｇ／ｃｍ２とし、図１（ａ）に示した第１のパターンである格子状パターンとした。
【００６６】
いずれの実施例においても、積層方向に十分な強度で接着され、繊維層の目ずれも発生しなかった。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の実施の一形態である積層体１の構成を示す図である。
【図２】微小スポットの分布の第２のパターンを示す積層体１の平面図である。
【図３】微小スポットの分布の第３のパターンを示す積層体１の平面図である。
【図４】第１のパターンの他の例を示す図である。
【図５】第１のパターンの他の例を示す図である。
【図６】第１のパターンの他の例を示す図である。
【図７】第１のパターンの他の例を示す図である。
【図８】第１のパターンの他の例を示す図である。
【図９】第１のパターンの他の例を示す図である。
【図１０】第２のパターンの他の例を示す図である。
【図１１】第３のパターンの他の例を示す図である。
【図１２】第３のパターンの他の例を示す図である。
【図１３】第３のパターンの他の例を示す図である。
【図１４】第３のパターンの他の例を示す図である。
【図１５】第３のパターンの他の例を示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  積層体
２  繊維層
２ａ  微小スポット
３  樹脂層
【図１】
2008201006.tif 000003
【図２】
2008201006.tif 000004
【図３】
2008201006.tif 000005
【図４】
2008201006.tif 000006
【図５】
2008201006.tif 000007
【図６】
2008201006.tif 000008
【図７】
2008201006.tif 000009
【図８】
2008201006.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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