(57)【要約】【課題】機械的物性の高い成形品を得ることができる高品質の熱可塑性プリプレグを、低い製造コストで、かつ安定して製造することができる方法を提供する。【解決手段】（ａ）強化繊維束１０の両面を溶融状態の熱可塑性樹脂によって被覆して、樹脂被覆強化繊維束１２とするステップと、（ｂ）加圧手段（ニップロール２４）で圧力を加える直前の樹脂被覆強化繊維束１２における熱可塑性樹脂の温度Ｔ１、樹脂被覆強化繊維束１２と接する加圧手段の接触面の温度Ｔ２、熱可塑性樹脂のガラス転移温度Ｔｇまたは結晶化温度Ｔｃが特定の関係を満足する条件の下で、樹脂被覆強化繊維束１２に加圧手段によって圧力を加えて、強化繊維束１０に熱可塑性樹脂が含浸した熱可塑性プリプレグ１４とするステップとを有する、熱可塑性プリプレグの製造方法。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）強化繊維束の両面を溶融状態の熱可塑性樹脂によって被覆して、樹脂被覆強化繊維束とするステップと、
（ｂ）前記熱可塑性樹脂が結晶性樹脂の場合は下記条件１の下で、前記熱可塑性樹脂が非晶性樹脂の場合は下記条件２の下で、前記樹脂被覆強化繊維束に加圧手段によって圧力を加えて、前記強化繊維束に前記熱可塑性樹脂が含浸した熱可塑性プリプレグとするステップと
を有する、熱可塑性プリプレグの製造方法。
（条件１）前記加圧手段によって圧力を加える直前の前記樹脂被覆強化繊維束における前記熱可塑性樹脂の温度Ｔ１（℃）、前記樹脂被覆強化繊維束と接する前記加圧手段の接触面の温度Ｔ２（℃）、および前記熱可塑性樹脂の結晶化温度Ｔｃ（℃）が、下記式（１−１）の関係および下記式（１−２）の関係を満足する温度条件。
Ｔｃ＜Ｔ１  ・・・（１−１）
Ｔｃ−１２０≦Ｔ２≦Ｔｃ＋２２  ・・・（１−２）
（条件２）前記加圧手段によって圧力を加える直前の前記樹脂被覆強化繊維束における前記熱可塑性樹脂の温度Ｔ１（℃）、前記樹脂被覆強化繊維束と接する前記加圧手段の接触面の温度Ｔ２（℃）、および前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度Ｔｇ（℃）が、下記式（２−１）の関係および下記式（２−２）の関係を満足する温度条件。
Ｔｇ＜Ｔ１  ・・・（２−１）
Ｔｇ−１５０≦Ｔ２＜Ｔｇ  ・・・（２−２）
【請求項２】
前記樹脂被覆強化繊維束を０．１〜２５ｍ／ｍｉｎの速度で移動させながら、前記樹脂被覆強化繊維束に前記加圧手段によって圧力を加える、請求項１に記載の熱可塑性プリプレグの製造方法。
【請求項３】
前記ステップ（ｂ）を、２〜１０回繰り返す、請求項１または２に記載の熱可塑性プリプレグの製造方法。
【請求項４】
前記加圧手段が、一対のロールからなるニップロール、またはキャストロールとスリーブベルトとを組み合わせた加圧手段である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱可塑性プリプレグの製造方法。
【請求項５】
前記ステップ（ｂ）において、前記加圧手段によって圧力を加える前に、前記樹脂被覆強化繊維束を加熱手段によって加熱する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の熱可塑性プリプレグの製造方法。
【請求項６】
前記加熱手段が、非接触方式の加熱手段である、請求項５に記載の熱可塑性プリプレグの製造方法。
【請求項７】
前記強化繊維束が、ウェブ状に開繊した強化繊維束である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の熱可塑性プリプレグの製造方法。
【請求項８】
前記強化繊維が、炭素繊維である、請求項１〜７のいずれか一項に記載の熱可塑性プリプレグの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性プリプレグの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化複合材料は、軽量かつ高強度であることから、様々な用途に用いられている。特に、長繊維強化複合材料は、軽量、高強度かつ高剛性であることから、金属材料に代わるものとして、スポーツ・レジャー用途（ゴルフクラブ、テニスラケット等）から輸送機器（航空機、船舶、鉄道車両、自動車等）等の産業用途まで幅広く用いられている。近年では、エネルギー枯渇の懸念による燃費向上のニーズ、電気自動車やハイブリッド自動車の台頭等を背景に、自動車の軽量化が要望されている。繊維強化複合材料は、自動車の軽量化に大きく貢献し得る材料として、自動車分野において需要が爆発的に伸びると期待されている。
【０００３】
しかし、自動車用部材に繊維強化複合材料を用いるためには、様々な課題がある。例えば、強化繊維束に熱硬化性樹脂を含浸させた従来のプリプレグを積層した繊維強化複合材料は、自動車用部材への成形加工性が著しく悪い。そのため、従来の繊維強化複合材料では、自動車用部材の製造で必須となる高い生産性と低い加工コストを達成できない。
そこで、熱硬化性樹脂の代わりに後成形が容易な熱可塑性樹脂を用いた繊維強化複合材料、すなわち強化繊維束に熱可塑性樹脂を含浸させた熱可塑性プリプレグが要望されている。
【０００４】
熱可塑性プリプレグの製造方法としては、例えば、下記の方法が知られている。
（１）強化繊維束の両面に熱可塑性樹脂フィルムを重ねた積層体を、一対の離型シートで挟んだ状態で、一対のロールからなるプレスロールの複数に通しながら、プレスロールの上方および下方に配置された加熱ヒータによって加熱することによって、熱可塑性樹脂を強化繊維束間に含浸させ、熱可塑性プリプレグを製造する方法（特許文献１の段落［０００６］）。
（２）含浸槽中にて強化繊維束に溶融状態の熱可塑性樹脂を含浸させて樹脂含浸強化繊維束とした後、熱可塑性樹脂が固化する前に一対のエンドレスベルトからなるダブルベルトプレスに樹脂含浸強化繊維束を通して冷却賦形することによって熱可塑性プリプレグを製造する方法（特許文献２）。
【０００５】
しかし、（１）の方法では、離型シートを用いているため、下記の問題がある。
・離型シートを用いる分だけ熱可塑性プリプレグの製造コストが高くなる。
・積層体とともに離型シートも加熱する必要があるため、熱効率が悪くなる。
・プレスロールに積層体を通す際の温度が、離型シートの耐熱性によって制限されてしまう。
【０００６】
（２）の方法では、含浸槽中に溶融状態の熱可塑性樹脂が長時間にわたって滞留するため、熱可塑性樹脂が熱によって劣化する。強化繊維束に劣化した熱可塑性樹脂が含浸した熱可塑性プリプレグを用いた場合、最終的に得られる成形品の機械的物性が低下するおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−１８１８３２号公報
【特許文献２】特開平１０−３０５４９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明者は、離型シートを用いることなく熱可塑性プリプレグを製造する方法を検討した。しかし、離型シートを用いることなく、強化繊維束の両面に熱可塑性樹脂フィルムを重ねた積層体を、加熱しながらプレスロールに直接通すと、強化繊維の乱れが発生したり、熱可塑性樹脂がロールに付着してロールからの熱可塑性プリプレグの剥離が不安定になったりした。そのため、熱可塑性プリプレグを安定して製造することが困難であった。
【０００９】
本発明は、機械的物性の高い成形品を得ることができる高品質の熱可塑性プリプレグを、低い製造コストで、かつ安定して製造することができる方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、下記の態様を有する。
［１］（ａ）強化繊維束の両面を溶融状態の熱可塑性樹脂によって被覆して、樹脂被覆強化繊維束とするステップと、（ｂ）前記熱可塑性樹脂が結晶性樹脂の場合は下記条件１の下で、前記熱可塑性樹脂が非晶性樹脂の場合は下記条件２の下で、前記樹脂被覆強化繊維束に加圧手段によって圧力を加えて、前記強化繊維束に前記熱可塑性樹脂が含浸した熱可塑性プリプレグとするステップとを有する、熱可塑性プリプレグの製造方法。
（条件１）前記加圧手段によって圧力を加える直前の前記樹脂被覆強化繊維束における前記熱可塑性樹脂の温度Ｔ１（℃）、前記樹脂被覆強化繊維束と接する前記加圧手段の接触面の温度Ｔ２（℃）、および前記熱可塑性樹脂の結晶化温度Ｔｃ（℃）が、下記式（１−１）の関係および下記式（１−２）の関係を満足する温度条件。
Ｔｃ＜Ｔ１  ・・・（１−１）
Ｔｃ−１２０≦Ｔ２≦Ｔｃ＋２２  ・・・（１−２）
（条件２）前記加圧手段によって圧力を加える直前の前記樹脂被覆強化繊維束における前記熱可塑性樹脂の温度Ｔ１（℃）、前記樹脂被覆強化繊維束と接する前記加圧手段の接触面の温度Ｔ２（℃）、および前記熱可塑性樹脂のガラス転移温度Ｔｇ（℃）が、下記式（２−１）の関係および下記式（２−２）の関係を満足する温度条件。
Ｔｇ＜Ｔ１  ・・・（２−１）
Ｔｇ−１５０≦Ｔ２＜Ｔｇ  ・・・（２−２）
［２］前記樹脂被覆強化繊維束を０．１〜２５ｍ／ｍｉｎの速度で移動させながら、前記樹脂被覆強化繊維束に前記加圧手段によって圧力を加える、［１］の熱可塑性プリプレグの製造方法。
［３］前記ステップ（ｂ）を、２〜１０回繰り返す、［１］または［２］の熱可塑性プリプレグの製造方法。
［４］前記加圧手段が、一対のロールからなるニップロール、またはキャストロールとスリーブベルトとを組み合わせた加圧手段である、［１］〜［３］のいずれかの熱可塑性プリプレグの製造方法。
［５］前記ステップ（ｂ）において、前記加圧手段によって圧力を加える前に、前記樹脂被覆強化繊維束を加熱手段によって加熱する、［１］〜［４］のいずれかの熱可塑性プリプレグの製造方法。
［６］前記加熱手段が、非接触方式の加熱手段である、［５］の熱可塑性プリプレグの製造方法。
［７］前記強化繊維束が、ウェブ状に開繊した強化繊維束である、［１］〜［６］のいずれかの熱可塑性プリプレグの製造方法。
［８］前記強化繊維が、炭素繊維である、［１］〜［７］のいずれかの熱可塑性プリプレグの製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の熱可塑性プリプレグの製造方法によれば、機械的物性の高い成形品を得ることができる高品質の熱可塑性プリプレグを、低い製造コストで、かつ安定して製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】加圧手段の一例を示す概略構成図である。
【図２】加圧手段の他の例を示す概略構成図である。
【図３】加圧手段の他の例を示す概略構成図である。
【図４】加圧手段の他の例を示す概略構成図である。
【図５】加圧手段の他の例を示す概略構成図である。
【図６】熱可塑性プリプレグの製造装置の一例を示す概略構成図である。
【図７】熱可塑性プリプレグの製造装置の他の例を示す概略構成図である。
【図８】熱可塑性プリプレグの製造装置の他の例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の用語の定義は、本明細書および特許請求の範囲にわたって適用される。
「結晶性樹脂」とは、示差走査熱量測定（以下、ＤＳＣと記す。）において融点が現れる熱可塑性樹脂を意味する。
「非晶性樹脂」とは、ＤＳＣにおいて融点が現れない熱可塑性樹脂を意味する。
「加圧手段によって圧力を加える直前の樹脂被覆強化繊維束における熱可塑性樹脂の温度Ｔ１」とは、放射温度計等の非接触温度計で測定した熱可塑性樹脂の表面温度を意味する。
「融点」は、ＪＩＳ  Ｋ  ７１２１：１９８７に準じ、ＤＳＣで求めた融解ピーク温度である。
「ガラス転移温度」は、ＪＩＳ  Ｋ  ７１２１：１９８７に準じ、ＤＳＣで求めた中間点ガラス転移温度である。
「結晶化温度」は、ＪＩＳ  Ｋ  ７１２１：１９８７に準じ、ＤＳＣで求めた結晶化ピーク温度である。
【００１４】
＜熱可塑性プリプレグ＞
本発明の熱可塑性プリプレグの製造方法で得られる熱可塑性プリプレグは、シート状の強化繊維束に熱可塑性樹脂が含浸したものである。
【００１５】
（強化繊維束）
シート状の強化繊維束としては、例えば、強化繊維が一方向に引き揃えられた強化繊維束；該強化繊維束の２束から数十束を平行に並べたもの；強化繊維が一方向に引き揃えられた強化繊維束の１束から数十束を開繊してウェブ状に拡げたもの；強化繊維の織物等が挙げられる。
強化繊維束としては、繊維目付の均一性を確保しやすい点から、ウェブ状に開繊した強化繊維束が好ましい。
【００１６】
強化繊維としては、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等が挙げられる。
無機繊維としては、例えば、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、ガラス繊維等が挙げられる。
有機繊維としては、例えば、アラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維等が挙げられる。
金属繊維としては、例えば、ステンレスの繊維、鉄の繊維、金属を被覆した炭素繊維等が挙げられる。
【００１７】
強化繊維としては、最終的に得られる成形品の機械的物性および軽量化の点から、炭素繊維が好ましい。
強化繊維の平均繊維直径は、１〜５０μｍが好ましく、５〜２０μｍがより好ましい。
【００１８】
本発明の熱可塑性プリプレグに含まれる強化繊維の体積割合は、２０〜５５体積％が好ましく、３０〜５０体積％がより好ましい。強化繊維の体積割合が高いほど、成形品の機械的物性が高くなる。ただし、強化繊維の体積割合が高すぎる場合には、強化繊維束への熱可塑性樹脂の含浸が困難になり、生産性が悪化する恐れがある。
【００１９】
（熱可塑性樹脂）
熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリアミド（ナイロン６、ナイロン６６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）、ポリカーボネイト、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、アクリロニトリル−スチレン共重合体等が挙げられる。
熱可塑性樹脂は、１種を単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。ナイロン６とナイロン６６との共重合体ナイロンのように共重合したものであってもよい。
【００２０】
熱可塑性樹脂としては、熱可塑性プリプレグの物性等をより良好にすることができる点から、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルイミド、およびこれら樹脂の変性樹脂からなる群から選ばれる１種以上の熱可塑性樹脂が好ましい。
【００２１】
熱可塑性樹脂には、成形品の要求物性に応じて、各種添加剤（難燃剤、耐候性改良剤、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）を添加してもよい。
【００２２】
＜熱可塑性プリプレグの製造方法＞
本発明の熱可塑性プリプレグの製造方法は、下記のステップ（ａ）およびステップ（ｂ）を有する方法である。
（ａ）強化繊維束の両面を溶融状態の熱可塑性樹脂によって被覆して、樹脂被覆強化繊維束とするステップ。
（ｂ）前記ステップ（ａ）に続いて、特定の温度条件の下で、樹脂被覆強化繊維束に加圧手段によって圧力を加えて、強化繊維束に熱可塑性樹脂が含浸した熱可塑性プリプレグとするステップ。
【００２３】
（ステップ（ａ））
強化繊維束の表面を溶融状態の熱可塑性樹脂によって被覆する方法（以下、被覆方法と記す。）としては、溶融状態の熱可塑性樹脂を強化繊維束の表面に塗布する方法；パウダー状の熱可塑性樹脂を強化繊維束の表面に配置した状態で熱可塑性樹脂を溶融させる方法；フィルム状の熱可塑性樹脂を強化繊維束の表面に配置した状態で熱可塑性樹脂を溶融させる方法等が挙げられる。
【００２４】
被覆方法としては、製造コストを低く抑える点からは、溶融状態の熱可塑性樹脂を強化繊維束の表面に塗布する方法が好ましい。パウダー状やフィルム状の熱可塑性樹脂を用いる方法では、熱可塑性樹脂をパウダー状やフィルム状に加工する必要があり、製造コストが高くなる。
【００２５】
溶融状態の熱可塑性樹脂を強化繊維束の表面に塗布する方法としては、押出機等のダイから溶融状態の熱可塑性樹脂を強化繊維束の表面に押し出す方法；押出機等のクロスダイから溶融状態の熱可塑性樹脂をクロスダイを通過する強化繊維束の表面に押し出す方法；カレンダー法によって熱可塑性樹脂を強化繊維束の表面に塗布する方法等が挙げられる。
【００２６】
ダイから溶融状態の熱可塑性樹脂を押し出す場合、ダイから押し出される溶融状態の熱可塑性樹脂の粘度（溶融粘度）は、７０〜３００Ｐａ・ｓが好ましい。熱可塑性樹脂の溶融粘度が前記範囲内であれば、溶融状態の熱可塑性樹脂が強化繊維束に対して良好に濡れ拡がり、開繊されていない強化繊維束であっても、その表面に溶融状態の熱可塑性樹脂を確実に塗布できる。
【００２７】
本発明においては、強化繊維束の両面を溶融状態の熱可塑性樹脂によって被覆する。強化繊維束の片面のみを溶融状態の熱可塑性樹脂によって被覆した場合、強化繊維束への熱可塑性樹脂の含浸の度合い（以下、含浸性とも記す。）が不十分となり、強化繊維の乱れが発生し、熱可塑性プリプレグを安定して製造することができない。また、熱可塑性プリプレグの表面に強化繊維が露出するため、熱可塑性プリプレグが不良品となる。一方、強化繊維束の両面を溶融状態の熱可塑性樹脂によって被覆した場合、強化繊維束への熱可塑性樹脂の含浸長さが半分となり、また、熱可塑性樹脂で挟まれた強化繊維束の内部が保温されるため、後述するステップ（ｂ）における強化繊維束への熱可塑性樹脂の含浸性がよくなる。そのため、良質な熱可塑性プリプレグを安定して製造することができる。
【００２８】
（ステップ（ｂ））
加圧手段としては、例えば、下記のものが挙げられる。
図１に示すような、一対のロール１０２からなるニップロール１０４（プレスロール）。ニップロール１０４においては、一対のロール１０２の間にシート状の樹脂被覆強化繊維束１００を通し、熱可塑性プリプレグ２００とする。
図２に示すような、２本のロール間にベルトが架け渡されたエンドレスベルト１０６の一対からなるダブルベルトプレス１０８。
図３に示すような、エンドレスベルトからなる搬送ベルト１１０のベルトを挟むように一対のロール１１２からなるプレスロール１１４の複数が配置された加圧手段１１６。
図４に示すような、キャストロール１１８と、キャストロール１１８の表面にベルトが沿うように配置されたエンドレスベルトからなるスリーブベルト１２０とを有する加圧手段１２２。加圧手段１２２においては、キャストロール１１８とスリーブベルト１２０のベルトとの間に樹脂被覆強化繊維束１００を通し、熱可塑性プリプレグ２００とする。
図５に示すような、エンドレスベルトからなる搬送ベルト１２４のベルトを挟むように一対の面板１２６からなる面板プレス１２８の複数が配置された加圧手段１３０。
【００２９】
加圧手段としては、装置の初期投資と熱効率の点から、一対のロール１０２からなるニップロール１０４、またはキャストロール１１８とスリーブベルト１２０とを組み合わせた加圧手段１２２が好ましい。
【００３０】
加圧手段において、樹脂被覆強化繊維束に加わる圧力を制御する方法としては、圧力制御手段を用いる方法；加圧手段（ロール等）の自重による方法；一対のロール間、一対のエンドレスベルト間、またはロールとエンドレスベルトとの間のクリアランスを調整する方法等が挙げられる。
圧力制御手段としては、エアシリンダ、バネ、油圧シリンダ等が挙げられる。
【００３１】
加圧手段によって樹脂被覆強化繊維束に加わる圧力は、０．１〜１００ｋｇ／ｃｍが好ましく、０．５〜３０ｋｇ／ｃｍがより好ましい。樹脂被覆強化繊維束に加わる圧力が前記範囲の下限値以上であれば、強化繊維束への熱可塑性樹脂の含浸性がさらによくなる。また、熱可塑性樹脂の固化がさらに十分となり、熱可塑性プリプレグの加圧手段からの離型性がさらによくなる。樹脂被覆強化繊維束に加わる圧力が前記範囲の上限値以下であれば、強化繊維の乱れが十分に抑えられ、熱可塑性プリプレグをさらに安定して製造することができる。また、熱可塑性樹脂の加圧手段への付着がさらに抑えられ、熱可塑性プリプレグの加圧手段からの離型性がさらによくなる。
【００３２】
ステップ（ｂ）においては、樹脂被覆強化繊維束を０．１〜２５ｍ／ｍｉｎの速度（以下、ライン速度とも記す。）で移動させながら、樹脂被覆強化繊維束に加圧手段によって圧力を加えることが好ましい。ライン速度は、５〜２０ｍ／ｍｉｎがより好ましい。ライン速度が前記範囲の下限値以上であれば、熱可塑性プリプレグの生産性が向上する。ライン速度が前記範囲の上限値以下であれば、強化繊維束への熱可塑性樹脂の含浸性がさらによくなる。また、熱可塑性樹脂の固化がさらに十分となり、熱可塑性プリプレグの加圧手段からの離型性がさらによくなる。
【００３３】
ステップ（ｂ）における温度条件は、熱可塑性樹脂が結晶性樹脂の場合は下記条件１とする。
（条件１）加圧手段によって圧力を加える直前の樹脂被覆強化繊維束における熱可塑性樹脂の温度Ｔ１（℃）、樹脂被覆強化繊維束と接する加圧手段の接触面の温度Ｔ２（℃）、および熱可塑性樹脂の結晶化温度Ｔｃ（℃）が、下記式（１−１）の関係および下記式（１−２）の関係を満足する温度条件。
Ｔｃ＜Ｔ１  ・・・（１−１）
Ｔｃ−１２０≦Ｔ２≦Ｔｃ＋２２  ・・・（１−２）
【００３４】
Ｔ１がＴｃよりも高ければ、熱可塑性樹脂の固化が始まっていないため、強化繊維束への熱可塑性樹脂の含浸性がよくなる。
Ｔ２が（Ｔｃ−１２０）℃以上であれば、熱可塑性樹脂が急速に固化することがないため、強化繊維束への熱可塑性樹脂の含浸性がよくなる。
Ｔ２が（Ｔｃ＋２２）℃以下であれば、熱可塑性樹脂が十分に冷却されるため、熱可塑性樹脂の固化が十分となり、熱可塑性プリプレグの加圧手段からの離型性がよくなる。また、強化繊維の乱れが発生しにくい。
【００３５】
ステップ（ｂ）における温度条件は、熱可塑性樹脂が非晶性樹脂の場合は下記条件２とする。
（条件２）加圧手段によって圧力を加える直前の樹脂被覆強化繊維束における熱可塑性樹脂の温度Ｔ１（℃）、樹脂被覆強化繊維束と接する加圧手段の接触面の温度Ｔ２（℃）、および熱可塑性樹脂のガラス転移温度Ｔｇ（℃）が、下記式（２−１）の関係および下記式（２−２）の関係を満足する温度条件。
Ｔｇ＜Ｔ１  ・・・（２−１）
Ｔｇ−１５０≦Ｔ２＜Ｔｇ  ・・・（２−２）
【００３６】
Ｔ１がＴｇよりも高ければ、熱可塑性樹脂の固化が始まっていないため、強化繊維束への熱可塑性樹脂の含浸性がよくなる。
Ｔ２が（Ｔｇ−１５０）℃以上であれば、熱可塑性樹脂が急速に固化することがないため、強化繊維束への熱可塑性樹脂の含浸性がよくなる。
Ｔ２がＴｇよりも低ければ、熱可塑性樹脂が十分に冷却されるため、熱可塑性樹脂の固化が十分となり、熱可塑性プリプレグの加圧手段からの離型性がよくなる。また、強化繊維の乱れが発生しにくい。
【００３７】
ステップ（ｂ）においては、加圧手段によって圧力を加える前に、樹脂被覆強化繊維束を加熱手段によって加熱することが好ましい。樹脂被覆強化繊維束を加熱手段によって加熱することによって、加圧手段によって圧力を加える直前の樹脂被覆強化繊維束における熱可塑性樹脂の温度Ｔ１を前記範囲内に調整しやすい。また、強化繊維束の両面を溶融状態の熱可塑性樹脂によって被覆してから、樹脂被覆強化繊維束に加圧手段によって圧力を加えるまでの時間や距離を、自由に設定しやすい。
【００３８】
加熱手段としては、樹脂被覆強化繊維束を安定して移動させる点から、非接触方式の加熱手段が好ましい。
非接触方式の加熱手段としては、遠赤外線ヒータ、遠赤外線パネルヒータ、近赤外線ヒータ、ハロゲンヒータ、熱風ヒータ等が挙げられる。強化繊維が炭素繊維の場合、炭素繊維は輻射熱の吸収率が高いため、対流伝熱によって加熱する熱風ヒータに比べ、伝熱効率の高い輻射伝熱によって加熱する遠赤外線ヒータ、遠赤外線パネルヒータ、近赤外線ヒータ、ハロゲンヒータが好ましい。また、強化繊維を急速加熱できる点では、近赤外線ヒータ、ハロゲンヒータが好ましいが、近赤外線ヒータ、ハロゲンヒータは高価である。
【００３９】
本発明においては、ステップ（ｂ）を２〜１０回繰り返すことが好ましく、２〜５回繰り返すことがより好ましい。ステップ（ｂ）の繰り返し回数が前記範囲の下限値以上であれば、強化繊維束への熱可塑性樹脂の含浸性がさらによくなる。ステップ（ｂ）の繰り返し回数が前記範囲の上限値以下であれば、設備投資およびランニングコストを抑えることができる。
【００４０】
以下、本発明の熱可塑性プリプレグの製造方法の実施形態の例を図面を参照しながら説明する。
【００４１】
（第１実施形態）
図６は、熱可塑性プリプレグの製造装置の一例を示す概略構成図である。
製造装置１は、押出機（図示略）から供給された溶融状態の熱可塑性樹脂を、内部を通過する強化繊維束１０の表面に押し出すクロスダイ２０と；クロスダイ２０の出口の近くに、クロスダイ２０を通過した樹脂被覆強化繊維束１２を挟むように配置された一対のロール２２からなるニップロール２４とを備える。
【００４２】
製造装置１を用いた熱可塑性プリプレグの製造は、下記のように行われる。
巻出ロール（図示略）から連続的に巻き出された強化繊維束１０は、クロスダイ２０およびニップロール２４を連続的に通過し、熱可塑性プリプレグ１４となって巻取ロール（図示略）に連続的に巻き取られる。
【００４３】
強化繊維束１０がクロスダイ２０を通過する際、強化繊維束１０の両面が、押出機（図示略）から供給された溶融状態の熱可塑性樹脂によって同時に被覆され、樹脂被覆強化繊維束１２となる。
【００４４】
上述した温度条件の下、クロスダイ２０を通過した樹脂被覆強化繊維束１２がニップロール２４を通過することによって、樹脂被覆強化繊維束１２にニップロール２４によって圧力が加わり、強化繊維束１０に熱可塑性樹脂が含浸して熱可塑性プリプレグ１４となる。
【００４５】
（第２実施形態）
図７は、熱可塑性プリプレグの製造装置の他の例を示す概略構成図である。
製造装置２は、強化繊維束１０を挟むように配置され、押出機（図示略）から供給された溶融状態の熱可塑性樹脂を強化繊維束１０の表面に押し出す一対のダイ２６と；一対のダイ２６の間を通過した樹脂被覆強化繊維束１２から離間して、かつ平行に配置され、樹脂被覆強化繊維束１２を加熱するヒータ２８と；ヒータ２８の前を通過した樹脂被覆強化繊維束１２を挟むように配置された一対のロール３０からなるニップロール３２と；ニップロール３２を通過した樹脂被覆強化繊維束１２から離間して、かつ平行に配置され、樹脂被覆強化繊維束１２を加熱するヒータ３４と；ヒータ３４の前を通過した樹脂被覆強化繊維束１２を挟むように配置された一対のロール３６からなるニップロール３８とを備える。
【００４６】
製造装置２を用いた熱可塑性プリプレグの製造は、下記のように行われる。
巻出ロール（図示略）から連続的に巻き出された強化繊維束１０は、一対のダイ２６の間、ヒータ２８の前、ニップロール３２、ヒータ３４の前およびニップロール３８を連続的に通過し、熱可塑性プリプレグ１４となって巻取ロール（図示略）に連続的に巻き取られる。
【００４７】
強化繊維束１０が一対のダイ２６の間を通過する際、強化繊維束１０の両面が、押出機（図示略）から供給された溶融状態の熱可塑性樹脂によって同時に被覆され、樹脂被覆強化繊維束１２となる。
【００４８】
一対のダイ２６の間を通過した樹脂被覆強化繊維束１２が上述した温度条件を満たすようにヒータ２８で加熱された後、上述した温度条件の下、ヒータ２８の前を通過した樹脂被覆強化繊維束１２がニップロール３２を通過することによって、樹脂被覆強化繊維束１２にニップロール３２によって圧力が加わり、強化繊維束１０に熱可塑性樹脂の一部が含浸する。
【００４９】
ニップロール３２を通過した樹脂被覆強化繊維束１２が上述した温度条件を満たすようにヒータ３４で再度加熱された後、上述した温度条件の下、ヒータ３４の前を通過した樹脂被覆強化繊維束１２がニップロール３８を通過することによって、樹脂被覆強化繊維束１２にニップロール３８によって圧力が加わり、強化繊維束１０に熱可塑性樹脂がさらに含浸して熱可塑性プリプレグ１４となる。
【００５０】
（第３実施形態）
図８は、熱可塑性プリプレグの製造装置の他の例を示す概略構成図である。
製造装置３は、押出機（図示略）から供給された溶融状態の熱可塑性樹脂を、強化繊維束１０の第１面に押し出すダイ４０と；ダイ４０の下を通過した片面被覆強化繊維束１１を挟むように配置された一対のロール４２からなるニップロール４４と；折り返されるようにニップロール４４を通過した片面被覆強化繊維束１１から離間して、かつ平行に配置され、片面被覆強化繊維束１１を加熱するヒータ４６と；ヒータ４６の前を通過した片面被覆強化繊維束１１の第２面に、押出機（図示略）から供給された溶融状態の熱可塑性樹脂を押し出すダイ４８と；片面被覆強化繊維束１１および樹脂被覆強化繊維束１２から離間して、かつ平行に、片面被覆強化繊維束１１および樹脂被覆強化繊維束１２を挟むようにダイ４８に対向配置され、片面被覆強化繊維束１１および樹脂被覆強化繊維束１２を加熱するヒータ５０と；ダイ４８とヒータ５０の間を通過した樹脂被覆強化繊維束１２を挟むように配置された一対のロール５２からなるニップロール５４とを備える。
【００５１】
製造装置３を用いた熱可塑性プリプレグの製造は、下記のように行われる。
巻出ロール（図示略）から連続的に巻き出された強化繊維束１０は、ダイ４０の下、ニップロール４４、ヒータ４６の前、ダイ４８とヒータ５０の間およびニップロール５４を連続的に通過し、熱可塑性プリプレグ１４となって巻取ロール（図示略）に連続的に巻き取られる。
【００５２】
強化繊維束１０がダイ４０の下を通過する際、強化繊維束１０の第１面が、押出機（図示略）から供給された溶融状態の熱可塑性樹脂によって被覆され、片面被覆強化繊維束１１となる。
【００５３】
上述した温度条件の下、ダイ４０の下を通過した片面被覆強化繊維束１１がニップロール４４を通過することによって、片面被覆強化繊維束１１にニップロール４４によって圧力が加わり、強化繊維束１０の第１面に熱可塑性樹脂の一部が含浸する。
【００５４】
ニップロール４４を通過した片面被覆強化繊維束１１が上述した温度条件を満たすようにヒータ４６で加熱された後、さらに、片面被覆強化繊維束１１が上述した温度条件を満たすようにヒータ５０で加熱されつつ、ダイ４８の下を通過する際、片面被覆強化繊維束１１の第２面が、押出機（図示略）から供給された溶融状態の熱可塑性樹脂によって被覆され、樹脂被覆強化繊維束１２となる。
【００５５】
上述した温度条件の下、ダイ４８とヒータ５０の間を通過した樹脂被覆強化繊維束１２がニップロール５４を通過することによって、樹脂被覆強化繊維束１２にニップロール５４によって圧力が加わり、強化繊維束１０に熱可塑性樹脂がさらに含浸して熱可塑性プリプレグ１４となる。
【００５６】
（他の実施形態）
なお、本発明の熱可塑性プリプレグの製造方法は、（ａ）強化繊維束の両面を溶融状態の熱可塑性樹脂によって被覆して、樹脂被覆強化繊維束とするステップと、（ｂ）前記ステップ（ａ）に続いて、特定の温度条件の下で、樹脂被覆強化繊維束に加圧手段によって圧力を加えて、強化繊維束に熱可塑性樹脂が含浸した熱可塑性プリプレグとするステップとを有する方法であればよく、図示例の製造装置を用いた第１実施形態〜第３実施形態に限定はされない。
【００５７】
（作用機序）
以上説明した本発明の熱可塑性プリプレグの製造方法にあっては、ステップ（ａ）において強化繊維束の両面を溶融状態の熱可塑性樹脂によって被覆しているため、ステップ（ｂ）における強化繊維束への熱可塑性樹脂の含浸性がよくなる。
また、強化繊維束の表面を溶融状態の熱可塑性樹脂によって被覆する際に、溶融状態の熱可塑性樹脂が長時間にわたって滞留するような場所を設ける必要がないため、熱可塑性樹脂が熱や酸化によって劣化しにくい。
また、ステップ（ｂ）において特定の温度条件の下、樹脂被覆強化繊維束に加圧手段によって圧力を加えているため、強化繊維束への熱可塑性樹脂の含浸性がよくなるとともに、熱可塑性プリプレグの加圧手段からの離型性がよくなる。また、強化繊維の乱れが発生しにくい。
また、ステップ（ｂ）において離型シートを用いる必要がない。
以上のことから、本発明の熱可塑性プリプレグの製造方法によれば、機械的物性の高い成形品を得ることができる高品質の熱可塑性プリプレグを、低い製造コストで、かつ安定して製造することができる。
【実施例】
【００５８】
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。本実施例における評価は以下の方法により行った。
【００５９】
（離型性）
熱可塑性プリプレグをニップロールから取り出す際の熱可塑性プリプレグを観察し、下記の基準で評価した。
○：熱可塑性樹脂がロールの表面に付着せず、熱可塑性プリプレグをニップロールから離型できる。
△：熱可塑性樹脂が柔らかく熱可塑性プリプレグをニップロールから剥がすことができたものの、熱可塑性プリプレグをニップロールから離型しづらい。
×：熱可塑性樹脂がロールの表面に付着し、残ったままである。
【００６０】
（外観）
得られた熱可塑性プリプレグを観察し、下記の基準で評価した。
○：熱可塑性プリプレグの表面の全体が熱可塑性樹脂に被覆され、炭素繊維が露出した部分がない。
×：熱可塑性プリプレグの表面に熱可塑性樹脂で被覆されていない、炭素繊維が露出した部分がある。
【００６１】
（実施例１）
強化繊維束として、炭素繊維束（三菱レイヨン社製、ＴＲ５０Ｓ１５Ｌ、フィラメント数：１５０００本、目付：１０００ｍｇ／ｍ、引張強度：４．９０ＧＰａ、引張弾性率：２４０ＧＰａ）の５束を用意した。これら炭素繊維束を１０ｍｍピッチで平行に並べ、炭素繊維シートとした。
【００６２】
ステップ（ａ）：
炭素繊維シートを、２枚の熱可塑性樹脂フィルム（ポリアミド６、宇部興産社製、１０１３Ｂ、融点Ｔｍ：２２５℃、結晶化温度Ｔｃ：１６８℃）で挟み、積層体を得た。
２本の遠赤外線ヒータを上下に配置した閉空間を準備した。遠赤外線ヒータの電源を入れて３０秒間予熱した後、積層体を２本の遠赤外線ヒータの間に供給し、２０秒間加熱した。このとき、閉空間の温度は２１０℃であり、炭素繊維の温度は１０秒ほどで２００℃まで昇温し、さらに１０秒で２４０℃まで達する。熱可塑性樹脂が溶融状態であることを確認し、樹脂被覆強化繊維束を取り出した。
【００６３】
ステップ（ｂ）：
ニップロールの手前２０ｃｍにおける表面温度が２１０℃の樹脂被覆強化繊維束を、表面温度が１６５℃の一対のロールからなるニップロール（クリアランス：１３０μｍ）の間に供給し、ニップロールを回して樹脂被覆強化繊維束を約１０ｍ／ｍｉｎの速度で通過させた。供給時に溶融状態である熱可塑性樹脂は、ニップロール通過時に固化し、熱可塑性プリプレグとなった。ロールの表面に熱可塑性樹脂が付着することはなかった。
【００６４】
得られた熱可塑性プリプレグの断面写真を観察したところ、中央部に空隙部は残っていたが、炭素繊維束の表面は熱可塑性樹脂で被覆されており、ドライ状態の炭素繊維が表面に露出することはなかった。結果を表１に示す。
【００６５】
（比較例１）
２枚の熱可塑性樹脂フィルムを、炭素繊維シートの片面のみに配置した以外は、実施例１と同様にして熱可塑性プリプレグを得た。
【００６６】
得られた熱可塑性プリプレグの断面写真を観察したところ、熱可塑性樹脂を配置した側の炭素繊維束の表面のみが熱可塑性樹脂で固定されているものの、炭素繊維束の内部への熱可塑性樹脂の含浸は確認できず、熱可塑性樹脂を配置していない側は炭素繊維がばらけた状態で存在した。ドライ状態の炭素繊維が表面にある熱可塑性プリプレグは、プリプレグとはいえず、また取扱性が悪いため商品にはならない。結果を表１に示す。
【００６７】
（実施例２）
実施例１と同様にして熱可塑性プリプレグを得た。熱可塑性プリプレグを２本の遠赤外線ヒータの間に再度供給し、２０秒加熱した後、ニップロールに再度供給して通過させた。
【００６８】
得られた熱可塑性プリプレグの断面写真を観察したところ、実施例１に比べて、内部の空隙部は少なくなった。熱可塑性樹脂が炭素繊維束に含浸した状態である厚みを示す「含浸厚み」は厚くなった。加熱、加圧を繰り返すことによって、炭素繊維束への熱可塑性樹脂の含浸性が向上することが確認できた。結果を表１に示す。
【００６９】
（比較例２）
比較例１と同様にして熱可塑性プリプレグを得た。熱可塑性プリプレグを２本の遠赤外線ヒータの間に再度供給し、２０秒加熱した後、ニップロールに再度供給して通過させた。
得られた熱可塑性プリプレグの断面写真を観察したところ、比較例１とほとんどかわらなかった。結果を表１に示す。
【００７０】
（実施例３）
実施例２と同様にして熱可塑性プリプレグを得た。熱可塑性プリプレグを２本の遠赤外線ヒータの間に再度供給し、２０秒加熱した後、ニップロールに再度供給して通過させた。
【００７１】
得られた熱可塑性プリプレグの断面写真を観察したところ、実施例１、２に比べて、内部の空隙部はさらに少なくなった。加熱、加圧を繰り返すことによって、炭素繊維束への熱可塑性樹脂の含浸性が向上することが確認できた。結果を表１に示す。
【００７２】
（実施例４）
ニップロールの表面温度を１５５℃にした以外は、実施例１と同様にして熱可塑性プリプレグを得た。ロールの表面に熱可塑性樹脂が付着することはなかった。
【００７３】
得られた熱可塑性プリプレグの断面写真を観察したところ、内部に空隙部は残っていたが、炭素繊維束の表面は熱可塑性樹脂で被覆されており、取扱性に問題のないプリプレグが得られた。結果を表１に示す。
【００７４】
（実施例５）
ニップロールの表面温度を１９０℃にした以外は、実施例１と同様にして熱可塑性プリプレグを得た。樹脂被覆強化繊維束がニップロールを通過する際、熱可塑性樹脂が柔らかく、粘弾性で熱可塑性プリプレグをニップロールから剥がすことができたものの、熱可塑性プリプレグをニップロールから離型しづらかった。結果を表１に示す。
【００７５】
（比較例３）
ニップロールの表面温度を２００℃にした以外は、実施例１と同様にして熱可塑性プリプレグを得た。樹脂被覆強化繊維束がニップロールを通過する際、ロールに熱可塑性樹脂が残り、完全な離型はできなかった。結果を表１に示す。
【００７６】
【表１】
2016155914.tif 000003
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の熱可塑性プリプレグの製造方法で得られた熱可塑性プリプレグは、自動車用部材等の成形品に用いる繊維強化複合材料として有用である。
【符号の説明】
【００７８】
１  製造装置、２  製造装置、３  製造装置、１０  強化繊維束、１１  片面被覆強化繊維束、１２  樹脂被覆強化繊維束、１４  熱可塑性プリプレグ、２０  クロスダイ、２２  ロール、２４  ニップロール、２６  ダイ、２８  ヒータ、３０  ロール、３２  ニップロール、３４  ヒータ、３６  ロール、３８  ニップロール、４０  ダイ、４２  ロール、４４  ニップロール、４６  ヒータ、４８  ダイ、５０  ヒータ、５２  ロール、５４  ニップロール、１００  樹脂被覆強化繊維束、１０２  ロール、１０４  ニップロール、１０６  エンドレスベルト、１０８  ダブルベルトプレス、１１０  搬送ベルト、１１２  ロール、１１４  プレスロール、１１６  加圧手段、１１８  キャストロール、１２０  スリーブベルト、１２２  加圧手段、１２４  搬送ベルト、１２６  面板、１２８  面板プレス、１３０  加圧手段、１３２  非回転バー、１３４  引抜機、１３６  しごきバー、１３８  加圧手段、２００  熱可塑性プリプレグ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2016155914.tif 000007
【図５】
2016155914.tif 000008
【図６】
2016155914.tif 000009
【図７】
2016155914.tif 000010
【図８】
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