(57)【要約】【課題】  マトリックスが熱可塑性樹脂であるために成型時間が短く、剛性、強度のバランスに優れた複合材料が求められていた。【解決手段】  一方向に配向した炭素繊維（Ａ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−１）を含む層（Ｉ）と、一方向に配向した炭素繊維（Ｂ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−２）を含む層（ＩＩ）とを有し、  前記炭素繊維（Ａ）は連続した炭素繊維であり、前記炭素繊維（Ｂ）の平均繊維長が５〜５０ｍｍであり、  表面層のいずれかが層（Ｉ）であり、  前記炭素繊維（Ａ）および（Ｂ）がポリアクリルニトリル系炭素繊維である炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。【選択図】  図１
2016180037.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に配向した炭素繊維（Ａ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−１）を含む層（Ｉ）と、一方向に配向した炭素繊維（Ｂ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−２）を含む層（ＩＩ）とを有し、
前記炭素繊維（Ａ）は連続した炭素繊維であり、前記炭素繊維（Ｂ）の平均繊維長が５〜５０ｍｍであり、
表面層のいずれかが層（Ｉ）であり、
前記炭素繊維（Ａ）および（Ｂ）がポリアクリルニトリル系炭素繊維である
炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
【請求項２】
層（Ｉ）と層（ＩＩ）とが、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の両表面が層（Ｉ）となるように積層されている請求項１に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
【請求項３】
前記層（Ｉ）の厚さが０．１〜０．３ｍｍである請求項１又は２に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
【請求項４】
前記前記層（Ｉ）及び層（ＩＩ）が重ねられてなり、前記層（Ｉ）と層（ＩＩ）とが直接重なった二層において、それぞれの層に含まれる炭素繊維の繊維方向が互いに略直交している請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料を熱成型してなる成型体。
【請求項６】
いずれかの面の表面に高さ３ｍｍ以上の凸部を有する請求項５に記載の成型体。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の成型体を含む電子機器筐体用部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、剛性と強度のバランスに優れた炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料と成型体に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維複合材料、特に炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）は、軽量で且つ高強度であるという特徴から、航空機、自動車、スポーツ、レジャー及びその他各種工業用途に利用されている。また、炭素繊維複合材料は、それを構成する炭素繊維集束体の配向性によって特徴ある異方性光沢を有し、更に表面に塗装等の処理を施すことによって深みのある重厚な外観を与え、また導電性、Ｘ線透過性及び電磁波遮蔽性等の特徴を有している。一般に炭素繊維複合材料は、積層板やハニカムサンドイッチ板などの形態で各種工業用途に利用されている。しかしながら、その殆どはマトリックスとして熱硬化性樹脂を用いたものであるので、これらを成型するためには、樹脂の硬化反応を伴うような比較的成型時間の長い、すなわちオートクレーブ成型に代表されるような多量生産に向かない方法が用いられてきた。
【０００３】
一方、熱可塑性樹脂をマトリックスにするような複合材料及びその成型品も多く提案されている。例えば、特許文献１に開示された技術では一方向に引き揃えられた強化繊維と熱可塑性樹脂からなるプリプレグ及びそれを用いた構造材が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】日本国特許第４３２４６４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上述の背景に鑑みて、上述した複合材料の利点を得つつ、成型時間をより短くし、多量生産等に向いた複合材料を得るものである。すなわち、本発明は、マトリックスが熱可塑性樹脂であるために成型時間が短く、剛性、強度のバランスに優れた複合材料を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の上記目的は、下記の本発明の各態様によって達成される。
（１）  一方向に配向した炭素繊維（Ａ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−１）を含む層（Ｉ）と、一方向に配向した炭素繊維（Ｂ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−２）を含む層（ＩＩ）とを有し、
前記炭素繊維（Ａ）は連続した炭素繊維であり、前記炭素繊維（Ｂ）の平均繊維長が５〜５０ｍｍであり、表面層のいずれかが層（Ｉ）であり、前記炭素繊維（Ａ）および（Ｂ）がポリアクリルニトリル系炭素繊維である炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（２）  層（Ｉ）と層（ＩＩ）とが、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の両表面が層（Ｉ）となるように積層されている上記（１）に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（３）  前記層（Ｉ）の厚さが０．１〜０．３ｍｍである上記（１）又は（２）に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（４）  前記前記層（Ｉ）及び層（ＩＩ）が重ねられてなり、前記層（Ｉ）と層（ＩＩ）とが直接重なった二層において、それぞれの層に含まれる炭素繊維の繊維方向が互いに略直交している上記（１）〜（３）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料。
（５）  上記（１）〜（４）のいずれか１項に記載の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料を熱成型してなる成型体。
（６）  いずれかの面の表面に高さ３ｍｍ以上の凸部を有する上記（５）に記載の成型体。
（７）  上記（５）又は（６）に記載の成型体を含む電子機器筐体用部材。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により、剛性、強度のバランスに優れた成型体を、短い成型時間で得る
事が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る炭素繊維強化熱構成樹脂複合材料を示す概略斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る炭素繊維強化熱構成樹脂複合材料及びそれを成型した成型体を示す概略斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る電子機器筐体用部材の一例を示す概略斜視図である。
【図４】本発明の実施例において成形性を評価するために成形した成形体の形状を示す概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、実施形態を示して本発明を具体的に説明する。
【００１０】
本実施形態に係る炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、一方向に配向した炭素繊維（Ａ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−１）を含む層（Ｉ）と、一方向に配向した炭素繊維（Ｂ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−２）を含む層（ＩＩ）とを有する。
【００１１】
本実施形態では、図１に示すように、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料１は、層（Ｉ）２Ａ及び２Ｂと、層（ＩＩ）３を備えてなる。図に示した例では、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料１の両面の表面が層（Ｉ）２Ａ及び２Ｂを備え、その層（Ｉ）２Ａ及び２Ｂの間に２以上（図に示した例では６層）の層（ＩＩ）３が挟まれてなる。
【００１２】
以下、各層の構成について説明する。
【００１３】
（層（Ｉ））
層（Ｉ）は、一方向に配向した炭素繊維（Ａ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−１）を含む。本実施形態において、一方向に配向したとは、炭素繊維等の繊維からなる素材において、繊維の長尺の方向がほぼ平行であることである。ほぼ平行であるとは、具体的には、層（Ｉ）、層（ＩＩ）等の層が含有する後述する繊維のうち９０〜１００％の長尺の方向が−５°〜＋５°の範囲内に収まっていることであり、好ましくは層に含まれる炭素繊維のうち、９５〜１００％の長尺の方向が−２°〜＋２°の範囲に収まっていることである。
【００１４】
本実施形態では特に、後述するプリプレグの製造方法において、繊維をよせあわせた繊維束に張力をかけることにより方向をほぼ揃えてある（この状態を、繊維が一方向に引き揃えられている、ともいう）ことが好ましい。
【００１５】
前記炭素繊維（Ａ）の弾性率は、２００ＧＰａ以上、３５０ＧＰａ未満であることが好ましい。このような炭素繊維を用いることにより、本実施形態の効果を有効に発揮する。引張弾性率の上限は実質的に規定されるものではなく、弾性率の高いものほど本実施形態が有効に効果を発揮するが、目安としては、９００ＧＰａ以下が挙げられる。炭素繊維（Ａ）の弾性率は、設計上、製造上の都合等により選択すればよい。また、炭素繊維（Ａ）の強度（引張強度）は２０００ＭＰａ以上が好ましい。ここで炭素繊維の強度とは、ＪＩＳ  Ｒ７６０８：２００７（ＩＳＯ１６０１８：２００４）により測定される引張強さである。
【００１６】
本実施形態の炭素繊維（Ａ）は、ポリアクリロニトリル系炭素繊維である。ここでポリアクリロニトリル系炭素繊維であるとは、「アクリロニトリルを主成分として重合させたポリアクリルニトリル系樹脂からなる繊維を、不融化させて、さらに炭化させて生成した実質的に炭素のみからなるフィラメント繊維」を主たる成分として構成される繊維の集合体であることを意味する。ポリアクリロニトリル系炭素繊維は、低密度及び高比強度といった利点がある。炭素繊維（Ａ）は、実質的に「アクリロニトリルを主成分として重合させたポリアクリルニトリル系樹脂からなる繊維を、不融化させて、さらに炭化させて生成した実質的に炭素のみからなるフィラメント繊維」のみから構成される繊維の集合体であることがさらに好ましい。
【００１７】
本実施形態の炭素繊維（Ａ）を構成するフィラメント繊維の最大フェレ径を炭素繊維（Ａ）の直径とした場合、炭素繊維（Ａ）の直径は１μｍ以上２０μｍ以下が好ましく、４μｍ以上１５μｍ以下がさらに好ましく、特に好ましくは５μｍ以上８μｍ以下である。２０μｍを超える直径では取扱いの上で不利であり、また１μｍ未満の直径では炭素繊維の製造が困難である。
【００１８】
炭素繊維（Ａ）は、連続した炭素繊維である。連続した炭素繊維であるとは、複合材料の端部から端部まで炭素繊維を構成するフィラメント繊維がほぼ連続した状態として定義され、例えば６０ｍｍ以上である。
【００１９】
炭素繊維（Ａ）としては市販品を用いても良く、パイロフィル（登録商標）ＴＲ３０Ｓ  ３Ｌ、ＴＲ５０Ｓ  ６Ｌ、ＴＲＨ５０  １２Ｌ、ＴＲＨ５０  １８Ｍ、ＴＲ５０Ｓ  １２Ｌ、ＴＲ５０Ｓ  １５Ｌ、ＭＲ４０  １２Ｍ、ＭＲ６０Ｈ  ２４Ｐ、ＭＳ４０  １２Ｍ、ＨＲ４０  １２Ｍ、ＨＳ４０  １２Ｐ、ＴＲＨ５０  ６０Ｍ、ＴＲＷ４０  ５０Ｌ（以上、製品名、三菱レイヨン社製）などが挙げられる。
【００２０】
本実施形態に係る炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、層（Ｉ）に熱可塑性樹脂（Ｃ−１）を含む。
【００２１】
本実施形態における熱可塑性樹脂（Ｃ−１）として用いることができる熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリスチレン、（メタ）アクリル酸エステル／スチレン共重合体、アクリロニトリル／スチレン共重合体、スチレン／無水マレイン酸共重合体、ＡＢＳ、ＡＳＡ若しくはＡＥＳ等のスチレン系樹脂；ポリメタクリル酸メチル等のアクリル系樹脂；ポリカーボネート系樹脂；ポリアミド系樹脂；ポリエチレンテレフタレート若しくはポリブチレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂；ポリフェニレンエーテル系樹脂；ポリオキシメチレン系樹脂；ポリスルフォン系樹脂；ポリアリレート系樹脂；ポリフェニレンスルフィド系樹脂；熱可塑性ポリウレタン系樹脂；ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、ポリ−４−メチルペンテン、エチレン／プロピレン共重合体若しくはエチレン／ブテン共重合体等のポリオレフィン系樹脂；エチレン／酢酸ビニル共重合体、エチレン／（メタ）アクリル酸エステル共重合体、エチレン／無水マレイン酸共重合体若しくはエチレン／アクリル酸共重合体等のα−オレフィンと各種単量体との共重合体類；ポリ乳酸、ポリカプロラクトン若しくは脂肪族グリコール／脂肪族ジカルボン酸共重合体等の脂肪族ポリエステル系樹脂；又は、生分解性セルロース、ポリペプチド、ポリビニルアルコール、澱粉、カラギーナン若しくはキチン・キトサン質等の生分解性樹脂が挙げられる。強度と加工性の観点から、結晶性樹脂が好ましく、さらに好ましくはポリプロピレン又はポリアミド系樹脂である。熱可塑性樹脂（Ｃ−１）には、さらに必要に応じて、種々の樹脂添加剤を配合する事ができる。樹脂添加剤としては、例えば着色剤、酸化防止剤、金属不活性剤、カーボンブラック、造核剤、離型剤、滑剤、帯電防止剤、光安定剤、紫外線吸収剤、耐衝撃性改質剤、溶融張力向上剤又は難燃剤等が挙げられる。
【００２２】
本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料で用いることができる一方向に配向した炭素繊維（Ａ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−１）を含む層（Ｉ）は、例えば、熱可塑性樹脂（Ｃ−１）内に、炭素繊維（Ａ）が一方向に配向しつつ分散していてもよいし、炭素繊維（Ａ）が配向した隙間に熱可塑性樹脂（Ｃ−１）が充填されていてもよい。本実施形態では、一方向に引き揃えられて平面状に配列された炭素繊維（Ａ）に熱可塑性樹脂（Ｃ−１）が含浸されてなる層として、シート状プリプレグであることが好ましい。
【００２３】
層（Ｉ）に含まれる炭素繊維の含有割合は、層（Ｉ）の全体体積に対して、２５〜６５体積％が好ましく、さらに好ましくは３０〜６０体積％である。この範囲内である事で、剛性、強度、熱伝導率のバランスに優れた成型体を得る事が可能となる。層（Ｉ）の厚さに特に制限は無いが、賦形性と強度向上効果を兼ね備える観点から、０．１〜０．３ｍｍが好ましく、さらに好ましくは０．１１〜０．１９ｍｍである。
【００２４】
（層（ＩＩ））
本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、層（ＩＩ）に炭素繊維（Ｂ）を含む。炭素繊維（Ｂ）は、上述したように一方向に配向している。
【００２５】
前記炭素繊維（Ｂ）の弾性率は、２００ＧＰａ以上、３５０ＧＰａ未満であることが好ましい。このような炭素繊維を用いることにより、本実施形態の効果を有効に発揮する。引張弾性率の上限は実質的に規定されるものではなく、弾性率の高いものほど本実施形態が有効に効果を発揮するが、目安としては、９００ＧＰａ以下が挙げられる。炭素繊維（Ｂ）の弾性率は、設計上、製造上の都合等により選択すればよい。また、炭素繊維（Ｂ）の強度（引張強度）は２０００ＭＰａ以上が好ましい。ここで炭素繊維の強度とは、ＪＩＳ  Ｒ７６０８：２００７（ＩＳＯ１６０１８：２００４）により測定される引張強さである。
【００２６】
本実施形態の炭素繊維（Ｂ）は、ポリアクリロニトリル系炭素繊維である。ここでポリアクリロニトリル系炭素繊維であるとは、「アクリロニトリルを主成分として重合させたポリアクリルニトリル系樹脂からなる繊維を、不融化させて、さらに炭化させて生成した実質的に炭素のみからなるフィラメント繊維」を主たる成分として構成される繊維の集合体であることを意味する。ポリアクリロニトリル系炭素繊維は、低密度及び高比強度といった利点がある。炭素繊維（Ｂ）は、実質的に「アクリロニトリルを主成分として重合させたポリアクリルニトリル系樹脂からなる繊維を、不融化させて、さらに炭化させて生成した実質的に炭素のみからなるフィラメント繊維」のみから構成される繊維の集合体であることがさらに好ましい。
【００２７】
本実施形態の炭素繊維（Ｂ）を構成するフィラメント繊維の最大フェレ径を炭素繊維（Ｂ）の直径とした場合、炭素繊維（Ａ）の直径は１μｍ以上２０μｍ以下が好ましく、４μｍ以上１５μｍ以下がさらに好ましく、特に好ましくは５μｍ以上８μｍ以下である。２０μｍを超える直径では取扱いの上で不利であり、また１μｍ未満の直径では炭素繊維の製造が困難である。
【００２８】
炭素繊維（Ｂ）の形態は、上述の炭素繊維（Ａ）において説明した形態のものであればいかなる形態であってもよく、例えば針状、糸状の形態で、層（ＩＩ）内で一方向に配向するようになっていてもよい。
【００２９】
炭素繊維（Ｂ）を構成するフィラメント繊維の繊維長は、５ｍｍ以上である。さらに前記繊維長は１５ｍｍ以上が好ましく、さらに好ましくは２０ｍｍ以上である。炭素繊維（Ｂ）を構成するフィラメント繊維が短すぎる場合には、十分な剛性、強度が得られない場合がある。また、炭素繊維（Ｂ）を構成するフィラメント繊維の平均繊維長は５０ｍｍ以下であり、好ましくは３０ｍｍ以下である。ここで平均繊維長は炭素繊維を構成するフィラメント繊維のそれぞれの長さを光学顕微鏡等で測定し、各フィラメント繊維の繊維長の二乗の総和を各フィラメント繊維の繊維長の総和で除するという方法により測定される値である。
【００３０】
炭素繊維（Ｂ）としては市販品を用いても良く、パイロフィル（登録商標）ＴＲ３０Ｓ  ３Ｌ、ＴＲ５０Ｓ  ６Ｌ、ＴＲＨ５０  １２Ｌ、ＴＲＨ５０  １８Ｍ、ＴＲ５０Ｓ  １２Ｌ、ＴＲ５０Ｓ  １５Ｌ、ＭＲ４０  １２Ｍ、ＭＲ６０Ｈ  ２４Ｐ、ＭＳ４０  １２Ｍ、ＨＲ４０  １２Ｍ、ＨＳ４０  １２Ｐ、ＴＲＨ５０  ６０Ｍ、ＴＲＷ４０  ５０Ｌ（以上、製品名、三菱レイヨン社製）などが挙げられる。
【００３１】
本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、層（ＩＩ）に熱可塑性樹脂（Ｃ−２）を含む。
【００３２】
本実施形態の熱可塑性樹脂（Ｃ−２）は、上述の熱可塑性樹脂（Ｃ−１）に用いることのできる熱可塑性樹脂として例示したものから選択してよく、熱可塑性樹脂（Ｃ−１）と異なる樹脂でも構わない。しかし、熱可塑性樹脂（Ｃ−１）と熱可塑性樹脂（Ｃ−２）とは、相溶性に優れた組み合わせのものを選択することが好ましい。相溶性に優れた組み合わせとは、溶解度パラメーター（ＳＰ値）の差が１．０（Ｊ／ｃｍ３）０．５以下である組み合わせが挙げられる。溶解度パラメーターは、Ｆｅｄｏｒｓ、Ｖａｎ  Ｋｒｅｖｅｌｅｎなどの方法により求める事が可能であり、何れかの方法を用いる事ができる。また、熱可塑性樹脂として、ブロック共重合体やグラフト共重合体などの共重合体を用いる場合には、各共重合体の何れかの部分構造の溶解度パラメーターの差が１．０（Ｊ／ｃｍ３）０．５以下であれば、相溶性に優れる。
【００３３】
加えて、本実施形態の熱可塑性樹脂（Ｃ−２）は、熱可塑性樹脂（Ｃ−１）と同一の化合物を用いる事がさらに好ましい。
【００３４】
本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料で用いることができる一方向に配向した炭素繊維（Ｂ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−２）を含む層（ＩＩ）は、例えば、熱可塑性樹脂（Ｃ−２）内に、炭素繊維（Ｂ）が一方向に配向しつつ分散していてもよいし、炭素繊維（Ｂ）が配向した隙間に熱可塑性樹脂（Ｃ−２）が充填されていてもよい。本実施形態では、一方向に引き揃えられて平面状に配列された炭素繊維（Ｂ）に熱可塑性樹脂（Ｃ−２）が含浸されてなるシート状プリプレグであることが好ましい。
【００３５】
層（ＩＩ）に含まれる炭素繊維の含有割合は、層（ＩＩ）の全体体積に対して、２５〜６５体積％が好ましく、さらに好ましくは３０〜６０体積％である。この範囲内である事で、剛性、強度、熱伝導率のバランスに優れた成型品を得る事が可能となる。層（ＩＩ）の厚さ、すなわち他の層と重ねる方向の長さに特に制限は無いが、賦形性と強度向上効果を兼ね備える観点から、０．１〜０．３ｍｍが好ましく、さらに好ましくは０．１１〜０．１９ｍｍである。
【００３６】
本実施形態の層（ＩＩ）は、表面にスリット（切込）を有していてもよい。スリットとは、各層の強化繊維を横切る方向に該層の厚みを貫通する深さの切れ目状の構造である。スリットは各層の強化繊維を切断するように設けられていてもよい。スリットは長さが１０〜１００ｍｍが好ましい。スリットは層（ＩＩ）の５ｃｍ×５ｃｍの表面に対してスリット長の総和が５ｃｍ以上、４０ｃｍ以下が好ましい。スリットは、その長さ方向が層（ＩＩ）の炭素繊維（Ｂ）の繊維の方向に対して平行でなく、３０〜６０°をなしていてもよいが、約４５°（４２〜４８°）の角度をなしていることが特に好ましい。層（ＩＩ）がスリットを有することで、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料を後述の成型体とする際に成型性が向上する、具体的には高さ３ｍｍ以上の凸部を成形可能になるという効果が得られる。強化繊維がスリットにより短く切断されている場合には、成形の際に熱可塑性樹脂と共に強化繊維が移動しやすいので、層（ＩＩ）の成形性がさらに高まる。
【００３７】
（炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の構造）
本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、上述した層（Ｉ）及び層（ＩＩ）を有する。
【００３８】
本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、炭素繊維（Ａ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−１）を含む層（Ｉ）と、炭素繊維（Ｂ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−２）を含む層（ＩＩ）とを有し、前記炭素繊維（Ａ）は連続した炭素繊維であり、前記炭素繊維（Ｂ）の平均繊維長が５〜５０ｍｍである。
【００３９】
層（Ｉ）の炭素繊維（Ａ）が連続繊維である事により、強度に優れる。また層（ＩＩ）の炭素繊維（Ｂ）が５〜５０ｍｍの非連続繊維である事により、成形性に優れる。これら両方の層を有する事で、強度と成形性のバランスが良好となる。
【００４０】
本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、表面層のいずれかが層（Ｉ）である。表面層が層（Ｉ）である事で、炭素繊維集束体の配向性によって特徴ある異方性光沢を有する。好ましくは、両表面が層（Ｉ）であり、さらに好ましくは、両表面が層（Ｉ）であり、かつその配向が略平行である。両表面が層（Ｉ）である事で、強度をさらに高める事が可能になる。また、両表面が層（Ｉ）であり、かつその配向が略平行である事で、表裏の収縮の異方性を同程度にする事が可能であり、ソリを抑制できる。
【００４１】
本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の厚みのうち１／３以下を前記層（Ｉ）が占めることが好ましい。前記厚みのうち１／３を超える厚みを層（Ｉ）が占めていると、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の成形性と強度のバランスをとることができず、特に強度が不足してしまうことがある。特に、前記厚みのうち１／４以下を層（Ｉ）が占めていることが好ましい。例えば、層（Ｉ）の１層の厚みと層（ＩＩ）の１層の厚みが等しい場合、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料が層（Ｉ）を２層、層（ＩＩ）を６層以上（例えば６〜１６層）含む構成であってもよい。
【００４２】
本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料に含まれる層（Ｉ）は、厚みよりも幅と長さが大きいシート状であれば、平面、円筒面、三次元曲面等どのような形状であってもよい。層（Ｉ）の大きさについては、幅と長さは炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の用途に応じて特に制限されないが、厚みは０．１〜０．３ｍｍであることが好ましい。連続繊維である炭素繊維（Ａ）を用いた層（Ｉ）がこの厚みの範囲であることで、強度を良好に発揮できる。層（ＩＩ）の形状及び大きさについては、上述の層（Ｉ）のものと同様に適宜選択できる。
【００４３】
本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、少なくとも２層の層（Ｉ）の間に少なくとも１層の層（ＩＩ）が挟まれてなることが好ましい。特に、層（Ｉ）の間に２以上の前記層（ＩＩ）が挟まれてなることが好ましい。複数層の層（ＩＩ）が両表面の層（Ｉ）に挟まれてなることで、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料に層（ＩＩ）による高い成形性が得られると共に、この材料の表面では層（Ｉ）による高い強度が得られるとともに、表面から加えられる衝撃による破損が起こりにくい。図に示した例では層（Ｉ）２Ａ及び２Ｂの間に６層の層（ＩＩ）３が挟まれている。
【００４４】
なお、この他に、材料内における層（Ｉ）及び層（ＩＩ）の構成は、所望に応じて決定する事が可能であり、全面を同じ積層構成としても構わないし、部分的に層（Ｉ）または層（ＩＩ）が多くなるように積層しても構わない。
【００４５】
さらに、上述の層（Ｉ）及び層（ＩＩ）は、隣り合う層の炭素繊維の繊維方向が略直交していることが好ましい。略直交とは、繊維が互いにおよそ９０°をなすように交差していることで、具体的には８５〜９５°程度であってもよい。図に示した例では、図の上側の表面に配置されている層（Ｉ）２Ａの繊維２１の方向が、隣り合っている、すなわち直下の層（ＩＩ）３の繊維３１Ａの方向と直交している。繊維３１Ａの方向は、隣り合っている、その直下の層（ＩＩ）３の繊維３１Ｂの方向と直交している。以下の層の繊維の方向についても同様である。
【００４６】
繊維の方向が略直交していることで、それぞれの曲げ方向の力が加わることに対して強度及び弾性が最大限に発揮できる。なお、製造過程を簡略化するため等の目的によっては、隣り合う層の炭素繊維の繊維方向が略平行であってもよい。
【００４７】
本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、層（Ｉ）及び層（ＩＩ）の他に適宜他の素材による層を有していてもよい。例えば、上述の両表面のそれぞれの層（Ｉ）のさらに表面に、層（ＩＩ）と同様の素材による保護層、又は、樹脂等のコーティングによる保護層を有していてもよい。層（Ｉ）の表面に保護層を有することで、表面に加えられる衝撃や引っ掻き等に対して層（Ｉ）がさらに破損しにくい。保護層の素材としては、ウレタン塗料、アクリル塗料、アクリル樹脂フィルム、ポリカーボネート樹脂フィルム、ナイロン樹脂フィルム、ポリプロピレン樹脂フィルム等が挙げられる。
【００４８】
保護層の他に、これらの層（Ｉ）及び層（ＩＩ）以外の選択的な層の素材としては、加飾フィルム、導電塗装、メッキ等が挙げられる。
【００４９】
本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、中間材料として用いる事が可能である。本実施形態の複合材料を加熱、賦形、冷却する事で所望の形状を得る事が可能である。この加熱、賦形、冷却のプロセスは一段階である必要は無く、必要に応じて繰り返し実施し、より複雑な構造を形成する事も可能である。また、切削や切断などの機械加工を行なっても良い。
【００５０】
本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、上述の層（Ｉ）の炭素繊維（Ａ）と上述の層（ＩＩ）の炭素繊維（Ｂ）をいずれも含む事で、剛性、強度及び成形性のバランスに優れた複合材料となる。また、この炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、熱可塑性樹脂を含むため、熱成型が可能であるという利点がある。
【００５１】
本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料を製造するには、一方向に配向した炭素繊維（Ａ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−１）を含む熱可塑性プリプレグ（Ｉ）と、一方向に配向した炭素繊維（Ｂ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−２）を含む熱可塑性プリプレグ（ＩＩ）を組み合わせて積層し、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料を得る事が好ましい。
【００５２】
本実施形態では、炭素繊維（Ａ）としては上述のポリアクリロニトリル系炭素繊維の連続繊維を用い、炭素繊維（Ｂ）としてはポリアクリロニトリル系炭素繊維の非連続繊維を用いることができる。
【００５３】
本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料に用いることができる熱可塑性プリプレグ（Ｉ）は、炭素繊維（Ａ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−１）を含むものであれば良いが、炭素繊維（Ａ）の集合体に熱可塑性樹脂（Ｃ−１）が含浸しているものが好ましい。このプリプレグ（Ｉ）の製造方法は、例えば炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂（Ｃ−１）とを加熱及び加圧する方法を用いる。加熱及び加圧は一般に２００〜３００℃で行い、加熱ロール、ダブルベルトプレスのような装置を用いて行う。
【００５４】
さらに具体的なプリプレグ（Ｉ）の製造方法は以下のようなものである。
（１ａ）一方向に引き揃えた炭素繊維（Ａ）に、熱可塑性樹脂（Ｃ−１）のフィルムを積層し、加熱・加圧を行なう方法、
（１ｂ）一方向に引き揃えた炭素繊維（Ａ）に、熱可塑性樹脂（Ｃ−１）の不織布を積層し、加熱・加圧を行なう方法、
（１ｃ）一方向に引き揃えた炭素繊維（Ａ）に、熱可塑性樹脂（Ｃ−１）の溶融体を塗布する方法、
（１ｄ）一方向に引き揃えた炭素繊維（Ａ）に、熱可塑性樹脂（Ｃ−１）の溶液を塗布した後に溶媒を除去する方法、
（１ｅ）炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂（Ｃ−１）繊維のコミングル繊維を一方向に引き揃え、加熱・加圧を行なう方法、
などが挙げられる。生産性と機械特性のバランスから、上述の（１ａ）、（１ｂ）又は（１ｃ）の方法を用いるのが好ましい。
【００５５】
本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料に用いることができる熱可塑性プリプレグ（ＩＩ）は、炭素繊維（Ｂ）及び熱可塑性樹脂（Ｃ−２）を含むものであれば良いが、炭素繊維（Ｂ）の集合体に熱可塑性樹脂（Ｃ−２）が含浸しているものが好ましい。このプリプレグ（ＩＩ）の製造方法は、例えば炭素繊維（Ｂ）と熱可塑性樹脂（Ｃ−２）とを加熱及び加圧する方法を用いる。加熱及び加圧する際の条件は上述したプリプレグ（Ｉ）の条件と同様である。
【００５６】
さらに具体的なプリプレグ（ＩＩ）の製造方法は以下のようなものである。
（２ａ）一方向に引き揃えた炭素繊維（Ｂ）に、熱可塑性樹脂（Ｃ−２）のフィルムを積層し、加熱・加圧を行なう方法、
（２ｂ）一方向に引き揃えた炭素繊維（Ｂ）に、熱可塑性樹脂（Ｃ−２）の不織布を積層し、加熱・加圧を行なう方法、
（２ｃ）一方向に引き揃えた炭素繊維（Ｂ）に、熱可塑性樹脂（Ｃ−２）の溶融体を塗布する方法、
（２ｄ）一方向に引き揃えた炭素繊維（Ｂ）に、熱可塑性樹脂（Ｃ−２）の溶液を塗布した後に溶媒を除去する方法、
（２ｅ）炭素繊維（Ｂ）と熱可塑性樹脂（Ｃ−２）繊維のコミングル繊維を一方向に引き揃え、加熱・加圧を行なう方法、
などが挙げられる。生産性と機械特性のバランスから、上述の（２ａ）、（２ｂ）又は（２ｃ）の方法を用いるのが好ましい。
【００５７】
例えば、（１ａ）及び（２ａ）の方法において、炭素繊維を一方向に引き揃える際には、繊維を配向させて張力をかける等の手法により行う。具体的には、繊維をよせ合わせた繊維束に対して、その両端を固定し張力をかける、繊維束をある程度緊張させた状態で螺旋状にロールに巻きつける、等の方法を用いる。この方法において、熱可塑性樹脂のフィルムを積層する際には、例えば、上述の両端が固定された繊維束、又はロールに巻きつけられた繊維束に、フィルムを押し付け、ついで加熱して熱可塑性樹脂を溶融させるといった方法を用いてもよい。さらに具体的には、両端が固定された繊維束にフィルムを重ね合わせ、樹脂が溶融可能な温度に加熱して加圧する。この際には、加熱ロール、ダブルベルトプレスといった装置を用いてもよい。この場合には、装置に樹脂が融着する事を防ぐために、離型紙や離型フィルムを用いても良い。または、上述の両端が固定された繊維束、又はロールに巻きつけられた繊維束に対して、溶融した熱可塑性樹脂を塗布し、固化させるといった方法を用いてもよい。さらに具体的には、押出機の先端にＴダイを設けた製膜機を用いて、繊維束に溶融した熱可塑性樹脂を塗布するように行う。この際には、単軸押出機、二軸押出機といった装置を用いてもよい。
【００５８】
本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の製造方法は、これらのプリプレグ（Ｉ）及び（ＩＩ）を組み合わせて積層する方法が挙げられる。プリプレグ（Ｉ）及び（ＩＩ）は、それぞれ炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料における上述の層（Ｉ）及び（ＩＩ）にあたるものになる。炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の製造工程において、プリプレグを積層する構成は、所望に応じて決定する事が可能であり、全面を同じ積層構成としても構わないし、部分的に炭素繊維（Ａ）または炭素繊維（Ｂ）が多くなるように積層しても構わない。
【００５９】
（成型体）
本実施形態の炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料は、成型体として用いる事が可能である。必要な剛性、強度、熱伝導率に応じて、炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）を配置する事で、より効率的な構造を設計する事が可能となる。
【００６０】
本実施形態の成型体の製造方法は、本実施形態の複合材料を熱成型し、成型体を得る方法が挙げられる。本実施形態の複合材料は、熱可塑性であるために、所望により熱成型する事が可能である。熱成型とは、加熱、賦形及び冷却等を伴うものである。例えば、プレス成型、真空成型、圧空成型又は射出成型などが挙げられるが、炭素繊維の持つ弾性率、強度および熱伝導率を有効活用するために、プレス成型、真空成型又は圧空成型が好ましく、プレス成型が特に好ましい。成型における加熱及び加圧は、例えば加熱温度  ２００〜３５０℃、加圧力  ５〜３０ＭＰａの条件で行う。
【００６１】
本実施形態の成型体は、層（Ｉ）及び（ＩＩ）が熱可塑性樹脂を含んでいるため、熱を加えた加工により成型が容易である。特に、スタンピング成型により複雑形状の成型が可能である。また、加熱、賦形及び冷却を複数回繰り返すことにより多段階の成型も可能であり、形状の自由度が高くなる。スタンピング成型では、金型に接さない内側の層の材料が流動し易い。
【００６２】
本実施形態の成型体は、両面のうちいずれか一方の面の表面に高さ３ｍｍ以上の凸部を有する。凸部の形状は例えばリブ、ボス、立面等の形状が挙げられ、特に電子機器の筐体の部材の各種の構造となる形状のものが挙げられる。高さ３ｍｍ以上とは具体的に４〜８ｍｍ程度のものである。
【００６３】
本実施形態の成型体は成型が特に容易であるため、高さが３ｍｍをこえる大きな凸部を容易に形成することができ、製造工程やコストの面で特に有利である。
【００６４】
図２に示した例では、層（Ｉ）２Ａ及び２Ｂに挟まれた層（ＩＩ）３を有する炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料１０Ａを熱加工により成型して、成型体１００を得る。この成型体１００は、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料１０Ａに含まれている熱可塑性樹脂が加熱、加圧により変形し成型されてなる凸部３３が形成されている。ここでは、凸部３３は成型体１００の片側の表面（図では上の面）の縁部、及びその表面を２分するような畝部として形成されている。図の例では、凸部３３に含まれる繊維は、層（ＩＩ）にスリットを設ける際に短く切断されているものとして、繊維を含む層（ＩＩ）の断面又は表面をドットを設けた面で表しているが、凸部３３に関しては繊維の方向がどのような炭素繊維（Ｂ）でも含み得る。例えば、凸部３３はその畝部の長尺方向に沿った炭素繊維（Ｂ）を多く含んでいてもよい。
【００６５】
本実施形態の成型体は、電子機器筐体用部材に特に好適に使用できる。電子機器機筐体とは、主に電子計算機、パーソナルコンピュータ、タブレット等、又はその周辺機器などで、特に可搬型の機器の筐体を指す。電子機器筐体筐体用部材とは、これらの筐体を構成する部材であり、特に表面パネル等を指す。表面パネルとは、例えば外部表面の平面部分を含む部位を構成するパネル状の部材等を指す。図３は、電子機器筐体用部材の一例を示す。電子機器筐体用部材１００Ａは、パーソナルコンピュータの表面パネルのひとつで、上述の凸部３３Ａを有している。電子機器筐体に内部部品を固定するためにはネジ止め可能なボスが必要であり、部分的に剛性を高くする場合にはリブが必要である。これらの形状はいずれも凸部であり、本実施形態ではこれらの形状を同時に成形する事が可能である。電子機器筐体用部材は、部材の厚さは０．５〜２．５ｍｍであり、１面以上が無いか、または孔が開いた略立方体の形状を有し、５０〜２５０ｍｍ×１００〜４００ｍｍ×５〜３０ｍｍの寸法からなる大きさを有していることが好ましい。これらの形状及び大きさを有することで、熱伝導率、軽量化効果、弾性率及び強度を特に好適に兼ね備えることができる。
【００６６】
本実施形態の成型体を電子機器筐体用部材に用いることで、これらの筐体の弾性率及び強度が両立し、軽量であるためこれらの機器の携帯において特に利便性が高い。これら上述のそれぞれの効果の相乗効果により、本実施形態の成型体は電子機器筐体用部材への使用において特に有効である。
【実施例】
【００６７】
以下、実施例により本実施形態をさらに詳細に説明する。なお、物性等の測定は以下のように行った。
【００６８】
（成形性評価）
０°方向６０ｍｍ、９０°方向１００ｍｍ、立面の高さ１０ｍｍ、厚さ０．６ｍｍで、２個のボス（高さ５ｍｍ、内径２．６ｍｍ、外径４．０ｍｍおよび外径４．５ｍｍ）とリブ（高さ５ｍｍ、厚さ０．６ｍｍ、０°方向に平行）を有する図４に示す成形品形状を有するプレス成型用金型を用いて成形性評価を行った。成形条件は２５０℃に設定したプレス成型機内で３分間加熱し、さらに２５０℃、１０ＭＰａの圧力で１０秒間プレスし、引き続き、８０℃、１０ＭＰａの圧力で２分間プレスし、厚さ０．６ｍｍの成形品を得た。この成形を３回実施し、成形品の目視により、以下のように評価した。
【００６９】
＜リブ成形性＞
◎：３回ともリブに完全充填した。
○：１回または２回リブに完全充填した。
×：１回もリブに完全充填しなかった。
【００７０】
＜ボス成形性＞
◎：合計５個または６個のボスが完全充填した。
○：合計１〜４個のボスが完全充填した。
×：ボスが完全充填しなかった。
【００７１】
（外観評価）
成形品の炭素繊維集束体の配向性による特徴ある異方性光沢を約３０ｃｍの距離から目視で確認し、以下のように評価した。
○：異方性光沢が略一方向性である。
×：異方性光沢に蛇行や乱れがあり、一方向性でない。
【００７２】
（破壊形態評価）
成形性評価で得られた成形品の略中央部をハンマーで叩いて破壊し、その破壊形態を目視評価した。
○：不連続繊維端面の露出が無く、形態を保持した。
×：不連続繊維が露出し、孔が空いた。
【００７３】
（試験例１：連続炭素繊維３４体積％含有プリプレグ（Ｉ−１）の製造方法）
炭素繊維（Ａ）としてポリアクリロニトリル系炭素繊維（三菱レイヨン社製、製品名：パイロフィル（登録商標）  ＴＲ５０Ｓ１５Ｌ、目付１０００ｍｇ／ｍ、引張弾性率２４０ＧＰａ、引張強度４９００ＭＰａ、破断伸び２．０％、密度１．８２ｇ／ｃｍ３）を、ＦＡＷが７５ｇ／ｍ２となるように一方向に引き揃えて並べ、厚さ４０μｍのポリアミド６フィルム２枚と重ね合わせて、２５０℃で加熱加圧する事で、炭素繊維を３４体積％含有するシート状プリプレグ（Ｉ−１）を製造した。このシート状プリプレグ（Ｉ−１）の厚さは、０．１２ｍｍであった。
【００７４】
（試験例２：連続炭素繊維４８体積％含有プリプレグ（Ｉ−２）の製造方法）
ＦＡＷが１００ｇ／ｍ２となるように一方向に引き揃えて並べ、厚さ３０μｍのポリアミド６フィルムを用いる点を除いては試験例１と同様に製造した。このシート状プリプレグ（Ｉ−２）の厚さは０．１２ｍｍであった。
【００７５】
（実施例１：繊維長６ｍｍ、３４体積％の複合材料）
試験例１で得られたシート状プリプレグ（Ｉ−１）を刃物で切る事で、炭素繊維の繊維方向とおよそ４５°をなすスリット（個々のスリットの長さ３５ｍｍで、プリプレグの５ｃｍ×５ｃｍに対してスリット長の総和が平均して５９ｃｍ）を形成したシート状プリプレグ（ＩＩ−１）を製造した。
【００７６】
（Ｉ−１）を０°、（ＩＩ−１）を９０°、（ＩＩ−１）を０°、（ＩＩ−１）を９０°、（ＩＩ−１）を９０°、（ＩＩ−１）を０°、（ＩＩ−１）を９０°、（Ｉ−１）を０°の順で合計８層のプリプレグを、互いに合わせて重ね合わせて金型内に配置した。この金型を２５０℃に設定したプレス成型機内で３分間加熱し、さらに２５０℃、２ＭＰａの圧力で７分間プレスし、引き続き、８０℃、２ＭＰａの圧力で３分間プレスし、厚さ１．０ｍｍの複合材料を得た。
【００７７】
（実施例２〜４、比較例１〜４）
表１に示す材料構成とする以外は実施例１と同様に実施し、厚さ１．０ｍｍの複合材料を得た。なお、表中の最外層とは１層目と８層目であり、内層とは２〜７層目を示す。構成の[0/90/0/90]sは最外層（０°）に対して６層からなる内層がいずれも９０°（直交）の繊維方向、[0/90/0/90]sは最外層（０°）に対して９０°の繊維方向、ついでその層に対して９０°の繊維方向（即ち０°）、ついでその層に対して９０°の繊維方向（即ち９０°）として、ついでその層に対して平行（即ち９０°）、ついでその層に対して９０°の繊維方向（即ち０°）、ついでその層に対して９０°の繊維方向（即ち９０°）、ついでその層に対して９０°の繊維方向（即ち０°）を反対側の最外層とされていることを指す。
【００７８】
（実施例５）
実施例１に用いたものと同じ複合材料を、９０°回転させて評価を実施した。
【表１】
2016180037.tif 000003
【符号の説明】
【００７９】
１、１０  炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料
２Ａ、２Ｂ  層（Ｉ）
３  層（ＩＩ）
２１、３１Ａ、３１Ｂ  炭素繊維
３２  スリット
３３、３３Ａ  凸部
１００  成型体
１００Ａ  電子機器筐体用部材
【図１】
2016180037.tif 000004
【図２】
2016180037.tif 000005
【図３】
2016180037.tif 000006
【図４】
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