(57)【要約】【課題】熱可塑性複合材料を用いた構造材を製造する際に、後処理工程や部品点数を、従来と比較して減らすことのできる、熱可塑性複合材料形成用ランダムマットと、熱可塑性複合材料形成用中間基材およびそれらの製造方法を提供すること【解決手段】熱可塑性複合材料形成用ランダムマットを製造するに際して、予め、後処理工程が必要な部位に適切な添加剤を用意すること、および、予め、樹脂に依存する特性の要求仕様を満たすために必要な部位に適切な添加剤を用意することのできる製造方法、熱可塑性複合材料形成用ランダムマットおよび熱可塑性複合材料形成用中間基材を提供すること【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の強化繊維を一方向に引き揃えた、平均繊維長３〜１００ｍｍ、幅０．０５〜５ｍｍの強化繊維束がランダム分散した等方性ランダムマットと、粉粒体状又は短繊維状の熱可塑性樹脂からなる熱可塑性樹脂層とが、少なくともそれぞれ一層以上積層された熱可塑性複合材料形成用ランダムマットであって、前記熱可塑性樹脂層に少なくとも１種類以上の添加剤を含み、前記添加剤の種類または重量の少なくともいずれか一方が、前記熱可塑性樹脂層内において部分的に異なることを特徴とする、熱可塑性複合材料形成用ランダムマット。
【請求項２】
前記熱可塑性樹脂層が、ランダムマットの幅方向および／または長さ方向に対し非一様に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の熱可塑性複合材料形成用ランダムマット。
【請求項３】
前記強化繊維が炭素繊維であることを特徴とする請求項１または２に記載の熱可塑性複合材料形成用ランダムマット。
【請求項４】
前記強化繊維束の繊維全量に対する割合が２０Ｖｏｌ％以上９９Ｖｏｌ％以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱可塑性複合材料形成用ランダムマット。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の熱可塑性複合材料形成用ランダムマットを加熱含浸させ、冷却固化させてなることを特徴とする熱可塑スタンパブル中間基材。
【請求項６】
複数の強化繊維からなるストランドを長手方向に沿って幅０．０５〜５ｍｍの複数の細幅ストランドにスリットした状態で、平均繊維長３〜１００ｍｍにカットし、カットした強化繊維束をベルトコンベア上に堆積させて等方性ランダムマットとし、熱可塑性樹脂供給部から粉粒体状又は短繊維状の熱可塑性樹脂を散布し熱可塑性樹脂層とすることを繰り返すことで、前記等方性ランダムマットと前記熱可塑性樹脂層とが少なくともそれぞれ一層以上で構成される層構造からなる熱可塑性複合材料形成用ランダムマットの製造方法において、前記熱可塑性樹脂層に少なくとも１種類以上の添加剤を供給し、前記添加剤の種類または重量の少なくともどちらか一方が、前記熱可塑性樹脂層内において部分的に異なることを特徴とする、熱可塑性複合材料形成用ランダムマットの製造方法。
【請求項７】
前記熱可塑性樹脂層が、ランダムマットの幅方向および／または長さ方向に対し非一様に配置されていることを特徴とする、請求項６に記載の熱可塑性複合材料形成用ランダムマットの製造方法。
【請求項８】
請求項６または７に記載の熱可塑性複合材料形成用ランダムマットを、加熱含浸させ、冷却固化させてなる、熱可塑スタンパブル中間基材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性複合材料形成用ランダムマットおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維やアラミド繊維、ガラス繊維等を強化繊維として用いた繊維強化複合材料は、その高い比強度・比弾性率を生かして、航空機や自動車等の構造材料、スポーツ用品あるいは一般産業用途の素材として広く利用される。
【０００３】
繊維強化複合材料のマトリックス樹脂の種類として、近年、コスト・成形の迅速性・リサイクル性等の観点から、熱可塑性樹脂が注目されており、カットした繊維を用いて作られるランダムシートと組み合わせた複合材料の製造方法が知られている。（例えば、特許文献１）
【０００４】
特許文献１に開示された技術は、カットした強化繊維束に気体を吹き付け開繊させ、粉状または短繊維状の熱可塑性樹脂とともに、通気性支持体上に堆積・定着させたものである。これにより、熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂として使用する複合材料を製造するための等方性ランダムマットを、高い生産性でかつ低コストで製造できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５７２２７３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に開示されるような、等方性ランダムマットを原料とした熱可塑性複合中間基材を用いて、航空機や自動車等の構造体を作る場合、例えば、部材同士の接合接着面において、接着性を向上させるための後処理工程が必要であるため、製造時間と労力が多くかかるという問題があった。
【０００７】
また、例えば、電波透過性や耐候性、導電性といった樹脂に依存する特性の要求仕様が構造体の部位ごとに異なるため、それぞれの部位毎に構造を分割した設計を行い、部材毎に製造し、後に接合する必要があり、部品点数が増加するため、製造時間と労力が多くかかるという問題があった。
【０００８】
つまり、航空機や自動車等の構造体を作る場合に製造工程全体において、最適化できる余地が残される。
【０００９】
そこで本発明の課題は、後処理工程や部品点数を、従来と比較して減らすことのできる熱可塑性複合材料形成用ランダムマットおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を達成するために本発明の熱可塑性複合材料形成用ランダムマットは、以下の構成を採用する。すなわち、複数の強化繊維を一方向に引き揃えた、平均繊維長３〜１００ｍｍ、幅０．０５〜５ｍｍの強化繊維束がランダム分散した等方性ランダムマットと、粉粒体状又は短繊維状の熱可塑性樹脂からなる熱可塑性樹脂層とが、少なくともそれぞれ一層以上積層された熱可塑性複合材料形成用ランダムマットであって、熱可塑性樹脂層に少なくとも１種類以上の添加剤を含み、添加剤の種類または重量の少なくともいずれか一方が、熱可塑性樹脂層内において部分的に異なることを特徴とする熱可塑性複合材料形成用ランダムマットである。
【００１１】
また、上記課題を達成するために本発明の熱可塑性複合材料形成用ランダムマットの製造方法は、以下の構成を採用する。すなわち、複数の強化繊維からなるストランドを長手方向に沿って幅０．０５〜５ｍｍの複数の細幅ストランドにスリットした状態で、平均繊維長３〜１００ｍｍにカットし、カットした強化繊維束をベルトコンベア上に堆積させて等方性ランダムマットとし、熱可塑性樹脂供給部から粉粒体状又は短繊維状の熱可塑性樹脂を散布し熱可塑性樹脂層とすることを繰り返すことで、等方性ランダムマットと熱可塑性樹脂層とが少なくともそれぞれ一層以上で構成される層構造からなる熱可塑性複合材料形成用ランダムマットの製造方法において、熱可塑性樹脂層に少なくとも１種類以上の添加剤を供給し、添加剤の種類または重量の少なくともどちらか一方が、熱可塑性樹脂層内において部分的に異なることを特徴とする、熱可塑性複合材料形成用ランダムマットの製造方法である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、後処理工程や部品点数を、従来と比較して減らすことのできる熱可塑性複合材料形成用ランダムマットおよびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施態様に係る、熱可塑性複合材料形成用ランダムマットを製造する製造装置の概略斜視図である。
【図２】本発明の一実施態様に係る、後処理工程が必要な部位に適切な添加剤を用意した熱可塑性複合材料形成用ランダムマットと、それを用いた接合工程の概略図であり、（ａ）熱可塑性複合材料形成用ランダムマットの後処理工程が必要な部位に適切な添加剤を用意した状態、（ｂ）ストリンガー形状の熱可塑性複合部材を成形した状態、（ｃ）後処理工程が必要な部位に適切な添加剤を用意した、パネル形状の熱可塑性複合部材を成形した状態、（ｄ）パネル形状の熱可塑性複合部材にストリンガー形状の熱可塑性複合部材を接合した状態、をそれぞれ示す概略斜視図である。
【図３】発明の一実施態様に係る、予め、成形品に対する要求仕様を満たすために必要な部位に適切な添加剤を用意した熱可塑性複合材料形成用ランダムマットと、それを用いた成形品の概略図であり、（ａ）予め、成形品に対する要求仕様を満たすために必要な部位に適切な添加剤を用意した熱可塑性複合材料形成用ランダムマットであり、左側が表を、右側が裏をそれぞれ示した概略斜視図、（ｂ）バスタブ形状の熱可塑性複合部材であり、左側が表を、右側が裏をそれぞれ示した概略斜視図、をそれぞれ示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施態様は、あくまで本発明の望ましい実施の形態の例示であって、本発明は、これら実施態様に限定されるものではない。
【００１５】
本発明において、熱可塑性複合材料形成用ランダムマットは、少なくとも強化繊維束からなる等方性ランダムマットと熱可塑性樹脂層とが少なくともそれぞれ一層以上の層構造を持つように構成され、熱可塑性樹脂層は、少なくとも１種類以上の添加剤を含み、前記添加剤の種類または重量の少なくともいずれか一方が、前記熱可塑性樹脂層内において部分的に異なることが重要である。部分的に異なる具体的構成は特に限定されるものではないが、添加剤を付加した熱可塑樹脂層（添加剤付加部１１）を、熱可塑性複合材料形成用ランダムマットに含まれる任意の熱可塑性樹脂層としてもよいし、１つの熱可塑性樹脂層の層内において添加剤の種類または重量の少なくともどちらか一方を部分的に異ならせることもできる。
【００１６】
強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ケブラー繊維等を用いることが好ましい。強化繊維束の幅は０．０５ｍｍから５ｍｍであることが重要である。また、強化繊維束をランダムに１００本採取して、その繊維長を測定した時の平均繊維長は３ｍｍから１００ｍｍであることが重要である。強化繊維束の繊維全量に対する割合は２０Ｖｏｌ％以上９９Ｖｏｌ％以下であることが好ましい。
【００１７】
熱可塑性樹脂としては、例えば、ナイロンやＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂が利用できる。熱可塑性樹脂の形態としては、粉粒体状又は短繊維状であることが重要である。
【００１８】
添加剤としては、例えば、CuI（ヨウ化銅）、芳香族ナイロン、エアロゲルなどが利用でき、結晶化度、融点、固化温度、固化速度、分子運動性、分子量、光耐久性、薬品耐久性、強度、剛性、難燃性、電波吸収性、音波吸収性、チキソトロピー、導電性、等を変化させることができる。例えば、屋外環境に暴露される成形品の場合には、光耐久性や、薬品耐久性を向上させる添加剤が好ましく、例えば、耐雷性を求められる航空機の部材の場合には、導電性を向上させる添加剤が好ましい。
【００１９】
また、本発明の熱可塑性複合材料形成用ランダムマットは、熱可塑性樹脂層が、ランダムマットの幅方向および／または長さ方向に対し非一様に配置されていることが好ましい。後述するように、複数の熱可塑性複合材料形成用ランダムマットを用いて熱可塑性複合材料を形成しようとする場合、相互に接合する部分に熱可塑性樹脂層を設けておくと、熱可塑性樹脂層を加熱、冷却することで、強固に接合することが可能となる。
【００２０】
次に、本発明に係る熱可塑性複合材料形成用ランダムマットの製造方法について説明する。
【００２１】
最初に、強化繊維束からなるランダムマットを準備する。複数の強化繊維からなるストランドを長手方向に沿ってスリットし、幅０．０５~５ｍｍの複数の細幅ストランドを得る。この細幅ストランドを、平均繊維長が３~１００ｍｍになるようにカットし、ベルトコンベア上にランダムに堆積させることで、強化繊維束からなるランダムマットが得られる。この際、ランダムに堆積させるために、カット部とベルトコンベア部の間に、分散装置を配置してもよい。分散装置として、回転する櫛を使ったものが例示できる。
【００２２】
続いて、準備した強化繊維からなるランダムマット上において、図１に示すように、添加剤と熱可塑性樹脂の付与装置４を用意し、ランダムマット上に熱可塑性樹脂層を形成する。
【００２３】
添加剤と熱可塑性樹脂の付与装置４は、熱可塑性複合材料形成用ランダムマットを搬送するためのベルトコンベアと、添加剤と熱可塑性樹脂の供給口４１と、添加剤タンク４２と、熱可塑性樹脂タンク４３で構成されている。付与装置４は必要に応じて複数設置することも可能である。
【００２４】
供給口４１は、添加剤や熱可塑性樹脂の散布量を任意に調整することが可能である。調整方法は特に限定されないが、ベルトコンベアの走行方向に対して垂直方向に往復運動させたり、往復運動距離を変更させたり、熱可塑性樹脂と添加剤の供給量を変更させたりする等の方法を適宜選択し、または組み合わせることが可能である。供給口４１の形状は、散布位置の精度要求と供給量に合わせて定めればよく、精度を高めるためには供給口４１を小さくすることが好ましい。安定供給するために、供給口４１を振動させることも可能である。供給口４１の材質は特に限定するものではないが、帯電しない材質が望ましく、供給する熱可塑性樹脂と同種であることが好ましい。金属を使用する場合は、帯電を逃がすためにアースを設置することが好ましい。供給口４１は、一つの口で両方を兼ねてもよいし、別のユニットとして設置することも可能である。
【００２５】
このように、本発明に係る熱可塑性複合材料形成用ランダムマットの製造方法によれば、予め、後処理工程が必要な部位や、樹脂種類に依存する特性の要求仕様を満たすために必要な部位に、適切な添加剤を散布することができるため、熱可塑性複合材料形成用ランダムマット１を容易に製造することができる。
【００２６】
本発明において、添加剤タンク４２は、必要な添加剤の量を貯蔵できることが好ましい。ホース等の搬送装置と自動供給装置とを組み合わせることで、添加剤タンク４２への材料補充を自動化することも可能である。材料は特に指定をしないが、帯電しない材質が望ましい。金属を使用する場合は、帯電を逃がすためにアースを設置することが好ましい。
【００２７】
本発明において、熱可塑性樹脂タンク４３は、必要な熱可塑性樹脂の量を貯蔵できることが好ましい。ホース等の搬送装置と自動供給装置とを組み合わせることで、熱可塑性樹脂タンク４３への材料補充を自動化することも可能である。材料は特に指定をしないが、帯電しない材質が望ましく、供給する熱可塑性樹脂と同種であることが好ましい。金属を使用する場合は、帯電を逃がすためにアースを設置することが好ましい。
【００２８】
また、熱可塑性樹脂層が、ランダムマットの幅方向および／または長さ方向に対し非一様に配置されていることが好ましい。熱可塑性樹脂層が必要な箇所に供給口４１を移動させ、ランダムマットに対して幅方向、あるいは長さ方向に対し任意の範囲に熱可塑性樹脂を散布することで達成できる。
【００２９】
次に、本発明に係る熱可塑性複合材料形成用ランダムマットを用いて製造する熱可塑性複合部材３について説明する。なお、本発明の説明で用いる形状に限定されるものではない。
【００３０】
図２に示すように、熱可塑性複合材料形成用ランダムマット１を複数用意し、図２（ｂ）に示すストリンガー形状の熱可塑性複合材料形成用ランダムマット２Ａや、図２（ｃ）に示すパネル形状の熱可塑性複合材料形成用ランダムマット２Ｂを組み合わせることで、図２（ｄ）に示す複雑形状からなる熱可塑性複合部材３を得ることができる。熱可塑性複合材料形成用ランダムマット２Ａは、熱可塑性複合材料形成用ランダムマット１の左右両端に、添加剤が付加された熱可塑性樹脂層からなる添加剤付加部１１、１３を備えたものを、図２（ｂ）に示すストリンガー形状に賦形し、後述する図２（ｃ）の熱可塑性複合材料形成用ランダムマット２Ｂと接合させる添加剤含有部２１と、添加剤を含まない通常部２２とを形成する。添加剤含有部２１は、熱可塑性複合材料形成用ランダムマット２Ａに含まれる熱可塑性樹脂層のうち、表面や内部を含む、厚み方向のどの層にあってもよい。また、添加剤含有部２１に含まれる添加剤の種類あるいは重量の少なくともどちらか一方は、層内において部分的に変化しても良い。ランダムマット内に熱可塑性樹脂を含侵させる手法は特に限定しないが、温調機を有するプレス機を用いて、ヒート＆クール成形する手法等が例示できる。なお、熱可塑性樹脂をランダムマット内に含侵させる際に、ランダムマット内の熱可塑性樹脂と強化繊維束が流動するが、その流動分を考慮して添加剤付加部１１の範囲を設定することが好ましい。
【００３１】
熱可塑性複合材料形成用ランダムマット２Ｂも、熱可塑性複合材料形成用ランダムマット２Ａと同様に、添加剤含有部２１と、添加剤を含まない通常部２２とを含む態様とすることが好ましい。
【００３２】
最後に、図２（ｄ）に示すように、ストリンガー形状の熱可塑性複合材料形成用ランダムマット２Ａの添加剤含有部２１と、パネル形状の熱可塑性複合材料形成用ランダムマット２Ｂの添加剤含有部２１が向かい合うように配置し、添加剤含有部同士を互いに接合する。この際、接合部をマーキングすること、または位置決め用の治具を利用することも可能である。
【００３３】
このように、本発明に係る熱可塑性複合材料形成用ランダムマットを用いれば、予め、後処理工程が必要な部位に適切な添加剤が用意されているので、従来よりも成形作業性、生産性を大幅に向上し、短時間のうちに熱可塑性複合部材を製造することができる。
【００３４】
また、別の態様として、図３に示すような複雑形状の熱可塑性複合部材を製造することも可能である。熱可塑性複合材料形成用ランダムマット１として、表面を図３（ａ）左図に示す下端の一部に添加剤付加部１１を形成するとともに、裏面は図３（ａ）右図に示す位置に添加剤付加部１１を形成する。この熱可塑性複合材料形成用ランダムマット１には、予め、熱可塑性複合部材に対する要求仕様を満たすために必要な部位に適切な添加剤が付加されている。一例として、添加剤付加部１１に導電性の良い粒子を厚み方向の全層に付加し、添加剤付加部１３に耐水性を向上させる添加剤を最外層に付加することができる。
【００３５】
図３（ａ）で示した熱可塑性複合材料形成用ランダムマット１を用いてバスタブ形状からなる熱可塑性複合部材３の概略図を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）左図は表側を、右図は裏側をそれぞれ示しており、必要な箇所に形成された添加剤含有部２１は通常部２２と比較して導電性が発現し、添加剤含有部２３は通常部２２と比較して耐水性が発現するものとすることができる。
【００３６】
このように、本発明に係る熱可塑性複合材料形成用ランダムマットを用いれば、予め、熱可塑性複合部材に対する要求仕様を満たすために必要な部位に適切な添加剤を用意されているので、従来よりも成形作業性、生産性を大幅に向上し、短時間のうちに熱可塑性複合部材を製造することができるとともに、部品点数を減少させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明に係るＦＲＰの製造装置およびその製造方法を用いることにより、実質的にあらゆるＦＲＰ製成形品の製造に適用可能であり、とくに、航空機や自動車等の構造体を作る場合に適用できる。
【符号の説明】
【００３８】
１、２Ａ、２Ｂ  熱可塑性複合材料形成用ランダムマット
１１、１３  添加剤付加部
１２  通常部
２１、２３  添加剤含有部
２２  通常部
３  熱可塑性複合部材
４  添加剤と熱可塑性樹脂の付与装置
４１  添加剤と熱可塑性樹脂の供給口
４２  添加剤タンク
４３  熱可塑性樹脂タンク 
【図１】
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【図２】
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【図３】
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