特許 5919451 炭素繊維強化成形材料及び成形体

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5919451

(24)【登録日】2016年4月15日

(45)【発行日】2016年5月18日

(54)【発明の名称】炭素繊維強化成形材料及び成形体

(51)【国際特許分類】

   B29B 11/16 20060101AFI20160428BHJP

   B29B 15/08 20060101ALI20160428BHJP

   C08J 5/04 20060101ALI20160428BHJP

   C08K 7/06 20060101ALN20160428BHJP

   C08L 101/00 20060101ALN20160428BHJP

   B29K 101/12 20060101ALN20160428BHJP

   B29K 105/06 20060101ALN20160428BHJP

【ＦＩ】

   B29B11/16

   B29B15/08

   C08J5/04CER

   C08J5/04CEZ

   !C08K7/06

   !C08L101/00

   B29K101:12

   B29K105:06

【請求項の数】8

【全頁数】38

(21)【出願番号】特願2015-561792(P2015-561792)

(86)(22)【出願日】2015年2月6日

(86)【国際出願番号】JP2015053353

(87)【国際公開番号】WO2015122366

(87)【国際公開日】20150820

【審査請求日】2015年12月18日

(31)【優先権主張番号】特願2014-26968(P2014-26968)

(32)【優先日】2014年2月14日

(33)【優先権主張国】JP

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000003001

【氏名又は名称】帝人株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100115107

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 猛

(74)【代理人】

【識別番号】100151194

【弁理士】

【氏名又は名称】尾澤 俊之

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 秀平

(72)【発明者】

【氏名】藤井 嵩也

(72)【発明者】

【氏名】横溝 穂高

(72)【発明者】

【氏名】青木 秀憲

【審査官】 大村 博一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１５７５２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２０９４４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２６９３０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００７／０９７４３６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１３／１７５５８１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−１７８８９１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−２６１５１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０４９２０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１２／１０８４４６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−１６６９２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０９２０７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２９Ｂ １１／１６；１５／０８−１５／１４

Ｃ０８Ｊ ５／０４−５／１０；５／２４

Ｃ０８Ｋ ７／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱可塑性樹脂と、炭素繊維（Ａ）と、炭素繊維（Ｂ）とを含む板状の炭素繊維強化成形材料であって、
ｉ）炭素繊維（Ａ）は繊維長が０．０１ｍｍ以上３ｍｍ未満であり、
ｉｉ）炭素繊維（Ｂ）は繊維長が３ｍｍ以上１００ｍｍ未満であり、
ｉｉｉ）炭素繊維（Ａ）の重量平均繊維長をＬｗ_Ａ、数平均繊維長をＬｎ_Ａとそれぞれしたときに、Ｌｗ_Ａ／Ｌｎ_Ａの範囲は１．３以上３未満であり、
ｉｖ）炭素繊維（Ｂ）が２次元方向にランダム配向され、
炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の合計量に対する炭素繊維（Ａ）の重量割合が、５重量％以上５０重量％以下であり、
炭素繊維（Ｂ）は下記式（１）で定義される臨界単糸数未満の繊維束及び単糸と、臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ｂ１）とを含んでなり、
炭素繊維強化成形材料に含まれる炭素繊維（Ｂ）全量に対する炭素繊維束（Ｂ１）の割合が、５Ｖｏｌ％以上９５Ｖｏｌ％未満であり、
炭素繊維束（Ｂ１）中の平均繊維数（Ｎ_Ｂ）が下記式（２）を満たす、炭素繊維強化成形材料。
臨界単糸数＝６００／Ｄ_Ｂ （１）
０．４３×１０^４／Ｄ_Ｂ^２＜Ｎ_Ｂ＜６×１０^５／Ｄ_Ｂ^２（２）
（ここでＤ_Ｂは炭素繊維（Ｂ）の平均繊維径（μｍ）である）

【請求項2】

前記炭素繊維（Ａ）が３次元方向にランダム配向された請求項１に記載の炭素繊維強化成形材料。

【請求項3】

熱可塑性樹脂と、炭素繊維（Ａ）と、炭素繊維（Ｂ）とを含む板状の炭素繊維強化成形材料であって、
ｉ）炭素繊維（Ａ）は繊維長が０．０１ｍｍ以上３ｍｍ未満であり、
ｉｉ）炭素繊維（Ｂ）は繊維長が３ｍｍ以上１００ｍｍ未満であり、
ｉｉｉ）炭素繊維（Ａ）の重量平均繊維長をＬｗ_Ａ、数平均繊維長をＬｎ_Ａとそれぞれしたときに、１．０＜Ｌｗ_Ａ／Ｌｎ_Ａ＜３であり、
ｉｖ）炭素繊維（Ｂ）が２次元方向にランダム配向され、
前記炭素繊維（Ａ）が３次元方向にランダム配向された、
炭素繊維強化成形材料。

【請求項4】

前記炭素繊維（Ｂ）の重量平均繊維長をＬｗ_Ｂ、数平均繊維長をＬｎ_Ｂとそれぞれしたときに、
１．０≦Ｌｗ_Ｂ／Ｌｎ_Ｂ＜１．２
である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の炭素繊維強化成形材料。

【請求項5】

曲げ強度Ｓが、ｑＳａ＋（１−ｑ）Ｓｂの０．８倍以上である、請求項１〜４いずれか１項に記載の炭素繊維強化成形材料。
ただし、
Ｓａ：炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂とからなる成形材料（Ａ）の曲げ強度
Ｓｂ：炭素繊維（Ｂ）と熱可塑性樹脂とからなる成形材料（Ｂ）の曲げ強度
ｑ：炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）との全量に対する炭素繊維（Ａ）の重量含有割合
ここで、
成形材料（Ａ）における炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂は請求項１〜４いずれか１項に記載の炭素繊維強化成形材料に含まれる炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂と同じものであり、成形材料（Ａ）における炭素繊維（Ａ）の含有量は請求項１〜４いずれか１項に記載の炭素繊維強化成形材料における炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の合計の含有量と同じであり、
成形材料（Ｂ）における炭素繊維（Ｂ）と熱可塑性樹脂は請求項１〜４いずれか１項に記載の炭素繊維強化成形材料に含まれる炭素繊維（Ｂ）と熱可塑性樹脂と同じものであり、成形材料（Ｂ）における炭素繊維（Ｂ）の含有量は請求項１〜４いずれか１項に記載の炭素繊維強化成形材料における炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の合計の含有量と同じである。

【請求項6】

請求項１〜５のいずれか１項に記載の炭素繊維強化成形材料を用いて成形した成形体であり、
成形体の板厚が最小の部分の板厚を最小板厚Ｔ（ｍｍ）としたとき、
（ａ）炭素繊維（Ａ）の数平均繊維長Ｌｎ_ＡがＴ／２（ｍｍ）未満であり、
（ｂ）炭素繊維（Ｂ）の数平均繊維長Ｌｎ_ＢがＴ（ｍｍ）以上である、
成形体。

【請求項7】

前記最小板厚Ｔ（ｍｍ）が、１ｍｍ以上である請求項６に記載の成形体。

【請求項8】

請求項１〜５のいずれか１項に記載の炭素繊維強化成形材料を用いて成形した成形体であり、
成形体の板厚方向の断面を観察した際、以下で定義される炭素繊維束（Ａ１）の面積割合が、炭素繊維（Ａ）全体の面積に対して０％超５０％以下である成形体。
ここで、炭素繊維束（Ａ１）は、炭素繊維（Ａ）に属し、繊維束中の繊維の数が３５／Ｄ_Ａ以上で観察される炭素繊維束（ここでＤ_Ａは炭素繊維（Ａ）の平均繊維径（μｍ）である。）である。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、炭素繊維強化成形材料及びその成形体に関するものである。

【背景技術】

【0002】

炭素繊維で強化された複合材料は、その高い比強度・比弾性率を利用して、航空機や自動車などの構造材料や、テニスラケット、ゴルフシャフト、釣竿などの一般産業やスポーツ用途等に広く利用されてきた。これらに用いられる炭素繊維の形態としては、連続繊維を用いて作られる織物や、１方向に繊維が引き揃えられたＵＤシート、カットした繊維を用いて作られるランダムシート、不織布等がある。

【0003】

近年、従来の熱硬化性樹脂に代わり、熱可塑性樹脂をマトリックスに用いたコンポジットが注目されているが、そのほとんどは射出成形により成形体を製造するものであり（例えば特許文献１）、溶融混練する際に繊維長が短くなってしまい、機械強度に劣るものであった。

【0004】

さらに、不連続長繊維からなるマットに熱可塑性樹脂を含浸させた成形用基材を熱可塑性樹脂の融点以上に加熱し、融点以下もしくはガラス転移温度以下に調整された金型に投入後、型締めにて賦形する成形方法が開発されている。
強化繊維複合材料においては、特許文献２にあるように、不連続長繊維を不織布状にＸＹ方向（平面方向）に分散させたマット状基材を成形して得られる成形品は機械的強度に優れることが公知である。

【0005】

特許文献３には、長さ２０ｍｍ以上の炭素繊維に対して、炭素微細繊維であるカーボンナノチューブやカーボンナノファイバーを添加したハイブリッド炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材が記載されており、高い曲げ強度や繊維軸に対して横方向に高い強度を有するプリプレグが提供されている。この理由として、微細炭素繊維が母相をなす熱可塑性樹脂の圧縮弾性率を高めるため、曲げ応力を受けた場合、圧縮側の変形を抑制し、炭素繊維の座屈を抑制することで、圧縮破壊モードを防止することにより炭素繊維の高い引張強度を有効にすることと、微細炭素繊維が炭素繊維の軸方向に対して、配向性が低く、炭素繊維の補強効果が期待できない軸方向に対して横方向の強化作用を有するためと考察されている。

【0006】

また、特許文献４及び５には、長さの異なる２種の強化繊維と、熱可塑性樹脂を用いた繊維強化材料が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】日本国特開２０１１−５７８１１号公報

【特許文献2】国際公開第２０１３／０９４７０６号

【特許文献3】日本国特開２０１１−２１３７９７号公報

【特許文献4】日本国特開平１０−３２３８２９号公報

【特許文献5】日本国特開２０１１−１５７５２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら上記特許文献２では、長繊維成分の一部を流動性が良好である短繊維成分に置き換えることにより繊維強化複合材料の流動性を向上させているが、流動性の向上に伴い、本来長繊維成分が有する優れた機械的強度が低減している。特に、高い機械的物性が要求される用途においては、高い強化繊維含有率が要求されるが、流動性を維持したまま機械的特性を向上させる手法について解決されていない。
特許文献３のように、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバーを使用した際の外観、特にボスやリブへの強化繊維の充填性に劣ることが分かった。
また、一般的に、２種類の炭素繊維を混入させた場合、相対的に長い繊維の炭素繊維（Ｂ）のみ機械強度が発現し、相対的に短い繊維の炭素繊維（Ａ）の機械強度の発現率は低くなり、理論加成則上の値を発現できない。

【0009】

本発明の目的は、繊維長が０．０１ｍｍ以上３ｍｍ未満である炭素繊維（Ａ）と繊維長が３ｍｍ以上１００ｍｍ未満である炭素繊維（Ｂ）と熱可塑性樹脂とを含む成形材料であって、機械的強度に優れ、かつ流動性にも優れる成形材料を提供すること、及び、この成形材料を成形して得られる機械的強度に優れる成形体を提供することにある。

【0010】

本発明者らは上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、不連続長繊維マットの有する機械的強度を大きく損なうことなく、流動性を向上させることが可能となり、上記課題を達成することができた。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明者らは鋭意検討した結果、以下に示す手段により、上記課題を解決できることを見出し、本発明に到達した。
［１］
熱可塑性樹脂と、炭素繊維（Ａ）と、炭素繊維（Ｂ）とを含む板状の炭素繊維強化成形材料であって、
ｉ）炭素繊維（Ａ）は繊維長が０．０１ｍｍ以上３ｍｍ未満であり、
ｉｉ）炭素繊維（Ｂ）は繊維長が３ｍｍ以上１００ｍｍ未満であり、
ｉｉｉ）炭素繊維（Ａ）の重量平均繊維長をＬｗ_Ａ、数平均繊維長をＬｎ_Ａとそれぞれしたときに、Ｌｗ_Ａ／Ｌｎ_Ａの範囲は１．３以上３未満であり、
ｉｖ）炭素繊維（Ｂ）が２次元方向にランダム配向され、
炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の合計量に対する炭素繊維（Ａ）の重量割合が、５重量％以上５０重量％以下であり、
炭素繊維（Ｂ）は下記式（１）で定義される臨界単糸数未満の繊維束及び単糸と、臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ｂ１）とを含んでなり、
炭素繊維強化成形材料に含まれる炭素繊維（Ｂ）全量に対する炭素繊維束（Ｂ１）の割合が、５Ｖｏｌ％以上９５Ｖｏｌ％未満であり、
炭素繊維束（Ｂ１）中の平均繊維数（Ｎ_Ｂ）が下記式（２）を満たす、
炭素繊維強化成形材料。
臨界単糸数＝６００／Ｄ_Ｂ （１）
０．４３×１０^４／Ｄ_Ｂ^２＜Ｎ_Ｂ＜６×１０^５／Ｄ_Ｂ^２（２）
（ここでＤ_Ｂは炭素繊維（Ｂ）の平均繊維径（μｍ）である）
［２］
前記炭素繊維（Ａ）が３次元方向にランダム配向された［１］に記載の炭素繊維強化成形材料。
［３］
熱可塑性樹脂と、炭素繊維（Ａ）と、炭素繊維（Ｂ）とを含む板状の炭素繊維強化成形材料であって、
ｉ）炭素繊維（Ａ）は繊維長が０．０１ｍｍ以上３ｍｍ未満であり、
ｉｉ）炭素繊維（Ｂ）は繊維長が３ｍｍ以上１００ｍｍ未満であり、
ｉｉｉ）炭素繊維（Ａ）の重量平均繊維長をＬｗ_Ａ、数平均繊維長をＬｎ_Ａとそれぞれしたときに、１．０＜Ｌｗ_Ａ／Ｌｎ_Ａ＜３であり、
ｉｖ）炭素繊維（Ｂ）が２次元方向にランダム配向され、
前記炭素繊維（Ａ）が３次元方向にランダム配向された、
炭素繊維強化成形材料。
［４］
前記炭素繊維（Ｂ）の重量平均繊維長をＬｗ_Ｂ、数平均繊維長をＬｎ_Ｂとそれぞれしたときに、
１．０≦Ｌｗ_Ｂ／Ｌｎ_Ｂ＜１．２
である、［１］〜［３］のいずれか１項に記載の炭素繊維強化成形材料。
［５］
曲げ強度Ｓが、ｑＳａ＋（１−ｑ）Ｓｂの０．８倍以上である、［１］〜［４］いずれか１項に記載の炭素繊維強化成形材料。
ただし、
Ｓａ：炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂とからなる成形材料（Ａ）の曲げ強度
Ｓｂ：炭素繊維（Ｂ）と熱可塑性樹脂とからなる成形材料（Ｂ）の曲げ強度
ｑ：炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）との全量に対する炭素繊維（Ａ）の重量含有割合
ここで、
成形材料（Ａ）における炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂は［１］〜［４］いずれか１項に記載の炭素繊維強化成形材料に含まれる炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂と同じものであり、成形材料（Ａ）における炭素繊維（Ａ）の含有量は［１］〜［４］いずれか１項に記載の炭素繊維強化成形材料における炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の合計の含有量と同じであり、
成形材料（Ｂ）における炭素繊維（Ｂ）と熱可塑性樹脂は［１］〜［４］いずれか１項に記載の炭素繊維強化成形材料に含まれる炭素繊維（Ｂ）と熱可塑性樹脂と同じものであり、成形材料（Ｂ）における炭素繊維（Ｂ）の含有量は［１］〜［４］いずれか１項に記載の炭素繊維強化成形材料における炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の合計の含有量と同じである。
［６］
［１］〜［５］のいずれか１項に記載の炭素繊維強化成形材料を用いて成形した成形体であり、
成形体の板厚が最小の部分の板厚を最小板厚Ｔ（ｍｍ）としたとき、
（ａ）炭素繊維（Ａ）の数平均繊維長Ｌｎ_ＡがＴ／２（ｍｍ）未満であり、
（ｂ）炭素繊維（Ｂ）の数平均繊維長Ｌｎ_ＢがＴ（ｍｍ）以上である、
成形体。
［７］
前記最小板厚Ｔ（ｍｍ）が、１ｍｍ以上である［６］に記載の成形体。
［８］
［１］〜［５］のいずれか１項に記載の炭素繊維強化成形材料を用いて成形した成形体であり、
成形体の板厚方向の断面を観察した際、以下で定義される炭素繊維束（Ａ１）の面積割合が、炭素繊維（Ａ）全体の面積に対して０％超５０％以下である成形体。
ここで、炭素繊維束（Ａ１）は、炭素繊維（Ａ）に属し、繊維束中の繊維の数が３５／Ｄ_Ａ以上で観察される炭素繊維束（ここでＤ_Ａは炭素繊維（Ａ）の平均繊維径（μｍ）である。）である。
なお、本発明は上記［１］〜［８］に関するものであるが、参考のためその他の事項（たとえば下記＜１＞〜＜９＞に記載した事項など）についても記載した。

【0012】

＜１＞
熱可塑性樹脂と、炭素繊維（Ａ）と、炭素繊維（Ｂ）とを含む板状の炭素繊維強化成形材料であって、
ｉ）炭素繊維（Ａ）は繊維長が０．０１ｍｍ以上３ｍｍ未満であり、
ｉｉ）炭素繊維（Ｂ）は繊維長が３ｍｍ以上１００ｍｍ未満であり、
ｉｉｉ）炭素繊維（Ａ）の重量平均繊維長をＬｗ_Ａ、数平均繊維長をＬｎ_Ａとそれぞれしたときに、１．０＜Ｌｗ_Ａ／Ｌｎ_Ａ＜３であり、
ｉｖ）炭素繊維（Ｂ）が２次元方向にランダム配向された、
炭素繊維強化成形材料。
＜２＞
前記炭素繊維（Ａ）が３次元方向にランダム配向された＜１＞に記載の炭素繊維強化成形材料。
＜３＞
前記炭素繊維（Ｂ）の重量平均繊維長をＬｗ_Ｂ、数平均繊維長をＬｎ_Ｂとそれぞれしたときに、
１．０≦Ｌｗ_Ｂ／Ｌｎ_Ｂ＜１．２
である、＜１＞又は＜２＞に記載の炭素繊維強化成形材料。
＜４＞
前記炭素繊維（Ａ）と前記炭素繊維（Ｂ）の重量割合（％）が、
５：９５〜９５：５
である、＜１＞〜＜３＞のいずれか１項に記載の炭素繊維強化成形材料。
＜５＞
１）炭素繊維（Ｂ）は下記式（１）で定義される臨界単糸数未満の繊維束及び単糸と、臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ｂ１）とを含んでなり、
２）炭素繊維強化成形材料に含まれる炭素繊維（Ｂ）全量に対する炭素繊維束（Ｂ１）の割合が、５Ｖｏｌ％以上９５Ｖｏｌ％未満であり、
３）炭素繊維束（Ｂ１）中の平均繊維数（Ｎ_Ｂ）が下記式（２）を満たす、
＜１＞〜＜４＞いずれか１項に記載の炭素繊維強化成形材料。
臨界単糸数＝６００／Ｄ_Ｂ （１）
０．４３×１０^４／Ｄ_Ｂ^２＜Ｎ_Ｂ＜６×１０^５／Ｄ_Ｂ^２（２）
（ここでＤ_Ｂは炭素繊維（Ｂ）の平均繊維径（μｍ）である）
＜６＞
曲げ強度Ｓが、ｑＳａ＋（１−ｑ）Ｓｂの０．８倍以上である、＜１＞〜＜５＞いずれか１項に記載の炭素繊維強化成形材料。
ただし、
Ｓａ：炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂とからなる成形材料（Ａ）の曲げ強度
Ｓｂ：炭素繊維（Ｂ）と熱可塑性樹脂とからなる成形材料（Ｂ）の曲げ強度
ｑ：炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）との全量に対する炭素繊維（Ａ）の重量含有割合
＜７＞
＜１＞〜＜６＞のいずれか１項に記載の炭素繊維強化成形材料を用いて成形した成形体であり、
成形体の板厚が最小の部分の板厚を最小板厚Ｔ（ｍｍ）としたとき、
（ａ）炭素繊維（Ａ）の数平均繊維長Ｌｎ_ＡがＴ／２（ｍｍ）未満であり、
（ｂ）炭素繊維（Ｂ）の数平均繊維長Ｌｎ_ＢがＴ（ｍｍ）以上である、
成形体。
＜８＞
前記最小板厚Ｔ（ｍｍ）が、１ｍｍ以上である＜７＞に記載の成形体。
＜９＞
＜１＞〜＜６＞のいずれか１項に記載の炭素繊維強化成形材料を用いて成形した成形体であり、
成形体の板厚方向の断面を観察した際、以下で定義される炭素繊維束（Ａ１）の面積割合が、炭素繊維（Ａ）全体の面積に対して０％超５０％以下である成形体。
ここで、炭素繊維束（Ａ１）は、炭素繊維（Ａ）に属し、繊維束中の繊維の数が３５／Ｄ_Ａ以上で観察される炭素繊維束（ここでＤ_Ａは炭素繊維（Ａ）の平均繊維径（μｍ）である。）である。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、繊維長が０．０１ｍｍ以上３ｍｍ未満である炭素繊維（Ａ）と繊維長が３ｍｍ以上１００ｍｍ未満である炭素繊維（Ｂ）と熱可塑性樹脂とを含む成形材料であって、機械的強度に優れ、かつ流動性にも優れる成形材料を提供すること、及び、この成形材料を成形して得られる機械的強度に優れる成形体を提供することができる。
本発明の成形材料は、上記炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の２種類の炭素繊維を含んでいても、理論加成則の０．８倍以上の曲げ強度を発現することができる。
また、炭素繊維（Ａ）の入手方法として、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の製造過程で得られた端材を粉砕してなる粉砕材を用いることで、製造コストを低減でき、省資源や地球環境保全に貢献することができる。
本発明における成形材料は、繊維長が０．０１ｍｍ以上３ｍｍ未満の炭素繊維（Ａ）と、繊維長が３ｍｍ以上１００ｍｍ未満の炭素繊維（Ｂ）とを含むが、比較的長い炭素繊維（Ｂ）を含んでいても、成形時の流動性を阻害することなく、容易に機械的物性を向上させたものであるため、高い剛性・強度及び意匠性が要求される部品への適用が可能である。
特に、炭素繊維（Ａ）の繊維長分布をブロードな範囲に分布させることにより、高い剛性・強度を維持したまま、流動性の向上を両立することができる。
本発明の成形体は、薄肉化や等方化が可能であるので、各種構成部材、例えば自動車の内板、外板、構造部材、また、各種電気製品、機械のフレームや筐体等に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】成形材料の成形方法の一例を示す一部の工程を示す概略図である。

【図2】カット工程の概略図である。

【図3】成形材料を用いた成形体の一例を示す模式図である。

【図4】成形材料の一例とその表面観察時の概略図である。

【図5】成形材料の一例を示す概略図である。

【図6】炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の合計量に対する炭素繊維（Ａ）の割合と機械強度との関係を示す模式図である。

【図7】炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の合計量に対する炭素繊維（Ａ）の割合と曲げ強度との関係を、実施例と比較例よりグラフにした図である。

【図8】炭素繊維（Ａ）が一定長である成形材料１１−１と、炭素繊維（Ａ）の繊維長分布がブロードな成形材料１１−２とを示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

＜概要＞
≪成形材料≫
本発明の一態様である成形材料は、熱可塑性樹脂と、炭素繊維（Ａ）と、炭素繊維（Ｂ）とを含む板状の炭素繊維強化成形材料であって、
ｉ）炭素繊維（Ａ）は繊維長が０．０１ｍｍ以上３ｍｍ未満であり、
ｉｉ）炭素繊維（Ｂ）は繊維長が３ｍｍ以上１００ｍｍ未満であり、
ｉｉｉ）炭素繊維（Ａ）の重量平均繊維長をＬｗ_Ａ、数平均繊維長をＬｎ_Ａとそれぞれしたときに、１．０＜Ｌｗ_Ａ／Ｌｎ_Ａ＜３であり、
ｉｖ）炭素繊維（Ｂ）が２次元方向にランダム配向された、
炭素繊維強化成形材料（炭素繊維強化熱可塑性樹脂成形材料）である。

【0016】

本発明の炭素繊維強化成形材料（単に「成形材料」ともいう）は、同一の板状の熱可塑性樹脂中に炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）とが含まれるものであり、好ましくは、成形材料を面に平行に切った断面に、炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）とが含まれるものである。例えば、熱可塑性樹脂中に炭素繊維（Ａ）を含んだ層と、これとは別の熱可塑性樹脂中に炭素繊維（Ｂ）を含んだ層とが積層されたような成形材料は含まない。
但し、１つの板状の熱可塑性樹脂中に炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）とが含まれるものを複数枚積層したものは本発明の一態様である成形材料に含まれる。

【0017】

［炭素繊維（Ａ）］
（種類）
炭素繊維（Ａ）としては、一般的にポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、石油・石炭ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、リグニン系炭素繊維、フェノール系炭素繊維、気相成長系炭素繊維などが知られているが、これらのいずれの炭素繊維であっても好適に用いることができる。
なかでも、ポリアクリロニトリル(ＰＡＮ)系炭素繊維を用いることが好ましく、引張弾性率は１００ＧＰａ以上６００ＧＰａ以下の範囲内であることが好ましく、２００ＧＰａ以上５００ＧＰａ以下の範囲内であることがより好ましく、２３０ＧＰａ以上４５０ＧＰａ以下の範囲内であることがさらに好ましい。また、引張強度は２０００ＭＰａ以上１００００ＭＰａ以下の範囲内であることが好ましく、３０００ＭＰａ以上８０００ＭＰａ以下の範囲内であることがより好ましい。

【0018】

（成形材料に含まれる炭素繊維（Ａ）の繊維長）
成形材料に含まれる炭素繊維のうち、繊維長が０．０１ｍｍ以上３ｍｍ未満のものを炭素繊維（Ａ）と定義する。なお、繊維長が３ｍｍ以上１００ｍｍ未満のものは炭素繊維（Ｂ）に分類される。

【0019】

１．重量平均繊維長Ｌｗ_Ａの範囲
炭素繊維（Ａ）の重量平均繊維長Ｌｗ_Ａに特に限定はないが、下限は０．０５ｍｍ以上が好ましく、０．１ｍｍ以上がより好ましく、０．２ｍｍ以上が更に好ましい。炭素繊維（Ａ）の重量平均繊維長Ｌｗ_Ａが０．０５ｍｍ以上であると、機械強度が担保される。
一方、炭素繊維（Ａ）の重量平均繊維長Ｌｗ_Ａの上限は２ｍｍ未満が好ましく、１ｍｍ未満がより好ましく、０．５ｍｍ未満が更に好ましい。なお、炭素繊維（Ａ）の重量平均繊維長Ｌｗ_Ａは、後述の式（３）、（４）により求められる。

【0020】

２．数平均繊維長Ｌｎ
一般に、個々の炭素繊維の繊維長をＬｉとすると、成形材料中の数平均繊維長Ｌｎと重量平均繊維長Ｌｗは、以下の式（３）、（４）により求められる。なお、数平均繊維長Ｌｎと重量平均繊維長Ｌｗの単位は、ｍｍである。
Ｌｎ＝ΣＬｉ／Ｉ （３）
Ｌｗ＝（ΣＬｉ^２）／（ΣＬｉ） （４）
ここで、「Ｉ」は、測定した炭素繊維の数を示す。

【0021】

３．重量平均繊維長Ｌｗ_Ａと数平均繊維長Ｌｎ_Ａの比
一般に、炭素繊維の重量平均繊維長Ｌｗと数平均繊維長Ｌｎの比であるＬｗ／Ｌｎは、炭素繊維の繊維長の分布幅を示す尺度である。例えば、全ての炭素繊維の繊維長が同じであれば、Ｌｗ／Ｌｎは１となり、繊維長の分布が広い程Ｌｗ／Ｌｎは大きくなる。
炭素繊維（Ａ）について、Ｌｗ_Ａ／Ｌｎ_Ａの範囲は、１．０超３未満であり、より好ましくは１．３以上２．８未満であり、さらに好ましくは１．６以上２．４未満である。
炭素繊維（Ａ）は繊維長分布に幅がある（所謂、ブロードである）ことが好ましい。炭素繊維（Ａ）の繊維長が分布を持って存在することにより、成形材料の層間せん断強度が上がるという効果が期待できる。明確な理由は不明であるが、繊維長分布がブロードであること（つまり、Ｌｗ／Ｌｎが、１．０超３未満であること）により、炭素繊維（Ａ）間の隙間のうち、大きい隙間には繊維長の長い炭素繊維（Ａ）が、小さい隙間には繊維長の短い炭素繊維（Ａ）が、それぞれ選択的に適宜入り込みやすいためだと想定している。すなわち、炭素繊維（Ａ）の繊維長分布がブロードになっていると、狭い空間内には、細かい炭素繊維（Ａ）が入りこみ、充填率が上がる為だと想定している。
図８に、炭素繊維（Ａ）が一定長である成形材料１１−１と、炭素繊維（Ａ）の繊維長分布がブロードな成形材料１１−２とを模式的に示した。成形材料１１−２が本発明の成形材料の一例として挙げられる。

【0022】

４．数平均繊維長Ｌｎ_Ａと成形体の板厚の関係
本発明の成形材料を用いて成形した成形体において、成形体の板厚が最小の部分の板厚を最小板厚Ｔ（ｍｍ）としたとき、炭素繊維（Ａ）の数平均繊維長Ｌｎ_Ａは、Ｔ／２（ｍｍ）未満であることが好ましい。成形材料中の数平均繊維長Ｌｎ_Ａも、成形体としたときに炭素繊維（Ａ）の数平均繊維長Ｌｎ_ＡがＴ／２（ｍｍ）未満になるように、存在するのが好ましい。

【0023】

５．３次元方向のランダム配向
炭素繊維（Ａ）は３次元方向にランダムに配向されていることが好ましい。３次元方向へのランダム配向とは、互いに直交する特定の３次元方向への炭素繊維の配向が、他の方向への配向に比べて差が少ないことを意味している。つまり、互いに直交する任意の３次元方向に同じような割合で炭素繊維（Ａ）が向いており、成形材料内において、面内方向、板厚方向において、任意のすべての方向におおよそ均一に炭素繊維（Ａ）が分散していることを意味する。
評価は、互いに３次元的に直交する各面において観察される炭素繊維（Ａ）の断面数で行っている。詳細な評価方法は後述する。また、炭素繊維（Ａ）が３次元方向にランダム配向していることにより、機械強度、なかでも曲げ強度に優れる。

【0024】

６．形態
炭素繊維（Ａ）の形態は特に限定されるものではない。
「炭素繊維」は、形態として、単糸状のものも、複数の単糸が集合した束状のものも含むものであるが、一般的に市販されている炭素繊維としては、１０００本以上１０万本以下（好ましくは数千本以上数万本以下）の単糸が集合した繊維束状となっているものが多い。
このような炭素繊維をそのまま使用すると、繊維束の交絡部が局部的に厚くなり、薄肉の成形材料を得ることが困難になる場合がある。これを避けるために、例えば、炭素繊維の繊維束を拡幅したり、繊維束を開繊したりして使用することが多い。
したがって、炭素繊維（Ａ）の形態は、単糸状でも繊維束状であってもよく、さらに両者が混在していてもよいが、成形材料の流動性向上の観点からは、単糸状のものを多く含んだものを用いることが好ましい。

【0025】

（１）炭素繊維束（Ａ１）
炭素繊維（Ａ）には、特定本数以上の炭素繊維からなる炭素繊維束（Ａ１）が含まれていることが好ましい。この炭素繊維束（Ａ１）は、炭素繊維（Ａ）に属し、繊維束中の繊維の数が３５／Ｄ_Ａ以上の炭素繊維束である。
Ｄ_Ａは炭素繊維（Ａ）の平均繊維径であり、単位はμｍである。

【0026】

（２）炭素繊維束（Ａ１）の面積割合
成形材料は、その成形材料を用いて成形された成形体において、板厚方向（例えば、図５のＺ方向である）の断面を観察した際、上述した炭素繊維束（Ａ１）の面積割合が炭素繊維（Ａ）全体に対して０％超５０％以下の範囲になるように、炭素繊維束（Ａ１）を有することが好ましい。なお、「板厚方向の断面」とは、板厚方向と直交する面と同一面内にある断面をいう。図５において、板厚方向（Ｚ方向）の断面とは、ＸＺ平面、及びＹＺ平面である。

【0027】

炭素繊維束（Ａ１）の面積割合が、炭素繊維（Ａ）全体の面積に対して５０％以下であると、単糸状の炭素繊維が多く存在していることになり、機械強度、特に曲げ強度を、維持しやすくなる。
炭素繊維束（Ａ１）の面積割合は、炭素繊維（Ａ）全体に対して０％超、３０％以下の範囲内であることが好ましく、０％超１５％以下の範囲内であることがより好ましい。
特定本数以上の炭素繊維からなる炭素繊維束（Ａ１）と、それ以外の開繊された炭素繊維又は炭素繊維束を特定の比率で共存させることで、成形材料や成形体中の炭素繊維（Ａ）の存在量、すなわち炭素繊維（Ａ）の繊維体積含有率Ｖｆ（単位は、Ｖｏｌ％である。）を高めることが可能となる。
炭素繊維（Ａ）に単糸状のものを多く含み、成形体としたときに、炭素繊維束（Ａ１）の面積割合が炭素繊維（Ａ）全体の面積に対して０％超５０％以下にする方法に特に限定はないが、例えば、空気開繊や、水分散による抄紙方法が挙げられる。また、後述の粒材（Ｒ）を溶融混練することで、炭素繊維（Ａ）に単糸を多く含ませることができる。

【0028】

７．炭素繊維（Ａ）の入手方法
炭素繊維（Ａ）の製法について特に限定はなく、例えば、以下の例のような方法がある。
成形材料に炭素繊維（Ａ）を用いるに当たり、市販されている炭素繊維含有樹脂ペレットや、炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料（成形材料及び成形体を含む。）の製造過程で得られた端材などを用いてもよい。
炭素繊維含有樹脂ペレットの例としては、株式会社ダイセル 長繊維強化樹脂プラストロン（登録商標）等がある。端材を用いる例としては、特開２０１１−１７８８９１号公報及び特開２０１１−１７８８９０号公報等に記載の二次元等方の複合材料並びに特開２０１２−２３６８９７号公報に記載の一方向材複合材料等を市販のプラスチック粉砕機で粉砕してなる粉砕材（以下、単に「粉砕材」と称することがある）等がある。本明細書において、市販されている炭素繊維樹脂ペレットや粉砕材等を総称して、粒材（Ｒ）と記載する。
粒材（Ｒ）を熱可塑性樹脂等と溶融混練して作成した樹脂ペレットとして炭素繊維（Ａ）を準備する場合、混練時のせん断力により、単糸状の繊維を多く含む炭素繊維（Ａ）を得ることができる。
複合材料を製造又は成形する際に出る端材から粒材（Ｒ）を準備すれば、製造コストを低減でき省資源や地球環境保全に貢献することができる。
当然のことではあるが、予め作成した炭素繊維強化熱可塑性樹脂複合材料に含まれる炭素繊維の形態が単糸状であった場合、これを粉砕した粉砕材には単糸状の炭素繊維が含まれているため、例えば、後述する樹脂パウダー（Ｐ）を製造する際に用いる溶融混練工程を設ける必要はない。
例えば、国際公開番号ＷＯ２００７／０９７４３６、国際公開番号ＷＯ２０１０／０１３６４５、国際公開番号ＷＯ２０１３／０９９７４１などに記載の成形体や複合材料を粉砕して炭素繊維（Ａ）を準備する場合、成形体や該複合材料には単糸状の炭素繊維が分散されており、これを粉砕した粉砕材には炭素繊維が単糸状で存在するので、上述の溶融混練工程を設けることなく、粉砕材をそのまま次の工程に用いることができる。
なお、単糸状の炭素繊維（Ａ）を含んだ上述の樹脂ペレットや、粉砕材を利用して成形材料を製造する場合、その方法に特に限定はないが、炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）と熱可塑性樹脂とを板状に形成するためには樹脂ペレットや粉砕材をパウダー状にして（このパウダー状のものを「樹脂パウダー（Ｐ）」とする。）後述する炭素繊維（Ｂ）の炭素繊維マットに混ぜ込む方法が一例としてある。
炭素繊維（Ａ）を成形材料用の熱可塑性樹脂に混入する方法に特に限定はないが、粒材（Ｒ）を溶融混練して得られた樹脂ペレットを更に粉砕した熱可塑性樹脂パウダー（以下、単に「樹脂パウダー（Ｐ）」と記載する場合がある）を利用できる。
樹脂パウダー（Ｐ）の形状に特に限定はないが、例えば粒子状とすることができる。炭素繊維（Ａ）が樹脂パウダー（Ｐ）に存在しているのに加えて、粒子状とすることで、炭素繊維（Ｂ）と混合させやすくなり、炭素繊維（Ａ）を成形材料中でより均一に３次元方向へ配向させることができる。また、一度溶融混練することにより、単糸状の炭素繊維（Ａ）を増加させることができる。

【0029】

（２）数平均繊維長Ｌｎ_Ａが１ｍｍ超の場合
炭素繊維（Ａ）の数平均繊維長Ｌｎ_Ａが１ｍｍ超の場合、メルトインデックス測定機の２ｍｍφのオリフェスにて閉塞が発生する為、射出成形機を用いた流動長測定方法が好ましい。炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂のみからなる成形材料（Ａ）の流動性は、樹脂圧力５０ＭＰaにて流動長３０ｍｍ以上が好ましく、４０ｍｍ以上がより好ましい。

【0030】

［炭素繊維（Ｂ）]
（種類）
炭素繊維（Ｂ）としては、一般的にポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系炭素繊維、石油・石炭ピッチ系炭素繊維、レーヨン系炭素繊維、セルロース系炭素繊維、リグニン系炭素繊維、フェノール系炭素繊維、気相成長系炭素繊維などが知られているが、これらのいずれの炭素繊維であっても好適に用いることができる。
なかでも、ポリアクリロニトリル(ＰＡＮ)系炭素繊維を用いることが好ましく、引張弾性率は１００ＧＰａ以上６００ＧＰａ以下の範囲内であることが好ましく、２００ＧＰａ以上５００ＧＰａ以下の範囲内であることがより好ましく、２３０ＧＰａ以上４５０ＧＰａ以下の範囲内であることがさらに好ましい。また、引張強度は２０００ＭＰａ以上１００００ＭＰａ以下の範囲内であることが好ましく、３０００ＭＰａ以上８０００ＭＰａ以下の範囲内であることがより好ましい。

【0031】

（成形材料に含まれる炭素繊維（Ｂ）の繊維長）
成形材料に含まれる炭素繊維のうち、繊維長が３ｍｍ以上１００ｍｍ未満のものを炭素繊維（Ｂ）と定義する。
炭素繊維（Ｂ）は、炭素繊維（Ａ）に比べて繊維長が長いため機械的物性（特に長期的な疲労強度）を担保することができるが、繊維長が１００ｍｍ以上であると流動性を阻害する。

【0032】

１．重量平均繊維長Ｌｗ_Ｂの範囲
炭素繊維（Ｂ）の重量平均繊維長Ｌｗ_Ｂに特に限定はないが、下限は５ｍｍ以上が好ましく、１０ｍｍ以上がより好ましく、１５ｍｍ以上が更に好ましい。成形時の流動性の観点から、炭素繊維（Ｂ）の重量平均繊維長Ｌｗ_Ｂの上限は８０ｍｍ以下が好ましく、５０ｍｍ以下がより好ましく、３０ｍｍ以下がより一層好ましい。
すなわち、炭素繊維（Ｂ）の繊維長の分布が少なくとも１つのピークを有し、該ピークが１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることが好ましい。なお、炭素繊維（Ｂ）の重量平均繊維長Ｌｗ_Ｂは、上述した式（４）により求められる。

【0033】

２．数平均繊維長Ｌｎ_Ｂの範囲
炭素繊維（Ｂ）の数平均繊維長Ｌｎ_Ｂに特に限定はないが、好ましくは、成形体の最小板厚をＴ（ｍｍ）としたとき成形体の数平均繊維長Ｌｎ_ＢがＴ（ｍｍ）以上であることが好ましい。なお、炭素繊維（Ｂ）の数平均繊維長Ｌｎ_Ｂは、上述した式（３）により求められる。
繊維長は、繊維強化の効果を発現させる目的において、数平均繊維長Ｌｎが長い方が望ましいが、数平均繊維長Ｌｎ_ＢがＴ（ｍｍ）以上であれば、成形する際の流動時に成形品の板厚方向への炭素繊維の配向が発生しにくいため、流動性の低下を抑制でき、好ましい。
ここで、成形材料中の炭素繊維の特性は、成形体中でもほとんど維持される。従って、数平均繊維長Ｌｎ_Ｂは、成形材料の最小板厚をＴ（ｍｍ）としたとき、数平均繊維長Ｌｎ_ＢがＴ（ｍｍ）以上であることが好ましい。数平均繊維長Ｌｎ_Ｂは、好ましくは成形材料の最小板厚Ｔ（ｍｍ）の２倍以上、より好ましくは５倍以上あることがより好ましい。
数平均繊維長Ｌｎ_Ｂの上限に特に限定はないが、流動性保持の観点から、５０ｍｍ以下が好ましく、２０ｍｍ以下がより好ましい。

【0034】

３．重量平均繊維長Ｌｗ_Ｂと数平均繊維長Ｌｎ_Ｂの比
炭素繊維（Ｂ）の繊維長は上記範囲であれば特に限定はないが、好ましい繊維長を得るために、後述するロータリーカッターを例えば使用できる。この場合、製造安定性の観点から、炭素繊維（Ｂ）の繊維長分布を狭めるのが好ましい。
したがって、炭素繊維（Ｂ）の重量平均繊維長Ｌｗ_Ｂと数平均繊維長Ｌｎ_Ｂとの比であるＬｗ_Ｂ／Ｌｎ_Ｂの範囲は、好ましくは１．０以上１．２未満であり、より好ましくは１．０以上１．１未満である。
Ｌｗ_Ｂ／Ｌｎ_Ｂは、炭素繊維（Ａ）の項目で説明したように、炭素繊維の繊維長の分布幅を示す尺度である。

【0035】

４．２次元方向のランダム配向
成形材料中、炭素繊維（Ｂ）は２次元方向にランダムに配向されている。２次元方向へのランダムとは、面内における特定の方向への炭素繊維の配向が、他の方向への配向に比べて差が少ないことを意味している。
ここでは、２次元方向のランダム配向の評価は、板状の成形材料において、互いに直交する二方向の引張弾性率の比を求めることで、定量的に行われる。
具体的には、成形材料における２次元方向の弾性率の値のうち大きいものを小さいもので割った比が３以下であるときに、炭素繊維（Ｂ）は２次元方向にランダム配向であるとしている。特に、この比が２以下のときは２次元方向へのランダム配向に優れているとし、１．３以下がより優れている。
炭素繊維（Ｂ）を２次元にランダムに配向する方法に特に限定はないが、好ましくは炭素繊維（Ｂ）をマット状とすることで、炭素繊維（Ｂ）を特定の方向に配向しておらず、無作為な方向に分散して配置することができる。炭素繊維（Ｂ）を炭素繊維マットとすると、成形材料は面内等方性に優れた材料とすることができ、成形材料の等方性は、成形体にしたときにも維持される。

【0036】

５．形態
炭素繊維（Ｂ）の形態は特に限定されるものではない。単糸状でも繊維束状であってもよく、さらに両者が混在していてもよい。繊維束状のものを用いる場合、各繊維束を構成する単糸の数は、各繊維束においてほぼ均一であってもよく、あるいは異なっていてもよい。
特に、炭素繊維束を含む場合、炭素繊維（Ｂ）は炭素繊維マットであることが好ましい。成形材料中に含まれる炭素繊維（Ｂ）は、以下の条件を満たすことが好ましい。
１）炭素繊維（Ｂ）は下記式（１）で定義される臨界単糸数未満の繊維束及び単糸と、臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ｂ１）とを含んでなり、
２）炭素繊維束（Ｂ１）について、成形材料に含まれる炭素繊維（Ｂ）全量に対する割合が、５Ｖｏｌ％以上９５Ｖｏｌ％未満であり、
３）炭素繊維束（Ｂ１）中の平均繊維数Ｎ_Ｂが下記式（２）を満たす。
臨界単糸数＝６００／Ｄ_Ｂ （１）
０．４３×１０^４／Ｄ_Ｂ^２＜Ｎ_Ｂ＜６×１０^５／Ｄ_Ｂ^２ （２）
なお、ここでＤ_Ｂは炭素繊維（Ｂ）の平均繊維径（単位はμｍである。）である。
式（２）は下記式（２’）であることが好ましい。
０．６×１０^４／Ｄ_Ｂ^２＜Ｎ_Ｂ＜６×１０^５／Ｄ_Ｂ^２ （２’）

【0037】

６．開繊程度
（１）開繊
炭素繊維（Ｂ）が繊維束状である場合、各繊維束を構成する単糸の数は特に限定されるものではないが、通常、１０００本以上１０万本以下の範囲内とされる。
一般的に、炭素繊維は、数千本以上数万本以下の単糸（フィラメント）が集合した繊維束状となっている。炭素繊維がこの繊維束状のままで使用されると、繊維束の交絡部が局部的に厚くなり、薄肉の成形材料を得ることが困難になる場合がある。これを避けるために、例えば、炭素繊維の繊維束を拡幅したり、又は繊維束を開繊したりして使用することが多い。
繊維束を開繊して用いる場合、開繊後の繊維束の開繊程度は特に限定されるものではないが、繊維束の開繊程度を制御し、特定本数以上の単糸からなる炭素繊維束と、特定本数未満の炭素繊維束又は単糸を含むことが好ましい。
具体的には、炭素繊維（Ｂ）は、上記式（１）で定義される臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ｂ１）と、それ以外の開繊された炭素繊維（すなわち単糸又は臨界単糸数未満で構成される繊維束のいずれかである。）とからなることが好ましい。
なお、炭素繊維（Ｂ）中の上記炭素繊維束（Ｂ１）以外の炭素繊維を、単糸等（Ｂ２）と称する。

【0038】

（２）炭素繊維束（Ｂ１）の割合
成形材料中の炭素繊維（Ｂ）に対する炭素繊維束（Ｂ１）の割合が５Ｖｏｌ％超９５Ｖｏｌ％未満であることが好ましく、１０Ｖｏｌ％超９０Ｖｏｌ％未満であることがより好ましく、２０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ未満であることがさらに好ましく、３０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満であることが一層好ましく、５０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満であることがより一層好ましい。
このように特定本数以上の炭素繊維（Ｂ）からなる炭素繊維束（Ｂ１）と、それ以外の開繊された炭素繊維（Ｂ）の単糸等（Ｂ２）を特定の比率で共存させることで、成形材料中の炭素繊維（Ｂ）の存在量、すなわち炭素繊維（Ｂ）の繊維体積含有率Ｖｆを高めることが可能となる。
炭素繊維（Ｂ）全量に対する炭素繊維束（Ｂ１）の割合が増加すると、成形体を成形した際に、機械物性に優れた成形体が得やすくなるだけでなく、単糸状のものが減少するため、繊維同士の交絡が少なくなり、流動性が向上する。
炭素繊維束（Ｂ１）の割合が９５Ｖｏｌ％未満であれば、繊維の交絡が局部的に厚くならず、薄肉のものが得られやすくなる。

【0039】

（３）炭素繊維束（Ｂ１）の平均繊維数（Ｎ_Ｂ）
炭素繊維束（Ｂ１）中の平均繊維数（Ｎ_Ｂ）は、炭素繊維束（Ｂ１）の機能を損なわない範囲で適宜決定することができるものであり、特に限定されるものではない。
使用する炭素繊維によっては、炭素繊維束（Ｂ１）の平均繊維数Ｎ_Ｂは通常１＜Ｎ_Ｂ＜１２０００の範囲内でとされるが、上記式（２）を満たすことがより好ましい。なかでも平均繊維数（Ｎ_Ｂ）は、３×１０^５／Ｄ_Ｂ^２未満であることが好ましく、６×１０^４／Ｄ_Ｂ^２未満であることがより好ましい。また、下限は０．６×１０^４／Ｄ_Ｂ^２以上であることが好ましく、０．７×１０^４／Ｄ_Ｂ^２以上であることが更に好ましい。

【0040】

（４）開繊方法
炭素繊維（Ｂ）の開繊方法は、特に限定されるものではない。開繊方法としては、例えば、空気開繊や、水分散による抄紙方法が挙げられる。
炭素繊維（Ｂ）の開繊程度は、繊維束の開繊条件を調整することにより目的の範囲内とすることができる。例えば、開繊前の炭素繊維に空気を吹き付けて繊維束を開繊（空気開繊である。）する場合は、繊維束に吹き付ける空気の圧力等をコントロールすることにより開繊程度を調整することができる。
この場合、空気の圧力を強くすることにより開繊程度が高く（各繊維束を構成する繊維数が少なく）なり、空気の圧力を弱くすることより開繊程度が低く（各繊維束を構成する繊維数が多く）なる傾向がある。
あるいは、炭素繊維を所定長さに切断するカット工程に供する繊維束の大きさ、例えば束の幅や幅当たりの繊維数を調整することでコントロールすることもできる。具体的には開繊するなどして繊維束の幅を広げてカット工程に供したり、カット工程の前に炭素繊維に縦スリット（繊維が延伸する方向と平行なスリット）を形成するスリット工程を設けたりする方法が挙げられる。なお、後述するように、カットと同時に繊維束をスリットしてもよい。
具体的には炭素繊維（Ｂ）の平均繊維径が５μｍ以上７μｍ以下の場合、臨界単糸数は８６本超１２０本未満となり、炭素繊維（Ｂ）の平均繊維径が５μｍの場合、繊維束中の平均繊維数は１７２本超２４０００本未満の範囲となるが、なかでも２８０本超１２０００本未満であることが好ましく、２８０本超４０００本未満であることがより好ましく、６００本超２５００本未満であることが更に好ましく、６００本超１６００本未満であることがより一層好ましい。
炭素繊維の平均繊維径が７μｍの場合、繊維束中の平均繊維数は８８本超１２２４５本未満の範囲となるが、なかでも１２２本超１２２４５未満が好ましく、１４２本超６１２２本未満であることがよりこのましく、３００本超１５００本未満であることが更に好ましく、３００本超８００本未満がより一層好ましい。

【0041】

［炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）との関係］
（重量割合）
炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の重量割合に特に限定はないが、５：９５〜９５：５であることが好ましい（炭素繊維（Ａ）：炭素繊維（Ｂ））。
すなわち、炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の合計量に対する炭素繊維（Ａ）の重量割合は、好ましくは５重量％以上９５重量％以下であり、より好ましくは５重量％以上５０重量％以下であり、更に好ましくは１０重量％以上３０重量％以下である。炭素繊維（Ａ）の重量割合が、５重量％以上では機械的強度の増加効果が認められ、９５重量％以下では炭素繊維（Ａ）を含んだ熱可塑性樹脂自体の流動性が向上するためである。
一方、炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の合計量に対する炭素繊維（Ｂ）は、好ましくは９５重量％以下５重量％以上であり、より好ましくは９５重量％以下５０重量％以上であり、更に好ましくは９０重量％以下７０重量％以上である。炭素繊維（Ｂ）の重量割合が、５重量％以上では繊維強化の効果が大きく、９５重量％以下では流動性が向上するためである。

【0042】

［成形材料］
（形状）
成形材料は、板状である。板状とは、縦、横の長さに比べて板厚方向の長さ（つまり、板厚である。）が相対的に短いものであり、板厚方向に平行な方向から見た形状は任意の形状、例えば、正方形、長方形のみならず、三角形、四角形、五角形等の多角形、円形、半円形、円弧形等であってよい。
成形材料の横方向、縦方向のうち最大長さをＬｍａｘ、最小値Ｌｍｉｎを平均の板厚をＤとしたときに、Ｌｍａｘ／Ｄ≧３、Ｌｍｉｎ／Ｄ≧２であることが好ましい。また、横方向、縦方向の何れかにおいて、一端から他端に向かって移ったときに、その板厚が、直線的に変化するような板形状だけでなく、途中で増減するような板形状であってもよいし、１以上の曲率で湾曲するような板形状であってもよい。
成形材料の板厚に特に限定はなく、各種の板厚とすることが可能であるが、０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲にあってもよいし、３ｍｍ以下の薄肉であってもよい。

【0043】

（目付）
成形材料に含まれる炭素繊維全量に関する目付量は、特に限定されるものではないが、通常、２５ｇ／ｍ^２以上１００００ｇ／ｍ^２以下とされる。炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）とを合わせた炭素繊維の目付けは２５ｇ／ｍ^２以上３０００ｇ／ｍ^２以下であることが好ましく、より好ましくは２５ｇ／ｍ^２以上５００ｇ／ｍ^２以下である。

【0044】

（炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）との繊維長比率）
炭素繊維（Ａ）の重量平均繊維長Ｌｗ_Ａと炭素繊維（Ｂ）の重量平均繊維長Ｌｗ_Ｂの関係は、Ｌｗ_Ａ／Ｌｗ_Ｂが、０．００５以上０．５未満であることが好ましく、０．０１以上０．１未満の範囲であることがより好ましく、０．０１以上０．０５未満の範囲にあることが更に好ましい。
該範囲であれば、炭素繊維（Ｂ）に対して、炭素繊維（Ａ）がマトリクスである熱可塑性樹脂と同様の挙動をもたらす対象とみなすことができ、炭素繊維（Ｂ）の隙間に炭素繊維（Ａ）が入り込むことが容易となる。

【0045】

（理論加成則に関して）
成形材料は、機械強度の一つであるである曲げ強度Ｓが、ｑＳａ＋（１−ｑ）Ｓｂの０．８倍以上であることが成立する範囲であることが好ましい。
ここで、
Ｓａ：炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂からなる成形材料（Ａ）の曲げ強度
Ｓｂ：炭素繊維（Ｂ）と熱可塑性樹脂からなる成形材料（Ｂ）の曲げ強度
ｑ：炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）との全量に対する炭素繊維（Ａ）の重量含有割合
である。
好ましい曲げ強度Ｓの範囲は、ｑＳａ＋（１−ｑ）Ｓｂの０．９倍以上がより好ましく、１．０倍以上が更に好ましく、１．０倍超（すなわちＳ＞ｑＳａ＋（１−ｑ）Ｓｂ）がより一層好ましい。
一般的に、２種類の炭素繊維を混入させた場合、相対的に長い繊維の炭素繊維（Ｂ）のみ機械強度が発現し、相対的に短い繊維の炭素繊維（Ａ）の機械強度の発現率は低くなり、理論加成則上の値を発現できない。図６は、成形材料に含まれる全体の繊維体積割合は一定の下、長い繊維である炭素繊維（Ｂ）の割合が減少し、炭素繊維（Ａ）の割合が増加するにつれ、機械強度がどのように変化するかを示した図である。
理論加成則とは、Ｓ＝ｑＳａ＋（１−ｑ）Ｓｂで表され、例えば図６に示すような破線で示した直線状のグラフを指す。しかしながら、通常、機械強度がこの破線で示したグラフ線上に載ることはなく、機械強度は理論加成則よりも低下する。成形材料の機械強度の一つである曲げ強度において、この理論加成則を上回る領域が存在する。
正確な理由は不明であるが、炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂が、強化マトリクス樹脂として挙動し、繊維束と単糸を有する炭素繊維（Ｂ）の隙間に、均一に混ざり込んでいるためと推定する。このため、炭素繊維（Ｂ）の含有量を減少させても、理論加成則の０．８倍以上、又は同等以上の曲げ強度を有する範囲が存在する。これは従来考えられていた成形材料の一般的挙動を逸脱する効果を有するものであった。
また、本発明者らの推測によれば、成形材料に含まれている炭素繊維（Ｂ）に未含浸部分がある場合、全体の炭素繊維体積割合は一定であるものの、比較的短い炭素繊維（Ａ）を添加し、比較的長い繊維である炭素繊維（Ｂ）の割合を減少させる事で、炭素繊維（Ｂ）への熱可塑性樹脂の含浸性が向上する事により、理論加成則を０．８倍以上超える物性を発現する事ができると考えている。
なお、図７では理論加成則を１．０倍以上超える範囲で描かれているが、炭素繊維（Ａ）の割合をより多くした場合、図７では理論加成則よりもやや下回ってくる範囲が存在すると想定される。
特に、炭素繊維（Ｂ）が部分開繊状態にあって、束内部にまで熱可塑性樹脂が含浸しにくいものの、炭素繊維（Ａ）の割合が増加することにより、見かけ上、熱可塑性樹脂の割合が増加するように疑似でき、熱可塑性樹脂への含浸が進むような繊維形態である場合、この効果は顕著に発揮される。
反対に、炭素繊維（Ｂ）全量に対する炭素繊維束（Ｂ１）の割合が１００％である場合、炭素繊維（Ａ）の割合を増加させても炭素繊維束（Ｂ１）の内部にまで熱可塑性樹脂の含浸を飛躍的に向上させることは難しく、理論加則の８０％未満になると考えられる。
ＳをｑＳａ＋（１−ｑ）Ｓｂの０．８倍以上にするという観点からは、
１）炭素繊維（Ｂ）は下記式（１）で定義される臨界単糸数未満の繊維束及び単糸と、臨界単糸数以上で構成される炭素繊維束（Ｂ１）とを含んでなり、
２）炭素繊維強化成形材料に含まれる炭素繊維（Ｂ）全量に対する炭素繊維束（Ｂ１）の割合が、５Ｖｏｌ％以上９５Ｖｏｌ％未満であり、
３）炭素繊維束（Ｂ１）中の平均繊維数（Ｎ_Ｂ）が下記式（２）を満たす、ことが好ましい。
臨界単糸数＝６００／Ｄ_Ｂ （１）
０．４３×１０^４／Ｄ_Ｂ^２＜Ｎ_Ｂ＜６×１０^５／Ｄ_Ｂ^２（２）
（ここでＤ_Ｂは炭素繊維（Ｂ）の平均繊維径（μｍ）である）

【0046】

この理論加成側は、成形体についても同様に適用できる。
つまり、成形体は、機械強度の一つであるである曲げ強度Ｓが、ｑＳａ＋（１−ｑ）Ｓｂの０．８倍以上であることが成立する範囲であることが好ましい。
ここで、
Ｓａ：炭素繊維（Ａ）と熱可塑性樹脂からなる成形体（Ａ）の曲げ強度
Ｓｂ：炭素繊維（Ｂ）と熱可塑性樹脂からなる成形体（Ｂ）の曲げ強度
ｑ：炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）との全量に対する炭素繊維（Ａ）の重量含有割合
である。
好ましい曲げ強度Ｓの範囲は、ｑＳａ＋（１−ｑ）Ｓｂの０．９倍以上がより好ましく、１．０倍以上が更に好ましく、１．０倍超（すなわちＳ＞ｑＳａ＋（１−ｑ）Ｓｂ）がより一層好ましい。

【0047】

［その他の強化繊維］
本発明の目的を損なわない範囲で、炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）以外のガラス繊維、アラミド繊維、炭素繊維等の強化繊維を成形材料に加えてもよい。具体的には、成形材料に含まれる強化繊維全体に対して、０ｗｔ％以上４９ｗｔ％以下の重量割合であれば、繊維長、開繊度を問わず含んでいてもよい。

【0048】

［熱可塑性樹脂］
成形材料に使用される熱可塑性樹脂としては、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、熱可塑性ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアセタール樹脂（ポリオキシメチレン樹脂）、ポリカーボネート樹脂、（メタ）アクリル樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルニトリル樹脂、フェノキシ樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリケトン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、熱可塑性ウレタン樹脂、フッ素系樹脂、熱可塑性ポリベンゾイミダゾール樹脂等を挙げることができる。
上記ポリオレフィン樹脂としては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリブタジエン樹脂、ポリメチルペンテン樹脂、塩化ビニル樹脂、塩化ビニリデン樹脂、酢酸ビニル樹脂、ポリビニルアルコール樹脂等を挙げることができる。
上記ポリスチレン樹脂としては、例えば、ポリスチレン樹脂、アクリロニトリル−スチレン樹脂（ＡＳ樹脂）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン樹脂（ＡＢＳ樹脂）等を挙げることができる。
上記ポリアミド樹脂としては、例えば、ポリアミド６樹脂（ナイロン６）、ポリアミド１１樹脂（ナイロン１１）、ポリアミド１２樹脂（ナイロン１２）、ポリアミド４６樹脂（ナイロン４６）、ポリアミド６６樹脂（ナイロン６６）、ポリアミド６１０樹脂（ナイロン６１０）等を挙げることができる。
上記ポリエステル樹脂としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、ボリブチレンテレフタレート樹脂、ポリトリメチレンテレフタレート樹脂、液晶ポリエステル等を挙げることができる。
上記（メタ）アクリル樹脂としては、例えば、ポリメチルメタクリレートを挙げることができる。
上記変性ポリフェニレンエーテル樹脂としては、例えば、変性ポリフェニレンエーテル等を挙げることができる。
上記熱可塑性ポリイミド樹脂としては、例えば、熱可塑性ポリイミド、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂等を挙げることができる。
上記ポリスルホン樹脂としては、例えば、変性ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂等を挙げることができる。
上記ポリエーテルケトン樹脂としては、例えば、ポリエーテルケトン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルケトンケトン樹脂上記フッ素系樹脂としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等を挙げることができる。
成形材料に用いられる熱可塑性樹脂は１種類のみであってもよく、２種類以上であってもよい。２種類以上の熱可塑性樹脂を併用する態様としては、例えば、相互に軟化点又は融点が異なる熱可塑性樹脂を併用する態様や、相互に平均分子量が異なる熱可塑性樹脂を併用する態様等を挙げることができるが、この限りではない。

【0049】

［他の剤］
成形材料中には、本発明の目的を損なわない範囲で、ガラス繊維や有機繊維等の各種繊維状又は非繊維状フィラー、難燃剤、耐ＵＶ剤、顔料、離型剤、軟化剤、可塑剤、界面活性剤の添加剤を含んでいてもよい。

【0050】

≪成形体≫
本発明の一態様である成形体は、炭素繊維強化成形材料を用いて成形した成形体であって、前記炭素繊維強化成形材料は、上記の炭素繊維強化成形材料であり、成形体の板厚が最小の部分の板厚を最小板厚Ｔ（ｍｍ）としたとき、
（ａ）炭素繊維（Ａ）の数平均繊維長Ｌｎ_ＡがＴ／２（ｍｍ）未満であり、
（ｂ）炭素繊維（Ｂ）の数平均繊維長Ｌｎ_ＢがＴ（ｍｍ）以上である。
なお、ここでの最小板厚Ｔは、成形材料を成形して生じるバリについては、成形体の一部とみなさず、最小板厚の対象ではない。

【0051】

また、本発明の一態様である成形体は、炭素繊維強化成形材料を用いて成形した成形体であって、前記炭素繊維強化成形材料は、上記の炭素繊維強化成形材料であり、板厚方向の断面を観察した際、以下で定義される炭素繊維束（Ａ１）の面積割合が、炭素繊維（Ａ）全体に対して０％超５０％以下である。なお、炭素繊維束（Ａ１）は、炭素繊維（Ａ）由来であって、繊維束の数が３５／Ｄ_Ａ以上で観察される炭素繊維（ここでＤ_Ａは炭素繊維（Ａ）の平均繊維径（μｍ））である。

【0052】

［特性］
上記の成形材料を用いて成形した成形体は、成形材料に含まれる炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の繊維長や繊維束などの繊維特性が略そのまま維持される。一般的には、板状の成形材料は、そのまま使用されて板状の成形体に成形される。なお、ここでの板状の成形体には、平板部を有するような形状であり、リブやボズ等が形成されていてもよいし、形成されていなくてもよい。
板状の成形材料は、通常、例えば特開２０１１−５７８１１号公報に記載の樹脂ペレットのように、スクリューを用いた溶融混練工程を設けて成形体を作成するように使用されるわけではない。本発明における板状の成形材料は主にプレス成形用に用いられ、この場合は炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の繊維特性に変化はない。なお、好ましい板状の成形材料はＸＹ方向が５０ｍｍ×５０ｍｍ以上である。

【0053】

［成形体の最小板厚］
上記の成形材料を用いて成形した成形体は、用途に合わせて各種の板厚とすることが可能である。成形体の板厚は、成形材料の板厚と略同じであってもよいし、成形材料の板厚よりも薄くてもよい。板厚は、成形時に使用する金型が密閉型の場合は成形材料と同じ板厚になり、開放型の場合は成形材料によりも薄くなる。なお、成形性材料は、密閉型の金型での圧縮成形に適している。
成形体の板厚は、０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲程度であればよく、３ｍｍ以下の薄肉にも好適に得ることができる。
また、上記の成形材料を用いて成形した成形体の最小板厚に特に限定はないが、１ｍｍ以上であることが好ましい。これは成形時の流動性を担保する観点であり、最小板厚が１ｍｍ以上であれば、成形時の流動性が良好となる。

【0054】

［数平均繊維長Ｌｎ_Ａと板厚の関係］
成形体の最小板厚をＴ（ｍｍ）としたとき、炭素繊維（Ａ）の数平均繊維長Ｌｎ_Ａは、Ｔ／２（ｍｍ）未満であることが好ましい。繊維長は、繊維強化の効果を発現させる目的で長い方が望ましいが、数平均繊維長Ｌｎ_ＡがＴ／２（ｍｍ）未満であれば、成形流動過程において、炭素繊維（Ａ）が流動を妨げる要因となりにくいからである。炭素繊維（Ａ）の好ましい数平均繊維長Ｌｎ_ＡはＴ／３（ｍｍ）未満である。

【0055】

［炭素繊維束（Ａ１）の面積割合］
成形体は、板厚方向（例えば、図５のＺ方向である）の断面を観察した際、上記定義される炭素繊維束（Ａ１）の面積割合が、炭素繊維（Ａ）全体に対して０％超５０％以下の範囲であることが好ましい。
炭素繊維束（Ａ１）の面積割合が、炭素繊維（Ａ）全体に対して５０％以下であると、単糸状の炭素繊維（Ａ）が多く存在していることになり、機械強度、特に曲げ強度が維持されやすくなる。炭素繊維束（Ａ１）の面積割合は、炭素繊維（Ａ）全体に対して０％超、３０％以下の範囲内であることが好ましく、０％超１５％以下の範囲内であることがより好ましい。
特定本数以上の炭素繊維からなる炭素繊維束（Ａ１）と、それ以外の開繊された炭素繊維又は炭素繊維束を特定の比率で共存させることで、成形体中の炭素繊維（Ａ）の存在量、すなわち炭素繊維（Ａ）の繊維体積含有率Ｖｆ（単位は、Ｖｏｌ％である。）を高めることが可能となる。

【0056】

［数平均繊維長Ｌｎ_Ｂ］
成形体における炭素繊維（Ｂ）の数平均繊維長Ｌｎ_Ｂに特に限定はないが、好ましくは、成形体の最小板厚をＴ（ｍｍ）としたとき、数平均繊維長Ｌｎ_ＢがＴ（ｍｍ）以上であるのが好ましい。繊維長は、繊維強化の効果を発現させる目的で数平均繊維長Ｌｎ_Ｂが長い方が望ましいが、数平均繊維長Ｌｎ_ＢがＴ（ｍｍ）以下となると、成形流動時に成形品の板厚方向への炭素繊維の配向が発生するため、流動性を低下させる要因となる。好ましい数平均繊維長Ｌｎ_Ｂは成形体の最小板厚Ｔ（ｍｍ）の２倍以上、より好ましくは５倍以上である。
数平均繊維長Ｌｎ_Ｂの上限に特に限定はないが、流動性保持の観点から、５０ｍｍ以下が好ましく、２０ｍｍ以下がより好ましい。

【0057】

≪成形材料の製造方法≫
成形材料の製造方法は特に限定される訳ではないが、例えば、以下の工程１〜５により好ましく製造される。
図１は、以下の工程２〜工程４を示す概略図である。
工程１．炭素繊維（Ａ）を含む樹脂パウダー（Ｐ）を準備する工程
工程２．炭素繊維をカットして炭素繊維（Ｂ）を得る工程
工程３．カットされた炭素繊維（Ｂ）を開繊する工程
工程４．開繊させた炭素繊維（Ｂ）と、工程１で得られた樹脂パウダー（Ｐ）とを散布して成形材料用の前駆体（以下、単に、「前駆体」とする。）を得る工程
工程５．前駆体を加熱圧縮して成形材料を得る工程
なお、図１に示すように、工程２以降に供される炭素繊維を符号「１」で示し、工程２では例えばカット装置３が、工程３では例えば開繊装置５が、工程４では例えば散布装置７がそれぞれ用いられて行われる。
以下、各工程について詳細に述べる。

【0058】

［工程１］
上述した構成の炭素繊維（Ａ）を準備するために、樹脂パウダー（Ｐ）を準備するのが好ましい。つまり、単糸状の繊維を多く含み、板厚方向に対して垂直な断面を観察した際、繊維束を構成する繊維数が３５／Ｄ_Ａ以上で観察される炭素繊維束（Ａ１）の面積割合が、全体に対して０％超５０％以下の範囲である成形体になるような炭素繊維（Ａ）を含んだ樹脂パウダー（Ｐ）を準備することが好ましい。
最初に、粒材（Ｒ）を、熱可塑性樹脂（ニートレジン）と混合させて溶融混練し、押出し機に投入して樹脂ペレットを得る。
ここでの粒材（Ｒ）は、上述したように、市販されている炭素繊維樹脂ペレットや粉砕材等を利用することが好ましい。
粒材（Ｒ）と熱可塑性樹脂（ニートレジン）の混合割合に特に限定はないが、後述する炭素繊維（Ｂ）と混合させて適切な炭素繊維の繊維体積含有率Ｖｆの成形材料を製造する観点において、樹脂ペレットの繊維体積含有率Ｖｆを１％以上７０％以下に調整するように、粒材（Ｒ）と熱可塑性樹脂（ニートレジン）の混合割合を調節することが好ましい。より好ましい樹脂ペレットの繊維体積含有率Ｖｆは１％以上４０％以下の範囲であり、１％以上２０％以下の範囲内が更に好ましい。
得られた樹脂ペレットを粉砕機で粉砕すると、パウダー状の樹脂パウダー（Ｐ）や塊状の樹脂塊を得ることができる。樹脂パウダー（Ｐ）や樹脂塊の大きさに特に限定はないが、機械物性の観点から、好ましい大きさとしては、１ｍｍ角以上が好ましく、２ｍｍ角以上であれば、より好ましい。樹脂パウダー（Ｐ）や樹脂塊の上限としては、後述するフィーダーの大きさにも依存するが、４ｍｍ角以下が好ましく、３ｍｍ角以下がより好ましい。樹脂パウダー（Ｐ）や樹脂塊の形状は、粉砕工程で、通常不定形状となる。なお、樹脂パウダー（Ｐ）と樹脂塊との区別は、一般的に明確ではないが、概ね、樹脂パウダー（Ｐ）の方が樹脂塊よりも小さい。

【0059】

［工程２］
この工程は、炭素繊維をカットする工程である。炭素繊維１をカットして炭素繊維（Ｂ）を得る工程は、炭素繊維（Ａ）や炭素繊維（Ｂ）の構成比率に影響を及ぼさない範囲内で、成形材料に含める場合には、カット装置を複数用意し、各々のカット装置で切断した繊維を、開繊装置により各々を混合することができる。
さらに、成形材料に含まれる炭素繊維（Ｂ）のＬｗ_Ｂ／Ｌｎ_Ｂを、１．０以上１．２未満の範囲内で分布を持たせる場合は、例えば、刃のピッチが連続的に変化しているロータリーカッターを用いることで連続的に繊維長を変化させて炭素繊維を切断することもできるし、刃のピッチが段階的に変化しているロータリーカッターを用いることで断続的に繊維長を変化させて炭素繊維を切断することもできる。

【0060】

［工程３］
工程３は、工程２でカットされた炭素繊維（Ｂ）を開繊させる開繊工程である。開繊工程は、例えば、カットされた炭素繊維（Ｂ）を管２１内に導入し、繊維束を開繊させる工程である。空気を繊維に吹き付けることにより適宜開繊させることができる。開繊の度合い、炭素繊維束（Ｂ１）の存在量及び炭素繊維束（Ｂ１）中の平均繊維数（Ｎ_Ｂ）については、空気の圧力等により適宜コントロールすることができる。

【0061】

［工程４］
工程４は、開繊された炭素繊維（Ｂ）と樹脂パウダー（Ｐ）とから成形材料用の前駆体を形成する前駆体形成工程である。前駆体形成工程は、例えば、カットし開繊させた炭素繊維（Ｂ）を空気中に拡散させると同時に、工程１で得られた樹脂パウダー（Ｐ）を供給し、炭素繊維（Ｂ）を樹脂パウダー（Ｐ）とともに、支持体３１上に散布し、マット状の成形材料用の前駆体３３を形成する。
図１では、炭素繊維（Ｂ）を符号「Ｂ」で、樹脂パウダー（Ｐ）を符号「Ｐ」でそれぞれ示している。なお、樹脂パウダー（Ｐ）は、例えば図１のパウダー供給装置３５により行われる。
ここでは、支持体３１として通気性を有するものを使用し、支持体３１上に散布された炭素繊維（Ｂ）と樹脂パウダー（Ｐ）とを支持体３１の下方から吸引して、支持体３１上に堆積・定着させる。
この工程では、空気（気体）で開繊した炭素繊維（Ｂ）と別経路から供給される樹脂パウダー（Ｐ）を同時に支持体３１上に向けて散布し、両者がほぼ均一に混ざり合った状態で支持体３１上へマット状に堆積させ、その状態で定着させることができる。この際、例えばネットからなるコンベア等で支持体３１を構成し、当該支持体３１を一方向に連続的に移動させつつ、その上に炭素繊維（Ｂ）と樹脂パウダー（Ｐ）とを堆積させるようにすれば、連続的に前駆体３３を形成することができる。なお、支持体３１を前後左右に移動させることにより、均一な炭素繊維（Ｂ）と樹脂パウダー（Ｐ）との堆積が実現されるようにしてもよい。
ここで、炭素繊維（Ｂ）は、２次元方向にランダム配向するように散布される。開繊した繊維を２次元方向にランダム配向させながら散布するためには、下流側に拡大した円錐形等のテーパ管３７を用いることが好ましい。このテーパ管３７内では、開繊目的で炭素繊維に吹付けた気体が拡散し、管内の流速が減速するので、このとき炭素繊維には回転力が与えられる。このベンチュリ効果を利用することで、開繊した炭素繊維（Ｂ）を、樹脂パウダー（Ｐ）とともに均等に斑無く支持体３１上に散布することができる。この工程において、炭素繊維（Ａ）が３次元方向にランダム配向されるように樹脂パウダー（Ｐ）が散布されることが好ましい。
樹脂パウダー（Ｐ）の供給量は、炭素繊維（Ｂ）１００重量部に対し、１０重量部以上１０００重量部以下であることが好ましく、５０重量部以上４００重量部以下であることがより好ましく、更に好ましくは８０重量部以上１５０重量部以下である。また、樹脂パウダー（Ｐ）とは別途で、熱可塑性樹脂（ニートレジン）を同時に供給してもよい。

【0062】

［工程５］
この工程は、上記工程４で得た前駆体３３を加熱及び加圧することにより成形材料を得る工程である。なお、成形材料は、言うまでもなく、熱可塑性樹脂と炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）とを含む。
成形材料の一例を図４に模式的に示す。図４において、成形材料３９は、熱可塑性樹脂と炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）とを含み、熱可塑性樹脂は符号「Ｃ」で、炭素繊維（Ａ）は符号「Ａ」で、炭素繊維（Ｂ）のうち、炭素繊維束（Ｂ１）を符号「Ｂ１」で、単糸等（Ｂ２）を符号「Ｂ２」で、それぞれ表されている。
ここで、加熱及び加圧する方法としては、加熱と加圧を別々に行っても良く、プレス成形及び／又は熱成形などの方法により加熱及び加圧することが好ましい。
上記の前駆体３３は、炭素繊維（Ｂ）間に樹脂パウダー（Ｐ）が均一して散布されるため、熱可塑性樹脂を容易に含浸しやすい特徴を持ち、ホットプレス成形などの方法により成形材料を効率よく得ることができる。
成形材料を得る際の前駆体３３への加圧条件としては、１０ＭＰａ未満であると好ましく、８ＭＰａ以下であるとより好ましく、５ＭＰａ以下であると更に好ましい。圧力が１０ＭＰａ未満であると、より安価又は一般的な成形装置（プレス装置）を使用でき、大型の前駆体を得る場合でも、設備投資や維持費を抑制でき好ましい。
前駆体３３を成形材料とするために加熱する際の温度としては、前駆体３３に含まれる熱可塑性樹脂が結晶性の場合は融点以上分解温度未満であると好ましく、非晶性の場合はガラス転移温度以上分解温度未満であると好ましい。なお、熱可塑性樹脂の分解温度としては、空気中の熱分解温度であると好ましい。
なお、上記工程により得られた成形材料は、リブやボス等の突出部等を有するような立体成形用として、なかでもプレス成形用として有用である。

【0063】

≪成形材料の成形方法≫
成形材料を成形する場合、種々の成形方法を利用できるが、加熱・加圧して行われるのが好ましい。
成形方法としては、所謂、コールドプレス法やホットプレス法等の圧縮成形法が好ましく利用される。

【0064】

［コールドプレス法］
コールドプレス法は、例えば、第１の所定温度に加熱した成形材料を第２の所定温度に設定された金型内に投入した後、加圧・冷却を行う。
具体的には、成形材料を構成する熱可塑性樹脂が結晶性である場合、第１の所定温度は融点以上であり、第２の設定温度は融点未満である。熱可塑性樹脂が非晶性である場合、第１の所定温度はガラス転移温度以上であり、第２の設定温度はガラス転移温度未満である。
すなわち、コールドプレス法は、少なくとも以下の工程Ａ−１）〜Ａ−２）を含んでいる。
Ａ−１）成形材料を、熱可塑性樹脂が結晶性の場合は融点以上分解温度以下、非晶性の場合はガラス転移温度以上分解温度以下に加温する工程。
Ａ−２）上記Ａ−１）で加温された成形材料を、熱可塑性樹脂が結晶性の場合は融点未満、非晶性の場合はガラス転移温度未満に温度調節された金型に配置し、加圧する工程。
これらの工程を行うことで、成形材料の成形を完結させることができる。
なお、金型に投入する際、成形材料は、対象の成形体の板厚に合わせて、単独（１枚で）又は複数枚用いられる。複数枚用いる場合、複数枚を予め積層して加熱してもよいし、加熱した成形材料を積層した後に金型内に投入してもよいし、加熱した成形材料を金型内に順次積層してもよい。なお、積層した場合の最下層の成形材料と最上層の成形材料との温度差は少ない方が良く、この観点からは、金型に投入する前に積層した方が好ましい。
また、上記Ａ−１）における加圧は、例えば、金型やニップローラ等を利用することができる。上記の各工程は、上記の順番で行う必要があるが、各工程間に他の工程を含んでもよい。他の工程とは、例えば、Ａ−２)の前に、Ａ−２）で利用される金型と別の賦形型を利用して、金型のキャビティの形状に予め賦形する賦形工程等がある。

【0065】

［ホットプレス法］
ホットプレス法は、例えば、金型内に成形材料を投入し、金型の温度を第１の所定温度まで上昇させながら加圧し、第２の所定温度まで金型の冷却を行う。
具体的には、成形材料を構成する熱可塑性樹脂が結晶性である場合、第１の所定温度は融点以上であり、第２の所定温度は融点未満である。成形材料を構成する熱可塑性樹脂が非晶性である場合、第１の所定温度はガラス転移温度以上であり、第２の所定温度はガラス転移温度未満である。
ホットプレス法は、少なくとも以下の工程Ｂ−１）〜Ｂ−４）を含んでいることが好ましい。
Ｂ−１）成形材料を金型に配置する工程。
Ｂ−２）熱可塑性樹脂が結晶性の場合は熱可塑性樹脂の融点以上熱分解温度以下の温度まで、非晶性の場合は熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上熱分解温度以下の温度まで、金型を昇温しつつ、加圧する工程（第１プレス工程）。
Ｂ−３）一段以上であり、最終段の圧力が第１プレス工程の圧力の１．２倍以上１００倍以下となるように加圧する工程（第２プレス工程）。
Ｂ−４）熱可塑性樹脂が結晶性の場合は融点未満、非晶性の場合はガラス転移温度未満に金型温度を調節する工程。
これらの工程を行うことで、成形材料の成形を完結させることができる。

【0066】

［共通事項］
工程Ａ−２）及びＢ−３）は、成形材料に圧力を加えて所望形状の成形体を得る工程であるが、このときの成形圧力については特に限定はしないが、金型キャビティ投影面積に対して１０ＭＰａ未満が好ましく、８ＭＰａ以下であるとより好ましく、５ＭＰａ以下であると更に好ましい。
成形圧力が１０ＭＰａ以上の場合は、特に大型成形体を成形するためには多額の設備投資や維持費が必要となるため、好ましくない。上述した成形材料は成形時の流動性が高いため、成形圧力を低くしても、安定してリブやボスを設けることができる。
更に、上述の成形材料を用いれば、安定して成形するのが難しい大きなリブを設けたい場合であっても、容易にリブを設けることができる。成形材料の成形には上記の双方の圧縮成形法が適用可能であるが、成形時間をより短縮できる観点では、コールドプレス法がより好ましい。
また、当然のことであるが、圧縮成形時に種々の工程を上記の工程間に入れてもよく、例えば真空にしながら圧縮成形する真空圧縮成形を用いてもよい。

【実施例】

【0067】

以下に実施例を示すが、本発明はこれらに制限されるものではない。
実施例や比較例における物性値等の算出や評価方法について、以下説明する。

【0068】

［成形材料又は成形体に含まれる炭素繊維の繊維長の測定方法］
後述する実施例においては、樹脂パウダー（Ｐ）に含まれる炭素繊維（Ａ）の繊維長を０．０１ｍｍ以上３ｍｍ未満に、炭素繊維（Ｂ）の繊維長を３ｍｍ以上１００ｍｍ未満にそれぞれなるよう調整して、工程２においてロータリーカッターで炭素繊維をカットしている。
すなわち、本実施例においては、前駆体、成形材料及び成形体に含まれる炭素繊維（Ａ）の繊維長と繊維長分布は、樹脂パウダー（Ｐ）に含まれる炭素繊維（Ａ）の特性が維持される。
一方、成形材料及び成形体に含まれる炭素繊維（Ｂ）の繊維長と繊維長分布は、前駆体に含まれる炭素繊維（Ｂ）の特性が維持される。したがって、炭素繊維（Ａ）の特性は樹脂パウダー（Ｐ）に含まれる炭素繊維を分析し、炭素繊維（Ｂ）の特性は前駆体に含まれる３ｍｍ以上１００ｍｍ未満の炭素繊維を分析した。
具体的には、得られた樹脂パウダー（Ｐ）又は前駆体を切り出しルツボに入れ、５５０℃にて１．５時間有酸素雰囲気下で加熱し樹脂成分を燃焼除去した。残った炭素繊維を界面活性剤入りの水に投入し、超音波振動により充分に撹拌させた。撹拌された分散液を計量スプーンによりランダムに採取し評価用サンプルを得て、ニレコ社製画像解析装置Ｌｕｚｅｘ ＡＰにて繊維数３０００本の長さを計測した。
前駆体を分析する場合には、測定した全ての炭素繊維の長さ（Ｌｉ）から、繊維長０．０１ｍｍ以上３ｍｍ未満の炭素繊維（Ａ）と、繊維長３ｍｍ以上１００ｍｍ未満の炭素繊維（Ｂ）に分けた。
抽出した炭素繊維については、前述の式（３）、（４）により数平均繊維長Ｌｎ、重量平均繊維長Ｌｗを炭素繊維（Ａ）、炭素繊維（Ｂ）についてそれぞれ求め、繊維長の分布幅Ｌｗ／Ｌｎをそれぞれ求めた。
また、実施例、比較例において樹脂パウダー（Ｐ）を作成しない場合があるが、この場合は、樹脂パウダー（Ｐ）に代えて使用した、粉砕材に含まれる繊維特性を、上記と同様にして分析した。

【0069】

［成形材料における炭素繊維束の分析］
上記分類した炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の繊維束の分析は、以下のように行った。

【0070】

１．炭素繊維（Ａ）に含まれる繊維束の分析
板状の成形材料３９を板厚方向（図５のＺ方向）に、任意に１０点における１０ｍｍ×１０ｍｍの範囲に現れる炭素繊維断面を観察し、束となっているか、単糸となっているかを確認した。なお、ここいう板厚方向に現れる炭素繊維断面は、板厚方向と直交する面において現れる炭素繊維の断面をいい、例えば、図５におけるＸＹ平面に平行な面であり、表側の主面（表面）や裏側の主面（裏面）である。
炭素繊維束の分布は下記のような基準で評価している。
◎（Ｐｅｒｆｅｃｔ）：炭素繊維束（Ａ１）の面積割合が、炭素繊維（Ａ）全体に対して０％以上〜１５％未満である
〇（Ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ）：炭素繊維束（Ａ１）の面積割合が、炭素繊維（Ａ）全体に対して１５％以上５０％未満である
△（Ｇｏｏｄ）：炭素繊維束（Ａ１）の面積割合が、炭素繊維（Ａ）全体に対して５０％以上である
なお、上述したように、炭素繊維束（Ａ１）は炭素繊維（Ａ）に属し、繊維束中の繊維の数が３５／Ｄ_Ａ以上で観察される炭素繊維束（ここでＤ_Ａは炭素繊維（Ａ）の平均繊維径）である。

【0071】

２．炭素繊維（Ｂ）に含まれる繊維束の分析
繊維長３ｍｍ以上１００ｍｍ未満の繊維束をピンセットで全て取り出し、炭素繊維束（Ｂ１）の束の数Ｉ及び各繊維束の長さＬ_Ｂｉとその質量Ｗ_Ｂｉを測定し、記録する。ピンセットにて取り出すことができない程度に繊維束が小さいものについては、まとめて最後に質量を測定する（この質量をＷ_Ｂｋとする。）。
質量の測定には、１／１００ｍｇまで測定可能な天秤を用いる。成形材料３９に含まれている炭素繊維（Ｂ）の平均繊維径Ｄ_Ｂより、上述の式（１）により臨界単糸数を計算し、臨界単糸数以上の炭素繊維束（Ｂ１）と、それ以外の単糸等（Ｂ２）に分ける。
炭素繊維束（Ｂ１）の平均繊維数Ｎ_Ｂの求め方は以下の通りである。
各炭素繊維束中の繊維本数Ｎ_Ｂｉは使用している炭素繊維（Ｂ）の繊度Ｆ_Ｂより、次式（５）により求められる。
Ｎ_Ｂｉ＝Ｗ_Ｂｉ／（Ｌ_Ｂｉ×Ｆ_Ｂ） （５）
炭素繊維束（Ｂ１）中の平均繊維数Ｎ_Ｂは、炭素繊維束（Ｂ１）の束の数Ｉより、次式（６）により求められる。
Ｎ_Ｂ＝ΣＮ_Ｂｉ／Ｉ （６）
炭素繊維束（Ｂ１）について、炭素繊維（Ｂ）の繊維全量に対する割合ＶＲ_Ｂは、炭素繊維（Ｂ）の密度（ρ_Ｂ）を用いて次式（７）により求められる。
ＶＲ_Ｂ＝Σ（Ｗ_Ｂｉ／ρ_Ｂ）×１００／（（Ｗ_Ｂｋ＋ΣＷ_Ｂｉ）／ρ_Ｂ） （７）

【0072】

３．成形材料における炭素繊維（Ａ）の３次元配向の分析
実施例、比較例において、炭素繊維（Ａ）の３次元方向へのランダム配向は、以下の手順で測定した。
（ｉ）炭素繊維断面を観察しやすくするように、成形材料３９を２０ｍｍ（タテ）×２０ｍｍ（ヨコ）×３ｍｍ（厚み）の直方体から、２ｍｍ（タテ）×２ｍｍ（ヨコ）×２ｍｍ（厚み）の立方体を１０個切り出し、各立方体の各面について、１０カ所ずつ観察し、観察される炭素繊維の断面数を数え、平均をとった。立方体を切り出す際、表面樹脂を除くため、板状の成形材料３９の表面（６面）を機械加工にて約２００μｍ削った。
（ｉｉ）３ｍｍ以上１００ｍｍ未満の炭素繊維（Ｂ）のみで別途作成した成形材料（Ｂ）（後述する比較例３に該当）について、（ｉ）と同じ様に上・底面及び側面の合計６面について、単位面積あたりに観察される炭素繊維（Ｂ）の断面数を数えた。
（ｉｉｉ）各面で観察された断面数について、（ｉｉ）で観察された断面数から（ｉ）で観察された断面数を引いた。
（ｉｖ）引いた後の断面数を、以下のように定義し、（（Ｘ＋Ｙ）／２）／Ｚを算出し、以下の評価を行った。なお、以下の「○方向の側面」とは、○方向と直交する面と平行な状態にある面をいう。
Ｘ：図５に示すＸ方向の側面（ＹＺ平面に平行な面）で観察された、単位面積（１ｍｍ×１ｍｍ）あたりの炭素繊維（Ａ）の断面数
Ｙ：図５に示すＹ方向の側面（ＸＺ平面に平行な面）で観察された、単位面積（１ｍｍ×１ｍｍ）あたりの炭素繊維（Ａ）の断面数
Ｚ：板厚方向の面（図５に示すＺ方向の側面であり、ＸＹ平面に平行な面）で観察された、単位面積あたりの炭素繊維（Ａ）の断面数
なお、炭素繊維（Ａ）の３次元方向のランダムにおける評価の指標は、以下の通りある。
◎（Ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ）：１≦（（Ｘ＋Ｙ）／２）／Ｚ＜２
〇（Ｇｏｏｄ）：２≦（（Ｘ＋Ｙ）／２）／Ｚ＜１０
×（Ｂａｄ）：１０≦（（Ｘ＋Ｙ）／２）／Ｚ

【0073】

４．成形材料における炭素繊維（Ｂ）の２次元配向の分析
成形材料３９から試験片を切出し、成形材料の任意の方向（０度方向）及びこれと直交する方向（９０度方向）を基準とする引張弾性率を測定し、測定した引張弾性率の値のうち大きいものを小さいもので割った比Ｅδを測定した。弾性率の比が１に近いほど、等方性に優れる材料である。本実施例では弾性率の比が１．３以下の場合、等方性であると評価する。なお、炭素繊維（Ｂ）の２次元方向ランダムにおける評価の指標は、以下の通りである。下記〇の場合が、２次元方向にランダムに配向していることを表し、×の場合が２次元方向にランダムに配向していないことを表す。
○（Ｇｏｏｄ）：Ｅδ≦１．３
×（Ｂａｄ）：１．３＜Ｅδ

【0074】

５．繊維体積含有率Ｖｆの分析
成形材料３９より、１００ｍｍ×１００ｍｍの角板を切り出し、その重量ｗ0（ｇ）を測定した。次に、切り出した成形材料を、空気中で５００℃×１時間加熱し、樹脂成分を焼き飛ばして残った炭素繊維の重量ｗ1（ｇ）を測定した。測定結果を利用して、下式（８）を用いて、繊維重量分率ｗｆを求めた。いずれの測定もｎ＝３で行い、その平均値を用いた。
繊維重量分率ｗｆ＝（炭素繊維の重量ｗ1／成形材料の重量ｗ0）×１００ （８）
次に、各成分の比重を用い、下式（９）により繊維体積含有率Ｖｆを算出した。なお、一般的に、繊維体積含有率Ｖｆと、繊維重量分率ｗｆは、下記の式（９）が成立する。
１／Ｖｆ＝１＋ρｆ／ρｍ （１／ｗｆ−１） （９）
ここで、ρｆは繊維の密度、ρｍは樹脂の密度である。

【0075】

［成形体における評価］
１．物性評価
ウォータージェットを用いて成形体の水平部から試験片を切出し、ＪＩＳ Ｋ７０７４を参考として、インストロン社製の曲げ試験機５９６６を用いて測定した。試験片の形状はＡ形試験片とした。評点間距離と板厚の比（Ｌ／Ｄ）は４０、試験速度は１％／ｍｉｎとした。
このように曲げ応力を測定することで、試験片の板厚の変動による、曲げ応力値への影響を無視できるようにした。なお、曲げ応力の評価結果は、比較例２を１００として相対値で記載した。
また、同様に、ウォータージェットを用いて成形体から試験片を切出し、ＪＩＳ Ｋ７１６４を参考として、インストロン社製の５９８２Ｒ４４０７万能試験機を用いて、引張応力を測定した。試験片の形状はＡ形試験片とした。チャック間距離は１１５ｍｍ、試験速度は２ｍｍ／ｍｉｎとした。なお、引張試験結果は、２次元配向状態についての評価等に利用される。

【0076】

２．ボス及びリブへの充填性評価
成形材料３９の流動性や成形性を評価する目的で、成形体４１の外観、特にボス４３やリブ４５の端部を目視評価した。
評価では板状の成形材料３９を加熱したものを１５０℃に設定した金型の水平部にチャージ率８０％となる様に配置して、５ＭＰａの圧力で６０秒間コールドプレスし、図３に示す成形体４１を得た。ボス４３及びリブ４５における熱可塑性樹脂の充填具合から評価した。評価指標は以下の通りである。
◎（Ｐｅｒｆｅｃｔ）：ボス、リブ双方とも、角部までしっかりと形成されていた。
○（Ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ）：ボス、リブの形状は形成できていたが、角部にわずかながら欠けがあった。
△+（Ｖｅｒｙ ｇｏｏｄ）：ボス、リブどちらか一方の形状は問題なく形成できたが、もう片方の形状形成がやや不十分であった。
△（Ｇｏｏｄ）：ボス、リブ双方の形成がやや不十分であった。
△−（Ｐａｓｓｅｄ）：ボス、リブ双方とも、完全体の半分位の形成具合であった。
×+（Ｌｅｓｓ）：ボス、リブどちらか一方の形成が半分位までであり、もう片方の形状がほぼ不完全な形成であった。
×（Ｂａｄ）：ボス、リブ双方とも、形成が不完全であった。

【0077】

３．層間せん断強度に類する評価
ウォータージェットを用いて薄肉成形体の水平部から試験片を切出し、シマヅ製曲げ試験機島津万能試験機ＡＧＳ−Ｘ ５ＫＮを用いて測定した。尚、支点間距離１５ｍｍ試験速度２ｍｍとし、下記式を用いて、比較例２を１００とした相対値で記載した。
τ＝（３Ｐ）／（４ｈ（ｔ^２））
Ｐ：層間せん断荷重（Ｎ）
ｈ：試験片幅（ｍｍ）
ｔ：試験片板厚（ｍｍ）

【0078】

［実施例・比較例共通］
本実施例や比較例で用いた炭素繊維及び熱可塑性樹脂は以下に示すものである。
・ＰＡＮ系炭素繊維
・ポリアミド６（ＰＡ６）（融点２２５℃、熱分解温度（空気中）３００℃）

【0079】

［実施例１］
（工程１）
炭素繊維として、東邦テナックス社製の炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＳＴＳ４０−２４ＫＳ（繊維径７μｍ 繊維幅１０ｍｍ 引張強度４０００ＭＰａ）を使用し、炭素繊維を拡幅して２０ｍｍ幅として使用した。
以下の工程１は、図１で説明した前駆体の製造工程と、似た装置を使って行うこともできるため、図１を参考にでき、図１を使って説明する。
カット装置３には、ロータリーカッターを用いた。刃１５の間隔は１２ｍｍとした。開繊装置５として、小孔を有した管２１を用意し、コンプレッサー２３を用いて圧縮空気を送気した。この時、小孔からの風速は、６０ｍ／ｓｅｃであった。
この管２１をロータリーカッターの直下に配置し、さらに、その下部にはテーパ管３７を溶接した。テーパ管３７の側面より、熱可塑性樹脂をパウダー供給装置３５から供給する。この熱可塑性樹脂として、ユニチカ社製のナイロン６樹脂Ａ１０３０を冷凍粉砕し、更に、２０メッシュ、及び３０メッシュにて分級したパウダーを用いた。このとき、平均粒径は約１ｍｍであった。
次に、テーパ管３７出口の下方に、平面方向に移動可能であり且つ通気性を有する支持体３１を設置し、支持体３１の裏側よりブロワにて吸引を行った。装置を稼働し、炭素繊維目付１４４１ｇ／ｍ^２、ナイロン樹脂目付１７０４ｇ／ｍ^２である前駆体を得た。なお、この前駆体は、樹脂パウダー（Ｐ）用であって、図１で説明した成形材料用の前駆体とは異なる。
この前駆体を２６０℃に加熱したプレス装置にて、２．０ＭＰａにて５分間加熱し、厚みｔ＝２．３ｍｍの複合材料を得た。ここで得られた複合材料は大型低速プラスチック粉砕機を用いて細かく粉砕して粒材（Ｒ）を得た。
得られた粒材（Ｒ）と、熱可塑性樹脂（ポリアミド６）とを、１００：２１７の重量割合で混合させて、東芝機械製ＴＥＭ２６Ｓ２軸押し出し機に投入し、シリンダ温度２８０℃、スクリュー回転数１００ｒｐｍで溶融混練して炭素繊維の繊維体積含有率Ｖｆが９．７％の樹脂ペレットを得た。この樹脂ペレットを、粉砕機で更に粉砕して樹脂パウダー（Ｐ）を得た。このとき、樹脂パウダー（Ｐ）の平均粒径は約１ｍｍであり、形状は不定形状であった。
樹脂パウダー（Ｐ）に含まれる炭素繊維（Ａ）の特性を、測定したところ、繊維長分布は、０．０１ｍｍ以上１．１ｍｍ以下の範囲内であり、数平均繊維長Ｌｎ_Ａは０．１１ｍｍ、重量平均繊維長Ｌｗ_Ａは０．２２ｍｍであった（Ｌｗ_Ａ／Ｌｎ_Ａ＝２）。

【0080】

（工程２〜５）
炭素繊維（Ｂ）として、東邦テナックス社製の炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＳＴＳ４０−２４ＫＳ（平均繊維径７μｍ、繊維幅１０ｍｍ）を拡幅して、繊維幅２０ｍｍとしたものを使用した。炭素繊維（Ｂ）のカット装置３には、ロータリーカッターを用いた。刃１５のピッチは２０ｍｍとし、炭素繊維を繊維長２０ｍｍにカットするようにした。
開繊装置５として、径の異なるＳＵＳ３０４製のニップルを溶接し、二重構造の管２１を製作した。内側の管に小孔を設け、外側の管との間にコンプレッサー２３を用いて圧縮空気を送気した。この時、小孔からの風速は、４５０ｍ／ｓｅｃであった。この管２１をロータリーカッターの直下に配置し、さらに、その下部にはテーパ管３７を溶接した。テーパ管３７の側面からは、前記工程１で得られた樹脂パウダー（Ｐ）をパウダー供給装置３５により供給した。
次に、テーパ管３７出口の下方に、平面方向に移動可能な支持体３１を設置し、支持体３１の裏側よりブロワにて吸引を行った。装置を稼働し、前駆体３３における炭素繊維全量の重量割合が４５．８ｗｔ％（炭素繊維全量の目付が１８８０ｇ／ｍ^２、ナイロン樹脂目付２２２３ｇ／ｍ^２）、また炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の重量割合が１０：９０となるように調整して、炭素繊維（Ｂ）と樹脂パウダー（Ｐ）とを混合し、前駆体３３を得た。
得られた前駆体３３に含まれる炭素繊維の繊維長を測定して、０．０１ｍｍ以上３ｍｍ未満の炭素繊維（Ａ）と３ｍｍ以上１００ｍｍ未満の炭素繊維（Ｂ）の重量割合を分析したところ１０：９０であり、炭素繊維（Ｂ）の繊維長は２０ｍｍと一定長であった。
炭素繊維（Ｂ）のカット方法を上述のようにロータリーカッターの刃のピッチを一定長としたために、前駆体３３に含まれる炭素繊維（Ｂ）の長さを固定長とすることができた。したがって、重量平均繊維長Ｌｗ_Ｂ、数平均繊維長Ｌｎ_Ｂはともに２０ｍｍであり、Ｌｗ_Ｂ／Ｌｎ_Ｂは１．０であった。

【0081】

得られた前駆体３３について、炭素繊維束（Ｂ１）の割合と、平均繊維数（Ｎ_Ｂ）を調べたところ、式（１）で定義される臨界単糸数は８６本であり、炭素繊維束（Ｂ１）について、炭素繊維（Ｂ）全量に対する割合は８５Ｖｏｌ％、炭素繊維（Ｂ１）の束内平均繊維数（Ｎ_Ｂ）は、７５０本であった。
得られた前駆体３３を２６０℃に加熱したプレス装置にて、３ＭＰａにて２０分間加熱し、板厚３．０ｍｍの板状の成形材料３９（図４参照）を得た。得られた成形材料について超音波探傷試験を行ったところ、未含浸部やボイドは確認されなかった。
得られた板状の成形材料３９の０度及び９０度方向の引張り弾性率を測定したところ、弾性率の比Ｅδは１．０３であり、繊維配向の差は殆ど無く、２次元方向において等方性が維持された材料を得ることができた。
更に、この成形材料３９を５００℃×１時間程度炉内にて加熱し、樹脂を除去した後、炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の割合、及び炭素繊維束（Ｂ１）の割合と、炭素繊維束（Ｂ１）に含まれる平均繊維数（Ｎ_Ｂ）を調べたところ、上記前駆体３３の測定結果と差異は見られなかった。
上記成形材料３９について、結果を表１に示す。また、機械物性は後述する比較例１との相対物性を示す。
また、成形材料３９をＮＧＫキルンテック製のＩＲオーブンを用いて３００℃に加熱したものを１２０℃に設定した金型の水平部にチャージ率８０％となる様に配置して５ＭＰａの圧力で６０秒間コールドプレスし、図３に示すようなボス４３及びリブ４５を有する成形体４１を得た。

【0082】

［実施例２］
炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の重量割合を２０：８０にしたこと以外は実施例１と同様に成形材料を作成した。結果を表１に示す。

【0083】

［実施例３］
炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の重量割合を３０：７０にしたこと以外は実施例１と同様に成形材料を作成した。結果を表１に示す。

【0084】

［実施例４］
炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の重量割合を４０：６０にしたこと以外は実施例１と同様に成形材料を作成した。結果を表１に示す。

【0085】

［実施例５］
実施例の工程１において、得られた粒材（Ｒ）を溶融混練せず、樹脂パウダー（Ｐ）を得る工程を省いた。また、工程２以降では、樹脂パウダー（Ｐ）の代わりに粒材（Ｒ）を用いたこと以外は、実施例２と同様に成形材料を作成した。
粒材（Ｒ）に含まれる炭素繊維（Ａ）の特性を測定したところ、繊維長分布は０．０１以上２．３ｍｍ以下の範囲内であり、数平均繊維長Ｌｎ_Ａは０．２２ｍｍ、重量平均繊維長Ｌｗ_Ａは０．５５ｍｍであった（Ｌｗ_Ａ／Ｌｎ_Ａ＝２．５）。
結果を表１に示す。

【0086】

［実施例６］
炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の重量割合を５０：５０にしたこと以外は実施例５と同様に成形材料を作成した。結果を表１に示す。

【0087】

［比較例１］
実施例１において、炭素繊維（Ｂ）を用いず、炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の含有割合を１００：０になるように調整した以外は、実施例１と同様に成形材料を作成した。
この際、成形材料に含まれる炭素繊維全量は、実施例１と同じになるよう、炭素繊維（Ａ）の含有割合は調整した。
炭素繊維（Ａ）の特性及び得られた板状の成形材料の特性については実施例１と同様に評価した。結果を表１に示す。

【0088】

［比較例２］
実施例１の工程１を省き、工程２〜５のみで前駆体を作成することで、炭素繊維（Ａ）を含まない前駆体を作成した。この際、成形材料に含まれる炭素繊維全量は、実施例１と同じになるよう、炭素繊維（Ｂ）の含有割合は調整した。
得られた前駆体に含まれる炭素繊維の繊維長を測定して、０．０１ｍｍ以上３ｍｍ未満の炭素繊維（Ａ）と３ｍｍ以上１００ｍｍ未満の炭素繊維（Ｂ）の重量割合を分析したところ０：１００であり、炭素繊維（Ｂ）の繊維長は２０ｍｍと一定長であった。重量平均繊維長Ｌｗ_Ｂ、数平均繊維長Ｌｎ_Ｂはともに２０ｍｍであり、Ｌｗ_Ｂ／Ｌｎ_Ｂは１．０であった。
得られた前駆体について、炭素繊維束（Ｂ１）の割合と、平均繊維数（Ｎ）を調べたところ、式（１）で定義される臨界単糸数は８６本であり、炭素繊維束（Ｂ１）について、マットの繊維全量に対する割合は８６Ｖｏｌ％、炭素繊維（Ｂ１）の束内平均繊維数は、１５００本であった。
得られた前駆体は実施例１と同様にプレスして板厚３．０ｍｍの板状の成形材料を得た。前駆体における炭素繊維（Ｂ）の繊維特性、及び成形材料の評価結果を表１に示す。

【0089】

［比較例３］
炭素繊維全量の繊維体積割合を２８％に調整した以外は、比較例２と同様に成形材料を作成した。結果を表１に示す。炭素繊維（Ｂ）のみの繊維体積割合でみると、比較例３は実施例２と一致する。

【0090】

［比較例４］
炭素繊維全量の繊維体積割合を４０％に調整した以外は、比較例２と同様に成形材料を作成した。結果を表１に示す。

【0091】

［比較例５］
炭素繊維束（Ｂ１）の割合と平均繊維数Ｎ_Ｂを表１に示したように調整した以外は、比較例２と同様に成形材料を作成した。結果を表１に示す。

【0092】

［実施例７］
炭素繊維（Ａ）について、Ｌｗ_Ａ／Ｌｎ_Ａを表２に示したように調整したこと以外は実施例２と同様に成形材料を作成した。結果を表２に示す。

【0093】

［実施例８］
炭素繊維（Ａ）について、Ｌｗ_Ａ／Ｌｎ_Ａを表２に示したように調整したこと以外は実施例２と同様に成形材料を作成した。結果を表２に示す。

【0094】

［実施例９］
炭素繊維束（Ｂ１）の割合と平均繊維数Ｎ_Ｂを表２に示したように調整したこと以外は実施例２と同様に成形材料を作成した。結果を表２に示す。

【0095】

［実施例１０］
炭素繊維束（Ｂ１）の割合と平均繊維数Ｎ_Ｂを表２に示したように調整したこと以外は実施例２と同様に成形材料を作成した。結果を表２に示す。

【0096】

［実施例１１］
炭素繊維束（Ｂ１）の割合と平均繊維数Ｎ_Ｂを表２に示したように調整したこと以外は実施例２と同様に成形材料を作成した。結果を表２に示す。

【0097】

［実施例１２］
炭素繊維束（Ｂ１）の割合と平均繊維数Ｎ_Ｂを表２に示したように調整したこと以外は実施例２と同様に成形材料を作成した。結果を表２に示す。

【0098】

［実施例１３］
炭素繊維束（Ｂ）について、Ｌｗ_ＢとＬｎ_Ｂを表２に示したように調整したこと以外は実施例２と同様に成形材料を作成した。結果を表２に示す。

【0099】

［実施例１４］
炭素繊維束（Ｂ）について、Ｌｗ_ＢとＬｎ_Ｂを表２に示したように調整したこと以外は実施例２と同様に成形材料を作成した。結果を表２に示す。

【0100】

［実施例１５］
炭素繊維束（Ｂ）について、Ｌｗ_ＢとＬｎ_Ｂと炭素繊維束（Ｂ１）の割合と平均繊維数Ｎ_Ｂを表２に示したように調整したこと以外は実施例２と同様に成形材料を作成した。結果を表２に示す。

【0101】

［実施例１６］
炭素繊維束（Ｂ）について、Ｌｗ_ＢとＬｎ_Ｂと炭素繊維束（Ｂ１）の割合と平均繊維数Ｎ_Ｂを表２に示したように調整したこと以外は実施例２と同様に成形材料を作成した。結果を表２に示す。

【0102】

［実施例１７］
炭素繊維束（Ｂ）について、カット長を調整して、Ｌｗ_ＢとＬｎ_Ｂとを表２に示したように調整したこと以外は実施例２と同様に成形材料を作成した。結果を表２に示す。

【0103】

［実施例１８］
炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の重量割合を表２に示したように調整したこと以外は実施例２と同様に成形材料を作成した。結果を表２に示す。

【0104】

［実施例１９］
炭素繊維（Ａ）と炭素繊維（Ｂ）の重量割合を表２に示したように調整したこと以外は実施例２と同様に成形材料を作成した。結果を表２に示す。

【0105】

［比較例６］
炭素繊維（Ａ）について、Ｌｗ_ＡとＬｎ_Ａを表３に示したように調整したこと以外は実施例２と同様に成形材料を作成した。結果を表３に示す。

【0106】

［比較例７］
炭素繊維（Ａ）について、Ｌｗ_ＡとＬｎ_Ａを表３に示したように調整したこと以外は実施例２と同様に成形材料を作成した。結果を表３に示す。

【0107】

［比較例８］
炭素繊維（Ａ）について、Ｌｗ_ＡとＬｎ_Ａと炭素繊維束（Ｂ１）の割合と平均繊維数Ｎ_Ｂを表３に示したように調整したこと以外は実施例２と同様に成形材料を作成した。結果を表３に示す。

【0108】

［実施例２０］
炭素繊維束（Ｂ１）の割合と平均繊維数Ｎ_Ｂを表３に示したように調整した以外は、実施例２と同様に成形材料を作成した。結果を表３に示す。

【0109】

［比較例９］
Ｌｗ_ＡとＬｎ_Ａと炭素繊維束（Ｂ１）の割合と平均繊維数Ｎ_Ｂを表３に示したように調整した以外は、実施例２と同様に成形材料を作成した。結果を表３に示す。

【0110】

［比較例１０］
Ｌｗ_ＡとＬｎ_Ａと炭素繊維束（Ｂ１）の割合と平均繊維数Ｎ_Ｂを表３に示したように調整した以外は、実施例２と同様に成形材料を作成した。結果を表３に示す。

【0111】

［比較例１１］
炭素繊維のかわりにガラス繊維（日東紡株式会社製、Ｅ−ガラス）を用い、ガラス繊維について、表３に示したように調整した以外は、実施例２と同様に成形材料を作成した。結果を表３に示す。

【0112】

［比較例１２］
炭素繊維のかわりにガラス繊維（日東紡株式会社製、Ｅ−ガラス）を用い、ガラス繊維について、表３に示したように調整した以外は、実施例２と同様に成形材料を作成した。結果を表３に示す。

【0113】

［理論加成則の確認計算］
比較例１と比較例２における曲げ強度をそれぞれＳａ、Ｓｂとし、実施例における炭素繊維（Ａ）の繊維全体に対する重量含有割合をｑとして、ｑＳａ＋（１−ｑ）Ｓｂを求めた。結果を表４、グラフを図７に示す。

【0114】

【表1】

【0115】

【表2】

【0116】

【表3】

【0117】

【表4】

【産業上の利用可能性】

【0118】

本発明の成形材料は、各種構成部材、例えば自動車の内板、外板、構成部材、また各種電気製品、機械のフレームや筐体等のプリフォームとして用いることができる。本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。

【0119】

本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、２０１４年２月１４日出願の日本特許出願（特願２０１４−０２６９６８）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

【符号の説明】

【0120】

１ 炭素繊維
３ カット装置
５ 開繊装置
７ 散布装置
１２ ピンチローラー
１３ ゴムローラー
１４ ロータリーカッター
１５ 刃
１６ 切断後の炭素繊維
１７ 繊維方向に平行な刃
２１ 管
２３ コンプレッサー
３１ 支持体
３３ 成形材料用の前駆体
３５ パウダー供給装置
３７ テーパ管
３９ 成形材料
４１ 成形体
４３ ボス
４５ リブ
Ａ 炭素繊維（Ａ）
Ｂ 炭素繊維（Ｂ）
Ｃ 熱可塑性樹脂

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】