(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】
(24)【登録日】2022-02-15
(45)【発行日】2022-02-24
(54)【発明の名称】成形体の製造方法
(51)【国際特許分類】
B29C 43/34 20060101AFI20220216BHJP
B29C 43/52 20060101ALI20220216BHJP
B29C 70/16 20060101ALI20220216BHJP
B29C 70/40 20060101ALI20220216BHJP
【ＦＩ】
B29C43/34
B29C43/52
B29C70/16
B29C70/40
【請求項の数】
13
(21)【出願番号】P 2018077835
(22)【出願日】2018-04-13
(65)【公開番号】P2019181857
(43)【公開日】2019-10-24
【審査請求日】2021-03-09
(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】100169085
【弁理士】
【氏名又は名称】為山 太郎
(72)【発明者】
【氏名】華 国飛
(72)【発明者】
【氏名】光永 正樹
【審査官】田代 吉成
(56)【参考文献】
【文献】特開平１０－２１７２６６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００３－２２６２６８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－１３２１０９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－１８９９１５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２９Ｃ ４３／３４
Ｂ２９Ｃ ４３／５２
Ｂ２９Ｃ ７０／１６
Ｂ２９Ｃ ７０／４０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
炭素繊維束Ａ１を含む不連続炭素繊維Ａと、中空微粒子と、熱可塑性樹脂とを含む成形材料を、コールドプレス成形して成形体を製造する方法であって、成形材料における中空微粒子の直径Ｄｐと、炭素繊維束Ａ１に含まれる単糸の平均炭素繊維単糸間距離Ｌとの関係がＤｐ＞Ｌであり、
中空微粒子全量のうち５０％超が、成形材料の表層領域に存在する、成形体の製造方法。
ただし、表層領域とは、成形材料板厚１００％に対して成形材料表面から２０％以内の領域である。
【請求項2】
中空微粒子全量のうち７０％超が、成形材料の表層領域に存在する、請求項１に記載の成形体の製造方法。
【請求項3】
成形材料は、不連続炭素繊維Ａを、熱可塑性樹脂と中空微粒子を含む複合組成物で挟み込んで製造する、請求項１又は２のいずれか１項に記載の成形体の製造方法。
【請求項4】
成形材料は、炭素繊維マットを熱可塑性樹脂と中空微粒子をドライブレンドしたもので両側から挟み込み、
炭素繊維マットは、単糸状態の炭素繊維と、繊維束の状態の炭素繊維束Ａ１とからなる、請求項１又は２のいずれか１項に記載の成形体の製造方法。
【請求項5】
中空微粒子全量のうち、炭素繊維束Ａ１に接触している中空微粒子は４３％未満である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の成形体の製造方法。
【請求項6】
成形材料を断面観察した際、炭素繊維束Ａ１の外部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰｏｕｔと、炭素繊維束Ａ１の内部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰｉｎとの関係が、ＶＰｏｕｔ＞ＶＰｉｎである、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の成形体の製造方法。
【請求項7】
成形材料を断面観察した際、炭素繊維束Ａ１の外部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰｏｕｔと、炭素繊維束Ａ１の内部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰｉｎとの関係が、ＶＰｏｕｔ×０．５＞ＶＰｉｎである、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の成形体の製造方法。
【請求項8】
成形材料を断面観察した際、中空微粒子全量のうち、少なくとも３％は炭素繊維束Ａ１に接触している、請求項１乃至７いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
【請求項9】
中空微粒子の粒子径Ｄｐが７μｍ以上５０μｍ以下であって、耐圧強度が５０ＭＰａ以上である、請求項１乃至８いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
【請求項10】
成形材料に含まれる炭素繊維の体積割合Ｖｆが１０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％以下、中空微粒子の体積割合ＶＰｔｏｔａｌが０Ｖｏｌ％超２０Ｖｏｌ％未満である、請求項１乃至９いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
【請求項11】
炭素繊維束Ａ１の平均繊維数Ｎａｖｅが下記式ａを満たす、請求項１乃至１０いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
０．４３×１０４／Ｄｆ２＜Ｎａｖｅ＜６×１０５／Ｄｆ２ 式ａ
ただし、Ｄｆは不連続炭素繊維Ａに含まれる単糸の平均繊維径μｍである。
【請求項12】
成形体の最小板厚が３ｍｍ以下である、請求項１乃至１１いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
【請求項13】
成形材料に含まれる中空微粒子の体積割合ＶＰ
ｔｏｔａｌ
は、成形材料中０Ｖｏｌ％超２０Ｖｏｌ％未満である、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、不連続炭素繊維と、中空微粒子と、熱可塑性樹脂とを含む成形材料を、コールドプレス成形して成形体を製造する方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、強化繊維を含む成形材料を用いた成形体は、機械物性に優れており、自動車等の構造部材として注目されている。特許文献１には、軽量で強靭な成形体を提供することを目的に、繊維強化熱可塑性樹脂シートに中空微粒子を分散させた発明が記載されている。特許文献２には、ガラスマイクロバルーンと、強化繊維と、熱硬化性樹脂を用いて作成したシートモールディングコンパウンドが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開平４－１６８００２号公報
【文献】特開２００９－７４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら特許文献１に記載の複合材料は、強化繊維として主にガラス繊維が用いられているため、成形材料を予熱した後の温度低下は問題となりにくい。一方、強化繊維として炭素繊維を用いた場合、ガラス繊維を用いた場合に比べて熱伝導率が高いため、成形材料の予熱後、コールドプレス成形するまでの温度低下勾配が大きい（成形材料の保熱力が少ない）。これは未だ解決されていない吃禁の課題であり、コールドプレス成形特有のものである。また、特許文献２に記載のシートモールディングコンパウンドではマトリクス樹脂として熱硬化性樹脂が用いられている。そのため、成形材料の予熱後、コールドプレス成形までの成形材料の過剰な温度低下という課題は、そもそも存在していない。
【0005】
したがって本発明の目的は、不連続炭素繊維と、熱可塑性樹脂と、中空微粒子とを含む成形材料をコールドプレス成形して成形体を製造する方法に関するものであり、かかる従来技術の問題点を解消し、成形体の板厚が薄肉であっても、成形材料の熱伝達速度が低いことを利用して、さまざまな形状に対応できる形状自由性に優れる成形体の製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
＜１＞ 炭素繊維束Ａ１を含む不連続炭素繊維Ａと、中空微粒子と、熱可塑性樹脂とを含む成形材料を、コールドプレス成形して成形体を製造する方法であって、
成形材料における中空微粒子の直径Ｄｐと、炭素繊維束Ａ１に含まれる単糸の平均炭素繊維単糸間距離Ｌとの関係がＤｐ＞Ｌであり、
中空微粒子全量のうち５０％超が、成形材料の表層領域に存在する、成形体の製造方法。
ただし、表層領域とは、成形材料板厚１００％に対して成形材料表面から２０％以内の領域である。
＜２＞ 中空微粒子全量のうち７０％超が、成形材料の表層領域に存在する、＜１＞に記載の成形体の製造方法。
＜３＞ 成形材料は、不連続炭素繊維Ａを、熱可塑性樹脂と中空微粒子を含む複合組成物で挟み込んで製造する、＜１＞又は＜２＞のいずれか１項に記載の成形体の製造方法。
＜４＞ 成形材料は、炭素繊維マットを熱可塑性樹脂と中空微粒子をドライブレンドしたもので両側から挟み込み、
炭素繊維マットは、単糸状態の炭素繊維と、繊維束の状態の炭素繊維束Ａ１とからなる、＜１＞又は＜２＞のいずれか１項に記載の成形体の製造方法。
＜５＞ 中空微粒子全量のうち、炭素繊維束Ａ１に接触している中空微粒子は４３％未満である、＜１＞乃至＜４＞のいずれか１項に記載の成形体の製造方法。
＜６＞ 成形材料を断面観察した際、炭素繊維束Ａ１の外部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰ ｏｕｔ と、炭素繊維束Ａ１の内部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰ ｉｎ との関係が、ＶＰ ｏｕｔ ＞ＶＰ ｉｎ である、＜１＞乃至＜５＞のいずれか１項に記載の成形体の製造方法。
＜７＞ 成形材料を断面観察した際、炭素繊維束Ａ１の外部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰ ｏｕｔ と、炭素繊維束Ａ１の内部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰ ｉｎ との関係が、ＶＰ ｏｕｔ ×０．５＞ＶＰ ｉｎ である、＜１＞乃至＜５＞のいずれか１項に記載の成形体の製造方法。
＜８＞ 成形材料を断面観察した際、中空微粒子全量のうち、少なくとも３％は炭素繊維束Ａ１に接触している、＜１＞乃至＜７＞いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
＜９＞ 中空微粒子の粒子径Ｄｐが７μｍ以上５０μｍ以下であって、耐圧強度が５０ＭＰａ以上である、＜１＞乃至＜８＞いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
＜１０＞ 成形材料に含まれる炭素繊維の体積割合Ｖｆが１０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％以下、中空微粒子の体積割合ＶＰ ｔｏｔａｌ が０Ｖｏｌ％超２０Ｖｏｌ％未満である、＜１＞乃至＜９＞いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
＜１１＞ 炭素繊維束Ａ１の平均繊維数Ｎ ａｖｅ が下記式ａを満たす、
＜１＞乃至＜１０＞いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
０．４３×１０ ４ ／Ｄｆ ２ ＜Ｎ ａｖｅ ＜６×１０ ５ ／Ｄｆ ２ 式ａ
ただし、Ｄｆは不連続炭素繊維Ａに含まれる単糸の平均繊維径μｍである。
＜１２＞ 成形体の最小板厚が３ｍｍ以下である、＜１＞乃至＜１１＞いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
＜１３＞ 成形材料に含まれる中空微粒子の体積割合ＶＰ ｔｏｔａｌ は、成形材料中０Ｖｏｌ％超２０Ｖｏｌ％未満である、＜１＞乃至＜１２＞のいずれか１項に記載の成形体の製造方法。
なお、本発明は、上記＜１＞～＜１３＞に関するものであるが、参考のためその他の事項（例えば下記１．～８．に記載した事項）についても記載する。
１． 炭素繊維束Ａ１を含む不連続炭素繊維Ａと、中空微粒子と、熱可塑性樹脂とを含む成形材料を、コールドプレス成形して成形体を製造する方法であって、
成形材料における中空微粒子の直径Ｄｐと、炭素繊維束Ａ１に含まれる単糸の平均炭素繊維単糸間距離Ｌとの関係がＤｐ＞Ｌである、成形体の製造方法。
２． 成形材料を断面観察した際、炭素繊維束Ａ１の外部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰｏｕｔと、炭素繊維束Ａ１の内部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰｉｎとの関係が、ＶＰｏｕｔ＞ＶＰｉｎである、前記１に記載の成形体の製造方法。
３． 成形材料を断面観察した際、炭素繊維束Ａ１の外部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰｏｕｔと、炭素繊維束Ａ１の内部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰｉｎとの関係が、ＶＰｏｕｔ×０．５＞ＶＰｉｎである、前記１に記載の成形体の製造方法。
４． 成形材料を断面観察した際、中空微粒子全量のうち、少なくとも３％は炭素繊維束Ａ１に接触している、前記１乃至３いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
５． 中空微粒子の粒子径Ｄｐが７μｍ以上５０μｍ以下であって、耐圧強度が５０ＭＰａ以上である、前記１乃至４いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
６． 成形材料に含まれる炭素繊維の体積割合Ｖｆが１０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％以下、中空微粒子の体積割合ＶＰｔｏｔａｌが０超２０Ｖｏｌ％未満である、前記１乃至５いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
７． 炭素繊維束Ａ１の平均繊維数Ｎａｖｅが下記式ａを満たす、
前記１乃至６いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
０．４３×１０４／Ｄｆ２＜Ｎａｖｅ＜６×１０５／Ｄｆ２ 式ａ
ただし、Ｄｆは不連続炭素繊維Ａに含まれる単糸の平均繊維径μｍである。
８． 成形体の最小板厚が３ｍｍ以下である、前記１乃至７いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
＜１＞ 炭素繊維束Ａ１を含む不連続炭素繊維Ａと、中空微粒子と、熱可塑性樹脂とを含む成形材料を、コールドプレス成形して成形体を製造する方法であって、
成形材料における中空微粒子の直径Ｄｐと、炭素繊維束Ａ１に含まれる単糸の平均炭素繊維単糸間距離Ｌとの関係がＤｐ＞Ｌであり、
中空微粒子全量のうち５０％超が、成形材料の表層領域に存在する、成形体の製造方法。
ただし、表層領域とは、成形材料板厚１００％に対して成形材料表面から２０％以内の領域である。
＜２＞ 中空微粒子全量のうち７０％超が、成形材料の表層領域に存在する、＜１＞に記載の成形体の製造方法。
＜３＞ 成形材料は、不連続炭素繊維Ａを、熱可塑性樹脂と中空微粒子を含む複合組成物で挟み込んで製造する、＜１＞又は＜２＞のいずれか１項に記載の成形体の製造方法。
＜４＞ 成形材料は、炭素繊維マットを熱可塑性樹脂と中空微粒子をドライブレンドしたもので両側から挟み込み、
炭素繊維マットは、単糸状態の炭素繊維と、繊維束の状態の炭素繊維束Ａ１とからなる、＜１＞又は＜２＞のいずれか１項に記載の成形体の製造方法。
＜５＞ 中空微粒子全量のうち、炭素繊維束Ａ１に接触している中空微粒子は４３％未満である、＜１＞乃至＜４＞のいずれか１項に記載の成形体の製造方法。
＜６＞ 成形材料を断面観察した際、炭素繊維束Ａ１の外部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰ ｏｕｔ と、炭素繊維束Ａ１の内部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰ ｉｎ との関係が、ＶＰ ｏｕｔ ＞ＶＰ ｉｎ である、＜１＞乃至＜５＞のいずれか１項に記載の成形体の製造方法。
＜７＞ 成形材料を断面観察した際、炭素繊維束Ａ１の外部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰ ｏｕｔ と、炭素繊維束Ａ１の内部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰ ｉｎ との関係が、ＶＰ ｏｕｔ ×０．５＞ＶＰ ｉｎ である、＜１＞乃至＜５＞のいずれか１項に記載の成形体の製造方法。
＜８＞ 成形材料を断面観察した際、中空微粒子全量のうち、少なくとも３％は炭素繊維束Ａ１に接触している、＜１＞乃至＜７＞いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
＜９＞ 中空微粒子の粒子径Ｄｐが７μｍ以上５０μｍ以下であって、耐圧強度が５０ＭＰａ以上である、＜１＞乃至＜８＞いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
＜１０＞ 成形材料に含まれる炭素繊維の体積割合Ｖｆが１０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％以下、中空微粒子の体積割合ＶＰ ｔｏｔａｌ が０Ｖｏｌ％超２０Ｖｏｌ％未満である、＜１＞乃至＜９＞いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
＜１１＞ 炭素繊維束Ａ１の平均繊維数Ｎ ａｖｅ が下記式ａを満たす、
＜１＞乃至＜１０＞いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
０．４３×１０ ４ ／Ｄｆ ２ ＜Ｎ ａｖｅ ＜６×１０ ５ ／Ｄｆ ２ 式ａ
ただし、Ｄｆは不連続炭素繊維Ａに含まれる単糸の平均繊維径μｍである。
＜１２＞ 成形体の最小板厚が３ｍｍ以下である、＜１＞乃至＜１１＞いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
＜１３＞ 成形材料に含まれる中空微粒子の体積割合ＶＰ ｔｏｔａｌ は、成形材料中０Ｖｏｌ％超２０Ｖｏｌ％未満である、＜１＞乃至＜１２＞のいずれか１項に記載の成形体の製造方法。
なお、本発明は、上記＜１＞～＜１３＞に関するものであるが、参考のためその他の事項（例えば下記１．～８．に記載した事項）についても記載する。
１． 炭素繊維束Ａ１を含む不連続炭素繊維Ａと、中空微粒子と、熱可塑性樹脂とを含む成形材料を、コールドプレス成形して成形体を製造する方法であって、
成形材料における中空微粒子の直径Ｄｐと、炭素繊維束Ａ１に含まれる単糸の平均炭素繊維単糸間距離Ｌとの関係がＤｐ＞Ｌである、成形体の製造方法。
２． 成形材料を断面観察した際、炭素繊維束Ａ１の外部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰｏｕｔと、炭素繊維束Ａ１の内部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰｉｎとの関係が、ＶＰｏｕｔ＞ＶＰｉｎである、前記１に記載の成形体の製造方法。
３． 成形材料を断面観察した際、炭素繊維束Ａ１の外部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰｏｕｔと、炭素繊維束Ａ１の内部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰｉｎとの関係が、ＶＰｏｕｔ×０．５＞ＶＰｉｎである、前記１に記載の成形体の製造方法。
４． 成形材料を断面観察した際、中空微粒子全量のうち、少なくとも３％は炭素繊維束Ａ１に接触している、前記１乃至３いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
５． 中空微粒子の粒子径Ｄｐが７μｍ以上５０μｍ以下であって、耐圧強度が５０ＭＰａ以上である、前記１乃至４いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
６． 成形材料に含まれる炭素繊維の体積割合Ｖｆが１０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％以下、中空微粒子の体積割合ＶＰｔｏｔａｌが０超２０Ｖｏｌ％未満である、前記１乃至５いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
７． 炭素繊維束Ａ１の平均繊維数Ｎａｖｅが下記式ａを満たす、
前記１乃至６いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
０．４３×１０４／Ｄｆ２＜Ｎａｖｅ＜６×１０５／Ｄｆ２ 式ａ
ただし、Ｄｆは不連続炭素繊維Ａに含まれる単糸の平均繊維径μｍである。
８． 成形体の最小板厚が３ｍｍ以下である、前記１乃至７いずれか１項に記載の成形体の製造方法。
【発明の効果】
【0007】
本発明では、成形材料に含まれる炭素繊維束同士の熱伝導を遮るように中空微粒子を配置したことで、成形材料の熱伝達速度を低下させ、成形材料の予熱後、コールドプレス成形するまでの温度低下を抑制できる。これにより、より薄肉で複雑な形状のコールドプレス成形体の製造が可能となり、またその外観が向上する。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【発明を実施するための形態】
【0009】
［炭素繊維］
本発明に用いられる炭素繊維の種類に特に限定は無いが、引張強度に優れる点で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い。
本発明に用いられる炭素繊維の種類に特に限定は無いが、引張強度に優れる点で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い。
【0010】
本発明に用いられる炭素繊維は、表面にサイジング剤が付着しているものであってもよい。サイジング剤が付着している炭素繊維を用いる場合、当該サイジング剤の種類は、炭素繊維及びマトリクス樹脂の種類に応じて適宜選択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。
【0011】
［炭素繊維の繊維直径］
本発明に用いられる炭素繊維の単糸（一般的に、単糸はフィラメントと呼ぶ場合がある）の繊維直径は、炭素繊維の種類に応じて適宜決定すればよく、特に限定されるものではない。平均繊維直径は、通常、３μｍ～５０μｍの範囲内であることが好ましく、４μｍ～１２μｍの範囲内であることがより好ましく、５μｍ～８μｍの範囲内であることがさらに好ましい。炭素繊維が繊維束状である場合は、繊維束の径ではなく、繊維束を構成する炭素繊維（単糸）の直径を指す。炭素繊維の平均繊維直径は、例えば、ＪＩＳ Ｒ７６０７：２０００に記載された方法によって測定することができる。
本発明に用いられる炭素繊維の単糸（一般的に、単糸はフィラメントと呼ぶ場合がある）の繊維直径は、炭素繊維の種類に応じて適宜決定すればよく、特に限定されるものではない。平均繊維直径は、通常、３μｍ～５０μｍの範囲内であることが好ましく、４μｍ～１２μｍの範囲内であることがより好ましく、５μｍ～８μｍの範囲内であることがさらに好ましい。炭素繊維が繊維束状である場合は、繊維束の径ではなく、繊維束を構成する炭素繊維（単糸）の直径を指す。炭素繊維の平均繊維直径は、例えば、ＪＩＳ Ｒ７６０７：２０００に記載された方法によって測定することができる。
【0012】
［不連続炭素繊維Ａの繊維長］
１．範囲
本発明に用いられる不連続炭素繊維Ａの繊維長の範囲は３ｍｍ以上１００ｍｍ以下で定義されることが好ましい。
２．不連続炭素繊維Ａの重量平均繊維長
不連続炭素繊維Ａの繊維長の範囲が３ｍｍ以上１００ｍｍ以下で定義される場合、本発明に用いられる不連続炭素繊維Ａの重量平均繊維長は３ｍｍ以上１００ｍｍ以下であれば好ましく、５ｍｍ以上８０ｍｍ未満がより好ましく、１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下が更に好ましい。炭素繊維の繊維長は、コールドプレス成形前後で変化しないため、繊維長の測定は、成形材料又は成形体から炭素繊維の抽出すれば良い。
３．数平均繊維長と重量平均繊維長
一般的に、炭素繊維の平均繊維長は、例えば、成形材料（又は成形体）から無作為に抽出した１００本の繊維の繊維長を、ノギス等を用いて１ｍｍ単位まで測定し、下記式（１）に基づいて求めることができる。平均繊維長の測定は、重量平均繊維長で測定できる。個々の炭素繊維の繊維長をＬｉ、測定本数をｊとすると、数平均繊維長と重量平均繊維長とは、以下の式（１）、（２）により求められる。
数平均繊維長＝ΣＬｉ／ｊ・・・式（１）
重量平均繊維長＝（ΣＬｉ２）／（ΣＬｉ）・・・式（２）
繊維長が一定長の場合は数平均繊維長と重量平均繊維長は同じ値になる。
１．範囲
本発明に用いられる不連続炭素繊維Ａの繊維長の範囲は３ｍｍ以上１００ｍｍ以下で定義されることが好ましい。
２．不連続炭素繊維Ａの重量平均繊維長
不連続炭素繊維Ａの繊維長の範囲が３ｍｍ以上１００ｍｍ以下で定義される場合、本発明に用いられる不連続炭素繊維Ａの重量平均繊維長は３ｍｍ以上１００ｍｍ以下であれば好ましく、５ｍｍ以上８０ｍｍ未満がより好ましく、１０ｍｍ以上５０ｍｍ以下が更に好ましい。炭素繊維の繊維長は、コールドプレス成形前後で変化しないため、繊維長の測定は、成形材料又は成形体から炭素繊維の抽出すれば良い。
３．数平均繊維長と重量平均繊維長
一般的に、炭素繊維の平均繊維長は、例えば、成形材料（又は成形体）から無作為に抽出した１００本の繊維の繊維長を、ノギス等を用いて１ｍｍ単位まで測定し、下記式（１）に基づいて求めることができる。平均繊維長の測定は、重量平均繊維長で測定できる。個々の炭素繊維の繊維長をＬｉ、測定本数をｊとすると、数平均繊維長と重量平均繊維長とは、以下の式（１）、（２）により求められる。
数平均繊維長＝ΣＬｉ／ｊ・・・式（１）
重量平均繊維長＝（ΣＬｉ２）／（ΣＬｉ）・・・式（２）
繊維長が一定長の場合は数平均繊維長と重量平均繊維長は同じ値になる。
【0013】
炭素繊維の抽出は、成形材料（又は成形体）に含まれる有機物を除去すれば良く、例えば、熱可塑性樹脂としてポリアミド樹脂を使用した成形材料（又は成形体）の場合、５００℃×１時間程度の加熱処理を施し、炉内にて樹脂を除去することによって行うことができる。
【0014】
また、成形前後において炭素繊維長は変化しないことから、成形材料をコールドプレス成形して得られた成形体を分析して不連続炭素繊維Ａの重量平均繊維長を求めても良い。
【0015】
［不連続炭素繊維Ａの形態］
本発明における炭素繊維は炭素繊維束Ａ１を含む不連続炭素繊維Ａである。
１．炭素繊維束Ａ１の平均繊維数Ｎａｖｅ
本発明における炭素繊維束Ａ１は、炭素繊維束Ａ１の平均繊維数Ｎａｖｅが下記式ａを満たすことが好ましい。ここで、Ｄｆは不連続炭素繊維Ａに含まれる単糸の平均繊維径（μｍ）である。
０．４３×１０４／Ｄｆ２＜Ｎａｖｅ＜６×１０５／Ｄｆ２ ・・・式ａ
また、式ａは下記式ａ’であることが好ましい。
０．６×１０４／Ｄｆ２＜Ｎａｖｅ＜６×１０５／Ｄｆ２ ・・・式ａ’
なかでも平均繊維数Ｎａｖｅは、３×１０５／Ｄｆ２未満であることが好ましく、６×１０４／Ｄｆ２未満であることがより好ましい。また、下限は０．６×１０４／Ｄｆ２以上であることが好ましく、０．７×１０４／Ｄｆ２以上であることが更に好ましい。
本発明における炭素繊維は炭素繊維束Ａ１を含む不連続炭素繊維Ａである。
１．炭素繊維束Ａ１の平均繊維数Ｎａｖｅ
本発明における炭素繊維束Ａ１は、炭素繊維束Ａ１の平均繊維数Ｎａｖｅが下記式ａを満たすことが好ましい。ここで、Ｄｆは不連続炭素繊維Ａに含まれる単糸の平均繊維径（μｍ）である。
０．４３×１０４／Ｄｆ２＜Ｎａｖｅ＜６×１０５／Ｄｆ２ ・・・式ａ
また、式ａは下記式ａ’であることが好ましい。
０．６×１０４／Ｄｆ２＜Ｎａｖｅ＜６×１０５／Ｄｆ２ ・・・式ａ’
なかでも平均繊維数Ｎａｖｅは、３×１０５／Ｄｆ２未満であることが好ましく、６×１０４／Ｄｆ２未満であることがより好ましい。また、下限は０．６×１０４／Ｄｆ２以上であることが好ましく、０．７×１０４／Ｄｆ２以上であることが更に好ましい。
【0016】
２．単糸
不連続炭素繊維Ａには、炭素繊維束Ａ１以外の炭素繊維単糸を含んでいても良い。具体的には、炭素繊維束Ａ１は下記式ｂ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Ａ１とを含んでなり、炭素繊維束Ａ１について、成形材料に含まれる不連続炭素繊維Ａ全量に対する割合が、１Ｖｏｌ％以上１００Ｖｏｌ％未満であっても良い。炭素繊維束Ａ１について、成形材料に含まれる不連続炭素繊維Ａ全量に対する割合は、５Ｖｏｌ％以上９９Ｖｏｌ％未満が好ましい。
臨界単糸数＝６００／Ｄｆ ・・・式ｂ
不連続炭素繊維Ａには、炭素繊維束Ａ１以外の炭素繊維単糸を含んでいても良い。具体的には、炭素繊維束Ａ１は下記式ｂ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Ａ１とを含んでなり、炭素繊維束Ａ１について、成形材料に含まれる不連続炭素繊維Ａ全量に対する割合が、１Ｖｏｌ％以上１００Ｖｏｌ％未満であっても良い。炭素繊維束Ａ１について、成形材料に含まれる不連続炭素繊維Ａ全量に対する割合は、５Ｖｏｌ％以上９９Ｖｏｌ％未満が好ましい。
臨界単糸数＝６００／Ｄｆ ・・・式ｂ
【0017】
３．開繊
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。
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。
【0018】
炭素繊維の開繊方法は、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。
【0019】
不連続炭素繊維Ａ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。
【0020】
４．成形材料又は成形体の分析
成形前後において炭素繊維束形態は大きくは変化しないことから、成形材料をコールドプレス成形して得られた成形体を分析して、炭素繊維束の形態を分析しても良い。
成形前後において炭素繊維束形態は大きくは変化しないことから、成形材料をコールドプレス成形して得られた成形体を分析して、炭素繊維束の形態を分析しても良い。
【0021】
［繊維束の定義］
炭素繊維束は、後述するように「繊維束」の認識は、ピンセットで取り出すことが可能なものである。そして、ピンセットでつまんだ位置にかかわらず、一まとめの束の状態としてくっついている繊維束は、取り出したときに一まとめの束として取り出されるため、繊維束は明確に定義可能である。分析用の繊維試料を採取するために炭素繊維の集合体を観察すると、繊維試料をその長手側面の方向からだけでなく、様々な方向および角度から見ることにより、炭素繊維の集合体において、複数の繊維が一まとめになっている箇所がどこか、また、繊維がどのように堆積しているかを確認し、一まとめとして機能する繊維束がどれかを客観的かつ一義的に判別することができる。例えば繊維が重なり合っていた場合、交差部分で、構成単位である繊維の違う方向を向いているもの同士が絡み合っていないなら２つの繊維束であると判別できる。
炭素繊維束は、後述するように「繊維束」の認識は、ピンセットで取り出すことが可能なものである。そして、ピンセットでつまんだ位置にかかわらず、一まとめの束の状態としてくっついている繊維束は、取り出したときに一まとめの束として取り出されるため、繊維束は明確に定義可能である。分析用の繊維試料を採取するために炭素繊維の集合体を観察すると、繊維試料をその長手側面の方向からだけでなく、様々な方向および角度から見ることにより、炭素繊維の集合体において、複数の繊維が一まとめになっている箇所がどこか、また、繊維がどのように堆積しているかを確認し、一まとめとして機能する繊維束がどれかを客観的かつ一義的に判別することができる。例えば繊維が重なり合っていた場合、交差部分で、構成単位である繊維の違う方向を向いているもの同士が絡み合っていないなら２つの繊維束であると判別できる。
【0022】
［炭素繊維Ｂ］
本発明に用いられる不連続炭素繊維Ａの繊維長を３ｍｍ以上１００ｍｍ以下で定義する場合、繊維長３ｍｍ未満の炭素繊維Ｂを含んでも良い。すなわち、成形材料に炭素繊維の繊維長が複数種類混在している場合、繊維長３ｍｍ以上１００ｍｍ未満のものを不連続炭素繊維Ａと定義し、繊維長３ｍｍ未満のものを炭素繊維Ｂと定義すれば良い。
本発明に用いられる不連続炭素繊維Ａの繊維長を３ｍｍ以上１００ｍｍ以下で定義する場合、繊維長３ｍｍ未満の炭素繊維Ｂを含んでも良い。すなわち、成形材料に炭素繊維の繊維長が複数種類混在している場合、繊維長３ｍｍ以上１００ｍｍ未満のものを不連続炭素繊維Ａと定義し、繊維長３ｍｍ未満のものを炭素繊維Ｂと定義すれば良い。
【0023】
炭素繊維Ｂの重量平均繊維長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Ｂの重量平均繊維長が０．０５ｍｍ以上であると、機械強度が担保されやすい。
【0024】
［成形材料に含まれる炭素繊維の体積割合］
本発明において、下記式（３）で定義される、成形材料に含まれる炭素繊維の体積割合（以下、本明細書において「Ｖｆ」と呼ぶことがある）に特に限定は無いが、炭素繊維の体積割合Ｖｆは、１０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％以下であることが好ましく、２０～５０Ｖｏｌ％であることがより好ましく、２５～４５Ｖｏｌ％であればさらに好ましい。
炭素繊維の体積割合Ｖｆ＝１００×炭素繊維体積／（炭素繊維体積＋熱可塑性樹脂体積＋中空微粒子の体積） ・・・式（３）
本発明において、下記式（３）で定義される、成形材料に含まれる炭素繊維の体積割合（以下、本明細書において「Ｖｆ」と呼ぶことがある）に特に限定は無いが、炭素繊維の体積割合Ｖｆは、１０Ｖｏｌ％以上６０Ｖｏｌ％以下であることが好ましく、２０～５０Ｖｏｌ％であることがより好ましく、２５～４５Ｖｏｌ％であればさらに好ましい。
炭素繊維の体積割合Ｖｆ＝１００×炭素繊維体積／（炭素繊維体積＋熱可塑性樹脂体積＋中空微粒子の体積） ・・・式（３）
【0025】
成形材料における炭素繊維の体積割合Ｖｆが１０Ｖｏｌ％以上の場合、所望の機械特性が得られやすい。一方で、成形材料における炭素繊維の体積割合Ｖｆが６０Ｖｏｌ％を超えない場合、プレス成形等に使用する際の流動性が良好で、所望の成形体形状を得られやすい。
【0026】
また、Ｖｆが１０％以上である場合、本発明の課題である、成形材料を予熱した後の成形材料の保熱力が顕著に弱くになりやすい。炭素繊維の含有量が増えると、熱伝達速度が増加し、成形材料を加熱後の熱が成形材料の外に放熱されやすくなるためである。従って、Ｖｆが大きい程、本発明の中空微粒子を用いる効果は大きくなる。
【0027】
なお、成形材料に含まれる全体の炭素繊維の体積割合Ｖｆは、炭素繊維Ａ、Ｂなど、炭素繊維の種類に関係無く測定する。また、成形前後において炭素繊維の体積割合Ｖｆは変化しないことから、成形体を分析して炭素繊維の体積割合Ｖｆを求めても良い。
【0028】
［熱可塑性樹脂］
本発明に用いられる熱可塑性樹脂は特に限定されるものではなく、所望の軟化点又は融点を有するものを適宜選択して用いることができる。上記熱可塑性樹脂としては、通常、軟化点が１８０℃～３５０℃の範囲内のものが用いられるが、これに限定されるものではない。
本発明に用いられる熱可塑性樹脂は特に限定されるものではなく、所望の軟化点又は融点を有するものを適宜選択して用いることができる。上記熱可塑性樹脂としては、通常、軟化点が１８０℃～３５０℃の範囲内のものが用いられるが、これに限定されるものではない。
【0029】
［中空微粒子］
本発明における成形材料は中空微粒子を含み、成形材料における中空微粒子の直径Ｄｐと、炭素繊維束Ａ１に含まれる単糸の平均炭素繊維単糸間距離Ｌとの関係はＤｐ＞Ｌである。
１．中空微粒子の直径Ｄｐ
中空微粒子の断面が楕円形の場合、短径（最小径）をＤｐとする。不定形状の中空微粒子を使用する場合は、球体積相当径（等体積球相当径）を用いても良い。
本発明における成形材料は中空微粒子を含み、成形材料における中空微粒子の直径Ｄｐと、炭素繊維束Ａ１に含まれる単糸の平均炭素繊維単糸間距離Ｌとの関係はＤｐ＞Ｌである。
１．中空微粒子の直径Ｄｐ
中空微粒子の断面が楕円形の場合、短径（最小径）をＤｐとする。不定形状の中空微粒子を使用する場合は、球体積相当径（等体積球相当径）を用いても良い。
【0030】
２．平均炭素繊維単糸間距離Ｌ
炭素繊維束Ａ１に含まれる単糸の平均炭素繊維単糸間距離Ｌは、成形材料の断面観察により測定し、炭素繊維束Ａ１に含まれる単糸間距離を１００点測定したときの数平均で定義する。
炭素繊維束Ａ１に含まれる単糸の平均炭素繊維単糸間距離Ｌは、成形材料の断面観察により測定し、炭素繊維束Ａ１に含まれる単糸間距離を１００点測定したときの数平均で定義する。
【0031】
なお、断面観察した際、異なる炭素繊維束に所属する炭素繊維単糸の断面形状は、その形状が異なって観察される。特に、炭素繊維束が成形材料内でランダムに分散している場合は、この傾向は顕著に現れ、真円な炭素繊維単糸断面や、楕円の炭素繊維単糸断面が観察される。当然ながら、同一形状の炭素繊維単糸断面は、同一の炭素繊維束に所属している。したがって、同じ炭素繊維束に属する単糸であるか、異なる炭素繊維束に属する単糸であるかは区別可能であり、炭素繊維束間（異なる炭素繊維束間の距離）を誤って「炭素繊維束Ａ１に含まれる単糸の平均炭素繊維単糸間距離Ｌ」として測定することは無い。
【0032】
また、成形材料に含まれる炭素繊維束Ａ１は、コールドプレス前後でほとんど形態は変化しないため、成形体に含まれる炭素繊維束Ａ１を断面観察して平均炭素繊維単糸間距離Ｌを算出しても良い。
【0033】
３．コールドプレス成形の課題
一般的に、繊維強化樹脂から成形して成形体を得る手法は様々あるが、一般的な手法としてオートクレーブ成形・ＲＴＭ成形（レジン・トランスファー・モールディング）・ホットプレス成形・コールドプレス成形などが挙げられる。中でも炭素繊維で強化された熱可塑性樹脂を含む複合材料を用いる場合、ホットプレス成形とコールドプレス成形があり、生産性の観点から速いサイクルで成形が可能なコールドプレス成形により成形体を製造することが好ましい。
一般的に、繊維強化樹脂から成形して成形体を得る手法は様々あるが、一般的な手法としてオートクレーブ成形・ＲＴＭ成形（レジン・トランスファー・モールディング）・ホットプレス成形・コールドプレス成形などが挙げられる。中でも炭素繊維で強化された熱可塑性樹脂を含む複合材料を用いる場合、ホットプレス成形とコールドプレス成形があり、生産性の観点から速いサイクルで成形が可能なコールドプレス成形により成形体を製造することが好ましい。
【0034】
しかしながら、前述の特許文献１に記載の方法で得られた繊維強化熱可塑性樹脂シートは、ガラス繊維が用いられているため、コールドプレス成形する際の成形材料の保熱力は、炭素繊維ほど大きな問題とならない。更に、特許文献１に記載の発明では、強化繊維マットを使用しているものの、不連続な強化繊維束を用いておらず、特許文献１に記載のガラス繊維を炭素繊維に置き換えても、その配置方法についての検討は十分でない。
【0035】
また、一般的に射出成形の場合には、混練直後に成形型へ成形材料が挿入されるため、コールドプレス成形する際の課題である、「予熱後の保熱力低下」は存在していない。
【0036】
４．中空微粒子の作用
中空微粒子の直径Ｄｐと、炭素繊維束Ａ１に含まれる単糸の平均炭素繊維単糸間距離Ｌとの関係がＤｐ＞Ｌである。Ｄｐ＞Ｌを満たすには、平均炭素繊維単糸間距離Ｌよりも中空微粒子の直径が大きいものを利用すれば良い。例えば、平均単糸間距離が１．５μｍの場合、中空微粒子の大きさが１．５μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上の、例えば３Ｍ社製のグラスバブルｉＭ３０Ｋ、Ｓ６０ＨＳ、ｉ１６Ｋ等を用いれば良い。反対に、例えば特開２０１６‐６８０３７に記載の０．０５μｍ～１μｍの中空微粒子では本発明の構成の成形材料は作成できない。
中空微粒子の直径Ｄｐと、炭素繊維束Ａ１に含まれる単糸の平均炭素繊維単糸間距離Ｌとの関係がＤｐ＞Ｌである。Ｄｐ＞Ｌを満たすには、平均炭素繊維単糸間距離Ｌよりも中空微粒子の直径が大きいものを利用すれば良い。例えば、平均単糸間距離が１．５μｍの場合、中空微粒子の大きさが１．５μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上の、例えば３Ｍ社製のグラスバブルｉＭ３０Ｋ、Ｓ６０ＨＳ、ｉ１６Ｋ等を用いれば良い。反対に、例えば特開２０１６‐６８０３７に記載の０．０５μｍ～１μｍの中空微粒子では本発明の構成の成形材料は作成できない。
【0037】
また、成形材料を作成する際、熱可塑性樹脂を炭素繊維束に含浸させるために圧力を加えた場合、その圧力により炭素繊維束内に中空微粒子が押し込まれる可能性がある。そのため、成形材料作成時の圧力によって中空微粒子が炭素繊維束内部へ入り込まないようにするため、炭素繊維束Ａ１に含まれる単糸の平均炭素繊維単糸間距離Ｌとの関係は、Ｄｐ＞Ｌ×２が好ましく、Ｄｐ＞Ｌ×５が更に好ましく、Ｄｐ＞Ｌ×１０がより一層好ましい。
【0038】
Ｄｐ＞Ｌであると、炭素繊維束Ａ１の内部に中空微粒子は入りにくくなり、中空微粒子は炭素繊維束Ａ１の束間に偏在することとなる。すなわち、炭素繊維の熱伝導を、炭素繊維束間で局所的に防ぐことで、成形材料全体として、より顕著に冷却速度を低下できることを、本発明者らは見出した。
【0039】
この効果によりコールドプレス成形する際に熱可塑性樹脂の溶融状態での保熱力が向上し、成形材料を予熱してから成形型に配置するまでの成形材料の温度低下を飛躍的に抑制することが可能となる。
【0040】
本発明における成形材料は、成形材料を断面観察した際、炭素繊維束Ａ１の外部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰｏｕｔと、炭素繊維束Ａ１の内部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰｉｎとの関係が、ＶＰｏｕｔ＞ＶＰｉｎであることが好ましい。中空微粒子の体積割合ＶＰｉｎとの関係は、ＶＰｏｕｔ×０．５＞ＶＰｉｎ
であることがより好ましく、ＶＰｏｕｔ×０．３＞ＶＰｉｎであることが更に好ましく、ＶＰｏｕｔ×０．１＞ＶＰｉｎであることがより一層好ましい。
であることがより好ましく、ＶＰｏｕｔ×０．３＞ＶＰｉｎであることが更に好ましく、ＶＰｏｕｔ×０．１＞ＶＰｉｎであることがより一層好ましい。
【0041】
Ｄｐ＞Ｌを満たしていても、成形材料作成時に高圧で熱可塑性樹脂を含浸させると、一部は炭素繊維束Ａ１内部に中空微粒子は入り込むものの、ＶＰｏｕｔ＞ＶＰｉｎとなるように含浸する際の圧力を調整すれば、効率的に成形材料全体としての熱伝達速度を低下させることができる。
【0042】
また、成形材料を断面観察した際、中空微粒子全量のうち、少なくとも３％は炭素繊維束Ａ１に接触していることが好ましい。中空微粒子全量のうち、５％以上が炭素繊維束Ａ１に接触していることがより好ましく、１０％以上が炭素繊維束Ａ１に接触していることが更に好ましく、１５％以上が炭素繊維束Ａ１に接触していることがより一層好ましい。炭素繊維束に中空微粒子が接触していることで、炭素繊維束間での熱伝導を局所的に抑制することができるためである。
【0043】
５．成形体の分析
成形材料に含まれる炭素繊維束と中空微粒子の位置関係は、コールドプレス前後でほとんど形態は変化しないため、成形体に含まれる炭素繊維束と中空微粒子を断面観察して炭素繊維束Ａ１の外部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰｏｕｔと、炭素繊維束Ａ１の内部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰｉｎとの関係を計測しても良い。炭素繊維束に接触している中空微粒子を計測する場合でも同じである。
成形材料に含まれる炭素繊維束と中空微粒子の位置関係は、コールドプレス前後でほとんど形態は変化しないため、成形体に含まれる炭素繊維束と中空微粒子を断面観察して炭素繊維束Ａ１の外部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰｏｕｔと、炭素繊維束Ａ１の内部に存在する中空微粒子の体積割合ＶＰｉｎとの関係を計測しても良い。炭素繊維束に接触している中空微粒子を計測する場合でも同じである。
【0044】
［好ましい中空微粒子の存在場所］
以下、好ましい中空微粒子の配置場所と、その効果について述べる。
１．表層領域
製造される成形体の外観が求められる場合、中空微粒子全量のうち５０％超が、成形材料の表層領域に存在することが好ましい。ただし、表層領域とは、成形材料板厚１００％に対して成形材料表面から２０％以内の領域である。
以下、好ましい中空微粒子の配置場所と、その効果について述べる。
１．表層領域
製造される成形体の外観が求められる場合、中空微粒子全量のうち５０％超が、成形材料の表層領域に存在することが好ましい。ただし、表層領域とは、成形材料板厚１００％に対して成形材料表面から２０％以内の領域である。
【0045】
成形体の表面にシボを設けて意匠性を改良する場合、成形型上型が最初に接触した場所は急速冷却されるため、成形材料の表層領域は流動（表層流動）しにくいが、中空微粒子を表層に設けることで、この課題を解決できる。
【0046】
成形材料の表層に中空微粒子を存在させるためには、成形材料を製造する際、不連続炭素繊維Ａを、熱可塑性樹脂と中空微粒子を含む複合組成物で挟み込めばよい。複合組成物のうち、熱可塑性樹脂は加熱されて炭素繊維束Ａ１に含浸され、中空微粒子は表面に残留する。中空微粒子全量のうち７０％超が、成形材料の表層領域に存在するとより好ましく、８０％超であると更に好ましい。
【0047】
２．中央領域
成形材料を流動させて成形体を製造する場合、中空微粒子全量のうち５０％超が、成形材料の中央領域に存在することが好ましい。ただし、中央領域とは、成形材料板厚１００％に対して成形材料中央部から２０％以内の領域（上半分１０％と、下半分１０％の合計２０％以内の領域）である。
成形材料を流動させて成形体を製造する場合、中空微粒子全量のうち５０％超が、成形材料の中央領域に存在することが好ましい。ただし、中央領域とは、成形材料板厚１００％に対して成形材料中央部から２０％以内の領域（上半分１０％と、下半分１０％の合計２０％以内の領域）である。
【0048】
成形時の圧力によって、成形材料を内部流動させて成形する場合、成形型上型が最初に接触した場所は、成形材料表面が急速冷却されほとんど流動しないため、成形材料内部を流動させる必要がある（コールドプレス成形の場合、成形材料よりも成形型の温度の方が低い）。この時、中空微粒子の５０％超が、成形材料の中央領域に存在していれば、中央領域の温度が下がらず、効率的に内部流動できる。中空微粒子全量のうち７０％超が、成形材料の中央領域に存在するとより好ましく、８０％超であると更に好ましい。
【0049】
３．熱可塑性樹脂への分散
成形材料を厚み方向５００μｍ×幅方向１ｍｍの範囲で合計１０箇所観察し、中空微粒子の数を平均したときの変動係数ＣＶが５％以上５０％未満であることが好ましい。変動係数ＣＶが５％以上であれば、炭素繊維束内部に存在する中空微粒子が少ないことを意味し、成形材料全体の熱伝達速度を効率的に低下できる。反対に、変動係数ＣＶが５０％未満であれば、炭素繊維束Ａ１の各間に均一に中空微粒子を存在させることができるため好ましい。より好ましくは変動係数ＣＶが１０％以上４５％未満であり、更に好ましくは１５％以上４０％未満である。
成形材料を厚み方向５００μｍ×幅方向１ｍｍの範囲で合計１０箇所観察し、中空微粒子の数を平均したときの変動係数ＣＶが５％以上５０％未満であることが好ましい。変動係数ＣＶが５％以上であれば、炭素繊維束内部に存在する中空微粒子が少ないことを意味し、成形材料全体の熱伝達速度を効率的に低下できる。反対に、変動係数ＣＶが５０％未満であれば、炭素繊維束Ａ１の各間に均一に中空微粒子を存在させることができるため好ましい。より好ましくは変動係数ＣＶが１０％以上４５％未満であり、更に好ましくは１５％以上４０％未満である。
【0050】
予め熱可塑性樹脂中に中空微粒子を分散させて複合組成物を準備し、これを不連続炭素繊維Ａに含浸させれば製造効率が高い。この観点でも、中空微粒子は、成形材料の熱可塑性樹脂（マトリクス領域）に分散しているとが好ましい。
【0051】
また、成形材料及び成形体の厚みについては後述するが、厚みが薄くなる場合、表層又は中央層をそれぞれ設けて中空微粒子を設けるのが難しくなるため、熱可塑性樹脂中に均一分散させることが好ましい。
【0052】
また、中空微粒子を成形材料中に均一分散すれば、個々の中空微粒子が束へ接触する点が増加するため、炭素繊維束間の熱伝導率を抑制し、成形材料の熱伝達速度をより効果的に抑制することができる。
【0053】
４．成形体における観察
成形材料を成形して成形体を得る場合、成形前後において、非流動部の炭素繊維形態はほとんど変化しない。したがって、断面観察は、製造された成形体の断面（特に非流動部の断面）を観察し、中空微粒子の存在場所を確認しても良い。
［中空微粒子の種類、大きさ］
本発明における中空微粒子はに特に限定は無く、中空ガラス球微粒子、シラスバルーン、黒曜石バルーン、カーボンバルーンや、フェノール樹脂バルーン等の有機質中空微粒子が例示されるが、中空ガラス球微粒子が好ましい。
成形材料を成形して成形体を得る場合、成形前後において、非流動部の炭素繊維形態はほとんど変化しない。したがって、断面観察は、製造された成形体の断面（特に非流動部の断面）を観察し、中空微粒子の存在場所を確認しても良い。
［中空微粒子の種類、大きさ］
本発明における中空微粒子はに特に限定は無く、中空ガラス球微粒子、シラスバルーン、黒曜石バルーン、カーボンバルーンや、フェノール樹脂バルーン等の有機質中空微粒子が例示されるが、中空ガラス球微粒子が好ましい。
【0054】
中空ガラス球微粒子を用いる場合、耐圧強度（９０％残存）が７０ＭＰａ以上であることが好ましく、１００ＭＰａ以上であることがより好ましく、１５０ＭＰａ以上である事が更に好ましい。
【0055】
中空微粒子の粒子径Ｄｐは、７μ以上５０μｍ以下が好ましく、１０μｍ以上４０μｍ以下がより好ましく、１０μｍ以上２５μｍ以下が更に好ましく、１４μｍ以上２０μｍ未満がより一層好ましい。なお、中空微粒子の粒子径Ｄｐとはメジアン径ｄ５０で定義する。
【0056】
中空微粒子の熱伝導率は０．０１～０．５０Ｗ／ｍＫが好ましく、０．０５～０．２０Ｗ／ｍＫがより好ましい。
【0057】
［中空微粒子の体積割合］
下記式（４）で示される、成形材料に含まれる中空微粒子の体積割合ＶＰｔｏｔａｌは、成形材料中０Ｖｏｌ％超２０Ｖｏｌ％未満であることが好ましい。
中空微粒子の体積割合ＶＰｔｏｔａｌ＝１００×中空微粒子の体積／（炭素繊維体積＋熱可塑性樹脂体積＋中空微粒子の体積） ・・・式（４）
下記式（４）で示される、成形材料に含まれる中空微粒子の体積割合ＶＰｔｏｔａｌは、成形材料中０Ｖｏｌ％超２０Ｖｏｌ％未満であることが好ましい。
中空微粒子の体積割合ＶＰｔｏｔａｌ＝１００×中空微粒子の体積／（炭素繊維体積＋熱可塑性樹脂体積＋中空微粒子の体積） ・・・式（４）
【0058】
また、成形材料に含まれる炭素繊維の体積割合が１０Ｖｏｌ％以上であると、本発明の課題であるコールドプレス成形する際の成形材料の保熱力が弱くなりやすいため、中空微粒子の体積割合ＶＰｔｏｔａｌが０超２０Ｖｏｌ％未満であることが好ましい。中空微粒子の体積割合ＶＰｔｏｔａｌは、０超１５Ｖｏｌ％未満がより好ましく、１％超１０Ｖｏｌ％が更に好ましく、３％超８％未満がより一層好ましい。
【0059】
コールドプレス前後で中空微粒子の添加量は変化しないため、成形体に含まれれる中空微粒子の体積割合を分析しても良い。
【0060】
［中空微粒子の重量計測］
成形材料を５００℃×１時間程度、窒素雰囲気下で炉内にて処理して熱可塑性樹脂を除去し、残った炭素繊維と中空微粒子を重量測定した後、中空微粒子を水で流して除去し、残った炭素繊維重量を測定することで中空微粒子の重量を計算できる。
成形材料を５００℃×１時間程度、窒素雰囲気下で炉内にて処理して熱可塑性樹脂を除去し、残った炭素繊維と中空微粒子を重量測定した後、中空微粒子を水で流して除去し、残った炭素繊維重量を測定することで中空微粒子の重量を計算できる。
【0061】
中空微粒子としてガラス中空微粒子を用いる場合には、成形材料を５００℃×１時間程度、窒素雰囲気下で炉内にて処理して熱可塑性樹脂を除去し、残った炭素繊維と中空微粒子を重量測定した後、空気雰囲気下で炭素繊維を焼き飛ばして、残ったガラス中空微粒子の重量を測定しても良い。
【0062】
［成形材料］
本発明における成形材料はシート状であり、シート状とは、繊維強化プラスチックの大きさを示す３つの寸法（例えば、長さ、幅、厚みである。）の内、最も小さい寸法を厚みとし、最も大きい寸法を長さとした場合、この長さが厚みに対して、１０倍以上あるような、平面状の形状のものを意味する。
本発明における成形材料はシート状であり、シート状とは、繊維強化プラスチックの大きさを示す３つの寸法（例えば、長さ、幅、厚みである。）の内、最も小さい寸法を厚みとし、最も大きい寸法を長さとした場合、この長さが厚みに対して、１０倍以上あるような、平面状の形状のものを意味する。
【0063】
本発明において、成形材料とは成形体を作成するための材料であり、成形材料はコールドプレス成形されて成形体となる。したがって、本発明における成形材料は平板形状であるが、成形体は賦形されており、３次元形状の形あるものである。なお、プレス成形は圧縮成形とも呼ぶ。
【0064】
［プレス成形］
本発明における成形材料は、コールドプレス成形して成形体を製造するためのものである。以下、コールドプレス成形について説明する。
本発明における成形材料は、コールドプレス成形して成形体を製造するためのものである。以下、コールドプレス成形について説明する。
【0065】
コールドプレス成形法は、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成形型内に投入した後、加圧・冷却を行う。
【0066】
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。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。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。
【0067】
工程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。
【0068】
工程Ａ－２）上記工程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成形型に配置し、加圧する工程。
【0069】
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。
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、工程Ａ－２）の前に、工程Ａ－２）で利用される成形型と別の賦形型を利用して、成形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。また、工程Ａ－２）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、成形型キャビティ投影面積に対して２０ＭＰａ未満が好ましく、１０ＭＰａ以下であるとより好ましい。
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、工程Ａ－２）の前に、工程Ａ－２）で利用される成形型と別の賦形型を利用して、成形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。また、工程Ａ－２）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、成形型キャビティ投影面積に対して２０ＭＰａ未満が好ましく、１０ＭＰａ以下であるとより好ましい。
【0070】
また、当然のことであるが、プレス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プレス成形する真空プレス成形を用いてもよい。
【0071】
［成形体］
本発明における成形体は、最小板厚が３ｍｍ以下であることが好ましい。成形体の厚みは薄ければ薄いほど、部品を軽量化できる。しかしながら、成形体を薄肉化するために成形材料を薄くすると、コールドプレス成形する際の成形材料の保熱力が弱くなりやすい。そのため、最小板厚が３ｍｍ以下の成形体を製造する場合、本発明を用いれば、より一層本発明の効果を奏する。成形体の最小板厚は２．５ｍｍ以下がより好ましく、２．０ｍｍ以下が更に好ましく、１．５ｍｍ以下がより一層好ましい。
本発明における成形体は、最小板厚が３ｍｍ以下であることが好ましい。成形体の厚みは薄ければ薄いほど、部品を軽量化できる。しかしながら、成形体を薄肉化するために成形材料を薄くすると、コールドプレス成形する際の成形材料の保熱力が弱くなりやすい。そのため、最小板厚が３ｍｍ以下の成形体を製造する場合、本発明を用いれば、より一層本発明の効果を奏する。成形体の最小板厚は２．５ｍｍ以下がより好ましく、２．０ｍｍ以下が更に好ましく、１．５ｍｍ以下がより一層好ましい。
【実施例】
【0072】
以下、本発明について実施例を用いて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。なお、実施例３は参考例１に読み替えるものとする。
【0073】
１．以下の製造例、実施例で用いた原料は以下の通りである。なお、分解温度は、熱重量分析による測定結果である。
（ＰＡＮ系炭素繊維）
帝人株式会社製の炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＵＴＳ５０－２４Ｋ（平均繊維径７μｍ、繊維束幅１０ｍｍ、密度１．７８ｇ／ｃｍ３）
（熱可塑性樹脂）
・ポリアミド６ ユニチカ株式会社製「Ａ１０３０ＢＲＦ―ＢＡ」 結晶性樹脂、融点２２５℃、密度１．１３ｇ／ｃｍ３、分解温度（空気中）３００℃、 以下、ＰＡ６と略する場合がある。
（中空微粒子）
スリーエム社製 ｉＭ３０Ｋ メジアン径１８μｍ、耐圧強度（９０％残存） １８６ＭＰａ、密度０．６０ｇ／ｃｍ３
（ＰＡＮ系炭素繊維）
帝人株式会社製の炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＵＴＳ５０－２４Ｋ（平均繊維径７μｍ、繊維束幅１０ｍｍ、密度１．７８ｇ／ｃｍ３）
（熱可塑性樹脂）
・ポリアミド６ ユニチカ株式会社製「Ａ１０３０ＢＲＦ―ＢＡ」 結晶性樹脂、融点２２５℃、密度１．１３ｇ／ｃｍ３、分解温度（空気中）３００℃、 以下、ＰＡ６と略する場合がある。
（中空微粒子）
スリーエム社製 ｉＭ３０Ｋ メジアン径１８μｍ、耐圧強度（９０％残存） １８６ＭＰａ、密度０．６０ｇ／ｃｍ３
【0074】
２．本実施例における各値は、以下の方法に従って求めた。
（１）成形材料に含まれる炭素繊維の重量平均繊維長の分析
以下、成形材料に含まれる炭素繊維の重量平均繊維長の測定について述べるが、成形材料を成形して得られた成形体に含まれる炭素繊維の重量平均繊維長についても同様の方法で測定することができる。
（１）成形材料に含まれる炭素繊維の重量平均繊維長の分析
以下、成形材料に含まれる炭素繊維の重量平均繊維長の測定について述べるが、成形材料を成形して得られた成形体に含まれる炭素繊維の重量平均繊維長についても同様の方法で測定することができる。
【0075】
成形材料に含まれる炭素繊維の重量平均繊維長は、５００℃×１時間程度、窒素雰囲気下で、炉内にて熱可塑性樹脂を除去した。熱可塑性樹脂を除去した後、無作為に抽出した炭素繊維１００本の長さをノギスおよびルーペで１ｍｍ単位まで測定して記録し、測定した全ての炭素繊維の長さ（Ｌｉ、ここでｉ＝１～１００の整数）から、次式により重量平均繊維長を求めた。
重量平均繊維長＝（ΣＬｉ２）／（ΣＬｉ）・・・式（２）
重量平均繊維長＝（ΣＬｉ２）／（ΣＬｉ）・・・式（２）
【0076】
（２）束の測定方法
（２－１） 成形材料から１００ｍｍ×１００ｍｍのサンプルを５枚切り出し、その後、サンプルを５００℃に加熱した電気炉の中で窒素雰囲気下で、１時間程度加熱してマトリクス樹脂等の有機物を焼き飛ばした。室温まで冷却した後に残った炭素繊維の質量を測定した後に、それぞれのサンプル（６枚）に含まれる炭素繊維から、５ｍｍ以上１００ｍｍ以下の不連続炭素繊維Ａをピンセットでランダムに２００本ずつ取り出し、６枚のサンプルから合計１２００個抽出した。
（２－１） 成形材料から１００ｍｍ×１００ｍｍのサンプルを５枚切り出し、その後、サンプルを５００℃に加熱した電気炉の中で窒素雰囲気下で、１時間程度加熱してマトリクス樹脂等の有機物を焼き飛ばした。室温まで冷却した後に残った炭素繊維の質量を測定した後に、それぞれのサンプル（６枚）に含まれる炭素繊維から、５ｍｍ以上１００ｍｍ以下の不連続炭素繊維Ａをピンセットでランダムに２００本ずつ取り出し、６枚のサンプルから合計１２００個抽出した。
【0077】
（２－２） 抽出した全ての炭素繊維束について、１／１００ｍｇまで測定が可能な天秤を用いて、個々の炭素繊維束の幅と長さを測定した。炭素繊維束の束数（Ｉ）および重量（Ｗｉ）を測定した。
炭素繊維束の長さから計算した炭素繊維束の繊維長と、使用している炭素繊維の繊維径Ｄに基づいて、炭素繊維束Ａ１、炭素繊維束Ａ１以外の不連続炭素繊維Ａに分け、それぞれΣＷｉＡ１、及びＷＡ１以外を測定する。炭素繊維束Ａ１の不連続炭素繊維Ａ全量に対する体積割合（ＶｆＡ１）は、炭素繊維の密度（ρｃｆ）を用いて式（５）により求められる。
ＶｆＡ１＝Σ（ＷｉＡ１／ρｃｆ）×１００／（（ΣＷｉＡ１＋ＷＡ１以外）／ρｃｆ） ・・・式（５）
炭素繊維束の長さから計算した炭素繊維束の繊維長と、使用している炭素繊維の繊維径Ｄに基づいて、炭素繊維束Ａ１、炭素繊維束Ａ１以外の不連続炭素繊維Ａに分け、それぞれΣＷｉＡ１、及びＷＡ１以外を測定する。炭素繊維束Ａ１の不連続炭素繊維Ａ全量に対する体積割合（ＶｆＡ１）は、炭素繊維の密度（ρｃｆ）を用いて式（５）により求められる。
ＶｆＡ１＝Σ（ＷｉＡ１／ρｃｆ）×１００／（（ΣＷｉＡ１＋ＷＡ１以外）／ρｃｆ） ・・・式（５）
【0078】
（２－３）測定本数については、許容誤差ε３％、信頼度μ（α）９５％、母比率ρ＝０．５（５０％）で、以下の式（５）から導き出されるｎ値から求められる。
ｎ＝Ｎ／［（ε／μ（α））２×｛（Ｎ－１）／ρ（１－ρ）｝＋１］ 式（５）
ｎ：必要サンプル数
μ（α）：信頼度９５％のとき１．９６
Ｎ：母集団の大きさ
ε：許容誤差
ρ：母比率
ここで、１００ｍｍ×１００ｍｍ×厚み３ｍｍのサンプルを切り出して焼き飛ばした場合、母集団の大きさＮは、炭素繊維の体積割合Ｖｆ＝３５％の成形材料には、（１００ｍｍ×１００ｍｍ×厚み３ｍｍ×Ｖｆ３５％）÷（（Ｄｉ／２μｍ）２×π×繊維長×繊維束に含まれる単糸数）で求められる。繊維径Ｄｉを７μｍ、繊維長を２０ｍｍ、繊維束に含まれる単糸数の設計を１０００本とすると、Ｎ≒１３６００本となる。
このＮの値を上記式（５）に代入して計算すると、約９９０本となる。本実施例においては、信頼度を高めるため、９９０本よりもやや多めの１２００本抽出して測定することとした。
ｎ＝Ｎ／［（ε／μ（α））２×｛（Ｎ－１）／ρ（１－ρ）｝＋１］ 式（５）
ｎ：必要サンプル数
μ（α）：信頼度９５％のとき１．９６
Ｎ：母集団の大きさ
ε：許容誤差
ρ：母比率
ここで、１００ｍｍ×１００ｍｍ×厚み３ｍｍのサンプルを切り出して焼き飛ばした場合、母集団の大きさＮは、炭素繊維の体積割合Ｖｆ＝３５％の成形材料には、（１００ｍｍ×１００ｍｍ×厚み３ｍｍ×Ｖｆ３５％）÷（（Ｄｉ／２μｍ）２×π×繊維長×繊維束に含まれる単糸数）で求められる。繊維径Ｄｉを７μｍ、繊維長を２０ｍｍ、繊維束に含まれる単糸数の設計を１０００本とすると、Ｎ≒１３６００本となる。
このＮの値を上記式（５）に代入して計算すると、約９９０本となる。本実施例においては、信頼度を高めるため、９９０本よりもやや多めの１２００本抽出して測定することとした。
【0079】
（３）体積割合
成形材料を２５ｍｍ×２５ｍｍでサンプルを切出し、切出した全サンプルの気中重量を、電子天秤を用いて測定した後、当該サンプルを５００℃×１時間窒素雰囲気下で熱可塑性樹脂を燃焼除去し、処理後サンプルの重量を秤量することによって熱可塑性樹脂の重量を算出した。その後、残った炭素繊維と中空微粒子との混合物を水で流して中空微粒子を除去し、残った炭素繊維の重量を測定することで、炭素繊維と中空微粒子の重量をそれぞれ測定した。
次に、各成分の比重を用いて、炭素繊維、熱可塑性樹脂、中空微粒子の体積割合を、式（３）式（４）により算出した。
炭素繊維の体積割合Ｖｆ＝１００×炭素繊維体積／（炭素繊維体積＋熱可塑性樹脂体積＋中空微粒子の体積割合） 式（３）
中空微粒子の体積割合ＶＰｔｏｔａｌ＝１００×中空微粒子の体積／（炭素繊維体積＋熱可塑性樹脂体積＋中空微粒子の体積割合） 式（４）
成形材料を２５ｍｍ×２５ｍｍでサンプルを切出し、切出した全サンプルの気中重量を、電子天秤を用いて測定した後、当該サンプルを５００℃×１時間窒素雰囲気下で熱可塑性樹脂を燃焼除去し、処理後サンプルの重量を秤量することによって熱可塑性樹脂の重量を算出した。その後、残った炭素繊維と中空微粒子との混合物を水で流して中空微粒子を除去し、残った炭素繊維の重量を測定することで、炭素繊維と中空微粒子の重量をそれぞれ測定した。
次に、各成分の比重を用いて、炭素繊維、熱可塑性樹脂、中空微粒子の体積割合を、式（３）式（４）により算出した。
炭素繊維の体積割合Ｖｆ＝１００×炭素繊維体積／（炭素繊維体積＋熱可塑性樹脂体積＋中空微粒子の体積割合） 式（３）
中空微粒子の体積割合ＶＰｔｏｔａｌ＝１００×中空微粒子の体積／（炭素繊維体積＋熱可塑性樹脂体積＋中空微粒子の体積割合） 式（４）
【0080】
（４）断面観察
（４－１）炭素繊維束Ａ１に含まれる単糸の平均炭素繊維単糸間距離Ｌ
成形材料を断面観察すると、炭素繊維の単糸断面形状は様々なものが観察できる。単糸断面形状が同一のものは、同一の炭素繊維束Ａ１に所属する。
ｉ）単糸が出来るだけ真円に観察できる炭素繊維束Ａ１を選択し、
ｉｉ）同一の炭素繊維束Ａ１に所属する、隣接する炭素繊維単糸の中心間距離を測定し、ここから炭素繊維単糸直径を差し引いたものを、単糸間距離とした。
ｉｉｉ）ｉｉ）の作業を１００回繰り返して、炭素繊維束Ａ１に含まれる単糸の平均炭素繊維単糸間距離Ｌを算出した。
（４－２）炭素繊維束Ａ１の外部又は内部に存在する中空微粒子の体積割合
成形材料を厚み方向５００μｍ×幅方向１ｍｍの範囲で合計１０箇所観察し、炭素繊維束Ａ１の外部又は内部に存在する中空微粒子をカウントし、炭素繊維束Ａ１の外部又は内部に存在する中空微粒子の体積割合をそれぞれ算出した。
（４－３）炭素繊維束Ａ１に接触している中空微粒子の割合
（４－２）と同様にして、成形材料を断面観察し、中空微粒子全量のうち、炭素繊維束Ａ１に接触している中空微粒子の割合を算出した。
（４－４）中空微粒子の配置場所
・実施例１、２
成形材料を断面観察し、成形材料板厚１００％に対して成形材料表面から２０％以内の領域と、それ以外の領域を観察し、中空微粒子の存在場所を観察した。
・実施例３
成形材料を厚み方向５００μｍ×幅方向１ｍｍの範囲で合計１０箇所観察し、中空微粒子の数を平均したときの変動係数ＣＶを算出した。
（４－１）炭素繊維束Ａ１に含まれる単糸の平均炭素繊維単糸間距離Ｌ
成形材料を断面観察すると、炭素繊維の単糸断面形状は様々なものが観察できる。単糸断面形状が同一のものは、同一の炭素繊維束Ａ１に所属する。
ｉ）単糸が出来るだけ真円に観察できる炭素繊維束Ａ１を選択し、
ｉｉ）同一の炭素繊維束Ａ１に所属する、隣接する炭素繊維単糸の中心間距離を測定し、ここから炭素繊維単糸直径を差し引いたものを、単糸間距離とした。
ｉｉｉ）ｉｉ）の作業を１００回繰り返して、炭素繊維束Ａ１に含まれる単糸の平均炭素繊維単糸間距離Ｌを算出した。
（４－２）炭素繊維束Ａ１の外部又は内部に存在する中空微粒子の体積割合
成形材料を厚み方向５００μｍ×幅方向１ｍｍの範囲で合計１０箇所観察し、炭素繊維束Ａ１の外部又は内部に存在する中空微粒子をカウントし、炭素繊維束Ａ１の外部又は内部に存在する中空微粒子の体積割合をそれぞれ算出した。
（４－３）炭素繊維束Ａ１に接触している中空微粒子の割合
（４－２）と同様にして、成形材料を断面観察し、中空微粒子全量のうち、炭素繊維束Ａ１に接触している中空微粒子の割合を算出した。
（４－４）中空微粒子の配置場所
・実施例１、２
成形材料を断面観察し、成形材料板厚１００％に対して成形材料表面から２０％以内の領域と、それ以外の領域を観察し、中空微粒子の存在場所を観察した。
・実施例３
成形材料を厚み方向５００μｍ×幅方向１ｍｍの範囲で合計１０箇所観察し、中空微粒子の数を平均したときの変動係数ＣＶを算出した。
【0081】
（５）成形材料の保熱力の測定
各実施例・比較例で作成した成形材料の中央部にドリルで径１ｍｍの穴をあけ、熱電対を挿入した。成形材料を熱電対が３００℃を示すまでＩＲ加熱機で加熱し、２０度の環境に取出して自然冷却し、取り出してから２０秒後と４０秒後に示す熱電対の温度を測定した。
各実施例・比較例で作成した成形材料の中央部にドリルで径１ｍｍの穴をあけ、熱電対を挿入した。成形材料を熱電対が３００℃を示すまでＩＲ加熱機で加熱し、２０度の環境に取出して自然冷却し、取り出してから２０秒後と４０秒後に示す熱電対の温度を測定した。
【0082】
［実施例１］
１．熱可塑性樹脂と中空微粒子のドライブレンド
熱可塑性樹脂として、ナイロン６樹脂（ユニチカ株式会社製「Ａ１０３０ＢＲＦ―ＢＡ」）に対し、中空微粒子としてスリーエム社製 ｉＭ３０Ｋをドライブレンドしたものを用意した。このとき、後に作成する成形材料の炭素繊維の体積割合が３５ｖｏｌ％、ポリアミド６が６１ｖｏｌ％、中空微粒子が４ｖｏｌ％となるようにポリアミド６と中空微粒子の配合割合を計算して用意した。
１．熱可塑性樹脂と中空微粒子のドライブレンド
熱可塑性樹脂として、ナイロン６樹脂（ユニチカ株式会社製「Ａ１０３０ＢＲＦ―ＢＡ」）に対し、中空微粒子としてスリーエム社製 ｉＭ３０Ｋをドライブレンドしたものを用意した。このとき、後に作成する成形材料の炭素繊維の体積割合が３５ｖｏｌ％、ポリアミド６が６１ｖｏｌ％、中空微粒子が４ｖｏｌ％となるようにポリアミド６と中空微粒子の配合割合を計算して用意した。
【0083】
２．炭素繊維の準備
炭素繊維として、帝人株式会社製の炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＵＴＳ５０－２４Ｋ（平均繊維直径７μｍ、単糸数２４，０００本、炭素繊維のストランド厚み１８０μｍ（ノギス測定））を使用し、エポキシ系サイジング剤を連続的に浸漬させ、１３０℃の乾燥炉に約１２０秒間通し、乾燥・熱処理し、厚さ０．１ｍｍ、幅約１２ｍｍの炭素繊維束を得た。これを拡幅して２０ｍｍ幅とし、５ｍｍ間隔でスリットした後、長さ２０ｍｍにカットして不連続炭素繊維束を作成した。続いて、不連続炭素繊維束をテーパー管内に導入し、空気を不連続炭素繊維束に吹き付けて繊維束を部分的に開繊しつつ、不連続炭素繊維束をテーパー管出口の下部に設置した、テーブル上に散布した。この時の不連続炭素繊維の状態は、単糸状態の炭素繊維と、繊維束の状態の不連続炭素繊維束Ａ１とからなる炭素繊維マットであった。
炭素繊維として、帝人株式会社製の炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＵＴＳ５０－２４Ｋ（平均繊維直径７μｍ、単糸数２４，０００本、炭素繊維のストランド厚み１８０μｍ（ノギス測定））を使用し、エポキシ系サイジング剤を連続的に浸漬させ、１３０℃の乾燥炉に約１２０秒間通し、乾燥・熱処理し、厚さ０．１ｍｍ、幅約１２ｍｍの炭素繊維束を得た。これを拡幅して２０ｍｍ幅とし、５ｍｍ間隔でスリットした後、長さ２０ｍｍにカットして不連続炭素繊維束を作成した。続いて、不連続炭素繊維束をテーパー管内に導入し、空気を不連続炭素繊維束に吹き付けて繊維束を部分的に開繊しつつ、不連続炭素繊維束をテーパー管出口の下部に設置した、テーブル上に散布した。この時の不連続炭素繊維の状態は、単糸状態の炭素繊維と、繊維束の状態の不連続炭素繊維束Ａ１とからなる炭素繊維マットであった。
【0084】
３．成形材料の作製
得られた炭素繊維マットを、熱可塑性樹脂と中空微粒子をドライブレンドしたもので両側から挟み込み、これを２６０℃に加熱したプレス装置にて、０．５ＭＰａにて３分間加熱し、厚み２．５ｍｍの成形材料を得た。
得られた炭素繊維マットを、熱可塑性樹脂と中空微粒子をドライブレンドしたもので両側から挟み込み、これを２６０℃に加熱したプレス装置にて、０．５ＭＰａにて３分間加熱し、厚み２．５ｍｍの成形材料を得た。
【0085】
得られた成形材料の不連続炭素繊維Ａを分析したところ、不連続炭素繊維Ａの繊維長は固定長２０ｍｍ、炭素繊維Ａ１の束割合は８５Ｖｏｌ％、平均繊維数Ｎａｖｅは９００本であった。成形材料を断面観察すると、中空微粒子全量のうち９９％以上が、成形材料の表層領域に存在していた。その他の結果を表１に示す。
【0086】
なお、厚み２．５ｍｍの成形材料をコールドプレスして、２．５ｍｍの板厚の成形体が作成できることも確認した。
【0087】
［実施例２］
成形材料に含まれる中空微粒子の添加量を、表１にあるように調整したこと以外は、実施例１と同様に成形材料を作成した。実施例２で得られた成形材料の不連続炭素繊維Ａを分析したところ、不連続炭素繊維Ａの繊維長は固定長２０ｍｍ、炭素繊維Ａ１の束割合は８５Ｖｏｌ％、平均繊維数Ｎａｖｅは９００本であった。成形材料を断面観察すると、中空微粒子全量のうち９９％以上が、成形材料の表層領域に存在していた。その他の結果を表１に示す。
成形材料に含まれる中空微粒子の添加量を、表１にあるように調整したこと以外は、実施例１と同様に成形材料を作成した。実施例２で得られた成形材料の不連続炭素繊維Ａを分析したところ、不連続炭素繊維Ａの繊維長は固定長２０ｍｍ、炭素繊維Ａ１の束割合は８５Ｖｏｌ％、平均繊維数Ｎａｖｅは９００本であった。成形材料を断面観察すると、中空微粒子全量のうち９９％以上が、成形材料の表層領域に存在していた。その他の結果を表１に示す。
【0088】
［比較例１］
成形材料に中空微粒子を含まなかったこと以外は、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。
成形材料に中空微粒子を含まなかったこと以外は、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。
【0089】
［実施例３］
１．成形材料の製造工程１．熱可塑性樹脂と中空微粒子のコンパウンド
熱可塑性樹脂として、ナイロン６樹脂（ユニチカ株式会社製「Ａ１０３０ＢＲＦ―ＢＡ」）に対し、中空微粒子としてスリーエム社製 ｉＭ３０Ｋを２軸押し出し機でコンパウンドしたものを用意した。このとき、後に加える炭素繊維の体積割合が３５Ｖｏｌ％、ポリアミド６が６２Ｖｏｌ％、中空微粒子が３Ｖｏｌ％となるようにポリアミド６と中空微粒子の配合割合を用意した。
１．成形材料の製造工程１．熱可塑性樹脂と中空微粒子のコンパウンド
熱可塑性樹脂として、ナイロン６樹脂（ユニチカ株式会社製「Ａ１０３０ＢＲＦ―ＢＡ」）に対し、中空微粒子としてスリーエム社製 ｉＭ３０Ｋを２軸押し出し機でコンパウンドしたものを用意した。このとき、後に加える炭素繊維の体積割合が３５Ｖｏｌ％、ポリアミド６が６２Ｖｏｌ％、中空微粒子が３Ｖｏｌ％となるようにポリアミド６と中空微粒子の配合割合を用意した。
【0090】
２．複合材料の製造工程２．複合材料前駆体の製造
炭素繊維として、帝人株式会社製の炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＵＴＳ５０－２４Ｋ（平均繊維直径７μｍ、単糸数２４，０００本、炭素繊維のストランド厚み１８０μｍ（ノギス測定））を使用し、エポキシ系サイジング剤を連続的に浸漬させ、１３０℃の乾燥炉に約１２０秒間通し、乾燥・熱処理し、厚さ０．１ｍｍ、幅約１２ｍｍの炭素繊維束を得た。これを拡幅して２０ｍｍ幅とし、５ｍｍ間隔でスリットした後、長さ２０ｍｍにカットして不連続炭素繊維束とした。
炭素繊維として、帝人株式会社製の炭素繊維“テナックス”（登録商標）ＵＴＳ５０－２４Ｋ（平均繊維直径７μｍ、単糸数２４，０００本、炭素繊維のストランド厚み１８０μｍ（ノギス測定））を使用し、エポキシ系サイジング剤を連続的に浸漬させ、１３０℃の乾燥炉に約１２０秒間通し、乾燥・熱処理し、厚さ０．１ｍｍ、幅約１２ｍｍの炭素繊維束を得た。これを拡幅して２０ｍｍ幅とし、５ｍｍ間隔でスリットした後、長さ２０ｍｍにカットして不連続炭素繊維束とした。
【0091】
続いて、不連続炭素繊維束と、前記コンパウンドしたポリアミド６、中空微粒子とをテーパー管内に導入し、空気を不連続炭素繊維束に吹き付けて繊維束を部分的に開繊しつつ、ポリアミド６及び中空微粒子とともに不連続炭素繊維束をテーパー管出口の下部に設置したテーブル上に散布した。この時の不連続炭素繊維の状態は、単糸状態の炭素繊維と、繊維束の状態の不連続炭素繊維とからなるものであった。
【0092】
テーブル上に散布された繊維および樹脂を、テーブル下部よりブロワにて吸引し、定着させ成形材料前駆体を得た。
【0093】
３．成形材料の製造工程３．成形材料の製造
得られた成形材料前駆体を２６０℃に加熱したプレス装置にて、０．５ＭＰａにて３分間加熱し、厚み２．５ｍｍの成形材料を得た。得られた成形材料の不連続炭素繊維Ａを分析したところ、不連続炭素繊維Ａの繊維長は固定長２０ｍｍ、炭素繊維Ａ１の束割合は８５Ｖｏｌ％、平均繊維数Ｎａｖｅは９００本であった。また、成形材料を厚み方向５００μｍ×幅方向１ｍｍの範囲で合計１０箇所観察し、中空微粒子の数を平均したときの変動係数ＣＶは３０％であった。その他の結果を表１に示す。
得られた成形材料前駆体を２６０℃に加熱したプレス装置にて、０．５ＭＰａにて３分間加熱し、厚み２．５ｍｍの成形材料を得た。得られた成形材料の不連続炭素繊維Ａを分析したところ、不連続炭素繊維Ａの繊維長は固定長２０ｍｍ、炭素繊維Ａ１の束割合は８５Ｖｏｌ％、平均繊維数Ｎａｖｅは９００本であった。また、成形材料を厚み方向５００μｍ×幅方向１ｍｍの範囲で合計１０箇所観察し、中空微粒子の数を平均したときの変動係数ＣＶは３０％であった。その他の結果を表１に示す。
【0094】
【表1】
【0095】
［中空微粒子と、スプリングバック効果との共同作用］
不連続な炭素繊維を用いた複合材料をコールドプレスするために加熱した場合、炭素繊維は剛性が高く、スプリングバックを起こして複合材料が膨らみ、複合材料中に空孔を発生させる。（ここで言うスプリングバックとは、圧縮されて固定された不連続な炭素繊維が絡み合った集合体において、その固定が失われ又は弱められたときに、圧縮前の状態に戻ろうとする現象のことである。）本来、スプリングバックにより複合材料が膨らむ現象は欠点として捉えられやすいが、スプリングバックにより生じた空孔が、コールドプレスする際の成形材料の保熱力の向上に寄与するため、この観点からスプリングバックによる成形材料の膨張に注目すると、必ずしも欠点ではない。
不連続な炭素繊維を用いた複合材料をコールドプレスするために加熱した場合、炭素繊維は剛性が高く、スプリングバックを起こして複合材料が膨らみ、複合材料中に空孔を発生させる。（ここで言うスプリングバックとは、圧縮されて固定された不連続な炭素繊維が絡み合った集合体において、その固定が失われ又は弱められたときに、圧縮前の状態に戻ろうとする現象のことである。）本来、スプリングバックにより複合材料が膨らむ現象は欠点として捉えられやすいが、スプリングバックにより生じた空孔が、コールドプレスする際の成形材料の保熱力の向上に寄与するため、この観点からスプリングバックによる成形材料の膨張に注目すると、必ずしも欠点ではない。
【0096】
このスプリングバック現象による成形材料予熱後の保熱力を考えた場合、本発明者らは、中空微粒子混入による成形材料の保熱力向上への貢献は少ないものだと当初予測した。しかしながら、中空微粒子を炭素繊維束間に設ければ、スプリングバックによる成形材料の保熱力向上と共同できることを見出した。
【0097】
炭素繊維束が存在しない成形材料であれば、一定割合の空隙が存在すれば、それ以上空隙を増加させても成形材料の保熱力向上効果は少ない。
【0098】
実施例３と比較例１をみると、比較例１の「ピーク温度から２０秒経過後の温度低下」は２４℃であるのに対し、中空微粒子を入れた場合には１３℃であり、その差１１℃が中空微粒子の効果として示された。これは単純に空隙を増やした効果ではなく、炭素繊維束間に中空微粒子を配置することによる、極めて異質な効果である。
【産業上の利用可能性】
【0099】
本発明の製造方法で得られた成形体は、各種構成部材、例えば自動車の構造部材、また各種電気製品、機械のフレームや筐体等、衝撃吸収が望まれるあらゆる部位、特に好ましくは、自動車部品として利用できる成形体の製造に用いることができる。
【符号の説明】
【0100】
１０１ 成形材料
１０２ 炭素繊維束Ａ１
１０３ 炭素繊維単糸
１０４ 中空微粒子
２０１ 成形材料
２０２ 炭素繊維単糸
２０３ 中空微粒子
１０２ 炭素繊維束Ａ１
１０３ 炭素繊維単糸
１０４ 中空微粒子
２０１ 成形材料
２０２ 炭素繊維単糸
２０３ 中空微粒子
【図1】
【図2】