特許 7273785 繊維強化樹脂シート及び繊維強化複合材並びに成形品

(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】2023-05-02

(45)【発行日】2023-05-15

(54)【発明の名称】繊維強化樹脂シート及び繊維強化複合材並びに成形品

(51)【国際特許分類】

   B29B 11/16 20060101AFI20230508BHJP

   B32B 5/00 20060101ALI20230508BHJP

   B32B 5/28 20060101ALI20230508BHJP

   B29C 43/34 20060101ALI20230508BHJP

   B29C 70/10 20060101ALI20230508BHJP

   B29C 70/42 20060101ALI20230508BHJP

【ＦＩ】

B29B11/16

B32B5/00 A

B32B5/28 A

B29C43/34

B29C70/10

B29C70/42

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020218665

(22)【出願日】2020-12-28

(65)【公開番号】P2022103810

(43)【公開日】2022-07-08

【審査請求日】2022-10-03

(73)【特許権者】

【識別番号】000010065

【氏名又は名称】フクビ化学工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100115381

【弁理士】

【氏名又は名称】小谷 昌崇

(74)【代理人】

【識別番号】100133916

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 興

(72)【発明者】

【氏名】金森 尚哲

【審査官】石塚 寛和

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２０／２１８２３３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－４７９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２７９５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－３１３４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／００９１２５（ＷＯ，Ａ１）

(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

Ｂ３２Ｂ １／００－４３／００

Ｂ２９Ｃ ３９／００－３９／２４、３９／３８－３９／４４、

４１／００－４１／３６、４１／４６－４１／５２、

４３／００－４３／３４、４３／４４－４３／４８、

４３／５２－４３／５８、７０／００－７０／８８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

３０μｍ以上６５μｍ以下の厚みを有する繊維強化樹脂シートであって、
熱可塑性の樹脂フィルムと、
強化繊維の繊維束から開繊されかつ同一方向に配向された状態で前記樹脂フィルムの両面に積層された複数の強化繊維とを備え、
前記樹脂フィルムの厚みが５μｍ以上１５μｍ以下であり、
前記強化繊維の目付量が２５ｇ／ｍ^２以上６０ｇ／ｍ^２以下であり、
前記強化繊維の体積含有率が６０％以上７５％以下である、ことを特徴とする繊維強化樹脂シート。

【請求項2】

請求項１に記載の複数の繊維強化樹脂シートが厚み方向に積層された繊維強化複合材であって、
複数の前記繊維強化樹脂シートは、前記強化繊維の配向方向である繊維方向が平面視で互いに角度差を有する状態で互いに積層される、ことを特徴とする繊維強化複合材。

【請求項3】

請求項１に記載の繊維強化樹脂シートから切り出された複数のチョップ材が厚み方向に積層された繊維強化複合材であって、
複数の前記チョップ材は、それぞれ短辺の長さが２ｍｍ以上５０ｍｍ以下でかつ長辺の長さが２ｍｍ以上８０ｍｍ以下の長方形状に形成されるとともに、前記強化繊維の配向方向である繊維方向が二次元的にランダムになる状態で積層される、ことを特徴とする繊維強化複合材。

【請求項4】

請求項２または３に記載の繊維強化複合材を用いて成形された成形品。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、樹脂フィルムと強化繊維とを含む繊維強化樹脂シート、及び当該繊維強化樹脂シートを用いて成形される繊維強化複合材、並びに当該繊維強化複合材を用いて成形される成形品に関する。

【背景技術】

【0002】

繊維強化樹脂シートの一例として、下記特許文献１のものが知られている。この特許文献１の繊維強化樹脂シート（熱可塑性炭素繊維プリプレグ）は、開繊されたシート状の炭素繊維と、当該炭素繊維の両面（一面および他面）に重ねられた一対の熱可塑性の樹脂フィルムとを備えている。このような構造の繊維強化樹脂シートは、炭素繊維を一対の樹脂フィルムの間に挟んで加圧および加熱することにより製造される。すなわち、特許文献１における繊維強化樹脂シートは、供給ローラを通じて炭素繊維を開繊しつつ繰り出す工程と、繰り出された炭素繊維の両面に熱可塑性の樹脂フィルムを重ねた上で当該樹脂フィルムをローラで挟圧しつつプレートヒータで加熱する工程とを含む。これにより、樹脂フィルムを軟化させて炭素繊維中に含浸させることができ、上述した構造の繊維強化樹脂シートを得ることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０２０－１２２１３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記特許文献１では、樹脂フィルムの厚みを８～５５μｍに設定することが望ましいとされている。その理由は、繊維強化樹脂シートにおける炭素繊維の含有率（Ｖｆ値）を５０～６０％まで高めることができ、高い強度を達成できるというものである。

【0005】

しかしながら、上記特許文献１では、炭素繊維の両面にそれぞれ樹脂フィルムが配置される（一対の樹脂フィルムの間に炭素繊維が挟み込まれる）構造であるため、樹脂の比率が本来的に高くなり易い。言い換えると、上記特許文献１において実際に炭素繊維の含有率を５０～６０％にまで高めようとすると、一対の樹脂フィルムの間に多量の炭素繊維を積層する必要が生じる。このため、成形の際に樹脂フィルムを加圧および加熱したとしても、軟化した樹脂フィルムが炭素繊維の内部まで十分に含浸しない可能性がある。樹脂フィルムの含浸が不十分になると、成形後に炭素繊維がばらけるなどの不良が生じるおそれがある。

【0006】

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、強化繊維の含有率が高くかつ成形不良が生じ難い繊維強化樹脂シートを提供し、もって繊維強化複合材または成形品の機械的性質を向上させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

前記課題を解決するためのものとして、本発明の一局面に係る繊維強化樹脂シートは、３０μｍ以上６５μｍ以下の厚みを有する繊維強化樹脂シートであって、熱可塑性の樹脂フィルムと、強化繊維の繊維束から開繊されかつ同一方向に配向された状態で前記樹脂フィルムの両面に積層された複数の強化繊維とを備え、前記樹脂フィルムの厚みが５μｍ以上１５μｍ以下であり、前記強化繊維の目付量が２５ｇ／ｍ^２以上６０ｇ／ｍ^２以下であり、前記強化繊維の体積含有率が６０％以上７５％以下である、ことを特徴とするものである（請求項１）。

【0008】

この構成によれば、５～１５μｍという比較的薄い樹脂フィルムの両面に強化繊維を積層することで繊維強化樹脂シートが成形され、しかも当該強化繊維の樹脂フィルムに対する目付量が２５～６０ｇ／ｍ^２に設定されるので、繊維強化樹脂シートの成形不良を防止しつつ当該シート中の強化繊維の体積含有率を６０～７５％まで高めることができる。

【0009】

すなわち、樹脂フィルムの両面に強化繊維が積層されるという構造上、樹脂フィルムの各面（一面および他面）に対する強化繊維の積層量を過度に増やさなくても、全体として２５～６０ｇ／ｍ^２という目付量を達成することが可能になる。このため、成形時の加熱および加圧によって樹脂フィルムの各面に強化繊維を十分に含浸させることができ、樹脂フィルムと強化繊維との結合強度を高めることができる。しかも、樹脂フィルムの厚みが５～１５μｍと薄いため、加熱により樹脂フィルムが迅速に軟化し、強化繊維を樹脂フィルムの内部までしっかり含浸させることができる。このことは、成形後に強化繊維がばらけるなどの不良が生じるのを防止することにつながる。そして、これらの条件下で６０～７５％という高い体積含有率の繊維強化樹脂シートが実現される結果、当該繊維強化樹脂シートを用いて成形される成形品の強度を十分に高めることができる。

【0010】

本発明の他の局面に係る繊維強化複合材は、上述した繊維強化樹脂シートが厚み方向に積層された繊維強化複合材であって、複数の前記繊維強化樹脂シートは、前記強化繊維の配向方向である繊維方向が平面視で互いに角度差を有する状態で互いに積層される、ことを特徴とするものである（請求項２）。

【0011】

この構成によれば、繊維強化複合材に対し強化繊維による補強効果を複数の異なる方向に及ぼすことができ、繊維強化複合材の機械的性質を向上させることができる。

【0012】

本発明のさらに他の局面に係る繊維強化複合材は、上述した繊維強化樹脂シートから切り出された複数のチョップ材が厚み方向に積層された繊維強化複合材であって、複数の前記チョップ材は、それぞれ短辺の長さが２ｍｍ以上５０ｍｍ以下でかつ長辺の長さが２ｍｍ以上８０ｍｍ以下の長方形状に形成されるとともに、前記強化繊維の配向方向である繊維方向が二次元的にランダムになる状態で積層される、ことを特徴とするものである（請求項３）。

【0013】

この構成によれば、繊維強化複合材の機械的性質に十分な等方性（疑似等方性）を付与することができ、強化繊維による好ましい補強効果を得ることができる。

【0014】

本発明のさらに他の局面に係る成形品は、上述した繊維強化複合材を用いて成形された成形品である（請求項４）。

【0015】

この構成によれば、成形品の強度を十分に高めることができる。

【発明の効果】

【0016】

以上説明したように、本発明によれば、強化繊維の含有率が高くかつ成形不良が生じ難い繊維強化樹脂シートを提供することができ、もって繊維強化複合材または成形品の機械的性質を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の第１実施形態に係る成形品を製造する方法を示す工程図である。

【図2】繊維強化樹脂シートを製造する装置の概略構成を示す図である。

【図3】繊維強化樹脂シートを積層して繊維強化複合材を成形する方法を説明するための図である。

【図4】熱プレス機を用いて繊維強化複合材から成形品を成形する方法を説明するための図である。

【図5】本発明の第２実施形態に係る成形品を製造する方法を示す工程図である。

【図6】繊維強化樹脂シートからチョップ材を切り出す方法を説明するための図である。

【図7】チョップ材を積層して繊維強化複合材を成形する方法を説明するための図である。

【図8】繊維強化樹脂シートの実施例の特性を示す表である。

【図9】繊維強化樹脂シートの比較例の特性を示す表である。

【図10】繊維強化複合材の実施例および比較例の特性を示す表である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、図面を参照しつつ、本発明の好ましい実施形態について説明する。

【0019】

（１）第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係る成形品３０（図４）を製造する方法を示す工程図である。この第１実施形態において、成形品３０は、強化繊維が含有された合成樹脂製の成形品（複合成形品）であり、図１に示す各工程（Ｓ１～Ｓ３）により製造される。すなわち、第１実施形態の成形品３０は、繊維強化樹脂シート１（図２）を成形する工程Ｓ１と、繊維強化樹脂シート１を積層して繊維強化複合材１０を成形する工程Ｓ２と、繊維強化複合材１０をプレス加工して成形品３０を成形する工程Ｓ３とを含む手順により製造される。各工程の詳細は次のとおりである。

【0020】

（繊維強化樹脂シートの成形）
工程Ｓ１は、図２に示す繊維強化樹脂シート１を成形する工程（シート成形工程）である。このシート成形工程Ｓ１により成形される繊維強化樹脂シート１は、熱可塑性の樹脂フィルム２に多数の強化繊維３が含浸されたＵＤシート（ＦＲＴＰシート）である。

【0021】

強化繊維３としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、セラミックス繊維等を用いることができる。中でも炭素繊維は、成形品の強度および耐食性等を向上させる上で有利である。炭素繊維としては、強度が特に高いＰＡＮ（ポリアクリロニトリル）系の炭素繊維を用いることが好ましい。

【0022】

樹脂フィルム２の材料である熱可塑性樹脂、つまり繊維強化樹脂シート１のマトリックス樹脂としては、ポリアミド（特にＰＡ６，ＰＡ９Ｔ）、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアセタール、ポリフェニレンサルファイド、ポリカーボネート、アクリル樹脂、アクリロニトリル－ブタジエン－スチレン共重合体（ＡＢＳ）、ポリアミドイミド、ポリスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリイミド、ポリアリレート、フッ素樹脂、液晶ポリマー、熱可塑性エポキシ樹脂等を例示することができる。また、これらの熱可塑性樹脂を２種類以上混合したポリマーアロイを樹脂フィルム２の材料として用いてもよい。

【0023】

樹脂フィルム２は、一定の厚みを有する極薄シート状（フィルム状）の部材であり、熱可塑性製樹脂により構成される。このような樹脂フィルム２は、例えば熱可塑性樹脂を押出成形することにより成形される。また、樹脂フィルム２の厚みは、５μｍ以上１５μｍ以下に設定される。

【0024】

繊維強化樹脂シート１は、例えば図２に示されるシート製造装置５０を用いて製造することができる。このシート製造装置５０は、強化繊維の束である繊維束３’および熱可塑性の樹脂フィルム２から、繊維強化樹脂シート１を連続的に製造する装置である。

【0025】

具体的に、シート製造装置５０は、上下に並ぶ複数対（ここでは２対）の加熱ローラ５１と、加熱ローラ５１の下側において上下に並ぶ複数対（ここでは２対）の冷却ローラ５２２と、加熱ローラ５１と冷却ローラ５２との間に掛け回された一対の無端ベルト５４と、無端ベルト５４の下側に位置する一対の引き出しローラ５５と、引き出しローラ５５の下側に配置された巻き取り用のボビン５６とを備えている。

【0026】

最上段の加熱ローラ５１の両側には、繊維束３’を開繊して帯状に広げる開繊機構（図示省略）が設けられている。この開繊機構は、繊維束３’を連続的に開繊することにより、薄い帯状に広がった多数の連続した強化繊維３を形成することが可能である。開繊機構としては、このような処理が可能な機構であればよく、繊維束を叩いて広げる機構、繊維束に風を当てて広げる機構、繊維束に超音波を当てて広げる機構など、種々の機構を用いることができる。

【0027】

図２の例において、上記開繊機構は、樹脂フィルム２の一方の面に開繊後の強化繊維３を供給する機構と、樹脂フィルム２の他方の面に開繊後の強化繊維３を供給する機構とを有する。前者の機構は、樹脂フィルム２の一方の面と当該面と接する加熱ローラ５１との間に強化繊維３を導入するように設けられ、後者の機構は、樹脂フィルム２の他方の面と当該面と接する加熱ローラ５１との間に強化繊維３を導入するように設けられる。

【0028】

加熱ローラ５１は、電気ヒータもしくは加熱媒体等により加熱された高温のローラである。加熱ローラ５１は、樹脂フィルム２およびその両面に導入された強化繊維３を無端ベルト５４を介して両側から挟み込みつつ加熱することにより、強化繊維３を樹脂フィルム２に連続的に含浸させる。強化繊維３は、一方向（図２の上下方向）に引き揃えられた状態で樹脂フィルム２に含浸される。

【0029】

冷却ローラ５２は、冷却媒体等により冷却された低温のローラである。冷却ローラ５２は、強化繊維３が含浸された状態の樹脂フィルム２を無端ベルト５４を介して両側から挟み込みながら冷却することにより、強化繊維３を樹脂フィルム２に固定する。これにより、樹脂フィルム２（マトリックス樹脂）と強化繊維３とが一体化された繊維強化樹脂シート１が成形される。

【0030】

引き出しローラ５５は、成形された繊維強化樹脂シート１に張力を付与しつつこれを下方へ引き出すローラである。

【0031】

巻き取り用のボビン５６は、繊維強化樹脂シート１を巻き取るための芯材である。ボビン５６は、モータ等の駆動源により回転駆動され、引き出しローラ５５により引き出された繊維強化樹脂シート１を順次巻き取ることにより、繊維強化樹脂シート１をロール状に纏める。

【0032】

以上の工程により繊維強化樹脂シート１が完成する。この繊維強化樹脂シート１における強化繊維３の目付量、つまり樹脂フィルム２に対しその単位面積あたりに含浸される強化繊維３の重量は、２５ｇ／ｍ^２以上６０ｇ／ｍ^２以下に設定される。言い換えると、上述したシート製造装置５０の開繊機構は、強化繊維３の目付量が２５～６０ｇ／ｍ^２になるように樹脂フィルム２の両面に規定の密度で強化繊維３を供給する。なお、必要な場合、上述した一連の工程（樹脂フィルム２の両面に強化繊維３を供給、含浸させる処理）を複数回繰り返すことにより、上記目付量を達成するようにしてもよい。

【0033】

強化繊維３の体積含有率、つまり強化繊維３が占める体積を繊維強化樹脂シート１全体の体積で割った値（Ｖｆ値）は、６０％以上７５％以下に設定される。すなわち、５～１５μｍの厚みを有する樹脂フィルム２に対し強化繊維３が上述した目付量（２５～６０ｇ／ｍ^２）で含浸されることにより、強化繊維３の体積含有率が６０～７５％に設定されている。

【0034】

強化繊維の目付量および体積含有率がそれぞれ上記各範囲に収められることにより、繊維強化樹脂シート１の厚みは、３０μｍ以上６５μｍ以下に設定される。このような厚みの繊維強化樹脂シート１は、ロール状に纏めるのに支障のない高い柔軟性を有する。

【0035】

（繊維強化複合材の成形）
以上のようにして繊維強化樹脂シート１の成形が完了すると、次の工程Ｓ２において、繊維強化樹脂シート１を積層して繊維強化複合材１０を成形する（シート積層工程）。このシート積層工程では、図３に示すように、繊維強化樹脂シート１から所定形状に切り出された複数の基材シート１Ａを、その繊維方向Ｘが平面視で互いに角度差を有する状態で積層することにより、数ｍｍ程度（例えば２ｍｍ）の厚みを有する板状の繊維強化複合材１０を成形する。なお、繊維方向Ｘとは、基材シート１Ａ（繊維強化樹脂シート１）に含有される強化繊維３の配向方向のことである。

【0036】

具体的に、シート積層工程Ｓ２では、上述したシート成形工程Ｓ１により成形された繊維強化樹脂シート１（ロール状に纏められた長尺状の繊維強化樹脂シート１）をカットして、適宜の形状、サイズを有する複数の基材シート１Ａを切り出す。そして、切り出された複数の基材シート１Ａを厚み方向に積み重ねる。このとき、厚み方向に隣接する基材シート１Ａの繊維方向Ｘが互い違いになるように基材シート１Ａを積み重ねる。言い換えると、複数の基材シート１Ａは、平面視における繊維方向Ｘの角度が隣接するシート間で必ず異なるような状態で積み重ねられる。

【0037】

図３では、矩形状に形成された複数の基材シート１Ａを繊維方向Ｘの角度が平面視で４５°ずつずれるように積み重ねた例を示している。すなわち、シート積層工程Ｓ２において積層される複数の基材シート１Ａは、繊維方向Ｘの角度が０°になる第１基材シート１Ａａと、繊維方向Ｘの角度が４５°になる第２基材シート１Ａｂと、繊維方向Ｘの角度が９０°になる第３基材シート１Ａｃと、繊維方向Ｘの角度が１３５°になる第４基材シート１Ａｄとを含む。

【0038】

上記のような状態で基材シート１Ａを積み重ねた後、さらに、当該基材シート１Ａを例えば厚み方向に加圧しつつ加熱することにより、各基材シート１Ａを互いに熱融着させる処理を施す。これにより、複数の基材シート１Ａが一体に積層された板状の繊維強化複合材１０が成形される。基材シート１Ａの積層枚数は、繊維強化複合材１０の厚みが数ｍｍ程度になるように設定される。

【0039】

（プレス成形）
以上のようにして繊維強化複合材１０の成形が完了すると、次の工程Ｓ３において、図４に示す熱プレス機６０を用いて繊維強化複合材１０をプレス加工し、所定形状の成形品３０を成形する（プレス工程）。

【0040】

具体的に、プレス工程Ｓ３では、図４に示すように、板状の繊維強化複合材１０を複数枚用意し、これを厚み方向に積み重ねつつ熱プレス機６０の金型内に配置する。繊維強化複合材１０は、いずれも上述した積層工程Ｓ２によって成形された板材であり、数ｍｍ程度の厚みを有している。

【0041】

図４に示すように、熱プレス機６０は、パンチ６１およびダイ６２を備える。ダイ６２は、繊維強化複合材１０を受け入れ可能な凹部６２ａを有する金型（雌型）である。パンチ６１は、ベース部６１ａと当該ベース部６１ａの下面に突設された挿入部６１ｂとを有する金型（雄型）である。繊維強化複合材１０は、互いに積み重ねられた状態でダイ６２の凹部６２ａ内に配置される。ダイ６２には、凹部６２ａ内の繊維強化複合材１０を高温に加熱するためのヒータ（図示省略）が取り付けられている。

【0042】

上記のようにして繊維強化複合材１０のプレス金型への投入が完了すると、次に、繊維強化複合材１０を加熱しつつダイ６２にパンチ６１を押し込む本加工（型締め）を行うことにより、成形品３０を成形する。具体的には、上記ヒータによるダイ６２の加熱を通じて繊維強化複合材１０を所定の温度まで上昇させるとともに、パンチ６１の挿入部６１ｂをダイ６２の凹部６２ａに挿入した状態で図外の加圧装置によりパンチ６１を下方に押圧し、繊維強化複合材１０を加圧する（図４（ｂ）参照）。この加熱および加圧は、繊維強化複合材１０を軟化および変形させる。

【0043】

図４（ｃ）は、パンチ６１がストロークエンドまで押し付けられた状態を示している。この状態でパンチ６１とダイ６２との間に区画される空間（つまり成形キャビティ）は、変形した繊維強化複合材１０によって満たされる。すなわち、成形キャビティに対応した形状に繊維強化複合材１０が変形することにより、繊維強化樹脂製の成形品３０が得られる。成形品３０は、所定の冷却期間をおいた後、パンチ６１をダイ６２から抜き出した状態でダイ６２から取り出される。

【0044】

（作用効果等）
以上説明したとおり、本発明の第１実施形態では、成形品３０を成形する材料として、複数の繊維強化樹脂シート１（基材シート１Ａ）が積層されてなる繊維強化複合材１０が用いられるとともに、各繊維強化樹脂シート１として、強化繊維３が６０～７５％の体積含有率で含まれたシートが用いられるので、高い強度を有する成形品３０を良好な成形性で製造できるという利点がある。

【0045】

具体的に、上記第１実施形態では、５～１５μｍという比較的薄い樹脂フィルム２の両面に強化繊維３を積層することで繊維強化樹脂シート１が成形され、しかも当該強化繊維３の樹脂フィルム２に対する目付量が２５～６０ｇ／ｍ^２に設定される。これにより、繊維強化樹脂シート１の成形不良を防止しつつ当該シート１中の強化繊維３の体積含有率（Ｖｆ値）を６０～７５％まで高めることができる。

【0046】

すなわち、樹脂フィルム２の両面に強化繊維３が積層されるという構造上、樹脂フィルム２の各面（一面および他面）に対する強化繊維３の積層量を過度に増やさなくても、全体として２５～６０ｇ／ｍ^２という目付量を達成することが可能になる。このため、成形時の加熱および加圧によって樹脂フィルム２の各面に強化繊維３を十分に含浸させることができ、樹脂フィルム２と強化繊維３との結合強度を高めることができる。しかも、樹脂フィルム２の厚みが５～１５μｍと薄いため、加熱により樹脂フィルム２が迅速に軟化し、強化繊維３を樹脂フィルム２の内部までしっかり含浸させることができる。このことは、成形後に強化繊維３がばらけるなどの不良が生じるのを防止することにつながる。そして、これらの条件下で６０～７５％という高い体積含有率（Ｖｆ値）の繊維強化樹脂シート１が実現される結果、当該繊維強化樹脂シート１を用いて成形される成形品の強度（繊維強化複合材１０およびこれを用いて成形される成形品３０の強度）を十分に高めることができる。

【0047】

特に、上記第１実施形態では、繊維強化樹脂シート１から繊維強化複合材１０を成形する際に、繊維方向Ｘ（強化繊維３の配向方向）が平面視で互いに角度差を有する状態で複数の繊維強化樹脂シート１が積層されるので、繊維強化複合材１０に対し強化繊維３による補強効果を複数の異なる方向に及ぼすことができ、繊維強化複合材１０ひいては成形品３０の機械的性質を向上させることができる。

【0048】

なお、上記第１実施形態では、繊維強化樹脂シート１（基材シート１Ａ）から繊維強化複合材１０を成形する際に、複数の繊維強化樹脂シート１を、隣接するシート間で繊維方向Ｘが必ず異なる（例えば繊維方向Ｘが４５°ずつずれる）状態で積層したが、繊維方向Ｘを複数枚おきにずらしながら積層することも可能である。

【0049】

（２）第２実施形態
図５は、本発明の第２実施形態に係る成形品を製造する方法を示す工程図である。この第２実施形態の成形品は、先の第１実施形態の成形品３０（図４）と同様に、強化繊維が含有された合成樹脂製の成形品（複合成形品）であり、図５に示す各工程（Ｓ１１～Ｓ１４）により製造される。

【0050】

（繊維強化樹脂シートの成形）
工程Ｓ１１は、図２に示した繊維強化樹脂シート１を成形する工程（シート成形工程）である。すなわち、このシート成形工程Ｓ１１では、繊維強化樹脂シート１として、熱可塑性の樹脂フィルム２と、当該樹脂フィルム２に一方向に引き揃えられた状態で含浸される多数の強化繊維３を含むＵＤシート（ＦＲＴＰシート）を成形する。樹脂フィルム２の厚みは５～１５μｍであり、強化繊維３の目付量は２５～６０ｇ／ｍ^２であり、強化繊維３の体積含有率は６０～７５％であり、繊維強化樹脂シート１の厚みは３０～６５μｍである。このシート成形工程Ｓ１１の手順は、先の第１実施形態におけるシート成形工程Ｓ１と同様であるため、その詳細な説明は省略する。

【0051】

（チョップ材の作製）
以上のようにして繊維強化樹脂シート１の成形が完了すると、次の工程Ｓ１２において、繊維強化樹脂シート１から図６に示すチョップ材１Ｂを切り出す（チョップ材作製工程）。このチョップ材作製工程Ｓ１２では、繊維強化樹脂シート１を長手方向および幅方向に切断することにより、所定サイズの長方形状のチョップ材１Ｂを多数作製する。具体的には、次のような手順でチョップ材１Ｂを作製する。

【0052】

まず、図６に示すように、長手方向に延びる切込みＣ１を形成する。すなわち、繊維強化樹脂シート１を長手方向に送り出しながら、その送り経路の途中の区間Ｉにおいて、長手方向に連続する多数の切込みＣ１を形成する。切込みＣ１は、例えば、繊維強化樹脂シート１の幅方向に等間隔に並ぶ多数の刃を含む切断装置を用いて形成することができる。

【0053】

次いで、続く区間IIにおいて、繊維強化樹脂シート１の幅方向の一端から他端まで連続する切込みＣ２を形成する。切込みＣ２は、例えばロータリーカッター等を用いて形成することができる。切込みＣ２は、繊維強化樹脂シート１が長手方向に一定距離ずつ送り出される度に形成される。これにより、切込みＣ１のピッチに相当する長さの短辺と切込みＣ２のピッチに相当する長さの長辺とを有する長方形状の多数のチョップ材１Ｂが切り出される。

【0054】

上述したように、繊維強化樹脂シート１は、その長手方向に配向された多数の強化繊維３を含有する熱可塑性樹脂シートである。このため、当該繊維強化樹脂シート１から切り出された各チョップ材１Ｂも、その長手方向（長辺の方向）に配向された多数の強化繊維３を含有している。すなわち、チョップ材１Ｂは、熱可塑性の樹脂フィルム２と、当該樹脂フィルム２（マトリックス樹脂）に同一方向に配向された状態で含浸された多数の強化繊維３とを有している。

【0055】

チョップ材１Ｂのサイズは、後述するプレス工程（Ｓ１４）での材料の賦形性等を考慮した適宜のサイズに定められる。具体的に、チョップ材１Ｂは、短辺の長さが２ｍｍ以上５０ｍｍ以下で、かつ長辺の長さが２ｍｍ以上８０ｍｍ以下の長方形状に形成される。好適な例として、チョップ材１Ｂは、５×２０ｍｍの長方形状に形成される。なお、チョップ材１Ｂの厚みは、繊維強化樹脂シート１の厚みと同一であり、３０μｍ以上６５μｍ以下である。

【0056】

（繊維強化複合材の成形）
以上のようにしてチョップ材１Ｂの作製が完了すると、次の工程Ｓ１３において、チョップ材１Ｂを積層して互いに一体化することにより、図７に示す繊維強化複合材２０を成形する（チョップ材積層工程）。このチョップ材積層工程Ｓ１３では、熱可塑性樹脂製のキャリアシート２１の上面に多数のチョップ材１Ｂを二次元的にランダムに配置しつつ積層、固定し、繊維強化複合材２０を成形する。具体的には、次のような手順で繊維強化複合材２０を成形する。

【0057】

まず、図７に示すように、キャリアシート２１をその長手方向に送り出しながら、当該キャリアシート２１の上面に多数のチョップ材１Ｂを分散させつつ配置する。このチョップ材１Ｂの分散配置は、例えばキャリアシート２１の上方からチョップ材１Ｂを振動させつつ落下させる落下装置を用いて行うことができる。そして、このような落下装置を用いたチョップ材１Ｂの落下操作をキャリアシート２１の送り方向の複数個所で繰り返すことにより、キャリアシート２１上のチョップ材１Ｂの密度および積層枚数を増やしていく。すなわち、キャリアシート２１の長手方向の複数の区間XI，XII，XIII‥‥において、上記落下装置を用いたチョップ材１Ｂの落下操作を繰り返し行うことにより、各チョップ材１Ｂに含有される強化繊維３の繊維方向（換言すればチョップ材１Ｂの長手方向）が水平面上で種々の方向にばらつき、かつ厚み方向に複数枚のチョップ材１Ｂが積み重なるように、キャリアシート２１の上に多数のチョップ材１Ｂを積層する。

【0058】

次に、図外の加熱ローラを用いてキャリアシート２１およびその上のチョップ材１Ｂを加圧および加熱し、キャリアシート２１とチョップ材１Ｂとを互いに一体化する。すなわち、上記加熱ローラを用いた加圧および加熱により、キャリアシート２１とチョップ材１Ｂとを結合（融着）するとともに、積層されたチョップ材１Ｂどうしを互いに結合（融着）する。この結合により、キャリアシート２１と多数のチョップ材１Ｂとが一体化されたシートが成形される。そして、当該シートを適宜の形状、サイズにカットしたものを、繊維強化複合材２０として得る。繊維強化複合材２０の厚み、つまりキャリアシート２１とその上に積層されたチョップ材１Ｂとの合計の厚みは、数ｍｍ程度（例えば２ｍｍ）に設定される。言い換えると、チョップ材１Ｂの積層枚数は、繊維強化複合材２０の厚みが数ｍｍ程度になるような枚数に設定される。

【0059】

キャリアシート２１の材質としては、基本的にチョップ材１Ｂのマトリックス樹脂（つまり樹脂フィルム２）と同一の熱可塑性樹脂を用いることができる。ただし、熱可塑性樹脂である限り種々の材質のキャリアシート２１を使用可能であり、チョップ材１Ｂとは異なる材質のキャリアシート２１を用いてもよい。

【0060】

なお、図７では、キャリアシート２１の上面のみにチョップ材１Ｂを積層して繊維強化複合材２０を作製する場合を例示したが、キャリアシート２１の両面にチョップ材１Ｂを積層することも当然に可能である。この場合は、キャリアシート２１にチョップ材１Ｂを積層、固定する処理（つまりチョップ材１Ｂを多重にランダム配置して加圧・加熱する処理）を、キャリアシート２１の上面および下面に対し順に行うとよい。すなわち、キャリアシート２１の上面にチョップ材１Ｂを積層、固定した後、キャリアシート２１の下面が上にくるようにキャリアシート２１を裏返し、その状態でチョップ材１Ｂを積層、固定する作業を同様に繰り返すことにより、キャリアシート２１の両面にチョップ材１Ｂが積層された繊維強化複合材２０を作製することができる。

【0061】

（プレス成形）
以上のようにして繊維強化複合材２０の成形が完了すると、次の工程Ｓ１４において、図４に示した熱プレス機６０を用いて繊維強化複合材２０をプレス加工し、所定形状の成形品３０を成形する（プレス工程）。このプレス工程Ｓ１４の手順は、先の第１実施形態におけるプレス工程Ｓ３と同様であるため、その詳細な説明は省略する。

【0062】

（作用効果等）
以上説明したように、本発明の第２実施形態では、成形品３０を成形する材料として、繊維強化樹脂シート１から切り出されて積層された多数のチョップ材１Ｂを含む繊維強化複合材２０が用いられるとともに、繊維強化樹脂シート１として、強化繊維３が６０～７５％の体積含有率で含まれたシートが用いられるので、上述した第１実施形態と同様に、高い強度を有する成形品３０を良好な成形性で製造できるという利点がある。

【0063】

特に、上記第２実施形態では、短辺の長さが２～５０ｍｍでかつ長辺の長さが２～８０ｍｍの長方形状に切り出された多数のチョップ材１Ｂが用意され、しかも各チョップ材１Ｂに含有される強化繊維３の繊維方向が二次元的にランダムになる状態でチョップ材１Ｂが積層されることにより、繊維強化複合材２０が成形されるので、当該繊維強化複合材２０の機械的性質に十分な等方性（疑似等方性）を付与することができ、強化繊維３による好ましい補強効果を得ることができる。

【0064】

なお、上記第２実施形態では、熱可塑性樹脂製のキャリアシート２１の上に多数のチョップ材１Ｂを積層、固定することにより繊維強化複合材２０を成形したが、キャリアシート２１は省略してもよい。すなわち、繊維強化複合材２０として、互いに積層、固定されたチョップ材１Ｂのみからなる複合材を成形することも可能である。

【0065】

（３）実施例
次に、上述した第１実施形態または第２実施形態で述べた方法（図１のステップＳ１または図５のステップＳ１１）により製造された繊維強化樹脂シート１の実施例について説明する。ここで説明する実施例は、図２に示したシート製造装置５０を用いて、下記の製造条件により製造した繊維強化樹脂シート１である。

【0066】

（製造条件）
フィルム材料‥‥ナイロン９Ｔ（ＰＡ９Ｔ）
フィルム成形条件‥‥２９０～３１０℃の成形温度で押出成形
ロール温度‥‥２８０℃
送り線速‥‥２０ｍ／ｍｉｎ
ここで、フィルム材料およびフィルム成形条件とは、樹脂フィルム２の材料および成形条件のことであり、ロール温度とは、シート製造装置５０における加熱ローラ５１の温度のことであり、送り線速とは、シート製造装置５０において強化繊維３を樹脂フィルム２に送り出す速度のことである。

【0067】

本実施例の作製にあたっては、強化繊維３として下記材料１～３のいずれかを使用した。

【0068】

（強化繊維の材料）
材料１‥‥繊維径７μｍ、本数１２０００、繊度８００ｔｅｘの炭素繊維
材料２‥‥繊維径５μｍ、本数２４０００、繊度１０３０ｔｅｘの炭素繊維
材料３‥‥繊維径７μｍ、本数１５０００、繊度１０００ｔｅｘの炭素繊維

【0069】

上記材料１～３のいずれかからなる強化繊維３を用いて、上述した製造条件により繊維強化樹脂シート１を製造し、図８に示す実施例１～８を得た。図８には、実施例１～８について、フィルム厚、目付量、体積含有率、およびシート厚の各パラメータが示されている。なお、フィルム厚とは、樹脂フィルム２の厚み（μｍ）のことであり、目付量とは、樹脂フィルム２に対する強化繊維３の目付量（ｇ／ｍ^２）のことであり、体積含有率とは、繊維強化樹脂シート１中の強化繊維３の体積含有率（％）のことであり、シート厚とは、繊維強化樹脂シート１の厚み（μｍ）の実測値のことである。

【0070】

図８に示すように、実施例１～８の場合、樹脂フィルム２の厚みはいずれも５～１５μｍの範囲に含まれ、強化繊維３の目付量はいずれも２５～６０ｇ／ｍ^２の範囲に含まれ、強化繊維３の堆積含有率はいずれも６０～７５％の範囲に含まれ、繊維強化樹脂シート１の厚みはいずれも３０～６５μｍの範囲に含まれる。なお、以下では、これらの各範囲のことを総称してターゲット範囲という。

【0071】

ここで、樹脂フィルム２と強化繊維３の目付量との関係に着目すると、両者は、大まかに言って、樹脂フィルム２の厚みが大きいほど強化繊維３の目付量が大きくなる関係にある。すなわち、樹脂フィルム２の厚みが１０ｍｍの場合（実施例２，３，６）の目付量は、当該厚みが５ｍｍの場合（実施例１，８）の目付量よりも平均的に大きく、樹脂フィルム２の厚みが１５ｍｍの場合（実施例４，５，７）の目付量は、当該厚みが１０ｍｍの場合（実施例２，３，６）の目付量よりも平均的に大きい。そして、このように樹脂フィルム２の厚みに応じて強化繊維３の目付量が調整された結果、強化繊維３の堆積含有率がいずれも上記ターゲット範囲（６０～７５％）に収められ、かつ繊維強化樹脂シート１の厚みも上記ターゲット範囲（３０～６５μｍ）に収められている。

【0072】

図８には、各実施例において成形不良が生じたか否かの確認結果も併せて示している。図８に示すように、実施例１～８にはいずれも成形不良は確認されなかった（後述する不良１～３のいずれも確認されず）。すなわち、実施例１～８は、成形不良が生じず、しかも強化繊維３の体積含有率が６０％以上と高いため、繊維強化複合材用の材料として優れていることが理解される。

【0073】

一方、図９には、成形不良、もしくは強化繊維３の体積含有率が６０％を下回る繊維不足が生じたいくつかの例を比較例１～５として示している。すなわち、比較例１～５では、フィルム厚、目付量、体積含有率、およびシート厚の各パラメータが上記ターゲット範囲から外れており（グレー背景のセルの数値はターゲット範囲から外れたパラメータを示している）、このパラメータのずれに起因して、成形不良（不良１～３）もしくは繊維不足が生じている。なお、不良１とは、強化繊維３と樹脂フィルム２との結合が弱いことで強化繊維３の剥離が起きる不良であり、不良２とは、シート幅方向に強化繊維３の密度が大きくばらつく不良であり、不良３とは、樹脂フィルム２自体（強化繊維３を含浸させる前の樹脂フィルム２）に生じる不良である。

【0074】

例えば、比較例１では、強化繊維３の目付量は上記ターゲット範囲内であるものの、樹脂フィルム２の厚みが上記ターゲット範囲よりも大きい（１５μｍを超える）ことで、強化繊維３の体積含有率が上記ターゲット範囲（６０～７５％）を下回る繊維不足が生じている。このことは、繊維強化樹脂シート１を用いて繊維強化複合材を成形したときに、この繊維強化複合材の強度を十分に高められないことを意味する。

【0075】

比較例２では、強化繊維３の目付量が上記ターゲット範囲よりも大きい（６０ｇ／ｍ^２を超える）ことで、強化繊維３の剥離が起きる不良１が生じている。これは、強化繊維３の量に対して樹脂フィルム２の樹脂量が少なすぎたことが原因であると考えられる。

【0076】

比較例３では、樹脂フィルム２の厚みおよび強化繊維３の目付量の双方が上記ターゲット範囲を下回ることで、幅方向の繊維密度のばらつきが過大になる不良２と、樹脂フィルム２の成形不良である不良３との双方が生じている。また繊維強化樹脂シート１の厚みも上記ターゲット範囲から外れる結果になっている。

【0077】

比較例４，５では、強化繊維３の目付量が上記ターゲット範囲よりも小さい（６０ｇ／ｍ^２を下回る）ことで、幅方向の繊維密度のばらつきが過大になる不良２が生じている。さらに、比較例５については、強化繊維３の体積含有率が過少になる（６０％を下回る）繊維不足も生じている。

【0078】

以上のことから、成形性を確保しつつ強化繊維３の含有率を十分に高めるには、上記各パラメータをそれぞれターゲット範囲に収めることが必要であることが逆説的に理解される。

【0079】

次に、繊維強化複合材の実施例および比較例について説明する。ここでは、上述した実施例または比較例の繊維強化樹脂シート１を用いて成形した厚さ２ｍｍの板状の繊維強化複合材を、実施例９～１１および比較例６，７として得た。それぞれの特性を図１０に示す。

【0080】

実施例９は、上述した実施例６の繊維強化樹脂シート１を上述した第１実施形態（図３）の方法で積層することにより得られた繊維強化複合材１０である。すなわち、実施例９の繊維強化複合材１０は、複数の実施例６の繊維強化樹脂シート１を繊維方向Ｘの角度が４５°ずつずれるように積層（４軸積層）したものであり、厚さ２ｍｍの板状の複合材である。

【0081】

実施例１０は、材料として使用するシートが実施例４の繊維強化樹脂シート１である以外は、実施例９と同様である。

【0082】

比較例６も、材料として使用するシートが比較例１の繊維強化樹脂シート１である以外は、実施例９と同様である。

【0083】

実施例１１は、上述した実施例６の繊維強化樹脂シート１を上述した第２実施形態（図７）の方法で積層することにより得られた繊維強化複合材２０である。すなわち、実施例１１の繊維強化複合材２０は、複数の実施例６の繊維強化樹脂シート１から切り出された長方形状（ここでは５×２０ｍｍの）の多数のチョップ材１Ｂをキャリアシート２１の上面に積層したものであり、厚さ２ｍｍの板状の複合材である。

【0084】

比較例７は、材料として使用するシートが比較例１の繊維強化樹脂シート１である以外は、実施例１１と同様である。

【0085】

実施例９、実施例１０、および比較例６は、繊維強化樹脂シート１のみを材料として成形した繊維強化複合材１０であるから、当該繊維強化複合材１０における強化繊維３の体積含有率は、材料とする繊維強化樹脂シート１（実施例６、実施例４、比較例１）のそれと同一である。一方、実施例１１および比較例７は、繊維強化樹脂シート１をチョップ材１Ｂにしてからキャリアシート２１上に積層することで成形した繊維強化複合材２０であるから、当該繊維強化複合材２０における強化繊維３の体積含有率は、材料とする繊維強化樹脂シート１（実施例６、比較例１）のそれよりもやや小さくなる。これは、キャリアシート２１の分だけ樹脂成分が増えたからである。

【0086】

上述した実施例９～１１および比較例６，７について引張試験および曲げ試験を行い、引張強度および引張弾性率と、曲げ強度および曲げ弾性率とをそれぞれ測定した。引張試験は、幅２５ｍｍ、長さ２５０ｍｍ、厚さ２ｍｍの試験片を長手方向に引っ張ることで行った。曲げ試験は、幅１５ｍｍ、長さ１００ｍｍ、厚さ２ｍｍの試験片にいわゆる４点曲げを施すことで行った。それぞれの試験の結果を図１０に示す。本図に示すように、引張強度および曲げ強度は、図３に示した第１実施形態の方法（４軸シート積層）により成形されたもの（実施例９，１０、比較例６）の方が、図７に示した第２実施形態の方法（チョップ材積層）により成形されたもの（実施例１１、比較例７）よりも高い。これは、前者の方が後者よりも、含有される強化繊維３の長さが平均的に長いからと考えられる。一方、後者については、含有される強化繊維３の長さは短いものの、繊維方向に十分なランダムさが付与されるので、機械的性質の等方性が高いということができる。

【0087】

第１実施形態の方法（４軸シート積層）により成形されたもの（実施例９，１０、比較例６）どうしを比較すると、比較例６よりも実施例９，１０の方が強度（引張強度、曲げ強度）および弾性率（引張弾性率、曲げ弾性率）が高い。これは、実施例９，１０の強化繊維３の体積含有率の方が比較例６のそれよりも高いことが主な原因であると考えられる。

【0088】

同様に、第２実施形態の方法（チョップ材積層）により成形されたもの（実施例１１、比較例７）どうしを比較すると、比較例７よりも実施例１１の方が強度および弾性率が高い。これも、強化繊維３の体積含有率の差が主な原因と考えられる。

【0089】

以上より、実施例の繊維強化樹脂シートから成形した繊維強化複合材の方が、比較例の繊維強化樹脂シートから成形した繊維強化複合材よりも優れた機械的性質を有することが理解される。

【符号の説明】

【0090】

１ 繊維強化樹脂シート
１Ｂ チョップ材
２ 樹脂フィルム
３ 強化繊維
３’ 繊維束
１０ 繊維強化複合材
２０ 繊維強化複合材
３０ 成形品

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】