(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】2023-09-06
(45)【発行日】2023-09-14
(54)【発明の名称】繊維強化樹脂成形材料および成形品
(51)【国際特許分類】
C08J 5/06 20060101AFI20230907BHJP
【ＦＩ】
C08J5/06
【請求項の数】
13
(21)【出願番号】P 2020549239
(86)(22)【出願日】2019-09-24
(86)【国際出願番号】 JP2019037367
(87)【国際公開番号】W WO2020067058
(87)【国際公開日】2020-04-02
【審査請求日】2022-09-08
(31)【優先権主張番号】P 2018184573
(32)【優先日】2018-09-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000003159
【氏名又は名称】東レ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100091384
【弁理士】
【氏名又は名称】伴 俊光
(74)【代理人】
【識別番号】100125760
【弁理士】
【氏名又は名称】細田 浩一
(72)【発明者】
【氏名】大野 泰和
(72)【発明者】
【氏名】橋本 貴史
(72)【発明者】
【氏名】下山 明
(72)【発明者】
【氏名】本橋 哲也
【審査官】横山 敏志
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１８／１４３０６８（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１５／１１５２２５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１３／０９４７０６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】欧州特許出願公開第０３７３３３９８（ＥＰ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ０８Ｊ ５／０４ － ５／１０
Ｃ０８Ｊ ５／２４
Ｂ２９Ｂ １１／１６
Ｂ２９Ｂ １５／０８ －１５／１４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
チョップド繊維束［Ａ］にマトリックス樹脂［Ｂ］を含浸させてなる繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］であって、前記繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］の厚み方向において、３層以上の積層構成を有し、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維長Ｌａｏおよび数平均繊維束幅Ｗａｏと、中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維長Ｌａｍおよび数平均繊維束幅Ｗａｍが、下記（数式１）、（数式２）および（数式４）を満たすことを特徴とする、繊維強化樹脂成形材料。（数式１） Ｌａｏ＞Ｌａｍ
（数式２） Ｗａｏ＞Ｗａｍ
（数式４） １．０５＜Ｌａｏ／Ｌａｍ＜１．３０
【請求項2】
チョップド繊維束［Ａ］にマトリックス樹脂［Ｂ］を含浸させてなる繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］であって、前記繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］の厚み方向において、３層以上の積層構成を有し、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維長Ｌａｏおよび数平均繊維束幅Ｗａｏと、中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維長Ｌａｍおよび数平均繊維束幅Ｗａｍが、下記（数式１）、（数式２）および（数式５）を満たすことを特徴とする、繊維強化樹脂成形材料。（数式１） Ｌａｏ＞Ｌａｍ
（数式２） Ｗａｏ＞Ｗａｍ
（数式５） １．０５＜Ｗａｏ／Ｗａｍ＜１．５０
【請求項3】
前記最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維束厚みＴａｏと、前記中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維束厚みＴａｍが、さらに（数式３）を満たすことを特徴とする、請求項１または２に記載の繊維強化樹脂成形材料。（数式３） Ｔａｏ＞Ｔａｍ
【請求項4】
前記繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］の厚み方向における、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維束厚みＴａｏと、中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維束厚みＴａｍが、下記（数式６）を満たすことを特徴とする、請求項３に記載の繊維強化樹脂成形材料。（数式６） １．０１＜Ｔａｏ／Ｔａｍ＜２．００
【請求項5】
チョップド繊維束［Ａ］にマトリックス樹脂［Ｂ］を含浸させてなる繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］であって、前記繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］の厚み方向において、３層以上の積層構成を有し、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維長Ｌａｏおよび数平均繊維束厚みＴａｏと、中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維長Ｌａｍおよび数平均繊維束厚みＴａｍが、下記（数式１）、（数式３）および（数式４）を満たすことを特徴とする、繊維強化樹脂成形材料。（数式１） Ｌａｏ＞Ｌａｍ
（数式３） Ｔａｏ＞Ｔａｍ
（数式４） １．０５＜Ｌａｏ／Ｌａｍ＜１．３０
【請求項6】
チョップド繊維束［Ａ］にマトリックス樹脂［Ｂ］を含浸させてなる繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］であって、前記繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］の厚み方向において、３層以上の積層構成を有し、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維長Ｌａｏおよび数平均繊維束厚みＴａｏと、中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維長Ｌａｍおよび数平均繊維束厚みＴａｍが、下記（数式１）、（数式３）および（数式５）を満たすことを特徴とする、繊維強化樹脂成形材料。（数式１） Ｌａｏ＞Ｌａｍ
（数式３） Ｔａｏ＞Ｔａｍ
（数式５） １．０５＜Ｗａｏ／Ｗａｍ＜１．５０
【請求項7】
チョップド繊維束［Ａ］にマトリックス樹脂［Ｂ］を含浸させてなる繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］であって、前記繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］の厚み方向において、３層以上の積層構成を有し、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維長Ｌａｏおよび数平均繊維束厚みＴａｏと、中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維長Ｌａｍおよび数平均繊維束厚みＴａｍが、下記（数式１）および（数式６）を満たすことを特徴とする、繊維強化樹脂成形材料。（数式１） Ｌａｏ＞Ｌａｍ
（数式６） １．０１＜Ｔａｏ／Ｔａｍ＜２．００
【請求項8】
前記チョップド繊維束［Ａ］の数平均繊維長Ｌａが３ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内であることを特徴とする、請求項１～７のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料。
【請求項9】
前記チョップド繊維束［Ａ］の数平均繊維束幅Ｗａが０．１ｍｍ以上６０ｍｍ以下の範囲内であることを特徴とする、請求項１～８のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料。
【請求項10】
前記チョップド繊維束［Ａ］の数平均繊維束厚みＴａが０．０１ｍｍ以上０．５０ｍｍ以下の範囲内であることを特徴とする、請求項１～９のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料。
【請求項11】
前記チョップド繊維束［Ａ］のカット角度θが０°＜θ＜９０°の範囲内であることを特徴とする、請求項１～１０のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料。
【請求項12】
前記マトリックス樹脂［Ｂ］が、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂および不飽和ポリエステル樹脂から選ばれる熱硬化性樹脂であることを特徴とする、請求項１～１１のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料。
【請求項13】
請求項１～１２のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料を圧縮成形して得られる成形品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、連続強化繊維の繊維束を切断しシート状に堆積させたチョップド繊維束にマトリックス樹脂を含浸させてなる繊維強化樹脂成形材料と、それより得られる成形品に関するものである。
【背景技術】
【0002】
連続強化繊維を切断した不連続強化繊維のチョップド繊維束をランダムに分散させたチョップド繊維束マットと、マトリックス樹脂からなる繊維強化樹脂成形材料を用いて、加熱・加圧成形により、３次元形状等の複雑な形状の繊維強化プラスチックを成形する技術が知られている。これらの成形技術としては、シートモールディングコンパウンド（以下、ＳＭＣ）がある。
【0003】
ＳＭＣ等の繊維強化樹脂成形材料を用いた成形品は、例えば１２．５ｍｍ程度に切断したチョップド繊維束からなるチョップド繊維束マットに熱硬化性樹脂であるマトリックス樹脂を含浸せしめたＳＭＣシートは、加熱型プレス機を用いて加熱加圧することにより得られる。多くの場合、加圧前にＳＭＣシートを成形体より小さく切断して金型に配置し、加圧により成形体の形状に流動させて成形を行うため、３次元形状等の複雑な形状にも追従可能となる。しかしながら、ＳＭＣシートはそのシート化工程において、チョップド繊維束の流動性が悪い場合に、繊維束が十分に引き伸ばされないまま固まり、配向ムラが生じてしまうため、力学特性の低下やバラツキが大きくなるだけではなく、成形品のソリやヒケ等が発生しやすくなる課題があった。
【0004】
かかる課題を解決すべく、１，０００本以下の炭素繊維を切断したチョップド繊維束を分散させることにより、クラック発生や進展を抑制するＳＭＣシートを得ることが開示されている（特許文献１）。
【0005】
また、強化繊維の繊維束を拡幅した状態で切断し、扁平形状のチョップド繊維束を用いることにより、優れた力学特性を発現するＳＭＣシートの製造方法が開示されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開平０１－１６３２１８号公報
【文献】特開２００９－６２６４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献１では、１，０００本以下の炭素繊維からなるチョップド繊維束を用いてＳＭＣシートを作製するには、高価なフィラメント数の少ない炭素繊維を使用するか、または安価なフィラメント数の多い炭素繊維を分繊して使用するか、いずれにせよ経済性の問題があった。さらには、単にチョップド繊維束の集束本数を減らしただけでは、シート状に堆積させたチョップド繊維束がかさ高くなり、ＳＭＣ製造時にマトリックス樹脂の含浸を阻害するという問題点もあった。
【0008】
また、特許文献２では、扁平形状にすることによりチョップド繊維束の幅が大きくなるため、成形時の流動性を阻害する問題点があった。
【0009】
また、ＳＭＣシート等の繊維強化樹脂成形材料を、加熱型プレス機を用いて加熱加圧する際に、高温の金型面に接する最外層部分は樹脂の粘度低下により流動しやすくなるのに対して、熱が伝わりにくい中央層部分は樹脂の粘度低下が僅かであり流動しにくいため、十分な力学特性を発現できない問題があった。
【0010】
本発明は、かかる背景技術に鑑み、繊維強化樹脂成形材料とした場合に優れた流動性を発現し、繊維強化プラスチックとした場合に優れた力学特性を発現する繊維強化樹脂成形材料、成形品を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。
［１］チョップド繊維束［Ａ］にマトリックス樹脂［Ｂ］を含浸させてなる繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］であって、前記繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］の厚み方向において、３層以上の積層構成を有し、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維長Ｌａｏおよび数平均繊維束幅Ｗａｏと、中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維長Ｌａｍおよび数平均繊維束幅Ｗａｍが、下記（数式１）および（数式２）を満たすことを特徴とする、繊維強化樹脂成形材料。
（数式１） Ｌａｏ＞Ｌａｍ
（数式２） Ｗａｏ＞Ｗａｍ
［２］前記最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維束厚みＴａｏと、前記中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維束厚みＴａｍが、さらに（数式３）を満たすことを特徴とする、［１］に記載の繊維強化樹脂成形材料。
（数式３） Ｔａｏ＞Ｔａｍ
［３］チョップド繊維束［Ａ］にマトリックス樹脂［Ｂ］を含浸させてなる繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］であって、前記繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］の厚み方向において、３層以上の積層構成を有し、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維長Ｌａｏおよび数平均繊維束厚みＴａｏと、中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維長Ｌａｍおよび数平均繊維束厚みＴａｍが、下記（数式１）および（数式３）を満たすことを特徴とする、繊維強化樹脂成形材料。
（数式１） Ｌａｏ＞Ｌａｍ
（数式３） Ｔａｏ＞Ｔａｍ
［４］前記最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維束幅Ｗａｏと、前記中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維束幅Ｗａｍが、さらに下記（数式２）を満たすことを特徴とする、［３］に記載の繊維強化樹脂成形材料。
（数式２） Ｗａｏ＞Ｗａｍ
［５］前記繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］の厚み方向における、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維長Ｌａｏと、中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維長Ｌａｍが、下記（数式４）を満たすことを特徴とする、［１］～［４］のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料。
（数式４） １．０５＜Ｌａｏ／Ｌａｍ＜１．３０
［６］前記繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］の厚み方向における、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維束幅Ｗａｏと、中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維束幅Ｗａｍが、下記（数式５）を満たすことを特徴とする、［１］～［５］のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料。
（数式５） １．０５＜Ｗａｏ／Ｗａｍ＜１．５０
［７］前記繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］の厚み方向における、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維束厚みＴａｏと、中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維束厚みＴａｍが、下記（数式６）を満たすことを特徴とする、［１］～［６］のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料。
（数式６） １．０１＜Ｔａｏ／Ｔａｍ＜２．００
［８］前記チョップド繊維束［Ａ］の数平均繊維長Ｌａが３ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内であることを特徴とする、［１］～［７］のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料。
［９］前記チョップド繊維束［Ａ］の数平均繊維束幅Ｗａが０．１ｍｍ以上６０ｍｍ以下の範囲内であることを特徴とする、［１］～［８］のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料。
［１０］前記チョップド繊維束［Ａ］の数平均繊維束厚みＴａが０．０１ｍｍ以上０．５０ｍｍ以下の範囲内であることを特徴とする、［１］～［９］のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料。
［１１］前記チョップド繊維束［Ａ］のカット角度θが０°＜θ＜９０°の範囲内であることを特徴とする、［１］～［１０］のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料。
［１２］前記マトリックス樹脂［Ｂ］が、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂および不飽和ポリエステル樹脂から選ばれる熱硬化性樹脂であることを特徴とする、［１］～［１１］のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料。
［１３］［１］～［１２］のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料を圧縮成形して得られる成形品。
［１］チョップド繊維束［Ａ］にマトリックス樹脂［Ｂ］を含浸させてなる繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］であって、前記繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］の厚み方向において、３層以上の積層構成を有し、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維長Ｌａｏおよび数平均繊維束幅Ｗａｏと、中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維長Ｌａｍおよび数平均繊維束幅Ｗａｍが、下記（数式１）および（数式２）を満たすことを特徴とする、繊維強化樹脂成形材料。
（数式１） Ｌａｏ＞Ｌａｍ
（数式２） Ｗａｏ＞Ｗａｍ
［２］前記最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維束厚みＴａｏと、前記中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維束厚みＴａｍが、さらに（数式３）を満たすことを特徴とする、［１］に記載の繊維強化樹脂成形材料。
（数式３） Ｔａｏ＞Ｔａｍ
［３］チョップド繊維束［Ａ］にマトリックス樹脂［Ｂ］を含浸させてなる繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］であって、前記繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］の厚み方向において、３層以上の積層構成を有し、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維長Ｌａｏおよび数平均繊維束厚みＴａｏと、中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維長Ｌａｍおよび数平均繊維束厚みＴａｍが、下記（数式１）および（数式３）を満たすことを特徴とする、繊維強化樹脂成形材料。
（数式１） Ｌａｏ＞Ｌａｍ
（数式３） Ｔａｏ＞Ｔａｍ
［４］前記最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維束幅Ｗａｏと、前記中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維束幅Ｗａｍが、さらに下記（数式２）を満たすことを特徴とする、［３］に記載の繊維強化樹脂成形材料。
（数式２） Ｗａｏ＞Ｗａｍ
［５］前記繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］の厚み方向における、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維長Ｌａｏと、中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維長Ｌａｍが、下記（数式４）を満たすことを特徴とする、［１］～［４］のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料。
（数式４） １．０５＜Ｌａｏ／Ｌａｍ＜１．３０
［６］前記繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］の厚み方向における、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維束幅Ｗａｏと、中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維束幅Ｗａｍが、下記（数式５）を満たすことを特徴とする、［１］～［５］のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料。
（数式５） １．０５＜Ｗａｏ／Ｗａｍ＜１．５０
［７］前記繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］の厚み方向における、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維束厚みＴａｏと、中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維束厚みＴａｍが、下記（数式６）を満たすことを特徴とする、［１］～［６］のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料。
（数式６） １．０１＜Ｔａｏ／Ｔａｍ＜２．００
［８］前記チョップド繊維束［Ａ］の数平均繊維長Ｌａが３ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内であることを特徴とする、［１］～［７］のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料。
［９］前記チョップド繊維束［Ａ］の数平均繊維束幅Ｗａが０．１ｍｍ以上６０ｍｍ以下の範囲内であることを特徴とする、［１］～［８］のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料。
［１０］前記チョップド繊維束［Ａ］の数平均繊維束厚みＴａが０．０１ｍｍ以上０．５０ｍｍ以下の範囲内であることを特徴とする、［１］～［９］のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料。
［１１］前記チョップド繊維束［Ａ］のカット角度θが０°＜θ＜９０°の範囲内であることを特徴とする、［１］～［１０］のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料。
［１２］前記マトリックス樹脂［Ｂ］が、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂および不飽和ポリエステル樹脂から選ばれる熱硬化性樹脂であることを特徴とする、［１］～［１１］のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料。
［１３］［１］～［１２］のいずれかに記載の繊維強化樹脂成形材料を圧縮成形して得られる成形品。
【発明の効果】
【0012】
本発明の繊維強化樹脂成形材料は優れた流動性を発現し、成形品とした場合に優れた力学特性を発現する。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】本発明で用いられるチョップド繊維束の２次元平面投影図の一例であり、チョップド繊維束の繊維長、繊維束幅および先端角度の鋭角θ１、θ２の測定箇所を示した図である。
【図2】本発明の繊維強化樹脂成形材料を製造する、糸規制ユニットトラバース方式の工程の一例を示す概略図である。
【図3】本発明の繊維強化樹脂成形材料を製造する、カッターロールトラバース方式の工程の一例を示す概略図である。
【図4】本発明の繊維強化樹脂成形材料を製造する、段階的な散布方式の工程の一例を示す概略図である。
【図5】本発明で用いられる分散器５の構造を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
本発明の繊維強化樹脂成形材料の１つめの態様は、チョップド繊維束［Ａ］にマトリックス樹脂［Ｂ］を含浸させてなる繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］であって、前記繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］の厚み方向において、少なくとも３層以上の積層構成を有し、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維長Ｌａｏ（ｍｍ）および数平均繊維束幅Ｗａｏ（ｍｍ）と、中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維長Ｌａｍ（ｍｍ）および数平均繊維束幅Ｗａｍ（ｍｍ）が、下記（数式１）および（数式２）を満たすことを特徴とする、繊維強化樹脂成形材料である。
（数式１） Ｌａｏ＞Ｌａｍ
（数式２） Ｗａｏ＞Ｗａｍ
（数式１） Ｌａｏ＞Ｌａｍ
（数式２） Ｗａｏ＞Ｗａｍ
【0015】
また、本発明の繊維強化樹脂成形材料の２つめの態様は、チョップド繊維束［Ａ］にマトリックス樹脂［Ｂ］を含浸させてなる繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］であって、前記繊維強化樹脂成形材料［Ｃ］の厚み方向において、少なくとも３層以上の積層構成を有し、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維長Ｌａｏ（ｍｍ）および数平均繊維束厚みＴａｏ（ｍｍ）と、中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維長Ｌａｍ（ｍｍ）および数平均繊維束厚みＴａｍ（ｍｍ）が、下記（数式１）および（数式３）を満たすことを特徴とする、繊維強化樹脂成形材料である。
（数式１） Ｌａｏ＞Ｌａｍ
（数式３） Ｔａｏ＞Ｔａｍ
（数式１） Ｌａｏ＞Ｌａｍ
（数式３） Ｔａｏ＞Ｔａｍ
【0016】
本発明におけるチョップド繊維束とは、一方向に配列された多数本の連続強化繊維束を、繊維長手方向に一定の間隔をおいて切断した繊維束のことである。強化繊維としては、例えば、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、ポリパラフェニレンベンゾオキサゾール（ＰＢＯ）繊維などの有機繊維、ガラス繊維、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維、チラノ繊維、玄武岩繊維、セラミックス繊維などの無機繊維、ステンレス繊維やスチール繊維などの金属繊維、その他、ボロン繊維、天然繊維、変性した天然繊維などを繊維として用いた強化繊維などが挙げられる。その中でも炭素繊維（特にＰＡＮ系炭素繊維）は、これら強化繊維の中でも軽量であり、しかも比強度および比弾性率において特に優れた性質を有しており、さらに耐熱性や耐薬品性にも優れていることから、軽量化が望まれる自動車パネルなどの部材に好適である。
【0017】
本発明におけるマトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシアクリレート樹脂、フェノキシ樹脂、アルキド樹脂、ウレタン樹脂、マレイミド樹脂、シアネート樹脂などの熱硬化性樹脂が挙げられる。特に、エポキシ樹脂や不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂を用いると、強化繊維に対して優れた界面接着性を発現することから、ＳＭＣシートとして用いる場合に好適である。また、熱硬化性樹脂は、各種添加剤、フィラー、着色剤等を含んでいてもよい。
【0018】
本発明における繊維強化樹脂成形材料は、チョップド繊維束にマトリックス樹脂を含浸させることにより得られる。特にマトリックス樹脂として熱硬化性樹脂を用いたものは、ＳＭＣ（シートモールディングコンパウンド）と呼ばれ、成形品の中間体として利用することができる。このＳＭＣにおけるマトリックス樹脂の含有量としては、チョップド繊維束の全重量を基準として、２０質量％以上７５質量％以下の範囲内であるのがよい。
【0019】
本発明における繊維強化樹脂成形材料の積層構成の１つめの態様とは、繊維長および繊維束幅が同じチョップド繊維束がランダムに配向された層の、繊維強化樹脂成形材料の厚み方向における数のことである。この繊維強化樹脂成形材料を、加熱型プレス機を用いて加熱加圧する際に、高温の金型面に接する最外層部分は樹脂の粘度低下により流動しやすいので、補強効果に優れる繊維長が長く、かつ繊維束幅が広いチョップド繊維束からなる層であることが好ましい。一方、熱が伝わりにくい中央層部分は樹脂の粘度低下が僅かであり流動しにくいので、流動性に優れる繊維長が短くかつ繊維束幅が狭いチョップド繊維束からなる層であることが好ましい。力学特性に優れた成形品を得るために、繊維強化樹脂成形材料の表側および裏側の最外層と中央層から構成される、少なくとも３層以上の積層構成であることが好ましい。また、反りがない成形品を得るために、面対称に積層することが好ましい。
【0020】
ここで、最外層とは、繊維強化樹脂成形材料を厚み方向に対して、表側および裏側の層であり、中央層とは、設計上繊維強化樹脂成形材料の側面以外の表側および裏側に現れていない層のことをいう。
【0021】
また、本発明における繊維強化樹脂成形材料の積層構成２つめの態様とは、繊維長および繊維束厚みが同じチョップド繊維束がランダムに配向された層の、繊維強化樹脂成形材料の厚み方向における数のことである。この繊維強化樹脂成形材料を、加熱型プレス機を用いて加熱加圧する際に、高温の金型面に接する最外層部分は樹脂の粘度低下により流動しやすいので、補強効果に優れる繊維長が長く、かつ繊維束厚みが大きいチョップド繊維束からなる層であることが好ましい。一方、熱が伝わりにくい中央層部分は樹脂の粘度低下が僅かであり流動しにくいので、流動性に優れる繊維長が短くかつ繊維束厚みが小さいチョップド繊維束からなる層であることが好ましい。力学特性に優れた成形品を得るために、繊維強化樹脂成形材料の表側および裏側の最外層と中央層から構成される、少なくとも３層以上の積層構成であることが好ましい。また、反りがない成形品を得るために、面対称に積層することが好ましい。
【0022】
ここで、最外層とは、繊維強化樹脂成形材料を厚み方向に対して、表側および裏側の層であり、中央層とは、設計上繊維強化樹脂成形材料の側面以外の表側および裏側に現れていない層のことをいう。
【0023】
本発明の繊維強化樹脂成形材料を用いて成形する際は、繊維強化樹脂成形材料を複数枚重ねて用いてもよい。重ねた繊維強化樹脂成形材料の厚み方向において、補強効果に優れる繊維長が長く、かつ繊維束幅が広いチョップド繊維束からなる層と流動性に優れる繊維長が短くかつ繊維束幅が狭いチョップド繊維束からなる層を交互に積層させることで、もしくは、重ねた繊維強化樹脂成形材料の厚み方向において、補強効果に優れる繊維長が長く、かつ繊維束厚みが大きいチョップド繊維束からなる層と流動性に優れる繊維長が短くかつ繊維束厚みが小さいチョップド繊維束からなる層を交互に積層させることで、断面が均一な成形品を得ることができ、ひいては力学特性に優れた成形品を得ることができる。断面が均一な成形品としては、成形品の厚み方向最外層付近に繊維乱れの少ない成形品であることが例示できる。
【0024】
また、実質的にランダムに配向するとは、チョップド繊維束を散布した際の配向を任意の方向から開始して－９０°≦θ＜９０°の方向で４５°ずつの４方向（－９０°≦θ＜－４５°、－４５°≦θ＜０°、０°≦θ＜４５°、４５°≦θ＜９０°）で区分した際に、各方向に配向された繊維束の全体における割合が２５±２．５％の範囲内と比較的均一に分布されていることを示す。チョップド繊維束が実質的にランダムに配向していることにより、チョップド繊維束にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化樹脂成形材料は等方性材料として取り扱うことができるため、前記繊維強化樹脂成形材料を用いて成形品を成形する際の設計が容易となる。
【0025】
チョップド繊維束の繊維配向測定は、以下のように実施する。まず、チョップド繊維束マットから、マット厚み方向にわたり、全てのチョップド繊維束が見えるようにマット厚み方向にスライスした画像を撮影する。スライスした画像を撮影する方法としては、特に制限されないが、チョップド繊維束の配向を保ったままでチョップド繊維束を媒体に転写させることをマット厚み方向にわたり繰り返して行い、転写後の画像を撮影する方法などが挙げられる。ここで、本発明における全てのチョップド繊維束とは、測定する範囲内に存在するチョップド繊維束の９０％以上を表すものとする。次に、得られた画像から、各チョップド繊維束の繊維長手方向（角度）を計測する。繊維長手方向（角度）の計測は、画像処理ソフトを用いてコンピュータ上で計測しても良いし、時間は掛かるものの人手で分度器を用いて計測することもできる。得られた繊維長手方向（角度）の値から、ヒストグラムを作成し、４方向分布で整理する。なお、測定するマットの面積は、１０，０００ｍｍ２以上とする。
【0026】
本発明の繊維強化樹脂成形材料において、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維長をＬａｏ（ｍｍ）、数平均繊維束幅をＷａｏ（ｍｍ）、数平均繊維束厚みをＴａｏ（ｍｍ）とする。また、中央層のチョップド繊維束の数平均繊維長をＬａｍ（ｍｍ）、数平均繊維束幅をＷａｍ（ｍｍ）、数平均繊維束厚みをＴａｍ（ｍｍ）とする。
【0027】
チョップド繊維束の数平均繊維長測定は、以下のように実施する。チョップド繊維束マットから無作為に選んだ１００個のチョップド繊維束について、図１に示すように、各１つのチョップド繊維束のＬ１とＬ２の２点測定した平均値を算出する。次に、１００個のチョップド繊維束の平均を、数平均繊維長とする。計測は、画像処理ソフトを用いてコンピュータ上で計測しても良いし、人手でノギスを用いて計測することもできる。
【0028】
また、チョップド繊維束の数平均幅測定は、以下のように実施する。数平均幅Ｗａは、チョップド繊維束マットから無作為に選んだ１００個のチョップド繊維束について、図１に示すように、各１つのチョップド繊維束の最大幅Ｗ１を測定した上で、１００個のチョップド繊維束の平均を、数平均幅Ｗａとする。計測は、画像処理ソフトを用いてコンピュータ上で計測しても良いし、人手でノギスを用いて計測することもできる。また、測定する１００個のチョップド繊維束は、前記数平均繊維長を測定するチョップド繊維束と同じものを用いてもよい。
【0029】
チョップド繊維束の数平均厚み測定は、以下のように実施する。数平均厚みＴａは、チョップド繊維束マットから無作為に選んだ１００個のチョップド繊維束について、各々を直径１１．２８ｍｍの平面をもつ圧子と、圧子の平面と平行に設置された平面の間に、チョップド繊維束の繊維長Ｌ１と、繊維束幅Ｗ１がなす面が平面と平行になるように設置し、圧子により３０ｇの負荷をチョップド繊維束にかけた状態の繊維束厚みを測定する。そして、１００個のチョップド繊維束の平均を、数平均厚みＴａとする。また、測定する１００個のチョップド繊維束は、前記数平均繊維長を測定するチョップド繊維束と同じものを用いてもよい。
【0030】
本発明の１つめの繊維強化樹脂成形材料は、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維長Ｌａｏ（ｍｍ）、中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維長Ｌａｍ（ｍｍ）の関係は、Ｌａｏ＞Ｌａｍであることが重要である。また、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維束幅Ｗａｏ（ｍｍ）と中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維束幅Ｗａｍ（ｍｍ）の関係は、Ｗａｏ＞Ｗａｍであることが重要である。Ｌａｏ≦ＬａｍまたはＷａｏ≦Ｗａｍであると、繊維強化樹脂成形材料を、加熱型プレス機を用いて加熱加圧する際に、最外層部の流動性は中央層よりも流動性が悪いため、チョップド繊維束の十分な力学特性を発現できない。
【0031】
また、本発明の１つめの繊維強化樹脂成形材料は、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維束厚みＴａｏ（ｍｍ）と、前記中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維束厚みＴａｍ（ｍｍ）が、さらに関係式Ｔａｏ＞Ｔａｍを満たすことが好ましい。
前記範囲であれば、繊維強化樹脂成形材料を、加熱型プレス機を用いて加熱加圧する際に、繊維強化樹脂成形材料の流動性が改善し、優れた力学特性を発現できる。
前記範囲であれば、繊維強化樹脂成形材料を、加熱型プレス機を用いて加熱加圧する際に、繊維強化樹脂成形材料の流動性が改善し、優れた力学特性を発現できる。
【0032】
本発明の２つめの繊維強化樹脂成形材料は、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維長Ｌａｏ（ｍｍ）、中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維長Ｌａｍ（ｍｍ）の関係は、Ｌａｏ＞Ｌａｍであることが重要である。また、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維束厚みＴａｏ（ｍｍ）と中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維束厚みＴａｍ（ｍｍ）の関係は、Ｔａｏ＞Ｔａｍであることが重要である。Ｌａｏ≦ＬａｍまたはＴａｏ≦Ｔａｍであると、繊維強化樹脂成形材料を、加熱型プレス機を用いて加熱加圧する際に、最外層部の流動性は中央層よりも流動性が悪いため、チョップド繊維束の十分な力学特性を発現できない。
【0033】
また、本発明の２つめの繊維強化樹脂成形材料は、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維束幅Ｗａｏ（ｍｍ）と、前記中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維束幅Ｗａｍ（ｍｍ）が、さらに下記関係式Ｗａｏ＞Ｗａｍを満たすことが好ましい。
前記範囲であれば、繊維強化樹脂成形材料を、加熱型プレス機を用いて加熱加圧する際に、繊維強化樹脂成形材料の流動性が改善し、優れた力学特性を発現できる。
前記範囲であれば、繊維強化樹脂成形材料を、加熱型プレス機を用いて加熱加圧する際に、繊維強化樹脂成形材料の流動性が改善し、優れた力学特性を発現できる。
【0034】
本発明の繊維強化樹脂成形材料は、繊維強化樹脂成形材料の厚み方向において剥離しにくい良好な層間の重なりが得られることから、好ましい最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維長Ｌａｏ（ｍｍ）と中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維長Ｌａｍ（ｍｍ）の関係は、好ましくは１．０５＜Ｌａｏ／Ｌａｍ＜１．３０の範囲内であり、より好ましくは１．１０＜Ｌａｏ／Ｌａｍ＜１．２０の範囲内である。
【0035】
また、好ましい最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維束幅Ｗａｏ（ｍｍ）と中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維束幅Ｗａｍ（ｍｍ）の関係は、好ましくは１．０５＜Ｗａｏ／Ｗａｍ＜１．５０の範囲内であり、より好ましくは１．1５＜Ｗａｏ／Ｗａｍ＜１．４５の範囲内である。
【0036】
さらに、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］の数平均繊維束厚みＴａｏ（ｍｍ）と中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］の数平均繊維束幅Ｔａｍ（ｍｍ）の関係は、好ましくは１．０１＜Ｔａｏ／Ｔａｍ＜２．００の範囲内であり、より好ましくは１．０５＜Ｔａｏ／Ｔａｍ＜１．８０の範囲内であり、さらに好ましくは１．１０＜Ｔａｏ／Ｔａｍ＜１．７５の範囲内であり、特に好ましくは１．１５＜Ｔａｏ／Ｔａｍ＜１．７０の範囲内である。
【0037】
本発明の繊維強化樹脂成形材料において、チョップド繊維束の数平均繊維長Ｌａ（ｍｍ）が３ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内であることが好ましい。チョップド繊維束の数平均繊維長Ｌaを１００ｍｍ以下とすることにより、成形品とした場合に複雑な形状の成形追従性に優れたものとすることができる。連続繊維から構成されるマットや織物等の布帛体の場合、繊維長手方向には繊維が流動しないため、あらかじめ設形した形状に沿って賦形しなければ複雑形状を形成することはできない。数平均繊維長を３ｍｍ未満にすると、成形品とした場合に複雑な形状の成形追従性は優れるものの、他の要件を満たしても高い力学特性は得られない。成形品とした場合の複雑な形状の成形追従性と力学特性との関係を鑑みると、より好ましくは５ｍｍ以上５０ｍｍ以下の範囲内であり、さらに好ましくは８ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲である。
【0038】
本発明の繊維強化樹脂成形材料において、チョップド繊維束の数平均幅Ｗａ（ｍｍ）が０．１ｍｍ以上６０ｍｍ以下の範囲内であることが好ましい。チョップド繊維束の数平均幅Ｗａ（ｍｍ）が０．１ｍｍ未満であると、数平均繊維長が３ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内であるチョップド繊維束は、成形品とするまでの加工工程において、チョップド繊維束が繊維長手方向に対して曲がってしまい繊維の真直性を失い、成形品とした際の強化繊維による補強効果が十分に得られない、すなわち力学特性が発現しない場合があり、好ましくない。一方、数平均幅Ｗａ（ｍｍ）が６０ｍｍを超えると、繊維強化樹脂成形材料において樹脂含浸不良が発生しやすくなることや、流動性が悪くなるため、成形品とした際に力学特性が低下する場合があり、好ましくない。より好ましい数平均幅Ｗａ（ｍｍ）は０．５ｍｍ以上５０ｍｍ以下、さらに好ましくは１ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲内である。本発明において、チョップド繊維束を断面から見た際に、長辺側を幅、短辺側を厚みとする。
【0039】
本発明の繊維強化樹脂成形材料において、チョップド繊維束の数平均厚みＴａ（ｍｍ）が０．０１ｍｍ以上０．５０ｍｍ以下の範囲内であることが好ましい。チョップド繊維束の数平均厚みＴａ（ｍｍ）が０．０１ｍｍ未満であると、数平均繊維長が３ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内であるチョップド繊維束は、成形品とするまでの加工工程において、チョップド繊維束が繊維長手方向に対して曲がってしまい繊維の真直性を失い、成形品とした際の強化繊維による補強効果が十分に得られない、すなわち力学特性が発現しない場合があり、好ましくない。一方、数平均厚みＴａ（ｍｍ）が０．５０ｍｍを超えると、繊維強化樹脂成形材料において樹脂含浸不良が発生しやすくなることや、流動性が悪くなるため、成形品とした際に力学特性が低下する場合があり、好ましくない。より好ましい数平均厚みＴａ（ｍｍ）は０．０２ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下、さらに好ましくは０．０３ｍｍ以上０．２０ｍｍ以下の範囲内である。
【0040】
本発明のチョップド繊維束は、チョップド繊維束の端面がなす線の方向が繊維長手方向に対して数平均角度θ（０°＜θ＜９０°）の角度をなすことが好ましい。すなわち、切断してチョップド繊維束を得る場合、その切断角度が斜め方向であることが好ましい。なお、ここでいう角度は、上記の２つの方向の線がなす角度のうち、小さい方を指す。ここで本発明における数平均角度θの好ましい範囲としては、０°＜θ＜４５°であり、より好ましくは５°＜θ＜３０°である。上記の上限と下限のいずれを組み合わせた範囲であってもよい。チョップド繊維束の切断角度が斜め方向であることにより、繊維強化樹脂成形材料における樹脂含浸性が優れ、かつ成形品とした際にチョップド繊維束の端部に応力が集中しにくくなるので、力学特性が向上する。かかる範囲において、高い力学特性と低バラツキの発現と、切断ミスを抑制し、所望の角度で切断可能な高プロセス性の両立を図ることができる。
【0041】
チョップド繊維束の繊維長手方向に対する数平均角度測定は、以下のように実施する。チョップド繊維束マットから無作為に選んだ１００個のチョップド繊維束について、図１に示すように、各１つのチョップド繊維束において端部両側の角度θ１、θ２を計測する。１００個のチョップド繊維束について計測を行い、計２００点の平均を、数平均角度とする。計測は、画像処理ソフトを用いてコンピュータ上で計測しても良いし、人手で分度器を用いて計測することもできる。
【0042】
本発明のチョップド繊維束は、チョップド繊維束の数平均フィラメント本数が、５００本以上１２，０００本未満の範囲内であることが好ましい。チョップド繊維束の数平均フィラメント本数が５００本未満であると、数平均繊維長が３ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内であるチョップド繊維束は、成形品とするまでの加工工程において、チョップド繊維束が繊維長手方向に対して曲がってしまい繊維の真直性を失い、成形品とした際の強化繊維による補強効果が十分に得られない、すなわち力学特性が発現しない場合があり、好ましくない。一方、数平均フィラメント本数が１２０００本以上であると、成形品とした際にチョップド繊維束の端部に応力集中が発生しやすくなり、力学特性のバラツキが大きくなる場合があるため、好ましくない。
【0043】
上記数平均フィラメント本数のチョップド繊維束マットを作製する方法としては、フィラメント本数が５００本以上１２０００本未満の範囲内である連続繊維束を、数平均繊維長が３ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内となるように繊維長手方向に切断し、チョップド繊維束を実質的にランダムに配向させる方法がある。別の方法としては、フィラメント本数が１０００本以上の連続繊維束を、繊維長手方向に沿って複数の束に分繊した後に、数平均繊維長が３ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内となるように繊維長手方向に切断し、チョップド繊維束を実質的にランダムに配向させる方法、または、フィラメント本数が１０００本以上の連続繊維束を、数平均繊維長が３ｍｍ以上１００ｍｍ以下の範囲内となるように繊維長手方向に切断した後に、繊維長手方向に沿って複数のチョップド繊維束に分割し、チョップド繊維束を実質的にランダムに配向させる方法、あるいは、前記２つの方法を組み合わせた方法がある。例えば、フィラメント数が４８，０００本の連続繊維束を、繊維長手方向に沿って３０００本ずつ（１６等分）の束に分繊した後に、数平均繊維長が１２．５ｍｍとなるように繊維長手方向に切断し、さらにチョップド繊維束に衝撃を与えることにより半分に分割し、数平均フィラメント本数が１，５００本のチョップド繊維束マットを得ることができる。
【0044】
チョップド繊維束の数平均フィラメント本数は、以下のように測定する。数平均繊維長を測定後の１００個のチョップド繊維束について、質量を測定する。１つのチョップド繊維束において、繊維長、質量、比重（公称値）、繊維径（公称値）から、フィラメント本数を算出する。１００個のチョップド繊維束の平均を、数平均フィラメント本数とする。
本発明のチョップド繊維束マットは、単位面積あたりの繊維量Ｆｍ（繊維目付）が５０ｇ／ｍ２以上５，０００ｇ／ｍ２以下の範囲内であることが好ましい。繊維目付が５，０００ｇ／ｍ２を超えると、厚さ数ミリ～数センチ程度の成形品を得るにあたり、チョップド繊維束マットならびに繊維強化樹脂成形材料の調整範囲が限られ、生産性よく得ることが困難となるため好ましくない。また、繊維強化樹脂成形材料を得るためにチョップド繊維束マットにマトリックス樹脂を含浸させる際、必然的にマット厚みが大きくなるため、マトリックス樹脂の含浸不良を生じる場合があり、安定した品質の繊維強化樹脂成形材料、ならびに該繊維強化樹脂成形材料を用いた成形品を得ることが出来ない場合がある。一方、繊維目付が５０ｇ／ｍ２未満であると、厚さ数ミリ～数センチ程度の成形品を得るにあたり、チョップド繊維束マットならびに繊維強化樹脂成形材料を多数積層して成形する必要が生じるため、生産性よく得ることが困難となるため好ましくない。
本発明のチョップド繊維束マットは、単位面積あたりの繊維量Ｆｍ（繊維目付）が５０ｇ／ｍ２以上５，０００ｇ／ｍ２以下の範囲内であることが好ましい。繊維目付が５，０００ｇ／ｍ２を超えると、厚さ数ミリ～数センチ程度の成形品を得るにあたり、チョップド繊維束マットならびに繊維強化樹脂成形材料の調整範囲が限られ、生産性よく得ることが困難となるため好ましくない。また、繊維強化樹脂成形材料を得るためにチョップド繊維束マットにマトリックス樹脂を含浸させる際、必然的にマット厚みが大きくなるため、マトリックス樹脂の含浸不良を生じる場合があり、安定した品質の繊維強化樹脂成形材料、ならびに該繊維強化樹脂成形材料を用いた成形品を得ることが出来ない場合がある。一方、繊維目付が５０ｇ／ｍ２未満であると、厚さ数ミリ～数センチ程度の成形品を得るにあたり、チョップド繊維束マットならびに繊維強化樹脂成形材料を多数積層して成形する必要が生じるため、生産性よく得ることが困難となるため好ましくない。
【0045】
本発明のチョップド繊維束マットは、単位面積あたりの繊維量Ｆｍ（繊維目付）の変動係数が２０％以下であることが好ましい。繊維強化樹脂成形材料を生産性よく得るためには繊維目付の変動係数が小さいことが好ましく、成形品とした場合に優れた力学特性を発現させるためにも変動係数が小さいことが好ましい。繊維目付の変動係数は、小さければ小さいほど好ましく、１０％以下であることがさらに好ましい。
【0046】
変動係数は、標準偏差を平均値で除した値（％）で表される。本発明においては、同一のチョップド繊維束マットから無作為に選んだ１０箇所の測定結果で評価する。
【0047】
本発明の繊維強化樹脂成形材料は、図２～４に示した、次の切断工程（Ａ）およびシート化工程（Ｂ）から製造されることが好ましく、さらに成形工程（Ｃ）を経て、成形品を得ることができる。
【0048】
（Ａ）切断工程
強化繊維からなる連続繊維束を切断してチョップド繊維束を作製する。生産性を向上させるためには、予め繊維長手方向に沿って複数の繊維束となるように分繊された、複数の連続繊維束を同時に切断するのが好ましい。チョップド繊維束の裁断方法としては、例えば、ギロチンカッターやカッターロールなどに連続繊維束を挿入することにより切断できる。特に、切断角度が斜め方向であるチョップド繊維束においては、連続繊維束をカッターロールなどに斜めに挿入するほか、螺旋状刃が設けられたカッターロールなども用いることができる。この際、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］が数平均繊維長Ｌａｏ（ｍｍ）となるように、また、中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］が数平均繊維長Ｌａｍ（ｍｍ）となるように切断する方法としては、カッターロールの切断間隔を調整する方法、カッターロールへの連続繊維束の供給速度を調整する方法、カッターロールの切断刃のピッチを変更する方法、図２に示すようにカッターロール４を回転させると共に回転軸方向に往復運動させる方法、または、図３に示すようにカッターロール４の回転軸方向に糸規制ユニット３をトラバースさせて繊維束［Ａ］を切断する方法などにより、連続繊維束を切断する方法があげられる。
強化繊維からなる連続繊維束を切断してチョップド繊維束を作製する。生産性を向上させるためには、予め繊維長手方向に沿って複数の繊維束となるように分繊された、複数の連続繊維束を同時に切断するのが好ましい。チョップド繊維束の裁断方法としては、例えば、ギロチンカッターやカッターロールなどに連続繊維束を挿入することにより切断できる。特に、切断角度が斜め方向であるチョップド繊維束においては、連続繊維束をカッターロールなどに斜めに挿入するほか、螺旋状刃が設けられたカッターロールなども用いることができる。この際、最外層のチョップド繊維束［Ａｏ］が数平均繊維長Ｌａｏ（ｍｍ）となるように、また、中央層のチョップド繊維束［Ａｍ］が数平均繊維長Ｌａｍ（ｍｍ）となるように切断する方法としては、カッターロールの切断間隔を調整する方法、カッターロールへの連続繊維束の供給速度を調整する方法、カッターロールの切断刃のピッチを変更する方法、図２に示すようにカッターロール４を回転させると共に回転軸方向に往復運動させる方法、または、図３に示すようにカッターロール４の回転軸方向に糸規制ユニット３をトラバースさせて繊維束［Ａ］を切断する方法などにより、連続繊維束を切断する方法があげられる。
【0049】
切断後のチョップド繊維束は、分散器（ディストリビュータ）により、チョップド繊維束が実質的にランダムに配向するよう調整することもできる。また、チョップド繊維束が分散器に接触する際、チョップド繊維束は、繊維長手方向に沿って複数のチョップド繊維束に分割することもできる。
【0050】
切断後のチョップド繊維束の積層方法として、図２または図３に示すように、数平均繊維長Ｌａｏ（ｍｍ）と数平均繊維長Ｌａｍ（ｍｍ）のチョップド繊維束のうち、分散器により数平均繊維長Ｌａｏ（ｍｍ）のチョップド繊維束のみ分散器の前後に選択的に散布する方法や、図４に示すように最初に数平均繊維長Ｌａｏ（ｍｍ）のチョップド繊維束を散布し、次に数平均繊維長Ｌａｍ（ｍｍ）のチョップド繊維束を散布し、再度、数平均繊維長Ｌａｏ（ｍｍ）チョップド繊維束を散布する、段階的な散布方法があげられる。
【0051】
分散器の構造については特に限定されないが、例えば、図５のように、円筒状であり、側面に少数本のワイヤー１１が設置された分散器が好ましい。また、カッターロール４の真下であるとともに、分散器の回転軸１２がチョップド繊維束マットの厚み方向と垂直、かつチョップド繊維束マットの搬送方向と垂直となるように設置されることが好ましい。分散器の幅Ｌｃはカッターロールの幅よりも十分に大きいことが好ましい。
【0052】
分散器の回転方向を図２、または図３中の矢印のように時計周りとした場合、一部のチョップド繊維束［Ａ］は分散器の上部でワイヤー１１と接触し、その衝撃でチョップド繊維束マットの搬送方向に飛ばされ、その他のチョップド繊維束［Ａ］は複数のワイヤー１１同士の隙間を通って落下した後、分散器の下部でワイヤー１１と接触し、その衝撃でチョップド繊維束マットの搬送方向と逆方向に飛ばされる。ワイヤー１１の本数は限定されないが、４～８本が好ましく、４～６本がより好ましい。下限値より小さい場合、チョップド繊維束は主に分散器の下に散布され、チョップド繊維束マットの搬送方向とその逆方向に飛ばされにくくなる。上限値より大きい場合、チョップド繊維束は主にチョップド繊維束マットの搬送方向と分散器の下に散布され、搬送方向と逆方向に飛ばされにくくなる。分散器との接触の衝撃でチョップド繊維束が搬送方向に飛ばされる場合、重量が大きいチョップド繊維束ほど、例えば、繊維長をはじめとする、繊維束幅、繊維束厚みが大きいチョップド繊維束［Ａ］ほど、分散器との接触の衝撃でチョップド繊維束マットの搬送方向とその逆方向に飛ばされやすく、チョップド繊維束マットの表面と裏面に局在しやすい。また、分散器の回転速度が大きいほど、この効果の影響が大きくなる。また、必要に応じて分散器の搬送方向下流に邪魔板を設置することで、前述の影響を抑制することができる。これら条件の組み合わせで繊維強化樹脂材料の層構造を制御できる。
【0053】
（Ｂ）シート化工程
チョップド繊維束マットに両面からシート状のマトリックス樹脂で挟み込み、チョップド繊維マットとマトリックス樹脂とを一体化する。チョップド繊維束マットにマトリックス樹脂を加圧等の手段によって含浸させることにより、シート状の繊維強化樹脂成形材料を得る。このようにして得られた繊維強化樹脂成形材料のうち、熱硬化性樹脂を使用したものは一般的にＳＭＣシートと呼ばれる。
チョップド繊維束マットに両面からシート状のマトリックス樹脂で挟み込み、チョップド繊維マットとマトリックス樹脂とを一体化する。チョップド繊維束マットにマトリックス樹脂を加圧等の手段によって含浸させることにより、シート状の繊維強化樹脂成形材料を得る。このようにして得られた繊維強化樹脂成形材料のうち、熱硬化性樹脂を使用したものは一般的にＳＭＣシートと呼ばれる。
【0054】
（Ｃ）成形工程
本発明の成形品は、前記繊維強化樹脂成形材料を用い、一般的に用いられるプレス成形法にて得ることができる。すなわち、目的の成形品形状をなした上下分離可能な金型を準備し、金型のキャビティの投影面積よりも小さく、かつキャビティ厚よりも厚い状態でキャビティ内に樹脂成形材料を配置する。次に、加熱加圧し、金型を開き成形品を取り出すことで製造する。なお、成形温度、成形圧力、成形時間は目的とする成形品の形状に合わせて適宜選択することができる。
本発明の成形品は、前記繊維強化樹脂成形材料を用い、一般的に用いられるプレス成形法にて得ることができる。すなわち、目的の成形品形状をなした上下分離可能な金型を準備し、金型のキャビティの投影面積よりも小さく、かつキャビティ厚よりも厚い状態でキャビティ内に樹脂成形材料を配置する。次に、加熱加圧し、金型を開き成形品を取り出すことで製造する。なお、成形温度、成形圧力、成形時間は目的とする成形品の形状に合わせて適宜選択することができる。
【実施例】
【0055】
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。チョップド繊維束マットを作製後、マトリックス樹脂を含浸させた繊維強化樹脂成形材料としてＳＭＣシートを作製し、ＳＭＣシートを用いてプレス成形を行い、以下の評価方法にて引張特性を取得した。
【0056】
＜使用原料＞
連続強化繊維束：
繊維径７．２μｍ、引張弾性率２４０ＧＰａ、フィラメント数５０，０００本の連続した炭素繊維束（ＺＯＬＴＥＫ社製、製品名：“ＺＯＬＴＥＫ（登録商標）”ＰＸ３５－５０Ｋ 繊維数：５０，０００本）を用いた。
マトリックス樹脂［ＶＥ］：
ＤＩＣ株式会社製ビニルエステル樹脂に、硬化剤、増粘剤、内部離型剤等を加え、十分に混合・攪拌して得られた樹脂コンパウンドを用いた。
連続強化繊維束：
繊維径７．２μｍ、引張弾性率２４０ＧＰａ、フィラメント数５０，０００本の連続した炭素繊維束（ＺＯＬＴＥＫ社製、製品名：“ＺＯＬＴＥＫ（登録商標）”ＰＸ３５－５０Ｋ 繊維数：５０，０００本）を用いた。
マトリックス樹脂［ＶＥ］：
ＤＩＣ株式会社製ビニルエステル樹脂に、硬化剤、増粘剤、内部離型剤等を加え、十分に混合・攪拌して得られた樹脂コンパウンドを用いた。
【0057】
＜チョップド繊維束の評価方法＞
繊維強化樹脂成形材料を電気炉で加熱してマトリックス樹脂を分解させ、残存したチョップド繊維束の表側および裏側の最外層部と、残存したチョップド繊維束を厚み方向の真ん中で二つに分けた中央層部から、無作為に選んだ１００個のチョップド繊維束について、評価を実施した。
繊維強化樹脂成形材料を電気炉で加熱してマトリックス樹脂を分解させ、残存したチョップド繊維束の表側および裏側の最外層部と、残存したチョップド繊維束を厚み方向の真ん中で二つに分けた中央層部から、無作為に選んだ１００個のチョップド繊維束について、評価を実施した。
【0058】
チョップド繊維束の繊維長、繊維束幅についてはノギスを用いて０．１ｍｍの精度で測定し、角度については分度器を用いて１°の精度で測定した。なお、サンプルの状態としては、平らな場所に静置し無張力の状態で測定を行った。
【0059】
チョップド繊維束の厚み測定は次の方法で測定した。厚さ測定器（大栄科学精器製作所製、ＦＳ－６０ＤＳ）を用いて、各々を直径１１．２８ｍｍの平面をもつ圧子と、圧子の平面と平行に設置された平面の間に、チョップド繊維束の繊維長Ｌ１と、繊維束幅Ｗ１がなす面が平面と平行になるように配置し、圧子により３０ｇの負荷をチョップド繊維束にかけた状態の繊維束厚みを０．０１ｍｍの精度で測定した。各層ごとに１００個のチョップド繊維束の厚みの平均を、各層の数平均繊維束厚みとした。なお、チョップド繊維束［Ａ］の数平均繊維束厚みＴａは各層の数平均厚みの平均値とした。
【0060】
＜チョップド繊維束マットの評価方法＞
チョップド繊維束マットの単位面積あたりの繊維量Ｆｍ（繊維目付）は、マット幅方向にわたり、１００ｍｍ×１００ｍｍの大きさのものを等間隔に１０箇所切り出したものについて、質量を０．０１ｇ単位まで測定し、１ｍ２あたりの質量に換算して、繊維目付Ｆｍを算出した。
チョップド繊維束マットの単位面積あたりの繊維量Ｆｍ（繊維目付）は、マット幅方向にわたり、１００ｍｍ×１００ｍｍの大きさのものを等間隔に１０箇所切り出したものについて、質量を０．０１ｇ単位まで測定し、１ｍ２あたりの質量に換算して、繊維目付Ｆｍを算出した。
【0061】
次に、厚さ測定器（大栄科学精器製作所製、ＦＳ－６０ＤＳ）を用いて、０．１ｋＮの条件下でマット厚みＴｍを測定した。繊維目付Ｆｍとマット厚みＴｍとから、かさ高性Ｂｍを算出した。
【0062】
＜引張特性の評価方法＞
各実施例および比較例で得られた平板状の成形品より、長さ２５０ｍｍ、幅２５ｍｍの引張強度試験片を切り出した。ＩＳＯ５２７－４（１９９７）に規定する試験方法に従い、標点間距離を１５０ｍｍとし、クロスヘッド速度１．０ｍｍ／分で引張強度を測定した。測定した試験片の数はｎ＝１０とし、平均値を引張強度とした。
各実施例および比較例で得られた平板状の成形品より、長さ２５０ｍｍ、幅２５ｍｍの引張強度試験片を切り出した。ＩＳＯ５２７－４（１９９７）に規定する試験方法に従い、標点間距離を１５０ｍｍとし、クロスヘッド速度１．０ｍｍ／分で引張強度を測定した。測定した試験片の数はｎ＝１０とし、平均値を引張強度とした。
【0063】
（実施例１）
炭素繊維糸条を、幅が５０ｍｍとなるように拡幅処理を施した後に、３ｍｍ等間隔に平行にセットした分繊処理手段により幅方向に１６等分となるように分繊し、繊維束［Ａ］を得た。得られた繊維束［Ａ］を、ニップロールとカッターロール間に送り込み、繊維束［Ａ］の供給量を変えず、図２に示すように、カッターロール４を回転運動させると共に回転軸方向に往復運動させることで、連続的に繊維束を切断した。次に、分散器を用いて、散布することにより、１ｍ幅のチョップド繊維束マットを得た。得られたチョップド繊維束マットの繊維目付は１，０００ｇ／ｍ２であった。
炭素繊維糸条を、幅が５０ｍｍとなるように拡幅処理を施した後に、３ｍｍ等間隔に平行にセットした分繊処理手段により幅方向に１６等分となるように分繊し、繊維束［Ａ］を得た。得られた繊維束［Ａ］を、ニップロールとカッターロール間に送り込み、繊維束［Ａ］の供給量を変えず、図２に示すように、カッターロール４を回転運動させると共に回転軸方向に往復運動させることで、連続的に繊維束を切断した。次に、分散器を用いて、散布することにより、１ｍ幅のチョップド繊維束マットを得た。得られたチョップド繊維束マットの繊維目付は１，０００ｇ／ｍ２であった。
【0064】
次に、マトリックス樹脂［ＶＥ］を、ドクターブレードを用いて均一にポリプロピレン製の離型フィルム２枚それぞれに塗布し、２枚の樹脂シートを作製した。これら２枚の樹脂シートで上記の得られたチョップド繊維束マットを上下から挟み込み、ローラーで樹脂をマット中に含浸させることにより、ＳＭＣシートを得た。この時、ＳＭＣシートの強化繊維質量含有率が５５％になるように、樹脂シート作製の段階で樹脂の塗布量を調整した。
【0065】
得られたＳＭＣシートを２５０×２５０ｍｍに切り出し、３００×３００ｍｍのキャビティを有する平板金型上の中央部に配置（チャージ率にして７０％相当）した後、加熱型プレス成形機により、１０ＭＰａの加圧のもと、約１４０℃×５分間の条件により硬化せしめ、３００×３００ｍｍの平板状の成形品を得た。この成形品の引張強度は、３００ＭＰａであった。評価結果を表１に示す。
【0066】
（実施例２）
カッターロール４を往復運動させず、図３に示すように、カッターロール４の回転軸方向に糸規制ユニット３をトラバースさせて繊維束［Ａ］を切断すること以外は、実施例１と同様に、成形品を得た。この成形品の引張強度は、３００ＭＰａであった。評価結果を表１に示す。
カッターロール４を往復運動させず、図３に示すように、カッターロール４の回転軸方向に糸規制ユニット３をトラバースさせて繊維束［Ａ］を切断すること以外は、実施例１と同様に、成形品を得た。この成形品の引張強度は、３００ＭＰａであった。評価結果を表１に示す。
【0067】
（実施例３）
繊維束［Ａ］を、図４に示すように、繊維束の長手方向に対して角度１５°に切断刃が傾き、かつ１３．５ｍｍ間隔のカッターロールを用いて切断後散布し、続いて繊維束の長手方向に対して角度１５°に切断刃が傾き、かつ１２．５ｍｍ間隔のカッターロールを用いて切断後散布し、さらに繊維束の長手方向に対して角度１５°に切断刃が傾き、かつ１３．５ｍｍ間隔のカッターロールを用いて切断後散布したこと以外は、実施例１と同様に、成形品を得た。この成形品の引張強度は、２９０ＭＰａであった。評価結果を表１に示す。
繊維束［Ａ］を、図４に示すように、繊維束の長手方向に対して角度１５°に切断刃が傾き、かつ１３．５ｍｍ間隔のカッターロールを用いて切断後散布し、続いて繊維束の長手方向に対して角度１５°に切断刃が傾き、かつ１２．５ｍｍ間隔のカッターロールを用いて切断後散布し、さらに繊維束の長手方向に対して角度１５°に切断刃が傾き、かつ１３．５ｍｍ間隔のカッターロールを用いて切断後散布したこと以外は、実施例１と同様に、成形品を得た。この成形品の引張強度は、２９０ＭＰａであった。評価結果を表１に示す。
【0068】
（比較例１）
繊維束［Ａ］を、繊維束の長手方向に対して角度１５°に切断刃が傾き、かつ１２．５ｍｍ間隔の回転軸方向に往復運動させないカッターロールを用いた以外は、実施例１と同様に、成形品を得た。この成形品の引張強度は、２５０ＭＰａであった。評価結果を表１に示す。
繊維束［Ａ］を、繊維束の長手方向に対して角度１５°に切断刃が傾き、かつ１２．５ｍｍ間隔の回転軸方向に往復運動させないカッターロールを用いた以外は、実施例１と同様に、成形品を得た。この成形品の引張強度は、２５０ＭＰａであった。評価結果を表１に示す。
【0069】
（比較例２）
繊維束［Ａ］を、図４に示すように、繊維束の長手方向に対して角度１５°に切断刃が傾き、かつ１２．５ｍｍ間隔のカッターロールを用いて切断後散布し、続いて繊維束の長手方向に対して角度１５°に切断刃が傾き、かつ１３．５ｍｍ間隔のカッターロールを用いて切断後散布し、さらに繊維束の長手方向に対して角度１５°に切断刃が傾き、かつ１２．５ｍｍ間隔のカッターロールを用いて切断後散布したこと以外は、実施例１と同様に、成形品を得た。この成形品の引張強度は、２９０ＭＰａであった。評価結果を表１に示す。
繊維束［Ａ］を、図４に示すように、繊維束の長手方向に対して角度１５°に切断刃が傾き、かつ１２．５ｍｍ間隔のカッターロールを用いて切断後散布し、続いて繊維束の長手方向に対して角度１５°に切断刃が傾き、かつ１３．５ｍｍ間隔のカッターロールを用いて切断後散布し、さらに繊維束の長手方向に対して角度１５°に切断刃が傾き、かつ１２．５ｍｍ間隔のカッターロールを用いて切断後散布したこと以外は、実施例１と同様に、成形品を得た。この成形品の引張強度は、２９０ＭＰａであった。評価結果を表１に示す。
【0070】
（比較例３）
図４に示すように、繊維束［Ａ］を、繊維束の長手方向に対して角度１５°に切断刃が傾き、かつ１３．５ｍｍ間隔のカッターロールを用いて切断後散布し、続いて炭素繊維糸条を、幅が３６ｍｍとなるように拡幅処理を施した後に、４．５ｍｍ等間隔に平行にセットした分繊処理手段により幅方向に８等分となるように分繊して得られた繊維束を繊維束の長手方向に対して角度１５°に切断刃が傾き、かつ１２．５ｍｍ間隔のカッターロールを用いて切断後散布し、さらに繊維束［Ａ］を、繊維束の長手方向に対して角度１５°に切断刃が傾き、かつ１３．５ｍｍ間隔のカッターロールを用いて切断後散布したこと以外は、実施例１と同様に、成形品を得た。この成形品の引張強度は、２９０ＭＰａであった。評価結果を表１に示す。
図４に示すように、繊維束［Ａ］を、繊維束の長手方向に対して角度１５°に切断刃が傾き、かつ１３．５ｍｍ間隔のカッターロールを用いて切断後散布し、続いて炭素繊維糸条を、幅が３６ｍｍとなるように拡幅処理を施した後に、４．５ｍｍ等間隔に平行にセットした分繊処理手段により幅方向に８等分となるように分繊して得られた繊維束を繊維束の長手方向に対して角度１５°に切断刃が傾き、かつ１２．５ｍｍ間隔のカッターロールを用いて切断後散布し、さらに繊維束［Ａ］を、繊維束の長手方向に対して角度１５°に切断刃が傾き、かつ１３．５ｍｍ間隔のカッターロールを用いて切断後散布したこと以外は、実施例１と同様に、成形品を得た。この成形品の引張強度は、２９０ＭＰａであった。評価結果を表１に示す。
【0071】
【表1】
【産業上の利用可能性】
【0072】
本発明の繊維強化樹脂成形材料、成形品の用途としては、軽量性および優れた力学特性が要求される、ドアやバンパー補強材やシート（パネルやフレーム）などの自動車部材、クランクやホイールリムなどの自転車部材、ヘッドやラケットなどのゴルフやテニスなどのスポーツ部材、内装材などの交通車輌／航空機部材、ロボットアームなどの産業機械部材が挙げられる。中でも、軽量に加え、複雑な形状の成形追従性が要求されるドアやバンパー補強材やシート（パネルやフレーム）等の自動車部材に好ましく適用できる。
【符号の説明】
【0073】
１： チョップド繊維束
２： 炭素繊維
３： 糸規制ユニット
４： カッターロール
５： 分散器
６： 熱硬化性樹脂
７： フィルム
８： コンベア
９： 樹脂含浸工程
１０： 繊維強化樹脂成形材料
１１： ワイヤー
１２： 分散器の回転軸
Ａ： 切断工程
Ｂ： シート化工程
Ｌｃ： 分散器の幅
２： 炭素繊維
３： 糸規制ユニット
４： カッターロール
５： 分散器
６： 熱硬化性樹脂
７： フィルム
８： コンベア
９： 樹脂含浸工程
１０： 繊維強化樹脂成形材料
１１： ワイヤー
１２： 分散器の回転軸
Ａ： 切断工程
Ｂ： シート化工程
Ｌｃ： 分散器の幅
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】