複合材料成形品の製造方法
【課題】熱可塑性樹脂をマトリクスとした炭素繊維複合材料プリプレグをプレス成形して成形品を製造する際、従来の成形法では得られなかった良外観で「反り」等の変形の少ない成形品を、短い成形サイクルで得る方法を提供する。
【解決手段】炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸させたプリプレグを流動可能温度まで加熱した状態で金型内に配置しプレス成形することにより成形品を製造する方法において、該加熱プリプレグを温度Ｔ１に加熱した金型内に配置し、次いで金型を急速に冷却して温度Ｔ２とした後、金型から成形品を取り出す。その際、プリプレグ配置時の金型温度Ｔ１と冷却後の金型温度Ｔ２との関係が下記式（１）を満たす条件で成形する。
３０℃＜Ｔ１−Ｔ２＜１５０℃ …（１）
【解決手段】炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸させたプリプレグを流動可能温度まで加熱した状態で金型内に配置しプレス成形することにより成形品を製造する方法において、該加熱プリプレグを温度Ｔ１に加熱した金型内に配置し、次いで金型を急速に冷却して温度Ｔ２とした後、金型から成形品を取り出す。その際、プリプレグ配置時の金型温度Ｔ１と冷却後の金型温度Ｔ２との関係が下記式（１）を満たす条件で成形する。
３０℃＜Ｔ１−Ｔ２＜１５０℃ …（１）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維と熱可塑性樹脂で構成される複合材料からなる成形品を製造する方法に関するものである。さらに詳しくは、機械物性と成形性に優れかつ等方性を維持したまま型内で流動させて成形可能な炭素繊維／熱可塑性樹脂の複合材料プリプレグを、金型内でプレス（圧縮）成形して成形品を製造するに当り、表面品位等の外観が良好であり、しかも、成形後に「反り」等の変形が殆ど生じない、形態安定性の優れた成形品を得る方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維と熱可塑性樹脂からなる繊維強化熱可塑性樹脂成形品は、比強度、比剛性に優れているため、電気・電子用途、土木・建築用途、自動車用途、鉄道車用途、航空機用途等に広く用いられている。しかしながら、熱可塑性樹脂は、一般的に熱硬化性樹脂と比較して粘度が高く、そのため、繊維基材に樹脂を含浸させる時間が長く、結果として成形が完了するまでのタクトタイムが長くなるという問題があった。
【０００３】
これらの問題を解決する手法として、あらかじめ炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸させた板状の複合材料プリプレグ（以下、単に「プリプレグ」という）を作製し、これを金型内に配置、型締めした後、加圧するとともに、樹脂の融点（軟化点）以上の温度になるまで加熱し、次いで型締めを行ったまま金型を冷却し、プリプレグを金型内で冷却することで成形品を得るホットプレス法（特許文献１）や、同様の熱可塑性樹脂を含浸させた板状の複合材料プリプレグを、遠赤外線ヒーター、高温オーブン、誘電加熱等により熱可塑性樹脂の融点（軟化点）まで加熱し、加熱状態にあるプリプレグを非加熱の金型の中に配置して型締め・冷却して成形品を得るコールドプレス法（特許文献２）が提案されている。
【０００４】
しかし、ホットプレス法では、成形工程において樹脂の融点以上への加熱と室温付近までの冷却とが必要であり、大きな温度差で昇温・降温を行うため、成形に要する時間とエネルギーの無駄が多い。一方、コールドプレス法では、金型の設定温度が一定のため、成形サイクルは短くなるが、特許文献２にも記載のとおり、金型面積よりもプリプレグの面積を大きくとる必要があるため、材料の無駄が多い。また、金型温度を低くすると、加熱したプリプレグを金型内に配置した際に急激に冷却され、成形品の表面品位が悪くなる。逆に、金型温度を樹脂の融点や軟化点よりは低い温度範囲内で高めに保持すると、成形品の表面性は改善されるが、複雑形状の成形品を得ようとする場合、該成形品を金型から取り出した後に変形し、目的とする形状の成形品を得られないことが多い。
【０００５】
例えば、従来のコールドプレス法により、シート状基板上にリブ状の突起を有する成形品を製造する際、金型を成形品の表面外観が良好となるような温度に保持すると、成形後に、リブ付き成形品の基板部に「反り」（弯曲）が発生するという現象がみられる。この現象は、熱可塑性樹脂が結晶性樹脂であるプリプレグを使用した場合に特に顕著である。これは、炭素繊維が成形時の加熱による樹脂の結晶化を促進する作用を有するため、成形途中の樹脂に少しの温度斑があっても局部的に結晶化度の差異が発生し、これが「反り」等の変形の原因となっている推測される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１０８９号公報
【特許文献２】特開２０１０−２３５７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、炭素繊維及び熱可塑性樹脂から構成される複合材料プリプレグをプレス成形して成形品を得る方法における上述の如き問題を解消しようとするものであって、熱可塑性樹脂をマトリクスにした複合材料の成形に採用されている従来のプレス成形法では得られなかった、良好な表面外観を有し、しかも「反り」等の変形が少なく、寸法安定性の良好な成形品を得る方法を提供しようとするものである。また、本発明は、優れた外観を有し「反り」等の変形の少ない複合材料成形品を、短い成形サイクルで製造し得る方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記課題を解決する手段について研究を重ねた結果、ホットプレス法とコールドプレス法の利点を組み合わせた特殊な成形法を採用することによって、上記課題を解決できることを見出した。
すなわち、本発明の骨子は、あらかじめ炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸させたプリプレグを、遠赤外線ヒーター、高温オーブン、誘電加熱等の種々の加熱方法で熱可塑性樹脂の融点又は軟化点以上の温度まで加熱し、その加熱状態にあるプリプレグを、該プリプレグのマトリクス樹脂のガラス転移点（Ｔｇ）より高い温度（Ｔ１）の金型内に配置して型締めを行い、次いで、金型を急速に冷却してガラス転移点近傍ないしガラス転移点より低い温度（Ｔ２）まで冷却することで、高温のコールドプレスで得られる良外観とホットプレスで得られる低変形とを両立させようとするものである。
【０００９】
これにより、本発明によれば、次のような複合材料成形品の製造方法が提供される。
〔１〕炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸させたプリプレグを熱可塑性樹脂流動可能温度まで加熱した状態で金型内に配置し、プレス成形することにより成形品を製造する方法において、該加熱プリプレグをそのマトリクス樹脂のガラス転移点（Ｔｇ）より高い温度に加熱した金型内に配置し、次いで、金型を冷却した後、金型から成形品を取り出すことからなり、かつ、その際、プリプレグ配置時の金型温度Ｔ１と冷却後の金型温度Ｔ２が、下記式（１）を満たす条件にして成形することを特徴とする複合材料成形品の製造方法。
３０℃＜Ｔ１−Ｔ２＜１５０℃ ……（１）
〔２〕プリプレグを配置した金型を、冷却速度３０〜５０℃／分で冷却する上記〔１〕の製造方法。
〔３〕熱可塑性樹脂が結晶性の熱可塑性樹脂であり、プリプレグの加熱温度が該結晶性熱可塑性樹脂の融点以上、熱分解点以下の温度であって、プリプレグを配置する時の金型の温度Ｔ１と、冷却後の金型温度Ｔ２との関係が下記式（１）（２）及び（３ａ）を同時に満たす条件で成形する、上記〔１〕又は〔２〕の製造方法。
３０℃＜Ｔ１−Ｔ２＜１５０℃ ……（１）
１７０℃＞Ｔ１ ……（２）
１００℃＞Ｔ２＞Ｔｇ−３０℃ ………（３ａ）
（Ｔｇ：樹脂のガラス転移温度）
〔４〕熱可塑性樹脂が非晶性の熱可塑性樹脂であり、プリプレグの加熱温度が該非晶性熱可塑性樹脂の融点以上、熱分解点以下の温度であって、プリプレグを配置する時の金型の温度Ｔ１と、冷却後の金型温度Ｔ２との関係が下記式（１）（２）及び（３ｂ）を同時に満たす条件で成形する、上記〔１〕又は〔２〕の製造方法。
３０℃＜Ｔ１−Ｔ２＜１５０℃ ……（１）
１７０℃＞Ｔ１ ……（２）
１００℃＞Ｔ２＞Ｔｇ−１２０℃ ………（３ｂ）
（Ｔｇ：熱可塑性樹脂のガラス転移温度）
〔５〕成形時の圧力が０．１ＭＰａ〜４０ＭＰａの範囲である上記〔１〕〜〔４〕の製造方法。
〔６〕金型の上型と下型に１℃〜１００℃の温度差をつけ、かつ、コールドプレス時に上型・型に触れる面のうち成形収縮が大きくなる面に接する金型の温度をもう一方の金型より低くする上記〔１〕〜〔５〕の製造方法。
〔７〕成形材料として用いるプリプレグが、熱可塑成樹脂を含浸した炭素繊維ランダムマットである上記〔１〕〜〔６〕の製造方法。
〔８〕ランダムマットが、該マットを構成する炭素繊維の平均繊維長が５〜１００ｍｍであって、繊維目付けが２５〜３０００ｇ／ｍ２であり、かつ、下記式（Ｉ）で定義される臨界単糸数以上の繊維束（Ａ）と臨界単糸数未満の繊維束又は単糸（Ｂ）が同時に存在するランダムマットである上記〔７〕の製造方法。
臨界単糸数＝６００／Ｄ …（Ｉ）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
〔９〕ランダムマットが、該マット中における繊維束（Ａ）の該マットを構成する繊維全量に対する割合が２０Ｖｏｌ％以上９９Ｖｏｌ％未満であるランダムマットである上記〔８〕の製造方法。
〔１０〕ランダムマットが、該マット中における繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（IIａ）を満たすランダムマットである上記〔８〕〜〔９〕の製造方法。
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２ …（IIａ）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
〔１１〕成形材料として用いるプリプレグにおける炭素繊維の体積含有率（Ｖｆ）が、５〜８０Ｖｏｌ％である上記〔１〕〜〔１０〕の製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の方法によれば、従来のホットプレス法に比べて温度の上げ下げの幅を小さくできるため、成形サイクルが短くなり、生産性を向上させることができる。また、従来のコールドプレス法に比べて成形当初の型締め時の金型温度を高く設定しているので、流動性の高いプリプレグであれば型内で流動させて成形品を得ることもできるため、型内に金型の投影面積より小さいプリプレグを配置し、型締めすることでプリプレグを金型内で流動させて成形品を得ることができる。このため、成形時の端材の発生を抑え、成形品のトリミングの工程を省力化することができる。しかも、得られる成形品の表面性、寸法安定性は極めて良好である。すなわち、比較的高温でのコールドプレスによる成形品と同等以上の良好な外観を達成しながら、コールドプレスで見られる脱型後の成形品の「反り」等の変形を小さくでき、リブ等を有する複雑な形状の成形品であっても、高い寸法精度の成形品を得ることができる。したがって、本発明の方法により得られる成形品は、例えば、自動車の構造材、屋根材及び内装材、電気・電子機器・一般家電製品の基板及び筐体、鉄道車両、航空機等の構造材、建築材料等の用途に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例で製造するリブ構造を有する成形品の形状を示す見取図
【図２】従来の方法で製造したリブ構造を有する成形品の変形状態を示す見取図
【図３】実施例で使用する金型の正面方向から見た断面図
【図４】上記金型の側面方向から見た断面図
【図５】成形品における変形量の測定法の説明図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の方法の好適な実施の形態について、まず、成形材料となる好ましいプリプレグについて説明し、続いて、成形方法及び成形用金型等について、順次説明する。
【００１３】
＜プリプレグ＞
本発明の方法においては、成形用の素材として、炭素繊維のランダムマットに熱可塑性樹脂をマトリクスとして含浸させたプリプレグが使用される。
このプリプレグを得るために用いる好適なランダムマットとしては、平均繊維長５〜１００ｍｍ（好ましくは１０〜５０ｍｍ）の炭素繊維と熱可塑性樹脂とから構成され、炭素繊維の目付が２５〜３０００ｇ／ｍ２であり、かつ下記式（Ｉ）で定義される臨界単糸数以上の単糸（単繊維）が集束して構成される繊維束（Ａ）を含み、該繊維束（Ａ）のランダムマットの繊維全量に対する割合が２０Ｖｏｌ％以上９９Ｖｏｌ％未満であって、しかも、ランダムマットの面内において、炭素繊維は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されているものが好適に使用される。
臨界単糸数＝６００／Ｄ ……（Ｉ）
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２ …(IIａ)
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
【００１４】
すなわち、上記のランダムマットにおいて、ランダムマットの繊維全量に対する上記維束（Ａ）の割合が２０Ｖｏｌ％未満になると、表面品位に優れる成形品が得られるという利点はあるものの、機械物性に優れた成形品が得られ難くなる。一方、上記繊維束（Ａ）の割合が９９Ｖｏｌ％以上では、繊維の交絡部が局部的に厚くなり、薄肉の成形品が得られ難い。ランダムマットにおける繊維束（Ａ）のより好ましい割合は、３０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満、特に好ましくは３０Ｖｏｌ％以上８０Ｖｏｌ％未満である。
【００１５】
また、上記繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（IIａ）を満たすものが好ましい。平均繊維数（Ｎ）が０．７×１０４／Ｄ２未満のランダムマットを用いた場合、高い炭素繊維体積含有率（Ｖｆ）の成形品を得ることが困難となる。また、該平均繊維数（Ｎ）が１×１０５／Ｄ２以上のランダムマットを用いると局部的に厚い部分が生じ、成形品中のボイド発生の原因となりやすい。特に、上記の炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（IIｂ）を満たすものが、より好ましい。
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２ …（IIａ）
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜６×１０４／Ｄ２ …（IIｂ）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
【００１６】
本発明でいうランダムマット中の炭素繊維束（Ａ）の割合は、具体的には、次のようにして求められる。
まず、ランダムマットを１００ｍｍ×１００ｍｍ程度に切り出したマットより、繊維束をピンセットで全て取り出し、繊維束の数（Ｇ）及び繊維束の長さ（Ｌｉ）と重量（Ｗｉ）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、まとめて最後に重量（Ｗｋ）を測定する。重量の測定には、１／１００ｍｇまで測定可能な天秤を用いる。ランダムマットに使用している炭素繊維の繊維径（Ｄ）より、臨界単糸数を計算し、臨界単糸数以上の繊維束（Ａ）とそれ以外のものに分ける。
また、強化繊維束（Ａ）の平均繊維数（Ｎ）は、次式により求められる。
Ｎ＝ΣＮｉ／Ｇ
上記式中のＮｉは、各繊維束中の繊維本数であり、これは使用している炭素繊維の繊度（Ｆ）より、次式により求められる。
Ｎｉ＝Ｗｉ／（Ｌｉ×Ｆ）
マットの繊維全量に対する繊維束（Ａ）の割合（ＶＲ）は、炭素繊維の密度（ρ）を用いて次式により求めることができる。
ＶＲ＝Σ（Ｗｉ／ρ）×１００／｛（Ｗｋ＋ΣＷｉ）／ρ｝
【００１７】
本発明の方法で用いるプリプレグの前駆体であるランダムマットを用いて樹脂の含浸及び成形を行い、厚さ１ｍｍ以下の薄肉な成形品を得ようとした場合、単純に分繊しただけの炭素繊維を用いたのでは、疎密が大きく、良好な物性のプリプレグや成形品が得られない。また、全ての繊維を単糸状に開繊（解繊）した場合には、より薄いプリプレグを得ることは容易になるが、プリプレグ中での繊維の交絡が多くなり、繊維体積含有率（Ｖｆ）が高く物性の良好なものが得られない。前記式（Ｉ）で定義される臨界単糸以上の繊維束（Ａ）と単糸状の繊維又は臨界単糸数未満の繊維束（Ｂ）とを、上述した特定の割合で同時に存在させることにより、薄肉であり、かつ物性発現率の高い成形品を実現することが可能となる。
【００１８】
本発明に用いられるプリプレグを得るためのランダムマットは、等方性の材料であることが好ましい。ランダムマット中の炭素繊維の等方性は、プリプレグ及び成形品においても維持される。ランダムマットから成形して得えられたプリプレグ及び成形品について、互いに直交する二方向の引張弾性率の大きい方の値の小さい方の値に対する比（Ｅδ）を求めることで、ランダムマット、プリプレグ及びそれから得られる成形品の等方性を定量的に評価できる。Ｅδが２未満である成形品は等方性とされ、Ｅδが１．３以下である成形品は特に等方性が優れているとされる。
【００１９】
上記ランダムマットの厚さには特に制限はなく、１〜１５０ｍｍ厚みのもので、良好なプリプレグ及び成形品を得ることができる。薄肉の成形品が得られるという効果を発揮する上では、２〜１００ｍｍ厚みとすることが好ましい。また、ランダムマットは適当な加圧又は減圧装置を用いて、使いやすい厚みに減容してから次の工程に供給してもよく、適当なサイズに裁断してから次の工程で使用してもよい。
【００２０】
本発明で使用するプリプレグは、上述の如き炭素繊維のランダムマットに熱可塑性樹脂が含浸したものであるが、熱可塑性樹脂は、上述の如くランダムマットの製造工程中で該マット中に混在させたものでもよく、ランダムマットの製造後に熱可塑性樹脂を加熱含浸したものでもよい。
【００２１】
プリプレグ及びその前駆体であるランダムマット中の炭素繊維と熱可塑性樹脂との割合は、ランダムマット製造時の各成分の仕込み量の割合から求めることができるが、試料中の熱可塑性樹脂を燃焼分解や化学物質による分解・溶解により除去して実測することも可能である。また、各成分の質量から各成分の密度を用いて各成分の体積を求め炭素繊維体積含有率（Ｖｆ）を算出する手順も採用することができる。
【００２２】
本発明の方法に用いられるプリプレグ及びその前駆体であるランダムマットは、いずれも、含有する炭素繊維及び熱可塑性樹脂について、下記式（III）で定義される炭素繊維体積含有率（以下、単に「Ｖｆ」ということがある）が５〜８０％であることが好ましく、Ｖｆが２０〜６０％であることがより好ましい。
Ｖｆ＝１００×炭素繊維体積／（炭素繊維体積＋熱可塑性樹脂体積） …（III）
プリプレグのＶｆが５％より低くなると、補強効果が十分に発現しないおそれがある。また、Ｖｆが８０％を超えると、得られる成形品中にボイドが発生しやすくなり、成形品の物性が低下するおそれがある
【００２３】
プリプレグの前駆体となるランダムマットは固体の熱可塑性樹脂を含むものでもよい。この場合、ランダムマットにおいて、熱可塑性樹脂が短繊維状及び／又は粉粒体状で存在することが好ましい。炭素繊維と短繊維状及び／又は粉粒体状の熱可塑性樹脂が混合して存在していることにより、樹脂の含浸工程等で、型内で繊維と樹脂を大きく流動させる必要がなく、熱可塑性樹脂を容易に均一含浸できる。なお、熱可塑性樹脂としては、互いに相溶可能なものであれば２種以上の樹脂を併用することもでき、また、短繊維状と粉粒体状のものを併用してもよい。
【００２４】
短繊維状の熱可塑性樹脂としては、繊度１００〜５０００ｄｔｅｘのものが好ましく、１０００〜２０００ｄｔｅｘものがより好ましい。平均繊維長は０．５〜５０ｍｍであるものが好ましく、平均繊維長が１〜１０ｍｍであるものがより好ましい。一方、粉粒体状の熱可塑性樹脂としては、球状、細片状、あるいはペレットのような円柱状のものが好ましく、フィルムを細かく裁断して短冊状としたものも好ましい。球状の熱可塑性樹脂としては、真円又は楕円の形状、あるいは卵状のような形状のものが好ましく挙げられる。球状の熱可塑性樹脂の好ましい平均粒子径は０．０１〜１０００μｍであり、より好ましい平均粒子径は０．１〜９００μｍであり、さらに好ましい平均粒子径１〜８００μｍである。粒子径分布についてはとくに制限はないが、粒子径分布がシャープなものが、より薄い成形品を得る上ではより好ましく、分級等の操作により所望の粒度分布の粒子状熱可塑性樹脂として用いることができる。細片状の熱可塑性樹脂としては、ペレットのような円柱状や、角柱状、リン片状が好ましい形状として挙げられる。この場合ある程度のアスペクト比を有しても良いが、好ましい長さは上記の短繊維状の場合と同程度である。
【００２５】
上記のランダムマット、特に、等方性のランダムマットを製造する好ましい方法については、本発明者らの発明に係る特開２０１１−１７８８９０号公報、特開２０１１−１７８８９１号公報に開示されており、また、その後の出願である特願２０１１−０１９８９１及び特願２０１１−１８８７６８等にも詳しい説明が記載されているが、ここでは、ランダムマットの製造方法として、以下の一連の工程よりなる方法を例示する。
（１）カット工程：炭素繊維ストランドをカットする工程。
（２）開繊工程：カットされた炭素繊維ストランドを管内に導入し、管内にて空気を吹き付けることにより、ストランドを構成する繊維束を開繊させる工程。
（３）散布工程：開繊させた炭素繊維を、繊維状又はパウダー状の熱可塑性樹脂とともに散布してマットとして堆積させる工程。
【００２６】
以下、各上記の各工程について、より詳細に説明する。
（１）カット工程
カット工程における炭素繊維ストランドのカット方法は、具体的にはナイフを用いてストランドを所定の長さにカットする工程である。ナイフとしてはロータリーカッター等が好ましい。この際、所望の大きさの繊維束とするために、カットに供する炭素繊維ストランドとしてストランド幅が細めのものを用いるか、あるいは、ストランドを縦方向にスリットしてストランド幅を細くすることが好ましい。後者の場合、繊維方向に平行な刃を有するカッターを用いてストランドを縦方向にスリットした後に所定の繊維長にカットすることもでき、また、スリット用ナイフとカット用ナイフを兼備したカッターにより、所定の繊維長にカットすると同時に繊維束を縦方向にスリットすることもできる。
【００２７】
カット工程で使用するロータリーカッターとしては、特定の角度で設置した螺旋状ナイフを備えたもの、あるいは、切断と分繊機能を併有するナイフを備えたもの（例えば、特願２０１１−０１９８９１の図２、図３に示されているロータリー分繊カッター）を用いることが好ましい。成形品の表面品位は、熱可塑樹脂強化用ランダムマットにおける繊維の疎密斑が大きく影響する。従来のロータリーカッターでは、繊維のカットが不連続であり、そのまま後述する散布工程に導入した場合には、マットの繊維目付けに局所的な斑が発生する。そのため、特定の角度で設置したナイフを用いて繊維を途切れなく、連続的にカットすることにより、疎密斑の小さい散布が可能となる。炭素繊維を連続的にカットするための好適なナイフ角度は、使用する炭素繊維の幅と、カットした後の繊維長により幾何学的に計算され、それらの関係は、下記の式（IV）とすることが好ましい。
炭素繊維の繊維長（刃のピッチ）＝炭素繊維ストランド幅×tan（９０−θ）…（IV）
（ここで、θはロータリーカッターの周方向とナイフの配置方向のなす角である。）
【００２８】
（２）開繊工程
開繊工程は、カットされた炭素繊維ストランド片（切断した繊維束）を管内に導入し、管内で空気を吹き付けることにより、繊維束を開繊（解繊）させる工程である。この開繊工程では、すべての繊維束を単糸状にまでバラバラにするのではなく、臨界単糸数以上の炭素繊維が集束した繊維束（Ａ）が上記の割合になるように開繊の度合いを調整するのが好ましい。開繊の度合いについては、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。本発明で好適なランダムマット製造における開繊方法は、カット直後の炭素繊維ストランド片に空気を吹き付ける点を特徴としている。好ましくは、開繊工程において、圧縮空気吹き付け孔より風速５〜５００ｍ／秒にて空気を直接ストランド片に吹き付けることにより、該ストランド片を構成する炭素繊維を所望程度に開繊することができる。具体的には炭素繊維ストランド片の通る管の周壁に直径１ｍｍ程度の孔を数箇所あけ、外側より０．２〜０．８ＭＰａ程度の圧力をかけて、圧縮空気を該ストランド片に直接吹き付けることによって、所望程度に開繊することができる。
【００２９】
（３）散布工程
散布工程は、開繊させた炭素繊維を、短繊維状又は粉粒体状の熱可塑性樹脂とともに、平らな通気性のある平面上に散布し、マット状の形態として堆積させる工程である。散布工程において、空気により開繊させた炭素繊維と短繊維状又は粉粒体状の熱可塑性樹脂とを、テーブルやシート等の平面上に散布し、層状に堆積させることによって等方性のランダムマットを得ることができる。この散布工程における熱可塑性樹脂の供給量は、炭素繊維１００重量部に対し、５０〜１０００重量部であることが好ましい。より好ましくは、炭素繊維１００重量部に対し、熱可塑性樹脂５５〜５００重量部、さらに好ましくは、炭素繊維１００重量部に対し、熱可塑性樹脂６０〜３００重量部である。
【００３０】
上記炭素繊維を散布する装置としては、炭素繊維の通路が末広がり状になっている円錐形等のテーパー管を用いることが好ましい。上記のテーパー管内では、空気が拡散し、管内の流速が減速し、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して開繊させた炭素繊維を好ましく拡散させ散布することができる。また、上記のテーブルやシート等を通気性のものとし、その下方に吸気装置を設けて、散布される炭素繊維と熱可塑性樹脂を吸引することにより、テーブルやシートの上に定着させるようにするのが好ましい。
【００３１】
このようなランダムマットの製造方法によれば、マット内において炭素繊維の長軸が３次元方向に配向しているものが少なく、二次元配向性のあるランダムマットとすることができる。
【００３２】
上記の如きランダムマットは、該マット中の熱可塑性樹脂が結晶性の場合は、その融点以上熱分解温度未満の温度まで、非晶性の場合はガラス転移温度以上熱分解温度未満の温度まで加熱し加圧することで、熱可塑性樹脂を均一に含浸させたプリプレグとすることができる。このプリプレグにおける炭素繊維の形態はランダムマットにおける状態を保っている。すなわち、プリプレグ中の炭素繊維は、ランダムマットにおける繊維長や等方性、開繊程度を維持しており、上記のランダムマットについて記載したものと同様である。
【００３３】
上記のプリプレグにおいては、熱可塑性樹脂が炭素繊維束及び炭素繊維の単糸の間に浸透し、均一に含浸した状態となっている。すでに述べたとおり、ランダムマットは炭素繊維と短繊維状又は粉粒体状の熱可塑性樹脂が混合され、マット中で近接して存在しているので、加熱により熱可塑性樹脂を容易に含浸できるという利点を有する。プリプレグの厚みは、得ようとする成形品の厚みの１〜１０倍、好ましくは１〜５倍であることが好ましい。このようにプリプレグの厚みは、目的とする成形品の厚みによるが、一般に、好ましくは０．１ｍｍ以上であり、厚みの上限は金型内に配置して成形可能な範囲内であればよく、実質上３０ｍｍ程度まである。
【００３４】
また、本発明の方法で成形材料として用いられるプリプレグは、ボイド率が０〜３０％であることが好ましく、０〜１０％がより好ましい。ボイド率は０〜５％がさらに好ましく、最も好ましいボイド率は０〜３％である。プリプレグのボイド率は、プリプレグの断面を光学顕微鏡で観察し、ボイドの存在面積を観察基材の断面積で除して算出する。観察は１つのプリプレグについて５回実施し（ｎ＝５）、その平均値をボイド率とする。なお、上記のボイド率を１００から差し引いた値が樹脂含浸度（％）であり、この値がプリプレグにおいて熱可塑性樹脂が炭素繊維束間に含浸している目安となる。
【００３５】
本発明の方法で用いられるプリプレグを構成する炭素繊維としては、賦形がし易い不連続繊維を使用することが好ましい。炭素繊維を平均繊維長５〜１００ｍｍ、特に１０〜３０ｍｍ、の長さにカットした短繊維状のものが適当であり、その繊維の平均繊維径は、好ましくは３〜１２μｍであり、より好ましくは５〜７μｍである。
【００３６】
また、前記炭素繊維を使用したプリプレグを得るためには、繊維束が１０００本〜５万本までの炭素繊維を平均繊維長５〜１００ｍｍの長さにカットした短繊維状のものを使用することができるが、コストの面から炭素繊維は２万本以上のものを使用することが好ましく、成形時の取り扱い性や意匠性の面から平均繊維長１０〜３０ｍｍの長さにカットした不連続繊維を使用することが特に好ましい。なお、ここでいう「平均繊維長」とはプリプレグ中に含まれる炭素繊維１００本を無作為に取り出し、それぞれの繊維長を計測した平均値で表される値である。
【００３７】
なお、上記炭素繊維には、カップリング剤による処理、サイジング剤による処理、添加剤の付着処理等の表面処理が施されていてもよい。また、かかる炭素繊維は、１種類を単独で用いてもよいし、繊維径や繊維長の異なる２種類以上を併用してもよい。
【００３８】
上記炭素繊維は、プリプレグ中において等方性であること、つまり、炭素繊維は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されていることが得られる成形品の剛性の点で望ましい。定量的には、熱可塑性樹脂が炭素繊維に含浸し得られた成形板の任意の方向、及びこれと直交する方向についてそれぞれ引張り試験を行って引張弾性率を測定し、その値のうち大きいものを小さいもので割った比（Ｅδ）を算出しＥδが２．０を超えないものであり、Ｅδが１．３を超えないものについては、特に等方性に優れているとされる。
【００３９】
ランダムマットに含浸させてプリプレグを構成する熱可塑性樹脂としては、結晶性の熱可塑性樹脂、非晶性の熱可塑性樹脂のいずれを使用してもよい。結晶性の熱可塑性樹脂の例としては、ナイロン６、ナイロン６６等のポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートあるいはポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、結晶性ポリプロピレン等の結晶性ポリオレフィン、非晶性の熱可塑性樹脂の例としては、ポリカーボネート、ポリ乳酸、ポリアセタール、ポリフェニレンスルフィド、ポリ（スチレン−アクリロニトリル−ブタジエン）系共重合体（ＡＢＳ樹脂）、ポリ（アクリロニトリル−スチレン）系共重合体（ＡＳ樹脂）あるいはハイインパクトポリスチレン（ＨＩＰＳ）等のスチレン系樹脂、ポリメチルメタクリレート等のアクリル系樹脂等を好ましく挙げることができる。
【００４０】
ランダムマットに含浸させる熱可塑性樹脂の形態は特に制限が無く、上記の短繊維及び／又は粉粒体状の樹脂のほか、例えば、フィルム、不織布状のものも使用できるが、取り扱い性を安定させるためには粉粒体状（パウダー）を使用することが好ましい。
【００４１】
プリプレグを構成する上記熱可塑性樹脂と炭素繊維との量比は限定されないが、プリプレグ中の炭素繊維体積含有率（Ｖｆ）が５〜８０％、特に２０〜６０％となる量比とすることが好ましい。
【００４２】
本発明の方法に用いるプリプレグは、上記の割合で炭素繊維と熱可塑性樹脂が混合しており、かつ炭素繊維が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されているランダムマットを熱プレスしたものが好ましい。すなわち、炭素繊維が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されているランダムマットを熱プレスすることで、本発明の成形方法に用いる好適なプリプレグが得られる。ただし、本発明の方法は、プリプレグとして、上記のごときランダムマットを前駆体とするプリプレグを使用する場合のみに限定されず、例えば、炭素繊維の連続繊維からなるＵＤシートに熱可塑性樹脂を含浸させたプリプレグも使用可能である。
【００４３】
本発明の方法においては、プリプレグに熱可塑性樹脂の含浸後、冷却することなく、熱可塑性樹脂の融点（非晶性樹脂の場合は軟化点）以上で、そのまま後述する成形工程に供してもよく、また、熱可塑性樹脂を一旦含浸し固化するという工程を経てから、同様の成形工程に進めてもよい。
【００４４】
＜成形方法＞
本発明の方法では、炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸させたプリプレグを、必要に応じ、複数枚積層し、また金型のサイズや形状に合わせて適宜裁断した後、該プリプレグを、遠赤外線ヒーター、高温オーブン、誘電加熱等の任意の加熱手段によって、可塑性樹脂の流動可能温度まで加熱した状態で金型内に配置（セット）し、プレス成形することにより成形品を製造する方法において、成形後に反り等が発生しない良好な成形品を製造するために、以下のような特別な成形方法が採用される。
【００４５】
すなわち、あらかじめ炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸させたプリプレグを、マトリクス樹脂が結晶性樹脂の場合は、その融点以上、熱分解点以下の温度に、また、非晶性樹脂の場合は、そのガラス転移点（Ｔｇ）以上、熱分解点以下の温度に加熱した状態で、マトリクス樹脂のガラス転移点（Ｔｇ）より高い温度（Ｔ１）に設定した金型の中に配置して型締めを行い、次いで、金型を急速に冷却してガラス転移点（Ｔｇ）近傍ないしガラス転移点（Ｔｇ）より低い温度（Ｔ２）まで冷却し、その際、Ｔ１とＴ２が下記式（１）を満足する温度として成形する方法である。
このとき、金型における成形面の温度（本発明では、単に「金型温度」という）は、熱可塑性樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）に応じて、下記の各式で示される温度とするが好ましい。
【００４６】
すなわち、熱可塑性樹脂が、結晶性の樹脂である場合は、
３０℃＜Ｔ１−Ｔ２＜１５０℃ ……（１）
１７０℃＞Ｔ１ ……（２）
１００℃＞Ｔ２＞Ｔｇ−３０℃ ……（３ａ）
の各式を同時に満足する温度とする。なかでも、
３０℃＜Ｔ１−Ｔ２＜１００℃ ……（１）
１５０℃＞Ｔ１ ……（２´）
１００℃＞Ｔ２＞Ｔｇ−２０℃ ……（３´ａ）
の各式を同時に満足する温度とすることが好ましい。
【００４７】
一方、熱可塑性樹脂が非晶性の樹脂である場合は、
３０℃＜Ｔ１−Ｔ２＜１５０℃ ……（１）
１７０℃＞Ｔ１ ……（２）
１００℃＞Ｔ２＞Ｔｇ−１２０℃ ………（３ｂ）
の各式を同時に満足する温度とする。なかでも、
３０℃＜Ｔ１−Ｔ２＜１００℃ ……（１）
１５０℃＞Ｔ１ ……（２´）
１００℃＞Ｔ２＞Ｔｇ−１００℃ ……（３´ｂ）
の各式を同時に満足する温度とすることが好ましい。
【００４８】
例えば、熱可塑性樹脂が結晶性樹脂のナイロン６６（Ｔｇ＝５０℃）の場合、金型内に配置される時のプリプレグの温度（Ｔ０）は、２７０〜３００℃が好ましく、上記Ｔ１は、Ｔ０よりも１４０〜１５０℃低く、かつ１３０〜１５０℃の範囲内の温度が好ましい。また、上記Ｔ２はＴ１より３０〜９０℃低く、かつ１００〜６０℃の温度が好ましい。結晶性ポリプロピレン（Ｔｇ＝−２０℃）の場合、金型内に配置される時点のプリプレグの温度（Ｔ０）は、１９０〜２２０℃が好ましく、上記Ｔ１はＴ０よりも９０〜１４０℃低く、かつ１００〜８０℃の温度が好ましい。また、上記Ｔ２はＴ１よりも３０℃〜６０℃低く、かつ７０〜４０℃の温度が好ましい。一方、熱可塑性樹脂が非晶性樹脂のポリカーボネート（Ｔｇ＝１４５〜１５０℃）の場合、金型内に配置される時点のプリプレグの温度（Ｔ０）は、２７０〜３００℃が好ましく、上記Ｔ１は、Ｔ０よりも１１０〜１７０℃低く、かつ１３０〜１６０℃の温度が好ましい。また、上記Ｔ２はＴ１より３０〜１１０℃低く、かつ５０〜１００℃の温度が好ましい。
【００４９】
この際、金型の上型と下型の間に１℃〜１００℃の温度差をつけ、かつ、コールドプレス時に上型・下型に触れる面のうち成形収縮が大きくなる面に接する金型の温度をもう一方の金型より低くすることにより、成形物の上面・下面の成形収縮の差を小さくできるので、良好な成形品を得ることができる。
【００５０】
本発明の方法では、金型温度を、成形当初は上記Ｔ１の温度に加熱するが、プリプレグを配置し、金型を閉じて加圧した後、直ちに又は上記Ｔ１の温度範囲に０．２〜１２０秒保持した後、冷却速度３０〜５０℃／分で上記Ｔ２の温度まで金型を冷却するのがよい。また、上記Ｔ２の温度範囲に保持する時間は、０秒（金型温度がＴ２に到達したらすぐに除圧し脱型する場合）を超え３００秒未満の時間の範囲内で適宜選択することができ、例えば金型温度がＴ２に到達したらすぐに除圧し脱型することも可能であるが、特に０〜６０秒とするのが好ましい。冷却速度は３０〜５０℃／分に調整することが好ましく、より好ましい冷却速度は４０〜５０℃／分である。冷却速度がこの範囲外では本発明の効果が低減することがある。
【００５１】
また、プレス成形時の圧力は、マトリクス樹脂が結晶性樹脂、非晶性樹脂の場合ともに、０．１ＭＰａ〜４０ＭＰａとするのが適当であり、最適には０．５ＭＰａ〜２５ＭＰａである。
【００５２】
以上のプレス成形は、ランダムマット、プリプレグの製造工程に引き続き連続的に行うこともでき、一旦プリプレグを得た後、必要に応じ、裁断あるいはプリプレグ同士又はプリプレグと他の材料と積層した上で、実施してもよい。
【００５３】
本発明の方法によれば、上記の金型温度条件でプリプレグを成形することで、高いリブ形状等を有し「反り」変形を招きやすい複雑形状の成形品でも、成形後の変形を小さくすることができる。しかも、得られる成形品の表面外観もきわめて良好である。
【００５４】
＜成形用の金型＞
本発明の方法に用いる成形用の金型は、加熱機構と冷却機構とを併せ持つことが好ましい。加熱機構の種類は限定されないが、例えば、電気で加熱する棒ヒーターやプレートヒーターを備えるか、オイル等の流体で加熱する機構を備えるもの好ましい。冷却機構の種類も特に制限はないが、例えば、流体であるオイル、水等を冷媒として流通させることで所定温度に冷却するようにした金型を使用することができる。熱交換の効率の良さから冷媒として水を使用することが好ましい。なかでも、金型内部に熱媒を通す配管を有し、そこに蒸気を流すことで加熱が可能であり、同配管に冷水を通すことで金型を急速に冷却することを可能にしたものが特に好適である。また、成形当初の金型温度Ｔ１と金型冷却時の温度Ｔ２の差は、３０℃を超え１５０℃未満とすることが必要であり、特に３０℃を超え１００℃未満とすることが好ましい。これにより成形時の金型の冷却及び次の成形にむけた金型の昇温に要する時間を少なくし、成形サイクル時間を短くすることができる。
【００５５】
また、通常の方法では「反り」等の変形が起こりやすいことがわかっている形状の成形の場合は、上下の金型温度を別に設定できる機構があることが好ましい。これは、成形品の上型に接する面と下型に接する面で成形時に温度差をつけておくことで、冷却収縮量に差をつけて変形をさらに改善することができるためである。
【００５６】
本発明の方法では、従来のホットプレス法に比べて金型温度の上げ下げの幅が小さくできるため、成形サイクルが短くなり、生産性を向上させることができる。また、従来のコールドプレス法に比べて、成形当初の型締め時の金型温度を高く設定しているので、流動性の高いプリプレグであれば型内で流動させて成形品を得ることもできる。すなわち、型内に金型の投影面積より小さいプリプレグを配置し、型締めすることでプリプレグを金型内で流動させて成形品を得ることができる。このため、端材の発生を抑え、成形品のトリミングの工程を省力化することができる。さらに、成形品の表面性については、高温のコールドプレスで得られる良好な外観を実現しながら、その際に見られる脱型後の成形品の「反り」等の変形を小さくし、高い寸法精度で成形品を得ることができる。
【００５７】
本発明の製造方法では、各種の厚みの成形品を提供することが可能であるが、特に主要部の厚みが０．２〜１ｍｍ程度の薄肉の成形品を得る際に効果が顕著である。また、結晶性熱可塑性樹脂をマトリクスとする複合材料のプレス成形では、成形後の「反り」等の変形が大きいので、本発明の方法は特に好適である。
【実施例】
【００５８】
以下に本発明の実施例及び比較例を示すが、本発明の範囲はこれらによって制限されるものではない。なお、これらの例で使用した金型、成形方法、成形品の評価法、及び、成形サイクルの測定法等は、以下のとおりである。
【００５９】
＜評価用成形品＞
実施例及び比較例における成形品の形状は、変形を起こしやすい図１に示すようなリブ付きの構造とした。すなわち、図１のような形状の成形品を従来の成形方法で成形した場合、リブ構造の根元部分で底面の平板部分が折れ曲がり、図２のような変形（反り）を起こすため、変形量の計測が容易である。この成形品は、図１のように、リブ部が平板部の中央に、平板部に対して垂直に立っており、平板部の幅方向に伸びた長い直方体であり、リブ部の厚みが３ｍｍ、高さが２０ｍｍである。
【００６０】
＜上記成形品を得る金型＞
本発明の効果を確認するために、上記のリブ付き成形品をプレス成形する金型として、正面から見た断面が図３で、側面の断面が図４のような形状の金型であって、急速加熱と急速冷却が可能な構造の金型を用意した。この金型内部には熱媒を通す配管を有し、そこに蒸気を流すことで加熱が可能であり、同配管に冷水を通すことで金型を急速に冷却することが可能とした。この金型は２０℃〜２００℃の範囲で任意に金型温度を設定可能である。なお、図３において、３１は金型内に設置（セット）された加熱したプリプレグ、３２は上型、３３は下型であり、３４は成形の際にその上にプリプレグを配置する下型の平面部である。
【００６１】
＜成形方法＞
上記の金型に、成形材料となる厚み３ｍｍのプリプレグを、２００ｍｍ×１００ｍｍに切出し、赤外線（ＩＲ）ヒーターを用いてプリプレグを構成するマトリクス樹脂の融点以上に加熱し、それを下型の平面部に配置した後、金型を閉じ、１分間２０Ｔｏｎの荷重を加えて賦型し、続けて、圧力をかけたまま４０℃／分で冷却し、評価用成形品を得た。なお、成形時の金型温度、冷却時間等は実施例・比較例ごとに異なる。
【００６２】
＜変形の評価方法＞
前述の成形方法で得られた成形品を、室温で２４時間静置した後、図５のように、評価用成形品５１を鉄製の平面定盤５２の上に置き、成形品の平板部の片側端に鉄製の錘５３をのせ、平板部の逆端がどれだけ定盤５２から離れるかを計測し、「反り」の高さ５４とした。この高さ５４が大きいほど変形しやすい条件であるといえる。
変形量については、成形品の大きさ、形状に依存しない指標として、下記式（ａ）により変形率を定義した。
変形率（％）＝反り変形等の変形量／変形を測定した部位の長さ×１００……（ａ）
今回の各実験における形状では、「反り」の高さを底面部の長さ（２００ｍｍ）で除したものが変形率である。今回の評価では、変形率１．５％未満を良、３．０％以上を不良とした。
【００６３】
＜外観の評価＞
上述の成形方法で得られた成形品が室温程度まで冷えてから、成形品表面の金型の転写具合（金型の鏡面が成形品に転写される程度）について目視で評価した。すなわち、
◎…金型の鏡面性が転写されて表面が鏡面のように平滑
○…表面ほぼ平滑
△…一部に微細な凹凸が観察される
×…表面凹凸が観察される
の４段階で評価した。
【００６４】
＜成形サイクル＞
加熱したプリプレグを金型内に配置し、型締めを始めた瞬間から、成形、冷却、脱型、金型の再加熱を行い、次の成形が開始できるまでを１サイクルとし、その時間を３回計測し、３サイクルの平均時間を成形サイクルとした。この３サイクルの平均時間（成形サイクル）が１０分未満の場合を良好、１０分以上１５分未満の場合をやや良好、１５分以上は不良とした。
【００６５】
［実施例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（平均繊維径７μｍ、ストランド幅１０ｍｍ）のストランドを使用した。カット装置には、超硬合金を用いて螺旋状ナイフを表面に配置したロータリーカッターを用いた。このとき刃のピッチを２０ｍｍとし、炭素繊維ストランドを繊維長２０ｍｍにカットした。開繊装置として、径の異なるＳＵＳ３０４製のニップルを溶接し、二重管を製作した。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／秒であった。この管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ー管を溶接し、この管内でカット後の炭素繊維ストランドに空気を吹き付けて開繊させた。このとき、テーパー管の側面よりマトリクス樹脂を供給した。このマトリクス樹脂としては、帝人化成社製のポリカーボネート“パンライト”（登録商標）Ｌ−１２２５Ｌペレット（ガラス転移温度１４５〜１５０℃）を冷凍粉砕した平均粒径は約７１０μｍの粉末状粒子を使用した。テーパー管出口の下部に、ＸＹ方向に移動可能な通気性のテーブルを設置し、テーブル下部よりブロワにてテーパー管からの散布風量より大きい風量になるよう吸引を行った。そして、炭素繊維の供給量を１１００ｇ／分、マトリクス樹脂の供給量を３０００ｇ／分、に配置し、装置を稼動したところ、炭素繊維と熱可塑性樹脂が混合された、厚み６ｍｍ程度のランダムマットを得た。得られたランダムマットの炭素繊維の目付け量は、１３００ｇ／ｍ２であった。
【００６６】
得られたランダムマットを３００℃に加熱したプレス装置にて、１ＭＰａにて３分間加熱し、ランダムマット中のポリカーボネート樹脂を溶融含浸させて厚さ２．５ｍｍの熱可塑等方性プリプレグを得た。得られたプリプレグ中の繊維の体積含有率（Ｖｆ）は３０％であった。得られたプリプレグ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。
【００６７】
得られたプリプレグを１００ｍｍ×２００ｍｍの長方形にカットした後、それを熱風循環式加熱炉により該プリプレグの表面温度が２７０℃になるまで加熱し、直ちに、成形面の表面温度１３０℃に加熱した上述の金型内に配置し、型を閉じ２０ｔｏｎの型締め力で１分間加圧を行い、加圧したまま、２分間かけて６０℃まで金型を冷却したのち、成形品を取り出し、所定形状の成形品を得た。この成形品における平均Ｖｆ（成形品の各部位のＶｆ平均値）は３０％であった。また、この時のプレス成形時の圧力は１０ＭＰａであった。成形の温度条件及び成形品の評価結果を後掲の表１に示す。なお、表１中に示す「金型温度」が上記のＴ１、「冷却温度」が上記のＴ２に相当する。また、「ＰＣ」はポリカーボネート樹脂を意味する。
【００６８】
［実施例２］
マトリクス樹脂を２ｍｍにドライカットしたナイロン６６繊維（旭化成せんい製「Ｔ５ナイロン」繊度１４００ｄｔｅｘ、ガラス転移温度５０℃）に、ランダムマット製造時の樹脂供給量を２８００ｇ／分にした以外は、実施例１と同様の方法でランダムマットを得た。
【００６９】
得られたランダムマットを２９０℃に加熱したプレス装置にて、３ＭＰａにて３分間加熱し、厚さ２．５ｍｍの熱可塑等方性プリプレグを得た。得られたプリプレグ中の繊維の体積含有率（Ｖｆ）は３０％であった。得られたプリプレグ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。
【００７０】
得られたプリプレグを１００ｍｍ×２００ｍｍの長方形にカットした後、それを熱風循環式加熱炉によりプリプレグの表面温度が３００℃になるまで加熱し、直ちに、表面を１５０℃に加熱した上述の金型内に配置し、型を閉じ２０ｔｏｎの型締め力で１分間加圧を行い、加圧したまま、３分間かけて４０℃まで金型を冷却して成形品を得た。この時の成形時の圧力は、１０ＭＰａであった。成形の温度条件及び成形品の評価結果を後掲の表１に示す。なお、表１中の「ＰＡ６６」はナイロン６６を意味する。
【００７１】
［実施例３］
マトリクス樹脂を２ｍｍにドライカットしたナイロン６６繊維（旭化成せんい製「Ｔ５ナイロン」繊度１４００ｄｔｅｘ、ガラス転移温度５０℃）に、ランダムマット製造時の樹脂供給量を２８００ｇ／分にした以外は、実施例１と同様の方法でランダムマットを得た。
【００７２】
得られたランダムマットを２９０℃に加熱したプレス装置にて、３ＭＰａにて３分間加熱し、厚さ２．５ｍｍの熱可塑等方性プリプレグを得た。得られたプリプレグ中の繊維の体積含有率（Ｖｆ）は３０％であった。得られたプリプレグ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。
【００７３】
得られたプリプレグを１００ｍｍ×２００ｍｍの長方形にカットした後、それを熱風循環式加熱炉によりプリプレグの表面温度が３００℃になるまで加熱し、直ちに、成形面を１３０℃に加熱した上述の金型内に配置し、型を閉じ２０ｔｏｎの型締め力で１分間加圧を行い、加圧したまま、１．５分間かけて８０℃まで金型を冷却して成形品を得た。この時の成形時の圧力は、１０ＭＰａであった。成形の温度及び成形品の評価結果を後掲の表１に示す。
【００７４】
［実施例４］
マトリクス樹脂を冷凍粉砕したナイロン６パウダー（宇部興産製、１０２２Ｂ、平均粒径８００μｍ、ガラス転移温度４８℃）に、ランダムマット製造時の樹脂供給量を２８００ｇ／ｍｉｎにした以外は実施例１と同様の方法でランダムマットを得た。
【００７５】
得られたランダムマットを２６０℃に加熱したプレス装置にて、３ＭＰａにて３分間加熱し、厚さ２．５ｍｍの熱可塑等方性プリプレグを得た。得られたプリプレグ中の繊維の体積含有率は３０％であった。得られたプリプレグ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。
【００７６】
得られたプリプレグを、１００ｍｍ×２００ｍｍの長方形にカットしたものを、熱風循環式加熱炉を用いて表面温度が２６０℃になるまで加熱し、その状態で、成形面を１３０℃に熱した上述の金型に配置し、型を閉じ２０ｔｏｎの型締め力で1分間加圧を行い、加圧したまま、１．５分間かけて７０℃まで金型を冷却して成形品を得た。この時の成形時の圧力は、１０ＭＰａであった。成形の温度及び成形品の評価結果を後掲の表１に示す。なお、表１中の「ＰＡ６」はナイロン６を意味する。
【００７７】
［実施例５］
マトリクス樹脂を冷凍粉砕したポリプロピレンパウダー（プライムポリマー社製、Ｊ２２７Ｔ、平均粒径７００μｍ、ガラス転移温度−２０℃）に、ランダムマット製造時の樹脂供給量を２３００ｇ／ｍｉｎにした以外は、実施例１と同様の方法でランダムマットを得た。
【００７８】
得られたランダムマットを２３０℃に加熱したプレス装置にて、３ＭＰａにて３分間加熱し、厚さ２．５ｍｍの熱可塑性の等方性プリプレグを得た。得られたプリプレグ中の繊維の体積含有率は３０％であった。得られたプリプレグ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。
【００７９】
得られたプリプレグを、１００ｍｍ×２００ｍｍの長方形にカットしたものを、熱風循環式加熱炉を用いて表面温度が２１０℃になるまで加熱し、その状態で、成形面を１３０℃に熱した上述の金型に配置し、型を閉じ２０ｔｏｎの型締め力で1分間加圧を行い、加圧したまま２．０分間かけて５０℃まで金型を冷却して成形品を得た。この時の成形時の圧力は、１０ＭＰａであった。成形の温度及び成形品の評価結果を後掲の表１に示す。なお、表１中の「ＰＰ」はポリプロピレンを意味する
【００８０】
［比較例１］
実施例１と同様の方法で得られたプリプレグを１００ｍｍ×２００ｍｍの長方形にカットした成形材料を、熱風循環式加熱炉を用いてプリプレグの表面温度が２７０℃になるまで加熱し、直ちに、成形面を１５０℃に加熱した上述の金型内に配置し、型を閉じ２０ｔｏｎの型締め力で１分間加圧を行い、そのままの金型温度で成形品を取り出した。その条件及び成形品の評価結果を後掲の表１に示す。
【００８１】
［比較例２］
実施例２と同様の方法で得られたプリプレグを１００ｍｍ×２００ｍｍの長方形にカットした成形材料を、熱風循環式加熱炉を用いて表面温度が３００℃になるまで加熱し、成形面を１３０℃に加熱した上述の金型内に配置し、型を閉じ２０ｔｏｎの型締め力で１分間加圧を行い、そのままの金型温度で成形品を取り出した。その条件及び成形品の評価結果を後掲の表１に示す。
【００８２】
［比較例３］
実施例２と同様の方法で得られたプリプレグを１００ｍｍ×２００ｍｍの長方形にカットした成形材料を、熱風循環式加熱炉を用いて表面温度が３００℃になるまで加熱し、成形面を６０℃に加熱した上述の金型内に配置し、型を閉じ２０ｔｏｎの型締め力で１分間加圧を行い、そのままの金型温度で成形品を取り出した。その条件及び成形品の評価結果を後掲の表１に示す。
【００８３】
［比較例４］
金型にカートリッジヒーターを埋め込み、金型の成形面を３００℃まで加熱可能にし、実施例２と同様の方法で得られたプリプレグを１００ｍｍ×２００ｍｍの長方形にカットした成形材料を、成形面が３００℃になるまで加熱した金型内に配置し、型を閉じ１０ｔｏｎの型締め力で１分間加圧し、加圧したまま５０℃になるまで金型を冷却して成形品を得た。その条件及び成形品の評価結果を後掲の表１に示す。
【００８４】
【表１】
【００８５】
表１に示す結果から明らかなように、本発明方法に従って、成形当初の金型を特定温度範囲に保持し、その後、特定温度範囲にまで冷却することにより、表面外観が良好で、成形後の変形（反り）の少ない良好な成形品を、短い成形サイクルで製造することができる。
【符号の説明】
【００８６】
１１：成形品の平板部
１２：成形品のリブ部
１３：成形品のリブ取り付け部
３１：加熱したプリプレグ
３２：金型の上型
３３：金型の下型
３４：下型平面部
５１：評価用成形品
５２：平面定盤
５３：銀製の錘
５４：反り高さ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維と熱可塑性樹脂で構成される複合材料からなる成形品を製造する方法に関するものである。さらに詳しくは、機械物性と成形性に優れかつ等方性を維持したまま型内で流動させて成形可能な炭素繊維／熱可塑性樹脂の複合材料プリプレグを、金型内でプレス（圧縮）成形して成形品を製造するに当り、表面品位等の外観が良好であり、しかも、成形後に「反り」等の変形が殆ど生じない、形態安定性の優れた成形品を得る方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維と熱可塑性樹脂からなる繊維強化熱可塑性樹脂成形品は、比強度、比剛性に優れているため、電気・電子用途、土木・建築用途、自動車用途、鉄道車用途、航空機用途等に広く用いられている。しかしながら、熱可塑性樹脂は、一般的に熱硬化性樹脂と比較して粘度が高く、そのため、繊維基材に樹脂を含浸させる時間が長く、結果として成形が完了するまでのタクトタイムが長くなるという問題があった。
【０００３】
これらの問題を解決する手法として、あらかじめ炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸させた板状の複合材料プリプレグ（以下、単に「プリプレグ」という）を作製し、これを金型内に配置、型締めした後、加圧するとともに、樹脂の融点（軟化点）以上の温度になるまで加熱し、次いで型締めを行ったまま金型を冷却し、プリプレグを金型内で冷却することで成形品を得るホットプレス法（特許文献１）や、同様の熱可塑性樹脂を含浸させた板状の複合材料プリプレグを、遠赤外線ヒーター、高温オーブン、誘電加熱等により熱可塑性樹脂の融点（軟化点）まで加熱し、加熱状態にあるプリプレグを非加熱の金型の中に配置して型締め・冷却して成形品を得るコールドプレス法（特許文献２）が提案されている。
【０００４】
しかし、ホットプレス法では、成形工程において樹脂の融点以上への加熱と室温付近までの冷却とが必要であり、大きな温度差で昇温・降温を行うため、成形に要する時間とエネルギーの無駄が多い。一方、コールドプレス法では、金型の設定温度が一定のため、成形サイクルは短くなるが、特許文献２にも記載のとおり、金型面積よりもプリプレグの面積を大きくとる必要があるため、材料の無駄が多い。また、金型温度を低くすると、加熱したプリプレグを金型内に配置した際に急激に冷却され、成形品の表面品位が悪くなる。逆に、金型温度を樹脂の融点や軟化点よりは低い温度範囲内で高めに保持すると、成形品の表面性は改善されるが、複雑形状の成形品を得ようとする場合、該成形品を金型から取り出した後に変形し、目的とする形状の成形品を得られないことが多い。
【０００５】
例えば、従来のコールドプレス法により、シート状基板上にリブ状の突起を有する成形品を製造する際、金型を成形品の表面外観が良好となるような温度に保持すると、成形後に、リブ付き成形品の基板部に「反り」（弯曲）が発生するという現象がみられる。この現象は、熱可塑性樹脂が結晶性樹脂であるプリプレグを使用した場合に特に顕著である。これは、炭素繊維が成形時の加熱による樹脂の結晶化を促進する作用を有するため、成形途中の樹脂に少しの温度斑があっても局部的に結晶化度の差異が発生し、これが「反り」等の変形の原因となっている推測される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１０８９号公報
【特許文献２】特開２０１０−２３５７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、炭素繊維及び熱可塑性樹脂から構成される複合材料プリプレグをプレス成形して成形品を得る方法における上述の如き問題を解消しようとするものであって、熱可塑性樹脂をマトリクスにした複合材料の成形に採用されている従来のプレス成形法では得られなかった、良好な表面外観を有し、しかも「反り」等の変形が少なく、寸法安定性の良好な成形品を得る方法を提供しようとするものである。また、本発明は、優れた外観を有し「反り」等の変形の少ない複合材料成形品を、短い成形サイクルで製造し得る方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記課題を解決する手段について研究を重ねた結果、ホットプレス法とコールドプレス法の利点を組み合わせた特殊な成形法を採用することによって、上記課題を解決できることを見出した。
すなわち、本発明の骨子は、あらかじめ炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸させたプリプレグを、遠赤外線ヒーター、高温オーブン、誘電加熱等の種々の加熱方法で熱可塑性樹脂の融点又は軟化点以上の温度まで加熱し、その加熱状態にあるプリプレグを、該プリプレグのマトリクス樹脂のガラス転移点（Ｔｇ）より高い温度（Ｔ１）の金型内に配置して型締めを行い、次いで、金型を急速に冷却してガラス転移点近傍ないしガラス転移点より低い温度（Ｔ２）まで冷却することで、高温のコールドプレスで得られる良外観とホットプレスで得られる低変形とを両立させようとするものである。
【０００９】
これにより、本発明によれば、次のような複合材料成形品の製造方法が提供される。
〔１〕炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸させたプリプレグを熱可塑性樹脂流動可能温度まで加熱した状態で金型内に配置し、プレス成形することにより成形品を製造する方法において、該加熱プリプレグをそのマトリクス樹脂のガラス転移点（Ｔｇ）より高い温度に加熱した金型内に配置し、次いで、金型を冷却した後、金型から成形品を取り出すことからなり、かつ、その際、プリプレグ配置時の金型温度Ｔ１と冷却後の金型温度Ｔ２が、下記式（１）を満たす条件にして成形することを特徴とする複合材料成形品の製造方法。
３０℃＜Ｔ１−Ｔ２＜１５０℃ ……（１）
〔２〕プリプレグを配置した金型を、冷却速度３０〜５０℃／分で冷却する上記〔１〕の製造方法。
〔３〕熱可塑性樹脂が結晶性の熱可塑性樹脂であり、プリプレグの加熱温度が該結晶性熱可塑性樹脂の融点以上、熱分解点以下の温度であって、プリプレグを配置する時の金型の温度Ｔ１と、冷却後の金型温度Ｔ２との関係が下記式（１）（２）及び（３ａ）を同時に満たす条件で成形する、上記〔１〕又は〔２〕の製造方法。
３０℃＜Ｔ１−Ｔ２＜１５０℃ ……（１）
１７０℃＞Ｔ１ ……（２）
１００℃＞Ｔ２＞Ｔｇ−３０℃ ………（３ａ）
（Ｔｇ：樹脂のガラス転移温度）
〔４〕熱可塑性樹脂が非晶性の熱可塑性樹脂であり、プリプレグの加熱温度が該非晶性熱可塑性樹脂の融点以上、熱分解点以下の温度であって、プリプレグを配置する時の金型の温度Ｔ１と、冷却後の金型温度Ｔ２との関係が下記式（１）（２）及び（３ｂ）を同時に満たす条件で成形する、上記〔１〕又は〔２〕の製造方法。
３０℃＜Ｔ１−Ｔ２＜１５０℃ ……（１）
１７０℃＞Ｔ１ ……（２）
１００℃＞Ｔ２＞Ｔｇ−１２０℃ ………（３ｂ）
（Ｔｇ：熱可塑性樹脂のガラス転移温度）
〔５〕成形時の圧力が０．１ＭＰａ〜４０ＭＰａの範囲である上記〔１〕〜〔４〕の製造方法。
〔６〕金型の上型と下型に１℃〜１００℃の温度差をつけ、かつ、コールドプレス時に上型・型に触れる面のうち成形収縮が大きくなる面に接する金型の温度をもう一方の金型より低くする上記〔１〕〜〔５〕の製造方法。
〔７〕成形材料として用いるプリプレグが、熱可塑成樹脂を含浸した炭素繊維ランダムマットである上記〔１〕〜〔６〕の製造方法。
〔８〕ランダムマットが、該マットを構成する炭素繊維の平均繊維長が５〜１００ｍｍであって、繊維目付けが２５〜３０００ｇ／ｍ２であり、かつ、下記式（Ｉ）で定義される臨界単糸数以上の繊維束（Ａ）と臨界単糸数未満の繊維束又は単糸（Ｂ）が同時に存在するランダムマットである上記〔７〕の製造方法。
臨界単糸数＝６００／Ｄ …（Ｉ）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
〔９〕ランダムマットが、該マット中における繊維束（Ａ）の該マットを構成する繊維全量に対する割合が２０Ｖｏｌ％以上９９Ｖｏｌ％未満であるランダムマットである上記〔８〕の製造方法。
〔１０〕ランダムマットが、該マット中における繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（IIａ）を満たすランダムマットである上記〔８〕〜〔９〕の製造方法。
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２ …（IIａ）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
〔１１〕成形材料として用いるプリプレグにおける炭素繊維の体積含有率（Ｖｆ）が、５〜８０Ｖｏｌ％である上記〔１〕〜〔１０〕の製造方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の方法によれば、従来のホットプレス法に比べて温度の上げ下げの幅を小さくできるため、成形サイクルが短くなり、生産性を向上させることができる。また、従来のコールドプレス法に比べて成形当初の型締め時の金型温度を高く設定しているので、流動性の高いプリプレグであれば型内で流動させて成形品を得ることもできるため、型内に金型の投影面積より小さいプリプレグを配置し、型締めすることでプリプレグを金型内で流動させて成形品を得ることができる。このため、成形時の端材の発生を抑え、成形品のトリミングの工程を省力化することができる。しかも、得られる成形品の表面性、寸法安定性は極めて良好である。すなわち、比較的高温でのコールドプレスによる成形品と同等以上の良好な外観を達成しながら、コールドプレスで見られる脱型後の成形品の「反り」等の変形を小さくでき、リブ等を有する複雑な形状の成形品であっても、高い寸法精度の成形品を得ることができる。したがって、本発明の方法により得られる成形品は、例えば、自動車の構造材、屋根材及び内装材、電気・電子機器・一般家電製品の基板及び筐体、鉄道車両、航空機等の構造材、建築材料等の用途に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例で製造するリブ構造を有する成形品の形状を示す見取図
【図２】従来の方法で製造したリブ構造を有する成形品の変形状態を示す見取図
【図３】実施例で使用する金型の正面方向から見た断面図
【図４】上記金型の側面方向から見た断面図
【図５】成形品における変形量の測定法の説明図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の方法の好適な実施の形態について、まず、成形材料となる好ましいプリプレグについて説明し、続いて、成形方法及び成形用金型等について、順次説明する。
【００１３】
＜プリプレグ＞
本発明の方法においては、成形用の素材として、炭素繊維のランダムマットに熱可塑性樹脂をマトリクスとして含浸させたプリプレグが使用される。
このプリプレグを得るために用いる好適なランダムマットとしては、平均繊維長５〜１００ｍｍ（好ましくは１０〜５０ｍｍ）の炭素繊維と熱可塑性樹脂とから構成され、炭素繊維の目付が２５〜３０００ｇ／ｍ２であり、かつ下記式（Ｉ）で定義される臨界単糸数以上の単糸（単繊維）が集束して構成される繊維束（Ａ）を含み、該繊維束（Ａ）のランダムマットの繊維全量に対する割合が２０Ｖｏｌ％以上９９Ｖｏｌ％未満であって、しかも、ランダムマットの面内において、炭素繊維は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されているものが好適に使用される。
臨界単糸数＝６００／Ｄ ……（Ｉ）
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２ …(IIａ)
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
【００１４】
すなわち、上記のランダムマットにおいて、ランダムマットの繊維全量に対する上記維束（Ａ）の割合が２０Ｖｏｌ％未満になると、表面品位に優れる成形品が得られるという利点はあるものの、機械物性に優れた成形品が得られ難くなる。一方、上記繊維束（Ａ）の割合が９９Ｖｏｌ％以上では、繊維の交絡部が局部的に厚くなり、薄肉の成形品が得られ難い。ランダムマットにおける繊維束（Ａ）のより好ましい割合は、３０Ｖｏｌ％以上９０Ｖｏｌ％未満、特に好ましくは３０Ｖｏｌ％以上８０Ｖｏｌ％未満である。
【００１５】
また、上記繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（IIａ）を満たすものが好ましい。平均繊維数（Ｎ）が０．７×１０４／Ｄ２未満のランダムマットを用いた場合、高い炭素繊維体積含有率（Ｖｆ）の成形品を得ることが困難となる。また、該平均繊維数（Ｎ）が１×１０５／Ｄ２以上のランダムマットを用いると局部的に厚い部分が生じ、成形品中のボイド発生の原因となりやすい。特に、上記の炭素繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（IIｂ）を満たすものが、より好ましい。
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２ …（IIａ）
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜６×１０４／Ｄ２ …（IIｂ）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
【００１６】
本発明でいうランダムマット中の炭素繊維束（Ａ）の割合は、具体的には、次のようにして求められる。
まず、ランダムマットを１００ｍｍ×１００ｍｍ程度に切り出したマットより、繊維束をピンセットで全て取り出し、繊維束の数（Ｇ）及び繊維束の長さ（Ｌｉ）と重量（Ｗｉ）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、まとめて最後に重量（Ｗｋ）を測定する。重量の測定には、１／１００ｍｇまで測定可能な天秤を用いる。ランダムマットに使用している炭素繊維の繊維径（Ｄ）より、臨界単糸数を計算し、臨界単糸数以上の繊維束（Ａ）とそれ以外のものに分ける。
また、強化繊維束（Ａ）の平均繊維数（Ｎ）は、次式により求められる。
Ｎ＝ΣＮｉ／Ｇ
上記式中のＮｉは、各繊維束中の繊維本数であり、これは使用している炭素繊維の繊度（Ｆ）より、次式により求められる。
Ｎｉ＝Ｗｉ／（Ｌｉ×Ｆ）
マットの繊維全量に対する繊維束（Ａ）の割合（ＶＲ）は、炭素繊維の密度（ρ）を用いて次式により求めることができる。
ＶＲ＝Σ（Ｗｉ／ρ）×１００／｛（Ｗｋ＋ΣＷｉ）／ρ｝
【００１７】
本発明の方法で用いるプリプレグの前駆体であるランダムマットを用いて樹脂の含浸及び成形を行い、厚さ１ｍｍ以下の薄肉な成形品を得ようとした場合、単純に分繊しただけの炭素繊維を用いたのでは、疎密が大きく、良好な物性のプリプレグや成形品が得られない。また、全ての繊維を単糸状に開繊（解繊）した場合には、より薄いプリプレグを得ることは容易になるが、プリプレグ中での繊維の交絡が多くなり、繊維体積含有率（Ｖｆ）が高く物性の良好なものが得られない。前記式（Ｉ）で定義される臨界単糸以上の繊維束（Ａ）と単糸状の繊維又は臨界単糸数未満の繊維束（Ｂ）とを、上述した特定の割合で同時に存在させることにより、薄肉であり、かつ物性発現率の高い成形品を実現することが可能となる。
【００１８】
本発明に用いられるプリプレグを得るためのランダムマットは、等方性の材料であることが好ましい。ランダムマット中の炭素繊維の等方性は、プリプレグ及び成形品においても維持される。ランダムマットから成形して得えられたプリプレグ及び成形品について、互いに直交する二方向の引張弾性率の大きい方の値の小さい方の値に対する比（Ｅδ）を求めることで、ランダムマット、プリプレグ及びそれから得られる成形品の等方性を定量的に評価できる。Ｅδが２未満である成形品は等方性とされ、Ｅδが１．３以下である成形品は特に等方性が優れているとされる。
【００１９】
上記ランダムマットの厚さには特に制限はなく、１〜１５０ｍｍ厚みのもので、良好なプリプレグ及び成形品を得ることができる。薄肉の成形品が得られるという効果を発揮する上では、２〜１００ｍｍ厚みとすることが好ましい。また、ランダムマットは適当な加圧又は減圧装置を用いて、使いやすい厚みに減容してから次の工程に供給してもよく、適当なサイズに裁断してから次の工程で使用してもよい。
【００２０】
本発明で使用するプリプレグは、上述の如き炭素繊維のランダムマットに熱可塑性樹脂が含浸したものであるが、熱可塑性樹脂は、上述の如くランダムマットの製造工程中で該マット中に混在させたものでもよく、ランダムマットの製造後に熱可塑性樹脂を加熱含浸したものでもよい。
【００２１】
プリプレグ及びその前駆体であるランダムマット中の炭素繊維と熱可塑性樹脂との割合は、ランダムマット製造時の各成分の仕込み量の割合から求めることができるが、試料中の熱可塑性樹脂を燃焼分解や化学物質による分解・溶解により除去して実測することも可能である。また、各成分の質量から各成分の密度を用いて各成分の体積を求め炭素繊維体積含有率（Ｖｆ）を算出する手順も採用することができる。
【００２２】
本発明の方法に用いられるプリプレグ及びその前駆体であるランダムマットは、いずれも、含有する炭素繊維及び熱可塑性樹脂について、下記式（III）で定義される炭素繊維体積含有率（以下、単に「Ｖｆ」ということがある）が５〜８０％であることが好ましく、Ｖｆが２０〜６０％であることがより好ましい。
Ｖｆ＝１００×炭素繊維体積／（炭素繊維体積＋熱可塑性樹脂体積） …（III）
プリプレグのＶｆが５％より低くなると、補強効果が十分に発現しないおそれがある。また、Ｖｆが８０％を超えると、得られる成形品中にボイドが発生しやすくなり、成形品の物性が低下するおそれがある
【００２３】
プリプレグの前駆体となるランダムマットは固体の熱可塑性樹脂を含むものでもよい。この場合、ランダムマットにおいて、熱可塑性樹脂が短繊維状及び／又は粉粒体状で存在することが好ましい。炭素繊維と短繊維状及び／又は粉粒体状の熱可塑性樹脂が混合して存在していることにより、樹脂の含浸工程等で、型内で繊維と樹脂を大きく流動させる必要がなく、熱可塑性樹脂を容易に均一含浸できる。なお、熱可塑性樹脂としては、互いに相溶可能なものであれば２種以上の樹脂を併用することもでき、また、短繊維状と粉粒体状のものを併用してもよい。
【００２４】
短繊維状の熱可塑性樹脂としては、繊度１００〜５０００ｄｔｅｘのものが好ましく、１０００〜２０００ｄｔｅｘものがより好ましい。平均繊維長は０．５〜５０ｍｍであるものが好ましく、平均繊維長が１〜１０ｍｍであるものがより好ましい。一方、粉粒体状の熱可塑性樹脂としては、球状、細片状、あるいはペレットのような円柱状のものが好ましく、フィルムを細かく裁断して短冊状としたものも好ましい。球状の熱可塑性樹脂としては、真円又は楕円の形状、あるいは卵状のような形状のものが好ましく挙げられる。球状の熱可塑性樹脂の好ましい平均粒子径は０．０１〜１０００μｍであり、より好ましい平均粒子径は０．１〜９００μｍであり、さらに好ましい平均粒子径１〜８００μｍである。粒子径分布についてはとくに制限はないが、粒子径分布がシャープなものが、より薄い成形品を得る上ではより好ましく、分級等の操作により所望の粒度分布の粒子状熱可塑性樹脂として用いることができる。細片状の熱可塑性樹脂としては、ペレットのような円柱状や、角柱状、リン片状が好ましい形状として挙げられる。この場合ある程度のアスペクト比を有しても良いが、好ましい長さは上記の短繊維状の場合と同程度である。
【００２５】
上記のランダムマット、特に、等方性のランダムマットを製造する好ましい方法については、本発明者らの発明に係る特開２０１１−１７８８９０号公報、特開２０１１−１７８８９１号公報に開示されており、また、その後の出願である特願２０１１−０１９８９１及び特願２０１１−１８８７６８等にも詳しい説明が記載されているが、ここでは、ランダムマットの製造方法として、以下の一連の工程よりなる方法を例示する。
（１）カット工程：炭素繊維ストランドをカットする工程。
（２）開繊工程：カットされた炭素繊維ストランドを管内に導入し、管内にて空気を吹き付けることにより、ストランドを構成する繊維束を開繊させる工程。
（３）散布工程：開繊させた炭素繊維を、繊維状又はパウダー状の熱可塑性樹脂とともに散布してマットとして堆積させる工程。
【００２６】
以下、各上記の各工程について、より詳細に説明する。
（１）カット工程
カット工程における炭素繊維ストランドのカット方法は、具体的にはナイフを用いてストランドを所定の長さにカットする工程である。ナイフとしてはロータリーカッター等が好ましい。この際、所望の大きさの繊維束とするために、カットに供する炭素繊維ストランドとしてストランド幅が細めのものを用いるか、あるいは、ストランドを縦方向にスリットしてストランド幅を細くすることが好ましい。後者の場合、繊維方向に平行な刃を有するカッターを用いてストランドを縦方向にスリットした後に所定の繊維長にカットすることもでき、また、スリット用ナイフとカット用ナイフを兼備したカッターにより、所定の繊維長にカットすると同時に繊維束を縦方向にスリットすることもできる。
【００２７】
カット工程で使用するロータリーカッターとしては、特定の角度で設置した螺旋状ナイフを備えたもの、あるいは、切断と分繊機能を併有するナイフを備えたもの（例えば、特願２０１１−０１９８９１の図２、図３に示されているロータリー分繊カッター）を用いることが好ましい。成形品の表面品位は、熱可塑樹脂強化用ランダムマットにおける繊維の疎密斑が大きく影響する。従来のロータリーカッターでは、繊維のカットが不連続であり、そのまま後述する散布工程に導入した場合には、マットの繊維目付けに局所的な斑が発生する。そのため、特定の角度で設置したナイフを用いて繊維を途切れなく、連続的にカットすることにより、疎密斑の小さい散布が可能となる。炭素繊維を連続的にカットするための好適なナイフ角度は、使用する炭素繊維の幅と、カットした後の繊維長により幾何学的に計算され、それらの関係は、下記の式（IV）とすることが好ましい。
炭素繊維の繊維長（刃のピッチ）＝炭素繊維ストランド幅×tan（９０−θ）…（IV）
（ここで、θはロータリーカッターの周方向とナイフの配置方向のなす角である。）
【００２８】
（２）開繊工程
開繊工程は、カットされた炭素繊維ストランド片（切断した繊維束）を管内に導入し、管内で空気を吹き付けることにより、繊維束を開繊（解繊）させる工程である。この開繊工程では、すべての繊維束を単糸状にまでバラバラにするのではなく、臨界単糸数以上の炭素繊維が集束した繊維束（Ａ）が上記の割合になるように開繊の度合いを調整するのが好ましい。開繊の度合いについては、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。本発明で好適なランダムマット製造における開繊方法は、カット直後の炭素繊維ストランド片に空気を吹き付ける点を特徴としている。好ましくは、開繊工程において、圧縮空気吹き付け孔より風速５〜５００ｍ／秒にて空気を直接ストランド片に吹き付けることにより、該ストランド片を構成する炭素繊維を所望程度に開繊することができる。具体的には炭素繊維ストランド片の通る管の周壁に直径１ｍｍ程度の孔を数箇所あけ、外側より０．２〜０．８ＭＰａ程度の圧力をかけて、圧縮空気を該ストランド片に直接吹き付けることによって、所望程度に開繊することができる。
【００２９】
（３）散布工程
散布工程は、開繊させた炭素繊維を、短繊維状又は粉粒体状の熱可塑性樹脂とともに、平らな通気性のある平面上に散布し、マット状の形態として堆積させる工程である。散布工程において、空気により開繊させた炭素繊維と短繊維状又は粉粒体状の熱可塑性樹脂とを、テーブルやシート等の平面上に散布し、層状に堆積させることによって等方性のランダムマットを得ることができる。この散布工程における熱可塑性樹脂の供給量は、炭素繊維１００重量部に対し、５０〜１０００重量部であることが好ましい。より好ましくは、炭素繊維１００重量部に対し、熱可塑性樹脂５５〜５００重量部、さらに好ましくは、炭素繊維１００重量部に対し、熱可塑性樹脂６０〜３００重量部である。
【００３０】
上記炭素繊維を散布する装置としては、炭素繊維の通路が末広がり状になっている円錐形等のテーパー管を用いることが好ましい。上記のテーパー管内では、空気が拡散し、管内の流速が減速し、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して開繊させた炭素繊維を好ましく拡散させ散布することができる。また、上記のテーブルやシート等を通気性のものとし、その下方に吸気装置を設けて、散布される炭素繊維と熱可塑性樹脂を吸引することにより、テーブルやシートの上に定着させるようにするのが好ましい。
【００３１】
このようなランダムマットの製造方法によれば、マット内において炭素繊維の長軸が３次元方向に配向しているものが少なく、二次元配向性のあるランダムマットとすることができる。
【００３２】
上記の如きランダムマットは、該マット中の熱可塑性樹脂が結晶性の場合は、その融点以上熱分解温度未満の温度まで、非晶性の場合はガラス転移温度以上熱分解温度未満の温度まで加熱し加圧することで、熱可塑性樹脂を均一に含浸させたプリプレグとすることができる。このプリプレグにおける炭素繊維の形態はランダムマットにおける状態を保っている。すなわち、プリプレグ中の炭素繊維は、ランダムマットにおける繊維長や等方性、開繊程度を維持しており、上記のランダムマットについて記載したものと同様である。
【００３３】
上記のプリプレグにおいては、熱可塑性樹脂が炭素繊維束及び炭素繊維の単糸の間に浸透し、均一に含浸した状態となっている。すでに述べたとおり、ランダムマットは炭素繊維と短繊維状又は粉粒体状の熱可塑性樹脂が混合され、マット中で近接して存在しているので、加熱により熱可塑性樹脂を容易に含浸できるという利点を有する。プリプレグの厚みは、得ようとする成形品の厚みの１〜１０倍、好ましくは１〜５倍であることが好ましい。このようにプリプレグの厚みは、目的とする成形品の厚みによるが、一般に、好ましくは０．１ｍｍ以上であり、厚みの上限は金型内に配置して成形可能な範囲内であればよく、実質上３０ｍｍ程度まである。
【００３４】
また、本発明の方法で成形材料として用いられるプリプレグは、ボイド率が０〜３０％であることが好ましく、０〜１０％がより好ましい。ボイド率は０〜５％がさらに好ましく、最も好ましいボイド率は０〜３％である。プリプレグのボイド率は、プリプレグの断面を光学顕微鏡で観察し、ボイドの存在面積を観察基材の断面積で除して算出する。観察は１つのプリプレグについて５回実施し（ｎ＝５）、その平均値をボイド率とする。なお、上記のボイド率を１００から差し引いた値が樹脂含浸度（％）であり、この値がプリプレグにおいて熱可塑性樹脂が炭素繊維束間に含浸している目安となる。
【００３５】
本発明の方法で用いられるプリプレグを構成する炭素繊維としては、賦形がし易い不連続繊維を使用することが好ましい。炭素繊維を平均繊維長５〜１００ｍｍ、特に１０〜３０ｍｍ、の長さにカットした短繊維状のものが適当であり、その繊維の平均繊維径は、好ましくは３〜１２μｍであり、より好ましくは５〜７μｍである。
【００３６】
また、前記炭素繊維を使用したプリプレグを得るためには、繊維束が１０００本〜５万本までの炭素繊維を平均繊維長５〜１００ｍｍの長さにカットした短繊維状のものを使用することができるが、コストの面から炭素繊維は２万本以上のものを使用することが好ましく、成形時の取り扱い性や意匠性の面から平均繊維長１０〜３０ｍｍの長さにカットした不連続繊維を使用することが特に好ましい。なお、ここでいう「平均繊維長」とはプリプレグ中に含まれる炭素繊維１００本を無作為に取り出し、それぞれの繊維長を計測した平均値で表される値である。
【００３７】
なお、上記炭素繊維には、カップリング剤による処理、サイジング剤による処理、添加剤の付着処理等の表面処理が施されていてもよい。また、かかる炭素繊維は、１種類を単独で用いてもよいし、繊維径や繊維長の異なる２種類以上を併用してもよい。
【００３８】
上記炭素繊維は、プリプレグ中において等方性であること、つまり、炭素繊維は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されていることが得られる成形品の剛性の点で望ましい。定量的には、熱可塑性樹脂が炭素繊維に含浸し得られた成形板の任意の方向、及びこれと直交する方向についてそれぞれ引張り試験を行って引張弾性率を測定し、その値のうち大きいものを小さいもので割った比（Ｅδ）を算出しＥδが２．０を超えないものであり、Ｅδが１．３を超えないものについては、特に等方性に優れているとされる。
【００３９】
ランダムマットに含浸させてプリプレグを構成する熱可塑性樹脂としては、結晶性の熱可塑性樹脂、非晶性の熱可塑性樹脂のいずれを使用してもよい。結晶性の熱可塑性樹脂の例としては、ナイロン６、ナイロン６６等のポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートあるいはポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、結晶性ポリプロピレン等の結晶性ポリオレフィン、非晶性の熱可塑性樹脂の例としては、ポリカーボネート、ポリ乳酸、ポリアセタール、ポリフェニレンスルフィド、ポリ（スチレン−アクリロニトリル−ブタジエン）系共重合体（ＡＢＳ樹脂）、ポリ（アクリロニトリル−スチレン）系共重合体（ＡＳ樹脂）あるいはハイインパクトポリスチレン（ＨＩＰＳ）等のスチレン系樹脂、ポリメチルメタクリレート等のアクリル系樹脂等を好ましく挙げることができる。
【００４０】
ランダムマットに含浸させる熱可塑性樹脂の形態は特に制限が無く、上記の短繊維及び／又は粉粒体状の樹脂のほか、例えば、フィルム、不織布状のものも使用できるが、取り扱い性を安定させるためには粉粒体状（パウダー）を使用することが好ましい。
【００４１】
プリプレグを構成する上記熱可塑性樹脂と炭素繊維との量比は限定されないが、プリプレグ中の炭素繊維体積含有率（Ｖｆ）が５〜８０％、特に２０〜６０％となる量比とすることが好ましい。
【００４２】
本発明の方法に用いるプリプレグは、上記の割合で炭素繊維と熱可塑性樹脂が混合しており、かつ炭素繊維が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されているランダムマットを熱プレスしたものが好ましい。すなわち、炭素繊維が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されているランダムマットを熱プレスすることで、本発明の成形方法に用いる好適なプリプレグが得られる。ただし、本発明の方法は、プリプレグとして、上記のごときランダムマットを前駆体とするプリプレグを使用する場合のみに限定されず、例えば、炭素繊維の連続繊維からなるＵＤシートに熱可塑性樹脂を含浸させたプリプレグも使用可能である。
【００４３】
本発明の方法においては、プリプレグに熱可塑性樹脂の含浸後、冷却することなく、熱可塑性樹脂の融点（非晶性樹脂の場合は軟化点）以上で、そのまま後述する成形工程に供してもよく、また、熱可塑性樹脂を一旦含浸し固化するという工程を経てから、同様の成形工程に進めてもよい。
【００４４】
＜成形方法＞
本発明の方法では、炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸させたプリプレグを、必要に応じ、複数枚積層し、また金型のサイズや形状に合わせて適宜裁断した後、該プリプレグを、遠赤外線ヒーター、高温オーブン、誘電加熱等の任意の加熱手段によって、可塑性樹脂の流動可能温度まで加熱した状態で金型内に配置（セット）し、プレス成形することにより成形品を製造する方法において、成形後に反り等が発生しない良好な成形品を製造するために、以下のような特別な成形方法が採用される。
【００４５】
すなわち、あらかじめ炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸させたプリプレグを、マトリクス樹脂が結晶性樹脂の場合は、その融点以上、熱分解点以下の温度に、また、非晶性樹脂の場合は、そのガラス転移点（Ｔｇ）以上、熱分解点以下の温度に加熱した状態で、マトリクス樹脂のガラス転移点（Ｔｇ）より高い温度（Ｔ１）に設定した金型の中に配置して型締めを行い、次いで、金型を急速に冷却してガラス転移点（Ｔｇ）近傍ないしガラス転移点（Ｔｇ）より低い温度（Ｔ２）まで冷却し、その際、Ｔ１とＴ２が下記式（１）を満足する温度として成形する方法である。
このとき、金型における成形面の温度（本発明では、単に「金型温度」という）は、熱可塑性樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）に応じて、下記の各式で示される温度とするが好ましい。
【００４６】
すなわち、熱可塑性樹脂が、結晶性の樹脂である場合は、
３０℃＜Ｔ１−Ｔ２＜１５０℃ ……（１）
１７０℃＞Ｔ１ ……（２）
１００℃＞Ｔ２＞Ｔｇ−３０℃ ……（３ａ）
の各式を同時に満足する温度とする。なかでも、
３０℃＜Ｔ１−Ｔ２＜１００℃ ……（１）
１５０℃＞Ｔ１ ……（２´）
１００℃＞Ｔ２＞Ｔｇ−２０℃ ……（３´ａ）
の各式を同時に満足する温度とすることが好ましい。
【００４７】
一方、熱可塑性樹脂が非晶性の樹脂である場合は、
３０℃＜Ｔ１−Ｔ２＜１５０℃ ……（１）
１７０℃＞Ｔ１ ……（２）
１００℃＞Ｔ２＞Ｔｇ−１２０℃ ………（３ｂ）
の各式を同時に満足する温度とする。なかでも、
３０℃＜Ｔ１−Ｔ２＜１００℃ ……（１）
１５０℃＞Ｔ１ ……（２´）
１００℃＞Ｔ２＞Ｔｇ−１００℃ ……（３´ｂ）
の各式を同時に満足する温度とすることが好ましい。
【００４８】
例えば、熱可塑性樹脂が結晶性樹脂のナイロン６６（Ｔｇ＝５０℃）の場合、金型内に配置される時のプリプレグの温度（Ｔ０）は、２７０〜３００℃が好ましく、上記Ｔ１は、Ｔ０よりも１４０〜１５０℃低く、かつ１３０〜１５０℃の範囲内の温度が好ましい。また、上記Ｔ２はＴ１より３０〜９０℃低く、かつ１００〜６０℃の温度が好ましい。結晶性ポリプロピレン（Ｔｇ＝−２０℃）の場合、金型内に配置される時点のプリプレグの温度（Ｔ０）は、１９０〜２２０℃が好ましく、上記Ｔ１はＴ０よりも９０〜１４０℃低く、かつ１００〜８０℃の温度が好ましい。また、上記Ｔ２はＴ１よりも３０℃〜６０℃低く、かつ７０〜４０℃の温度が好ましい。一方、熱可塑性樹脂が非晶性樹脂のポリカーボネート（Ｔｇ＝１４５〜１５０℃）の場合、金型内に配置される時点のプリプレグの温度（Ｔ０）は、２７０〜３００℃が好ましく、上記Ｔ１は、Ｔ０よりも１１０〜１７０℃低く、かつ１３０〜１６０℃の温度が好ましい。また、上記Ｔ２はＴ１より３０〜１１０℃低く、かつ５０〜１００℃の温度が好ましい。
【００４９】
この際、金型の上型と下型の間に１℃〜１００℃の温度差をつけ、かつ、コールドプレス時に上型・下型に触れる面のうち成形収縮が大きくなる面に接する金型の温度をもう一方の金型より低くすることにより、成形物の上面・下面の成形収縮の差を小さくできるので、良好な成形品を得ることができる。
【００５０】
本発明の方法では、金型温度を、成形当初は上記Ｔ１の温度に加熱するが、プリプレグを配置し、金型を閉じて加圧した後、直ちに又は上記Ｔ１の温度範囲に０．２〜１２０秒保持した後、冷却速度３０〜５０℃／分で上記Ｔ２の温度まで金型を冷却するのがよい。また、上記Ｔ２の温度範囲に保持する時間は、０秒（金型温度がＴ２に到達したらすぐに除圧し脱型する場合）を超え３００秒未満の時間の範囲内で適宜選択することができ、例えば金型温度がＴ２に到達したらすぐに除圧し脱型することも可能であるが、特に０〜６０秒とするのが好ましい。冷却速度は３０〜５０℃／分に調整することが好ましく、より好ましい冷却速度は４０〜５０℃／分である。冷却速度がこの範囲外では本発明の効果が低減することがある。
【００５１】
また、プレス成形時の圧力は、マトリクス樹脂が結晶性樹脂、非晶性樹脂の場合ともに、０．１ＭＰａ〜４０ＭＰａとするのが適当であり、最適には０．５ＭＰａ〜２５ＭＰａである。
【００５２】
以上のプレス成形は、ランダムマット、プリプレグの製造工程に引き続き連続的に行うこともでき、一旦プリプレグを得た後、必要に応じ、裁断あるいはプリプレグ同士又はプリプレグと他の材料と積層した上で、実施してもよい。
【００５３】
本発明の方法によれば、上記の金型温度条件でプリプレグを成形することで、高いリブ形状等を有し「反り」変形を招きやすい複雑形状の成形品でも、成形後の変形を小さくすることができる。しかも、得られる成形品の表面外観もきわめて良好である。
【００５４】
＜成形用の金型＞
本発明の方法に用いる成形用の金型は、加熱機構と冷却機構とを併せ持つことが好ましい。加熱機構の種類は限定されないが、例えば、電気で加熱する棒ヒーターやプレートヒーターを備えるか、オイル等の流体で加熱する機構を備えるもの好ましい。冷却機構の種類も特に制限はないが、例えば、流体であるオイル、水等を冷媒として流通させることで所定温度に冷却するようにした金型を使用することができる。熱交換の効率の良さから冷媒として水を使用することが好ましい。なかでも、金型内部に熱媒を通す配管を有し、そこに蒸気を流すことで加熱が可能であり、同配管に冷水を通すことで金型を急速に冷却することを可能にしたものが特に好適である。また、成形当初の金型温度Ｔ１と金型冷却時の温度Ｔ２の差は、３０℃を超え１５０℃未満とすることが必要であり、特に３０℃を超え１００℃未満とすることが好ましい。これにより成形時の金型の冷却及び次の成形にむけた金型の昇温に要する時間を少なくし、成形サイクル時間を短くすることができる。
【００５５】
また、通常の方法では「反り」等の変形が起こりやすいことがわかっている形状の成形の場合は、上下の金型温度を別に設定できる機構があることが好ましい。これは、成形品の上型に接する面と下型に接する面で成形時に温度差をつけておくことで、冷却収縮量に差をつけて変形をさらに改善することができるためである。
【００５６】
本発明の方法では、従来のホットプレス法に比べて金型温度の上げ下げの幅が小さくできるため、成形サイクルが短くなり、生産性を向上させることができる。また、従来のコールドプレス法に比べて、成形当初の型締め時の金型温度を高く設定しているので、流動性の高いプリプレグであれば型内で流動させて成形品を得ることもできる。すなわち、型内に金型の投影面積より小さいプリプレグを配置し、型締めすることでプリプレグを金型内で流動させて成形品を得ることができる。このため、端材の発生を抑え、成形品のトリミングの工程を省力化することができる。さらに、成形品の表面性については、高温のコールドプレスで得られる良好な外観を実現しながら、その際に見られる脱型後の成形品の「反り」等の変形を小さくし、高い寸法精度で成形品を得ることができる。
【００５７】
本発明の製造方法では、各種の厚みの成形品を提供することが可能であるが、特に主要部の厚みが０．２〜１ｍｍ程度の薄肉の成形品を得る際に効果が顕著である。また、結晶性熱可塑性樹脂をマトリクスとする複合材料のプレス成形では、成形後の「反り」等の変形が大きいので、本発明の方法は特に好適である。
【実施例】
【００５８】
以下に本発明の実施例及び比較例を示すが、本発明の範囲はこれらによって制限されるものではない。なお、これらの例で使用した金型、成形方法、成形品の評価法、及び、成形サイクルの測定法等は、以下のとおりである。
【００５９】
＜評価用成形品＞
実施例及び比較例における成形品の形状は、変形を起こしやすい図１に示すようなリブ付きの構造とした。すなわち、図１のような形状の成形品を従来の成形方法で成形した場合、リブ構造の根元部分で底面の平板部分が折れ曲がり、図２のような変形（反り）を起こすため、変形量の計測が容易である。この成形品は、図１のように、リブ部が平板部の中央に、平板部に対して垂直に立っており、平板部の幅方向に伸びた長い直方体であり、リブ部の厚みが３ｍｍ、高さが２０ｍｍである。
【００６０】
＜上記成形品を得る金型＞
本発明の効果を確認するために、上記のリブ付き成形品をプレス成形する金型として、正面から見た断面が図３で、側面の断面が図４のような形状の金型であって、急速加熱と急速冷却が可能な構造の金型を用意した。この金型内部には熱媒を通す配管を有し、そこに蒸気を流すことで加熱が可能であり、同配管に冷水を通すことで金型を急速に冷却することが可能とした。この金型は２０℃〜２００℃の範囲で任意に金型温度を設定可能である。なお、図３において、３１は金型内に設置（セット）された加熱したプリプレグ、３２は上型、３３は下型であり、３４は成形の際にその上にプリプレグを配置する下型の平面部である。
【００６１】
＜成形方法＞
上記の金型に、成形材料となる厚み３ｍｍのプリプレグを、２００ｍｍ×１００ｍｍに切出し、赤外線（ＩＲ）ヒーターを用いてプリプレグを構成するマトリクス樹脂の融点以上に加熱し、それを下型の平面部に配置した後、金型を閉じ、１分間２０Ｔｏｎの荷重を加えて賦型し、続けて、圧力をかけたまま４０℃／分で冷却し、評価用成形品を得た。なお、成形時の金型温度、冷却時間等は実施例・比較例ごとに異なる。
【００６２】
＜変形の評価方法＞
前述の成形方法で得られた成形品を、室温で２４時間静置した後、図５のように、評価用成形品５１を鉄製の平面定盤５２の上に置き、成形品の平板部の片側端に鉄製の錘５３をのせ、平板部の逆端がどれだけ定盤５２から離れるかを計測し、「反り」の高さ５４とした。この高さ５４が大きいほど変形しやすい条件であるといえる。
変形量については、成形品の大きさ、形状に依存しない指標として、下記式（ａ）により変形率を定義した。
変形率（％）＝反り変形等の変形量／変形を測定した部位の長さ×１００……（ａ）
今回の各実験における形状では、「反り」の高さを底面部の長さ（２００ｍｍ）で除したものが変形率である。今回の評価では、変形率１．５％未満を良、３．０％以上を不良とした。
【００６３】
＜外観の評価＞
上述の成形方法で得られた成形品が室温程度まで冷えてから、成形品表面の金型の転写具合（金型の鏡面が成形品に転写される程度）について目視で評価した。すなわち、
◎…金型の鏡面性が転写されて表面が鏡面のように平滑
○…表面ほぼ平滑
△…一部に微細な凹凸が観察される
×…表面凹凸が観察される
の４段階で評価した。
【００６４】
＜成形サイクル＞
加熱したプリプレグを金型内に配置し、型締めを始めた瞬間から、成形、冷却、脱型、金型の再加熱を行い、次の成形が開始できるまでを１サイクルとし、その時間を３回計測し、３サイクルの平均時間を成形サイクルとした。この３サイクルの平均時間（成形サイクル）が１０分未満の場合を良好、１０分以上１５分未満の場合をやや良好、１５分以上は不良とした。
【００６５】
［実施例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（平均繊維径７μｍ、ストランド幅１０ｍｍ）のストランドを使用した。カット装置には、超硬合金を用いて螺旋状ナイフを表面に配置したロータリーカッターを用いた。このとき刃のピッチを２０ｍｍとし、炭素繊維ストランドを繊維長２０ｍｍにカットした。開繊装置として、径の異なるＳＵＳ３０４製のニップルを溶接し、二重管を製作した。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／秒であった。この管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ー管を溶接し、この管内でカット後の炭素繊維ストランドに空気を吹き付けて開繊させた。このとき、テーパー管の側面よりマトリクス樹脂を供給した。このマトリクス樹脂としては、帝人化成社製のポリカーボネート“パンライト”（登録商標）Ｌ−１２２５Ｌペレット（ガラス転移温度１４５〜１５０℃）を冷凍粉砕した平均粒径は約７１０μｍの粉末状粒子を使用した。テーパー管出口の下部に、ＸＹ方向に移動可能な通気性のテーブルを設置し、テーブル下部よりブロワにてテーパー管からの散布風量より大きい風量になるよう吸引を行った。そして、炭素繊維の供給量を１１００ｇ／分、マトリクス樹脂の供給量を３０００ｇ／分、に配置し、装置を稼動したところ、炭素繊維と熱可塑性樹脂が混合された、厚み６ｍｍ程度のランダムマットを得た。得られたランダムマットの炭素繊維の目付け量は、１３００ｇ／ｍ２であった。
【００６６】
得られたランダムマットを３００℃に加熱したプレス装置にて、１ＭＰａにて３分間加熱し、ランダムマット中のポリカーボネート樹脂を溶融含浸させて厚さ２．５ｍｍの熱可塑等方性プリプレグを得た。得られたプリプレグ中の繊維の体積含有率（Ｖｆ）は３０％であった。得られたプリプレグ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。
【００６７】
得られたプリプレグを１００ｍｍ×２００ｍｍの長方形にカットした後、それを熱風循環式加熱炉により該プリプレグの表面温度が２７０℃になるまで加熱し、直ちに、成形面の表面温度１３０℃に加熱した上述の金型内に配置し、型を閉じ２０ｔｏｎの型締め力で１分間加圧を行い、加圧したまま、２分間かけて６０℃まで金型を冷却したのち、成形品を取り出し、所定形状の成形品を得た。この成形品における平均Ｖｆ（成形品の各部位のＶｆ平均値）は３０％であった。また、この時のプレス成形時の圧力は１０ＭＰａであった。成形の温度条件及び成形品の評価結果を後掲の表１に示す。なお、表１中に示す「金型温度」が上記のＴ１、「冷却温度」が上記のＴ２に相当する。また、「ＰＣ」はポリカーボネート樹脂を意味する。
【００６８】
［実施例２］
マトリクス樹脂を２ｍｍにドライカットしたナイロン６６繊維（旭化成せんい製「Ｔ５ナイロン」繊度１４００ｄｔｅｘ、ガラス転移温度５０℃）に、ランダムマット製造時の樹脂供給量を２８００ｇ／分にした以外は、実施例１と同様の方法でランダムマットを得た。
【００６９】
得られたランダムマットを２９０℃に加熱したプレス装置にて、３ＭＰａにて３分間加熱し、厚さ２．５ｍｍの熱可塑等方性プリプレグを得た。得られたプリプレグ中の繊維の体積含有率（Ｖｆ）は３０％であった。得られたプリプレグ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。
【００７０】
得られたプリプレグを１００ｍｍ×２００ｍｍの長方形にカットした後、それを熱風循環式加熱炉によりプリプレグの表面温度が３００℃になるまで加熱し、直ちに、表面を１５０℃に加熱した上述の金型内に配置し、型を閉じ２０ｔｏｎの型締め力で１分間加圧を行い、加圧したまま、３分間かけて４０℃まで金型を冷却して成形品を得た。この時の成形時の圧力は、１０ＭＰａであった。成形の温度条件及び成形品の評価結果を後掲の表１に示す。なお、表１中の「ＰＡ６６」はナイロン６６を意味する。
【００７１】
［実施例３］
マトリクス樹脂を２ｍｍにドライカットしたナイロン６６繊維（旭化成せんい製「Ｔ５ナイロン」繊度１４００ｄｔｅｘ、ガラス転移温度５０℃）に、ランダムマット製造時の樹脂供給量を２８００ｇ／分にした以外は、実施例１と同様の方法でランダムマットを得た。
【００７２】
得られたランダムマットを２９０℃に加熱したプレス装置にて、３ＭＰａにて３分間加熱し、厚さ２．５ｍｍの熱可塑等方性プリプレグを得た。得られたプリプレグ中の繊維の体積含有率（Ｖｆ）は３０％であった。得られたプリプレグ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。
【００７３】
得られたプリプレグを１００ｍｍ×２００ｍｍの長方形にカットした後、それを熱風循環式加熱炉によりプリプレグの表面温度が３００℃になるまで加熱し、直ちに、成形面を１３０℃に加熱した上述の金型内に配置し、型を閉じ２０ｔｏｎの型締め力で１分間加圧を行い、加圧したまま、１．５分間かけて８０℃まで金型を冷却して成形品を得た。この時の成形時の圧力は、１０ＭＰａであった。成形の温度及び成形品の評価結果を後掲の表１に示す。
【００７４】
［実施例４］
マトリクス樹脂を冷凍粉砕したナイロン６パウダー（宇部興産製、１０２２Ｂ、平均粒径８００μｍ、ガラス転移温度４８℃）に、ランダムマット製造時の樹脂供給量を２８００ｇ／ｍｉｎにした以外は実施例１と同様の方法でランダムマットを得た。
【００７５】
得られたランダムマットを２６０℃に加熱したプレス装置にて、３ＭＰａにて３分間加熱し、厚さ２．５ｍｍの熱可塑等方性プリプレグを得た。得られたプリプレグ中の繊維の体積含有率は３０％であった。得られたプリプレグ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。
【００７６】
得られたプリプレグを、１００ｍｍ×２００ｍｍの長方形にカットしたものを、熱風循環式加熱炉を用いて表面温度が２６０℃になるまで加熱し、その状態で、成形面を１３０℃に熱した上述の金型に配置し、型を閉じ２０ｔｏｎの型締め力で1分間加圧を行い、加圧したまま、１．５分間かけて７０℃まで金型を冷却して成形品を得た。この時の成形時の圧力は、１０ＭＰａであった。成形の温度及び成形品の評価結果を後掲の表１に示す。なお、表１中の「ＰＡ６」はナイロン６を意味する。
【００７７】
［実施例５］
マトリクス樹脂を冷凍粉砕したポリプロピレンパウダー（プライムポリマー社製、Ｊ２２７Ｔ、平均粒径７００μｍ、ガラス転移温度−２０℃）に、ランダムマット製造時の樹脂供給量を２３００ｇ／ｍｉｎにした以外は、実施例１と同様の方法でランダムマットを得た。
【００７８】
得られたランダムマットを２３０℃に加熱したプレス装置にて、３ＭＰａにて３分間加熱し、厚さ２．５ｍｍの熱可塑性の等方性プリプレグを得た。得られたプリプレグ中の繊維の体積含有率は３０％であった。得られたプリプレグ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。
【００７９】
得られたプリプレグを、１００ｍｍ×２００ｍｍの長方形にカットしたものを、熱風循環式加熱炉を用いて表面温度が２１０℃になるまで加熱し、その状態で、成形面を１３０℃に熱した上述の金型に配置し、型を閉じ２０ｔｏｎの型締め力で1分間加圧を行い、加圧したまま２．０分間かけて５０℃まで金型を冷却して成形品を得た。この時の成形時の圧力は、１０ＭＰａであった。成形の温度及び成形品の評価結果を後掲の表１に示す。なお、表１中の「ＰＰ」はポリプロピレンを意味する
【００８０】
［比較例１］
実施例１と同様の方法で得られたプリプレグを１００ｍｍ×２００ｍｍの長方形にカットした成形材料を、熱風循環式加熱炉を用いてプリプレグの表面温度が２７０℃になるまで加熱し、直ちに、成形面を１５０℃に加熱した上述の金型内に配置し、型を閉じ２０ｔｏｎの型締め力で１分間加圧を行い、そのままの金型温度で成形品を取り出した。その条件及び成形品の評価結果を後掲の表１に示す。
【００８１】
［比較例２］
実施例２と同様の方法で得られたプリプレグを１００ｍｍ×２００ｍｍの長方形にカットした成形材料を、熱風循環式加熱炉を用いて表面温度が３００℃になるまで加熱し、成形面を１３０℃に加熱した上述の金型内に配置し、型を閉じ２０ｔｏｎの型締め力で１分間加圧を行い、そのままの金型温度で成形品を取り出した。その条件及び成形品の評価結果を後掲の表１に示す。
【００８２】
［比較例３］
実施例２と同様の方法で得られたプリプレグを１００ｍｍ×２００ｍｍの長方形にカットした成形材料を、熱風循環式加熱炉を用いて表面温度が３００℃になるまで加熱し、成形面を６０℃に加熱した上述の金型内に配置し、型を閉じ２０ｔｏｎの型締め力で１分間加圧を行い、そのままの金型温度で成形品を取り出した。その条件及び成形品の評価結果を後掲の表１に示す。
【００８３】
［比較例４］
金型にカートリッジヒーターを埋め込み、金型の成形面を３００℃まで加熱可能にし、実施例２と同様の方法で得られたプリプレグを１００ｍｍ×２００ｍｍの長方形にカットした成形材料を、成形面が３００℃になるまで加熱した金型内に配置し、型を閉じ１０ｔｏｎの型締め力で１分間加圧し、加圧したまま５０℃になるまで金型を冷却して成形品を得た。その条件及び成形品の評価結果を後掲の表１に示す。
【００８４】
【表１】
【００８５】
表１に示す結果から明らかなように、本発明方法に従って、成形当初の金型を特定温度範囲に保持し、その後、特定温度範囲にまで冷却することにより、表面外観が良好で、成形後の変形（反り）の少ない良好な成形品を、短い成形サイクルで製造することができる。
【符号の説明】
【００８６】
１１：成形品の平板部
１２：成形品のリブ部
１３：成形品のリブ取り付け部
３１：加熱したプリプレグ
３２：金型の上型
３３：金型の下型
３４：下型平面部
５１：評価用成形品
５２：平面定盤
５３：銀製の錘
５４：反り高さ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸させたプリプレグを熱可塑性樹脂流動可能温度まで加熱した状態で金型内に配置し、金型内でプレス成形することにより成形品を製造する方法において、該加熱プリプレグをそのマトリクス樹脂のガラス転移点（Ｔｇ）より高い温度に加熱した金型内に配置し、次いで、金型を冷却した後、金型から成形品を取り出すことからなり、かつ、その際、プリプレグ配置時の金型温度（Ｔ１）と冷却後の金型温度（Ｔ２
）が、下記式（１）を満たす条件にして成形することを特徴とする複合材料成形品の製造方法。
３０℃＜Ｔ１−Ｔ２＜１５０℃ ……（１）
【請求項２】
プリプレグを配置した金型を、冷却速度３０〜５０℃／分で冷却する請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
熱可塑性樹脂が結晶性の熱可塑性樹脂であり、プリプレグの加熱温度が該結晶性熱可塑性樹脂の融点以上、熱分解点以下の温度であって、プリプレグを配置する時の金型の温度（Ｔ１）と、冷却後の金型温度（Ｔ２）との関係が下記式（１）（２）及び（３ａ）を同時に満たす条件で成形する請求項１又は請求項２に記載の製造方法。
３０℃＜Ｔ１−Ｔ２＜１５０℃ ……（１）
１７０℃＞Ｔ１ ……（２）
１００℃＞Ｔ２＞Ｔｇ−３０℃ ………（３ａ）
（Ｔｇ：樹脂のガラス転移温度）
【請求項４】
熱可塑性樹脂が非晶性の熱可塑性樹脂であり、プリプレグの加熱温度が該非晶性熱可塑性樹脂の融点以上、熱分解点以下の温度であって、プリプレグを配置する時の金型の温度（Ｔ１）と、冷却後の金型温度（Ｔ２）との関係が下記式（１）（２）及び（３ｂ）を同時に満たす条件で成形する請求項１又は請求項２に記載の製造方法。
３０℃＜Ｔ１−Ｔ２＜１５０℃ ……（１）
１７０℃＞Ｔ１ ……（２）
１００℃＞Ｔ２＞Ｔｇ−１２０℃ ………（３ｂ）
（Ｔｇ：熱可塑性樹脂のガラス転移温度）
【請求項５】
成形時の圧力が０．１ＭＰａ〜４０ＭＰａの範囲である請求項１〜請求項４のいずれかに記載の製造方法。
【請求項６】
上型と下型に1〜１００℃の温度差をつけ、かつ、コールドプレス時に上型・下型に触れる面のうち成形収縮が大きくなる面に接する金型の温度をもう一方の金型より低くする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の製造方法。
【請求項７】
成形材料として用いるプリプレグが、熱可塑成樹脂を含浸した炭素繊維ランダムマットである請求項１〜請求項６のいずれかに記載の製造方法。
【請求項８】
ランダムマットが、該マットを構成する炭素繊維の平均繊維長が５〜１００ｍｍであって、繊維目付けが２５〜３０００ｇ／ｍ２であり、かつ、下記式（Ｉ）で定義される臨界単糸数以上の繊維束（Ａ）と臨界単糸数未満の繊維束又は単糸（Ｂ）が同時に存在するランダムマットである請求項７に記載の製造方法。
臨界単糸数＝６００／Ｄ …（Ｉ）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
【請求項９】
ランダムマットが、該マット中における繊維束（Ａ）の該マットを構成する繊維全量に対する割合が２０Ｖｏｌ％以上９９Ｖｏｌ％未満であるランダムマットである請求項８に記載の製造方法。
【請求項１０】
ランダムマットが、該マット中における繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（II）を満たすランダムマットである請求項８又は請求項９に記載の製造方法。
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２ …（II）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
【請求項１１】
成形材料として用いるプリプレグにおける炭素繊維の体積含有率（Ｖｆ）が、５〜８０Ｖｏｌ％である請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の製造方法。
【請求項１】
炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸させたプリプレグを熱可塑性樹脂流動可能温度まで加熱した状態で金型内に配置し、金型内でプレス成形することにより成形品を製造する方法において、該加熱プリプレグをそのマトリクス樹脂のガラス転移点（Ｔｇ）より高い温度に加熱した金型内に配置し、次いで、金型を冷却した後、金型から成形品を取り出すことからなり、かつ、その際、プリプレグ配置時の金型温度（Ｔ１）と冷却後の金型温度（Ｔ２
）が、下記式（１）を満たす条件にして成形することを特徴とする複合材料成形品の製造方法。
３０℃＜Ｔ１−Ｔ２＜１５０℃ ……（１）
【請求項２】
プリプレグを配置した金型を、冷却速度３０〜５０℃／分で冷却する請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
熱可塑性樹脂が結晶性の熱可塑性樹脂であり、プリプレグの加熱温度が該結晶性熱可塑性樹脂の融点以上、熱分解点以下の温度であって、プリプレグを配置する時の金型の温度（Ｔ１）と、冷却後の金型温度（Ｔ２）との関係が下記式（１）（２）及び（３ａ）を同時に満たす条件で成形する請求項１又は請求項２に記載の製造方法。
３０℃＜Ｔ１−Ｔ２＜１５０℃ ……（１）
１７０℃＞Ｔ１ ……（２）
１００℃＞Ｔ２＞Ｔｇ−３０℃ ………（３ａ）
（Ｔｇ：樹脂のガラス転移温度）
【請求項４】
熱可塑性樹脂が非晶性の熱可塑性樹脂であり、プリプレグの加熱温度が該非晶性熱可塑性樹脂の融点以上、熱分解点以下の温度であって、プリプレグを配置する時の金型の温度（Ｔ１）と、冷却後の金型温度（Ｔ２）との関係が下記式（１）（２）及び（３ｂ）を同時に満たす条件で成形する請求項１又は請求項２に記載の製造方法。
３０℃＜Ｔ１−Ｔ２＜１５０℃ ……（１）
１７０℃＞Ｔ１ ……（２）
１００℃＞Ｔ２＞Ｔｇ−１２０℃ ………（３ｂ）
（Ｔｇ：熱可塑性樹脂のガラス転移温度）
【請求項５】
成形時の圧力が０．１ＭＰａ〜４０ＭＰａの範囲である請求項１〜請求項４のいずれかに記載の製造方法。
【請求項６】
上型と下型に1〜１００℃の温度差をつけ、かつ、コールドプレス時に上型・下型に触れる面のうち成形収縮が大きくなる面に接する金型の温度をもう一方の金型より低くする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の製造方法。
【請求項７】
成形材料として用いるプリプレグが、熱可塑成樹脂を含浸した炭素繊維ランダムマットである請求項１〜請求項６のいずれかに記載の製造方法。
【請求項８】
ランダムマットが、該マットを構成する炭素繊維の平均繊維長が５〜１００ｍｍであって、繊維目付けが２５〜３０００ｇ／ｍ２であり、かつ、下記式（Ｉ）で定義される臨界単糸数以上の繊維束（Ａ）と臨界単糸数未満の繊維束又は単糸（Ｂ）が同時に存在するランダムマットである請求項７に記載の製造方法。
臨界単糸数＝６００／Ｄ …（Ｉ）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
【請求項９】
ランダムマットが、該マット中における繊維束（Ａ）の該マットを構成する繊維全量に対する割合が２０Ｖｏｌ％以上９９Ｖｏｌ％未満であるランダムマットである請求項８に記載の製造方法。
【請求項１０】
ランダムマットが、該マット中における繊維束（Ａ）中の平均繊維数（Ｎ）が下記式（II）を満たすランダムマットである請求項８又は請求項９に記載の製造方法。
０．７×１０４／Ｄ２＜Ｎ＜１×１０５／Ｄ２ …（II）
（ここでＤは炭素繊維の平均繊維径（μｍ）である）
【請求項１１】
成形材料として用いるプリプレグにおける炭素繊維の体積含有率（Ｖｆ）が、５〜８０Ｖｏｌ％である請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−１０３４８１（Ｐ２０１３−１０３４８１Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５１００２（Ｐ２０１１−２５１００２）
【出願日】平成２３年１１月１６日（２０１１．１１．１６）
【出願人】（０００００３００１）帝人株式会社 (1,209)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１６日（２０１１．１１．１６）
【出願人】（０００００３００１）帝人株式会社 (1,209)
【Ｆターム（参考）】
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