WO2017164157A1 - 繊維強化樹脂材料及びその製造方法 - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a fiber reinforced resin material and a method for producing the same.
  • SMC Sheet Molding Compound
  • SMC is widely used as an intermediate material for fiber reinforced resin material molded parts having partially different thicknesses, ribs, bosses, and the like, which have a property of easily flowing during molding with a mold.
  • SMC is a thermosetting resin such as unsaturated polyester resin in a sheet-like fiber bundle group formed by a plurality of chopped fiber bundles obtained by cutting long reinforcing fibers such as glass fibers and carbon fibers into a predetermined length. Is a fiber reinforced resin material impregnated with.
  • Examples of the fiber reinforced resin material molded body obtained by molding SMC include the following.
  • fiber reinforced resin material molded bodies obtained from conventional fiber reinforced resin materials such as Patent Documents 1 and 2 still have insufficient mechanical properties such as tensile strength and tensile elastic modulus. Therefore, it is important to obtain a fiber reinforced resin material that can produce a fiber reinforced resin material molded body having higher tensile strength, tensile elastic modulus, and the like.
  • An object of the present invention is to provide a fiber reinforced resin material from which a molded product of fiber reinforced resin material having high mechanical properties such as tensile strength and tensile elastic modulus can be obtained, and a method for producing the fiber reinforced resin material.
  • the present invention provides a fiber reinforced resin material having the following configuration and a method for producing the fiber reinforced resin material.
  • a fiber-reinforced resin material in which a matrix resin composition is impregnated in a sheet-like fiber bundle group formed of a plurality of fiber bundles, In a rectangular area (A) of 25 mm long by 125 mm wide in a cross section along the surface direction, the following ratios Q 1 to Q 4 are all 15% or more when the horizontal direction is 0 ° and the counterclockwise direction is positive. And In a rectangular range (B) of 2 mm in length and 125 mm in width in a cross section along the thickness direction, when the surface direction is 0 ° and the counterclockwise direction is positive, the following ratio Q 5 is 97% or less.
  • Ratio Q 1 Ratio of the number of fiber bundles whose fiber axis direction is more than ⁇ 90 ° and less than or equal to ⁇ 45 ° with respect to the total number of fiber bundles in the range (A).
  • Ratio Q 2 Ratio of the number of fiber bundles whose fiber axis direction is more than ⁇ 45 ° and not more than 0 ° with respect to the total number of fiber bundles in the range (A).
  • Ratio Q 3 Ratio of the number of fiber bundles whose fiber axis direction is greater than 0 ° and equal to or less than 45 ° with respect to the total number of fiber bundles in the range (A).
  • Ratio Q 4 The ratio of the number of fiber bundles whose fiber axis direction is greater than 45 ° and less than or equal to 90 ° with respect to the total number of fiber bundles in the range (A).
  • Ratio Q 5 Ratio of the number of fiber bundles having a fiber axis direction of ⁇ 10 ° to 10 ° with respect to the total number of fiber bundles in the range (B). [2] The proportion Q 5, a ratio of the number of the range (B) 5 ° or less of the fiber bundle fiber axis direction -5 ° to the total number of fiber bundles in the fiber-reinforced according to [1] Resin material.
  • the ratio Q 5 is 95% or less, the fiber reinforced resin material according to [1] or [2].
  • a sheet-like fiber bundle group formed of a plurality of fiber bundles is sandwiched between a pair of resin sheets made of a matrix resin composition, and they are pressed from both sides to form the matrix resin composition into the sheet-like fiber bundle. Having an impregnation step of impregnating the group to obtain a fiber reinforced resin material;
  • the fiber bundle has an average width L′ 1 of 2 to 12 mm, an average fiber length L′ 2 of 20 to 100 mm, an average thickness L′ 3 of 0.01 to 0.1 mm, and a ratio L′ 2 / L′ 1.
  • a method for producing a fiber-reinforced resin material which is 5 to 20.
  • the fiber reinforced resin material of the present invention By using the fiber reinforced resin material of the present invention, a fiber reinforced resin material molded body having high mechanical properties such as tensile strength and tensile elastic modulus can be obtained. If it is the manufacturing method of the fiber reinforced resin material of this invention, the fiber reinforced resin material from which the fiber reinforced resin material molded object with high mechanical properties, such as tensile strength and a tensile elasticity modulus, is obtained can be manufactured.
  • the fiber-reinforced resin material of the present invention is a fiber-reinforced resin material (SMC) in which a matrix resin composition is impregnated into a sheet-like fiber bundle group formed of a plurality of fiber bundles.
  • SMC fiber-reinforced resin material
  • the fiber reinforced resin material 1 of the present embodiment is formed by impregnating a matrix resin composition S into a long sheet-like fiber bundle group F formed of a plurality of fiber bundles f. .
  • the fiber bundle f is a bundle of a plurality of reinforcing fibers.
  • Ratio Q 1 Ratio of the number of fiber bundles f whose fiber axis direction is greater than ⁇ 90 ° and ⁇ 45 ° or less with respect to the total number of fiber bundles f in the range (A).
  • Ratio Q 2 Ratio of fiber bundles whose fiber axis direction is more than ⁇ 45 ° and not more than 0 ° with respect to the total number of fiber bundles f in the range (A).
  • Ratio Q 3 Ratio of fiber bundles whose fiber axis direction is greater than 0 ° and equal to or less than 45 ° with respect to the total number of fiber bundles f in the range (A).
  • Ratio Q 4 Ratio of fiber bundles whose fiber axis direction is greater than 45 ° and less than or equal to 90 ° with respect to the total number of fiber bundles f in the range (A).
  • the total of the ratios Q 1 to Q 4 is 100%.
  • N1 and N2 are The connecting straight line corresponds to the fiber axis of the fiber bundle. That is, the fiber axis direction in this fiber bundle is determined by connecting N1 and N2 with a straight line when the lower right corner of the parallelogram is N1 and the upper right corner is N2.
  • the number of fiber bundles can be counted from, for example, an X-ray CT image of a fiber reinforced resin material, and the resin content of the fiber reinforced resin material is thermally decomposed in a nitrogen atmosphere, or the resin content is dissolved and removed. Can be counted.
  • each fiber bundle f is dispersed so that the fiber axis direction is not biased in a specific direction.
  • the ratios Q 1 to Q 4 are each preferably 15 to 35% and more preferably 20 to 30% from the viewpoint that a fiber-reinforced resin material molded body having a high tensile elastic modulus can be easily obtained.
  • the ratios Q 1 to Q 4 have as little difference as possible from the viewpoint of easily obtaining a fiber-reinforced resin material molded body having a high tensile elastic modulus.
  • the difference between the highest ratio and the lowest ratio in the ratios Q 1 to Q 4 is preferably 20% or less, and more preferably 10% or less. Specifically, it is preferably more than 0 and 20% or less, more preferably more than 0 and 10% or less.
  • Percentage Q 5 As shown in FIG. 3, in the cross section along the thickness direction of the fiber reinforced resin material 1, the surface direction is 0 ° and the counterclockwise direction is positive in a rectangular range (B) of 2 mm long ⁇ 125 mm wide. In this case, the fiber-reinforced resin material 1, the ratio Q 5 below is in 97% or less.
  • Ratio Q 5 Ratio of the number of fiber bundles whose fiber axis direction is ⁇ 10 ° or more and 10 ° or less with respect to the total number of fiber bundles in the range (B).
  • the ratio of the fiber bundle f existing in a state substantially parallel to the surface direction is ⁇ 97 ° or less and ⁇ 10 ° or less and 10 ° or less as described above. That is, the fiber bundle f having a ratio of 3% or more in the range (B) exists with an inclination exceeding 10 ° in absolute value with respect to the plane direction. Thereby, the tensile strength of the fiber reinforced resin material molded object obtained by shape
  • Fiber bundle fraction Q 5 is intended a tensile strength since there is a tendency that a higher fiber-reinforced resin material molded product is obtained, the fiber axis direction is -5 ° with respect to the total number of fiber bundles in the range (B) A fiber bundle of 5 ° or less is preferable.
  • the above-mentioned dispersion state in the fiber bundle constituting the fiber reinforced resin material of the present invention can be confirmed by, for example, analyzing an X-ray CT three-dimensional image of the material.
  • the reinforcing fiber forming the fiber bundle is not particularly limited.
  • inorganic fibers organic fibers, metal fibers, or reinforcing fibers having a hybrid configuration in combination of these can be used.
  • the inorganic fibers carbon fibers, graphite fibers, Examples thereof include silicon carbide fiber, alumina fiber, tungsten carbide fiber, boron fiber, and glass fiber.
  • the organic fibers include aramid fibers, high density polyethylene fibers, other general nylon fibers, and polyester fibers.
  • metal fibers include fibers such as stainless steel and iron, and carbon fibers coated with metal may be used.
  • carbon fibers are preferable in view of mechanical properties such as strength of the fiber-reinforced resin material molded body.
  • One type of reinforcing fiber may be used alone, or two or more types may be used in combination.
  • the average width L1 (FIG. 4) of the fiber bundle is preferably 2 to 12 mm, more preferably 2 to 10 mm, further preferably 3 to 8 mm, and particularly preferably 3 to 6 mm. If the average width L1 of the fiber bundle is equal to or greater than the lower limit value, the fiber reinforced resin material is more likely to flow at the time of molding, and thus molding is facilitated. If the average width L1 of the fiber bundle is equal to or less than the upper limit value, it is easy to obtain a fiber-reinforced resin material molded body having excellent physical properties such as tensile strength and tensile elastic modulus. The average width L1 of the fiber bundle is measured by the following method.
  • the fiber reinforced resin material is heated in an electric furnace or the like to decompose the matrix resin composition, and 10 fiber bundles are randomly selected from the remaining fiber bundles.
  • the width is measured with a vernier caliper at three positions of the both ends and the center in the fiber axis direction, and all of the measured values are averaged to obtain an average width.
  • the average fiber length L2 (FIG. 4) of the fiber bundle is preferably 20 to 100 mm, more preferably 25 to 80 mm, and even more preferably 25 to 55 mm. If the fiber length L2 of the fiber bundle is equal to or greater than the lower limit, it is easy to obtain a fiber reinforced resin material molded body having excellent physical properties such as tensile strength and tensile elastic modulus. If the fiber length L2 of the fiber bundle is equal to or less than the upper limit value, the fiber reinforced resin material is more likely to flow at the time of molding, and thus molding becomes easy.
  • the average fiber length L2 of the fiber bundle is measured by the following method. For each of the ten fiber bundles obtained in the same manner as the measurement of the average width, the maximum fiber length is measured with a caliper, and all of the measured values are averaged to obtain the average fiber length.
  • the ratio L2 / L1 of the average fiber length L2 to the average width L1 in the fiber bundle is preferably 5 to 20, more preferably 5 to 10, and further preferably 7 to 9.
  • a fiber-reinforced resin material molded body having excellent mechanical properties such as tensile strength and tensile elastic modulus can be easily obtained.
  • the average thickness L3 (FIG. 4) of the fiber bundle is preferably 0.01 to 0.1 mm, more preferably 0.02 to 0.1 mm, still more preferably 0.02 to 0.08 mm, and 0.04 to 0.00 mm. Particularly preferred is 06 mm. If the average thickness L3 of the fiber bundle is equal to or greater than the lower limit, the fiber bundle can be easily handled, and further, the fiber bundle group can be easily impregnated with the matrix resin composition. If the average thickness L3 of the fiber bundle is equal to or lower than the upper limit value, a fiber-reinforced resin material molded body having excellent physical properties such as tensile strength and tensile elastic modulus can be easily obtained.
  • the average thickness of the fiber bundle is measured by the following method. For each of the 10 fiber bundles obtained in the same manner as the average width measurement, the thickness was measured with three calipers at both ends and the center in the fiber axis direction, and all the measured values were averaged and averaged. Thickness.
  • the ratio L1 / L3 of the average width L1 to the average thickness L3 in the fiber bundle is preferably 10 to 500, more preferably 50 to 400, and even more preferably 100 to 300. If ratio L1 / L3 is in the said range, it will become easy to obtain the fiber reinforced resin material molded object excellent in mechanical properties, such as tensile strength and a tensile elasticity modulus.
  • the number of laminated fiber bundles per unit thickness (per 1 mm thickness) in the fiber reinforced resin material is preferably 8 or more, more preferably 8 to 16, and still more preferably 8 to 12. If the number of laminated fiber bundles is equal to or greater than the lower limit value, a fiber-reinforced resin material molded body having excellent mechanical properties such as tensile strength and tensile elastic modulus can be easily obtained. If the number of laminated fiber bundles is equal to or less than the upper limit value, the fiber reinforced resin material becomes easier to flow at the time of molding, and thus molding becomes easy.
  • laminate means that when a fiber reinforced resin material is projected in the thickness direction, at least a part of an arbitrary fiber bundle constituting the fiber reinforced resin material (1% or more of the projected area of the fiber bundle). It means that it is in a state where it overlaps with other fiber bundles regardless of the presence or absence of contact.
  • the number of laminated fiber bundles can be counted from, for example, an X-ray CT image of a fiber reinforced resin material.
  • the resin component of the fiber reinforced resin material is thermally decomposed in a nitrogen atmosphere, or this resin component is dissolved and removed. Can be counted.
  • the fiber mass content of the fiber reinforced resin material of the present invention is preferably 60% by mass or more, more preferably 60 to 80% by mass, and further preferably 60 to 70% by mass with respect to the total mass of the fiber reinforced resin material. If the fiber mass content is equal to or higher than the lower limit, a fiber-reinforced resin material molded article having excellent physical properties such as tensile strength and tensile elastic modulus can be easily obtained. If the fiber mass content is less than or equal to the upper limit value, the fiber-reinforced resin material is more likely to flow at the time of molding, which facilitates molding.
  • thermosetting resin composition As a matrix resin composition, the composition containing a thermosetting resin is preferable.
  • the thermosetting resin is not particularly limited, and examples thereof include an epoxy resin, a phenol resin, an unsaturated polyester resin, a urethane resin, a urea resin, a melamine resin, and an imide resin.
  • a thermosetting resin may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.
  • additives such as a curing agent, an internal mold release agent, a thickener, and a stabilizer may be blended as necessary.
  • the ratios Q 1 to Q 4 are all controlled to be 15% or more and the ratio Q 5 is controlled to 97% or less.
  • the fiber bundle is dispersed so that the fiber axis direction is closer to random in the cross section along the surface direction, while the surface is cross section along the thickness direction. Control is performed so that the number of fiber bundles having a large inclination in the fiber axis direction with respect to the direction increases.
  • the fiber reinforced resin material of the present invention is not limited to the fiber reinforced resin material 1 described above.
  • the fiber reinforced resin material of the present invention may not be long.
  • the manufacturing method of the fiber reinforced resin material of this invention is a method of manufacturing the fiber reinforced resin material mentioned above.
  • the orientation in the surface direction and the thickness direction of the fiber bundle in the fiber reinforced resin material can be controlled by adjusting the fiber length, width, and thickness of the fiber bundle.
  • the average width L′ 1 is 2 to 12 mm
  • the average fiber length L′ 2 is 20 to 100 mm
  • the average thickness L′ 3 is 0.
  • a fiber bundle having a ratio L′ 2 / L′ 1 of 5 to 20 and a diameter of 0.01 to 0.1 mm is used.
  • Impregnation step a group of sheet-like fiber bundles formed by a plurality of fiber bundles is sandwiched between a pair of resin sheets made of a matrix resin composition, and they are pressed from both sides to form the matrix resin composition into the sheet-like fiber bundle. A step of impregnating the group to obtain a fiber reinforced resin material.
  • the manufacturing apparatus 100 includes a fiber bundle supply unit 10, a first carrier sheet supply unit 11, a first transport unit 20, a first coating unit 12, a cutting machine 13, and a second carrier sheet supply.
  • the first carrier sheet supply unit 11 supplies the long first carrier sheet 3 drawn from the first raw fabric roll R1 to the first transport unit 20.
  • the 1st conveyance part 20 is provided with the conveyor 23 which multiplied the endless belt 22 between a pair of pulleys 21a and 21b.
  • the endless belt 22 is circulated by rotating the pair of pulleys 21a and 21b in the same direction, and the first carrier sheet 3 is conveyed toward the right side in the X-axis direction on the surface of the endless belt 22.
  • the first coating unit 12 is located immediately above the pulley 21a side in the first transport unit 20, and includes a coater 24 that supplies a paste P made of a matrix resin composition. As the first carrier sheet 3 passes through the coater 24, the paste P is applied with a predetermined thickness on the surface of the first carrier sheet 3, and the first resin sheet S1 is formed. The first resin sheet S1 travels as the first carrier sheet 3 is conveyed.
  • the fiber bundle supply unit 10 supplies the long fiber bundle f ′ toward the cutting machine 13 through the plurality of guide rolls 18 while pulling out the long fiber bundle f ′ from the plurality of bobbins 17.
  • the cutting machine 13 is located above the first carrier sheet 3 at a later stage in the transport direction than the first coating unit 12.
  • the cutting machine 13 continuously cuts the fiber bundle f ′ supplied from the fiber bundle supply unit 10 into a predetermined length, and includes a guide roll 25, a pinch roll 26, and a cutter roll 27. Yes.
  • the guide roll 25 guides the supplied fiber bundle f 'downward while rotating.
  • the pinch roll 26 rotates in the opposite direction to the guide roll 25 while sandwiching the fiber bundle f ′ with the guide roll 25.
  • the cutter roll 27 cuts the fiber bundle f ′ so as to have a predetermined length while rotating.
  • the fiber bundle f cut to a predetermined length by the cutter 13 is dropped and dispersed on the first resin sheet S1, and the sheet-like fiber bundle group F is formed.
  • the second carrier sheet supply unit 14 supplies the long second carrier sheet 4 drawn out from the second original roll R2 to the second transport unit 28.
  • the second transport unit 28 is positioned above the first carrier sheet 3 transported by the conveyor 23 and includes a plurality of guide rolls 29.
  • the second transport unit 28 transports the second carrier sheet 4 supplied from the second carrier sheet supply unit 14 in the direction opposite to the first carrier sheet 3 (left side in the X-axis direction), and then the transport direction. Is reversed in the same direction as the first carrier sheet 3 by a plurality of guide rolls 29.
  • the second coating unit 15 includes a coater 30 that is located immediately above the second carrier sheet 4 being conveyed in the direction opposite to the first carrier sheet 3 and that supplies a paste P made of a matrix resin composition. Yes. By passing the second carrier sheet 4 through the coater 30, the paste P is applied on the surface of the second carrier sheet 4 with a predetermined thickness, and the second resin sheet S2 is formed. The second resin sheet S2 travels as the second carrier sheet 4 is conveyed.
  • the impregnation part 16 is located in the back
  • the bonding mechanism 31 is located above the pulley 21 b of the conveyor 23 and includes a plurality of bonding rolls 33.
  • the some bonding roll 33 is arrange
  • the plurality of bonding rolls 33 are arranged so that the second carrier sheet 4 gradually approaches the first carrier sheet 3.
  • the first carrier sheet 3 and the second carrier sheet 4 are conveyed while being superimposed with the first resin sheet S1, the sheet-like fiber bundle group F, and the second resin sheet S2 sandwiched therebetween.
  • stacking precursor S3 what laminated
  • the pressurizing mechanism 32 is located at the subsequent stage of the bonding mechanism 31 and has an endless belt 35b between a pair of pulleys 34c and 34d and a lower conveyor 36A in which an endless belt 35a is hung between the pair of pulleys 34a and 34b. And an upper conveyor 36B.
  • the lower conveyor 36A and the upper conveyor 36B are arranged to face each other in a state where the endless belts 35a and 35b are abutted with each other.
  • the pair of pulleys 34a and 34b of the lower conveyor 36A are rotated in the same direction, whereby the endless belt 35a is circulated. Further, in the pressurizing mechanism 32, the pair of pulleys 34c and 34d of the upper conveyor 36B are rotated in the same direction, whereby the endless belt 35b is rotated in the reverse direction at the same speed as the endless belt 35a. Thereby, the lamination
  • the pressurizing mechanism 32 is further provided with a plurality of lower rolls 37a and a plurality of upper rolls 37b.
  • the plurality of lower rolls 37a are arranged side by side in the transport direction in contact with the back surface of the butted portion of the endless belt 35a.
  • the plurality of upper rolls 37b are arranged side by side in the transport direction in contact with the back surface of the butted portion of the endless belt 35b.
  • the some lower side roll 37a and the some upper side roll 37b are arrange
  • the lamination precursor S3 is pressurized by the plurality of lower rolls 37a and the plurality of upper rolls 37b while the bonding sheet S3 passes between the endless belts 35a and 35b.
  • the fiber reinforced resin in a state where the matrix resin composition of the first resin sheet S1 and the second resin sheet S2 is impregnated into the sheet-like fiber bundle group F and is sandwiched between the first carrier sheet 3 and the second carrier sheet 4.
  • Material 1 (SMC) is formed.
  • the storage container 40 is a container for storing the raw fabric R in which the fiber reinforced resin material 1 is sandwiched between the first carrier sheet 3 and the second carrier sheet 4.
  • the following spraying step and impregnation step are sequentially performed.
  • Spreading step a step of continuously cutting the long fiber bundle f ′ and spraying the plurality of cut fiber bundles f on the first resin sheet S1 to form a sheet-like fiber bundle group F.
  • Impregnation step the second resin sheet S2 is laminated on the sheet-like fiber bundle group F to form a precursor laminate S3, the precursor laminate S3 is pressed from both sides, and the matrix resin composition is applied to the sheet-like fiber bundle group F.
  • the first carrier sheet supply unit 11 pulls out the long first carrier sheet 3 from the first raw fabric roll R1 and supplies it to the first transport unit 20, and the first coating unit 12 pastes the paste P. Is applied at a predetermined thickness to form the first resin sheet S1. By transporting the first carrier sheet 3 by the first transport unit 20, the first resin sheet S1 on the first carrier sheet 3 is caused to travel.
  • the fiber bundle f ′ supplied from the fiber bundle supply unit 10 is continuously cut by the cutting machine 13 so as to have a predetermined length, and the cut fiber bundle f is dropped onto the first resin sheet S1 and dispersed. .
  • distributed by the random fiber orientation is continuously formed on 1st resin sheet S1 to drive
  • a long fiber bundle f ′ having a width of 2 to 10 mm and a thickness of 0.02 to 0.11 mm is supplied to the cutting machine 13. Then, the fiber is cut so that the average fiber length L2 is 20 to 100 mm.
  • the cut fiber bundle f (chopped fiber bundle) has an average width L′ 1 of 2 to 10 mm, an average fiber length L′ 2 of 20 to 100 mm, and an average thickness L′ 3 of 0.02 to 0.1 mm.
  • a fiber bundle having a ratio L′ 2 / L′ 1 of 5 to 20 is obtained.
  • distribution process will not be limited to the said method, if each dimension of the fiber bundle after cutting is adjusted in the said range. For example, when performing fiber opening to widen the fiber bundle in the width direction before cutting, fiber splitting to divide the fiber bundle in the width direction, or the like, even a method using a fiber bundle having a size different from the above method Good.
  • the average width L′ 1 of the fiber bundles forming the sheet-like fiber bundle group is preferably 2 to 12 mm, more preferably 2 to 10 mm from the viewpoint that the ratios Q 1 to Q 5 can be easily controlled within the above-described range. It is more preferably ⁇ 8 mm, particularly preferably 3 to 6 mm.
  • the average fiber length L′ 2 of the fiber bundles forming the sheet-like fiber bundle group is preferably 20 to 100 mm, more preferably 25 to 80 mm, and further preferably 25 to 55 mm.
  • the average thickness L′ 3 of the fiber bundles forming the sheet-like fiber bundle group is preferably 0.01 to 0.1 mm, more preferably 0.02 to 0.1 mm, and 0.02 to 0.08 mm.
  • the ratio L′ 2 / L′ 1 is preferably 5 to 20, more preferably 5 to 10, and even more preferably 7 to 9 for the same reason.
  • the ratio L′ 1 / L′ 3 is preferably 10 to 500, more preferably 50 to 400, still more preferably 100 to 300, and particularly preferably 100 to 200 for the same reason.
  • the second carrier sheet supply unit 14 pulls out the long second carrier sheet 4 from the second raw fabric roll R ⁇ b> 2 and supplies it to the second transport unit 28.
  • the second coating unit 15 applies the paste P with a predetermined thickness on the surface of the second carrier sheet 4 to form the second resin sheet S2.
  • 2nd resin sheet S2 is made to travel by conveying the 2nd carrier sheet 4, and the 2nd resin sheet S2 is bonded together on the sheet-like fiber bundle group F with the bonding mechanism 31, and is laminated.
  • the precursor precursor S3 in which the material precursor in which the sheet-like fiber bundle group F is sandwiched between the first resin sheet S1 and the second resin sheet S2 is sandwiched between the first carrier sheet 3 and the second carrier sheet 4 is obtained. It is formed continuously.
  • the pressurization mechanism 32 pressurizes the precursor laminate S3 from both sides, impregnates the sheet-like fiber bundle group F with the matrix resin composition of the first resin sheet S1 and the second resin sheet S2, and the first carrier sheet 3 and the first carrier sheet 3
  • the fiber reinforced resin material 1 is formed between the two carrier sheets 4.
  • a sheet-like fiber bundle group is formed with fiber bundles in which the average width L′ 1, the average fiber length L′ 2, the average thickness L′ 3, and the ratio L′ 2 / L′ 1 are controlled, and pressed from both sides.
  • a fiber reinforced resin material is formed in which the orientation state of the fiber bundle satisfies each of the ratios Q 1 to Q 5 .
  • the raw fabric R in a state where the fiber reinforced resin material 1 is sandwiched between the first carrier sheet 3 and the second carrier sheet 4 is transferred to the storage container 40 and stored.
  • the fiber reinforced resin material molded body obtained by molding the fiber reinforced resin material has excellent mechanical properties such as tensile strength and tensile elastic modulus.
  • the manufacturing method of the fiber reinforced resin material of the present invention is not limited to the method of continuously manufacturing the long fiber reinforced resin material as described above. There may be.
  • Example 1 The simulation was performed using LS-DYNA (manufactured by LSTC) as simulation software. In the simulation, a fiber bundle composed of 15,000 carbon fibers having a width of 6 mm, a fiber length of 50.8 mm, and a thickness of 0.055 mm was set. Next, the fiber bundle having a fiber weight content of 66% is dropped from a height of 0.5 m to form a sheet-like fiber bundle group having a thickness of 2.5 mm, and the sheet-like fiber is made of a resin sheet made of vinyl ester.
  • LS-DYNA manufactured by LSTC
  • the resin is impregnated by applying pressure until the thickness becomes 2 mm to obtain a fiber reinforced resin material having a length of 25.4 mm, a width of 150 mm, and a thickness of 2 mm.
  • the ratios Q 1 to Q 5 were calculated for the fiber reinforced resin material in this simulation.
  • the range (A) for calculating the ratios Q 1 to Q 4 is set so as to exclude the 10 mm portion from the edges on both sides in the lateral direction, and the fiber bundle targeted by the ratio Q 5 is the range ( B) A fiber bundle having a fiber axis direction with respect to the total number of fiber bundles in the range of ⁇ 10 ° to 10 °.
  • Table 1 shows the simulation results of a cured product obtained by curing the matrix resin in the fiber reinforced resin material.
  • the tensile strength was 307 MPa and the tensile modulus was 47.1 GPa.
  • the ratio Q 5 when the target fiber bundle was a fiber bundle having a fiber axis direction of ⁇ 5 ° or more and 5 ° or less with respect to the total number of fiber bundles within the range (B) was 92.4%.
  • the tensile strength was 342 MPa and the tensile modulus was 42.4 GPa.
  • Example 1 A simulation was performed in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the fiber bundle was changed to 0.11 mm. The results are shown in Table 1. The tensile strength was 232 MPa and the tensile elastic modulus was 41.7 GPa. Further, the ratio Q 5 when the target fiber bundle was a fiber bundle having a fiber axis direction of ⁇ 5 ° or more and 5 ° or less with respect to the total number of fiber bundles within the range (B) was 97.7%. . Furthermore, as a result of actually measuring the physical property values of the cured product of the fiber reinforced resin material obtained under the same conditions as described above, the tensile strength was 239 MPa and the tensile elastic modulus was 44.0 GPa.
  • Example 2 A simulation was performed in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the fiber bundle was changed to 0.15 mm, the width of the fiber bundle was changed to 14 mm, and the fiber length was changed to 25.4 mm. The results are shown in Table 1. The tensile strength was 146 MPa and the tensile modulus was 30.6 GPa. Further, the ratio Q 5 when the target fiber bundle was a fiber bundle having a fiber axis direction of ⁇ 5 ° or more and 5 ° or less with respect to the total number of fiber bundles within the range (B) was 99.8%. .
  • the ratio Q 5 is more than 97%.
  • the obtained fiber reinforced resin material molded body (cured product) had a higher tensile strength.
  • the ratios Q 1 to Q 4 were less than 15%, and the tensile strength and tensile modulus were higher than those of Comparative Example 2 in which the ratio Q 5 was more than 97%.
  • the fiber reinforced resin material of the present invention By using the fiber reinforced resin material of the present invention, a fiber reinforced resin material molded body having high mechanical properties such as tensile strength and tensile elastic modulus can be obtained. If it is the manufacturing method of the fiber reinforced resin material of this invention, the fiber reinforced resin material from which the fiber reinforced resin material molded object with high mechanical properties, such as tensile strength and a tensile elasticity modulus, is obtained can be manufactured.

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Abstract

複数の繊維束（ｆ）で形成されたシート状繊維束群（Ｆ）にマトリックス樹脂組成物（Ｓ）が含浸され、面方向に沿った断面における特定の範囲（Ａ）内の繊維束（ｆ）のうち、繊維軸方向が－９０°超－４５°以下の繊維束（ｆ）の割合Ｑ１、－４５°超０°以下の繊維束（ｆ）の割合Ｑ２、０°超４５°以下の繊維束（ｆ）の割合Ｑ３、４５°超９０°以下の繊維束（ｆ）の割合Ｑ４がいずれも１５％以上であり、厚み方向に沿った断面における特定の範囲（Ｂ）内の繊維束（ｆ）のうち、繊維軸方向が－１０°以上１０°以下の繊維束（ｆ）の割合Ｑ５が９７％以下である、繊維強化樹脂材料（１）。

Description

繊維強化樹脂材料及びその製造方法
　本発明は、繊維強化樹脂材料及びその製造方法に関する。
　本願は、２０１６年３月２４日に、日本出願された特願２０１６－０５９８１０号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　部分的に肉厚の異なる部分や、リブやボスなどを有する繊維強化樹脂材料成形体の中間材料としては、金型による成形時に流動しやすい性質を有するＳＭＣ（Ｓｈｅｅｔ　Ｍｏｌｄｉｎｇ　Ｃｏｍｐｏｕｎｄ）が広く用いられている。ＳＭＣは、例えばガラス繊維や炭素繊維などの長尺の強化繊維を所定の長さに裁断した複数のチョップド繊維束で形成されたシート状繊維束群に、不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂を含浸させた繊維強化樹脂材料である。
　ＳＭＣを成形して得られる繊維強化樹脂材料成形体としては、例えば、以下のものが挙げられる。
　（ｉ）繊維長５～１００ｍｍの強化繊維を１０，０００～７００，０００本含むチョップド繊維束とマトリックス樹脂組成物とを含有し、前記チョップド繊維束の平均幅Ｗｍと平均厚みｔｍとの比率（Ｗｍ／ｔｍ）が７０～１，０００であり、平均幅Ｗｍが２～５０ｍｍであり、平均厚みｔｍが０．０１～０．１ｍｍである繊維強化樹脂材料（特許文献１）。
　（ｉｉ）繊維長５～１００ｍｍの強化繊維を１０，０００～１，０００，０００本含み、幅Ｗと厚みｔの比率（Ｗ／ｔ）が１０～１０００であるチョップド繊維束と、マトリックス樹脂組成物とを含有する繊維強化樹脂材料（特許文献２）。
特開２００９－６２４７４号公報 特開２００９－１１４６１１号公報
　しかし、特許文献１、２のような従来の繊維強化樹脂材料で得られる繊維強化樹脂材料成形体は、引張強度や引張弾性率等の機械物性がまだ不十分である。そのため、引張強度や引張弾性率等がより高い繊維強化樹脂材料成形体を製造できる繊維強化樹脂材料を得ることは重要である。
　本発明は、引張強度や引張弾性率等の機械物性が高い繊維強化樹脂材料成形体が得られる繊維強化樹脂材料、及び繊維強化樹脂材料の製造方法を提供することを目的とする。
　本発明は、以下の構成を有する繊維強化樹脂材料、及び繊維強化樹脂材料の製造方法を提供する。
［１］複数の繊維束で形成されたシート状繊維束群にマトリックス樹脂組成物が含浸された繊維強化樹脂材料であって、
　面方向に沿った断面での縦２５ｍｍ×横１２５ｍｍの矩形の範囲（Ａ）において、横方向を０°、反時計回りを正としたとき、下記割合Ｑ１～Ｑ４がいずれも１５％以上であり、
　厚み方向に沿った断面での縦２ｍｍ×横１２５ｍｍの矩形の範囲（Ｂ）において、面方向を０°、反時計回りを正としたとき、下記割合Ｑ５が９７％以下である、繊維強化樹脂材料。
　割合Ｑ１：前記範囲（Ａ）内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が－９０°超－４５°以下の繊維束の本数の割合。
　割合Ｑ２：前記範囲（Ａ）内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が－４５°超０°以下の繊維束の本数の割合。
　割合Ｑ３：前記範囲（Ａ）内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が０°超４５°以下の繊維束の本数の割合。
　割合Ｑ４：前記範囲（Ａ）内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が４５°超９０°以下の繊維束の本数の割合。
　割合Ｑ５：前記範囲（Ｂ）内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が－１０°以上１０°以下の繊維束の本数の割合。
［２］前記割合Ｑ５が、前記範囲（Ｂ）内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が－５°以上５°以下の繊維束の本数の割合である、［１］に記載の繊維強化樹脂材料。
［３］前記割合Ｑ５が、９５％以下である、［１］又は［２］に記載の繊維強化樹脂材料。
［４］前記繊維束の平均幅Ｌ１に対する平均繊維長Ｌ２の比Ｌ２／Ｌ１が５～２０である、［１］～［３］のいずれかに記載の繊維強化樹脂材料。
［５］単位厚さあたりの前記繊維束の積層数が８以上である、［１］～［４］のいずれかに記載の繊維強化樹脂材料。
［６］繊維質量含有率が６０質量％以上である、［１］～［５］のいずれかに記載の繊維強化樹脂材料。
［７］複数の繊維束で形成されたシート状繊維束群を、マトリックス樹脂組成物からなる一対の樹脂シートで挟み、それらを両面側から加圧して前記マトリックス樹脂組成物を前記シート状繊維束群に含浸して繊維強化樹脂材料を得る含浸工程を有し、
　前記繊維束が、平均幅Ｌ’１が２～１２ｍｍ、平均繊維長Ｌ’２が２０～１００ｍｍ、平均厚みＬ’３が０．０１～０．１ｍｍで、比Ｌ’２／Ｌ’１が５～２０である、繊維強化樹脂材料の製造方法。
　本発明の繊維強化樹脂材料を用いれば、引張強度や引張弾性率等の機械物性が高い繊維強化樹脂材料成形体が得られる。
　本発明の繊維強化樹脂材料の製造方法であれば、引張強度や引張弾性率等の機械物性が高い繊維強化樹脂材料成形体が得られる繊維強化樹脂材料を製造することができる。
本発明の繊維強化樹脂材料の一例を示した斜視図である。 図１の繊維強化樹脂材料を面方向に切断した断面図である。 図１の繊維強化樹脂材料を厚み方向に切断した断面図である。 図１の繊維強化樹脂材料中の繊維束を示した斜視図である。 本発明の繊維強化樹脂材料積層体の製造方法に用いる製造装置の一例を示した概略構成図である。
［繊維強化樹脂材料］
　本発明の繊維強化樹脂材料は、複数の繊維束で形成されたシート状繊維束群にマトリックス樹脂組成物が含浸された繊維強化樹脂材料（ＳＭＣ）である。以下、本発明の繊維強化樹脂材料の一例を示して説明する。
　本実施形態の繊維強化樹脂材料１は、図１に示すように、複数の繊維束ｆで形成された長尺のシート状繊維束群Ｆにマトリックス樹脂組成物Ｓが含浸されて形成されている。繊維束ｆは、複数本の強化繊維が束ねられたものである。
（割合Ｑ１～Ｑ４）
　図２に示すように、繊維強化樹脂材料１の面方向に沿った断面における、縦２５ｍｍ×横１２５ｍｍの矩形の範囲（Ａ）において、横方向を０°、反時計回りを正とする。このとき、繊維強化樹脂材料１では、下記の割合Ｑ１～Ｑ４がいずれも１５％以上になっている。
　割合Ｑ１：範囲（Ａ）内の繊維束ｆの総数に対する、繊維軸方向が－９０°超－４５°以下の繊維束ｆの本数の割合。
　割合Ｑ２：範囲（Ａ）内の繊維束ｆの総数に対する繊維軸方向が－４５°超０°以下の繊維束の割合。
　割合Ｑ３：範囲（Ａ）内の繊維束ｆの総数に対する繊維軸方向が０°超４５°以下の繊維束の割合。
　割合Ｑ４：範囲（Ａ）内の繊維束ｆの総数に対する繊維軸方向が４５°超９０°以下の繊維束の割合。
　なお、割合Ｑ１～Ｑ４の合計は１００％である。
　例えば、繊維束を図示した図４の平行四辺形においては、任意の短辺のいずれか１点をＮ１、Ｎ１を含む長辺方向におけるＮ１以外の点をＮ２とした時、このＮ１とＮ２を結ぶ直線が繊維束の繊維軸に相当する。すなわち、この繊維束における繊維軸方向は、この平行四辺形の右下の角をＮ１、右上の角をＮ２とする場合には、このＮ１とＮ２を直線で結ぶことで決定される。
　繊維束の数は、例えば、繊維強化樹脂材料のＸ線ＣＴ画像からカウントすることができ、繊維強化樹脂材料の樹脂分を窒素雰囲気化で加熱分解させたり、この樹脂分を溶解除去することでカウントすることができる。
　このように、繊維強化樹脂材料１では、面方向において、各繊維束ｆが、その繊維軸方向が特定の方向に偏らないように分散されている。これにより、繊維強化樹脂材料１を成形して得られる繊維強化樹脂材料成形体の引張弾性率が高くなる。割合Ｑ１～Ｑ４はそれぞれ、引張弾性率が高い繊維強化樹脂材料成形体が得られやすい点から、１５～３５％が好ましく、２０～３０％がより好ましい。
　また、引張弾性率が高い繊維強化樹脂材料成形体が得られやすい点から、割合Ｑ１～Ｑ４はできるだけ差がないことが好ましい。具体的には、割合Ｑ１～Ｑ４における最も高い割合と最も低い割合との差は、２０％以下が好ましく、１０％以下がより好ましい。具体的には、０超２０％以下が好ましく、０超１０％以下がより好ましい。
（割合Ｑ５）
　図３に示すように、繊維強化樹脂材料１の厚み方向に沿った断面における、縦２ｍｍ×横１２５ｍｍの矩形の範囲（Ｂ）において、面方向を０°、反時計回りを正とする。このとき、繊維強化樹脂材料１では、下記の割合Ｑ５が９７％以下になっている。
　割合Ｑ５：前記範囲（Ｂ）内の繊維束の総数に対する、繊維軸方向が－１０°以上１０°以下の繊維束の本数の割合。
　繊維強化樹脂材料１では、このように傾きが－１０°以上１０°以下とほぼ面方向に平行な状態で存在する繊維束ｆの割合が９７％以下になっている。すなわち、範囲（Ｂ）における３％以上の割合の繊維束ｆが面方向に対して絶対値で１０°を超える傾きで存在している。これにより、各繊維束同士の絡み合いが高まることで、繊維強化樹脂材料１を成形して得られる繊維強化樹脂材料成形体の引張強度が高くなる。
　割合Ｑ５が対象とする繊維束は、引張強度がより高い繊維強化樹脂材料成形体が得られる傾向にあることから、前記範囲（Ｂ）内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が－５°以上５°以下の繊維束とするのが好ましい。
　また、割合Ｑ５は、さらに引張強度が高い繊維強化樹脂材料成形体が得られる傾向にあることから、９０～９７％の範囲とするが好ましく、９０～９５％の範囲とするのがより好ましく、９０～９３％の範囲とするのがさらに好ましい。
　本発明の繊維強化樹脂材料を構成する繊維束における、上述の分散状態は、例えば、前記材料のＸ線ＣＴの３次元画像を分析することで確認することができる。
（繊維束）
　繊維束を形成する強化繊維としては、特に限定されず、例えば、無機繊維、有機繊維、金属繊維、又はこれらを組み合わせたハイブリッド構成の強化繊維が使用できる
　無機繊維としては、炭素繊維、黒鉛繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、タングステンカーバイド繊維、ボロン繊維、ガラス繊維等が挙げられる。有機繊維としては、アラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、その他一般のナイロン繊維、ポリエステル繊維等が挙げられる。金属繊維としては、ステンレス、鉄等の繊維が挙げられ、また金属を被覆した炭素繊維でもよい。これらの中では、繊維強化樹脂材料成形体の強度等の機械物性を考慮すると、炭素繊維が好ましい。
　強化繊維は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
　繊維束の平均幅Ｌ１（図４）は、２～１２ｍｍが好ましく、２～１０ｍｍがより好ましく、３～８ｍｍがさらに好ましく、３～６ｍｍが特に好ましい。繊維束の平均幅Ｌ１が下限値以上であれば、成形時に繊維強化樹脂材料がより流動しやすくなるため、成形が容易になる。繊維束の平均幅Ｌ１が上限値以下であれば、引張強度、引張弾性率などの物性に優れた繊維強化樹脂材料成形体が得られやすい。
　なお、繊維束の平均幅Ｌ１は、以下の方法で測定される。電気炉などで繊維強化樹脂材料を加熱してマトリックス樹脂組成物を分解させ、残存した繊維束から無作為に１０本の繊維束を選択する。１０本の繊維束のそれぞれについて、繊維軸方向の両端部と中央部の３箇所で幅をノギスにて測定し、それら測定値の全てを平均して平均幅とする。
　繊維束の平均繊維長Ｌ２（図４）は、２０～１００ｍｍが好ましく、２５～８０ｍｍがより好ましく、２５～５５ｍｍがさらに好ましい。繊維束の繊維長Ｌ２が下限値以上であれば、引張強度、引張弾性率などの物性に優れた繊維強化樹脂材料成形体が得られやすい。繊維束の繊維長Ｌ２が上限値以下であれば、成形時に繊維強化樹脂材料がより流動しやすくなるため、成形が容易になる。
　なお、繊維束の平均繊維長Ｌ２は、以下の方法で測定される。平均幅の測定と同様にして得た１０本の繊維束のそれぞれについて最大の繊維長をノギスにて測定し、それら測定値の全てを平均して平均繊維長とする。
　繊維束における平均幅Ｌ１に対する平均繊維長Ｌ２の比Ｌ２／Ｌ１は、５～２０が好ましく、５～１０がより好ましく、７～９がさらに好ましい。比Ｌ２／Ｌ１が前記範囲内であれば、引張強度、引張弾性率等の機械物性に優れた繊維強化樹脂材料成形体が得られやすくなる。
　繊維束の平均厚みＬ３（図４）は、０．０１～０．１ｍｍが好ましく、０．０２～０．１ｍｍがより好ましく、０．０２～０．０８ｍｍがさらに好ましく、０．０４～０．０６ｍｍが特に好ましい。繊維束の平均厚みＬ３が下限値以上であれば、繊維束の取り扱いが容易であり、さらに、繊維束群にマトリックス樹脂組成物を含浸させることが容易になる。繊維束の平均厚みＬ３が上限値以下であれば、引張強度、引張弾性率などの物性に優れた繊維強化樹脂材料成形体が得られやすい。
　なお、繊維束の平均厚みは、以下の方法で測定される。平均幅の測定と同様にして得た１０本の繊維束のそれぞれについて、繊維軸方向の両端部と中央部の３箇所で厚みをノギスにて測定し、それら測定値の全てを平均して平均厚みとする。
　繊維束における平均厚みＬ３に対する平均幅Ｌ１の比Ｌ１／Ｌ３は、１０～５００が好ましく、５０～４００がより好ましく、１００～３００がさらに好ましい。比Ｌ１／Ｌ３が前記範囲内であれば、引張強度、引張弾性率等の機械物性に優れた繊維強化樹脂材料成形体が得られやすくなる。
　繊維強化樹脂材料における単位厚さあたり（厚み１ｍｍあたり）の繊維束の積層数は、８以上が好ましく、８～１６がより好ましく、８～１２がさらに好ましい。繊維束の積層数が下限値以上であれば、引張強度、引張弾性率等の機械物性に優れた繊維強化樹脂材料成形体が得られやすくなる。繊維束の積層数が上限値以下であれば、成形時に繊維強化樹脂材料がより流動しやすくなるため、成形が容易になる。
　ここでいう「積層」とは、繊維強化樹脂材料を厚さ方向に投影した時に、この繊維強化樹脂材料を構成する任意の繊維束の少なくとも一部（繊維束の投影面積の１％以上）が、接触の有無は関係なく他の繊維束と重なった状態にあることを意味する。
　なお、繊維束の積層数は、例えば、繊維強化樹脂材料のＸ線ＣＴ画像からカウントすることができ、繊維強化樹脂材料の樹脂分を窒素雰囲気化で加熱分解させたり、この樹脂分を溶解除去することでカウントすることができる。
　本発明の繊維強化樹脂材料の繊維質量含有率は、繊維強化樹脂材料の総質量に対し、６０質量％以上が好ましく、６０～８０質量％がより好ましく、６０～７０質量％がさらに好ましい。繊維質量含有率が下限値以上であれば、引張強度、引張弾性率などの物性に優れた繊維強化樹脂材料成形体が得られやすい。繊維質量含有率が上限値以下であれば、成形時に繊維強化樹脂材料がより流動しやすくなるため、成形が容易になる。
（マトリックス樹脂組成物）
　マトリックス樹脂組成物としては、熱硬化性樹脂を含む組成物が好ましい。
　熱硬化性樹脂としては、特に限定されず、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ウレタン系樹脂、尿素性樹脂、メラミン樹脂、イミド系樹脂等が挙げられる。熱硬化性樹脂は、１種を単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。
　マトリックス樹脂組成物には、必要に応じて、硬化剤、内部離型剤、増粘剤、安定剤等の添加剤が配合されていてもよい。
　以上説明した本発明の繊維強化樹脂材料においては、割合Ｑ１～Ｑ４がいずれも１５％以上で、かつ割合Ｑ５が９７％以下に制御されている。このように、本発明の繊維強化樹脂材料では、面方向に沿った断面においては繊維軸方向がよりランダムに近くなるように繊維束が分散される一方で、厚み方向に沿った断面においては面方向に対して繊維軸方向の傾きが大きい繊維束がより多くなるように制御されている。繊維強化樹脂材料中の繊維束の配向状態がこのように制御されていることにより、前記繊維強化樹脂材料を成形して得られる繊維強化樹脂材料成形体は引張強度及び引張弾性率等の機械物性が優れたものとなる。
　なお、本発明の繊維強化樹脂材料は前記した繊維強化樹脂材料１には限定されない。例えば、本発明の繊維強化樹脂材料は長尺でなくてもよい。
［繊維強化樹脂材料の製造方法］
　本発明の繊維強化樹脂材料の製造方法は、前述した繊維強化樹脂材料を製造する方法である。繊維強化樹脂材料における繊維束の面方向及び厚み方向の配向は、繊維束の繊維長、幅及び厚みを調節することにより制御することができる。具体的には、下記の含浸工程のシート状繊維束群を形成する繊維束として、平均幅Ｌ’１が２～１２ｍｍ、平均繊維長Ｌ’２が２０～１００ｍｍ、平均厚みＬ’３が０．０１～０．１ｍｍで、比Ｌ’２／Ｌ’１が５～２０である繊維束を使用する。
　含浸工程：複数の繊維束で形成されたシート状繊維束群を、マトリックス樹脂組成物からなる一対の樹脂シートで挟み、それらを両面側から加圧して前記マトリックス樹脂組成物を前記シート状繊維束群に含浸して繊維強化樹脂材料を得る工程。
　以下、本発明の繊維強化樹脂材料積層体の製造方法の一例として、図５に例示した製造装置１００を用いる場合を例に説明する。以下の説明においては、ＸＹＺ直交座標系を設定し、必要に応じてこのＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。
（製造装置）
　製造装置１００は、繊維束供給部１０と、第１のキャリアシート供給部１１と、第１の搬送部２０と、第１の塗工部１２と、裁断機１３と、第２のキャリアシート供給部１４と、第２の搬送部２８と、第２の塗工部１５と、含浸部１６と、収納容器４０と、を備えている。
　第１のキャリアシート供給部１１は、第１の原反ロールＲ１から引き出された長尺の第１キャリアシート３を第１の搬送部２０へと供給する。第１の搬送部２０は、一対のプーリ２１ａ，２１ｂの間に無端ベルト２２を掛け合わせたコンベア２３を備えている。コンベア２３では、一対のプーリ２１ａ，２１ｂを同一方向に回転させることによって無端ベルト２２を周回させ、無端ベルト２２の面上において第１キャリアシート３をＸ軸方向の右側に向けて搬送する。
　第１の塗工部１２は、第１の搬送部２０におけるプーリ２１ａ側の直上に位置しており、マトリックス樹脂組成物からなるペーストＰを供給するコータ２４を備えている。第１キャリアシート３がコータ２４を通過することで、第１キャリアシート３の面上にペーストＰが所定の厚みで塗工され、第１樹脂シートＳ１が形成される。第１樹脂シートＳ１は、第１キャリアシート３の搬送に伴って走行する。
　繊維束供給部１０は、長尺の繊維束ｆ’を複数のボビン１７から引き出しながら、複数のガイドロール１８を介して裁断機１３に向けて供給する。裁断機１３は、第１の塗工部１２よりも搬送方向の後段において、第１キャリアシート３の上方に位置している。裁断機１３は、繊維束供給部１０から供給された繊維束ｆ’を所定の長さに連続的に裁断するものであり、ガイドロール２５と、ピンチロール２６と、カッターロール２７とを備えている。ガイドロール２５は、供給された繊維束ｆ’を回転しながら下方に向けて案内する。ピンチロール２６は、ガイドロール２５との間で繊維束ｆ’を挟み込みながら、ガイドロール２５とは逆向きに回転する。これにより、複数のボビン１７から繊維束ｆ’が引き出される。カッターロール２７は、回転しながら繊維束ｆ’を所定の長さとなるように裁断する。裁断機１３により所定の長さに裁断された繊維束ｆは落下して第１樹脂シートＳ１の上に散布され、シート状繊維束群Ｆが形成される。
　第２のキャリアシート供給部１４は、第２の原反ロールＲ２から引き出された長尺の第２キャリアシート４を第２の搬送部２８へと供給する。第２の搬送部２８は、コンベア２３により搬送される第１キャリアシート３の上方に位置しており、複数のガイドロール２９を備えている。第２の搬送部２８は、第２のキャリアシート供給部１４から供給された第２キャリアシート４を、第１キャリアシート３とは反対方向（Ｘ軸方向の左側）に搬送した後、搬送方向を複数のガイドロール２９によって第１キャリアシート３と同じ方向に反転させる。
　第２の塗工部１５は、第１キャリアシート３とは反対方向に搬送されている第２キャリアシート４の直上に位置し、マトリックス樹脂組成物からなるペーストＰを供給するコータ３０を備えている。第２キャリアシート４がコータ３０を通過することで、第２キャリアシート４の面上にペーストＰが所定の厚みで塗工され、第２樹脂シートＳ２が形成されるようになっている。第２樹脂シートＳ２は、第２キャリアシート４の搬送に伴って走行する。
　含浸部１６は、第１の搬送部２０における裁断機１３よりも後段に位置し、貼合機構３１と、加圧機構３２とを備えている。貼合機構３１は、コンベア２３のプーリ２１ｂの上方に位置し、複数の貼合ロール３３を備えている。複数の貼合ロール３３は、第２樹脂シートＳ２が形成された第２キャリアシート４の背面に接触した状態で搬送方向に並んで配置されている。また、複数の貼合ロール３３は、第１キャリアシート３に対して第２キャリアシート４が徐々に接近するように配置されている。
　貼合機構３１では、第１キャリアシート３と第２キャリアシート４とが、その間に第１樹脂シートＳ１、シート状繊維束群Ｆ及び第２樹脂シートＳ２を挟み込んだ状態で重ね合わされながら搬送される。ここで、第１樹脂シートＳ１、シート状繊維束群Ｆ及び第２樹脂シートＳ２を挟み込んだ状態で第１キャリアシート３と第２キャリアシート４が貼合されたものを積層前駆体Ｓ３という。
　加圧機構３２は、貼合機構３１の後段に位置し、一対のプーリ３４ａ，３４ｂの間に無端ベルト３５ａを掛け合わせた下側コンベア３６Ａと、一対のプーリ３４ｃ，３４ｄの間に無端ベルト３５ｂを掛け合わせた上側コンベア３６Ｂとを備えている。下側コンベア３６Ａと上側コンベア３６Ｂとは、互いの無端ベルト３５ａ，３５ｂを突き合わせた状態で、互いに対向して配置されている。
　加圧機構３２では、下側コンベア３６Ａの一対のプーリ３４ａ，３４ｂが同一方向に回転されることによって無端ベルト３５ａが周回される。また、加圧機構３２では、上側コンベア３６Ｂの一対のプーリ３４ｃ，３４ｄを同一方向に回転させることによって、無端ベルト３５ｂが無端ベルト３５ａと同じ速さで逆向きに周回される。これにより、無端ベルト３５ａ，３５ｂの間に挟み込まれた積層前駆体Ｓ３がＸ軸方向の右側に搬送される。
　加圧機構３２には、さらに複数の下側ロール３７ａと、複数の上側ロール３７ｂとが設けられている。複数の下側ロール３７ａは、無端ベルト３５ａの突合せ部分の背面に接触した状態で搬送方向に並んで配置されている。同様に、複数の上側ロール３７ｂは、無端ベルト３５ｂの突き合わせ部分の背面に接触した状態で搬送方向に並んで配置されている。また、複数の下側ロール３７ａと複数の上側ロール３７ｂとは、貼合シートＳ３の搬送方向に沿って互い違いに並んで配置されている。
　加圧機構３２では、無端ベルト３５ａ，３５ｂの間を貼合シートＳ３が通過する間に、積層前駆体Ｓ３を複数の下側ロール３７ａ及び複数の上側ロール３７ｂにより加圧する。このとき、第１樹脂シートＳ１及び第２樹脂シートＳ２のマトリックス樹脂組成物がシート状繊維束群Ｆに含浸され、第１キャリアシート３と第２キャリアシート４に挟持された状態で繊維強化樹脂材料１（ＳＭＣ）が形成される。
　収納容器４０は、繊維強化樹脂材料１が第１キャリアシート３と第２キャリアシート４に挟持された原反Ｒを収納するための容器である。
（製造方法）
　製造装置１００を用いた繊維強化樹脂材料積層体の製造方法では、例えば、以下の散布工程及び含浸工程を順次行う。
　散布工程：長尺の繊維束ｆ’を連続的に裁断し、裁断された複数の繊維束ｆを第１樹脂シートＳ１上にシート状に散布してシート状繊維束群Ｆを形成する工程。
　含浸工程：シート状繊維束群Ｆ上に第２樹脂シートＳ２を積層して前駆積層体Ｓ３を形成し、前駆積層体Ｓ３を両面側から加圧し、シート状繊維束群Ｆにマトリックス樹脂組成物を含浸させて繊維強化樹脂材料１を得る工程。
＜散布工程＞
　第１のキャリアシート供給部１１により、第１の原反ロールＲ１から長尺の第１キャリアシート３を引き出して第１の搬送部２０へと供給し、第１の塗工部１２によりペーストＰを所定の厚みで塗工して第１樹脂シートＳ１を形成する。第１の搬送部２０によって第１キャリアシート３を搬送することにより、第１キャリアシート３上の第１樹脂シートＳ１を走行させる。
　繊維束供給部１０から供給した繊維束ｆ’を裁断機１３において所定の長さとなるように連続的に裁断し、裁断された繊維束ｆを第１樹脂シートＳ１の上に落下させて散布する。これにより、走行する第１樹脂シートＳ１上に、各繊維束ｆがランダムな繊維配向で散布されたシート状繊維束群Ｆが連続的に形成される。
　散布工程においては、例えば、幅が２～１０ｍｍで、厚みが０．０２～０．１１ｍｍの長尺の繊維束ｆ’を裁断機１３に供給する。そして、平均繊維長Ｌ２が２０～１００ｍｍとなるように裁断する。これにより、裁断された繊維束ｆ（チョップド繊維束）は、平均幅Ｌ’１が２～１０ｍｍ、平均繊維長Ｌ’２が２０～１００ｍｍ、平均厚みＬ’３が０．０２～０．１ｍｍで、比Ｌ’２／Ｌ’１が５～２０の繊維束となる。
　なお、散布工程は裁断後の繊維束の各寸法が前記範囲内に調節されるものであれば上記方法には限定されない。例えば、裁断前に繊維束を幅方向に拡幅する開繊や、繊維束を幅方向に分割する分繊等を行う場合には、上記の方法と異なる寸法の繊維束を用いる方法であってもよい。
　シート状繊維束群を形成する繊維束の平均幅Ｌ’１は、割合Ｑ１～Ｑ５を前記した範囲内に制御しやすい点から、２～１２ｍｍが好ましく、２～１０ｍｍがより好ましく、３～８ｍｍがさらに好ましく、３～６ｍｍが特に好ましい。
　シート状繊維束群を形成する繊維束の平均繊維長Ｌ’２は、同じ理由で、２０～１００ｍｍが好ましく、２５～８０ｍｍがより好ましく、２５～５５ｍｍがさらに好ましい。
　シート状繊維束群を形成する繊維束の平均厚みＬ’３は、同じ理由で、０．０１～０．１ｍｍが好ましく、０．０２～０．１ｍｍがより好ましく、０．０２～０．０８ｍｍがさらに好ましく、０．０４～０．０６ｍｍが特に好ましい。
　比Ｌ’２／Ｌ’１は、同じ理由で、５～２０が好ましく、５～１０がより好ましく、７～９がさらに好ましい。
　比Ｌ’１／Ｌ’３は、同じ理由で、１０～５００が好ましく、５０～４００がより好ましく、１００～３００がさらに好ましく、１００～２００が特に好ましい。
＜含浸工程＞
　第２のキャリアシート供給部１４により、第２の原反ロールＲ２から長尺の第２キャリアシート４を引き出して第２の搬送部２８へと供給する。第２の塗工部１５により、第２キャリアシート４の面上にペーストＰを所定の厚みで塗工し、第２樹脂シートＳ２を形成する。
　第２キャリアシート４を搬送することで第２樹脂シートＳ２を走行させ、貼合機構３１によりシート状繊維束群Ｆ上に第２キャリアシート４とともに第２樹脂シートＳ２を貼り合わせて積層する。これにより、シート状繊維束群Ｆが第１樹脂シートＳ１及び第２樹脂シートＳ２で挟み込まれた材料前駆体が、第１キャリアシート３と第２キャリアシート４で挟み込まれた前駆積層体Ｓ３が連続的に形成される。
　加圧機構３２により、前駆積層体Ｓ３を両面から加圧し、第１樹脂シートＳ１及び第２樹脂シートＳ２のマトリックス樹脂組成物をシート状繊維束群Ｆに含浸させ、第１キャリアシート３と第２キャリアシート４の間で繊維強化樹脂材料１を形成する。平均幅Ｌ’１、平均繊維長Ｌ’２、平均厚みＬ’３及び比Ｌ’２／Ｌ’１がそれぞれ制御された繊維束でシート状繊維束群を形成し、両面側から加圧して含浸を行うことで、繊維束の配向状態が前記割合Ｑ１～Ｑ５の各条件を満たす繊維強化樹脂材料が形成される。
　繊維強化樹脂材料１が第１キャリアシート３と第２キャリアシート４で挟持された状態の原反Ｒは収納容器４０に振り込んで収納する。
　以上説明した本発明の繊維強化樹脂材料の製造方法によれば、割合Ｑ１～Ｑ４がいずれも１５％以上で、かつ割合Ｑ５が９７％以下の繊維強化樹脂材料が得られる。そのため、前記繊維強化樹脂材料を成形して得られる繊維強化樹脂材料成形体は引張強度及び引張弾性率等の機械物性が優れたものとなる。
　なお、本発明の繊維強化樹脂材料の製造方法は、前記したような長尺の繊維強化樹脂材料を連続的に製造する方法には限定されず、枚葉の繊維強化樹脂材料を製造する方法であってもよい。
　以下、実施例によって本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の記載によっては限定されない。
［実施例１］
　シミュレーションソフトとしてＬＳ－ＤＹＮＡ（ＬＳＴＣ社製）を使用してシミュレーションを実施した。
　シミュレーションにおいて、１５，０００本の炭素繊維からなる幅６ｍｍ、繊維長５０．８ｍｍ、厚み０．０５５ｍｍの繊維束を設定した。次いで、繊維重量含有率が６６％となる枚数の前記繊維束を０．５ｍの高さから落下させて厚み２．５ｍｍのシート状繊維束群とし、ビニルエステルからなる樹脂シートで前記シート状繊維束群を挟持した状態で厚みが２ｍｍとなるまで加圧して樹脂を含浸させ、縦２５．４ｍｍ×横１５０ｍｍ×厚み２ｍｍの繊維強化樹脂材料とした。
　このシミュレーションにおける繊維強化樹脂材料について割合Ｑ１～Ｑ５を算出した。なお、割合Ｑ１～Ｑ４を算出する際の範囲（Ａ）は、横方向における両側の縁から１０ｍｍの部分を除くように設定し、割合Ｑ５が対象とする繊維束は、前記範囲（Ｂ）内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が－１０°以上１０°以下の繊維束とした。繊維強化樹脂材料中のマトリックス樹脂を硬化させた硬化物についてもシミュレーションした結果を表１に示す。引張強度は３０７ＭＰａ、引張弾性率は、４７．１ＧＰａであった。また、対象とする繊維束を前記範囲（Ｂ）内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が－５°以上５°以下の繊維束とした場合の割合Ｑ５は、９２．４％であった。さらに、上記と同様な条件で得られた繊維強化樹脂材料の硬化物の物性値を実測した結果、引張強度は３４２ＭＰａ、引張弾性率は４２．４ＧＰａであった。
［比較例１］
　繊維束の厚みを０．１１ｍｍに変更した以外は、実施例１と同様にシミュレーションした。結果を表１に示す。引張強度は２３２ＭＰａ、及び引張弾性率は、４１．７ＧＰａであった。また、対象とする繊維束を前記範囲（Ｂ）内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が－５°以上５°以下の繊維束とした場合の割合Ｑ５は、９７．７％であった。さらに、上記と同様な条件で得られた繊維強化樹脂材料の硬化物の物性値を実測した結果、引張強度は２３９ＭＰａ、引張弾性率は４４．０ＧＰａであった。
［比較例２］
　繊維束の厚みを０．１５ｍｍ、繊維束の幅を１４ｍｍ、繊維長を２５．４ｍｍに変更した以外は、実施例１と同様にシミュレーションした。結果を表１に示す。引張強度は１４６ＭＰａ、及び引張弾性率は、３０．６ＧＰａであった。また、対象とする繊維束を前記範囲（Ｂ）内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が－５°以上５°以下の繊維束とした場合の割合Ｑ５は、９９．８％であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、割合Ｑ１～Ｑ４がいずれも１５％以上で、かつ割合Ｑ５が９７％以下である実施例１の繊維強化樹脂材料は、割合Ｑ５が９７％超である比較例１の繊維強化樹脂材料に比べて、得られる繊維強化樹脂材料成形体（硬化物）の引張強度が高かった。また、実施例１は、割合Ｑ１～Ｑ４に１５％未満のものがあり、割合Ｑ５が９７％超である比較例２に比べて、引張強度及び引張弾性率が高かった。
　本発明の繊維強化樹脂材料を用いれば、引張強度や引張弾性率等の機械物性が高い繊維強化樹脂材料成形体が得られる。
　本発明の繊維強化樹脂材料の製造方法であれば、引張強度や引張弾性率等の機械物性が高い繊維強化樹脂材料成形体が得られる繊維強化樹脂材料を製造することができる。
　１　繊維強化樹脂材料
　ｆ　繊維束
　Ｆ　シート状繊維束群
　Ｓ　マトリックス樹脂組成物

Claims (7)

  1. 　複数の繊維束で形成されたシート状繊維束群にマトリックス樹脂組成物が含浸された繊維強化樹脂材料であって、
    　面方向に沿った断面での縦２５ｍｍ×横１２５ｍｍの矩形の範囲（Ａ）において、横方向を０°、反時計回りを正としたとき、下記割合Ｑ１～Ｑ４がいずれも１５％以上であり、
    　厚み方向に沿った断面での縦２ｍｍ×横１２５ｍｍの矩形の範囲（Ｂ）において、面方向を０°、反時計回りを正としたとき、下記割合Ｑ５が９７％以下である、繊維強化樹脂材料。
    　割合Ｑ１：前記範囲（Ａ）内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が－９０°超－４５°以下の繊維束の本数の割合。
    　割合Ｑ２：前記範囲（Ａ）内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が－４５°超０°以下の繊維束の本数の割合。
    　割合Ｑ３：前記範囲（Ａ）内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が０°超４５°以下の繊維束の本数の割合。
    　割合Ｑ４：前記範囲（Ａ）内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が４５°超９０°以下の繊維束の本数の割合。
    　割合Ｑ５：前記範囲（Ｂ）内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が－１０°以上１０°以下の繊維束の本数の割合。
  2. 　前記割合Ｑ５が、前記範囲（Ｂ）内の繊維束の総数に対する繊維軸方向が－５°以上５°以下の繊維束の本数の割合である、請求項１に記載の繊維強化樹脂材料。
  3. 　前記割合Ｑ５が、９５％以下である、請求項１又は２に記載の繊維強化樹脂材料。
  4. 　前記繊維束の平均幅Ｌ１に対する平均繊維長Ｌ２の比Ｌ２／Ｌ１が５～２０である、請求項１～３のいずれか一項に記載の繊維強化樹脂材料。
  5. 　単位厚さあたりの前記繊維束の積層数が８以上である、請求項１～４のいずれか一項に記載の繊維強化樹脂材料。
  6. 　繊維質量含有率が６０質量％以上である、請求項１～５のいずれか一項に記載の繊維強化樹脂材料。
  7. 　複数の繊維束で形成されたシート状繊維束群を、マトリックス樹脂組成物からなる一対の樹脂シートで挟み、それらを両面側から加圧して前記マトリックス樹脂組成物を前記シート状繊維束群に含浸して繊維強化樹脂材料を得る含浸工程を有し、
    　前記繊維束が、平均幅Ｌ’１が２～１２ｍｍ、平均繊維長Ｌ’２が２０～１００ｍｍ、平均厚みＬ’３が０．０１～０．１ｍｍで、比Ｌ’２／Ｌ’１が５～２０である、繊維強化樹脂材料の製造方法。
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