复合基材的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种作为包含热塑性树脂作为基质的碳纤维增强复合材料的中间体 的复合基材，此处的碳纤维增强复合材料是指直接用于成型的前驱体，并且本发明提供一 种可操作性和平面内各向同性优异并且适用于制造不包含在平面内特定方向上定向的、并 且平面内各向同性和机械特性优异的碳纤维增强复合材料的复合基材。
【背景技术】
[0002] 在传统地使用金属材料的应用中，通过使用纤维增强复合材料，尤其是包含树脂 和诸如碳纤维、芳纶纤维或玻璃纤维的增强纤维的纤维复合材料，来代替金属材料，在维持 应用中所需的机械性能和生产率的同时实现减重是重要的技术挑战。
[0003] 已知使用连续纤维或增加纤维体积含有率（Vf)的技术用于增强纤维增强复合材 料的机械性能。在纤维增强复合材料中使用连续纤维的情况下，机械性能可能由于Vf的增 加而增强。然而，使用连续纤维的织物和单向材料等通常存在由于纤维的各向异性所以以 不同角度，例如以0° /+45° /-45° /90°，堆叠纤维，以及此外堆叠处理变得复杂，例如， 平面对称地堆叠纤维，从而防止导致低生产率的成形制品的翘曲的问题。另一方面，在由切 割纤维的的毡状材料获得纤维增强复合材料的情况下，由于纤维存在于三维方向上或者许 多纤维缠结等，难以增加纤维体积含量。此外，当将切割纤维的毡状材料用作纤维增强复合 材料的增强纤维时，存在由于相比于使用连续纤维的情况的纤维的不连续性而导致的增强 纤维难以展现强度增强作用的问题，并且相对于理论值，成形件中的增强纤维的强度展现 率为50%以下。例如，菲专利文献1描述了通过使用热固性树脂作为基质由碳纤维毡获得 的纤维增强复合材料，但相对于理论值，这样的纤维增强复合材料的强度展现率约44%。
[0004] 通过对被称作预浸料坯中间基材，使用压热釜根据情况进行2小时以上加热和加 压，来获得传统地提出的、包含热固性树脂作为基质的纤维增强复合材料，在该中间基材 中，预先以热固性树脂浸渍增强纤维基材。近年来，已经提出将未浸渍树脂的增强纤维基材 设定在模具中、然后将热固性树脂注入其中的RTM方法，并且成型时间已经大幅缩短。然 而，即使使用RTM方法时，成型一个部件也需要10分钟以上（专利文献1)。
[0005] 因此，注意力集中在了包含热塑性树脂来代替传统的热固性树脂作为基质的复合 材料上，特别是集中在了包含碳纤维作为增强纤维的复合材料（碳纤维增强复合材料）上。 然而，与热固性树脂相比，由于高粘度，因此热塑性树脂需要长时间以利用树脂浸渍纤维基 材，结果，成型的节拍时间不利地延长。此外，已知的是，碳纤维不在平面内的特定方向上定 向的、具有平面内各向同性的碳纤维增强复合材料是优选的，但是当通过利用热塑性树脂 浸渍碳纤维毡等来形成复合材料时，由于熔融状态下的热塑性树脂的高粘度，所以浸渍需 要高压，并且存在由于归因于纤维和树脂在模具内流动而产生的纤维定向混乱而难以维持 平面内各向同性的问题。
[0006] 引用列表
[0007] 专利文献
[0008] 专利文献1 :JP-A-2008-68720(此处所使用的术语"JP-A"是指"未审公开的日本 专利申请"）
[0009] 非专利文献
[0010] 非专利文献 1 :复合材料 A (Composite Part A)，38 (2007)，pp. 755-770
【发明内容】
[0011] 本发明要解决的技术问题
[0012] 本发明的目的是提供一种复合基材，该复合基材具有优异的可操作性和平面内各 向同性并适合用于碳纤维增强复合材料的制造，并且该复合基材不包含在平面内方向上的 特定定向且具有优异的平面内各向同性和机械特性。
[0013] 解决问题的技术方案
[0014] 作为为了解决上述问题而进行广泛研宄的结果，本发明人将注意力集中在了作为 直接用于成型的成型材料的前驱体（纤维增强复合材料）之前的阶段的中间体上，并且发 现由碳纤维和热塑性树脂构成的、并且具有特定空隙率的复合基材适于作为碳纤维增强复 合材料的中间体。本发明已经基于该发现而完成。该发明的特点如下所述。
[0015] [1] 一种复合基材，包含：碳纤维，该碳纤维具有3mm以上且100mm以下的平均纤 维长度；和热塑性树脂，以100质量份所述碳纤维计，该热塑性树脂以3至1000质量份的量 牢固地固定至所述碳纤维，其中，所述复合基材的空隙率为大于7vol%至小于lOOvol%。
[0016] [2]根据[1]所述的复合基材，其中，通过对毡状材料进行加热加压获得所述复合 基材，在该毡状材料中，碳纤维毡与热塑性树脂结合，并且通过加热加压使得在一次加热加 压处理中上述空隙率的降低不超过40vo 1 %，来获得所述复合基材。
[0017] [3]根据[1]或[2]所述的复合基材，其中，通过对毡状材料进行加热加压来获得 所述复合基材，在该毡状材料中，碳纤维毡与热塑性树脂结合，并且所述复合基材具有大于 7vol %至小于80vol %的所述空隙率，所述复合基材是通过制备空隙率为60vol %以上的 复合基材并进一步对该复合基材加热加压使得在一次加热加压处理中所述空隙率的降低 不超过20vol%而获得的。
[0018] [4]根据[1]至[3]任一项所述的复合基材，其中，通过对毡状材料进行加热加 压来获得所述复合基材，在该毡状材料中，碳纤维毡与热塑性树脂结合，并且所述复合基材 是空隙率为大于7vol %至小于80vol %的复合基材，所述复合基材是通过制备空隙率为 40vol %至小于60vol %的复合基材并从进一步对该复合基材加热加压使得在一次加热加 压处理中所述空隙率的降低不超过30vo 1 %而获得的。
[0019] [5]根据[1]至[4]任意一项所述的复合基材，其中，所述碳纤维的宽度为5_以 下，并且所述碳纤维的厚度为所述宽度的1/2以下。
[0020] [6]根据[1]至[5]任意一项所述的复合基材，其中，在所述碳纤维中，存在由不低 于临界单纤维数的所述碳纤维构成的碳纤维束（A)，该临界单纤维数由下式（1)定义：
[0021] 临界单纤维数=600/D (1)
[0022] 其中，D为单碳纤维的平均纤维直径（y m)。
[0023] [7]根据[6]所述的复合基材，其中，所述碳纤维束（A)与所述复合基材中包含的 所述碳纤维的总量的比率为大于〇vol%至小于99vol%。
[0024] [8]根据[6]或[7]所述的复合基材，其中，所述碳纤维束（A)中的平均纤维数量 (N)满足下式（2):
[0025] 0? 7X 104/D2< N < 2X 10 5/D2 (2)
[0026] 其中，D为单碳纤维的平均纤维直径（ym)。
[0027] [9]根据[1]至[8]任意一项所述的复合基材，其中，所述碳纤维在毡状材料中，在 该毡状材料中，所述碳纤维二维随机定向。
[0028] [10] -种复合材料，该复合材料通过对根据[1]至[9]任意一项所述的复合基材 进行加压而获得。
[0029] [11]根据[]0所述的复合材料，其中，所述复合材料的空隙率为0至7vol%。 [0030] 本发明的优点
[0031] 本发明的复合基材适于作为碳纤维增强复合材料（以下，有时简称为"复合材 料"）的中间体并且具有优异的可操作性和平面内各向同性。
【附图说明】
[0032] 图1是切割步骤的示意图。
[0033] 图2是示出具有螺旋刃的旋切机的一个实例的前表面和截面的示意图。
[0034] 图3是不出具有分纤刃的旋切机的一个实例的前表面和截面的不意图。
[0035] 图4是除了与纤维方向垂直的刃之外，还具有与纤维方向平行的刃且具有分条功 能的分纤切割机的一个实例的示意图。
[0036] 图5是示出加热/加压步骤的一个实例的示意图。
[0037] 附图标记说明
[0038] 1碳纤维
[0039] 2压紧辊
[0040] 3橡胶辊
[0041] 4旋切机主体
[0042] 5 刃
[0043] 6切割的碳纤维
[0044] 7刃的节距
[0045] 8平行于纤维方向的刃
[0046] 9加热/加压辊
[0047] 10复合基材
【具体实施方式】
[0048] 以下顺次描述本发明的实施方式。在下文中，关于本发明，在某些地方使用术语 "重量"，但重量总是表示质量。
[0049] [复合基材]
[0050] 在本发明的复合基材中，3至1，000质量份的热塑性树脂牢固地固定于平均纤维 长度为3mm以上且100mm以下的100质量份碳纤维，并且复合基材的空隙率为大于7vol% 至小于lOOvol%。
[0051] 空隙率是包含在本发明的复合基材中的空气的比率，其基于下式（3)而定义并且 由体积百分比（vol% )表示。
[0052]空隙率（vr)=(tftD/flOO⑶
[0053](此处是当复合基材的空隙率为Ovol%时的理论厚度，其由包含在复合基材中 的碳纤维和热塑性树脂的量计算，而^为复合基材的平均厚度）。
[0054] 在式（3)中，关于1^和t2，可以采用由诸如毫米（mm)、厘米（cm)和米（m)的各种 长度单位所表示的数值量，但理所当然的是，tJPt 2是由相同的单位所表示的数值量。此 外，^和12是复合基材的每相同特定面积的复合基材的厚度。
[0055] 本发明的复合基材的空隙率为如上所述的大于7vol%至小于lOOvol%，但优 选为小于90vol %，更优选为80vol %以下，还更优选为75vol %以下，进一步还更优选为 50vol %以下，并且甚至进一步还更优选为40vol %以下。
[0056] 此外，本发明的复合基材的空隙率优选为lOvol%以上且小于lOOvol%，更优选 为10vol %以上且小于90vol %，还更优选为10vol %以上且80vol %以下，进一步还更优选 为20vol %以上B 75vol %以下，甚至进一步还更优选为25vol %以上且50vol %以下，并且 最优选为30vol %以上且40vol %以下。
[0057] 在本发明的复合基材中，热塑性树脂处于牢固地固定于碳纤维的状态。如之后关 于本发明的复合基材的制造方法所描述的，通过下列处理等获得该牢固地固定的状态。该 处理包括：向碳纤维相互缠结的毡状材料（以下，有时称作"碳纤维毡"）供应热塑性树脂片 材或熔融热塑性树脂并加热加压以进行浸渍的处理；和在不低于热塑性树脂的软化点（在 本发明中，当树脂为晶体时软化点是指热塑性树脂的熔点，而当树脂为无定形时，软化点是 指玻璃化转变温度）的温度下，加热其中热塑性树脂粉末或纤维附连至碳纤维相互缠结的 毡状材料或与该毡状材料相缠结的混合毡状材料（在本发明中，混合毡状材料被称作"混 合无序毡"，以下，除非另有说明，否则所使用的"无序毡"是指"混合毡状材料"）并根据情 况结合加压的处理。牢固地固定的状态是指使热塑性树脂到达碳纤维的毡状材料中的纤维 束之间的所有部位以及纤维束内部并与碳纤维一体化的状态。在本发明的复合基材中，由 于复合基材的平面内各向同性优异并且由复合基材获得的复合材料也具有优异的平面内 各向同性，所以包含二维随机定向的碳纤维的碳纤维毡或无序毡的情形是非常优选的。
[0058] 对本发明的复合基材的形状没有特别限制，但其实例包括厚度方向上的尺寸比平 面方向上尺寸小的板状材料，特别是典型的大致矩形的板状材料，并且该板状材料可以是 所谓的长材料。
[0059] 热塑性树脂的固体片材或片状熔融物层叠在碳纤维毡上的毡被称作"层叠无序 毡"。
[0060] 在本发明中，术语"复合无序毡"被用作包括上述混合无序毡和层叠无序毡的上位 概念，并且是指碳纤维毡与热塑性树脂通过混合或堆叠等而结合的毡状材料。
[0061] [碳纤维]
[0062] 构成本发明的复合基材的碳纤维是不连续的，并且平均纤维长度为3mm以上且 100mm以下。本发明的复合基材的特征在于包含长至一定程度并且从而能够表现出增强功 能的碳纤维，并且碳纤维的平均纤维长度优选为5mm以上且100mm以下，更优选为10mm以 上且100mm以下，还更优选为15mm以上且80mm以下，进一步还更优选为20mm以上且60mm 以下。尽管本发明的复合基材的制造方法将在后面描述，但当在其切割步骤中切割碳线股 时，可以将线股切割至例如50_的恒定切割长度。使用切割后的碳纤维线股获得的复合基 材中的碳纤维的平均纤维长度变为上述切割长度。
[0063] 在本发明的复合基材中，单位面积碳纤维重量优选为25g/m2以上且10, 000g/m2以 下，更优选为25g/m2以上且5, 000g/m2以下，还更优选为25g/m 2以上且3, 000g/m2以下。
[0064] 包含在本发明的复合基材中的碳纤维的平均纤维直径优选为3至12 ym，更优选 为5至9y