作成:2018.08.01|改訂:

特集|最新炭素繊維強化プラスチック技術

検索条件

鍵語1:最新炭素繊維強化プラスチック技術
鍵語2:
鍵語3:
鍵語4:

炭素繊維強化プラスチックとは

CFRPとは、「Carbon Fiber Reinforced Plastics」の略で、「炭素繊維強化プラスチック」を意味します。プラスチック、つまり樹脂を炭素繊維で強化することで、樹脂単体よりも高い強度や剛性を得る。CFRPに使われる炭素繊維には、PAN系とピッチ系の2種類がある。?PAN系炭素繊維は、PAN(ポリアクリロニトリル)が原料で、?ピッチ系炭素繊維は、石油や石炭から得られるピッチと呼ばれるものが原料の炭素繊維。
CFRPに使われる樹脂には、?加熱すると硬化する熱硬化性樹脂と、?加熱すると融解する熱可塑性樹脂があります。CFRPへ主に使われているのは熱硬化性のエポキシ樹脂ですが、そのほかにも不飽和ポリエステル、ビニルエステル、フェノール、シアネートエステル、ポリイミド、熱可塑性樹脂ではポリアミド(PA)、ポリカーボネイト(PC)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)などが使われる。 これらの炭素繊維と樹脂を組み合わせることで、様々な特性を持ったCFRPを作ることが出来る。

CFRPの成形法

CFRPを成形する場合、プリプレグと呼ばれる炭素繊維に樹脂が含浸したシート状の材料を使う方法や、炭素繊維(束状ないしは織物状)に液状の樹脂を含浸させる方法があります。それぞれに特長がありますので、作りたい製品の仕様に合わせて、成形方法を選定することが重要です。

プリプレグとは

プリプレグとは、炭素繊維にあらかじめ樹脂が含浸しているシート状の材料です。形態としては、炭素繊維が一方向に並んだUD材と、タテヨコに織られた織物材があります。織物材は織り方によって平織、綾織、朱子織などがある。

CFRPの用途

CFRPが使われる分野は大きく分けると、●スポーツ・レジャー●産業●航空宇宙の3つに分類される。
いずれの分野もCFRPの「軽量・高強度・高剛性」という特長を生かした使い方が中心となっている。
CFRPの需要が最も多いのは産業分野です。その用途は多岐にわたり、●自動車?プロペラシャフト、外板●機械部品?板ばね、ロボットアーム●高速回転体?遠心分離機ロータ、フライホイール、工業用ローラー、シャフト●圧力容器?水素タンク、CNGタンク●医療機器?天板、カセッテ、X線グリッド●土木建築?コンクリート補強材、ケーブル、ロッド などがあります。

CFRPの設計

CFRPは、金属やプラスチックと異なり、材料そのものを設計することが可能。プリプレグを使用する場合、手順としては、 1.要求事項に合わせて炭素繊維および樹脂を選定する 2.必要なプリプレグの種類、積層方向、枚数を決める 3.形状を決める  となる。CFRPを設計するにあたっては、力学的特性のほか、熱的・電気的・化学的特性を考慮し、かつ機械加工や組立などの後工程でどのような加工がされるかも踏まえて設計することが重要である。




「富岡倉庫」では最先端のCFRP

 CFRPは、きびそと(蚕が繭を作る際に最初に吐き出す糸)は対照的な最先端素材。これを使用するのは、富岡市役所の目の前にある「富岡倉庫」の耐震改修です。現在、富岡市は3棟が連なる富岡倉庫の耐震改修を進めており、いずれも隈氏が設計を担当しています。3棟のうち初めに着工した3号倉庫で、この木造建築の補強材として、小松精練が開発したCFRPの製品、「カボコーマ・ストランドロッド」を採用。

3号倉庫の改修後南北断面図。鉄骨のラーメン構造を既存の倉庫に入れ込む計画。上部にクロスする形で新設するブレースがカボコーマ・ストランドロッド。下は基礎梁、柱はムクの鉄骨柱で補強する



建築家隈研吾が各地で引っ張りだこの理由

□まず、富岡市の2つのプロジェクトは、富岡市役所にあり、3層吹き抜けのエントランスを入ると、製糸産業で栄えた富岡らしい素材が目に入る。『きびそ』と呼ばれる生糸を使った壁紙。きびそは、蚕(かいこ)が繭(まゆ)をつくるために最初に吐き出す糸のこと。繊維が粗く硬いため製糸に使えず、多くが処分されてきた。今回、きびその風合いを生かした壁紙を地域の人たちと開発し、庁舎内の各所に張った仕上げとなっている。二次元のような三次元のような例えづらい素材感で、きびそは古くからある自然素材ですが、壁に使う建材としては"新らしい。 富岡市役所ではこのほか、藍染めのパーティションや、樹脂を充填した外装の木ルーバーなどで地域の素材を使っている。
富岡市役所の目の前にある「富岡倉庫」の耐震改修です。現在、富岡市は3棟が連なる富岡倉庫の耐震改修を進めており、いずれも隈氏が設計を担当しています。3棟のうち初めに着工した3号倉庫で、この木造建築の補強材として、小松精練が開発したCFRPの製品、「カボコーマ・ストランドロッド」を採用している。

素材は地域と建築をつなぐ

「富岡倉庫の改修は、炭素繊維を意匠としてうまく見せることで、建物の耐震性能を向上させるだけでなく、空間の価値もプラスに変える補強となるという。 ディテールにもこだわり、チタンを木と組み合わせ、補強柱は鉄のムク(無垢)材を使用する計画。チタンを使った接合部などは、構造家江尻憲泰が考案。 富岡は繊維の街には繊維をテーマに据えた。建築というのは、出来上がった物だけでな、生産プロセスで地域の小さな産業、つまり『マイクロエコノミー』を活性化できるという大きなポテンシャルを持つという。新しい材料を使うのは、見た目に面白いものをつくるためだけではない。それ以上に、地域と建築をつなぐ仕掛けづくりにまで持っていけることに意義がある。 また、設計者が地域を支えるスタンスを見せていると、波及効果もあると思う。周りから、『こんな面白い素材がある』『この素材もうまく見せられないか』と、素材や技術が集まる。 素材をきっかけとした産業活性化の仕掛けをつくるには、まず現地に設計のスタッフが常駐することが肝となる。どのような素材があるか、現場でどう施工するかを探るためにも、地元との関係づくりは欠かせないとする(出典:隈研吾氏が各地で引っ張りだこの理由、日経 xTECH、2018.06.27)。




特開2018-083876 木質系複合樹脂材料の製造方法と木質系複合樹脂材料

概要

従来、木を粉末にして樹脂と混練した複合樹脂材料は多々開発されており、複合樹脂材料の一般的な製造方法としては、木を乾燥させ機械で物理的に粉砕加工した木粉を用いている。例えば、特許文献1(特開平10-166355)には、熱可塑性樹脂30〜60重量部を溶融し、5重量%以下の水分率を有する木粉40〜70重量部と混練して複合材料ペレットを作る方法であって、木粉を2軸押出機のサイドから供給し、2軸押出機中で熱可塑性樹脂及び木粉を溶融混合し、混合物を押出して複合材料チップを製造する複合材料の製造法方を開示している。また、特許文献2(特開平11-124485)は、脂肪族ポリエステル樹脂(A成分)、木粉等のバイオマス材料(B成分)及び不飽和カルボン酸又はその誘導体(C成分)からなる複合樹脂組成物であって、A成分の少なくとも一部とB成分の少なくとも一部が、C成分を介して共有結合した物質を含む複合樹脂組成物を開示している。特許文献3(特開2005-263852)は、木粉を25〜75重量%、及びイソブチレン−無水マレイン酸共重合体の変成品を0.3〜5重量%含有する熱可塑性樹脂組成物を開示している。
この他、特許文献4(特開2008-296569)に開示されているように、合成高分子材料と木粉等のバイオマス由来成分を混合してなる高分子複合材料の製造方法であって、バイオマス由来成分の過剰含水物が少なくとも含まれる混練物を設定された混練温度で混練する混練工程と、前記混練温度における飽和蒸気圧よりも低くかつ大気圧よりも高い設定圧力で混練物を脱水する脱水工程と、脱水された混練物を取り出す取出工程とを含む高分子複合材料とその製造方法も提案されている。
しかしながら、上記特許文献1〜4に開示された複合樹脂材料の製造における課題として以下の点がある。
1.木粉を用いた場合、木粉の水分含有量が多く、乾燥に多くのコストまたは特別の処理工程や処理装置かかる。
2.木粉の粒度を調整した粉砕が必要である。
3.樹脂原料と木粉を混練する場合の溶融温度が120℃以上となるので、混練した木粉が高温に加熱され、木粉中に残留水分や、加熱により木粉から出る揮発成分がガス化して、樹脂中に気泡を発生させる等の問題がある。さらに、揮発成分があると、樹脂原料の混練を安定的に行い難く、混練装置内でのガス抜きする設備や、真空にしてガスを処理する装置などが必要になり、コストがかかるものである。
4.原料樹脂に木粉を混練すると、流動性だけでなく物性が低下し、射出成形や押出成形した時に気泡が残る可能性がある。
以上より、樹脂原料に木粉等のバイオマスを多く混練することは難しいものであった。
したがって、下図のごとく、木質系原料を180℃〜250℃の水蒸気温度で加圧水熱処理し、一部が炭化した状態で木質系原料を粉砕して木質系フィラー材12を形成する。木質系フィラー材12と潤滑剤である流動パラフィン14、熱可塑性樹脂原料16、及び酸変成剤18を混合し混練する。木質系フィラー材12は、ヘミセルロースが加水分解しセルロースとリグニンが分解せずに残っており、潤滑剤である流動パラフィン14及び熱可塑性樹脂原料16から成る。木質系フィラー材12の粒子は、流動パラフィン14を介して熱可塑性樹脂原料16中に均一に分散している。熱可塑性樹脂原料16は、不飽和カルボン酸の酸変成剤18により酸変性してなる、木質系材料をフィラー材に用いて環境性能が良く、高品質で十分な材料強度が得られ、製造工程もシンプルな木質系複合樹脂材料の製造方法と木質系複合樹脂材料の提供する。

図1,2

【符号の説明】
10 木質系複合樹脂材料 12 木質系フィラー材 14 流動パラフィン 16 熱可塑性樹脂原料 18 酸変成剤 26 ミキサー 28 計量攪拌機 32 2軸押出機

発明の効果

この発明の木質系複合樹脂材料の製造方法と木質系複合樹脂材料によれば、木質系フィラー材と潤滑剤、及び熱可塑性樹脂原料を混合して混練するので、混練により熱可塑性樹脂原料に木質系フィラー材粒子が均一分散して混ざり合う。熱可塑性樹脂原料は、特に酸変成剤である無水マレイン酸グラフト化ポリオレフィン樹脂等により酸変性され、潤滑剤ともに木質系フィラー材粒子の中にも確実に入り込み、より強度の高い木質系複合樹脂材料を形成することができる。しかも、この製造方法は、工程が短く、製造装置をシンプルにすることができ、熱可塑性樹脂原料の熱変性を抑えることができ、木質系複合樹脂材料を高品質で製品強度の高い樹脂材料として提供することができる。
さらに、合成樹脂は、石油100%の材料で、リサイクルされてはいるが、最終処分される際には燃焼される。従ってこの時に排出される多量の二酸化炭素は、地球温暖化の一因となる。しかし、この発明による木質系複合樹脂材料によれば、カーボンニュートラルであるバイオマスを原料にした木質系フィラー材を多く用いて複合樹脂材料を提供するものであり、最終的に二酸化炭素排出量を削減することができる。この他、この発明の木質系複合樹脂材料の製造方法は、葉や小枝など木質部のすべての材料が含まれていても処理が可能であり、これまで資源化されていなかったバイオマスを有効に利用することができる。
また、バイオマスは加熱すると、木等が強く吸着している吸着水や木等の導管等に含まれている自由水、木質や葉などに含まれているオイルなどの揮発性分やタールなどからガスが発生する可能性が高い。従って、熱可塑性樹脂原料にバイオマス原料を混練する場合、このガスは複合樹脂材料を製造するときの阻害要因となり、ガスが発生しにくいフィラー材が好ましい。さらに、バイオマスを粉砕して木粉として混練する場合、木粉の粒径や形状、木粉の持つ有機成分の有無以外に、混練するときに溶融した熱可塑性樹脂原料の溶融温度で変性しない材料であることが重要である。これらの課題もこの発明の木質系複合樹脂材料は解決したもので、この発明の木質系フィラー材は、加圧水熱処理により半炭化されているので、熱可塑性樹脂原料混練時に変性せず、熱可塑性樹脂原料との混練時に影響しないものであり、混練及び成形により良好な品質の木質系複合樹脂材料を提供することができる。

特許請求の範囲

【請求項1】 木質系原料を180℃〜250℃の水蒸気温度で加圧水熱処理し、一部が炭化した状態で前記木質系原料を粉砕して木質系フィラー材を形成し、前記木質系フィラー材と、潤滑剤、熱可塑性樹脂原料、及び酸変成剤を混合し、前記熱可塑性樹脂原料が溶融する温度で混練して、前記熱可塑性樹脂原料を溶融させて前記酸変成剤により酸変性させるとともに、前記熱可塑性樹脂原料中に前記木質系フィラー材を均一に分散させて木質系複合樹脂材料を形成することを特徴とする木質系複合樹脂材料の製造方法。
【請求項2】前記木質系原料の加圧水熱処理は、1.9MPa〜2.5MPaの圧力下で行う請求項1記載の木質系複合樹脂材料の製造方法。
【請求項3】前記加圧水熱処理は、190℃〜240℃の水蒸気温度で行う請求項1又は2記載の木質系複合樹脂材料の製造方法。
【請求項4】前記木質系原料は、予めチップ状に粉砕したものを前記加圧水熱処理する請求項2又は3記載の木質系複合樹脂材料の製造方法。
【請求項5】前記酸変成剤は、無水マレイン酸グラフト化ポリオレフィン樹脂であり、添加量は、前記熱可塑性樹脂原料に対して1〜6質量%混合し製造する請求項2又は3記載の木質系複合樹脂材料の製造方法。
【請求項6】前記木質系フィラー材は、全体の20〜80質量%の割合で混合し、混練により前記木質系フィラー材を前記複合樹脂原料中に均一に分散させて押し出して成形する請求項1及至5のいずれか記載の木質系複合樹脂材料の製造方法。
【請求項7】一部が炭化した状態の木質系原料から成る粉末状の木質系フィラー材と、潤滑剤及び熱可塑性樹脂原料から成り、前記木質系フィラー材の粒子が前記潤滑剤を介して前記熱可塑性樹脂原料中に均一に分散し、前記熱可塑性樹脂原料は不飽和カルボン酸の酸変成剤により酸変性されていることを特徴とする木質系複合樹脂材料。
【請求項8】前記木質系フィラー材は、前記木質系原料が半炭化したもので、ヘミセルロースが加水分解し、セルロースとリグニンが分解せずに残っている請求項7記載の木質系複合樹脂材料。
【請求項9】前記木質系フィラー材のセルロースは、一部が変性している請求項8記載の木質系複合樹脂材料。
【請求項10】前記酸変成剤は、無水マレイン酸グラフト化ポリオレフィン樹脂である請求項7又は8記載の木質系複合樹脂材料。
【請求項11】前記潤滑剤は、主成分が流動パラフィンから成るものである請求項7又は8記載の木質系複合樹脂材料。
【請求項12】前記木質系フィラー材は、全体の20〜80質量%の割合で混合して成る請求項7及至11のいずれか記載の木質系複合樹脂材料。

図面の簡単な説明

図3

【図1】この発明の一実施形態の木質系複合樹脂材料の成形工程を示す図
【図2】この実施形態の木質系複合樹脂材料の製造装置を示す模式図と概略縦断面図(a)と、概略横断面図(b)
【図3】この発明の実施例の木質系複合樹脂材料のメルトマスフローレート(MFR)の測定結果を示すグラフ
【図4】この発明の実施例の木質系複合樹脂材料の比重の測定結果を示すグラフ
【図5】この発明の実施例の木質系複合樹脂材料の衝撃値の測定結果を示すグラフ
【図6】この発明の実施例の木質系複合樹脂材料の曲げ弾性率の測定結果を示すグラフ
【図7】この発明の実施例の木質系複合樹脂材料の曲げ応力の測定結果を示すグラフ
【図8】この発明の実施例の木質系複合樹脂材料の引張応力の測定結果を示すグラフ
【図9】この発明の実施例の木質系複合樹脂材料の吸水試験の測定結果を示すグラフ

図7

一般的な木粉のTG測定では、120℃程度までが、水分や揮発成分の蒸発による質量減少、200℃〜300℃がヘミセルロースの熱分解による質量減少、300℃〜400℃がセルロースの熱分解による質量減少、200℃〜900℃がリグニンの熱分解による質量減少が起きるとされている。これに対して、表1に示すTGにおける温度範囲と質量減少割合を見ると、半炭化木粉の空気気流中の測定では、試料中、水分や揮発成分:3.1%、ヘミセルロース・セルロース成分:52.1%、リグニン成分:39.8%の割合で含まれており、木粉と比較すると、半炭化木粉は水分や揮発成分、ヘミセルロース・セルロース成分が少ない結果となった。従って、半炭化により、水分や揮発成分と、ヘミセルロース・セルロース成分の一部が除かれると考えられる。TGチャートを見ると半炭化木粉は、木粉に比較して120℃〜350℃における質量減少が低い温度から起き、半炭化することで熱分解が起こした成分に変化していることが分かった。窒素気流中で350℃〜500℃における質量減少が明確に見られなかったことから、リグニン成分への熱分解はないと考えられる。以上の結果から、半炭化物はI炭であることが分かる。

表1表2

次に、実際に杉の芯材をチップ化し、3m3の圧力釜で攪拌しながら210℃の高圧水蒸気で30分処理し、処理後は天日乾燥をおこない、粒度を整えるために粉砕機を通過させた。材料は、伐採した生木をすぐにチップ化した材料である。木の揮発成分を分析するためにX線分析した結果、揮発成分として精油成分、油脂成分、水分が減少し、熱重量示唆熱分析結果では、半炭化物の中で残っている揮発成分は3.1%、ヘミセルロース、セルロース成分は、52.1%、リグニン成分は39.8%であった。また、粒度分布を調べたところ、表2に示すように粒度幅は、富山県産半炭化杉では、Dv10:8.39μm、Dv50:48.8μm、Dv90:207μmと細かく粉砕されており、富山県産杉の木粉及びドイツ産ホワイトウッドの木分と比較して、この発明の処理方法が、熱可塑性樹脂原料混練用のフィラー材製造に適していることが分かった。(装置は、スペクトリス株式会社マルバーン事業部 マスターサイザー3000を用い、乾式測定セルで測定)また、処理に使用する加熱水蒸気の温度が200℃程度であることから、熱可塑性樹脂原料混練時に熱可塑性樹脂原料を溶融する温度帯で、揮発分の影響を受けない材料が製造できることが分かった。




脚注及び関連項目

 




WEEF

Copyright (C) WINDOFWEEF All Rights Reserved.
inserted by FC2 system