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炭素繊維強化熱可塑性プラスチックスを開発【NEDO】
2013年9月3日
NEDOのプロジェクト※1において、東京大学、東レ㈱、三菱レイヨン㈱、東洋紡㈱、㈱タカギセイコー等のグループは、加熱すると成形しやすくなる熱可塑性樹脂を用いた、まったく新しい「炭素繊維強化熱可塑性プラスチックス（CFRTP）」※2の開発に成功しました。
従来のCFRPでは困難だった高速成形加工や高汎用性を有する接合を行えるため、量産車に用途が広がり、車体の軽量化（現行比30％程度）やエネルギー消費低減などの効果が期待できます。
※1 「サステナブルハイパーコンポジット技術の開発」
※2 熱可塑性樹脂を用いた炭素繊維強化複合材料（CFRTP）
マトリックス材料として熱可塑性樹脂を用いて炭素繊維を固めた複合材料で、このプロジェクトで開発した。現時点では熱硬化性樹脂を用いて炭素繊維を固めた材料が主流。
1．概要
高い強度と非常に軽いという特性を有する炭素繊維は、世界の生産量の7割以上を日系企業が独占している先進素材ですが、エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂※3と一体化した炭素繊維強化熱硬化性プラスチックス（CFRP）は、〔1〕設計が難しい、〔2〕金属のような均質材料ではない、〔3〕成形加工時間が長い、〔4〕高価、などの課題を抱えてます。
今回開発した炭素繊維強化熱可塑性プラスチックス（CFRTP）は、熱硬化性樹脂の代わりに、熱可塑性樹脂※4を用いることでCFRPが抱えている課題を克服。量産車に用途が広がり、車体の軽量化（現行比30％程度）やエネルギー消費低減などの効果が期待できます。さらに再成形ができるためリサイクルが可能となり、循環型社会の実現に大きく寄与することが期待できます。
2．開発の成果
（1）易加工性CFRTP中間基材の開発（図2）
〔1〕等方性CFRTP中間基材
等方性CFRTP中間基材は、ポリプロピレン樹脂（以下PP）中に不連続の炭素繊維が均一・等方に分散した材料です。SMC（sheet molding compound）やGMT（Glass-mat reinforced thermoplastics）等の従来の複合材料基材と比較して、非常に優れた強度特性を有しているほか、単位重量当たりの剛性・強度（比剛性・比強度※5）に優れており、成形品は連続繊維を用いた航空機用CFRPに匹敵する軽量化効果を実現することができました。
〔2〕一方向性CFRTP中間基材（プリプレグテープ）
一方向性CFRTP中間基材として、独自の表面処理技術及び樹脂改質技術によって、炭素繊維にPPを高度に含浸させたプリプレグテープの開発に成功しました。マトリクス樹脂※6がポリアミド樹脂の場合は、更に高い物性を得ることができました。
（2）易加工性CFRTP成形技術の開発（図3）
〔1〕高速スタンピング成形技術
自動車用二次構造部材※7向けに、等方性CFRTP基材を使用し、金型占有時間が短く、成形後の材料バラツキを小さくできる高速スタンピング成形技術の開発に成功しました。
〔2〕高速内圧成形技術
自動車用一次構造部材※8には、強度･剛性に優れた箱型断面構造を有する中空の閉断面構造体を用いることが有効であることから、一方向性基材を使用した高速内圧成形技術を開発しました。
高速内圧成形技術は、シームレス※9な中空断面構造体を成形する方法ですが、これまで熱可塑性複合材料は技術が確立されていなかったため、上市された成形加工品は皆無でしたが、今回、開発した技術は、低圧での良好な形状賦形性を有し、高い力学特性を発現する高度なブレード設計技術とその成形技術を確立したものです。
（3）易加工性CFRTP接合技術の開発
CFRTP中間基材の汎用構造材料化を達成するには、接合技術も重要となります。既存のスチール溶接技術と並ぶスピードと接合強度を有する接合技術の開発をめざし、熱可塑性樹脂に特徴的な接合技術である、融着法を検討しました。その結果、熱板融着・振動融着・超音波融着等の接合面を重ね合わせて加熱加圧する方法を見出すに至り、接合部が一体化することによって繊維含有率が増加し、繊維同士の絡みによる高靭性化が達成され、接合部の強度を高めることに成功しました。
（4）易加工性CFRTPリサイクル技術の開発（図4）
炭素繊維は、高エネルギーを用いて製造される材料なので、できる限り高度なレベルでのリサイクルが望まれます。本研究で開発したCFRTP材料は、マトリクス樹脂がマテリアルリサイクル※10の可能な熱可塑性樹脂なので、高度なリサイクルが可能で、環境負荷やコストを大きく低減できることから、同材料普及の加速可能性を見出しました。
本開発材の基材製造から部品成形・二次加工を経て完成車の組み立て、さらには使用から廃棄まで、生産プロセスからライフサイクル全体における廃材や不良品の循環を考慮することで、クローズドリサイクルを達成する可能性を示しました。
以上の研究成果から、本プロジェクトは、日本複合材料学会、先端材料技術協会から多数の表彰を受けました。また、JEC※11から、昨年「技術革新賞（自動車部門）」を受賞し、国内外から世界最先端技術として高く評価されております。
3．今後の予定
今回開発した材料および加工方法は、部材毎の要求性能に合った個別の最適化が必要とされていることから、材料や成形についてのデータベースの構築・充実化を図りつつ、信頼性の向上や安全性を考慮した構造設計、評価方法の確立等を目指していきます。
【参考：用語解説】
※3、4 熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂
熱可塑性樹脂は加熱をすると軟化し、冷却すると固化する樹脂材料。一方、加熱することで固化し、再加熱しても軟化しない樹脂材料を熱硬化性樹脂という。
※5 比剛性・比強度
材料の剛性・引張強さを密度で割った値で、材料が設計基準となる用途では、この値が大きいほど軽量化が可能になる。
※6 マトリクス樹脂
炭素繊維強化樹脂複合材料の場合、母材はベースとなる樹脂材料のことを言い、強化材が炭素繊維となる。
※7 自動車用二次構造部材
主に荷重を伝達しない構造部位に使用される部材。
※8 自動車用一次構造部材
車体荷重、走行荷重、旋回荷重等の荷重の伝達を主に受け持つ構造部位に使用される部材。
※9 シームレス
繋ぎ目の無いこと。
※10 マテリアルリサイクル
ゴミを原料として再利用すること。今回の研究開発では、生産工程から出る不良品や端材等を回収し、利用しやすいように処理して、新しい製品の材料として使う。
※11 JEC
Journals and Exhibitions on Composites。複合材料成形品の技術ＰＲの為に開催されている世界最大の複合材料技術展示会の主催団体。（本部：パリ）
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