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研究開発・技術

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複合素材の応用・展開

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ディベロップメントセンターの研究テーマの一つとして、繊維強化プラスチック素材の開発を行っています。

「繊維強化プラスチック素材」の開発

ガラス繊維も抄き!耐熱繊維も抄き!炭素繊維も抄く!
― 特殊繊維の抄紙技術で新しい素材を開発 -

通常、「紙」は木材繊維=パルプを抄紙して作られますが、当社はパルプ以外の繊維、例えば、合成繊維、ガラス繊維などの特殊繊維を抄紙する技術も持っています。実際に王子グループでは、ガラス繊維紙(商品名グラスパー)、アラミドペーパーを製造・販売しています。
この技術をさらに磨き上げ、モバイル化、省エネ、持続可能な循環型社会の実現に貢献するために、「軽量、高剛性の繊維強化プラスチック(FRP)素材」を炭素繊維、ガラス繊維、耐熱性/難燃性繊維の抄紙によって作りあげることを目指しています。

特殊繊維の抄紙技術で新しい素材を開発

繊維強化プラスチック素材は、強化繊維(炭素繊維やガラス繊維等)と熱で溶けるプラスチック繊維(エンプラ繊維)を、水中に分散したのち、抄紙してシート(マット状)にしたものです。熱プレス成形することにより、プラスチック繊維が溶けて繊維強化プラスチック成形品にすることができます。

①特殊繊維の抄紙技術の追求

炭素繊維などは通常の紙に使用されるパルプとは全く異なった特性を持っており、水に分散しづらく、またそれ自身ではまったく絡み合わず結着性がないため、通常の製紙とは異なった特殊な分散技術、補助材料、装置が必要です。当研究所ではラボスケールの抄紙テストから、実際の抄紙機での連続抄紙テストまで行い、特殊繊維それぞれに合わせた抄紙技術の研究を行っています。

<ラボテスト:炭素繊維の分散改良>
ラボテスト:炭素繊維の分散改良
<ラボで作製した炭素繊維紙>
ラボで作製した炭素繊維紙
<実際の抄紙機で作製した炭素繊維紙ロール>
実際の抄紙機で作製した炭素繊維紙ロール

抄紙機では巾1mを超える炭素繊維シートが作製できます

②抄紙技術から生まれた繊維強化プラスチックの特長

抄紙法でつくられた繊維強化プラスチック(FRP)素材は、長さ数mm~数cmのカットファイバーからできています。連続した長い強化繊維から作られた1方向材や編み物のFRP材料に比べ、成形時に樹脂中の繊維が動きやすいため、成形の自由度が高く、曲面、突起、補強リブなどをプレス時に形成できるという利点があります。 紙と同じ製法でつくっているので、織物や射出成形では不可能な、文字通り「紙のように薄い」FRPを作ることもできます。 また、航空機産業などから排出されるリサイクル炭素繊維(再生工程で断裁されカットファイバーとなる)を原料としてリユース(再利用)する手段になることも抄紙法のメリットの1つです。

<成形の自由度が高い>
成形の自由度が高い
3次元曲面への成形性があります

<紙のように薄くできる>
紙のように薄くできる
厚さ0.1mm以下にすることも可能です

<ボスリブ突起の一体成形例>
ボスリブ突起の一体成形例

<表面に補強材として貼る使い方の例>
表面に補強材として貼る使い方の例

③ソリューション提供型開発

全く新しい素材をお客様に使っていただくには、素材そのものの性能はもちろんのこと、その素材を使いこなす方法や、使用例や応用アイデアなどを提供することが必要です。 当社では、社内ラボでの成形テストや、成形メーカー様での共同トライアルを実施し、成形ソリューションの確立とその提供を進めています。

成形トライアルによる最適成形条件の探索、実際の用途を想定した成形サンプルの作製

<ラボでのプレス成形テスト>
ラボでのプレス成形テスト

<大型部品のプレス成形テスト>
大型部品のプレス成形テスト

④解析・素材設計技術の開発

より高い性能、安定した品質の素材をお客様にお届けするために、製品の分析、要因解析を行い、それをフィードバックして素材の改良を進めています。 繊維-樹脂間の結着力の改良や、繊維の分散、配向状態の最適化、特性の異なる材料の積層などでニーズに合った高性能素材をリーズナブルな価格で提供することを目指しています。

強度等力学特性の測定、構造設計

<成形品の強度・剛性測定>
成形品の強度・剛性測定

<剛性・変形シミレーション>
剛性・変形シミレーション

強化繊維-マトリックス樹脂接着力の改良

<未改良品の破断面>
樹脂と繊維が剥離している
未改良品の破断面
破壊テスト後の破断面の電子顕微鏡写真1

<界面改良品の破断面>
樹脂が繊維に強く接着している
界面改良品の破断面
破壊テスト後の破断面の電子顕微鏡写真2

強化繊維の分散・配向コントロール
<繊維強化プラスチック内部の繊維状態の解析>

マイクロX線CTによる、
成形品内部の炭素繊維の画像
マイクロX線CTによる、成形品内部の炭素繊維の画像

断層イメージの拡大像
炭素繊維1本の太さは7μm
断層イメージの拡大像

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