炭素繊維複合糸から成る織物を活用したCFRTP製品の事業化試験

株式会社槌屋

技術開発本部

新製品開発センター

松本 将和

目次

１．CFRP概要

２．開発の背景

３．育成試験内容

４．結果

５．まとめ

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炭素繊維とは 鉄と比較して

○比重： 1/4 →軽い

○比強度： 10倍以上 →高強度

航空機・自動車の軽量化に

期待される材料

１．CFRP概要

炭素繊維の需要は年々高まってきている ※東レ技術資料より

年代ごとの炭素繊維使用状況

炭素繊維強化プラスチック(CFRP) （Carbon Fiber Reinforced Plastic）

強化材に炭素繊維、ﾏﾄﾘｯｸｽ材に熱硬化or熱可塑樹脂を用いた複合材料

樹脂

炭素繊維

熱硬化性樹脂： エポキシ、ビニルエステル等 熱可塑性樹脂： 6ナイロン、ポリカーボネート等

CFRPの採用例（自動車） ○トヨタ Mirai

水素タンク

FCスタックプレート

○ BMW i3

※東レ技術資料より

CFRPボディ

※BMW HPより

CFRTPとは (Carbon Fiber Reinforced Thermo Plastic)

マトリックス樹脂に熱可塑性樹脂を使用したもの （加熱すると軟化し、冷却すると固化する樹脂）

特長： ・CFRPと比較し成形サイクルが短い ・再成形可能（2次加工性に優れる）

自動車

航空機

医療

BMW HPより

LORD Corporation 資料より

CFRTP製品の展開先

開発の背景 ・炭素繊維の製織に専用の織機・建屋が必要… ⇒コストがかかり、新規参入が困難

毛羽が発生

⇒飛散し周りの 機器に悪影響

あらかじめ炭素繊維をマトリックス樹脂で 被覆することで、汎用の織機で製織できないか？

炭素繊維＋樹脂一体の複合糸から 成る織物(CFRTP用基材)の開発

２．開発の背景

開発当初

炭素繊維 カバリング糸

製織

成形

開発協力：尾張繊維技術センター 三河繊維技術センター

炭素繊維をナイロン糸で 巻きつけてカバリング

織物基材

CFRTP

（CFRTP製造までの流れ）

性能評価

・断面観察（走査電子顕微鏡：SEMによる） 繊維間に隙間がある ⇒樹脂の含浸が不十分

200μm 20μm

課題

成形

成形不良になりやすい

繊維束の中まで樹脂が 含浸しにくい

ｶﾊﾞﾘﾝｸﾞの工程で 炭素繊維束が丸くなる

炭素繊維 （3K）

ﾅｲﾛﾝ糸

カバリング糸の断面

炭素繊維が丸く(太く)なっている

炭素繊維

ナイロン糸

改良案 薄いため中まで樹脂が 含浸しやすい

成形

含浸性良好

フィルムor 不織布

炭素繊維束(3K)

炭素繊維束が薄い状態で カバリング

開発①～ﾌｨﾙﾑﾀｲﾌﾟ～ マトリックス樹脂：６ナイロンフィルム(t=30μm） →8mm幅にスリット加工したものを炭素繊維に被覆 して複合糸を作製 →複合糸を試織

○結果・・・ なんとか製織は出来たが 織密度が大きくばらついて しまった

フィルムが硬く、汎用の 織機で織るのが難しい

複合糸

織物

３．育成試験内容

ﾌｨﾙﾑﾀｲﾌﾟのCFRTP成形～評価

積層枚数： 8枚 成形方法： 熱プレス成形（250℃） サイズ ： 80㎜×180㎜

3点曲げ試験にて強度を評価 (N=5)

最小値45MPa、最大値471MPa

サンプルの採取場所により大きくばらついた

CFRTPの成形方法

成形工程は比較的シンプル

CF織物

熱可塑性樹脂 熱ﾌﾟﾚｽ成形 成形品

冷却 金型へ投入

開発②～不織布ﾀｲﾌﾟ～

マトリックス樹脂：６ナイロン不織布(目付：25g/㎡） →7mm幅にスリットしたものを炭素繊維に被覆して 複合糸を作製 → 試織

○結果・・・ 通常の糸を織る要領で、問題なく製織出来た

不織布ﾀｲﾌﾟのCFRTP成形～評価

積層枚数： 8枚 成形方法： 熱プレス成形（250℃） サイズ ： 80㎜×180㎜

3点曲げ試験にて強度を評価 (N=5)

最小値97MPa、最大値153MPa

フィルムタイプより強度が低い

糸の断面観察(ﾌｨﾙﾑﾀｲﾌﾟ)

炭素繊維

ﾌｨﾙﾑ

炭素繊維は薄くつぶれている

糸の断面観察(不織布ﾀｲﾌﾟ)

炭素繊維は丸くなっている

炭素繊維 不織布

○フィルムタイプ 長所： 炭素繊維を比較的薄い状態で被覆できる 短所： 製織が困難で織密度が大きくばらつく

○不織布タイプ 長所： 製織が問題なく可能 短所： 被覆時、炭素繊維が丸くなりやすい

それぞれの短所は織機の改良および製織条件の 調整により改善可能？

改良検討(織機の調整）

○織機の変更 前回：少量試作用の 見本織機 今回：量産を見据えた 実機生産向けの織機

試作： 三河繊維技術センター

改良検討に使用した織機

タテ糸とポリウレタンフォームを同時に巻き付ける

ﾎﾟﾘｳﾚﾀﾝﾌｫｰﾑ

◇調整点その１

◇調整点その２

扁平な糸に対応した特殊綜絖の採用

◇調整点その３

ヨコ糸給糸時、超鋼の特殊カッターを使用

試作結果 ◇フィルムタイプ 織物形状：平織

設計値：タテ糸、ヨコ糸 13本/1インチ 実測値：タテ糸13本/1インチ、ヨコ糸12本/1インチ

４．結果

◇不織布タイプ 織物形状：平織

設計値：タテ糸、ヨコ糸 13本/1インチ 実測値：タテ糸14本/1インチ、ヨコ糸12本/1インチ

糸の断面観察(ﾌｨﾙﾑﾀｲﾌﾟ)

炭素繊維は薄くつぶれている

炭素繊維 フィルム

一部イレギュラーな形状や、つぶれていない ものも見受けられた

炭素繊維 フィルム 炭素繊維 フィルム

糸の断面観察(不織布ﾀｲﾌﾟ)

織機調整前よりも薄くなった

炭素繊維

不織布

◇炭素繊維のつぶれ方＝扁平率として数値化

a

b

扁平率 = 1－a/b

炭素繊維

扁平率が1に近い程薄くつぶれている ＝樹脂の含浸性において有利

各種織物基材から糸を抽出 ⇒断面形状から扁平率を計算

フィルムタイプ 不織布タイプ フィルム 不織布タイプ カバリング糸

扁平率 0.9 0.7 0.9 0.6 0.2

織機調整後 調整前

CFRTP成形検討

あいち産業科学技術総合センターHPより

200tf ホットプレス

◇成形条件 プレス機： 200tfホットプレス※

積層枚数： 8枚 成形サイズ： 200㎜×300㎜ 成形温度： 280℃ 成形圧力： 約30MPa

※あいち産業科学技術総合センター 産業技術センター所有設備

◇成形したCFRTP(フィルムタイプ)

成形品端部に炭素繊維のうねりがみられる

◇成形したCFRTP(不織布タイプ)

フィルムタイプより炭素繊維のうねりが顕著

CFRTPの評価 （ベンチマーク含む）

評価方法② 3点曲げ試験 JIS K7074「炭素繊維強化プラスチックの曲げ 試験方法」

評価方法① Vf（繊維体積含有率）の測定

Vfの測定方法

試作したCFRTPの密度ρCFRTPを測定し 既知の炭素繊維密度ρCFと樹脂密度ρ樹脂から算出

密度計（気相置換法）

ρCFRTP=ρCFVf+ρ樹脂(1-Vf)

3点曲げ試験

JIS K7074「炭素繊維強化プラスチックの曲げ 試験方法」 準拠

CFRTPサンプル

フィルムタイプ 不織布タイプ 他社品

63 64 51

曲げ応力[MPa] 555 563 573

曲げ弾性率[MPa] 61 58 47

3点曲げ試験

Vf[%]

評価結果 他社品CFRTPシート材(使用樹脂：PA66)と比較

開発品はVfに対して曲げ応力がやや低い 曲げ弾性率はVf相応の数値となった

曲げ応力の比較

いずれのタイプも他社製品同等の強度 不織布タイプのばらつきがやや大きい

フィルムタイプ 不織布タイプ 他社製品

CFRTPの観察（SEM 1000倍画像）

フィルムタイプ

不織布タイプ

他社品

カバリング糸

曲げ試験後の破断面観察

断面観察

φ10μm以下の空隙が一部存在

フィルムタイプ

不織布タイプ

×250

10μm

10μm 50μm

50μm

まとめ

汎用織機に各種調整を行うことで複合糸を問題なく製織出来た

専用の織機・建屋を必要とせず、既製品同等性能のCFRTP用基材を製造可能

５．まとめ

CFRTP

炭素繊維の扁平率

製織性 曲げ強度

× ○ ×

フィルムタイプ ○ × △

不織布タイプ × ○ ×

フィルムタイプ ○ ○ ○

不織布タイプ △ ○ ○

カバリング糸

織機調整前

織機調整後

織り基材

今後の課題 ・マトリックス樹脂の目付等、仕様の確立 ・CFRTP成形条件の確立 ・フィルムタイプ、不織布タイプそれぞれの 特長、優位性を模索

織物基材、CFRTPの作りこみにより 更なる品質向上をめざす

ご清聴ありがとうございました