プリプレグとは
プリプレグとは、繊維をシート状にしたものに樹脂を含浸させて作る複合材料で、繊維強化プラスチックの成形原料の1種です。
含浸させる樹脂はエポキシなど、加熱により硬化する熱硬化性樹脂や、加熱により軟化し、冷却すると固まる熱可塑性樹脂が使用されます。繊維は、炭素繊維やガラス繊維がよく用いられます。
繊維や含浸樹脂の組み合わせにより、目的に合わせた材料を作ることが可能です。
プリプレグの使用用途
プリプレグに使用される繊維としては、炭素繊維やガラス繊維の他にもアラミド繊維なども用いられます。それぞれの用途は以下のとおりです。
1. 炭素繊維プリプレグ
炭素繊維を使ったプリプレグはカーボンプリプレグと呼ばれ、炭素繊維強化プラスチック (CFRP) 用の成形材料として使用されます。CFRPの特徴は軽量性、高強度、高剛性などが挙げられます。
また、導電性の炭素繊維を用いているため電子伝導性があります。主に航空機分野で用いられることが多いですが、他にも自動車やゴルフクラブのシャフト、テニスラケットのフレームなど、用途は幅広いです。
2. ガラス繊維プリプレグ
ガラス繊維プリプレグは、ガラス繊維強化プラスチック (GFRP) の成形材料として使用されます。GFRPの特徴は、金属材料よりも大きな比強度を有し、軽く、絶縁性のガラス繊維を用いているため電子伝導性はありません。
この特徴を生かして、アンテナカバー、プリント基板などで使用されています。
3. アラミド繊維強化プラスチック
アラミド繊維は非常に軽くて切れにくく、耐衝撃性や強度が高いです。一方で、炭素繊維やガラス繊維に比べると折れにくいため、自由な形状の成形が難しく、後加工が困難という欠点があります。耐衝撃性や強度が高いため、航空機、宇宙用各種部品、圧力容器などに使用されています。
プリプレグの原理
プリプレグはCFRPやGFRPなどの成形材料として使用されやすい形状、物性をもっています。予め決まった量比で樹脂と繊維が複合化してシートになっているため、他のCFRP製造方法と比較して、性能のバラつきの小さい成形品を作ることが可能です。
プリプレグは繊維を1方向に並べた状態で樹脂を含浸させています。これはUD材と呼ばれ、繊維方向の強度は強いですが、繊維の垂直方向については非常に弱いため、繊維強化プラスチック (FRP) に成形する際には、繊維の方向を変えながら積層していくことが大切です。
遷移の方向を変えることで、どの方向に対しても高強度のFRPが成形されます。織物に樹脂を含浸させたプリプレグもあり、これはファブリック材と呼ばれています。含浸する樹脂については使用用途やCFRPとGFRPの違いにより異なりますが、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂の他に、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトンなどの熱可塑性樹脂も使用される場合が多いです。
特に熱硬化性樹脂を用いたプリプレグは、FRPに成形加工されるまでは未硬化の状態であるため、表面はタックがあり、保管時に硬化が進んでしまわないように密封して冷凍保存する必要があります。
プリプレグのその他情報
プリプレグの製造方法
プリプレグは、含浸させる樹脂が熱硬化性か熱可塑性かによって製造方法が異なります。
1. 熱硬化性樹脂
熱硬化前の樹脂フィルムを成形し、これを1軸方向にならべた繊維または繊維の織物と合わせてヒートプレスします。フィルムの厚さにより繊維の含有率をコントロールでき、繊維含有率のムラも生じにくいという特徴があります。
2. 熱可塑性樹脂
樹脂自体の粘度が高いため、溶媒に樹脂を溶解させて含侵させ溶媒を乾燥する方法や、樹脂を細かく粉砕して繊維や織物に振り掛けてヒートプレスする方法があります。
参考文献
https://www.torayca.com/lineup/product/pro_003.html
https://www.kurimoto.co.jp/composite/cfrp/
https://tip-composite.com/products/gfrp/
https://www.cybernet.co.jp/ansys/case/analysis/333.html
https://www.jstage.jst.go.jp/article/sosei/53/613/53_613_145/_pdf
https://www.nikkan.co.jp/articles/view/00434255?mftokyo2017web=0705