FRP樹脂とは
FRP樹脂とは、繊維強化プラスチック (英: Fiber Reinforced Plastics) のことです。
エポキシ樹脂などのマトリックス樹脂にガラス繊維などの強化材を混ぜて作られており、軽くて強い素材として幅広く用いられています。FRP樹脂は航空機などの輸送機の部品や建材、スポーツ用品、更にはロケットや人工衛星の部品などの宇宙産業でも用いられます。
FRP樹脂は用いるマトリックス樹脂、強化材によって物性が異なります。そのため、使用用途によって最適なFRP樹脂を選択することが大切です。
FRP樹脂の使用用途
FRP樹脂は、航空機などの輸送器の部品や薬品を貯蔵するタンク、建材やスポーツ用具、更にはロケットや人工衛星の部品に使用されています。
FRP樹脂は、加えられた強化材によって異なる名称で呼ばれ、それぞれ特徴も異なります。ガラス繊維が入ったFRP樹脂はGFRPです。
GFRPは金属材料よりも大きな比強度を有し、軽い材料で、ガラスが入っているため非伝導性材料です。一方で、炭素繊維が入ったCFRPはGFRPよりも強度、硬度が優れていますが電気を通します。ただし、どのFRP樹脂でも軽くて強いという性質は共通しています。
FRP樹脂の構造
図1. FRP樹脂の構造
FRP樹脂はマトリックス樹脂と強化材から構成されます。マトリックス樹脂には不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂などが用いられます。
それぞれ化学構造が異なるため特徴も異なり、不飽和ポリエステル樹脂は成形が容易であること、耐水性に優れていることなどが利点です。また、ハロゲンを含ませると、耐燃性も付与することができます。
エポキシ樹脂は耐酸、アルカリ性に優れるほか、耐薬品性にも優れますが成形性に難があります。ビニルエステル樹脂は成形が容易で機械的強度に優れ、ビスA型系は耐溶剤性に劣るものの耐酸、アルカリ性に優れ、ノボラック系は耐酸化性に劣るものの耐溶剤、耐熱性に優れます。
FRP樹脂の種類
表1. FRP樹脂の種類
FRP樹脂の強化剤としてはガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維などが用いられます。ガラス繊維が用いられたGFRPは金属よりも優れた比強度を示し、非伝導性、比較的安価、といった特徴があります。
一方、炭素繊維が用いられたCFRPはGFRPよりも高強度で軽く、硬度も優れていますが導電性を有します。また、アラミド繊維が用いられたAFRPは軽くて高強度ですが加工性があまり優れていません。
それぞれの強化材は化学構造が異なるため、耐食性も大きく異なります。用いられるガラス繊維のグレードが変わることでGFRPの性質も変化し、FRP樹脂に最もよく用いられるEガラスはアルカリ金属の含有量が非常に少なく耐水性に優れますが、強酸と接触するとAl, Caなどの成分が溶出してクラックを生じやすくなります。
一方で、炭素繊維は強い酸化性薬品には侵されますが、殆どの環境では問題なく使用可能です。また、アラミド繊維はアミド結合を有するためアルカリ性薬品と接触すると加水分解を起こしやすく、紫外線によっても劣化しやすいという特徴があります。
FRP樹脂のその他情報
FRP樹脂の加工性
表2. FRP樹脂の加工性
炭素繊維のFRP樹脂 (CFRP) では、炭素繊維に液状の熱硬化エポキシ樹脂を浸透させ、半硬化したシートを切り出し、オートクレーブで加圧・熱硬化することで成形します。しかし、上記の手法は繊維にマトリックス樹脂を浸透させる必要があるため、粘性が高い熱可塑性樹脂に適用することは困難です。
一方で、熱可塑性樹脂を用いたCFRPの成形法は今も研究されており、例えばプレス成形が検討されています。熱可塑性樹脂を含んだ炭素繊維を加熱、搬送して金型でプレスを行った後に冷却、切断して加工する方法です。
しかし、本手法では強度が大きいCFRPをきれいに、刃の摩耗なく切断する方法が必要であるなどの課題が残っています。
参考文献
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jscm1975/33/4/33_4_131/_pdf/-char/ja
https://www.jstage.jst.go.jp/article/plastos/1/1/1_44/_pdf/-char/ja