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1 東京第 10 回 JST/CIC 東京 新技術説明会 天然繊維強化複合材料の 新 VaRTM 成形技術 山口大学大学院理工学研究科 准教授野田淳二 1/22

2 研究背景 繊維強化複合材料 (FRP) 約 100µm 強化繊維 高分子材料シート 高比強度 高比剛性 耐食性 設計性 ( 異方性 ) FRP 複合材料の機械的特性 比強度高 高強度 CFRP( 炭素繊維 ) 高弾性 CFRP( 炭素繊維 ) GFRP( ガラス繊維 ) 繊維を樹脂で成形した繊維強化複合材料は, 省資源 省エネルギーの観点から, 航空宇宙分野, 船舶分野, スポーツ分野, エネルギー分野, 自動車分野など, 多くの分野で本格的適用が進められている. 低 チタンスチールアルミニウム 低 比弾性 高 長繊維プリプレグ積層材, 平織積層材, マットプレス材, 短繊維強化射出成形品等, さまざまな形態で種々の用途に応じて設計され利用されている.

3 研究背景 天然繊維強化複合材料 ( グリーンコンポジット ) 現在 地球規模での資源循環型社会の構築が進められる中 複合材料分野においても使用後の廃棄方法やリサイクル方法の確立に向けた取り組みが活発に行われている. 3/22 人工繊維 + 熱硬化性樹脂 熱可塑性樹脂天然繊維 + 生分解性樹脂 自動車ドアパネル ( 内装材 ) GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastics) リサイクル時常圧溶解法, 熱分解法など 廃棄が困難 GC (Green Composites) リサイクル時加熱を行い軟化させ再成形させるため, 繊維と樹脂との分離を必要としない. 廃棄時焼却しても, カーボンニュートラルのため, 環境負荷が小さい. 環境に優しい複合材料

4 研究背景 VaRTM 成形技術 VaRTM(Vacuum assisted Resin Transfer Molding : 真空含侵工法 ) FRP の成形方法の 1 つ 大がかりな設備が不要 大型構造部材の一体成形が容易 ボイド ( 気泡 ) 含有率が低い などの特徴があり, 様々な分野で実用化されている. VaRTM による FRP 風車ブレードの製造工程 4/22 VaRTM による自動車のフロントスポイラーの製造

5 本研究の動機と目的 環境親和型材料に対する社会的ニーズ 高強度 高剛性化 複雑形状部材の一体設計 グリーンコンポジット長繊維利用 ( 撚糸形態 ) VaRTM 成形 衣服用の織布を麻等の天然繊維から紡織するには, よりを加えて撚 ( ねん ) 糸を作成することで, 長繊維を紡ぎ出すことができる. 複合材料力学の観点からは, 樹脂中の繊維は長繊維化するほど, 強度 剛性が向上することから, グリーンコンポジットの強化繊維は撚糸形態を利用することが重要である. TPI=1.5 TPI=3.5 10mm 麻 ( ラミー麻 ) 単繊維 撚糸の特性 単糸の本数 撚り数 (TPI: Twist per inch) 番手, テックス, デニール より方法 撚り糸 TPI=6.5 天然ねん糸強化複合材料の VaRTM 成形およびその機械的特性の調査を行い, 撚糸の撚り数が含浸特性および成形体の機械的特性に及ぼす影響を明らかにした. また, 含浸特性に着目した新たな天然繊維撚糸強化複合材料の VaRTM 成形法を考案した.

6 本技術の特徴 繊維強化複合材料 従来法ガラス繊維強化熱硬化樹脂 1 炭素繊維強化熱硬化樹脂 1 成形法 圧縮成形射出成形 VaRTM など 本研究開発天然繊維強化熱硬化樹脂 2 新 VaRTM 1 石油由来エポキシ等 2 バイオマス由来エポキシ等 従来材料 技術とその問題点 ガラス繊維強化複合材料 (GFRP) や炭素繊維強化複合材料 (CFRP) は, 高比剛性 高比強度を有するため, 先進材料として期待されているが, 枯渇する石油由来の材料であるばかりでなく, 廃棄法が未確立のため, 環境負荷が大きい. そこで, 天然繊維とバイオマス由来樹脂の複合材料 (GC) は, カーボンニュートラルを実現する環境親和材料であることから, その利用が期待され, 高剛性 高強度 高材料品質な GC の成形法の確立が望まれている. 本技術は, 天然繊維の撚りに着目した新 VaRTM 成形技術を提案するものである. 6/22

7 材料 ~ 天然繊維 ~ 繊維 ラミー単糸 (16 番手トスコ ) 5 本撚りの撚糸を手動で作成した. 手動撚り機 ( 山口大学製 ) TPI=1.5 TPI=3.5 TPI=6.5 撚り数 (TPI:Twist Per Inch) TPI=1.5,TPI=3.5,TPI=6.5,TPI=9.5 7/20 7/22

8 母材 ( 樹脂 ) 主剤 エポキシ化大豆油アクリレート 硬化剤 AESO 樹脂 (EBECRYL 860) ( 株 ) ダイセル サイテック社製 中性脂肪からなる大豆油をエポキシ化した後 アクリル酸と反応させ これをラジカル重合させることで得られる 粘性 : 25000[mPa s] (25 ) ペルオキシ安息香酸 t- ブチル ( 株 ) 和光純薬工業社製 希釈剤 スチレンモノマー ( 和光純薬工業 ) 混合比率 主剤 : 硬化剤 : 希釈剤 = 100 : 1.5 : 15 静岡大学島村らの結果より 6/20 8/22

9 VaRTM の成形部 Sealant tape Hose Vacuum entrance Peel ply Twisted Yarn of Ramie Medium Coiled Teflon sheet wire mesh Resin injection port Bagging film 9/22 Stainless plate

10 VaRTM 成形 主剤, 硬化剤, 希釈剤を 100 : 1.5 : 15 の割合で混合する 真空室で樹脂内部の気泡を除去する VaRTM 成形により試験片の形に配置した撚糸に樹脂を含浸させる ( 試験片 1 本につき撚糸 12 本 ) TPI=1.5 の撚糸を用いた試験片 AR1.5 試験片以下同様に TPI=3.5 AR3.5 試験片 TPI=6.5 AR6.5 試験片 TPI=9.5 AR9.5 試験片なお, 樹脂のみの試験片は Neat 試験片と称す : Resin flow VaRTM 恒温乾燥機を用い 100 で 2 時間, 120 で 2 時間乾燥させ試験片を硬化させる 8/20 10/22

11 樹脂含浸特性 ~ 流動速度 ~ TPI=9.5 TPI=6.5 TPI=3.5 TPI=1.5 : Resin flow 撚り数が増加するほど樹脂含浸速度が速くなることがわかった. これは, 撚り数の増加に伴い単糸間隔が狭まるため, 樹脂の毛管圧が増加して樹脂流動を増加させる為である. P cap = 2γ cosθ r i γ : resin surface tension θ : contact angle r i : capillary radius 11/22

12 Permeabilityの導出 Pillai (1), Schell (2) らによれば, 樹脂含浸の入口と出口で高い圧力差を設けて行う樹脂含浸成形では, 繊維束間の樹脂流れの速度は, 繊維束内の樹脂流れの速度より速くなるが, 真空圧と大気圧差を利用したVaRTMなどの低い圧力差 (0.1MPa/m) を用いた成形方法では, 繊維束間の樹脂流れの速度は, 繊維束内の樹脂流れの速度より遅くなることが報告されている. 本研究の樹脂流れは繊維束内の樹脂流れで考察する必要がある 本実験で得られた材料系での, 毛管圧 (P cap : capillary pressure) は以下の式で表される. 2γ cosθ Pcap = r i 本実験では, 繊維束内の樹脂流れ速度は, 繊維束間の樹脂流れ速度よりも速い. 繊維束内の樹脂流れ速度は,Darcy 則より, vµ l Ki = p + P cap capillary radius [ 10-6 m] resin surface tension [N/m] contact angle [ ] resin viscosity [Pa s] pressure difference [Pa] r 1.5 r 3.5 r 6.5 r 9.5 γ θ μ p l gage length [m] (1)Babu BZ,Pillai KM, Experimental investigation of the effect of fibermat architecture on the unsaturated flow in liquid composite molding,j ccompos Mater 38(2004),57-79 (2)J.S.U.Schell,M.Deleglise,C.Binetruy,P.Krawczak,P.Ermanni, Numerical prediction and experimental characterisation of meso-scale voids in liquid composite moulding,composites Part A 38(2007),

13 断面観察結果 AR1.5 AR1.5 AR3.5 AR µm AR6.5 20µm 20µm AR µm 20µm 20µm 12/20 13/22 すべての TPI において ボイドは観察されなかった 撚り糸を用いた本 VaRTM 成形技術は グリーンコンポジットの成形に有用である

14 引張試験方法 試験片 引張試験機 AR3.5 Neat 試験片寸法 GFRP tab オートグラフ IS-5000 ( 島津製作所 ) 試験条件 大気環境下 室温 引張速度 1mm/min ひずみゲージ法 試験片本数 :5 本 9/20 14/22

15 引張試験結果 TPI の減少に伴い 引張強度とヤング率は増加する これは 低い TPI をもつ撚糸は 撚糸表面の撚り角が大きいため 荷重負担能が高いことに由来する TPI=1.5 TPI=3.5 TPI=6.5 Volume fraction Tensile strength Young's modulus Fracture strain [%] [MPa] [GPa] [%] Neat AR AR AR AR /20 15/22

16 新 VaRTM 成形法の提案 1~ 樹脂含浸速度制御 ~ グリーンコンポジットの実構造部材を VaRTM で成形する場合を想定すると 角や湾曲部 窓部などの構造の枝分かれや合流点が存在する複雑な立体の成形も一体成形で行うことができると経済的である しかし そのような箇所では 樹脂流動経路が複雑になるため 樹脂含浸が一定には行われず 気泡などが残り 構造的な欠陥となりうる TPI の異なる撚糸を用いて樹脂含浸速度を制御した新しい VaRTM 成形法を提案する 角を曲がっている部分 TPI=1.5 を 12 本 外側 経路が長い内側 経路が短い 図の上部の経路内側の樹脂流動速度が速い 図の下部の経路外側の樹脂流動速度が速い 13/20 16/22 Vacuum 内側から TPI= 各 3 本ずつ 5 分後 上回りの経路では外側の含浸が遅れているが, 下回りの経路では外側も含浸している

17 新 VaRTM 成形法の提案 1~ 樹脂含浸速度制御 ~ 上回りの経路 (TPI 本 ) では, 経路の短い内側を流れる速度が速い 下回りの経路 ( 内側から順に TPI1.5,3.5, 6.5,9.5 を 3 本づつ ) では,TPI による流動速度の速さに依存した樹脂流動が見られる 新 VaRTM 成形法のメリット 撚糸の撚り数を考慮して撚糸を配置することにより, 樹脂含浸速度を制御した樹脂未含浸部の少ない VaRTM 成形が可能である 14/20 17/22

18 新 VaRTM 成形法の提案 2~ 樹脂含浸速度制御 ~ グリーンコンポジットの実構造部材を VaRTM で成形する場合を想定すると 角や湾曲部 窓部などの構造の枝分かれや合流点が存在する複雑な立体の成形も一体成形で行うことができると経済的である しかし そのような箇所では 樹脂流動経路が複雑になるため 樹脂含浸が一定には行われず 気泡などが残り 構造的な欠陥となりうる TPI の大きい撚糸を追加して樹脂含浸を加速する新しい VaRTM 成形法を提案する TPI=1.5 を 12 本 上の経路樹脂流動促進経路無し 下の経路樹脂流動促進経路有り 5 分後 TPI=1.5 を 12 本の上に TPI=9.5 撚糸の樹脂流動促進経路を 2 本 30 分後 流動促進経路を配置した下の経路では流動速度が速くなっている 18/22

19 新 VaRTM 成形法の提案 2~ 樹脂含浸速度制御 ~ 5 分後 新 VaRTM 成形法のメリット 樹脂含浸経路が分岐したり合流するような構造の立体に対して 撚り数の大きな撚糸を追加することにより, 樹脂含浸を加速した樹脂未含浸部の少ない VaRTM 成形が可能である 19/22

20 本技術の特徴 ( まとめ ) 撚り数の異なる撚糸を強化材として VaRTM により天然繊維強化複合材料 (GC) の成形を行った. 成形した試験片の引張試験より, 撚り数が小さい撚糸ほど強度, ヤング率共に大幅に向上することがわかった. VaRTM 成形において, 撚りが多い撚糸ほど毛管圧が高くなり, 撚糸の撚り数が大きいほど樹脂の流動速度が速くなることがわかった. また, これを利用して樹脂含浸速度を制御した VaRTM 成形が可能であることを示した. 20/22

21 想定される用途と企業への期待 毛管圧の増加による樹脂流動速度の増加は公知の事実であることから, CFRP などの人工繊維を平織織布にして VaRTM 成形を行った自動車用ボンネットなどの単純形状の構造部材は既に実用化されている. ところが, 炭素繊維平織織布は織り機を用いて製織されるため, 平織織布の繊維束内の繊維間隔は, 織り機で一様な張力が負荷されるため任意に制御することは不可能である. すなわち, 毛管圧の制御は不可能であることから, VaRTM 成形において樹脂流動速度を制御することはできなかった. 本手法により, 撚り数で樹脂流動速度を制御した新 VaRTM 成形技術を用いれば, 撚糸織布を用いた複雑で肉厚な 3 次元構造部材の VaRTM による一体成形が可能になる. この撚り数は, 撚糸の作成段階で意図的に変えられるパラメーターであり, 撚糸の構造を設計者が変えて,VaRTM 成形に反映させることにより, 樹脂流動経路がさまざまで複雑な形状の部材に対して, 均一に樹脂を含浸させたボイドレスな構造物の成形が可能になる唯一の技術である. 想定される用途 企業への期待環境親和型材料の積極的な利用に挑戦する企業と共同研究を行いたい. 21/22 自動車用 2 次構造部材への天然繊維強化複合材料の適用 低比重 バイオマス由来を売りにしたスポーツ用品 エコフレンドリーを狙った PC 携帯電話等の筐体 平織

22 本技術に関する知的財産権およびお問い合わせ先 知的財産権 発明の名称 出願番号 出願人 発明者 : 撚糸強化複合材料の成形方法 : 特願 : 山口大学 : 野田淳二 お問い合わせ先 山口大学大学研究推進機構産学連携コーディネータ浜本俊一 山口県宇部市常盤台 TEL(0836) FAX(0836) hamamoto@crc.yamaguchi-u.ac.jp 22/22