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

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1 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

2 1.CFRP 概要 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 年代ごとの炭素繊維使用状況 東レ技術資料より炭素繊維の需要は年々高まってきている

3 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 東レ技術資料より BMW i3 FC スタックプレート CFRP ボディ BMW HP より

4 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 ) CFRTP 製品の展開先 自動車 BMW HP より LORD Corporation 資料より 航空機 医療

5 2. 開発の背景 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 被 開発当初 (CFRTP 製造までの流れ ) 製織 炭素繊維 カバリング糸 成形 織物基材 炭素繊維をナイロン糸で巻きつけてカバリング 開発協力 : 尾張繊維技術センター三河繊維技術センター CFRTP

6 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 繊維束の中まで樹脂が含浸しにくい ナイロン糸 炭素繊維 (3K) カハ リンク の工程で炭素繊維束が丸くなる 成形 成形不良になりやすい

7 カバリング糸の断面 炭素繊維 ナイロン糸 炭素繊維が丸く ( 太く ) なっている 改良案 薄いため中まで樹脂が含浸しやすい フィルム or 不織布 成形 炭素繊維束 (3K) 炭素繊維束が薄い状態でカバリング 含浸性良好

8 3. 育成試験内容 開発 1~ フィルムタイフ ~ 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 フィルムタイフ 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 mm 180 mm 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

9 CFRTP の成形方法 CF 織物 金型へ投入 冷却 熱可塑性樹脂 熱フ レス成形 成形品 成形工程は比較的シンプル 開発 2~ 不織布タイフ ~ マトリックス樹脂 :6 ナイロン不織布 ( 目付 :25g/ m2 ) 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

10 不織布タイフ 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 mm 180 mm 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 ) 炭素繊維 フィルム 炭素繊維は薄くつぶれている

11 糸の断面観察 ( 不織布タイフ ) 不織布 炭素繊維 炭素繊維は丸くなっている 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?

12 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 改良検討に使用した織機 試作 : 三河繊維技術センター 調整点その 1 ホ リウレタンフォーム タテ糸とポリウレタンフォームを同時に巻き付ける

13 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

14 4. 結果 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 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

15 糸の断面観察 ( フィルムタイフ ) フィルム 炭素繊維 炭素繊維は薄くつぶれている フィルム 炭素繊維 フィルム 炭素繊維 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

16 糸の断面観察 ( 不織布タイフ ) 炭素繊維 不織布 織機調整前よりも薄くなった 炭素繊維のつぶれ方 = 扁平率として数値化炭素繊維 a b 扁平率 = 1-a/b 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

17 各種織物基材から糸を抽出 断面形状から扁平率を計算 織機調整後調整前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 CFRTP 成形検討 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 mm 300 mm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 200tf ホットプレス あいち産業科学技術総合センター HP より

18 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

19 CFRTP の評価 ( ベンチマーク含む ) 評価方法 1 Vf( 繊維体積含有率 ) の測定 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 Vf の測定方法 試作した CFRTP の密度 ρ CFRTP を測定し既知の炭素繊維密度 ρ CF と樹脂密度 ρ 樹脂から算出 ρ CFRTP =ρ CF Vf+ρ 樹脂 (1-Vf) 密度計 ( 気相置換法 )

20 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 評価結果 他社品 CFRTP シート材 ( 使用樹脂 :PA66) と比較 Vf[%] フィルムタイプ不織布タイプ他社品 点曲げ試験 曲げ応力 [MPa] 曲げ弾性率 [MPa] 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

21 曲げ応力の比較 フィルムタイプ不織布タイプ他社製品 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 CFRTP の観察 (SEM 1000 倍画像 ) 曲げ試験後の破断面観察 フィルムタイプ 他社品 不織布タイプ カバリング糸

22 断面観察 50μm 10μm フィルムタイプ μm 10μm 不織布タイプ φ10μm 以下の空隙が一部存在 5. まとめ 織機調整前 織機調整後 カバリング糸 まとめ 炭素繊維の扁平率 織り基材 製織性 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 CFRTP 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

23 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

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