技術論文

炭素繊維強化ふっ素樹脂
複合材料の開発
研究開発部 メンブレン開発グループ

野口 勝通
Products made with fluoropolymer resins have exceptional resistance to high temperatures, chemical
reaction, and are absolutely necessary for chemical applications, such as chemical plants. But its high coefficient of thermal expansion and its weak strength at high temperature make it difficult for applications at highertemperatures or large-sized applications. We developed carbonfiber-fluoropolymer composites (CFC) withfour times this strength and one-fifth of the coefficient of thermal expansion. It also has low electrical resistivity
to resolve PTFE charge-up issues. We are now developing a new arbitrary shape forming method.

Summer 2011

Keywords :fluoropolymer, carbonfiber, composites, heat resistance, chemical resistance

1. はじめに
半導体関連産業や化学、製薬プラント関連などにおいて

2. 構成、特徴
２-１）構成No.21

は、近年の技術進歩の中、特に耐熱、耐薬品性をはじめとしマトリックス母材としては、PTFE材料からの置き換えが可た各種特性が求められる部材や部品などの特殊な用途に関能な耐薬品性、高耐熱特性を有し、更には炭素繊維とのなし、従来多く用いられてきたポリテトラフルオロエチレン（以下じみが良好なPFAを選択した。また、ここで用いる炭素繊維

PTFE）、ペルフルオロアルコキシふっ素樹脂（以下PFA）をは、機械強度、クリーン度に優れたPAN系炭素繊維とした。

代表とするふっ素樹脂材料の各種耐熱性樹脂の強度不足、最終成型体の構造は、10mm程度の炭素繊維が、2次元非熱膨張対策他、一部の特性で大きな問題が生じてきている。

配向に配置され、それが積層されたものが、PFA中に存在

これらの問題に対し、従来は形状の変更、厚肉化、金属なしている、との状態と表現できる。参考までに、成型体のどの補強材の導入などで対応してきたものの、高コスト、重量平面部の写真をFig.1に示す。なお、用いる炭素繊維は、組増、薬液への溶出などの様々な使用上の問題を生じ、広く普成物中約5〜30重量%を占める。

及していない。
そこで、ふっ素樹脂の特徴である耐薬品性、高耐熱特性を維持しつつ高強度化、低線膨張率化を実現すべく、炭素繊維複合強化ふっ素樹脂（以下CFC）を開発したのでここに紹介する。尚、
このCFCは、この材料が有する以下に述べる
様々な特徴から、上述以外の分野でも、例えば高温シール材、摺動材、緩衝材などへの展開の可能性が考えられる。

Fig.1 ＣＦＣ平面構造（×２００）

2炭素繊維強化ふっ素樹脂複合材料の開発

Table1.ＣＦＣ物性表
項目単位

引っ張り強さ曲げ弾性率

Fig.2 ＣＦＣ外観（板材200mm×200mm×5mmｔ）

MPa
MPa

規格

VQ CFC
（実測値）

PTFE

PFA

D638

12013027-34

24.5-34

D790

930010300

550660-690

162177

曲げ強度

MPa

D790

体積抵抗Ω㎝

D257

101>1018>1018

表面抵抗

Ω

D257

101>1018>1018

熱膨張係数

10-5/C

D696

21012

熱変形温度℃

1.8MPa

260

5550

吸水率％

D570

0.02

<0.01<0.03

D792

2.02

2.14-2.2

2.12-2.17

比重２-2）成型方法
10mm程度に裁断されたPFAと炭素繊維を水中で分散攪拌した後、それらを堆積させ、任意量積層したものを所望の金型中で加熱圧縮する手法を用いた。

Summer 2011２-３）成型体の特徴
ここで得られたCFC成型体の主な物理特性をTable1、Fig.3〜Fig.5に示す。
①耐薬品性
CFC成型体は、その材料特性から、ほぼ全ての薬品にFig.3 各種高機能樹脂との特性比較（引張り強さ）対して優れた耐薬品性を発揮する。

No.21

②耐熱性
熱変形温度が260℃と、PTFEやPFAと比較し高い耐熱性を有する。
③機械強度
PTFE、PFAに対して、約4倍の機械強度を有する。
④線膨張
PTFE、PFAに対して、線膨張率は約1/5である。
⑤帯電防止
カーボンファイバーの導電性に由来する、帯電防止効果を有する。

Fig.4 各種高機能樹脂との特性比較（曲げ強度）⑥その他
PFA材料由来の耐候性、低摩擦率、撥水性を有する。
たためと考える。

２-４）本開発CFC成型品のポイント
本開発品は、前述のとおり、既存のふっ素樹脂に比べて従来の充填材入りふっ素樹脂の中でも、特に成分構成として近いものは、「充填材入りPFA」になるが、この特性とのも、勝るとも劣らぬ各種特性を有する。またFig.6に示すよう違いは、まさしく炭素繊維の長さが関わっていると考えることに、充填材入りふっ素樹脂材入り製品と比較しても、例えばができる。

引張強度で圧倒的な優位性を持つことがわかる。これは、そこで、炭素繊維長さと引張強度の関係を見たグラフを従来の充填材入りふっ素樹脂が短い炭素繊維を混ぜていFig.7に示す。このグラフから、5mm以上の炭素繊維を使用

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技術論文

熱変形温度比較中心に開発を進めている。しかし、今後の製法の新たな開発や、用途によっては、コスト的に優位性のあるピッチ系のCFCも十分可能性はあると考える。
今回用いている長い繊維による特性改善効果としては、機械強度以外に、クリープ特性や熱膨張係数の低減などがある。Fig.8に圧縮クリープの一例を示す。この結果からわかるように、一 般 的な充 填 材 入りPTFE（2TO、25%GF入りPTFE）が、含有率60%としても大きな変形が避けられないのに対し、CFCは3%程度と安定している。このような、高温

Fig.5 各種高機能樹脂との特性比較（熱変形温度）域で変形の少ない材料は、いままでになく、長い繊維が均一圧縮歪み［%］分散することの効果と考えられる。

Fig.6 充填材入りふっ素樹脂との比較

長さ依存3. 使用用途
３-１）半導体関連産業や化学、製薬プラント関連用
途

引っ張り強度（MPa）

現在の各種PTFE加工品の代替品として、更なる機械強度向上、薄肉化による軽量化、帯電防止効果の付与などが期待できる。

３-２）その他一般産業機器部品や部材関連
耐熱シール材、耐熱強度部品、摺動部材、耐熱トレイ、炭素繊維長さ（mm）

耐薬液容器、その他精密加工部品など。

Fig.7 炭素繊維長さと引張強度の関係

4. おわりにすることで、引張強度で代表される機械強度の向上が可能になることがわかる。ただ、すべてのふっ素樹脂材料で効果

今回、紹介したCFCは、PTFE、PFAなどのふっ素樹脂が発現するわけではなく、現在のところPTFEと炭素繊維とが有する特性を必要とする耐熱、耐薬品性が求められる使の組み合わせでは、強度の向上傾向は発現できていない。

用環境で、より機械的特性を必要とする用途には、最適な

これは、おそらく炭素繊維と樹脂との密着性などが、起因して材料である。

いるものと考えられるが、詳細については現在解明中である。
一方、炭素繊維は、一般にPAN系と、ピッチ系が知られており、CFCに関しては、どちらでも成型可能であるが、機今後は、各種任意形状での成型を可能にすることによって、ユーザーニーズにマッチした製品を適切に提供できるように更なる技術展開を行なっていく予定である。

械強度や本開発目的となるクリーン度の観点から、PAN系のほうが適していると考えられることから、現在はPAN系を
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Fig.8 圧縮クリープ評価

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