PAN系炭素繊維の現状と将来
2016.02.23
MITSUBISHI RAYON Co., Ltd.
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本日のご説明内容
１．PAN系炭素繊維について
２．製造方法①原料繊維（プレカーサー）②炭素繊維

３．炭素繊維の需要動向
①風⼒発電
②⾃動⾞
③圧⼒容器

４．炭素繊維のリサイクル2

PAN系炭素繊維について

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炭素繊維の歴史
1848 スワンが⽊綿糸を焼成し⽩熱電球に利⽤
1880 エジソンが竹を炭化して⽩熱電球の芯に実⽤
1961 工技院大阪工試の進藤博士がＰＡＮ系ＣＦを発明
1963 群馬大の大谷教授がピッチ系炭素繊維を発明
1965 ＵＣＣ（米国）がレーヨン系炭素繊維を工業化
1970年代〜 ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系ＣＦを各社が工業化
1969 コートルズ（英国）1971 東レ
1972 ハーキュレス（米国）1973 東邦レーヨン（現東邦テナックス）
1983 三菱レイヨン

1997-1999 各社⽣産能⼒の活発な増強
2000- 産業⽤途を中心に新規⽤途開発が顕在化
現在、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）系とピッチ系の炭素繊維に集約
出発原料；
難⿊鉛化材料のＰＡＮ → ⾼強度領域
易⿊鉛化材料のピッチ → ⾼弾性領域
⽤途市場において差別化され注目素材として発展してきた4

炭素繊維の炭素繊維の特徴（特徴（外観形状）
外観形状）
直径5〜8ミクロンの細いフィラメントの集合束単繊維（SEM写真）＊PAN系汎⽤ｸﾞﾚｰﾄﾞ

⾐料⽤繊維（３デニール）

髪の毛

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炭素繊維の炭素繊維の特徴（特徴（構成成分）構成成分）

95%炭素よりなる素材（汎⽤グレード）

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炭素繊維
炭素繊維の繊維の特徴（特徴（機械的特性）
機械的特性）

炭素繊維は⾼い比強度、比弾性率を有する材料である
比強度、比弾性； 各特性を密度で除したもの

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炭素繊維複合材料の炭素繊維複合材料の機械特性

一方向積層材

擬似等方積層材
・⾦属材料と比較して、優れた性能を有する・繊維方向による異方性が顕著に存在する成形品において目的とする性能発現のために、繊維配向を最適化した設計が施される
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炭素繊維と他繊維の物性比較
他繊維と比較して⾼強度、⾼弾性
PAN based carbon fiberHigh Strength Grade
PAN based carbon fiberHigh Modulus Grade

Glass Fiber

Aramid Fiber

Pitch based carbon fiber

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各種高機能繊維の各種高機能繊維の物性と物性と用途例

Boeing様
様HPより
より
三菱重工様
HPより
より

↑←ヨネックス
ヨネックス様ヨネックス様
HPよりより提供：
提供：宇宙航空研究開発機構(JAXA)
ﾔﾝﾏｰ様
より
ﾔﾝﾏｰ様HPより

PAN系炭素繊維

ガラス繊維

A courtesy of Crompton Technology Group Ltd.

アラミド繊維↑←東東レﾃﾞｭﾎﾟﾝ様
レﾃﾞｭﾎﾟﾝ様HPよりよりメソフェーズピッチ系炭素繊維

等方性ピッチ系炭素繊維←大阪
大阪ガスケミカル
大阪ガスケミカル様ガスケミカル様
HPより
より

平田機工様HPより
平田機工様 より

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ポリマーとドープ

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紡 糸

ドープ
ノズル
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せんい②炭素繊維

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PAN系炭素系炭素繊維
系炭素繊維の繊維の製造工程
製造工程（工程（焼成）焼成）

プレカーサー

耐炎化(オーブン)
200〜300ºC
空気中

サイジング

炭素化

300〜2,500ºC
窒素中

乾燥
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表⾯処理

巻き取り

焼成工程での焼成工程での化学構造変化
での化学構造変化
原料アクリル繊維
耐炎化繊維

ＣＮ基の環化と酸化反応
不燃で剛直なラダー構造の形成
－HCN

炭素化繊維
環状分子の連結－N2

擬グラファイト積層構造の形成
複合材料をつくる
複合材料をつくる 高分子加工 One Point 高久明／
高久明／多田尚
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炭素化収率
理論収率
理論収率
PAN（（C3H3N））から、から、窒素及び窒素及び水素原子のみが水素原子のみが離脱のみが離脱する
離脱する
→ 68%
全ての窒素原子ての窒素原子がシアンガスとして窒素原子がシアンガスとして消失がシアンガスとして消失する
消失する場合する場合→ 59%

実際の実際の工業化での工業化での収率
での収率→ 50～～55%18炭素繊維構造；
炭素繊維構造； グラファイト構造
グラファイト構造
炭素繊維の構造モデル

乱層⿊鉛構造⿊鉛結晶構造炭素繊維は、⿊鉛結晶と乱層⿊鉛の混合構造を有している

⿊鉛の弾性率；
炭素網⾯に平⾏；1060GPa
炭素網⾯に垂直； 36.5GPa（van der Waals ⼒）①不規則な格子構造②大きな層間隔③Ｃ原子の⽋落

炭素繊維の強度： ⽋陥点⽀配の脆性材料。
理論⿊鉛結晶強度（網⾯方向）180GPa→PAN系CF最⾼強度7GPa 4%にも至らず。

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炭素繊維の炭素繊維の構造モデル
構造モデル
⾼強度タイプ（汎⽤グレード）

⾼弾性タイプ

Guigon, M., Oberlin, A. and Desarmot, G., Fiber Science and Technology, 20 55(1984)

小さい結晶サイズ
不完全な結晶構造（乱層⿊鉛）
低結晶配向

大きい結晶サイズ
⿊鉛結晶の発達と⾼配向化
スキンーコア構造の形成
20高温焼成による高温焼成によるＣＦによるＣＦ特性
ＣＦ特性と特性と内部構造の内部構造の変化

Longitudinaldirection

構造パラメーター
構造パラメーター
炭素化温度の上昇に伴い、弾性率は増加

La:繊維軸向きの大きさ
Lc:層厚さLc: PAN系は2000℃以上で成⻑加速

La:焼成温度の上昇に伴いゆっくりと成⻑

ピッチ系は⿊鉛結晶の成⻑が容易
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炭素繊維はどんな形で使われるか樹脂との複合材料（CFRP、CFRTP）の形で使われる。
CFR(T)P=carbon fiber reinforced (thermo)plastics

最も普及している成形方法⇒“プリプレグ”を⽤いる方法
プリプレグとは？

⇒炭素繊維を幅方向に薄く均一に配列したシートや織物に熱硬化樹脂を予め含侵させた中間製品目的の型に固定した後、熱処理を施して硬化させる。

主なマトリックス樹脂

熱硬化性樹脂熱可塑性樹脂エポキシ、不飽和ポリエステル、フェノール
ポリアミド、ポリカーボネート、ＡＢＳ、ＰＢＴ、ポリイミド
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炭素繊維の需要動向

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PAN系炭素繊維
系炭素繊維の系炭素繊維の需要予測（三菱レイヨン推定。単位：トン/年）
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産業用途の産業用途の需要予測（三菱レイヨン推定。単位：トン/年）

27①風力発電への適用

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風力発電の風力発電の需要予測
需要予測

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ブレードサイズの大型化
ブレードサイズの大型化とコンポジットブレード
大型化とコンポジットブレード
洋上大型
風⼒タービン領域

ブレード軽量化の重要性アップ
建設コスト
発電効率
移送・設置
浮体式は特に重要
GWEA 2011

炭素繊維コンポジットを⽤いた
ブレード

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風車ブレード
風車ブレード心臓部
ブレード心臓部 – Spar Cap 炭素繊維・コンポジットSpar Capは⻑大ブレード、⾼効率発電、洋上発電実現のキーテクノロジー

Spar Cap

ブレードの両⾯を⽀える
強靭な骨格として機能

31②自動車部材への適用

32自動車用途：
自動車用途：自動車業界を自動車業界を取巻く
取巻く環境
各国・地域の排ガスＣＯ2（燃費）規制
例：プリウスタイプ（フルハイブリッド）
89 g-co2/km(日本 JC08燃費 32.6km/l)

2010 → 2025
年率 4.7%削減

13070

2009 → 20202010 → 2020 2020 → 2025
年率 2.0%削減
年率 3.9%削減 年率 5.9%削減

EU 2025:70 ●33

自動車LCA「炭素繊維協会モデルモデル」」
自動車
炭素繊維協会モデル
自動車用途：：自動車業界をを取巻く
く環境
自動車用途
自動車業界
取巻
Life cycle assessment
炭素繊維協会資料

34車体軽量化による削減
車体軽量化によるCO2削減
による

炭素繊維協会資料
35③圧力容器への適用

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圧力容器
圧力容器の容器の種類
ガス貯蔵量/重量比（タイプⅠを基準とする）- タイプ Ⅰ
⾦属容器
（鉄製およびアルミ製）

- タイプ II
⾦属ライナー＋繊維補強
繊維補強は周方向のみ

- タイプ III
⾦属ライナー（アルミ）
繊維補強：フルラップ

アルミ/GF: 2.3



樹脂/CF/GF: 4.0

鉄 1.0

鉄/GF: 1.7
 アルミ/GF: 2.1- タイプ IV
プラスチックライナー
繊維補強：フルラップ

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圧力容器
 圧⼒容器⽤途は炭素繊維の基本物性（引張強度）を最大限に活⽤できる⽤途
 2014年の圧⼒容器⽤途での炭素繊維の消費量は欧米を中心に4,500T
 天然ガス⾃動⾞開発加速や中小ガス田からの近中距離陸上運搬⽤コンポジット
タンク需要が増加
圧⼒Service Pressure, MPa
102 liter

2030405060

ﾍﾟｲﾝﾄﾎﾞｰﾙ
酸素呼吸器
SCBA

9 liter

燃料電池⾞⽤⽔素ﾀﾝｸ
30 liter

容量400liter

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天然ガス⾞
passenger car
bus
truck
bulk transportation

portable device
passenger car
Bus
Truck
Bulk transportation
Stationary storage

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圧力容器
圧力容器の容器の製造工程
製造工程とその工程とその評価とその評価
フィラメントワインディング法

バーストテスト

ＣＦボビン
ＣＦボビン

炭素繊維のリサイクル40

CFリサイクルのCFリサイクルの歴史
リサイクルの歴史
１．2000年以前

1) 炭素繊維協会CFRP廃材埋⽴て推奨
2) ⾼炉でCFRP廃材処理可能確認

２．2000年以降

マテリアルリサイクルの検討開始
・熱分解、化学分解、超臨界分解⇒熱分解が主流
・米国AFRA、欧州PAMELA等リサイクルコンソーシアム
・炭素繊維協会(2008年) パイロットプラント建設

３．2015~１）炭素繊維協会パイロットプラント検討終了→各社独自の検討へ

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41リサイクル実証
リサイクル実証プラント
実証プラント レイアウト

●福岡

●福岡

炭素繊維屑
主要発生地域

●大牟田

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大牟田

設置場所 ：福岡県大牟田市
敷地⾯積 ：７,５００ｍ2
工場⾯積 ：１,０００ｍ2
処理能⼒ ：７００トン／年

42リサイクルCF
リサイクルCFのCFの適用例
廃ｺﾝﾎﾟｼﾞｯﾄ/
廃ﾌﾟﾘﾌﾟﾚｸﾞ

中間製品

ﾘｻｲｸﾙＣＦ

カット
リサイクル
廃ｺﾝﾎﾟｼﾞｯﾄ （破砕,切断 ファイバー
樹脂除去）

不織布
カード
ＳＭＣ
ｺﾝﾊﾟｳﾝﾄﾞ

ｽﾀﾝﾊﾟﾌﾞﾙｼｰﾄ

チョップド
ファイバー
ＳＭＣ中間材

廃ﾌﾟﾘﾌﾟﾚｸﾞ
ミルド
ファイバー

CFペレット
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成型品

耐熱マット
ﾌﾟﾚｽ成型
射出成型
シート/フロア

リブボス品