＜第３３回複合材料セミナー＞

PAN系炭素繊維の現状と将来
２０20年２月２1日
東レ株式会社 複合材料事業本部
トレカ事業部門長
酒田 彰久

内容

１．炭素繊維の歴史
２．市場概況
３．トピックス（１）モビリティ（航空機）（２）モビリティ（自動車）（３）エネルギー（４）ライフクオリティ（スポーツ）（５）サステナビリティ
４．まとめ

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炭素繊維開発の歴史
1879 トーマスエジソンが電球のフィラメント用に木綿や竹を焼いて炭素繊維を製造。
1880 白熱電球の発熱体に適用。

1959 東レ 進藤博士とPAN系炭素繊維の共同研究を開始
1961 大阪工業試験所 進藤博士 PAN系炭素繊維の基本原理を発表
1963 群馬大学 大谷杉郎教授 ピッチ系炭素繊維の製造法を発表・特許化
1967 東レ PAN系炭素繊維の品質を飛躍的に向上させるアクリルポリマーを開発
1969 東レ 高性能PAN系炭素繊維の生産を可能にする焼成技術を開発
1971 東レ PAN系炭素繊維の商業生産を開始
1975 東レ T300が 世界で初めて航空機2次構造材（B737）に採用

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レギュラートウ／ラージトウの違い
レギュラートウラージトウ

定 ・炭素繊維用に専用設計された設備と義製造ノウハウにより製造された高性能炭素繊維・衣料用アクリルトウ設備転用
・簡易な焼成設備により製造された安価な炭素繊維特 ・24,000フィラメント以下
徴 ・欠陥制御、均一化などの高性能化配慮
・高コスト

・50,000フィラメント程度
・標準的な性能・低コスト“レギュラートウ”織物“ラ-ジトウ”織物

東レT700S-12K／330gsm

Zoltek(50K)／330gsm

形
態

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ボーイング７８７～従来機との比較～© Boeing

ボーイング７８７

部位

B767

B787

コンポジット化の効果

胴体

アルミ

コンポジット・耐腐食性向上－機内湿度アップ
・高強度－窓大型化、気圧アップ
・使用リベット数低減

主翼

アルミ

コンポジット・軽量化－燃費向上
・複雑形状化－空力特性向上

尾翼

アルミ

コンポジット・軽量化－燃費向上

動翼コンポジット

コンポジット－同サイズの７６７対比大幅にコンポジット化を実現
軽量化による燃費向上、機内環境向上を達成

ボーイング７６７

ボーイング７８７© Boeing

コンポジット 3%
鉄 10%

受注機数 ：1,403機（2018年10月現在）
以下、従来型767機との比較- 燃費 20%低減- CO2 約20%削減、NOx 約15%削減

チタン 6%

アルミ 77%

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熱可塑性コンポジットの特徴と利点


熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂の違い
熱硬化性樹脂熱可塑性樹脂加熱による挙動

加熱により硬化する（硬化後は、元に戻らない）

加熱により溶融する（加熱、冷却で元に戻る）

粘度

硬化前は低粘度（繊維に含浸しやすい）

高粘度（繊維に含浸しにくい）

CFRPでは繊維への含浸しやすさから熱硬化性樹脂が用いられてきたが、含浸技術や樹脂の進化により、熱可塑性樹脂の適用範囲が拡がってきた。

熱可塑コンポジットの利点
特徴

短時間成型が可能
プレス成形や射出成形が容易成型と接合を別々に行うことが可能（各パーツを成形後、接合することも可能）
再加熱により、再成形を行うことが可能
常温下で樹脂の熱変化が起きないため、常温保管可能
リサイクル化が図りやすい最終製品でのメリット
高ビルドレート生産に好適

ファスナーレス化が可能（成形・組み立てコスト低減）
冷凍庫不要（低コスト）
低環境負荷
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量産自動車展開：性能とコストとのバランス◆商品価格/商品重量と生産量の関係¥20,000

McLaren
Senna

許容される
材料単価価格／重量 （円/kg）

大Ferrari
488¥15,000

ＣＦＲＰ採用車種

スーパースポーツカー

ＣＦＲＰ未採用車種

Lamborghini
Huracán
AUDI
R8¥10,000

高級車

スポーツカー
Porsche911¥5,000

JLR
プリウス
SVR
ＰＨＶ
BMW
GM
7シリーズ
Corvette

BMW
i8

BMW
i3

クラウン
ロイヤル

小¥01,000

普及車

トヨタプリウス

10,000100,000
年間生産台数 （台数/年）
タクトタイム長短◆量産自動車適用の課題（生産性とコストとのバランス）
１． 短タクトタイムに対応した成形技術の開発
２． 材料コストと性能バランスの追求
３． ＣＦＲＰの性能を活かした部品の開発

速硬化（プリプレグ・ＳＭＣ）
熱可塑性ＣＦＲＰ
マルチマテリアル
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自動車用途拡大に向けた中間基材開発の方向性
50
自動車部品が目指すところ

ｵｰﾄｸﾚｰﾌﾞ(ﾌﾟﾘﾌﾟﾚｸﾞ)

プレス成形・ＲＴＭ
射出成形

40
曲げ弾性率 （GPa）

プリプレグの速硬化・プレス成形
熱可塑CFRP

RTM(織物)

SMC・ペレットの高機能化

30

Autoclave

CF Fabric

プレス成形(SMC)20
射出成形(ﾍﾟﾚｯﾄ)PrepregResin

熱硬化性樹脂Sheet Molding Compound

熱可塑性樹脂10101

102（1.5min）103104105（15min）（150min）（25hr）

成形時間：タクトタイム （分）Copyright © 2019 Toray Industries, Inc.

エネルギー・インフラ分野
風力発電

天然ガス

海底油田

天然ガスタンク

送電線
水素社会

送電線芯材
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燃料電池車での炭素繊維の採用事例<トヨタ“MIRAI”>

様々な形態の炭素繊維製品が燃料電池車には採用されている
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高性能炭素繊維 トレカ® 「T1100G」「M40X」
T1100G

第三世代（2010年代～）

T1000G

ストランド強度(GPa)

T800S
M30S
T800H
T700S

M40X

超高強度
高圧縮強度
高弾性率MXシリーズ

 さらなる高強度・高弾性率化
 フィラメント数：12,000本～
引張強度7GPa糸 ”T1100G”
超高強度、高弾性率 MXシリーズ

M35J
M40J

T300J

第二世代（1980～2000年代）
M46J

M30

M50J

T300

M40
標準強度
高弾性率
Mシリーズ

 高強度・高弾性率化、高生産性
 フィラメント数：6,000～24,000本

M55J
M60J
高強度高弾性率
MJシリーズ

第一世代（1970年代）

M46

 工業生産開始した初期世代
 フィラメント数：3,000～6,000本

M50

弾性率(GPa)

T1100G、M40Xの開発により炭素繊維の高強度化を実現
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高性能マトリックス 「ナノアロイ®樹脂」

樹脂
A混合樹脂
B

両相連続構造ナノオーダーでの相分離構造制御

樹脂破壊靭性

耐衝撃タイプ#2573

重合(硬化)
均⼀相溶混合物

海島構造

マトリックス樹脂におけるナノアロイTM技術

ナノアロイ®
技術適⽤
⾼曲げ強度タイプ#2574

耐熱タフ樹脂#2592

曲げ弾性率と破壊靭性はトレード
オフの関係

汎⽤
#2500 系

樹脂曲げ弾性率

ナノアロイ®適⽤樹脂の物性

2種類以上の樹脂をナノオーダーで相分離させるナノアロイTM技術により、従来トレードオフにある樹脂の曲げ弾性率と破壊靭性の両立を達成

高曲げ強度タイプ#2574は、靱性を維持して曲げ弾性率を向上
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ライフサイクルアセスメント(LCA)の概念
LCA：資源の採掘から輸送・製造・使用、そして最終的な廃棄段階まで、環境負荷の発生状況を製品・サービスのライフサイクル全体に渡って定量的に評価する方法
資源採掘～原材料製造

使用

廃棄CO2 排出全体量

CO2排出量合計

A

製品・サービスによるCO2削減量

B

ライフサイクル全体での CO2 排出削減効果＝ B-A

単に製品の製造段階などで排出されるCO2排出量に着目するのではなく、ライフサイクル全体を俯瞰して、真にCO2排出量の削減に大きく貢献する製品・サービスを科学的・定量的に評価
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リサイクルに対する取り組み：過去の検討
炭素繊維協会、技術開発組合によるリサイクルシステムの構築・事業化検討◆経済産業省の補助事業 （2006～2008年）
テーマ名 ： 炭素繊維製造エネルギー低減技術の研究開発※炭素繊維協会で「炭素繊維リサイクル技術の実証研究開発」を推進◆福岡県・大牟田市との共同研究 （2009～2010年）ﾃｰﾏ名：ﾘｻｲｸﾙ炭素繊維に係る研究※炭素繊維協会でサンプル提供等を実施、再生炭素繊維評価を推進◆ＰＡＮ系３社でリサイクル技術開発組合を設立（2012年）※共同で炭素繊維リサイクルの実用化に向けた取り組みを推進◆炭素繊維リサイクル技術開発組合の解散（2015年）※製造技術確立という初期の目標を達成し、組合を発展的に解散→ 共同開発で得られた知見・ノウハウをいかし、各社独自で炭素繊維リサイクルの量産技術開発および事業化の検討を進める。

◎バージンミルドＣＦに比べ、リサイクル品の製造エネルギ－は１７％、ＣＯ２負荷は１４％◆炭素繊維リサイクルフロー
コンポジット

選別

切断破砕

ミルド化

熱分解

短繊維

プリプレグ
繊維・織物屑

ミルド繊維

回収

回収システムの確立

１次粉砕

２次粉砕

分級

リサイクル技術の実証

セメント充填用ＣＦ
事業性の検討Copyright © 2019 Toray Industries, Inc.

炭素繊維リサイクルの共同推進
体制：

東レ株式会社
炭素繊維リサイクル技術開発

概要

豊田通商株式会社

豊田ケミカルエンジニアリング株式会社

用途開発

パイロット設備オペレーション： 熱分解法による炭素繊維リサイクルプロセスに関し、マトリックス樹脂の可燃性分解ガスを燃焼に再利用する「革新省エネルギー熱分解炉」を開発し、製造エネルギーの圧倒的な省エネを図る

プロセスフロー

破砕

原料

熱分解

□：従来技術適用□：革新技術導入

分級

チョップドCFミルド

革新省エネルギー
熱分解炉

ミルドCF
製品
（リサイクルＣＦ）

両社で提案した「革新省エネルギー熱分解法による高効率リサイクル炭素繊維製造技術の開発」は、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）による平成27年度「戦略的省エネルギー技術革新プログラム」に採択されております。

・可燃性分解ガスを再利用・材料投入／取出しを自動化

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東レのサステナビリティ・ビジョン

東レグループが目指す世界

東レグループが取組む課題

1．地球規模で温室効果ｶﾞｽの排出と吸収のバランスが達成された世界

1．気候変動対策を加速させる

2．資源が持続可能な形で管理される世界

2．持続可能な循環型の資源利用と生産

3．誰もが安全な水・空気を利用し、自然環境が回復した世界

3．安全な水・空気を届ける

4．全ての人が健康で衛生的な生活を送る世界

4．医療の充実と公衆衛生の普及促進に貢献する

東レ
グループの革新技術・先端材料

2050年へ向けて東レグループが目指す世界と、取組む課題を策定
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まとめ
１．ＰＡＮ系炭素繊維は日本で製造原理が発見された革新素材であり、爾来たゆまぬ技術革新により我が国が世界の市場を牽引してきた。
２．航空機： 中大型機を中心に複合材の適用が進み、オールコンポジット化 された787やA350では低燃費が実証された。今後拡大する小型機では高生産性・低コスト化が必須であり、熱可塑性材料等新技術の本格採用が期待される。
３．自動車： 軽量化とコストのバランスがポイントであり、サイクルタイム短縮による生産性向上やマルチマテリアル化による素材の最適化が進む。
４．エネルギー： 低炭素社会の実現に向けて風力発電用ブレードや天然ガス車用圧力容器タンク向けの需要が拡大すると共に、水素社会の到来により炭素繊維は新たな時代を迎える。
５．スポーツ： 炭素繊維を産業レベルの素材に押し上げた最初の用途であり、今もなお繊維・樹脂の極限追究が進み、最新技術の「ゆりかご」となっている。
６．サステイナブルな社会の実現に向けて、炭素繊維のリサイクルはその重要性を増しており、さらなる普及に向け業界全体での取り組みが必要である。
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