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あいち産業科学技術総合センター 研究報告 2012

研究論文

編物を基材とした炭素繊維強化熱可塑性プラスチックの調製
茶 谷 悦 司 ＊ 1、 福 田 ゆ か ＊ 2、 池 口 達 治 ＊ 2

Preparation of the knit-based CFRTP
Etsushi CHAYA *1 , Yuka FUKUTA *2 and Tatsuharu IKEGUCHI *2
Owari Textile Research Center * 1 * 2
ニ ッ ト を 基 材 と し た 炭 素 繊 維 強 化 熱 可 塑 性 プ ラ ス チ ッ ク（ CFRTP）の 調 製 方 法 に つ い て 検 討 し た 。ま ず 、
編成が困難な炭素繊維糸をナイロン糸でカバリングして保護し、編成できるようにした。次に、カバリングした炭素繊維糸で編成したニット生地の熱プレス条件を最適化することで、空隙などの成形不良の少ない CFRTP の 単 層 板 お よ び 積 層 板 が 得 ら れ た 。ま た 、引 張 お よ び 曲 げ 試 験 の 結 果 か ら 、ニ ッ ト 基 材 の CFRTP
は、方向性が小さく、比較的少ない積層構成で擬似等方材的な挙動を示すことがわかった。
いて CFRTP 平板を作成し、一方向材を基材としたもの

１．はじめに炭素繊維強化プラスチック（CFRP）は、高い強度ととの物性を比較した。

軽量性を併せ持つことから、航空宇宙分野において金属

２．実験方法材の代替材料としての使用が拡大している。CFRP は、2.1 カバリング炭素繊維糸の調製

炭素繊維の一方向材や織物のプリプレグ（炭素繊維に樹脂を含浸させたシート状の中間材料）を裁断し、積層し炭素繊維糸は、東レ㈱製の T-300-1000（PAN 系、フた後オートクレーブで長時間加熱硬化させることで得らィラメント数 1000、番手 600D、CF 糸と表記）を用いれる。CFRP の含浸樹脂としては、耐熱性、力学特性のた。カバリング糸および引き揃え糸は、東レ㈱製ナイロバランスに優れた熱硬化性のエポキシ樹脂がよく用いらンウーリー加工糸（番手 50D、PA6 糸と表記）を用いた。

れるが、樹脂の含浸と硬化に長時間を要し生産効率が悪カバリング CF 糸の調製には、意匠撚糸機（オゼキテク

いため、生産性の改善が急務である。課題である生産性

ノ㈱製トライツイスターON-700NF-Ⅲ）を用い、CF 糸を改善し量産化を図ることにより、自動車、家電などのと引き揃えに用いた PA6 糸を、PA6 糸でシングルあるい産業分野においても拡大が期待されている。

はダブルでカバリングする糸構造とした（図 1）。

こうした中で、CFRP 用の基材として、三次元形状を有するテキスタイルプリフォームが注目されている。これは、あらかじめ部材の形状にあわせて炭素繊維を立体的に製織、編成、製紐したものであり、CFRP の生産性や性能向上に寄与し得る 1)。これらのうち、ニットを基材とした三次元形状のプリフォームは、一方向材や織物材に比べ伸縮性に富み、金型に対する賦形性に優れていることから、複雑な形状の部材への適用も考えられるが、これを用いた CFRP の成型加工方法や、成型材の物性に関する情報は少ない 2)3)。
そこで本研究では、横編み機で編成したニットを、CFRP 用の基材として適用するための要素技術について

図１

カバリング CF 糸の構造検討することとした。まず、編成が困難な炭素繊維を横編み機で編めるようにするため、炭素繊維に熱可塑性合

2.2 カバリング炭素繊維糸の編成
各種番手のカバリング CF 糸を試験筒編み機（英光産成繊維糸をカバリングして保護する検討を行った。次に、業㈱製 NCR-EW

このカバリングした炭素繊維で編成したニット基材を用＊

1 尾張繊維技術センター

素材開発室（現機能加工室）＊

９ゲージ）で編成した。

2 尾張繊維技術センター

素材開発室

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2.3 PA6 糸の熱分析
成形条件の検討に先立ち、PA6 糸の熱分析を行った。

（クッション材使用なし）
・試験温度、湿度：23℃、50％RH

熱分析は、示差走査熱量計（㈱島津製作所製 DSC-60）・試験速度：５mm／分を使用し、昇温速度 10℃／分（室温→250℃）、降温速・曲げ強さ：以下の式で算出

度－２℃／分（250℃→170℃）で行った。

σb＝3PbL／2bh2(1+4(δ／L)2)

2.4 熱プレス機による炭素繊維強化熱可塑性プラスチック

σb：曲げ強さ（MPa）、δ：荷重 Pb のときのたわみ（mm）、（CFRTP）成形条件
成形には、熱プレス機（㈱東洋精機製作所製ミニテス
トプレス SNL）を使用した。カバリング CF 糸で編成しPb ：最大荷重（N）、L：支点間距離（mm）、b：試験片の幅（mm）、h：試験片の厚さ（mm）
2.5.3 繊維含有率

たニット基材をアルミ板とテフロンシートで挟み、これCFRTP の繊維含有率は、以下の方法で測定した。

を熱プレス機の熱盤間に挿入し、所定の熱盤温度、圧力試験片は、単層板を４枚積層したものを用いた。試験は、で処理することでニット基材の CFRTP 板を調製した。

20％塩酸でマトリックス樹脂を溶解させる方法で行っ

CFRTP の単層板は、溶融温度 240℃、保持時間５分、た。試験片の絶乾質量（W１）と、塩酸でマトリックス加圧時温度 210℃、加圧力５MPa で作製した。積層板は、樹脂を溶解させた後の残渣（炭素繊維）の絶乾質量（W2）

単層板を所定の枚数、所定の方向に重ね、溶融温度 240℃、 を測定し、以下の式で繊維質量含有率（Wｆ(%)）を算出
保持時間５分、加圧時温度 210℃、加圧力 15MPa で作製した。

した。
Wｆ＝(W２／W1)×100

2.5 CFRTP 板の物性評価

また、繊維体積含有率（Vf (%)）、空洞率（Vv (%)）は、2.5.1 引張試験

以下の式で算出した

引張試験は、引張試験機（㈱島津製作所製オートグラ
フ AG-IS）を用いて、以下の条件で行った。
・試験片の作製方法：単層板２枚を繊維軸方向に対して平行方向、直交方向に積層して成形・試験片の採取方向：繊維軸方向に対して０°、45°、90°

Vf＝Wf ×ρ c／ρf
Vv＝100－(Vf＋Vr)
ここに、ρ c ：試験片の密度（g/cm3 ）、ρ f ：試験片に用いられている炭素繊維の密度（g/cm3）、Vr：樹脂体積含有率（%）である。の三方向・試験片の形状、寸法：短冊形、100×25×0.6mm（長さ、幅、厚さ）
・試験温度、湿度：20℃、65％RH

３．実験結果及び考察
3.1 カバリング炭素繊維糸の調製
意匠撚糸機の送り速度とスピンドル回転数の調整、引・試験速度：１mm／分

き揃え糸の本数を増減させることなどでカバリング CF

・ゲージ長：40mm

糸の番手は任意に調整可能であった。この方法で得られ・引張強さ：以下の式で算出たカバリング CF 糸の番手と外観の例を図２に示す。カ

σB＝PB／AmσB ：引張強さ（MPa）、PB ：最大荷重（N）、Am ：試験片の元の平均断面積（mm２ ）2.5.2 曲げ試験

カバリングＣＦ糸番手CF/PA6
質量比

９６５D

1.6

１７１９D

0.5

２０７２D

0.4外観

曲げ試験は、引張試験機（オリエンテック製
RTC-1310A）を用いて、以下の条件で行った。
・試験片の作製方法：単層板２枚を繊維軸方向に対して

図２

カバリング CF 糸の番手と外観平行方向、直交方向に積層したものを２枚重ねて成形（合計４枚積層）・試験片の採取方向：繊維軸方向に対して０°、45°、90°の三方向（表面で試験）・試験片の形状、寸法：短冊形、100×15×1.0mm（長さ、幅、厚さ）

バリング糸および引き揃え糸として用いた PA6 糸は、編成時には CF 糸を保護し、熱プレスして融解させた後には CFRTP のマトリックス樹脂となるものである。PA6糸の量は、編成性を考慮すると多いほうが有利である半面、成形後の CFRTP の物性面を考慮すると少ないほう・試験方法：３点曲げが有利であるという、トレードオフの関係にある。この・支点間距離：ニット基材 40mm、一方向材、20mmため、編成性、成形性、物性等を総合的に評価しつつ、

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適正な番手（炭素繊維／ナイロン質量比）を見出すこと

210℃

220℃

230℃

240℃

250℃

260℃が必要となる。
そこでまず各種番手のカバリング CF 糸を試験筒編み機９G で編成し、編成性を評価した。カバリング糸の番手が 2000D 程度までがこの条件での編成可能番手の上限であることがわかった。次に、カバリング CF 糸で編成したニット地を熱プレスで成形し、PA6 糸の溶融状
態、ループの空隙の充填状態、編み組織の流れや乱れを観察した。その結果を図３に示す。カバリング CF 糸の図４

溶融温度とプレス後の溶融状態

番手 965D では編成可能であるものの PA6 が不足してい（保持時間５分）るためループの空隙が樹脂で充填されなかった。また、2072D は編成可能で、熱プレス後にループの空隙が樹脂加圧時温度を決定するために、カバリング CF 糸で編で充填されるが、樹脂が多すぎるため、加熱溶融時に加成したニット基材を 240℃で溶融させ所定の温度まで冷圧されると樹脂の流れが過大になり、編み組織の乱れや却した後、加圧した。固化の開始温度付近（210℃）まCF 糸の切断が発生した。このように、編成性と成形性で冷却した後、加圧することが適していた（図５）。220℃を考慮すると 1719D（炭素繊維／ナイロン質量比＝0.5）

以上では、冷却が不十分で PA6 が溶融状態にあり、加圧程度のものがカバリング CF 糸の番手として適当と考えにより流動するため、炭素繊維編み組織の流れや乱れがられるため、以後これを用いて検討を進めることとした。

発生したと考えられる。200℃以下では、PA6 の固化がｶﾊﾞﾘﾝｸﾞＣＦ
糸番手

９６５Ｄ

１７１９Ｄ

２０７２Ｄ進み、流動性を失った後加圧したため、空隙が残ったと考えられる。なお、210℃での加圧力は５MPa（単層板）、15MPa（積層板）が適していた。

編成後の状態

240℃

230℃

220℃

210℃

200℃

190℃

プレス成形
後の状態

マトリックス樹脂不足

図３

適当

マトリックス樹脂過多（組織くずれ、CF一部破断）

カバリング CF 糸の番手と編成性、成形性

3.2 熱プレス機による CFRTP 成形条件の検討
CFRTP の成形過程は、PA6 を加熱溶融させる過程と

図５

加圧時温度とプレス後の溶融状態、組織の乱れ（加圧力 10MPa）冷却固化させる過程からなる。PA6 は固化時に粘度変化や体積収縮が起こるため、加圧するタイミングの設定も以上の結果より、溶融温度 240℃、保持時間５分、加めに、固化時に高い加圧力が必要である。そこで、溶融

圧時温度 210℃、加圧力５MPa（単層）15MPa（積層）温度、保持時間、加圧時温度、加圧力などのプレス条件が成型条件として適当であることがわかった（図６）。

を決定すべく検討した。
まず、CFRTP のマトリックス樹脂となる PA6 の熱分析を行った。融解の開始温度とピーク温度はそれぞれ温 度（℃）

重要である。また、ボイドなどの成形不良を防止するた

溶融

降温速度：-2℃/min

5分

240

昇温過程ピーク温度210

降温過程発熱開始温度
固化

ぞれ 211.0℃、201.9℃であった。
次に、溶融温度を決定するために、カバリング CF 糸で編成したニット基材を所定の温度で処理し、溶融状態を観察した。220℃以下では PA6 が溶融せず、250℃以上では気泡が観察されたため、230～240℃が溶融温度とプレス圧力（ＭＰａ）184.7℃、216.9℃、固化の開始温度とピーク温度はそれ時 間
5 or １５
ニット基材単層：5ＭＰａ
ニット基材積層：15ＭＰａ
0.5
時 間して適していると考えられた（図４）。また、溶融温度240℃での保持時間は５分間が適していた。

図６

成形プレス条件

93の試験片の約 1／4 程度であった。

3.3 ニット基材 CFRTP の特性評価
ニット基材の CFRTP の特性評価を行うにあたり、上ニット基材の CFRTP の引張、曲げ強度が劣るのは、記 3.2 の条件で単層及び積層板を作製した。また比較材

繊維含有率が低いこと、炭素繊維が直線的に配向しておとして一方向材（カバリング CF 糸を繊維軸に対して平らずループ構造であることなどが考えられる。しかし、行に並べたもの）の単層及び積層板も同じ成形条件で作

これらの欠点を改善し一方向材の特性に近づけることは、製した。

ニット基材を用いた CFRTP である以上、限界があるとまず、これら CFRTP の繊維含有率を測定した。表１思われる。本研究では、平板の特性評価を行ったが、半に平行積層した試料の結果を示す。ニット基材の球、パイプ、さらに複雑な形状へニット基材の CFRTP

CFRTP は、ループの空隙をマトリックス樹脂で充填すを適用し、一方向材や織物材を用いたものとの特性比較る必要があるため、一方向材よりも繊維含有率が低かっを行うことで優位点を見出す必要があると考える。

た。なお、空洞率（CFRTP 中の空洞の占める体積の割

ニット基材 積層：直交合）は、ニット基材のものが若干高かった。
表１

CFRTP の繊維含有率及び空洞率

試料

繊維質量含有率（％）

繊維体積含有率（％）

空洞率（％）＊

備考

ニット基材
平行積層

４８．６

３４．５６．４

CFの密度1.76（g/cm3）として計算

一方向材
平行積層

５８．１４４．１４．４

一方向材 積層：直交

次に、直交積層した試験片の引張試験と曲げ試験の結果を図７と図８にそれぞれ示す。ニット基材 CFRTP は、方向性が小さく、比較的少ない積層構成で擬似等方材的な挙動を示すことがわかった。一方、一方向材の CFRTPは、方向により引張および曲げ強さの差が大きく、異方図８

曲げ試験結果（荷重－たわみ曲線）性を示した。
ニット基材 積層：直交

４．結び
本研究の結果をまとめると、以下のとおりである。
(1) カバリング糸として用いたナイロンウーリー加工糸
は、編成時に炭素繊維を保護し、ニット基材を得ることを可能にした。また、熱プレスして融解させた後にCFRTP のマトリックス樹脂となり、ニットを基材とした CFRTP が得られた。

一方向材 積層：直交(2) 溶融温度、保持時間、加圧時温度、加圧力などを最適化することにより、ニット基材の CFRTP 単層、および積層板が得られた。
(3) 引 張 お よ び 曲 げ 試 験 の 結 果 か ら 、 ニ ッ ト 基 材 のCFRTP は、方向性が小さく、比較的少ない積層構成で擬似等方材的な挙動を示すことがわかった。

文献
図７

引張試験結果（荷重－伸び曲線）

1） 飯塚健治：染色研究，55(1)，8(2011)2） 斉藤博嗣，金原勲：材料システム，24，47 (2006)

また繊維方向に対して平行（０°）に切り出したニッ

3） (株)東レリサーチセンター産業技術調査研究室:テト基材試料の引張強さと曲げ強さは、それぞれ 125MPa、クニカル・テキスタイルの用途開発と市場動向，175MPa となり、435MPa、809MPa を示した一方向材

P147(2009)，(株)東レリサーチセンター