繊維強化プラスチック

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ガラス繊維
CFRP成形用炭素繊維

繊維強化プラスチック(せんいきょうかプラスチック)または FRP (Fiber-Reinforced Plastics の略称) は、ガラス繊維などの繊維をプラスチックの中に入れて強度を向上させた複合材料のこと。

単に FRP と書いて、ガラス繊維強化プラスチックを指すことも多いが、ガラス繊維であることを明示したい場合は GFRP[1] または GRP[2] と書かれる。

概要[編集]

成形されたCFRP製品
ドライカーボンの使用例 (財布)

プラスチックは軽量ではあるが、弾性率が低く構造用材料としては適していない。そこで、ガラス繊維のように弾性率の高い材料との複合材料として、軽量で強度の高い、つまり比強度の大きな材料として用いられる。強化材はガラス繊維のほか、炭素繊維を用いる場合もある (CFRP)。強度の高いケブラーダイニーマなどの樹脂繊維で強化する場合もある (AFRP, KFRP, DFRP)。

安価・軽量で耐久性がよいことから、小型船舶の船体や、自動車鉄道車両の内外装、ユニットバス浄化槽などの住宅設備機器で大きな地位を占めている。

製造方法[編集]

繊維の混入方法には大きく2種類ある。細かく切断した繊維を均一にまぶす方法と、繊維に方向性を持たせたままプラスチックに浸潤させる方法とがそれで、ガラス繊維は前者、炭素繊維は後者の方法が採られることが多い。ただし繊維の方向の引張りには強いが、繊維と直角方向の引張りには弱く(強度に異方性がある)、通常は板状の繊維の層を、繊維方向が異なるように複数枚重ねることが行なわれる。このような単純な積層では、層同士の接着強度の不足が問題(層間剥離、デラミネーション)となるため、繊維層間を縫うステッチングや、繊維そのものの3次元化といった手法が開発されている。

繊維強化プラスチックは、可塑性材と非可塑性材の利点を組み合わせて実用材として用いる点において、鉄筋コンクリートと同様である。こうした複合材料において、強化される側の部材を母材(マトリックス)と呼ぶ。繊維強化プラスチックの場合はプラスチック、繊維強化金属の場合は金属、鉄筋コンクリートの場合はコンクリートがそれぞれマトリックスとなる。

繊維強化プラスチックのマトリックスとしては、一般に、不飽和ポリエステル等の熱硬化性樹脂を使用することが多い。エポキシ樹脂ポリアミド樹脂フェノール樹脂を使用する場合もある。メチルメタアクリレートなどの熱可塑性樹脂を用いた繊維強化熱可塑性プラスチック (FRTP[3]) もある。

成型方法としては、型に繊維骨材を敷き、硬化剤を混合した樹脂を脱泡しながら多重積層してゆくハンドレイアップ法やスプレーアップ法のほか、あらかじめ骨材と樹脂を混合したシート状のものを金型で圧縮成型するSMCプレス法、インジェクション成形の様に繊維を敷き詰めた合わせ型に樹脂を注入するRTM法、オートクレーブで熱硬化性樹脂を硬化させて成形する方法がある。また、近年ではオートクレーブを使用しない脱オートクレーブ成形法も普及しつつある。

種類[編集]

ガラス繊維強化プラスチック (GFRP)
比較的安価で、電波透過性に優れる。
ガラス長繊維強化プラスチック(GMT)
強度に優れ、自動車部品などに使用される。
炭素繊維強化プラスチック (CFRP)
アルミニウム合金の後継材料として使用される。
ボロン繊維強化プラスチック (BFRP)
強度、対弾丸性が大きく、軍事兵器などによく使用される。
アラミド繊維強化プラスチック (AFRP, KFRP)
アラミド繊維(ケブラー)による強化で耐衝撃性に優れる。
ポリエチレン繊維強化プラスチック (DFRP)
ポリエチレン繊維(ダイニーマ)による強化プラスチックで高強度、熱伝導性にも優れる。
ザイロン強化プラスチック(ZFRP)
ザイロンによる強化できわめて高い強度と難燃性がある。
液晶ポリマー
射出成型でき、再利用できる

利点[編集]

  • 金属材料よりも比強度が大きく、軽量化が可能
  • 腐食しにくい
  • 保温性がよい
  • 重量増が問題でなければ補修できる

欠点[編集]

  • 素材の分離が困難であるため、一般にリサイクルや廃棄処分が難しい。廃棄まで含めたライフサイクルコストを考えた場合、製造・購入時の想定以上に高価な素材となる可能性があり、廃棄コストを嫌って放置される船舶のような環境負荷要因となることもある。裁断して焼却処分されることも多いがプラスチックの焼却に適した高温炉が常に用いられるとは限らず、減圧下或いは不活性ガス中で樹脂を加熱分解する方法が考えられる。また繊維に麻などの植物繊維を使用する事も検討されている。
  • 金属系の素材と比較して強い衝撃を受けた場合、繊維が樹脂から剥離する為、耐衝撃性に劣る[4]
  • クラックなどの初期症状が外部検査では判別しにくく、修理も全体を交換しない限り継ぎ当てしか行えない。[5]

用途[編集]

関連項目[編集]

脚注[編集]

  1. ^ : glass fiber reinforced plastics
  2. ^ : glass-reinforced plastics
  3. ^ : fiber reinforced thermo plastics
  4. ^ 1960年代末から1970年代初頭にかけてロールス・ロイス・リミテッドロッキード L-1011 トライスターのエンジンとして開発中だったロールス・ロイス RB211ではHyfilという複合材製のファンブレードを使用して開発していたが、耐衝撃性に劣るため、バードストライクの試験に合格できず、再設計することになり、経営難に陥り、国有化された。搭載予定だったトライスターは発売が予定よりも大幅に遅れ、当時、ライバルだったマクドネル・ダグラス DC-10に対して劣勢になり、なりふり構わぬ販売攻勢によりロッキード事件の原因にもなった。
  5. ^ 樹脂を浸透させるという補修法もある。