自動車軽量化に向けた大きな1歩。「動的共有結合樹脂」に注目し生まれた「二次加工」可能な熱硬化性CFRP(炭素繊維強化プラスチック)

INTERVIEW

株式会社日立製作所
研究開発グループ 材料イノベーションセンタ
電動機材料研究部 研究員

近藤 剛資

昨今、人々の安心・安全や快適・健康を実現するモビリティ社会について、自動車メーカーを中心に各社の構想が発表され、その実現に向けたテクノロジーの在り方について提言されています。特に、環境負荷の低減を目的に、自動車の消費ガソリンの削減や電気自動車の航続距離の伸長が重要な課題として議論されています。それを受け、排ガス抑制や航続距離確保のため、燃費改善を目的とした自動車の軽量化技術が盛んに研究されています。そうした背景のもと、自動車車体のマルチマテリアル化が進められ、中でも金属並みの強度を持つ炭素繊維強化プラスチック(CFRP)は、自動車の構造部材として実用化に至るケースも見られる一方、CFRPにはコストや量産性といった課題が存在しています。今回は、強度に優れた熱硬化性CFRPながら、プレス加工による二次加工性をもつ材料を開発した株式会社日立製作所 研究開発グループ 材料イノベーションセンタ 電動機材料研究部 研究員 近藤剛資氏に本技術の開発の背景と特徴、今後の展望について伺いました。

「二次加工可能」な熱硬化性CFRPを開発

CFRPとは、樹脂に炭素繊維を浸透させて剛性や強度を高めた材料です。CFRPは、使用する樹脂と繊維の違いにより、それぞれ異なる特徴を持つ材料になります。

【樹脂の種類】
・熱可塑性樹脂: 再加熱することで樹脂が溶解するため二次加工が可能だが、強度が劣る。
・熱硬化性樹脂: 高い強度や剛性を持つ一方、二次加工が不可能。

【繊維の種類】
・連続繊維:十分な長さをもつ繊維
・不連続繊維:数ミリ単位にカットされた繊維

使用材料によるCFRPの特徴比較
使用材料によるCFRPの特徴比較


不連続繊維を使用したCFRPは取り扱いやすく、中でも熱可塑性樹脂と組み合わせる材料は、成形サイクルの短縮につながるため近年盛んに開発が行われています。一方、連続繊維を使用した熱硬化性CFRPは強度や剛性に優れているため、自動車や航空機に使用されてきましたが、成形時間が長く、一度成形すると二次加工が困難で生産性、コストの面で大きな課題を抱えています。また、二次加工性と強度を併せ持つと考えられる連続繊維と熱可塑性樹脂の組み合わせについては、繊維に樹脂を浸透させることが困難であるなどの技術的な課題が大きく、未だ量産化には至っていません。

株式会社日立製作所 研究開発グループ 材料イノベーションセンタ 電動機材料研究部(以下日立)では、熱硬化性CFRPの課題を解決すべく、樹脂研究の成果をもとに二次加工性を付与した熱硬化性CFRPを開発しました。

「日立には樹脂研究の専門チームがあり、熱などの外部刺激により再成形可能な性質を持つ熱硬化性樹脂が開発されました。この樹脂をCFRPに導入することで、二次加工可能な熱硬化性CFRPを作成できるのではないか、という考えにたどり着き、今回の材料開発に至りました。」(近藤氏)

次章以降、本研究により開発された二次加工可能な熱硬化性CFRPについて解説していきます。


株式会社日立製作所 研究開発グループ 材料イノベーションセンタ 電動機材料研究部 研究員 近藤剛資氏
株式会社日立製作所 研究開発グループ 材料イノベーションセンタ 電動機材料研究部 研究員 近藤剛資氏


「動的共有結合樹脂」導入によってエポキシ樹脂へ二次加工性を付与

本研究の最大の特徴は、「エステル交換型動的共有結合」を熱硬化性樹脂に導入したことです。
エステル交換型動的共有結合樹脂は、熱などの外部刺激により高分子のネットワーク構造を変化させることができるという特性を持ち、二次加工を可能にします。

「エステル交換型動的共有結合樹脂に着目した理由は、現在幅広く活用されている熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂に容易に導入できるからです。エポキシ樹脂に、エステル交換反応を促進させる触媒と硬化剤を、組成比を調整しながら加えることで動的共有結合を導入し、二次成形可能なエポキシ樹脂を作製することができます。」(近藤氏)

動的共有結合を導入したエポキシ樹脂は、エステル基と水酸基を有し、熱などの外部刺激によりエステル交換反応が進行し、結合を組み替えることができます。これにより、一度成形した樹脂でも再加工することが可能になります。


エステル交換反応による組み換え
エステル交換反応による組み換え


エポキシ樹脂は代表的な熱硬化性樹脂としてCFRPでもよく使用される樹脂のひとつで、硬化剤と組み合わせて硬化することにより様々な特性を有します。自動車部品でも、モータやブレーキなどで使用されています。このエポキシ樹脂と動的共有結合樹脂の相性に注目し研究を進めたことにより、熱硬化性樹脂の特性はそのままに二次加工を付与することに成功しました。

さらに、本技術によるCFRPはプレス加工が可能であるという特徴も併せ持ちます。
熱硬化性CFRPの成形に使用される成形法には、PCM(Prepreg Compression Molding)法や、近年主流となりつつあるRTM(Resin Transfer Molding)法などがありますが、PCM法では加工に使用するプリプレグ材の冷凍保存が必要であり、PCM法、RTM法ともに加熱硬化のプロセスが必要となります。それに比べ、プレス法は原料の常温保存も可能で輸送や保管にかかるコストも低減でき、加熱硬化が不要であるため、低コストかつ短時間での成形が可能になります。


CFRP成形方法の比較
CFRP成形方法の比較


【本研究により開発された熱硬化性CFRPの特徴】
・熱硬化性CFRPとしての高強度と高剛性
・動的共有結合による二次加工性
・プレス加工による成形が可能
・エポキシ樹脂と同等の耐熱性

前章にて先述した樹脂、繊維の別によるCFRPの特徴では、連続繊維を使用した熱硬化性CFRPでは二次加工が不可能であることによる生産性とコストが課題でしたが、本技術を導入することでこの課題を克服する可能性が開かれます。高い強度を保ちつつ、比較的容易に二次加工ができる材料の登場により、自動車軽量化に向けた技術開発が一歩前進するかもしれません。

「本技術はガラス繊維など、他の繊維を用いた繊維強化プラスチック(FRP)でも使用可能です。また、CFRPにおいては、高速での成形に向けた樹脂組成や成形法、成形条件の改良についても研究を進めているところです。」(近藤氏)

本技術について関心をもった方に対しては、技術面の知見の共有が可能であると言います。

「このCFRPの導入の検討にあたっては、自動車や、自動車以外でも車輛の部材などを取り扱う企業様などからのご相談に対応可能です。実際にCFRPを作製する際の樹脂組成のレシピの提供や、プレス成形の条件などについてのコンサルティングができると考えています。」(近藤氏)

「二次加工可能」な熱硬化性CFRPの研究成果と、モビリティ社会実現に向けた期待

今回ご紹介した技術は、以下の特許、学会発表の実績があります。

・特許:「繊維強化樹脂複合体及びその製造装置」 特開2019-025841
・特許:「樹脂金属複合体、樹脂金属複合体の製造方法、及び、樹脂金属複合体の解体方法」特開2019-025842A
・特許:「樹脂積層体及び樹脂積層体の製造方法」特開2019-217738
・特許:「繊維強化樹脂及びその製造方法」特開2019-026781
・学会発表:「エステル交換型動的共有結合樹脂のCFRP への適用性検討」2019年、第69回ネットワークポリマー討論会
・学会発表:「動的共有結合樹脂を適用したCFRP」2019年、第44回複合材料シンポジウム

「CFRPの用途としては、やはり自動車などの移動体の軽量化を目的としたものが大きいと思います。特に自動車は二酸化炭素排出に関する規制といった環境規制などを背景に、ガソリン車から電動自動車へと進化が進む中で走行距離が大きな課題になります。軽量化し走行距離が伸びた自動車を、低コストで作製することができるということは大きなメリットになると考えています。
日立でもシステムや制御、構造体などを研究する他の研究部隊と連携し、引き続き用途開発を行っていく見込みです。」(近藤氏)

▽日立R&Dのオープンイノベーション活用
株式会社日立製作所 研究開発グループ

日立の研究開発は、100年を超える研究開発の歴史の中で、「優れた自主技術・製品の開発を通じて社会に貢献する」という企業理念を実践し、その時々の最先端技術開発に取り組みながら、未来につながるイノベーションを創出してきました。

現在、「制御」「デジタルテクノロジー」「エレクトロニクス」「エネルギー」「ヘルスケア」「材料」「機械」「生産」「システム」「デザイン」からなる研究領域で、お客さまへの価値を提供するソリュー ションを具現化しています。それらの中から、特に、材料技術のソリューションと、設計支援ツールのサービスを提供します。

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