軽量で強度の高い繊維強化プラスチック（FRP）の基礎的な知識を解説～代表的なFRPの性質・用途、成形法

繊維強化プラスチック(FRP / Fiber-Reinforced Plastics)の製造方法として、強化繊維と液状の樹脂を成形型によって賦形・硬化させる方法がありますが、取り扱いが難しく作業能率が悪いという欠点があります。
そこで、成形加工の前に樹脂に強化繊維等を混合した材料(プレミックス材、プリプレグ材)を用いるような、通常の熱硬化性プラスチック成形と同様な方法が考案されました。

※詳しい成形方法については後述＜表3＞～＜表8＞にて紹介しています

繊維の混入方法には大きく分けて2種類の方法があります。

• A) 細かく切断した繊維(短繊維、長繊維)を均一に混合する方法
• B) 連続繊維を一方向性を持たせたまま樹脂に浸潤させる方法

一般的に、Aはガラス繊維プラスチック、Bは炭素繊維プラスチックで用いることが多くなっています。

強度物性の点では、Bの連続繊維のほうが優れています。Aの不連続繊維では、材料内に発生するマトリクスクラックによる強度低下の課題があるためです。
しかし、Bの連続繊維を用いる場合、繊維に対して平行方向と直角方向では物性が異なる異方性を有するので、最終製品で要求される性能を得るためには、繊維層の並べ方や重ね方、異方性を解消しなければなりません。また、複数の繊維層を重ねる場合には繊維層同士の接着強度の検討が必要です。

FRPでは、強化される側を母材（マトリックス）と呼び、マトリックスには合成樹脂が用いられます。 FRPの形状や耐候性、耐久性等、求める特性によってマトリックス樹脂を選択しますが、大きく分けて、熱硬化性タイプと熱可塑性タイプがあり、補強材である繊維との組み合わせで、多種多様のものが開発されています。

マトリックスとして使用される代表的な樹脂と特徴、主な用途を＜表1＞にまとめました。

主に常温硬化型樹脂を用い、樹脂を含浸させたガラス繊維を成形型内に積層し、そのまま室温付近の温度で硬化させる方法です。無圧成形とも呼ばれています。 人手だけで行うハンドレイアップ法と、これをやや機械化したスプレーアップ法があります。

接触圧成形法の改良技術として、1MPa以下の比較的低圧で成形する方法です。接触圧成形法の問題点を解決する方法として開発されました。

成形に金型を用いて1～30MPaの高圧で成形する方法です。

適度な厚みのシート状に展開後、成形していく方法です。

射出成型機に熱可塑性樹脂と繊維を分散して強化している射出成形用のペレットを充填し、溶融した樹脂を高圧で金型に射出して成形する方法です。

シートを重ねてプレスし、成形する方法です。