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

FRPとは、Fiber-Reinforced Plasticsの略で、ガラス繊維などの繊維と組み合わせることで強度を高くした繊維強化プラスチックの総称です。FRPは航空機や自動車などの乗り物から、ユニットバスなどの住宅設備機器まで幅広く使用されています。
この記事では、軽量かつ強度の高いプラスチック、繊維強化プラスチック（FRP）の種類・性質・用途をはじめ、それらの成形法を紹介していきます。プラスチックについての基礎知識や材料選定のポイントなどは、下記の記事で分かりやすく紹介していますので、そちらも合わせてご参考ください。

繊維強化プラスチック(FRP / Fiber-Reinforced Plastics)は、各種繊維と組み合わせた軽量かつ強度の高いプラスチックで複合材料として用いられています。

プラスチックは軽量で弾性率が低いという特徴があるため、単体では構造用材料として適していません。そこでガラス繊維など、各種繊維と組み合わせ、強度を高くした繊維強化プラスチック（FRP）が開発されました。

＜図1＞によると、FRPのほうが各金属に比べて、比曲げ剛性が高いことが分かります。CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics/炭素繊維)においては鉄鋼やチタンよりも比強度が高いデータが示されています。

鉄だけでなく、鉄よりも優れた力学特性(比強度・比曲げ剛性)を持ち難削材として知られるチタンと比べてもCFRPは優れた特性を示します＜図1＞。

軽金属の代表例として知られるアルミニウムの密度2.7g/cm3と比較しても、代表的なCFRPの密度は1.5～1.7g/cm3程度と相対的に小さな値です。

密度が大きく・融点が高い金属材料に比べ、CFRPを加工・変形させるためのエネルギーは相対的に少なくなります。一方で、CFRPではシート状素材の加工が必須となるため、専用の装置設備が必要になります。

金属と異なり、繊維とプラスチックの複合材料であるため腐食に強い(さびない)特徴があります。一方で、プラスチック特有の紫外線による光劣化の影響を受けるため、屋外使用の際はコーティング・塗装など施す必要があります。

繊維とプラスチックの複合材料であるため、基本的に電気絶縁性を有します。一方で、繊維の並び方(配向方向)に沿った方向とそれに直角な方向で導電率が大きく異なる(異方性)を有するため、異方性に起因する局所的なCFRP表面の帯電集中を防ぐ必要があります。代表的な例として、飛行機などのCFRP筐体の表面は、金属薄膜で覆われており、筐体全体に帯電を散らす対策がとられています。

軽くて強い特徴を持つCFRPが自動車や飛行機の筐体に多く適用されることで、安全性を損なわず、総重量軽減にて燃費向上が実現できます。燃費向上は、省資源化・温室効果ガスの排出低減に寄与します。

繊維強化プラスチック（FRP）は、繊維と樹脂の組み合わせにより様々な種類が存在します。


・ガラス繊維強化プラスチック（GFRP/ Glass Fiber Reinforced Plastics）
　：ガラス繊維が浸透されたもので、ガラス繊維の持つ電波透過性に加え、難燃性向上が期待されます。

・カーボン繊維強化プラスチック（CFRP/ Carbon Fiber Reinforced Plastics）
　：カーボン(炭素)繊維が浸透されたもので、GFPRに対しより高強度化・軽量化が期待されます。

・ボロン繊維強化プラスチック（BFRP/ Boron Fiber Reinforced Plastics）
　：ボロン(ホウ素)繊維が浸透されたもので、軍事・防衛目的にて耐衝撃性向上が期待されます。

・アラミド繊維強化プラスチック（AFRP/ Aramid Fiber Reinforced Plastics）　
　ケプラ繊維強化プラスチック（KFRP/ Kevlar Fiber Reinforced Plastics）　
　ダイニーマ繊維強化プラスチック（DFRP/ Dyneema Fiber Reinforced Plastics）　
　ザイロン繊維強化プラスチック（ZFRP/ Zylon Fiber Reinforced Plastics）：エンジニアリングプラスチック(エンプラ)の繊維が浸透されたものです。エンプラの素材名が用いられているアラミド(芳香族ポリアミド)等がある一方で、商品名が一般化したデュポン社のケブラー(アラミド)、DMS社のダイニーマ(高密度ポリエチレン)、ダウ・ケミカルと東洋紡が共同量産化したザイロン(PBO:ポリパラフェニレン･ベンゾビス･オキサゾール)等 が存在し、それぞれのエンプラが持つ耐衝撃性や熱伝導性、難燃性といった特性向上が期待されます。

繊維強化プラスチック（FRP）は安価で軽量性や耐久性に優れることから、小型船舶の船体や、航空機、自動車・鉄道車両の内外装、ユニットバスや浄化槽などの住宅設備機器など幅広い分野で使用されています。
特に、＜図2＞にみられるように、炭素繊維強化プラスチック（CFRP）は自動車や航空機の低燃費化、軽量化の手段として、構造部品に利用され始めています。

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2＞～＜表7＞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。

主に用いられているのはエポキシ樹脂です。金属と比較しても比強度や比剛性が高い特徴を持ちます。しかし、成形サイクルタイムが長く、リサイクル性に劣るため、成形時間短縮と高生産性を課題とした研究開発が進められています。

射出成形やプレス成形に適しているため、成形サイクルタイムが短く、生産コストが安価で、リサイクル性もあります。しかし、熱硬化性樹脂に比べて強度が劣り、繊維への含浸が難しく、熱可塑性の生産性を維持したままいかに機械的強度を上げていくかを課題とした研究開発が進められています。

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。

繊維強化プラスチック（FRP）の成形の場合、
・樹脂が繊維に十分に行き渡らない
・繊維が樹脂に十分に充填できない
・含有させた繊維の異方性が原因で発現する成形品の歪み
・含有させた繊維が成形品表層に現れてしまう
などの問題が起こりうるため、これらに注意して成形加工する必要があります。

FRPの成形では、マトリックス樹脂の種類や繊維形態（連続繊維、不連続繊維）により、様々な成形法が用いられています。
代表的な成形法とその特徴、用途を説明していきましょう。

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。

シート状の繊維を重ねてプレスし、成形する方法です。

ここでは、代表的な繊維強化プラスチック（FRP）について解説しました。他の記事では、プラスチック材料の物性測定についても分かりやすくまとめていますので、そちらもあわせてご参考ください。

※2019年11月27日：加筆修正し再アップ
※2018年08月01日：初回公開