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炭素繊維に関する文献


炭素繊維

炭素繊維は1959年アメリカのユニオンカーバイド社(UnionCarbide)がレーヨンを原料として開発しました。現在では原料や性能の異なる種々の製品が生産され、主に複合材料として利用されています。炭素繊維はレーヨン、アクリルなどを前駆体とする製造方法と、石油、石炭などのピッチを原料として紡糸し製造するふたとおりの方法があります。

有機繊維を前駆体とする方法はレーヨンを原料として始まりましたが、現在ではポリアクリロニトリルを原料とするPAN系が主力になりました。PAN系炭素繊維はアクリル繊維を空気中で200〜300℃で加熱酸化して耐炎火繊維とし、続いて不活性ガス中で1000〜1800℃の高温で処理して炭化することによって炭素繊維になります。

さらに樹脂との接着性をよくするために表面処理を行い、サイジングして製品にします。炭素繊維を不活性ガス中で更に2000〜3000℃で処理すると黒鉛繊維が得られます。黒鉛繊維は一般的に、炭素繊維に比べて強度が低下し、弾性率が向上します。

ピッチ系炭素繊維は石油、石炭のピッチを紡糸し、織物にしてから空気中で200〜400℃で繊維形状の固定化のため、表面処理を行います(不融化)。次いで、PAN系と同様に処理して炭化、黒鉛化を行い炭素繊維、黒鉛繊維とします。ピッチ系は炭化率は80%以上で、PAN系が50%程度であるのに対し、コスト的には有利といえます。また、ピッチ系は、弾性率が高いのが特徴ですが、圧縮強度が低いのが弱点で、用途が限定されます。

炭素繊維は単位質量当たりの強度、弾性率(比強度、比弾性率)が優れた特性を利用し、軽量化効果が発揮しやすい、宇宙・航空機分野及び自動車分野で複合材料の基材として使われています。また、釣り竿、ゴルフシャフト、テニスラケットなどのスポーツ・レジャー用品にも優れた力学的特性が認められて急速に普及し、特に、日本や東南アジアでは、これらの需要が中心になっています。

炭素繊維はアメリカで生まれたものですが、現在の主力であるPAN系やピッチ系はいずれも日本で研究開発されたものです。炭素繊維の生産能力はPAN系が1年当たり約1万トン、ピッチ系が1年当たり約2000トンですが、その約60%は日本が占めています。

活性炭繊維

活性炭素繊維は吸着剤としての性能をもつ炭素繊維でレーヨン、アクリル、フェノール系、及びピッチ系などの繊維を原料とします。有機繊維を原料とするときは耐炎化、ピッチ系繊維では不融化を行った後、炭化、賦活します。700〜1000℃で炭化を行い、主に水蒸気で賦活します。

粒状活性炭は一般にマクロポア(1000〜2000Å)、トランジッショナルポア(16〜1000Å)、ミクロポア(15Å以下)に分類される様々な大きさの細孔が存在し、そのうち直接的に吸着に関与するのはミクロポアです。活性炭素繊維はミクロポアだけが形成されるため、粒状活性炭に比べ、表面積が広く、吸着能は数倍、吸着速度は数百倍といわれています。

また、活性炭素繊維は、シート状、ハニカム状など多用な形に加工しやすい特徴があります。乾式複写機やレーザープリンタのオゾン除去フィルター、自動車室内空気清浄機用フィルターなど各種環境浄化に利用されています。

注記:Åについて

呼び方:オングストローム
単  位: 1億分の1cm(0.00000001cm)
例 1 :水の分子(H2O)は、10Å以下(1000万分の1cm)
例 2 :0.000000001cc(10億分の1cc)の水は、約350兆の分子(H 2O)で構成されています。
例 3 :”1Å”をCDの大きさとして考えると、CDの大きさは地球が少し小さくなった程度の大きさになる

金属繊維

金属繊維の製法には
   @ 線材をダイスに通して引延する線引き加工法
   A 金属ブロックを刃物で削り、短繊維を作る切削法
   B 金属を溶融状態から一挙に細線化する溶融紡糸法などがあります。

金属繊維は電気伝導性、熱伝導性が高く、一般の有機繊維に比べ耐熱性があり、機械的強度も優れています。ステンレス鋼繊維は導電性材料、電磁波シールド材、繊維強化複合材料などに、鉛繊維は軟質塩化ビニルなどのフイルムに混入して、工事現場や音楽室などの防音カーテンに利用されています。

ボロン繊維

ボロン繊維はタングステン線を芯材として、化学蒸着法により製造されます。機械的特性が優れ、特に、圧縮強度が引張り強度の2倍もあるユニークな材料です。繊維強化プラスチック(FRP)や繊維強化金属(FRM)などの複合材料として宇宙・航空機分野、スポーツ・レジャー用品に利用されています。

アルミナ繊維(セラミック繊維)

アルミナ繊維は代表的なセラミック材料のアルミナ(A1203)を含む多結晶の繊維です。アルミナは融点が2040℃と高く、融液の粘度も低いため、溶融紡糸ができないので、アルミニウムを含む粘液を紡糸して前駆体繊維として、1000℃以上で焼成してアルミナ繊維にします。

ほかの無機繊維に比べ耐熱性が優れ、電気絶縁性であることが特徴です。耐熱材料や複合材料としてゴルフクラブシャフト、研磨治具などに利用されています。表3。2に各紙経の性質を示します。

ガラス繊維

ガラス繊維は1940年ごろアメリカで開発されました。そのガラス繊維を織物にして、やはり当時合成されたばかりの不飽和ポリエステル樹脂を流し込んで成型し、ガラス繊維強化複合材料が開発されました。第2次世界大戦中にアメリカで、軍用機の燃料タンクとして実用化されました。現在、ガラス繊維は日本国内で65万トン以上生産され、その2/3が長繊維で、1/3が短繊維です。

ガラス繊維用のガラスの組成は、板ガラスやコップのガラスとは成分が異なっていて、ソーダ石灰ガラスに近いものから、アルカリ成分の極めて少ないものまで用途により使い分けられています。一般に、アルカリ成分の少ないものは、耐熱性、耐食性、強度などの点で優れています。

ガラス繊維は機械的強度が極めて高く、伸びがほとんどなく、電気絶縁性、耐熱性も極めて高く、不燃性です。その反面、屈曲と摩擦に弱く、もろい性質があります。

長繊維のほとんどはアルカリ含有率1%以下のホウケイ酸ガラスで作られたEガラスです。Eガラスは電気絶縁用として実用化され、今日では、強度や耐熱性などの特性から強化プラスチック補強剤として、ボート、自動車、航空機、浴槽、スキー板、ヘルメットなどに大量に使われています。建築分野では、ガラス繊維織物に四フッ化エチレン樹脂をコーティングして、ドームの膜素材に使われています。

ガラス繊維の直径は3〜2μmで、細いものは防炎カーテン、電気絶縁用クロス、産業資材用クロスとして、太いものは複合材料の基材として使い分けられています。

短繊維用のガラスはアルカリ含有率8〜14%のソーダ石灰ガラスが主に使用されています。ガラス短繊維は、溶融したガラスを高速の気流で吹き飛ばし製造され、グラスウールと呼ばれています。直径は5〜7μm、長さは10〜50mm程度に分布しています。この綿状のガラス繊維にフェノール系のバインダーを吹き付けて、成型したり、シート状にして断熱材や防音材として利用されています。

特殊なガラス繊維としては、ガラス光ファイバーがあります。ガラス光ファイバーは酸化ケイ素を主成分とする多成分ガラスですが、原料には高純度酸化物粉末が必要で、精製には高い技術を要します。胃カメラなどの医療機器や通信用コードなどに使われています。

超繊維

アルミ合金、チタン合金、ペリウムなどの金属、SiO/Al(炭化ケイ素繊維強化アルミニウム)などのFRM(繊維強化金属)及びCFRP(炭素繊維強化プラスチック)があります。中でも炭素繊維強化エポキシ樹脂のCFRPは、比強度(強度/密度)、比剛性(弾性率/密度)が高く、成形加工性が優れているので、太陽電池パネル、アンテナ・リフレクタなどに多く使われています。

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