持続可能な社会に必要となる高強度･多機能性連続繊維強化熱可塑性プラスチックの研究

概要

３版

様 式 Ｃ−１９、Ｆ−１９−１、Ｚ−１９ （共通）

科学研究費助成事業  研究成果報告書
平成 ３０ 年

６ 月 ２１ 日現在

機関番号： １３６０１
研究種目： 基盤研究(B)（一般）
研究期間： 2014 ∼ 2017
課題番号： ２６２８９００５
研究課題名（和文）持続可能な社会に必要となる高強度･多機能性連続繊維強化熱可塑性プラスチックの研究

研究課題名（英文）Research on high strength, multifunctional continuous fiber reinforced
thermoplastic required for sustainable society
研究代表者
鮑 力民（BAO, LIMIN）
信州大学・学術研究院繊維学系・教授

研究者番号：１０２６２７００
交付決定額（研究期間全体）：（直接経費）

12,400,000 円

研究成果の概要（和文）：繊維強化複合材料(FRP, 熱硬化性樹脂を使用)は高比強度で, 広い分野に普及し発展
している. FRPのリサイクルが困難なこと, 難成形性などのため, 母材に再利用しやすい熱可塑性樹脂を使用す
ることが注目されている. ただし, 今までの連続繊維強化熱可塑性プラスチック(FRTP)の成形法では, FRTPの繊
維含有率がFRPより低く, 強度はFRPの1/3程度になっている. 本研究では, FRTPの溶剤セミプリプレグ成形法を
提案する. 従来成形法と同等な手間で FRPなみの強度と多機能性のFRTPを実現した.また, FRTPに適した高コス
トパフォマンスのCFRTPリサイクル法も提案した.

研究成果の概要（英文）：Fiber-reinforced composite materials (FRP, usually used with thermosetting
resin) are high strength and high elastic modulus, and it is widely developed and used in wide
fields such as airplanes and automobiles.Because of the difficulty in recycling and long molding
time of FRP, the use of reusable thermoplastic resins as matrix is a research trend. However, the
FRTP which produced by the continuous fiber reinforced thermoplastic (FRTP) molding method has lower
fiber content than FRP and its strength is only about 1/3 of FRP.In this research, we propose using
FRTP solvent semi-prepreg molding method.A new type of multi-functional FRTP was realized with the
same effort as the conventional FRTP molding method and has FRP-like strength.In addition, we also
proposed a high cost performance CFRTP recycling method that is suitable for FRTP and confirmed its
effectiveness.

研究分野： 複合材料工学・繊維応用力学
キーワード： FRTP 高力学特性 リサイクル

様 式 Ｃ−１９、Ｆ−１９−１、Ｚ−１９、ＣＫ−１９（共通）
１．研究開始当初の背景

(30%以下), 材料強度は FRP よりはるかに低

資源の枯渇が現実のものとなり, 地球環境
の保全は人類の大きな課題となっている. こ
の発展的持続可能な社会における材料開発
の方向として, 多機能化と易リサイクル性が
強く要請されている. 本研究は先進繊維強化

い(FRP の 1/3 程度). 世界的に実験室レベルの
FRTP の最大繊維含有率も 40%以下で, FRTP
は FRP を代替するために解決すべき問題が
多くあり, 現在構造材料としてはほとんど使
用されていない状況にある.

熱可塑性プラスチック(FRTP)を用いて上記
要請に応えるものである. 繊維強化複合プラ
スチック(FRP)とは異なった材料(連続強化繊
維・熱硬化性樹脂)を組み合わせて作られたも
ので, 単一材料にはなかった優れた特性を持
つ材料である.

FRP の特徴のひとつは強く

かつ軽いことであり, すなわち FRP の比強度
(材料の強度を比重量で除した値)が普通の金
属材料に比べて極めて大きいことである．ま
た, 複合による多機能化により，FRP は小型
化・軽量化の低エネルギー消費時代的要求に
合致し，宇宙機器から航空機，船舶，エネル
ギー機器，スポーツ用品などの身近なものま
で広い分野で用いられている.

しかし, FRP

が高強度繊維と主に熱硬化性樹脂構成のた
めリサイクルが困難で, 樹脂の硬化時間が必
要なことから, 成形時間が長く, 車部品のよ
うな大量生産が必要なものに向いていない.
さらに脆い熱硬化性樹脂の使用で, 耐衝撃特
性が低い. 低エネルギー消費･循環型社会に
向かっている今日, 材料の多機能化と再資源
化が要求されている.
一方, 射出成形法で作られた熱可塑性樹脂
を用いた短繊維(ガラス, カーボン)の繊維強
化熱可塑性プラスチック(FRTP)は優れたリ
サイクル性と短時間で成形できることから,
多くの産業現場で使用されている. しかし強
化短繊維のためその比強度などが低く, 構造
材料には不十分で, 金属代替はし難い. 連続
繊維 FRTP については, 世界で多くの研究者

２．研究の目的
省エネルギー消費･循環型社会を目指して,
FRP なみの比強度(繊維含有率が 60%以上)で,
衝撃特性がよく(FRP より 50%向上), 優れた
リサイクル性を持つ熱可塑性樹脂を利用し
た連続繊維強化プラスチック（FRTP）の成形
法を確立し, 繊維含有率を向上するメカニズ
ムを追究し, FRTP のリサイクル法を確立し,
高力学特性と多機能性を持つ FRTP の実現を
目指す.
３．研究の方法
複合材料の強度を大きく左右している連
続繊維 FRTP の繊維含有率に対して本研究室
では溶剤セミプリプレグ成形法を世界で初
めて提案し, いままで FRP に多く使用されて
い る カ ー ボ ン 繊 維 (CF) と ガ ラ ス 強 化 繊 維
（GF）などに対して, 提案した溶剤セミプリ
プレグ成形法の適用を試みる.

最適な成形

条件をもとめる.
FRP なみの比強度を持ちながら, 優れた衝
撃特性や耐エロージョン特性や再成形性な
どを追求し, 実現できれば, 優れたリサイク
ル性を持つ多機能な CFRTP と GFRTP への期
待がさらに高まる.
FRTP では熱可塑性樹脂の使用により再加
熱成形が可能でリサイクルしやすくなり, 低
コストかつ高力学特性リサイクル材を得る
リサイクル法を提案し, 低燃費と低エネルギ
ー消費社会に貢献する.

と企業が研究している. しかし, 熱可塑性樹
脂は溶融粘度が高く, 連続繊維束中に含浸し

４．研究成果

にくく, 今までの成形法では高い繊維体積含

4.1 連続繊維強化 FRTP の溶液プリプレグ法

有率(材料中の繊維の占める割合)が得られず

の提案

高力学特性を持つ高繊維含有率の FRTP を
目指して,

率の測定結果である. CFRTP の繊維含有率が

本研究では, 繊維間のわずかな

大きいほど, 引張り強度と弾性率が大きくな

隙間も含浸できるように, 熱可塑性樹脂の粘

る. CFRP(VaRTM 法で成形)の繊維含有率が

度も熱硬化性樹脂と同じように低くして使

CFRTP の試験片と比べて低いので, 引張り強

用することを考えて,

図 1 のような溶液プ

度と弾性率が低い値を示しているが, 複合則

リプレグ法を提案した. 熱可塑性樹脂を溶剤

を用いて Vf45%を 65%に換算して考えるとほ

に溶かし, 低粘度にして連続繊維の織物に含

ぼ CFRTP に近い値になっている. 提案した

浸させ, 真空加熱により溶剤を揮発させ, 織

方法の有効性を確認した.

物シートを予備成形する. 今までの FRTP を
成形するプロセスと同様に, 出来上がったプ
リプレグを数枚から数十枚重ねて,金型によ
り, ホットプレスを用いて高圧状態で FRTP
を成形することができる.
樹脂を溶かす

4.3 耐熱性がよいエンプラ樹脂への適用
FRP に一般に使われている熱硬化性樹脂
(エポキシなど)はその使用最高温度は 110℃
前後であるが, 汎用熱可塑性樹脂は 100℃以
下であり, その用途が低温域に限定されてし

真空加熱
含浸

まう. 一方, 100℃以上の環境に使用できるエ
ンプラ(Engineering plastic)とスーパーエンプ
ラ ( 熱 可 塑 性 樹 脂 : PA(Nylon) や PEI
(Polyetherimide)など)が開発され, 航空・宇宙･

FRTP

プレス

プリプレグ

自動車材料として, 使用されている. それら
を繊維強化プラスチックの母材として応用
する際, エンプラとスーパーエンプラの分子

図 1. 提案した熱可塑性樹脂を使用した溶液
プリプレグ法による FRTP の成形
4.2 溶液プリプレグ法の応用Ⅰ−汎用熱可
塑性樹脂
連続強化繊維はカーボン繊維織物(東レ
(株), T300, 198g/m2)を, 汎用性熱可塑性樹脂
は結晶性ポリエステル(PET, バイロン, 東洋
紡(株))を用いて, 提案した方法で,

CFRTP

を成形した.

量が普通のプラスチックよりかなり大きく,
溶融時の粘度が高く, フィルム積層法で成形
する際, 連続繊維間にさらに含浸しにくくな
り, 高力学特性を持つ FRTP の実現が困難と
なっている. そこで提案した FRTP の溶液プ
リプレグ成形法を利用してエンプラとスー
パーエンプラを母材とした FRTP を作成する
ことにより, 高力学特性かつ高耐熱性をもつ
FRTP を開発する.

600
400

成形した CFRTP は繊維含有率が高く, 65%
になった. 図 2 は CFRTP の引張り強度と弾性

CFRTP
(PA66)
Vf: 62%

CFRTP
(PEI)
Vf: 62%

100
75
50

200
0

図 2 CFRTP の引張り強度と弾性率

CFRTP
(PET)
Vf: 64%

換算値

CFRP
(Epoxy)
Vf: 46%

25
0

図 3 CFRTP の引張り強度と弾性率

引張り弾性率 (GPa)

引張り強度 (MPa)

800

ンのほとんどが現状,埋め立てられている．

ガラス転移点 (℃）

300
236℃

性樹脂は加熱再成形が可能であることから,

193℃

200

FRTP
(PEI)

100

93℃
70℃
FRP
(Ep)

0

いままで, 短繊維強化 FRTP にある熱可塑

FRTP
(PA66)

FRTP
(PET)

図 4 CFRP と CFRTP のガラス転移点(Tg)

回収した FRTP を粉砕し, 樹脂追加し, 得
られた FRTP チップを射出成型法で再成形
することが研究されている. 研究の当初,
短繊維強化 FRTP リサイクル法のように,
連続繊維強化 CFRTP を粉砕し, 樹脂追加
し, 得られた FRTP チップを射出成型法で
再成形することを試みた. リサイクルが可

高耐熱 FRTP の成形にあたり, よく使用さ

能で, 一定な有効性が示された. しかし,

れているエンプラの一種の PA66(Nylon 66,

射出成型用の FRTP チップまで粉砕するこ

Sigma-Aldrich(株), 分子量:約 22000)と, スー

とは高コストで, 成形したリサイクル

パ ー エ ン プ ラ の 一 種 の PEI(Polyetherimide,

FRTP は繊維の長さが短く,

Sigma-Aldrich (株), 分子量:約 35000)を用い
た.
図 3 は CFRTP の引張り強度と弾性率の測
定結果である. CFRTP の繊維含有率が向上
したことにより, CFRTP の大きな強度が得
られることがわかる.
FRTP の耐熱特性は, 高温環境に使用する
際, 重要な要素の一つである. それらを調べ
るために,使用温度と相当する材料のガラス
転移点(Tg)を測定して, 図 4 にまとめた. 汎用
樹脂の PET を使用した CFRTP の耐熱性はエ
ポキシ樹脂よりやや低いが, エンプラの
PA66 やスーパーエンプラの PEI を使用した
CFRTP は FRP(エポキシを利用)より高い耐熱
性を示している. PEI 樹脂を使用した FRTP の
Tg は 230℃以上になっている. エンプラとス
ーパーエンプラを母材とした CFRTP が高耐
熱性を示すことが実証された.

劣化した樹

脂も混ざっているので, かなり低力学特性
になった. ここで, 本研究で開発した高繊
維含有率(高力学特性)を持つ FRTP の成形
法では, 溶剤を利用して熱可塑性樹脂を溶
かしてプリプレグを作成していることをヒ
ントとして, 溶剤リサイクル法を開発した.
図 5 に示したように, 回収した廃棄され,
大きさがバラバラの FRTP を, ある大きさ
にカットし(たとえば: 20mm×20mm),

剤に浸漬し, 各層分離した強化繊維シート
チップと熱可塑性樹脂の溶液を取り出すこ
とができた. その繊維シートチップを振動
機にかけると, 均一なチップが重なった積
層シートになり, それに, 回収した熱可塑
性樹脂の溶液(新熱可塑性樹脂を部分追加)
を注入し, 今まで成功した溶液溶剤 FRTP
成形法と同様に, 繊維シートチップ状の
FRTP(LCFRTP)を成形することができた.

また, 提案した方法で, 木材由来のセルロ
ース樹脂を用いたグリーンコンポジットの
成形も成功し, TPU 樹脂を用いたソフトコン
ポジットの成形も可能になった.
4.4 高コストパフォーマンスの CFRTP リサ
イクル法の提案

FRP は熱硬化性樹脂なのでリサイクル
が非常に困難で, 年間廃棄物量約 40 万ト

溶

図5

CFRTP の溶剤リサイクル法

図 6,7 は成形した LCFRTP などの弾性率と

Materials,

強度は今までの射出成型法で再成形する
FRTP (SCFRTP)より, 弾性率が 300%増加し

accepted,

DOI:

10.1177

/0892705718759388
2.

Liu Bing, Zhu Peng, Bao Limin. Effects of

引張り強度も 400%増加している. かつ加工

hot water absorption and desorption on solid

コストも半分以下になり, かなり有効な方法

particle

と確認した.

terephthalate)-based composites. J Fiber

erosion

of

poly

(ethylene

Bioeng Inform. accepted, DOI: 10.3993/
jfbim00285.

3.

Yu-Chun Chuang, Limin Bao, Pey Yu
Chen, Ching-Wen Louand Jia-Horng Lin,
Buffering

sandwiches

made

of

thermoplastic polyurethane honeycomb
grids:

Manufacturing

technique

and

property evaluations, Journal of Sandwich
Structures and Materials, accepted, DOI:
図 6 リサイクル CFRTP の弾性率

10.1177/1099636217739547
4.

Fangtao Ruan and Limin Bao, Effect of
covering filaments on the compression
performance and failure mechanism of
unidirectional

fiber-reinforced

plastic,

Polymer Composites, 39(1), 247–253(2018)
5.

Limin

BAO,

Yuki

KEMMOCHI,

MIURA,

Kiyoshi

Improving

bending

characteristics of FRP sandwich structures
with

図 7 リサイクル CFRTP の強度
また、それ以外に熱可塑性樹脂 FRTP は熱
硬化性樹脂の FRP より耐エロージョン特性
の優位性が堅調で, 優れていることが判明し,
それらを利用して, 熱可塑性樹脂の成形特徴
を利用して, 耐エロージョン特性に優れた
PBO 繊維が一方向材強化繊維(カーボン)をカ
バーする新織り構造のハイブリット FRTP を
提案した. 提案した新型ハイブリット FRTP
は一方向材 CFRP の優れた力学特性を持ちな
がら, PFRP(PBO 繊維強化プラスチック)の高
耐エロージョン特性も兼ねていることが分
かった. 詳細は発表した論文を参照してくた
さい.

6.

of

Thermoplastic

Composite

Advanced

Limin BAO, Takuya OKAZAWA, Anchang
XU, Jiang SHI, A simple repair method for
GFRP delamination using ultraviolet curable
resin,

Advanced

Composite

Materials,

27,3,349-259(2018)
7.

Peng

Zhu,

Preparation

Bing
of

Liu,

Limin

double-coated

Bao,
TiO2

nanoparticles using an anchoring grafting
method and investigation of the UV
resistance of its reinforced PEI film,
Progress

in

Organic

Coatings,

104,

81-90(2017).

Bao, Investigation of the recycling of

Journal

webs,

Composite Materials, 27, 2, 221-233, 2018

５．主な発表論文等
〔雑誌論文〕
（計 19 件）18 件のみ記載する
1. Bing Liu, Peng Zhu, Anchang Xu and Limin

continuous-fiber-reinforced thermoplastics,

reinforcement

8.

Bing Liu, AnchangXu, LiminBao, Erosion
characteristics and mechanical behavior of

new structural hybrid fabric reinforced

Advanced

polyetherimide composites, Wear, 368-369,

81-93(2016).

335-343(2017).
9.

Composite

Materials,

16. 鮑 力民，劉 兵, 徐 安長, 剱持

25,

潔, 高

Bing Liu, Anchang Xu and Limin Bao,

繊維含有率・高耐熱性を有する連続繊維

Preparation

強化FRTPの成形法, 強化プラスチック,

of

carbon

fiber-reinforced

thermoplastics with high fiber volume
fraction and high heat-resistant properties,
Journal

of

Thermoplastic

61, 4 , 193-197(2015).
17. BAO

Composite

WAKATSUKI,

FUKUDA,

Hideaki

Chika,

RUAN

method for self-healing of CFRP using

10. Limin BAO, Yanling WANG1, Takeichiro
Yasuhiro

UCHIJO

Fangtao and KEMMOCHI Kiyoshi, A

Materials, 30, 5, 724-737(2017).
BABA,

Limin,

optical fibers, Journal of Textile Engineering,

Kaoru

Vol.61, No.3, 23-29(2015)

MORIKAWA,

18. Jian Shi, Limin Bao and Kiyoshi Kemmochi.

Development of a high-density nonwoven

Effect of Solvent on Adhesion Property of

structure to improve the stab resistance of

Glass Fiber Recycled by Superheated Steam.

protective

Advanced Materials Research, 1125(2015),

clothing

material,

Industrial

Health, 55, 513-520 (2017)

pp.286-289.

11. Bing Liu, Limin Bao, Anchang Xu, Effect of
fabric orientation and impact angle on the
erosion

behavior

of

high-performance

thermoplastic composites reinforced with
ductile fabric, Wear, 352-353, 24-30(2016).
12. Fangtao

Ruan,

Limin

Bao.

Improved

longitudinal compression performance of a

〔学会発表〕
（計 30 件）1 件のみ記載する

1. ...

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