繊維強化プラスチック(FRP,GFRP)入門

強化用繊維の生産において、細い繊維を束ねて1本の糸とする時に、束ねる役割を果たすのがプラスチック強化繊維用バインダ—(binderforplastics-reinforcingfibers)です。このバインダーは繊維を丈夫にして取り扱いやすくするとともに、この繊維を用いて強化プラスチックにする時には、作業性向上と、できた複合材料の機械強度の向上に寄与します。

複合材料は強化用繊維、マトリックス樹脂のもっている特長を最大限に生かすように組み合わせて作られますが、強化用繊維の表面にはバインダーが付着していて両者の界面に存在するため、その性質ができあがった複合材料の性質を決定づける役割を担うこととなります。

強化繊維用バインダーの役割

・強化用繊維の生産を容易にする。
・マトリックス樹脂と組み合わせて成形する作業を容易にする。
・強化用繊維とマトリックス樹脂の界面で作用し、両者の特長を最大限に発挿させる。

ガラス繊維用バインダーの構成成分

ガラス繊維用バインダーの役割は先ほど簡単に触れました。この役割は他の薬剤との併用によってより効果的に発揮されるよう工夫されています。サイジング剤を構成する成分のうち、通常よく用いられるものは次のようなものです。

①繊維を束ね、繊維表面を保護する成分であるバインダー(造膜剤あるいはフィルムフォーマーとも呼ばれる)
②ガイドや繊維どうしでこすられても滑りやすくしたりして、毛羽が立たないようにするための成分である潤滑剤、帯電防止剤
③ガラス繊維とマトリックス樹脂とを化学結合で連結させ、できあがった複合材料の強度を向上させる成分であるカップリング剤

バインダー

バインダーは通常、水で希釈できる樹脂エマルションのかたちで用いられます。処理後乾燥するだけで強い粘着性もしくは皮膜形成性を発揮し、繊維どうしを束ねます。しかし、ただ単に繊維を束ねればよいというわけではありません。繊維表面を被覆している主成分であるため、マトリックス樹脂との相性が重要になります。

相性は、①マトリックス樹脂液に埋め込まれる際の含侵性、②マトリックス樹脂との相溶性や反応性、が主となります。

カップリング剤

サイジング剤成分の1つであるカップリング剤も、バインダーとの相乗効果を狙って使用され、複合材料の強度耐久性に重要な役割を果たしています。

ガラス繊維の主成分はケイ素酸化物です。これは化学的には極めて不活性で、特殊なものとしか反応せず、マトリックス樹脂と反応することは期待できません。そこで登場するのがカップリング剤です。この化合物は、分子中にガラス繊維表面と反応する部分と、マトリックス樹脂と反応する部分をもっています。ガラス繊維と反応する部分としてメトキシシリル基を、マトリックス樹脂、例えば不飽和ポリエステル樹脂と反応する部分として不飽和基を有するカップリング剤の作用機構を下図に示します。

図　カップリング剤の作用機構

強化用繊維が炭素繊維の場合でも、バインダーの役割、作用機構はガラス繊維の場合と同じです。しかし、炭素繊維は繊維自身が化学的にガラス繊維よりさらに不活性なので、カップリング剤はそれほど有効には働きません。バインダー、マトリックス樹脂との親和性を向上させるため、炭素繊維の機械的な物性を阻害しない範囲で酸化処理が施され、繊維表面に>C=O基、-COOH基などの官能基が導入されています。 

強化用繊維の種類、マトリックス樹脂の種類によって使用されるバインダーは異なります。ガラス繊維、炭素繊維それぞれの場合に使用されるバインダーの代表的なものを下表に示します。

FRPの代表的組み合わせであるガラス繊維(強化用繊維)と熱硬化性樹脂(マトリックス樹脂)のバインダーとしては、ポリ酢酸ビニルエマルションが主体となっています。ポリ酢酸ビニルエマルションは、可塑剤の添加によってフイルムの硬さを比較的容易に調整できるというメリットがあります。また、ケン化することによって親水性を与えたり、マトリックス樹脂との親和性をコントロールすることもできます。こうしたことから、同エマルションがバインダーの主体として使用されています。

ガラス繊維用バインダーを使用する場合、先に述べたように相乗効果を期待して種種の薬剤を混ぜた液として使用されます。この液をサイジング剤といって、その処方はマトリックス樹脂の種類によって異なります。

下表は熱硬化性樹脂を用いる場合のサイジング剤処方の一例です。バインダーはポリ酢酸ビニルエマルションが主体で、カップリング剤はマトリックス樹脂によって異なります。不飽和ポリエステル樹脂の場合はビニル基含有カップリング剤が、エポキシ樹脂の場合はグリシジル基またはアミノ基含有のカップリング剤が使用されます。

炭素繊維用のサイジング剤については以下ページをご参照下さい。

炭素繊維用集束剤(サイジング剤)『ケミチレン』

炭素繊維強化プラスチック(CFRP)入門

ガラス繊維用バインダーの複合材料の強度に対する具体的効果を見てみましょう。下表に、バインダーとカップリング剤の組み合わせを変えて作成したガラス繊維と、マトリックス樹脂としてナイロン66を用いて作成した複合材料の初期強度、熱水浸漬後の強度、およびその保持率を示します。バインダーとカップリング剤の相乗効果が認められる例となります。 

下表にマトリックス樹脂としてポリプロピレン樹脂を使用し、これに対して親和性、密着性の良好なバインダーとそうでないものを使用した場合の比較を示します。親和性の良いバインダーを用いた場合は複合材料物性が良好となります。

以下に、マトリックス樹脂側に酸変性PPを添加してガラス繊維の分散性を向上させた例を紹介いたします。

酸変性PPであるユーメックスを添加すると　ガラス繊維を分散させたPP樹脂の曲げ強度等の機械物性が向上します。