(1)炭素繊維強化ポリプロピレン
炭素繊維強化ポリプロピレン
の界面接着性と力学特性の
評価
システム創成学専攻
安全評価工学研究室
修士課程2年
086383 山内 美穂
指導教員 高橋 淳 教授
発表構成
研究背景
研究背景
実験a 界面せん断応力測定
実験Ⅰマイクロドロップレット法
実験Ⅱフラグメンテーション法
実験b CFRTPの力学特性の評価
実験Ⅲ静的三点曲げ試験
実験Ⅳアイゾッド衝撃試験
結論と今後の課題
研究背景
CFRPの特徴
課題
利点
CFRTS 熱硬化性樹脂(Thermo-setting resin :TS)
高コスト
大規模な成形設備
長い成形時間
リサイクルが難しい
課題
耐熱性
耐薬品性
比強度
疲労特性
利点
CFRPを量産車に適用するには
熱可塑性樹脂(Thermoplastics resin :TP)の利用
コスト低減、迅速成形、リサイクルの実現
研究背景
CFRPの特徴
CFRTP 熱可塑性樹脂(Thermoplastics :TP)
利点 課題
加工性
補修性
リサイクル性
利点 課題
強化繊維とマトリックス樹
脂の界面接着性が不十分
樹脂 界面せん断強度[MPa]
未処理繊維 表面処理繊維
炭素繊維/熱可塑性樹脂の接着性向上技術の開発
CFRTP材料技術・生産技術開発・確立による用途拡大のための主要課題
未処理繊維 表面処理繊維
エポキシ 13 37
ポリプロピレン 3 6
本研究の目的
改質処理された繊維 樹脂
目的：界面せん断強度の測定による繊維/樹脂改質処理効果の評価
繊維強化材の力学特性と界面接着性の関係の評価
実験Ⅲ曲げ試験
実験Ⅰマイクロドロップレット法
改質処理された繊維・樹脂
界面せん断強度の測定
実験 a
複合材料の力学特性の測定
実験 b
実験Ⅳ衝撃試験
実験Ⅱフラグメンテーション法
発表構成
研究背景
研究背景
実験a 界面せん断応力測定
実験Ⅰマイクロドロップレット法
実験Ⅱフラグメンテーション法
実験b CFRTPの力学特性の評価
実験Ⅲ静的三点曲げ試験
実験Ⅳアイゾッド衝撃試験
結論と今後の課題
炭素繊維の生成過程、繊維表面処理
耐炎化炉 炭素化炉 黒鉛化炉
PAN繊維
空気雰囲気中で酸化
（250〜350℃で30〜60分）
不活性ガス雰囲気中
10時間程蒸焼き
（1000〜2000℃）
（2000〜3000℃）
表面処理
サイジング
炭素繊維
アンサイズ
・EPサイズ
・PPサイズ
実験に使用した繊維・樹脂の種類
繊維a
アンサイズCF
繊維b
ポリプロピレン(PP)用のサイジング剤を塗布したCF
繊維
繊維c
汎用CF（エポキシ樹脂(EP)用のサイジング剤を塗布）
繊維d
繊維cのサイジング剤を改良したサイジング剤を塗布したCF
PPは無水マレイン酸添加量を変更
繊維 PPへの無水マレイン酸添加量
0% 0.5% 1.0% 1.5% 2.0% 2.5%
繊維a a/0% a/0.5% a/1.0% a/1.5% a/2.0% a/2.5%
繊維b b/0% b/0.5% b/1.0% b/1.5% b/2.0% b/2.5%
繊維c c/0% c/0.5% c/1.0% c/1.5% c/2.0% c/2.5%
繊維d d/0% d/0.5% d/1.0% d/1.5% d/2.0% d/2.5%
実験Ⅰ：マイクロドロップレット法による界面せ
ん断強度測定
イク ド プレ ト法の原理
マイクロドロップレット法の原理
複合材界面特性評価装置
MODEL HM410
実験Ⅱ：フラグメンテーション法による界面せん
断強度測定
樹脂製の引張り試験片に単繊維を埋め込む
樹脂製の引張り試験片に単繊維を埋め込む
負荷することにより繊維が破断して臨界繊維長Lcの断片になるま
で引張り荷重を加える
この時の臨界繊維長と繊維直径Dに対する繊維引張り強度がわ
かれば界面せん断強度が求められる
発表構成
研究背景
研究背景
実験a 界面せん断応力測定
実験Ⅰマイクロドロップレット法
実験Ⅱフラグメンテーション法
実験b CFRTPの力学特性の評価
実験Ⅲ静的三点曲げ試験
実験Ⅳアイゾッド衝撃試験
結論と今後の課題
実験Ⅰ：マイクロドロップレット法
試験体作製
炭素繊維
樹脂付けの様子
アルミニウムの台紙 接着剤
実験Ⅰ：マイクロドロップレット法
引き抜き試験
速度0.12mm/min、ロードセル最大荷重200mN
実験Ⅰ：マイクロドロップレット法
測定結果
例 繊維a(アンサイズ)/2.0%無水マレイン酸添加PP
60
80
100
120
140
F[
m
N
]
F
DL
F
F:荷重[mN]
L：埋め込み長さ[μm]
D:繊維の直径[μm]
60
80
100
120
140
F[
m
N
],
τ
[MPa
]
F
τ
0
20
40
0 20 40 60 80 100 120 140
L[μm]
0
20
40
0 20 40 60 80 100 120 140
L[μm]
実験Ⅰ：マイクロドロップレット法
測定結果 界面せん断強度
60
20
30
40
50
界
面せ
ん
断強度[
M
P
a]
0
10
0 0.5 1 1.5 2 2.5
無水マレイン酸添加量[%]
界
繊維a(アンサイズ) 繊維b(PP用) 繊維c(EP用) 繊維d(EP用)
実験Ⅰ：マイクロドロップレット法
測定範囲の上限
が20MPa以上
f
f
ffが35~45MPa以上
樹脂を変形させながらも、
樹脂が繊維から抜ける
樹脂をブレードが押しつぶしてしまう
実験Ⅰ：マイクロドロップレット法
実験のまとめ
繊維の改質
繊維の改質
無水マレイン酸を添加していないPP
PP用サイジング剤を施した繊維が他の繊維と比較して約2倍の
せん断強度となった
無水マレイン酸を添加したPP
EP用サイジング剤を塗布したCFの方がより高い界面せん断強
度を示した
樹脂
改質
樹脂の改質
無水マレイン酸添加により接着性向上の効果は大きかっ
た
発表構成
研究背景
研究背景
実験a 界面せん断応力測定
実験Ⅰマイクロドロップレット法
実験Ⅱフラグメンテーション法
実験b CFRTPの力学特性の評価
実験Ⅲ静的三点曲げ試験
実験Ⅳアイゾッド衝撃試験
結論と今後の課題
実験Ⅱ：フラグメンテーション法
試験片作製
ホットプレス機
PPフィルム
無水マレイン酸
変性なしと2.0%wt
添加のPP
ホッ 機
PPフィルムに1本のCFをテープで貼り、
上からもう1枚PPフィルムを重ねてプレスする
試験片
幅約8mm 厚さ約0.1mm
CF
成形温度180℃
実験Ⅱ：フラグメンテーション法
引張試験
試験片
0.5μm/sで引張る
ロードセル
ジャパンハイテック顕微鏡用冷却加熱延伸観察ステージ10073B
実験Ⅱ：フラグメンテーション法
顕微鏡での観察
実験Ⅱ：フラグメンテーション法
顕微鏡での観察
破断繊維長
c
f
i
L
D
2
σｆ：繊維強度
D:繊維の直径[μm]
Lc：臨界繊維長
実験Ⅱ：フラグメンテーション法
測定結果 界面せん断強度
25
10
15
20
25
界面
せん
断強
度[
M
P
a
]
0
5
繊維a 繊維b 繊維c 繊維d
0[%] 2[%]
アンサイズ PP用 EP用 EP用
実験ⅠとⅡ
界面せん断強度測定結果の比較
0
10
20
30
40
50
60
界面
せん
断強度[
MPa
]
0
10
20
30
40
50
60
界
面せん
断強
度[
M
P
a]
PPの無水マレイン酸変性なし PPの無水マレイン酸2.0%変性
0
繊維a 繊維b 繊維c 繊維d
ドロップレット フラグメント
0
繊維a 繊維b 繊維c 繊維d
ドロップレット フラグメント
2つの手法による結果は相対的な関係は極めて良く一致
しているが、絶対値には2倍以上の差が見られる
実験ⅠとⅡ
ドロップレットとフラグメンテーションによる結果の差
フラグメンテーション法の試験片 PPシートの収縮
の作成時にCFとPPの熱膨張係
数の差に起因して発生する残留
熱応力の影響が考えられる
線膨張率
PP 110×10-6
K-1
CF -1.1×10－6
K-1
～0
温度変化
∆Tは145K(PPの融点
の約165℃から約20℃に冷却)
c
t
f
i
L
D
2
)
(
f
f
t
の約165℃から約20℃に冷却)
残留応力は最大で約3.8GPa(ひ
ずみ換算で約1.6%)が作用する
実験Ⅱ：フラグメンテーション法
実験のまとめ
繊維と樹脂の改質による接着性向上の効果はマイ
繊維と樹脂の改質による接着性向上の効果はマイ
クロドロップレット法で得られた結果と同じであり、相
対的な関係も極めてよく一致していた
熱収縮による残留応力の影響のため界面せん断強
度はマイクロドロップレット法に比べ小さくなった
度はマイクロドロップレット法に比べ小さくなった
発表構成
研究背景
研究背景
実験a 界面せん断応力測定
実験Ⅰマイクロドロップレット法
実験Ⅱフラグメンテーション法
実験b CFRTPの力学特性の評価
実験Ⅲ静的三点曲げ試験
実験Ⅳアイゾッド衝撃試験
結論と今後の課題
実験方法
試験
一方向材
Vf=50%
静的
動的
曲げ試験機 衝撃試験機
繊維b 繊維c
繊維d
静的
動的
無水マレイン酸
0%PP
無水マレイン酸
2.0%PP
繊維方向
繊維と垂直方向
試験片作製
CFシート
230℃ 0.7MPa
プリプレグシート
(1枚当たり30分)
12枚積層して
オートクレーブ成形
プレス成形機
完成
PPフィルム
(1枚当たり10分)
230℃ 0.1MPa
実験Ⅲ静的三点曲げ試験 繊維方向
応力ひずみ線図
1000
300
400
500
600
700
800
900
応力
[M
P
a]
b/0%
b/2%
c/0%
c/2%
d/0%
d/2%
接着性が良くない
接着性が良い
0
100
200
300
0 2 4 6 8 10 12
ひずみ[%]
実験Ⅲ静的三点曲げ試験 繊維方向
試験片の観察
接着性の良くない試験片(d/0%)
圧縮側
接着性の良い試験片(d/2.0%)
引張側
圧縮側 引張側
実験Ⅲ静的三点曲げ試験 繊維方向
試験結果
800
1000
[MP
a]
80
100
G
Pa
]
0
200
400
600
繊維b(PP用)繊維c(EP用)繊維d(EP用)
曲げ
強度
[
0% 2%
0
20
40
60
繊維b(PP用) 繊維c(EP用) 繊維d(EP用)
弾性
率[
G
0% 2%
1 0
1.5
ひ
ずみ
[%
]
0.0
0.5
1.0
繊維b(PP用) 繊維c(EP用) 繊維d(EP用)
最大
荷重
時の
曲げ
ひ
0% 2%
実験Ⅲ静的三点曲げ試験 繊維と垂直方向
応力ひずみ線図
60
20
30
40
50
応力
[M
P
a]
b/0%
b/2%
c/0%
c/2%
d/0%
d/2%
接着性が良い
接着性が良くない
0
10
0 1 2 3 4 5 6 7 8
ひずみ[%]
実験Ⅲ静的三点曲げ 繊維と垂直方向
試験結果
50
60
P
a]
8
10
a]
0
10
20
30
40
繊維b(PP用) 繊維c(EP用) 繊維d(EP用)
曲げ
強度[
M
P
0% 2%
0
2
4
6
繊維b(PP用) 繊維c(EP用) 繊維d(EP用)
弾性
率[G
P
0% 2%
1.5
ず
み[
%]
0.0
0.5
1.0
繊維b(PP用) 繊維c(EP用) 繊維d(EP用)
最大荷
重時
の曲
げ
ひ
ず
0% 2%
実験Ⅳアイゾッド衝撃試験
試験結果
]
0
20
40
60
80
100
120
140
繊維b(PP用) 繊維c(EP用) 繊維d(EP用)
ア
イ
ゾ
ッ
ト
衝撃吸収値[
kJ
/m
2]
0% 2%
実験Ⅲ静的三点曲げ試験
界面せん断強度と力学特性の関係
100
120
G
Pa
]
b/0%
800
1000
a]
b/0%
繊維方向
0
20
40
60
80
0 10 20 30 40 50
界面せん断強度[MPa]
曲げ
弾性率
[G
b/2%
c/0%
c/2%
d/0%
d/2% 0
200
400
600
800
0 10 20 30 40 50
界面せん断強度[MPa]
曲げ
強
度
[M
P
a
b/0%
b/2%
c/0%
c/2%
d/0%
d/2%
繊維と垂直方向
0
1
2
3
4
5
6
0 10 20 30 40 50
界面せん断強度[MPa]
曲げ
弾性率
[G
P
a]
b/0%
b/2%
c/0%
c/2%
d/0%
d/2% 0
10
20
30
40
50
60
0 10 20 30 40 50
界面せん断強度[MPa]
曲げ
強度[
M
P
a]
b/0%
b/2%
c/0%
c/2%
d/0%
d/2%
実験Ⅳアイゾッド衝撃試験
界面せん断強度と力学特性の関係
0
20
40
60
80
100
120
0 10 20 30 40 50
界面せん断強度[ ]
衝撃
吸収値[
kJ
/
m
2]
b/0%
b/2%
c/0%
c/2%
d/0%
d/2%
繊維b/2.0%
界面せん断強度[MPa]
繊維d/2.0%
実験Ⅲ＆Ⅳ
まとめ
界面せん断強度の向上により力学特性が向上した
界面せん断強度の向上により力学特性が向上した
繊維方向
界面せん断強度がある程度高くなると性能は変わらなくなる
繊維と垂直方向
接着性が高くなればなるほど性能は良くなる
積層材の場合、繊維方向と、繊維と垂直方向の両方の力
学特性が必要となるため 界面せん断強度の測定によ
学特性が必要となるため、界面せん断強度の測定によっ
て積層材の力学特性を評価できる
衝撃吸収値は接着性が良いほど大きくなるわけではなかっ
た
発表構成
研究背景
研究背景
実験a 界面せん断応力測定
実験Ⅰマイクロドロップレット法
実験Ⅱフラグメンテーション法
実験b CFRTPの力学特性の評価
実験Ⅲ静的三点曲げ試験
実験Ⅳアイゾッド衝撃試験
結論と今後の課題
結論
界面せん断強度の測定
実験 a
複合材料の力学特性の測定
実験 b
EP用サイズ剤を塗布したCFと無
水マレイン酸変性のPPの組み合
わせが最も接着性が良かった
マイクロドロップレット法
測定できる界面せん断強度に上
限がある
フラグメンテーション法
残留熱応力 影響を受ける
界面接着性と力学特性に
は相関関係があった
積層材の場合、界面せん
断強度の測定によって積層
材の力学特性を評価できる
衝撃吸収値は接着性がよく
界面せん断強度の測定 複合材料 学特性 測定
残留熱応力の影響を受ける
両者の方法から得られた界面せ
ん断強度の相対関係は非常に良
く一致した
衝撃吸収値は接着性がよく
なるほど、大きくなるわけで
はない
今後の課題
以下のような検討が期待される
以下のような検討が期待される
成形性(樹脂含浸性、賦形性 、二次加工性等)も
合わせた総合的性能への最適な無水マレイン酸
変性量
アニーリング等による結晶化度の影響
ご清聴ありがとうございました
