短繊維カーボンファイバー化合物、熱可塑性複合材料の用途を拡大

射出成形向けに特別に処方された短繊維カーボンファイバー強化熱可塑性（CFRTP）化合物のファミリーが、様々な部品サイズと複雑さにおいて熱可塑性複合材料の能力を拡張するために使用されています。興味深いことに、これらの材料は、長繊維熱可塑性（LFT）複合材料（ガラス繊維またはカーボンファイバー）や金属を、スポーツ用品、自動車部品、医療機器、航空宇宙部品など、ますます多くの用途で上回る性能を示しています。

成形業者からコンパウンダーへ

これらの材料は、三菱ケミカルアドバンストマテリアルズ（MCAM、日本、東京）によって処方・販売されています。MCAMは、過去10年間に親会社が買収した以前は別々だった複数の事業を統合しています。これらには、ガラスマット熱可塑性（GMT）およびオルガノシート複合材料、熱可塑性エンジニアド形状の製造元であった旧クアドラントAG（スイス、レンツブルク）、そして射出成形業者および精密機械加工部品製造元としてスタートし、後に自社用そして他の成形業者向けのカスタムCFRTPコンパウディングに拡大した旧パイパープラスチックス社（米国アリゾナ州チャンドラー）が含まれます。

2012年頃、パイパーは航空宇宙およびスポーツ/レクリエーション機器の顧客基盤を持つ中規模カスタム射出成形業者でした。経営陣は部品製造ビジネスを成長させたいと考えていましたが、2つの課題がありました。第一に、チームがより高性能な市場セグメントで競争するために必要だと感じる種類の化合物を調達するのに苦労していました。第二に、自動車市場に参入したかったが、主要プログラムで競争するための十分な成形能力がありませんでした。

最初の問題は、様々な基礎樹脂とファイバーサイジング技術への集中的なR&D努力によって解決され、KyronMAXと呼ばれる高性能射出成形用CFRTP化合物のファミリーの開発につながりました。これらの材料は、ポリアミド6/6（PA6/6）、ポリフタルアミド（PPA）、ポリエーテルイミド（PEI）、ポリフェニレンサルファイド（PPS）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ポリアリールエーテルケトン（PAEK）などのマトリックスを、短繊維カーボンファイバーで強化したものです。これらの化合物（ほとんどが高耐熱性、広い耐薬品性、良好な機械的特性、低炎/煙/毒性（FST）値を提供）は、短繊維ガラス強化および無機充填射出成形グレードだけでなく、LFT化合物（平均初期繊維長13ミリメートル）や金属さえも置き換えるために処方されました。

「データシート上ではLFT化合物の方が強く見えますが、短繊維カーボンファイバー技術で充填できるような部品形状を充填できないことがよくあります」と、MCAMキーコンポジットアカウントマネージャーのアレックス・ウォイチアック氏は説明します。「当社の流動性がはるかに高いため、複雑な形状をより良く充填でき、当社の化合物は劇的に強い部品を生み出します。」

「幅広いCFRTP化合物を作ろうとしたわけではなく、それぞれが特定の顧客の特定のニーズを満たすために開発されたのです」と、MCAMグローバルコンポジットテクノロジーマネージャーのクリント・ニューウェル氏は付け加えます。「処方能力が成長するにつれ、新市場に参入し、新しい顧客と会い、彼らが何を必要としているかを尋ね、それらのニーズを満たす完璧な化合物を作ることに取り組みました。」

これらの化合物が当初、成形業者によって成形業者のために処方されたため、処理が容易で、一貫して高品質、高性能な部品を生み出す特性を持つように設計されていたのは当然です。「KyronMAX製品ラインは、より高い流動性と繊維相互作用、より低い内部応力、より少ない異方性、より強いウェルドライン、より少ないシンクマーク、反りの傾向が少なく、壁厚が厚いか薄いかに関わらず、より高い寸法精度を提供するように処方されました」と、MCAM R&Dディレクターのデイブ・ウィルキンソン氏は指摘します。「処方作業と独自のサイジング技術に加え、これらの材料をより効率的に走らせるための独自のプレス改良も行いました。」

なぜこの珍しい製品名なのか？「ギリシャ神話では、キロン（キロンとも綴る）は半分ケンタウロス、半分人間でした」と、MCAMチーフイノベーションオフィサーのランディ・ホワイト氏は説明します。「キロンは独自の個人的スキルを使って獣の本性を超えました。それを、半分カーボンファイバー、半分樹脂である当社の化合物に例えました。馬のように強く、人間のように賢く、処理が容易です。」

処方専門知識が成長するにつれ、三菱ケミカルホールディングスグループ（MCHC、日本、東京）の注目を集め、2016年にパイパーを買収しました。MCHCはすぐに、アリゾナ州のコンパウディングラインの拡大、操業の自動化、独自のカーボンファイバーサイジングとチョッピング技術の導入のために、数百万ドルの大規模投資を行い、KyronMAX化合物をより速く、より一貫性があり、効率的に生産できるようにしました。その後、ミシガン州と日本に第二、第三のコンパウディングラインが設置されました。この拡大能力により、KyronMAXグレードが北米とアジアで自動車ビジネスを獲得できるようになりました。他の市場も続きました。

製品ライン拡大、新たな市場機会

現在、より大きな生産能力とより広範なポリマーおよびカーボンファイバー材料へのアクセスを得て、MCAMチームは多数の新製品を開発中です。そのうちいくつかは自動車市場向けに特別に処方されています。最も興味深いものの一つは、KyronMAX ES 4240で、引張強さ414 MPa（60,000 psi）の壁を破った世界初の短繊維カーボンファイバー射出成形化合物と言われています。このグレードは、2019年のSPE自動車エンジニアードプラスチック会議（AutoEPCON）でデトロイト郊外で発表され、40重量%のカーボンファイバー強化PPAで、引張弾性率41.2 GPa、曲げ弾性率34.5 GPa、曲げ強さ552 MPaも提供します。PPAは、従来のPA6やPA6/6よりも優れた耐熱性、より広い耐薬品性、はるかに低い加水分解傾向を持つ特殊なポリアミドの一種です。

2019年のSPE AutoEPCONで発表された他の自動車グレードには、アンダーフード用途向けに特別に開発された高耐熱カーボンファイバー強化PPAグレードが含まれます。このグレードは、PEEKに匹敵するガラス転移温度（Tg）と連続使用温度（CUT）を持つと言われていますが、成形がより容易です。自動車や小型家電などのコスト重視の大量生産産業を考えると、チームがポリプロピレン（PP）ベースのKyronMAX製品にも取り組んでいることは驚きではありません。

製品ラインが拡大するにつれ、これらの材料が使用される市場も拡大しています。長らく望まれていた自動車ビジネスに加え、同社は現在、医療機器（耐久性と使い捨ての両方）、小型家電、家電製品（金属代替ケース/カバー）にも対応しています。航空/宇宙分野は依然として重要で、スポーツ用品業界も、レーシングバイク、マウンテンバイク、ゴルフクラブ、銃器、コンパウンドボウ、その他のアーチェリー部品などの用途に成長しています。金属射出成形（MIM）アルミニウムやマグネシウムと同様の線膨張係数（CLTE）値を持ついくつかの製品は、より優れた靭性、軽量、低コストで、金属をますます多くの用途で置き換えています。

今後は？グローバルに広がる三菱組織へのアクセスにより、MCAMチームは、熱可塑性および熱硬化性ケミストリー、様々な強化タイプと長さをカバーするより広範な複合材料ポートフォリオを代表する技術にアクセスできます。例えば、別の三菱グループが、短繊維ガラスまたはカーボンファイバー強化SMCと連続カーボンファイバー強化プリプレグの間の性能と加工のギャップを埋める、分割・チョップドトウカーボンファイバー強化鍛造成形化合物（FMC）を生産しています。これはSMC（シート成形化合物）の高度な形態です。また別のグループが、織布および不織布カーボンファイバー強化プリプレグと急速硬化プリプレグ圧縮成形（PCM）材料を生産しています。

MCAM内部でも、商業化に近い別の技術として、熱可塑性マトリックスを持つ新しい繊維（不織布、織布、単方向）強化ドライプリプレグのファミリー、KyronTEXがあります。これらの製品は現在、戦略的にサンプリングされています。

最後に、昨年夏、MCAMはcarbonNXT GmbHと姉妹会社CFK Valley State Recycling GmbH & Co. KG（ともにドイツ、ヴィシュハーフェン）を買収し、カーボンファイバーリサイクル技術の完全なラインをグループの製品提供に加えました。MCAMチームは、商用製品の認定に向け、リサイクルカーボンファイバーを使用した複数の処方をテストしているとのことです。