JM、Neomera発表：反応重合オルガノシート新ラインで市場機会拡大

今秋、Johns Manville（JM、米国コロラド州デンバー）は、Neomeraラインの最初の製品を導入する予定です。初期製品は、インシチュ重合された織布ガラス繊維強化ポリアミド6（PA6）オルガノシートですが、ラインはすぐにノンクリップファブリック（NCF）と長繊維チョップドファイバーも含むよう拡大されます。JMはまた、追加の反応重合熱可塑性マトリックスの評価や、ハイブリッド補強構造（カーボンとガラス繊維の組み合わせなど）、さらには非ガラス補強材も検討しています。同社によると、従来のオルガノシートや長繊維熱可塑性複合材料とは異なる製造方法により、Neomera製品はより低コストでより高い機械的特性を提供します。現在わかっていることを紹介します。

オルガノシート製造の新手法

従来のオルガノシートは、通常、織布で強化されたガラスマット熱可塑性複合材料（GMT）の特殊形態で、ポリプロピレン（PP）またはポリアミド6または6/6（PA6、PA6/6）マトリックスで製造されます。オルガノシート複合材料は、自動車、商用トラック、建築/建設、スポーツ用品業界の半構造および構造部品に最もよく使用されます。

JMのNeomeraラインを市場に既にあるものと異ならせるいくつかの側面があります。第一に、完全重合したPA6樹脂で繊維を溶融含浸させるのではなく、含浸工程後にカプロラクタムモノマーをアニオン重合でPA6に重合させます。溶融カプロラクタムは非常に低粘度（約5セントポアズ）であるため、完全重合熱可塑性樹脂（はるかに長いポリマー鎖と高粘度を持つ）よりも、ロービングや織布をはるかに効果的にウェットアウトできます。つまり、JMの反応重合樹脂システムは、液体熱硬化性樹脂に近い、完全重合熱可塑性樹脂（PA6など）では不可能なレベルのウェットアウトを達成します。その結果、ボイドが大幅に減少し、より高い繊維体積率（FVF、50%以上）を実現する機会が生まれ、それ自体が機械的特性を向上させます。

第二に、JMは、カプロラクタムで含浸する前に、チョップド、織布、NCFを問わずガラス繊維を独自の反応性ガラスサイジングで処理します。これにより、繊維-樹脂結合がさらに強化され、同種・同量の繊維充填とマトリックスを持つ他のオルガノシート製品と比較して、同等のFVFでより高い機械的特性が得られます。

革新的な長繊維オルガノシートは、ランダムな繊維分布、完全な繊維ウェットアウト、優れた繊維-樹脂結合を提供します（上記画像参照）。左はガラス繊維束を端面から、右は個々の繊維束が上面から樹脂で完全にコーティングされている様子を示しています。

「我々が人々に理解してほしいのは、我々はもう一つの『ミー・トゥー』オルガノシート製品を導入するわけではないということです」と、JMシニアリサーチマネージャー（コーポレートR&D）のミンフー・チャン氏は説明します。「カプロラクタムから始めるため、熱可塑性ポリマーを使用する場合よりも繊維をはるかに容易にウェットアウトできます。その結果、より良い含浸、より高い繊維体積率、より良い性能を達成できます。実際、これにより従来のオルガノシートでは達成できない特殊製品の創出が可能になります。」

昨年、JMは技術開発を発表し、戦略的なサンプリングを行っていました。計画では、Neomeraを9月にソフトローンチし、翌月の2021年Composites & Advanced Materials Expo（CAMX、10月18-21日、米国テキサス州ダラス）でハードローンチを行います。

段階的ローンチ

初期Neomera製品（OS-6シリーズ）は織布で強化されます。「ツイル織アーキテクチャをFVF 45-50%の範囲で提供することで製品ラインを立ち上げる予定です。このタイプの複合材料への需要が多いと見ているためです」と、JMプロダクトリーダー（コンポジット、コーポレートR&D）のダナ・ミロアガ氏は述べています。「バランス織で、良好なドレープ性と直交異方性を提供するため、金属指定に慣れたエンジニアが、より軽量で高性能な部品を実現するために扱いやすいのです。」

新オルガノシートファミリーの織布形態に続き、より重いNCFを特徴とするNCF-6シリーズが続きます。従来、熱可塑性樹脂での含浸が困難とされてきました。最後に、不連続だがより長い繊維（>25ミリメートル）バージョンが計画されています。CR-6シリーズと呼ばれ、擬似等方性を維持するのに役立つ一貫した繊維長を持つと言われ、GMTやダイレクト長繊維熱可塑性（D-LFT）などの長繊維熱可塑性技術と競合します。JMによると、成形業者は各Neomera製品を単独で、または他のタイプと組み合わせて使用できます。例えば、織布またはNCFオルガノシートのストリップやシートで荷重経路を補強し、リブやボスなどのより複雑な形状が配置される場所では不連続繊維強化オルガノシートを使用する、といった圧縮成形可能なハイブリッド構造が可能です。「テストでは、不連続繊維を持つCR-6製品が、従来のチョップドファイバーGMTよりも優れた成形性を示すことがわかっています」とチャン氏は付け加えます。

成形業者や金型製作者にとって、JMの新製品は従来のオルガノシートやGMTと同様に処理できます。金型構築要件も同様です。必要な唯一の調整は、PPよりも高い温度でNeomeraオルガノシートを予熱・成形することです。これは後者の融点と成形温度が低いためです。興味深いことに、一部のGMT製品とは異なり、スプリングバックによる予熱後のガラス繊維のロフト現象がないため、材料は完全に凝縮した状態を維持します。これは、繊維がカプロラクタムで完全に含浸され、モノマーがインシチュで重合されるため、従来のPAマトリックスオルガノシートよりもはるかに高い分子量を達成できることによって可能になると、チャン氏は説明します。

JM研究者たちは、設計エンジニアが部品性能をより正確にシミュレートできるよう、基本的な材料特性評価も実施してきました。「お客様と密接に協力し、より詳細なシミュレーション作業に最初に必要な最も重要なデータを特定してきました」とミロアガ氏は説明します。「通常、フルマテリアルカードを開発するために必要な特性評価には6ヶ月かかるため、早期に使用できるビルディングブロックを生成する計画です。」

導入される各製品ラインについて、同社は堅牢なサプライチェーンとグローバルなアクセスと一貫性を確保するために、2つのグローバルサプライヤーを認定しています。デンバー地域のJM生産スケールラインで顧客向けサンプル量を生産してきましたが、初期商業生産はスロバキアのトルナバで行われます。

Neomera製品はブラックで提供され、「ナチュラル」（オフホワイト）オプションとカスタムカラーの可能性があります。当初、商業生産が軌道に乗るまでは受注生産・カットとなりますが、長期的には標準サイズを在庫する計画です。

JMのプロセスの興味深い側面は、厚いシートを連続プロセスで製造できることです。「既存のオルガノシートの課題の一つは、通常0.5ミリ厚のシートで製造されるため、顧客に3ミリ厚の製品を供給するには、複数のシートを後凝縮してラミネートを作る必要がありました」とチャン氏は説明します。「我々はその後凝縮ステップ全体をスキップできます。なぜなら、3ミリ厚のシートを直接作れるからです。実は、これが我々の技術の最もユニークな側面の一つです。カプロラクタムが水のような粘度を持つことは知っていましたが、我々の技術が厚いラミネートの製造にこれほど適しているとは驚きました。これにより、顧客に提供できる製品の柔軟性が大幅に広がります。さらに、後凝縮ステップをスキップすることで、もう一つの加熱サイクルを回避できます。」

課題だったのは、湿気に敏感なカプロラクタムのアニオン重合を処理するために製造プロセスを制御することでした。「このプロジェクトに着手する前、カプロラクタムからPA6へのアニオン重合は密閉金型でしか行われていなかったため、非常に一貫性のある製品を生産する連続プロセスに適応させるには多くの作業が必要でした」とチャン氏は付け加えます。

今後の展望

ガラスサプライヤーであるJMが、技術をライセンスするだけでなく中間製品を製造したい理由を尋ねられ、JMコーポレートR&Dシニアリサーチサイエンティストのクラウス・グライヒ氏は、「我々の製造プロセスの性質上、この材料を作れる人は多くありません。我々は化学をよく知っており、その課題も理解しているため、スケールアップと商業化に最も適した立場にあります。それ以上に、我々のR&Dグループは、バークシャー・ハサウェイ（米国ネブラスカ州オマハ）のオーナーにより大きな価値を還元し、ビジネスを拡大するために、この革新的技術を具体的に開発しました。イノベーターであり、新たな市場機会を創出したいのです。」と答えました。

「熱可塑性複合材料が半構造および真の構造用途に移行し、軽量で持続可能なコンポーネントを作るトレンドは、我々の新しいオルガノシート技術と非常に一致しています」とミロアガ氏は付け加えます。実際、彼女はNeomeraファミリーを使用した最初の商業用途が遠くないと述べています。JMはモータースポーツで材料を試験しており、自動車や商用トラック、スポーツ用品などの他の輸送セグメントでも関心があります。「重要なのは、我々が問題を解決していることです」と彼女は付け加えます。「競合は高価でポートフォリオが限られています。我々はより高性能で、かつよりコスト効率の良い製品を生産できます。ウィン・ウィンの組み合わせです。」