熱可塑性エポキシの工業化：イノベーションと応用

セセンス（英国ソールズベリー）は、コンポジット分野で数十年の経験を持つ3人の創業者によって2014年に設立されました。ディレクターのマイク・オレンジ氏は、ヨット用CFRPリギングとマストで長い実績を持ちます。イノベーション責任者のハンフリー・バニヤン氏は、以前フューチャー・ファイバーズ（スペイン・バレンシア）のイノベーション責任者を務めていました。「彼らはアメリカズカップやその他のレース艇用のオールコンポジットリギング、さらにはF1カーのホイールを固定するCFRPテザーを製造していました」とオレンジ氏は語ります（「ヨット建造コンポジット：成功のためにリギングされた」を参照）。「我々は軽量化の利点を理解していましたが、我々の経験を持たない他分野と関わる中で、コスト、製造スケールアップ、防火規制への適合に苦労していることを知りました。」

耐火性、工業化、持続可能性への注力

こうしてセセンス（発音は「シーセンス」、カーボンファイバーコンポジットによる常識（common sense）の意）は、耐火性、工業化された製造、持続可能性に焦点を当てて設立されました。その結果、重量わずか7.5kg、厚さ20mm未満、乗客スペースと快適性を向上しながら、全ての耐火・発煙・毒性（FST）要件を満たす、旅客機用圧縮成形カーボンファイバー/バイオレジン複合シートバックなどの開発につながりました。

「以前のプロジェクトでは、セセンスがホットプレス製造法を開発し、英国プリプレガーFTI（サマセット）と開発したスナップキュアフェノール樹脂を用いて、エコノミークラスシートバックのサイクルタイムを2.5時間から7分に短縮しました」とオレンジ氏は説明します。上記の最新シートバックでは、デザインQ（英国レディッチ）と共同開発し、SHDコンポジッツ（英国スリーフォード）が開発したポリフルフリルアルコール（PFA）樹脂プリプレグを採用することでFSTポートフォリオを拡充しました。PFAはバイオマス由来の熱硬化性ポリマーで、フェノール樹脂並みの性能を発揮し、優れた表面加工性と持続可能性を兼ね備えています（「重量を増さずに耐火性を確保」を参照）。「SHDコンポジッツと協力し、より速い硬化を実現するために化学を追い込みました。それが我々のやり方です：材料、プロセス、設計を取り入れ、さらに発展させ、コンポジット製品を商業的に実行可能かつ持続可能な形で大量生産できるようにすることです」

熱可塑性エポキシとの出会い

製造スピードと持続可能性は、セセンスが数年前に熱可塑性エポキシ樹脂システムに出会った際の重要な要素でした。「ポリマー鎖の末端にエポキシ成分を持つこの熱可塑性樹脂は、繊維メーカーによって使用されていましたが、コンポジットにおける可能性に気づいていませんでした」とオレンジ氏は説明します。

「低粘度の熱可塑性樹脂が繊維に優れた含浸性を示し、熱成形可能なエポキシを実現するという利点を即座に理解しました」とハンフリー・バニヤン氏は語ります。セセンスはこの熱可塑性エポキシ技術に基づくプリプレグを開発し、Kシリーズ製品群を展開しました：コイル可能なKロッド、0.25〜1.98mm厚のセミプリプレグKプレート、Kチップ成形コンパウンド（図1）。「3分以内でプレス成形が可能です」とオレンジ氏。「航空機内装のFST要件を満たすFRバリエーションも実証済みです。」また、電気鉄道用複合架空線装置（COHLE）システムを開発し、支柱/ポールの数を半減、設置・運用コストをキロメートル当たり10万ポンド（約124,200ドル）削減しました。

熱成形可能なエポキシ

「一般的な熱可塑性樹脂では、高粘度のマトリックスポリマーが繊維に押し込みにくいため、トウや織物への良好な含浸が困難です」とバニヤン氏は説明します。「しかし、Kシリーズの熱成形可能エポキシは粘度が極めて低く、100℃で80センティポアズです。これにより、ガラス、炭素、天然繊維強化材を優れた樹脂・繊維分布と典型的に60重量%の繊維含有率でプリプレグ化できます。また、エポキシ用サイジングされた繊維も使用可能で、これは通常熱可塑性樹脂とは相性が悪いものです。」そしてこのシステムは真の熱可塑性であり、180〜200℃で化学反応や発熱なしに成形品の再成形が可能です。

「エポキシと同様に繊維によく接着するため、成形時に高圧をかけても繊維がマトリックスから分離しません」とオレンジ氏は指摘します。これは短繊維強化ポリアミド（PA）やポリプロピレン化合物で見られた問題です。「ホットプレスでPA層を織物に溶着させ平板を作ろうとした際、マトリックスが繊維に接着せず、ただ周囲を取り囲むだけでした。そのため部品にプレス成形すると繊維引き抜きが発生しました。」

150〜220℃で加工するKプレートは、短時間暴露で100℃、継続使用で90℃の使用温度を持ちます。チョップドUDトウのKチップコンパウンドは240℃でプレス成形されます。「KシリーズのTg（ガラス転移温度）と熱変形開始温度は一般的なエポキシより低いですが、これが再成形とリサイクルを可能にしています」とオレンジ氏。Kシリーズのプロセスは高速です。「セセンスはJEC 2016でロックツール（フランス・ル・ブルジェ・デュ・ラック）と協力し、彼らが見た中で最速の熱可塑性成形を実証しました。自動車フードでサイクルタイム2分40秒、保持時間は冷却前のわずか25秒、真空メンブレン上で8〜9バールの圧力でした。マットとグロス両方の表面仕上げにも満足しており、試験された全材料中で最良の仕上げだったとのことです。」

また、Kシリーズ製品に含まれるエポキシ成分により、従来の熱可塑性樹脂で必要とされる特殊プライマーや前処理なしで、コンポジット部品の塗装と接着が容易になります。「標準接着剤で二次接着が可能です」とバニヤン氏。「優れた層間せん断特性も得られ、全体として熱可塑性樹脂のおかげでタフでエネルギー吸収性に優れた構造体となります。」

CFRPカテナリーによる低コスト電気鉄道

この熱可塑性エポキシの二重の性質は、Kロッドを用いたCFRPカテナリーで構成される架空線装置（OHLE）システムで例証されます。カテナリーと電流を流すトロリ線は、電気鉄道OHLEの2本の主要ワイヤーです（図2）。電気はパンタグラフを通じて列車の機関車に供給され、パンタグラフは機関車の屋根から伸びてトロリ線に押し付けられます。「カテナリーは支柱（マスト、ポール）間で吊り橋のように機能し、軌道に沿って25メートル間隔で配置されます」とオレンジ氏は説明します。銅トロリ線は垂直な吊り線（ドロッパー）でカテナリーから吊り下げられ、吊り橋の道路がケーブルで支えられるのとよく似ています。

「Kロッドテンションケーブルをカテナリーとして使用することで、銅トロリ線からわずか70ミリメートル上に配置できます」とオレンジ氏（図3）。「システム全体がよりコンパクトになり、環境への視覚的影響が大幅に低減されます。」従来のOHLEシステムでは鋼製カテナリーケーブルを使用し、温度変化に伴って長さが変化します。「夏には1キロメートルあたり最大400ミリメートル伸びます」と同氏。このたるみを防ぐため、コンクリート製錘と滑車による自動張力調整システムが設置されますが、コスト増の要因となっています。

「鋼線の重量とたるみプロファイルが、多くの支柱を必要とする理由でもあります」とオレンジ氏。「我々のCFRPケーブルは、炭素繊維の無視できる熱膨張により熱的に安定したコンポジットを形成するため、夏の伸びは1キロメートルあたりわずか7ミリメートルです。また、鋼ケーブルより80%軽量で、たるみがなく、支柱間隔を50メートルに拡大できるため、必要な支柱数を半減できます。」これにより、支柱ごとに片持ちクロスアームと支え線が必要となるため、更なるコスト削減につながります。

さらに、従来のOHLEシステムは全金属部品を使用するため、不要な電流伝導を防ぐ絶縁体が必要です。「セセンスのCOHLEは、非導電性のガラス繊維（GF）コンポジット支柱とクロスアーム、非導電性コンポジット支え線を使用するため、それらの絶縁体の大部分が不要です」とオレンジ氏。「中間ドロッパーには3DプリントPLA（ポリ乳酸）を使用します。金属システムと異なり、支柱は定期的な塗装が不要で、耐食性コンポジットはメンテナンスを大幅に削減します。」

「熱可塑性エポキシはCFRPカテナリーで重要な役割を果たします」と同氏は続けます。「セセンスは炭素繊維KロッドコアとオーバーブレイドGFコンポジットジャケットの両方にこれを使用します。結果として、軽量・高強度・絶縁性を備え、コイル可能で、ソケットへの接着性に優れたケーブルが得られ、炭素繊維コンポジットケーブルの通常困難な端末処理問題を解決します。コアからソケットへの驚異的な荷重伝達がオーバーブレイドを通じて実現されるため、長大なソケット長は不要で、鉄道技術者による現場設置が実用的です。」

CFRPケーブルのコストは鋼カテナリーの3倍ですが、アトキンス（英国ロンドン）との試算によれば、システム全体コストはキロメートル当たり51.2万ポンドから41.3万ポンドに削減されます。これらのコストには、システム寿命期間中の運用・メンテナンス削減効果（キロメートル当たり40万〜340万ポンド）が含まれています。

「セセンスは2019年5月に試作部品を納入しました」とオレンジ氏。「開発パートナーは2020年2月までに架線工事を予定していましたが、COVID-19の影響で遅延しました。システム全体は2019年のアドバンスト・エンジニアリング・ショーで展示され、コンポジットUKイノベーション賞を受賞しました。」

更なるKシリーズの応用と開発

OHLE応用以外にも、セセンスはKシリーズ製品の他の機会を追求しています。「セセンスはスイスの建設プロジェクトで、石灰岩崖面のアンカーとしてKロッドケーブルを使用したプロジェクトにも取り組みました」とオレンジ氏。「プロジェクトパートナーは岩盤に80メートルの孔を削孔し、CFRPケーブルを挿入、コンクリート充填する予定でした。驚異的な試験結果が得られましたが、学術パートナーが産業界と連携せず、ラボスケールを超えた開発には至りませんでした。しかし、このシステムは耐食性に優れ、良好な荷重伝達を提供します。ハリケーン対策建築物の地盤アンカーなど、様々な建設システムへの応用も可能です。」

YouTubeとセセンスWebサイトの動画で、Kプレート製品の熱成形性が実証されています。「英国航空宇宙企業と、可変形状/モーフィング翼への応用検討についても議論しています」とオレンジ氏。セセンスはチョップドコンポジットトウを用いたKチップによるコスト効率の良い自動車材料を実証し、ハイブリッドCF/GF/熱可塑性エポキシ材料でカーボンとガラスの2:1比率を維持、試験で確認済みです。

同社はTg 250〜300℃、加工温度360〜400℃の高温Kシリーズも開発しました。「自動車メーカーが180℃の電着塗装工程に耐えるCFRP部品を求めていたためです」とオレンジ氏。「K-FR材料もあり、航空機FST垂直燃焼、熱放出、煙毒性要件をパスできます。航空機客室騒音低減のための振動減衰支援も検討中です。熱可塑性樹脂を調整し、エラストマー材料層を追加することで、大幅な騒音低減が達成可能です。」

3人目の創業者サマンサ・バニヤン氏（インダストリー・エンゲージメント責任者）は、リサイクル性も重要な開発領域と指摘します。セセンスはナショナル・コンポジット・センター（英国ブリストル）が運営するReDisCoveRコンポジットコンソーシアムに参加しています。2019年4月設立で、リサイクル、分解、サーキュラーマテリアル、再利用の4ストリームで24プロジェクトを推進しています。「これらのプロジェクトでは、コンポーネントの分解と熱可塑性コンポジットの真のリサイクル性実証に取り組んでいます」とバニヤン氏。「業界は長年主張してきたリサイクル性を、ついに証明することを強いられています。セセンスはKシリーズ熱可塑性エポキシ製品のリサイクルメリットを認識していますが、そのプロセスと経済的実現可能性も実証しなければなりません。」

「持続可能なコンポジットには、航空機内装、シート、鉄道用途など大量輸送分野でまだまだ大きな余地があると信じています」とオレンジ氏。セセンスは開発パートナーであるだけでなく、製造パートナーでもあると付け加えます。「これまでA320型機用コンポジットシートバックを2,500個製造してきました。COVID-19流行前は、業界最軽量・最薄のシートバック量産軌道に乗っていました。コンポジットシートのスクラップはフットレストやアームレストに再利用可能。リサイクレートは現在バージンプラスチックを使用している他の補助部品にも活用できます。これらは全て化石燃料消費と排出量の削減、電動化促進、持続可能性向上に貢献します。」

サマンサ・バニヤン氏はコンポジットにおける持続可能性は三位一体であると指摘します。「材料、プロセス（高速・低エネルギー）、サプライチェーン。我々はこれら全てを破壊的に変革しており、世界中のイノベーターと協働しています。大手企業ばかりに注目が集まりがちですが、世界には産業界で機能する新たな解決策が必要です。それがセセンスの使命です。」