PEEK vs PEKK：将来の航空機構造向け最適熱可塑性樹脂の選択

一次航空機構造の生産向けに開発されている熱可塑性コンポジット（TPC）テープのインシチュ統合（ISC）において、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）とポリエーテルケトンケトン（PEKK）のどちらが優れているか？ このサイドバーは、ISCが「真のワンステップ・オートクレーブフリー（OOA）プロセス」として、将来の航空機生産、すなわちA320 neoタイプ単通路ジェット機で月産60～70機というコストと生産レート目標を満たせるかという、より大きな議論の一環であるPEEK vs PEKK論争を提示します。「代替案は2ステップ」：自動ファイバープレイスメント（AFP）による熱可塑性コンポジットテープ積層と、その後オートクレーブまたは加熱プレスでの統合。詳細は「熱可塑性コンポジット航空機構造のインシチュ統合、パート1」と「パート2」、およびJeff Sloan氏の最近の熱可塑性テープ特集記事を参照。

PEEKとPEKKはともに、より広範なポリアリルエーテルケトン（PAEK）ファミリーの一員で、しばしば「ポリケトン」と呼ばれます。「PEKKはPEEKによく似ており、結晶化挙動も似ていますが、加工温度はPEEKの385℃に対し375℃です」と、オランダ航空宇宙センター（NLR、アムステルダム）構造技術部門上級科学者Henri de Vries氏。NLRとGKN Aerospace（英国・レディッチ）Fokker事業部（オランダ・パペンドレヒトとフーフェフェーン）は、TAPAS 1とTAPAS 2プログラムで12 mスパントーションボックス、最近ではAFPで製造しオートクレーブで統合した6 m長、28 mm厚のCF/PEKKエンジンパイロン上部スパーなど、多くのTPC技術を先駆けてきました（「熱可塑性コンポジットデモンストレーター──EU未来機体ロードマップ」参照）。

De Vries氏はPEKKをAFPにより適していると見ます。「プロセスウィンドウが広いためです。PEEKでは385～390℃でなければならず、360℃での加工は理想的ではありません。しかしPEKKでは355℃でもかなり良好に加工できます。つまり下限が低いだけでなく、材料がセットするまで少し時間が長く、溶融状態の総時間が少し長いため、より良い統合が得られます。」

De Vries氏はPEKKがプレス成形にも興味深いと付け加えます。これはオートクレーブでの真空バッグ・サイクル対比で、2ステップ目の統合におけるより速いオプションです。「古いグレードのPEKK（DS）はプレス成形には遅すぎましたが、新しいグレード（FC）はより良く、PEEKより安価です。」

「Oxford Performance Materials（OPM）は2000年からPEKKに取り組んでいます」とDeFelice氏。「材料と応用技術の両方を開発。現在市場にあるすべてのPEKK製品はデュポン法で製造されています。」彼は基本的にすべてのポリケトンが同時期に開発されたと説明。1990年代の新FAA規制により航空機内装の耐火・発煙・毒性（FST）性能向上が求められたことへの対応でしたが、規制は実現せず、PEEKとPEKKの初期市場は消滅。ICIがPEEKをVictrexにスピンアウト、デュポンがPEKKをFiberiteに売却、それがCytecに買収され、さらにSolvayに買収されたとのこと。DeFelice氏によると、ArkemaがPEKK専門知識獲得目的でOPMとパートナーとなり、最終的にデュポン法PEKK製品を開発。このパートナーシップの結果、Arkemaがコンポジット業界の「PEKKの第2供給源」になりました。

「HexcelもOPMに出資していました」とDeFelice氏。（ここでは簡単にHexcelによるOPM航空宇宙・防衛付加製造事業買収を説明。「選択的レーザー溶融（SLM）と炭素繊維強化PEKKを用いた付加製造技術を開発し、Boeing、Northrop Grummanなどで航空宇宙用途に認定。これはすでにOPMの大株主だったHexcelにとって魅力的でした。」したがって2017年12月、HexcelがOPMの航空宇宙・防衛（A&D）事業（コネチカット州サウスウィンザー）を買収。しかしOPMは航空宇宙・防衛「外」の3D PEKKプリントビジネスを維持し、コア材料科学技術の開発を継続。）

「すべてのPEKKが同じではありません」とDeFelice氏は断言。「SolvayとArkemaはデュポン法、すなわち高温合成（HTS）を実践しており、少し速く進行するためコストが下がります。しかし欠点もあります。」初期にはPEKKポリマーの溶融安定性と純度に問題があり、デュポンでの部品製造が困難でした。時間とともにデュポン法も改善され、ポリマーも多少改善され、部品がより再現可能に。例えば前述の付加製造技術のほか、OPMはPEKKでの射出成形とフィルム用途も開発。

「しかしPEKKは別の方法で製造でき、改善可能だと常に考えていました」とDeFelice氏。「元のプレーヤーに戻ると、実際には第3のプレーヤー、Raychemがいました。これがBASFに売却され、BASFは単純にPAEKを放棄。しかしRaychemの技術は低温合成（LTS）でした。これはHTSとは大きく異なります。」ポリマー「フレーク」を生産し、それを粉砕してから溶剤と混合等する代わりに、この特許LTS技術では制御可能な球状形状の「パウダー」を生産可能。LTSは「冷たい」プロセスなので、完成ポリマーの分子量と分子構造をはるかに制御しやすい。ただしプロセスは遅いため、ややコスト高。「しかしパウダーに直接行けて、粉砕ステップなし」とDeFelice氏。「これが遅い処理を相殺する助けになります。」

この新製品「OXPEKK-LTS」は両方の長所を提供：制御可能なプロセスで球状ポリマーパウダーを生産。「粉砕ではギザギザのポリマー『岩』ができ、テープへのコーティングと含浸時に均一に積層するのが困難です」とDeFelice氏。「OXPEKK-LTSの球状形状はテープ製造時により高い精度を可能にします。これでテープを改良し、現在のテープ寸法精度によって阻害されている真のOOA加工によるインシチュ統合を可能にします。」

より良いテープを生産しながらPEEKと価格を合わせられるのか？「Airbusとそのサプライヤーが議論しているコンポジット一次構造のコストは、ポリマー原料コストだけよりはるかに複雑です」とDeFelice氏は反論。「原料コストは全体コンポーネントコストの一片ですが、製造プロセスと性能が主要コスト要素です。第一に、PEKKの圧縮強度はPEEKよりはるかに高く、これは実質的な利点です。コンポジット構造ではるかに優れた疲労性能が得られ、その結果、それほど多くの材料を必要としないより軽量な構造設計が可能。つまり、より高い比強度を実現する方法を提供します。しかしISCも可能にするため、これらの軽量構造が今や「ワンステップ」で、2ステップではなく製造されます。」

OPMはここで止まりません。DeFelice氏によると、航空宇宙用途のポリケトンプレプレグに使用されるすべての炭素繊維は「無サイズ」で使用されます。これは重要で、ファイバーサイジングはさまざまな加工ステップを予測可能性、ダメージ軽減、再現性を持って通過させるためのものです。「航空宇宙ではPAEK熱可塑性一次構造にサイジング付き炭素繊維を誰も使用しません。既知のすべてのサイジングが機械的特性に悪影響を与えるためです」と説明。

ここで一点補足。Teijin Carbon EuropeのテクニカルサービスMatthias Schubert氏は異議を唱えます。「我々は長年、PAEK熱可塑性樹脂向けの特別なサイジングを使用してきました」と説明。「標準サイジングはエポキシ化学由来のアウトガッシングがあり、PAEK加工温度で劣化するため必要でした。我々のサイジングは実際に樹脂接着を増加させ、無サイズ炭素繊維比で約20%高くなります。」これは横方向4点曲げ試験で測定され、繊維-樹脂界面での結晶構造の制御された初期化に起因するとのこと（このサイジング開発はTeijin Carbon AmericaのJean-Philippe Canart氏がブログ「PEEK vs. PEKK vs. PAEK」で説明）。

「OXPEKK LTSでは、PEKKを溶液に入れてサイジングとして使用し、更なる加工高速化とテープ性能向上を図る独自ケミストリーも持っています」とDeFelice氏。これはインシチュ統合まで一貫して延長されます。「これで、この技術を用いた大型一次構造について、極めて強力なビジネスケースが浮上しています。」

より厚いテープについては？ NLRは0.25インチ（約6.35 mm）までのテープを希望しており、これが月産60～70機の生産レート達成にさらに寄与するとのこと。「速度はプロセスの忠実度と最終構造の性能に逆らいます」とDeFelice氏。「したがって、これら相反する要因のバランスが常に必要です。プレプレッギングにおける球状ポリマー粒子の物理は確立されています。我々はこれらの粒子の制御を提供し、大型OOA一次構造のコストと性能目標を満たすために必要なバランスを達成するための「より多くのレバー」を提供すると信じています。この技術をAirbusらが望むところまで持っていく非常に強力なツールがあります。」

OPMの新たな道を切り開く実績が自信を与えます。「PEKKと炭素繊維による3Dプリントを宇宙船向けにフルB-basis許容値で認定したのは我々だけです」とDeFelice氏。「FDAクリアランス、認定生体適合性と性能を持つ頭蓋骨、脊椎、整形外科インプラントを開発したのも我々だけです。航空機向けPEKK熱可塑性コンポジットソリューションを提供できると確信しています。」

OXPEKK LTSは本年末までに開発目的で導入予定。商業提供は2019年初頭を予定。