はじめてのFRP – Towpregとは
はじめてのFRP – TowpregとはというタイトルでTowpregの概要に触れた後、
最近リリースされたHexcelのTowPly(TM) towpregをご紹介したいと思います。
Towpregとは
強化繊維のトウ、炭素繊維でいえばストランド、
ガラス繊維でいえばロービングに樹脂を含浸させた繊維束である、
というのが私の理解です。
ただWeb上で少し調べて気になっているのは、
いくつかのWebサイトではプリプレグをスリットしたスリットテープをトウプリプレグと定義しているものもあり、誤解を招くような情報も一定数あることには注意が必要です。
Towpregの作製方法
Towpregの作り方についてはあまり情報公開がなされていないためあくまで私のイメージですが、
ボビンから強化繊維を引き出して必要に応じて一定幅に開繊したうえで、
離型フィルムや同紙の上に目付を一定とした樹脂をニッピングの要領で含浸させるのではないでしょうか。
本推測に近い内容が記載された出願済み特許（却下・拒絶されています）もあります。
以下の明細【0055】＜トウプレグの作製方法＞に関連する記述が認められます。
※参照情報
トウプレグおよびその製造方法、ならびに圧力容器の製造方法（再表2019/225442）
Towpregの強み
メリットですが、ボビンから強化繊維をある程度開繊させた後、
直接樹脂槽を通し、過剰樹脂をしごくFW（フィラメントワインディング）の工程よりも、
マトリックス樹脂を適正量含浸させやすいことに加え、
加圧ロールなどの圧力（場合によっては加熱も含む）で樹脂と繊維が接触する際に力を加えるため、
樹脂が強化繊維の奥まで含浸しやすいことが挙げられます。
FWのように単に樹脂槽に強化繊維を通すだけでは強化繊維に付着する樹脂量が安定しないうえ、
特に炭素繊維のように細い繊維の内部まで樹脂含浸させることが難しいため、
積層後に欠陥が生じやすいのです。
※関連コラム
四輪車への本格展開が始まったType IV CFRP製高圧水素タンクの現状と展開
（本タンクの製造方法ではTowpregを使っている可能性があります）
このように、マトリックス樹脂が適正量、適切な含浸方法で直接強化繊維と一体化されているTowpregは、
後工程でのFWの工程と成形物の品質が安定するという意味で、
FRPの中間材料としてアドバンテージがあるものの一つといえます。
Towpregで成形されたFRP成形体のVfを計測すれば、
Vv（ボイド率）が低くなるといったアドバンテージが実感できるかもしれません。
※関連コラム
はじめてのFRP 材料仕様を示す 目付 、 Vf そして RC
Towpregの作製の動画
前述のようなイメージで作られていると考えますが、
例えば以下のような動画（音が出ます）も存在します。
含浸工程はノウハウということで見えませんが、
樹脂が含浸された繊維束が、
ある程度開繊された状態（ボビンに巻き付く繊維束がこの状態である可能性有）で出てきています。
この動画中でも樹脂目付と繊維束の形態を一定にすることの重要性が、
コメントとして記載されています。
最後の紙芯に巻き取られているのも、
Towpregかもしれません。
前出の特許や関連特許において、Towpreg巻き取りの際に緩まないことの重要性が書かれており、
巻き取り方にも技術的要素があると考えます。
TowpregはFWで用いられることが多い
TowpregはFW向けの材料として想定されているようです。
例えば以下のFWに関する動画では樹脂の含浸工程が無い故、
5m/secという高速で積層を行えるということが、
タンクの成形を例に示されています。
よく見ると複数のTowpregが積層直前に引きそろえられて、
元の材料の数倍幅の材料として積層されています。
ではここからはTowpregに関する最新情報として、
Hexcelが新しく発表したTowPly(TM) towpregについてみてみたいと思います。
TowPly(TM) towpregの概要
参考にしたのは以下のリリース記事です。
Hexcel To Celebrate JEC World 60th Anniversary with New Aerospace and Automotive Innovations
HexcelのLinkedinサイトでは動画も見ることができます。
TowPly(TM) towpregの主用途は、航空、防衛、UAMなど、
主に空を飛ぶものを想定しているようです。
想定している工程はFWとのことで、
燃料（Jet燃料や水素）を充填するタンクや、
高回転が求められるモータのCarbon Sleeveなどが想定されています。
※関連コラム
高効率モータと期待される CFRP wrapped motor
FRP製液体水素貯蔵タンクを搭載した水素動力航空機の試験飛行を決定
TowPly(TM) towpregの構成材料は”中弾性炭素繊維”＋”高耐熱エポキシ樹脂”
前述の用途を想定すれば当然ですが、
中弾性の炭素繊維をTowPly(TM) towpregの強化繊維として選定しています。
HexcelのグレードでいうとIMシリーズです。
炭素繊維の生産量では日系企業がシェアNo.1ですが、
Hexcelも多くの製品ラインナップを持っています。
そして、組み合わせているのは高耐熱・高靭性エポキシ樹脂です。
Hexcelは過去に化学メーカを買収しており、
社内で材料規格（Material Spec）を作成し、
上記の化学の専門部隊が当該規格に基づいて樹脂を設計するという流れができている、
とHexcelの技術者から直接聞いたことがあります。
このため、Hexcelは大変多くのマトリックス樹脂のラインナップを持っているのが特徴です。
それぞれの材料について概要を述べます。
炭素繊維はIM9またはIM10
前出のプレスリリースではIM9、
Linkedinの中ではIM10で RIMAC MACHINES の設備（恐らくFW）を用いて、
engine sleeve を作製したと書かれていることから、
恐らくJEC World 2025ではCarbon Sleeveを展示したものと推測します。
※関連情報
Rotor Banding Machines / RIMAC MACHINES
IM9や10は今世の中に出回っている炭素繊維の中で、
最も特性が高いグレードになります。
それぞれのデータシートは以下のサイトで確認できます。
※関連情報
HexTow(R) IM9 Carbon Fiber
HexTow(R) IM10 Carbon Fiber
それぞれのデータシートから抜粋してポイントを述べます。
IM9/IM10の機械・物理特性
以下のイメージです。ストランドの断面積の（ ）内数値は、
フィラメントの数です（例：24K → 24,000本のフィラメントで構成される）。
Table IM9/IM10の機械・物理特性
| Property [unit] | IM9 | IM10 |
| Tensile Strength [MPa] | 6300 | 6826 |
| Tensile Modulus [GPa] | 286 | 313 |
| Failure Elongation [%] | 1.9 | 2.0 |
| Tow Cross-Sectional Area [mm2] | 0.57(24K) | 0.18(12K) |
| Filament Diameter [micron] | 5.5 | 4.4 |
| Carbon Content [%] | 95 | 95 |
20年前の主たる構造材向けの炭素繊維（Hexcelの場合はIM7）と比べ、
強度は最大20%、弾性率は同13%向上しています。
炭素繊維製造技術も進化を続けているといえるかもしれません。
Tow Cross-Sectional Area の数値から、
単位繊維束（ストランド）に含まれるフィラメント数が多いほど、
その断面積が大きくなっており、この数値の違いがTowpregの幅に直結します。
なお、IM10には比熱、電気抵抗、線膨張係数、熱伝導率等の情報も記載されています。
以下に当該数値を転載します。
- Specific Heat [Cal/g-°C]: 0.21
- Electrical Resistivity [ohm-cm]: 1.3 x 10-3
- Coefficient of Thermal Expansion [ppm/°C]: -0.70
- Thermal Conductivity [W/m-°K]: 6.14
Carbon Sleeve を想定する場合、
このような観点も必要になります。
サイジング剤
日系メーカでは品番にはついているものの、
直接的な説明が少ないサイジング剤についても、
Hexcelはデータシート上で情報が掲載されています。
データシート内に以下の記述があります。
マトリックス樹脂との相性や推奨用途、
そしてサイジング剤の塗布量まで記載されています。
Table 適用サイジング剤概要
| Fiber | Size | Compatibility | Recommended Uses | Content |
| IM9 | GS | Epoxy/Vinyl Ester/Polyurethane | Prepreg Tape | 0.5 % |
| IM10 | GP | Epoxy/Vinyl Ester/Polyurethane/Cyanate Ester/BMI | Weaving/FW/Prepreg Tape | 0.9% |
| ↑ | GS | Epoxy/Vinyl Ester/Polyurethane | Prepreg Tape | 0.5 % |
マトリックス樹脂はM901
M901については、High Tg Epoxy Resin Matrix for Prepregsとして紹介されており、
高耐熱用途で強化繊維と組み合わせて複合材料化することを想定したものです。
データシートは以下で見ることができます。
※参照情報
HexPly(R) M901 / High Tg Epoxy Resin Matrix for Prepregs
主たる化学構造にエポキシ基を含んでおり、想定される硬化温度は130から170℃とのこと。
密度は1.10から1.25g/cm3で、淡黄色を示すようです。
データシートを参考に本樹脂の特性をご紹介します。
DSCによる硬化挙動で見られた相転移
未硬化樹脂のDSC測定結果が示されています。
- Uncured Tg [℃]: 0 – 5
- TOnset [℃]: 131 – 141
- TPeak [℃]: 141 – 151
このデータから読み取れることは、
本樹脂の品質管理をすべきSub-Tgは5℃を一つの上限の候補値にすること（ただし追加の検証は必須）、
硬化は130℃を超えないと本格的には始まらず、
150℃を超えた環境下では硬化がある程度のスピードで進む可能性があることです。
FRPを取り扱うユーザは、
上記のようなことをDSCデータから読み取らなくてはいけません。
硬化プロセスによってTgが変化
これも知らない方が多いためご紹介しておきます。
以下の通り、付与された温度と時間によって硬化度が異なるため、Tgも異なる数値を示します。
このTgはDSCで計測されています。
ユーザはどこまでTgを高めるのかについて事前に決め、
そのうえで成形プロセスを設計することが肝要です。
Table Cure Cycle Typical Cured Tg
| Curing temperature / time | Tg (+/-5°C) [℃] |
| 300min @ 90°C & 120min @150°C | 160 |
| 30min @180°C | 165 |
| 5min @150°C & 120min @150°C | 175 |
| 2min @170°C & 120min @150°C | 175 |
| 10min @130°C & 180min @150°C | 180 |
| 30min @190°C | 180 |
| 10min @130°C & 480min | 190 |
| 15min @150°C & 120min @180°C | 195 |
M901は高速硬化が可能
低温では硬化が進まない一方、130℃を超えると急激に硬化が進むよう、
硬化システムを設計しているようです。
そのため、以下のような短時間で160℃を超えるTgを示すようです。
ただし、以下の結果は”DSCではなくDMA”で評価しているため、
”DSCと同じ基準で比較できない”ことは加筆しておきます。
Temperature Cure Time Typical Cured Tg (+/-5°C)
- 130°C 10min: 160°C
- 140°C 10min: 175°C
- 150°C 7min: 170°C
- 160°C 5min: 180°C
90℃を超えると流動性が出る低粘度に
粘度の温度変化のチャートを見ると、
60℃近辺で粘度が数10Pa・s程度まで低下しています。
この粘度は身近なものだと蜂蜜レベルです。
90℃だと1Pa・s程度なのでガムシロップレベルまで流動性が出てくるため、
積層時に生じたボイドなどを押し出すには、
この温度以上まで上げる必要性があると考えます。
高速硬化ゆえ、保管性は悪くないが良くもない
これは熱硬化性のマトリックス樹脂設計時のジレンマでもありますが、
硬化が早いもの、硬化温度が低いものほど保管性が悪くなります。
M901は20年前の樹脂に比べると取り扱い性は優れていますが、
それでも以下のようなShelf Lifeが示されています。
- @ +35°C 3 weeks
- @ +23°C 15 weeks
- @ +5°C >6 months
- @ -18°C 18 months
個人的には重合禁止剤などを用いながら、
室温での硬化反応抑制をしているという、
設計思想を感じます。
しかし昔より長いといっても、
通常の室温では15週間以内には使い切らなくてはいけない、
という材料メーカ側の指針を無視してはいけません。
熱硬化性樹脂を選定する場合、
熱可塑性樹脂ではそれほど重要でない材料管理に関する考え方は不可避です。
この管理も量産レベルになると重く押しかかる部分であるため、
コストやタクトタイムといったわかりやすい側面だけで材料判断することは、
将来的に生じるかもしれない問題発生の可能性につながることを忘れてはいけません。
推奨成形プロセスには幅がある
Typical Curing Conditions として以下のような記述があります。
- Recommended cure temperature range: 130 – 170°C
- Recommended heat-up rate: 0.5 – 20°C/min
- Recommended cure cycle: 25 – 130°C @1°C/min, 10min @130°C, 130 – 150°C @1°C/min, 180min @150°C
- Pressure gauge: 0.5 – 35bar
硬化温度や昇温、並びに加圧条件に関し、
幅のある数値を推奨値として示すには理由がありますが、
まずはFRPの成形条件にはある程度の幅がある前提であることを、
ユーザは理解しておくことが第一歩です。
成形条件を材料メーカ側でピンポイントで決めることは難しいのです。
今回の内容から考えるべきことを述べます。
材料と積層工程選定が後工程に大きな影響を与える
工程時間やコストを気にする方が多いですが、
そもそもの大前提としてFRPユーザが理解すべきは、
「材料と積層工程選定が後工程に大きな影響を与える」
という事実でしょう。
例えば工程としてFWに設定したとしても、
今回ご紹介したような強化繊維と樹脂が一体化したTowpregを選ぶのか、
従来のドライの繊維とマトリックス樹脂をそれぞれ選ぶのかによって、
FWの条件、すなわち積層条件に加え、設備仕様も大きく異なります。
さらに言えばどのような強化繊維を選ぶのかによっても異なります。
中弾性ではなく高弾性のPitch系の炭素繊維を選んだ場合、
繊維が非常に硬くなるため樹脂含浸の後のしごきで繊維が破損する、
また無撚ではなく撚りの入った繊維だと開繊ができず樹脂含浸ができないといったことも起こりえます。
何より重要なのは設計要件の明確化
FRPの設計開発は、
「第一に設計要件」
があり、それに基づいて
「第二に材料選定」
を行い、ようやく積層工程の選定ができます。
成型加工や検査はこの後の話です。
いきなり材料や成型加工の議論をするケースも散見されますが、
材料はもちろん、そもそも論として設計要件が決まっていなければ何も決められないのです。
そしてどのような材料を選び、積層工程を採用したかによって、
適した成型加工工程が決まり、最後に検査方法が決まります。
川上を決めないと川下にあたる後工程を決められないことを忘れてはいけません。
IM10をTowpregで紹介した狙い
ここは戦略理解に重要です。
IM10はHexcelが有する炭素繊維の中で、
中弾性タイプの中で最も強度が高いものになります。
これにより、剛性と強度が両方必要な一次構造材を意識していることが分かります。
しかも、IM10ではWeaving/FW/Prepreg TapeをイメージしたGPというサイジング剤が適用された仕様もあります。
つまり、Towpregの用途として紹介した高圧タンクやモータ向けCarbon Sleeveのような、
FWや今回は出てきていませんがAFP（ファイバープレースメント）といった、
円筒形状成形に用いることを念頭に工程に適した材料仕様にしていると理解できます。
軽量化が絶対の空を飛ぶものを念頭に、
Towpregが次世代のFW向けの材料として提案されているという予想ができます。
成形工程を最終決定するのは材料メーカではなくユーザ
データシートの紹介において、
推奨成形条件に幅があることとをご紹介しました。
このような幅を”なぜ”持っているのかを理解することが、
材料ユーザには必要な知見です。
成形体のサイズや厚み、さらには積層構成や加熱設備の仕様などにより、
最終的な樹脂の硬化状態には差が出るため、
材料メーカなりに先回りをして想定できるプロセスレンジを示しているにすぎません。
本点を材料ユーザはきちんと理解しなくてはいけません。
最適な成形プロセスの回答は、ユーザしか知りえないのです。
よってユーザは設計要件を明確にしたうえで実際に成形を行い、
DSCを使った硬化度の測定、成型物の寸法精度の確認を踏まえ、
工程規格（Process Spec）を決めることが大前提となります。
材料の保管期限はユーザの作成する材料規格で必ず決める
前述のShelf Lifeで材料の使用期限をご紹介しました。
材料データシートによると、
本期限はTgをベースにNPT temperature limitationで決めたとされています。
NPTは恐らく Normal Pressure and Temperature のことだと思いますが、
期限に関する数値をどのように決めたのかはわかりません。
よく熱履歴が無い場合と比較して粘度（温度条件は材料による）が2倍になったら、
と決められる材料メーカの例がありますが、
ユーザ側としてその閾値が正しいかは別問題です。
粘度が1.5倍になっただけでも成形に問題が出る、
逆に粘度が3倍でも問題ない場合もあるでしょう。
したがってFRPを使うユーザは材料メーカに丸投げをするのではなく、
自分たちが想定する用途に関して、
どのようなマトリックス樹脂の変質が許容できるかを丁寧に事前評価の上で、
材料規格（Material Spec）を材料メーカと取り交わすことを強く推奨します。
M901の靭性に対する評価の必要性
靭性はFRPの耐損傷性を高める大変重要な観点で、
当該材料の長寿命化にもつながります。
前出のリリース記事ではM901は高靭性の樹脂と述べられています。
その一方でM901のデータシートには靭性に関する特性値、
例えばエネルギー開放率や破壊靭性値に関する情報が見当たりません。
既にご紹介した通りM901は高速硬化が特徴の樹脂です。
高速硬化系の樹脂は、一般的に硬化時の架橋密度が高くなる傾向があるため、
靭性は低下する傾向を示します。
そもそもエポキシは脆性材料であるため、当該特性を高めるのは容易ではありません。
一方で、Hexcelは過去にも高速硬化と高靭性を両立させた樹脂もリリースしているため、
M901も高い靭性を示す可能性もあります。
ここはユーザ側として一度、Mode I、並びにIIで靭性に関する特性を評価することが望ましいでしょう。
まとめ
今回はTowpregの概要と、
最近リリースされたTowPly(TM) towpregについてその技術的なポイントをご紹介しました。
これまで強化繊維に樹脂を含浸したものといえば”プリプレグ”というイメージがあったかもしれませんが、
ストランド形態の中間基材であるTowpregのような製品が本格的に市場に出てきたといえます。
Towpreg自体は決して目新しい製品ではありませんが、
UAMやAAM等の明確な出口が出始めたことが、
最近になってTowpregが一つの主力材料として注目されるきっかけになったという推測は、
あながち外れたものではないといえるのではないでしょうか。
ここで想定されている用途は、
どう頑張ってもCFRPでなければ有意差が出ない、そもそも成立しない、
という明確な材料採用動機もあります。
材料メーカ側がユーザ側に歩み寄っていることからも、
本格的な適用にはそれほど時間がかからないと個人的に感じています。
ただし、大前提はユーザ側が設計要件を明確にしていること。
材料規格や工程規格の作成よりはるか手前にいる段階で、
やみくもに試験や試作を繰り返してもうまくいかないでしょう。
今まで以上にFRPのユーザ側の技術的力量が求められているに違いありません。
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