東レ、しなやかなタフポリマー技術を開発――炭素繊維強化プラスチックの耐疲労特性が約3倍に

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(左)ポリロタキサン分子の模式図(右)ポリロタキサンを架橋した環動ポリマー構造の模式図

東レは2018年9月28日、環動ポリマー構造を炭素繊維強化プラスチック(CFRP)に導入する「しなやかなタフポリマー」作製技術を確立したと発表した。

CFRPは、高い強度と剛性を持つことから、航空機や自動車などの構造材料や、テニスラケット、ゴルフシャフト、釣り竿などのスポーツ用途、義肢などの医療用途などに広く利用されている。

CFRPのマトリックス樹脂(母材)として使われている熱硬化性樹脂は、分子内に3次元架橋点(網目構造)を持つことから、優れた耐熱性、高強度、高剛性を示す。しかし、架橋点で分子の動きが制限されるために、変形に追随できず、繰り返しの変形により壊れやすくなるという問題があった。

一方、研究グループは、大学などによる分子設計技術や構造解析技術と、東レが保有する「ナノアロイ技術」を連携。分子結合部がスライドする環動ポリマー、ポリロタキサンを熱可塑性樹脂のポリアミドに組み込み、加えられた力を「いなす」ことで、強度や剛性を保ちながら、壊れにくいしなやかな材料を開発することに成功していた。

そして今回、同様の技術をCFRPに適用し、ポリロタキサンをCFRPの母材である熱硬化性樹脂中にナノスケールで均一に分散させることに成功。従来品と比較したところ、強度や剛性を維持しながら、繰り返し曲げ疲労試験において約3倍の耐疲労特性を達成した。

従来品との比較試験結果

また、透過型電子顕微鏡(TEM)による観察では、均一に分散するポリロタキサンを確認した。そして、変形後では、環動ポリマーを起点に、万遍なく微細なクラック(1μm程度)が形成されていることも確認。加えられた力をいなす効果も確認した。

(左)TEMによる構造観察結果(右)大変形後のTEMによる構造観察結果

この成果により、CFRPのさらなる幅広い応用展開と材料市場の拡大が期待されるとしている。また今後は、同技術を適用したポリマー材料を、自動車用構造部材、衝撃吸収部材などのベースポリマーとして展開して、新規用途の開発を進め、2020年代前半の実用化を目指すとしている。

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