炭素たんそ繊維せんい

炭素たんそ繊維せんい

炭素たんそ繊維せんい（たんそせんい、英えい: carbon fiber、中なか: 碳纤维）は、アクリル繊維せんいまたはピッチ（石油せきゆ、石炭せきたん、コールタールなどの副ふく生成せいせい物ぶつ）を原料げんりょうに高温こうおんで炭化たんかして作つくった繊維せんい。日本工業規格にほんこうぎょうきかく（JIS）では「有機ゆうき繊維せんいのプレカーサーを加熱かねつ炭素たんそ化か処理しょりして得えられる、質量しつりょう比ひで90%以上いじょうが炭素たんそで構成こうせいされる繊維せんい。」と規定きていされている。アクリル繊維せんいを使つかった炭素たんそ繊維せんいはPAN系けい（英えい: polyacrylonitrile）、ピッチを使つかった炭素たんそ繊維せんいはピッチ系けい（英えい: pitch）と区分くぶんされる。炭素たんそ繊維せんいを単独たんどくの材料ざいりょうとして利用りようすることは少すくなく、合成ごうせい樹脂じゅしなどの母はは材ざいと組くみ合あわせた複ふく合あい材料ざいりょうとして用もちいることが主おもである。炭素たんそ繊維せんいを用もちいた複ふく合あい材料ざいりょうとしては炭素たんそ繊維せんい強化きょうかプラスチック、炭素たんそ繊維せんい強化きょうか炭素たんそ複ふく合あい材料ざいりょうなどがある。

特徴とくちょう

炭素たんそ繊維せんいの長所ちょうしょを一言ひとことで言いうと、「軽かるくて強つよい」という点てんである。鉄てつと比較ひかくすると比重ひじゅうで1/4、比ひ強度きょうどで10倍ばい、比ひ弾性だんせい率りつが7倍ばいある。その他たにも、耐たい摩耗まもう性せい、耐たい熱性ねっせい、熱ねつ伸縮しんしゅく性せい、耐たい酸性さんせい、電気でんき伝導でんどう性せいに優すぐれる。短所たんしょとしては、製造せいぞうコストの高たかさ、加工かこうの難むずかしさ、リサイクルの難むずかしさが挙あげられる。また、素材そざい自体じたいが異あや方かた性せいを持もち、どういった形かたちで積層せきそうするか、また、損傷そんしょうを受うけた場合ばあいの破損はそんの判断はんだんが難むずかしく、クリティカルな状況じょうきょうでの使用しようは細心さいしんの注意ちゅういが必要ひつようである。

歴史れきし

• 1959年ねん - ユニオン・カーバイドの子会社こがいしゃナショナル・カーボンが、レーヨンから黒鉛こくえんにする世界せかい初はつの炭素たんそ繊維せんいを発明はつめいした。現在げんざい、このレーヨン系けいは廃すたれている。
• 1961年ねん - 日本にっぽんの通商産業省つうしょうさんぎょうしょう工業技術院こうぎょうぎじゅついん大阪おおさか工業こうぎょう試験しけん所しょ（現げん：産業さんぎょう技術ぎじゅつ総合そうごう研究所けんきゅうじょ）の進藤しんどう昭男あきおによりPAN系けい炭素たんそ繊維せんいが発明はつめいされる。
• 1963年ねん - 群馬大学ぐんまだいがくの大谷おおや杉すぎ郎ろうによりピッチ系けい炭素たんそ繊維せんいが発明はつめいされる。
• 1970年代ねんだい以降いこう - 優すぐれた強度きょうどを持もつ特性とくせいから、強化きょうかプラスチックの補強ほきょう材ざいや複ふく合あい材料ざいりょうの素材そざいとして使つかわれ始はじめるようになる。
• 1980年代ねんだい以降いこう - 製造せいぞうコストの低減ていげんや加工かこう方法ほうほうの進歩しんぽが見みられ、ロケットや航空機こうくうきなどの大型おおがた輸送ゆそう機器ききからテニスラケットや釣つり竿ざお、白しろ杖つえなど身近みぢかな道具どうぐ、さらには剣道けんどうの竹刀しないや弓道きゅうどうの和かず弓ゆみなど武道ぶどう用具ようぐの分野ぶんやにまで応用おうようの幅はばを広ひろげた。
• 2006年ねん - PAN系けい世界せかい最大手さいおおての東とうレが、ボーイングと炭素たんそ繊維せんいを機体きたいの大だい部分ぶぶんに利用りようする世界せかい初はつの旅客機りょかくき（ボーイング787）開発かいはつのため、炭素たんそ繊維せんいを2021年ねんまでの16年ねんにわたって供給きょうきゅうする長期ちょうき大型おおがた契約けいやくを締結ていけつし、注目ちゅうもくを集あつめた。

PAN系けい炭素たんそ繊維せんい

PAN系けい炭素たんそ繊維せんいの単たん繊維せんいは太ふとさは5-7µmである。この多数たすうの単たん繊維せんいで構成こうせいされた繊維せんい束たばをフィラメントと呼よび、さらに1,000本ほんから数すう万まん本ほんのフィラメントの束たばをトウと呼よぶ。このトウがPAN系けい炭素たんそ繊維せんいの製品せいひん形態けいたいとして最もっともよく扱あつかわれている。

トウは、そのフィラメントの本数ほんすうの多寡たかにより区分くぶんされており、24,000本ほん以下いかでレギュラートウあるいはスモールトウ、40,000本ほん以上いじょうでラージトウと呼よばれる。レギュラートウは低てい密度みつど、高こう比ひ強度きょうど、高こう比ひ弾性だんせい率りつで、航空機こうくうきや人工じんこう衛星えいせいの材料ざいりょうや、ゴルフ用ようシャフト、釣つり竿ざお、テニスラケットといったスポーツ・レジャー用途ようとで多おおく使つかわれている。一方いっぽうのラージトウは、レギュラートウに比較的ひかくてきして安価あんかなため、風車かざぐるまや自動車じどうしゃなどの材料ざいりょうなど産業さんぎょう用ようとして主おもに利用りようされている。

PAN系けい炭素たんそ繊維せんいの2010年ねんの全ぜん世界せかい生産せいさん量りょうは、レギュラートウが55,300トン、ラージトウが14,800トンで合計ごうけい70,100トンと推計すいけいされている。

PAN系けい炭素たんそ繊維せんいの製造せいぞう方法ほうほう

PAN系けい炭素たんそ繊維せんいは以下いかの工程こうていで連続れんぞく的てきに製造せいぞうされる。

1. PAN繊維せんい合成ごうせい：アクリロニトリルからポリアクリロニトリル繊維せんい（PAN繊維せんい）を重合じゅうごうする。
2. 耐たい炎えん化か工程こうてい：空気くうき中なかで200-350℃で数時間すうじかん熱処理ねつしょりする。この工程こうていは「不ふ融とおる化か」「安定あんてい化か」とも言いう。
3. 炭素たんそ化か工程こうてい：窒素ちっそなどの不ふ活性かっせいガス雰囲気ふんいき下か1,000-1,500℃で加熱かねつする。
4. 黒鉛こくえん化か工程こうてい：窒素ちっそなどの不ふ活性かっせいガス雰囲気ふんいき下か2,000-3,000℃で加熱かねつする。この工程こうていで強度きょうどは若干じゃっかん低下ていかする が、高こう弾性だんせいの炭素たんそ繊維せんいを製造せいぞうできる。高こう弾性だんせいを目的もくてきとしない汎用はんようの炭素たんそ繊維せんいの製造せいぞうでは含ふくまれない工程こうていである。黒鉛こくえん化か工程こうていを経へた炭素たんそ繊維せんいを黒鉛こくえん繊維せんいと呼よび、汎用はんようの炭素たんそ繊維せんいと区別くべつする場合ばあいもある。
5. 表面ひょうめん処理しょり工程こうてい
6. サイジング処理しょり工程こうてい

ピッチ系けい炭素たんそ繊維せんい

ピッチ系けい炭素たんそ繊維せんいの単たん繊維せんいの太ふとさは7-10µmである。ピッチ系けい炭素たんそ繊維せんいは原料げんりょうの違ちがいによりさらに等ひとし方かた性せいピッチ系けいとメソフェーズピッチ系けいに分類ぶんるいされる。一般いっぱん的てきに等ひとし方かた性せいピッチ系けいからは汎用はんようの炭素たんそ繊維せんいが、メソフェーズピッチ系けいからは高こう強度きょうど、高こう弾性だんせい率りつの炭素たんそ繊維せんいが製造せいぞうされる。

等ひとし方かた性せいピッチ系けい炭素たんそ繊維せんいは高たかい柔軟じゅうなん性せい、低てい熱ねつ伝導でんどう性せい、優すぐれた摺すり動どう特性とくせいから、高温こうおん炉ろ用ようの断熱だんねつ材ざいや自動車じどうしゃのブレーキパッド・クラッチ材ざいに用もちいられる。一方いっぽう、メソフェーズピッチ系けい炭素たんそ繊維せんいは高こう弾性だんせい率りつ、優すぐれた振動しんどう減衰げんすい特性とくせい、高熱こうねつ伝導でんどう性せい、低ひく熱ねつ膨張ぼうちょう率りつといった特長とくちょうがあり、印刷いんさつ用よう・フィルム用ようなどの工業こうぎょう用ようロール部材ぶざい、薄型うすがたテレビ用よう大型おおがた板いたガラスの搬送はんそう用ようロボットアーム、人工じんこう衛星えいせい用よう部材ぶざいなどに使つかわれている。

メーカー

日本にっぽん発はつの技術ぎじゅつであり、現在げんざいでも世界せかい市場いちばに占しめる日本にっぽん企業きぎょう製品せいひんのシェアは高たかい。

• PAN系けいメーカー
  • 東とうレ
  • 帝人ていじん：2018年ねん4月がつに子会社こがいしゃの東邦とうほうテナックスを吸収きゅうしゅう合併がっぺいして参入さんにゅう。
  • 三菱みつびしケミカル
  • Hexcel
  • Cytec（SOLVAY)
  • SGLカーボン
• ピッチ系けいメーカー
  • 三菱みつびしケミカル
  • クレハ
  • 大阪おおさかガスケミカル
  • 日本にっぽんグラファイトファイバー

労働ろうどう安全あんぜん衛生えいせい

• 炭素たんそ繊維せんいの一種いっしゅである、特定とくていの多層たそうカーボンナノチューブが『労働ろうどう安全あんぜん衛生えいせい法ほう第だい28条じょう第だい3項こうの規定きていに基もとづき厚生こうせい労働ろうどう大臣だいじんが定さだめる化学かがく物質ぶっしつによる健康けんこう障害しょうがいを防止ぼうしするための指針ししん』いわゆる『がん原ばら性せい指針ししん』の対象たいしょう物質ぶっしつに追加ついかされた（基もと発はつ0331第だい26号ごう）。
• 炭素たんそ繊維せんいの一種いっしゅである、特定とくていの多層たそうカーボンナノチューブに関かんして、2009年ねん3月がつ31日にち厚生こうせい、厚生こうせい労働省ろうどうしょう労働ろうどう基準局きじゅんきょく長ちょうより、改訂かいてい版ばんの通達つうたつ『ナノマテリアルに対たいするばく露ろ防止ぼうし等とうのための予防よぼう的てき対応たいおうについて』（基もと発はつ331013号ごう）が出だされた。
• 基もと発はつ331013号ごう対応たいおうした保護ほご具ぐ資料しりょうが安全あんぜん衛生えいせいメーカーより公開こうかいされている。(リンク先さき　P11)[1]
• 欧州おうしゅうでは自動車じどうしゃ等とうに使用しようされている、CFRP用ようの太ふとさ3-5 µm（ナノマテリアルでは無ない）の炭素たんそ繊維せんいに関かんしても肺癌はいがん（肺はいがん）のリスクが指摘してきされている。[2]
• 炭素たんそ繊維せんいの加工かこう時じに発生はっせいする粉塵ふんじん下かでの作業さぎょうは粉ふんじん作業さぎょうとなり、防塵ぼうじんマスク、保護ほごメガネ、防護ぼうご服ふく、集塵機しゅうじんき等とうの粉塵ふんじん対策たいさくが必要ひつようとなる。[3]
• 炭素たんそ繊維せんいを加工かこうする設備せつびは粉ふんじん作業さぎょう設備せつびとなり、粉ふんじん作業さぎょう設備せつび等とう設置せっち届とどけを労働ろうどう基準きじゅん監督かんとく署長しょちょうに届とどけ出でる必要ひつようがある。[4][5]

関連かんれん項目こうもく

• カーボンナノチューブ
• 酸化さんかアルミニウム
• 炭素たんそ繊維せんい協会きょうかい

外部がいぶリンク

• 炭素たんそ繊維せんい協会きょうかい