省エネで生産性の高い革新的な炭素繊維製造プロセス
帝人株式会社（本社：大阪市中央区、社長：鈴木 純）のグループ企業で炭素繊維・複合材料事業を展開している東邦テナックス株式会社（本社：東京都千代田区、社長：吉野 隆）は、国立研究開発法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構（以下「NEDO」）が実施している「革新的新構造材料等研究開発」の成果として、「マイクロ波による炭素化技術」と「プラズマによる表面処理技術」の開発に成功した。
炭素繊維は、軽量かつ力学的特性に優れる素材であり、航空機のみならず自動車への適用が期待される他、環境・エネルギー分野、土木建築分野など、様々な分野へと適用が拡大している。
その一方で炭素繊維は、ポリアクリロニトリル繊維を炭化する製造工程において膨大なエネルギーを要する素材でもあり、今後、自動車などへの本格的導入に向けては、生産性を飛躍的に高め、製造時における消費エネルギーならびに二酸化炭素排出量を大幅に低減する必要がある。
こうした中で、NEDOは平成26年度より「革新的新構造材料等研究開発」を立ち上げ、その中核テーマの1つとして「革新炭素繊維基盤技術開発」を掲げて取り組んできた。
同社は、当初よりこのプロジェクトに参画し、世界初の技術である「マイクロ波による炭素化技術」と「プラズマによる表面処理技術」の開発を進めてきた結果、技術開発に至った。
以上技術概要は以下の通り
・マイクロ波による炭素化技術
大気圧下でのマイクロ波エネルギーによる炭素化で、工業製品とほぼ同等の性能である弾性率240GPa以上、破断伸度1.5％以上を世界で初めて得ることに成功した。
PAN系耐炎繊維束(12,000～24,000本)を炭素化する時の繊維構造形成の過程を精査し、炭素化過程にある繊維状物質の状態に合った好適なマイクロ波エネルギーの照射方法を検討して、この高度な炭素化技術を確立した。
物質を直接加熱することができるマイクロ波エネルギーを繊維状物質の連続的炭素化に利用することで、炭素化炉を高温に保つ必要がなくなり、炭素化時間も短縮されるため、コンパクトかつエネルギー消費が少ない炭素化プロセスが実現できる。
・プラズマによる表面処理技術を開発
ドライプロセスかつ数秒間という極短時間で炭素繊維の表面性状の制御が可能なプラズマ表面処理技術の開発に成功した。
これにより、電解質水溶液を用いた既存の表面処理技術と比べて、プロセスを大幅に簡略化することができ、全工程として約50%のエネルギー削減が可能となる。
プラズマ処理による構造変化を追跡し、極短時間の処理でマトリックス樹脂との接着性の向上が可能であることを確認している。
東邦テナックスは、来るべき炭素繊維複合材料の量産化時代に向けて、今後、この技術の量産プロセスにおける工業化を目指していく。
また、帝人グループとしては、原料から複合材料に至る広範囲の技術開発を強力に推進しており、製造エネルギーと二酸化炭素排出量を半減させ、生産性を飛躍的に向上させる革新的な炭素繊維製造プロセスにより、さらに顧客ニーズに応える炭素繊維ソリューションを展開していく構えだ。