グラスファイバー(アメリカ英語)またはファイバーグラス(イギリス英語)は、ガラス繊維を使用した一般的な繊維強化プラスチックの一種です。繊維はランダムに配置されている場合もあれば、チョップドストランドマットと呼ばれるシート状に平らに伸ばされている場合、またはガラスクロスに織り込まれている場合もあります。プラスチックのマトリックスは、熱硬化性ポリマーマトリックス(多くの場合、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂などの熱硬化性ポリマーをベースとしている)または熱可塑性樹脂です。
炭素繊維よりも安価で柔軟性に優れ、重量比で多くの金属よりも強度が高く、非磁性、非導電性、電磁波透過性があり、複雑な形状に成形でき、多くの条件下で化学的に不活性です。用途としては、航空機、船舶、自動車、浴槽および囲い、スイミングプール、温水浴槽、浄化槽、貯水槽、屋根材、パイプ、外装材、整形外科用ギプス、サーフボード、外装ドアスキンなどがあります。
ガラス繊維のその他の一般的な名称としては、ガラス強化プラスチック(GRP)[ 1 ] 、ガラス繊維強化プラスチック(GFRP)[ 2 ]、またはGFK(ドイツ語:Glasfaserverstärkter Kunststoff)などがあります。ガラス繊維自体が「ガラス繊維」と呼ばれることもあるため、この複合材料はガラス繊維強化プラスチック(FRP)とも呼ばれます。この記事では、「ガラス繊維」とは、その中のガラス繊維だけでなく、繊維強化複合材料全体を指すものとします。
ガラス繊維は何世紀にもわたって製造されてきたが、最初の特許は1880年に米国でプロイセンの発明家ヘルマン・ハメスファール(1845-1914)に授与された。 [ 3 ] [ 4 ]
ガラス繊維の大量生産は、1932年にオーウェンス・イリノイ社の研究者であるゲームズ・スレイターが溶融ガラスの流れに圧縮空気のジェットを当てて繊維を生成したことで偶然発見されました。このガラスウールの製造方法の特許は1933年に初めて申請されました。[ 5 ]オーウェンスは1935年にコーニング社と合併し、この方法はオーウェンス・コーニングによって採用され、1936年に特許取得済みの「ファイバーグラス」(sが1つ)が製造されました。当初、ファイバーグラスは繊維が大量のガスを閉じ込めたガラスウールであり、特に高温での断熱材として有用でした。
ガラス繊維とプラスチックを組み合わせて複合材料を製造するのに適した樹脂は、1936 年にデュポン社によって開発されました。現代のポリエステル樹脂の最初の祖先は、 1942 年のシアナミド社の樹脂です。当時すでに過酸化物硬化システムが使用されていました。 [ 6 ]ガラス繊維と樹脂の組み合わせにより、材料のガス成分がプラスチックに置き換えられました。これにより断熱特性はプラスチック特有の値まで低下しましたが、この複合材料は初めて構造材料および建築材料として大きな強度と可能性を示しました。多くのガラス繊維複合材料は引き続き「ガラス繊維」(一般名として)と呼ばれ、この名前はプラスチックの代わりにガスを含む低密度のグラスウール製品にも使用されました。
オーウェンス・コーニングのレイ・グリーンは1937年に最初の複合材ボートを製造したとされているが、当時使用されたプラスチックの脆さのため、それ以上の開発は進まなかった。1939年にはソビエト連邦がプラスチック製の旅客船を建造し、米国が航空機の胴体と翼を建造したと報告されている。[ 7 ]グラスファイバー製のボディを持つ最初の自動車は1946年のスタウト・スカラベのプロトタイプであったが、このモデルは生産されなかった。[ 8 ]

断熱材として使用されるガラス繊維とは異なり、強力な構造用繊維の表面は、ギガパスカルの引張強度を達成するために、ほぼ完全に欠陥がない状態である必要があります。バルクのガラスに欠陥がなければ、ガラス繊維と同じくらいの強度になりますが、一般的に、実験室以外の環境でバルク材料を欠陥のない状態で製造および維持することは非現実的です。[ 9 ]
ガラス繊維の製造プロセスはプルトルージョンと呼ばれます。強化材に適したガラス繊維の製造プロセスでは、大型炉を使用してシリカ砂、石灰石、カオリン、蛍石、コールマナイト、ドロマイト、その他の鉱物を徐々に溶融して液体にします。その後、非常に小さなオリフィス(Eガラスの場合は通常直径5~25マイクロメートル、Sガラスの場合は9マイクロメートル)の束であるブッシング(スピナーレット)を通して押し出します。[ 10 ]
これらのフィラメントは、化学溶液でサイジング(コーティング)されます。個々のフィラメントは、多数束ねられてロービングとなります。フィラメントの直径とロービングに含まれるフィラメントの本数によって重量が決まり、重量は通常、次の2つの測定システムのいずれかで表されます。
これらのロービングは、プルトルージョン、フィラメントワインディング(パイプ)、ガンロービング(自動ガンがガラスを短い長さに切断し、樹脂のジェットに落とし込み、金型の表面に噴射する)などの複合材料用途に直接使用されるか、または中間工程で、チョップドストランドマット(CSM)(ランダムな方向に切断された短い繊維がすべて結合して作られる)、織物、ニット生地、または一方向性生地などの生地を製造するために使用されます。
チョップドストランドマット(CSM)は、グラスファイバーの補強材として用いられる素材です。ガラス繊維がランダムに交差するように配置され、バインダーで結合されています。一般的には、ハンドレイアップ法を用いて加工されます。この方法では、材料シートを型に置き、樹脂を塗布します。バインダーは樹脂に溶解するため、樹脂を含浸させることで様々な形状に容易に成形できます。樹脂が硬化したら、硬化した製品を型から取り出し、仕上げ加工を行います。チョップドストランドマットを使用することで、グラスファイバーは面内方向において等方性の特性を持つようになります。
コーティングまたはプライマーは、加工や操作中のガラス繊維を保護し、樹脂マトリックスとの適切な結合を確保するために、ロービングに塗布されます。これにより、ガラス繊維から熱硬化性プラスチックへのせん断荷重の伝達が可能になります。この結合がないと、繊維がマトリックス内で「滑り」、局所的な破損を引き起こす可能性があります。[ 11 ]
個々の構造用ガラス繊維は、引張と圧縮の両方において、つまり軸方向に、剛性と強度を備えています。繊維は圧縮に対して弱いと思われがちですが、実際には繊維の縦横比が長いためそう見えるだけです。つまり、典型的な繊維は長くて細いため、簡単に座屈します。 [ 9 ]一方、ガラス繊維はせん断、つまり軸方向に対して弱いです。したがって、繊維の集合体を材料内で特定の方向に永久的に配置でき、圧縮時に座屈しないようにできれば、その材料はその方向に優先的に強くなります。
さらに、複数の繊維層を積み重ね、各層をそれぞれ異なる好ましい方向に配向させることで、材料全体の剛性と強度を効率的に制御できます。グラスファイバーの場合、プラスチックマトリックスが構造用ガラス繊維を設計者が選択した方向に永久的に拘束します。チョップドストランドマットの場合、この方向性は基本的に2次元平面全体に及びますが、織物や一方向性層では、剛性と強度の方向性を平面内でより精密に制御できます。
グラスファイバー製の部品は、一般的に薄い「シェル」構造で、サーフボードのように内部に構造用発泡材が充填されている場合もある。部品の形状はほぼ自由自在で、シェルの製造に使用される金型の複雑さと公差によってのみ制限される。
材料の機械的機能は、樹脂(マトリックスとも呼ばれる)と繊維の両方の複合的な性能に大きく依存します。たとえば、過酷な温度条件(180 °C 以上)では、樹脂と繊維の結合の劣化により、複合材料の樹脂成分が機能を失う可能性があります。[ 12 ]しかし、GFRP は高温(200 °C)にさらされた後でも、かなりの残留強度を示すことができます。[ 13 ]
グラスファイバーの注目すべき特徴の一つは、使用される樹脂が硬化過程で収縮することです。ポリエステル樹脂の場合、この収縮率は5~6%程度、エポキシ樹脂の場合は約2%です。繊維自体は収縮しないため、この収縮率の差によって硬化中に部品の形状が変化することがあります。歪みは、樹脂が硬化してから数時間、数日、あるいは数週間後に現れる可能性があります。この歪みは、設計において繊維を対称的に使用することで最小限に抑えることができますが、ある程度の内部応力が発生し、それが大きくなりすぎると亀裂が生じます。
ガラス繊維に使用される最も一般的なガラス繊維の種類は、Eガラスです。Eガラスは、1% w/w未満のアルカリ酸化物を含むアルミノホウケイ酸ガラスで、主にガラス強化プラスチックに使用されます。その他のガラスの種類には、Aガラス(ホウ素酸化物がほとんどまたはまったく含まれていないアルカリ石灰ガラス)、E-CRガラス(電気/化学抵抗、1 % w/w未満のアルカリ酸化物を含むアルミノ石灰ケイ酸塩で、高い耐酸性を持つ)、Cガラス(ホウ素酸化物含有量が高いアルカリ石灰ガラスで、ガラス短繊維や絶縁体に使用)、Dガラス(ホウケイ酸ガラスで、低い誘電率にちなんで命名)、Rガラス(MgOとCaOを含まないアルミノケイ酸ガラスで、高い機械的要件を持つ強化材)、Sガラス(CaOを含まないがMgO含有量が高く、高い引張強度を持つアルミノケイ酸ガラス)などがあります。[ 14 ]
純粋なシリカ(二酸化ケイ素)は、溶融石英として冷却されて真の融点を持たないガラスになると、グラスファイバーの繊維として使用できますが、非常に高い温度で加工する必要があるという欠点があります。必要な作業温度を下げるために、「融剤」(つまり、融点を下げる成分)として他の材料が導入されます。通常のAガラス(「A」は「アルカリ石灰」の略)またはソーダ石灰ガラスは、粉砕されて再溶解できる状態になり、いわゆるカレットガラスとして、グラスファイバーに使用された最初のタイプのガラスでした。Eガラス(「E」は当初の電気用途に由来)はアルカリを含まず、連続フィラメント形成に使用された最初のガラス配合でした。現在では世界のグラスファイバー生産の大部分を占めており、また、世界で最大のホウ素鉱物の消費源でもあります。塩化物イオンによる腐食を受けやすく、海洋用途には適していません。 Sガラス(「S」は「stiff」の略)は、引張強度(高弾性率)が重要な場合に使用され、そのため重要な建築用および航空機用エポキシ複合材です(ヨーロッパではRガラスと呼ばれ、「R」は「reinforcement」の略です)。Cガラス(「C」は「耐薬品性」の略)とTガラス(「T」は「断熱材」の略で、Cガラスの北米版)は耐薬品性があり、どちらも吹き込み式グラスファイバーの断熱材グレードによく見られます。[ 15 ]

グラスファイバーは軽量で丈夫で耐候性があり、さまざまな表面テクスチャーを持つことができるため、汎用性が高い。[ 18 ]
第二次世界大戦中、グラスファイバーは航空機のレーダードームに使用されていた成形合板の代替品として開発されました(グラスファイバーはマイクロ波に対して透明であるため)。最初の主な民生用途はボートやスポーツカーの車体製造で、1950年代に広く受け入れられるようになりました。その後、自動車やスポーツ用品分野にも用途が拡大しました。航空機などの一部の製品の製造においては、体積と重量あたりの強度が高い炭素繊維がグラスファイバーの代わりに使われるようになっています。
プリプレグや繊維ロービングといった高度な製造技術により、ガラス繊維の用途が拡大し、繊維強化プラスチックで実現可能な引張強度も向上する。
グラスファイバーは、 RF透過性と低信号減衰特性のため、通信業界ではアンテナの覆いとしても使用されています。また、既存の構造物や表面に馴染むように成形や塗装が容易なため、機器キャビネットや鋼鉄製の支持構造物など、信号透過性が不要な他の機器を隠すためにも使用されることがあります。その他の用途としては、シート状の電気絶縁体や、電力産業製品によく見られる構造部品などがあります。グラスファイバーは軽量で耐久性があるため、ヘルメットなどの保護具によく使用されます。多くのスポーツでは、ゴールキーパーやキャッチャーのマスクなど、グラスファイバー製の保護具が使用されています。[ 19 ]

貯蔵タンクは、容量約300トンまでのグラスファイバー製タンクが製造可能です。小型タンクは、熱可塑性樹脂製の内槽の上にチョップドストランドマットを流し込んで成形し、内槽を成形することで製造できます。より信頼性の高いタンクは、織布マットまたはフィラメント巻き繊維を使用して製造され、繊維の配向は内容物によって側壁に加わる周方向応力に対して直角になります。このようなタンクは、プラスチック製のライナー(多くはポリプロピレン)が幅広い腐食性化学物質に耐性があるため、化学物質の貯蔵によく使用されます。グラスファイバーは浄化槽にも使用されます。

ガラス繊維強化プラスチックは、屋根材、ドア枠、ドア上部の庇、窓の庇やドーマー窓、煙突、笠木、キーストーンや敷居を備えた上部部材など、住宅建築部材の製造にも使用されています。木材や金属に比べて軽量で取り扱いが容易なため、設置時間を短縮できます。大量生産されたガラス繊維強化レンガ調パネルは、複合住宅の建設に使用でき、断熱材を組み込むことで熱損失を低減することも可能です。
ロッドポンピング用途では、引張強度対重量比が高いことから、グラスファイバー製のロッドがよく使用されます。グラスファイバー製のロッドは、同じ重量であれば鋼鉄製のロッドよりも弾性的に伸びる(ヤング率が低い)ため、鋼鉄製のロッドよりも優れています。つまり、1回のストロークで炭化水素貯留層から地表までより多くの石油を汲み上げることができ、同時にポンピングユニットへの負荷を軽減できるのです。
グラスファイバー製の棒は、わずかな圧縮力でも容易に破損してしまうため、常に張力を維持しておく必要がある。流体中における棒の浮力は、この傾向をさらに強める。
GRPおよびGREパイプは、海水淡水化、水処理、配水ネットワーク、化学プラント、消火用水、温水および冷水飲料水、廃水/下水、都市廃棄物、液化石油ガスなど、さまざまな地上および地下システムに使用できます。

グラスファイバー複合材製のボートは1940年代初頭から製造されており、[ 20 ] 1950年以降に製造された多くの帆船はグラスファイバー積層プロセスを使用して建造されました。2022年現在もボートはグラスファイバーで製造されていますが、真空バッグ成形などのより高度な技術が建造プロセスで使用されています。[ 21 ]
ほとんどの防弾装甲はさまざまな繊維を使用して作られていますが、グラスファイバー複合材は防弾装甲として効果的であることが示されています。[ 22 ]
フィラメントワインディングは、主に開放型(円筒)または密閉型(圧力容器やタンク)の構造物の製造に使用される製造技術です。このプロセスでは、フィラメントを張力をかけながら雄マンドレルに巻き付けます。マンドレルが回転する間、キャリッジ上の巻き取りアイが水平方向に移動して、所望のパターンで繊維を配置します。最も一般的なフィラメントは炭素繊維またはガラス繊維で、巻き付けながら合成樹脂でコーティングされます。マンドレルが所望の厚さまで完全に覆われたら、樹脂を硬化させます。多くの場合、マンドレルをオーブンに入れて硬化させますが、場合によっては、マンドレルを機械内で回転させたまま放射ヒーターを使用することもあります。樹脂が硬化したら、マンドレルを取り外し、中空の最終製品が残ります。ガスボンベなどの一部の製品では、「マンドレル」は完成品の恒久的な一部となり、ガス漏れを防ぐライナーとして、または貯蔵する流体から複合材を保護するバリアとして機能します。
フィラメントワインディングは自動化に適しており、パイプや小型圧力容器など、人の手を介さずに巻き付けて硬化させる用途が数多くあります。巻き付けの制御変数は、繊維の種類、樹脂含有量、巻き付け角度、繊維束のトウまたは帯域幅、および繊維束の厚さです。繊維の角度は最終製品の特性に影響を与えます。角度の大きい「フープ」は円周方向または「破裂」強度を提供し、角度の小さいパターン(極性またはらせん状)はより大きな縦方向の引張強度を提供します。
この技術を用いて現在製造されている製品は、パイプ、ゴルフクラブ、逆浸透膜ハウジング、オール、自転車のフォーク、自転車のリム、電柱や送電柱、圧力容器から、ミサイルのケーシング、航空機の胴体、街灯柱、ヨットのマストまで多岐にわたる。
離型剤(通常はワックスまたは液体)を選択した型に塗布し、完成品を型からきれいに取り外せるようにします。樹脂(通常は2液性の熱硬化性ポリエステル、ビニル、またはエポキシ)を硬化剤と混合し、表面に塗布します。グラスファイバーマットのシートを型に敷き詰め、ブラシまたはローラーを使用してさらに樹脂混合物を塗布します。材料は型に適合する必要があり、グラスファイバーと型の間に空気が閉じ込められてはなりません。さらに樹脂を塗布し、場合によってはグラスファイバーシートを追加します。手作業による圧力、真空、またはローラーを使用して、樹脂がすべての層に浸透して完全に濡れ、気泡が除去されていることを確認します。高温樹脂を使用しない限り、樹脂が硬化し始める前に作業を迅速に行う必要があります。高温樹脂は、部品をオーブンで加熱するまで硬化しません。[ 23 ]場合によっては、作業物をプラスチックシートで覆い、真空をかけて気泡を除去し、グラスファイバーを型の形状に押し付けます。[ 24 ]
グラスファイバースプレー積層プロセスは、ハンド積層プロセスと似ていますが、繊維と樹脂を型に塗布する方法が異なります。スプレーアップは、樹脂と補強材を型にスプレーするオープンモールディング複合材製造プロセスです。樹脂とガラスは別々に塗布することも、チョッパーガンから混合ストリームで同時に「切断」して塗布することもできます。[ 25 ]作業員はスプレーアップをローラーで広げて積層体を圧縮します。次に、木材、フォーム、またはその他のコア材を追加し、二次スプレーアップ層でコアを積層体の間に埋め込みます。その後、部品を硬化、冷却し、再利用可能な型から取り外します。

プルトルージョンは、強度と軽量性を兼ね備えた複合材料を製造するための方法です。プルトルージョンでは、材料は成形機を通して手作業または連続ローラー方式で引き抜かれます(押出成形とは異なり、押出成形では材料は金型を通して押し出されます)。グラスファイバーのプルトルージョンでは、繊維(ガラス材料)がスプールから引き出され、樹脂でコーティングされる装置に通されます。その後、通常は熱処理され、所定の長さに切断されます。このようにして製造されたグラスファイバーは、W型やS型など、さまざまな形状や断面形状にすることができます。
人々は、職場において、製造、設置、または撤去の際に、吸入、皮膚接触、または眼接触によってグラスファイバーに曝露される可能性があります。さらに、グラスファイバーの製造工程では、樹脂の硬化中にスチレン蒸気が放出されます。これらは粘膜や呼吸器系にも刺激を与えます。[ 26 ] 一般の人々は、断熱材や建築材料、製造施設付近の空気中の繊維、または建物の火災や爆破の近くにいる際にグラスファイバーに曝露される可能性があります。 [ 27 ]: 8米国肺協会は、グラスファイバー断熱材を居住区域に露出させたまま放置してはならないと勧告しています。作業手順が常に遵守されるとは限らず、グラスファイバーはしばしば地下室に露出したまま放置され、その後居住されるようになるため、人々は曝露される可能性があります。[ 28 ]曝露の容易に利用可能な生物学的または臨床的指標は存在しません。[ 27 ]: 8
グラスファイバーは目、皮膚、呼吸器系を刺激します。そのため、症状としては、目の痒み、皮膚のかゆみ、鼻のかゆみ、喉の痛み、嗄声、呼吸困難、咳などが挙げられます。[ 29 ]直径1~2μmの繊維では、げっ歯類とヒトにおいて肺胞への沈着がピークに達することが観察されています。 [ 27 ] : 13動物実験では、肺の炎症や肺線維症 などの有害な肺への影響が見られ、[ 27 ] : 14また、ラットへの胸腔内または気管内投与では、中皮腫、胸膜肉腫、肺癌の発生率が増加することが確認されています。[ 27 ] : 12
2001 年現在、ヒトにおいては、高炉などの高温環境で断熱材として工業的に使用されているセラミック繊維などの生体残留性の高い材料、および断熱材として使用されていない特定の特殊用途のグラスウールのみが、発がん性物質の可能性があると分類されています ( IARC グループ 2B )。断熱グラスウール、ロックウール、スラグウールなど、より一般的に使用されているグラスファイバーウールは、ヒトに対する発がん性について分類できないと考えられています ( IARC グループ 3 )。[ 30 ] 2001 年 10 月、断熱および音響断熱に一般的に使用されているすべてのグラスファイバーウールは、国際がん研究機関(IARC) によって「ヒトに対する発がん性について分類できない」( IARC グループ 3 ) に再分類されました。 「1988年にこれらの繊維に関する前回のIARCモノグラフのレビューが行われて以来15年間に発表された疫学研究では、これらの材料の製造中の職業曝露による肺がんや中皮腫(体腔の内壁のがん)のリスク増加の証拠はなく、がんのリスクに関する証拠も全体的に不十分である。」[ 30 ] 2011年6月、米国国家毒性プログラム(NTP)は、住宅や建物の断熱材および非断熱製品に使用されるすべての生体溶解性グラスウールを、発がん性物質に関する報告書から削除した。 [ 31 ]しかし、NTPは依然として、繊維状ガラス粉塵を「ヒト発がん性物質として合理的に予測される(特定のグラスウール繊維(吸入性))」とみなしている。[ 29 ]同様に、カリフォルニア州環境健康ハザード評価局(OEHHA) は、2011 年 11 月に、プロポジション 65 のリストに「グラスウール繊維 (吸入可能で生体内に残留する)」のみを含めるように変更しました。[ 32 ]そのため、生分解性グラスファイバーの住宅および建物の断熱材に対する発がん性警告ラベルは、連邦法またはカリフォルニア州法の下ではもはや必要ありません。2012 年現在、北米断熱材製造者協会は、一時的な機械的刺激を軽減するための推奨される作業手順に従えば、グラスファイバーは製造、設置、使用しても安全であると述べています。[ 33 ]
2012年現在、欧州連合とドイツは合成ガラス繊維を発がん性がある可能性のある物質またはおそらく発がん性のある物質に分類しているが、特定の試験に合格すればこの分類から除外される可能性がある。[ 30 ]欧州委員会による2012年の健康被害評価では、3、16、30 mg/m3の濃度でガラス繊維を吸入しても、「曝露後の回復期間後に消失する一過性の肺の炎症を除いて、線維症や腫瘍は誘発されなかった」と述べられている。[ 34 ] 疫学研究の歴史的レビューは、1995 年にハーバード大学医学部と公衆衛生学部、[ 35 ] 2000 年に米国科学アカデミー、[ 36 ] 2004 年に有害物質疾病登録局( ATSDR)、[ 37 ]および2011 年に国立毒性プログラムによって実施されました。 [ 38 ] これらのレビューは、グラスウール繊維への職業的曝露によるリスク増加の証拠はないという IARC と同じ結論に達しました。
遺伝的および毒性作用は、DNAを損傷し、染色体異常、核異常、突然変異、原癌遺伝子の遺伝子増幅、哺乳類細胞の細胞形質転換を引き起こす活性酸素種の産生を介して発揮される。また、炎症細胞による活性酸素種を介した間接的な炎症誘発性遺伝毒性も存在する。繊維が長く、細く、かつ耐久性(生体残留性)が高いほど、損傷作用は強くなる。[ 27 ]: 14
米国では、微細な鉱物繊維の排出はEPAによって規制されていますが、呼吸性繊維(「その他の規制対象外の粒子状物質」)は労働安全衛生局(OSHA)によって規制されています。OSHAは、職場でのグラスファイバー曝露の法的制限(許容曝露限界)を、 8時間労働日で総量15 mg/m 3 、呼吸性曝露5 mg/m 3に設定しています。国立労働安全衛生研究所(NIOSH)は、8時間労働日での時間加重平均として、3本/cm 3 (直径3.5マイクロメートル未満、長さ10マイクロメートル超)の繊維を推奨曝露限界(REL)とし、総量制限を5 mg/m 3に設定しています。[ 39 ]
2001年現在、ドイツの有害物質条例では、最大職業曝露限界が86 mg/m 3と規定されている。特定の濃度では、爆発性混合物が発生する可能性がある。GRP部品のさらなる製造(研削、切断、鋸引き)では、ガラス繊維を含む微細な粉塵やチップ、粘着性のある粉塵が発生し、その量は健康や機械・設備の機能に影響を与えるほど高い。安全と効率を確保するためには、効果的な抽出およびろ過装置の設置が必要である。[ 26 ]