短繊維熱可塑性プラスチック

短繊維強化熱可塑性樹脂は、1960年代に初めて商業的に導入されました。 ^[1]短繊維熱可塑性樹脂に使用される最も一般的な繊維の種類は、ガラス繊維と炭素繊維です^[2] 。熱可塑性樹脂に短繊維を追加すると、軽量用途の複合材料の性能が向上します。^[1]さらに、短繊維熱可塑性複合材料は、連続繊維強化複合材料よりも製造が容易で安価です。^[1]このコストと性能の妥協により、短繊維強化熱可塑性樹脂はさまざまな用途に使用できます。

短繊維強化複合材料の機械的特性は、繊維長分布（FLD）と繊維配向分布（FOD）に大きく依存する。^[3]特に、短繊維強化複合材料の強度は、平均繊維長の増加と平均繊維配向角（繊維軸と荷重方向との間の角度）の減少とともに増加する。^{[3] [4]}不整列短繊維強化ポリマー複合材料の弾性率（E）は、複合材料構造内の繊維長と配向の分布に依存する。 [ 5 ^]一般に、複合材料の弾性率は、平均繊維配向角の減少と繊維配向係数の増加とともに増加し、平均繊維長が短い場合は平均繊維長の増加とともに弾性率も増加する。平均繊維長が大きい場合、短繊維強化複合材料の弾性率にはほとんど影響しない。^[5]

短繊維複合材料の重要な特性パラメータは、強化材として使用される繊維の長さ (l) と直径 (d) の比として定義されるアスペクト比 (s) です。

${\displaystyle s={\frac {l}{d}}}$

sの値は繊維の種類や設計によって異なり、およそ50～500と想定されます。^{[6]アスペクト比は、}破壊時のひずみや靭性などの特性に影響を与える可能性があります。アスペクト比が高いほど、角張った粒子が亀裂形成を引き起こすため、破壊時のひずみと靭性の値が低くなります。^[7]

短繊維強化複合材料は、優れた機械的特性を備え、迅速で低コストの射出成形プロセス、押し出し成形、スプレーアップ技術で簡単に製造できるため、構造材料としてますます使用されています。^[8]短繊維熱可塑性複合材料の重要な問題は、製造プロセス中のボイドの形成と成長です。ボイドは繊維の端で核形成する傾向があり、その含有量は処理条件、繊維濃度、繊維の長さに依存することが示されています。^[8]たとえば、射出成形プロセスでは、圧力下で材料を冷却することで気泡の成長が抑制されます。密度測定により、射出成形サンプルのボイド含有量は、押し出し成形品と比較して大幅に低いことが確認されています (-1%)。^[8] ボイド形成に重要な役割を果たすもう 1 つの要因は、冷却速度です。溶融物が冷却されると、外側の表面層が最初に固化します。これらの層は、溶融物内の材料の収縮を抑制します。これにより、内部ボイドが発生します。その結果、冷却速度が遅いほど、複合材料のボイド含有量が減少します。最後に、押し出し構造では、繊維が長いほどボイド含有量が高くなります。この予期せぬ挙動^[8]は、粘度、押し出し圧力、せん断速度などの他の要因を克服したために発生し、この現象の分析を非常に複雑にします。

短繊維熱可塑性プラスチックは、繊維介在物を含むマトリックスとしてモデル化できます。^[9]介在物モデルによると、材料内の応力は、介在物の体積分率と単一の介在物内の応力の積に比例します。^[10]言い換えれば、複合材料内の応力は、繊維の体積分率と単一の繊維の応力に比例します。平均場理論と Mori-Tanaka モデルを使用すると、短繊維熱可塑性プラスチック内の応力を計算でモデル化できます。^[9] マトリックスがニュートン材料であると仮定すると、適用されたせん断応力によるクリープは、平衡熱力学から近似できます。^{[11]これにより、複合材料の}レオロジー応答に関する情報が得られます。

短繊維強化熱可塑性プラスチックは、繊維強化特性のため、幅広い用途に使用されています。^[2]短繊維強化熱可塑性プラスチックは、最大 30,000 psi の引張荷重に耐えることができ、弾性率は 2 x 10 ⁶ psi 程度です。^[1]靭性が極めて重要で、大量生産が伴い、長い貯蔵寿命とスクラップのリサイクルが重要な問題となる用途に最適です。^[1]これらすべての性能を備えた短繊維強化熱可塑性プラスチックを使用する最大の利点の 1 つは、処理と再処理が容易なことです。^{[1] [12]} 処理が容易であることが、短繊維強化熱可塑性プラスチックの広範な使用の重要な要因となっています。^[2]効果的な処理技術とスクラップのリサイクル能力により、熱硬化性化合物や金属に比べて大幅なコスト削減が実現します。このため、短繊維強化熱可塑性プラスチックは、電気・電子、自動車、油田、化学プロセス、防衛の各産業で求められています。^[1]短繊維熱可塑性プラスチックは長年にわたって大きく進歩し、巨大な市場で確固たる地位を築いてきましたが、配合とプロセス技術のさらなる改良と部品設計の改善により、これらの材料の性能範囲が大幅に広がり、将来的にはより多くの用途に使用できるようになる可能性があります。

射出成形は、短繊維熱可塑性プラスチックを製造するための伝統的な費用対効果の高い方法です。金型温度や圧力、充填時間、部品の形状、射出ゲートの位置と数などの処理条件は、繊維の分布に影響を与える主な要因です。^[12]その結果、製造された部品の総厚と金型壁からの距離に応じて、異なる繊維配向分布が観察されます。中間厚の薄層では、繊維配向は金型の流れ方向に対して垂直であるのが好ましく、壁厚に近い2つの層では、繊維は金型の流れ方向と一直線になっているのが好ましいです。^[4]

熱可塑性プラスチックが金属材料と異なる点は、時間依存性と比較的低い融点である。その結果、荷重が加えられる頻度や加えられる荷重の速度が、このような材料の機械的特性を決定する要因となる。熱可塑性プラスチックの熱伝導率が低いため、荷重を加えるとエネルギーが散逸して発生する熱が自己発熱や熱劣化を引き起こす。短繊維熱可塑性プラスチックでは、繊維とマトリックス間の摩擦熱と繊維端付近の応力の強さが自己発熱の度合いを高める。^[13]