炭素繊維複合材料樹脂の選択

複合材料は補強繊維とプラスチック材料からなる。複合材料における樹脂の役割は非常に重要である。樹脂の選択は一連の特徴的なプロセスパラメータ、いくつかの機械的性能と機能（熱性能、可燃性、耐環境性など）を決定し、樹脂の性能も複合材料の機械的性能を理解する重要な要素である。樹脂が選択されると、複合材料の一連のプロセスと性能が自然に決定される。

現在、ほとんどの炭素繊維の応用と性能は樹脂を担体として選択することを要求している。樹脂の性能は複合材料の全体的な性能に大きく影響する。異なる使用環境と要件は、樹脂を異なる成分と混合する必要がある。選択した樹脂は、完成したプロジェクトに重大な影響を与える可能性があります。成形樹脂の選択は、布地互換性、使用条件、および完成品部品の所望の性能に応じて変化することができる。炭素繊維複合材料を製造する際には、通常、エポキシ樹脂、ビニルエステル、ポリエステルの3種類の熱硬化性樹脂を考慮する必要がある。ここでは、これらの3つの側面の概要を説明します。これらの機能と、それらが何に使用されるべきかを含みます。

エポキシ樹脂

極限強度が必要な複合材料部品には、メーカーがエポキシ樹脂を使用する。エポキシ樹脂は、強度特性を向上させることに加えて、通常、ポリエステル及びビニルエステルよりも寸法安定性及び他の材料との結合を増加させるのに適している。

利点：

エポキシ樹脂、高強度性能、真空輸液応用に適し、処理しやすく、中粘度

不足点：

短切繊維フェルトには使用できず、紫外線による安定性がなく、紫外線に曝露する際には必ず塗装と組み合わせなければならない

ポリエステル樹脂

ポリエステル樹脂は複合材料工業で最も広く使用されている樹脂である。ポリエステル樹脂はエポキシ樹脂よりも安価で、一定の耐食性を持ち、より寛容である。ほとんどのガラス繊維部品はポリエステル樹脂を用いて製造されており、それらは使いやすく、急速に硬化し、高温と触媒限界に耐えられるためである。ファイバーグラスには2つの異なるタイプのポリエステル樹脂があり、それぞれにメリットと用途があります。

取り扱いが容易、高速濡れ、高チキソトロピック指数（垂直表面で製品が動作しない）

不足点：

より高価な樹脂に比べて物理的性能が低い

ビニルエステル樹脂

ビニルエステル樹脂はポリエステルとエポキシ樹脂の混合物と考えられ、これはそれらの処理特性、性能、価格が通常他の2つの樹脂の間にあることを意味する。注目すべきは、これら3つの樹脂の中で、ビニルエステル樹脂は最も高い耐食性、耐温度性、伸び（靭性）を提供することである。したがって、これらは通常、高耐久性、熱安定性、耐食性が必要な場合に使用される。

利点：

ビニルエステル樹脂

-非常に安定しており、腐食に強く、耐熱性がある

不足点：

-賞味期限が短い（3ヶ月）

そのため、樹脂間の違いや、それらが複合材料の性能にどのように影響するかを知ることが重要である。しかし、すべての複合材料には共通の利点があります：より高い強度、剛性、より軽い重量、より良い環境保護性。これらの特徴のそれぞれは、補足樹脂を用いることにより、より際立たせることができる。最適な樹脂を選択するには、まず複合材料に必要な主な性能を決定する必要があります。

1.既存機能の追加

軽量複合材料を製造する最もコスト効率の高い方法は、不飽和ポリエステル樹脂を使用することである。この樹脂は比較的に良好な機械、電気と化学性能を有し、輸送、構造と建築形材などの一連の汎用応用に用いることができる。

しかし、より大きな硬度や強度が必要であれば、エポキシ樹脂が最も良いと言える。エポキシ樹脂と繊維との結合が強く、これは繊維間により高いせん断荷重を伝達することができ、複合材料により高い強度値を持たせることができることを意味する。エポキシ樹脂を結合することによって許容されるより高い繊維含有量では、複合材料は優れた強度と高い剛性を有する材料にすることができ、必要に応じて、高温用途に使用するためにさらに改質することができる。

あるいは、複合材料が硬度に加えて耐悪性環境を必要とする場合、ビニルエステル樹脂がより良い選択である可能性がある。ビニルエステルの分子構造は耐化学性を提供するので、海洋環境や酸や塩基の存在する工業用途に複合材料が使用される場合、ビニルエステルを使用すると複合材料の性能が向上する。

ネジで組み立てる必要がある複合形材を製造する場合、複合材はクラックと破断に耐える強度を持たなければならない。これは構造設計によって実現することができるが、適切な樹脂を選択することで構造を簡略化し、コストを削減し、複合材料をより広範な応用に適合させることができる。例えば、ウレタンは不飽和ポリエステルに比べて非常に強靭であるため、このような用途に好適である。

2.新機能の追加

複合材料の最も価値のある特性に相補的な樹脂を選択すると、複合材料の性能と寿命が向上する。しかし、時間をかけて樹脂を選ぶことは、既存の性能を改善することだけではありません。

樹脂は複合製品に新しい性能を加えることもできる。樹脂添加剤は樹脂に添加して、一連の利点を実現することができます：表面の光沢度や色の簡単な改善から、紫外線、抗菌、抗ウイルス性能などのより複雑な強化まで。

例えば、樹脂は日光に曝されると自然に分解されるため、紫外線吸収剤を添加して紫外線照射を防止することで、複合材料は明るい環境でより良い性能を持つことができ、このような環境は通常材料の脆化と分解をもたらす。

同様に、抗菌添加剤を樹脂に混合して、細菌又は真菌汚染を防止することができる。これは、機械、公共交通、医療機器など、人工的な操作に関連する複合製品に有用です。

3.その他の外部影響

注目すべきは、場合によっては、樹脂添加剤を添加することで複合材料の性能が変化することである。例えば、極端な場合には、効果的に機能するために大量の難燃性添加剤が必要である。この場合、複合材料中の繊維の数は減少しなければならず、強度と剛性もそれに応じて低下する。

樹脂選択は複合材料設計全体の重要な構成部分であり、無視すべきではない。複合材料の最適な特性を決定し、適切な樹脂と整合させてこれらの特性を改善し、繊維と樹脂のバランスを考慮することで、最適なソリューションを作成することができます。