熱可塑性炭素繊維強化プラスチック

概要

項目	内容
材料名	熱可塑性CFRP
略記号	CFRTP、Thermoplastic CFRP、CFRP-TP
IUPAC	単一の高分子名ではなく、炭素繊維と熱可塑性樹脂からなる複合材料であるため、一般的なIUPAC名はない。
英語名	Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic、Carbon Fiber Reinforced Thermoplastic Polymer、Thermoplastic Carbon Fiber Reinforced Plastic
日本語名	熱可塑性炭素繊維強化プラスチック、炭素繊維強化熱可塑性樹脂、CFRTP
分類	繊維強化複合材料、炭素繊維強化プラスチック、熱可塑性樹脂複合材料
プラスチック分類	母材樹脂により異なる。PA、PP、PC、PPS、PEEK、PEKK、PEI、PES、PPSUなどが用いられ、エンプラからスーパーエンプラ系複合材料まで含む。
化学式または代表構造	炭素繊維：C、母材樹脂：PA、PP、PPS、PEEKなど。代表構造は「炭素繊維 + 熱可塑性樹脂マトリックス」である。
CAS No.	複合材料としての統一CAS No.は一般に定義されない。炭素繊維、母材樹脂、添加剤ごとに確認する必要がある。
構造・主成分	連続炭素繊維、短炭素繊維、長炭素繊維、織物炭素繊維などを、熱可塑性樹脂マトリックス中に分散または含浸させた複合材料である。
主な用途	自動車構造部材、航空宇宙部品、ロボットアーム、スポーツ用品、電気電子筐体、軽量補強部材、摺動部品、医療・検査機器部品など。

熱可塑性CFRPは、炭素繊維を熱可塑性樹脂で強化した複合材料である。一般的な熱硬化性CFRPと比較して、加熱により再軟化・再成形できる点が大きな特徴であり、短時間成形、溶着、リサイクル性、二次加工性に優れる。

母材樹脂には、ポリアミド、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトンなどが用いられる。耐熱性、耐薬品性、吸水性、寸法安定性、成形温度は母材樹脂に大きく依存するため、CFRPという名称だけでは性能を判断できない。

一般に、炭素繊維の配合により比強度、比剛性、寸法安定性、導電性、耐クリープ性が向上する。一方で、繊維配向による異方性、成形時の含浸性、層間強度、衝撃破壊、電食、コストなどに注意が必要である。実使用では、母材樹脂、繊維長、繊維含有率、積層構成、温度、湿度、荷重、応力、使用時間を確認して選定する必要がある。

特徴

項目	内容
長所	軽量で高剛性、高強度であり、金属代替に適する。熱可塑性であるため、短時間成形、溶着、リサイクル、二次成形が可能である。
短所	材料価格が高く、成形条件や繊維配向により物性が大きく変動する。層間剥離、繊維露出、切削時の毛羽立ち、電食にも注意が必要である。
外観	黒色が一般的である。短繊維系は黒色ペレットまたは成形品、連続繊維系は黒色シート、テープ、プリプレグ、積層板として扱われる。
耐熱性	母材樹脂に依存する。PP系は中程度、PA・PC系はエンプラ相当、PPS・PEEK・PEKK系は高耐熱材料として扱われる。
耐薬品性	炭素繊維自体は比較的安定であるが、耐薬品性は主に母材樹脂に依存する。酸、アルカリ、溶剤、熱水、燃料に対する評価は母材別に行う必要がある。
加工性	短繊維系は射出成形が可能である。連続繊維系はプレス成形、スタンピング、オートクレーブレス成形、テープレイアップ、熱溶着などが用いられる。
分類上の注意	CFRPは一般に炭素繊維強化プラスチック全体を指すが、熱可塑性CFRPはCFRTPと表記されることが多い。熱硬化性CFRPとは母材樹脂、成形方法、リサイクル性が異なる。
代表グレード	汎用、耐熱、難燃、短繊維強化、長繊維強化、連続繊維強化、摺動、導電、低反り、食品接触対応などがある。
難燃性	母材樹脂と難燃剤に依存する。PPS、PEEK、PEI系では高い難燃性を得やすいが、UL94、酸素指数、発煙性はグレードごとの確認が必要である。
法規制	RoHS、REACH、食品衛生、FDA、医療用途、航空機規格などは、母材樹脂、添加剤、炭素繊維サイジング剤、成形工程ごとに確認する必要がある。
注意点	繊維配向による異方性、吸湿、加水分解、熱劣化、応力集中、導電性、金属接触時の電食、切削粉じん、アウトガスに注意する。

構造式

熱可塑性CFRPは、単一の化学構造式で表される材料ではなく、炭素繊維と熱可塑性樹脂マトリックスからなる複合材料である。代表的には、以下のように表記できる。

項目	代表的な構造・内容
化学式の画像	画像タグは使用しない。白黒表示の代替として、HTMLテキストで「炭素繊維 C + 熱可塑性樹脂マトリックス」と表記する。
代表的な構造単位	炭素繊維：C_n、母材樹脂：[-R-]_n。複合構造：CF / Thermoplastic Matrix。
モノマーまたは構成単位	炭素繊維、熱可塑性樹脂、サイジング剤、カップリング成分、添加剤、必要に応じて難燃剤、摺動材、導電性制御材など。
PA系CFRTP	炭素繊維 + ポリアミド。吸湿により寸法や機械特性が変化することがある。
PP系CFRTP	炭素繊維 + ポリプロピレン。軽量で耐水性に優れるが、耐熱性は限定される。
PPS系CFRTP	炭素繊維 + ポリフェニレンサルファイド。耐熱性、耐薬品性、難燃性に優れる。
PEEK系CFRTP	炭素繊維 + ポリエーテルエーテルケトン。高耐熱、高強度、耐薬品性に優れるが高価である。
共重合体・変性グレード	母材にはPA6、PA66、PA12、PPS、PEEK、PEKK、PEI、PC、PPなどがあり、耐衝撃、難燃、摺動、低反り、導電制御などの変性グレードが存在する。

代表構造例：炭素繊維束 / 熱可塑性樹脂マトリックス = CF + [-Thermoplastic Polymer-]_n

種類

種類の名称	主成分または特徴	長所	短所	主な用途
短炭素繊維強化CFRTP	短繊維CFを熱可塑性樹脂に分散した射出成形用材料	成形自由度が高く、量産性に優れる	連続繊維系より強度・剛性は低い	筐体、ブラケット、ギア、機械部品
長炭素繊維強化CFRTP	長繊維CFをペレット内に保持した材料	短繊維より衝撃性、剛性、クリープ特性に優れる	成形条件により繊維折損が起こる	自動車部品、構造部材、補強部品
連続繊維CFRTP	UDテープ、織物、シートに熱可塑性樹脂を含浸した材料	高い比強度、比剛性を得やすい	成形設備、積層設計、含浸管理が必要	航空宇宙、自動車骨格、ロボットアーム
PA系CFRTP	PA6、PA66、PA12などを母材とする	機械強度、耐摩耗性、成形性のバランスが良い	吸水、寸法変化、加水分解に注意	機械部品、ギア、構造部材
PP系CFRTP	PPを母材とする軽量グレード	低密度、耐水性、耐薬品性、低コスト性	耐熱性、接着性、表面処理性は限定される	自動車内外装、軽量パネル、一般産業部品
PPS系CFRTP	PPSを母材とする高耐熱・耐薬品グレード	耐熱性、寸法安定性、難燃性、耐薬品性が高い	靭性や成形条件に注意が必要	電気電子部品、ポンプ部品、耐薬品部品
PEEK系CFRTP	PEEKを母材とするスーパーエンプラ系材料	高温強度、耐薬品性、耐疲労性、耐摩耗性が高い	材料価格と成形温度が高い	航空宇宙、医療機器、摺動部品、高温構造部品
難燃CFRTP	難燃性母材または難燃剤を併用したグレード	電気電子用途に適する	難燃剤により流動性や靭性が低下する場合がある	コネクタ、筐体、バッテリー周辺部材
摺動CFRTP	CFにPTFE、グラファイト、シリコーン系添加剤などを併用する場合がある	摩耗、クリープ、寸法安定性に優れる	相手材摩耗、導電性、摩擦熱に注意	軸受、ギア、ガイド、スライダー

成形加工

加工方法	適性	内容
射出成形	◎	短繊維・長繊維CFRTPで多用される。繊維折損、配向、反り、ゲート設計に注意する。
押出成形	○	ペレット化、シート、棒材、プロファイル成形に用いられる。繊維分散と摩耗対策が必要である。
ブロー成形	△	一般的ではない。短繊維系の一部で検討されるが、繊維配向や肉厚均一性に課題がある。
圧縮成形	◎	連続繊維シート、スタンパブルシート、ランダムマットで適する。大型薄肉部品に用いられる。
プレス成形	◎	加熱したCFRTPシートを金型で成形する。短サイクル化が可能である。
真空成形	△	薄肉シートで可能な場合があるが、繊維構成、曲げ半径、樹脂流動に制限がある。
熱溶着	◎	超音波、振動、抵抗、誘導、レーザーなどの溶着が検討される。熱可塑性CFRPの大きな利点である。
切削加工	○	可能であるが、工具摩耗、繊維の毛羽立ち、粉じん、層間剥離に注意する。
3Dプリンティング	○	短繊維CF配合フィラメントやペレット方式で利用される。連続繊維方式もあるが専用設備が必要である。
接着	△	母材樹脂により表面処理が必要である。PP系やPEEK系は接着しにくい場合がある。

代表的な成形条件

母材樹脂	乾燥温度	シリンダー温度	金型温度	成形収縮率	備考
PP-CF	通常不要または80℃前後	190〜250℃	30〜80℃	0.1〜0.6%	低吸水であるが、保管状態により予備乾燥する。
PA6-CF	80〜100℃	250〜290℃	60〜100℃	0.1〜0.5%	吸湿により外観、強度、寸法が変化するため乾燥管理が重要である。
PA66-CF	80〜100℃	270〜310℃	70〜120℃	0.1〜0.5%	高温成形となるため熱劣化と水分管理に注意する。
PPS-CF	120〜150℃	300〜340℃	120〜160℃	0.05〜0.3%	結晶化管理により寸法、耐熱性、反りが変化する。
PEEK-CF	150〜180℃	360〜400℃	160〜200℃	0.05〜0.3%	高温金型が必要であり、結晶化度管理が重要である。

上記は代表値であり、実際の成形条件はグレード、繊維含有率、繊維長、金型構造、乾燥条件、滞留時間により異なる。

代表的な物性値又は機械的性質

項目	単位	PP-CF30	PA6-CF30	PPS-CF40	PEEK-CF30	連続繊維PEEK-CF	備考
密度	g/cm³	1.05〜1.20	1.25〜1.40	1.50〜1.65	1.38〜1.50	1.50〜1.65	炭素繊維量、母材樹脂により変化する。
引張強さ	MPa	80〜150	150〜250	180〜280	200〜300	600〜2000	連続繊維では繊維方向で大きく向上する。
伸び	%	1〜3	1〜3	1〜2	1〜3	0.5〜2	一般に未強化樹脂より低下する。
曲げ弾性率	GPa	7〜15	12〜25	18〜35	15〜30	50〜150	繊維方向、繊維含有率、積層構成に依存する。
アイゾット衝撃強さ	kJ/m²	5〜20	6〜25	5〜15	7〜20	条件により大きく変動	ノッチ有無、繊維長、層間強度により変化する。
荷重たわみ温度	℃	100〜150	180〜220	250〜270	280〜320	280〜330	荷重、試験条件、結晶化度で変化する。
融点またはガラス転移温度	℃	PP融点：約160〜170	PA6融点：約220	PPS融点：約280〜285	PEEK融点：約343	PEEK融点：約343	母材樹脂の値で判断する。
連続使用温度	℃	80〜110	100〜140	180〜220	240〜260	240〜260	荷重、雰囲気、寿命要求で変化する。
吸水率	%	0.01〜0.05	0.8〜2.5	0.02〜0.1	0.1〜0.5	0.1〜0.5	PA系では特に重要である。
体積抵抗率	Ω・cm	10⁰〜10⁶	10⁰〜10⁶	10⁰〜10⁶	10⁰〜10⁶	10⁰〜10⁵	炭素繊維により導電性を示す場合が多い。
難燃性	UL94相当	HB〜V-2相当	HB〜V-0相当	V-0相当が多い	V-0相当が多い	V-0相当が多い	実際は厚み、添加剤、母材により確認が必要である。
線膨張係数	×10^-5/K	1〜5	1〜4	0.5〜3	0.5〜3	繊維方向で非常に小さい	異方性が大きい。

代表物性値は目安であり、短繊維、長繊維、連続繊維、繊維含有率、母材樹脂、試験方向により大きく変動する。設計では、実グレードのデータシート、成形品形状、使用温度、荷重、応力、使用時間を確認する必要がある。

耐薬品性

熱可塑性CFRPの耐薬品性は、炭素繊維よりも母材樹脂に支配される。特にPA系では吸水、加水分解、酸・アルカリへの影響、PPS・PEEK系では高温薬品、酸化性薬品、応力下での長期劣化を確認する必要がある。

薬品分類	代表薬品	PP-CF	PA-CF	PPS-CF	PEEK-CF	備考
酸類	塩酸、希硫酸、酢酸	○	△	◎	◎	濃酸、高温、長時間では母材の劣化を確認する。
強酸・酸化性酸	濃硫酸、硝酸、クロム酸	△	×	△	△	酸化性条件では炭素繊維や樹脂界面にも注意する。
アルカリ類	NaOH、KOH、水酸化ナトリウム	◎	△	◎	◎	PA系は濃度、温度、時間により加水分解を受ける場合がある。
低級アルコール類	メタノール、エタノール、IPA	◎	○	◎	◎	短時間接触では比較的安定な場合が多い。
高級アルコール類	グリセリン、MMB、ベンジルアルコール	○	△〜○	○	◎	高温条件では膨潤や抽出を確認する。
芳香族炭化水素類	トルエン、キシレン	△	○	○	◎	PP系やPC系母材では膨潤・応力割れに注意する。
脂肪族炭化水素類	ヘキサン、灯油、ミネラルスピリット	○	◎	◎	◎	燃料用途では温度、添加剤、浸漬時間を確認する。
ケトン	アセトン、MEK、MIBK	○	△〜○	○	◎	母材がPC、PEIなどの場合は応力割れに注意する。
エステル	酢酸エチル、酢酸ブチル	○	△〜○	○	◎	高温・応力下での膨潤、界面劣化を確認する。
塩素系溶剤	ジクロロメタン、トリクロロエチレン	△	△	○	○〜◎	樹脂やサイジング剤への影響を確認する。
水・温水	水、温水、蒸気	◎	△〜○	◎	◎	PA系は吸水、熱水、加水分解に注意する。
油	潤滑油、作動油、植物油、鉱物油	○	◎	◎	◎	添加剤、酸化劣化油、高温条件では確認が必要である。
燃料	ガソリン、軽油、アルコール混合燃料	△〜○	○	◎	◎	燃料成分、バイオ燃料、温度で評価が変わる。

SP値（溶解度パラメータ）

SP値（δ）は、材料と溶剤の溶解・膨潤傾向を推定する目安であり、単位はMPa^1/2で表す。熱可塑性CFRPは複合材料であるため、代表SP値は母材樹脂のSP値を基準に考える。

材料・母材樹脂	代表SP値 δ	単位	備考
PP-CF	16〜18	MPa^1/2	PP母材の目安である。
PA-CF	22〜28	MPa^1/2	PAの種類、吸水状態により変動する。
PC-CF	19〜21	MPa^1/2	芳香族溶剤、塩素系溶剤で応力割れに注意する。
PPS-CF	19〜22	MPa^1/2	耐薬品性はSP値以上に結晶性の影響を受ける。
PEEK-CF	20〜23	MPa^1/2	高結晶性で耐溶剤性が高い。

SP値が近い場合でも、結晶性、架橋、分子量、繊維界面、サイジング剤、応力、温度、薬品濃度、接触時間により結果は変化する。SP値だけで耐薬品性を判断してはならない。

溶解性の目安

SP値差	溶解・膨潤の目安	判定
0〜2	膨潤・軟化しやすい	×
2〜5	条件により膨潤する	△
5〜8	短時間接触では比較的安定	○
8以上	溶解・膨潤しにくい	◎

SP値から見た耐溶剤性

薬品名	代表SP値 δ	単位	PP-CFとの差	PPS-CFとの差	PEEK-CFとの差	評価目安
ヘキサン	14.9	MPa^1/2	1〜3	4〜7	5〜8	PP系は膨潤に注意、PPS・PEEK系は概ね良好
トルエン	18.2	MPa^1/2	0〜2	1〜4	2〜5	SP値上は近いが、結晶性樹脂では実耐性確認が必要
アセトン	19.9	MPa^1/2	2〜4	0〜3	0〜3	母材により応力割れ・膨潤を確認する
酢酸エチル	18.6	MPa^1/2	1〜3	1〜4	2〜5	短時間接触と長期浸漬で評価が異なる
エタノール	26.0	MPa^1/2	8〜10	4〜7	3〜6	多くのCFRTPで短時間接触は概ね良好
IPA	23.5	MPa^1/2	6〜8	2〜5	1〜4	応力下では母材別に確認する
水	47.9	MPa^1/2	30前後	25前後	25前後	SP差は大きいが、PA系は吸水に注意
ジクロロメタン	20.2	MPa^1/2	2〜4	0〜3	0〜3	SP値が近く、母材によっては不適
グリセリン	33〜36	MPa^1/2	16〜19	12〜16	11〜15	SP値上は膨潤しにくいが、高温では確認が必要

評価基準：◎非常に良好、○概ね良好、△注意が必要、×不適。SP値差による評価は簡易判定であり、耐薬品性は実使用濃度、温度、応力、浸漬時間、乾湿サイクル、母材樹脂、炭素繊維界面を含めて確認する必要がある。

製法

工程	内容
原料	炭素繊維、熱可塑性樹脂、サイジング剤、相溶化剤、安定剤、難燃剤、摺動材、着色材などを用いる。
重合方法	CFRTP自体は重合で直接作る材料ではない。PA、PP、PPS、PEEKなどの母材樹脂を重合または重縮合で製造し、炭素繊維と複合化する。
ペレット化・コンパウンド	短繊維系では押出機で炭素繊維を混練し、射出成形用ペレットにする。長繊維系では引抜含浸や長繊維ペレット化が用いられる。
連続繊維含浸	UDテープ、織物、ランダムマットに溶融樹脂、粉末樹脂、フィルム、溶液などを含浸させる。高粘度の熱可塑性樹脂では含浸性が課題となる。
積層・成形	プリプレグ、UDテープ、シートを積層し、加熱プレス、スタンピング、オートメーションレイアップ、熱溶着で成形する。
添加剤・強化材	酸化防止剤、熱安定剤、難燃剤、PTFE、グラファイト、ガラス繊維、無機フィラーなどを併用する場合がある。

代表的な反応式・工程式

熱可塑性CFRPは、熱硬化性樹脂のような硬化反応ではなく、既存の熱可塑性樹脂と炭素繊維を複合化する工程で製造される。

工程式：炭素繊維 CF + 熱可塑性樹脂ペレットまたはフィルム [-R-]_n + 加熱・加圧・含浸 → CF / 熱可塑性樹脂複合材料

PA6を母材とする場合の代表的な重合式：n H₂N-(CH₂)₅-COOH → [-NH-(CH₂)₅-CO-]_n + n H₂O

PEEKを母材とする場合の代表構造単位：[-O-Ph-O-Ph-CO-Ph-]_n。ここでPhはフェニレン基を示す。

詳細な利用用途

分野	用途例	選定理由	注意点
自動車	シートフレーム、ブラケット、補強材、バッテリー周辺部材、構造パネル	軽量化、高剛性、短時間成形、金属代替	衝突安全、クリープ、電食、リサイクル工程を確認する。
航空宇宙	内装部材、構造補強部材、クリップ、ブラケット、耐熱部品	比強度、比剛性、難燃性、低発煙性	材料認証、難燃、アウトガス、疲労特性を確認する。
電気・電子	筐体、コネクタ、放熱補助部材、EMI対策部品、搬送治具	寸法安定性、導電性、剛性、耐熱性	絶縁性が必要な用途では炭素繊維の導電性に注意する。
機械部品	ギア、軸受、ガイド、ロボットアーム、治具	剛性、軽量性、耐摩耗性、耐クリープ性	繊維配向、相手材摩耗、切削時の繊維露出を確認する。
医療	X線透過治具、検査装置部品、手術器具部品、補助具	軽量、高剛性、耐薬品性、寸法安定性	生体適合性、滅菌耐性、薬事規制を確認する。
食品機械	搬送部品、ガイド、軽量アーム、耐摩耗部品	軽量、耐摩耗、低発塵、寸法安定性	食品接触適合、洗浄薬品、炭素繊維露出を確認する。
建築・設備	補強部材、軽量パネル、耐食部品、設備治具	軽量、高剛性、耐食性	屋外耐候性、火災時挙動、接合方法を確認する。
スポーツ・レジャー	自転車部品、ラケット、靴部品、プロテクター	軽量、高剛性、反発性、設計自由度	衝撃破壊、層間剥離、繰返し疲労を確認する。
用途別選定	ギア、軸受、チューブ、筐体、フィルム、コネクタ、補強パネル	用途ごとに剛性、摺動、耐薬品性、耐熱性を設計できる	母材樹脂と繊維形態を用途に合わせて選定する。

比較材料	特徴	対象材料との違い
CFRP	炭素繊維強化プラスチック全般を指す。熱硬化性CFRPを含む。	熱可塑性CFRPは再加熱成形、溶着、リサイクル性で有利である。
GFRP	ガラス繊維強化プラスチック。コストと絶縁性に優れる。	CFRTPはGFRPより軽量高剛性になりやすいが、高価で導電性を持つ。
ポリアミド	耐摩耗性、機械強度に優れるエンプラである。	PA-CFは未強化PAより剛性、寸法安定性、耐クリープ性が高いが、伸びは低下する。
ポリプロピレン	軽量、耐水性、耐薬品性、低コスト性に優れる汎用プラスチックである。	PP-CFは未強化PPより剛性と耐熱性が向上するが、耐熱上限はPPSやPEEK系より低い。
ポリフェニレンサルファイド	耐熱性、耐薬品性、寸法安定性、難燃性に優れるスーパーエンプラである。	PPS-CFは耐熱・耐薬品用途に適し、PA-CFより吸水が小さい。
ポリエーテルエーテルケトン	高耐熱、高強度、耐薬品性、耐摩耗性に優れるスーパーエンプラである。	PEEK-CFは高温構造部品に適するが、材料価格と成形温度が高い。
ポリエーテルイミド	非晶性の高耐熱透明スーパーエンプラである。	PEI-CFは寸法安定性と難燃性に優れるが、溶剤応力割れには注意が必要である。
ポリカーボネート	耐衝撃性、透明性、寸法精度に優れるエンプラである。	PC-CFは剛性が高いが、透明性は失われ、溶剤応力割れにも注意する。

代表的なメーカー

メーカー	代表製品・ブランド	概要
東レ	TORAYCA、熱可塑性炭素繊維複合材料関連製品	炭素繊維およびCFRP関連材料の大手メーカーであり、航空宇宙、自動車、産業用途向けに展開している。
帝人	Tenax、Sereebo関連技術	炭素繊維および熱可塑性CFRP技術を展開するメーカーである。自動車軽量化用途で知られる。
三菱ケミカルグループ	Pyrofil、KyronMAXなどの代表例	炭素繊維、複合材料、CFRTP関連材料を展開するメーカーである。
Solvay	APC、PEEK・PEKK系複合材料の代表例	航空宇宙、自動車、医療、産業用途向けの高性能熱可塑性複合材料を展開している。
Victrex	VICTREX PEEK、AE250 compositesなどの代表例	PEEK系高性能樹脂および複合材料を展開するメーカーである。
Celanese	Celstran、Compel、Thermoplastic composite関連製品	長繊維強化熱可塑性樹脂や複合材料を展開している。
Avient	Complēt、OnForceなどの代表例	短繊維・長繊維強化コンパウンド、特殊複合材料を展開している。
Ensinger	TECAPEEK CF、TECARAN CFなどの代表例	高性能樹脂の押出素材、切削加工用素材、炭素繊維強化グレードを展開している。

メーカー名および代表製品は代表例であり、実際の採用では対象グレードの入手性、認証、物性表、成形条件、法規制適合を確認する必要がある。