概要
| 材料名 | ガラス繊維強化プラスチック |
|---|---|
| 略号 | GFRP、FRP |
| 英語名 | Glass Fiber Reinforced Plastic / Glass Fiber Reinforced Polymer |
| 分類 | 繊維強化プラスチック、複合材料 |
| 主な構成 | ガラス繊維 + 不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド、ポリプロピレンなど |
ガラス繊維強化プラスチック（GFRP）は、安価で入手容易なガラス繊維を補強材とし、ポリエステル樹脂やエポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂などの熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を母材として、ガラス繊維を組み合わせた複合材料である。
軽量で強度、剛性、耐食性、電気絶縁性に優れており、特に金属などやCFRPなどと比較するとコストパフォーマンスが優れているため、船舶、タンク、建材、車両部品、電気部品、風力発電部材などに使用される。
化学式：ガラス繊維 + 樹脂 （ガラス繊維はSiO2をベースに各種配合あり）
主なガラス繊維の種類
ARガラス：耐アルカリ性（セメント補強用）
Eガラス：電気絶縁性に優れる、最も一般的
Sガラス：高強度タイプ
Cガラス：耐食性に優れる
特徴
- ガラス繊維によって樹脂単体よりも引張強さ、曲げ強さ、寸法安定性が向上する。
- 炭素繊維強化プラスチック（CFRP）より低コストで、大型成形品に適する。
- 金属に比べて軽量で、錆びにくく、耐食用途に適する。
- 電気絶縁性が高く、電装部品、絶縁部材、アンテナカバーなどに用いられる。
- 耐薬品性はマトリックス樹脂の種類に強く依存する。
- 不飽和ポリエステル系は汎用性とコストに優れ、ビニルエステル系は耐薬品性、エポキシ系は機械特性と接着性に優れる。
長所
- 比強度が高く、金属代替に使用できる。
- CFRPより材料費が低い。
- 低コストで入手性が高い
- 耐食性、耐候性に優れ、化学プラントや屋外用途に適する
- 電気絶縁性が良好
- 成形プロセスの選択肢が多い
- 大型成形、複雑形状、低圧成形に対応しやすい。
短所
- CFRPに比べて強度・弾性率が低い
- 弾性率はCFRPや金属より低い。
- 重量がやや重い
- 透明性はほぼない
- 衝撃や層間はく離に注意が必要である。
- 耐熱性は使用する樹脂に依存する。
- 切削時にガラス繊維粉じんが発生しやすい。
- リサイクルは容易ではない
成形加工
| 加工方法 | 適正 | 特徴 |
|---|---|---|
| ハンドレイアップ成形 | ◎ | 大型品、少量生産に適する。船舶、タンク、カバーなどに用いられる。 |
| スプレーアップ成形 | ○ | チョップドストランドと樹脂を同時に吹き付ける成形法である。 |
| RTM成形 | ◎ | 型内に繊維基材を配置し、樹脂を注入して硬化させる。 |
| 引抜成形 | ◎ | 棒材、形材、グレーチング、梯子材など連続断面品に適する。 |
| フィラメントワインディング | ◎ | タンク、圧力容器、パイプなど円筒形状に適する。 |
| SMC/BMC成形 | ◎ | 量産性に優れ、自動車部品、電気部品に用いられる。 |
| 射出成形 | ○ | 短繊維強化熱可塑性GFRPに用いられる。 |
設計上の注意点
- 異方性を考慮した設計が必要
- ガラス繊維粉じんは作業環境対策（吸入防止）が必須
- アルカリ環境に弱い繊維種もあるため選択注意
- 熱伝導率は低く、熱膨張特性も設計で配慮
リサイクルと環境配慮
- 機械的粉砕し、充填材や短繊維材に再利用
- 熱分解で繊維回収可能だが品質低下あり
- 近年はリサイクル性を改善した熱可塑性マトリックスとの組合せが検討中
よくある質問（FAQ）
Q. GFRPは金属より腐食しにくいですか？
A. はい。ガラス繊維も樹脂も腐食に強く、特に化学薬品や水分環境で長寿命です。
Q. CFRPと比べて性能は？
A. 炭素繊維強化プラスチック(CFRP)ほどの強度・剛性はありませんが、コストが安く、十分な強度と耐食性を持つため、多くの産業分野で最も広く使われています。
Q. 電気絶縁性はありますか？
A. はい。樹脂とガラス繊維の組合せは優れた電気絶縁材料であり、配電盤や電子機器に利用されます。
構造式
GFRPは単一の繰返し構造式で表される材料ではなく、ガラス繊維と樹脂からなる複合材料である。
| ガラス繊維 | SiO2を主成分とし、Al2O3、CaO、MgO、B2O3などを含む無機ガラス繊維である。 |
|---|---|
| マトリックス樹脂 | 不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリアミド、ポリプロピレンなどである。 |
| 基本構造 | ガラス繊維表面を樹脂が濡らし、硬化又は固化することで荷重を繊維へ伝達する複合構造である。 |
種類
| 種類の名称 | マトリックス樹脂 | 特徴 | 主な用途 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| UP-GFRP | 不飽和ポリエステル樹脂 | 低コストで成形性に優れる。 | 浴槽、船舶、建材、タンク | 汎用FRPとして最も広く使用される。 |
| VE-GFRP | ビニルエステル樹脂 | 耐薬品性、耐酸性に優れる。 | 薬液タンク、配管、防食ライニング | 腐食環境で使用される。 |
| EP-GFRP | エポキシ樹脂 | 機械強度、接着性、寸法安定性に優れる。 | 電気部品、構造部材、航空・車両部品 | 高性能グレードに用いられる。 |
| PF-GFRP | フェノール樹脂 | 難燃性、低発煙性に優れる。 | 鉄道、建材、電気部品 | 防火要求のある用途に適する。 |
| 熱可塑性GFRP | PP、PA、PBT、PPSなど | 射出成形、リサイクル性、生産性に優れる。 | 自動車部品、電装部品、機械部品 | PP、PA、PBTなどの強化材として扱われる。 |
代表的な物性値又は機械的性質。
| 項目 | 単位 | UP-GFRP GF30% | UP-GFRP GF50% | VE-GFRP GF50% | EP-GFRP GF60% | PP-GF GF30% | PA66-GF GF30% |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 密度 | g/cm3 | 1.45 ～ 1.65 | 1.65 ～ 1.90 | 1.70 ～ 1.95 | 1.80 ～ 2.00 | 1.10 ～ 1.25 | 1.35 ～ 1.45 |
| 引張強さ | MPa | 100 ～ 250 | 200 ～ 450 | 250 ～ 500 | 350 ～ 700 | 80 ～ 130 | 150 ～ 220 |
| 曲げ強さ | MPa | 150 ～ 300 | 250 ～ 600 | 300 ～ 650 | 500 ～ 900 | 110 ～ 180 | 220 ～ 320 |
| 曲げ弾性率 | GPa | 7 ～ 12 | 12 ～ 25 | 14 ～ 28 | 20 ～ 35 | 5 ～ 8 | 8 ～ 12 |
| 圧縮強さ | MPa | 120 ～ 250 | 200 ～ 450 | 250 ～ 500 | 350 ～ 650 | 80 ～ 130 | 120 ～ 200 |
| アイゾット衝撃強さ | kJ/m2 | 30 ～ 80 | 40 ～ 100 | 50 ～ 120 | 60 ～ 150 | 8 ～ 20 | 10 ～ 25 |
| 熱変形温度 | ℃ | 80 ～ 120 | 100 ～ 150 | 120 ～ 180 | 140 ～ 220 | 120 ～ 150 | 240 ～ 260 |
| 線膨張係数 | ×10-5/K | 2.0 ～ 4.0 | 1.2 ～ 3.0 | 1.0 ～ 2.5 | 0.8 ～ 2.0 | 3.0 ～ 6.0 | 2.0 ～ 4.0 |
| 吸水率 | % | 0.1 ～ 0.5 | 0.1 ～ 0.4 | 0.1 ～ 0.3 | 0.1 ～ 0.4 | 0.01 ～ 0.05 | 0.8 ～ 1.5 |
| 体積抵抗率 | Ω・cm | 1013 ～ 1015 | 1013 ～ 1015 | 1013 ～ 1015 | 1013 ～ 1016 | 1014 ～ 1016 | 1012 ～ 1014 |
※上記の数値は代表値であり、ガラス繊維の種類、繊維長、繊維配向、含有率、樹脂の種類、成形方法、積層構成、測定条件により変動する。
※UP-GFRPは不飽和ポリエステル樹脂系、VE-GFRPはビニルエステル樹脂系、EP-GFRPはエポキシ樹脂系、PP-GFはガラス繊維強化ポリプロピレン、PA66-GFはガラス繊維強化ポリアミド66である。
耐薬品性
| 薬品分類 | 耐性 | 備考 |
|---|---|---|
| 水 | ◎ | 一般に良好である。ただし長期浸漬では吸水、界面劣化に注意する。 |
| 希酸 | ○ ～ ◎ | ビニルエステル系GFRPは特に良好である。 |
| 強酸 | △ ～ ○ | 樹脂種、濃度、温度により大きく異なる。 |
| 弱アルカリ | △ ～ ○ | 樹脂種による。ガラス繊維はアルカリで劣化しやすい場合がある。 |
| 強アルカリ | × ～ △ | ガラス繊維の侵食、樹脂劣化に注意する。 |
| 炭化水素系溶剤 | ○ | 膨潤は比較的小さいが、樹脂種により確認が必要である。 |
| ケトン類 | × ～ △ | アセトン、MEKなどは樹脂を膨潤・劣化させる場合がある。 |
| 芳香族溶剤 | △ | トルエン、キシレンではマトリックス樹脂の膨潤に注意する。 |
| 塩素系溶剤 | × ～ △ | ジクロロメタンなどは不適となる場合が多い。 |
更に詳しくはプラスチックの耐薬品性一覧表を参照。
SP値（溶解度パラメータ）
GFRPのSP値は単一値ではなく、主にマトリックス樹脂のSP値に依存する。ガラス繊維自体は無機質であり、一般的な有機溶剤には溶解しない。
| 項目 | SP値（δ） MPa1/2 | 備考 |
|---|---|---|
| GFRP（不飽和ポリエステル系） | 19.0 ～ 22.0 | 汎用FRP。ケトン類、芳香族溶剤、塩素系溶剤に注意する。 |
| GFRP（ビニルエステル系） | 20.0 ～ 23.0 | 耐酸性、耐薬品性に優れる。防食用途に適する。 |
| GFRP（エポキシ系） | 19.5 ～ 22.5 | 機械強度と接着性に優れる。強極性溶剤では膨潤に注意する。 |
| GFRP（フェノール系） | 22.0 ～ 25.0 | 難燃性、耐熱性に優れる。アルカリ環境では注意する。 |
| GFRP（PP系） | 16.0 ～ 18.0 | 非極性溶剤との相性に注意する。酸・アルカリには比較的安定である。 |
| GFRP（PA系） | 21.0 ～ 24.0 | 吸水性があり、酸・強アルカリでは劣化しやすい。 |
溶解性の目安
| SP値差 | 評価 | 溶解・膨潤の目安 |
|---|---|---|
| 0～2 | × | 溶解、膨潤、軟化、応力割れを起こしやすい範囲である。 |
| 2～4 | △ | 条件により膨潤、白化、強度低下が生じる可能性がある。 |
| 4～7 | ○ | 短時間接触では使用できる場合が多いが、長時間浸漬では確認が必要である。 |
| 7以上 | ◎ | 一般に溶解・膨潤しにくい範囲である。 |
SP値から見た耐溶剤性
| 薬品・溶剤 | SP値（δ） MPa1/2 | SP値差 | 評価 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 水 | 47.9 | 26.9 | ◎ | SP値差は大きいが、長期浸漬では吸水と界面劣化に注意する。 |
| メタノール | 29.7 | 8.7 | ○ | 短時間では比較的良好であるが、樹脂種により膨潤する場合がある。 |
| エタノール | 26.0 | 5.0 | ○ | 一般に大きな溶解は起こりにくいが、長期接触は確認が必要である。 |
| アセトン | 20.3 | 0.7 | × | SP値が近く、ポリエステル系やエポキシ系で膨潤・劣化に注意する。 |
| MEK | 19.0 | 2.0 | × | ケトン系溶剤であり、マトリックス樹脂を侵しやすい。 |
| 酢酸エチル | 18.6 | 2.4 | △ | 膨潤、白化、強度低下に注意する。 |
| トルエン | 18.2 | 2.8 | △ | 芳香族溶剤であり、不飽和ポリエステル系では注意が必要である。 |
| キシレン | 18.0 | 3.0 | △ | 長期接触では膨潤、軟化を確認する必要がある。 |
| ヘキサン | 14.9 | 6.1 | ○ | 非極性溶剤であり、比較的良好である。 |
| ガソリン | 14.0 ～ 16.0 | 5.0 ～ 7.0 | ○ | 樹脂種、添加剤、温度により確認が必要である。 |
| ジクロロメタン | 20.2 | 0.8 | × | 塩素系溶剤であり、多くの樹脂に対して不適である。 |
| 苛性ソーダ水溶液 | － | － | × ～ △ | 強アルカリによりガラス繊維や樹脂が劣化する場合がある。 |
| 希硫酸 | － | － | ○ | ビニルエステル系GFRPでは良好な場合が多い。 |
※SP値差はGFRP（不飽和ポリエステル系、ビニルエステル系、エポキシ系）の中央値を概ね21.0 MPa1/2として算出した目安である。
評価基準：◎：非常に良好 ○：概ね良好 △：注意が必要 ×：不適
GFRPは複合材料であるため、ガラス繊維は溶解しにくいが、マトリックス樹脂が膨潤、軟化、クラック、界面はく離を起こす場合がある。SP値が近い溶剤では膨潤や劣化が起こりやすく、SP値差が大きい溶剤では比較的安定しやすい。ただし、温度、濃度、応力、接触時間、成形状態により実用耐性は変化する。
特に注意する溶剤：アセトン、MEK、ジクロロメタン、トルエン、キシレンなどはマトリックス樹脂の膨潤、軟化、白化、クラック、層間はく離を生じる場合がある。強アルカリではガラス繊維自体の劣化にも注意が必要である。
溶解性の目安
| 溶剤分類 | 溶解・膨潤の目安 | 備考 |
|---|---|---|
| 水、塩水 | 溶解しない | 長期では吸水、界面劣化を確認する。 |
| アルコール類 | ほとんど溶解しない | 樹脂種により膨潤する場合がある。 |
| ケトン類 | 膨潤・劣化しやすい | アセトン、MEKは注意が必要である。 |
| 芳香族炭化水素 | 膨潤する場合がある | トルエン、キシレンは長期接触に注意する。 |
| 塩素系溶剤 | 不適となる場合が多い | ジクロロメタンなどは避ける。 |
| 酸 | 樹脂種により良好 | ビニルエステル系は耐酸用途に適する。 |
| アルカリ | 注意が必要 | 強アルカリではガラス繊維が侵される場合がある。 |
GFRPの耐溶剤性は、SP値差だけでなく、マトリックス樹脂の架橋密度、ガラス繊維含有率、サイジング剤、成形欠陥、残留応力、使用温度により決まる。特に熱硬化性GFRPでは、完全に溶解しなくても膨潤、クラック、強度低下、界面はく離が問題となる。
製法
GFRPは、ガラス繊維に樹脂を含浸させ、硬化又は冷却固化させることで製造される。
| 製法 | 概要 | 主な用途 |
|---|---|---|
| ハンドレイアップ法 | 型にガラス繊維基材を置き、樹脂を手作業で含浸して硬化させる。 | 船舶、タンク、浴槽、大型カバー |
| スプレーアップ法 | チョップドガラス繊維と樹脂を型へ吹き付けて成形する。 | 大型外装、建材、車両部品 |
| RTM法 | 密閉型に繊維基材を配置し、樹脂を注入して硬化させる。 | 外観部品、構造部材 |
| 引抜成形法 | 連続ガラス繊維に樹脂を含浸し、加熱金型を通して連続成形する。 | 形材、棒材、梯子、グレーチング |
| フィラメントワインディング法 | 樹脂含浸したガラス繊維をマンドレルに巻き付けて硬化させる。 | タンク、パイプ、圧力容器 |
| SMC/BMC成形法 | ガラス繊維を含む成形材料を金型内で加圧・加熱して成形する。 | 自動車部品、電気部品、筐体 |
基本反応式の例として、不飽和ポリエステル系GFRPでは、不飽和ポリエステル樹脂とスチレンなどの反応性希釈剤がラジカル重合により三次元架橋構造を形成する。
不飽和ポリエステル + スチレン → 架橋不飽和ポリエステル樹脂
ガラス繊維 + 架橋樹脂 → ガラス繊維強化プラスチック（GFRP）
詳細な利用用途
| 分野 | 用途例 | 採用理由 |
|---|---|---|
| 建築・土木 | パネル、グレーチング、橋梁部材、補強材 | 軽量、耐食性、絶縁性 |
| 船舶・海洋 | 船体、デッキ、カバー、ブイ | 耐水性、耐食性、成形自由度 |
| 化学プラント | 薬液タンク、配管、ダクト、防食ライニング | 耐薬品性、耐食性 |
| 自動車・車両 | 外装パネル、バンパー、エンジン周辺部品、床材 | 軽量化、剛性、量産性 |
| 電気・電子 | 絶縁板、配電盤、碍子、アンテナカバー | 電気絶縁性、耐候性 |
| エネルギー | 風力発電ブレード、太陽光架台、電力設備部材 | 軽量、高強度、耐候性 |
| 住宅設備 | 浴槽、浄化槽、受水槽、外装カバー | 防水性、成形性、耐食性 |
関連材料との比較
| 比較材料 | 特徴 | GFRPとの違い | 関連リンク |
|---|---|---|---|
| CFRP | 炭素繊維強化プラスチック | GFRPより高強度・高弾性率で軽量だが高価である。 | 炭素繊維強化プラスチック |
| AFRP | アラミド繊維強化プラスチック | 耐衝撃性に優れるが、圧縮特性や吸湿に注意が必要である。 | 芳香族ポリアミド |
| 不飽和ポリエステル樹脂 | 汎用熱硬化性樹脂 | GFRPの代表的なマトリックス樹脂である。 | 不飽和ポリエステル樹脂 |
| ビニルエステル樹脂 | 耐薬品性に優れる熱硬化性樹脂 | 防食GFRPのマトリックスとして多用される。 | ビニルエステル樹脂 |
| エポキシ樹脂 | 接着性、機械特性に優れる熱硬化性樹脂 | 高強度GFRP、電気絶縁用途に使用される。 | エポキシ樹脂 |
| PPS GF | ガラス繊維強化PPS | 耐熱性、寸法安定性、耐薬品性に優れる熱可塑性GFRPである。 | GF-PET ポリフェニレンサルファイド |
代表的なメーカー
| メーカー | 主な関連材料・事業 | 備考 |
|---|---|---|
| 日本電気硝子 | ガラス繊維 | Eガラス繊維など樹脂補強用ガラス繊維を展開する。 |
| 日東紡績 | ガラス繊維、ガラスクロス | 電子材料、複合材料向けガラス繊維を扱う。 |
| AGC | ガラス関連材料 | ガラス材料、化学品を扱う。 |
| レゾナック・樹脂メーカー各社 | 不飽和ポリエステル、ビニルエステル、エポキシ系材料 | GFRP用マトリックス樹脂を供給する。 |
| モリマーグループ | FRP成形品 | 耐食、建築、産業用途のFRP製品を扱う。 |
| スーパーレジン工業 | GFRP、CFRP成形加工 | 複合材料部品の設計、成形、加工を行う。 |
| 岩谷産業グループ | FRPタンク | 耐食タンク、産業用途に展開する。 |