アラミド繊維の正式名称は芳香族ポリアミド繊維で、高強度、高弾性率、低密度、高耐摩耗性を有し、化学的性質が安定している有機合成材料です。1974年、米国連邦取引委員会（FTC）はこれを「アラミド繊維」と命名しました。これは、アミド鎖（-CONH-）の少なくとも85%が2つのベンゼン環を直接結合していることを意味します。1960年代初頭、デュポン社は優れた耐熱性を持つメタアラミドHF-1、すなわちノーメックス繊維を開発しました。我が国ではアラミドと呼ばれていました。1981年にはアラミド14、1985年にはアラミド1414の認定を取得しました。アラミド繊維単体では使用時に欠陥が生じ、水との接触後に強度が低下するため、通常は複合材料に加工され、材料の補強繊維として様々な使用環境に適応し、材料の性能を向上させることができます。
アラミドの分類と特性
1.1 パラアラミドパラアラミドはPPTA（ポリ-P-フェネレンフェレフタルアミド）とも呼ばれ、1971年に開発に成功し、翌年に生産を開始しました。主鎖構造は規則性が高く、高分子は非常に伸張した状態で存在します。高温、耐火性、化学腐食に強く、機械的性質と耐疲労性が高く、密度が低いです。強度は鋼鉄の3倍、高強度ポリエステル工業用糸の4倍です。初期弾性率はポリエステル工業用糸の4～10倍、ポリアミド繊維の10倍以上です。安定性に優れ、150℃で収縮率がゼロで、高温でも高い強度を維持できます。例えば、260℃で元の強度の65%に達します。ゴムとの接着性も良く、理想的なコード繊維です。米国のデュポン社のケブラー49、オランダのエンカ社のトワロン、中国のアラミド1414など。
1.2 メタアラミドメタアラミドは、MPIA（ポリ-m-フェニレンイソフタルアミド）とも呼ばれ、1956年に研究が始まり、1967年に工業化されました。メタアラミドの高分子鎖はジグザグ状で、破断後の強度や伸びなどの物理的・機械的特性に優れています。その際立った特徴は、優れた耐火性と耐酸化性です。260℃の温度で1,000時間連続使用した後でも、その強度は元の強度の65％を維持できます。300℃の高温で7日間使用した後でも、元の強度を維持できます。燃焼し、炎を離れると自己消火性があります。酸、アルカリ、漂白剤、還元剤、有機溶剤に対する安定性が良好です。耐放射線性も良好です。欠点はナイロンと同じで、日光に対する安定性が悪く、染色が難しいことです。
1.3 アラミド繊維と他の繊維の性能比較アラミドは優れた機械的特性を有し、他の繊維と比較して、耐熱性が高く、伸びが少なく、弾性率が高く、強度が高いという特徴があります。特にパラアラミド（ケブラー繊維）は、その点で優れています。
アラミド複合材料の製造
アラミド繊維はガラス繊維と同様に、撚糸、無撚ロービング、様々な規格の布、テープ、フェルト、チョップドストランドなどの製品形態があります。複合材料の製造には、繊維同士の巻き付け複合材と、繊維と樹脂またはゴムとの複合材の2種類があります。
2.1 繊維対繊維複合成形
複合材料の巻き取り成形には、湿式巻き取りと乾式巻き取りの2つの主な方法があります。乾式巻き取りの主な利点は、接着剤の含有量を制御しやすいことです。そのため、これまで複合高圧容器の成形には、常に単一の乾式巻き取り成形が使用されてきました。しかし、湿式巻き取りは、製品コストが低く、繊維の摩耗が少なく、空隙率が低く、生産効率が高いなどの利点があり、海外でも広く採用されています。過去には、わが国は常に乾式成形を採用し、数十種類の乾式成形接着剤配合を開発しました。4304や4303Aなどの一部の配合は、大型固体ロケットエンジンにうまく使用されています。プロセスフローは次のとおりです。アラミド繊維をほぐす→混合→成形→熱処理→研削→完成品。
湿式ワインディング成形は乾式成形と同じです。樹脂マトリックスは一定の機械的特性を有する必要があります。同時に、成形中に繊維束が完全に含浸できるように、マトリックスシステムの粘度を一定の範囲内に制御する必要があります。システムの粘度を下げるには、主に2つの方法があります。（a）適切な低粘度活性希釈剤を選択する。多くの場合、システム粘度は含浸プロセスの要件を満たしますが、同時にシステムの機械的特性と耐熱性が大幅に低下します。スクリーニング後、混合希釈剤が使用され、設計要件をある程度満たします。（b）液体硬化剤を選択する。液体硬化剤を添加することで、配合システムの粘度をある程度下げることができます。アラミド繊維の湿式配合と湿式配合成形技術については、さらなる研究が不足しており、高性能湿式配合技術は、湿式ワインディング成形において最初に解決する必要がある重要な技術です。
2.2 繊維と樹脂の複合成形
成形方法はガラス繊維の成形方法と同じで、巻き取り、ハンドレイアップ、含浸、真空バッグ、加圧、射出成形などがあり、ニーズに応じて選択できます。アラミド繊維とよく組み合わせられる樹脂には、エポキシ、フェノール、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、ポリイミドなどがあります。近年では、ナイロン、PBTなどと組み合わせて使用されることもあります。一方向性アラミド/ポリプロピレン混合繊維複合材料の引張特性の研究では、張茂林らは、アラミド無撚フィラメント糸（強化材）を経糸、ポリプロピレン繊維（マトリックス繊維）を緯糸として、熱可塑性プレポリマーを平織りで織りました。特定の温度と圧力の下で複合材料を作り、経糸と緯糸の密度を調整することで材料の組成を制御しました。アラミド製のコードは、自動車タイヤ業界でますます広く使用されています。アラミドとゴムの複合材料技術は急速に発展しています。アラミド繊維は活性官能基が少ないため、ゴムとの接着が困難です。この接着問題を解決するために、一般的には以下の対策が取られています。一つは含浸システムの配合とプロセスを調整または改善することです。現在では、一浴含浸に加えて二浴含浸や特殊な含浸接着剤を追加するという方法があります。もう一つは、ゴム配合の配合設計に接着剤を追加するという方法です。これら二つの側面の相乗効果により、より理想的な接着効果が得られます。
アラミド複合材料の性能と応用
アラミド材料の用途は主に、高強度、高弾性率などの優れた特性に基づいています。
3.1 防弾フィールド
アラミドの高い強度は、あらゆる階層、特に軍隊で好まれています。現代のヘルメットは第一次世界大戦に端を発し、兵士の死傷率を下げるために使用されました。第二次世界大戦後、1970年代まで、軍用防弾ヘルメットはすべて鋼鉄製ヘルメットで、そのほとんどは高マンガン鋼または特殊鋼で、ヘルメットシェルはほとんどが打ち抜き加工されていました。ナイロンヘルメットは主にイギリスとイスラエルで使用されています。ヘルメットの中には、快適性を向上させるために高密度ポリエチレンフォームの耐衝撃層があります。アラミドヘルメットは、特殊な樹脂で結合され、高温高圧で成形された多層アラミド布です。アラミドヘルメットは1970年代にデュポン社によって開発されました。その利点は、高強度、軽量、優れた保護性能です。ますます多くの国で採用されています。
アラミド繊維の耐弾道衝撃性は、優れた熱安定性、高い結晶性、高配向構造、そして高い引張性能に起因しています。高いガラス転移温度と優れた熱安定性により、アラミド繊維は弾道衝撃によって発生する高温下でも耐衝撃構造の安定性を確保します。また、高い結晶性と高配向性は高い弾性率を生み出し、軸方向の変形に対する迅速な応答性を確保します。さらに、高い弾性率と中程度の伸長性はアラミド繊維に高い靭性を与え、縦方向の破断時にも効果的に作用します。我が国はアラミド防弾板の研究を進め、最適なマトリックス繊維比の開発に取り組んできました。
3.2 タイヤ分野
タイヤの主成分はゴムです。強度向上のため、業界では当初、鋼線が補強材として用いられました。しかし、鋼線は高密度であるため、タイヤの強度は向上する一方で、車体の重量増加やエネルギー消費量の増加を招きます。また、鋼線の存在によってタイヤは硬くなり、衝撃を受けやすくなり、快適性も低下します。特に大型車両では、耐荷重性が非常に高く、タイヤに対する要求はより高くなります。
アラミドコードは、スチールワイヤーと比較して、耐熱性、高強度、高弾性率、変形量が少ないという特性を持ち、低比重、耐疲労性、耐せん断性といった柔軟性も備えています。スチールワイヤー、レーヨン、ナイロン、ポリエステルコードの優れた性能を兼ね備えており、「合成スチールワイヤー」とも呼ばれています。現在、最も理想的な骨格材料です。
アラミドコードの利点は次のとおりです。①コードとして、タイヤカーカスを3層から1層に減らすことができ、タイヤの重量が軽減され、タイヤの転がり抵抗が低減し、燃料消費量が削減されます。②アラミドコードとゴムの接着効果はスチールワイヤーよりも優れており、湿気や湿度の影響を受けにくいです。③アラミドをコードとして使用した後、タイヤの剛性と耐摩耗性が向上し、タイヤの耐用年数が延長されます。④カーカスの数の削減により、車の走行性能と乗り心地が大幅に向上しました。
しかし、コードとしてのアラミドの主な欠点は、コストが高すぎること、製造技術が複雑であること、加工に特別な設備が必要であることです。
3.3 パイプライン分野
ケブラー繊維はホース補強材として最適です。現在、ますます多くの自動車用ホース、化学工業用ホース、石油産業用ホース、航空産業の各種油圧ホース、船舶用ホースにケブラー繊維が補強材として使用されています。米国のクライスラーとゲイツは、自動車冷却装置用ホースの補強材としてケブラー繊維を使用し、約150℃の自動車冷却ホースを製造しています。米国のゲイツとグドールは、原子力発電所、化学プラント、石油探査用の大口径ホースにアラミド繊維を使用しています。内径は25.4cm、長さはそれぞれ12m、設計使用圧力は56kg/cm2、曲げ半径は1.5mです。
3.4 橋梁構造の補強分野
アラミド繊維布は、古い橋梁の補強において幅広い用途を有しています。部材の補強においては、アラミド繊維布は主に張力抵抗に用いられます。一般的には、梁の引張部、梁と柱のせん断部、柱や橋脚の拘束補強に用いられます。橋脚のひび割れ部にアラミド繊維AFS-40を2層に貼り付けたところ、ひび割れの進行が抑制され、橋梁の支持力が大幅に向上しました。
3.5 電気電子分野アラミド繊維は、優れた機械的特性、電気絶縁性、電波透過性、寸法安定性を有しています。電気電子分野では、マイクロエレクトロニクス組立技術における表面実装技術（SMT）用特殊プリント基板、航空機搭載または衛星搭載レーダーアンテナカバー、レーダーアンテナ給電機能構造部品、可動電気部品などに利用されています。RCAが複数の衛星向けに開発した複数のパラボラアンテナの反射面はすべて、アラミド繊維織物強化複合材料で作られています。
3.6 耐熱・保護服分野
船外宇宙服の素材には、軽量、柔軟性、耐摩耗性、耐衝撃性、優れた機械的耐久性、耐薬品性、耐熱性、耐光性、そして各種放射線の遮断性が求められます。超高温・超低温、そして高エネルギー熱光照射下においても、素材の各種特性は安定しています。アラミド繊維織物は、この素材として最適です。
3.7 その他の分野
アラミドの高強度と低密度は、様々な分野で利用されています。シーリングプレートの分野では、アスベスト繊維の代わりにアラミド繊維で作られたアラミド繊維強化ゴムシーリングプレートは、優れたシール性能を持ち、人体に無害です。ディスクブレーキパッドの研究では、アラミドは摩擦損失性能と内部せん断強度が最も優れており、近年、自動車の後部ブレーキや軽自動車の前部ブレーキへの応用が期待されています。船舶の分野では、アラミド複合材料を使用して船体の軽量化を図り、船舶の速度を向上させることができます。建築材料の分野では、アラミドはアスベストの代替としてセメントを補強し、金属材料の代替として軽量構造と高強度の主荷重支持構造を提供するために使用されています。アラミドは宇宙服や防火服などの製造にも使用できます。アラミドは現在、鋼線の代わりに海底ケーブル、特に深海ケーブルの製造に使用されています。また、コンクリート柱の外側にアラミド繊維を配合することで、コンクリートが損傷した際の体積膨張を抑制し、強度と耐震性を向上させます。
アラミドは20世紀のポリマー繊維産業における重要な発明であり、高強度、低密度、耐熱性などの特性から、ますます多くの分野で利用されています。研究は主に複合材料の強化材としてアラミドを用いることに焦点を当てています。しかし、アラミドの製造・加工が複雑でコストが高いため、現状では広く普及していません。アラミド繊維は官能基が少なく、マトリックスへの接着性が低いため、端面処理や接着剤の添加が必要です。この技術の研究開発は、アラミドの応用分野を拡大する可能性があります。
