技術サポート | 手積みによるガラス繊維成形プロセスの詳細な説明

                                           

I. ゲルコートのスプレーやブラッシング

FRP（繊維強化プラスチック）製品の表面状態を改善・美観化し、その価値を高め、内部のFRP層を侵食から保護し、製品の使用寿命を延ばすために、一般的に高含有率の樹脂に顔料ペーストを混合したゲル層を製品の作業面に形成します。この層は純粋な樹脂のみで構成される場合もあれば、表面マットによって補強される場合もあり、ゲルコート層（表面層または装飾層とも呼ばれます）と呼ばれます。ゲルコート層の品質は、製品の外観品質、耐候性、耐水性、化学薬品による侵食抵抗性に直接影響を与えるため、ゲルコート層のスプレーやブラッシングを行う際は、以下の点に注意する必要があります。

（1）ジェルコート樹脂を調製する際には、特に顔料ペーストを使用する場合においては、十分な混合が必要です。混合が不十分だと製品表面に斑点や筋模様が生じ、外観に影響を与えるだけでなく、物理的特性も低下させます。このため、できるだけ機械攪拌を行うことが推奨され、特に渦を起こさないタイプの混合機を使用して、空気の混入を避けることが望ましいです。

（2）ジェルコートは刷毛または専用スプレーガンで塗布できます。吹き付けの際には、樹脂の粘度調整および吹き付け工程で揮発により失われるスチレン分を補うために、5～7％のスチレンを添加する必要があります。

（3）ジェルコート層の厚さは正確に0.3～0.5mmの範囲で管理する必要があります。一般的には単位面積あたりのジェルコート使用量（質量）で管理され、用量としては350～550g／㎡が目安であり、これにより上記の厚さ要件を満たすことができます。

ゲルコート層の厚さは適切であるべきです。薄すぎず、厚すぎることもあってはなりません。ゲルコートが薄すぎると硬化が不完全になる可能性があり、ゲルコート裏面のガラス繊維が露出して外観品質に影響を及ぼし、FRP製品の美観および保護機能が十分に発揮されません。ゲルコートが厚すぎるとひび割れを起こしやすくなり、衝撃に弱く、特に製品の反対方向からの衝撃に耐えられなくなります。ゲルコートの塗布ムラがあると、表面の硬化速度の不均一により樹脂内に内部応力が生じ、成形品の取出し時にひび割れを引き起こす原因にもなります。

(4) ゲルコートは均一に塗布し、局所的なゲルコートのたまりをできるだけ避けてください。

(5) ゲルコート層の硬化度は適切に管理しなければなりません。

ゲルコート層が正しく硬化したかどうかを確認する最善の方法は、指で触れてみる方法です：清潔な指でゲルコート層の表面に触れてみます。表面がやや粘着性があるように感じられても、べたつかなければ、ゲルコート層がほぼ完全に硬化したことを示しているため、次の積層作業を実施して、ゲルコート層と裏打ち層の一体性を確保できます。

II. 工程ルートの決定

工程ルートは、製品品質、製品コスト、生産サイクル（生産効率）などの要素に関係しています。したがって、生産を組織する前に、製品使用時の技術的要求（環境、温度、媒体、負荷など）、製品構造、生産数量および施工条件について包括的な理解を得る必要があります。分析および検討を経たうえで、成形工程計画を決定することができます。一般的に、次の各点を考慮する必要があります：

(1) 製品の使用要件に応じて、適切に原材料および補助材料、配合、積層方法を選定する。

(2) 製品の幾何学的形状および生産数量に応じて、金型構造および金型材料を決定する。

(3) 気候条件および作業の緊急性に応じて、硬化方法を決定する。

III. 工程設計の主な内容

(1) 製品の技術的要求に応じて、適切な材料（補強材料、構造材料、その他の補助材料）を選定する。原材料を選定する際には、主に以下の点を考慮すべきである：
① 製品が酸性またはアルカリ性媒体と接触するかどうか。媒体の種類、濃度、使用温度および接触時間も含む。
② 光透過性や難燃性などの性能要件があるかどうか。
③ 機械的性質において、動荷重か静荷重か。
④ 漏れ防止などの特別な要件があるかどうか。

(2) 金型の構造と材質を決定する。

(3) 離型剤の選定。

(4) 樹脂の硬化配合および硬化システムを決定する。

(5) 指定された製品の厚さおよび強度要件に応じて、補強材の種類、仕様、層数および積層方法を決定する。

(6) 成形工程の規格を作成する。

Ⅳ．FRP層の積層

積層は、手積み成形工程における重要な工程です。作業は丁寧に行い、作業速度と正確さ、均一な樹脂含有量、目立つ気泡の absence、含浸不良の absence、繊維の損傷の absence、そして製品表面の平坦さを確保して、製品品質を保証する必要があります。品質は作業者の熟練度と作業態度に大きく左右されます。したがって、積層作業自体は単純ですが、良い製品を積み上げることは容易ではなく、真剣に取り組む必要があります。

(Ⅰ) 厚さ管理

FRP製品の厚さ管理は、ハンドレイアップ技術の設計および生産プロセスにおいて遭遇する技術的課題です。製品に要求される厚さが判明している場合、使用する樹脂および充填材の含有量、ならびに補強材の規格および積層数を算出するために計算を行う必要があります。その後、次の式に従って概略の厚さを計算することができます。

t＝(G1n1＋G2n2＋……)×(0.394＋0.909k1＋0.4×k1k2)

ただし：
t — 計算されたFRPの厚さ（mm）；
G1、G2 — 各種規格の布またはマットの面質量（kg/㎡）；
n1、n2 — 各種規格の布またはマットの積層数；
0.394 — 繊維基材の厚さ定数；
0.909 — ポリエステル樹脂の厚さ定数；
0.400 — 充填材の厚さ定数；
k1 — 樹脂含有量とガラス繊維含有量の比率；
k2 — 充填材含有量と樹脂含有量の比率。

(Ⅱ) 樹脂用量の計算

FRPの樹脂用量は重要な工程パラメータであり、以下の2つの方法で計算できます：

(1) 空隙充填の原理に基づいて計算し、ジェル含量の公式を導出します。ガラスクロスの単位面積重量および等価厚さ（1層のガラスクロスと同等の製品厚さ）が分かっていれば、FRPのジェル含量を計算できます。

(2) まず製品の質量を算出し、次にガラス繊維の質量パーセンテージを計算する方法：
① 製品表面積 × 厚さ × 繊維強化プラスチックの密度 ＝ 製品質量；
製品質量 × ガラス繊維の質量パーセンテージ ＝ ガラス繊維質量；
製品質量 － ガラス繊維質量 ＝ 樹脂質量。

② 製品表面積 × ガラス繊維の層数 × ガラス繊維の単位面積重量 ＝ ガラス繊維質量；
ガラス繊維質量 ÷ ガラス繊維の質量パーセンテージ ＝ 製品質量；
製品質量 － ガラス繊維質量 ＝ 樹脂質量。

積層に必要な樹脂の配合量は、ガラス繊維の重量に基づいて概算できます。チョップドストランドマットを使用する場合、そのゲル含量は通常65〜75％の間で管理されます。ガラス布を補強材として使用する場合、ゲル含量は通常45〜55％の間で管理され、製品品質を確保します。

(Ⅲ) ガラス布の積層

ゲルコート層がある製品の場合、ゲルコートに不純物が混入してはいけません。積層前にゲルコート層と裏層との間の汚染を防ぎ、層間接着不良による製品品質への影響を避ける必要があります。ゲルコート層は表面マットで補強することができます。

保管時においては、ガラス繊維を樹脂で十分に含浸させることが重要です。まず、樹脂を繊維束の全面に浸透させた後、繊維束内部の空気を完全に樹脂で置換させる必要があります。特に高温条件下で使用される製品においては、補強材の最初の層が樹脂で完全に含浸され、密着して結合されていることを確認することが非常に重要です。含浸や接着が不十分であると、ジェルコート層の周囲に空気が残存し、この残留空気が製品の硬化および使用中に熱によって膨張し、気泡を生じる原因となるからです。

保管時、まずハンドレイアップ用のブラシやスクレーパー、含浸ローラーなどの工具を使い、ゲルコート層または金型成形面に調製した樹脂を均等に塗布します。次に、カットした補強材（例えば斜めストリップ、薄手の布、または表面マット）を1層敷き詰め、その後成形用工具でブラッシングして平らに伸ばし、しっかりと押さえながら密着させます。この際、気泡を完全に除去し、ガラス布を十分に含浸させることが重要です。2層以上の補強材を一度に敷くことは避けてください。設計された厚さに達するまで、上記の操作を繰り返します。

製品の幾何学的寸法が比較的複雑であり、補強材をある部分で平らに敷き詰めにくく、気泡が除去しにくい場合、はさみでその部分を切り込み、平らに密着させます。各層の切り込み部分は互いにずらして配置し、強度低下を防ぐようにしてください。

一定の角度がある部分については、ガラス繊維と樹脂を用いて充填することができます。製品の一部が比較的大きい場合、その部分を適切に厚くしたり、リブによって補強することで使用要求を満たすことができます。

布地の繊維方向が異なるため、その強度も異なります。使用されるガラス繊維布の積層方向および積層方法は、工程の要求に合致している必要があります。

（Ⅳ）重ね継手処理

同一の積層層内の繊維は可能な限り連続させるべきであり、無作為な切断や継手は避けるべきです。ただし、製品のサイズや複雑さなどの制約により、これを実現することが難しい場合もあります。積層時には、バットジョイント方式を採用し、各層の重ね継手は互いにずらしながら製品の所定の厚さに達成するまで行う必要があります。積層中は、ブラシやウールローラー、気泡圧着ローラーなどの工具を用いて樹脂を含浸させ、気泡を除去します。

強度要求が高かったら、製品の強度を確保するため、2枚の布地を約50mmの重ね幅で重ね合わせるべきです。同時に、各層の重ね位置はできるだけ互い違いに配置してください。

（Ⅴ）チョップドストランドマットの積層

チョップドストランドマットを補強材として使用する場合、含浸ローラーをさまざまな仕様のものを使い分けて作業するのが最適です。これは、含浸ローラーが樹脂から空気泡を除去する際に特に効果的だからです。このような工具が入手できない場合で、ブラシを使って含浸を行う必要があるときは、ドットブラッシング法により樹脂を塗布すべきです。さもなければ、繊維が乱れてずれてしまい、分布や厚みが均一でなくなる恐れがあります。深く内側のコーナーに敷設した補強材において、ブラシや含浸ローラーでは密着が難しい場合は、手でならして圧力をかけてください。

保管時、接着剤をローラーで金型表面に塗布し、次に切断したマットのピースを手作業で金型上に敷き、ならしてから再び接着剤をローラーで塗布します。そして、往復してローラーを転がし、樹脂接着剤がマットに浸透するようにします。その後、気泡除去ローラーを使用してマット内の接着剤を表面に押し出し、空気の泡を除去します。そして、2層目を敷きます。コーナー部分は、折り曲げを容易にするためにマットを手でちぎり、マット同士の重ね部分は約50mm程度とします。

多くの製品では、チョップドストランドマットとガラスクロスを交互に重ねる方法も採用できます。例えば、日本の各社が製造する釣り船ではこの交互重ね方法が用いられており、性能に優れた製品ができると報告されています。

（Ⅵ）厚肉製品の積層
厚さが8mm未満の製品は1工程で成形可能ですが、厚さが8mmを超える製品は複数工程で成形する必要があります。そうでない場合、硬化時の放熱が悪く、製品が焦げたり変色したりして性能に影響を与える可能性があります。複数工程で成形する製品については、2回目の積層時に、最初の積層および硬化後に形成されたバリや気泡を削り取ってから次の層の積層を続行する必要があります。一般的には、一度に成形する厚さは5mmを超えないことが推奨されます。もちろん、厚肉製品の成形向けに発熱量が低く収縮率が小さい樹脂も開発されており、これにより一度の成形でより大きな厚さを実現することが可能です。