ガラス繊維 用途と特徴から見る産業分野での活用術

ガラス繊維の用途と特性

ガラス繊維の種類と基本的な特徴

 

ガラス繊維とは、溶かしたガラスを引き伸ばして繊維状にした人工繊維です。初めて工業用として生産された無機繊維として知られており、その優れた特性から多くの産業分野で活用されています。ガラス繊維の主な特徴として、寸法安定性の良さや高い引張強度と弾性率が挙げられます。また、良好な電気絶縁性と電波透過性も備えており、さまざまな用途に適した素材となっています。

 

ガラス繊維は大きく分けて長繊維と短繊維の二種類に分類されます。長繊維はグラスファイバーとも呼ばれ、ガラスの原料を高温で溶融し、白金製のノズルで細く糸状に引き伸ばした紡糸フィラメントです。一方、短繊維はグラスウールとして知られ、ガラスのカレットを高温で溶融後、高速回転させて綿状に繊維化したものです。

 

以下にガラス繊維の主な種類と特徴をまとめました。

1. Eガラス繊維（無アルカリガラス）
   • アルカリ成分がほとんど含まれていない
   • 熱膨張率が低く、急激な温度変化に対応可能
   • 高い電気絶縁性を持つ
   • 比較的安価で、FRP（繊維強化プラスチック）として広く使用
2. Sガラス繊維
   • Eガラス繊維よりも高強度・高弾性を求めて開発
   • アルミナ（Al₂O₃）を多く含み、引張弾性で約20%、引張強度では約35%向上
   • 耐熱性が向上し、熱膨張係数が小さい
   • 加工コストが高く、Eガラス繊維の数倍の価格
3. Cガラス繊維（含アルカリガラス）
   • 酸化しないように開発された
   • アルカリ成分を多く含み、酸に対する耐性が高い
   • 主に耐酸性能力を必要とする環境に適している
4. ECRガラス繊維
   • ホウ素やフッ素分子を含有しない環境に優しい素材
   • 酸化チタンの使用により価格が高い
   • 将来的にEガラス繊維から置き換わる可能性がある
5. ARガラス繊維
   • ジルコニア（ZrO₂）を多く含み、高い耐アルカリ性を持つ
   • コンクリートとの併用が可能
   • コンクリート建造物の修復剤として使用

ガラス繊維は主原料の約80%が家庭などから集められたリサイクルガラスを使用しており、環境に配慮した素材でもあります。他の素材と比べて高い強度と安定性を持ちながらも比較的安価であるため、工業用から日用品まで幅広く利用されています。

 

ガラス繊維を活用したFRPの産業応用

 

ガラス繊維の最も一般的な用途のひとつが、FRP（繊維強化プラスチック）の製造です。FRPはガラス繊維を樹脂と組み合わせた複合材料で、プラスチック単体では得られない高い強度と靭性を持つ軽量な材料として様々な産業で活用されています。

 

FRPの種類と特徴
FRPは大きく分けて2種類あります。

1. ガラス繊維強化熱可塑性プラスチック（FRTP）
   • 塩化ビニル樹脂やポリプロピレン樹脂などの熱可塑性樹脂にガラス繊維を複合
   • 熱や衝撃に強い特性を持つ
   • 自動車部品、電気絶縁部品、機械の潤滑部など幅広く使用
   • 再加熱により形状変更が可能
2. ガラス繊維強化熱硬化性プラスチック（FRP）
   • ガラス繊維製品の中で最もポピュラーな素材
   • 優れた電気絶縁性、耐熱性、寸法安定性を持つ
   • 電子機器など高い精度が求められる分野に多用
   • 一度硬化すると再成形不可

産業分野での応用例
ガラス繊維を活用したFRPは以下のような産業分野で幅広く応用されています。
📱 電子・電気産業

• プリント基板の基材
• 電気絶縁部品
• スマートフォンなどの小型機器の筐体

🚗 自動車産業

• ボディパネル
• 内装部品
• エンジンルーム周辺の耐熱部品
• スタッドレスタイヤのひっかき材

🚢 船舶産業

• 小型船舶のハル（船体）
• デッキ材
• 内装パネル

✈️ 航空宇宙産業

• 機体の一部
• 内装パネル
• 断熱材

🏗️ 建設・土木産業

• 採光屋根材
• 膜構造建築物の補強材
• 道路補強用クロス

🎣 スポーツ・レジャー用品

• 釣り竿
• ヘルメット
• スキー板
• ゴルフクラブシャフト

FRPの応用において重要な点として、スポーツ用具やヘルメットなど人命に関わる用具に使用する際には、経年劣化による強度低下に注意が必要です。使用開始後3〜5年程度でも破損することがあるため、定期的な点検や交換が推奨されています。

 

また、炭素繊維を添加した「炭素繊維強化プラスチック（CFRP）」は自動車や航空機などに使用されており、さらに高い強度と軽量性を実現しています。このように、ガラス繊維技術は他の素材との組み合わせによって、さらに高性能な複合材料の開発にも貢献しています。

 

ガラス繊維の建築分野における断熱材としての用途

 

ガラス繊維は建築分野において、断熱材として広く利用されています。特に短繊維を綿状に加工したグラスウールは、住宅から大型建築物まで幅広く採用されている断熱材です。

 

グラスウールの特性と利点
グラスウール断熱材には以下のような特性と利点があります。

• 優れた断熱性能: 繊維間に空気を多く含み、熱伝導を抑制
• 防音・吸音性能: 音波を吸収し、室内外の騒音を軽減
• 不燃性: ガラス素材のため燃えにくく、防火性能に優れる
• 軽量性: 施工しやすく、建物への負荷が少ない
• コストパフォーマンス: 他の断熱材と比較して経済的
• 環境への配慮: リサイクルガラスを原料とし、環境負荷が低い

建築分野での具体的な用途
🏠 住宅分野

• 天井、壁、床の断熱材
• 省エネルギー対策等級4に対応する高性能断熱材
• ホルムアルデヒドを含まない健康に配慮した「アクリア」などの製品

🏢 商業施設・オフィスビル

• 会議室や多目的ホールの吸音・断熱材
• シネマコンプレックスの防音材
• 店舗、工場、体育館などの音響調整材
• 鉄筋コンクリート造（RC造）の外断熱

🏭 工場・プラント設備

• 冷水・温水管、給湯・蒸気管の保温・保冷材
• 大口径配管の断熱材
• 空調システムの鉄板ダクトの断熱・吸音材

🛡️ 防災・安全対策

• 防音壁の充填用吸音材
• 防火区画の耐火被覆材

ガラス繊維強化セメント板（GRC）
建築分野におけるもう一つの重要な用途として、ガラス繊維強化セメント板（GRC）があります。これは対アルカリ性繊維（ARガラス繊維）を用いたセメント素材で、以下のような特徴があります。

• コンクリートや鉄筋の使用量を減らし、製品の軽量化が可能
• 高い強度と耐久性を維持
• 複雑な形状の成形が可能
• 外装パネルや装飾材として活用

GRCは、従来のセメント製品と比較して約40%の軽量化が可能とされており、建築物の自重軽減や施工性の向上に貢献しています。また、耐候性にも優れているため、外装材としても広く採用されています。

 

真空断熱材（VIP）への応用
近年注目されている断熱技術として、ガラス繊維を芯材とした真空断熱材（VIP）があります。これは断熱材の周囲を真空状態にして気体による熱伝導を限りなくゼロに近づけた断熱材で、特別に開発されたグラスウールを芯材に用いることで、従来の断熱材の約10倍の断熱性能を実現しています。業界トップクラスの断熱性能[0.002W/(m･K)]を持ち、省エネ＆CO2削減に貢献するノンフロン断熱材として、冷蔵庫や自動販売機などへの応用が広がっています。

 

ガラス繊維強化プラスチックの金属加工との比較

 

金属加工従事者にとって、ガラス繊維強化プラスチック（FRP/FRTP）の特性を理解することは、材料選択や製品設計において重要な視点となります。ここでは、ガラス繊維強化プラスチックと金属材料を比較し、それぞれの特性や加工方法の違いについて解説します。

 

物性の比較

特性	ガラス繊維強化プラスチック	金属材料（鋼、アルミニウム等）
比重	1.5〜2.0	2.7〜7.8
強度/重量比	高い	中〜高
耐食性	優れている	材質による（要防錆処理）
電気絶縁性	優れている	導電性あり
熱伝導性	低い	高い
熱膨張係数	低い〜中程度	材質による
耐衝撃性	高い（エネルギー吸収性）	材質による
成形自由度	高い	加工法による制約あり
経年劣化	UV劣化、水分吸収あり	腐食、疲労破壊あり

加工方法の違い
🔧 金属加工

• 切削加工：旋盤、フライス、ドリル等による除去加工
• 塑性加工：プレス、鍛造、圧延等による変形加工
• 溶接・接合：溶融、圧接、ろう付け等
• 熱処理：焼入れ、焼戻し、焼なまし等
• 表面処理：メッキ、塗装、陽極酸化等

🧪 ガラス繊維強化プラスチック加工

• 成形：ハンドレイアップ、プリプレグ、射出成形、RTM等
• 二次加工：切削、穴あけ（特殊ドリル使用）
• 接合：接着剤、機械的固定（ボルト、リベット等）
• 表面処理：ゲルコート、塗装
• 注意点：切削時の粉塵対策が必要（呼吸保護具の着用）

ハイブリッド化の可能性
金属加工技術とガラス繊維強化プラスチック技術の組み合わせにより、両者の長所を活かした「ハイブリッド部材」の開発が進んでいます。例えば。

• 金属インサートを埋め込んだFRP部品
• 金属フレームにFRPパネルを組み合わせた構造体
• アルミニウムハニカムコアとFRP外皮のサンドイッチパネル

このようなハイブリッド化により、軽量化と高強度の両立、接合部の強化、振動吸収性の向上などが可能になります。特に自動車産業では、燃費向上や電気自動車の航続距離延長のために、こうした技術の採用が増えています。

 

金属加工からFRP加工への転換ポイント
金属加工業者がFRP加工に参入する際の注意点と転換ポイントは以下の通りです。

• 異なる工具と加工条件：金属用と異なる切削工具や加工条件が必要
• 健康・安全対策：ガラス繊維の粉塵対策が必須（局所排気装置、保護具）
• 品質管理：繊維の配向や含有率による物性変化の理解
• 設計思想の転換：金属的な設計から複合材料に適した設計への転換
• 接合技術：溶接に代わる接着技術の習得

金属加工の技術と経験は、FRPの二次加工や金型製作において大いに活かすことができます。特に精密な切削加工技術や寸法管理のノウハウは、高品質なFRP製品の製造において重要な強みとなります。

 

ガラス繊維の最新技術と未来展望

 

ガラス繊維技術は常に進化を続けており、新たな用途開発や性能向上が進んでいます。ここでは、ガラス繊維に関する最新技術動向と将来の展望について紹介します。

 

環境配慮型ガラス繊維の開発
環境問題への関心の高まりを背景に、より環境に配慮したガラス繊維製品の開発が進んでいます。

• バインダーレスグラスウール：従来のグラスウールに使用されていた化学バインダーを使用せず、繊維同士の自己接着性を利用した製品
• バイオベースバインダー：石油由来の成分を植物由来の成分に置き換えたバインダーを使用したグラスウール
• リサイクル率の向上：原料におけるリサイクルガラス使用率を90%以上に高めた製品
• ECRガラス繊維の普及：環境負荷の少ないECRガラス繊維の生産コスト低減と普及促進

高性能化・高機能化の動向
ガラス繊維の性能向上や新たな機能付与に関する研究開発も活発に行われています。

• ナノスケールガラス繊維：直径がナノメートルレベルの超極細ガラス繊維による高性能フィルター材
• 多孔質ガラス繊維：繊維内部に微細な孔を持つガラス繊維による軽量化と断熱性向上
• 機能性コーティング：撥水性、抗菌性、電磁波シールド性などの機能を付与したコーティング技術
• スマートファイバー：センシング機能を持つガラス繊維による構造ヘルスモニタリングシステム

新興分野での応用拡大
次のような新興産業分野でのガラス繊維の応用も期待されています。
🔋 エネルギー分野

• 風力発電ブレード（大型化と軽量化の両立）
• 水素タンク（高圧ガス容器）
• 太陽光発電パネルの基板材料

🏥 医療分野

• 人工骨や歯科材料
• 医療機器筐体
• 生体適合性の高い医療用繊維

🌐 通信インフラ分野

• 5G/6G基地局のアンテナ基板
• データセンター用電波透過性外装材
• 光ファイバーの高性能化

🚀 宇宙航空分野

• 人工衛星の構造材料
• 宇宙ステーション用断熱材
• 惑星探査機の熱シールド

金属加工業界への影響と機会
ガラス繊維技術の発展は金属加工業界にも新たなビジネスチャンスをもたらします。

• 複合材料加工技術の需要増加：金属とFRPを組み合わせたハイブリッド部品の製造技術
• 金属からの置き換え需要：軽量化や電気絶縁性を求める用途での金属からFRPへの置き換え
• 特殊工具・治具の開発：FRP加工用の新たな工具や治具の設計・製造
• 二次加工ビジネス：FRP成形品の高精度仕上げ加工や表面処理

ガラス繊維技術は今後も進化を続け、より軽量で強靭、環境負荷の少ない材料として、さまざまな産業分野で活用されていくでしょう。金属加工従事者にとっても、これらの新技術や新材料に関する知識を深めることで、新たなビジネスチャンスを見出すことができるでしょう。

 

経済産業省「革新的環境イノベーション戦略」におけるCFRPとガラス繊維複合材料に関する資料