コンポジットの新しい定義？

複合材料技術が発展するにつれて、複合材料が何であるか、そしてそれらが何を提供できるかについての私たちの理解も必要です。

このブログは、複合枕木と建設用マットを製造しているIntegriCo Composites（米国ルイジアナ州サレプタ）から受け取ったプレスリリースに基づいています。プラスチック廃棄物のリサイクルと持続可能な、パフォーマンスの向上した最終製品への変換に焦点を当てたプレスリリースとウェブサイトを見て、これが100％プラスチック技術であることに気づきました。それで、私は書き戻し、「あなたのコンポジットの定義は私たちの定義と一致しません」と言いました。しかし、私は間違っていました。

混合物が複合体になる方法

コンポジットの定義は何ですか ？

IntegriCoは、その製品は優れた特性を備えた複合材料であると主張していますが、実際には合金であると説明しました。 —プラスチックの溶けた融合。最終製品には繊維強化材はなく、識別可能な材料は1つだけです。

IntegriCoの最高技術責任者であるBrianArkwoodは、IntegriCoの製品は、優れた特性とパフォーマンスを提供するために処理を通じて設計および設計された、独自のアイデンティティを保持する2種類以上の材料の混合物であると説明しました。 「はっきりさせてください」と彼は言った。

私たちのプロセスでは、HDPE（高密度ポリエチレン）とLDPE（低密度ポリエチレン）の混合物、およびポリプロピレンとポリスチレンを使用しています。これらの異なるポリマーのそれぞれが最終製品の全体的な特性に寄与するため、これは設計によるものです。各プラスチックの比率や混合物全体の処理を変えることで、最終製品の特性を操作および/または変更できます。ただし、さまざまなプラスチックは単に一緒に溶けるだけではありません。

ここで、この混合物がコンポジットとして差別化されます。

「溶融しない高分子量（HMW）プラスチックは、溶融温度以上で処理されるプラスチックの連続ポリマーに散在しています。この混合物が冷えると、プラスチックは核形成のプロセスを経ます。核形成の速度とプロセスは、処理温度、冷却速度、およびそれに続く核剤の負荷によって制御されます。この薬剤はIntegriCoによって開発された化学物質であり、私たちのプロセスでのみ使用されます。」

「核形成が起こると、プラスチック混合物の全体的な結晶化度が操作され、HMW非溶融ポリマーが共有結合したポリマー鎖の間に絡み合います。ポリマーはまた、せん断応力を介して操作され、成形中の粘度を下げて、核形成されたポリマーと非溶融ポリマーとのより良い相互作用および絡み合いを促進します。」

核形成、結晶化度、アスペクト比の制御

私にとって、ここでの重要な概念は 核生成です。 （結晶形成の最初のプロセス）、結晶化度の制御 （結晶形成の管理）およびより良いインターフェースを達成するためのプロセスの操作 絡み合った有核ポリマーと非溶融ポリマーの間。異なる材料間の良好なインターフェースがないと、効果的な荷重伝達や優れた性能が得られないため、最後のビットは複合材料にとって非常に重要です。

また、熱可塑性複合材料の高成長領域では、より高い機械的特性と、より高い温度および耐薬品性を提供するポリマーが半結晶性であることを忘れないでください。これらの半結晶性は、結晶化度を管理することによって、最も一般的には処理中の温度制御によって達成および調整されます。

IntegriCo複合鉄道クロスタイは、プラスチック廃棄物を優れた性能の複合製品に再利用する方法を提供します。この場合、細長い高溶融プラスチックが低溶融プラスチックマトリックスを強化します。 ソース| IntregiCoコンポジット

アークウッドの説明から、自己強化プラスチック（SRP）についても考えさせられました。 、Pure、Curv、Armordon、Tegris、そして最新のBIO4SELFプロジェクトなど、2019JECイノベーションアワードを受賞しました。通常、SRP複合材料は、低融点ポリマー（PE、PP、またはPLA生体高分子）を使用し、同じポリマーから作られた高融点繊維で補強することによって製造されます。溶融温度の高いポリマーと低いポリマーのこの使用は、まさにIntegriCoが行っていることです。そこで、アークウッドに、彼が使用している高分子量（HMW）の非溶融ポリマーが実際に現れたり、形成されたり、繊維のように振る舞うかどうかを尋ねました。 ？

「それは繊維と同じ利益のいくつかを可能にします」と彼は言いました。 「ポリマーマトリックス内のHMWポリマーのアスペクト比を変更して、製品の特性を向上させます。 HMWポリマーの増減は、他の動作パラメータの変更と相まって、弾性係数、破壊係数、硬度などの塑性特性に大きな影響を与える可能性があります。」

Arkwoodは、IntegriCoが特定の顧客のニーズを満たすためにポリマー比と操作パラメーターを変更できると説明しています。 「これを破壊的なテストデータで文書化し、ユニオンパシフィックや米陸軍などの顧客に対する不動産主導の要求に応えました。ポリマーの比率（HMWとLMW、線形と非線形、または高度に分岐）は、強度、剛性、硬度、靭性などの主要な性能特性に影響を与えることにより、他のプラスチック複合製品の繊維強化と同様に当社の製品で役割を果たします。」

持続可能性

したがって、最初のポイントとして、IntegriCoは、地球が廃棄物で破壊されているため、複合材業界が注目する価値のあるインスピレーションを実際に提供します。プラスチックの90％以上が世界中で廃棄され、米国とカナダだけで毎年3,400万メートルトン以上のプラスチックが埋め立て地または焼却炉に送られています。 IntegriCoは、混合硬質プラスチックと、中国が2018年に受け入れを停止した、通常はリサイクルできないグレード3〜7をリサイクルすることにより、真のソリューションを提供しています。プラスチックグレード3〜7は、ASTM International Resin Identification Coding System（RIC）によって分類されたリサイクルが難しいものです。すべてのプラスチックの構成ポリマーとリサイクル可能性を特定します。グレード1（PETE、PET）および2（HDPE）はリサイクル性が高く、5（PP）はリサイクルされ始めていますが、3（PVC）、4（LDPE）、6（PS）、および7（その他）を含む他のすべてのグレード）現在リサイクルされていません。このように、IntegriCoは違いを生み出し、廃棄物を埋め立て地から転用し、代替品よりも長持ちする付加価値のある複合製品に設計し、時間の経過とともに廃棄物を減らしています。

ナノCMC

私の第二のポイントは、テクノロジーがコンポジットとは何かにおいて進歩しているということです。それはすでに複合材料科学の進歩に影響を与えていると私は信じており、願わくばさらなる発展を刺激したいと思います。私にとってこの認識のきっかけとなったのは、アークウッドによる核生成の使用でした。 。ナノセラミックマトリックス複合材料に関する最近の研究からすぐにそれを認識しました（ナノCMC、ナノ複合材料に関する2019年7月の記事を参照してください）。

これは、2017年11月の記事「航空宇宙用途向けのポリマーおよびセラミックナノコンポジット」からのものです：

「 ナノコンポジットは21世紀の素材であり、その多機能性により年間成長率は25％です。 …望ましい特性を組み合わせる可能性があるため、ナノコンポジットは航空宇宙アプリケーションや将来の宇宙ミッションでその可能性を広げています。 …ナノフィラーは核形成能力を向上させます ポリマーマトリックスとの界面相互作用を改善することによって。」

25％の成長率を保証することはできませんが、ナノコンポジットが多くの可能性を提供していることは明らかです。このテキストでは、ナノフィラーの核形成について説明しました。私にとって新しいのは、セラミックマトリックスが実際に繊維やフィラーではなく別のセラミックで強化され、後者の核形成と結晶化が制御されて高アスペクト比の強化が生成されるナノCMCの開発でした。

ナノコンポジットに関する2019年7月の特集では、PaolaPalmeroの2015年の記事のイラストを使用しています。 「構造用セラミックナノコンポジット：特性と粉末の合成方法のレビュー」 マイクロスケールおよびナノスケールの複合材料の例を示します。 A、B、およびCは、それぞれナノ粒子、ナノファイバー、またはナノプレートレットで強化されたマイクロスケール（ミクロン）マトリックスを示しています。一方、Dは、丸みを帯びた高アスペクト比のナノ強化材を備えています。ただし、EとFは、二相性および多相性ナノコンポジットを示しています。 それぞれ、ナノスケールのセラミックが非混和性である場合。

図。 1セラミック材料の一般的なマイクロ/ナノ複合構造。
ソース| Paola Palmeroによる「構造セラミックナノコンポジット：特性と粉末の合成方法のレビュー」

パルメロはその場でを説明します セラミックナノコンポジットの製造に関わる重要なプロセスの1つとして、マトリックス粒子の表面での第2相の結晶化（つまり、マトリックスが第1相であり、別のセラミックが第2相）。結晶化後、セラミック結晶または粒子のサイズと形状が管理されます。これは、セラミック複合材料のバルク特性を決定するため、非常に重要です。たとえば、細長い粒子はその場であることが知られています。 強化効果。パルメロ氏は、これらの焼結複合材料で望ましいナノ構造の特徴を調整する能力は不可欠ですが、困難であり、混合、成形、焼結、および緻密化全体にわたって厳格なプロセス制御を義務付けていると述べています。

同様の図と議論は、Intechopen.comの本の図6に見られます。繊維強化セラミックマトリックス複合材料の物理的および冶金学的特性 。セクション9.1.2では、窒化ケイ素（Si ₃ ）の微細構造について説明します。 N ₄ ）/炭化ケイ素（SiC）ナノコンポジット。焼結（ホットプレス）によって製造されます。それらの微細構造には、β-Si ₃ の大きな細長い粒子が含まれています。 N ₄ （ひげ）β-Si ₃ のより細かい粒子に囲まれています N ₄ 針の形をしています。下の図7bの走査型電子顕微鏡写真は、この構造を20,000倍の倍率で示しています。

これらの二相セラミックナノコンポジット（左）と再生プラスチックコンポジット（右）の断面は、従来の連続繊維強化コンポジットの断面とは大きく異なりますが、実際には非常に似ています。

ソース| による繊維強化セラミックマトリックス複合材料の物理的および冶金学的特性の図7、セクション9.1.2 ZdeněkJonšta、EvelynA.BolaňosC。、MonikaHrabalová、PetrJonšta（左）と複合枕木の断面、IntegriCo Composites（右）。

二相および多相複合材料の利点

では、なぜこれが複合材業界に利益をもたらすのでしょうか。材料科学者は、この新しい複合材料の定義を使用して、機械的、熱的、電気的、およびアブレーション特性の独自の調整された組み合わせを実現しているためです。 。たとえば、海軍研究所（NRL、ワシントンD.C.、米国）は、窒化ケイ素、窒化ジルコニウム、二ホウ化チタンの複合材料と、それらを強靭な繊維で補強する方法を開発しました。これらの耐火セラミックは、高強度、熱安定性、および可変の電気伝導率と熱伝導率を示し、極超音速車両コンポーネントの要求を満たすことができます —有機ポリマー複合材料や高度な金属合金でさえできないこと。

NRLはまた、これらの材料にナノ構造を組み込み、誘電体、熱、および電磁シールドの特性を現在入手可能な材料よりも高い解像度で調整する積層造形技術を開発しています。 。これらの資料で計画されている防御アプリケーションに必ずしも同意しなくても、価値のあるソリューションを提供する可能性があります。 計画された宇宙探査と火星へのミッションのために。しかし、彼らはまた、完全にバイオベースの複合材料の新しい道を開くかもしれません これは、地球上で高性能を提供するだけでなく、持続可能で、より少ないエネルギーと資源を使用して材料と最終製品を製造およびリサイクルできる方法でそれを実現する能力も提供します。

繊維強化複合材料がステージを出たり、色あせたりしていることを示唆しているわけではありません。しかし、テクノロジーが発展するにつれて、コンポジットが何であるか、そしてそれらが何を提供できるかについての私たちの理解も必要です。