リサイクル カーボンファイバー コンポジットの信頼性ある試験法を解明

図1 カーボンファイバー リサイクル プロセス。出典：ELGカーボンファイバー

カーボンファイバー製品の世界的需要の指数関数的増加——とそれに伴う廃棄物——は、多くのサステナビリティ課題を提起しています。カーボンファイバーはアルミニウムと同等の高い含有エネルギーを持ち、広くリサイクルされていますが、カーボンファイバー廃棄物の処分は循環型経済に深刻な影響を与えます。その結果、加水分解、溶媒分解、熱分解などのリサイクル技術が過去数十年で勢いを増しています。例えば、ELGカーボンファイバー社（英国、コーズリー）が採用するチェーン ベッド熱分解技術は産業規模で確立され、2017年時点で年間1,300メトリックトン以上のCFを回収しています。

しかし、熱分解の主要技術的課題は、カーボンファイバーを元の形態と同じ形で回収できないことです。熱分解リサイクルの最終生成物は、不連続ファイバーのふわふわした絡まり合った塊です（図1参照）。リサイクル カーボンファイバー（rCF）を効率的かつコスト効率良く扱う方法は、羊毛フリースを生地に変換するように、ファイバーをテキスタイル ファブリックに変換することです。この方法で、ELGはrCFをランダム分布、ドライ レイド、ニードルパンチ不織布に変換し、エポキシ樹脂で圧縮成形します。しかし、これらのファブリックの多孔質な性質により、結果として得られるラミネートは通常、約30%の繊維体積率しか達成できません。

これらの材料振る舞い特性により、rCFコンポジットは従来の長く連続したファイバー強化バージンCF（vCF）コンポジットとは異なり、同様に異なる特性を示します。rCFコンポジットの能力、力学的振る舞い、設計限界を理解するには、信頼性のあるデータセットを開発し、適切な試験法で特性評価することが不可欠です。残念ながら、マクロスケール試験の規格と標準は、連続繊維強化コンポジットを念頭に開発されました。さらに、従来のコンポジットでもクーポンレベル試験で文献と業界に多くの相違があります。さらに複雑なのは、エアバスなど一部OEMが独自の社内試験慣行でvCFコンポジットを特性評価していることです。不連続、不織布コンポジットという独自の補強アーキテクチャを持つrCFコンポジットの登場は、コンポジット試験プロトコルのこの曖昧さをさらに増大させます。また、単一特性の測定にも幅広い試験法の選択肢があります。最適な試験の特定には時間がかかりますが、材料の力学的振る舞いを理解する上で根本的に重要です。著者らの研究の主目的は、不織布rCFコンポジットが既存および潜在的新用途での使用評価・分析のために、特定の標準試験プロトコル開発を必要とするかどうかを判断することでした。

一見単純な静的引張試験のような試験法の指針も、不連続、不織布rCFコンポジットの場合は不明確になります。一般的な慣行は、試験片準備の簡便さから直線側面長方形試験片を使用することです。しかしrCFコンポジットでは、ASTM D3039またはISO 527-4タイプ2または3で記述される端部タブあり/なしの長方形試験片使用により、試験片ゲージ部への応力伝達不良でタブ付近またはタブで破壊が生じます。150個の長方形試験片サンプルから、許容可能なゲージ破壊を示したのは12.5%未満でした。

これには、不良な試験片準備、荷重導入方法、グリップ、試験速度、試験片形状など、複数の原因が考えられます。米国陸軍材料力学研究センターがランダム ガラス繊維コンポジットで試したボウタイ試験片も、rCFコンポジットでは改善された結果を出しませんでした。この試行では、ASTM D638で記述されるドッグボーン形状の使用により、80%以上の試験片が中央ゲージ領域で破壊するという大幅に改善された性能が得られました（図2参照）。この試験片設計は引張特性に大きな影響を与え、長方形形状試験片は早期破壊傾向があります。

同一rCFコンポジット長方形とドッグボーン試験片を用いた研究では、ドッグボーン試験片と比較して長方形試験片で引張強度と剛性がそれぞれ10%と20%低下しました。引張-引張疲労での特定応力レベルにおいて、長方形試験片は数百サイクルから300万サイクル以上までどこで破壊するか変動しましたが、ドッグボーン試験片では破壊サイクルの変動がはるかに低かったです。

図2. ドッグボーン試験片での試験片ゲージ長への応力伝達改善。出典：カーティック・クリシュナ・クマール

アウトオブプレーンとインプレーンの両方せん断評価でも類似パターンが観察されました。アウトオブプレーンせん断（層間せん断）は品質管理試験に過ぎませんが、ASTM D2344とISO 14130で記述されるショート ビーム シアー（SBS）試験法、ASTM D3846のダブル ノッチ シアー（DNS）、最近開発されたダブル ビーム シアー（DBS、ISO 19927）など、評価のための複数の試験法が確立されています。残念ながら、これらの試験のいずれもrCFコンポジットで純粋な層間せん断破壊という望ましい結果を示しませんでした。一般的な傾向は、せん断支配破壊ではなく、引張や圧潰など望ましくないモードで破壊することです。

材料（コンポジットや金属）を純粋なせん断状態にするのにかなり成功している方法は、Vノッチ形状試験片を使用するイオシペスク シアー試験です。しかし、層間せん断評価でASTM D5379は76ミリメートル厚パネルの使用を推奨しており、欠陥導入なしでの製造はほぼ不可能です。代替案はパネルを接合して76ミリ厚にすることですが、Vノッチ試験片グリップ部での圧潰破壊を招く可能性があります。Vノッチ試験片のクリティカル セクションのみを再構築した改良標準試験片設計により、この問題を回避し、rCFコンポジットで純粋な層間せん断破壊を生成できました。

しかし、イオシペスク シアー試験はrCFコンポジットのインプレーン シアー試験には適用できませんでした。傾向として、ラミネートのXY平面でのファイバー分布を考慮すると予想される引張支配破壊で失敗しました。代替案として、一般的に木材コンポジットで使用されるプレート ツイスト法（ISO 15310）が可能性があります。ファイバー補強アーキテクチャの性質が、基本的な静的マクロスケール クーポンレベル試験での力学的振る舞いと材料応答に大きな影響を与えることは明らかです。さらに、rCFコンポジットのサイクリック負荷での力学的振る舞いは、従来のvCFコンポジットや短繊維強化コンポジットとはかなり異なることが判明しています。

リサイクル カーボンファイバー コンポジットには、成形プロセス、繊維含有率、ファイバー弾性率グレード、リサイクレート源の樹脂グレード、ファイバー-マトリックス相互作用など、機械的特性に影響する多数の材料加工変数があります。市場に新たに登場した材料に対し、専用標準試験慣行の開発なしにこれらのパラメータを分析するのは徒労で煩雑です。英国標準協会（BSI）は、テキスタイル ガラス強化プラスチック、シート モールディング コンパウンド（SMC）、バルク モールディング コンパウンド（BMC）熱硬化性コンポジット、木材ポリマー/天然繊維コンポジット、プルトレーション強化コンポジットなど、非従来型コンポジット システムに対し、適用可能な試験法を特定する専用規格で仕様を策定してきました。リサイクル カーボンファイバー コンポジットにも、信頼性ある特性評価を可能にする同じアプローチが必要です。

参考文献

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カーティック・クリシュナ・クマール氏は英国オックスフォード ブルックス大学の博士課程学生です。研究は、リサイクル不織布カーボンファイバー コンポジット システム向け適切な試験慣行の開発、疲労振る舞いと環境耐久性の評価、カーボンファイバーの実用的利用における安全性とサステナビリティ確保を対象としています。