CSIRO、炭素繊維の品質・強度向上とコスト削減を実現する先進技術を開発

CSIRO炭素繊維チームのアプローチ

「CSIROの取り組みは、アクリロニトリルのポリアクリロニトリルへの重合、次に紡糸とPANの更なる処理による高品質・低コストな前駆体繊維の生産など、炭素繊維製造の初期段階に焦点を当てています」とアボット氏は説明します。PAN製造は炭素繊維コストの50%を占めますが、その特性の70〜90%を決定します。「ディーキン大学の技術は、酸化と炭化を含む炭素繊維製造の最終段階に関わるものです」と続けます。「彼らがレモンド・コンポジッツ（米国テネシー州オークリッジ）にライセンス供与した技術は、これら最終段階のコストを下げることを目的とした迅速酸化技術です。」

次世代炭素繊維の目標達成のため、CSIROは一連の戦略的ツールを活用しています：RAFT重合、FLOW化学プロセス、CarbonSpec計測技術。「航空宇宙グレードの炭素繊維で20%高い強度を実現することを目指しています」とアボット氏は語り、チームは2020年末までに何らかの初期結果を得られることを期待しています。

CSIRO炭素繊維チーム

5,000人の従業員、55のサイト、8つのビジネスユニット、約10億ドルの予算を持つCSIROのプロジェクトは、3Dプリンティング、バイオポリマー、医療用インプラント、スマートアパレル、天文学/宇宙探査など幅広い分野に及び、年間2,800以上のパートナーと協働しています。「CSIROはワイヤレスLANを発明・特許化し、その収益で他の研究を資金調達しています」とアボット氏は説明します。

55サイトの一つはカリフォルニア州シリコンバレーにあります。CSIRO USはオーストラリアの研究者と米国プロジェクトを結びつけ、宇宙、農業、水資源保護、山火事、スマートシティなどの分野で科学的進歩を加速させます。目標は、深い研究能力と幅広い実社会の問題への経験を結集するオープンイノベーションパートナリングです。

「複合材分野では、CSIROは新しいレジンと加工技術を開発しています」と続けます。「複合材のモデリングとプロセスシミュレーション、炭素繊維特性の測定も多く手掛けています。例えば、炭素繊維の横弾性率を測定する新しい装置を開発し、それをモデリングとシミュレーションの改善に役立てています。」

「CSIROはボーイングと30年の戦略的関係にあります」とアボット氏。「2016年と2017年にボーイングの『年間最優秀技術サプライヤー』に選ばれました。」CSIROの炭素繊維チームは、南ミシシッピ大学（米国ミシシッピ州ハティズバーグ）とも協働しています。

湿式紡糸パイロットライン

炭素繊維前駆体の必要な研究を完了するため、CSIROはまず独自の湿式紡糸ラインを確立する必要がありました。「炭素繊維は世界でわずかなメーカーしか製造しておらず、各社が独自の秘密の特許レシピを持っています」と、CSIRO最高経営責任者ラリー・マーシャル博士は2017年の新ライン立ち上げ時に説明しました。パイロットラインは、ポリマーと繊維プロセス装置を専門とするMAE（イタリア・フィオレンツオラ・ダルダ）によってカスタム建設されました。「商業ラインのような設計ですが、より小規模です」とアボット氏は説明します。

CSIROのブログでは、ラインの動作をパスタ作りに例えて説明しています。パスタ生地をこねてダイスを通してスパゲッティのような長い細いストランドを作るのと同様に、ドープと呼ばれるポリマー溶液を混合し、凝固・多孔スピナレットを通して紡糸し、人の髪より細い500〜12,000本の別々のPAN繊維ストランドを生産します。これらの繊維は洗浄され、ローラーで引き伸ばされ、一連の溶液で安定化され、蒸気処理と乾燥を経て、カーボンネクサスの炭化ライン用にスプールされます。

「炭素繊維と前駆体原料の製造方法を完全に理解するのに長い時間がかかりました」とアボット氏。「誰も助けてくれなかったので、ほぼ独学で学ばなければなりませんでした。しかし今では、前駆体プロセスを完全に制御できるようになりました。これが鍵であり、その後カーボンネクサスと協力して炭化を行っています。」

RAFT重合

CSIROが適用するもう一つのツールは、特許取得済みで商業化もされているRAFT（可逆的付加開裂連鎖移転）技術です。RAFTは、組成と構造を前例のないレベルで制御しながら、特注ポリマーの合成を可能にする高度な制御ラジカル重合の一種です。RAFTの応用範囲は新規薬物送達システムから工業用潤滑剤、コーティングまで多岐にわたりますが、CSIROの炭素繊維チームはPAN重合プロセスの制御に使用しています。

「従来のモノマーからポリマーへの重合では、ポリ分散性が広く、つまりポリマー鎖の長さがバラバラになります」と、CSIROポリマー化学チームリーダーのメリッサ・スキッドモア氏は説明します。「しかしRAFT剤を添加すると、ほぼ同じ長さのポリマー鎖が得られ、分子量分布が大幅に狭まります。同じ開始剤、モノマー、溶媒を使用しながら、RAFTを添加するだけです。」

「分子量は紡糸溶液の粘度に影響します」とスキッドモア氏。「従来、ドープ溶液の高分子量は前駆体繊維の溝付き表面を招いていました。RAFTを添加するとドープ溶液の粘度が低下し、より高い固形分濃度が可能になります。ポリマーの超高分子量成分を除去することで、繊維内の分子配向が改善され、特性が向上する可能性があります。」低分子量は繊維に可塑化効果をもたらすと付け加えます。「RAFTは、より密で均一、構造欠陥の少ない前駆体繊維を生成するPANポリマーを生み出します。これは炭化の高速化とコスト削減にも寄与する可能性があります。」

「これにより複雑なポリマー構造へのアクセスも可能になります」とスキッドモア氏。「RAFTはポリマー基団の更なる化学的操作を可能にします。」これが役立つ例は、ドープ溶液を操作して繊維に凝固させるときです。「ドープポリマー溶液の理想的特性と凝固条件の間には微妙なバランスがあります」と続けます。「ポリマーは95% PANと5%添加剤です。RAFTポリマーは異なる振る舞いをするため、従来の添加剤の一部を低減し、より高い割合を高固形分繊維に変換できると考えています。これにより欠陥が減ります。現在テスト中です。」

現在の主眼ではありませんが、RAFTは重合時に機能性を付加できる点でも極めて興味深いです。例えば、CO2吸着能力の高い複合材（CO2が複合材の分子表面に吸着する）の製造方法を研究者たちが検討しています。多機能複合材は、航空機と電気自動車メーカーからすでに求められています。付加機能を持つ新タイプのPANと炭素繊維は、将来の複合材にとって重要な解決策になる可能性があります。

連続FLOWプロセス

「RAFTで重合を制御し、FLOWで繊維形成をより制御します」とアボット氏。

FLOWは、重合をバッチプロセスではなく連続プロセスに変換します。アボット氏とスキッドモア氏によれば、現在使用されているバッチリアクターは確立されており、セットアップが容易で、反応速度論の混合と監視に効率的ですが、連続プロセスリアクターより大容量を必要とするため、産業規模のセットアップは高コストです。これら大容量バッチリアクターは、スペースとエネルギー消費の面でも非効率です。連続プロセスリアクターはより小型で低コスト、スケールアップが容易、エネルギー効率に優れ、バッチ処理に比べて優れたプロセス制御と再現性を提供します。ただし、専用の連続ラインであるため、異なるパラメータや製品への切り替えにおいて柔軟性が劣ります。

安全性と持続可能性のメリットもあります。「現在のPAN製造は、特に毒性の観点から環境的に持続可能ではありません」とスキッドモア氏。「重合プロセスを連続化することで、毒性、臭気、引火性のある反応剤が隔離され、自動装置で処理されるため安全性が向上します。ただし、ラインの複雑性が増し、より高度な監視と制御が必要になります。」さらなる開発は必要ですが、アボット氏はFLOW重合を肯定的に見ています。「炭素繊維は本質的に変動しやすいので、この変動を減らすあらゆることが特性改善につながります。」

CarbonSpec — 測定して管理

CSIROの炭素繊維アプローチの最後のツールはCarbonSpecです。「これは私たちが開発した計測技術で、生産した繊維をテストし、特性と材料の関係をよりよく理解するためのものです」とピエロ氏は説明します。「測定できなければ改善できません。最小限のPANと炭素繊維測定から炭素繊維特性をよりよく予測できるようになります。」

「炭素繊維業界では、シンクロトロンX線CT（コンピュータ断層撮影）を使用して繊維の微細構造を決定するのが標準的です」とピエロ氏。（シンクロトロンはサッカーフィールド大の粒子加速器で、非常に明るいX線を生成し、隣接するビームラインに導いて撮像などに使用します。）「オーストラリアンシンクロトロンのビームラインスタッフの支援により、個々のPAN前駆体繊維と炭素繊維の微細構造をスキャンするための新しい専用キャラクタリゼーションプロトコルが開発されました。直径5ミクロンという微細な個々の繊維の微細構造マップを数分で取得できます。SAXS信号は繊維内の細孔発達を理解するのに役立ち、WAXS信号は繊維弾性率の最適化に不可欠な微細構造パラメータの特定に役立ちます。両信号を同時に使用することで、PANドープから炭素繊維までの各製造段階における機械的強度と剛性を監視・最適化できます。」

ピエロ氏は、CarbonSpec内で新しい装置と試験方法の開発も進めていると指摘します。「例えば、通常報告される軸方向特性に加え、横弾性率と強度を測定しています。この新しい方法は、軸方向圧縮強度の測定にも応用できると考えています。後者は長年の課題でした。単一炭素繊維またはPAN繊維の直径が非常に小さい（5〜10μm）ため、座屈を引き起こさずに真の軸方向圧縮応力を加えることが困難だからです。」

20%強度向上、次世代炭素繊維へ

「ポリマーから繊維への変換方法の理解が向上し、現在商業グレードの繊維を製造しています」とアボット氏。「これらの技術ツールを他の前駆体ポリマーに適用し、RAFTを使用したCSIRO版PANであるSIROPANを製造しています。現在はキログラム単位で生産可能です。」

「次のステップは、RAFTポリマー使用のメリットを評価することです」と続けます。「まだPANを製造していますが、分子量をより良く制御しながら増やし、粘度を低下させています。これにより、より強靭な炭素繊維が生産できます。」どの程度強くなるか？「まだ確定していませんが、目標は20%強度向上です」とアボット氏。「業界によると、10%の強度向上では前駆体変更の財務的妥当性が不十分で、20%が必要最小限とされています。」

• RAFTによる新規前駆体ポリマー開発（高品質ポリマーや異なる特性）
• 商業競争力のあるポリマープロセス開発（FLOW）
• ポリマーから繊維への変換理解（湿式紡糸）による低コスト・高特性化
• 前駆体特性が炭素繊維特性に与える影響の理解、炭素繊維特性のより良い予測、測定と予測に基づくプロセス最適化（CarbonSpec）
• PANと炭化繊維のエンジニアリングによる、特定用途向け特注炭素繊維の生産

「炭素繊維業界は年間10%成長しています」とアボット氏。「炭素繊維の品質、性能、コスト、持続可能性の改善に関心を持つ、確立された、または新規の業界プレーヤーとのパートナーシップを望んでいます。」

「6種類の前駆体処方をテスト中で、これらをカーボンネクサスで炭化します」とスキッドモア氏。「年末までに結果が出ることを期待しています。RAFTポリマーから白色繊維、そして炭化を経るには時間がかかります。」

アボット氏は付け加えます。「年末までに強力な結果を出したいですが、私たちは長期的な取り組みです。」

この研究は科学産業基金によって支援されています。