天然繊維入りエコフレンドリーSMCが産業性能を向上

新しい有機SMCで製造されたリアスポイラー。研究者たちは従来の加工パラメータで複雑なリブ構造を充填でき、繊維とマトリックスの分離は見られませんでした。写真提供：複合材料研究所（IVW）

ヒマワリ種子殻粉末や葦などの天然充填材・繊維を対応可能な有機シートモールディングコンパウンド（SMC）が、Lorenz Kunststofftechnik GmbH（ヴァレンホルスト、ドイツ）とライプニッツ複合材料研究所（IVW、カイザースラウテルン、ドイツ）によって開発されました。Lorenzは様々な業界向け半製品ポリマー製品の生産者、IVWはラインラント・プファルツ州とカイザースラウテルン工科大学の非営利研究機関で複合材開発と加工を専門としています。目標は比較的小さなCO₂フットプリントを持つ熱硬化性複合材の開発です。

潜在ユーザー調査

両機関は、電気、自動車、産業機器など様々な業界の30社調査に基づき材料仕様書を作成しました。「調査では異なる業界が材料に異なる要件を持つことが判明しました」とLorenzのセールス・ビジネス開発ディレクターPeter Ooms氏は述べます。しかし、ほぼすべてが環境側面と生産時CO₂削減、リサイクル性を文書化するライフサイクルアセスメント（LCA）を望んでいました。「これらの要件に基づき、SMC生産用の可能な有機材料を選択しました。」

パートナーはガラス繊維SMCを部分的に有機ベース充填材で構成するよう決定しました。充填材にはヒマワリ種子殻粉末と葦、木粉、工業用軟水プラントからのアップサイクル炭酸カルシウム、熱硬化性リサイクル材料など複数の選択肢が検討されました。追加の持続可能性イニシアチブとして、原材料はLorenz施設から500キロメートル以内で調達されました。

SMCと充填材、材料加工方法に関する研究はIVWで実施されました。考慮された要因には含浸性、密度、粘度、原料入手性が含まれます。研究者たちは不飽和ポリエステル（UP）樹脂と防収縮添加剤を用いて配合を開発しました。

配合の検証

次に、パートナーは新材料を使用してデモンストレーターバトルコンポーネント製造のパラメータを定義しました。「このデモンストレーターは『材料の流動と金型充填挙動を調べ、従来のSMC半製品と比較するのに役立ちました』とIVWの科学者Dr.-Ing. Florian Gortner氏は述べます。『これらの結果とプレスレオメトリー試験に基づき、流動挙動を示し他の金型形状について予測可能にするシミュレーションモデルを構築しました。』」

初期研究後、不飽和ポリエステル（UP）樹脂、防収縮添加剤、酸化マグネシウム、内部離型剤（樹脂粘度調整用）、着色ペーストで構成されるベースラインSMC樹脂ペーストが開発されました。この樹脂ペーストは各個別成分がSMC内でどう相互作用するか理解するためにテストされました。異なる充填材を用いた樹脂配合の反復試験シリーズにより、最終的に望ましい粘度、流動、含浸挙動を持つ複数の有機充填材ベース樹脂が得られました。

Gortner氏は「酸化マグネシウムと内部離型剤で樹脂を増粘し、着色ペーストで半製品に色を付けました。調査結果に基づき、さらなる添加剤を加え、樹脂ペーストを用途に適合させました。」と述べます。

望ましい粘度、流動、含浸挙動を持つ配合が得られるまで複数の反復が実施されました。結果として得られた材料は従来SMCより低密度の半製品製造を可能にし、Lorenzはこれが電気自動車市場に魅力的だと期待しています。次のステップは樹脂の商業バージョン生産で、Ooms氏によるとLorenzは今年中に達成予定です。

「IVWとともにこの新しい熱硬化性材料の実現に成功した今、実用用途に向けた更なる改良を計画しています」とOoms氏は付け加えます。例えば、用途に応じて樹脂ペーストと充填材の比率を変えたバージョンや、ガラス繊維を天然繊維に置き換えるバージョンを開発する可能性があります。Lorenzは不飽和ポリエステル樹脂をより安全で環境に優しい樹脂に置き換えることも可能だとしています。

Gortner氏によると、「我々の研究プロジェクトの目的は、半製品熱硬化性製品への有機ベース成分の使用が可能であることを示すことでした。Lorenzの積極的な支援により、これを成功裏に達成し、工業生産からのフィードバックを結果に取り入れ続けます。」