リサイクルカーボンファイバー：現状と将来展望

リサイクルカーボンファイバー（rCF）の意義は複雑です。この産業は、カーボンファイバー廃棄物を埋立地から排除し、カーボンファイバーの供給と需要の潜在的なギャップを埋めるという課題解決への期待の上に成り立っています。生産されたカーボンファイバーの約30％が廃棄物になると一般的に推定されています。一方、貴重な材料が埋立地に捨てられる中、ほとんどのアナリストは、年間需要が今後数年以内に現在の年間生産能力を超える可能性があると同意見です。2018年12月のカーボンファイバー会議で、Hexcel（米国コネチカット州スタンフォード）のグローバルファイバー担当プレジデント、ブレット・シュナイダー氏とCarbConsult GmbH（ドイツ・ホーフハイム・アム・タウヌス）のマネージングディレクター、ダン・ピヒラー氏が示した推計によると、世界のカーボンファイバー平均需要は年間約6万5,000〜8万5,000メトリックトン、グローバル名板能力（実能力より多い）は約15万メトリックトンです。CW寄稿者のアマンダ・ジェイコブ氏が3月に報じたように、一部のアナリストは2022年までにカーボンファイバー需要が供給を約2万4,000メトリックトン上回ると推定しています（「リサイクルカーボンファイバーへの信頼構築」参照）。

商業的なrCFサプライヤーは、回収・再利用された材料をこの需給ギャップの解決策として指摘しますが、rCF産業には独自の課題があります。カーボンファイバー複合材のリサイクル技術は数年前から存在し、バージン材に極めて近い機械的特性を持つ製品を生み出せますが、複合材リサイクル産業は比較的若く、リサイクル材から生産される材料の市場開発はまだ初期段階です。リサイクラーが生産するファイバーの品質への信頼が高まるにつれ、コストと供給安定性に関する疑問が前面に出てきました。おそらく産業最大の課題は、サプライチェーンの安全性への懸念です。

「技術はすでに存在し、かなり前からありますが、サプライチェーンが検証されていません」とVartega（米国コロラド州ゴールデン）CEOのアンドリュー・マクシー氏は言います。「適切なピースが揃わなければ、世界最高の技術があっても、リサイクルする材料がなく、それを使う製品もありません。」

商業サプライヤーはしばしば航空宇宙産業を、生産スクラップと寿命終了材料の供給源として見ています。航空宇宙産業が生み出す廃棄物量は埋立地行きという点では大きいですが、多くのOEMや加工業者は、ハイボリューム製品ラインの安定した供給源として頼ることをためらってきました。

一方で、進展も見られます。2018年12月、ボーイングはカーボンファイバーリサイクル専門のELG Carbon Fibre Ltd.（英国コーズリー）に、硬化済みおよび未硬化のカーボンファイバー廃棄物を供給し、他の複合材製造用途の二次製品向けにリサイクルすると発表しました。この合意は、カーボンファイバーリサイクラーと主要航空機OEMとの間で初の正式な材料供給関係であり、業界にとって良い兆しと言えます。

環境懸念だけではない

rCF使用の論拠はサステナビリティにとどまりません。コスト削減もメリットです。例えば、ELG Carbon FibreのrCFは、インダストリアルグレードのバージンカーボンファイバーより約40％安価です。他の商業サプライヤーも、バージン材より20〜40％安いと主張しています。また、多くの用途で不連続ファイバー形式が必要とされるため、rCFがバージン材のよりサステナブルで経済的な代替になり得る機会があります。

「業界が不連続またはチョップドカーボンファイバーを使用しているあらゆる場面で、リサイクルファイバーが第一の検討対象になるべきです」とマクシー氏は言います。「バージンカーボンファイバーを連続形式で製造するために多額のコストをかけておきながら、なぜそれをチョップして熱可塑性樹脂に混ぜるのでしょうか。スクラップとしてすでに不連続形式で存在するなら、そのままチョップして使うモールディングコンパウンドには、それが最良の材料だと思います。」

さらに、生産されるrCFの品質は、場合によってはバージンファイバーと同等であることが示されています。熱分解法でカーボンファイバーを回収するELG Carbon Fibreは、引張強度の少なくとも90％を保持し、弾性率に変化がないとしています。Vartegaは化学リサイクルプロセスを用い、バージンカーボンファイバーと同等の機械的特性を示すとしています。Shocker Composites（米国カンザス州ウィチタ）はインライン溶媒分解プロセスでファイバーを回収し、ファイバーに明らかなダメージなく高品質であるとしています。

 

ELG Carbon Fibreのリサイクルカーボンファイバー不織布マット。

CW photo | Scott Francis

ウィチタ州立大学博士課程のバムシダール・パトーラ氏（Shocker Composites創業者）によると、課題はアルミニウムなど他の材料と同等のコストレベルまで下げることです。「プロセスの処理能力がハイボリューム生産スケールに対応できる必要があります」と同氏は言います。Shocker Compositesのプロセスはバッチプロセスではなくインラインプロセスであるため、この利点があります（詳細は「カーボンファイバーのサステナブルなインラインリサイクル」を参照）。

過去数年間のrCF処理とファイバー品質の向上を受け、商業サプライヤーは、rCFを低性能製品へダウンサイクルすることから、材料の特性を活かせる適切な用途を見つける方向へ焦点を移し始めています。

「バージンファイバーを完全に置き換えることはないでしょう。特に高強度・高剛性が要求される航空宇宙分野では。しかし、リサイクルファイバーが『弱い潜在能力を持つリサイクルファイバー』ではないと認識されつつあります」とELG Carbon Fibreのフィールドテクニカルサービスエンジニア、ベンジャミン・アンドリューズ氏は言います。「バージンファイバーより優れた独自のメリットを持つ用途があります。ドレープ性と表面仕上げはバージンファイバーより優れています……これは単なる再利用材ではなく、独自のメリットを持つ材料なのです。」

自動車業界はどうなのか？

市場という点では、自動車業界がrCFの最大の潜在市場のように見えます。軽量化と良好な表面仕上げを両立できるこの材料は、ボディパネルや各種内装部品に自然にフィットします。rCFの商業サプライヤーは長らく業界の広範な採用を期待してきましたが、転換点はまだ訪れていません。プロセス時間とコストが依然として業界のつまずき石となっています。

Carbon Conversions（米国サウスカロライナ州レイクシティ）CEOのマーク・マウハー氏は、これらの懸念は進展を考慮すれば言い訳の一部であり、あらゆる市場への採用の主な障壁は実際にはリスク回避傾向だとしています。

「誰も新しい材料エコシステムの採用で第一人者になりたくないのです」と同氏は言います。また、自動車業界によるrCFの大規模採用が必ずしも望ましいわけではないと強調し、主要な自動車プラットフォーム十数社が採用すれば、世界のrCF供給を瞬く間に消費してしまうと指摘します。ニッチなプログラムをターゲットにするアプローチが、ビジネスの観点からサプライチェーンをより堅牢にすると述べています。

Carbon Conversionsのre-Evo MCFから作られたプリプレグを使用した自動車ドアパネル。

CW photo | Scott Francis

「自動車への適用は、どこに使うかを賢く選ぶことが肝心です」と同氏は言います。「特定の車種の特定の部品で、意味のあるものを選ぶのです。」

マウハー氏は、自動車業界が最初の主要市場となって利用可能なrCFのかなりの部分を消費することを期待しています。「今後24カ月で動きが出始めると予測しています。」

複合材全般が、バッテリーボックス、圧力容器、リーフスプリング、リフトゲートシステムなどの部品として、自動車業界に徐々に浸透しつつあります。rCFも同様の軌道をたどるのは自然な流れでしょう。

 

この圧縮成形された自動車フロアボードには、Carbon Conversionsのre-Evo MCF不織布マットが使用されています。

CW photo | Scott Francis

ニッチアプローチの興味深い例として、ProDrive Composites（英国ミルトンキーンズ）があります。同社は自動車・モータースポーツから航空宇宙・防衛まで、先進的な軽量複合材を製造しています。シェフィールド大学先進製造研究センター（AMRC、英国シェフィールド）およびELG Carbon Fibreと協働し、P2T（Primary To Tertiary）プロセスを開発しています。これは反応性熱可塑性樹脂を用いてリサイクル可能な複合材部品を製造する新プロセスです。プラスチックモノマーを触媒とリサイクルファイバーの存在下で反応させ、オートクレーブなしで硬化ラミネートを生成します。

ProDriveのP2Tプロセスで製造された三次部品の例。

CW photo | Scott Francis

「リサイクル可能な複合材パネルを、多くの業界に適したレートとコストで製造できることを実証しました」とProDrive Compositesのチーフエンジニア、ジョン・マクイリアム氏は述べています。

同社によれば、P2Tでは複合材を3回以上使用可能です。一次部品の寿命終了時にファイバーと樹脂をリサイクルし、熱可塑性二次部品（ボディパネルなど）の原料とします。その部品が寿命を迎えれば、チョップして新たな部品へリモールドできます（詳細は「リサイクルに向けたP2Tプロセスのポジショニング」を参照）。

一方、Vartegaは先進複合材製造イノベーション研究所（IACMI、米国テネシー州ノックスビル）のプロジェクトを主導し、自動車業界に焦点を当てています。この2年間の技術協力は、車両軽量化用途向けに一貫性のあるリサイクルカーボンファイバー強化熱可塑性樹脂を作る課題に取り組むものです。マクシー氏によれば、ファイバー界面から完成部品特性まで、材料の完全な特性評価データセットの構築に向けて進展しています。

もちろん、自動車業界を考える際、関連する新興テクノロジーに賭けるのが得策かもしれません。電気自動車、自動運転車、車のコネクティビティは、複合材が大きな役割を果たす新しい部品と用途の機会をもたらします。

マクシー氏は自動車業界の方向性をこう評価します。「過去数年で自動車業界では規制や政権の方針によって、燃費から他の優先事項へ焦点が移る可能性があり、多くのことが起きました。軽量化への大きな後退は見られませんが、その動機が進化するかもしれません。業界ではモビリティ用途のための軽量化に焦点が移ると思います。」

航空宇宙はループを閉じられるか？

航空宇宙産業が最も多くのカーボンファイバー廃棄物を生み出し、商業rCFサプライヤーはしばしばリサイクル原料の供給源として見ています。余剰材、典型的には未硬化熱硬化性複合材プリプレグが回収され、熱（熱分解）または化学溶媒（溶媒分解）で樹脂を除去し、ミルド、チョップ、ペレタイズされたファイバーが得られます。

業界が熱可塑性複合材（TPC）の使用増加に向かう中、その材料は新たなリサイクル機会を提示します。熱可塑性ポリマーは再溶融・再成形可能なため、航空宇宙産業は自社スクラップの一部を二次用途に再吸収し、ファイバーとマトリックスの両方を再利用する機会が増えます。熱可塑性複合材アプリケーションセンター（TPAC、オランダ・エンスヘデ）の研究者トーマス・デ・ブライン氏（熱可塑性複合材研究センター（TPRC、オランダ・エンスヘデ）と応用研究レベルで連携）は、社内リサイクルへの取り組みを指摘します。

「実現可能性の観点から、熱可塑性複合材では社内アプローチの方がはるかに合理的です」と同氏は言います。

デ・ブライン氏によると、航空機OEMは商業rCFサプライヤーに頼るより、社内リサイクルを選ぶ傾向があります。主な理由はトレーサビリティです。供給が社外に出ると、用途に合うポリマータイプのマッチングが格段に難しくなります。

GKN Fokker（オランダ・フーフェフェーン）のエンジニアリングストレススペシャリスト、ヨハン・ミューゼラール氏は、自社生産環境内で可能な限り多くの用途を見つけるのが答えだと考えます。「バージン材で作っている熱可塑性部品を見ると、リサイクル材で作れるパーツがたくさんあります。自社で発生する廃棄物のかなりの量を確実に消費できます。」

「設備はすでにあります」とTPRCの熱可塑性複合材エンジニア、ギヨーム・ヴァンサン氏は付け加えます。社内リサイクルは通常のプロセスチェーンに適合し、大半の設備が既にあるため、最もコストメリットが大きいと説明します。「通常の生産環境での活動にフィットします。」

  TPC-Cycleリサイクルルート

出典：TPRC、TPAC

デ・ブライン氏、ヴァンサン氏、ミューゼラール氏は、TPACとTPRCが運営するTPC-Cycleプロジェクトに関与しています。このプロジェクトは、航空宇宙およびハイボリューム用途向け熱可塑性複合材加工からの生産スクラップ再利用を目的としています。目的は、熱可塑性複合材の高い機械的特性を維持しつつ、環境負荷を低減し、手頃なコストで実現することです。TPC-Cycleは短いサイクルタイムを誇り、複雑形状の製造を可能にするとされています。

TPC-Cycleプロセスで開発されたロータークラフト用デモンストレーターアクセスパネル。

出典：TPRC、TPAC、GKN Fokker

Toray Advanced Composites（米国カリフォルニア州モーガンヒル、オランダ・ナイフェルダール）、Cato Composite Innovations（オランダ・レーデン）、Dutch Thermoplastic Components（オランダ・アルメレ）、Nido RecyclingTechniek（オランダ・ナイフェルダール）など、材料・製造・設計・用途のバリューチェーン各セグメントを代表する複数の産業パートナーが参加しています。

デ・ブライン氏によれば、TPC-Cycleプロジェクトは現在、コスト分析とライフサイクル分析を完了し、プロセスが経済的に有益であることを証明しようとしています。

また、EUのHorizon 2020プログラムによって資金提供されるClean Sky 2 Joint Undertakingのようなプログラムが、航空宇宙スクラップのループ閉鎖に焦点を当てたR&Dを推進しています。OEMは、工場廃棄物をインテリアパーツ、アクセスパネル、小型部品、さらにはフレームクリップやシステムブラケットに使用する可能性を探っています。

GKN Fokkerの熱可塑性多機能胴体デモンストレーター下半分のプログラムマネージャー、バース・フェルトマン博士は、Clean Sky 2プログラムの下でクリップとブラケットに関する提案公募を開始し、この概念を推進しています。デモンストレーターの重要な要素は、工場廃棄物をフレームクリップやブラケットなどの製品に使用し、環境負荷を低減することです。また、ファスナーを溶接に置き換えることで、材料・エネルギー・コストを節約し、軽量化に貢献することも目指しています。

ミューゼラール氏によれば、GKN Fokkerはリサイクル技術が同社の「未来の胴体」コンセプトの一部になり得るかを調査しています。このコンセプトでは大量の熱可塑性複合材を使用する可能性があり、そこから発生する廃棄物をリサイクルブラケット、フィッティング、非構造部品に活用できると見ています。

「熱可塑性胴体を検討する理由はコストであり、リサイクルも組み込んだコスト効率の良い生産方法だと考えています」と同氏は言います。

ミューゼラール氏は、より手頃でサステナブルな航空宇宙製品を作ることを高次の目標としています。熱可塑性複合材の量産化に向けた歩みが進む中、これはまた廃棄物を生むことにもなります（複合材一般に共通の不幸ですが）。しかし、その廃棄物が商業的に実行可能だと信じており、リサイクルカーボンファイバーTPCの低せん断混合/圧縮成形は、従来の連続繊維積層では得られない設計自由度を提供すると語ります。「通常、航空宇宙では材料・合金・生産システムの面でオーバー設計されがちな、パネル、小型フェアリング、システムブラケットなどの非常に興味深い非構造部品を作るための多くの追加オプションが得られます。」

機会は主に、中型・中程度の複雑さの非構造部品にあり、これらは大型コンポーネントの総コストで依然として大きな割合を占めると同氏は見ています。

「近い将来、リサイクル熱可塑性樹脂で翼を作ることはありません」とミューゼラール氏は言います。「だが翼の内部には、経済的合理性のあるパーツを作れます。」

とは言え、熱可塑性複合材がリサイクル産業に与える影響を予測するのはまだ時期尚早です。

「テープ積層やテーラードブランクのような新しい生産方法は、現在見られる典型的なネスティングとスタンプ成形プロセスよりも廃棄物が少ないため、廃棄物の割合はおそらく減少するでしょう」とデ・ブライン氏は言います。「しかし一般的に、今後数年・数十年で熱可塑性廃棄物は増えると思います。」

社内リサイクルへの関心が高まる一方で、常に一部の廃棄物は社内では使用できず、加工業者が社内リサイクルを望まない、またはできないケースも出てきます。その場合、それらの材料は材料サプライヤーによって回収される可能性があります。熱可塑性複合材の使用増加がサプライチェーンに何を意味するかは、時間が経てば分かるでしょう（TPC-CycleプロジェクトとClean Sky 2イニシアチブの詳細は「生産用リサイクル熱可塑性複合材」を参照）。

アディティブマニュファクチャリング

アディティブマニュファクチャリングもrCFの可能性を秘めた分野です。例えば、Shocker Compositesはリサイクルカーボンファイバーを20〜40％強化したABSフィラメントにコンパウンドし、Cincinnati Inc.（米国オハイオ州ハリソン）の大面積アディティブマニュファクチャリング（BAAM）3Dプリンティングプロセスでの成功を実証しています。

また、Vartegaはカーボンファイバーリサイクル技術と材料開発の専門知識を活かし、粉末床溶融結合アディティブマニュファクチャリング用のポリマーフィードストックを前進させています。同社は最近、米国国立科学財団（NSF、バージニア州アレクサンドリア）のスモールビジネスイノベーションリサーチ（SBIR）助成金を受け、この分野での研究開発を行っています。

Vartegaはまた、熱可塑性粉末をカーボンファイバーで強化し、赤外線アディティブシステムで機能的な部品を生産できるプロセスを開発中だと主張しています。この進歩により、デジタルメーカーは新しい粉末ベースのハードウェアプラットフォームの潜在能力を最大限に引き出し、中量生産レートで射出成形材料と同等の性能を発揮する部品を製造できるようになるとしています。

「カーボンファイバー強化ポリマー粉末を提供することで、UAV（無人航空機）や医療用義肢などの分野のメーカーは、高速・複雑・カスタマイズされた3Dプリントのメリットを享受しながら、製品に必要な構造的完全性を材料選択で確保できるようになります」とVartegaのCOO、アリス・ハビル氏は述べています。

その他の用途

一方、リサイクルカーボンファイバーが役割を果たせる他の市場と用途も次々と出現しています。

この建設グレードの直交集成材（CLT）は、熱処理木材とコンポジットリサイクルテクノロジーセンターのリサイクルカーボンファイバーを組み合わせています。

出典：The Composite Recycling Technology Center

Composite Recycling Technology Center（CRTC、米国ワシントン州ポートエンジェルス）は、パークベンチから高性能スポーツ用品、複合材チューブまで、多様な製品へのリサイクルカーボンファイバー活用を探っています。同社は、Toray Composite Materials America（米国ワシントン州タコマ）からの未硬化プリプレグ材と、ELG Carbon FibreからのrCFを扱っています。

CRTCのCEO、デーブ・ウォルター氏は、建設業界を成長分野として指摘します。同社は最近、特許出願中のプロセスで、熱処理木材とリサイクルカーボンファイバーを組み合わせた建設グレードの直交集成材（CLT）を開発しました。熱処理プロセスで糖分とリグニンを除去し、腐朽とシロアリ耐性を付与し、その後カーボンファイバーストリップを強度確保のために統合しています。

CRTCはまた、リサイクルカーボンファイバーで木材単板と接着したパネルも作っています。これらのパネルは木材の美しさを備え、強靭で軽量かつ柔軟な基材として、さまざまな内外装用途に対応します。下の写真は、2019年にシアトルのベナロヤホールで設置された例です。

オクターブ9 レイスベック音楽センター - ベナロヤホール（米国ワシントン州シアトル）

写真：The Composite Recycling Technology Center

業界のマインドチェンジ？

大きな変化は往々にして段階的に起こり、比較的若いリサイクルカーボンファイバー産業は着実に前進し続けています。rCFのダウンサイクルは続いていますが、材料に対する認識は変わり始めています。ファイバー品質は実証され、プロセスは進化し続けています。カーボンファイバーリサイクルの必要性への認識は高く、より多くのプレイヤーが参入しています。

「ELGとボーイングの発表は本当に大きな出来事でした。皆がボールを前に進め、サプライチェーンの接続を加速させる助けになります」とマクシー氏は言います。

「私たちはイネーブルし、ドットをつなぐためにここにいます」と同氏は付け加え、業界を総括します。「サプライチェーンの真ん中に位置するこのイネーブリングテクノロジーがありますが、本当の意味は、廃棄物ストリームに眠る遊休資産を、下流の未充足需要とつなぐことです。」

Carbon Conversionsのマーク・マウハー氏によれば、最大の変化は、サプライヤーが今や解決策の一翼を担いたがっていることです。「2年前までは、スクラップ処理について週に複数回の問い合わせがありましたが、材料を使うことには無関心でした。今、人々はついに言葉を行動に移し始めています。つい最近になって、ようやくリクレイムドカーボンファイバーの潜在顧客が、金型製作、試作・モックアップ製作、プロセス課題解決など、商業採用のかなり下流の段階にあたる活動に多大なリソースを費やし始めています。」

おそらく根底にあるのは忍耐です。ELG Carbon FibreのCEO、デトレフ・ドラフツ氏は、他のレガシー材料のリサイクル歴史を振り返ることが有益だと指摘します。

「ELGは50年以上にわたり、ステンレス鋼業界の原料をリサイクルしてきました。金属では、真空炉でタービンブレードを作る場合でもスクラップを使うことが受け入れられています……適切に処理されればリサイクル金属は原料としてそのまま使える、ということが受け入れられています。25年前には航空宇宙用途では一般的ではありませんでしたが、材料が性能を発揮することを保証するサプライチェーンを確立しました。ここでも同じことをしています。」