複合材の再定義：未来のためのサステナブル材料

複合材テクノロジーが発展するにつれ、複合材が何であり得るか、何を提供し得るかについての理解も深まるべきです。

このブログは、IntegriCo Composites（米国ルイジアナ州サレプタ）からのプレスリリースに端を発します。同社は複合材鉄道枕木と建設マットを製造しています。プレスリリースとウェブサイトはいずれもリサイクルとプラスチック廃棄物の持続可能な高性能最終製品への変換に焦点を当てており、これが100％プラスチック技術であると気づきました。そこで「貴社の複合材の定義は我々のものと一致しない」と返信しました。しかし、私は間違っていました。

 

混合物が複合材になる仕組み

複合材の定義とは何でしょうか？

私は、IntegriCoが優れた特性を持つ複合材だと主張する製品は、実際にはアロイ、つまり溶融混合されたプラスチックのアマルガムだと説明しました。最終製品に繊維強化はなく、識別可能な複数の材料も存在しない、と。

IntegriCoのチーフテクニカルオフィサー、ブライアン・アークウッド氏は異議を唱え、IntegriCoの製品は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り、処理を通じて設計・エンジニアリングされ、優れた特性と性能を発揮するようになっていると説明しました。「説明させてください」と同氏。

我々のプロセスでは、HDPE（高密度ポリエチレン）とLDPE（低密度ポリエチレン）、さらにポリプロピレンとポリスチレンの混合物を使用します。これは設計によるもので、これらの異なるポリマーがそれぞれ最終製品の全体的特性に寄与します。各プラスチックの比率や全体混合物の処理を変えることで、最終製品の特性を操作・変更できます。しかし、これらのプラスチックは単に溶かして混ぜ合わせているだけではありません。

ここで、この混合物が複合材として差別化されるポイントがあります：

「高分子量（HMW）プラスチックは溶けず、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中に分散します。この混合物が冷却される際、プラスチックは核生成プロセスを経ます。核生成の速度とプロセスは、処理温度、冷却速度、および核生成剤の後添加によって制御されます。この剤はIntegriCoが開発した化学物質で、同社のプロセスでのみ使用されます。」

「核生成が進行すると、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価結合したポリマー鎖の中で絡み合います。また、成形時のせん断応力により粘度を低下させ、核生成ポリマーと非溶融ポリマーのより良い相互作用と絡み合いを促進します。」

 

核生成、結晶化度、アスペクト比の制御

私にとってのキーポイントは、核生成（結晶形成の開始プロセス）、結晶化度の制御（結晶形成の管理）、そしてプロセス操作によるより良い界面の実現（核生成ポリマーと非溶融ポリマーの絡み合い促進）です。最後の点は複合材にとって極めて重要で、異材料間の良好な界面がなければ、効果的な荷重伝達も優れた性能も得られません。

また、熱可塑性複合材の高成長分野では、より高い機械的特性と耐熱性・耐薬品性を提供するポリマーは半結晶性です。それら半結晶性特性は、結晶化度の管理によって達成・調整され、最典型的には処理中の温度制御によって行われます。

IntegriCo複合材鉄道枕木は、プラスチック廃棄物を優れた性能の複合材製品に再利用する方法を提供します。高融点プラスチックが延伸し、低融点プラスチックマトリックスを強化します。 出典：IntregiCo Composites

アークウッド氏の説明は、自己強化プラスチック（SRP）、例えばPure、Curv、Armordon、Tegris、そして最新のBIO4SELFプロジェクト（2019年JECイノベーションアワード受賞）を思い起こさせました。典型的に、SRP複合材は低融点ポリマー（PE、PP、PLAバイオポリマー）をマトリックスとし、同じポリマーから作られた高融点繊維で強化します。この高融点と低融点ポリマーの利用は、まさにIntegriCoが行っていることです。そこでアークウッド氏に、使用しているHMW非溶融ポリマーが実際に繊維のように出現・形成・振る舞うのか尋ねました。

「繊維と同様のメリットの一部を可能にします」と同氏。「HMWポリマーのアスペクト比をポリマーマトリックス内で変化させ、製品特性を制御します。HMWポリマーの増減と他の操作パラメータの変更が、弾性率、破壊弾性率、硬度などのプラスチック特性に大きな影響を与えます。」

アークウッド氏は、IntegriCoがポリマー比率と操作パラメータを変更して特定の顧客ニーズに対応できると説明します。「破壊試験データで文書化しており、ユニオン・パシフィック鉄道や米国陸軍などの顧客からの特性主導の要求を満たしてきました。ポリマー比率（HMW対LMW、直鎖対非直鎖または高度に分岐）は、他のプラスチック複合材製品における繊維強化とよく似た役割を果たし、強度、剛性、硬度、靭性といった主要性能特性に影響を与えます。」

 

サステナビリティ

第一に、IntegriCoは複合材業界が注目すべきインスピレーションを提供しています。地球は廃棄物で破壊されつつあるからです。世界中で90％以上のプラスチックが廃棄物となり、米国とカナダだけで年間3,400万メトリックトン以上のプラスチックが埋立地や焼却炉に送られています。IntegriCoは、混合硬質プラスチックと通常リサイクル不可能なグレード3〜7をリサイクルすることで、真の解決策を提供しています。中国は2018年にこれらの受け入れを停止しました。プラスチックグレード3〜7は、ASTMインターナショナル樹脂識別コーディングシステム（RIC）で分類される、リサイクルが難しいグレードです。グレード1（PETE、PET）と2（HDPE）は高リサイクル性、5（PP）はリサイクルが始まりつつありますが、3（PVC）、4（LDPE）、6（PS）、7（その他）を含む他のすべてのグレードは現在リサイクルされていません。したがって、IntegriCoは埋立地から廃棄物を転用し、時間経過とともに代替品より長持ちする付加価値複合材製品へエンジニアリングし、廃棄物を減らしています。

 

ナノCMC

第二に、テクノロジーは複合材の定義を前進させています。これはすでに複合材材料科学の進歩に影響を与えており、更なる発展を促せればと願っています。この気づきのきっかけは、アークウッド氏の核生成という用語の使用でした。私は最近のナノセラミックマトリックス複合材（ナノCMC、2019年7月のナノ複合材記事参照）研究でこの用語を認識しました。

2017年11月の記事「航空宇宙用途向けポリマーおよびセラミックナノ複合材」から：

「ナノ複合材は、多機能能力により年間成長率25％の21世紀の材料です。……望ましい特性を組み合わせる可能性により、ナノ複合材は航空宇宙用途と将来の宇宙ミッションで可能性を広げています。……ナノフィラーは、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で核生成能力を高めます。」

25％成長率は保証できませんが、ナノ複合材が大きな可能性を秘め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生成について議論されていました。私にとって新しかったのは、ナノCMCの開発で、セラミックマトリックスが繊維やフィラーではなく、別のセラミックで強化される点です。後者の核生成と結晶化を制御して、高アスペクト比強化を生み出します。

2019年7月のナノ複合材特集記事で、パオラ・パルメロ氏の2015年論文「構造用セラミックナノ複合材：特性と粉末合成法のレビュー」からの図を用いて、ミクロ/ナノスケール複合材の例を示しました。A、B、Cはミクロンスケール（ミクロン）マトリックスがナノ粒子、ナノファイバー、ナノプレートレットで強化された例を、Dは丸みを帯びたナノ強化材と高アスペクト比ナノ強化材の両方を持つ例を示します。しかし、EとFはそれぞれ二相および多相ナノ複合材を示し、ここではナノスケールセラミックスが非混和性です。

図1 セラミック材料の一般的なミクロ/ナノ複合材構造。
出典：「構造用セラミックナノ複合材：特性と粉末合成法のレビュー」パオラ・パルメロ著。

 

パルメロ氏は、マトリックス粒子表面での第二相のインシチュ結晶化、つまりマトリックスが第一相、別のセラミックが第二相であること、をセラミックナノ複合材製造における鍵プロセスの一つとして説明しています。結晶化後、セラミック結晶や粒のサイズと形状が管理され、これがセラミック複合材のバルク特性を決定するため重要です。例えば、延伸粒はインシチュ靭性化効果を持つことが知られています。パルメロ氏は、これらの焼結複合材で望ましいナノ構造特徴を調整する能力は不可欠だが困難であり、混合、成形、焼結、致密化の全工程で厳格なプロセス制御が必須だとしています。

Intechopen.comの書籍『Physical and Metallurgical Characteristics of Fiber Reinforced Ceramic Matrix Composites』のFig.6でも類似の図解と議論が見られます。9.1.2節では、窒化ケイ素（Si₃N₄）/炭化ケイ素（SiC）ナノ複合材のミクロ構造について議論されており、これらは焼結（ホットプレス）で作られます。そのミクロ構造には、β-Si₃N₄の大型延伸粒子（ウィスカー）が含まれ、それらはβ-Si₃N₄の微細な針状粒子に囲まれています。Fig.7bの走査型電子顕微鏡写真は、この構造を20,000倍で示しています。

これらの二相セラミックナノ複合材（左）とリサイクルプラスチック複合材（右）の断面は、従来の連続繊維強化複合材の断面とは大きく異なるものの、互いに非常に似ています。

出典：Physical and Metallurgical Characteristics of Fiber Reinforced Ceramic Matrix Compositesの第9.1.2節Fig.7、Zdeněk Jonšta、Evelyn A. Bolaňos C.、Monika Hrabalová、Petr Jonšta著（左）と複合材鉄道枕木の断面、IntegriCo Composites（右）。

 

二相・多相複合材のメリット

これが複合材業界にとってなぜ有益なのか？ 材料科学者たちがこの新しい複合材の定義を用いて、機械的、熱的、電気的、アブレーション特性のユニークで調整された組み合わせを実現しているからです。例えば、海軍研究所（NRL、米国ワシントンD.C.）は、窒化ケイ素、窒化ジルコニウム、チタンジボライド複合材を開発し、それらを靭性ファイバーで強化する手法も確立しました。これらの難熔セラミックスは高強度、熱安定性、可変的な電気・熱伝導率を示し、極超音速機部品の要求を満たすことができます。これは有機ポリマー複合材や先進金属合金でも不可能なことです。

NRLはまた、これらの材料にナノ構造を組み込み、誘電率、熱、電磁シールド特性を、現在利用可能な材料より高い分解能でさらに調整するアディティブマニュファクチャリング技術も開発中です。これらの材料の計画されている防衛用途に必ずしも同意しないとしても、計画されている宇宙探査や火星ミッションの貴重な解決策を提供し得るでしょう。また、地球上で高性能を発揮するだけでなく、より少ないエネルギーとリソースで製造・リサイクル可能な完全バイオベース複合材への新たな道を開くかもしれません。

繊維強化複合材が舞台から去る、あるいは衰退す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、複合材が何であり得るか、何を提供し得るかについての理解も進化すべきです。