主要成果
CO2由来のビトリマー（vitrimer）マトリックスを用いた炭素繊維強化ポリマー複合材が、従来の熱硬化性エポキシ樹脂を用いた複合材と同等の引張強度を達成しました。引張試験において、ビトリマー複合材は引張強度495 MPa、ヤング率39 GPaを記録し、従来のエポキシ複合材の514 MPaおよび41 GPaという数値に匹敵する性能を示しました。これにより、マトリックスをCO2由来のビトリマーに置き換えても、引張性能における損失は極めて少ないことが実証されました。
技術・詳細
本研究では、ホットプレス成形を用いてビトリマー複合材を製作し、機械的特性、熱機械的特性、およびリサイクル性能を直接比較しました。ビトリマーは、架橋ネットワークを維持したまま結合交換反応によるトポロジー再編成が可能なため、材料の修理や再処理が可能です。この特性がリサイクル性を実現する鍵となります。
一方で、曲げ試験では性能差が見られました。ビトリマー複合材の曲げ強度は385 MPa、曲げ弾性率は42 GPaであったのに対し、エポキシ複合材は曲げ強度667 MPa、曲げ弾性率45 GPaに達しました。この差は、ビトリマー特有の結合交換反応に起因するマトリックスの軟化および界面剥離によるものと分析されています。
動的機械分析（DMA）では、ビトリマー複合材はエポキシ複合材に比べて貯蔵弾性率が低下し、ガラス転移温度の開始が早まる傾向が確認されました。これは分子運動性が高まっていることを意味し、再処理には有利ですが、高温環境下での構造利用には制限があることを示唆しています。また、走査電子顕微鏡（SEM）による破断面解析では、エポキシ複合材が脆性破壊を示すのに対し、ビトリマー複合材ではマトリックスの亀裂や繊維の引き抜け（fiber pull-out）が観察され、異なる損傷許容特性を持つことが分かりました。
背景・業界の文脈
炭素繊維強化ポリマー複合材は、その高い強度と剛性から高く評価されていますが、マトリックスに熱硬化性樹脂が使用されているため、製品寿命後のリサイクルが極めて困難であるという課題を抱えています。本研究で用いられたビトリマーは、熱硬化性樹脂の堅牢さと熱可塑性樹脂の再処理性を併せ持つ新素材であり、環境負荷の低減と高性能素材の両立を目指したアプローチとなります。
今後の展望
リサイクル性能の検証では、再処理後のビトリマー複合材が曲げ強度256 MPa、曲げ弾性率40 GPaを維持することが確認されました。強度の低下は主に初期破壊時の繊維断裂によるものであり、再処理工程自体が炭素繊維の補強材を破壊したわけではないと結論付けられています。曲げ特性や熱機械的安定性においては依然として従来のエポキシ樹脂に及ばないものの、高い機械的完全性と再処理性を兼ね備えていることから、リサイクルコストの削減や、高性能炭素繊維複合材への適用拡大に寄与することが期待されます。
毎週の技術動向レポートを無料でお届け
各分野の分析レポートを読む価値があるかどうか一目で判断できるインフォグラフィックをメールで受け取れます。
📢 メールマガジンに無料登録（週刊・技術動向レポート）
ご登録いただくと、Troy-Technical から週刊で技術動向レポート（メールマガジン）をお届けします。
- 取得したメールアドレス・選択分野は配信目的にのみ使用します。
- 第三者へ提供することはありません。
- 配信はいつでも解除できます（各メール下部のリンクから）。
詳しくはプライバシーポリシーをご覧ください。
登録は1分・いつでも解除できます
