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性能を維持しつつ、リサイクル性を実現したことが明らかになりました。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数値（引張強度514 MPa、ヤング率41 GPa）に匹敵する結果となりました。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比較的少ないことが示されました。
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ました。ビトリマーは、従来の熱硬化性樹脂とは異なり、結合交換反応によるトポロジー再編成が可能です。この特性により、架橋ネットワークを維持したまま材料の修復や再処理が行えるため、リサイクルが可能となります。
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。この性能差は、ビトリマー特有の結合交換反応がもたらすマトリックスの軟化および界面剥離に起因すると分析されています。
動的機械分析（DMA）においても、ビトリマー複合材はエポキシ複合材と比較し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。これはビトリマーマトリックス内の分子可動性が高まっていることを意味しており、再処理には有利に働きますが、高温環境下での構造利用には制限が生じる可能性があります。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示されました。
背景・業界の文脈
炭素繊維強化プラスチック（CFRP）は、その高い強度と剛性から高く評価されていますが、マトリックスに用いられる熱硬化性樹脂は一度硬化すると再成形ができないため、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きました。本研究で用いられたCO2由来のビトリマーは、環境負荷の低減とリサイクル性の向上を同時に追求するアプローチとなっています。
今後の展望
リサイクル性能の検証では、再生後のビトリマー/炭素繊維複合材が曲げ強度256 MPa、曲げ弾性率40 GPaを維持することが確認されました。強度低下の原因は、初期破壊時に発生した繊維の破断によるものであり、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は依然として従来のエポキシ樹脂に劣るものの、高い機械的完全性と再処理能力を両立させた本材料は、リサイクルコストの削減に寄与し、高性能な炭素繊維複合材アプリケーションへの適用可能性を広げると期待されています。
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