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数日前、ワシントン大学のアニルッド・ヴァシスト教授は、国際的に権威のある学術誌「Carbon」に論文を発表し、新型炭素繊維複合材料の開発に成功したと主張しました。従来のCFRPは一度損傷すると修復できませんが、この新素材は繰り返し修復が可能です。

反复修复CFRP-1

新しいCFRPは、従来の材料の機械的特性を維持しながら、熱の作用下で繰り返し修復できるという新たな利点を備えています。熱は材料の疲労損傷を修復するだけでなく、使用サイクルの終了時にリサイクルが必要となる際にも材料を分解するために利用できます。従来のCFRPはリサイクルできないため、熱エネルギーや高周波加熱を用いてリサイクルまたは修復できる新しい材料の開発が重要です。
ヴァシスト教授は、熱源によって新型CFRPの劣化プロセスを無期限に遅らせることができると述べた。厳密に言えば、この材料は炭素繊維強化ビトリマー(vCFRP、Carbon Fiber Reinforced Vitrimers)と呼ばれるべきである。ガラスポリマー(ビトリマー)は、2011年にフランスの科学者ルドヴィク・ライブラー教授によって発明された、熱可塑性プラスチックと熱硬化性プラスチックの利点を兼ね備えた新しいタイプのポリマー材料である。ビトリマー材料は動的結合交換メカニズムを採用しており、加熱時に動的に可逆的な化学結合交換を行うと同時に、全体として架橋構造を維持するため、熱硬化性ポリマーは熱可塑性ポリマーと同様に自己修復し、再加工することができる。
一方、一般的に炭素繊維複合材料と呼ばれるのは、炭素繊維強化樹脂マトリックス複合材料(CFRP)であり、樹脂構造の違いにより熱硬化性と熱可塑性の2種類に分けられます。熱硬化性複合材料は通常、エポキシ樹脂を含み、その化学結合によって材料を恒久的に一体化させることができます。熱可塑性複合材料は、比較的柔らかい熱可塑性樹脂を含み、溶融して再加工することができますが、材料の強度と剛性には必然的に影響を及ぼします。
vCFRPの化学結合は、接続、切断、再接続が可能で、熱硬化性材料と熱可塑性材料の「中間点」を形成することができます。プロジェクトの研究者たちは、ビトリマーが熱硬化性樹脂の代替となり、埋め立て地への熱硬化性複合材料の蓄積を回避できると考えています。研究者たちは、vCFRPが従来の材料から動的材料への大きな転換をもたらし、ライフサイクルコスト、信頼性、安全性、メンテナンスの面で一連の影響を与えると考えています。
反复修复CFRP-2
現在、風力タービンブレードはCFRPの使用用途が特に大きい分野の一つであり、ブレードの回収は常にこの分野で課題となっています。使用期限を過ぎた数千枚のブレードは、埋立処分場に廃棄され、環境に大きな影響を及ぼしています。
vCFRPをブレード製造に使用できれば、簡単な加熱処理でリサイクル・再利用が可能になる。処理済みのブレードを修理・再利用できない場合でも、少なくとも加熱分解は可能である。この新素材は、熱硬化性複合材料の直線的なライフサイクルを循環的なライフサイクルへと変革し、持続可能な開発に向けた大きな一歩となるだろう。

投稿日時: 2021年11月9日