| 研究課題/領域番号 |
20K05115
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| 研究機関 | 名古屋大学 |
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研究代表者 |
入澤 寿平 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (30737333)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 炭素繊維 / リサイクル / 炭素繊維強化プラスチック / 強度復元 / 表面処理 |
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| 研究実績の概要 |
サステナブル社会の実現に大きく貢献する材料として炭素繊維強化プラスチック（CFRP）への期待が高まり，今後の需要拡大が予想される中で，そのリサイクル技術開発も急務になっている．
CFRPのリサイクル技術として，CFRPからリサイクル炭素繊維（rCF）を回収し，再利用する開発が行われている．申請者もrCF関連の研究に関して新品CF（vCF）と種々R-CFの物性比較の観点から研究に取り組んできた中で，（１）表面傷や応力集中源となる樹脂残渣の影響によるrCFの強度低下を完全には防げないこと，（２）樹脂-CF間の界面接着に影響する含有酸素官能基量の低下が生じる点が課題であることを明らかにしてきた．．
そこで，本研究の目的は，CFRPから分離，回収されるrCFを自動車用途の構造材料としてCFRPに再利用できる状態まで復元する表面処理技術を確立することとし，樹脂残渣の浄化や表面傷の鈍化による強度復元効果が期待できるrCFへの液相による表面酸化（エッチング）処理技術の開発に取り組む．さらに，rCFの熱可塑性プラスチック母材CFRP（CFRTP）への再利用を想定した検討を行う．エッチング処理には強度復元効果のみでなく，母材-繊維間の界面接着に寄与する含酸素官能基の付与効果も期待できる．界面接着や繊維強度の観点からCFRTPの力学物性へのエッチング処理効果を検討し，処理条件と強度や界面接着力との相関の体系化や，性能復元メカニズムの解明に学術的観点から取り組むことを着手した．rCFを強化繊維に用いて実用に耐えるCFRTPの作製を実現することを最終目標として検討を開始した．
2020年度は，rCFを回収する有力な処理方法である熱分解法に注目し，その損傷要因を明確とすことに成功した．またエッチング処理の効果についても実験的に効果を検証に着手した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
2020年度は，まず，CFRPからrCFを回収するに際しての損傷メカニズムの解明からスタートした．特にrCFの回収方法には，処理速度やコストの観点から優位的と考えられている熱分解法に着目し，種々の条件で熱処理を施した炭素繊維や，CFRPから実際に回収したリサイクル炭素繊維(Re-CF)の損傷評価を行い，炭素繊維に具体的にどのような損傷が生じるのか，強度低下の要因について検討した．
エポキシ母材CFRPからrCFを回収するに際して，炭素繊維の酸化分解が抑制できる不活性ガス下で処理することが望ましいが，不活性ガス下では大量の樹脂残渣が観察され，処理条件として酸化雰囲気である必要があることを明らかとしたほか，樹脂分解時に生じる発生ガスがrCFの損傷に大きく影響することも明らかとした．また，炭素繊維の種類（弾性率の違い，製造元の違い）によって炭素繊維に含まれる他元素成分の影響によって損傷度合いが大きく異なることも明らかとした．いずれにせよ，熱分解法で回収されるrCFは，vCFと比較して最大で半減，最小でも２５％程度は強度低下することを明らかとした．
これら成果は，学会や招待講演で発表したほか，計画時に初年度予定していなかった誌上投稿まで行った．
続いて，本来の目的であるエッジング処理に関する検討も着手した．処理するための溶剤の種類，処理時間の最適化の途中であるが，損傷によって強度低下したrCFの強度を低下量に対して最大で５０％程度復元可能であることを明らかとした．また，エッジング処理を施した炭素繊維表面の含酸素官能基量の評価も行なった．
総じて，計画以上に進捗は良好であり，CFRTPへの再利用に関する検討にも予定通り2021年度初期から開始可能な状態である．
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究の最終目標は，rCFを自動車用途の構造材料としてCFRPに再利用できる状態まで復元する表面処理技術を確立し，CFRTPの強化繊維として再利用して実用に耐えるCFRTPの作製を実現（不連続繊維強化CFRTPとして，競合材料に遜色ない強度400MPaと弾性率30GPaを等方的に達成）することである．
2020年度までに，処理条件と強度や界面接着力との相関の体系化や，性能復元メカニズムの解明に学術的観点から取り組むことによって，ある程度のエッジング処理の効果を明らかとすることができた．そこで2021年度は，その処理条件の最適化を図るとともに，CFRTPに再利用することを想定した検討をスタートする．具体的には，rCFと熱可塑性樹脂（ポリアミド６，ポリプロピレン等を想定）を二軸混練機で混練し，混練物をホットプレスによって不連続繊維強化CFRTPの平板を成形し，力学物性評価は引張試験及び曲げ試験を実施する．エッチング処理有無によるCFRTPの力学物性を比較し，界面接着や繊維強度との相関も検討しながら，その結果をエッジング処理の最適化のための情報としてにフィードバックしながら力学物性の目標物性値を達成することを目指す．目標物性を達成するためには，rCFの分散・配向状態も重要な要素となるため，それら情報を得るための評価方法の検討にも着手する（XRDやX線CTスキャン測定を想定）．
得られた成果は，2020年度同様に外部への公開を率先して行うとともに，新規性が認められる技術に関しては特許申請（知財化）を目指す．
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