木材プラスチック複合材料の用途が継続的に拡大することは、避けられない傾向である。

のアプリケーションは継続的に成長している。 木質プラスチック複合材 素材は必然の流れ

社会の発展により木材の需要は増加しており、森林の成長スピードはもはや需要を満たすことができないため、木材産業は革新と探求を余儀なくされている。

最近、中国科学院寧波材料技術工程研究所（以下、寧波材料研究所）のバイオベースポリマーチームが、植物のわらと他の繊維の複合材料を用いて木材のような複合材料を調製した。チームリーダーで寧波材料研究所の研究員である朱錦氏は、中国科学報の取材に対し、「私たちは企業と協力し、農村のわらの大規模焼却問題を解決するだけでなく、農林廃棄物を宝に変えるプロセスを開発しました」と語った。

木材に代わるものを探す

昨今、森林伐採によって得られる丸材の量が減少し、木材業界では人工ボードが台頭してきている。いわゆる人工ボードは、ポプラやユーカリなど成長サイクルの短い早生樹を原料とし、これを木材単板に切り出したり、割れた木材を原料として木質繊維にしたりする。それらを接着剤でボードに接着する。

人工ボードの製造方法は柔軟でコスト効率が高く、人々の日常的なニーズをほぼ満たすことができる。中国木材木材製品流通協会情報センターの統計によると、2017年、中国は年間3億立方メートルを超える人工ボードを生産した。

しかし、人工ボードには有機接着剤が含まれているため、ホルムアルデヒドが放出されることが多い。現在、ホルムアルデヒド汚染は社会的関心の焦点となっている。

"人工ボードは丸木に比べて加工の自由度は増すが、その成形工程は単純な部品の製造に限られ、プラスチックのような複雑な部品を製造することはできない。"朱仁は、高分子科学者たちが以前、プラスチックに木粉を充填して新しいタイプの木材プラスチック複合材料を得ていたことを発見した。過去20年間、木材プラスチック複合材料は、プラスチック加工における利点と木材の美しさから急速に発展してきた。

新たな問題も浮上している。"木質プラスチック複合材料は木粉が充填されており、充填量は一般的に60%以下である。その機械的特性は木材の要求を満たしておらず、反りや変形といった深刻な問題を引き起こしやすい。"朱金は、木材プラスチック複合材料は真に木材のニーズを満たし、木材に取って代わるという目標を達成することはできないと述べた。

構造的に言えば、木材の微細構造は繊維複合材料の一種である。わが国における繊維複合材料の歴史は、古代にまでさかのぼることができる。古代の人々は稲わらや麦わらを使って粘土を強化し、家を作った。稲わらや麦わらは採取や処理が難しく、腐敗、燃焼、吸水しやすいため、現代の複合材料で再びその存在を確認するのは難しい」。

"木材の質感構造に基づき、木材に代わる新しいタイプの複合材料を開発できないだろうか？"朱仁はバイオベースポリマーのチームを率いて、新たな試みを始めた。

素材技術の課題を克服する

人工ボードと 木質プラスチック複合材 は、原材料として木材を必要としている。"2017年、中国の木材輸入依存度は60%以上に達していた。"朱仁のチームは、麻繊維や竹繊維などの一年草の植物繊維を繊維構造体として使用し、プラスチックと組み合わせて繊維構造体を持つ木材のような複合材料を作ることを思いついた。"これで人類の木材依存は完全に解決される"

「さまざまな植物繊維の価格がポリマー樹脂に比べて低いため、これらの複合材料のコストも現在のプラスチック樹脂のそれよりも低くなる。しかし、朱仁の研究は、植物繊維材料を大規模に開発し利用するためには、材料技術のレイヤーごとの課題を克服する必要があることを発見した」と述べている。

植物繊維は親水性が強いため、疎水性ポリマー樹脂との相溶性が悪く、最終的な複合材料は著しく脆くなる。

バイオベースポリマー・チームの対応策は、相溶性添加剤を使用することである。親水性の植物繊維と疎水性のポリマー樹脂の間の相溶性を、相溶性の良い添加剤を選択することで効果的に改善し、最終的に高強度・高弾性率の植物繊維強化ポリマー複合材料を調製することができる。

しかし、植物繊維含有量の増加に伴い、植物繊維ポリマー複合材料の表面に様々な欠陥が形成されやすくなる。例えば、押出成形の場合、流動性が悪いと、連続押出ができなかったり、押出後の形状が不安定になったりといった問題が発生する。朱仁のチームの解決策は、「内部潤滑」と「外部潤滑」の複合潤滑剤システムを使用することで、複雑な外観と特に高い流動性が要求される自動車部品を調製し、板金の連続押出しにも成功した。

また、植物繊維も一般的なプラスチックも可燃性素材であり、植物繊維複合材料の難燃化も大きな課題となっている。

「他の研究チームは、繊維を有機溶剤やアルカリ溶液で処理することで難燃性を実現してきた。しかし、この方法は環境処理に時間と手間がかかるだけでなく、多くの追加コストがかかります」。朱仁は、植物繊維と樹脂マトリックスを用いたバイオベースポリマー・チームの段階的な難燃化スキームを紹介した。科学的な難燃性評価により、高充填植物繊維複合材料はV0レベルの難燃性を達成した。

木材のような素材の加工と準備

現在の植物繊維の準備と加工も、3つの課題に直面している。すなわち、いかに一元的に集めるか、いかに効率よく粉砕するか、いかに樹脂マトリックスと均一に混合するか、である。藁を例にとると、朱金は、藁の収集コストは高く、不純物が多く、最終的な総合利用も比較的難しいという。農業機械と設備はこの種のわらを予備的に粉砕することができるが、その繊細さは複合材料の調製にはまだほど遠い。

朱金氏率いる研究チームは、上記の問題を解決するためには、まず、繊維加工、さらには複合材料の調製を実現するために、一定の地理的範囲内で複数の場所で生産できる小型化された装置が必要であること、次に、破砕工程を通じて、わらや麻の繊維に含まれる微細繊維を主茎から分離する効率的な繊維破砕方法が必要であること、最後に、高含有植物繊維とプラスチック樹脂を完全に混合するためには、非常に強力な混合・攪拌トルクが必要であることを研究を通じて発見した。

このため、寧波材料研究所は、濰坊雲頂新材料技術有限公司と共同で、上記の問題を1工程で解決できる高速混合装置を開発した。朱金は、「この装置は、植物繊維の充填量が80%までの熱可塑性複合材料をうまく調製することができます。原料の混合と自動切断によって形成された複合材料粒子は、従来のプラスチック成形工程で製造することができます。"

植物繊維が多く含まれているため、複合材料の強度が高く、木材に似ている。したがって、高含有植物繊維ポリマー材料は、木材類似複合材料としても知られている。この種の木材類似複合材料は、木材、人工ボード、単一プラスチック、伝統的な木材プラスチックよりも優れた総合性能を持っています。

朱錦氏は、研究とマーケティングの深化により、模造木材製品は間もなく市場に登場し、何千もの家庭に普及するだろう、と述べた。このように、木材の発展は、丸太から人工ボードへ、そして木材を模倣した一年草へと時代を変え、人類を木材依存から解放し、木材の持続可能な発展を達成したのである。