バイオコンポジット

バイオ複合材料は、マトリックス（樹脂）と天然繊維の強化材で形成された複合材料です。環境への配慮と合成繊維のコストが、高分子複合材料の強化材として天然繊維を使用するきっかけとなりました。マトリックス相は、再生可能および非再生可能資源から得られるポリマーによって形成されます。マトリックスは、環境による劣化や機械的損傷から繊維を保護し、繊維をまとめ、その荷重を伝達するために重要です。さらに、バイオファイバーはバイオ複合材料の主成分であり、バイオ複合材料は生物由来のもので、たとえば作物（綿、亜麻、麻）の繊維、再生木材、古紙、作物加工副産物、再生セルロース繊維（ビスコース/レーヨン）などがあります。バイオ複合材料は、再生可能、安価、リサイクル可能、生分解性などの利点があるため、産業用途（自動車、鉄道車両、航空宇宙、軍事用途、建設、包装）や基礎研究の面で急速に関心が高まっています。バイオ複合材料は単独で使用することも、炭素繊維などの標準材料を補完するものとして使用することもできます。バイオ複合材料の支持者は、これらの材料を使用すると製造時の健康と安全性が向上し、重量が軽く、木材に似た外観を持ち、環境的に優れていると主張しています。^{[1] [2] [3] [4]}

このクラスの複合材料の特徴は、生分解性で環境汚染が少ないことです。これは、複合材料の製造による環境への影響を最小限に抑えるために多くの科学者やエンジニアが懸念していることです。天然繊維は再生可能な資源であり、安価で、場合によっては完全にリサイクル可能です。^[5] 天然繊維の利点の 1 つは、密度が低いことです。これにより、製造コストが低いだけでなく、ガラス繊維よりも比引張強度と剛性が高くなります。そのため、バイオ複合材料は、炭素、ガラス、および人工繊維複合材料に代わる実行可能な環境に優しい代替品になる可能性があります。天然繊維は中空構造で、騒音や熱を遮断します。これは簡単に加工できる材料のクラスであるため、包装、建物 (屋根構造、橋、窓、ドア、グリーン キッチン)、自動車、航空宇宙、軍事用途、電子機器、消費者製品、医療産業 (義肢、骨プレート、歯列矯正用アーチワイヤー、人工股関節全置換術、複合ネジとピン) など、幅広い用途に適しています。残念ながら、バイオ複合材料は合成樹脂と天然繊維の互換性の欠如により限界がある^{[6] [7] [8]}

バイオ複合材料は、非木材繊維と木材繊維に分けられ、いずれもセルロースとリグニンを含んでいます。非木材繊維 (天然繊維) は、その物理的および機械的特性から、業界にとってより魅力的です。また、これらの繊維は比較的長い繊維で、セルロース含有量が高いため、高い引張強度とセルロース結晶化度が得られます。一方、天然繊維には、繊維内に水分子を引き付けるヒドロキシル基 (OH) があり、繊維が膨張する可能性があるため、いくつかの欠点があります。その結果、複合材料の界面に空隙が生じ、機械的特性や寸法安定性に影響を及ぼします。木材繊維は、質量の約 60% 以上が木材成分であるため、この名前が付けられています。木材繊維には、針葉樹繊維 (長くて柔軟) と広葉樹繊維 (短くて硬い) があり、セルロース結晶化度は低くなっています。

天然繊維は、わら繊維、靭皮、葉、種子または果実、および草繊維に分けられます。業界で最も広く使用されている繊維は、亜麻、黄麻、麻、ケナフ、サイザル、およびコイアです。わら繊維は世界の多くの地域で見つけることができ、バイオ複合材料の低コストの強化材の例です。木質繊維はリサイクルまたは非リサイクルの可能性があります。したがって、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、およびポリ塩化ビニル(PVC) などの多くのポリマーが木材複合材料業界で使用されています。

亜麻の複合材は、他の素材よりも軽量な代替品を求める用途、特に自動車内装部品やスポーツ用品に適しています。自動車内装については、Composites Evolution 社が Land Rover Defender と Jaguar XF のプロトタイプテストを実施しました。Defender の亜麻複合材は、同じ剛性で量産品より 60% 軽量で、XF の亜麻複合材部品は同じ剛性で量産品より 35% 軽量でした^[9]

スポーツ用品では、Ergon Bikesがコンセプトサドルを製作し、自転車業界の主要な見本市であるEurobike 2012のアクセサリー部門で439のエントリーの中から1位を獲得しました。^[10] VE Paddlesはボートのパドルブレードを製作しました。^[11] Flaxland Canoesは亜麻のリネンで覆われたカヌーを開発しました。^[12] Magine Snowboardsは亜麻のリネンを組み込んだスノーボードを開発しました。^[13] Samsara Surfboardsは亜麻のリネンのサーフボードを製作しました。^[14] Idris SkiのLynxは、Lynxスキーで2013年にISPO賞を受賞しました^[15]

亜麻リネン複合材は、木材のような見た目、感触、音を求める用途にも適しているが、反りが生じにくい。用途には家具や楽器などがある。家具では、シェフィールド・ハラム大学のチームが、亜麻リネンを含む完全に持続可能な材料でキャビネットを設計した。^[16]楽器では、ブラックバード・ギターズが亜麻リネンで作ったウクレレを製作し、複合材業界で数々のデザイン賞を受賞した。^{[17] [18] [19] [20]}ギターも製作している^。[21]

グリーン複合材は、天然繊維と生分解性樹脂を組み合わせたバイオ複合材として分類されます。グリーン複合材と呼ばれる主な理由は、環境に害を与えることなく簡単に廃棄できる、分解可能で持続可能な特性を持つためです。グリーン複合材は耐久性に優れているため、主に寿命の短い製品のライフサイクルを延ばすために使用されます。

バイオ複合材料の別のクラスは「ハイブリッド バイオ複合材料」と呼ばれ、異なる種類の繊維を単一のマトリックスにまとめたものです。繊維は合成繊維でも天然繊維でもよく、ランダムに組み合わせてハイブリッド複合材料を生成できます。その機能は、使用される個々の材料の良い特性と悪い特性のバランスに直接依存します。さらに、ハイブリッド複合材料にさらに 2 種類の繊維を含む複合材料を使用すると、1 つの繊維がブロックされたときにもう 1 つの繊維の上に立つことができます。このバイオ複合材料の特性は、繊維の含有量、長さ、配置、およびマトリックスへの結合に直接依存します。特に、ハイブリッド複合材料の強度は、個々の繊維の破壊ひずみに依存します。

麻繊維複合材は、軽量化と剛性の向上が重要な用途に適しています。消費者向け製品向けに、Trifilon は従来のプラスチックに代わる麻繊維バイオ複合材を多数開発しました。スーツケース、チルボックス、携帯電話ケース、化粧品パッケージは、麻繊維複合材を使用して製造されています。

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  麻繊維複合スーツケース
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  麻繊維複合材 - 化粧品パッケージ
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  麻繊維複合材 - 携帯電話ケース

バイオ複合材料の製造には、プラスチックや複合材料の製造に使用される技術が使用されます。これらの技術には次のものが含まれます。

• 機械プレス;
• フィラメントワインディング;
• プルトルージョン
• 押し出し（最も広く使用されており、主にグリーンバイオ複合材料に使用されます）
• 射出成形;
• 圧縮成形;
• 樹脂トランスファー成形;
• シート成形コンパウンド。

• Pingle, P.ハードバイオコンポジットの分析モデル化。ProQuest、2008 年。マサチューセッツ大学ローウェル校。ウェブサイト: https://books.google.com/books?id=XRLEstOKTiEC&q=biocomposites
• Mohanty, AK; Misra, M.; Drzal, LT「天然繊維、バイオポリマー、バイオ複合材料」CRC Press、2005年。ウェブサイト: https://books.google.com/books?id=AwXugfY2oc4C&q=biocomposites
• Averous, L.; Le Digabel, F.リグノセルロースフィラーに基づくバイオ複合材料の特性。Science Direct、2006 年。Web サイト: http://www.biodeg.net/fichiers/Properties%20of%20biocomposites%20based%20on%20lignocellulosic%20fillers%20(Proof).pdf
• Averous, L.セルロースベースのバイオ複合材料: さまざまな多相システムの比較。Composite Interfaces、2007 年。ウェブサイト: http://www.biodeg.net/fichiers/Cellulosebased%20biocomposites%20(Abstract-Proof).pdf ^{[永久リンク切れ‍ ]}
• Halonen, H.セルロース複合材加工中の構造変化ストックホルム、2012 年。ウェブサイト: http://www.diva-portal.org/smash/get/diva2:565072/FULLTEXT01.pdf
• Fowler, P; Hughes, J; Elias, E.バイオ複合材料: 技術、環境的信用、市場の力。Journal of the Science Food and Agriculture、2006 年。ウェブサイト: http://www.bc.bangor.ac.uk/_includes/docs/pdf/biocomposites%20technology.pdf
• Todkar, Santosh Sadashiv; Patil, Suresh Abasaheb (2019 年 10 月)。「パイナップルの葉繊維 (PALF) 強化ポリマー複合材料の機械的特性評価に関するレビュー」。複合材料 パートB: エンジニアリング。174 : 106927。doi : 10.1016 /j.compositesb.2019.106927。hdl : 20.500.12010/19705。S2CID 189974174。