炭素繊維強化プラスチック（CFRP）は、炭素繊維と樹脂を組み合わせて作られた複合材料で、軽量であるにも関わらず驚異的な強度を誇り、航空宇宙産業、船舶や自動車など、多くの分野で活用されている。だが、分解が難しく、これまではリサイクルされずに埋め立て処分するしかない事が環境問題を招きり、リサイクル方法の模索が急務となっていた。
だが今回、韓国科学技術院（KIST）の研究者らは、このCFRPの99％以上を数分でリサイクルする画期的で新しい方法を発見した事を報告している。
「炭素繊維強化プラスチック（CFRP）廃棄物の量が世界的に増加しているため、環境に優しい方法でアップサイクルする技術を開発しました」とRAMP Convergence Research CenterのYong-chae Jung所長は語った。
超臨界水がCFRPを分解する
CFRPの廃材処理には大きな負担がかかる。現在利用されている方法としては、高温焼却法があり、これはCFRP廃棄物を制御された条件下で高熱に曝すものである。しかし、この高温焼却法は有害な化学物質を大気中に放出し、周辺環境を汚染する。
KISTのチームは、代替となる高効率で持続可能な技術の開発を目指した。この目的のために、彼らは「超臨界水」のユニークな特性を利用し、数十分以内にCFRPの99％以上をリサイクルすることに成功した。
水は温度374℃、圧力22MPaを超えると液体と気体の境界線がなくなり、この境界以上では超臨界水となる。この広範なプロセスは、産業用リサイクルプロセスに非常に効果的な独自の特性を生み出す。
超臨界水では、その極性が上昇する。つまり、CFRPの素材として一般的に使用されているエポキシ樹脂など、他の極性分子に強く引き寄せられる。
さらに、超臨界水は高い拡散性と密度を示す。
これらのユニークな特性により、超臨界水はCFRPからエポキシ樹脂を除去すると同時に、再生炭素繊維を選択的に保存することができる。素晴らしいことに、このリサイクルプロセスは、触媒、酸化剤、有機溶剤を必要とせず、“水”だけで確立されている。
研究者たちはさらに、グリシンを導入して超臨界水で実験を行った。このプロセスは、アップサイクルCFRPを窒素原子を添加した再生炭素繊維に変換した。
このアップサイクル炭素繊維は、以前のプロセスによる典型的なリサイクル炭素繊維よりも高い導電性を示した。
著者らは、CFRPのリサイクルとアップサイクルをわずかな時間で行うために、単一のリサイクル技術が採用されたのはこれが初めてであると指摘している。
これらの再生炭素繊維は、電動モビリティ向けバッテリーの電極として役立つ可能性がある。
「これは、二酸化炭素排出量を劇的に削減するだけでなく、電動モビリティ用のバッテリー電極材料に変換できる資源の好循環を提示する意義深い研究成果です」とYung氏はプレスリリースで結んでいる。
近い将来、より大規模に応用されれば、この環境に優しいソリューションは、CFRP廃棄物の汚染問題を断ち切る可能性を秘めている。
論文
参考文献
研究の要旨
炭素繊維(CF)は、鉄の約1/4の軽さと卓越した強度を併せ持つことから、高付加価値材料として台頭している。特に、CFを60％以上含むCFRP（CF強化プラスチック）は、軽量化を実現する次世代複合材料として、さまざまな産業分野で脚光を浴びている。CFRPの普及に伴い、CFRPの廃棄物量が急増しており、そのコスト高や廃棄物処理に課題があり、リサイクルへの取り組みが必要となっています。しかし、CFRPは熱硬化性樹脂で構成されているため、リサイクルは複雑である。焼却や破砕といった従来のリサイクル方法では、環境汚染につながることが多い。さらに、リサイクルの過程でCFはランダムに配向し、主に補強材に使用される個々の繊維として再利用される。これらの課題に対処するため、本研究では超臨界水を用いて、触媒や酸化剤を必要としない環境に優しいリサイクルを実現した。このリサイクル過程でグリシンを導入し、同時にリサイクルCFに窒素（N）原子をドープした。この二重のアプローチにより、N原子をドープしたリサイクルCFが製造された。これらのドープ・リサイクルCFは、リチウムイオン電池の負極材料として再利用され、約340 mAh g-1の容量（0.1℃で）と150サイクル以上の安定したサイクル寿命（1℃で）を示した。この有望な性能は、従来の黒鉛負極材料の代替材料としての可能性を示唆している。
