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システムデザイン学部 機械システム工学科
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軽くて強い材料、「カーボン繊維強化プラスチック」の未来像
スポーツから宇宙までをカバーする材料
私たちの身近にあるスポーツ用品で、テニスラケットや釣り竿、ゴルフクラブのシャフト、自転車のフレームなどに用いられている材料に、「カーボン繊維強化プラスチック」（Carbon Fiber Reinforced Plastics、CFRP）があります。ほかの素材に比べて圧倒的に軽くて強く、耐久性も高いカーボン繊維強化プラスチックは、自動車や航空機、さらには人工衛星にまで利用されるようになりました。スポーツから宇宙までをカバーする材料として注目されています。
大幅な軽量化がもたらすさまざまなメリット
カーボン繊維はアクリル繊維を蒸し焼きにして生成します。そのほとんどが炭素で構成されており、直径5ミクロン程度でありながら非常に強靭な繊維です。そのカーボン繊維をプラスチックとともに成形すると、カーボン繊維強化プラスチックになります。
現在の自動車や航空機に用いられている金属材料が、カーボン繊維強化プラスチックに置き換えられていくと、大幅な軽量化が可能になります。例えば電気自動車の場合は、それによって走行距離をさらに伸ばすことが可能になりますし、航空機の場合は、軽量化によって年間で数億円もの燃料費の節約につながると言われています。こうした効果は、二酸化炭素削減などの環境対策にもつながると期待されています。
生産性の向上とコストダウンが鍵を握る
カーボン繊維強化プラスチックの課題は、生産に非常にコストがかかることです。このため、必要以上に材料を使用して無駄にしないようにするための詳細な強度測定や、現在は固まるまでに2時間かかる場合もあるというプラスチックを1分で固まるようにすることをめざすなど、生産性の向上とコストダウンを図る研究が、世界各国で進められています。これからの私たちの社会にとって、カーボン繊維強化プラスチックは欠かすことのできない材料になることは間違いありません。
天然由来のプラスチックと繊維で作る、環境に優しい新素材とは？
石油由来の材料の一部を置き換えていく
石油を原料にして作られるプラスチックは、私たちの身の回りのさまざまな製品に使われていて、現代社会の生活に欠かせない材料です。しかし、地球上の石油埋蔵量は限られていますし、廃棄処分する際に環境に大きな負担がかかってしまうなど、プラスチックには課題も数多くあります。
そこで最近、研究が進められているのが、主に植物から採れる天然由来の原料を用いて作ったプラスチックと繊維を組み合わせた複合材料の開発です。
農作物から生まれる新しい複合材料
トウモロコシやイモ、サトウキビから採れるでんぷんを発酵させて乳酸を作り、その分子を結合させると、「ポリ乳酸」というプラスチックの一種を作ることができます。ポリ乳酸は土に埋めると、微生物によって分解されて土に還ってしまうので、廃棄時に環境にかかる負荷の低い素材と言われています。
また、麻やバナナの茎などからは、天然の繊維を採取することができますが、ポリ乳酸とこうした植物から採れた繊維を組み合わせると、より強度の高い複合材料を作ることも可能になります。
途上国の振興にも役立てられる可能性
ポリ乳酸と天然繊維による複合材料は、石油から作られたプラスチックやそれを基に作られた複合材料に比べると、強度などの面で劣る部分があります。しかし、ポリ乳酸と天然繊維を組み合わせると、ポリ乳酸の体積は普通のプラスチックの半分程度ですみ、廃棄する際も環境に優しいなど、石油由来の材料にはないメリットもあります。さらに、ポリ乳酸と天然繊維による複合材料を、その原料となる農作物を栽培する途上国で生産できるようになれば、その国の振興にも役立てることのできる可能性もあります。
天然由来の原料で作る新しい素材の可能性を探ることは、これからの地球環境と私たちの関わり方を考える上でも、欠かせないチャレンジだと言えるでしょう。
高校生・受験生の皆さんへのメッセージ
私の研究は、機械工学の中でも「材料」を扱っていますが、最近のこの分野の技術革新は非常にすさまじいものがあり、機械についてだけでなく、化学的な合成の知識なども必要になっています。これからは、こうした流れがどんどん加速していくと思うので、あなたも、自分の好きなものだけを勉強するのではなく、さまざまなものに興味を持って、幅広い知識を得るようにしていってほしいと思います。
夢ナビ編集部監修
