シンガポール国立大学（NUS）は、リサイクルが難しいカーボンファイバーとエポキシ樹脂複合材料の廃棄物を多機能エアロゲルに変換する方法を開発しました。チームは、繊維と樹脂を含む複合材料全体を機械的に粉砕し、軽量で無毒の多孔質材料を製造し、次に接着剤と一緒に凍結乾燥を行いました。この環境に優しい代替品は、化学的分離を回避し、航空および工業廃棄物を熱絶縁、音吸収、海洋油汚染の清掃に役立つ貴重な材料として再利用します。
風力発電機のブレード、航空機の胴体（ボーイング787やエアバスA350など）、自動車のフレームは、毎年数千トンの熱硬化性複合材料廃棄物を生み出しており、これらは現在ほとんどが最終的に埋立地や高排出の焼却炉に送られています。しかし、これらの熱硬化性エポキシ成分は溶融できないため、リサイクルが難しいのです。従来のリサイクル方法は通常、高エネルギー消費、厳しい化学薬品、または高温に依存し、カーボンファイバーのみを回収し、エポキシ樹脂を廃棄または破壊します。この問題を解決するために、この新しい持続可能な技術は、繊維とエポキシ樹脂を全体的に機械的に粉砕して細かい粉末や破片にし、それをセルロースベースの接着剤と混合し、混合物を凍結乾燥させて機能性エアロゲルを生成します。
新技術がカーボンファイバー複合材料廃棄物の効果的なリサイクルを実現
このプロセスでは、カルボキシメチルセルロース（CMC）という天然のセルロースベースの接着剤を使用し、凍結乾燥プロセス中に粉砕されたカーボンファイバーとエポキシ粉末を結合させます。凍結乾燥処理された複合材料廃棄物は、軽量のスポンジ状構造を形成し、内部には微細に相互接続された孔が充満しています。空気がこの多孔質ネットワークの大部分を占めるため、熱伝導速度が遅くなり、このエアロゲルは実験室のテストで低熱伝導率を示し、超軽量熱絶縁材料としての潜在能力を証明しています。
研究のリーダーであるドゥアン・ハイミン氏は、「私たちの目標は、カーボンファイバー複合材料廃棄物が単なる処理の問題として見なされる必要はないことを示すことです」と述べています。ドゥアン准教授は、「繊維とエポキシ成分を含む全体の材料を使用することで、この廃棄物の流れをより高価値の機能性材料に変換できる」と付け加えました。最終的な材料は、低密度（0.08–0.12 g/cm³）、高孔隙率（91.25–94.51%）、および強力な機械的完全性（弾性係数最大418.95 kPa）を持っています。
これらの無毒のエアロゲルは音吸収に優れ、撥水処理を施すことで大量の油を吸収し、海洋漏油の清掃に役立ちます。このエアロゲルは本質的に吸収性を持っていますが、油汚染の清掃に使用できるようにするためには、アルキルシランベースの化合物（または撥水剤）で化学コーティングを施す必要があり、疎水性流体（油など）を選択的に吸収し、親水性流体（水など）を排除します。テストでは、この材料が多機能用途を持ち、熱絶縁性（0.042–0.049 W/m·K）、音吸収（騒音減少係数最大0.51）、および表面処理後の油吸収量が最大15 g/gに達する油汚染清掃能力を備えていることが示されました。
さらに、ヒト細胞との生体適合性テストが材料の安全性を確認し、チームは航空、製造、廃棄物管理分野の業界パートナーを求めて技術の商業的応用を拡大しています。ドゥアン准教授は、「先進的な複合材料は多くの業界で構造をより軽く、より効率的にします。次のステップは、これらの材料がそのサービス寿命の終わりに持続可能に管理できることを確保することです」と述べています。今後の主な課題は、実験室規模のバッチ凍結乾燥を連続的な大規模工業生産に変換することです。関連する研究結果は、科学雑誌『廃棄物管理』に発表されています。