複合材料の性能を高めるカップリング剤

ここ数十年、複合材料は日常生活に欠かせないものとなっています。例えば、風力タービンや電気自動車に不可欠な部品として、多くの分野で技術革新をもたらしています。
多くの場合、複合材料は架橋された有機ポリマー（マトリックス）と、フィラーや繊維などの無機成分の組み合わせです。これらの無機材料が、ある領域では費用対効果の高いフィラーの機能を果たすとしても、依然として成分全体の特性の改善には至りません。例えば、表面品質、難燃性、耐摩耗性の向上などです。ガラス繊維や炭素繊維などの繊維材料は、複合材料の機械的特性を向上させると同時に、軽量化にも大きく貢献します。この無機補強がなければ、排出ガスの削減、燃費の向上、再生可能エネルギーの利用に必要な軽量材料は利用できません。

無機成分が複合材料に有益な影響をもたらすにもかかわらず、マトリックスと無機成分の界面が系全体の中で最も弱い結合となり、その最大の性能が制限されることがあります。そのため、樹脂マトリックスと分散相の結合を改善することで、機械的特性をさらに向上させることができます。望ましい結合を最適化する簡単な方法は、樹脂と架橋し、同時にフィラーや繊維と安定した結合を形成できる添加剤を使用することです。

カップリング剤は、フィラーまたは繊維の表面に強力な結合を形成し、熱硬化プロセス中にマトリックスと架橋することにより、有機樹脂マトリックスと粒子状フィラーまたは繊維材料の間に橋渡しをします（図1）。配合の有機成分と無機成分の間のこの強力な結合は、製造される複合材料の機械的特性の向上につながります。一般に、カップリング剤には少なくとも2種類の官能基が含まれます。第1に、硬化プロセスでマトリックスと共重合する反応性基、第2に、粒子や繊維の表面に付着できる表面親和性基です。ラジカル硬化系、例えば不飽和ポリエステルやアクリレート樹脂の場合、カップリング剤は例えば重合可能な二重結合を有しています。ほとんどのエポキシ樹脂やポリウレタン樹脂のような、いわゆる2液硬化型の熱硬化性樹脂の場合、カップリング剤は樹脂や硬化剤に対して反応性を示します。

カップリング剤はマトリックスと分散相の橋渡し役として作用するため、添加剤は必然的にマトリックスと無機相の特定の組合せに対応するように設計されなければなりません。そのため、すべての組成に適した汎用的なカップリング剤は存在しません。しかし、マトリックスと補強材の様々な組み合わせに対応できる添加剤の数は増えています。以下に、使用が有意義な用途の例をいくつか示します。

石英充填不飽和ポリエステル系の代表的な用途は、ポリマーコンクリート、人工大理石、人工石材などです。これらの適用分野では、特定の成形品の機械的性能を向上させるか、または同じ機械的特性を維持しながら成形品の厚さを薄くし、それによってコストを削減し、材料を節約することが望まれています。カップリング剤を使用することで、その両方を達成することができます。例えば、曲げ強度は添加剤を（フィラーに対して）わずか0.2％重量で著しく向上します。 (図2)

電子顕微鏡で見ると、カップリング剤が存在すると、空洞が最小限に抑えられ、樹脂とフィラーが強固に結合していることがわかります（図3）。しかしながら、カップリング剤が可能な限り多くの結合を形成した後は、その添加量をさらに増やしても、機械的特性のさらなる向上にはつながりません。

機械的特性の向上に加え、カップリング剤で最適化された系は、さらなる利点を得ることができます。例えば、熱水や化学物質に対する耐性が向上します。これにより、部材の耐用年数が延び、湿気や温度にさらされた際の気泡の発生を最小限に抑えることができます。

炭素繊維強化プラスチック（CFRP）は、複合材料の高強度化と軽量化を両立させる場合に使用されています。これは、航空宇宙産業、自動車産業、風力エネルギー用途などの分野に当てはまります。[1] これらの産業では、複合材料はRTM（樹脂トランスファー成形）工程、プリプレグ、引抜成形、SMC（シート成形コンパウンド）技術を使って製造されることが多く、いずれの場合も様々な樹脂マトリックスシステムと組み合わせて使用されます。適切なカップリング剤を使用することで、チョップドファイバーや織物、スクリムの曲げ強度や引張強度を向上させることができます（図4）。

粒子状充填材と同様に、繊維強化系でも機械的な改善が電子顕微鏡で確認できます（図5）。カップリング剤がない場合、材料破壊後の繊維表面にはわずかな樹脂残渣しか検出されません。これは、繊維とマトリックスの接着性が不十分であることを示しています。これとは対照的に、適切なカップリング剤が存在すると、繊維表面にかなりの量の樹脂残渣が見られます。場合によっては、炭素繊維とマトリックスの接着が非常に強く、繊維の破断が起こることさえあります。

ガラス繊維は、複合材料を強化するために最も一般的に使用される繊維材料です。このようなガラス繊維強化系の例としては、風力エネルギー、造船、スポーツ、衛生、建設分野などが挙げられます。これらの材料の横断引張強度は、使用する 配合に適切なカップリング剤を添加することで、大幅に向上させることができます。

特定の貯蔵条件下では繊維サイジングの品質が低下することはよく知られており、そのため老化した繊維は最終製品の性能低下につながります。カップリング剤は、この老朽化プロセスを補い、バージン繊維材料と同様の特性を持つ複合材料を可能にします。この効果は、信頼性を高め、バッチ間のばらつきを減らすことで、製造工程の向上に役立ちます。

カップリング剤は、ラジカル硬化型に対しても、より高い機械的特性を付与することができます。これにより、材料自体の標準的な特性を超えても、要求性能に応じて系を調整することができます（図6）。

機械的特性の最適化は、複合材料の設計と製造において重要な役割を果たします。樹脂、フィラー、繊維などの個々の材料をさらに改良することが可能であっても、これらの材料が全体の材料特性に与える影響には限界があります。別のアプローチとしては、樹脂マトリックスとその中に分散した強化相との結合を最適化することです。これを行う簡単な方法は、樹脂と架橋し、同時にフィラーまたは繊維と安定した結合を形成する添加剤を使用することです。これらのカップリング剤の構造は、マトリックスと分散相の化学的性質に合わせる必要があります。

その一例が、BYKが提供するBYK-C 8000製品群のカップリング剤です。このカップリング剤は、樹脂と補強材の間に強固な結合を形成し、 より堅牢で耐久性の高い材料を実現します。また、材料設計の自由度も高まります。複合材料の特性の向上は、系のコスト/性能比を望ましい範囲に収める上で極めて重要です。したがって、カップリング剤の使用は、新しい技術的解決策へのアクセスとコスト削減の両方をもたらします。

カップリング剤は、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、アクリル樹脂など、さまざまな樹脂に使用できます。また、石英、水酸化アルミニウム、ガラス繊維、炭素繊維などの様々な無機補強材と組み合わせることができます。さらに、補強材の製造（フィラーや繊維の表面処理）、樹脂配合の一部（樹脂中の添加剤としての使用）、複合材の製造自体（例えば、セカンドサイジングとして、または塗布前や塗布中に直接）など、様々な工程の段階で使用することができます。したがって、カップリング剤はバリューチェーンに沿った様々な段階で使用することができます。これらのバリューチェーンには、フィラーや繊維のメーカー、樹脂メーカー、複合材メーカーなど、さまざまな市場関係者が含まれます。各社はカップリング剤を使用することで、市場に出回っている従来のシステムに対して競争上の優位性を得ることができます。