ナノ炭酸カルシウムとコロナ廃棄マスク繊維を用いたエンジニアード・セメンタシャス複合材：持続可能な3D印刷用途のために

パンデミック廃棄物を強い建築へ生かす

COVID-19パンデミックで使用された数十億枚の使い捨てマスクが、より優れた環境配慮型の住まいづくりに役立つとしたらどうでしょうか。本研究はまさにその着想を追求します。マスク素材を細かい繊維に切断し、ナノサイズの鉱物粒子と組み合わせることで、従来のコンクリートよりも強度・緻密性・耐久性に優れた3D印刷可能な材料を開発しました。本研究は、過去の医療廃棄物と現代の先端材料が結びつき、将来の建築を形作りうることを示しています。

なぜコンクリートは改良が必要か

コンクリートは現代建築の基盤ですが、重大な弱点があります：圧縮には強い一方で、引張や曲げには割れやすいのです。エンジニアード・セメンタシャス複合材（ECC）はこの問題を解決するために開発されました。少量の短繊維を混ぜることで、一つの大きなひび割れではなく多数の微細なひび割れが発生し、材料が破壊に至る前にある程度伸びることができます。同時に、建設現場ではよりクリーンな手法が求められており、コンクリートの3D印刷は廃棄物削減、労働削減、より自由な設計を可能にする方法として注目されています。モルタルを層状に押し出して形を作るこの手法の課題は、ノズルを通る流動性と、素早く硬化して安定したひび割れに強い構造を作る能力を両立する配合を作ることです。

マスクとナノ粒子から印刷可能な混合物へ

研究チームはこの課題に対し、二つの主要成分を用いて取り組みました。まず、ポリプロピレン製の未使用医療用マスクから切り出した繊維です。これらのいわゆるコロナ廃棄マスク繊維は、表面を粗くしてセメントペーストとの親和性を高めるために電気的な“コロナ”処理を施され、繊維がよりしっかり噛み合って微細なひび割れを橋渡しする効果が期待されます。次に、ナノ炭酸カルシウムを添加しました。これは粒径が数十ナノメートル程度の極めて細かい粉末で、砂よりも何千倍も小さい粒子です。これらのナノ粒子は微小充填材として作用し、セメント粒子間の微小な隙間に入り込み、セメントがより速く硬化するための追加の表面を提供します。研究者らは、マスク繊維量を一定に保ちつつ、ナノ炭酸カルシウムをセメント質量の0〜4パーセントの範囲で変化させた一連の3D印刷可能なモルタルを調製しました。

適切な流動性と形状を得る

3D印刷では、配合は歯磨き粉のような挙動でなければなりません：送液・成形できるだけの流動性を持ちつつ、層を積み上げても形を保持する十分な剛性を持つこと。チームは、試料が自重でどれだけ広がるか、振動台上でどれほど流動するか、崩壊するまでに何層積み上げられるかを測定しました。ナノ炭酸カルシウムを増やすにつれて、混合物は流動性が低下する一方で安定性は向上しました。最も細かい粒子が混合水の一部を吸収して内部凝集力を増し、印刷した線材は形状を保持し、積層可能な層数はナノ粒子なしの約31層から最高添加量で55層へと増加しました。ただし、ナノ炭酸カルシウムを過剰に使うと粒子が凝集し始め、材料が過度に硬くなって扱いにくくなります。

最適条件で強く、緻密で吸水性が低い

重要な問いは、これらの変化が最終材料にどのように影響するかでした。研究者らは、印刷試料と従来の鋳込み試料を乾燥・秤量して密度を測定し、吸水性を調べ、圧縮・曲げ・分割引張に対する抵抗を試験しました。その結果、ナノ炭酸カルシウム約3パーセントに明確な“スイートスポット”があることがわかりました。このレベルでは、印刷試料はナノ粒子を含まない試料よりも密度が高く、水の吸収が少なく、内部の空隙が減っていることを示しています。圧縮強度、曲げ強度、分割引張強度はいずれもピークを示し、3D印刷試料は従来の鋳込み試料より良好な性能を示しました。顕微鏡観察でも裏付けられ、3パーセントのナノ粒子を加えた場合、内部構造は緻密で、硬化ゲルが空隙を埋め、繊維が周囲のペーストとよく結合している様子が確認されました。一方で4パーセントではナノ粒子の凝集が新たな空隙を生み、密度と強度が低下しました。

より環境配慮した3D印刷建設への意義

簡潔に言えば、本研究は適切に配合されたナノ炭酸カルシウムとリサイクルされたマスク繊維の組み合わせが、印刷可能なセメント混合物をより強靭で耐久性ある建材へと変え得ることを示しています。セメント重量比で約2〜3パーセントのナノ炭酸カルシウムが、印刷のしやすさ、層の安定性、強度、吸水低減のバランスで最良の結果をもたらしました。処理されたマスク繊維はひび割れ制御に寄与し、ナノ粒子は隙間を埋めて硬化を促進し、特に3D印刷層での効果が見られます。工学的な利点に加えて、この手法はパンデミック期に生じたプラスチックごみを持続可能な建設へと再利用する道筋を示唆しており、先端材料とリサイクルを壁の一部として組み込む未来を予感させます。

引用: Krishnaraja, A.R., Kulanthaivel, P., Manoharan, A. et al. Engineered cementitious composites with nano calcium carbonate and corona waste mask fibers for sustainable 3D printing applications. Sci Rep 16, 13458 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43424-9

キーワード: 3Dコンクリート印刷, ナノ炭酸カルシウム, リサイクルマスク繊維, エンジニアード・セメンタシャス複合材, 持続可能な建設