トライボロジー用途向け持続可能なMCC強化麻・竹エポキシ複合材料における研磨摩耗の最適化

なぜより環境に優しく、耐久性のある材料が重要か

自動車部品から風力タービンのブレードまで、世界で動く多くのものは表面同士が擦れ合うことで徐々にすり減っていきます。ナイロンやカーボンのような合成繊維で補強した従来のプラスチックはこの摩耗に耐え得ますが、製造時の高いエネルギー消費や廃棄後の残留問題など環境負荷を伴います。本研究はより持続可能な代替を模索し、麻や竹繊維をエポキシ樹脂に組み込み、植物由来の充填剤である微結晶セルロース（MCC）を添加した複合材料を検討します。目的は、厳しい摩擦や引っ掻きに耐えつつ早期に摩耗しない、より環境負荷の低い材料を作ることです。

植物と粉末から材料を作る

研究者らはまず麻と竹の織物を用意し、エポキシ樹脂との付着を良くするために弱アルカリ処理で洗浄しました。これらの織物を積層し、異なる量のMCC粉末を含むエポキシで含浸させました。MCCは植物由来の微細で生分解性のあるセルロースです。総繊維含有量を一定に保ち、MCC含有量のみを変えることで、このバイオ由来充填剤の影響を特定できるようにしています。混合物は加圧して成形・硬化させ、車両、航空、建築などの構造部材を模したハイブリッドパネルが作られました。

実環境を模した摩擦試験

これらのパネルがどのように研磨に耐えるかを評価するために、ピン・オン・ディスク装置を用いました：複合材料の小さなブロックをサンドペーパーを貼った回転ディスクに押し付けて摩擦させます。試験ではMCC含有量、研磨紙の粗さ、試験荷重、滑り距離の4つの主要因を変化させました。各試験で、サンプルの重量損失、発生した摩擦、摩耗面の粗さを測定しました。1因子ずつ変える代わりに、Box–Behnken応答曲面法という統計的手法を用い、実験数を抑えつつ4因子とその相互作用が性能に及ぼす影響を同時に評価しました。

摩耗、摩擦、表面平滑性を支配する要因

解析の結果、すべてのパラメータが同等に重要というわけではないことが明らかになりました。研磨紙の目の粗さと滑り距離が材料のどれだけが失われるかの主要因でした：粗い研磨紙や長い距離はより深い切削・引っ掻きを引き起こします。一方でMCC充填剤は摩擦と最終的な表面の滑らかさを強く支配しました。適切な含有量ではMCCが表面を硬化させ、複合材料と研磨材の間に緻密で保護的な膜（トライボ層）を形成するのを助けます。この層はマイクロカッティングを抑え、摩擦を安定化させます。しかしMCCが多すぎると粒子の凝集を招き、これらの塊が破砕して余計な砥粒のように作用し、表面が一見滑らかでも摩耗を増加させることがあります。

顕微鏡で見る摩耗の様子

摩耗面の顕微鏡画像はこれらの傾向を裏付けました。MCCを含まない複合材料では深い溝、引き裂かれた樹脂、表面から引き抜かれた繊維が見られ、強い耕起（プラウイング）と繊維とマトリクスの結合不良が示されました。重量比で約3%のMCCを含むと溝は浅くなり、破片はより凝集し、表面を覆う連続的な膜が形成され、摩耗と摩擦の低下と一致しました。6%のMCCでは表面はさらに滑らかで摩擦も低くなりましたが、凝集した粒子周辺の亀裂やはがれた充填剤が見られ、摩耗が再び増加し始めていることを示唆しました。これらの画像は統計モデルの数値を微視的な損傷パターンと結びつけるのに役立ちました。

より環境に優しく長持ちする部品の“適正値”を見つける

統計モデルと摩耗・摩擦の計測を組み合わせることで、同時に摩耗損失、摩擦、表面粗さを低く保てる条件を探索しました。最良の妥協点はおおむねMCC約3%、比較的細かい研磨条件、中程度の荷重、適度な滑り距離でした。この条件下では材料の重量損失は小さく、摩擦も穏やかで、比較的滑らかな表面が保持されました。非専門家向けの要点は、植物由来の繊維と充填剤は耐久性と持続可能性のバランスを非常に精密に調整できるということです。最適化を行えば、麻–竹–MCCエポキシ複合材料は、常時摩耗にさらされる部品においてより汚染性の高い材料に代わる選択肢となり、保守コストと環境負荷の双方を低減できる可能性があります。

引用: Gowda, H.D.S., Hemaraju, Kumar, V.G.P. et al. Optimizing abrasive wear in sustainable MCC reinforced hemp bamboo epoxy composites for tribological applications. Sci Rep 16, 12990 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43505-9

キーワード: 天然繊維複合材料, 研磨摩耗, 麻・竹エポキシ, 微結晶セルロース, トライボロジー