自動車内装向けにグレイ関係解析を用いて最適化したバナナ／バーククロス強化エポキシ複合材料の多性能評価

車内におけるより環境配慮した材料

自動車メーカーは車両をより軽量で安全、かつ持続可能にするよう圧力を受けています。有望な手段の一つは、石油由来プラスチックやガラス繊維を植物由来素材に置き換え、重量とカーボンフットプリントを削減することです。本研究はユニークな組合せ—バナナ植物由来の繊維とウガンダ伝統のバーククロス（樹皮布）—をエポキシ樹脂および難燃添加剤と混合し、強度、耐炎性、水分吸収抑制に優れる内装パネルを作る可能性を探っています。

農業廃棄物から内装パネルへ

研究者らは植物繊維と樹脂バインダーを混ぜて剛性のある軽量シートを作る「天然繊維複合材料」に着目しました。廃棄されるバナナ茎から得られるバナナ繊維は優れた強度を持つことで知られています。バーククロスはイチジクの内樹皮を剥いで柔らかくしたもので、層状で多孔質、ある程度の耐炎性を持ちますが工学的研究は少なめです。本研究では、これら両繊維を構造部材で一般的に使われるエポキシ樹脂と混合し、加えて少量のアルミニウムトリハイドレート（加熱時に水蒸気を放出して炎を冷却・希釈するハロゲンフリーの難燃粉末）を固定量加えました。

試験片の作製と評価方法

複合板を作るため、チームはバナナ繊維を洗浄・乾燥し、表面を粗くして樹脂の付着を良くするために弱アルカリ処理を施しました。バーククロスは洗浄したのみで、自然の難燃性や音吸収特性を保持するために化学的に変えませんでした。繊維は木製の浅い金型に手作業で所定の積層パターンと重量比で配置し、バーク多めからバナナのみまで複数の比率を試しました。難燃粉末を混ぜた樹脂を各層にローリングで浸透させ、積層体を加圧・硬化して厚さ3ミリメートルのラミネートを成形しました。その後、引張、曲げ、衝撃、燃焼、吸水などの標準試験を実施し、ドアパネルやシート背面に求められる耐久性を模擬しました。

性能の最適点を見つける

各配合は特性の異なるバランスを示しました。バナナ繊維を多く含む試料は、硬くよく接着したバナナ繊維が材料の骨格として働くため、引張や曲げでより高い荷重に耐えました。バーク多めの試料はより開放的で縮れた構造のため衝撃吸収に優れ、火炎の広がりを遅らせる傾向がありましたが、剛性や強度はやや劣りました。吸水試験ではバナナ含有量が多いほど水分吸収が増え、複合材料を徐々に弱める欠点が明らかになりました。これらのトレードオフを総合的に評価するため、著者らはグレイ関係解析というランク付け手法を用い、複数の試験結果を単一のスコアに統合して、ある一つの特性だけが決定要因にならないようにしました。

最適な配合と内部構造の様子

総合性能で最も優れたのはC7と名付けられたハイブリッドで、重量比でバナナ繊維40％、バーククロス5％、残りがエポキシと難燃材という配合でした。この組成は最高の引張強度と曲げ強度、優れた衝撃抵抗、許容範囲の燃焼速度、さらに中程度の吸水量を同時に実現しました。顕微鏡観察では、C7は樹脂に良く濡れたバナナ繊維がしっかりと固着し、バーククロス繊維はより絡み合ったネットワークを形成して亀裂を鈍らせ衝撃エネルギーを拡散している様子が確認されました。化学・元素分析でも、表面処理、エポキシ、難燃粒子が材料全体に良く混在していることが示されました。

自動車内装の将来に向けて意味すること

非専門家向けの要点は、慎重に配合された植物繊維が、低コストで入手しやすい地域資源を活用しつつ、強度、難燃性、耐久性の有用な組合せを備えた自動車内装材料に調整できるということです。バナナ–バーククロス複合材がすべての合成材料を置き換えるわけではありませんが、適切な配合で極端な荷重がかからないパネルにはより軽く環境負荷の小さい代替となり得ます。長期的な経年変化や大規模生産に関する追加研究が進めば、この種のハイブリッドは日常的な車両を乗員にとって安全で環境に優しい材料へとシフトさせる一助となるでしょう。

引用: Turyahabwe, A., Dennison, M.S. & George, O.S. Investigation of multi-performance optimization of banana/bark cloth reinforced epoxy composites using grey relational analysis for automotive interior applications. Sci Rep 16, 14615 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45783-9

キーワード: 天然繊維複合材料, バナナ繊維, バーククロス, 自動車内装, 難燃素材