Sustainable Fabrication of FDM-Printed Jute/PLA Biocomposites: Effect of Fiber Volume Fraction on Mechanical and Thermal Performance

技術要約：FDM方式によるジュート/PLAバイオ複合材の持続可能な製造

問題提起
非生物分解性プラスチック廃棄物の急速な蓄積と、石油ベースの原材料の枯渇により、アディティブ・マニュファクチャリング（積層造形）における持続可能な代替手段の開発が必要となっている。ポリ乳酸（PLA）は、再生可能な原料に由来する主要な生分解性熱可塑性樹脂であるが、本質的な限界を抱えている。具体的には、高い脆性、低い熱変形温度（55–60 °C）、および200 °Cを超える加工温度での熱分解が挙げられる。PLAをジュートのような天然繊維とブレンドすることは、剛性、強度、および熱安定性を向上させる経路となるが、熱可典造形（FDM）でプリントされたジュート/PLAバイオ複合材の熱機械的性能に対する、繊維体積分率（$V_f$）および後処理の熱キュアリング（熱硬化）の具体的な影響については、十分に理解されていない。さらに、ジュート繊維の親水的な性質は、疎水的なPLAマトリックスとの界面密着性の低下を招きやすく、ボイド（空隙）の形成やデボンディング（剥離）の原因となる。

手法
本研究では、FDMを用いたジュート/PLAバイオ複合材を製造し、特性評価を行うための体系的なアプローチを採用した。

• 材料: 市販のPLA（NatureWorks 3052D）をマトリックスとして使用し、未処理の短繊維ジュート（長さ4–6 mm）を強化材として使用した。
• 製造: ターゲットとする繊維体積分率（10, 20, 30 vol.%）において、ツインスクリュー押出機を用いて複合材料フィラメントを製造した（結果においては50%までの特性評価を含む）。成形品は、0.40 mmのノズル、100%インフィル、±45°のラスター角を用いてFDMプリンターで造形された。
• 後処理: 界面の完全性と結晶性を調査するため、熱風乾燥機を用いて160 °Cから180 °Cの範囲で制御された熱キュアリングプロセスを適用した。
• 特性評価: 研究では、以下の包括的な分析手法を用いた：
  • 機械的特性: 引張、曲げ、および硬度試験（ASTM規格）。
  • 物理的特性: 密度および吸水率の測定。
  • 熱的特性: 融解温度と結晶性のための示差走査熱量測定（DSC）、および熱安定性と残留チャー（炭化物）のための熱重量分析（TGA）。
  • 微細構造/分子構造: 走査電子顕微鏡（SEM）、透過電子顕微鏡（TEM）、原子間力顕微鏡（AFM）、フーリエ変換赤外分光法（FTIR）、およびX線回折（XRD）。
  • モデリング: 実験データを検証するために、混合則（Rule of Mixtures）に基づく理論計算および有限要素モデリングの概念を用いた。

主要な貢献
本研究は、FDMプリントされたジュート/PLAバイオ複合材の「プロセス－構造－特性」の相関関係を確立した。主な貢献は以下の通りである：

1. 繊維体積分率の最適化: 本研究は、凝集やポロシティ（空隙）などの欠陥を最小限に抑えつつ、機械的性能を最大化する最適な繊維充填範囲（25–35 vol.%）を特定した。
2. 熱キュアリングの効果: 後キュアリングを160–165 °Cで行うことで、熱緩和を誘発するより高いキュアリング温度と比較して、界面結合、結晶性、および熱安定性が大幅に向上することを実証した。
3. マルチスケール特性評価: 分子レベルの相互作用（セルロースのヒドロキシル基とPLAのエステル基の間の水素結合）から、マクロな機械的特性および表面形態への詳細な分析を提供した。
4. 定量的指標: 引張強度、曲げ弾性率、および結晶性の向上を定量化し、持続可能な構造部材の設計に役立つ具体的なデータポイントを提供した。

主要な結果

• 機械的性能: 最適な機械的性能は、繊維含有量25–35 vol.%、キュアリング温度160–165 °Cにおいて達成された。
  • 引張強度: 純粋なPLAの63 MPaに対し、約14%増加し、最大72 MPa（30% $V_f$, 160 °C時）に達した。
  • 曲げ強度: 劇的な改善を示し、純粋なPLAの100 MPaから、35% $V_f$ かつ 160 °Cの条件下でピークとなる315 MPaへと上昇した。
  • 弾性率: 最適な条件下において、ヤング率（Young's modulus）は約10%増加（3.85 GPaへ）、曲げ弾性率は2倍以上（4.0 GPaから8.5 GPaへ）に増加した。
  • 硬度: バコール硬度は、160 °Cにおける25–30%の繊維含有量において、38でピークに達した。
• 微細構造の観察:
  • 分散性: SEMおよびTEMにより、中間的な充填量における均一な繊維分散と良好なマトリックス濡れ性が明らかになった。しかし、高充填量（≥45–50%）では、性能低下を招く繊維の凝集、ボイド、およびデボンディングが観察された。
  • 表面粗さ: AFM分析は、繊維含有量の増加に伴い表面粗さ（$R_a$）が37.8 nmから20.0 nmへと減少したことを示しており、これはより優れた緻密化を示唆している。
  • 界面: TEMおよびFTIRは、効果的な応力伝達を促進する、水素結合を伴う明確な中間相領域の形成を確認した。
• 熱的特性:
  • 結晶性: XRDおよびDSCの結果は、繊維による不均一核生成効果により、高い繊維充填量とともにPLAの結晶性が22.3%から27.5%へと増加したことを示した。
  • 融解温度: 複合材料の融解温度は、繊維含有量の増加に伴い、162.5 °Cから165.1 °Cへと上昇した。
  • 熱安定性: TGAは、繊維含有量の増加に伴い残留チャーが8.2%から15.1%へと増加したことを示しており、これは熱安定性の向上を示している。ただし、熱分解の開始点は、天然繊維のPLAよりも低い熱安定性に影響を受ける。
• 吸水率: ジュートの親水的な性質により、繊維含有量とともに吸水率は単調に増加し、0.5%（純粋なPLA）から22%（50% $V_f$時）へと上昇した。高いキュリング温度は、ボイド含有量を減少させることで、この現象を部分的に緩和した。

意義
本論文は、FDMによって製造されたジュート/PLAバイオ複合材が、従来の合成繊維強化ポリマーに代わる、軽量で環境的に持続可能な選択肢となり得ることを結論付けている。本研究は、高い機械的強度、熱安定性、および界面の完全性を達成するために必要な、繊維体積分率と熱加工パラメータの間の重要なバランスを解明した。中程度の繊維充填量（25–35%）と制御されたキュアリング（160–165 °C）が、機械的強度、熱安定性、および界面の完全性を最適化することを確認することで、本研究は次世代の生分解性材料の設計に対する不可欠な指針を提供している。これらの知見は、合成強化材に依存することなく、高性能かつエコフレンドリーなコンポーネントを開発することを支持するものである。