金属に匹敵するほど丈夫で透明な軽量ポリエチレンを開発

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英ウォーリック大学WMG(Warwick Manufacturing Group)とロンドン大学クイーンメアリーの研究チームは、高い透過率を持つと同時に、アルミニウムに匹敵する強度と弾性率を有する高密度ポリエチレン(HDPE)を開発したと発表した。特殊な添加剤を使うとHDPEに高い透過率を持たせることはできるが、研究チームは添加剤なしで透過率90%の素材の開発に成功した。研究成果は、2019年4月1日に『Polymer』にオンライン公開されている。

重くてもろいガラス材料に代わる軽くて丈夫な材料の開発は、重要な研究テーマだ。一般的なPC(ポリカーボネート)やPMMA(PolyMethyl MethAcrylate:アクリルガラス)といったプラスチックは、透明だが機械的特性が不足している。一方でHDPEを熱延伸すると、ポリマーが一方向にそろうため、金属材料に匹敵する強度を持つことが分かっている。

論文の著者であるYunyin Lin氏は、延伸前後のポリマーの状態を「延伸前のポリマーの微細構造は、ゆでたスパゲッティのようにぐにゃぐにゃだ。引っ張ったり伸ばしたりした後の分子は、ゆでる前のスパゲッティのようにまっすぐそろっている」と説明する。ところがHDPEを延伸すると、その過程で発生した欠陥や泡のために見た目が不透明になり、機械的特性と光学的透明性が必要とされる分野には不向きという短所がある。

今回研究チームは、HDPEの延伸温度を最適化し、添加剤を使うことなく、可視光領域で透過率90%に成功。融点以下の90~110℃の範囲で、光学的性能と機械的性能のバランスを調整できることを示した。最大ヤング率は27GPa、最大引っ張り強度は800MPaで、どちらもPCやPMMAの10倍以上の値だ。なお、アルミニウムのヤング率は69GPa、航空宇宙グレードのアルミ合金の引っ張り強度は約500MPaだ。今回で開発した素材は、数値的にはアルミニウムに及ばないが、密度が約3分の1であることを考慮すると、透過率・剛性・重量の点でアルミニウムを上回るといえる。

「延伸温度を最適化することでポリマー鎖の移動度が増して欠陥が減ったため、欠陥起因の光の散乱も減り、透過性が高くなったと考えている」と研究チームを率いるTon Peijs教授は語る。自動車用ガラスやディスプレイなど、従来のガラスベースの材料に代わるラミネート材料、ラミネート複合材料としての利用が期待される。

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New technique to make transparent polythene films as strong as aluminium that could be used in impact resistant glazing, windscreens, and displays

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