ナノ素材を用いた循環型機械材料の創成

Research Project

Project/Area Number	22H00189
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Medium-sized Section 18:Mechanics of materials, production engineering, design engineering, and related fields
Research Institution	Waseda University
Principal Investigator	荒尾与史彦早稲田大学, 理工学術院, 准教授 (40449335)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	川田宏之早稲田大学, 理工学術院, 教授 (20177702) タンクスジョナサンデビッド国立研究開発法人物質・材料研究機構, 構造材料研究センター, 主任研究員 (50850947)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help	¥42,900,000 (Direct Cost: ¥33,000,000、Indirect Cost: ¥9,900,000) Fiscal Year 2024: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000) Fiscal Year 2023: ¥11,050,000 (Direct Cost: ¥8,500,000、Indirect Cost: ¥2,550,000) Fiscal Year 2022: ¥29,120,000 (Direct Cost: ¥22,400,000、Indirect Cost: ¥6,720,000)
Keywords	グラフェン / ナノファイバー / ハイブリッド材料 / 高強度 / フィルム / セルロースナノファイバー / ナノシート
Outline of Research at the Start	持続生産可能で環境に優しいナノ素材「植物ナノセルロース」と「グラフェン」を原料にして、軽量かつ高強度のシート材料を創り出し、プレス成形、射出成形の量産化成形プロセスを可能とすることで、全て天然由来の循環型機械材料の実現を目指す。グラフェンとセルロースナノファイバーが織りなすナノ構造を自在に制御することで、強度1000MPa、弾性率 100GPaを有する強くてしなやかな機械材料を創り出す。
Outline of Annual Research Achievements	低エネルギーで循環する機械材料を創出することを目的に、ナノ素材であるグラフェンとポリマーを組み合わせてハイブリッド化させることで、高強度なフィルムを生み出すことに挑戦した。具体的には、グラファイトとセルロースナノファイバー分散液を混ぜ合わせ、3本ロールミルによる純せん断を付与することで、大面積でかつ薄層化したグラフェンの表面に、セルロースナノファイバーが吸着したハイブリッドシートを作り出し、高配向させてフィルム化させることで、ナノハイブリッドフィルムを作製した。まず市販のセルロールナノファイバーとグラファイトの分散液をロールミルしてフィルム化したが、引張強度は100MPa未満であり、目標値を大幅に下回る値が得られた。フィルムの断面観察をしたところ、セルロースナノファイバーのダマ（凝集体）があり、またグラファイトの剥離度も低いことが確認された。そこで、セルロースナノファイバーをpH10程度のアルカリ水で希釈し、高せん断を付与して分散させることで、ダマのない高分散のセルロースナノファイバーの分散液が得られた。この高分散分散液を用いてロールミル処理を行ったところ、ロールミルの処理回数を10回、20回、30回と増やすごとに強度が増加することが確認され、最大で250MPaのフィルムが得られた。剥離グラフェンの形態観察を行ったところ、大きさは約5μm、厚みは10nm程度であった。厚みが10nmであることはグラフェンシートの層数が30層程度あることを意味しており、この状態では層間でのすべりが発生しやすく、内部まで応力が伝わりにくい状態である。よって、目標とする強度まで高強度化されていないものと推察された。目標とするフィルムの強度(1000MPa)を達成するために、グラファイトの更なる薄層化を進め、グラファイトに強く吸着するバインダーを選定するなどの工夫を検討していく。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 量産化されたセルロースナノファイバーについて理想的な分散状態を想定していたが、実際には分散液内にダマが存在し、それによってグラファイト表面に吸着しづらく、ロールミル処理によって高強度化につながらないことが確認された。まずセルロースナノファイバーを理想的に分散させるところで時間を要した。グラファイトの剥離に用いる3本ロールミルについては、半導体不足の影響で納入までに半年ほどの時間を要した。また、使用中に故障中が度々生じ、特にロール表面が削れる事象が発生し、ロール表面の研磨で3ヶ月ほど研究がストップしている状態である。以上の状況により、研究が遅延し、当初の予定よりやや遅れた状況となっている。
Strategy for Future Research Activity	グラフェンとポリマーからなるナノ素材のフィルムの強度について、初期値の100MPaから、分散処理とロールミル処理を施すことで、2.5倍の250MPaまで向上させることができた。しかしながら、目標とする1000MPaまで達しておらず、機械材料して用いるのであれば少なくとも500MPa以上は達成させたい。昨年度の研究により、大幅な強度上昇が得られていない理由として、グラファイトの薄層化が不十分であることと、セルロースナノファイバーとグラフェンの吸着力が弱いことが原因として挙げられた。そこで本年度はその2つの原因を克服することを目指す。具体的には、グラファイトに前処理を施すことで、より剥離分散しやすくなる構造とし、これまで10nm以上であった厚みを5nm以下まで低減することに取り組む。さらに、グラフェンのバインダーとしてセルロースナノファイバーに限定せず、それ以外のポリマーについても模索する。具体的にはポリイミドなどグラファイト表面とπ-π相互作用のあるポリマーを選定し、ロールミル処理による薄層化、フィルム化を経て、500MPaを超える高強度フィルムを作り出す。