2018 Fiscal Year Research-status Report
セルロースナノファイバーによる鉄錆の強化と既設鋼構造物補修用塗料への応用
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17K06838
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
花木 宏修 大阪大学, 工学研究科, 招へい准教授 (20336829)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
倉敷 哲生 大阪大学, 工学研究科, 教授 (30294028)
山下 正人 大阪大学, 工学研究科, 招へい教授 (60291960)
藤本 愼司 大阪大学, 工学研究科, 教授 (70199371)
向山 和孝 大阪大学, 工学研究科, 助教 (80743400)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 鉄鋼インフラ / 寿命延伸 / セルロースナノファイバー / 錆のナノ構造制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高度成長期において建設された多くの鉄鋼インフラはすでに建設から長期間を経過し，腐食による劣化が社会的問題となっている．我が国においても建築から40 年以上経過している鉄鋼インフラは数多く，今後長期にわたって健全に保つための補修費用は飛躍的に増大していくことが指摘されている．本研究では、経年劣化した鋼構造物の補修，寿命延伸を目的とした機能性塗料を開発している．開発する塗料は母材となる水溶性樹脂にセルロースナノファイバー(CNF)を分散させる．さらに，顔料として申請者らが研究してきた錆のナノ構造を制御する種々のイオンを添加する．CNF は大気中の酸素や水を鋼材表面に供給するための経路であり，同時に錆を成長させる培養地としての役割を担う．すでに錆が生成した鋼材表面に本塗料を塗布することにより，CNF を通じて供給された水や酸素，添加イオン種が鉄イオンと反応し，熱力学的に安定なゲーサイトを中心とする錆が再構築される．これにより鋼構造物の寿命延伸を図る．平成30年度は，これらの目的の達成のためCNF分散機能性塗料を試作し，腐食試験によりその特性を評価した．腐食試験に伴い鋼材表面に生成する錆の様相や電気化学特性，結晶構造の変化を，走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope, SEM）観察やX 線回折（X-ray diffraction, XRD）による構造解析，電気化学的測定により調査した．これらの結果と，樹脂の種類（透水性やガス透過性をパラメータとする）やCNFの添加量，添加イオンの種類との関係を考察した．また，すでに錆が発生した鋼材に対して機能性塗料を適用することを考慮し，母材として硬化タイミングを制御できる光硬化樹脂の適用を検討した．さらに，元素添加による防食メカズムを明らかにするため第一原理計算を実施した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
(1) CNF分散機能性塗料の試作と腐食試験:機械攪拌によってCNFを水性樹脂中に分散させ，塗料を試作した．CNF添加量は前年度の知見に基づき5wt%とした．硬化後のSEMによる観察結果から，作製した試料におけるCNFは三次元ネットワーク構造で均一に分散していることが確認できた． SAEJ233に規定される腐食促進試験により添加イオン種が錆の構造変化に及ぼす影響を調査した．有効イオン種はAlおよびNiとした．当初，これらの硫酸塩を塗料中に直接添加する予定であったが，試作途中に樹脂の粘度が急激に増加し塗料化できなかった．そこで，SAEJ2334試験の各サイクルにおいて硫酸塩水溶液に60 秒間浸漬する方法に変更した．一連の結果から，塗膜の有無，CNFの添加の有無，有効イオン種の有無により生成される錆の性状や組成が変化することが明らかとなった．本実験（腐食試験）は現在も継続中であるが，成果の一部は繊維機械学会第72回年次大会（2019年5月30日，31日）において講演予定である．
(2) 樹脂の検討:すでに錆が発生した鋼材に対して本機能性塗料を使用する際，錆層へ樹脂が十分に浸透し，その後に硬化開始することが効果的であると考えられる．そこで，紫外線照射により硬化タイミングを制御できる光硬化樹脂の適用を検討した．複数種の樹脂，硬化開始剤，線源を入手し，硬化特性や硬化後の硬度を測定した．本成果の一部は日本繊維機械学会第2回コンポジテックス研究会にて講演発表した．
(3) 防食メカズムの第一原理計算による検討:本研究では金属イオンの添加により錆の構造を制御する．これらのメカニズムを明らかにし，より効果的なイオン種を選定するため第一原理計算による検討を実施した．数値解析にはウィーン大学の開発した汎用コードであるVASPを用いた．
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に引き続き，得られた知見に基づく機能性塗料を試作し，その改良を実施する．使用する試験片は実用化を前提としてすでに錆が発生している大気暴露試験片を用いる．本試験片は飛来塩分量の多い日本海側の海岸地帯（研究分担者が施設を所有）に3か月間事前に大気暴露したものである．暴露後の試験片は実際の施工を想定した3 種ケレンにより表面の浮き錆や汚れを落とした後に試験に供する．試作した機能性塗料を大気暴露錆鋼板に塗布し，クロスカットを付与した後に腐食試験を実施する．腐食試験は大気暴露試験とSAEJ2334よる加速試験を実施する．大気暴露試験は研究期間中を通じて可能な範囲で長期間実施する．所定の期間の試験後に外観観察，SEM による断面観察やXRD による構造解析を実施する．
母材となる樹脂の選定においては現在の水系エポキシ樹脂，光硬化樹脂に対し硬化剤や硬化開始剤の検討を継続する．また，異なる組成の塗膜を積層化し組成傾斜を実現することや3Dプリンターを用いた3次元塗膜構造の設計を検討する．
一方，第一原理計算においては、α-FeOOHおよびFe3O4構造中のAl3+およびNi2+の存在サイトを緩和計算により検討する。また，放射光により得られる動径分布関数との比較により解析の妥当性を検討する．
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| Causes of Carryover |
今年度は添加元素や母材となる樹脂の影響に関して幅広く実験を実施したため，試薬や試験用鋼板などの消耗品の購入が大部分となり，設備の購入を見送ったため次年度使用額が生じた。なお，次年度使用額については新たに鋼材表面に3次元塗膜構造を創成するための3Dプリンターおよび第一原理計算に用いる解析用計算機の費用とする予定である．
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Research Products
(5 results)
