2019 Fiscal Year Research-status Report
炭素繊維を上回るスーパー繊維の設計と複合材料への応用展開
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18K19109
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| Research Institution | Japan Advanced Institute of Science and Technology |
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Principal Investigator |
山口 政之 北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (40401947)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2021-03-31
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| Keywords | ポリビニルアルコール / 繊維 / 複合化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ポリビニルアルコール（PVA）は日本でその繊維化が研究され実用化している。そのため、古くからPVAを対象とした研究は広く実施されてきた。それらの研究によるとPVA中には水素結合が強く作用しさらには結晶が存在するため剛性が極めて高い。本研究ではPVA繊維の高性能化やそれを利用した高性能材料の設計を行っている。
今年度の研究では、熱可塑性樹脂であるポリプロピレン（PP)を二軸押出機に投入し、そこにPVAの水溶液を注入し混合した。押出機途中に設置したベント孔と呼ばれる出口から水分を蒸発させることで、微細な繊維形状となった水溶性高分子であるPVAを、PP中に均一に分散させることに成功した。なお、ここで用いた二軸押出機は、一般的な装置に比べてベント孔が長い特殊な装置である。さらに、ベント孔に強い負圧を与えることで効率的に脱気を行っている。また、PVA水溶液は送液ポンプを用いてサイドフィーダー（押出機に設置された途中の試料投入孔）から添加されている。添加される場所では、PPはすでに溶融状態となっている。
さらに、このブレンド物を射出成型することにより、剛性が極めて高い複合材料を得ることができた。この試験片の構造解析を進めたところ、PP結晶は、PVA繊維からトランスクリスタルとして成長し、極めて高い配向度を示すことが判明した。結晶化温度もバルクからの結晶化に比べて高く、結晶核剤的な作用を行うことが明らかになった。これの試験片の力学特性、熱特性を調べたところ、ヤング率、降伏強度の大幅な増加に加え、熱変形温度も高くなることが判明した。同様の現象は、カーボンナノチューブを添加した系や、ガラス繊維を多量に充填した際にも観測されるが、比重が低く、コストパフォーマンスに優れる材料として、その工業的な応用範囲は多岐にわたると推測される。
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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
実験に用いた二軸押出機のスクリュー構成やベント孔、注入ノズル（サイドフィーダー）などの設計に想定外の時間を要したものの、一旦、設計できてからは実験は順調に進んでいる。これまでに何とか当初の予定通り試料を作成し、構造と物性の評価に着手することに成功した。
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| Strategy for Future Research Activity |
分散させるPVAの高剛性化を図るとともに、PP複合化のみならず他の熱可塑性樹脂への展開も試みる。また、混合方法の最適化を図る研究も必要である。
材料的には、どのようなPVAを用いることが適切なのか、再度、検討する必要がある。特に、PPに対してなぜ結晶核剤能を示すのか不明な点が多く、結晶化に関する基礎的な研究を必要とする。それによって研究全体が効率的に進むと考えている。
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| Causes of Carryover |
今年度は当初予定と大幅に変更することなく使用したものの、前年度分の余りがそのまま残っている。最終年度は試作費用などが必要となるため、この予算でちょうど研究遂行が可能になる予定である。
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