2020 Fiscal Year Annual Research Report
Creation of Functional Polymer Materials by Nano-filler Network Formation Processing
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19H02501
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
木原 伸一 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 准教授 (30284524)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
滝嶌 繁樹 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 教授 (10188120)
宇敷 育男 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 助教 (30734850)
瀧 健太郎 金沢大学, 機械工学系, 教授 (70402964)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ポリマーナノコンポジット / ナノフィラーネットワーク / 超臨界流体混練 / 泡 / 熱伝導性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、従来きわめて困難な30vol%以上の高濃度でポリマー中にフィラー分散し、フィラー界面間を部分的に100nm間隔以下の拘束領域にし、その界面領域の特性を顕在化させた機能性材料の創出を目指す研究である。具体的な目標は、① 微細な多数の泡を使った温和なミキシング技術の高度化、② ポリマー発泡を利用したナノフィラー群の三次元界面領域を形成する、従来の視点とは異なる、ポリマー系ナノコンポジット開発方法の提案であり、研究期間において、本プロセッシングを実証し、高熱伝導性や高断熱性ポリマーを創出することを目標としている。
本年度は、超臨界CO2混練したCNT/ポリマー系材料の熱伝導性の評価にあたり、サンプル作成時のプレス成形の影響、測定温度の影響を検討した。本研究では、評価試料を一軸圧縮成形により作成しているが、CNTが高濃度化するにつれて接触点数や欠陥導入にプレス圧力や変形による配向の影響が大きいと推定される。CNT欠陥導入が少ないと考えられる、ポリマーが十分溶融している温度で圧縮成形（最大30MPa）すると、CNT濃度が1wt%程度まではプレス圧力の影響はほぼなく、10wt%ではプレス圧力が増加するにつれて熱伝導率は増加し、プレス圧力が5MPa程度の場合に比べて30MPaでは1.7倍増加した。密度はほぼ違いがなく、熱拡散率が増加しており、CNT間の接触部分が影響している。また、そのサンプルの室温からポリマーのTg以下での熱拡散率はほぼ一定であった。他方で、直径が異なるCNTを合計で1wt％の濃度で超臨界混合し、CNT間の接触に不均一性を誘発させる、バンドル形成抑制効果を検討した。CNTの結晶化度の違いに由来する熱伝導性の変化はあったが、三次元的なネットワーク形成の違いは単一のCNT混合の場合と大きな違いはないと推定される熱伝導率の結果となった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究遂行で要となる高圧流体混練装置の高圧セルのシール部を昨年度改良し、高圧維持が容易になったが、シール部の破損頻度が増して、当初予定していた実施条件が少なく、高濃度ナノ炭素材料分散法の実験的検証が遅れている。直径の異なるCNTの低濃度混合系では、熱伝導性への混合組成の影響は小さく、昨年度の前処理CNTを用いることにより得られた、巨視的なCNTバンドル間距離が100nmを切った周密なネットワーク化で高い熱伝導性が得られた結果から、CNTの解繊（高アスペクト比化）がまず重要で、異種CNT混合においても、それぞれの解繊の前処理が必要であると推定された。他方で、CNT濃度が数wt％を超えると、試料作成時のプレス成形（一軸圧縮変形時の）圧力が熱伝導率に影響をおよぼし、混練時の解繊とその後の成形加工が熱伝導性向上に有効なCNTネットワーク形成に必須であることが明らかになった。また、積層グラフェンを15wt％、CNTを1wt％導入した系では、今回混練条件の最適化はできていないが、よりアスペクト比が高いCNT導入量で熱伝導率がほぼ決まっており、積層グラフェン自体の効果は高濃度化しても高くなかった。これは、使用した積層グラフェンの熱伝導性が低いことにも影響されているが、過去の別の積層グラフェンを使用した結果と比較すると、熱伝導率には初期のグラフェン状態が強く依存しており、濃度よりも解繊やexfoliation向上が熱伝導性に強い影響を与えることを示唆している。尚、本年度は超臨界混練時のポリマー相の可塑化効果の最適化ができていない。通常の混練よりも温度と圧力に敏感な本解繊プロセスの最適化には、超臨界CO2場での混練時のせん断応力や歪み速度変化、溶解・脱気速度等は重要であり、通常混練モデルにそれらを組み込めるモデルも必要である。
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| Strategy for Future Research Activity |
CNTや積層グラフェンの解繊条件は、その周辺のマトリックスポリマーの可塑化に強く依存するので、順次有機溶媒/CO2濃度、減圧・加温程度を調整し、CNT濃度を上昇させた場合へ適用できるように、レオロジー測定と可塑化効果を推定するレオロジーモデルを作りながら実験を進める。次に、積層グラフェンを用いて同様の実験を実施し、ポリマー鎖の運動性が低い低温域の高せん断応力場で積層グラフェンのexfoliation向上とともに、CNTとの混合モルフォロジーから高熱伝導性を達成するネットワーク形成となる混練方法を明らかにする。本研究ではナノ炭素材料間の微細気泡成長によるナノ炭素材料間の濃密な接触化が重要な界面領域形成方法と位置付けており、混練時の減圧・加温による気泡導入効果（気液界面効果）と成形サンプルのバッチ発泡実験後の圧縮成形による熱伝導性の変化を検証し、研究目的の達成に向けて研究を加速する。
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