質感と力学特性に着目した傾斜機能プラスチックの開発

2019 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 19H04411
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: 寺内 文雄 千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (30261887)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 佐藤 浩一郎 千葉大学, 大学院工学研究院, 准教授 (40598330) ; 須田 高史 群馬県立産業技術センター, その他部局等, 係長 (50522372) ; 久保 光徳 千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (60214996)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: プラスチック / 機能傾斜材料 / 質感 / 熱可塑性樹脂 / 熱硬化性樹脂

Outline of Annual Research Achievements

初年度である本年度は，質感および機能が徐々に変化するプラスチックサンプルを作製することを目的とした．まず熱硬化性樹脂を対象として傾斜機能材料サンプルの作製を試みた．対象とした樹脂はエポキシ樹脂と常温硬化型のシリコーン樹脂で，これらの質感を連続的に変化させることとした．エポキシ樹脂を用いた場合は，樹脂に様々なフィラーを充填することで，その硬さを増減させることとした．具体的には，樹脂が完全に硬化する前に異なる種類や割合のフィラーを加えた樹脂を積層することによって作製した．一方，シリコーン樹脂を用いた場合は，樹脂を異なる割合で希釈することで，よりやわらかい複数のシリコーン樹脂製サンプルを作製した．作製したサンプルのやわらかさの違いは圧縮試験によって定量的に把握すると同時に，被験者実験によって，やわらかさが変化することによる印象の変化について検討を行った．これにより被験者が好ましいと判断するやわらかさの程度とシリコーン樹脂の希釈割合を明らかにすることができた．
並行して熱可塑性樹脂を対象とした傾斜機能材料の作製を試みた．納品された二軸押出機と既存の混錬試験装置を用いて，温度やトルクを観察しながらポリプロピレンにフィラーの割合を連続的に変化させて押出成形を行った．これにより，ポリプロピレンに混錬されるフィラーの割合によって，その外観が徐々に変化していくことが確認できた．
その一方で，異なる色相のペレットおよび異なる材料を手動射出成型機のシリンダーに前後して投入し射出成形した場合は，押し出された樹脂の外側と内側にそれぞれの樹脂が流れてしまい，色相や質感を連続的に変化させることができないことを確認した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

熱硬化性樹脂，熱可塑性樹脂を対象としたいずれの場合も，質感や力学特性を変化させるという当初の目的は達成できた．またそのための具体的な方法を明らかにすることができた．熱硬化性樹脂を対象とした場合は，まずエポキシ樹脂の硬さや質感の印象をフィラーによって変化させることを試み，その結果が概ね想定していた範囲内であることを確認した．これに対し，シリコーン樹脂を対象とした場合は，この樹脂自体を希釈することによってやわらかさを変化させ，よりやわらかなサンプルを複数種類作製することができた．この方法は当初は想定していなかったものであるが，研究の幅を広げるうえでは有意義な知見になりうると考えられる．その後，作製したサンプルの印象を被験者実験によって定性的に把握できたことから，当初の目標はほぼ達成できたと考えている．
その一方で，二軸押出機の納品が３月上旬へと遅れたことは，やや想定外であった．しかしながらその後の実験によって，連続的に質感ややわらかさを変化させられることが確認できた．また事前に行った手動式射出成型機を用いた予備実験においては，成形品の特性を徐々に変化させることはできなかったものの，この結果から樹脂の流れを利用して射出成型品の内側と外側をそれぞれ異なる樹脂にできる可能性が示唆された．以上のように，当初計画していた本年度の目標を概ね達成するだけでなく，想定していなかった複数の知見を得ることができた．

Strategy for Future Research Activity

熱可塑性樹脂を対象とした場合は，二軸押出機を用いて３種類の３Dプリンタ用フィラメントの作製を行う．最初に色相が徐々に変化するフィラメントを作製し，ついでポリプロピレンとポリプロピレン系エラストマーを用いて，弾性が徐々に変化するフィラメントを作製する．最後にフィラメントに混錬する各種フィラーの割合を変化させながら押し出すことで，フィラメント中のフィラーの割合が徐々に変化するフィラメントを作製する．フィラメントを作製した後，これらと購入予定の熱溶融積層方式の３Dプリンタを用いて立体物の造形を行う．そして得られた造形物を対象として，被験者を用いた印象評価実験と立体物各部の力学的特性の測定を行い，印象と機能が徐々に変化する立体物となっているかについて検証を行う．
一方，熱硬化性樹脂を対象とした場合は，まず常温硬化型のシリコーン樹脂を用いて，そのやわらかさを連続的に変化させることができるか否かについて検討を行う．そして，連続的にやわらかさを変化させるための具体的な方法を明らかにした後，その変化の程度を変えた立体物を複数作成する．ついで高透明なシリコーン樹脂を用いて，柔らかさに加えて色相やフィラーが徐々に変化する造形物の作製を行う．またエポキシ樹脂を用いた場合は，すでに連続的に変化させる具体的な方法が明らかになっていることから，シリコーン樹脂と同様に，高透明な樹脂を用いることによって色相やフィラーが連続的に変化するような立体物の作製を試みる．最後に得られた知見を活用して，従来のような均一な単一素材では実現不可能な新たな質感や機能を有する製品を提案することを最終目的とする．