防食塗膜の影響を考慮した鋼/CFRP異種材構造接着継手の設計強度評価手法の構築

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K04873
• Research Institution: National Institute of Maritime, Port and Aviation Technology
• Principal Investigator: 岩田 知明 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, 海上技術安全研究所 産業システム系, 物理システム研究グループ長 (50358397)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 防食塗膜 / 構造用接着剤 / 異種材接合 / 造船 / ミリオーダー接着層厚 / 引張せん断強度 / ＣＦＲＰ / 鋼

Outline of Annual Research Achievements

防食塗膜要件の選定に関しては、デッキ・上構・外板など暴露部の各区画への汎用的な用途として実績のある耐水性・防食性・耐海水性に優れた防食塗料・プライマー・上塗り塗料を調査し、3種類の組合せのエポキシ樹脂塗料を選定した。この3種類を評価対象として、今年度は吸水後乾燥回復試験を実施し、この中から次年度以降に実施する環境劣化促進試験の塗料を選定することとした。
吸水後乾燥回復試験の吸水温湿度条件は、申請時の計画通り、低緯度地域を航行する外航船の甲板上の日中の最高表面温度を踏まえ75℃90%RH（相対湿度）で行った。しかしながら、この温湿度は塗料メーカーが想定している連続暴露の最高温湿度を超えており、夜間の冷却効果が反映されないなど、実環境以上に腐食が促進し、3種類のうち最も防食効果に優れた塗料であっても、腐食を完全には防食できず、被着材鋼板の接着面端部に腐食が確認された。その結果、塗料B及び塗料Cの結果は、暴露時間が1,000時間を超えると、劣化後の強度保持率（劣化後の平均強度/初期の平均強度）Ed は0.5 を下回り、劣化後の変動係数（標準偏差/平均強度）CVは、許容不良率PDA=1/100,000 とする場合の劣化後のばらつき係数（必要とされる接着強度の下限/劣化後の平均強度）Dy>0.40 に相当するCV<0.14 を大きく上回った。一方、塗料Aの結果は、Ed は同様の傾向を示したものの、3種類の塗料の中では最も高い値であり、90日に相当する2,160時間の吸水過程及びその後の1,000時間を超える乾燥回復過程を通して、CVは0.14 以下の値が維持された。よって、塗料Aが塗装された構造接着部の強度は、劣化後のCVが十分小さく、船舶と設備に関する基準作成や検査を扱う日本海事協会のガイドラインを満足しており、次年度令和2年度は、この塗料Aを用いて更なる接着部の環境劣化評価を行う。

Current Status of Research Progress

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

Reason

申請時の計画では、先行研究「造船用ミリオーダー接着層厚の鋼/CFRP構造接着継手の長期信頼性評価法の構築（課題番号：15K06629）」において選定・評価した構造用接着剤を、本研究においても評価対象とする予定であった。一方、船舶防火構造規則では、船舶構造の防火仕切りに、国際海事機関海上委員会安全決議の付属書「2010 年火災試験方法の適用に関する国際コード（以下2010 FTP CODE）」の「表面燃焼性試験」で規定される低火炎伝播特性が要求される。設計自由度向上の観点から、造船用の構造用接着剤の基本的な要件として、2010 FTP CODEで規定される低火炎伝播特性は、多くの造船所から求められていた。本研究の申請後である2020年になってから、構造用接着剤では初めて、Scott Bader Co. Ltd社製CRESTABOND(R)のうちM7-05及びM7-15が、2010 FTP CODEの認証を取得した。M7-05及びM7-15は申請時の計画で予定していた接着剤と同じ系統の第二世代アクリル樹脂系接着剤(SGA)であり、本研究では、可使時間・硬化時間に対する造船所ニーズも踏まえてM7-15へ評価対象接着剤を変更した。なお、被着材、試験片形状、接着層厚、接着面前処理は申請時の計画通りである。
「研究実績の概要」に記載した通り、吸水後乾燥回復試験結果の強度評価により、強度保持率が高く変動係数の低い適切な塗膜条件を抽出し、また、令和2年度に実施する試験用の試験片製作についても令和元年度中に準備を進め、令和2年度4月に製作を開始している。よって、申請時の計画通りに実施中であり、おおむね順調に進展している。

Strategy for Future Research Activity

今年度の吸水後乾燥回復試験では、評価対象とした3種類のいずれの塗料においても、乾燥回復過程における暴露時間1,000 時間超のEdの値は低下はしなかったものの、温湿度条件が連続暴露としては高すぎたため、強度の回復効果は確認されなかった。そこで、実環境以上の腐食促進を回避するため、次年度令和2年度は、内航船の最高表面温度を踏まえ、恒温恒湿劣化促進試験を兼ねた吸水後乾燥回復試験の温湿度条件を、申請時の計画から50℃90%RH並びに65℃90%RHに変更して実施する。令和元年度の吸水後乾燥回復試験において最も防食性能に優れ、劣化後の変動係数（標準偏差/平均強度）CVが十分小さい塗料Aを防食塗膜として施工した接着部を評価対象とし、強度保持率低下時間と温度の関係から、アレニウスプロットによる更なる接着部の環境劣化評価を行う。最終年度は、塩水噴霧試験と紫外線暴露試験を実施し、劣化因子毎に強度保持率・ばらつき係数・変動係数・許容不良率・安全率の裕度を定量的に明らかにし、統計評価により長期信頼性を数値化し、各劣化係数が組み合わされた設計許容強度と防食塗膜要件の関係を明らかにする。国内溶接学会講演会や構造接着国際会議などにて研究発表を行う。

Causes of Carryover

「現在までの進捗状況」に記載したとおり、本研究の評価対象接着剤を、多くの造船所から求められる要件に適合した低火炎伝播特性の構造用接着剤に変更したところ、日本国内に技術拠点を持たない海外メーカーの製品のため、過去に製作実積のある他の海外メーカーの試験片製作時と同様に、接着層厚（３±０．５）ｍｍの誤差で製作するには、申請時に計画していた国内接着剤メーカーと比較して高額となり、試験片製作費が不足する見込みとなった。そこで、交付予定の総額は申請額の６６％となったことも鑑み、３年間の研究計画期間全体での評価項目（塗膜条件の種類、暴露時間、試験本数、温湿度条件）を見直して、必要な試験片本数を申請時の計画本数２５０本から１３５本に減じることにより、初年度である令和元年度の予算を節約し、２年目となる令和２年度以降に予定している試験片製作費を確保することとした。なお、このように評価項目数を調整する必要が生じたため、申請時の計画通り、2～3年目で実施する環境試験において、塗膜条件を1条件のみとする。
上記節約により生じた次年度使用額を用いて、研究計画期間全体を通して見直した評価項目に対して劣化促進試験を実施する。