2021 Fiscal Year Research-status Report

新奇高性能プラズマによるCFRTPの融点未満の直接接合とメカニズムの解明

Research Project

Project/Area Number	19K05039
Research Institution	Kanazawa Institute of Technology
Principal Investigator	遠藤和弘金沢工業大学, 高信頼理工学研究センター, 教授 (50356606)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	和田倫明金沢工業大学, 革新複合材料研究開発センター, 研究員 (30839593) [Withdrawn] 金原勲金沢工業大学, 産学連携室, 教授 (50011101) 瀬戸雅宏金沢工業大学, 工学部, 准教授 (90367459)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2023-03-31
Keywords	プラズマ / 直接接合 / 接合メカニズム / CFRTP / 非晶質樹脂 / 固体の熱力学
Outline of Annual Research Achievements	我々は、プラズマ照射により樹脂表面に導入した官能基の寿命が長い特長を持つプラズマを用いて、CFRTPの接合を融点未満の温度で行い、36MPaという極めて強い接合強度を実現し、ボルト、接着剤、熱融着等の従来の接合法の問題点を解決した。温度については、世界で初めて、固体の熱力学的視点からプラズマによる直接説合のメカニズムを解明した。とくに融点Tm近傍のプラズマ接合では、高分子の鎖の距離が縮まり、このため熱力学的に予見される強度より、強い強度が得られることが分かった。そこで高分子の結晶性に係わるガラス転移点Tgに着目し、Tg前後の温度で、直接接合の有無を調べた。前回は、Tg前後の二点のみの温度でのデータだったため、今回は樹脂の種類と設定温度も増やして行った。その結果、PETのCFRTPについて、DSCやTMAで測定したTgは69℃であったが、予想に反し、Tg以上の100℃でも接合は起こらなかった。100℃を超えると接合強度の対数は接合の絶対温度Tの逆数に対し、直線的に上昇した。PPSのCFRTPでは、Tgは90℃であったが、予想に反し、それ以下の80℃でも接合した。PEEKのCFRTPはTgは143℃であったが、予想通り、ガラス転移点以下では接合しなかった。いずれのCFRTPも接合温度の領域では、接合強度の対数とTの逆数のプロットから、直接接合の自由エネルギー⊿Gとエンタルピー変化⊿Hが得られた。PPSとPEEKのCFRTPでは高温の高強度領域では、直線からずれて、接合強度は一定になり、CFRTP同士の接合面でないCCFRTPの母材が破壊していた。前回の結果では、高強度接合について接合強度を示したが、今回は、中程度、低強度の接合についても、ロードセルを10kN、500Nと使い分けて測定し、プラズマによる各種CFRTP同士、CFRTPと金属との接合について定量的に示した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason コロナ禍による感染予防のため、大学の規則で、実験時間や外部の関係者との対面での打ち合わせ等が制限され、従来のぺースで研究を進めることができなかった。
Strategy for Future Research Activity	プラズマ接合のメカニズムの解明するため、高温などの耐環境で使用できるエンジニアリングプラスチックスを中心に、まだ研究していない新しい材料に対象を広げ、同種マトリックスのCFRTP同士の接合、異種マトリックスのCFRTPの接合、CFRTPと金属等の異種材料の接合を行う。今後は、この研究を通して、プラズマ接合の社会実装への展開を図る。その中でも、（１）インフラと（２）モビリティーに傾注している。（１）では、国内の橋梁は高度経済成長期に集中的に建設されたため、老朽化が深刻な事態になっている。（２）では、日本、欧州、米国において、自動車の排ガス・燃費規制は年々厳しさを増しており、軽量化と剛性が求められている。そのため、我々のプラズマ照射による長寿命の官能基を付与した、高接着性CFRPシートを用いることに拠り、（1）では、橋梁補修・保護が容易になり、工程の削減・工期の短縮で人件費が削減、曲げ強度向上でメンテナンス費用削減、塩害や錆に強い。ターゲットユーザーは国や地方自治体、高速道路等の道路管理者、大手ゼネコンとそのネットワークを想定。（２）では金属との接合で、軽量かつ高強度の自動車ができる。ターゲットユーザーは自動車メーカー、成形加工メーカー、航空機メーカーを想定。
Causes of Carryover	コロナ禍による感染予防のため、実験時間や打合せの機会が制約され、研究のペースが低下した。これに伴い、当初温度を変えて接合強度を調べるCFRTPの材料について、新たに購入せずに、在庫品で間に合って実験をする事ができた。中強度、低強度の接合の接合強度の測定について、研究分担者が500Nのせん断応力測定器のロードセルを持っていたので、新たに購入せずに、実験する事ができた。今後の使用計画として、現在持っていない新しいエンジニアリングプラスチックスのCFRTPなどの材料の購入を行う。