2019 Fiscal Year Research-status Report
カーボンナノファイバーマットの空間デザインによる新規重油回収材料の開発
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19K15128
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| Research Institution | Nagano National College of Technology |
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Principal Investigator |
滝沢 善洋 長野工業高等専門学校, 一般科, 講師 (10795082)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | カーボンナノファイバー / ナノファイバー / 不織布 / 重油回収 / 電界紡糸 / 機能性材料 / 画像処理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成31年(初年)度の計画は、①電界紡糸装置(20x20cmの試料調製用)を作製すること、②ナノファイバーマット(不織布)(以下NFMとする)の作製とその不融化処理、炭素化処理の検討を行うこと、③材料の評価と重油吸着量の調査を開始することであった。初年度は材料を作製する環境を整えること、ファイバー間の空間を化学的・物理的手法でデザインし機能性材料を開発するという研究方針の確認を行った。
「研究の具体的内容」は以下の通りである。(i)電解紡糸装置は高圧電源装置、ドラムコレクター、シリンジポンプで構成した。この装置を用いることで20x20cmの試料が作製可能となった。(ii) ポリアクリロニトリル樹脂(7―10％)をジメチルホルムアミドに溶解した樹脂溶液を原料とし、NFMを作製した。得られたナノファイバーの直径は約100-500 nmとなった。これらを不融化処理(280℃、3h)し、炭素化(≧800℃)することで、カーボンNFMを作製した。カーボンNFMの形状は炭素化前のNFMの形状で決定されるため、紡糸の際の樹脂溶液の濃度等を変化させNFMを作製し、材料の評価を行った。(iii)炭素化前後のNFMの材料評価とその評価の妥当性の検討を開始した。具体的には走査型電子顕微鏡、赤外分光、重油吸着量を用いた評価を行った。NFM内の空間は、SEM像に対し画像処理の手法を用いて算出した。重油吸着量とNFM内の空間の大きさには相関がみられ、空間の大きさを最適化することで重油吸着量の制御が可能であることが確認できた。また、重油吸着量と表面状態(表面化学)による相関も確認することができた。
「意義、重要性」は、計画通りNFM間の空間を分析しながらデザインすることができれば、新規の重油吸着材料が実現でき、水環境・海洋環境の保全に貢献できることにある。
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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
平成31年度は、当初の計画通り、研究を開始する環境を構築することに注力した。具体的には電界紡糸装置の作製である。電界装置は高電圧装置(15 kV印加可能)、シリンジポンプ、ドラムコレクターから構成され、20x20 cmのサンプルを作製することができた。実際にこの電界紡糸装置を利用し、ポリアクリロニトリルナノファイバーマット(NFM)を作製し、不融化処理を行った後、炭素化処理を行い、カーボンNFMを作製することができた。実験の準備段階で利用していた長野高専で所有する既存の装置(直径3 cmのサンプル作製可能)でのデータを元に、NFMの作製条件の検討を行った。作製したサンプルについて、走査型電子顕微鏡(SEM)、赤外吸収(IR)での測定、画像処理によるファイバーマット内の空間の算出、重油吸着の試験を行った。その結果、重油吸着量と空間の大きさ、およびナノファイバー表面の化学的状態がある条件時に重油吸着量が最大となり得るおおよその傾向が観られた。この結果は当初の目的であるNFMの空間をデザインすることで、新規の重油回収材料となる可能性を示唆するものである。以上の理由から現在までの進捗は概ね順調に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度ではカーボンナノファイバーマットを作製し、重油吸着性能の評価を行った。今後の研究の推進方策として、引き続き印加電圧の制御、樹脂溶液の濃度、異種物質の添加等によりNFM内の空間の制御を検討し、画像処理で空間の大きさを調べ、重油吸着量との関係を調べる。この一部として、ヘリカル形状を持つカーボンナノファイバーマットの作製も視野に入れ研究を行う。具体的な方法としてJ. Yu (Eur. Polym. J., 44, 2008)、Y. Zhao(Adv. Sci., 1, 2017)らによるヘリカル形状のポリマーナノファイバーの作製方法を応用し、本研究の対象となるカーボンナノファイバーへ展開することも試行、検討する。作製したサンプルに関してはSEM観察、画像処理による空間測定、重油吸着試験、IR測定、およびXPS測定等を行い新規重油吸着材料の開発に向けて研究を推進する。
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| Causes of Carryover |
当初、初年度に電界紡糸装置と電気炉を科研費で購入することを予定していた。電界紡糸装置は他の研究予算で準備することができ、電気炉は既存の設備を利用することで対応することができた。平成31年度(初年度)に生じた次年度使用額は、初年度に購入を予定していた樹脂溶液の脱泡装置、およびカーボンナノファイバー調整用の電気炉の購入に充てる予定である。
また、令和2年度分に請求した助成金は物品費として炭素化用ガス、試薬類(原料樹脂、有機溶媒、官能基導入薬品、添加剤等)、実験器具 (顕微鏡観察用ホルダー、ガラス器具、サンプル瓶等)の購入を予定している。旅費の使用については新型コロナウイルスの影響で当初の計画通りにはいかないことが予想される。参加を予定していた日本化学会、口頭発表が予定されていた国際学会Carbon 2020(京都)が中止となり、12月に予定されている国際学会PACIFICHEM 2020についても、現在渡航について予定が立てられない状況にある。したがって、当面の計画として研究にともなう国内の研究機関への旅費として\150,000を充て、残りに関しては状況に応じて令和3年度に繰り越し、研究活動を推進するため有効に運用したい。
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Research Products
(1 results)
