2021 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, 准教授 (10795082)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ナノファイバー / カーボンナノファイバー / 電界紡糸 / 重油回収 / 画像処理 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和3年度の実施計画は、①ナノファイバーマット(不織布状)(以下NFMとする)の作製とその不融化処理・炭素化処理の最適化の検討、②観察と分析、重油吸着性能評価、③重油吸着のメカニズムの解明であった。これまでに画像処理によってNFMの空間の大きさや分布を算出し、重油吸着量との相関を調べ、ナノファイバー表面の親・疎水性およびNFMの空間と重油吸着量には相関があることが分かった。令和2年度には、セラミック板に挟んだ状態での不融化処理(空気酸化、280-300℃、3時間以上)と炭素化(不活性雰囲気、800-1000℃、1時間)で得られるカーボンナノファイバーNFMの機械的強度は低く目標とする海上での重油回収には不十分であることが課題となった。
「研究の具体的内容」は以下の通りである。 (i)不融化処理の最適条件の検討を目的としたNFMの引張荷重を掛けながらの不融化処理：不融化処理中(280℃、3h)にNFMにca. 20-30 kPaの引張応力を加えることで繊維方向への炭素六角網面の配向による機械特性向上を試みた。(ii)NFMの表面状態の分析を目的とした赤外吸収分光(IR)測定：炭素化前後のNFMの官能基を測定し、重油吸着量との関係を調べた。(iii)空間の制御を目的とした形状の異なるNFMの作成：原料樹脂溶液に塩化カルシウムを添加しナノファイバーの作製を試みた。(参考：Nartetamrongsutt K, Chase G (Polymer, 54, 2013))。
「意義、重要性」は、NFM内の空間を分析・デザインすることができ、さらにカーボンNFMとすることができれば、新規の重油吸着材料の実現が期待でき、水環境・海洋環境の保全に貢献できることにある。また、特に空間の評価方法に関しては医療用マスクや空気の浄化フィルターのような不織布製品の性能向上にも貢献できる可能性がある。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
令和3年度は、令和2年度で課題となった炭素化後のNFMの機械特性の向上に関しての課題に取り組みながら、NFMの空間の制御とNFMの表面状態の分析を行った。具体的には赤外吸収（IR）測定によりNFMの表面官能基を調べること、引張応力をかけながら不融化処理し、応力方向に炭素網面を配向させることを目指した。オンラインで開催されたPacifichem2021でこれまでの成果を発表した。
これまでの研究で炭素化により表面がより疎水的になることで重油吸着量が約6倍(NFMの炭素化前後での比較)大きくなることはわかっているが、IR測定により炭素化後にC-O, C-O-H, C-O-Cなどの官能基の減少を確認しより定性的に評価することができた。炭素化の際にNFMを積層し、50 MPaで圧縮炭素化することでフィバー同士が部分的に融着しブロック状になることで強度が強くなることは確認できている。しかし、通常の炭素化の場合と比べ、NFM内の代表的な空間は2.0μm (通常の炭素化の場合3.4 μm)になり、重油をほとんど吸着出来ない。引張応力を掛けて作製した不融化NFMと、応力を掛けないで作製したNFMについて屈曲による簡易的な試験を行った。引張応力を掛けないものは部分的に欠損したものの、応力を掛けたものはより柔軟性を持つ傾向が見られた。
しかし、未だに炭素化後のNFMの機械特性は低く、ターゲットとした海上での重油吸着には不十分である。したがってさらなる不融化・炭素化処理の最適化の検討と同時に機械的特性の定量的な評価が必要である。また、感染症の状況から他研究機関への移動が制限され大型機器を利用しての測定などが滞ったこと、研究以外の対応が増えたこと、予定した学会が中止や延期になったことで研究活動に充てられる時間が当初の計画よりも少なくなった。以上の理由から、進捗はやや遅れていると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の推進方策として、引き続き作製したカーボンNFMの空間の把握と重油吸着量に注目して研究を行う。具体的にはサンプルのSEM観察と、そのSEM像から空間の大きさや体積分率の算出、IRやラマンスペクトル測定によるNFM表面の官能基の調査、重油吸着量を系統的に評価し、NFMの空間と重油吸着との関係を明らかにしながらまとめる。
また、令和4年度より新たに開始する科研課題(22K14354)では、特にこれまでの研究で課題となっているNFMの機械特性の向上に着目し研究を行う。具体的には不融化処理時に引張応力をかけることによるNFMの不融化手法の最適化の検討とX線回折やラマンスペクトル分光法による炭素組織の調査、オゾン酸化による不融化の検討と、引張試験やナノインデンター等によるNFMの機械特性の定量的評価を行いたい。
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| Causes of Carryover |
令和3年度に次年度使用額が生じた主な理由として、新型コロナウイルス(令和2-3年度の2年間)の影響で当初参加予定した国際学会への渡航と、サンプルの測定やディスカッションを目的とした国内への研究機関への移動が制限され、旅費の執行が予定通りになかったことが挙げられる。これに関して次年度使用額(\679,833)は、サンプル作製と測定や観察に利用する消耗品(\229,833)、電界紡糸に用いる樹脂溶液を作製する際に利用できる脱泡装置のアダプター(\100,000)、大型装置利用や実験のための国内研究機関への旅費(\150,000)、オンラインでの参加も想定した学会への参加費(\200,000)として使用することを計画している。
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Research Products
(1 results)
