2021 Fiscal Year Research-status Report
Elucidation of micro / nano particle phenomena in welding process of carbon fiber reinforced thermoplastics near the fiber / polymer interface
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20K05120
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| Research Institution | Kindai University |
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Principal Investigator |
西籔 和明 近畿大学, 理工学部, 教授 (30208235)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田邉 大貴 神戸市立工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (70792216)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 熱可塑性CFRP / 融着接合 / 接合界面 / 引張せん断強度 / 超音波融着接合 / 抵抗融着接合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，炭素繊維強化熱可塑性プラスチック（熱可塑性CFRP）の繊維/樹脂界面近傍での融着接合過程の現象解明を目的とし，融着接合部に添加するマイクロ・ナノ粒子の影響を解明する．本計画では，熱可塑性複合材料における抵抗融着や誘導融着，超音波融着等の加熱手法の違いや，加熱・加圧・冷却条件などの融着過程に共通する種々の条件，および融着界面におけるマイクロ・ナノサイズの粒子や繊維およびマイクロ構造体が融着接合過程での繊維/樹脂界面近傍に及ぼす現象を探求する．
本研究目的を達成するため，本年度は前年度までに得られたマイクロ・ナノ繊維と熱可塑性樹脂との複合化の知見を高度化した．具体的には，織物炭素繊維強化ポリフェニレンサルファイド樹脂積層板（織物CF/PPS）の融着接合層に，単層カーボンナノチューブ（SWCNT）および多層カーボンナノチューブ（MWCNT）を添加し，CNT/PPS融着接合層を創製した．また，エレクトロスピニング法により，熱可塑性樹脂とCNTを複合化したナノファイバの創製を試みた．実験の結果，SWCNTは極めて強い凝集力を有しているため，PPS樹脂中への均質分散は極めて難しいことが分かった．CNTの凝集の課題を解決するため，SWCNTとMWCNTでは，比表面積，ファンデルワールス力，構造やサイズに差異があることに着目した．SWCNTとMWCNTを任意の割合で調製しPPS樹脂と溶融混練したところ，CNT同士が凝集せずに，均質にPPS樹脂中に分散できる条件を見出した．作製したSWCNT-MWCNT/PPS複合材を超音波融着接合時のエネルギーダイレクタや抵抗融着接合時の抵抗発熱体として用いて，織物CF/PPSの融着接合を行った結果，PPS樹脂に対して一定量のSWCNTとMWCNTを添加した場合では，溶融面積や引張せん断強度が向上することが確認された．
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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
本研究目的を達成するため，熱可塑性複合材料の融着過程の現象解明において，4つの研究項目に分類し，“熱可塑性CFRPの繊維/樹脂界面近傍の融着過程のマイクロ・ナノ粒子の現象”を実験および解析により解明することとしている．
本年度は，“ 融着層表面へのマイクロ構造の創製と効果の検証”と“プロセスモニタリングによる融着過程の普遍的な影響因子の特定”を掲げている．本年度は，前年度に得られた知見を元に，融着接合層に単層および多層カーボンナノチューブを任意の割合で添加し，CNT/PPS融着接合層を創製した．織物CF/PPS積層板の融着接合中のプロセスモニタリングと融着接合後の引張せん断試験の結果，CNT/PPS融着接合層を用いた場合では，溶融面積が向上し，引張せん断強度が向上することが確認された．一方で，強度発現のメカニズムやCNT添加による樹脂の結晶化度への影響などについては，詳細に解明できていない．これらについては，当初の予定通り，来年度以降に熱分析や微視観察を行いながら解明していく予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度以降は，“その場観察による融着過程での繊維/樹脂界面近傍の結晶化現象および残留応力の解明”を行うため，本年度までに得られた知見を基に，融着過程における繊維/樹脂界面近傍の結晶化現象および残留応力の解明を行う．その際，繊維/樹脂界面近傍の結晶化の挙動をその場観察により評価する．また，熱分析やX線回折装置を用いて，結晶化度や残留応力を微視的に評価し，繊維/樹脂近傍の現象を明らかにする．
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由として，研究遂行に必要な消耗品や設備備品費の納期が年度を超える恐れがあったためと，学会発表および論文投稿費として充てるため，翌年度分として使用することとした．
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Research Products
(9 results)
