2020 Fiscal Year Research-status Report
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20K05622
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
西村 伸 九州大学, 工学研究院, 教授 (30567061)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
葛西 昌弘 九州大学, 水素材料先端科学研究センター, 特任准教授 (80600387)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 発泡樹脂 / 構造力学モデル / 可塑化 / 高圧水素ガス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高圧水素環境下で使用される樹脂材料について，例えばNylon11は90MPaクラスの水素曝露による結晶構造変化，高圧水素曝露後の水素含有状態で弾性率が減少し，その後水素脱離に伴い回復することが見出されている．本研究では，水素含有状態での樹脂材料の弾性率低下機構を明らかにするために，弾性率が低下した状態のNylon11を粘弾性体と高圧水素気泡からなる複合材料と考え，ポリウレタンなどの空孔率30％程度の発泡樹脂を対象とする構造力学モデル，および空孔率1 %程度の孤立した球形の空孔が希薄に存在する構造モデル[Z. Hashin, J. Appl. Mech. 50, 481 (1983), R. M. Christensen, J. Mech. Phys. Solids, 27, 315 (1979)]について，Nylon11の水素含有状態での弾性率低下現象への適用の可能性を検討した．その結果，Nylon11についての水素含有状態でのデータを再現することは困難であった．これらのモデルは基材である樹脂層に気泡が存在するモデルであり，結晶性高分子に存在する結晶領域の影響，すなわち試験片中に高圧水素環境下で水素が侵入し，微小な気泡を形成する際に，球晶構造などの高次構造の影響が考慮されていないことが要因の一つと考えられる．
この結果に鑑み，微小な気泡を含有する樹脂材料の弾性率低下に関する新たなモデル構築を試みるため，高圧水素含有状態で生成する微小気泡の構造や形状に関する情報を考慮する必要があると考えられる．このため，結晶性高分子であるNylon11の高圧水素ガス環境下での高次構造変化を明確にすることを目的として，同等の液圧により加減圧した際のNylon11の結晶構造解析および空孔生成状況を把握するため，液圧環境下での広角X線回折，X線小角散乱測定セルを開発し，圧力媒体の選定を行なった．
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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
高圧水素環境下で水素が侵入した状態で微小気泡を有する樹脂材料の弾性率低下現象について，当初計画の通り，既報に示されたいくつかのモデルの適用を試みた結果，いずれも観測した現象の再現は困難であることが判明した．水素が侵入し，含有した状態での樹脂材料を分析した結果，弾性率低下を説明しうる結晶構造変化，高次構造変化などは見出されていない．また，水素の侵入によるバルクな体積変化も極めて小さいこと，FE-SEMによる高圧水素曝露後の樹脂試験片の観察結果から，水素曝露により生成する気泡は直径0.1 μmオーダーであることも明らかになっている．このことから，気泡が低体積分率で発生しているに過ぎないことが推定された．
以上の結果から，微小な気泡を有する樹脂材料，特に，これまで評価対象としてきたNylon11などの結晶性高分子において，単に気体状水素で満たされた気泡の存在により弾性率低下が発生するのみならず，樹脂試験片に内包された水素分子の影響，例えば水素による可塑化により結果，弾性率の低下が発生することが示唆された．さらに，可塑化効果は結晶性高分子の非晶領域で発現すると考えられ，樹脂試験片の高次構造の影響を受けると考えられる．
以上，上述の知見が得られたことから，高圧水素環境下で水素が侵入した状態で微小気泡を有する樹脂材料の弾性率低下現象の数理モデル確立のための課題が整理できた状況であり，概ね予定通り研究が進捗していると考える．
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| Strategy for Future Research Activity |
微小な気泡を有する樹脂材料として，引き続き結晶性高分子であるNylon11に侵入した水素により誘起された弾性率低下現象を記述する数理モデルの構築を進める．数理モデル構築に必要となる基礎的な知見として以下三点が必要と考えており，それぞれの課題について研究を推進する．
(1) マクロスケールな解析として，水素侵入に伴う樹脂試験片のバルク密度変化，水素含有量，光透過による気泡生成量評価法[H. Ono et al, Int. J. Hydrogen Energy, 44, 23303 (2019)]による評価データに基づいて，樹脂試験片中に気体状水素で満たされた気泡が存在することで弾性率低下を再現する数理モデルを構築する．
(2) 高圧水素環境下で樹脂試験片に水素が侵入する挙動を理解するため，Nylon11の高次構造解析を進める．高圧水素ガス環境下での高次構造変化を明確にすることを目的として，開発した高圧測定セルを使用することで高圧水素ガス環境と同等の液圧により加減圧した際の広角X線回折，X線小角散乱を測定し，試験片の高次構造と空孔の生成状況，形状，寸法に関する情報取得を試みる．
(3) Nylon11試験片に侵入した水素による可塑化効果を検証するため，実験系の検討を行う．水素侵入に伴う高次構造変化等，他の要因による弾性率低下を切り分ける必要があり，非晶領域についての可塑化効果を明確にすることを目的とした実験系の構築を検討する．
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