2014 Fiscal Year Annual Research Report
ナノ繊維による炭素繊維強化複合材料の超長寿命化機構の解明とプリプレグの開発
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26289012
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| Research Institution | Doshisha University |
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Principal Investigator |
藤井 透 同志社大学, 理工学部, 教授 (20156821)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
大窪 和也 同志社大学, 理工学部, 教授 (60319465)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 複合材料 / 疲労 / ナノ繊維 / 耐久性 / 高分子 / セルロースナノ繊維 / ハロイサイト / プリプレグ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
CFRPのｴﾎﾟｷｼ（EP）母材にCNF(Cellulose Nano Fiber)を微量添加させる（CNF変性と呼ぶ）と100万回を超える高サイクル疲労寿命は，数倍から数十倍確実に伸びることを再度確かめた．EP母材のCNF変性により樹脂とカーボン繊維の見かけの接着強度が増すことも再確認された．
「他のNFでも同様な効果があるのか，NFの特性に依らず，細くて長ければ耐久性は上がるのか」を明らかにするため，ﾋﾞﾆﾙｴｽﾃﾙ樹脂（VE）を用いたCFRPについてNF変性効果を確かめた．NFとして，以前のPVA-NFより剛性が格段に高いﾊﾛｲｻｲﾄを用いた．ﾊﾛｲｻｲﾄによってもCFRPの静的強度および破壊じん性値は向上する．衝撃強度への効果も認められた．PVA-NF同様，見かけの接着性も顕著に向上する．一方，太いガラス繊維では，CFRPの耐久性は損なわれる．カーボン繊維の1/3程度以下の太さの繊維でなければ母材の変性効果は無いことが示唆された．
次に，NFがどのようにCFRPの耐久性を高めるのかを明らかにするため，予めCNFをカーボン繊維表面に付着させ，これを強化材とするEPﾍﾞｰｽのCFRPを作成した．ｴﾀﾉｰﾙ置換したCNF希釈溶液にカーボン繊維を浸し，その表面にCNFを付着させた．この場合，高い耐久性が得られなかった．すなわち，NFは母材樹脂中に分散し，樹脂／繊維境界面には付着しない方が見かけの接着強度も上がる．
最後に，CNF変性したEP母材を用い，福井県工業技術センターの協力を得て，一方向カーボン繊維ﾌﾟﾘﾌﾟﾚｸﾞを試作した．この場合，CNFはエポキシ母材重量の1%含有させた．これを用い，0/90クロスプライ材を積層・成形し，その静的・動的強度特性を調べた．その結果，静的強度について，10％程度の向上が認められるとともに，落球衝撃に対して効果のあることが分かった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
福井県工業技術センターのご協力により，本研究のゴールの一つである，CNF変性したエポキシ樹脂を用いた一方向炭素繊維プリプレグを試作することができた．その特性も一部明らかにすることができた．その結果は当初の期待通りであり，CNF変性の実用性について，大きな知見を得ることができた．また，鳥取大学のご厚意により，これまで使っていたCNFより一層微細な，差渡し系径が数nmのナノ繊維：キチン繊維の提供を受け，これによりエポキシ母材を変性したCFRPを作成することができた．これを用いることにより，CNF変性メカニズムについて，新たな知見を得ることができつつある．
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の計画以上に順調に実験と，メカニズム解明に必要な知見が得られつつある．そこで，一部計画を前倒しにし，CNF変性したプリプレグの試作を一層進め，CNF変性の有効性を実績面から推進する．これまでナノ繊維（NF)による母材の物理変性は熱硬化性樹脂にのみ有効と考えてきた．しかし，これまでの知見を検討すると，熱可塑性樹脂にも有効である可能性が高いと考えられる．NFにより樹脂／繊維界面の見かけの接着強度が高まることから，リサイクルカーボンb繊維のように，繊維表面サイジング材が消失した繊維についてもNF変性により樹脂／熱可塑性樹脂界面の接着性が高まれば，同カーボン繊維を有効に活用できる範囲も増えるのではと期待し，こちらにもNF変性を急ぎ展開する．加えて，山梨大学のご協力が得られるので，新たなナノ繊維を用いた樹脂変性を試したいと考えている．また，メカニズムの解明と，ナノ繊維の産業面での活用の場を広げるため，山梨大学の協力を得て，ポリアミドなどの新たなナノ繊維を利用する方向で実験を進める．
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| Causes of Carryover |
3月初めに，新たにカーボン繊維を購入する必要があったが，年度末で納品が所定の期日までに間に合わないことが分かったためである．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
平成26年度末，購入予定していたカーボン繊維布の購入に充てる．
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