2015 Fiscal Year Research-status Report
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26450223
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| Research Institution | Iwate University |
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Principal Investigator |
関野 登 岩手大学, 農学部, 教授 (30171341)
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2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 木質系断熱材 / 熱伝導率 / カーボンブラック / 平衡含水率 / 粗空隙 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
木片断熱材（木片マット）の性能改善すなわち熱伝導率の低減を木片表面の物理的改質から試みることが本研究の目的であり、その手法としてカーボンブラック（CB)の添加に着目した。検討項目は次の４点である。①CBの種類および添加量と木片マットの熱伝導率の関係、②CB添加による木片の水分吸着性の変化、③マット内木片間空隙の伝熱特性評価と熱伝導率低減メカニズムの検討、④実大サンプルでの性能改善効果の検証。
初年度（H26)は市販墨液を添加率2～12％（木片全乾重量に対する墨液固形分重量の比）で添加してマットの熱伝導率への影響を調べた結果、中湿度環境下（相対湿度40％）では平均で約5％（最大で約13％）の熱伝導率低下が認められたが、高湿度環境下（相対湿度80％）では墨液中の膠成分の吸湿性に起因してCB添加による熱伝導率の低減効果は認められなかった。また、中湿度環境下で発現したCB添加効果には添加量の依存性が認められなかった。これらの結果を踏まえて、本年度（H27）は吸湿性の小さいCB（印刷用インキ原料）を対象に添加率2％以下という微量添加による熱伝導率の低減効果を検討した。
結果の概要は次の通りである。平均粒子径（13～25nm)および窒素吸着比表面積（80～314㎡/g）が異なる３種のCBを用い、木片への添加率を、0％（対照）、0.25％、0.5％、2％の4水準として木片マットの熱伝導率の変化を調べたところ、吸湿性の低い2種類のCBでは0.25％という微量添加でも周囲湿度環境の高低を問わずに熱伝導率は5～6％低下し、密度65kg/m3の木片マットでは熱伝導率0.042 W/mKとなり断熱Bランクまで性能改善された。そのメカニズムを検討するため木片間粗空隙の等価熱伝導率を数値計算から求めた結果、その値はCB添加により0.045W/mKから0.042W/mKに低下すると試算された。
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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
CB添加による木片断熱材の熱伝導率の低減効果について、CBの特性と添加量の影響が本年度までの2年間で概ね明らかとなった。添加量2％以下という微量添加で、ある程度の熱伝導率改善効果が認められたことは、実用化の観点から好ましい結果と言える。なぜなら、CB添加量の低減は製造コストの低減となり、また湿式散布を想定すると木片への付加水分量が少なくなり、その後の乾燥エネルギーの節減に繋がるためである。また、プレカット由来の木片を用いた実大サイズの試験体を作製し、来年度に向けての実験計画の準備ならびに予備的な測定を実施している。一方、CB添加による熱伝導率の低減メカニズムに関して、木片マット内の粗空隙表面の改質が粗空隙の伝熱特性に影響を与えているという推測のもとに、粗空隙の等価熱伝導率を構成５要素（木材実質、CB、水分、細胞内孔、小片間粗空隙）の直列・並列モデルの複合則を用いて推定した。その値を用いて粗空隙の伝熱特性の変化という観点から、CB添加による断熱性改善のメカニズムが考察された。
一方、本年度当初は断熱性改善メカニズムの検討としてアルミ箔混入による熱線反射の実験計画を組んだが、理論的な不整合のためこれを中止し、代わりにCB含浸ガーゼをマット内に層状配置して熱伝導率の変化を調べた。しかし、実験結果からは有意な熱伝導率低下は認められず、他の手法を用いて改善メカニズムを検討する必要性が示された。
以上のような理由から、熱伝導率低減メカニズムに関しては今後も更なる検討が必要なものの、微量のCB添加による断熱性改善効果やCB特性との関係が見出されたことから、本研究は概ね順調に進展していると判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度までに得られた知見は、実験室製の木片および小型マット試験体を対象として得られたものである。最終年度は、実際のプレカット工場等で排出される木片を用いて実大サイズの木片マットを製造し、CB添加による断熱性の改善効果やその含水率依存性を検証する。
一方、CB添加による熱伝導率の改善メカニズムに関して、小片粗空隙の等価熱伝導率の変化の点から検討を進めてきたが、これは粗空隙の対流伝熱と輻射伝熱の和としての伝熱特性の変化を見たに過ぎず、それぞれの伝熱形態における量的変化を示すものではない。木片表面の顕微鏡観察からは、木片表面にCBが付着して凹凸を形成していることが確認されており、これが対流抑制にも影響している可能性もある。また、粗空隙表面の輻射量の変化を直接的に計測する方法も模索する必要がある。最終年度はCB添加による熱伝導率の改善メカニズムに関して、これまでの検討結果を整理するとともに、今後詰めるべき課題を整理する。
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