2017 Fiscal Year Annual Research Report
湾曲天然繊維の強化機構を利用した高強度グリーンコンポジットの開発
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26709003
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| Research Institution | Kindai University |
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Principal Investigator |
野田 淳二 近畿大学, 生物理工学部, 准教授 (00398992)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | グリーンコンポジット / 有限要素法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
環境親和性を備えた天然繊維強化複合材料（GC）は，輸送分野における構造材料としての利用が強く期待されている．天然繊維の破断ひずみはガラス繊維のそれと比べて大きいため，成形中に工夫することにより繊維の折損を防ぐことができる．本研究では，未折損の湾曲した長い天然繊維を多く含むGCの成形法を開発し，複雑な形態で樹脂中に内在する天然繊維の強化機構を実験的・解析的に明らかにすることにより，従来GC材よりも，高強度を有する新規GCを開発することを目的とした．
平成26，27年度は，開発した多重ピン補助樹脂含浸法により成形したGC材内部の300本の繊維形態を観察し，湾曲繊維を調査した．また，表層および内部の研磨面において400本の2次元繊維形態を観察し分類した．その結果，表層では，金型による凍結層の影響で湾曲や屈曲した繊維が多く観察され，内部では繊維長が比較的長く流れ方向に配向した繊維が多く観察された．
平成28，29年度は，天然繊維の定量供給を可能とする天然繊維束・PPシートを用いたGCプリプレグ作製装置を開発した．開発したGCプリプレグから成形したGC射出成形材は，繊維の従来法ではヤング率で8.6%，引張強度で3.5％あったばらつきを，それぞれ，3%，1.3%に抑えることに成功し，材料信頼性の向上を達成した．また，走査型電子顕微鏡内で予負荷観察が可能な小型冶具を製作し，低繊維含有率GCにおける破壊の様相を観察した．有限要素法解析援用による湾曲繊維がもたらす応力場と破壊起点部の関係が調査できるシステムを構築した．電子顕微鏡内で観察した多くの湾曲繊維破壊写真から，特徴的な湾曲繊維を選別し，30個の有限要素法モデルを構築し，繊維の湾曲に伴う応力分布と破壊起点部の関係を調査した．その結果，開口型き裂とせん断型き裂の混合き裂の発生に繊維の湾曲が大きく寄与していることを明らかにした．
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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
平成29年度は，これまでに実施してきた成形法開発・改良，繊維の観察，有限要素法解析に基づく高強度化機構の解明等より得られた知見を参考に試作したGC専用押し出し装置をベースとする新たなプリプレグ作製装置を運用し，天然繊維ストランド本数やPPシートの厚さ，送り速度，加熱温度などの様々な条件を割出し，より繊維分散性が高く高強度，高剛性のGCペレットの開発を行った．その結果，平均繊維長で970μm（従来値：200μm，目標値：1000μm），引張強さで1.45倍，ヤング率で2.3倍のGCペレットが開発でき，大幅な高強度化に成功した．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成26~29年度に開発した長繊維GCペレット創製装置および定量供給プリプレグ装置とそれにより作られた射出成形品の繊維形態等の知見を基に，高強度化GCペレットの創製に成功した．さらに実用化を拡げる薄層金型への成形が可能な天然繊維専用定量フィーダーも開発した．このGC材はさらなる高強度化が実現できることがわかったが原理は不明である．補助事業期間を延長して繊維の分布観察をこの新たな薄層GC材で行い，高強度化機構の解明を行う．
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| Causes of Carryover |
平成29年度までに開発した自作押出機およびGC専用定量フィーダーを用いることにより，長繊維化，高剛性，高強度，高分散のGCペレットが創製可能となった．本技術を利用すると，従来のガラス繊維や炭素繊維を強化材としたペレットを用いた射出成形では困難な薄さ1mm程度の薄層化が可能になると考えられる．薄層化による繊維の分散性悪化や繊維未流動などが解決できる可能性が高く，本研究で開発したGCペレットのみ可能な薄層GC板の成形が期待される．そこで，平成30年度は，薄層化GC材の成形条件を検討し，繊維形態観察を実施して長繊維化，高剛性，高強度，高分散に加え，薄層化，高信頼性GC材料の開発を行う．
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Research Products
(2 results)
