Flame Retardancy Mechanisms by Refining Fiber Structure in Cellulosic Materials
Project/Area Number |
21K14387
|
Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
|
Allocation Type | Multi-year Fund |
Review Section |
Basic Section 25030:Disaster prevention engineering-related
|
Research Institution | Toyohashi University of Technology |
Principal Investigator |
山崎 拓也 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30882617)
|
Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
|
Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
|
Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
|
Keywords | 燃焼 / セルロース / 難燃 / 火災 / 微細化 / 繊維 / 熱分解 / 繊維構造 / 難燃材 |
Outline of Research at the Start |
紙や木材はセルロースの繊維が集積することで構成される.セルロースの繊維直径や間隔など機械的な破砕により微細化されると,燃えにくいセルロース材料となることが確認されているが,そのメカニズムは不明である.本研究では燃焼実験によりセルロースの繊維直径や間隔などの構造変化が燃焼時の火炎に及ぼす影響を実験的に調査し,繊維の直径や間隔などの変化が繊維材料の燃焼にどのように影響しているかを理論的に分析する.実験結果と理論的な分析結果を比較・検討することにより,繊維構造の微細化がセルロース材料を燃えにくくするメカニズムの解明を試みる.
|
Outline of Annual Research Achievements |
木質系材料中の繊維を機械的に微細化することにより,セルロース材料の難燃化が確認された.セルロース材料の燃え拡がりにおいて,難燃化の要因には微細化による材料の熱分解特性の変化と,繊維構造の違いによる熱・物質輸送の変化が考えられる.本研究では,セルロース材料の微細化による難燃化メカニズムを解明するため,微細化によってセルロースの熱分解特性がどのように変化するか,また,繊維構造の違いは燃焼特性にどのような変化をもたらすかに関して,それぞれ検討を行った. 機械的な微細化がセルロースの熱分解に及ぼす影響を調査するため,熱重量分析と簡易的な熱分解装置を用いた熱分解ガスのガス分析を行った.熱重量分析より,微細化した試料は熱分解反応がより低温で進行する傾向が得られた.熱分解ガスのガス分析では,等温条件下で試料を熱分解させ,生成するガスをガスクロマトグラフィーにより代表的な熱分解ガス成分(CO,CO2,CH4,H2)とその濃度を計測した.ガス分析の結果より,微細化した試料では微細化前の試料と比較してCO2が2倍近く生成されていると予測された. 繊維構造の違いが燃焼特性に及ぼす影響を検討するため,微細化せずに繊維構造の異なる試料を用いて,燃焼が可能な限界酸素濃度と燃え拡がり速度の計測を行った.繊維直径が1 - 20 μmの濾紙と和紙を繊維構造を有する試料,直径50 nm 以下のバクテリアセルロースは繊維構造の無い試料とした.繊維構造の無い試料の限界酸素濃度は,繊維構造を有する試料と比較して,有意に高い傾向が示された.また,酸素濃度を変化させ,酸素濃度と燃え拡がり速度の関係性を実験的に調査した結果,繊維構造の無い試料の燃え拡がり速度は酸素濃度に依らず10%ほど低い値を示した.繊維構造の有無で限界酸素濃度や燃え拡がり速度が変化することから,繊維構造が火炎基部付近の輸送現象に影響を及ぼすと考えられる.
|
Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
2022年度で検討を行った繊維直径と難燃性(限界酸素濃度)との関係性より,火炎の幅のオーダーが100 μm程度であることから,燃焼に影響を及ぼすと予測される繊維直径を1 μm 以上とし,1 μm 以下の繊維直径をもつ繊維で構成される材料は繊維構造を持たない材料として分類を行った.繊維構造を有する材料に繊維直径が1 - 20 μmの濾紙と和紙,繊維構造の無い材料として繊維直径が50 nm 以下のバクテリアルセルロースを用い,繊維構造の違いにより難燃性(限界酸素濃度)がなぜ異なるかを検討するため,酸素濃度と燃え拡がり速度の関係性を実験的に調査した.酸素濃度を15%から40%の範囲で変化させ,下方燃え拡がりの燃焼試験を行った結果,繊維構造を有する和紙とろ紙の燃え拡がり速度の大きさはほぼ等しく,酸素濃度の増加に対して燃え拡がり速度は増加する傾向が得られた.一方で,繊維構造の無いバクテリアセルロースでは,酸素濃度に対する燃え拡がり速度の傾向は近いが和紙とろ紙の燃え拡がり速度に対し10%ほど低い値を示した.繊維構造の無い材料の燃え拡がり速度が低い要因として,繊維構造の有無により熱分解特性が異なる可能性と,繊維構造の有無が火炎基部付近の輸送現象に影響を及ぼしている可能性が考えられる. 他方で,機械的な微細化が熱分解特性をどのように変化させるか,熱分解実験により検討を行った.試料材料として和紙を用い,機械的に微細化することで繊維構造を持たない試料を作成した.窒素雰囲気の等温条件下で試料を熱分解させ,ガスクロマトグラフィーにより熱分解ガス成分(CO,CO2,CH4,H2)と濃度の分析を行った.ガス分析の結果,繊維構造の無い試料ではCO2の生成量が微細化前の試料と比較して2倍近く増加することが確認された.
|
Strategy for Future Research Activity |
2022年度は微細化を行わずに繊維直径のみが異なる試料を用い,燃焼に影響を及ぼすほどの繊維構造を持たない試料では難燃性(限界酸素濃度)が高くなることが確認された.また,同じ材料を使用し,繊維直径を機械的に減少させることで製作した繊維構造を持たない試料と微細化前の試料の熱分解特性を比較することで,繊維直径の微細化により熱分解時に生成されるCO2生成量の増加が確認された.2023年度では,セルロース材料の微細化により難燃化するメカニズムを解明することを目的とし,繊維構造の有無により変化する熱分解ガス生成量が燃え拡がり速度にどの程度影響を及ぼすか,また,繊維構造の有無が火炎基部付近の輸送現象に影響を及ぼすかどうかの検討を行う. 熱分解ガス生成量と燃え拡がり速度の関係性を検討するため,燃え拡がる火炎の基部での熱分解温度の計測を試みる.熱電対による直接測定,或いは,放射温度計による間接測定により,熱分解領域の温度分布の計測を行う.得られた温度分布と燃え拡がる火炎基部の位置関係から,火炎の形成に最も関係のある熱分解ガス種の推定を行う.熱分解ガス種の推定のため,熱分解-ガスクロマト質量分析により,熱分解温度と熱分解ガス種の関係性を調査する. 繊維構造の有無が火炎基部付近の輸送現象に影響を検討においては,燃焼に影響を及ぼすスケールで繊維構造の異なる試料の製作を試みる.試料の製作方法として,繊維構造を持たない試料に微細加工を施し,空隙率を変化させる方法や,繊維を規則的に配列し,繊維サイズや配置の間隔を調整する方法などを検討している.繊維構造を制御することにより,繊維構造をパラメトリックに変化させることが可能となる.これにより,繊維構造と燃え拡がり速度の関係性を定量的に調査することで,繊維構造の変化が火炎基部付近の輸送現象どう影響しているかを検討する.
|
Report
(2 results)
Research Products
(6 results)