2021 Fiscal Year Research-status Report
分子構造からみた時間－温度換算則の妥当性とMD解析による長期寿命予測法の開発
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19KK0363
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
坂井 建宣 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (10516222)
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| Project Period (FY) |
2020 – 2022
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| Keywords | 時間－温度換算則 / 分子動力学シミュレーション / ナノインデンテーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
リュブリャナ大学（スロベニア）において、分子量の異なるポリエチレンを対象として、熱物性を調べるための示差走査熱量測定および、粘弾性特性を明らかにするための動的粘弾性試験による低温から高温までの特性評価を行った。分子量と結晶化度の調整が難しく、結晶化度が同じで分子量が異なる試料の作製が困難であることが明らかとなった。
チャルマース工科大学（スウェーデン）においては、リュブリャナ大学で得られた動的粘弾性試験結果をもとに、時間－温度換算則の適用を試みた。その結果、すべての材料において時間－温度換算則が適用でき、さらに時間－温度換算則適用の際に得られるシフトファクターは、分子量に依らず一定となることが明らかとなった。また、原子間力顕微鏡を用いてナノサイズのインデンテーション試験を行う予定だったが、事情により困難となり、ナノインデンテーション試験を行った。その結果、分子動力学シミュレーション（MD解析）によるナノインデンテーション解析のサイズの10倍程度の圧痕を打つことができたが、MD解析結果と比較するためには大きすぎるため、様々な押し込み荷重における実験を行い、より小さい圧痕の条件を予測できるようにした。
MD解析においては、ポリエチレンを対象としてクリープ解析を行い、さらに時間－温度換算則の適用を試みたところ、いかなる温度条件・分子量条件においても時間－温度換算則が適用できることが明らかとなった。またその時のポテンシャルエネルギーの推移から、ポテンシャルエネルギーについても時間－温度換算則が適用可能であることが明らかとなり、その時に得られる活性化エネルギーの評価によって、特定のポテンシャルエネルギーが時間－温度換算則に大きな影響を及ぼしていることが明らかとなった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
新型コロナウイルス感染拡大の影響により渡航が難しく、渡航先での研究の進展が難しい。特に電話会議などで進めているが、直接話した方がよいことが多く、その分進捗が遅れている。また、原子間力顕微鏡を用いたナノインデンテーション試験を行う予定であったが、チャルマース工科大学での装置が使えず、通常のナノインデンテーション試験を行うことになった。そのため、寸法依存性の影響を把握する必要があり、MDの正確性評価方法の見直しが若干生じている。
本研究において、ナノインデンテーション試験とナノインデンテーション解析結果の比較を行うことが重要な事項であるが、現状ではナノインデンテーション解析が実施できていない。全原子モデルによる解析は困難であることが判明したため、粗視化モデルを採用するしかなく、現在粗視化モデルのパラメータ作成などに従事している。令和3年度末時点において、解析可能なモデルの作成条件がほぼ整っており、次年度には解析可能な状況である。
解析結果と実験結果を比較するうえで、時間領域の違い（ナノ秒か、秒か）についても検討する必要があり、ナノインデンテーション解析におけるひずみ速度・温度依存性について解析を実施する必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、ポリエチレンのみを対象とするのではなく、もっと状態の安定しているポリスチレンなどを対象として検討を行うとともに、汎用的なプラスチックであるポリプロピレン、ポリ塩化ビニルなどについても検討を行うことで、分子構造の影響、特に側鎖の影響をより明らかにする。
具体的な実験としては、リュブリャナ大学にて粘弾性試験および熱物性測定、チャルマース工科大学においてナノインデンテーション試験および時間－温度換算則の適用を行う予定である。また埼玉大学では分子動力学シミュレーションや、動的粘弾性試験を行う。実験・解析ともに時間スケールの違い、また分子量依存性についても考慮する必要があり、様々な分子量における解析の実施、ナノインデンテーション解析におけるひずみ速度・温度依存性評価などを行う。
新型コロナウイルスの問題や世界情勢が不安定なため、現地に赴き実験が行えない可能性も高い。そのため材料の送付や各国での共通材料の入手などの手配を進めるだけでなく、1年の研究期間延長も視野に入れて計画する必要がある。
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