成果報告書詳細
管理番号20120000000837
タイトル平成19年度~平成23年度成果報告書 革新的ノンフロン系断熱材技術開発プロジェクト/革新的断熱技術開発/超低熱伝導率構造部材に必要な物性と構造の同定とその創製のための基盤研究
公開日2012/9/1
報告書年度2007 - 2011
委託先名国立大学法人京都大学工学研究科
プロジェクト番号P07019
部署名環境部
和文要約 平成19年度より平成23年度まで、新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)のプロジェクト「ノンフロン系革新的断熱材開発プロジェクト」において、ウレタン吹付発泡で使われてきたHFCなどのフロン系ガスを利用せずに、従来と同等の断熱性能(熱伝導率0.024W/(m・K))を有する断熱材の開発やその製造システムの開発を目指した。我々は、そのプロジェクトのなかで、超低熱伝導率構造部材の実現に必要な要素技術(高空隙率、微細孔、高バリア性、低熱伝導空間の導入)に焦点をあて研究を推進した。その内容と成果をここに要約する。

ナノセルラー発泡体の創製:空気をその平均自由行程(大気圧・室温で60nm)よりも小さい空間に閉じ込めることにより、分子同士の衝突効率を落とし、エネルギー伝達効率を落とすことができる(Knudsen効果)。これにより、その空間内の空気の熱伝導度を、大気圧・室温での熱伝導度(およそ0.030 W/(m.K))より小さくできる。この考えに立脚し、気泡径がナノメータオーダの発泡体を創製する技術要素を探索し確立することを目指した。その成果はつぎのようなものある。ナノセルラー発泡体を作成する手法として、(1)ポリマーブレンド作り出すモルフォロジーをテンプレート法、(2)結晶構造をテンプレートする方法を創案した。40-500nmの範囲のなかで平均気泡径を持つようなナノセルラー発泡体やナノスケールの直径をもつフィブリルからなるセル構造を呈した発泡体が創製できた。ただし、気泡径は、ナノスケールにまで、微細化できるものの、発泡倍率(空隙率)が大きく出来なかった。したがって、同じ発泡倍率(空隙率)で、平均気泡径がマイクロスケールの発泡体と気泡径がナノスケールのものの熱伝導率を比較すると、気泡の微細化による熱伝導度の低下効果は観測されるものの、熱伝導度は、最小で0.046 W/(mK)までしか低減できず、目標値の0.024W/(mK)を下回るものは作製できなかった。一方で、最終年度として、事業化へのステップとしてコアバック式射出発泡成形法を検討し、ナノセルラーをはじめ、さまざまな微細発泡体を作り出せる可能性を示した。

気体透過性の制御(低熱伝導の長期性の確保):樹脂のバリア性をあげ、長期にわたって低熱伝導度を保てる発泡体の開発を目的とした。UV硬化性モノマーをポリスチレン(PS)に分散させ、発泡ガス(CO2)を含浸したあと、UV光照射し、過飽和状態をつくり、発泡させると共に硬化反応をおこし、バリア性を上げ、熱伝導率として0.021W/(m.K)を実現するとともに長期的にその機能を保持できる可能性を示した。

低熱伝導空間の導入:キセロゲルを低熱伝導体として、発泡体中に導入することを検討した。このとき、キセロゲルの低熱伝導性を生かし、その機械的脆弱性をポリマーで補うために、(1)ポリマーハウジング法、(2)ナノファイバーとキセロゲルのナノコンポジット法、(3)ポリマーコーテング法の3つの手法を検討した。その中で、PP不織布とのハイブリッド化により、複合体に延性がうまれ、PVPによる薄層コーテングで、弾性を向上させることが出来た。熱伝導率も0.020W/(m.K)と目標値よりも低い熱伝導率が達成できた。今後は、ナノセルラーの創製、コアバック発泡射出成形技術の発展、キセロゲルとポリマーの複合体の生産効率の向上とその製品用途の展開を検討することにより、事業化に進めると考えられる。
英文要約 Rigid urethane foam has been widely utilized to heat insulate buildings. Fluorinated gas or hydrocarbon gas was used as foaming agents to produce urethane foam insulation. Because of the high GWP of the fluorinated gas, the usage of the fluorinated gas is not preferable to environment and should be abandoned. In response, non-Freon gases with lower GWP values, such as CO2, are investigated to use as the foaming agent. However, there are several issues to be solved for using CO2 as foaming agent and for realizing high insulation efficiency, easy process ability and long life cycle. The main objective of this project is to develop innovative heat insulation materials, of which thermal conductivity is lower than 0.024 W/(m.K), for architectures without using fluorinated gas. The project involves the technology developments for reducing the cellular size and increasing the cell density of polymeric insulation foam boards as well as urethane foams. It also covers to invent a new scheme of combining various insulating materials, such as aero gel and nano fibers, to produce non-fluorine insulation materials with superior insulation ability compared with the conventional urethane foam using fluorinated gas. The researches conducted to realize the high heat insulation materials in this project could be categorized into four themes: i) Reduction of cell size and Increase of cell density in foams, ii) Increase of gas barrier ability so as to delay exchanging CO2/pentane with air. iii) Infuse or create lower heat conduct space in conventional urethane foams. iv) measurement and evaluation of thermal properties of polymeric foams, such as thermal conductivity, thermal diffusivity, and radiation.
We have been conducting the researches for five years from fiscal 2007 to 2011. Our research activity entitled fundamental properties and material structures needed to create the high-performance and low thermal conductive polymer insulator has been focusing on the following three topics during the projects;
1) Development of nanocellular polymer foams and their production techniques.
2) Development of high gas barrier performance plastic foams that can encapsulate CO2 in the foam and keep the thermal conductivity at a lower level for long year
3) Development of lower thermal conductivity materials by hybridizing the aerogel or xerogel with polymer.
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