成果報告書詳細
管理番号20130000000997
タイトル平成22年度-平成24年度成果報告書 グリーン・サステイナブルケミカルプロセス基盤技術開発 化学品原料の転換・多様化を可能とする革新グリーン技術の開発 セルロースナノファイバー強化による自動車用高機能化グリーン部材の研究開発
公開日2013/11/13
報告書年度2010 - 2012
委託先名国立大学法人京都大学 京都市 三菱化学株式会社 DIC株式会社 王子ホールディングス株式会社
プロジェクト番号P09010
部署名電子・材料・ナノテクノロジー部
和文要約本研究開発では、セルロースナノファイバー強化による自動車用部材の高機能グリーン化を目的とし、ナノファイバー/樹脂間の精密界面制御に関する基盤技術開発を、1)セルロースナノファイバーの化学修飾技術開発、2)界面制御用の添加剤開発、により行った。さらに、アドバイザーとして参画した自動車メーカーにCNF補強熱可塑性樹脂コンパウンド等を必要量提供し、自動車メーカーの視点から成型加工性や性能評価を行った。主な研究開発成果は、下記の通りである。
1.セルロースナノファイバー表面に20種類もの官能基を選択的に導入することに成功し、その新規変性CNFによるPP、HDPEの補強効果を系統的に評価した。10%のCNF添加でHDPEの弾性率を4.5倍、引張強度を2.4倍にまで向上させることに成功した。また、自動車部材において重要な線熱膨張係数を248ppm/kから47ppm/Kまで大きく低下できた。同様の補強効果はPPやPA12、ABSにおいても得られた。
2.HDPEやPP, PAにおいて、樹脂中に均一分散した変性CNFの表面から射出成型後にポリマーの結晶ラメラが成長し、CNFをシシとしたシシケバブ構造とポリマーをシシとしたケバブ構造が形成されることを見出した。CNFの特性を活かすことでポリマーの結晶構造を制御し、より高機能の材料に変換できることを示すものといえる。同様のシシケバブ構造は、本研究開発で開発した高分子分散剤を未変性CNF強化樹脂材料に添加するだけでも得られた。
3.エポキシ樹脂硬化システムへのCNF組み込みに成功。5wt%のCNF添加で弾性率は1.2倍まで増加した。樹脂とCNFの直接結合が可能になったことで、今後、更なる性能向上が期待される。
4.変性CNF強化HDPEの微細発泡により、自動車に多用されている無機フィラー強化PPと同等の強度特性を半分の軽さで達成した。
5.セルロースナノファイバーを染色し、樹脂と複合することで自動車部材を着色しながら補強する技術を開発した。
6.化学変性したパルプを二軸押出機で樹脂ペレットと溶融混練して、パルプのナノ解繊と樹脂への均一分散を一工程で行う技術を開発した。得られた複合材料は、ナノ繊維の分散性や物性において化学変性CNFを用いた材料と遜色ない。本技術を基にCNF強化樹脂材料製造プロセスのスケールアップに成功した。
英文要約Development of high performance green nanocomposites for automotive parts by cellulose nanofibers reinforcements.
The project consists of three parts as follows: 1) development of the technology for the chemical modification of cellulose nanofibers; 2) development of the compatibilizer for interphase control, and 3) development of the technology for the production process of chemically modified cellulose nanofibers reinforced plastics. In parallel, CNF-reinforced plastic compounds were supplied to automotive companies, who joined in this project as advisers and the automotive companies supplied their evaluations. The results were as follows.
1. Accurate control of the surface of cellulose nanofibers by chemical modification
The introduction of more than 20 types of functional groups on the surface of CNF was attained. The addition of 10wt % chemically modified CNF increased Young’s modulus and tensile strength of HDPE by 4.5 times and 2.4 times, respectively. The polymer dispersants synthesized by ATRP method were also effective to improve mechanical properties of CNF/HDPE composites. TEM observations revealed that CNF shish/PE kebab structure as well as HDPE shish/HDPE kebab structure have been generated during injection molding process of the composites. The incorporation of CNF into the epoxy-resin-curing system was achieved.
2. Foaming of cellulose nanofibers reinforced plastics using super critical carbon dioxide
The incorporation of chemically modified CNF decreased the average bubble radius and raise the number of bubbles because of the increase in the storage modulus of the composites on melt state. The foamed CNF/HDPE composites attained same Young’s modulus with PP/10wt% talc composites at a density of 0.5 g/cm3.
3. Diversification of polymer matrix for CNF composites
The PA11 composites incorporated with 10wt% CNF without chemical treatment showed 1.7 times higher Young’s modulus and 1.5 times higher bending strength than neat PA11. The ABS matrix composites showed 1.5 times higher Young’s modulus than neat ABS as well.
4. Development of the production process cellulose nanofibers reinforced plastics.
Chemically modified wood pulp enabling nanofibrillation and uniform dispersion in HDPE and PP during melt compounding was developed. The nanocomposites produced by this process showed same performance with those produced by chemically modified CNF.
5. Dyeing of CNFs and fabrication of dyeing CNF / thermoplastic resin composites
The general dyeing techniques for cotton fiber and fabrics were applied to the cellulose CNF. The obtained CNF color was good, and the composites combined with the colored CNF and a polyolefin created a novel ambience. Coloring and reinforcement for plastic materials are attained at the same time by using the colored CNF.
6. The establishment of a sample supply system
A system for supplying CNF-reinforced plastic compounds to the automotive companies that participated in this project as advisers has been established.
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