Development of 3-dimensional isotropic fiber-reinforced plastics by using sea urchin-like carbon particles

利用海胆状碳颗粒开发三维各向同性纤维增强塑料

基本信息

批准号：
21K04663
负责人：
内藤圭史
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Gifu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

繊維強化プラスチック（FRP）の欠点は，繊維が配向してない方向に弱いことである．この欠点を改善するためには，繊維を全方向に配向させる（つまり，等方性FRPを作製する）必要があるが， 3次元（面内＋面外）等方性FRPの作製は樹脂流動を伴う成形で有ろうと無かろうと極めて困難と言える．この様な状況に対し，申請者はウニ状炭素粒子を活用し，樹脂流動を伴う成形であっても，3次元等方性FRPを創生する本研究を着想した．まず，ウニ状炭素粒子を作製し，その際の作製条件と粒子形状の関係を見出したうえで，ウニ状炭素粒子充填樹脂を押出・射出成形し，その成形条件と3次元各方向に対する力学特性の関係を明らかとする．また，成形条件が充填材の分散状態や形状（損傷）に与える影響にも着目し，3次元等方性FRP作製のための最適成形条件を解明する．本研究は，樹脂流動を伴う成形であっても3次元等方性FRPの創生が可能かを問い，これを解明するものとなる．第二年度は，ウニ状炭素粒子を充填したFRPの作製とその力学特性の評価を目的として研究を実施した．その結果，現状では球状炭素粒子（ウニ状炭素粒子の基材）充填ポリプロピレンとウニ状炭素粒子充填ポリプロピレンでは引張特性に差が見られなかった．これに対し，試験後の試料の破断面を観察したところ，ウニ状炭素粒子充填ポリプロピレンでは繊維部分（ウニの棘にあたる部分）の折損や粒子同士の凝集があり，これらが引張特性に悪影響を与えている可能性があることが分かった．繊維部分の折損の原因としては，粒子部分と繊維部分の接合がそもそも弱い可能性と，成形プロセス（スクリューによるせん断など）に問題のある可能性の2つが挙げられる．この原因の解明とその改善が今後の課題の1つである．

纤维增强塑料（FRP）的缺点是在纤维未定向的方向上较弱。为了改善这一缺点，需要使纤维在各个方向上取向（即制造各向同性FRP），但制造三维（面内+面外）各向同性FRP是很困难的由于树脂流动，无论成型与否，都可以说是极其困难的。针对这种情况，申请人提出了本研究的想法，即利用海胆状的碳颗粒来制造三维各向同性的玻璃钢，即使在树脂流模成型时也是如此。首先，我们制作了海胆状碳颗粒，找到了制造条件和颗粒形状之间的关系，然后对填充有海胆状碳颗粒的树脂进行了挤出和注射成型，并确定了成型条件和机械性能。明确各个三维方向之间的关系。我们还将重点研究成型条件对填料分散状态和形状（破坏）的影响，并阐明生产三维各向同性FRP的最佳成型条件。本研究旨在阐明即使成型涉及树脂流动，是否也可以制造三维各向同性 FRP。第二年，进行了研究，目的是制造填充有海胆状碳颗粒的玻璃钢并评估其机械性能。结果，目前在填充有球形碳颗粒的聚丙烯(海胆状碳颗粒的基材)和填充有海胆状碳颗粒的聚丙烯之间没有观察到拉伸特性的差异。另一方面，当我们在测试后观察样品的断裂面时，我们发现在填充有海胆状碳颗粒的聚丙烯中，纤维（对应于海胆刺）断裂，颗粒团聚，这不利地影响了聚丙烯的性能。事实证明，有可能影响拉伸性能。纤维部分断裂的可能原因有两种：一是可能是颗粒部分与纤维部分的结合力较弱，二是可能是成型工艺出现问题（如被模具剪切）。拧紧）。阐明这个问题的原因并加以改进将是我们未来的挑战之一。