【別紙5】2_プレゼン資料様式（入澤先生）180918

Size: px

Start display at page:

Download "【別紙5】2_プレゼン資料様式（入澤先生）180918"

なおあかさか
4 years ago
Views:

1 1 メタン分解カーボンナノチューブの複合材料特性に関する研究発表者名古屋大学大学院工学研究科材料デザイン工学専攻助教入澤寿平共同研究者産業技術総合研究所創エネルギー研究部門エネルギー変換材料 Gリーダー曽根田靖

2 技術背景産総研メタン熱分解法による水素製造と固体炭素としてのカーボンナノチューブの加工利用 1 mm 名大 CFRTP( 炭素繊維強化熱可塑性樹脂 ) マトリックスへの VGCF(CNF) 添加による力学特性向上ナショナルコンポジットセンター学術支援研究員 2

3 3 地球温暖化対策としての CCS の必要性気温上昇を産業革命前に比べ 2 未満に抑えるためには 2013 年から 2050 年の間に累計 940 億トン 2050 年時点で年間約 60 億トンの CO 2 分離と貯留 (CCS) が必要が必要とされている 60% 削減 CO 2 削減目標および各対策に期待される効果

4 4 CO2 削減と水素供給を同時に達成する! IEA 資料等より大規模な CO2 発生の抑制および発生源での CO2 分離と貯留 (CCS) が必要 CCS は経済的負担 (EOR 石油増進回収法を除く ) 適地選別が困難 CO2 を排出しない燃料電池 ( 自動車定置用 ) 水素燃焼発電への期待水素の安価で安定的な供給が必要水素製造技術として再エネ電力による電解水素供給等が確立されるまでは化石燃料 ( メタン ) の改質水素が量的な解決をもたらすメタン水蒸気改質とメタン熱分解法

5 5 新技術 1: メタンからの水素製造と炭素固定化既存法水蒸気改質による水素製造提案法熱分解法による水素製造 CH 4 +2H 2 O CO 2 + 4H kj/mol CH 4 C(s) + 2H 2-75 kj/mol CH 4 改質 FC 等固体炭素 ( 炭素材料 ) CH 4 熱分解 FC 等 CCS CO 2 H 2 C H 2 CH kj 4H kj Electricity 686 kj Heat 204 kj CH kj C 394 kj 2H H kj Electricity 343 kj Heat 154 kj Heat 253 kj 長所 : 高い効率 (η=0.77) 短所 :CO 2 の大量排出は不可避中小規模では CCS 不可能 Heat 75 kj 長所 :CO 2 は全く排出しない炭素は全て固体となり機能性材料あるいはエネルギー物質として貯蔵バイオ由来メタンの場合はカーボンネガティブ短所 : 低い効率 (η=0.39)

2gを石英ボートに静置反応器反応手順固定層流通式反応器所定温度まで昇温, 保持し, 生成ガスを分析反応ガス 100%-CH 4, 1 3%-CO 2 /CH 4

6 6 新技術 1: メタン分解カーボンナノチューブ製造手順触媒酸化鉄担持アルミナ (44%Fe 2 O 3 /Al 2 O 3 ) ナノサイズ酸化鉄粒子鉄含有廃棄物 ( 酸処理後 ) 0.2gを石英ボートに静置反応器反応手順固定層流通式反応器所定温度まで昇温, 保持し, 生成ガスを分析反応ガス 100%-CH 4, 1 3%-CO 2 /CH cm 3 /min 分析出口ガス (GC), 生成炭素 (SEM, XRD, TG) Quartz reactor (36 mm ID x 460 mm L) 0-3%-CO 2 /CH 4 H 2 /CH 4 Catalyst (200 mg) 50 mm GC 反応前触媒反応後 ( 炭素析出 ) 6 1 mm

7 メタン分解カーボンナノチューブの特徴目視では紛末電顕 ( 低倍 ) 毛玉状 ( 高倍 ) 繊維状元素分析 (EDX) 炭素と触媒成分 0.5mm C EDX 分析 O Al Fe 5mm メタン熱分解法による水素製造プロセスの導入には副生産物の固体炭素 ( カーボンナノチューブ ) の利用貯蔵技術開発が重要 7

8 CFRP 及び CNT の成長見込み CFRP の用途別需要予測分野明細伸び率宇宙航空ー 5,788 10,022 17, (t) CNT の用途別需要予測スポーツレジャーー 6,030 7,868 10, 産業用途風車 7,786 21,920 61, 圧力容器 1,368 3,404 8, 自動車 1,863 4,569 15, その他 10,728 15,762 23, 小計 21,745 45, , 合計 (t) 33,563 63, , 出典 : シーエムシー出版, 機能材料 2016 年 2 月号から抜粋出典 :GRAND VIEW RESEARCH 社, 市場調査レポートから抜粋どちらも大きな成長産業と言える上, 相乗効果によるさらなる成長も期待される!! 新 CNT の CFRP への応用を検討 8

9 9 自動車用途 CFRP の開発スポーツ航空宇宙自動車に適用熱硬化性樹脂が母材 ( エポキシ樹脂 ) 汎用性プラスチック量産に向いていないリサイクル性が悪い PA6 ( ナイロン6) PP 熱可塑性樹脂が母材 CFRTP 量産しやすいリサイクル性が良いコスト

10 10 CFRTP 化のメリット熱硬化性樹脂熱可塑性樹脂低分子量状態流動性加熱加熱流動化 ( 軟化, 融解 ) 架橋等による三次元網目構造化 ( 硬化 ) 化学反応を伴った成型反応は最短でも数十分程度冷却固化 ( ガラス化, 結晶化 ) 状態変化による成型数分での成型が可能

11 11 CFRTP の短所一般的な ( 想定されている )CFRTP 製造手法溶融法による CFRTP 作製手法樹脂フィルム炭素繊維束織物樹脂フィルム加熱プレスプリプレグ ( 中間 ) 成形材 ) 加熱プレス成形加熱プレスプリプレグ積層体 CFRTP CFRTP の課題炭素繊維熱可塑性樹脂の界面接着力の制御高粘度な溶融樹脂の炭素繊維束への含浸性熱可塑性樹脂の剛性弾性率不足

12 CFRTP の短所克服技術への新技術の応用 1 ナショナルコンポジットセンター (NCC) LFT D 法ナショナルコンポジットセンター http://ncc.engg.nagoya-u.ac.jp/project.

12 12 CFRTP の短所克服技術への新技術の応用 1 ナショナルコンポジットセンター (NCC) LFT D 法ナショナルコンポジットセンター学術研究員として自動車用途 CFRP 開発に参画中 ( 入澤 ) 混練技術を応用した不連続繊維強化型 CFRTP の開発将来的に CF の一部, もしくは全部にメタン分解 CNT の置き換えが可能になるかも??( と期待.)

ナガセケムテックス株式会社 ) (ε- カプロラクタム + 触媒 ) 原料 ε- カプロラクタム融点 : 6 8 C 低粘度のモノマー状態で含浸高品質な

13 CFRTP の短所克服技術への新技術の応用 2 V a R T M 法により試験片作製 (Vacuum assisted Resin Transfer M olding ) 強化材 : 炭素繊維 CK C ( 東レ株式会社 ) 母材 : 現場重合型ポリアミド 6 (PA6 ) ( ナガセケムテックス株式会社 ) (ε- カプロラクタム + 触媒 ) 原料 ε- カプロラクタム融点 : 6 8 C 低粘度のモノマー状態で含浸高品質な CFRTP が成型可能力学物性 : 複合則の 6~7 割程度母材樹脂の剛性不足も影響?? メタン分解 CNT の母材樹脂への添加による CFRTP 物性の増大への期待! 13

14 先行技術 ( 名大 ):CNT 分散 CFRTP 1上蓋型ヒーター原料タンク真空ポンプ 3CFRTP 炭素繊維真空引き 4+ 加圧 CFRTPの物性改善に達成!! 市販 CNTを使用し, 高分散原料の開発に成功 142

15 1215 複合材料への展開に向けた検討事項 1 現場重合法による CFRTP の制作 2 樹脂単体への CNT 添加の検討上蓋ヒーター型 3真空引き + 加圧 4炭素繊維 CFRTP + 二軸混練原料タンク真空ポンプ市販 VGCF(CNF) では CFRTP の力学物性改善に成功!! メタン分解 CNT での効果を検討フィルム引張試験による力学物性への各 CNT 添加効果を検討

16 メタン分解 CNT と VGCF(CNF) との比較種々の繊維径, 純度を調整可能 VGCF と比較し, 凝集力が高い様子 VGCF A CNT-A B CNT-B C CNT-C 16

17 17 現場重合法を想定したポリアミド 6 原料の ε- カプロラクタムへの分散状態現場重合 PA6 への分散 1 溶媒 :ε- カプロラクタム 110 ( 溶融状態 ) CNT:0.1 wt% VGCF CNT-A 撹拌後静置 12h 良好な分散性凝集を確認 ( 低分散性 )

18 18 CNT-B 現場重合 PA6 への分散 2 CNT-C CNF 未添加 B 添加分散性が樹脂含浸性に影響

19 19 現場重合 PA6 への分散 2 曲げ強度 [MPa] 曲げ弾性率[GPa] Neat CFRTP CNT-B 添加 CFRTP VGCF 添加 CFRTP 平均値標準偏差平均値標準偏差平均値標準偏差今後 : CNT の高純度化表面処理などで含浸性の改善を検討する

20 20 混練による CNT 分散ポリマーフィルムの成形ポリプロピレン二軸混練 + or VGCF 各 CNT 試料ラボプラストミルホットプレス (250 ) フィルム引張試験 1st:1MPa 1min 2nd:5MPa 1min

21 メタン分解 CNT 分散フィルムの力学物性試料添加量 [wt%] 弾性率[GPa] 引張強度 [MPa] Neat PP - 平均値標準偏差 VGCF 添加 CNT-A 添加 CNT-B 添加平均値標準偏差平均値標準偏差平均値標準偏差 CNT-C 添加 1 平均値標準偏差全ての CNT 添加試料で力学特性の向上を確認今後 : CNT の高添加量での検討に着手予定 21

22 22 既存技術とその問題点カーボンナノチューブ (CNT) 電気伝導性強度 CNT 熱伝導性高コスト 5 µm 複合材料のフィラーとしての応用少量添加での機能向上が求められてきた(~5 wt% 程度 ). 期待していた機能が得られない ( 高付加価値な材料に ) 用途が限定的自動車の構造部材用途など汎用用途では使用不可

23 12新技術の特徴上蓋ヒーター型 3真空引き + 加圧 4炭素繊維 CFRTP + 原料タンク真空ポンプ高分子複合材料への展開汎用用途への展開が可能高添加物への期待熱伝導性による耐火性電導性による耐雷性 1 mm 水素製造と同時に CNT を大量に生成安価な CNT の創出の可能性高性能な複合材料を汎用用途への展開を可能とする 23

24 本研究課題の社会的インパクト背景 :CO 2 削減が急務新水素製造プロセス CNT を同時に大量生産高性能 CFRPが生産自動車飛行機の軽量化 CCS が不要水素のクリーンエネルギー化メタン分解 CNT の複合材への適用結果 :CO 2 削減を多角的に達成 ( 相乗的 ) 24

25 25 本研究課題の新規性独創性本研究の成果物 1.CCS 不要な新水素製造プロセス同時に,, 2. 安価で大量なCNT 製造プロセス複合材料に適用 1 mm クリーンエネルギー化 3. 高機能高物性な CFRP を実現燃費向上 4.CO 2 削減による地球温暖化の抑制へ大きく貢献!!

26 26 実用化に向けた課題メタン分解 CNT の残留触媒の影響など, 品質管理メタン分解 CNT の低分散の克服高添加量複合材料に関しては未着手メタン分解 CNT 分散高分子複合材料の応用用途開発

27 現状 : 企業への期待産総研ー名大アライアンスでの協力のほか, 戸田工業 ( 株 ) 様とメタン分解 CNT の生成技術開発における協力体制を構築中今後の連携への期待 : 樹脂開発企業 ( コンパウンド技術実績有 ) 複合化技術に関しては, 装置メーカーを含めたコンパウンド制作ノウハウを有した実績ある企業様との連携を希望応用先企業 ( 自動車, 一般産業 ) 安価な新しい CNT の創出により, 今までに使用検討されて来なかった部材への適用の可能性有り. 27

28 28 お問い合わせ先名古屋大学学術研究産学官連携推進本部プロジェクト推進グループ主任リサーチアドミニストレーター原田千夏子 TEL FAX

Microsoft PowerPoint - 修論発表.ppt [互換モード]

Microsoft PowerPoint - 修論発表.ppt [互換モード] 炭素繊維強化ポリプロピレンの界面接着性と力学特性の評価システム創成学専攻安全評価工学研究室修士課程 2 年 86383 山内美穂指導教員高橋淳教授研究背景 CFRP の特徴 CFRTS 熱硬化性樹脂 (Thermo-setting resin :TS) 利点耐熱性耐薬品性比強度疲労特性課題高コスト大規模な成形設備長い成形時間リサイクルが難しい CFRP を量産車に適用するには