ケナフ靭皮繊維強化ポリエチレンの熱伝導率に及ぼすルーメン構

影響

図4-22 のモデル図のように複合材料をPE とKF 細胞壁部およびルーメン

(空隙)の3相系とみなして、式(6)により複合材料の熱伝導率を推定した。結果

を図4-23に示す。なお、式中のλは熱伝導率、Vは体積分率を表し、下付の comは複合材料、KFはKFの細胞壁部、airは空気、lumenはルーメンをそれ ぞれ示す。

λcom＝λPEVPE＋λKFVKF＋λairVlumen (6)

ルーメンの割合が増加するのに伴い、KF強化PE複合材料の熱伝導率が減 少することが分かる。また、KF含有率が同一の複合材料でもルーメン比率が 変わると熱伝導率が大きく変化することが分かる。さらに、ルーメン率 100

vol%と参照複合材料であるPEGBの値が一致している。つまり、空隙率によ

って複合材料の熱伝導率を制御できることが示唆される。したがって、KF強 化PEの熱伝導率はKF含有率だけで制御することは困難であり、目的に応じ たルーメンの大きさを設定した上、所定のルーメン構造を実現できる成形方法 を選択することが、複合材料の材料設計上非常に重要であると考えられる。

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図4-23 KF強化PEの熱伝導率に及ぼすKFルーメンの影響

図4-22 複合材料熱伝導率推定モデル

Porosity 0%

Porosity 10%

Porosity 30%

Porosity 50%

Porosity 100%

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60

0.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0

Thermal Cond. /W・m-1 ・K-1

Filler Content/vol%

PE PEKF

PEKFex PEGB

sl

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4. 結論

本研究で用いた KF の観察および押出成形工程による KF 形態の検討を行 った。また、KF強化PEの熱的特性について検討を行ったところ、以下のこ とが明らかになった。

KF寸法測定

・本研究で用いたKFは、繊維長は1.2～4.0 mmの範囲で分布し、最頻値は

2.2 mm、繊維幅は主に60～200 μmで分布し、最頻値は100 μm付近であっ

た。しかし、既存の研究より、押出成形工程により繊維長の分布が短繊維側 へシフトすることが示唆される。

・本研究で用いたKFルーメンサイズは0～100 μm²の範囲で分布し、最頻

値は10 μm²、繊維サイズに対するルーメンサイズの割合は0～0.3で分布

し、最頻値は0.04付近であった。既存の研究より、押出成形工程より繊維幅 の分布の広がりが狭まることが示唆される。

KF強化PEの密度測定およびKFルーメン観察

・マトリックスポリマーをPEとしたKF強化PEの密度測定より、熱キシ レンを用いた溶媒法と2軸押出機を用いた押出成形法では、KF含有率に対 する複合材料の密度の依存性に違いが見られた。つまり、成形方法によっ て、複合材料内のKFルーメン形状が変化をすることによる空隙率の違いに よるものだと示唆された。

・溶媒法を用いて作製したPEKF_sl内のKFのかさ密度は約1.2 ～ 1.3 g・

cm^-3であり、KF膜壁の密度1.38 g・cm^-3よりも小さくなった。つまり、KF ルーメンに由来する空隙が0.08～0.14あることが分かった。一方、押出成形 法で作製したPEKF_ex内のKFのかさ密度は約1.38g・cm^-3であった。つ まり、KFルーメンに基づく空隙がほとんどないことが分かった。また、

PEKF_sl、PEKF_exのそれぞれの断面図より、PEKF_slにはルーメンが確

認できたが、PEKF_exにはルーメンが確認できなかった。

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KE強化PEの熱伝導率に及ぼすKF含有率の影響

KF強化PEの熱伝導率の実験値と推定値の比較より、PEKF_exのように フィラー内に空隙を有していない複合材料は2相系の複合則により、複合材 料の熱伝導率を推定することが可能であるが、PEKF_slのようにフィラー内 に空隙を有している複合材料は2相系の複合則により、複合材料の熱伝導率 を推定することは困難である。

KF強化PEの熱伝導率に及ぼすKFルーメンの影響

3相系の複合則を用いた複合材料の熱伝導率の推定結果より、ルーメンサ イズの増加に伴い、KF強化PEの熱伝導率が大きく減少することが示唆され た。これより、空隙率が大きくなると材質や形状によらず空隙率によって複 複合材料の熱伝導率を制御できることが示唆された。

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参考文献

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