研究報告

クロメート皮膜は亜鉛めっきの後処理として有用であるが、6価クロムの有害性の問題からクロムフリー後処理の開発が求められている。本研究ではアルミニウム系、錫系、マンガン系および亜鉛系を主とした複合酸化皮膜の作製技術を確立してクロムフリー防錆皮膜への応用を図る。

2.内容

強固な酸化皮膜の形成が期待できるアルミニウム系複合酸化皮膜を作製する手法を検討した。表面組成や化学結合状態を光電子分光により評価するとともにその耐食性を調べた。

3.考察

硝酸アルミニウムを主成分とする電解液を用いて亜鉛めっきを陰極にして電解処理することで干渉色を有する皮膜が作製できた。アルミニウムと亜鉛を含む複合酸化膜を形成しており、0.2A/dm²で10分間電解すると皮膜厚さは400nmとなった。塩水噴霧試験により48時間まで白錆発生しないことを確認した。クロメート代替としてはまだ不十分な値であるが、改良していく余地があると考えられる。

本事業では、特殊な機能や高性能を有する高機能性プラスチック材料を開発するとともに、それに必要な分子の構造や配列と材料の性能との相関についての知見を蓄積し、この手法を用いて得られたプラスチック材料開発のノウハウを、当地域の中小企業へ提供することにより製品開発の一助となることを目的とする。

2.内容

ポリ乳酸の射出成形性を向上させる目的で、結晶化を促進する結晶核剤を合成した。固体NMRのφ4 mmロータの形状に合わせて作製した金型を用いて、樹脂温度200℃、金型温度110℃（結晶核剤無添加の場合は室温）とし、結晶核剤の添加量を10, 1, 0.5, 0.1 phrと変化させて、ポリ乳酸の固体NMR測定用試料を成形した。得られた試料の¹³CCPMAS測定、プロトンスピン格子緩和測定(T₁^H)を行い、結晶性等のモルフォロジーに関わる知見を得るとともに、最適な結晶核剤の添加量を決定した。

3.考察

結晶核剤を10, 1, 0.5, 0.1 phr添加したPLAの射出成形のサイクルタイムはそれぞれ45, 60, 120, 240秒と、添加量が多いほど短時間であった。成形体サンプルの13CCPMAS測定において、各炭素のシグナルは結晶核剤未添加のものでは幅広い単一のピークとして観測されただけなのに対し、添加PLAでは結晶による鋭いピークと非晶の幅広いピークが重なって観測された。10 phrと1 phr添加のものでは結晶由来のピークに有意差はなかったが、0.5 phr添加のものでは若干鋭さが低下し、0.1 phr のものではわずかに観測されるにとどまった。この結果から、結晶核剤の添加量は1 phrが妥当と判断された。T1H測定では、スピン拡散によるT1Hの一致は観測されず、PLAと結晶核剤が独立した緩和挙動を示したことから、結晶核剤がPLA中でスピン拡散が及ぶ距離（20   50 nm）よりも大きなサイズのドメインを形成していると推察された。このことは結晶核剤がPLAと完全相溶ではなく、ある程度のサイズでPLA中に存在し、結晶化を促進することを示唆している。
以上、固体NMRのスペクトルや緩和時間測定による評価が成形材料の開発に寄与できることをPLA用の結晶核剤の評価により示すことができた。

ラマン分光法により炭素繊維と樹脂の界面せん断強度を測定する手法を確立する。繊維と樹脂の界面接着強度を評価し、有機無機複合材料の機械特性向上につながる表面改質技術や成形加工法を探索する。

2.内容

炭素繊維のフィラメントを埋め込んだ樹脂に一定量のひずみを与え、繊維にかかる応力の分布をラマン分光法で測定した。数値微分を行ない、その最大値から界面せん断強度を求めた。値の信頼性を確認するため、従来使われているフラグメンテーション法で測定した結果と比較した。

3.考察

ラマン分光法とフラグメンテーション法で測定した界面せん断強度は定性的に一致し、ラマン分光法による界面接着強度の評価が可能であることを確認した。また熱硬化性樹脂は硬化温度によって炭素繊維との界面せん断強度が異なることを見出した。

従来から進めてきたナノメートル領域の表面処理技術とマイクロメートルオーダーの微細な凹凸を組み合わせたナノ・マイクロ領域のマルチスケールな表面処理技術に関する研究を進め、水や油に対する高い疎媒性や親媒性を実現し、機械部品や医療等への活用を目指す。

2.内容

実用的な疎媒性や親媒性表面を得るため、自己組織化の特性を活用したナノ・マイクロ領域のマルチスケールな表面処理を開発した。また、外部競争的資金により、創生した表面のぬれ性を評価するため、術者によらず安定して動的接触角を測定する装置を開発した。

3.考察

シリカ前駆体や機能性官能基などを組み合わせることで、水やさまざまな油に対する高い滑落性を示す表面を製作し、さらに高温(250℃)に加熱しても特性が損なわれないことを確認した。これら研究で得られた知見は技術指導などを通じて市内中小企業向けに活用された。

非イオン性界面活性剤PONPEを用いて、PONPEとの相互作用を有するガリウムを対象に、希薄溶液からの選択的分離回収を連続向流泡沫分離法で検討する。各操作因子の分離回収への影響を体系的に把握することを目指す。

2.内容

ガリウム、鉄、亜鉛、銅、各20ppmの塩酸溶液と10wt%のPONPEを含む塩酸溶液を用いて、当方および従来の泡沫分離法で分離を実施し、各溶液中の金属濃度をICP発光分光分析装置にて測定した。

3.考察

本法では、ガリウムの完全回収を達成し、また従来法と比して、ガリウムと夾雑金属との分離度は2～3桁の向上を示した。泡沫相への金属溶液の直接滴下に伴い、泡沫と下方流の連続的な向流接触による泡沫表面への吸着が実現できるため、本法は高い分離性能を示す。

電気化学デバイスは燃料電池や二次電池、廃液処理など様々な分野で応用が期待されている。微生物を環境浄化に応用するために微生物電極の検討を行った。電極組成の調査と電気化学評価技術の確立を目的とした。さらに微生物活性の高い電極材料の探索として炭素材料の検討を行った。応用技術として白金触媒に近い電気化学特性を有する非白金材料として炭素に注目して開発を始めた。

2.内容

名古屋大学が発見した有機物分解や脱窒素を行う微生物に注目し、電極化して分解活性を調べた。活性の確認された電極について分光測定を行い組成分析から活性因子の同定を始めた。分光測定にはシンクロトロン光の硬Ｘ線も利用した。微生物電極の電気化学特性を行い、分解反応である酸化還元反応の電位依存性を把握した。また、炭素材料の微生物電極への応用において特異なナノ構造を持つ材料が微生物活性を向上させることがわかった。

3.考察

微生物が生息する土壌に化学的処理を施した電極が微生物活性を有する場合があることがわかった。今後は処理法と活性の関連を調べるため分光測定を継続する。特に硬Ｘ線分光では無機物の高度分析が可能であるため活性支配因子の解明が期待できる。また、ナノ構造炭素は電子伝導性や有機物親和性に優れているので微生物活性向上に効果があったと推察される。今後は酸素還元触媒性能について検討を進める。

電波と光の境界の電磁波であるテラヘルツ波は、電波のように透過性を有し、また光のように測定系の構築が可能なため、非破壊検査、製品の品質検査など広範囲な産業応用への展開が期待されている。本研究では、非破壊検査を対象とし、テラヘルツ波の産業応用への可能性を検討する。

2.内容

テラヘルツ波CT（Computed Tomography）は、樹脂などソフトマテリアル製品の内部構造・欠陥を非破壊検査できる技術として注目されるが、拡散や屈折などの影響もあり鮮明な像の取得は容易ではない。このため、デコンボリューションなどの画像処理技術を用い、画質の改善を検討した。

3.考察

画像処理技術を用いることで、画像のエッジ部などに改善がみられた。しかし、用いるデータによって効果の程度が異なり、また、実際の試料寸法との一致にも課題がみられた。今後、データの取得方法、画像再構成方法、異常部の検出方法について検討する。

次世代電子機器の実装技術の確立を目指し、(1) 高速伝送路の信号品質改善と電磁ノイズ低減に関する研究、(2) 電子機器の熱問題を解決するためのシミュレーション技術の開発に取り組んだ。

2.内容

(1)４層基板による高速差動伝送線路の設計･作製を行い、信号品質･伝送特性･放射電界特性(EMI)の評価を行った｡
(2)シミュレーション技術を用いた熱設計の時間短縮を図るため、電源回路で使われているトロイダルコイルについて、発熱実験と併行しながら解析モデルの簡易化の検討を行った。

3.考察

(1)信号品質･伝送特性の評価では、測定周波数5Gbpsまで許容範囲内にあり、デジタル伝送には実用に耐えうる信号品質と伝送特性であった。放射電界測定は最適ビア間隔があることを示唆する結果が得られた。
(2)実測と詳細･簡易モデル間で温度が5℃以内で一致し、解析時間は詳細モデルの約１時間から2 分に短縮できた｡また､DC-DC電源回路を作成し､電気的測定から発熱量(損失)を求めた。また、コイル・シート間熱抵抗測定の評価を行った。

欧州発の環境規制により装飾クロムめっきは3価クロムめっきに置き換わりつつある。3価クロムめっきはメーカーごとに色調や特性の違いが問題になっているが、そもそもその構造や成分・化学状態などよくわかっていない。そこでシンクロトロン光を用いた構造解析を行った。

2.内容

2種類（A社とB社）の3価クロムめっきを準備した。光電子分光により組成と化学状態を、あいちシンクロトロン光センターの薄膜X線回折（BL8S1）により結晶構造を解析した。

3.考察

A社は硫黄Sを多量に含有しており（8wt%）、金属状態で存在していると推測される。一方B社は鉄Feを多量に含有し（25wt%）、クロム鉄合金を形成していた。いずれも合金めっきであり、成分も全く異なっており、このため色調や特性に違いが現れたと考えられる。2社ともにめっきしたままではX線回折にブラッグ回折は現れず、アモルファス状態であった。

(システム技術部)松井則男

アルミニウム合金やチタン合金、ステンレス鋼、高張力鋼などでは、同種材料でも異種材料でも接合時に特に注意が必要で、難接合材料に分類される。難接合材料では、十分な強度やじん性などを持つ健全な接合とするためには多くのノウハウが必要である。そこで、難接合材料の同種接合または異材接合のデータを集積することを目的とし、これから取り組もうとする(一社)愛知県溶接協会の会員企業に情報提供する。

2.内容

(1)厚さ1.4mmの980MPa級高張力鋼板に対し、レーザの走査速度と出力を変化させたビードオン試験により溶接条件を検討した。次に、最適条件とそれよりも入熱量の大きい比較条件で突き合わせ溶接を行った。
(2)厚さ1mmのAl合金板(A5052)と冷間圧延鋼板(SPCC)を重ね、A5052側より直径3mm長さ1mmのSKD61製ピンを回転させながら押し込み、摩擦接合を行った。

3.考察

(1)ビードオン試験では、入熱量が大きいほど溶融部、熱影響部ともに幅が広くなった。突き合わせ溶接材の引張試験では、最適条件では母材で破断、比較条件では熱影響部で破断した。
(2)ピンの回転速度1100rpm、押し込み量1.25mm、保持時間10～60秒の条件で接合可能であった。ピンの押し込み時の回転による摩擦熱でA5052が流動しSPCCと密着・接合したものと考えられる。

省電力デバイスとしてLEDの使用が増えているが、LEDは発熱密度が大きく熱に弱いという欠点がある。そのため、製品設計が悪いと長期信頼性が確保できないことが多い。これらの問題を解決するためにLEDの適切な評価技術の開発とし、将来的には効率的な放熱手法を検討する。

2.内容

LED等半導体部品の放熱を適切に評価するには発熱源からの熱的な構造を測定し、把握する必要がある。本研究では過渡熱測定から熱構造関数を導き、ジャンクションから大気までの熱抵抗と熱容量で評価した。半導体部品に熱衝撃試験とパワーサイクル試験を行い、それぞれ熱抵抗の変化を測定した。

3.考察

熱衝撃試験ではダイアタッチ部分の熱抵抗が増加し、部品の劣化を過渡熱測定から評価できることがわかった。また、同じ部品に対して、ヒートサイクル試験を行ったところ、内部のワイヤーが断線し故障した。評価方法によって劣化する位置が異なることを確認した。ヒートサイクル試験が実際の使用状況に近い加速試験と考えられ、これらの関係を明確にすることが今後の課題である。

炭素繊維強化樹脂（CFRP）は比強度・比剛性・衝撃特性に優れた材料といわれるが、射出成形などの加工中に繊維が折損し、機械特性が著しく低下することが知られる。折損しにくい有機繊維を炭素繊維と組み合わせることで、機械特性に優れた射出成形用繊維強化樹脂の作製を目指す。

2.内容

種々の有機繊維を炭素繊維と任意の割合で混合し、ポリプロピレン樹脂と溶融混練して繊維強化樹脂を作製した。これを射出成形により試験片形状に成形し、機械特性の評価を行なった。物性向上に効果のある有機繊維を見出すとともに、繊維の適切な混合比についても検討した。

3.考察

テフロン繊維やポリフェニレンサルファイド（PPS）繊維はほとんど物性向上効果がなかった。一方、アラミド繊維を用いた場合、弾性率はCFRPと比べてほとんど変わらないが、破断伸びが大きくなり、引張強さや衝撃強さが向上した。またアラミド繊維の含有率が高くなるほどこれらの特性が向上した。

微生物燃料電池は、微生物の代謝活動を利用し、下水や食品工場の有機廃水を処理して電力を作る環境に優しい発電方法として注目されているが、実用化には電池の出力向上やコスト低減の課題がある。本研究では、微生物燃料電池の高出力化、低コスト化を目指し、電極材料の開発を行った。

2.内容

グラファイトフェルトに湿式で鉄酸化物を修飾した電極を、微生物燃料電池の負極に用いて性能評価した結果、未修飾の電極より最大出力密度が向上した。また、正極構成部材の触媒バインダーをナフィオンから疎水性高分子ポリマーに代替し、最大出力密度を評価したがわずかに低下した。

3.考察

負極材料に関しては、さらに鉄酸化物の担持量との相関や長期の出力安定性、グラファイトフェルトより安価な材料への鉄酸化物修飾を検討する必要がある。また、正極の触媒バインダーについては、ナフィオンより低価格でイオン導電性に優れた材料を続けて探索する必要がある。

近年は、福祉・介護・健康増進機器やデザイン性の高い製品など、人体・感性に直接関わる分野の重要性が増してきている。それらの観点を重視した製品開発を効果的に支援するために、基礎的データの取得や、より感性に近い測定手法について探索することを目的とする。

2.内容

従来の、工業製品を主対象とした測定・評価では大きく不足していた、人体感覚に関するデータ・知見の蓄積のため、主に人体部位の形状や圧力・温度分布等を測定した。また、複数の測定手法を組み合わせることによって、高精度化や、評価をより感性に近づける方法についても検討した。

3.考察

主に手指の把持動作を検討対象とし、体圧分散測定器・感圧紙・圧力センサ等を用いて手指に加わる力の分布などを測定した。測定時の補助材料の工夫や、圧力最大値のみでなく時間変化による検討も加えるなど、評価手法の高度化・多角化を図った。それらにより、持ちやすいと被験者が感じる場合の測定値の傾向や、正確性向上のための重要事項などが示唆された。

近年、様々な環境問題への取り組みが重要性を増している。水質浄化の分野において、薬剤等を使用しない水処理方法として光触媒技術が注目されており、水質浄化のための高性能光触媒材料が求められている。そこで、本研究では新規高性能酸化チタン光触媒の簡易かつ安価な合成法を確立することを目的とする。

2.内容

これまでの研究において、ゾルゲル法で合成した酸化チタンに炭素を複合化することにより、光触媒性能が向上することが分かった。本研究では酸化チタン粉体の合成時における加水分解条件及び炭素の複合化手順等を検討し、光触媒性能の向上を図った。その結果、活性炭を複合化することにより光触媒性能がおよそ1.4倍に向上した。

3.考察

活性炭の吸着能との相乗効果により、光触媒性能を向上させることができた。また、簡易かつ安価な合成法で一定の性能を有する酸化チタン粉体が作製できた。

樹脂成形の中でも特に柔らかいゴムやウレタン等は離型時に樹脂が金型へ付着することがある。これを防ぐために離型剤を塗布するが、コストや作業環境の面からできればその作業を無くしたいのが実情である。そこで本研究では、繰り返し離型可能かつある程度耐久性をもったコーティング技術の開発を目的とする。

2.内容

本研究では金属アルコキシドを出発原料に、ゾルゲル法によるコーティング技術の開発を目指した。テトラエトキシシラン等の金属アルコキシドをアルコール等に溶解し、酸を触媒として前駆体溶液を作製した。その後金属基板上に塗布・熱処理することでコーティング膜を成膜した。出発物質のアルコキシドに有機官能基を有するシランを加えることで、離型効果を得た。

3.考察

コーティングの耐久性向上のためにシラン以外の金属アルコキシドを混合した前駆体を検討したが、前駆体溶液の調製や均質なコーティングが難しく、膜と呼べるような状態にはならなかった。シラン類のみを用いた場合も特に高い離型効果を期待できるフルオロアルキルシラン等では均一な成膜が困難であり、溶媒の検討や金属基板の前処理によって作製を可能とした。得られたコーティング膜は実際に発泡ウレタンを繰り返し付着・剥離する試験により離型効果が確認された。