Using Radiation Modification of Amorphous Phase in Semi-Crystalline Polymers To Develop Hydrogen Compatible Resins Used in High-Pressure Hydrogen

利用半晶聚合物非晶相的辐射改性开发高压氢气用氢相容树脂

• 批准号: 17K05121
• 负责人: 榎本 一之
• 金额: $ 3.08万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-01 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17K05121/
• 关键词: 量子ビーム; 高圧水素; 架橋; 高分子非晶相; 結晶性樹脂

水素で走る燃料電池車用高圧水素タンクの材料開発は、ポリエチレンなどの結晶性樹脂を内層材に用い、その外周を炭素繊維強化樹脂で補強した複合化が本命技術と位置づけられている。高圧水素ガスに直接曝露される内層材は、樹脂中の非晶相に侵入した水素が減圧時に体積膨潤することで気泡が形成され、その気泡が起点となり、材料内部にき裂が進展する破壊を発生するリスクがある。そのため、高圧水素を「ためる」役割を担う樹脂製タンクの安全性・長期信頼性が必要不可欠である。本研究では、量子ビーム技術により樹脂中の「水素の通り道」である非晶相にピンポイントで架橋構造や水素結合ネットワークを導入し、水素材料所望のガスバリア性・強靭性の機能が付与できる改質技術を創出することを目的とする。今年度は、高密度、中密度、分岐状低密度、及び直鎖状低密度のポリエチレンを対象として、１）量子ビーム架橋を基盤戦略としたポリエチレン非晶相の改質とその機械特性と水素特性の検討、２）高圧水素曝露加減圧サイクルによる耐久性試験を行い、樹脂中に発生した気泡や欠陥評価について実施した。Co60－γ線照射による架橋は非晶相及び結晶－非晶界面において付与され、吸収線量の増加につれて非晶相の分子鎖運動性の束縛と機械的強度の増加をもたらした。同時に、圧力90 MPa下における樹脂中の水素量、減圧後の水素拡散及び体積膨潤に伴う気泡形成を架橋密度により制御することに成功した。特に、γ線500 kGy照射により低密度ポリエチレンの非晶相を架橋することで、高圧水素急減圧に伴う気泡形成の抑制効果が未架橋の高密度ポリエチレンに匹敵し、かつ、加減圧サイクルを気泡形成なしに20回くり返すことができた。これらの量子ビーム架橋による高分子非晶相の改質はγ線の照射時間により制御可能であり、目的とする水素材料開発のための基盤技術として大きな成果となった。

The material development of high-pressure water element for fuel cell vehicle is composed of crystalline resin, inner layer material, carbon fiber reinforced resin and composite material. High pressure water element directly exposed to the inner layer material, resin amorphous phase invasion, water element volume expansion during pressure reduction, gas bubble formation, gas bubble initiation, material internal cracking progress, crack initiation, crack initiation. The safety and long-term reliability of the resin system are essential. This study aims to introduce quantum technology into amorphous phase, bridge structure and water-element bonding structure, and to provide the desired properties of water-element materials. A study of mechanical properties and moisture properties of amorphous phase modified by quantum bridging; 2) durability test of high pressure moisture exposure; and generation of gas bubbles in resin. Co60-γ irradiation caused the bridging of amorphous phase and crystalline-amorphous interface, the increase of absorption amount, the increase of molecular locking mobility and mechanical strength of amorphous phase. At the same time, under the pressure of 90 MPa, the water content in the resin, the water dispersion after pressure reduction and the volume expansion are accompanied by the formation of gas bubbles, and the control of the bridge density is successful. In particular, gamma-ray 500 kGy irradiation caused by low density amorphous phase bridging, high pressure water element rapid pressure reduction accompanied by gas bubble formation suppression effect compared with high density non-bridged amorphous phase bridging, pressure reduction accompanied by gas bubble formation, 20 times. The quantum bridging of polymer amorphous phase and the irradiation time of gamma rays are controlled by the substrate technology.

项目成果

高圧水素急減圧に伴うポリエチレンのボイド形成：放射線架橋による抑制

由于高压氢气快速减压而在聚乙烯中形成空隙：通过辐射交联抑制

• 发表时间: 2017
• 作者: 榎本一之;長谷川伸;廣木章博;前川康成;小野皓章;藤原広匡;西村伸
• 通讯作者: 西村伸

Using Radiation Modification of Amorphous Phase in Polyethylene to Develop Hydrogen Compatible Resins Used in High-Pressure Hydrogen

利用聚乙烯非晶相的辐射改性开发高压氢气用氢相容树脂

• 发表时间: 2018
• 作者: Kazuyuki Enomoto;Shin Hasegawa;Akihiro Hiroki;Yasunari Maekawa;Hiroaki Ono;Hirotada Fujiwara;Shin Nishimura
• 通讯作者: Shin Nishimura

高圧水素曝露後における放射線架橋ポリエチレン中の水素拡散挙動

高压氢暴露后辐射交联聚乙烯中的氢扩散行为

• 发表时间: 2017
• 作者: 榎本一之;長谷川伸;廣木章博;前川康成;藤原広匡;西村伸
• 通讯作者: 西村伸