open access

https://doi.org/10.14943/doctoral.k16351

https://hdl.handle.net/2115/95057

Degradation mechanism and durability of foamed plastic insulation

日本語

2025-03-25

Hokkaido University

vi, 92p.

持続可能な目標や地球環境保護の実現に向け、世界各国では二酸化炭素排出を減らすための政策や取り組みが進められている。IEA（International Energy Agency）が2023年に公表したデータによれば、全世界の二酸化炭素排出量のうち建築分野が占める割合は37%に達しており、他の分野よりも大きな影響を及ぼしている。このような背景の中、断熱材は建築物のエネルギー効率を向上させる基礎的な要素として、建物を通る熱を遮断し、エネルギー使用を最適化する役割を担う。特に、カーボンニュートラルの達成を目指す世界的な取り組みとして、ZEB（Zero energy building）やZEH（Zero energy house）といった制度が導入され、断熱材に対する性能基準を一層厳格化されている。このため、断熱材の性能向上を目的とした研究が数多く進められている。断熱材は分類としては大きく発泡プラスチック断熱材と繊維系断熱材の2種類に分けられる。その中でも、発泡プラスチック断熱材は長期耐久性があり、水分への強さが評価され、全世界で広く使われている。しかし、近年ではこの発泡プ ラスチック断熱材の長期性能や水分への耐久性に関して問題視する指摘が報告がされている。このような現状を踏まえ、本論文では「発泡プラスチック断熱材を劣悪な環境条件に暴露した際の変化を明らかにし、その材料学的劣化メカニズムを解明することで、劣化対策を構築するための基盤を整える」ことを目的とする。本論文は、全５章で構成されており以下に各章の概要を示す。 第１章では、研究背景、本研究に関わる既往の研究、研究目的・構成について述べる。研究背景では、近年、発泡プラスチック断熱材が長期劣化や水分による劣化で断熱性能が変化したとの報告があり、現在の建築用断熱材の規格では長期劣化の要因が十分考慮されていない点を指摘する。本研究の目的を達成すべく、既往研究から報告された発泡プラスチック断熱材の劣化要因（発泡ガスの放出や水分の侵入など）を調査し、劣悪な環境条件に断熱材を暴露する実験を通じて、断熱材の種類ごとの劣化特性を検証する。 第２章では、断熱材が設置される環境を包括的に把握することを目的として、断熱材設置環境を実測と、既往論文を基にした環境条件の調査を行った。実測は、断熱材設置環境の一例として床下環境を選択し、詳細な測定を実施した。その結果、床下の湿度環境は測定した住宅共通して夏場に80％以上に達し、住宅の設備条件によっては相対湿度が95％を超えるケースも確認された。また、既往論文を基にした調査では、床下以外の設置場所として壁体内や屋根裏など、さらに国内の各地条件においても調査を行った。その結果、どの設置箇所においても断熱材は高湿度環境に暴露されていることが明らかとなった。 第３章では、発泡プラスチック断熱材の長期性能および水蒸気による劣化に着目し、その物理化学的変化を解析してその劣化メカニズムを解明した。第２章から得られた断熱材設置環境の知見を基に、夏場を想定した50℃・相対湿度90%以上の条件で２週間暴露した劣化条件（水蒸気による劣化）と、20℃・相対湿度50-70%の条件で1年半保持した長期劣化条件（経年劣化）を設定した。これらの劣化条件下での断熱材を、形態学的（X線CT、ガス吸着法）、ポリマーネットワーク（膨潤度評価、示差走査熱量測定）、化学的特性（フーリエ変換赤外線分光法、熱分解ガスクロマトグラフィー）および熱伝導率の観点からを評価し、発泡プラスチック断熱材の劣化メカニズムを検討した。その結果、断熱材の種類により劣化挙動が異なり、経年劣化及び水分による劣化が化学的に変化を引き起こし、セル構造の不均一化を通して断熱性能に影響を与えていることを確認した。 第４章では、第３章で明らかになった既存の劣化メカニズムを基に、最先端発泡プラスチック断熱材の劣化における物理化学的な変化を評価した。具体的には、押出法ポリスチレンフォーム（XPS）とグラファイトが添加されたXPSを比較し、長期間及び水分による劣化条件下でその変化を調査した。その結果、グラファイト入りのXPSがXPSより劣化による変化が少なく、フィラーの添加が耐久性の向上に寄与する可能性が示された。 第５章「結論」では、本論文で得られた発泡プラスチック断熱材の劣化メカニズムを総括し、今後の展望について述べた。本研究は、断熱材の性能向上に向けた基礎的知見を提供し、劣化対策の構築に寄与することを目指している。

2025-03-25

甲第16351号

博士(工学)

(主査) 教授 北垣 亮馬, 教授 森 太郎, 特任教授 林 基哉, 准教授 菊田 弘輝, 客員教授 萩原 英昭 (大学院工学研究院)

工学院（空間性能システム専攻）

博士論文

Version of Record