荒尾 与史彦 (アラオ ヨシヒコ)

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所属

理工学術院 基幹理工学部

職名

准教授

兼担 【 表示 / 非表示

  • 理工学術院   大学院基幹理工学研究科

学内研究所等 【 表示 / 非表示

  • 2020年
    -
    2022年

    理工学術院総合研究所   兼任研究員

学歴 【 表示 / 非表示

  • 2006年04月
    -
    2010年03月

    早稲田大学   理工学研究科 博士課程   機械工学専攻  

  • 2004年04月
    -
    2006年04月

    早稲田大学   理工学研究科   機械工学専攻  

  • 2000年04月
    -
    2004年03月

    早稲田大学   理工学部   機械工学科  

学位 【 表示 / 非表示

  • 早稲田大学   博士(工学)

経歴 【 表示 / 非表示

  • 2020年04月
    -
    継続中

    早稲田大学   理工学術院   准教授

  • 2015年04月
    -
    2020年03月

    東京工業大学   物質理工学院   助教

  • 2011年04月
    -
    2015年03月

    同志社大学   理工学部   助教

  • 2010年04月
    -
    2011年03月

    早稲田大学   基幹理工学部   助教

所属学協会 【 表示 / 非表示

  •  
     
     

    日本複合材料学会

  •  
     
     

    炭素材料学会

  •  
     
     

    化学工学会

  •  
     
     

    日本機械学会

 

研究分野 【 表示 / 非表示

  • 複合材料、界面

  • 移動現象、単位操作

  • 材料力学、機械材料

  • 構造材料、機能材料

研究キーワード 【 表示 / 非表示

  • グラフェン

  • ナノ材料

  • 複合材料

論文 【 表示 / 非表示

  • The activation of furfuryl alcohol polymerization by oxygen and its enhanced mechanical properties

    Kazushi Shibutani, Jun Nakai, Ketkanok Aphichartsuphapkhajorn, Yoshihito Kayaki, Shigeki Kuwata, Yoshihiko Arao, Masatoshi Kubouchi

    Journal of Applied Polymer Science   138 ( 17 )  2021年05月

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    The effect of oxygen and additional oxygen providers on furfuryl alcohol polymerization was investigated through chemical analyses and mechanical evaluation. NMR, UV–vis, Fourier transform infrared, and gas chromatography–mass spectrometry (GC–MS) results suggested that atmospheric oxygen and the further addition of an oxygen source functioned as an activator for the entire network polymerization. Interestingly, the construction of a conjugated structure on the furan linear chain, which is key to three-dimensional cross-linking, also appears to be accelerated in the presence of oxygen. Furthermore, the introduction of oxygen providers into the curing system successfully enhanced the mechanical properties of the cured furan resin.

    DOI

  • Analysis of nitric acid decomposition of epoxy resin network structures for chemical recycling

    Takuma Hanaoka, Yoshihiko Arao, Yoshihito Kayaki, Shigeki Kuwata, Masatoshi Kubouchi

    Polymer Degradation and Stability   186  2021年04月

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    Epoxy resin is an essential material for the society, although it poses challenges for recycling because of its cross-linked three-dimensional (3D) structure. Nitric acid decomposition is an effective recycling method for such a 3D network resin; this process can be performed at low temperature (80 °C) and normal pressure compared to other recycling methods. However, no systematic investigation on the relationship between the decomposition and chemical structure of raw epoxy resin is available. In this study, various types of epoxy resins which consist of bisphenol F-type epoxy resin and typical amine curing agent are prepared and decomposed using nitric acid. This is the first study to have systematically investigated the epoxy resin decomposition using nitric acid. Our results reveal that the chemical structure around the C–N bond and the ring structure of the curing agent strongly affect the epoxy resin decomposition, which is the first such report in the existing literature on such processes. The findings of this study are applicable for improving the nitric acid decomposition method employed for chemical recycling and to identify epoxy resins suitable for such recycling.

    DOI

  • Exfoliation behavior of large anionic graphite flakes in liquid produced by salt-assisted ball milling

    Yoshihiko Arao, Jonathon D. Tanks, Kojiro Aida, Masatoshi Kubouchi

    Processes   8 ( 1 )  2020年01月

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    Functionalization of graphite is crucial for efficient and effective exfoliation to graphene. When negative charges are fixed to the edges of natural graphite, the resulting anionic graphite shows negative charging in a polar solvent. This enhanced negative charging is assumed to contribute the exfoliation of graphite during liquid-phase exfoliation (LPE). In this study, we prepared large anionic graphite flakes (~10 μm) by salt-assisted ball milling, as well as natural graphite flakes of the same size for comparison. During the LPE process, centrifugation speed and solvent type have dominant effects on graphene concentration and quality (e.g., size and thickness), so we investigated these factors for anionic graphite flakes in detail. The anionic graphite showed higher exfoliation efficiency in every type of solvent (isopropanol, methyl ethyl ketone, acetone, and water-based cosolvent) compared with the natural graphite. Monolayer graphene, with an average size of 80-200 nm, was obtained with relatively high yield (>10%) at only 3 min of sonication. The small size of graphene was due to edge fragmentation during the LPE process. The recyclability of the sediment and the characterization of the exfoliated powders for anionic graphene were also investigated.

    DOI

  • Enhancing mechanical properties of graphene / epoxy nanocomposites using few-layer graphene produced by liquid phase exfoliation

    K. Oba, Y. Arao, A. Hosoi, H. Kawada

    ECCM 2018 - 18th European Conference on Composite Materials    2020年

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    In this study, few-layer graphenes (FLGs) were produced by new liquid phase exfoliation (LPE), exfoliation of graphite with weak acid salts. A high concentration dispersion of FLGs in low-boiling point solvents is successfully carried out, achieved by binding molecules with a dispersing function. And then graphene/epoxy nanocomposites were fabricated and tensile properties were evaluated in order to understand the effect of FLGs introduced into the resin. Graphene/epoxy nanocomposite showed improved mechanical properties. Tensile strength and fracture strain were increased by 11.5% and 55.6% compared with as-received one's. Especially, the improvement of fracture strain was outstanding, which indicated that adding FLGs had a positive impact on suppressing effect on crack propagation and improving fracture toughness of matrix resin. These beneficial results were derived from crack trapping by uniformly dispersed FLGs.

  • Application of small punch test to lifetime prediction of plasticized polyvinyl chloride wire

    Yasutomo Koga, Yoshihiko Arao, Masatoshi Kubouchi

    Polymer Degradation and Stability   171  2020年01月

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    In this study, it was investigated that the validity of small punch (SP) test for the lifetime prediction of polyvinyl chloride (PVC) resin used as an electric insulation material for the electric cable. The degradation behavior of PVC resin under the accelerated high-temperature condition was analyzed using Fourier transform-infrared spectroscopy (FT-IR), tensile testing, and SP testing. The activation energies and estimated lifetime obtained from the Arrhenius method were compared. The peak ratio of the carbonyl group obtained by FT-IR, the elastic modulus obtained by tensile testing, and the apparent elastic modulus obtained by SP testing were used as indicators for lifetime estimation, and the logarithm of these values showed a linear correlation with exposure time. The activation energy obtained from the apparent elastic modulus using SP testing was the smallest and the predicted lifetime was the shortest among all mechanical properties in this research. It indicates that SP testing is sensitive to the degradation. This is because the stress at the surface becomes maximum for SP testing, and the degradation occurs at the surface of the materials by priority degradation. SP testing is an excellent minimally destructive lifetime prediction method for detecting of early-stage degradation.

    DOI

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書籍等出版物 【 表示 / 非表示

  • 高分子の残留応力対応

    荒尾 与史彦( 担当: 分担執筆)

    技術情報協会  2017年

  • エポキシ樹脂の〇〇化/機能性の向上

    荒尾 与史彦( 担当: 分担執筆)

    サイエンス&ナノテクノロジー  2016年

  • Thermal degradation of polymer blends, composites and nanocomposites

    荒尾 与史彦( 担当: 編集)

    Springer  2015年

  • Flame retardnts: Polymer blends, composites and nancomposites

    荒尾 与史彦( 担当: 編集)

    Springer  2015年

Misc 【 表示 / 非表示

  • Mechanochemical reaction using weak acid salts enables dispersion and exfoliation of nanomaterials in polar solvents

    Yoshihiko Arao, Jonathon Tanks, Kojiro Aida, Masatoshi Kubouchi

    Journal of Materials Science   54 ( 6 ) 4546 - 4558  2019年03月

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    Nanomaterials, such as carbon nanotubes, graphene, and various types of nanosheets, form aggregates in dry powder due to attractive van der Walls forces. To bring out their unique properties, dispersion of the nanomaterial in solid or liquid is essential. However, the dispersion media for these materials are limited; the surface tension of liquid should be as close as possible to that of the nanomaterial. This limitation restricts the effective usage of nanomaterials. Here, we find that nanomaterials are easily dispersed or exfoliated in water and low-boiling point solvents after simple pretreatment. Pulverization of nanomaterials induces many dangling bonds at the newly created edge, and these active species react with weak acid salts. In polar solvent, the bonded salts are dissociated and enhance the negative charging of nanomaterials. The enhanced electric charging prevents the aggregation or restacking of nanosheets even in typically incompatible solvent such as water and alcohol. The functionalized powder can be easily exfoliated, giving more than 20% yield of nanosheets after only 5 min of sonication.

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  • Experimental study on drilling of jute fiber reinforced polymer composites

    Hadi Rezghi Maleki, Mohsen Hamedi, Masatoshi Kubouchi, Yoshihiko Arao

    Journal of Composite Materials   53 ( 3 ) 283 - 295  2019年02月

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    The use of natural fiber composites is growing at a fast rate in terms of industrial applications due to their eco-friendly, recyclable, renewable nature, and low density/costs. Recently, jute fiber is being used as a reinforcement material in the development of natural fiber reinforced plastics for engineering applications. Drilling is an essential machining operation that is frequently performed for making of holes in composite structures to facilitate assembly of several components into a complex part. The literature reviews indicate that only a few of research articles investigated drilling of natural fiber reinforced composites. Hence, in the present research, drilling of woven jute fiber reinforced polymer composites has been examined. This study aimed at evaluation of cutting parameters and drill bit types effect on thrust force, delamination size, and surface roughness in the jute fiber reinforced polymer composites drilling using an experimental design based on full factorial technique. The percentage contribution of the cutting parameters and drill bit types were determined through the analysis of variance. The optimal setting of these parameters was found through observation. The experimental results indicated that the most significant effect was the drill bit type influencing both delamination factor and surface roughness.

    DOI

  • Direct exfoliation of layered materials in low-boiling point solvents using weak acid salts

    Yoshihiko Arao, Jonathon, D. Tanks, Masatoshi Kubouchi, Akira Ito, Atsushi Hosoi, Hiroyuki Kawada

    Carbon   142   261 - 268  2019年02月

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    © 2018 Elsevier Ltd The method for mass production of nanosheets is essential for fully realizing their commercial use. Direct exfoliation of layered materials in liquid is the simplest and low-cost technique for exfoliation without introducing defects in basal plane. However, the technique requires toxic and high-boiling point solvents, which makes it difficult for further processing. In addition, solvent exchange involves time-consuming processes such as filtering and redispersion. A breakthrough is necessary to make 2D-crystal-based functional dispersions. Here, we find a new method to directly exfoliate layered materials in low-boiling point solvents. Addition of small amounts of salt prevents reaggregation of exfoliated nanosheets and improves electrical repulsion. In this process, the mechanical force applied by sonication generates active carbon species at the fractured surfaces, leading to a reaction between the active carbon and the salt in liquid. High concentration graphene dispersions (1 g/L) can be obtained in isopropanol with only 5 min of sonication. We also confirm salt-assisted exfoliation is effective for the other 2D crystals such as MoS2 and boron nitride in a wide variety of polar solvents. Direct exfoliation in processable solution opens up a range of large-area applications such as high performance nanocomposites and coatings.

    DOI

  • Influence of network structure on the degradation of poly(ether)amine-cured epoxy resins by inorganic acid

    Jonathon D. Tanks, Masatoshi Kubouchi, Yoshihiko Arao

    Polymer Degradation and Stability   157   153 - 159  2018年11月

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    © 2018 Elsevier Ltd In this paper, we investigate the case of bisphenol-type epoxy crosslinked with poly(ether)amine, immersed in sulfuric acid at elevated temperature. The results show that very high equilibrium mass-change (up to 40%) is observed, and that amine protonation is largely responsible for this behavior. When the acid solution concentration is 5mass% or higher, alcohol dehydration and aromatic ether cleavage reactions occur by excess acid (after amine protonation). A mechanistic degradation model is proposed, which requires no empirical parameters and accounts for polymer network structure differences. The model is supported by calculating the theoretical crosslink density using gravimetric data of penetrated acid at equilibrium.

    DOI

  • Effect of graphite structures on the productivity and quality of few-layer graphene in liquid-phase exfoliation

    Fumiya Mori, Masatoshi Kubouchi, Yoshihiko Arao

    Journal of Materials Science   53 ( 18 ) 12807 - 12815  2018年09月

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    Liquid-phase exfoliation (LPE) is a promising technique for commercializing graphene production because of its simplicity and cost-effectiveness. However, the low yield of graphene in laboratory-scale production, less than 10 g/h, necessitates modifications to the process for it to be feasible for commercial applications. Natural graphite has various size distribution, crystallite sizes, and interlayer space, making the choice of initial graphite very important. Five types of natural graphite with different structures were prepared for the experiment. The structural parameters of graphite such as crystallite size and d-spacing were precisely determined based on a standard procedure of X-ray diffraction measurements for carbon materials. The effects of graphite flake size and crystallite size on the productivity and quality of few-layer graphene (FLG) were investigated. The results showed that small graphite was easier to fragment and exfoliate. FLG productivity improvement up to 1500% was attained when graphite with smaller flakes was used instead of graphite with large flakes. The crystallite size of graphite was manipulated by plenary ball milling, and the effect of crystallite on FLG productivity in LPE process was also discussed.

    DOI

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産業財産権 【 表示 / 非表示

  • 無機粒子複合体およびその製造方法、並びに無機粒子複合体分散液

    荒尾 与史彦

    特許権

  • 高分散性ナノシートとその製造方法

    荒尾 与史彦

    特許権

  • 材料試験装置及び材料試験方法

    荒尾 与史彦

    特許権

  • 材料層の厚み測定方法

    荒尾 与史彦

    特許権

  • 圧力式ホモジナイザを利用した高せん断付与による層状鉱物の剥離分散

    荒尾 与史彦

    特許権

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共同研究・競争的資金等の研究課題 【 表示 / 非表示

  • 溶媒可溶性グラフェンを利用した高強度・高耐久性ナノコンポジットの創出

    基盤研究(B)

    研究期間:

    2019年04月
    -
    2022年03月
     

    荒尾 与史彦, 久保内 昌敏, 川田 宏之, 細井 厚志

  • 黒鉛の構造制御によるグラフェンの低コスト量産化

    研究期間:

    2017年
    -
    2018年
     

    荒尾 与史彦

    担当区分: 研究代表者

  • グラフェンの量産化と超高強度複合材料の創製

    研究期間:

    2015年
    -
    2018年
     

    荒尾 与史彦

    担当区分: 研究代表者

  • 液相プロセスにおける超高アスペクト比ナノシートの創製

    研究期間:

    2017年
     
     
     

    荒尾 与史彦

    担当区分: 研究代表者

  • ナノコーティングによる先進複合材料の超長寿命化

    研究期間:

    2012年
    -
    2015年
     

    荒尾 与史彦

    担当区分: 研究代表者

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特定課題研究 【 表示 / 非表示

  • ナノハイブリッドフィラーの創製とそれによるプラスチック材料の高強度化

    2020年  

     概要を見る

    本研究では、グラフェンとポリマー高分子を混ぜ合わせて、複雑な構造の凝集物を形成し、それによりポリマー材料へ簡単に分散できるような凝集体構造の形成に挑戦した。グラフェンは分散液中で負に帯電することから、正に帯電するカチオン性ポリマーを選択し、分散液中で混合したところ、グラフェンの負の反発力はポリマーによって弱められ、凝集体を得ることができた。しかしながら、この凝集体を詳しく調べると、グラフェン同士が再積層し、その周りをポリマーが囲むような形の凝集体となっており、グラフェンの層間にポリマーが挿入されているような複雑な構造の凝集体は得ることができなかった。

  • 炭素繊維強化複合材料の精密設計のための長期寸法保証の確立

    2010年  

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     本研究では,軽量かつ高精度のCFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)ミラーを開発することを目的としてる。CFRPを用いた精密設計手法を確立することで,宇宙望遠鏡の性能のブレークスルーをはかることができ,天文物理学の発展に大きく寄与することができる。開発を行うためには,CFRPの長期寸法保証を行う必要がある。フラットな積層板が,ねじれや鞍型状に面外変形を引き起こすことで,CFRPミラーの性能は大きく損なわれる。CFRPの形状保持機能を見極めるために,研究を遂行した。 ねじれ変形や鞍型状に形状を崩す要因として,CFRPを作製するさいに生じる積層誤差が挙げられる。積層誤差が存在すると,熱変化などにより図1に示されるようなカップリング変形を引き起こす。本研究の成果により,CFRPの積層角度の精度を確認することができた。積層精度は,熟練者が積層したとしても,標準偏差で±0.4°存在することが判明した。この値がCFRPの成形精度の限界値であり,この誤差を踏まえて精密設計をする必要がある。 本研究では積層誤差が0.4°各層に存在すると考え,その場合に熱変化により生じる変形(Peak to Valley値)を求めた。P-V値は観測したいものの波長によって大きく異なる.例えば可視光領域では波長が700nmなので,P-V値はその1/8の90nm程度まで抑えこむ必要がある。1mの反射鏡を想定した場合にこの値を達成するためには,温度変化を1K以下に制御すること,さらに適切な背面構造を取らなければいけないことを解析的に示した。このことより,CFRPミラーの可視光への適用の可能性を示すことができた。

  • 精密CFRP構造体のミクロンオーダー寸法安定性の確立

    2009年  

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    本研究では,軽量かつ高精度のCFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)ミラーを開発することを目的としてる。CFRPを用いた精密設計手法を確立することで,宇宙望遠鏡の性能のブレークスルーをはかることができ,天文物理学の発展に大きく寄与することができる。開発を行うためには,CFRPの長期寸法保証を行う必要がある。そこで,中央面に対称に積層されたCFRP積層板を成形し,その形状保持機能について調査を行った。 これまで,対称積層板は形状変化を引き起こさないとされていたが,本研究において,高精度に形状を測定した結果,数十~数百ミクロンで,面外変形を生じることが明らかとなった。この変形メカニズムを解明するために,変形原因を仮定し,実験結果と比較した。その結果,積層する際の積層誤差,および各層内での繊維の偏りによって,吸湿や熱変化により,面外変形を生じることが判明した。解析では層の積層誤差のランダム性を考慮して,モンテカルロ法にて変形解析を行った。その結果,層の誤差としては,標準偏差で約0.2°程度存在することが明らかとなった。この積層誤差を踏まえて背面構造等を決定する必要がある。 以上の研究を踏まえて,CFRPミラーを試作した。CFRPの表面は,磨いても表面の凹凸を除去できないため,CFRPの表面に薄い樹脂層をもうけ,バフ研磨した後,アルミニウムを蒸着させることで,CFRPのミラー面を創製した。試作したミラーをレーザー干渉計で変形を測定した結果,変形量はたかだか,30nmRMSであることを確認した。この値はミラーサイズによって変化する値であるが,10cm×10cm角のミラーではサブミクロンレベルでの精密設計を行うことができた。

  • 繊維強化プラスチックの長期寸法安定性

    2008年  

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    本年度は炭素繊維強化プラスチック(CFRP)製ミラーを開発することを目標とし,CFRP積層板の形状変化に関する調査を行った.CFRPミラーはその軽量性と耐熱変形性から衛星搭載の望遠鏡の主鏡として採用されることが期待されており,従来のガラスやベリリウムからCFRPに置き換えることで性能のブレークスルーが可能とされている.ミラーやアンテナなどの構造体は超精密性が要求されており,1ミクロンの変形も許容できない.CFRPミラーを実用化するためには,形状変化を引き起こす原因を解明する必要がある.そこで,5ミクロンの精度で板の形状を測定できるシステムを構築し,CFRP積層板の吸湿に伴う変形のモニタリングを行った.従来の考えでは,中央面に対称に積層されたCFRP積層板は吸湿や熱変化で単純な膨張や収縮が生じるのみで,形状変化は引き起こされないとされていた.しかしながら,本実験より,CFRP積層板は繊維の分布が存在し,場所によって膨張率が異なるため形状変化を引き起こすことが分かった.さらに繊維配向の不整などの工業上不可避のバラツキにより積層板の形状が崩れることが分かった.さらに以上の結果を踏まえ,板の変形を許容しない,背面構造の提案を行った.CFRPミラーは主にハニカムコアと呼ばれる軽量なコア材をCFRP積層板で挟みこむ構造となっている.そこでハニカムコアをモデル化し,さらにCFRP積層板も前述した実験をもとにモデル化を行い,有限要素法により熱変形解析を行った.解析結果より,1mクラスの主鏡であれば,従来の鏡の設計,すなわちミラー口径と高さの比6:1の設計により,衛星の周回軌道状での温度変化50℃で変形をミクロン以下に抑えることが可能であることが予測された.

 

現在担当している科目 【 表示 / 非表示

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担当経験のある科目(授業) 【 表示 / 非表示

  • 製図学

    日本大学、同志社大学  

  • 材料力学

    早稲田大学、同志社大学