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高靭性ダブルネットワークゲルの変形・破壊メカニズムの解明

Research Project

Project/Area Number 15F15348
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section外国
Research Field Polymer/Textile materials
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

グン 剣萍  北海道大学, 先端生命科学研究院, 教授 (20250417)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) CUI KUNPENG  北海道大学, 先端生命科学研究科(研究院), 外国人特別研究員
Project Period (FY) 2015-11-09 – 2018-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2017)
Budget Amount *help
¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000)
Fiscal Year 2017: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
Fiscal Year 2016: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2015: ¥400,000 (Direct Cost: ¥400,000)
Keywordsゲル / 小角散乱 / 放射光 / ダブルネットワーク / イオン結合 / 異方性
Outline of Annual Research Achievements

本研究は、強靭なダブルネットワーク(DN)ゲル、およびその強靭化原理を応用して創製された各種強靭ゲル(例えばイオン結合からなるポリアンフォライト(PA)ゲル)の強靭化メカニズムを解明することを目的としており、本年度は以下の研究を行った。
a) PAゲル、DNゲルに対する放射光小角X線散乱と延伸の同時測定と、力学物性との相関解明
PAゲルとDNゲルの延伸時の構造変化を、超小角X線散乱測定によって測定した。以下、PAゲルの結果について示す。まずPAゲルの静的な構造について検討したところ、純粋にイオン結合からなるPA物理ゲルは明確な相分離構造を有し、化学架橋剤を加えて作成したPA化学ゲルは比較的均一な構造であることが分かった。また相分離構造の特徴的な長さは組成や化学種により100-1000nmスケールであることが示唆された。次いでPA物理ゲルについて延伸とX線散乱の同時測定を行ったところ、延伸が小さいときはアフィン変形が成り立つが、延伸が大きくなるとゲルのマクロな変形と相分離構造のミクロな変形が一致しなくなることが分かった。これは、相分離中の密な部分が変形に伴って部分的に破壊、あるいは降伏したものと考えられる。
b) PAゲルに対するクリープ試験
材料のクリープ挙動は、負荷がかかった材料の寿命と関連している。本年は組成の異なるPAゲルに対してクリープ試験を行った。PAゲルの破断に要する時間は、印加応力の増大に伴って指数関数的に減少した。このことは、PAゲルのクリープ破壊はその外力によって支配されるプロセスであることを示唆している。また、応力と破断時間との関係は、PA物理ゲルとPA化学ゲルによって異なっていた(物理ゲルは二重指数関数型、化学ゲルは単一指数関数型)。これはX線散乱測定によって明らかとなった両者の構造の違いに対応しているものと考えられ、今後の解析によって明らかにしていく。

Research Progress Status

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

29年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2017 Annual Research Report
  • 2016 Annual Research Report
  • 2015 Annual Research Report
  • Research Products

    (15 results)

All 2018 2017 2016 Other

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 2 results,  Acknowledgement Compliant: 2 results) Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] Tough, Self-Recovery and Self-healing Polyampholyte Hydrogels2017

    • Author(s)
      Tao Lin Sun, Kunpeng Cui, Jian Ping Gong
    • Journal Title

      Polymer Science Ser. C

      Volume: 59 Pages: 11-17

    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Bulk Energy Dissipation Mechanism for the Fracture of Tough and Self-Healing Hydrogels2017

    • Author(s)
      Tao Lin Sun, Feng Luo, Wei Hong, Kunpeng Cui, Yiwan Huang, Huijie Zhang, Daniel R. King, Takayuki Kurokawa, Tasuku Nakajima, Jian Ping Gong
    • Journal Title

      Macromolecules

      Volume: 印刷中 Issue: 7 Pages: 2923-2931

    • DOI

      10.1021/acs.macromol.7b00162

    • NAID

      120006416009

    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Tough, Self-recovery and Self-healing Polyampholyte Hydrogels2017

    • Author(s)
      Tao Lin Sun, Kunpeng Cui, Jian Ping Gong
    • Journal Title

      Polymer Science Ser. C

      Volume: 印刷中

    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Stretching-Induced Ion Complexation in Physical Polyampholyte Hydrogels2016

    • Author(s)
      Kunpeng Cui, Tao Lin Sun, Takayuki Kurokawa, Tasuku Nakajima, Takayuki Nonoyama, Liang Chen, Jian Ping Gong
    • Journal Title

      Soft Matter

      Volume: 12 Issue: 43 Pages: 8833-8840

    • DOI

      10.1039/c6sm01833e

    • NAID

      120006366478

    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] Toughening mechanism of physical polyampholytes hydrogels2018

    • Author(s)
      Kunpeng Cui
    • Organizer
      17th International Conference on Deformation, Yield and Fracture of Polymers (DYFP2018)
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Bulk Energy Dissipation Mechanism for the Fracture of Tough and Self-Healing Hydrogels2017

    • Author(s)
      Tao Lin Sun
    • Organizer
      Rheology of gel networks
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Osmotic Stress-Induced Viscoelastic-Glassy Transition of Polyampholytes2017

    • Author(s)
      Kunpeng Cui
    • Organizer
      Rheology of gel networks
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Time-dependent tensile behavior of polyampholyte hydroge2017

    • Author(s)
      Tao Lin Sun
    • Organizer
      Gordon Research Conference on the Science of Adhesion
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Tough and Self-Healing Elastomers Based on Sacrificial Bonds Concept2017

    • Author(s)
      Liang Chen
    • Organizer
      第66回高分子討論会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] Toughening Mechanism of Polyampholytes Hydrogels2017

    • Author(s)
      Kunpeng Cui
    • Organizer
      第66回高分子討論会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] Structure Transition in Triblock Copolymer Gels: the Effect of Chain Architecture and Concentration on Mechanical Properties2017

    • Author(s)
      Yanan Ye
    • Organizer
      第66回高分子討論会
    • Related Report
      2017 Annual Research Report
  • [Presentation] The Effect of Ionic Interraction on Structure and Performance of Polyampholyte Hydrogels2017

    • Author(s)
      Kupeng Cui, Tao Lin Sun, Liang Chen, Takayuki Nonoyama, Tasuku Nakajima, Takayuki Kurokawa, Jian Ping Gong
    • Organizer
      GelSympo2017
    • Place of Presentation
      日本大学つくばキャンパス(千葉県習志野市)
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Novel hydrogels based on H-bonds as reversible sacrificial bonds: tough, self-healing and thermal response behavior2017

    • Author(s)
      Liang Chen, Tao Lin Sun, Kunpeng Cui, Daniel R. King, Takayuki Nonoyama, Tasuku Nakajima, Takayuki Kurokawa, Jian Ping Gong
    • Organizer
      GelSympo2017
    • Place of Presentation
      日本大学つくばキャンパス(千葉県習志野市)
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Heterogeneous-Homogeneous and Ductile-Brittle Transitions in Polyampholytes Hydrogels2016

    • Author(s)
      Kunpeng Cui, Taolin Sun, Liang Chen, Takayuki Nonoyama, Tasuku Nakajima, Takayuki Kurokawa, Jian Ping Gong
    • Organizer
      ゲルワークショップインお台場
    • Place of Presentation
      産業技術総合研究所臨海副都心センター別館(東京都江東区)
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Remarks] 研究室ホームページ

    • URL

      http://altair.sci.hokudai.ac.jp/g2/

    • Related Report
      2016 Annual Research Report 2015 Annual Research Report

URL: 

Published: 2015-11-26   Modified: 2024-03-26  

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