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Development of Control Method of Polymer Surface Microstructure by Atomic Oxygen

Research Project

Project/Area Number 20K14955
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
Research InstitutionJapan Aerospace EXploration Agency

Principal Investigator

Goto Aki  国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 研究開発員 (90794074)

Project Period (FY) 2020-04-01 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Keywords原子状酸素 / 高分子材料 / 表面改質 / 陽電子消滅寿命測定法 / 微細構造 / 陽電子消滅寿命法
Outline of Research at the Start

本研究は、原子状酸素(AO)照射による高分子材料表面改質技術の開発と応用展開に向け、微視的突起構造形成メカニズムを明らかにすることを目的とする。地球低軌道環境に存在するAOとの衝突により、熱制御材料などの高分子材料表面は酸化及び浸食され、ナノ及びマイクロスケールの微視的突起構造が形成される。AOと高分子材料の相互作用について現象論的な報告はあるものの、微視的突起構造の形状を決定づける因子など詳細はよく分かっていない。本研究では表面形状や化学状態を定量し、AO照射条件や高分子の化学的特性との相関を取得することで、微視的突起構造の形状に関わる支配因子を導出する。さらに微視的形状制御にも挑戦する。

Outline of Final Research Achievements

Atomic oxygen (AO) collides with a polymer with a relative velocity of 8 km/s, which oxidizes and erodes its surface, forming nano- and microscale protrusions. This study aims to clarify the mechanism of the formation of protrusions for developing a surface modification method using AO irradiation. The sizes and numerical density of formed protrusions differed among polyethylene, polypropylene, and polystyrene, while the mass losses and changes in chemical bonds due to AO irradiation were almost the same. The evaluation using positron annihilation lifetime spectroscopy showed that the higher-order structure of a polymer (conformation of polymer chains) would affect the spatial scales where AO interacts, determining the morphologies of formed protrusions.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、高分子の高次構造を活用することで、AO照射に伴い生じる突起構造の形状を制御できる可能性を見出せた。これは、AO照射を表面改質法として応用するための第一歩と言える。また、高次構造を適切に制御することで、突起構造が形成されにくい宇宙用材料を創生できる可能性が高いと言え、宇宙機設計に対する貢献も期待できる。さらに、AO(数 eVの並進エネルギーをもつ中性原子)について、複雑な構造をもつ高分子上でのふるまいに関する知見が得られた点で、表面・物理・高分子化学といった学術分野へも貢献できる。

Report

(5 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • 2020 Research-status Report
  • Products Report
  • Research Products

    (16 results)

All 2023 2022 2021 2020

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 2 results,  Open Access: 2 results) Presentation (12 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results)

  • [Journal Article] 原子状酸素照射による高分子材料表面の微細構造形成2023

    • Author(s)
      後藤亜希, 田川雅人, 山下真一
    • Journal Title

      月刊「化学工業」

      Volume: 74 Pages: 90-95

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Journal Article] Formation of Nanoscale Protrusions on Polymer Films after Atomic Oxygen Exposure : Observations with Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy2023

    • Author(s)
      Aki Goto, Koji Michishio, Toshitaka Oka, Masahito Tagawa, Shinichi Yamashita
    • Journal Title

      Langmuir

      Volume: 39 Issue: 34 Pages: 11954-11963

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.3c00224

    • Related Report
      Products Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Formation of Nanoscale Protrusions on Polymer Films after Atomic Oxygen Irradiation: Changes in Morphologies, Masses, and FT-IR Spectra2022

    • Author(s)
      Goto Aki、Yamashita Shinichi、Tagawa Masahito
    • Journal Title

      Langmuir

      Volume: 38 Issue: 11 Pages: 3339-3349

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.1c02605

    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 原子状酸素照射による高分子材料表面の微細構造形成:メカニズム解明に向けたフルエンス補正2021

    • Author(s)
      後藤亜希, 山下真一, 田川雅人
    • Journal Title

      放射線化学

      Volume: 111 Pages: 59-61

    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] Atomic-oxygen-induced Microstructures Formed on Hydrocarbon Polymer Films2023

    • Author(s)
      Aki Goto, Takashi Tanji, Masahito Tagawa , Koji Michishio ,Toshitaka Oka , Shinichi Yamashita
    • Organizer
      2023 MRS Spring Meeting
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Atomic-oxygen-induced Microstructures Formed on Polymer Films2022

    • Author(s)
      Aki Goto, Takashi Tanji, Masahito Tagawa, Koji Michishio, Toshitaka Oka , Shinichi Yamashita
    • Organizer
      The Ionizing Radiation and Polymers symposium 2022
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 第65回放射線化学討論会2022

    • Author(s)
      後藤亜希, 丹司尊, 田川雅人, 満汐孝治, 岡壽崇, 山下真一
    • Organizer
      原子状酸素照射で高分子に生じる微細構造: 高分子の高次構造の影響
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] 原子状酸素の照射による高分子フィルム表面への微細構造形成2022

    • Author(s)
      後藤亜希, 丹司尊, 田川雅人, 満汐孝治, 岡壽崇, 山下真一
    • Organizer
      第17回先進原子力科学技術に関する連携重点研究討論会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Presentation] Atomic-oxygen-induced Microstructure Formation on Polymers:Higher-order Structure Effects on Morphologies2022

    • Author(s)
      Aki Goto、Takashi Tanji、Masahito Tagawa、Koji Michishio、Toshitaka Oka、Shinichi Yamashita
    • Organizer
      The Miller Online Workshop on Radiation Chemistry
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      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 原子状酸素照射した高分子材料表面の陽電子寿命法による観察2022

    • Author(s)
      後藤亜希、田川雅人、満汐孝治、岡壽崇、山下真一
    • Organizer
      第59回アイソトープ・放射線研究発表会
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 原子状酸素による高分子材料表面への微細構造形成:温度に応じた形状変化2021

    • Author(s)
      後藤亜希、丹司尊、田川雅人、山下真一
    • Organizer
      第64回放射線化学討論会
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      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 原子状酸素による高分子材料表面への微細構造形成:高分子表層の自由体積2021

    • Author(s)
      後藤亜希、田川雅人、満汐孝治、岡壽崇
    • Organizer
      第64回放射線化学討論会
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      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 原子状酸素を照射した高分子材料表面のモルフォロジー解析2021

    • Author(s)
      後藤亜希, 丹司尊, 山下真一, 田川雅人
    • Organizer
      第58回アイソトープ・放射線研究発表会
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      2020 Research-status Report
  • [Presentation] Microstructure of Polymer Surface Irradiated with Atomic Oxygen2020

    • Author(s)
      Aki Goto, Shinichi Yamashita, Akane Kitamura, Masahito Tagawa
    • Organizer
      The 8th Asia Pacific Symposium on Radiation Chemistry
    • Related Report
      2020 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 原子状酸素照射におけるフルエンス空間分布の補正2020

    • Author(s)
      後藤亜希, 山下真一, 田川雅人
    • Organizer
      第63回放射線化学討論会
    • Related Report
      2020 Research-status Report
  • [Presentation] 原子状酸素照射によって高分子材料表面に生じる微細形状:照射にともなう突起密度と化学構造の変化2020

    • Author(s)
      後藤亜希, 丹司尊, 山下真一, 田川雅人
    • Organizer
      第63回放射線化学討論会
    • Related Report
      2020 Research-status Report

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Published: 2020-04-28   Modified: 2024-03-28  

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