Design of inner structure of reactor for synthesis of polymer nano particle
| Project/Area Number |
21H01702
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 27020:Chemical reaction and process system engineering-related
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
山本 徹也 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (10432684)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2021: ¥12,350,000 (Direct Cost: ¥9,500,000、Indirect Cost: ¥2,850,000)
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| Keywords | ナノ粒子 / 反応器 / 低環境負荷 / 紫外線重合反応 / 界面活性剤フリー / 熱運動 / ブラウン運動 / 三次元網目構造 / マイクロフォーム / 流動抵抗 / 高分子微粒子 / ソープフリー乳化重合 / 反応器設計 |
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| Outline of Research at the Start |
医薬，複合材料分野で活躍する高分子微粒子のナノサイズ化には，凝集成長を抑制するため，反応器に多量の界面活性剤を添加している。これは環境汚染の観点から，解決すべき重要課題である。本研究では，持続可能な発展を念頭に界面活性剤を使わずに高分子微粒子をナノサイズ化する技術を開発する。すなわち反応器内部に粒子成長を阻止する構造を導入する。具体的には，内部にマイクロオーダーの孔をもつ三次元網目構造のスポンジを反応器として用いる。この網目構造と溶媒間の相互作用を強化して溶媒分子の熱運動を抑え，反応器内の生成初期粒子のブラウン運動とそれに伴う凝集成長が抑制され粒子のナノサイズ化が達成できる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
従来，ポリスチレンナノ粒子は界面活性剤を用いた乳化重合により合成されてきた。この方法では，界面活性剤により粒子表面が汚染される，環境負荷が高いといった課題がある。本研究はこれらの課題をクリアするために，三次元マイクロ網目構造を有するメラミンフォームを反応器として用いたスチレンのソープフリー乳化重合を行った。本実験ではメラミンフォームの空隙による流体抵抗をダルシーの法則に従って解析を行った。メラミンフォームの空隙率が下がると流動抵抗が上がることを実験的に明らかにした。流動抵抗の上昇に伴い，メラミンフォーム内で発生した微粒子の運動が抑制され，衝突や合一による微粒子の成長が阻害されたので100 nm未満のポリスチレン粒子を合成することができた。合成したポリスチレンの分子量も併せて測定したところ，ナノ粒子を構成する分子数の減少を確認することができた。これらの実験結果により，凝集成長と分子数には相関性があると言える。メラミンフォーム内でのポリマーの堆積は観察されず，繰り返し反応器として使うことができる。本手法は有機溶媒と界面活性剤を用いない系でナノ粒子が合成できた点に意義がある。今期の研究を通して，メラミンフォーム内でのソープフリー乳化重合ではモノマーを加熱による蒸発と拡散で供給しており，重合速度に比べてモノマー供給速度が大きいためにナノ粒子の収率が低い問題点が明らかになった。この点を来期以降に改善できるよう，紫外線を利用した光重合反応を用い収率の向上に努め，社会実装できる手法の開発を目指す。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
メラミンフォームを利用したソープフリー乳化重合によりポリスチレンナノ粒子の合成に成功し，研究成果を学術雑誌で発表することができた。またジャナールの表紙画にも採用された。これらの成果を学会で発表し，ポスター賞など受賞するに至っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
メラミンフォーム内でのソープフリー乳化重合ではモノマーを加熱による蒸発と拡散で供給しており，重合速度に比べて供給速度が大きいためにナノ粒子の収率が低い問題点がある。ナノ粒子の収率向上を図るにはメラミンフォーム反応器にモノマーを供給する速度を抑える必要がある。すなわち重合させる温度を下げ，モノマーの蒸発速度を下げる。温度を下げるには，紫外線を利用した開始剤の分解反応によるラジカルの発生を活用したソープフリー乳化重合反応をメラミンフォーム内で実施する。ラジカル開始剤には紫外線で分解するアゾ化合物を使う。
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Report
(1 results)
Research Products
(15 results)
