電子メディエーターを用いたフッ素ポリマーの新規表面改質法の開発

Research Project

Project/Area Number	22K04728
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 26030:Composite materials and interfaces-related
Research Institution	Kyushu University
Principal Investigator	石松亮一九州大学, 工学研究院, 助教 (90512781)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000) Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000) Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000) Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Keywords	ラジカルアニオン / 酸化還元電位 / フッ素ポリマー / 分光電気化学
Outline of Research at the Start	ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）に代表されるフッ素ポリマーは、比誘電率と誘電正接が極めて小さい材料であり、5G用の材料として非常に注目を集めている。しかしながら、その非接着性によって、金属との接合やポリマー中への分散が困難である。PTFEの表面改質には、一般に、取り扱いが難しい金属ナトリウムから調製される溶液が用いられている。本研究では、より安定性が高く、電気化学的に容易に生成できるラジカルアニオンを電子メディエーターとして用い、還元的にC-F結合を解離することによって表面改質を行う新たな手法の開発を目的としている。
Outline of Annual Research Achievements	ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）の表面に存在するフッ素は、電気化学的に、約－2 V vs SCE程度で還元脱離することが知られている。したがって、これより負に大きな還元電位を持つ有機化合物のラジカルアニオンを電極反応で生成し、これを電子メディエーターとして用いることによって、表面処理が可能である。PTFEの表面処理で一般的に用いられる金属ナトリウムを含む処理剤は負に還元電位が大きく（したがって非常に反応性が高く）、PTFEの表面処理は数秒で完了するが、処理時間の増加とともに表面粗さの増加や、処理層の剥離が起こる。そこで、よりマイルドな条件で行うことによって、表面処理をより精密に制御できると考えた。本年度では、、－2.1 vs SCE程度の還元電位を持つピレンからピレンのラジカルアニオンをバルク電解で発生させ、これを電子メディエーターとして用いることによってPTFEの表面処理を行った。 PTFE片をピレンのラジカルアニオンが生成する電解槽に投入し、ピレンの電気化学的な還元を行ったところ、PTFE片が黒色に変化した。FTIR測定を行い、この変色したPTFEの表面に存在する官能基を調べたところ、C-F結合の伸縮振動に由来するピークの減少と、様々な官能基に由来するピークが新たに出現することが確認された。さらにESR測定を行ったところ、ラジカルに起因する吸収ピークが観測された。これらの測定からPTFE表面に存在するフッ素が、ピレンのラジカルカチオンによって還元脱離することが分かった。また濃度依存性についても確認を行い、高濃度においては、表面処理が促進されることも示した。なお、－1.9 vs SCE程度の還元電位を持つジフェニルアントラセンを電子メディエーターに用いた場合には、PTFE片の変色は起こらなかった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 計画書で初年度に予定した、電子メディエーターのPTFE処理における還元電位依存性について確認し、さらに濃度依存性についても確認している。したがって、おおよそ計画通りに研究が進行している。
Strategy for Future Research Activity	表面処理後のさらなる表面解析を行う。具体的には、SEM観察によるモルフォルジ―変化の測定や、水との接触角測定による表面の親水性の変化の程度の見積もり、金属やポリマーとの接着性や結合エネルギーの算出を行う。これらの測定によって、PTFEと他の材料との接着性向上を目指した、電子メディエーターを使った処理による表面改質の指針を確立する。さらに、より負に大きな還元電位を持つ有機化合物を使用し、電子メディエーターの還元電位が表面処理に与える影響について明らかにする。