環状カルボニル構造の双極子-双極子相互作用を鍵とする強靭・自己修復材料の開発

Research Project

Project/Area Number	22K05224
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 35020:Polymer materials-related
Research Institution	Yamagata University
Principal Investigator	落合文吾山形大学, 大学院理工学研究科, 教授 (20361272)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	西岡昭博山形大学, 大学院有機材料システム研究科, 教授 (50343075)
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: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000) Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000) Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Keywords	アクリレート / カーボネート / 物理架橋 / 強靭化 / 強靭材料 / 自己修復 / 相互作用 / カルボニル
Outline of Research at the Start	本研究は、環状カルボニル構造により生み出される強い双極子－双極子相互作用を鍵とした非イオン性の可逆的な物理架橋により、ポリマーの強靭化と接着性の向上・自己修復性の発現を目指すものである。環状カルボニル化合物は、一方向に強く分極しているため、双極子モーメントが大きく、結果的に分子間相互作用が強い。この強い相互作用は、ポリマー中で強い物理架橋点を形成する鍵となりえる。そこで、環状カルボニル構造を共重合等で精密に配置し、アイオノマーのような優れた強靭さや接着性、自己修復性などを、周囲の環境に左右されにくい非イオン性の構造で発現させる。さらにこのコンセプトの汎用ポリオレフィンへの適用も目指す。
Outline of Annual Research Achievements	環状カーボネート構造を持つモノマーである１，３－ジオキソラン－２－オンイルメチルメタクリレートと汎用メタクリレートであるエチルヘキシルメタクリレートとメタクリル酸メチルの三元バルク共重合による強靭ポリマーフィルムの合成を検討した。従来用いていたラウリルパーオキサイドよりも水素引き抜き能が低い開始剤であるルペロックス５７５を用いる、ないしは成長反応をほぼ抑制せずに水素引き抜きを抑制する連鎖移動剤であるテルピノレンを加えると、ヤング率を維持しながら破断伸びが向上した。これは一次鎖の成長にはほぼ影響を与えずに、副反応である側鎖からの水素引き抜きを起点とする化学架橋が抑制できたためと考えられる。この際、架橋度に応じてガラス転移温度はほぼ変わらず、検討した仕込み比においては、いずれも約５０℃であった。この化学架橋の抑制は、動的粘弾性において１００℃以上に見られるゴム状平坦領域の弾性率から求めた架橋点間分子量の向上から明らかとなった。化学架橋が少ないほうが、赤外吸収スペクトルにおけるカルボニル領域の吸収が低波数にシフトする挙動が見られ、分子運動性の向上が双極子ー双極子相互作用による化学架橋の形成を有利とすることが示唆される。また、重合温度、および重合後の後硬化の条件も架橋挙動に大きく影響し、特に１００℃などの高温での後硬化は、化学架橋を大きく促進してしまうことから、中温程度で長時間の後硬化を進めるのが有効であることが明らかとなった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 五員環カーボネート含有ポリメタクリレートでの化学架橋抑制方法がほぼ明らかとなった。また、この化学架橋の抑制が、双極子ー双極子相互作用を強める傾向にあることもわかり、メカニズムの解明が順調に進んでいる。
Strategy for Future Research Activity	五員環カーボネート含有ポリメタクリレートのさらなる架橋構造制御と物性評価を進める。さらにポリオレフィンへの五員環カーボネート構造の導入に向けたモデル系の検討を開始しており、炭化水素中での五員環カーボネートの集合挙動を明らかにするとともに、物理架橋構造の形成に向けた基礎検討を行う。