過酷な環境に調和するN－ビニルアミドを用いた高強度保水材の開発

• Project Area: Aquatic Functional Materials: Creation of New Materials Science for Environment-Friendly and Active Functions
• Project/Area Number: 20H05223
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Innovative Areas (Research in a proposed research area)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Nara Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 網代 広治 奈良先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (50437331)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2021: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000); Fiscal Year 2020: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: ワンポッド / 高強度 / ハイドロゲル / 保水剤 / N-ビニルアミド / ワンポット / Nービニルアミド / 保水材

Outline of Research at the Start

研究目的は、過酷な環境で機能する新しい高強度保水材を、水圏機能材料として開発することである。本研究課題ではこれを達成するために、最近考案した新しい相互侵入網目(IPN)調製法を利用する。通常、IPNの高強度化において二種類の網目をつなぐことが効果的と考えられている。またIPN調製では二段階の合成が必要であるが、独自の手法では二種類の網目をワンポッドで結合でき、そのため栄養分を効率的に供給する保水材を構築できる。
新しい保水材として、「化学構造・網目構造」と「保水能・栄養物分担持能」との関係、「膨潤度・力学的強度」と「過酷な環境に対する耐性」との関係を明確とする。過酷な環境のモデルを検討する。

Outline of Annual Research Achievements

１年目においては、提案書で解明しようとしていた伸縮率が600％程度になるゲルについて、反応性の異なるビニル基を組み合わせた3種類の架橋剤に関し、それぞれの架橋剤の有無によって、透明性や膨潤度に影響することを報告した。
2年目においては、ワンポッドでIPNを調製する新手法について、さらに反応メカニズムを明らかとし、高強度の新しい保水材を創製することを目指した。N-ビニルアミドを含む二種類の反応性の異なるビニル基が結合した架橋剤を利用の効果を、種々のゲルを調整することで調べた。まず、エチルアクリレートとN-ビニルホルムアミドを部分構造とする架橋剤では、各ビニル基に反応性の差が確認されたものの、ハイドロゲル強度に及ぼす影響に有意な差が見いだされなかった。次に、N-ビニルホルムアミドの代わりにN-ビニルアセトアミドを用いたところ、透明かつ高い伸縮性のハイドロゲルが得られた。これをTEM観察したところ、数十nmレベルの相分離構造が観測された。これらの結果から、ゲルの均一性に架橋剤構造はある程度効果を示す一方で、高伸縮性の主な要因はメチル基の小さな疎水性凝集形成とその均一性であることが示唆された。この考え方に基づき、疎水性凝集を制御し、両親媒性N-ビニルアミドとエチルアクリレートを用いて、ワンポッドで透明性が高く伸び率3000%程度の高い伸縮性のハイドロゲルを調製することができた。
また、このように二種類のモノマーで親水性疎水性のわずかな違いのバランスを取り、ゲルを高強度化する本手法は、ポリウレタンのゲルへと展開した。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Preparation and Characterization of Thermoresponsive Poly(N-vinylisobutylamide) Microgels (2022)
  • Author(s): Hiroaki Yoshida, Hiroya Furumai, Hiroharu Ajiro
  • Journal Title: Langmuir Volume: - Issue: 17 Pages: 5269-5274
  • DOI: 10.1021/acs.langmuir.1c02676
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Preparation and analyses of stereocomplexes of a polylactide homopolymer and copolymer with poly(ethylene glycol) and urethane capping (2022)
  • Author(s): Jaeyeong Choi, Hiroharu Ajiro
  • Journal Title: Polym. J. Volume: 54 Issue: 2 Pages: 151-160
  • DOI: 10.1038/s41428-021-00564-1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Remarkable Diastereomeric Effect on Thermoresponsive behavior of Polyurethane based on Lysine and Tartrate Ester Derivatives (2021)
  • Author(s): Daisuke Aoki, Akihiro Miyake, Wanpen Tachaboonyakiat, Hiroharu Ajiro
  • Journal Title: RSC Adv. Volume: 11 Issue: 56 Pages: 35607-35613
  • DOI: 10.1039/d1ra05877k
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Pseudo-polyrotaxane stereocomplex with a-cyclodextrin and block copolymers using poly(ethylene glycol) and polylactide (2021)
  • Author(s): Jaeyeong Choi, Toshikazu Takata, Hiroharu Ajiro
  • Journal Title: Macromolecules Volume: 54 Issue: 11 Pages: 5087-5093
  • DOI: 10.1021/acs.macromol.1c00220
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] One-shot Preparation of Thermoresponsive Comb Polyurethane Hydrogel for Both High Toughness and Volume Switching (2021)
  • Author(s): Daisuke Aoki, Hiroharu Ajiro
  • Journal Title: Macromol. Rapid Commun. Volume: 42 Issue: 13 Pages: 2100128-2100128
  • DOI: 10.1002/marc.202100128
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Synthetic Biodegradable Polymers with Chain End Modification: Polylactide, Poly(butylene succinate), and Poly(hydroxyalkanoate) (2021)
  • Author(s): Nalinthip Chanthaset, Hiroharu Ajiro
  • Journal Title: Chem. Lett. Volume: － Issue: 4 Pages: 767-777
  • DOI: 10.1246/cl.200859
  • NAID: 130008025769
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Preparation of poly(N-vinyl caprolactam) with various end groups using chain transfer agents and evaluation of their effects on kinetic hydrate inhibition (2021)
  • Author(s): Choi Jaeyeong, Malcolm A. Kelland, Hiroya Furumai, Yumi Miyaji, Yukako Nakai, Masayuki Fukushima, Hiroharu Ajiro
  • Journal Title: Polym. Bull. Volume: － Issue: 6 Pages: 3513-3522
  • DOI: 10.1007/s00289-021-03644-7
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] 非環式N-ビニルアミドの最近の動向 (2021)
  • Author(s): 網代広治、吉田裕安材
  • Journal Title: 月刊高分子 Volume: －
  • NAID: 40022635455
• [Journal Article] Preparation of novel branch polymer by lactide polymerization using psudorotaxane as initiator (2020)
  • Author(s): Choi Jaeyeong, Hiroharu Ajiro
  • Journal Title: J. Networkpolymer., Jpn. Volume: 41 Pages: 226-236
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 低疎水性モノマーと両親媒性モノマーから作製したハイドロゲルの伸縮性評価 (2022)
  • Author(s): 前野貴則、吉田裕安材、川谷涼、宮路優実、網代広治
  • Organizer: 精密ネットワークポリマー研究会 第15回若手シンポジウム
• [Presentation] 低疎水性モノマーと両親媒性モノマーのラジカル共重合による高伸縮性ハイドロゲルの合成 (2022)
  • Author(s): 前野貴則、吉田裕安材、川谷涼、宮路優実、網代広治
  • Organizer: 第33回高分子ゲル討論会
• [Presentation] Pseudo-polyrotaxane stereocomplex formation with cyclodextrin and polyethylene glycol-polylactide copolymers (2021)
  • Author(s): Choi Jaeyeong, Hiroharu Ajiro
  • Organizer: Macro2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Water harvest by thermosensitive hydrogel and reverse osmosis membrane (2021)
  • Author(s): Maho Oura, Hiroharu Ajiro
  • Organizer: 44th Annual Macromolecular Science and Engineering Symposium, University of Michigan
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Design and analysis of the new network using the structure with rotaxane and stereocomplex (2021)
  • Author(s): Jaeyeong Choi, Hiroharu Ajiro
  • Organizer: 2021 Annual Spring meeting, The Polymer Society of Korea
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] N-ビニルアミド系の感熱応答性マイクロゲルの合成 (2021)
  • Author(s): 吉田裕安材、古舞博也、網代広治
  • Organizer: 第70回高分子学会年次大会
• [Presentation] 擬ポリロタキサンを開始剤としたポリ乳酸の重合とブランチ構造におけるステレオコンプレックス形成 (2021)
  • Author(s): Jaeyeong Choi、網代広治
  • Organizer: 第70回高分子学会年次大会
• [Presentation] N-ビニルアミドを用いたゲル表面のカチオン化による種々の表面修飾 (2021)
  • Author(s): 菊川剣、古舞博也、吉田裕安材、網代広治
  • Organizer: 第70回高分子学会討論会
• [Presentation] Synthesis of New Ester-free Poly(trimethylene carbonate) Bearing Cinnamyl Moiety for Biomaterials Applications (2021)
  • Author(s): Lee Yae Tan, Nalinthip Chanthaset, Arif Fadlan, Hiroharu Ajiro
  • Organizer: The 21st International Union of Materials Research Societies, International Conference in Asia (IUMRS-ICA2020)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ポリ乳酸を軸とした擬ポリロタキサンにおけるステレオコンプレックス形成によるキャッピングの検討 (2021)
  • Author(s): Choi Jaeyeong、網代広治
  • Organizer: 第101回日本化学会春季年会
• [Presentation] 化学架橋とステレオコンプレックスを利用した擬ポリロタキサンによる新しいネットワーク構造の構築 (2021)
  • Author(s): Choi Jaeyeong、網代広治
  • Organizer: 精密ネットワークポリマー第14回若手シンポジウム
• [Presentation] 高分子間相互作用のために分子設計した様々な新規モノマーおよび複機能性高分子の合成 (2021)
  • Author(s): 網代広治
  • Organizer: 東京工業大学 第5回ポリマー材料科学若手研究会
  • Invited
• [Presentation] 化学架橋とステレオコンプレックスを併用した擬ポリロタキサン架橋剤合成とそのゲル化検討 (2020)
  • Author(s): Choi Jaeyeong、網代広治
  • Organizer: 第10回化学フェスタ
• [Presentation] オリゴエチレングリコールによるメタクリレート系感熱応答性高分子を用いたヘテロアーム星型高分子 (2020)
  • Author(s): 山口和希、安藤剛、村瀬敦郎、Nalinthip Chanthaset、網代広治
  • Organizer: 第69回高分子学会討論会
• [Presentation] ロタキサン構造を含む架橋剤とステレオコンプレックスを併用した新しいゲルの設計と合成 (2020)
  • Author(s): Choi Jaeyeong、網代広治
  • Organizer: 第69回高分子学会討論会
• [Presentation] 多様な生分解性高分子材料のための新規モノマーと高分子構造設計 (2020)
  • Author(s): 網代広治
  • Organizer: 第69回 高分子年次大会 [注：COVID-19のため学会開催中止]
  • Invited
• [Presentation] PLA-PEG共重合体の疑ポリロタキサンの合成における分子量効果とステレオコンプレックス化 (2020)
  • Author(s): Choi Jaeyeong、網代広治
  • Organizer: 第69回 高分子年次大会 [注：COVID-19のため学会開催中止]
• [Presentation] N-ビニルホルムアミドとアクリル酸誘導体によるワンポッド相互侵入網目と接着性評価 (2020)
  • Author(s): 前野貴則、宮路優実、川谷諒、Choi Jaeyeong、Nalinthip Chanthaset、中井祐賀子、福嶋將行、網代広治
  • Organizer: 第69回高分子学会討論会
• [Presentation] 特異なレオロジー特性ならびに力学特性を示す櫛型ポリウレタンの開発 (2020)
  • Author(s): 青木大亮、吉田裕安材、網代広治
  • Organizer: 第69回高分子学会討論会
• [Presentation] 櫛型ポリウレタン樹脂における高強度化現象の発現 (2020)
  • Author(s): 青木大亮、Nalinthip Chanthaset、吉田裕安材、網代広治
  • Organizer: 第66回 高分子研究発表会［※注：COVID-19による学会中止］
• [Presentation] PLA-PEG共重合体を軸にする疑ポリロタキサンとステレオコンプレックスを含むフィルムの作製 (2020)
  • Author(s): Choi Jaeyeong、Nalinthip Chanthaaset、網代広治
  • Organizer: 第66回 高分子研究発表会［※注：COVID-19による学会中止］
• [Presentation] しなやかなプラスチックを目指した高分子鎖のかたちによる高強度化手法の開発 (2020)
  • Author(s): 青木大亮、Nalinthip Chanthaset, 網代広治
  • Organizer: 第9回 JACI/GSCシンポジウム［※注：COVID-19による学会中止］
• [Presentation] ポリ乳酸共重合体を用いた疑ロタキサンのステレオコンプレックス化における軸構造の効果 (2020)
  • Author(s): Choi Jaeyeong, 網代広治
  • Organizer: 第9回 JACI/GSCシンポジウム［※注：COVID-19による学会中止］
• [Book] 月刊高分子 ~最近の進歩~“非環式N-ビニルアミドの最近の動向” (2021)
  • Author(s): 網代広治、吉田裕安材
  • Total Pages: 74
  • Publisher: 高分子学会
• [Book] 接着と技術誌 -特集: 表面・界面（抗菌）-“ポリ乳酸ステレオコンプレックスの表面における相互作用と抗菌性付与” (2021)
  • Author(s): 網代広治
  • Total Pages: 30
  • Publisher: 接着学会
• [Book] 「抗菌・抗ウイルス性能の材料への付与、加工技術と評価」3章1節“高分子間相互作用を利用した抗菌性材料の開発” (2021)
  • Author(s): 網代広治
  • Total Pages: 582
  • Publisher: 株式会社技術情報協会
• [Book] 「重合開始剤, 硬化剤, 架橋剤の選び方, 使い方とその事例」1章8節“反応性末端を有する新規開始剤によるポリ乳酸合成とステレオコンプレックス化” (2021)
  • Author(s): 網代広治
  • Total Pages: 611
  • Publisher: 株式会社技術情報協会
• [Book] “ポリ乳酸ステレオコンプレックスの表面における相互作用と抗菌性付与”, 接着と技術誌 -特集: 表面・界面（抗菌）-, 2021, 40(4) (2021)
  • Author(s): 網代広治
  • Publisher: 一般社団法人日本接着学会
• [Book] “高分子間相互作用を利用した抗菌性材料の開発”, 「抗菌・抗ウイルスのメカニズム、材料開発、付与技術と評価手法」（第3章、第2節）（予定） (2021)
  • Author(s): 網代広治
  • Publisher: 株式会社技術情報協会
• [Book] “反応性末端を有する新規開始剤によるポリ乳酸合成とステレオコンプレックス化”,「重合開始剤、硬化剤、架橋剤の選び方、使い方とその事例」（第1章、第9節）（予定） (2021)
  • Author(s): 網代広治
  • Publisher: 株式会社技術情報協会
• [Remarks] 奈良先端科学技術大学院大学 物質創成科学領域 ナノ高分子材料研究室
  • URL: https://mswebs.naist.jp/LABs/ajiro/index-j.html
• [Remarks] 奈良先端科学技術大学院大学 ナノ高分子材料研究室
  • URL: https://mswebs.naist.jp/LABs/ajiro/index-j.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] トリメチレンカーボネート誘導体、およびポリマー (2021)
  • Inventor(s): 網代広治、チャタセ ナリンティップ、松本隆将、牧田健一
  • Industrial Property Rights Holder: 網代広治、チャタセ ナリンティップ、松本隆将、牧田健一
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2021-082645
  • Filing Date: 2021
• [Patent(Industrial Property Rights)] Ｎ－ビニルアミド系ポリマーから成る粒子状ゲル及びその製造方法 (2021)
  • Inventor(s): 網代広治、吉田裕安材、古舞博也
  • Industrial Property Rights Holder: 網代広治、吉田裕安材、古舞博也
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Industrial Property Number: 2021-079379
  • Filing Date: 2021