イオン・溶媒の移動制御システムを組み込んだ固液共存型分子アクチュエータ素子の設計

1994 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 06555234
• Research Category: Grant-in-Aid for Developmental Scientific Research (B)
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 中野 義夫 東京工業大学, 大学院・総合理工学研究科, 教授 (30092563)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 沢山 茂 三菱化学(株), 総合研究所・化成品研究所, 部長研究員 ; 木村 元彦 静岡大学, 大学院・電子科学研究科, 助手 (20195382)
• Keywords: 高分子ゲル / イオン / 物質移動 / アクチュエータ / 自律応答材料 / 電場 / 動電現象

Research Abstract

主鎖(イオン基)濃度を変えた2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸ゲルを合成し、種々のpHならびに電解質(Na_2SO_4)水溶液中におけるゲルの平衡膨潤特性を明らかにした。気相中板状ゲルに電場を印加した場合、ゲルは陽極側に屈曲した。電解質を含んだ円柱状の本ゲルに気相中で電場を印加すると、ゲル内は陽極側で酸性,陰極側でアルカリ性を呈し、ゲルは陰極側で膨潤した。この陰極側における膨潤によって板状ゲルは陽極側に屈曲することが明らかとなった。計画の遂行にあたり、ゲルの機械的強度が弱いため板状ゲルの取り扱いが非常に困難であった。そこでゲルの機械的強度の向上を図り、ポリビニルアルコールと2-アクリルアミド-2-メチルプロパンスルホン酸からなる新規なインターペネトレートネットワーク構造を有するゲルを合成することに成功した。(新規なゲルの開発にあたり購入した恒温槽、投げ込みクーラー、マッチング装置を使用した。)電解質水溶液中でこの新規な板状ゲルに電場を印加するとゲルは陰極側に屈曲した。種々の電場強度、電解質濃度においてゲルの屈曲速度、最大屈曲角(屈曲特性)を明らかにした結果、これらの値を最大にするゲル内イオン基濃度に依存した最適条件が存在することわかった。さらに、ゲルの屈曲するメカニズムを明らかにするため、新たに考案したゲル粒子充填型電解セルを用いて電場印加時におけるゲル内の物質移動と膨潤率分布を測定した。その結果、ゲル内の対イオン(Na^+)濃度は陽極側より減少し、これに応じてゲルの膨潤体質も陽極側より大きくなることが明らかとなった。すなわち、ゲル内のイオンの移動に基づく応力分布の形成によってゲルが屈曲することが明らかとなった。ゲルの膨潤率分布をゲル内に生じる応力分布に換算し、これを基に梁の純曲げ問題と対応させて板状ゲルの屈曲挙動を推算したところ、板状ゲル膜の電場における屈曲挙動を良好にシミュレートすることができた。

Research Products

• [Publications] 清田佳美、中野義夫: "感温型高分子ゲルの物理・化学的構造と表面特性" 化学工学論文集. 20. 213-218 (1994)
• [Publications] 中野義夫、清田佳美: "高分子ゲルの電気化学的放水制御" 化学工学シンポジウムシリーズ43、制御放出技術. 19-22 (1994)
• [Publications] 中野義夫: "環境感応型高分子ゲルの吸着特性と制御性" Adsorption News. 8. 5-7 (1994)
• [Publications] 中野義夫、清田佳美: "高分子ハイドロゲルの電気化学的放水特性" 化学工学論文集:印刷中. (1995)
• [Publications] 中野義夫、清田佳美、大野順道: "イオン・溶媒の移動制御システムを組み込んだ固液共存型分子アクチュエータ素子" 化学工学会第27回秋季大会研究発表講演要旨集. 2. 22 (1994)
• [Publications] 清田佳美、中野義夫: "高分子ゲルを用いた化学動態依存型分子デバイスの構築" 化学工学会熊本大会研究発表講演要旨集. 39-40 (1994)
• [Publications] 中野義夫(共著): "材料化学工学(最近の化学工学46)(社)化学工学会" (株)化学工業社, 171 (1994)