2016 Fiscal Year Research-status Report
高分子－クレイコンポジットゲルのタフネス機構の解明とアクチュエーター挙動
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15K05242
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| Research Institution | Gunma University |
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Principal Investigator |
武野 宏之 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (70302453)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | クレイ / ハイドロゲル / コントラスト変調中性子散乱 / 水晶振動子マイクロバランス / アドミッタンス解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
種々のクレイ粒子（合成ヘクトライト、合成サポナイト、モンモリロナイト）を用いて、単純混合によって作製されるポリアクリル酸ナトリウム－クレイコンポジットハイドロゲルの力学物性を調査した。その結果、モンモリロナイトを用いたハイドロゲルでは力学的にタフなゲルは作製できなかったが、合成サポナイトを用いたゲルでは、これまでの合成ヘクトライトを用いたゲルの力学物性にはやや劣るものの、力学的にタフなゲルを作製することができた。ポリアクリルアミドを用いたハイドロゲルでは、高分子濃度を高くすることによって、弾性率を上昇させることができ、かつ我々の所有する装置限界（1600％）の伸長度まで破断することなく伸びた。このゲルには自己回復性がみられ、切断後のゲルは切断前のそれにほぼ匹敵するほどの力学物性を示した。さらに、切断後の保持温度を高くするほど優れた自己回復性を示した。コントラスト変調中性子散乱を用いて、ポリアクリル酸ナトリウム－クレイコンポジットハイドロゲルの構造を調査した結果、クレイ微粒子周りには明確な高分子吸着層は存在しないことが確認された。この結果は、本ゲルでは分散剤と高分子共、クレイ側面に吸着するため、密度の濃い高分子吸着層が形成しにくいためと考えられる。水晶振動子マイクロバランスアドミッタンス解析法を用いて、クレイ－高分子間の相互作用を調査した。その結果、ポリアクリルアミドを用いたゲルでは、ポリアクリル酸ナトリウムを用いたゲルよりもクレイ粒子に吸着する高分子量がはるかに大きいことが確認された。この結果は、ポリアクリルアミドはクレイ粒子の表面積の大きなクレイ表面に、ポリアクリル酸ナトリウムはクレイ粒子の表面積の小さなクレイ側面に吸着していることを示唆する。
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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
これまでの研究は概ね研究実施計画通り進んでいると考えている。本研究の一つの柱である「高分子－クレイコンポジットハイドロゲルのタフネス機構の解明」という点においては、コントラスト変調中性子散乱および水晶振動子マイクロバランス法を用いた測定により、高分子とクレイの吸着挙動が次第に明らかになりつつある。また、前者のコントラスト変調中性子散乱を用いたゲル構造解析においては、放射光小角X線散乱法からの散乱データもコントラスト変調解析に組み込むことを行い、従来のコントラスト変調中性子散乱のみの解析よりも精度の高い構造解析法を可能にした。これまでに得たゲルのタフネス機構に基づき、新規な高分子種の開発に取り組み、ポリアクリルアミドを用いた高分子－クレイコンポジットハイドロゲルの力学物性に匹敵するような、伸縮性の優れた新規高分子/クレイコンポジットハイドロゲルも見つかっている。アクチュエーターの研究においては、数V程度の電圧印加でゲルが屈曲することを確認している。このように、計画していた多くの実験ならびに解析を実施することができたため、本研究は概ね順調に進行しているものと考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
高分子－クレイコンポジットハイドロゲルのタフネス機構の解明に関して、力学的タフネスを得るための条件はいくつか明らかにしてきたものの、それらは必要十分条件には至っていないため、今後、さらに機構の解明を進める。具体的には、従来から述べていることであるが、クレイコンポジットハイドロゲルのタフネス機構の解明には、高分子－クレイ間の吸着挙動を明らかにする必要がある。コントラスト変調中性子＆X線散乱を用いたゲル構造解析の精密化を進めるとともに、水晶振動子マイクロバランスアドミッタンス解析を行うことによりクレイ粒子への吸着高分子の粘弾性挙動を調査する。両者の測定結果を比較・検討することにより、高分子－クレイコンポジットハイドロゲルの吸着構造のモデルを提案する。
これまでの研究で、高分子種によって力学物性などゲルの諸物性が異なることを示してきた。本研究において、類似の力学物性を持つハイドロゲルは、クレイ粒子への高分子の吸着挙動も類似している結果が得られている。しかしながら、まだ試行した高分子種も限られており、更に他の高分子種においても同様の結果が得られるかを確認する必要がある。そのため、新規な高分子－クレイコンポジットハイドロゲルを創製することを試み、その力学物性および吸着挙動を調査する。最終的には、上記の結果をまとめ、高分子－クレイコンポジットハイドロゲルのタフネス機構のモデルを提案する。
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| Causes of Carryover |
購入を予定していたクレイ粒子が、製造会社から無償サンプル品として提供してもらえることとなったため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
コントラスト変調中性子散乱実験を行うためには、溶媒の水に対して重水を用いる必要がある。この度生じた次年度使用額は、その購入費用の一部にあてる予定である。
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