2017 Fiscal Year Annual Research Report
Control of functional behavior of condensed nano-fluid and nano-structured materials based on interface structure design
| Project/Area Number |
16H02413
|
|---|
| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
|---|
Principal Investigator |
神谷 秀博 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20183783)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
稲澤 晋 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30466776)
飯島 志行 横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 准教授 (70513745)
岡田 洋平 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (80749268)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
|
| Keywords | ナノ材料 / ナノ界面設計 / 凝集・分散 / 塗布・乾燥 / ナノ複合体 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
高濃度に機能性ナノ粒子を分散させたナノ流体、およびナノ複合体・構造体を得るため、ナノ粒子界面の分子構造を設計・制御するため、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化鉄など金属酸化物および金、銀など貴金属ナノ粒子を標的とした分散剤の構造と分散機能の相関を検討した．分散剤はいずれも対応する原料（純度>95%）から数段階の化学反応によって合成した。高濃度分散を実現するため、分散剤構造の単純化、低分子量化を狙い、直鎖アルキルを疎水鎖，エチレングリコールを親水鎖として設計・合成した。分散剤の疎水・親水のバランスを調節することで、単純な構造で低分子量でもナノ粒子を高極性から低極性におよぶ様々な溶媒に安定に分散安定化できた．金属酸化物の場合には予め作製したナノ粒子に表面修飾するし、ナノ粒子を分散した。そして、PMAをモデルポリマーとした複合化により，粒子重量が50%（体積で37%）を超えても透明で無着色の複合材料を得られた．金、銀ナノ粒子は，同様の設計指針で、吸着基を適切に選択した分散剤が、in situ粒子合成でも有効であった．用いる分散剤の分子構造が得られる粒子の形状・大きさ、機能にも何らかの影響を及ぼすことが推察されるとともに、酸化物ナノ粒子に比べ、低分子量でもナノ粒子分散を高濃度化できることも確認した．また，シクロヘキサン／メタノールの相溶二相溶媒を用い、親水、疎水性の高い有機鎖と吸着基地ナノ粒子の相関移動現象を利用することで、ナノ粒子の材質と吸着基の構造の組み合わせによる相互作用の強度を体系的に議論する手法を確立した。
得られたナノ流体を対象に、塗布・乾燥過程での粒子膜生成過程に及ぼす粒子濃度の影響を検討した。流動性の高い低粒子濃度分散液の成膜過程では、乾燥直後から粒子膜の生成がある場合が認められ、高濃度分散液では、初期体積分率に応じて粒子の充填構造が変わることも明らかにした。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
高濃度ナノ流体の製造を可能とするナノ粒子界面の分子構造を設計・制御法を、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化鉄など金属酸化物、金、銀など貴金属ナノ粒子を標的とした分散剤の構造と分散機能の相関について体系的な検討を、直鎖アルキルを疎水鎖，エチレングリコールを親水鎖として各種分散剤を設計・合成して行うことに成功した．粒子材質により様々な溶媒に分散可能な万能分散性が発現する分子量が異なること、貴金属ナノ粒子のin situ合成に適用した場合、分散剤構造が、得られるナノ粒子の構造と機能にも影響を及ぼすことを明らかにした。また、PMAをモデルポリマーとした複合化により，粒子重量が50%（体積で37%）を超える領域においても、従来にない透明で無着色を維持したコンポジット材料を得られることが確認され、屈折率も1.8を超える高い機能が付与されることが確認された。さらに評価法として、シクロヘキサン／メタノールの相溶二相溶媒を用い、親水、疎水性の高い有機鎖と吸着基地ナノ粒子の相関移動現象を利用することで、ナノ粒子の材質と吸着基の構造の組み合わせによる相互作用の強度を体系的に議論する手法も確立した。この手法により、今後ますます分散剤のオーダーメイド技術が実現できるものと期待される．
得られたナノ流体を対象に、塗布・乾燥過程での粒子膜生成過程に及ぼす粒子濃度の影響も体系的に検討し、流動性の高い低粒子濃度分散液と高粘度の高濃度分散液の成膜過程では、粒子の充填構造や亀裂発生条件が変わることも明らかにした。ナノ粒子高濃度分散高分子複合体や、塗布・成形によるナノセラミックス製造にも可能性が広がり、当初計画に対し、順調に成果を挙げている。目標とする高濃度ナノ流体の実現のための、分散剤分子構造設計指針が、確立できた。
|
| Strategy for Future Research Activity |
分散剤の分子設計としては、これまでの直鎖型から分岐型、疎水基構造をアルキル鎖から芳香族を含む構造などに変化させ、より高濃度で分散安定化し、ポリマーとの相性のよい界面構造設計法の確立を目指す。まや、ナノ粒子の材質も、酸化物、貴金属から、海外連携研究者であるMathur教授との連携により非酸化物系の機能性粒子に拡大し、様々な材質の粒子にも、シクロヘキサン／メタノールの相溶二相溶媒を用い、親水、疎水性の高い有機鎖と吸着基地ナノ粒子の相関移動現象を利用して、最も吸着力の強い官能基の選択を行い、分散剤の最適設計法を確立する。また、分散剤の作用機構についても、プローブAFM法により計測に加え、NMRなどを用いた吸着挙動の解明など、複数の手法を用いた評価法を展開する。
塗布、乾燥プロセスについても、初期体積分率に加えて、塗布基板の傾きや分散液にバインダーポリマーを少量添加した系を用いて、塗布乾燥での粒子充填・亀裂生成について検討を進める。いずれも製造プロセスとして重要な項目であり工学としての検討すべき項目について取り組む計画である。
|
