2018 Fiscal Year Research-status Report
無機ネットワーク制御によるイオン液体ゲルの超高強度化と高速CO2透過膜への展開
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18K04812
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
神尾 英治 神戸大学, 工学研究科, 講師 (30382237)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 無機ネットワーク / シリカナノ粒子クラスター / 無機/有機ダブルネットワーク / 高強度イオンゲル / シリカナノ粒子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
イオン液体含有高強度ダブルネットワークゲル（DNイオンゲル）の高強度発現に寄与するネットワークの影響について検討した。DNイオンゲルは、オルトケイ酸テトラエチル（TEOS）の加水分解および縮合重合反応を行うことで形成されるシリカナノ粒子ネットワーク（無機ネットワーク）と、ラジカル重合反応により形成されるポリジメチルアクリルアミド（PDMAAm）ネットワークを、イオン液体中に形成することにより調製される。本研究では、無機ネットワークについて検討した。
無機ネットワークは、所定温度でTEOSの加水分解および縮合重合反応を行うことにより形成されるが、317 Kから321 Kの範囲で調製されたDNイオンゲルは、機械的特性が有意に異なることを見出した。各々の温度で調製したDNイオンゲルの無機ネットワーク構造を透過型電子顕微鏡で観察したところ、317 K以下で調製されたイオンゲルには無機ネットワークの形成が確認されず、321 K以上で調製されたイオンゲルには高度に発達した無機ネットワークが形成されており、317 Kから321 Kの間で調製されたイオンゲルにはクラスター状に分散した無機ネットワークが形成されていることがわかった。また、機械的強度は、調製温度が317 Kから321 Kまで増大するとともに増大し、加えて、散逸エネルギーも大きくなった。つまり、高度に発達した無機ネットワークだけでなく、クラスター状に形成された無機ネットワークもDNイオンゲルの高強度化に関与することが明らかとなった。
さらに、イオン液体中にシリカナノ粒子を分散することでも、クラスター状無機ネットワークを形成できることを明らかにし、加えて、粒径の異なるシリカナノ粒子を用いることで、小さいシリカナノ粒子（約10 nm）を用いて無機ネットワークを形成することで、DNイオンゲルの強度を優位に増大できることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
高強度DNイオンゲルの機械的強度に及ぼす無機ネットワークの影響について検討することを目的としており、予定通り、無機ネットワーク構造の制御によるDNイオンゲルの高強度化を達成した。無機ネットワーク構造の直接観察から、強度発現に関与する無機ネットワークの役割を明らかにし、さらに、高強度を発現するための無機ネットワーク構造も明らかにできた。これらは研究計画通りの成果である。
加えて、無機ネットワーク構造を制御するため、シリカナノ粒子を用いてDNイオンゲルを調製する方法を確立し、無機ネットワークを形成するシリカナノ粒子の粒径と機械的強度の関係について、定量的な検討を実施し、シリカナノ粒子の効果を明らかにした。このシリカナノ粒子径がDNイオンゲルの機械的強度に及ぼす影響に関する知見は当初計画通りの成果である。
さらに、当初計画では2019年度実施を予定していたシリカ粒子表面性状の影響に関する検討に着手しており、表面性状を制御するための吸着性イオン液体の合成をすでに終えている。また、そのイオン液体を用いることで、DNイオンゲルの機械的強度が有意に増大することを示すデータも得られている。加えて、有機ネットワークの構造制御とその構造が無機ネットワークの散逸エネルギー増大に与える影響についても検討しており、有機ネットワークを精密重合したポリマーで形成する検討に着手している。以上のように、本研究課題は当初計画以上に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
DNイオンゲルの機械的強度に及ぼす無機ネットワークと有機ネットワークの組成比について検討を実施する。無機ネットワークはエネルギーの散逸による高靭性化とゲルの弾性率に影響していることが明らかとなっており、また、有機ネットワークはゲルの伸びやすさ（破断ひずみ）に大きな影響を与えている。特に、有機ネットワークの増大で破断ひずみが大きくなると、ゲルの大変形が可能となり、大変形に伴い内部破壊される無機ネットワーク量が多くなるため、散逸エネルギーが増大し、タフネスが増大すると考えられる。一方で、有機ネットワークの減少に伴い無機ネットワーク量が減少すると、内部破壊される無機ネットワークが少なくなるため、散逸エネルギーが減少し、タフネスは小さくなる。つまり、DNイオンゲルの高強度化に対する無機ネットワークと有機ネットワーク組成には最適値があると考えられる。次年度は、その最適な無機ネットワーク/有機ネットワーク組成を明らかにし、その原因について検討を行う。
また、無機ネットワークの破断に伴うエネルギー散逸は、シリカナノ粒子間の結合力に依存することが予想されるため、シリカナノ粒子間の相互作用の制御についても検討を行う。具体的には、シリカナノ粒子同士を架橋する成分を用いてDNイオンゲルを作製し、その機械的強度の変化を評価する。
加えて、無機ネットワークの内部破壊に伴うエネルギー散逸効果を増大させるため、有機ネットワークの構造制御についても検討を行う。具体的には、架橋点を所定の比率で導入したブロックコポリマーを合成し、その架橋度が破断ひずみやエネルギー散逸量に及ぼす影響について検討する。
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