2019 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, 准教授 (30382237)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 無機/有機ダブルネットワーク / 高強度イオンゲル / 無機ネットワーク / エネルギー散逸 / ネットワーク組成 |
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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。本研究では、DNイオンゲルを高強度化するために、無機ネットワークと有機ネットワークの組成最適化を行い、高イオン液体含有量のDNイオンゲル膜を作製し、その機械的強度について評価を行った。また、無機ネットワークの内部破壊に伴うエネルギー散逸に寄与する無機粒子間相互作用に関する検討、および無機ネットワークの改良による強度向上についても検討を行った。
DNイオンゲルの優れた機械的強度は、ゲル内部に形成される無機ネットワークの内部破壊に伴うエネルギー散逸に起因する。本研究では、無機ネットワークと有機ネットワークの組成を種々変化させることによりDNイオンゲルを作製し、その機械的強度を評価した。その結果、TEOS/DMAAmが0.35 mol/molの最適組成比で調製したDNイオンゲルが従来に比べて約4倍の破壊エネルギー（1500 kJ/m3）を有することを明らかにした。また、TEOS/DMAAｍ比が0～0.35 mol/molまでの強度向上は無機ネットワーク組成増大に伴うエネルギー散逸量の増大に起因し、0.35 mol/mol以上での強度低下は有機ネットワークの分子量の低下に起因することを明らかにした。
また、無機ネットワークの内部破壊に伴うエネルギー散逸量に関して、水素結合性を有する双生イオン液体を含有するDNイオンゲルの力学特性を評価し、双性イオン液体による無機粒子間架橋により、DNイオンゲルの機械的強度は有意に増大することを明らかにした。この結果より、エネルギー散逸には無機粒子間の水素結合が主に寄与していることを明らかにした。加えて、無機ナノ粒子としてシリカとチタニアの複合粒子を用いることで、DNイオンゲルの機械的強度を有意に増大できることも明らかにした。
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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
無機ネットワークの内部破壊によるエネルギー散逸に基づく機械的強度増大については、当初予定通り、無機ネットワークと有機ネットワークの組成を検討することにより、最適組成比を決定した。また、DNイオンゲルの機械的強度に対するネットワーク組成比の影響について、無機ネットワーク組成とDNイオンゲルの弾性率、破断歪み、破断応力、およびエネルギー散逸効果の関係を整理するとともに、各無機/有機ネットワーク組成で調製したイオンゲル中の有機ネットワーク分子量の詳細な分析から、有機ネットワークが無機ネットワークの内部破壊とエネルギー散逸に及ぼす効果を明らかにし、DNイオンゲルの強度発現に及ぼす無機ネットワークおよび有機ネットワークの役割を明確化できた。また、最適組成比で無機/有機DNイオンゲルを調製することにより、イオン液体含有量が最大95 wt%のDNイオンゲル膜の創製に成功した。これらは当初予定の計画通りの成果である。
加えて、エネルギー散逸量を増大するため、無機ネットワークの改良についても検討を行った。特に、無機ネットワーク間の相互作用に大きな影響を与えると予想された粒子間水素結合について、水素結合によるシリカ粒子間架橋が可能な双生イオン液体含有DNイオンゲルを作製し、その水素結合製架橋による機械的強度増大を確認した。この結果より、無機ネットワークの内部破壊による高強度化には粒子間水素結合が支配的に寄与していることを明らかにした。これも当初計画通りの成果である。加えて、チタニアとシリカを複合した無機ネットワークが、従来のシリカのみで形成された無機ネットワークよりも有意に機械的強度が増大することを明らかにした。これは当初計画では2020年度に実施を予定していた検討項目であり、予定を前倒しして検討を実施した結果である。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの検討結果に基づき、様々なイオン液体含有量のDNイオンゲル膜を作製し、そのCO2選択透過性能について検討を行う。ゲル内の溶質拡散性は、溶質の拡散抵抗となりうるゲルネットワーク組成の減少に伴い指数関数的に増大することが理論的に予想される。次年度はDNイオンゲル膜のCO2およびN2透過速度に及ぼすゲルネットワーク組成の影響について検討し、DNイオンゲルのCO2分離膜としての有用性を明らかにする。検討では、DNイオンゲル自体のCO2選択透過性を評価するために、DNイオンゲル自立膜を作製し、そのCO2およびN2透過係数とイオン液体含有量の関係に関する系統的な検討を実施する。また、無機ネットワークと有機ネットワークの組成比がCO2透過係数に及ぼす影響についても検討し、CO2の主要な拡散抵抗となりうるネットワークに関する知見の取得を試みる。
一方、イオン液体含有量の増大に伴うDNイオンゲルの強度低下について、イオン液体中に形成されるネットワークの詳細検討を実施する。さらに、DNイオンゲルに含有するイオン液体種についても検討を行い、種々イオン液体中に形成される無機ネットワーク構造の分析および有機ネットワークの分子量測定から、機械的強度とネットワーク構造、およびネットワーク形成機構に関する理解の深化を図る。以上の検討を通じて、機械的強度とネットワーク構造の関連性を明らかにすることで、DNイオンゲルのさらなるイオン液体含有量の増大と強度増大のためのネットワーク設計指針を明らかにする。
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