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2020 Fiscal Year Annual Research Report

高耐熱・高強度スーパーエンプラナノファイバーを作る

Research Project

Project/Area Number 19H00831
Research InstitutionKeio University

Principal Investigator

堀田 篤  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (30407142)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 前田 知貴  茨城大学, フロンティア応用原子科学研究センター, 助教 (00754730)
黒川 成貴  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 助教 (50837333)
Project Period (FY) 2019-04-01 – 2024-03-31
Keywordsスーパーエンジニアリングプラスチック / ナノファイバー / 複合材料 / 耐熱性 / 表面改質
Outline of Annual Research Achievements

本研究では、ポリマー材料の中でも高耐熱性かつ高強度であるスーパーエンジニアリングプラスチック(スーパーエンプラ)に着目し、そのナノファイバー化に向けた基盤研究を実施している。具体的な研究内容は、耐熱温度が高く、ナノファイバー直径が小さく、弾性率が高いスーパーエンプラナノファイバー(SEnF)を作製することである。
当該年度では昨年度に引き続き、スーパーエンプラの1つであるポリエーテルエーテルケトン(PEEK)に着目し、ジクロロ酢酸(DCA)の単一溶媒系、DCAとトリフルオロ酢酸(TFA)の混合溶媒系においてPEEKの溶液化が可能であるという昨年度の成果にもとづいて、エレクトロスピニング(ES)法によるPEEKのナノファイバー化を試みた。
はじめに、DCAを溶媒として用いてPEEKのナノファイバー化を実施した。PEEKをDCAに溶解させてPEEK/DCA溶液を作製した。この溶液を用いて、ES法によるナノファイバー化に取り組んだ結果、溶液濃度に関わらずナノファイバーは作製されないことが明らかとなった。これは、DCAの沸点(194度)が高いことで揮発性が低いため、さらにはナノファイバー紡糸過程においてPEEK/DCA溶液が乾燥・固化しなかったためと考えられる。
つづいて、沸点が72度と低く、DCAと比較して高い揮発性を有するTFAをDCAに添加した混合溶媒を用いてPEEKのナノファイバー化を実施した。PEEKをDCAに溶解させ、このPEEK/DCA溶液にTFAを添加することでPEEK/DCA+TFA溶液を作製した。この溶液を用いて、ES法によるナノファイバー化を試みた。結果として直径110 nmから直径230 nmのPEEKナノファイバーが得られた。以上より、スーパーエンプラの1つであるPEEKにおいて、平均直径400 nm以下のナノファイバーを作製することができた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

スーパーエンプラの中でも特に高い耐熱性(融点:340度)と機械的強度(弾性率:3.5 GPa)を有するポリエーテルエーテルケトン(PEEK)のナノファイバーをエレクトロスピニング(ES)法によって作製するにあたり、研究計画目標においては、ES法におけるナノファイバーの作製条件を最適化すること、としていた。そこで、ジクロロ酢酸(DCA)の単一溶媒、DCAとトリフルオロ酢酸(TFA)の混合溶媒を用いることで、溶液粘度や揮発性が異なるPEEK溶液を作製し、ES法におけるナノファイバー作製条件(溶液濃度、溶液流量、電極間距離、印加電圧など)の最適化を実施してきた。その結果、単一溶媒においては、条件に関わらず、ナノファイバーが作製されないことがわかった。一方で、混合溶媒においては、混合溶媒比DCA/TFA=90/10~60/40、溶液濃度9~18%、溶液流量0.5 mL/h、電極間距離15 cm、印加電圧12 kVの条件において、直径110 nmから直径230 nmのPEEKナノファイバーが得られた。このことより、スーパーエンプラのPEEKにおいて、平均直径400 nm以下のナノファイバーを作製することができた。このスーパーエンプラの中でも特に高い耐熱性と機械的強度を有するPEEKのナノファイバー化に関する知見は、スーパーエンプラの種類を問わず普遍的なものである可能性が高いため、各種スーパーエンプラのナノファイバー化の実現可能性を高められたといえる。以上より、スーパーエンプラの特に高い耐熱性と機械的強度を有するPEEKにおいて、そのナノファイバー化を達成したことで、スーパーエンプラのナノファイバー作製およびその応用検討に向けて、おおむね順調に進展していると考える。

Strategy for Future Research Activity

スーパーエンプラの中でも特に高い耐熱性(融点:340度)、機械的強度(弾性率:3.5 GPa)を有するポリエーテルエーテルケトン(PEEK)のナノファイバーを、エレクトロスピニング(ES)法により、さらに安定化させ、より多量に、そして、より無害な溶媒を用いて作製できるかを見極める。具体的には、(1)PEEKからスルホン化PEEK(SPEEK)への化学的改質(スルホン化)、(2)エレクトロスピニング(ES)法によるSPEEKのナノファイバー化、(3)SPEEKナノファイバーからPEEKナノファイバーへの再生(脱スルホン化)、の3つのステップで研究を進めていく予定である。(1)のスルホン化では、PEEKと濃硫酸を加熱攪拌することで、PEEKをスルホン化しSPEEKを得る。この加熱撹拌の条件(温度、時間)を変化させ、PEEKからSPEEKへの改質の度合い(スルホン化度)を制御したSPEEKを調製する。(2)のES法によるナノファイバー化では、(1)で調整したSPEEKを溶解できる溶媒を選定し、そのSPEEK溶液を粘度調整し、ES法によりナノファイバー化を実施する。ES法においては、SPEEKを溶解させる溶媒種、溶液濃度、ES装置の装置条件(溶液流量、電極間距離、印加電圧)等を最適化する。(3)の脱スルホン化では、(2)で作製したSPEEKナノファイバーを無機酸で加熱処理することで脱スルホン化し、PEEKナノファイバーを作製する。ここでは、無機酸の種類、加熱条件(温度、時間)を最適化することで、ナノファイバー構造の維持と、SPEEKからPEEKへの改質度(脱スルホン化度)を高めることの2つを目指す。さらに可能であれば、ポリテトラフルオロエチレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミドイミド、熱可塑性ポリイミドなどのスーパーエンプラに関しても、ナノファイバー化の可能性を検討する。

  • Research Products

    (8 results)

All 2021 2020

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 1 results) Presentation (3 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Mechanical, thermal, and microstructural analyses of thermoplastic poly(2-methoxyethyl acrylate)-based polyurethane by RAFT and polyaddition2021

    • Author(s)
      Shunsuke Tazawa, Tomoki Maeda and Atsushi Hotta
    • Journal Title

      Materials Advances

      Volume: 2 Pages: 1657-1664

    • DOI

      10.1039/D0MA00816H

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Gadolinium-Complexed Carboxylated Nanodiamond Particles for Magnetic2021

    • Author(s)
      Kosaku Yano, Tomohiro Matsumoto, Yutaka Okamoto, Kenta Bito, Naruki Kurokawa, Terumitsu Hasebe, and Atsushi Hotta
    • Journal Title

      ACS Applied Nano Materials

      Volume: 4 Pages: 1702-1711

    • DOI

      10.1021/acsanm.0c03165

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fabrication of Gd-DOTA-functionalized carboxylated nanodiamonds for selective MR imaging (MRI) of the lymphatic system2021

    • Author(s)
      Kosaku Yano, Tomohiro Matsumoto, Yutaka Okamoto, Naruki Kurokawa, Terumitsu Hasebe, and Atsushi Hotta
    • Journal Title

      Nanotechnology

      Volume: 32 Pages: 235102

    • DOI

      10.1088/1361-6528/abeb9c

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Synthesis of thermoplastic poly(2-methoxyethyl acrylate)-based polyurethane by RAFT and condensation polymerization2020

    • Author(s)
      Shunsuke Tazawa, Tomoki Maeda, Masamitsu Nakayama, and Atsushi Hotta
    • Journal Title

      Macromolecular Rapid Communications

      Volume: 41 (19) Pages: 2000346

    • DOI

      10.1002/marc.202000346

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] スルホン化度を制御した スルホン化ポリエーテルエーテルケトンナノファイバ2021

    • Author(s)
      野村智之,堀田篤
    • Organizer
      日本機械学会関東学生会第60回学生員卒業研究発表講演会
  • [Presentation] 物理解繊したセルロースナノファイバへの触媒固定とその脱色作用2021

    • Author(s)
      小池匠,堀田篤
    • Organizer
      日本機械学会関東学生会第60回学生員卒業研究発表講演会
  • [Presentation] 側鎖をヨウ素化しX線視認性を付与した生分解性ポリマーの開環重合法による合成2021

    • Author(s)
      大山裕也,黒川成貴,堀田篤
    • Organizer
      日本化学会第101春季年会
  • [Book] Handbook of Modern Coating Technologies, 1st Edition: Fabrication Methods and Functional Properties2021

    • Author(s)
      Tomoki Maeda, Fuyuki Endo, Kazuhisa Tsuji and Atsushi Hotta
    • Total Pages
      554
    • Publisher
      Elsevier
    • ISBN
      9780444632401

URL: 

Published: 2021-12-27  

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