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
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19H00831
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
堀田 篤 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (30407142)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| 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 |
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| 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。
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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
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。
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| 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。
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