2019 Fiscal Year Annual Research Report
Hierarchical Heterogeneity and Stress Distribution in Polymer Network Systems by Spatio-Temporal Mapping Analysis
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19H02780
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
春藤 淳臣 九州大学, 工学研究院, 准教授 (40585915)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | ナノレオロジー / デフォーカスイメージング / 不均一性 / ナノコンポジット / 応力集中 / 力学物性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高分子ネットワークの形成・固化過程において発現した不均一性は緩和させることができない。そのため、系中の不均一な反応・固化過程が架橋点あるいはそのクラスターの空間的なばらつき、ひいては材料を変形させた際の不均一な応力分布に繋がるとの考えられる。このような応力分布は応力集中を誘起しうるため、材料のタフネス性 (靭性) や寿命と深く関連していると考えられるが、その理解には程遠いのが現状である。本研究では、(1) 高分子ネットワークの形成・固化過程における不均一性と応力分布の関係、および (2) 応力分布とタフネス性・寿命との関係を正確に理解し、力学物性が精密に制御された材料の設計原理・指針を創出することを目的とした。令和元年度に実施した具体的な項目と主な研究成果を以下にまとめる。
(1) 数 nm程度の空間スケールにおける物性を解析するため、測定装置を新たにセットアップした。その結果、高分子ネットワークに分散させた量子ドット（QD, 直径: 7 nm）の変位を検出できた。とくに、ブリンキング現象に基づきQDの分散性を評価でき、単一のQDの熱運動を追跡できることを確認した。(2) 上記の装置を用いて、ナノセルロース (NC) 水分散液は、メゾスコピックスケールにおいて不均一であり、その特性長さは超音波照射によって制御できることを見出した。さらには、不均一性の特性長さが異なる水分散液を用いて、NC含有高分子複合膜を作製したところ、複合膜中の引張特性は、NCの不均一性、ひいては応力集中に関係していることを明らかにした。
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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
当初の実施項目として、初年度に (1) 測定装置のセットアップとその検証、(2) 局所領域における物性解析、また、次年度以降に、(3) 変形あるいは緩和過程における不均一性の評価、(4) 応力分布の可視化、(5) タフネス性と破壊挙動との相関解析を設定した。
令和元年度は、当初の計画に従って、実施項目(1) ならびに (2) の一部を実施した。具体的には、デフォーカスイメージングを可能とする装置を新たにセットアップし、光の回折限界を超えてナノサイズの粒子を観測することに成功した。また、高分子ネットワーク中の異なる場所に存在する粒子の熱運動に基づき、空間的な不均一性を明らかにした。当初の予定にとどまらず、高分子膜中に分散したフィラーの不均一分布を実験的に評価し、その特性長さが応力集中や巨視的に力学物性に影響を与えることを明らかにした。
研究成果は学術論文や国内外の学会にて発表済みであり、さらに学術論文2報として投稿中である。以上の理由により、おおむね順調に研究が進展したと判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元年度にセットアップした装置を用いて、高分子ネットワークの形成過程、および変形過程における不均一性を検討する。
高分子液体中の異なる測定場所にて量子ドット (QD) の熱運動を解析し、不均一性の程度と特性長さを明らかにする。とくに、高分子の架橋反応、すなわちネットワークの形成過程における不均一性を検討し、濃度揺らぎの凍結と不均一性との関係を明らかにする。また、高分子ネットワークに伸長あるいはせん断ひずみを印加した状態でQDの熱運動とその場所依存性を解析し、変形過程が不均一性に与える影響を明らかにする。さらに、一般化Stokes-Einstein式に基づく、貯蔵弾性率、損失弾性率および緩和時間の算出にも着手する予定である。
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