2020 Fiscal Year Research-status Report

Fabrication of infrared-responsible nano-carbon/polymer composite materials utilized as micro-actuator

Research Project

Project/Area Number	19K05062
Research Institution	Chitose Institute of Science and Technology
Principal Investigator	高田知哉公立千歳科学技術大学, 理工学部, 准教授 (00342444)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	阿部薫明長崎大学, 医歯薬学総合研究科(歯学系), 准教授 (40374566)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	温度応答性ゲル / アクチュエータ / カーボンナノチューブ / 赤外線
Outline of Annual Research Achievements	本研究では昨年度に引き続き、Upper Critical Solution Temperature (UCST)タイプの高分子に多層カーボンナノチューブ (MWCNT)を混合した複合材料を作製し、赤外線照射に伴う温度応答挙動を観察した。既知のUCST型高分子であるポリ(アクリルアミド-co-メタクリル酸ブチル)/ポリアクリル酸/相互侵入ネットワーク(IPN)ハイドロゲルを用い、MWCNT添加の有無による赤外線照射時の温度および膨潤率の変化を調べるとともに、ゲルの機械的強度を測定し膨潤率変化との関係について考察した。所定量のアクリルアミドとメタクリル酸ブチルの混合物に、架橋剤、重合開始剤およびMWCNT分散液を加えたのち加熱し重合させた。同様にMWCNT未添加の試料も作製した。重合後に得られる乾燥固体に、アクリル酸・架橋剤・重合開始剤の混合水溶液を吸収させ、引き続き加温し重合させた。以上の操作で得られたハイドロゲルに、LED光源による水中での赤外線照射（波長810nm、5時間）と5°Cでの保管（１週間）を繰り返し行い、重量変化およびゲル表面の温度をその都度測定した。また、引張圧縮試験機を用いてハイドロゲルの圧縮試験を行い、圧縮応力および歪みを測定した。赤外線照射-低温保管の繰り返しに伴う膨潤率の変化を観察したところ、臨界溶液温度付近での温度変化に伴う可逆的な膨潤率変化が確認され、赤外線による温度応答性を発現させることができた。ただし、膨潤率は高温下・低温下のいずれもMWCNT未添加の試料の方が大きく、MWCNT添加によってゲルの変形が抑制されていることが示唆された。圧縮応力-歪み曲線から求められる初期弾性率を比較すると、MWCNTを添加したゲルの方が大きく、変形に対する抵抗が大きいことがわかった。このことは、MWCNTの有無による膨潤率変化の違いに対応する結果である。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason UCST型温度応答性ハイドロゲルへのMWCNT添加により赤外線応答性を付与し、可逆的な赤外線応答性を確認するとともにMWCNT添加の有無による差異を観察することができた。この一連の結果について、論文誌に発表することができた。また、観察された膨潤率の差異についてゲルの機械的強度と関連させて解釈することができた。
Strategy for Future Research Activity	本研究で対象とする材料はマイクロアクチュエータ材料としての応用を指向しているので、膨潤率と併せて体積変形の観察をする必要がある。当初予定の通り、ゲルの微小変形を変位センサーにより観察することとしており、この目的で用いるセンサーは導入することができたので、今後体積変化の測定を進める。また、ゲルの変形挙動と機械的性質との関係を詳細に調べるため、材料試験機による圧縮・引張試験を行ってゲルの弾性率を決定し、変形挙動との関連性について検討する。
Causes of Carryover	COVID-19の影響により実地での学会発表がオンライン発表に変更または中止されたため、その分の旅費の支出を要さなくなった。その他物品費に関しても、当初の想定よりも支出額が低く抑えられた。次年度分については、これまでの研究で必要性が見出された材料試験を進めていくための治具や、赤外線応答性を観察するための光源の部品（交換分を含む）等の購入に充当する予定である。また、研究計画の最終年度となるので、研究成果を公表するための費用（英文論文校閲料、投稿料）に充当するほか、COVID-19による影響がなくなり実地での研究発表が開催されることを期して、旅費および学会参加費にも充当する。