2020 Fiscal Year Research-status Report
Fabrication of thermoplastic, remoldable, and mechanically-tough composite hydrogels
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19K22067
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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) |
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) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Keywords | ポリマー / 複合材料 / 再成型性 / ハイドロゲル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、高強度・高透明性・高含水性をあわせ持ち、熱により何度でも再成形可能（熱可逆）な環境配慮型ハイドロゲルを作ることを最終目的としている。昨年度は、高強度かつ熱可逆性を有するポリマーゲルネットワークの形成を実現すべく、混合溶媒を使用してポリマーの溶解性を変化させることでゲルの内部構造を制御し、その高強度化を目指した。さらには、溶液を液体窒素により冷却することで、強度が向上するシンジオタクチックポリプロピレン（sPP）を用いた熱可逆性ゲルに注目した。その結果、強度が最大となる溶媒種の組み合わせと最適な混合比率の選定をすることができた。高強度・高含水性の両立のためには、低いポリマー濃度で高い強度を有するゲルが必要となり、混合溶媒による強度向上に向けたポリマー濃度依存性をみる必要がある。よって、sPPゲルについて、混合溶媒による強度向上がsPP濃度によってどのように変化するかを解析し、作製条件を最適化した。より具体的には、選定したデカヒドロナフタレン（デカリン）とシクロヘプタノールの混合比率およびsPP濃度をパラメーターとする複数のsPPゲルを作製し、その弾性率を測定した。その結果、sPP濃度が14%のゲルでは、混合溶媒のデカリンとシクロヘプタノール混合比率を25:75にした際に弾性率が最大値を示した。一方、sPP濃度が8%のゲルでは、混合比率を50:50にした際に弾性率が最大値を示し、sPP濃度の変化により混合溶媒の強度が変化した。さらに、sPP濃度を14%まで高くしたゲルでは、混合比率を50:50にした際の弾性率が220 kPaだった。それに対し、sPP濃度が12%と低いゲルでは、混合比率を25:75にした際の弾性率が440 kPaと約2倍に向上し、低いポリマー濃度で高い弾性率を有するゲルを作製できた。
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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
本研究は、高強度・高透明性・高含水性をあわせ持ち、熱により何度でも再成形可能（熱可逆性）な環境配慮型ハイドロゲルの作製を最終目的とする。本研究の主なプロセスは、（I）熱可逆な第一ゲルネットワークの形成、（II）化学改質による第一ネットワークの親水化、（III）セルロースナノファイバー（CNF）水分散液の含浸による第二ネットワークの形成、である。特に熱可逆なゲルネットワークの構造は、ゲルの力学物性に大きく影響する重要な要素であるため、昨年度に引き続き本年度も主に（I）を進展させた。
本研究でシンジオタクチックポリプロピレン（sPP）を用いた熱可逆性ゲルに注目したのは、溶液を液体窒素により冷却することで内部構造が微細化し、強度を向上させられるからである。そして、その構造の制御による高強度化を目指し、ゲル作製時の混合溶媒の混合比率を変えることでsPPとの相溶性の変化に着目した。さらには、低いsPP濃度のゲルで高い力学物性を実現するよう、混合溶媒による強度向上におけるsPP濃度依存性をみた。
具体的には、選定したデカヒドロナフタレン（デカリン）とシクロヘプタノールの混合比率およびsPP濃度をパラメーターとする複数のsPPゲルを作製し、その弾性率を測定した。その結果、sPP濃度が14%と高いsPPゲルでデカリンとシクロヘプタノールの混合比率を50:50にした際の弾性率が220 kPaであったのに対し、sPP濃度が12%と比較的低いsPPゲルで混合比率を25:75にした際の弾性率は440 kPaと約2倍に向上した。これより、低いsPP濃度で高い弾性率を有するsPPゲルの作製ができた。
以上より、高強度と高含水性を両立できる熱可逆な第一ゲルネットワークの形成に成功し、本研究の（I）をさらに進展させることができたため、おおむね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで急速冷却法およびゲルに用いる混合溶媒に着目し、シンジオタクチックポリプロピレン（sPP）ゲルの力学物性を向上させることで、高強度と高含水性を両立できる熱可逆な第一ゲルネットワークの形成を行ってきた。これより（A）sPPを骨格としたハイドロゲルを実現、を目指して表面改質によるネットワークの親水化およびセルロースナノファイバー（CNF）懸濁液の含浸による第二ゲルネットワークの形成による高透明性・高含水率をあわせ持つゲルの作製を実施する。また、熱可逆性ゲルへの異なるアプローチとして（B）TEMPO酸化CNFを用いた熱可逆性ゲルの作製、も可能であれば検討する。
（A）については、本研究のsPPが疎水性であるため、ハイドロゲルのネットワークとして使用するには親水性の向上が必要となる。そこでプラズマ処理などの表面改質を施し、sPPゲルネットワークの親水化を図る。また、親水化したsPPゲルにCNF懸濁液を含浸することで第二ゲルネットワークの形成を試みる。具体的には、sPPゲルを凍結乾燥し、得られたゲルネットワークにプラズマ処理を実施する。その後、CNF懸濁液を含浸することで第二ゲルネットワークを形成し、高透明性・高含水率を有するsPPゲルの作製を目指す。
（B）に関しては、sPPゲルと異なるアプローチで、高強度かつ高透明性を有する熱可逆性ゲルの実現を目指す。TEMPO酸化CNFは、表面のカルボキシ基と水酸基に由来する高親水性を有しているうえ、ナノスケールまで解繊することで高透明性材料の作製が可能な材料である。このTEMPO酸化CNFをイオン結合でゲルネットワークにすることで高強度かつ高透明性を有する熱可逆性ゲルを実現する。具体的には、水中でカルボキシ基とイオン結合するアミノ基を有するジアミンをTEMPO酸化CNFの水溶液に混合することでネットワークを構築し、ゲルの作製を目指す。
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| Causes of Carryover |
昨年度、本研究グループは急速冷却法およびゲルに用いる混合溶媒に注目し、シンジオタクチックポリプロピレンゲルの力学物性を向上させることで、高強度と高含水性を両立できる熱可逆なゲルネットワークを形成し成果を上げることができた。これらの研究実施のために必要となる材料費や装置使用のコストとして、予定した研究費を使用してきた一方で、新型コロナウイルス感染症などの影響もあり、実験計画の一部変更による材料購入プロセスの変更や再考および実験の再計画などの必要性も生じた。予定されていた学会参加等にも影響は出ており、その再調整が必要となることもあった。その結果、研究の進捗に大きな影響が出ない範囲で、研究費使用の時期に流動性をもたせる必要性が生じた。
この研究費については、今後も続く新型コロナウイルス感染症の影響をしっかりと予測して実験計画を立てることで、当該年度で予定している材料・器具費や実験費用、さらには分析装置の保守等に要する費用として使用していく予定である。
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