2021 Fiscal Year Research-status Report

固液界面での高分子重合反応制御による3次元微細構造上の均一薄膜の作製

Research Project

Project/Area Number	20K05282
Research Institution	Osaka Research Institute of Industrial Science and Technology
Principal Investigator	二谷真司地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 和泉センター, 主任研究員 (40611471)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	前田和紀地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 和泉センター, 研究員 (50806776) 宇野真由美 (音羽真由美) 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 和泉センター, 総括研究員 (90393298)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	薄膜コーティング / 液相法
Outline of Annual Research Achievements	モノマーと重合剤の反応液中に布帛を浸しながら重合を行うことで、繊維表面に導電性高分子薄膜の作製を行った。繊維表面に導電性高分子をコーティングすることで、導電性を有する不織布および織布が得られた。コーティングのさらなる均一性向上のために、溶液濃度と反応液温を調整した条件下で重合を行うことで、前年度までと比較してもより微細な繊維構造に追従した薄膜の形成を実現した。この結果は、溶液中での核生成よりも、高分子鎖の伸長反応が優位となったためと考えられる。また、コーティングした導電性高分子は、布帛の内部構造まで均一に薄膜を形成しており、布帛表面から裏面の導通は良好で、表面の導電性と内部の導電性に差がないことが示唆された。これは、溶液中でモノマー分子が繊維構造の内部まで拡散し、内部でも重合反応が起こったため均一化したと考えられる。繊維表面の官能基変換を目的として、真空紫外光の照射を行った。その結果、極性官能基の表出により布帛表面の水接触角は大きく低下、すなわち濡れ性が向上した。この高い濡れ性は、時間の経過と共に元の濡れ性まで復元する現象が観測された。この復元現象は、温度の上昇と共に加速される傾向が明らかとなり、繊維を構成する高分子の分子運動により表出した極性官能基が内側に潜り込むためだと推察される。そこで、真空紫外光照射により濡れ性を向上させた布帛を極性溶媒である水中で保存したところ、濡れ性の復元が著しく抑制されることが明らかとなった。これは、表出した極性官能基が水により安定化されるためであると考えられる。以上の結果から、真空紫外光の照射により繊維表面の表面自由エネルギーを制御できることを実証し、表面での高分子重合をより促進できると考えられる。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 導電性高分子の薄膜コーティングにおいて、モノマー溶液中に被着物である布を浸漬しながら重合反応を行うことで均一な薄膜を形成することに成功した。またこの反応は、反応溶液の濃度と反応溶液の温度の調整によって重合速度をコントロールし、生成した高分子が表面吸着して薄膜を形成する速度と、溶液中に高分子凝集体として析出してしまう速度のバランスを制御することが可能となった。これにより、濃度の調整による会合速度のコントロールだけでなく、反応溶液温度の調整による反応性のコントロールを用いた速度論的アプローチを用いた膜質制御も可能であることを明らかとした。また、被着物である繊維の表面自由エネルギーを光によって制御可能であることを実証した。この表面自由エネルギーの変化は恒久的なものではなく、時間の経過と共に元の状態に復元するが、温度や雰囲気によりその復元速度がコントロール可能であった。表面上での高分子反応においても、繊維の表面自由エネルギーと出発物であるモノマーや反応溶媒の極性を調整することによって、重合反応が繊維表面上で優先的に起こるようにコントロールして、高分子被膜を表面に局所偏析させることが可能となると考えられる。また今後は、反応プロセスにおいても、最初期におけるモノマーの表面吸着および反応と、その後の高分子鎖成長反応を二段階に分けて溶媒の極性など反応条件を変更することで、成膜性のさらなる向上を目指す。
Strategy for Future Research Activity	今後は、導電性高分子重合の際の反応等量制御、温度制御、反応溶媒の極性制御といった速度論的アプローチを拡充させると同時に、被着物の表面自由エネルギーや表面官能基変換による生成被膜の熱力学的安定化にも着目して、さらなるコーティングの均一性向上を目指す。また、反応プロセスの検討によるコーティング均一性向上も同時に行う。最初期におけるモノマーの表面吸着および開始反応と、その後の高分子鎖成長反応を二段階に分けて、溶媒の極性など反応条件を変更することで、成膜性のさらなる向上を目指す。特に、第二段階の高分子鎖成長反応において、極希薄条件や極性の低い反応溶媒を用いることで、新たな核生成反応よりも成長反応が優先するような条件を見出す。最終的には、基材表面の表面自由エネルギー、反応物・生成物の極性、反応溶媒の極性などの各条件と、生成したコーティング薄膜の状態を比較、評価することで、基材表面での溶液から高分子薄膜の形成過程についてのメカニズム解明につなげる。均一性の評価については、導電性高分子の導電率評価を基本として、電子顕微鏡による表面状態観察と連続折り曲げ試験によるコーティングの緻密さの評価を引き続き行う。特に、絶縁性のコーティング評価においては、折り曲げ試験とその試験前後での表面観察が有用であると考えられる。これらの評価により得られた均一性の指標と、各種条件検討のパラメータを体系化することで、反応性と機能性の相関関係について明確化する。
Causes of Carryover	当該年度は、発表予定であった学会等がいずれも中止もしくはオンライン開催のみとなり、旅費として執行できなかった。翌年以降に延期された学会等については、順次執行予定である。次年度に、さらなる研究推進のための消耗品費として使用予定である。