2022 Fiscal Year Annual Research Report

分子ダイナミクス計測による架橋高分子材料の強靭化メカニズム解明

Research Project

Project/Area Number	20K05627
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	眞弓皓一東京大学, 物性研究所, 准教授 (30733513)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	藤本和士名古屋大学, 工学研究科, 助教 (70639301)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	高分子ゲル / 強靭性 / 応力集中 / 動的架橋 / 分子動力学シミュレーション
Outline of Annual Research Achievements	2022年では、高分子網目に動的架橋として環動架橋を導入することによって破壊靭性を向上する手法について検討した。具体的には、共有結合による固定架橋および環状分子による環動架橋によって連結された高分子ネットワークに関して、粗視化分子動力学シミュレーションを行った。固定架橋・環動架橋の総数は一定にして、固定架橋と環動架橋の比率を変えたところ、環動架橋の比率が一定以上になったところで、一軸伸長時における破壊エネルギーの向上が見られた。固定架橋のみの場合は、伸長時に一部の鎖に応力が集中し、結果として比較的小さな歪みでネットワークが破断してしまう。このことは、2021年度まで固定架橋ネットワークの伸長下における応力不均一性を調べてきた結果と整合している。一方で、一定比率以上の環動架橋を含む高分子ネットワークでは、環動架橋の効果によって応力集中が回避され、伸長下における高分子鎖の変形が均一化されることが分かった。本研究課題では、伸長に伴う高分子一本鎖のダイナミクス変化に関する基礎的知見を確立することで、固定架橋高分子ゲルの伸長下における分子ダイナミクス変化から、伸長下における分子鎖の歪み分布を計測する手法を確立した。架橋点間分子鎖長が不均一な固定架橋ゲルでは、短い部分鎖に応力が集中してしまうことを明らかにした。応力集中を回避する手法としては、環動架橋などの動的架橋の導入が有効であり、一定以上の比率で動的架橋を加えることで、伸長下における高分子鎖の変形を均一化し、強靭性を向上させることが可能であることが明らかとなった。