Toughening Mechanism of Cross-Linked Polymeric Materials Revealed by Molecular Dynamics Measurements

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K05627
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 35020:Polymer materials-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Mayumi Koichi 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 / 中性子準弾性散乱 / 分子ダイナミクス / 分子動力学シミュレーション / 強靭性 / 応力集中 / 動的架橋

Outline of Final Research Achievements

In this project, we have investigated the effect of uniaxial elongation on the molecular dynamics of polymer chains by means of quasi-elastic neutron scattering (QENS) experiments on stretched homogeneous polymer gels and molecular dynamics (MD) simulations of an elongated polymer chain in water. We have found that stretching polymer chains accelerates the segment dynamics in the direction perpendicular to the elongation. Also, QENS measurements on stretched inhomogeneous polymer gels detect the stress-concentrated strands as an elastic component of the dynamic structure factor. Also, we have performed coarse-grained MD simulations on polymer networks in which polymer chains are cross-linked by fixed bonds and slide-ring movable cross-links. By increasing the fraction of the slide-ring cross-links in the networks, the number of stress-concentrated chains decreases, which results in higher mechanical toughness.

Free Research Field

高分子物性

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究では、これまで十分に研究されてこなかった変形した高分子鎖のダイナミクスを実験・シミュレーションの両面から明らかにし、またその知見を元に、変形した高分子材料中における応力集中鎖を検出することに成功した。変形による応力集中鎖の発生は、マクロな破壊挙動の支配因子であり、本手法は高分子材料の破壊メカニズムの解明において有用である。また、本研究では、固定架橋ネットワークに一定比率の環動架橋を導入することで、応力集中鎖の発生を大幅に抑制できることも見い出しており、本成果は架橋高分子材料を強靭化するための分子設計指針を与えるものである。