2021 Fiscal Year Annual Research Report
Development of highly tough gel containing ionic liquid using structure controlled polymer by precision polymerization
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21H01691
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
神尾 英治 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (30382237)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ゲル / イオン液体 / 高強度ゲル / ダブルネットワーク / CO2分離膜 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
イオン液体含有高強度ダブルネットワークゲル（DNイオンゲル）の高強度発現に寄与する有機ネットワーク（2ndネットワーク）の影響について検討した。本研究では、精密重合法により合成した種々分子量の架橋性高分子を用いることでDNイオンゲルを調製し、その機械的強度について評価を行った。また、DNイオンゲルの機械的強度に及ぼす無機ネットワーク（1stネットワーク）と有機ネットワークの最適組成についても検討を行った。
有機ネットワークを構成する高分子の分子量の影響では、その分子量が大きいほどDNイオンゲルの機械的強度が大きくなることを明らかにした。高分子量の高分子を用いたほうが、ゲルに所定歪みを加えた際にエネルギー散逸効果が大きく、より沢山の無機ネットワークの破壊が起こることで高強度化が促進されることを明らかにした。また、無機ネットワークと有機ネットワークの組成に関する検討から、無機ネットワーク/有機ネットワーク比には最適比があることを明らかにした。無機ネットワークの割合が小さい場合には無機ネットワーク組成増大に伴うエネルギー散逸量の増大に起因する機械的強度の増大が起こり、最適比以上での強度低下は有機ネットワークの伸長に伴い内部破壊される無機ネットワークの量が低下することに起因して機械的強度が低下することを明らかにした。
また、エネルギー散逸機構に基づくイオンゲルの高強度化は、シリカナノ粒子がネットワーク状に凝集した無機1stネットワークだけでなく、半結晶性高分子の結晶性部位の破断や金属有機構造体（MOF）ナノ粒子の2ndネットワークからの脱着によっても引き起こされることを明らかにした。さらに、その高強度発現には2ndネットワークとイオン液体の親和性が非常に重要であることを明らかにした。
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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
無機ネットワークの内部破壊によるエネルギー散逸に基づく機械的強度増大について、2ndネットワークの寄与を検討した。当初予定通り、精密重合により合成した架橋性高分子を用いることにより、有機ネットワークを構成する高分子の分子量の影響を明らかにした。さらに、ほぼ同じ長さの架橋性高分子を用いることにより形成した有機ネットワークを有するDNイオンゲルを種々の無機/有機ネットワーク比にて調製し、その機械的強度を評価することで、無機ネットワークと有機ネットワークの最適組成比を決定した。また、DNイオンゲルの機械的強度増大に及ぼす有機ネットワークの影響について、架橋性官能基導入率が各々異なる架橋性高分子を精密重合により合成し、それらを用いて2ndネットワークの架橋度が異なるDNイオンゲルを調製、その機械的強度を評価した。調製したDNイオンゲルの弾性率、破断歪み、破断応力、およびエネルギー散逸効果の関係を整理することで、有機ネットワークが無機ネットワークの内部破壊に寄与していることを示唆する結果を得た。加えて、DNイオンゲル調製時における前駆体溶液の希釈率が調製されたDNイオンゲルの膨潤度、すなわち、2ndネットワークの架橋度に影響することも明らかにした。さらに、様々な条件で調製したDNイオンゲルの弾性率は2ndネットワークの架橋度に対して一義的な相関を示すことを明らかにした。以上の一連の検討より、DNイオンゲルの強度増大に及ぼす2ndネットワークの効果に関する知見を集積した。これらは当初予定の計画通りの成果である。
加えて、様々なイオン液体に対して高強度イオンゲルの作製を可能にするため、1stネットワークの改良についても検討を行った。無機ネットワークの代わりにMOFナノ粒子や半結晶性高分子を用いても、エネルギー散逸機構に基づく高強度イオンゲルを作製できることを明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度の検討より、精密重合法により合成した架橋性高分子を用いることで、有機ネットワークの構造を制御したDNイオンゲルの調製に成功し、その有機ネットワーク構造として、架橋点間分子量や有効架橋密度を制御することに成功した。また、DNイオンゲルの機械的強度に及ぼす2ndネットワーク（有機ネットワーク）の影響について、定性的ではあるが、2ndネットワークが1stネットワークの内部破壊とエネルギー散逸に伴う高強度化に寄与していることを示唆する結果を得た。そこで今後は、様々な有効架橋密度の2ndネットワークを有するDNイオンゲルを調製し、その力学特性を2ndネットワークの有効架橋密度で整理するとともに、古典的ゴム弾性理論による理論的解析を行うことで、2ndネットワークがDNイオンゲルの力学特性に及ぼす影響を検討する。
また、2ndネットワークが力学特性に及ぼすもう一つの要因として、そのネットワーク構造の均一性に関する検討を実施する。具体的には、精密重合法により合成可能な架橋性高分子をトリブロックコポリマーなどにすることで架橋点間分子量を制御する、あるいは、均一なネットワークを形成可能な4分岐ポリエチレングリコールを用いることで、2ndネットワークの構造均一性の制御を試み、DNイオンゲルの力学特性への影響を検討する。
また、今年度創製した各種高強度イオンゲルを薄膜化し、そのCO2透過性能に関する検討にも着手する予定である。
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