2014 Fiscal Year Research-status Report
小角中性子散乱法を用いた高分子編目に働く僅かな水の高強度化機構の解明
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25810131
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| Research Institution | 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び東海事業センター(利用研究促進部)) |
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Principal Investigator |
富永 大輝 一般財団法人総合科学研究機構(総合科学研究センター(総合科学研究室)及び東海事業, その他部局等, 研究員 (50513694)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 高分子科学 / ソフトマター / 水 / 中性子散乱 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究代表者のこれまでの研究成果から、水溶性高分子であるpolyacrylamideゲルとpoly(2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid sodium saltゲル)で作成されるDouble Networkゲルから得られる多孔質高分子試料は、絶乾試料よりも5wt%程度の水を含む時に弾性率、最大破断応力ともに大きくなる。ソフトマターの重要な特徴の1つは、水の存在によって物性が大きく影響することである。ここでは、水がソフトマター中にどのように吸着し、どのように高分子物質の機械強度へどのように働くのかを高分子物質の構造・ダイナミクスを小角中性子散乱法、小角Ｘ線散乱法、中性子非弾性散乱法等を用いて明らかにする。
今年度は軽水の水蒸気を用いて、小角X線散乱法を用いて研究を推進し中性子散乱では得られない高分子網目骨格に関する構造情報を取得することに成功した。また昨年度構築した水蒸気導入中性子散乱同時測定システムを用いて、試料の延伸中における水蒸気導入中性子散乱同時測定に成功した。さらに、非延伸下における湿度制御雰囲気下における、その場中性子非弾性測定を行うために新たに、平板試料に最適化する試料セルを考案した。測定に用いた湿度雰囲気制御装置の圧力制御値の検証等高度化にも成功した。結果、高分子網目試料は弾性率の湿度変化依存性と同様に、湿度30％付近で最も硬くなることを見いだした。現在、X線小角散乱を試料の延伸中で行うための延伸器を製作中である。これを用いて、中性子散乱法で得られた構造変化と合わせて議論する。今後は得られた非延伸下・延伸下における静的構造変化を整理し、非延伸下における中性子非弾性散乱法で得られたプロファイルを満足するモデルの構築を行う。
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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
試料は、水溶性高分子であるpolyacrylamideゲルとpoly(2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid sodium saltゲル)で構成されるDouble Networkゲルから作成した多孔質試料を用いた。それぞれの高分子網目のみの測定を当初計画していたが、複合系で興味深いデータが出始めているため、これ対象に研究を推進中である。小角中性子散乱プロファイルでは網目構造由来と、水の構造由来の区別ができないが、水に対して鈍感だと考えられる小角X線散乱法を用いて、水の吸着で変化する水溶性高分子網目の様子を評価した。このために、X線測定用の湿度雰囲気セルを新たに考案した。昨年度構築した水蒸気導入中性子散乱同時測定システムを用いて、X線測定を行い、中性子散乱では得られない高分子網目骨格に関する構造情報を取得することに成功した。その結果、湿度80%以下では高分子網目骨格はほぼ変化が無いことが明らかとなった。また、昨年度構築した水蒸気導入中性子散乱同時測定システムを用いて、試料の延伸中における水蒸気導入中性子散乱同時測定にも成功した。
ダイナミクス測定では、非延伸下かつ湿度制御雰囲気下における、中性子非弾性測定を行うために新たに、平板試料に最適化した試料セルを考案した。同時に湿度雰囲気制御装置の圧力制御値の検証等高度化を行った。この新システムにより室温における湿度0%に相当する絶乾状態の水溶性高分子網目のダイナミクスが吸水によって変化する様子を評価した。結果、高分子網目試料は弾性率の湿度変化依存性と同様に、湿度30％付近で最も硬くなることを見いだした。多少順序が入れ替わっているが、順調に成果が得られているので、到達度をおおむね順調とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究は、おおむね順調に進んでいる。平成27年度は、前年度に遂行できなかった延伸下における湿度制御雰囲気下における小角X線散乱測定を行う。水に対して鈍感だと考えられる小角X線散乱法を用いて、水の吸着で変化する水溶性高分子網目の様子を評価し、小角中性子散乱法で得られた延伸下における構造変化に関するデータと併せて議論する。試料は引き続き、電解質高分子網目（poly(2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid sodium salt)ゲル）と中性高分子網目（polyacrylamideゲル））からなるダブルネットワークゲルの多孔質体を用いる。得られた中性子構造解析データから機械強度に関するスケールを特定する。また、そのスケールが歪みに対してどのように構造変化するかを動的粘弾性測定などを併せて行い、水分子の高分子鎖への吸脱着と、歪み速度との相関にアプローチする。
水・高分子の緩和評価は、高分子網目の静的構造を先に評価したため、解析が少し遅延しているが、得られた構造モデルをもとに、核磁気共鳴(NMR)のデータや、カーボンナノチューブ等細孔内の水のダイナミクスの研究などと比較検討しまとめる。本システムは、カーボンナノチューブなどのような硬い表面近傍の水のダイナミクスを評価するのではなく、柔らかい水溶性高分子鎖近傍の水のダイナミクスに焦点を絞って解析する。水分子のダイナミクスを、細孔中の水のダイナミクスの場合と比較する。非延伸下における強度を弾性率の値と比較してモデルを構築する。試料に対し、マクロに加えた歪みエネルギーの蓄積・散逸メカニズムが明らかにし、モデルを構築する。
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| Causes of Carryover |
論文校閲に予定していた予算を昨年度執行しなかったため次年度使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
本年度中に公開される論文のための論文校閲費として用いる。
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