2015 Fiscal Year Research-status Report
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26410222
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
彦坂 正道 広島大学, 総合科学研究科, 特任教授 (60087103)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 高分子 / 伸長 / 結晶化 / ひずみ速度 / 配向 / ナノ / 結晶 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
我々は、従来困難だった高分子融液の伸長結晶化に成功し、“ナノ配向結晶(Nano-oriented crystals; NOC)”とよぶ新形態が発生して高性能化することを、ポリプロピレン(PP)を用いて発見した[Okada, K. et al. Polym. J., 2010 & 2013]。
本研究の目的は、代表的な結晶性高分子について1) NOCが普遍的に生成すること、2) NOCの構造と生成メカニズム、3) NOCが高性能・高機能を示すことを明らかにし、NOC実用化の科学・技術的基盤を確立することである。
当該年度の研究は次の方法で行った。試料にはポリエチレンテレフタレート(PET)とエンジニヤリングプラスチック（エンプラ）であるポリエチレンナフタレート(PEN)とフッ素樹脂を用いた。我々が開発した押出し・ロール型とプレス型の二種類の成形システムを用いて伸長結晶化した。平衡融点[Tm(eq)]より10～20K高い温度で融解後、ある結晶化温度(Tc)に降温した「過冷却融液」を圧延伸長して、シートまたはフィルム状に結晶化（成形）した。NOCの構造・形態と耐熱性は光学顕微鏡とX線散乱、強度は引張試験によって観察した。
研究の成果を以下に記す。i) PETの構造・形態の伸長ひずみ速度（ε）依存性を明らかにした。ii) PETのNOCは、ナノ結晶(NC)が三次元的に配列した単結晶的な高秩序度の新形態であることを明らかにした。iii) PETとフッ素樹脂のNOCは、高強度・高耐熱性等の高性能を示すことがわかった。iv) PENのNOC生成を確認し、NOC生成の普遍性の検証を進めることができた。
過冷却融液からの伸長結晶化という新しい方法で新形態が普遍的にできること、および高性能・高機能材料開発の基盤を確立することは、科学と技術において意義がある。
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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
PETの伸長結晶化において、構造・形態のε依存性を明らかにしたから。これにより構造・形態が従来構造からNOCへと一変する臨界伸長ひずみ速度（ε*）を決定した。これは、科学的にも産業的にも重要な成果であり、本研究が進展していることを示す。
PETのNOCの三次元構造・形態を明らかにしたから。PPでは、NCは一次元的配列であった[Okada, K. et al. Polymer J., 42, 464 (2010)]。対してPETは融液伸長の際、ベンゼン環の面が配向した結果、三次元的に融液の配向が実現し、核生成・成長することによってNCが単斜晶型格子状に三次元配列することがわかった。よって、PET特有なNOCの三次元構造・形態が発現したことは、本研究の重要な成果であり、進展していることを示す。
PET、およびポリフッ化ビニリデン(PVDF)とトリフルオロエチレン(TrFE)を含むフッ素系樹脂のNOCが、高性能を示すことを明らかにしたから。PETのNOCシートにおける引張強度は、PET未延伸シートの約6倍、ヤング率は約2.5倍増大した。また耐熱温度と融点が280℃以上であり、PET一軸延伸フィルムの耐熱温度155℃と比べて著しく増大した。フッ素樹脂のNOCも、耐熱温度が融点直下を示した。よって、高性能材料開発の点で、本研究は順調に進んでいる。
PENの伸長結晶化において、NOC生成が確認できたから。PETと同様のポリエステルであり、強度・耐熱性・電気特性・耐薬品性などがPETよりも優れているPENがNOC生成を示したことは、NOC生成の普遍性を進める上でも、高性能・高機能性材料開発においても重要な成果であり、本研究が進展していることを示す。
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| Strategy for Future Research Activity |
1) ポリブチレンテレフタレート(PBT)やPENのポリエステルやポリアミド、PVDFとポリテトラフルオロエチレン(PTFE)を含むフッ素系樹脂、およびポリ乳酸(PLA)の伸長結晶化を行い、NOC生成の普遍性を検証する。
2) 1)に示した高分子のNOCの三次元的な構造・形態を解明する。
3) PET、PEN、PBTやポリアミド、フッ素系樹脂を用いた伸長結晶化の伸長ひずみ速度(ε)依存性を明らかにすることにより、NOC生成メカニズムを解明する。一般に、結晶化メカニズム解明においては、結晶化の律速過程を明らかにすることが重要である。NOCの核生成速度(I)を以下に記すa)またはb)の方法から決定し、“速度論的研究”からNOC生成が核生成律速であることを検証する。Iは古典的核生成理論(classical nucleation theory; CNT)により定義と定式化がされている。実験的に求めたIの過冷却度(ΔT)依存性がCNTの理論式を満足する場合には、核生成律速であると結論できる。ここで、ΔTはTm(eq)とTcの差である。a) ε*のΔT依存性からIを決定する。我々が定式化したε*とIの関係式を用いて、Iを決定する[Okada, K. et al. Polym. J., 45, 70 (2013)]。b) NOCのナノ結晶サイズ(d)のΔT依存性からIを決定する。CNTのIの定義式から定式化したdとIの関係式を用いて、Iを決定する[Okada, K. et al. Polym. Preprints, Jpn., 62(1), 645 (2013)]。
4) 1)に示した高分子のNOCの物性測定を行い、高性能・高機能を示すことを明らかにする。物性測定は、引張強度、耐熱性、耐寒性、透明性、強誘電性、圧電性等を行う。
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| Causes of Carryover |
当該年度は国際学会の参加を予定していたので、海外旅費は発表者２名分を予算にいれていた。しかし、１名が体調不良のため急遽参加を取り止めたので、海外旅費の支出が１名分のみとなった。その結果残額が生じ、次年度使用額が生じた。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
当該年度も我々の研究成果が順調に進展したために、放射光施設への次年度の課題申請において、多くの実験回数と時間を獲得できた。よって、当該年度に生じた次年度使用額は、次年度の国内旅費として使用する計画である。
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Research Products
(9 results)
