2015 Fiscal Year Research-status Report
高分子系中の分子拡散に水素結合が与える影響の評価・予測モデルの構築
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26820336
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
大橋 秀伯 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 特任准教授 (00541179)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 高分子水溶液系 / 分子拡散性 / リニアポリマー / グラフトポリマー / 水分子透過 / 湿度依存性 / 溶解性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高分子水溶液系における分子拡散性は、生体分子センサや水蒸気回収デバイスなど、数多くのデバイスで重要な役割を果たす重要な物性であるが、充分な知見がそろっているとは言えない。この一つの要因は、汎用性を持つ拡散性取得手法が充分に確立されていないことに起因する。本研究においては、リニアポリマー固定化膜による分子拡散性評価手法の確立を行い、実際に分子拡散性取得のデモンストレーションを行うことで、より広い研究現場で拡散性を得るための基礎を構築する。
高分子中の分子拡散性は、架橋構造によっても大きな影響を受けうるため、まず架橋点の無いリニアポリマー中における分子拡散性を取得することが肝要である。一方で、リニアポリマーを膜とするためには、多くの場合、多孔質膜基材の細孔中に固定化する必要がある。基材にダメージを与えずに、汎用的にリニアポリマーを固定化可能な手法は、いまだ発展途上であったため、前年度までにプラズマグラフト重合を足掛かりに、既に合成したポリマーをクリック反応により固定化する汎用化手法を開発し、高効率で任意のリニアポリマーを固定化できる手法の基礎を築いた。
さらに、リニアポリマー固定膜を用いて、高分子中の水分子の透過性の評価を行った。このとき当初予想してなかった、透過性の大きな湿度依存性が観察されたため、より精密な評価が必要となり、精密加湿装置・精密露点計を装備した水蒸気透過性高精度測定システムの構築を行った。本システムを用いて各湿度での水分子透過性を測定したところ、スルホン酸基を側鎖として持つリニアポリマーグラフト膜において、相対湿度40%にわたって水透過性が3桁も変化する結果を得ている。この結果は、上記デバイスの効率にも大きく影響しうる重要な結果である。
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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
前年度（26年度）の研究において、リニアポリマー固定化膜中の水蒸気透過性が湿度に依存して3桁以上も変化する現象を得ている。高分子膜の中の分子透過機構は、一般に溶解拡散機構であり、水蒸気透過性は平衡物性である膜への水蒸気溶解度と、移動物性である膜中における水分子拡散性の積として表現される。27年度においては、環境制御型磁気浮遊精密天秤を用いることで、各湿度環境における膜への水蒸気溶解度を高精度に求めた。これにより溶解度と拡散性の分離を行ったところ、水蒸気透過性の大きな湿度依存性は、ほとんど拡散性の湿度依存性に依るものであることが明らかになった。これは、ポリマーが含有する水の量が数倍程度変わっただけで、ポリマー中の水分子の拡散性は桁で変わってくることを示している。
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| Strategy for Future Research Activity |
ポリマー中において、数倍程度の含水量の変化が水分子の拡散性に桁で効いてくる現象は、水を媒体とするデバイスの効率に大きな影響を与えうるため、詳細な知見が必要不可欠である。ポリマー・水系中には、モビリティの高い水分子（自由水）とモビリティの低い水分子（構造水や不凍水）が共存することが知られており、湿度に応じて各構造の水量が変化し、拡散性に大きな影響を与えている可能性が高い。一方で、湿度を制御した状態で高分子中の水構造を観察する手法自体にほとんど知見がない。そこで28年度においては、まず各湿度において水分子の状態を解析する手法として、FT-IRにおいてチャンバーの精密加湿を可能とする治具を開発を行い、OH伸縮振動（水分子の状態に対応）に由来する3000 cm-1付近の吸収の観察を試みる。これにより各湿度条件における膜中におけるポリマーの水構造を詳細に観察し、水分子拡散性の特異な湿度依存性と水構造との関係を明らかにすると同時に、湿度依存性を改善した膜開発のために必要な知見を得る。
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| Causes of Carryover |
初年度の計画に対してより汎用的な移動物性取得方法として、膜法の開発に研究をシフトしており、湿度に依存して水蒸気透過性が3桁も変化する現象を得ている。本年度の検討により、それが主に膜中の水分子拡散性の起因していることが明らかになった。この興味深い現象に対しミクロな観点から追究するため、膜中の水分子状態解析を可能とする装置の作製に従事している。この研究完遂のための研究期間延長を申請するものである。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
膜中の水分子状態解析を可能とする装置として、FT-IRのチャンバー内を恒温恒湿に保持する治具の作製を行う。具体的にはチャンバーの設計と作製に加えて、精密加湿装置及び温度調整器が必要となる。リニアポリマー固定膜を作製、解析を行うための試薬・器具・ガスボンベ等の消耗品代、また研究成果を発表するための学会発表・国際論文の校正等に研究費を使用する予定としている。
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