電子メディエーターを用いたフッ素ポリマーの新規表面改質法の開発

研究課題

研究課題/領域番号	22K04728
研究種目	基盤研究(C)
配分区分	基金
応募区分	一般
審査区分	小区分26030:複合材料および界面関連
研究機関	福井大学 (2023) 九州大学 (2022)
研究代表者	石松亮一福井大学, 学術研究院工学系部門, 准教授 (90512781)
研究期間 (年度)	2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス	交付 (2023年度)
配分額 *注記	4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円) 2024年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円) 2023年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円) 2022年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
キーワード	ラジカルアニオン / 還元電位 / フッ素ポリマー / 酸化還元電位 / 分光電気化学
研究開始時の研究の概要	ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）に代表されるフッ素ポリマーは、比誘電率と誘電正接が極めて小さい材料であり、5G用の材料として非常に注目を集めている。しかしながら、その非接着性によって、金属との接合やポリマー中への分散が困難である。PTFEの表面改質には、一般に、取り扱いが難しい金属ナトリウムから調製される溶液が用いられている。本研究では、より安定性が高く、電気化学的に容易に生成できるラジカルアニオンを電子メディエーターとして用い、還元的にC-F結合を解離することによって表面改質を行う新たな手法の開発を目的としている。
研究実績の概要	ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）の表面に存在するフッ素は、電気化学的に、約－2 V vs SCE程度で還元脱離することが知られている。したがって、これより負に大きな還元電位を持つ有機化合物のラジカルアニオンを電極反応で生成し、これを電子メディエーターとして用いることによって、表面処理が可能である。PTFEの表面処理で一般的に用いられる金属ナトリウムを含む処理剤は負に還元電位が大きく（したがって非常に反応性が高く）、PTFEの表面処理は数秒で完了するが、処理時間の増加とともに表面粗さの増加や、処理層の剥離が起こる。そこで、よりマイルドな条件で行うことによって、表面処理をより精密に制御できると考えた。昨年度までに、－2.5 V vs Fc/Fc+程度（以下、電位はFc基準）の還元電位を持つピレンからピレンのラジカルアニオンをバルク電解で発生させ、これを電子メディエーターとして用いることによってPTFEの表面処理を行った。本年度は、処理速度の還元電位依存性をあきらかにするために、比較的安定なラジカルアニオンを与える、ビフェニル(-3.05 V)、p-ターフェニル(-2.8 V)、ナフタレン(-3.0 V)、アントラセン(-2.4 V)を用いて、PTFEの処理を行った。処理の程度は、水との接触角を測定することによって見積もった。結果として、すべての場合において、水との接触角は、処理によって110°→55°程度に減少した。負に大きな還元電位を持つビフェニル（10 mM）では、2分程度で、アントラセン（10 mM）では10分程度で水との接触角が55°程度となり、処理速度の還元電位依存性が確認された。SEMやXPSを用いた表面観察等も行い、金属スパッタや金属ナノ粒子との接合性についても検討を始めている段階である。
現在までの達成度 (区分)	現在までの達成度 (区分) 2: おおむね順調に進展している理由これまでに還元電位依存性について明らかにし、２年目から予定していたように、表面観察を行うことによって、処理によってどのような組成変化が起こるかや、金属材料との接合性について検討を行っている段階であり、研究はおおむね順調に進展している。
今後の研究の推進方策	様々な条件で得られた表面改質フッ素ポリマーに種々のポリマーを接合し、その接着強度を測定する。この際、PTFE以外のフッ素ポリマーについても検討を行う予定である。また、無電解メッキを行い、その接着強度を明らかにする。また、処理したフッ素ポリマーのナノ粒子を、種々のポリマーに分散させた後、誘電率や誘電正接などの測定を行う。また、表面処理によるフッ素の脱離によって、C=C結合の形成が示唆されている。二重結合の形成は導電性、帯電性に大きな影響を与えるので、これらについても測定を行う（帯電しやすいフッ素ポリマーはスパークなどの問題を引き起こす）。一般的な金属ナトリウムを使った化学処理法の特性とも比較を行う。