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2018 年度 実施状況報告書

有機架橋部を有するシリコーンエアロゲルの開発

研究課題

研究課題/領域番号 17K06015
研究機関京都大学

研究代表者

金森 主祥  京都大学, 理学研究科, 助教 (60452265)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2020-03-31
キーワードエアロゲル / 多孔体 / ゾルーゲル法 / 機械的物性
研究実績の概要

本研究課題は、ゾルーゲル法における前駆体分子の構造を変化させることで得られるゲルの諸物性を制御し、特に機械的強度や柔軟性に優れた透明・低密度多孔体(エアロゲル)を作製することを目的としている。
1年目には、ポリシロキサンネットワーク中における有機架橋部位の効果を調べるため、プロピルおよびブチル基を有する有機架橋アルコキシシラン化合物を合成し、それらを用いたゾルーゲル法によりエアロゲルの作製を目指した。また、あらかじめ重合したビニル基・アリル基をもつアルコキシシランポリマーを合成し、それを加水分解・重縮合させることで、機械的柔軟性の優れたエアロゲルが得られることを見出した。
2年目となる平成30年度は、前年度に得られたアルコキシシランポリマーからの加水分解・重縮合によるゲル合成プロセスを拡張し、様々なビニルシラン・アリルシランを用いた系について混合前駆体系も含め、得られるエアロゲルの多孔構造および諸物性を調べた。アルコキシシランとしては、1つのビニル基およびn個のアルコキシ基、3-n個のメチル基をもつもの(CH2=CH)(CH3)3-nSi(OR)n(すなわちn個のアルコキシ基を含むn官能性)とした。これらのアルコキシシランからゲル合成を試みたところ、3官能性、2官能性、1官能性、0官能性のものが利用できることが明らかとなった。シロキサン部位の架橋密度に応じて多孔構造および機械的物性が変化することが明らかとなった。また、このような系と導電性物質(グラフェンナノシート)との複合体の作製を行い、機械的な変形挙動と導電性との関係を調べた。機械的変形と導電性の変化の関係を利用することにより、ひずみセンサーとして機能することが明らかとなった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

ビニルシランおよびアリルシランを用いた、ラジカル重合と加水分解・重縮合反応からなるユニークなゲル合成法を確立し、0-3の様々な官能性をもつビニル・アリルシランが利用できることを実証した。これらの前駆体の組み合わせにより広範な範囲で細孔構造および機械的物性が制御できることを見出し、圧縮・曲げ変形に対して柔軟性の高いエアロゲルを数多く合成することができた。また、導電性物質を導入することで導電性を示す柔軟・低密度多孔体というユニークな材料を作製することができ、ひずみセンサーとしての応用も可能であることを実証した。
これらの成果は国内外の学会において発表し、有力国際誌上における論文発表およびプレスリリースも行った。このため、当初の計画以上に進展している、とした。

今後の研究の推進方策

最終年度となる平成31年度は、これまでに検討したビニル・アリルアルコキシシラン系をさらに拡張し、ビニル基・アリル基をもたないテトラアルコキシシランやメチルトリアルコキシシランを用いた共重合系を構築し、さらに透明かつ低密度であるエアロゲルの合成を目指す。これは、ビニル・アリルアルコキシシランそのものは立体障害により架橋構造を高度に発達させることが難しいと予想されるため、「架橋剤」としてはたらくことが見込めるアルコキシシランとの共重合系とすることで、より機械的物性の優れたエアロゲルを得られる可能性があるためである。これらの系においては特に、pHなどの合成条件をさらに詳しく検討することにより、異なるアルコキシシラン前駆体の反応速度や生じる微細構造の均一性を向上させることができ、透明で大変形可能なエアロゲルが得られる可能性がある。さらに、骨格の微細構造をより連続性の高い繊維状骨格とすることで機械的物性の向上が見込めるほか、セルロースナノファイバーなどの繊維状物質を導入することによる機械的物性の向上も見込める。
これらのエアロゲルは高圧下での超臨界乾燥によらない、常圧乾燥プロセスを適用できる可能性がある。このことは、エアロゲルの低コスト製造につながり、工業的にも有意義な知見となる。

次年度使用額が生じた理由

平成30年度は小スケールの合成実験をおもに行ったため、少量の試薬およびガラス器具等に対してのみ支出を行った。このため、繰越金が生じた。次年度は、合成スケールの拡張および試料の電子顕微鏡などによる構造解析・分析のため装置の導入も含めた検討を行う予定である。

  • 研究成果

    (24件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (20件) (うち国際学会 10件、 招待講演 6件)

  • [国際共同研究] 同済大学(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      同済大学
  • [雑誌論文] Hybrid silicone aerogels toward unusual flexibility, functionality and extended applications2019

    • 著者名/発表者名
      Kazuyoshi KANAMORI*, Ryota UEOKA, Takayuki KAKEGAWA, Taiyo SHIMIZU, Kazuki NAKANISHI
    • 雑誌名

      Journal of Sol-Gel Science and Technology

      巻: 89 ページ: 166-175

    • DOI

      10.1007/s10971-018-4804-x

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Superflexible multifunctional polyvinylpolydimethylsiloxane-based aerogels as efficient absorbents, thermal superinsulators, and strain sensors2018

    • 著者名/発表者名
      Guoqing ZU*, Kazuyoshi KANAMORI*, Ayaka MAENO, Hironori KAJI, Kazuki NAKANISHI
    • 雑誌名

      Angewandte Chemie International Edition

      巻: 57 ページ: 9722-9727

    • DOI

      10.1002/anie.201804559

    • 査読あり
  • [雑誌論文] シリコーン系ネットワーク制御に基づく低密度ナノ多孔体の作製と機械的物性2018

    • 著者名/発表者名
      金森主祥
    • 雑誌名

      C&I Commun(コロイドおよび界面化学部会ニュースレター)

      巻: 43 ページ: 12-14

    • 査読あり
  • [学会発表] Highly transparent and flexible organic-inorganic hybrid aerogels: Synthesis and mechanical properties2019

    • 著者名/発表者名
      Ryota UEOKA*, Kazuyoshi KANAMORI, Kazuki NAKANISHI
    • 学会等名
      6th International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Preparation of flexible polysiloxane porous materials in non-aqueous condition and their characterizations2019

    • 著者名/発表者名
      Rikuo SHIGETAKE, Kazuyoshi KANAMORI*, Kazuki NAKANISHI
    • 学会等名
      6th International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] Preparation of colorless and transparent organic polymer aerogel by non-aqueous sol-gel process2019

    • 著者名/発表者名
      Yuki NAKANISHI*, Kazuyoshi KANAMORI, Kazuki NAKANISHI
    • 学会等名
      6th International Conference on Multifunctional, Hybrid and Nanomaterials 2019
    • 国際学会
  • [学会発表] ポリシロキサン系におけるネットワーク構造設計:低密度多孔体作製のための指針2019

    • 著者名/発表者名
      金森主祥
    • 学会等名
      第57回セラミックス基礎科学討論会
    • 招待講演
  • [学会発表] Transparent, superflexible doubly cross-linked polyvinylpolymethylsiloxane aerogels and xerogels for superinsulation2018

    • 著者名/発表者名
      Kazuki NAKANISHI*, Kazuyoshi KANAMORI, Guoqing ZU, Ryota UEOKA, Jun SHEN
    • 学会等名
      30th Symposium and Annual Meeting of the International Society for Ceramics in Medicine
    • 国際学会
  • [学会発表] 有機ポリシロキサン系エアロゲル:ネットワークの設計指針と柔軟性の発現2018

    • 著者名/発表者名
      金森主祥*
    • 学会等名
      第22回ケイ素化学協会シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] 力学強度が飛躍的に向上 有機-無機ハイブリッドによるエアロゲル創製と特性・応用展望2018

    • 著者名/発表者名
      金森主祥*
    • 学会等名
      サイエンス&テクノロジーセミナー「エアロゲルのブレークスルーと エアロゲル粒子の産業展開」
    • 招待講演
  • [学会発表] mprovement of structural/mechanical properties of low density hybrid gels based on siloxane and hydrocarbon crosslinks2018

    • 著者名/発表者名
      Kazuki NAKANISHI*, Kazuyoshi KANAMORI, Guoqing ZU, Taiyo SHIMIZU, Masayuki KURITA
    • 学会等名
      Aerogel Seminar 2018
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Transparent, highly flexible doubly cross-linked polyvinylpolymethylsiloxane aerogel superinsulators2018

    • 著者名/発表者名
      Guoqing ZU*, Taiyo SHIMIZU, Kazuyoshi KANAMORI, Jun SHEN, Kazuki NAKANISHI
    • 学会等名
      Aerogel Seminar 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] Transparent, superflexible doubly crosslinked polyvinylpolymethylsiloxane aerogels and xerogels for superinsulators2018

    • 著者名/発表者名
      Guoqing ZU, Kazuyoshi KANAMORI*, Jun SHEN, Kazuki NAKANISHI
    • 学会等名
      ICG Annual Meeting 2018
    • 国際学会
  • [学会発表] 「有機アルコキシシランを用いた柔軟エアロゲルの作製と応用2018

    • 著者名/発表者名
      金森主祥*
    • 学会等名
      日本セラミックス協会第31回秋季シンポジウム
    • 招待講演
  • [学会発表] メチルトリエトキシシランを出発物質とする透明エアロゲルの新規作製手法の検討2018

    • 著者名/発表者名
      上岡良太*・金森主祥・中西和樹
    • 学会等名
      日本セラミックス協会第31回秋季シンポジウム
  • [学会発表] 互いに架橋した長鎖炭化水素とポリシロキサンネットワークからなる エアロゲルの作製と物性評価2018

    • 著者名/発表者名
      栗田将行・祖国慶・金森主祥*・中西和樹
    • 学会等名
      日本セラミックス協会第31回秋季シンポジウム
  • [学会発表] 強塩基触媒を用いたポリメチルシセスキオキサンエアロゲルの新規作製手法の検討2018

    • 著者名/発表者名
      上岡良太*・金森主祥・中西和樹
    • 学会等名
      日本ゾル-ゲル学会第16回討論会
  • [学会発表] 互いに架橋 した長鎖炭化水素とポリシロキサンネットワークからなるエアロゲルの作製と物性評価2018

    • 著者名/発表者名
      栗田将行・祖国慶・金森主祥・中西和樹
    • 学会等名
      日本ゾル-ゲル学会第16回討論会
  • [学会発表] 非水溶液系における柔軟なポリシロキサン多孔体の作製と物性評価2018

    • 著者名/発表者名
      繁竹陸生*・金森主祥・中西和樹
    • 学会等名
      日本ゾル-ゲル学会第16回討論会
  • [学会発表] 非水系ゾル-ゲル法による機械的強度の高い無色透明有機ポリマーエアロゲルの作製2018

    • 著者名/発表者名
      中西祐樹*・金森主祥・中西和樹
    • 学会等名
      日本ゾル-ゲル学会第16回討論会
  • [学会発表] Organic-inorganic hybrid aerogels and xerogels with high strength and flexibility2018

    • 著者名/発表者名
      Kazuyoshi KANAMORI*
    • 学会等名
      14th International Ceramics Congress
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Preparation of polymethylsilsesquioxane aerogels with improved strength using strong base catalyst2018

    • 著者名/発表者名
      Ryota UEOKA*, Kazuyoshi KANAMORI, Kazuki NAKANISHI
    • 学会等名
      14th International Ceramics Congress
    • 国際学会
  • [学会発表] Preparation of polyvinylpolymethylsiloxane aerogels with high bending strength and flexibility2018

    • 著者名/発表者名
      Masayuki KURITA*, Guoqing ZU, Kazuyoshi KANAMORI, Kazuki NAKANISHI
    • 学会等名
      14th International Ceramics Congress
    • 国際学会

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公開日: 2019-12-27  

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