| 研究課題/領域番号 |
18K05088
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| 研究機関 | 首都大学東京 |
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研究代表者 |
西藪 隆平 首都大学東京, 都市環境科学研究科, 助教 (00432865)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | ボロン酸 / インク / コーティング / ポリビニルアルコール / 超分子 / 表面修飾 / 親水化 / 表面機能化 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では任意の素材からなる固体材料の表面を簡便に機能化できる手法を開発した。具体的には、合成高分子のひとつであるポリビニルアルコール(PVA)系コーティング剤を用いて任意の素材からなる固体材料の表面をコーティングし、ボロン酸基をアンカー部位に持つ機能性分子を用いてコーティング膜表面に化学修飾を施した。
親水性高分子であるPVAは水や有機溶媒に可溶であるため、各種溶剤に安定な膜を形成できる架橋剤の探索をおこなった。添加剤を用いることなくPVAを室温で架橋できるとともに、水に溶解しない複合体を与えるジボロン酸を架橋剤として採用した。コーティング剤となる溶液状態で架橋反応を抑制できる条件を種々検討した。その結果、PVAと架橋剤とを含むエタノール溶液に水を添加することで、溶液中での架橋反応が速度論的に抑制されることを見出した。また、PVAの濃度、ジボロン酸の濃度およびエタノールと水との割合比などを種々検討するすることで、溶液状態では架橋反応が進行せずコーティング剤として長期の保存が可能でありながら、溶媒が蒸発すると安定なPVA架橋膜が形成される条件を見出した。得られた溶液をコーティング剤として用いることで、ポリスチレンやポリエチレンといった各種樹脂やガラス、銅、ステンレスの基板をPVA架橋膜で安定に被膜でき、さらに、ろ紙やガラスファイバーといった複雑な形状を持つ材料もディップ法により簡便にコーティングできた。樹脂基板やガラス基板、ろ紙などを、当該PVAコーティング剤で処理した後、色素分子にボロン酸基を導入した化学修飾剤のエタノール溶液に浸漬したところ、当該化学修飾剤の有意な結合が認められた。
これらの結果から、固体材料表面にPVAをコーティングし、ボロン酸基を持つ分子でその表面を化学修飾することで、様々な素材や形状の固体材料を簡便に機能化できることがわかった。
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| 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
固体の表面は物質変換や分離，吸着，情報変換など多くの現象の中心的な役割を担うため、材料表面を機能化する手法の開発は重要である。なかでも化学修飾剤を用いた固体表面の機能化は、有機合成化学的手法にもとづいた化学修飾剤の機能制御が可能であるため、所望の機能をもつ材料を導くうえで極めて有用な手法となる。化学修飾剤の合成は、固体表面と共有結合できるアンカー部位を目的の機能分子に導入することでおこなわれるが、この場合、対象となる材料の素材に応じてアンカー部位を別途準備することになる。よって、さまざまな固体材料の表面を機能化するためには、その都度、目的にあったアンカー部位を機能性分子に導入する必要がある。このような背景において、本研究では、ボロン酸基をアンカー部位にもつ化合物を化学修飾剤して用いることで、任意の素材からなる材料表面を簡便に化学修飾できる手法の開発に成功した。
また、本研究で開発されたポリビニルアルコール（PVA）溶液は、固体材料を親水化するためのコーティング剤として高い実用性を持つことがわかった。PVAは水溶性の合成高分子で、高い透明性や化学的安定性、生体適合性を持つため、PVA系コーティング剤は、親水性だけではなく、防曇性や防汚性、生体適合性など様々な機能特性を固体表面に付与できる。しかしながらPVAは水溶性であるため、コーティング剤として用いるためには架橋による不溶化処理が必要となるが、架橋反応は溶液状態でも進行するためコーティング剤としての使用が難しく、その実用性は低い。本研究では、ボロン酸を架橋剤として用いることで、水が架橋反応の速度論的な阻害剤としてはたくことを利用して、その水が蒸発することで架橋反応が進行するPVAコーティング剤を新たに開発した。当該コーティング剤を用いることで、様々な素材の固体材料表面を簡便に親水化できた。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究で開発された固体材料表面機能化法にもとづく機能性材料の開発と当該研究課題の遂行過程で開発された親水化コーティング剤から作製されるコーティング膜の物性調査およびその応用可能性の検討をおこなう。
固体材料表面機能化法にもとづく機能性材料の開発では、水中に存在する重金属イオンを比色検出できる試験片の作製をおこなう。試験紙に代表される試験片の多くは、溶液の性質を調べるための試薬を紙などの母材に染みこませることで作製されるため、溶液中への試薬の漏出が懸念される。ボロン酸をアンカー部位に持つ化学修飾剤はポリビニルアルコール（PVA）と共有結合できるため、ボロン酸基をもつ比色試薬を合成し、PVAで被膜した材料表面に固定化することで安定な試験片の作製が可能となる。本研究では、種々の重金属イオンと結合して比色応答を示すアゾ化合物にボロン酸基を導入した分子を化学修飾剤として合成する。ガラス基板や樹脂基板、ろ紙など様々な素材および形状の材料にPVAコーティングを施した母材に、当該化合物を化学修飾することで試験片を作製し、種々の金属イオンに対する比色応答性を紫外可視分光法により検出することで試験片としての性能評価をおこなう。
また、当該研究課題の遂行過程で開発されたPVA系コーティング剤から作製される膜の物性調査をおこなう。当該コーティング剤の主成分であるPVAは分子量やけん化度に依存して固体および溶液物性が大きく変化するため、コーティング剤として用いるPVAの分子量やけん化度に依存して異なる物性を持つ膜が得られるものと予想される。そこで、分子量やけん化度が異なる種々のPVAを用いてコーティング膜を作製し、その溶解性や防曇性、防汚性、生体適合性を調査するとともに、その膜特性を生かした応用可能性を検討する。
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