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2021 年度 実績報告書

高耐熱・高強度スーパーエンプラナノファイバーを作る

研究課題

研究課題/領域番号 19H00831
研究機関慶應義塾大学

研究代表者

堀田 篤  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (30407142)

研究分担者 前田 知貴  茨城大学, フロンティア応用原子科学研究センター, 助教 (00754730)
研究期間 (年度) 2019-04-01 – 2024-03-31
キーワードスーパーエンジニアリングプラスチック / ナノファイバー / 複合材料 / 耐熱性 / 表面改質
研究実績の概要

本研究では、ポリマー材料の中でも高耐熱性かつ高強度であるスーパーエンジニアリングプラスチック(スーパーエンプラ)に着目し、そのナノファイバー化に向けた基盤研究を実施している。具体的な研究内容は、耐熱温度が高く、ナノファイバー直径が小さく、弾性率が高いスーパーエンプラナノファイバー(SEnF)を作製することである。
当該年度では、昨年度に引き続き、スーパーエンプラの1つであるポリエーテルエーテルケトン(PEEK)に着目し、PEEKからスルホン化PEEK(SPEEK)への化学改質、エレクトロスピニング(ES)法によるSPEEKのナノファイバー化、SPEEKからPEEKナノファイバーへの脱スルホン化、の3つのステップで、PEEKもしくはその誘導体のナノファイバー化を試みた。
はじめに、PEEKを濃硫酸中で加熱撹拌することで、PEEKからSPEEKへの化学改質を施した。加熱攪拌において、温度、時間を適切に制御することで、スルホン化度を制御できた。その結果として、スルホン化度を制御したSPEEKは、汎用性溶媒に溶解することがわかった。
つづいて、汎用性溶媒を用いてSPEEKのナノファイバー化を実施した。ジメチルホルムアミド(DMF)にSPEEKを溶解したSPEEK/DMF溶液を用いて、ES法によるナノファイバー化に取り組んだ結果、平均直径で約30 nmのSPEEKナノファイバーが得られた。
最後に、リン酸中で加熱処理することで、SPEEKからPEEKナノファイバーを再生(脱スルホン化)した。脱スルホン化により、スルホン化度が約20%減少し、熱重量減少温度が約80℃向上したことから、部分的にではあるがPEEKナノファイバーが出来ていることがわかった。
以上より、スーパーエンプラの1つであるPEEKおよびその誘導体のSPEEKにおいて、平均直径400 nm以下のナノファイバーを作製できた。

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

スーパーエンプラの中でも特に高い耐熱性(融点:340℃)と機械的強度(弾性率:3.5 GPa)を有するポリエーテルエーテルケトン(PEEK)のナノファイバーをエレクトロスピニング(ES)法によって作製するにあたり、研究計画目標においては、より多量に、そして、より無害な溶媒を用いて作製できるかを見極める、としていた。そこで、(1)PEEKからスルホン化PEEK(SPEEK)への化学的改質(スルホン化)、(2)ES法によるSPEEKのナノファイバー化、(3)SPEEKナノファイバーからPEEKナノファイバーへの再生(脱スルホン化)、の3つのステップで研究を実施してきた。より具体的には、(1)濃硫酸中での加熱撹拌条件の制御により、スルホン化度を制御したSPEEKを作製し、(2)汎用性溶媒を用いて溶液粘度が異なるSPEEK溶液を作製し、ES法におけるナノファイバー作製条件(溶液濃度、溶液流量、電極間距離、印加電圧など)を最適化し、(3)リン酸中での加熱処理条件の最適化により、再生条件を決定することができた。その結果、平均直径で約30 nmのSPEEKナノファイバーが得られた。また、再生したPEEKナノファイバーでは、熱重量減少温度が約340℃に達した。このことより、スーパーエンプラのPEEKおよびその誘導体のSPEEKにおいて、平均直径400 nm以下のナノファイバーを作製することができた。この化学的改質と再生をともなうPEEKのナノファイバー化に関する知見は、他のスーパーエンプラにも適用できる可能性が高く、各種スーパーエンプラナノファイバー(SEnF)作製の実現可能性を高められたといえる。以上より、スーパーエンプラの特に高い耐熱性と機械的強度を有するPEEKにおいて、そのナノファイバー化を達成したことで、SEnF作製およびその応用検討に向けて、おおむね順調に進展していると考える。

今後の研究の推進方策

スーパーエンプラの中でも特に高い耐熱性(融点 340°C)、機械的強度(弾性率 3.5 GPa)を有するポリエーテルエーテルケトン(PEEK)に加えて、さらに高い耐熱性(融点 373°C)、機械的強度(弾性率 3.4 GPa)を有するポリエーテルケトン(PEK)のナノファイバーを、エレクトロスピニング(ES)法により作製することを目指す。また、PEEKおよびPEKが有する高い耐熱性と機械強度を維持しながら、化学的改質のためのプロセスを必要とせずに溶液化してナノファイバーを作製するアプローチを模索する。具体的には、(1)PEEKおよびPEKの溶液作製、(2)ES法によるPEEKおよびPEKのナノファイバー化、(3)PEEKおよびPEKナノファイバーの物性評価、という流れで研究を進める予定である。(1)の溶液作製では、フッ素系溶媒を用いて溶解度および溶媒-ポリマー分子間の反応性をみる。溶媒-ポリマー間反応の有無をみるには、溶液化前後におけるPEEKおよびPEKの化学構造を分析する。(2)のES法によるナノファイバー化では、PEEK溶液およびPEK溶液を作製し、(1)で決定した溶解度の範囲内で溶液濃度を変化させ、粘度を調整し、ES法を実施する。ES法においては、ES装置の装置条件(印加電圧、溶液流量、電極間距離等)を最適化する。(3)のPEEKおよびPEKナノファイバーの物性評価においては、特に熱物性に着目し、ナノファイバー形状のPEEKおよびPEKのガラス転移温度、融点、熱重量減少温度を分析する。あわせて、融解吸熱量から結晶化度を算出し、より詳細な微細構造にせまる。さらに可能であれば、PEEKおよびPEKナノファイバーを用いたナノフィルターやナノ複合材料の作製方法と応用性を検討する。

  • 研究成果

    (16件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (7件) (うち査読あり 7件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 4件) 図書 (1件)

  • [雑誌論文] Morphology and mechanical property of quenched poly(L-lactide)/N,N-dimethylacetamide gels2022

    • 著者名/発表者名
      Inukai Shunya, Kurokawa Naruki, Endo Fuyuaki, Maeda Tomoki, Hotta Atsushi
    • 雑誌名

      Polymer

      巻: 242 ページ: 124581

    • DOI

      10.1016/j.polymer.2022.124581

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Highly-toughened and dimensionally-stable TEMPO cellulose nanofiber/bio-PBSA nanocomposites fabricated via Pickering emulsion process2022

    • 著者名/発表者名
      Kurokawa Naruki, Matsumoto Kei, Hotta Atsushi
    • 雑誌名

      Composites Science and Technology

      巻: 223 ページ: 109402

    • DOI

      10.1016/j.compscitech.2022.109402

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thermoset poly(2-methoxyethyl acrylate)-based polyurethane synthesized by RAFT polymerization and polyaddition2022

    • 著者名/発表者名
      Tazawa Shunsuke, Maeda Tomoki, Hotta Atsushi
    • 雑誌名

      Materials Chemistry and Physics

      巻: 278 ページ: 125649

    • DOI

      10.1016/j.matchemphys.2021.125649

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thermogelling nanocomposite hydrogel: PLGA molecular weight in PLGA-b-PEG-b-PLGA affecting the thermogelling behavior2022

    • 著者名/発表者名
      Maeda Tomoki, Tanimoto Keishi, Hotta Atsushi
    • 雑誌名

      Macromolecular Chemistry and Physics

      巻: 223 ページ: 21000316

    • DOI

      10.1002/macp.202100316

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Antithrombogenic poly(2-methoxyethyl acrylate) elastomer via triblock copolymerization with poly(methyl methacrylate)2021

    • 著者名/発表者名
      Kurokawa Naruki, Endo Fuyuaki, Bito Kenta, Maeda Tomoki, Hotta Atsushi
    • 雑誌名

      Polymer

      巻: 228 ページ: 123876

    • DOI

      10.1016/j.polymer.2021.123876

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Mechanical Property of polypropylene gels associated with that of molten polypropylenes2021

    • 著者名/発表者名
      Ouchi Tetsu, Yamazaki Misuzu, Maeda Tomoki, Hotta Atsushi
    • 雑誌名

      Gels

      巻: 7 ページ: 99

    • DOI

      10.3390/gels7030099

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Controlling the switching temperature of biodegradable shape memory polymers composed of stereocomplex polylactide / poly (D,L-lactide-co-ε-caprolactone) blends2021

    • 著者名/発表者名
      Hashimoto Kenta, Kurokawa Naruki, Hotta Atsushi
    • 雑誌名

      Polymer

      巻: 233 ページ: 124190

    • DOI

      10.1016/j.polymer.2021.124190

    • 査読あり
  • [学会発表] 溶媒最適化したエレクトロスピニング法により作製したスーパーエンプラのポリアリレートナノファイバ2022

    • 著者名/発表者名
      岡田成生、堀田篤
    • 学会等名
      第61回学生員卒業研究発表講演会
  • [学会発表] エレクトロスピニング法で作製したスーパーエンプラのポリエーテルエーテルケトンナノファイバ2022

    • 著者名/発表者名
      横木友哉、堀田篤
    • 学会等名
      第61回学生員卒業研究発表講演会
  • [学会発表] カチオン基の末端を有する分子量を制御したポリスチレンの抗菌性2022

    • 著者名/発表者名
      石塚駿介、堀田篤
    • 学会等名
      第61回学生員卒業研究発表講演会
  • [学会発表] Mechanical and thermal properties of TEMPO-oxidized cellulose nanofibers/cyclo-olefin polymer nanocomposites fabricated via Pickering emulsion process2022

    • 著者名/発表者名
      Matsumoto Kei, Kurokawa Naruki, Hotta Atsushi
    • 学会等名
      ACS SPRING 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] Highly transparent and thermally stable cyclo-olefin polymer nanocomposites with TEMPO-oxidized cellulose nanofibers2022

    • 著者名/発表者名
      Matsumoto Kei, Kurokawa Naruki, Hotta Atsushi
    • 学会等名
      ACS SPRING 2022
    • 国際学会
  • [学会発表] sPPゲルの作製とその乾燥ゲルの構造と吸油性2021

    • 著者名/発表者名
      前田知貴、堀田篤
    • 学会等名
      次世代ポリオレフィン総合研究会
  • [学会発表] Thermosetting and mechanaical property of poly(2-methoxyethyl acrylate)-based polyurethane synthesized by RAFT polymerization and polyaddition2021

    • 著者名/発表者名
      Tazawa Shunsuke, Maeda Tomoki, Hotta Atsushi
    • 学会等名
      2021 MRS Fall Meeting & Exhibit
    • 国際学会
  • [学会発表] Thermoplastic poly(2-methoxyethyl acrylate)-based polyurethane and its antithrombogenicity2021

    • 著者名/発表者名
      Tazawa Shunsuke, Maeda Tomoki, Nakayama Masamitsu, Hotta Atsushi
    • 学会等名
      2021 MRS Fall Meeting & Exhibit
    • 国際学会
  • [図書] 次世代ポリオフィレン総合研究 Vol.142021

    • 著者名/発表者名
      前田知貴、堀田篤
    • 総ページ数
      5
    • 出版者
      三恵社
    • ISBN
      978-4-86693-568-3

URL: 

公開日: 2022-12-28  

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