| 研究課題/領域番号 |
19K05594
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| 研究機関 | 群馬大学 |
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研究代表者 |
武野 宏之 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (70302453)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | ナノファイバー / コンポジットゲル / タフネス / アクチュエーター |
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| 研究実績の概要 |
セルロースナノファイバー(CNF)/ポリビニルアルコール(PVA)コンポジットハイドロゲルの力学物性とその構造を調査した。CNF添加は力学強度の向上に優れた効果を与え、凍結融解法と架橋剤のホウ砂添加して作製したCNF/PVAコンポジットゲルは、延伸性と伸長強度両方に優れた力学特性を示した。放射光同時小角X線散乱(SAXS)/広角X線散乱(WAXS)法およびフーリエ変換赤外分光(FTIR)法を用いてコンポジットゲルの構造を調査した結果、このゲルは、PVA間同士の水素結合、CNFとPVA間の水素結合、CNF、PVAとホウ砂のコンプレックス、PVA結晶の多重架橋から成り、また、優れた延伸性は、ホウ砂添加によりゲル構造の不均一性が抑えられたことによることが明らかとなった。これらの結果は、以前の研究で示した、クレイ/高分子コンポジットゲルにおける力学的タフネスに必要な３つのキーファクター（１．フィラーの分散、２．フィラーと高分子の相互作用、３．超高分子量の使用）のうち、少なくとも１．と２．の2つのファクターはCNF/PVAコンポジットゲルに対しても同様に重要であることを示す。また、このゲルのCNFのファイバー長の効果を調べた結果、長いファイバー長のCNFを用いた場合は、伸長弾性率(ヤング率)の増大に大いに寄与し、短いファイバー長のCNFを用いた場合は、1000%以上の伸長度を示した。このように、CNFのファイバー長を変えることにより、コンポジットゲルの力学特性をコントロールできることが分かった。さらに、このゲルは自己回復性にも優れた特性を有することが明らかとなった。
イオン液体を溶媒にした高強度なCNF/ポリマーイオンゲルの開発に成功し、このイオンゲルの両端に電極を挟むことによって3層型アクチュエーターを作製した。このイオンアクチュエーターに対する電気応答性を確認した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究の取り組むべき課題は、力学的特性に優れたナノファイバーコンポジットゲルの作製および、そのタフネス機構を明らかにすること、また、その応用としてアクチュエーター作製に取り組み、その挙動を明らかにすることである。研究初年度の成果として、力学特性（高強度、高伸長性）に優れたセルロースナノファイバーコンポジットハイドロゲルの作製に成功した。また、そのコンポジットゲルに対して、構成要素間の相互作用、そのおよびゲルの構造を明らかにし、ゲルのタフネス機構について明らかにすることができた。また、力学物性におけるファイバー長の効果に関する知見を得ることができた。さらに、溶媒としてイオン液体を用いた、高強度なイオンゲルの開発にも成功し、そのアクチュエーター挙動の調査にも取り組んでいる。これらの結果が初年度から得られたという点において、本研究はおおむね順調に進展していると考える。
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| 今後の研究の推進方策 |
コンポジットゲルにおける力学的タフネスに必要な３つのキーファクター（１．フィラーの分散、２．フィラーと高分子の相互作用、３．超高分子量の使用）において、まだ調査を行っていない、高分子の分子量効果について調査する。さらに、セルロースナノファイバーだけでなく、キトサンナノファイバーなど、他のバイオベースナノファイバーを用いて、力学特性に優れたコンポジットゲルの開発、その構造と力学特性の相関関係を調査する。これらの調査に基づいて、ナノファイバーコンポジットゲルにおける優れた力学特性のメカニズム解明に取り組む。また、今年度開発した高強度イオンゲルに対しては、このゲルの高強度化のメカニズムについて明らかとなっていない。そこで、イオンゲルの構造やファイバーと高分子間、あるいはファイバーと溶媒間、高分子と溶媒間の相互作用を調査することでコンポジットイオンゲルの高強度メカニズムに関する知見を得る。また、アクチュエーターとしての応用を検討するために、ゲルの両端に電極を挟んだ3層型アクチュエーターに対して、電場屈曲性における電圧依存性や周波数依存性を調査し、その駆動メカニズムを解明する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
3月に予定していた研究発表会が新型コロナ禍の影響で中止になったため、旅費が予定よりも減ったため。
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