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2021 年度 実績報告書

先端アクアプラズマプロセスによる環動高分子を用いた革新的タフコンポジットの創製

研究課題

研究課題/領域番号 21H04450
研究機関東京大学

研究代表者

寺嶋 和夫  東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (30176911)

研究期間 (年度) 2021-04-05 – 2025-03-31
キーワードアクアプロセス / プラズマプロセス / 複合材料 / タフコンポジット
研究実績の概要

初年度にあたる2021年度は、無機フィラー粒子として、高い熱伝導度を誇る窒化ボロン(BN)、グラーフェンなどを用いた、高い熱伝導性と強靭性を有した、高熱伝導性フレキシブル複合材料の開発を進め主に以下のような成果を収めた。
①プロセス開発・診断: コロイド系液中プラズマプロセスやキャビテーションバブル援用プラズマプロセスを用いた、無機フィラー粒子の表面処理を行い、それをフィラーとして用いたタフ複合材料(コンポジット)の創製に取り組んだ。特に、従来よりも低い包接する率で自由空間が大きい低包接率ポリロタキサンを母材として用いた複合材料の創製に成功した。また、プラズマ内部プロセスパラメータの把握のため、プラズマ反応場の診断に取り組み、各種のプロセスプラズマの電子密度や温度などのプラズマ分光診断測定を行った。
②表面処理を施した無機フィラー材料の評価: プラズマ表面処理後の無機フィラー粒子は、フーリエ変換赤外分光法(FT-IR)やX線光電分光分析(XPS)などにより結合状態を、X線回折(XRD)、原子間力顕微鏡(AFM)、透過型電子顕微鏡(TEM)、走査型透過電子顕微鏡(STEM)などを用いた構造観察を行った。特に、電子スピン共鳴(ESR)測定によるプラズマ処理による欠陥生成の精緻な解析に成功するとともに、ゼーター電位測定によるプラズマ処理の効果を解析し、複合材料内でのフィラーの分散性との相関を明らかにし、物性制御パラメーターとしての有効性を見出した。
③タフ複合材料(コンポジット)の構造と物性の評価: X線トモグラフィー法(X-CT)や走査電子顕微鏡(SEM)観察、により構造・組織評価を行い、力学測定(引張試験、破壊靭性測定)、プロセスとの相関を明らかにした。

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

初年度にあたる本年度は、従来の研究の深化(包接率を変えた母材高分子の利用やゼーター電位測定、ESR測定によるプラズマ処理による構造解析とその制御など)と共に、新たな実験に向けた実験システムの整備(レーザー誘起プラズマアクア合成に向けたシステムの整備など)、新しい実験手法(アコーステイックエミッション測定、その場SEM観察による破壊過程の動的測定法)の初期の試行実験が進むなど順調な進展を収めた。

今後の研究の推進方策

次年度以降は初年度の研究成果を踏まえ、引き続き無機フィラー粒子として、高い熱伝導度を誇る窒化ボロン(BN)、グラーフェンなどを用いた、高い熱伝導性と強靭性を有した、高熱伝導性フレキシブル複合材料の開発を以下のような方策で進める。
①プロセス開発・診断: コロイド系液中プラズマプロセスやキャビテーションバブル援用プラズマプロセスに加え、レーザー誘起アクアプラズマを用いた、無機フィラー粒子の表面処理を行い、それをフィラーとして用いたタフ複合材料(コンポジット)の創製に取り組む。特に、低い包接率で自由空間が大きい低包接率ポリロタキサンを母材として用いた複合材料の創製を進める。また、プラズマ内部プロセスパラメータの把握のためのプラズマ反応場の診断に取り組み、各種のプロセスプラズマの電子密度や温度などのプラズマ分光診断測定も引き続き進める。
②表面処理を施した無機フィラー材料の評価: プラズマ表面処理後の無機フィラー粒子は、フーリエ変換赤外分光法(FT-IR)やX線光電分光分析(XPS)などにより結合状態を、X線回折(XRD)、原子間力顕微鏡(AFM)、透過型電子顕微鏡(TEM)、走査型透過電子顕微鏡(STEM)などを用いた構造観察を進める。また、引き続き、電子スピン共鳴(ESR)測定による欠陥解析、ゼーター電位測定も重点的に進める
③タフ複合材料(コンポジット)の構造と物性の評価: X線トモグラフィー法(X-CT)や走査電子顕微鏡(SEM)観察、により構造・組織評価を行い、力学測定(引張試験、破壊靭性測定)、プロセスとの相関を明らかにする、また、破壊過程のアコーステイックエミッション測定、その場SEM観察による破壊過程の動的測定も本格的に進める。

  • 研究成果

    (9件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 2件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] Fabrication of polyrotaxane and graphene nanoplate composites with high thermal conductivities2021

    • 著者名/発表者名
      Iida Masaki、Goto Taku、Mayumi Koichi、Maeda Rina、Hatakeyama Kazuto、Ito Tsuyohito、Shimizu Yoshiki、Ito Kohzo、Hakuta Yukiya、Terashima Kazuo
    • 雑誌名

      Polymer Composites

      巻: 42 ページ: 5556~5563

    • DOI

      10.1002/pc.26246

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Boron nitride with high zeta potential via plasma processing in solution for preparation of polyrotaxane composite2021

    • 著者名/発表者名
      Inoue Kenichi、Goto Taku、Ito Tsuyohito、Shimizu Yoshiki、Hakuta Yukiya、Ito Kohzo、Terashima Kazuo
    • 雑誌名

      Journal of Physics D: Applied Physics

      巻: 54 ページ: 425202~425202

    • DOI

      10.1088/1361-6463/ac15d1

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Fabrication of flexible porous slide-ring polymer/carbon nanofiber composite elastomer by simultaneous freeze-casting and cross-linking reaction with dimethyl sulfoxide2021

    • 著者名/発表者名
      Goto Taku、Sakakibara Noritaka、Inoue Kenichi、Mayumi Koichi、Shimizu Yoshiki、Ito Tsuyohito、Ito Kohzo、Hakuta Yukiya、Terashima Kazuo
    • 雑誌名

      Composites Science and Technology

      巻: 215 ページ: 109028~109028

    • DOI

      10.1016/j.compscitech.2021.109028

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effect of movable crosslinking points on mechanical properties in composite materials of large amount of plasma-surface-modified boron nitride and slide-ring elastomer2021

    • 著者名/発表者名
      Goto Taku、Hidaka Yuta、Jiang Lan、Maeda Rina、Mayumi Koichi、Ito Tsuyohito、Shimizu Yoshiki、Ito Kohzo、Hakuta Yukiya、Terashima Kazuo
    • 雑誌名

      Composites Science and Technology

      巻: 216 ページ: 109036~109036

    • DOI

      10.1016/j.compscitech.2021.109036

    • 査読あり
  • [学会発表] Carbon Layer Formation on Boron Nitride via a Plasma in Hydroquinone Solution2022

    • 著者名/発表者名
      Kenichi Inoue, Noritaka Sakakibara, Taku Goto, Tsuyohito Ito, Yoshiki Shimizu, Kenji Ishikawa, Masaru Hori, and Kazuo Terashima
    • 学会等名
      14th International Symposium on Advanced Plasma Science (ISPlasma2022) and 15th International Conference on Plasma-Nano Technology & Science (IC-PLANTS2022)
    • 国際学会
  • [学会発表] 低包接率ポリロタキサンとプラズマ改質無機粒子からなる複合材料の創成2022

    • 著者名/発表者名
      高木 直人、井上 健一、安藤 翔太、眞弓 皓一、宗岡 均、清水 禎樹、伊藤 剛仁、伊藤 耕三、寺嶋 和夫
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会, 青山学院大学相模原キャンパス
  • [学会発表] 軟X線発光分光測定を用いたプラズマ表面改質カーボンナノチューブが水分子の電子状態に与える影響の解明2022

    • 著者名/発表者名
      榊原 教貴、井上 健一、高橋 史音、後藤 拓、伊藤 剛仁、赤田 圭史、宮脇 淳、伯田 幸也、寺嶋 和夫、原田 慈久
    • 学会等名
      第69回応用物理学会春季学術講演会, 青山学院大学相模原キャンパス
  • [学会発表] Boron Nitride Modified via Plasma Processing in Hydroquinone Solution for Preparation of Polyrotaxane Composite2021

    • 著者名/発表者名
      K. Inoue, T. Goto, T. Ito, Y. Shimizu, Y. Hakuta, K. Ito, and K. Terashima
    • 学会等名
      2021 MRS Fall Meeting and Exhibit, Boston (Virtual), December 7-9, EQ09.11.03
    • 国際学会
  • [学会発表] 金属並みの熱伝導性を備えたゴム複合材料2021

    • 著者名/発表者名
      寺嶋和夫
    • 学会等名
      第11回CSJ化学フェスタ
    • 招待講演

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公開日: 2022-12-28  

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