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2021 年度 実績報告書

重水素化ポリマを活用した多成分系ナノ複合材料の精密構造解析技術の開発

研究課題

研究課題/領域番号 20H02023
配分区分補助金
研究機関茨城大学

研究代表者

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)

研究分担者 堀田 篤  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (30407142)
研究期間 (年度) 2020-04-01 – 2025-03-31
キーワード重水素化ポリマ / ナノ複合材料 / 中性子散乱 / 構造解析
研究実績の概要

本研究では、ポリマ分子鎖内の水素(H)を重水素(D)に置換した重水素化ポリマに着目し、中性子散乱におけるコントラストの制御により、多成分系ナノ複合材料の構造解析の実現に向けた基盤研究を実施している。具体的な研究内容は、ポリマ分子鎖内のHをDに置換した重水素化ポリマを合成し、この重水素化ポリマを用いてナノ複合材料を作製し、中性子散乱による構造解析を実施することである。
当該年度においては、重水素化率(DとHの総数に対するDの割合)が制御された重水素化ポリマ(Dポリマ)の合成、中性子散乱測定、溶媒への溶解性評価を実施した。
はじめに、H/D交換反応によりDモノマを合成し、このDモノマとHモノマを混合し、重合することで、重水素化率が制御されたDポリマを合成した。結果として、合成したDモノマのD量にもとづき、DモノマとHモノマの混合比を制御することで、重水素化率が制御されたDポリマが得られた。
つづいて、最も単純な構造のポリマーであるポリエチレン(PE)に着目し、PEと同一の構造を有する低分子化合物に対して、H/D交換反応を実施した。低分子化合物には、より分子量が大きく、常温で固体である、ヘキサトリアコンタンを用いた。結果として、水素圧力、反応時間を制御することで、重水素化率が制御された低分子化合物が得られた。
最後に、重水素化率が制御されたDポリマおよび低分子化合物の中性子散乱測定、溶解性評価を実施した。中性子散乱測定では、Hの数密度に比例する非干渉性散乱の強度が重水素化率に応じて変化すること、Dの導入に起因する干渉性散乱が生じないことが確認された。また、溶媒への溶解性評価では、DポリマとHポリマに顕著な差がないことが確認された。以上より、重水素化率が制御されたDポリマの合成技術を確立するとともに、ナノ複合材料の作製、中性子散乱による構造解析を見据えた基礎データを取得することができた。

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

ポリマ分子鎖内の軽水素(H)を重水素(D)に置換した重水素化ポリマを合成し、この重水素化ポリマを用いてナノ複合材料を作製し、中性子散乱による構造解析を実施するにあたり、研究計画目標においては、重水素化率が制御された重水素化ポリマ(Dポリマ)を合成し、ナノ複合材料の作製および中性子散乱による構造解析を見据えた基礎データを取得する、としていた。そこで、H/D交換反応により、(1)HモノマをDモノマに変換する方法、および(2)HポリマをDポリマに変換する方法、の2つの方法により、重水素化率が制御されたDポリマを合成し、このDポリマ単体の中性子散乱測定、溶媒への溶解性評価を実施してきた。その結果、方法(1)では、合成したDモノマのD量にもとづき、DモノマとHモノマの混合比を制御することにより、重水素化率が制御されたDポリマが得られた。また、方法(2)では、水素圧力、反応時間を制御することにより、重水素化率が制御された低分子化合物が得られた。このことより、本研究の3要素(「重水素化ポリマの合成」、「ナノ複合材料の作製」、「中性子散乱による構造解析」)のうちの1つである「重水素化ポリマの合成」に関する技術を確立することができた。この技術確立により、残りの2要素「ナノ複合材料の作製」および「中性子散乱による構造解析」の実現可能性が高まったといえる。以上より、重水素化率が制御されたDポリマの合成技術の確立により、重水素化ポリマを活用した多成分系ナノ複合材料の構造解析に向けて、おおむね順調に進展していると考えている。

今後の研究の推進方策

ナノ複合材料の作製および中性子散乱による構造解析を見据えて、昨年度に引き続き、重水素化率が制御された重水素化ポリマ(Dポリマ)の種類の拡充を目指す。具体的には、分子鎖内の軽水素(H)を重水素(D)に交換する反応(H/D交換反応)またはエステル交換反応により、重水素化率が制御されたDポリマを合成し、合成したDポリマ単体の中性子散乱測定や物性評価を実施することで、Dポリマを活用したナノ複合材料の構造解析において必要となる基礎データを取得する予定である。重水素化率が制御されたDポリマの合成では、(1)H/D交換反応により、HモノマをDモノマに変換し、これらのモノマを重合する方法、(2)H/D交換反応により、HポリマをDポリマに変換する方法、(3)エステル交換反応により、HポリマをDポリマに変換する方法、の3つの方法を用いる。方法(1)では、HモノマからDモノマを合成する。このDモノマとHモノマを混合し、重合することで、重水素化率が制御されたDポリマを合成する。方法(2)では、HポリマからDポリマを合成する。方法(3)では、エステル基を側鎖に有する汎用性高分子に着目し、重水素化アルコールを用いて、エステル交換反応により、HポリマからDポリマを合成する。Dポリマ単体の中性子散乱測定では、Hの数密度に比例する非干渉性散乱の強度に着目し、重水素化率を評価するとともに、重水素の導入に起因する干渉性散乱の有無を評価する。Dポリマ単体の物性評価では、熱物性の評価、力学物性の評価、溶媒への溶解性の評価を実施する。さらに可能であれば、Dポリマを用いたナノ複合材料の作製に向けて、その作製条件を検討する。

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2022 2021

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (6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] 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
  • [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] PEG-rich triblock copolymers with PLGA end-blocks for thermogelling and degradable nanocomposite hydrogels2021

    • 著者名/発表者名
      Maeda Tomoki, Koizumi Satoshi, Hotta Atsushi
    • 学会等名
      第70回高分子討論会
  • [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
  • [学会発表] Degradable nanocomposite hydrogel: thermoresponsive gelation and controlled degradation2021

    • 著者名/発表者名
      Maeda Tomoki
    • 学会等名
      Pacifichem 2021
    • 国際学会
  • [学会発表] PEG-rich polymeric surfactants with poly(D,L-lactide-co-glycolide) (PLGA) blocks for thermoresponsive nanocomposite hydrogels2021

    • 著者名/発表者名
      Maeda Tomoki
    • 学会等名
      Pacifichem 2021
    • 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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