2019 Fiscal Year Annual Research Report
Exploration of Mechano-Functions Based on Aquatic Functional Materials
| Project Area | Aquatic Functional Materials: Creation of New Materials Science for Environment-Friendly and Active Functions |
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| Project/Area Number |
19H05721
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
高島 義徳 大阪大学, 理学研究科, 教授 (40379277)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松葉 豪 山形大学, 大学院有機材料システム研究科, 教授 (10378854)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 分子接着 / 界面物性計測 / 水圏融合材料 / 水環境合成 / 超高強度・高靭性材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
【研究概要】初年度にあたる令和元年度（2019年度）は、水圏メカノ機能材料の研究基盤の構築にあたり、水環境での合成の確立をめざし、本領域のコンセプトである「材料科学」と「水の基礎科学」の融合した研究基盤を構築する。世界で初めて水圏メカノ機能材料を達成することを目的に、水圏材料合成と水圏材料の構造評価、さらに研究項目外と研究項目内の水圏材料の共同研究を実施した。
【水圏接着・自己修復・異種材料コーティング】可逆的な架橋として機能するホスト-ゲスト（H-G）相互作用を水圏材料に導入し、自己修復性材料の作製を試みた。得られた水圏材料はH-G相互作用に基づいた力学特性の回復を示し、金属基板上にコーティングを行うと、高湿度条件下において摩擦傷の迅速な回復性を示した。（ACS Appl. Polym. Mater.2020,2, 1553-1560.）
【水圏刺激応答性材料】水圏にて酸化還元刺激に対して、膨潤収縮性を示す高分子ゲルを作製した。これまでの1：1のH-G錯体を用いた材料から、ゲスト分子が2分子で機能する1:2錯体で架橋されたゲルを作製し、変位量と安定性を向上した（Chem.Sci. 2020, 11, 4322-4331）
【界面物性制御・界面先端計測】セルロースナノファイバー（CNF）をコンポジットとして用いるポリプロピレン（PP）材料について機械的強度と結晶化度の相関を評価した．混合しやすい分散剤を用いることで混じり合いにくいPPとCNFについて十分性能を発揮させることができることを示した．一方で，CNFの濃度が３wt％を上回る条件では，凝集体を形成し，PPの結晶化が阻害されることも示した．(J Appl Polym Sci. 2021, 138, 49896.)
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
令和元年度（2019年度）は水圏メカノ機能材料の研究基盤の構築にあたり、材料合成系と材料構造評価系、さらに研究項目外と研究項目内の共同研究の枠組み構築に尽力した。その結果、半年間の年度内に論文3報を発表するに至った。令和２年度（2020年度）に向けて、順調に基盤データの蓄積が行えており、材料合成系から材料評価系にシフトできている。共同研究も複数進められていることから、おおむね順調に進展していると言える。
【材料の水と力学特性の関係】材料表面および内部の水の状態を構造および熱測定から評価に成功した．特に，湿度制御下でのフィルムの表面および内部の状態解析をFT－IR，顕微鏡，X線散乱などを用いて行い，表面状態の違いにより湿度吸着が非常に影響を受けることを示した．また，力学特性についても延伸セルに湿度制御装置を取り付けるための予備実験を行っている．現在，湿度により性質が変化するゲル材料についても実験を進めている．
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| Strategy for Future Research Activity |
【今後の研究の推進方策】令和元年度（2019年度）に得られた研究成果をさらに発展させるため、令和2年度は下記に示した研究内容を実施する。特に令和2年度は領域内での共同研究を加速させる計画である。
【異種材料接着】R1年度の研究により、可逆的な分子接着技術により、有機無機融合の異種接着を試みた。R２年度の研究では、この接着機能を向上し、高強度・高靭性を実現する。接着層に可逆的な結合で架橋された材料を用いた場合には、結合の組み換えによる応力緩和と接着力の回復が期待できる。R２年度はさらに、可逆的な結合からなる材料に加えて、可動性の架橋からなる接着材料を作製し、架橋点の可動性により応力緩和機能を向上させ、異種接着の高強度・高靭性接着に挑戦する。
【材料の水と力学特性の関係】溶媒を含んだ高分子材料は丁寧に含溶媒率を決定し、力学評価を行う必要がある。R1年度の研究により、A03-2田中賢との共同研究により、高強度・高靭性化には最適な含水量が存在することが明らかとなった。R２年度の研究では、多彩な可逆的な結合の実施例を増やし、この最適含水量と高強度・高靭性の関係の解明に努める。材料内部の水と高分子がどのような動きになっているのか、A02-2と共同で機能解明に努める。
【界面物性制御・界面先端計測】A02-1との共同研究により水圏メカノ接着材料の界面の精密分光分析を通して、高分子材料内部の水と機能の関係を解明する。特に赤外分光分析では、引張試験と分光分析を同時に実施し、さらに調湿セルを用いて、含水量との関係を調べる。結晶部分と非晶部分で水分の吸着挙動に大きな変化が予見される．内部の精密評価は，班内連携により，DSC測定およびX線散乱測定を行う．水とより親和性の高い材料，特にゲル材料について，新たな解析・先端計測手法の開発を行い、湿度制御下での引張試験とＸ線散乱を同時に行う評価系を確立する。
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