高靭性ダブルネットワークゲルの変形・破壊メカニズムの解明

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15F15348
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: グン 剣萍 北海道大学, 先端生命科学研究科(研究院), 教授 (20250417)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): CUI KUNPENG 北海道大学, 先端生命科学研究科(研究院), 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2015-11-09 – 2018-03-31
• Keywords: ゲル / 小角散乱 / 放射光 / ダブルネットワーク / イオン結合 / 異方性

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、超高強度・高靱性ゲルであるダブルネットワーク(DN)ゲルとポリアンフォライト(PA)ゲルについて、その強靭化メカニズムを散乱法による構造解析から明らかにすることを目的としている。平成27年度は、以下の研究を行った。
1. 延伸冶具の作製
上記ゲルの強靭化メカニズムを理解するためには、変形途中のゲルサンプルに対して散乱法による構造解析を行う必要があり、そのためには強度が高い放射光を用いることが望ましい。放射光測定は平成28年に行う予定であり、平成27年度はそれに向けた冶具作製を検討した。ゲルの延伸に際しては、（一般に低摩擦である）ゲルの治具への固定法、またゲルを乾燥させない対策などが必要となる。まずゲルの固定法について研究室の技術員と試行錯誤した結果、大手繊維メーカーが開発したグリップ性の高い織物を使用することにより、低摩擦な含水ゲルをしっかり固定することを可能とした。乾燥については、X線は透過するが気体は通さない窓を延伸冶具に設置することで対策を行った。
2. プレストレッチ法による異方性PAゲルの創製
PAゲルは、カチオンとアニオンモノマーをモル比約1:1で混合して重合したイオン結合性強靭ゲルである。放射光測定に先立ち、本ゲルの物性に熟知するため、予備的にPAゲルの延伸により異方性を付与する実験を行った。まず、塩存在下でPAゲルを重合して一軸延伸（プレストレッチ）させ、その状態でゲルを純水に浸漬した。これによって、高分子が配向した状態で脱塩とイオンコンプレックス形成が起こり、異方性PAゲルが得られた。得られたゲルは延伸方向について従来のPAゲルを上回る強度を示した。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

本研究の主目的である放射光による構造解析に向けて、最大の問題であるゲルのすべりと乾燥を克服した延伸冶具を実現した。これにより、延伸状態でのゲルの構造を安定して測定することが可能になると期待される。また、PAゲルにプレストレッチ法を適用することにより、異方性と優れた力学特性を実現した。これは当初の予定にはなかった成果である。

Strategy for Future Research Activity

平成28年度は、7月にSPring-8における小角散乱のビームタイムを得ることが出来た。また上海の放射光装置の利用申し込みも行っている。実際の測定に向けて装置を完成させ、本装置を用いて実際にDNゲル、PAゲル、またプレストレッチによって強化されたPAゲルについて延伸時の放射光小角散乱測定を行う。なお含水率の高いDNゲルについては、電子密度が低いために散乱強度が弱く、目的の測定結果が得られないことが危惧されている。このような問題が発生した場合は、電子密度と散乱強度を上げるために、ゲル中のカウンターイオン（通常プロトン）をセシウムなどの重原子で置き換えるなどの検討を行う。

Research Products

• [Remarks] 研究室ホームページ
  • URL: http://altair.sci.hokudai.ac.jp/g2/