2015 Fiscal Year Annual Research Report
異種のポリマ‐ポリマ複合化を実現する新しい１次元分散型異方性複合材料の創製
| Project/Area Number |
15H02298
|
|---|
| Research Institution | Keio University |
|---|
Principal Investigator |
堀田 篤 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (30407142)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
|
| Keywords | 複合材料 / コンポジット / ファイバ / 配向 / エレクトロスピニング |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
異種ポリマどうしを融合する新しいポリマ‐ポリマ複合材料を1次元分散型複合材料で実現し、1次元複合効果を最大限に引き出すことで、理論弾性率に極めて近い複合材料を創製することを最終目的としている。当該年度では、エレクトロスピニング（ES）法を用い、1次元ナノポリマ分散材の作製に成功した。具体的には、シンジオタクチックポリプロピレン（sPP）、ポリビニルアルコール（PVA）、ポリ乳酸（PLA）、ポリカプロラクトン（PCL）、ナイロン（Ny）、セルロースアセテート（CA）をポリマ分散材として選定し、ナノ1次元化に向けたナノファイバ化に着手した。
ポリマ分散材のナノ１次元化に最適な条件は、ES法の際の電圧などのパラメータとポリマ溶液の粘度等が考えられる。そこで、ポリマ材料の溶解性と調整されたポリマ溶液粘性の両面から、ES法に適した溶媒選定をした。結果として、sPPにはメチルシクロヘキサン、PVAには水/エタノール混合溶媒、PLAにはジクロロメタン/ピリジン混合溶媒、PCLにはメタノール/クロロホルム混合溶媒、Nyにはギ酸/酢酸混合溶媒、CAにはアセトン/ジメチルホルムアミド混合溶媒を用い、それらの溶液濃度もしくは混合比を調整することで細かな溶液粘度を調整した。さらにES法で電圧を10 kV前後に変化させ、押出速度などを調整することで条件最適化をした。また作製したCAナノ1次元分散材に関しては、0.05 M水酸化ナトリウム/エタノール溶液に1日浸漬し鹸化することで、力学強度に優れると考えられるセルロースナノファイバの作製ができた。以上より、1次元ナノポリマ材料の配向化や機能表面化に向けた第一段階をほぼ終了したと考えられる。これより、1次元ナノポリマ材料を異種の数多くのポリマどうしで複合させる新しい異方性複合材料の作製プロセス確立に向けての準備が整ったと考えている。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
昨年度の研究計画においては、1次元分散型のポリマ‐ポリマ複合材料の創製に向け、ポリマのナノ1次元化、具体的には、分散材の選定ならびにそのナノ化、を目標とした。それに合わせて、本年度は各種ポリマ材料についてエレクトロスピニング法（ES法）を用いてナノ1次元化の検討を行った。研究成果としては、シンジオタクチックポリプロピレン（sPP）、ポリビニルアルコール（PVA）、ポリ乳酸（PLA）、ポリカプロラクトン（PCL）、ナイロン（Ny）、セルロースアセテート（CA）を分散材として選定し、ES法を用いてそれらポリマ材料のナノ1次元化ならびにその最適作製条件を導いた。また、CAナノ1次元分散材については、水酸化ナトリウム/エタノール溶液を用いて鹸化することで、力学強度に優れると考えられるセルロースナノ1次元分散材の作製できた。なお、sPPのナノ1次元化に関しては、国際誌論文Journal of Applied Polymer Scienceにてその成果を報告した。以上より、1次元ナノポリマ材料を異種のポリマどうしで複合させる新しい異方性複合材料の作製に向けて、おおむね順調に進展していると考えている。
|
| Strategy for Future Research Activity |
ナノポリマ分散材の1次元複合効果を最大限に引き出すため、まずはじめにCAを用いて配向性の付与と表面改質を目指す。配向性の付与に関して現段階では、ES法で作製した1次元ナノポリマを回転体により巻き取る工夫等で試作してみる。より具体的には、回転するコレクタを作製し、その回転数やES装置の針先とコレクタの距離などのパラメータを調整することで、最適条件を検討する。作製した1次元ナノポリマ分散材は、走査型電子顕微鏡（SEM）などにより構造分析し、画像解析により垂線と各々の分散材が成す角度等をみることで定量評価をする。一方、表面改質に関しては、光グラフト重合法を用いて実施することを考えており、そこではまず母材と分散材の接着性の向上を目指す。その際に、ナノポリマ分散材に重合するモノマの選定と光グラフト重合条件の最適化が重要となる。表面改質後の1次元ナノポリマ分散材はフーリエ赤外分光法と表面接触角測定等により評価する。
上記が順調に進めば、つづいて配向性付与と表面改質を実施した1次元ナノポリマ分散材を用いてナノポリマ複合材料を作製する。さらに可能であれば力学物性を測定する。その結果をもとに、ランダムな分散材と配向した分散材を複合した時、また表面改質の前後での力学物性を比較することで、ポリマ分散材の配向性と母材との接着性がもたらす効果をみる。また、複合材料を引張破断もしくは凍結破断させて、破断面の状態をSEMや気体透過性測定などにより、できるかぎり定量的に分析する。
|
Research Products
(12 results)
