2016 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
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15H02298
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
堀田 篤 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (30407142)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | ポリマ / 複合材料 / ファイバ / エレクトロスピニング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、異種ポリマどうしを融合するポリマ-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する。前年度においては、エレクトロスピニング（ES）法を用いて1次元ナノポリマ分散材を作製できた。当該年度においては、前年度において作製に成功したナノポリマ分散材のうち、ナノ化の容易さや力学物性の高さなどからセルロースアセテート（CA）が好適な材料であることが判明した。
1次元ナノポリマ分散材は異方性を有するため、本研究で用いたCAナノ分散材を配向化することで、複合材料の力学物性を向上させることができると考えた。そこでES時のコレクターの回転速度を加速させることでCAナノ分散材を巻き取り、その配向化を目指した。具体的には回転速度を0 m/min ～ 500 m/minまで変化させ、SEM画像から配向度を分析し評価した。その実験の結果、420 m/min以上の回転速度において、高配向性を有するCAナノ分散材を得られることがわかった。
次に、非配向（ランダム）なCAナノ分散材と配向したCAナノ分散材をそれぞれポリブチレンサクシネート（PBS）に複合化して、分散材の配向性が複合材料の力学強度へ与える影響をみた。具体的には、ランダムおよび配向したCAナノ分散材/PBSのヤング率を静的引張試験により比較した。その結果、20 wt%のCAナノ分散材をPBSに複合した場合、PBSのみのヤング率と比べ、ランダムなCAナノ分散材/PBSのヤング率は2.0倍に上昇した。さらに、配向したCAナノ分散材/PBSのヤング率は2.4倍にも上昇し、ナノ分散材の配向化により複合材料の力学物性が向上することが明らかとなった。以上より、複合材料の力学物性向上には1次元ナノポリマ分散材の配向化が有効であることが示された。
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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
研究計画においては、1次元分散型のポリマ-ポリマ複合材料を作製することを念頭に、ポリマナノ分散材の配向化およびその複合化による母材ポリマの力学物性向上を目標とした。主たる研究成果としては、ナノ化のしやすさと力学物性の高さからセルロースアセテート（CA）を分散材として用いることを選定できた点であり、さらにはES時のコレクターの回転速度を上昇させることによりCAのナノ分散材配向化に成功した点である。また、CAナノ分散材を生分解材料の一種であるPBSに複合することにより、配向したCAナノ分散材を含むPBS複合材料が、配向していないCAナノ分散材を複合したPBS複合材料よりも高い力学物性を示すことも明らかとなった。以上より、当初の目標である1次元ナノポリマの配向による複合材料の力学物性の向上を達成することができている。なお、上記についてはAmerican Physical SocietyのMarch Meetingにて、その成果を報告し反響を得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、ナノポリマ分散材の1次元複合効果をさらに向上させるための推進方策として、分散材の表面改質に着目する。表面改質には、紫外線照射装置を用いてモノマを重合させる光グラフト重合法や環状化合物を利用した開環重合法などの手法がある。分散材に表面改質を施し、母材との接着性が良いモノマを重合することで、母材と分散材との接着性向上を目指す。まず、分散材の表面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を実施する。より具体的には、重合時間や紫外線照射強度、モノマ溶液濃度、重合開始剤濃度をパラメータとして検討する。表面改質後の分散材については、フーリエ変換赤外分光法および核磁気共鳴装置を用いることで、モノマの重合量を定量的に評価する。
以上の工程で表面改質を実施した1次元ナノポリマ分散材を、融解した母材で挟みこむサンドイッチ法、または溶媒に溶解させた母材中に浸漬させたのち、溶媒のみを揮発させるフィルムキャスト法によって複合材料を作製する。そして、作製した複合材料について分散材ナノポリマ複合材料の力学物性を、分散材に表面改質を施す前後で比較し、ポリマ分散材と母材との接着性が力学物性にもたらす効果を見きわめる。また、複合材料の内部の構造について、引張破断面、凍結破断面の走査型電子顕微鏡による分析や気体透過性測定などにより定量的に評価する。科研費（23360294）の成果より確立できた直接分散手法により、最終的には1次元ナノポリマ分散材の配向化・表面改質・複合化をすべて実施できるための作製手法の最適化を目標とする。
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