2018 Fiscal Year Research-status Report
Organo-modified nanodiamond with excellent heat-resistance - nanodispersion in crystalline transparent polymer -
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17K05986
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
藤森 厚裕 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (00361270)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ナノダイヤモンド / 長鎖ホスホン酸 / 二座型結合 / フッ素化長鎖ホスホン酸 / 耐熱性 / 高分子系ナノ複合材料 / 潤滑剤候補物 / カーボンナノチューブ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
粒子径5 nmのナノダイヤモンドの最外層表面を長鎖ホスホン酸による二座型結合で有機修飾し，350 ℃まで有機鎖の昇温脱着を抑制する有機修飾ナノダイヤモンドの創出に成功した．表面改質剤としてオクタデシルホスホン酸を用い，有機溶媒と水の界面場での修飾反応を行った．加えてフッ素化長鎖ホスホン酸による表面修飾も同様の手法で行った．フッ素化長鎖ホスホン酸の有機鎖脱着抑制温度は290 ℃程度であったが，表面の撥水性とフッ素系ポリマーとの混和性の向上が担保された．一方で，オクタデシルホスホン酸修飾ナノダイヤモンドは，350 ℃の有機鎖脱着温度を示し，高融点の炭化水素系高分子との溶融混練によるナノ複合化が可能であった．例えば，フッ素化長鎖ホスホン酸修飾ナノダイヤモンドは，融点280℃のパーフルオロアルコキシアルカン(PFA)ポリマーと，溶融混練が可能であり，スーパーエンジニアリングプラスチックの中でも特に高融点で，相分離性の高いフッ素樹脂に置いてもナノ複合材料の創出が可能であった．
加えて当該年度は，2つの点で本課題に大きな発展が見られた．1つは有機修飾ナノダイヤモンドの潤滑剤への応用である．もう1つは，当該技術を同じナノカーボンの同素体であるカーボンナノチューブに展開できた点である．前者は高温のオイル中でも均一に分散できる有機化ナノダイヤが，潤滑剤の機能増強に寄与できることを見出した．後者はカーボンナノチューブに10～24時間程度の混酸による超音波処理を施すと，表面が親水性になり，油/水界面場での有機鎖表面改質化可能になることから，2種の長鎖ホスホン酸による表面修飾が可能になった．有機化カーボンナノチューブの有機鎖脱着温度は，ナノダイヤモンドのそれを凌駕し，400℃付近まで結合を維持できることが分かった．この結果，有機高分子と新たなナノカーボン材との複合体創出が達成された．
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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
課題申請時に主眼として取り上げた，「350 ℃耐え抜く有機化ナノダイヤモンド」の創出に関しては，既にその目標を達成した．融点が350 ℃以上の結晶性高分子と，溶融混練法によるナノ複合化を図っても，有機化ナノダイヤモンドは均一にマトリックス中に分散できるであろう．これは，長鎖ホスホン酸の官能基がナノダイヤモンド表面に存在する終端基との間にμ-oxo型の二座型結合を形成する効果が大きい．そして，ホスホン酸不随の長鎖アルキル基がフッ化炭素鎖に置換された場合も290 ℃耐え抜くフッ素化ナノダイヤモンドとなることを見出した．この有機鎖脱離抑制温度に於いても，殆ど全ての高融点フッ素ポリマーの融解温度を超えるため，相分離性のフッ素樹脂に於いても，無機粒子とのナノ複合化が達成できる．加えて本技術の発展として，カーボンナノチューブやセピオライト天然粘土鉱物などの繊維状/針状/管状の特殊形状フィラーに於いても，2種の長鎖ホスホン酸による表面改質が可能であり，加えて高分子とのナノ複合化の達成にも至ることが示された．これは当該技術の汎用性を示す材料ともなる．加えて，有機修飾ナノダイヤモンドは，導入有機鎖がもたらす有機成分との混和性から，有機溶剤やオイルなどの媒体の中でも良分散が可能となる事実が明らかになった．このことから，潤滑剤や研磨剤として有機化ナノ粒子を液状成分中に分散化させ，機能をもたらす展開も見られた．
以上のことから，本課題は主目的である350 ℃耐え抜く有機化ナノダイヤモンドの創製を達成し，更に当該技術を他のナノカーボン材や汎用フィラーに適用でき，加えて応用展開も広がっていることから，3年間の研究計画に於いておおむね順調な進展に至っていると結論付けられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の展開として「350 ℃耐え抜く有機化ナノダイヤモンド」，「290 ℃耐え抜くフッ素化化ナノダイヤモンド」，「400 ℃耐え抜く有機化カーボンナノチューブ」などをそれぞれの特性や機能性に応じたアプリケーションの開拓を志向し，広く国民の生活に寄与できるモノづくりを目指す．脱化石燃料・抗温室効果ガス・地球温暖化の抑制を念頭に，材料革新を行うべき時代において，有機成分の使用を極限まで回避する方策が望まれる．しかし，完全に有機物フリーの素材にするのではなく，(枯渇危惧が叫ばれながらも)未だ石油化学がエネルギー産業の中心であることを想定し，また我が国のナノサイエンスにおける技術の駆使を志向する．即ち，最外層表面のみを有機修飾鎖で被覆し，かつその有機鎖脱着温度を高温まで維持させたナノカーボン材を活用し，高分子複合材やナノ粒子含有潤滑剤としての活用と，その構造/機能相関性の解明を目指す．
具体的には，有機化ナノカーボン含有高分子系複合材料の耐熱性・力学物性向上と，その起源の解明をターゲットとした，ナノ複合体の構造解析と機能性評価を行う．また，有機化ナノカーボンを含有した潤滑油の摩擦特性評価と分散性・抗沈降性についても，種々の修飾鎖について検討を重ねる．更にフッ化炭素鎖を導入した際のフッ素系高分子に対する機能付与や，低摩擦性誘起効果など，修飾鎖の特性に由来する特性評価を推進する．この際，有機修飾ナノカーボン自体の耐熱性を活かすため，高融点のエンジニアリングプラスチックの活用や，或いは高温環境下で使用する潤滑油をマトリックスとして，付加価値の追求を想定する．加えて，これらの研究成果を学術報文報告や，当該分野の研究開発系企業への技術移転など，最終年度に相応しい総括を行っていく．
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[Journal Article] Synthesis of semicrystalline poly(guanamine)s based on 2-substituted-4,6-dichloro-1,3,5-triazine with alpha, omega-alkylene diamines, and the formation of cyclic tetramers2018
Author(s)
Y. Shibasaki, T. Kotaki, T. Bito, R. Sasahara, N. Idutsu, A. Fujimori, S. Miura, Y. Shidara, N. Nishimura, Y. Oishi
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Journal Title
Polymer
Volume: 146
Pages: 12-20
DOI
Peer Reviewed
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