【研究領域課題番号】19K22067 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ポリマー / 熱可逆性 / ハイドロゲル / ダブルネットワーク / 複合材料 / 再成型性 / 再成型 / ソフトマター

【研究成果の概要】

本研究は、自然由来の材料であるセルロースと高機能ハイドロゲルの研究を融合した新しいソフトマターの研究である。ここでは、TEMPO酸化セルロースナノファイバー (tCNF) に、物理架橋で形成したデュアルネットワーク構造を通して、高強度・高透明性・高含水性を併せ持つ熱可逆性ゲルの作製を目指した。具体的には、カルボキシ基を有するtCNFとポリアクリル酸を混合し凍結させ、エチレンジアミンを導入し、水素結合により架橋させた3次元構造を実現した。その結果、物理架橋のハイドロゲルにもかかわらず，最大で173倍の膨潤性と13 kPaの貯蔵弾性率を示し、熱可逆性で高透明なハイドロゲルを作製することが出来た。

【研究の社会的意義】

液体を多く含んだポリマーであるゲルは、液体性と高透明性、それに再成形性 (色々な形に何度も変えられる) というエコ機能化を有するために、環境面に関しても有望な材料として着目されている。さらに、液体が水であれば生体適合性が高くなり、医療材料などで大変有用な材料となる。しかし、液体が90%以上の材料は、液体性が際立って高くなり、もはや固体的な強度を保持することが困難となる。本研究は、水を大量に含む固体ゲル (99%の水) を作製し、強度を高く保持しながらも再成形が可能である材料創製を目指してきた。超微細構造制御をし、2つの均質な微細ネットワーク構造を導入することで、難題解決を目指した研究である。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2019-06-28 - 2022-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【研究分野】複合材料・表界面工学

【研究領域課題番号】15KK0244 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

複合材料 / コンポジット / ファイバー / エレクトロスピニング / ポリマー / ナノテクノロジー / 高分子物理 / ファイバ

【研究成果の概要】

本研究では、研究代表者が基盤研究Aで実験的に実現しようとしているポリマナノ複合材料の研究をおし進め、新規物性を有する複合材料を効率的に創り出すことを目的としている。特に本研究では、材料どうしの機械的な複合と化学的な相溶という2種類のスケールの違う複合化に着目し、その2点を融合し、機械的複合化で生じた界面エラー（低接着、ボイド）等のボトムアップ対策を研究してきた。具体的には、化学的な相溶性を考慮し、母材に近いポリマ分散材を複合化させる自己強化型複合材料に着目することで、界面空隙のほとんどないポリ乳酸ベースのポリマ複合材料を作製できるようになった。

【研究種目】国際共同研究加速基金(国際共同研究強化)

【研究期間】2016 - 2017

【配分額】12,220千円 (直接経費: 9,400千円、間接経費: 2,820千円)

【研究分野】複合材料・表界面工学

【研究領域課題番号】15H02298 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

複合材料 / コンポジット / ファイバー / 配向 / エレクトロスピニング / ポリマー / ファイバ / ポリマ

【研究成果の概要】

本研究では、異種のポリマ-ポリマ複合材料をポリマナノ分散型のポリマ複合材料で実現し，その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１次元（線状）ポリマ分散型複合材料を作製することを目的とした。具体的には，まずエレクトロスピニング法を用いて作製したセルロースアセテートの線状ナノポリマ分散材に対して，化学処理や熱処理を施すことで，高弾性率を有するセルロースのナノポリマ分散材を作製した。つぎに，作製したナノポリマ分散材に対して配向性の付与や表面改質を施した後，生分解性ポリマに複合化することで，従来よりも理論弾性率に近い弾性率を有する環境調和型の高機能複合材料を作製した。

【研究の社会的意義】

樹脂ポリマ材料の高強度化手法の１つとして、線状の繊維などの１次元ポリマ分散材の複合化が知られている。このような複合材料は軽量性や強度の高さから航空機部品などに応用されている。本研究では、自然由来かつ高強度のセルロースの線状ナノポリマ分散材を生分解性ポリマに複合化することで、環境に優しい新規なポリマ分散型複合材料をデザインし、生分解性ポリマの応用範囲拡大の可能性を見出した。さらに、本研究で確立した新しい複合化手法を、さまざまなポリマ分散型の複合材料に応用することで、異種のポリマとポリマを結びつけ，従来よりも理論弾性率により近い弾性率を有する複合材料を作製するメソッドを新たに見出すことができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2019-03-31

【配分額】44,330千円 (直接経費: 34,100千円、間接経費: 10,230千円)

【研究分野】複合材料・物性

【研究領域課題番号】24656395 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノファイバ / 光グラフト重合 / 表面改質 / 親水性 / 生体適合性 / 医療用材料 / ステント / 複合材料 / 医療用ポリマ / ステントグラフト / ポリマー / ナノファイバー / 親水化 / 高機能化 / グラフト重合 / コンポジット

【研究成果の概要】

本研究では，当研究室のこれまでの研究成果である「ナノファイバー」、「紫外線照射による光グラフト重合法」、「機能性評価」に関する知見の融合を試み，光グラフト重合法による表面改質を用いた新規機能性ナノファイバーの創製を試みた．その結果，汎用性の高いポリマーを使ったナノファイバー作製に成功した．また，伸縮性と高い弾性率からさまざまな用途に使われているポリウレタンをナノファイバー化し，アクリル酸の光グラフト重合により親水化させた．さらに，ポリウレタンナノファイバーへの高生体適合性ポリマーの光グラフト重合も行い，ナノファイバーに抗血栓性を付与し，血液接触型医療器具への応用可能性を高めることができた．

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】3,640千円 (直接経費: 2,800千円、間接経費: 840千円)

【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】23760179 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

単層カーボンナノチューブ / ポリマー / 複合材料 / 炭素ナノチューブ

【研究成果の概要】

ナノテクノジーの重要な材料の1つである単層カーボンナノチューブ（Single-Walled Carbon Nanotube，SWNT）の工学的応用に向け基板に対し垂直または水平に配向した構造を作製する技術を開発・検討した．直径，長さ，結晶性の高さなど個々のSWNT構造の制御だけでなく，配向性の向上や密度の制御，また配向メカニズムなどについて明らかにし，その物性の計測・分析を行った．さらにポリマーとの複合材料化やSWNTのだけでチャネルや電極を作製した電界効果型トランジスタ応用など工学的応用への展開を行った．

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2011 - 2013

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】機械材料・材料力学

【研究領域課題番号】23360294 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノファイバ / ポリマ / 複合材料 / エレクトロスピニング / 生分解 / 高機能性 / ポリマー / ファイバー / 力学物性 / 均一分散 / コンポジット / ナノビーズ・ファイバー

【研究成果の概要】

本研究では、ナノ・マイクロスケールの長繊維をうまく分散させた複合材料作製のための新しい手法を確立すること、および、その確立した新規手法を利用して新しい高機能性複合材料を作製することを目的とした。具体的には、エレクトロスピニング法を用いて、液体性状を有するポリマーやポリマー溶液に対してナノファイバーを噴射することで、母材となるポリマー内に作製したナノファイバーを分散させて複合化する新たな手法を確立した。また、本手法を用いて、生分解性ポリマーを母材とした高弾性率・高耐熱性を有する高機能複合材料を作製した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2011-04-01 - 2015-03-31

【配分額】18,980千円 (直接経費: 14,600千円、間接経費: 4,380千円)

【研究分野】複合材料・物性

【研究領域課題番号】21656167 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ポリマー / 非晶質炭秦 / マイクロ・ナノコンポジット / 蒸着法 / シリカ / ダイヤモンドライクカーボン(DLC) / 複合材料 / 高分子構造・物性 / プラズマ加工

【研究成果の概要】

本研究では蒸着法を応用した新しい複合材料作製法を用いることで高分子材料と硬質材料のコンポジットを作った。本手法により溶融可能な高分子に対して非晶質炭素やシリカなどの硬質無機材料のサブミクロンスケールでの分散が可能となった。また、既存の混錬法などの複合化手法よりも簡便にコンポジットが作製できるようになり、さらにはプラズマ処理を施すことによって界面が親和性を帯び、界面接着が良くなる場合もあった。
高分子母材としては最も汎用的に使用されているポリエチレンに焦点をあてた。また、分散材としては非晶質炭素および酸化ケイ素を用いて大気圧下において複合材料作製を試みた。作製したコンポジットの構造評価および物性評価を実施した。コンポジットの構造評価を行ったところ、光学顕微鏡および動的光散乱法を用いることにより分散材のサブミクロンスケールでの分散が確認された。また、分散させる際のポリマー溶融体母材の粘度が分散させる非晶質炭素のサイズに大きく影響することがわかった。これより、あらかじめ高分子母材の粘度を決めることで分散材の粒径をコントロールすることが可能となることがわかった。また、実験条件を大気圧下から真空下へと移行して予備実験を実施した。ここでは、母材として同様のポリエチレンを、分散材としてDLC(非晶質炭素の1種)を用いてコンポジット作製を行った。その評価を大気圧下と同じように行ったところ、DLC含有にともないヤング率の増加が確認された。これは材料内部でDLCが強化材として機能したと考えられる。また、熱物性試験結果により材料の融点、結晶化温度の上昇が確認された。これはDLCが複合材料内部で有効に結晶核剤として機能したことを意味していると考えられる。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2009 - 2010

【配分額】3,200千円 (直接経費: 3,200千円)

【研究分野】複合材料・物性

【研究領域課題番号】13875125 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

圧電性 / 複合材料 / 圧電セラミック粒子 / ポリマー / 圧電捩れ素子

【研究成果の概要】

単斜異方性体として特徴づけられる"off-axis"一方向繊維強化ラミナ(UDラミナ)の特異な力学効果"nomal-shear coupling"を利用した新規の圧電材料として、厚さ方向の印加電界(E_3)によって捩振れ変形するモノモルフ圧電素子を考案し、PZT(Pb(Zr, Ti)O_3)微粒子を分散させたエポキシ樹脂とガラス繊維のハイブリッド複合系を設計対象として、その実現可能性を具体的に検討した。この圧電捩れ素子は、方位角+θと-θのUDラミナによる反対称斜交積層ラミネートであり、その単位電界あたりの捩れ曲率κ/E_3は(d_<31>、-d_<32>)sin2θに比例する。つまり、UDラミナの圧電横効果を表す定数d_<31>(x_1軸//繊維軸方向)とd_<32>が、繊維強化によって|d_<31>|<|d_<32>|なり、この面内異方性が捩れ変形の支配因子となる。本研究では、微視力学解析による一連の計算を行って、UDラミナの基本物性(弾性率、誘電率、圧電d定数)に及ぼすPZT粒子およびガラス繊維の体積含有率の影響を定量的に調べ、供試体成形作業の難易度も考慮して、PZTとエポキシの配合比(体積比)は約50:50、ガラス繊維の体積率は10〜20%に設定した。PZT粉末(粒径0.5〜1μm)とエポキシ樹脂の撹拌脱泡スラリーを開繊処理したガラス繊維束中に含浸させ、80℃で加圧成形して、厚さ250〜350μmのUDラミナを作製した。これにAuPd電極を蒸着し、80℃のシリコンオイル中で約40MV/mの電界を印加して分極処理を施した。これを供試体とし、Reolograph-Solid・(東洋精機(株)製)を用いて繊維軸に平行および垂直方向の圧電ひずみ定数(d_<31>、d_<32>)とヤング率(E_L、E_T)および厚さ方向の誘電率を25〜80℃の温度域で測定し、繊維強化による面内圧電異方性の発現を確認すると共に、その温度依存性も明らかにした。さらに、2枚のUDラミナを±45°に反対称積層したラミネートについて、室温にて厚さ方向の印加電圧(AC50V)による捩れ応答を検出した。

【研究種目】萌芽的研究

【研究期間】2001

【配分額】2,200千円 (直接経費: 2,200千円)