Static and dynamic structure analysis of polymer gels under deformation

变形下聚合物凝胶的静态和动态结构分析

• 批准号: 21J10203
• 负责人: 辻 優依
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J10203/
• 关键词: 高分子ゲル; 小角X線散乱法; コントラストマッチング法; 小角中性子散乱法

これまで変形下におけるゲルの散乱構造解析は、ゲル内部に存在する空間不均一性によって阻害されていた。本研究では先行研究によって提案された空間不均一を排除したゲルの合成スキームに従い均一ゲルを合成し、種々の散乱法を用いて変形下におけるゲルの構造解析を行った。まずは最も実施が簡便な一軸伸長下での小角散乱測定を行った。本研究ではサンプルの形状や測定条件などを考慮し、X線を照射線源とした。この際、高伸長下での測定を実現するため、自作の延伸装置を設計・作製し測定を行った。また、本実験では結合欠陥が延伸時の構造に及ぼす影響を調査するため、均一ゲルに加えて、ゲル化の際の反応効率を制御したサンプルも用意した。測定結果から、反応率の低下とともに延伸時の散乱測定の結果に変化が見られた。構造欠陥の多いサンプルでは、延伸時にゲル内部の鎖に応力が伝わらず、鎖が引っ張られることがないため、これらの構造変化はミクロな鎖の延伸具合の変化に起因すると考えられる。また、圧縮状態のゲルについても小角散乱測定を行った。こちらはサンプル厚みなどを考慮して、中性子を照射線源として選択した。測定は自作の中性子散乱測定用の圧縮治具を使用した。また、この際局所相関を抽出するため、網目構造の一部を同位体標識したサンプルも用意した。測定では、一部重水素化されたサンプルでは圧縮に伴い網目構造が変化していく様子が見てとれ、理論関数でフィッティングすることでゲルの構造変化の特徴量を抽出することができた。

到目前为止，对变形下凝胶的散射结构的分析一直受到凝胶内部存在的空间异质性的阻碍。在本研究中，我们根据先前研究中提出的消除空间异质性的凝胶合成方案合成了均质凝胶，并使用各种散射方法分析了变形下凝胶的结构。首先，我们在单轴伸长下进行小角度散射测量，这是最容易执行的方法。在本研究中，考虑到样品的形状和测量条件，使用X射线作为照射源。此时，为了实现高伸长率下的测量，我们设计制作了自制的拉伸装置并进行了测量。此外，在本实验中，为了研究拉伸过程中键合缺陷对结构的影响，除了均匀的凝胶外，我们还制备了控制凝胶化过程中反应效率的样品。根据测量结果，随着反应速度降低，观察到拉伸期间的散射测量结果的变化。在具有许多结构缺陷的样品中，拉伸过程中应力不会传递到凝胶内部的链，并且链不会被拉伸，因此这些结构变化被认为是由微观链的拉伸程度的变化引起的。还在压缩凝胶上进行了小角度散射测量。本例中，考虑到样品厚度等因素，选择中子作为辐照源。使用自制的用于中子散射测量的压缩夹具进行测量。此外，为了提取局部相关性，我们还准备了部分网络结构用同位素标记的样本。在测量中，可以看到部分氘化样品的网络结构在压缩时发生变化，通过将其与理论函数拟合，可以提取凝胶结构变化的特征。

项目成果

小角X線散乱を用いた均一ゲルの伸長下における構造解析

使用小角 X 射线散射对拉伸下的均匀凝胶进行结构分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 辻優依;Li Xiang;柴山充弘
• 通讯作者: 柴山充弘