Unveiling trans-scale relationship between dynamic bonds and mechanical properties by homogeneous polymer networks

通过均质聚合物网络揭示动态键和机械性能之间的跨尺度关系

基本信息

批准号：
21K14678
负责人：
中川慎太郎
金额：
$ 3万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K14678/
关键词：
架橋高分子ゴムエラストマー力学特性粘弾性動的結合ゲル

项目摘要

ゲルやゴム等の架橋高分子は、多様な用途を有する産業上重要な材料である。架橋高分子を構成する三次元高分子網目に、弱く可逆な動的結合を組み込むことで、力学的な強靭性や自己修復性などの優れた機能を付与することができる。本研究の目的は、種々の動的結合が架橋高分子の物性に及ぼす効果を、動的結合の種類によらない普遍的法則として解明することである。そのために、構造を精密に制御したモデル架橋高分子の合成および特性評価、および量子化学計算等を用いた動的結合の特性評価を組み合わせた、スケール横断的な解析を行う。本年度の研究成果は、大きく分けて以下の2つである。【成果1】　前年度に確立した合成手法に基づき、まず種々の動的結合を導入するための共通のベースとなる高分子を大量に合成した。そして、動的結合として金属-配位子相互作用を有するモデル高分子を合成したほか、新たにイオン相互作用および水素結合を形成する官能基の導入にも成功した。これにより、動作原理の異なる三種類の動的結合を同一条件で定量的に比較評価可能な架橋高分子系を確立した。得られたモデル高分子の動的粘弾性を解析し、動的結合の分子レベルの解離・会合ダイナミクスが粘弾性特性に反映されていることを示唆する予備的結果を得ることができた。【成果2】　前年度に検討したポリエステル系高分子からなる構造均一な架橋高分子の力学特性を調査したところ、当初想定していなかった新たな知見を得た。当該架橋高分子は、顕に動的結合を導入していないにも関わらず優れた伸長性と靭性を示したほか、既存材料をはるかに凌駕する顕著なひずみ硬化性を示した。その場X線散乱法による解析の結果、印加されたひずみにより、高分子鎖が動的に秩序化し硬化することが、特異な物性の原因であることが分かった。当初想定していた形とは異なるが、これも一種の動的な構造による材料強化原理の発見であると言える。

交联聚合物（例如凝胶和橡胶）是工业上重要的材料，具有多种用途。通过将弱的可逆动态键结合到构成交联聚合物的三维聚合物网络中，可以赋予优异的功能，例如机械韧性和自修复性能。本研究的目的是阐明各种动态键对交联聚合物物理性能的影响，作为与动态键类型无关的普遍规律。为此，我们将进行跨尺度分析，结合具有精确控制结构的模型交联聚合物的合成和表征，以及使用量子化学计算的动态键合表征。今年的研究成果大致可以分为以下两类。 [结果1] 基于前一年建立的合成方法，我们首先合成了大量的聚合物，这些聚合物将作为引入各种动态键的共同基础。除了合成以金属-配体相互作用作为动态键的模型聚合物外，他们还成功引入了形成新离子相互作用和氢键的官能团。因此，我们建立了一个交联聚合物体系，可以在相同条件下对三种具有不同操作原理的动态键进行定量比较评估。我们分析了所得模型聚合物的动态粘弹性，并获得了初步结果，表明动态键的分子水平解离和缔合动力学反映在粘弹性中。 [结果2] 当我们研究去年研究的由聚酯聚合物制成的结构均质交联聚合物的机械性能时，我们获得了我们最初没有预料到的新发现。尽管没有引入任何显着的动态键，但交联聚合物仍表现出优异的伸长率和韧性，并且还表现出远远超过现有材料的显着应变硬化性能。使用原位 X 射线散射分析表明，独特的物理性能归因于聚合物链在施加应变下的动态排序和硬化。虽然形状与最初设想的有所不同，但可以说，这也是通过一种动力结构来增强材料原理的发现。

项目成果

期刊论文数量（14）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

ポリ(エーテル-エステル)を用いた均一網目構造を有するゲルの合成

使用聚醚酯合成具有均匀网络结构的凝胶

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
佐々木怜南;中川慎太郎;吉江尚子
通讯作者：
吉江尚子

ポリ(1，5-ジオキセパン-2-オン)からなる均一高分子ゲルの合成

聚(1,5-二氧杂环庚烷-2-酮)均质聚合物凝胶的合成

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
佐々木怜南;中川慎太郎;吉江尚子
通讯作者：
吉江尚子

Structure of a Star Bottlebrush Elastomer under Uniaxial Deformation

单轴变形下星形洗瓶刷弹性体的结构

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
Huang Xin;Nakagawa Shintaro;Houjou Hirohiko;Yoshie Naoko;中川慎太郎;Shintaro Nakagawa and Naoko Yoshie;Shintaro Nakagawa and Naoko Yoshie
通讯作者：
Shintaro Nakagawa and Naoko Yoshie

巨大なひずみ硬化を示す高靭性ポリマーネットワーク

坚韧的聚合物网络表现出巨大的应变硬化

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
中川慎太郎;青木大輔;吉江尚子
通讯作者：
吉江尚子

精密なボトルブラシポリマーネットワークの伸長下における構造変化

精密瓶刷聚合物网络伸长时的结构变化

DOI：
发表时间：
2022
期刊：
影响因子：
0
作者：
中川慎太郎;吉江尚子
通讯作者：
吉江尚子

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近藤慶;中川慎太郎;大山秀子;吉江尚子;以倉崚平・呑村優・高島義徳・原田明・山口浩靖;Naoko Yoshie;小林裕一郎・中満幸恵・高島義徳・山口浩靖・原田明
通讯作者：
小林裕一郎・中満幸恵・高島義徳・山口浩靖・原田明

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DOI：
发表时间：
2018
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0
作者：
川名紗貴;中井脩也;中川慎太郎;吉江尚子;桑折道済;シナワンガリー・小林裕一郎・大崎基史・高島義徳・山口浩靖・原田明;吉江尚子;荒本光・高島義徳・原田明・山口浩靖;桑折道済;吉江尚子;M. Kohri;以倉崚平・呑村優・高島義徳・原田明・山口浩靖
通讯作者：
以倉崚平・呑村優・高島義徳・原田明・山口浩靖