内部応力で誘起された巨視的異方性を有する高強度・高機能ゲルの創製

创建具有由内应力引起的宏观各向异性的高强度、高性能凝胶

• 批准号: 15J01078
• 负责人: 高橋 陸
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2015
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2015-04-24 至 2018-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15J01078/
• 关键词: ハイドロゲル; 膨潤; 半剛直性高分子; 巨視的配向構造; 高分子液晶; 巨視的異方性; 数理モデル; ハイドロゲル; 膨潤; 半剛直性高分子; 巨視的配向構造; 高分子液晶; 巨視的異方性; 数理モデル

本研究の目的は、「内部応力で誘起された巨視的異方性を有する、高強度・高機能ゲルの創製」である。現在までに、剛直性高分子の配向構造をゲル内部で制御する方法を報告している。これに加え、特定の多価金属イオン溶液中で、高濃度の剛直性高分子を内包したゲルを膨潤させることで、極めて高強度・高靭性を示すハイドロゲルの合成に成功した。ヤング率はコントロールの水中で膨潤させたゲルと比べて、約40倍に増加し、靭性は約240倍に増加した。本年度は、本ゲルの強靭化メカニズムを詳細に理解するために、（１）ゲル内の剛直性高分子濃度が物性に与える影響、（２）多価金属イオンの濃度が物性に与える影響について注力して研究を行った。その結果、剛直性高分子の濃度がある一定濃度以下であるとき、金属多価イオン溶液中で膨潤させてもほとんど物性が変化しないことが分かった。この濃度は高分子同士が重なり合う臨界濃度とほぼ一致しており、高分子濃度が高い状態の時、金属多価イオンによって高分子が架橋され、剛直な3次元網目構造が形成されることが示唆された。その結果、網目状になった剛直性分子は力学物性に寄与できるようになり、優れた力学強度を示すようになったと考えられる。また、臨界濃度以上で金属多価イオン濃度を変化させた時、低濃度では物性が低く、濃度が高くになるにつれて物性が向上し、さらに高濃度域になると再び物性が低下することが分かった。これは、本強靭化がイオン結合による高分子網目構造の形成に強く起因することを示唆している。また、ゲル内の剛直性高分子を配向させた状態で、多価金属イオン溶液中で膨潤させることで、配向構造に基づいた力学的異方性を導入できることが分かった。剛直性高分子の配向度に応じた物性変化が観察されており、力学物性を内部構造で制御できる新たな手法になり得ると期待される。

这项研究的目的是“用内部应力引起的宏观各向异性创建高强度的高性能凝胶”。迄今为止，我们报告了一种控制凝胶内刚性聚合物的取向结构的方法。此外，通过在特定的多价金属离子溶液中含有高浓度的刚性聚合物的凝胶，我们成功合成了一种表现出极高强度和韧性的水凝胶。与对照凝胶相比，扬的模量增加了约40倍，韧性增加了约240倍。在今年，为了了解加强这种凝胶的机制，我们重点介绍了（1）凝胶中刚性聚合物浓度对物理性质的影响，以及（2）多价金属离子浓度对物理性质的影响。结果，发现当刚性聚合物的浓度低于一定水平时，即使在金属多物质离子溶液中肿胀时，物理特性也几乎不会改变。该浓度大致与聚合物相互重叠的临界浓度大致一致，这表明当聚合物浓度较高时，聚合物通过金属多电荷离子交联，形成刚性的三维网络结构。结果，已变成网状形的刚性分子可以有助于机械性能，并被认为具有出色的机械强度。还发现，当金属多电荷离子浓度以临界浓度或更高的变化而变化时，物理特性在低浓度下较低，并且随着浓度的增加，物理性能得到改善，并且在较高浓度下再次降低了物理性能。这表明这种韧性是由于离子键引起的聚合物网络的强烈造成的。还发现，基于方向结构的机械各向异性可以通过在多价金属离子的溶液中膨胀而引入，而凝胶中的刚性聚合物则定向。根据刚性聚合物的方向观察到了物理性质的变化，并且可以预期，这可能是一种可以通过其内部结构来控制机械性能的新方法。