超分子ヒドロゲルの階層的ダイナミクスに基づくゾル－ゲル転移の制御

基于超分子水凝胶分级动力学的溶胶-凝胶转变控制

基本信息

批准号：
15J04575
负责人：
松本裕治
金额：
$ 1.79万
依托单位：
Kyushu 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

项目摘要

超分子ヒドロゲルは、自己組織性の低分子(ゲル化剤)から形成される。超分子ヒドロゲルを機能性材料として応用展開するためには、ゾルーゲル転移を正確に理解し、制御することが必要である。本研究では、超分子ヒドロゲルのゾルーゲル転移と繊維状会合体の形態、凝集状態、およびそれらの動的な挙動とゾルーゲル転移の関係を明らかにすることを目的とした。これまでに、繊維状会合体およびその凝集状態の制御に関する研究を実施し、さらに、繊維状会合体の動的挙動についても検討した。その結果、繊維状会合体の融合はある程度抑制されており、ゾルーゲル転移に要する時間は繊維状会合体の形態、ひいてはその拡散に強く依存することが示された。本年度は、ゲル化剤の化学構造に基づきゾルーゲル転移に要する時間が異なるゲルを作製し、ゲルの構造・物性とそれらの不均一性を検討した。異なる3種類の両親媒性分子を用いて、ゾルーゲル転移に要する時間が異なるゲルを調製した。これらのゲルの局所物性を粒子追跡法に基づき評価した結果、特定の空間スケールにおいて、網目サイズは不均一であることが明らかとなった。また、網目サイズの不均一性の空間スケールが小さいほど、ゾルーゲル転移に要する時間は短かった。このことは、不均一性がゾルーゲル転移の速度と関係することを示している。さらに、ゲル化剤から成る繊維状会合体のモデルとして、形態が比較的安定なセルロースナノファイバー(CNF)を用いて検討を行った。不均一性を制御したCNF分散液と高分子水溶液を原料とし、CNF/高分子複合膜を作製した。その結果、原料であるCNF水分散液の不均一性のサイズスケールを減少させることによって、複合材料の伸長特性を大きく向上することが明らかとなった。これは、不均一構造に基づく複合材料の新たな設計指針になり得る。

超分子水凝胶由自组装小分子（胶凝剂）形成。为了发展超分子水凝胶作为功能材料的应用，需要准确理解和控制溶胶-凝胶转变。本研究的目的是阐明超分子水凝胶的溶胶-凝胶转变、纤维聚集体的形态和聚集状态、它们的动态行为与溶胶-凝胶转变之间的关系。到目前为止，我们已经开展了纤维聚集体的控制及其聚集状态的研究，并且还研究了纤维聚集体的动态行为。结果表明，纤维聚集体的融合在一定程度上受到抑制，溶胶-凝胶转变所需的时间很大程度上取决于纤维聚集体的形态以及最终的扩散。今年，我们根据胶凝剂的化学结构，制备了不同溶胶-凝胶转变所需时间的凝胶，并研究了凝胶的结构和物理性质及其异质性。使用三种不同类型的两亲分子，制备了具有不同溶胶-凝胶转变时间的凝胶。基于粒子追踪方法评估这些凝胶的局部物理性质的结果表明，网格尺寸在特定空间尺度上是不均匀的。此外，网络尺寸异质性的空间尺度越小，溶胶-凝胶转变所需的时间越短。这表明异质性与溶胶-凝胶转变速率有关。此外，我们使用具有相对稳定形态的纤维素纳米纤维（CNF）作为由胶凝剂制成的纤维聚集体的模型。以可控异质性的CNF分散体和聚合物水溶液为原料，制备了CNF/聚合物复合膜。结果表明，通过减小CNF水分散体不均匀性的尺寸尺度，可以大大提高复合材料的伸长性能。这可以为基于异质结构的复合材料提供新的设计指南。