Fabrication of polymer/nanocarbon composite materials for infrared-driven microactuators

用于红外驱动微执行器的聚合物/纳米碳复合材料的制备

• 批准号: 22K04741
• 负责人: 高田 知哉
• 金额: $ 2.75万
• 依托单位: Chitose Institute of Science and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04741/
• 关键词: マイクロアクチュエータ; 温度応答性ハイドロゲル; 赤外線; ナノカーボン; 温度応答性ポリマー; アクチュエータ; 複合材料

令和４年度には、赤外線誘起発熱に伴って変形するナノカーボン複合材料を試作するため、LCST（下限臨界溶液温度）型の温度応答性を示す材料であるポリ(N-イソプロピル)アクリルアミド（PNIPAM）ハイドロゲルとポリエチレングリコールジアクリレート（PEGDA）ゲルからなる積層材料を作製し、赤外線照射に伴う屈曲変形を観察した。この積層材料では、温度上昇・低下に伴う両層の膨潤率変化の差によって変形が引き起こされると考えられており、PNIPAM層への還元型酸化グラフェンの添加により赤外線照射・発熱による屈曲変形が可能であることが知られている。本研究では、光熱変換を担うナノカーボンとしてカーボンナノチューブ（CNT）を用い、赤外線照射に伴う温度上昇および変形挙動に対するCNT添加量の影響を調べた。NIPAM、PEGDAおよび多層カーボンナノチューブ（MWCNT）分散液から作製した種々のMWCNT添加率の積層材料に赤外光(波長810 nm)を照射し、温度変化および屈曲変位を測定した。MWCNT添加率が低い試料では、赤外線照射時の到達温度が比較的低いが、重量の減少と屈曲変形が同時に観察された。一方、 MWCNT添加率が高い試料ではPNIPAM のLCST付近まで温度が上昇し、更なる重量減少を伴わずに屈曲変形することが観察された。これらのことは、 MWCNT添加率の低い試料では主に水分の蒸発に伴って変形する一方、CNT 添加率の高い試料では PNIPAMの温度応答性に基づく両層での水分移動により変形することを示唆していると考えている。

在2020财年，我们将使用聚（N-异丙基）丙烯酰胺（PNIPAM），这是一种表现出LCST（下临界溶液温度）型温度响应性的材料，以原型制作一种因红外线引起的发热而变形的纳米碳复合材料。我们制备了由水凝胶和聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）凝胶组成的层压材料，并观察了其因红外照射而产生的弯曲变形。在该层压材料中，变形被认为是由于温度升降时两层的膨胀率不同而引起的，通过在PNIPAM层中添加还原氧化石墨烯，可以因红外线照射和发热而发生弯曲变形据了解。在本研究中，我们使用碳纳米管（CNT）作为负责光热转换的纳米碳，并研究了CNT的添加量对与红外照射相关的温升和变形行为的影响。用红外光（波长810 nm）照射由NIPAM、PEGDA和具有不同MWCNT添加比例的多壁碳纳米管（MWCNT）分散体制备的层压材料，并测量温度变化和弯曲位移。对于低MWCNT添加率的样品，红外照射时达到的温度相对较低，但同时观察到重量损失和弯曲变形。另一方面，在具有高MWCNT添加率的样品中，温度升至PNIPAM的LCST附近，并且观察到弯曲变形而没有进一步的重量损失。这些结果表明，具有低 MWCNT 添加率的样品主要由于水蒸发而变形，而具有高 CNT 添加率的样品则由于基于 PNIPAM 的温度响应性的两层中的水运动而变形。

项目成果

CNT添加PNIPAM/PEGDA積層材料の赤外線誘起変形挙動

CNT掺杂PNIPAM/PEGDA层压材料的红外诱导变形行为

• 发表时间: 2023
• 作者: 高田知哉;猪多航平;阿部薫明
• 通讯作者: 阿部薫明