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フォト弾性率パターニングによる"不均質"樹脂の開発 ~省資源化に向けた新規樹脂設計コンセプト~

 名古屋工業大学は2021年8月20日,同大学大学院工学研究科工学専攻生命・応用化学系プログラムの林 幹大助教らが,熱架橋性官能基と光架橋性官能基を導入したポリマーを用い,フィルム内で局所的に弾性率(硬さ)が可変となる樹脂の調製に成功した,と発表した.本研究は,公益財団法人江野科学振興財団の支援を受けて行われ,成果は学術雑誌Polymerにオンライン掲載された(注).

 従来の高分子設計は,ひとつの分子設計に対して,特有の単一力学特性を示す“均質”な材料を与えることを目的としており,樹脂は均質なものであるという概念が一般化している.しかし自然界の生物で使われる材料では,様々な硬さを有する構成物が組み合わされた構造をとることが普通である.一方,人工的な材料においても,それぞれ特性の異なる複数の均質材料を組み合わせて力学特性の向上を計る複合化が行われている.そこで,本研究では,単一の高分子材料を用いながら,局所的に弾性率を変化させてマクロな力学特性を制御する技術が開発された.

 研究者らは,分子内に熱架橋性官能基と光架橋性官能基を持つポリエステルを設計した.第一段階では,このポリマーに架橋剤を加え加熱して熱架橋反応させる.すると熱架橋性官能基のみが反応(カルボン酸基とエポキシ基の開環反応)してエラストマーフィルムが得られる.次に,このフィルムに波長365nmの紫外線を照射すると,光架橋性官能基が反応(シンナモイル基の架橋反応)してさらに架橋密度や弾性率が高まる.光架橋は紫外線照射量で制御され,照射前後で弾性率は0.1MPaから66MPaまで2桁以上変化しガラス転位温度も上昇する.この紫外線照射をフォトマスクを介してパターニングして行うことで,局所的に弾性率の異なるフィルムが得られる.フォトマスクのスリット数とスリット面積を調節して,フィルム内に高弾性率部位と低弾性率部位のパターニング様式(パターニングの方向,パターニングのピッチ等)を変化させると,フィルムの伸長特性や破断特性の制御が可能となる.研究者らは,変形方向に水平なパターニングでは,高変形領域と非変形領域が自在に制御できること,また,変形方向に垂直なパターニングでは.変形下での亀裂伝播が抑制されて難破壊材料が得られることを見出した.

 本研究のコンセプトによれば,単一素材に弾性率の微細パターニングを行うことで,伸長特性や破壊特性を自在に制御可能となり,目的の力学特性を有する樹脂を別々に合成する必要が無く,省資源につながると期待される.研究グループは本技術を特許出願するとともに,今後は,一方向のパターニングばかりでなく,同心円状,格子状,ドット状などの複雑なパターニングも行い,フレキシブルデバイス,ウェアラブルデバイス,ロボットなどへの活用を目指すという.

(注)Kanta Sugimoto, Mikihiro Hayashi, Isamu Kawarazaki, and Shuto Ito, "Versatile tensile and frac-ture behaviors of dual cross-linked elastomers by postpreparation photo tuning of local cross-link densi-ty", Polymer,  Volume 230, 16 September 2021, 124089, DOI: 10.1016/j.polymer.2021.124089; Available online 12 August 2021.