Studies on tough inorganic/organic hybrid network gels containing ionic liquids

含离子液体的坚韧无机/有机杂化网络凝胶的研究

基本信息

批准号：
19J11528
负责人：
安井知己
金额：
$ 1.09万
依托单位：
Hokkaido University (2020)Kobe University (2019)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-25 至 2021-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本年度は、ナノコンポジット（NC）イオンゲルのネットワーク構造観察を行い、高強度発現機構について考察した。透過型電子顕微鏡（TEM）による構造観察の結果、NCイオンゲル中では、ダブルネットワーク（DN）イオンゲルとは全く異なり、粒子内部に低電子密度領域を有するシリカ二次粒子が高度に分散していることが分かった。NCイオンゲルの調製ではポリジメチルアクリルアミド（PDMAAm）ネットワークの存在下でシリカ粒子が形成されるため、粒子の成長過程でPDMAAm鎖を取り込んだシリカ二次粒子が形成されていると推測した。よって、粒子内部の低電子密度領域はPDMAAmの存在を示しており、PDMAAm鎖が貫通したシリカ二次粒子が形成されていると考えた。NCイオンゲルは高ひずみ側で急激に応力が増大する特徴的な応力-ひずみ曲線を示す。PDMAAm鎖を取り込んだシリカ二次粒子はPDMAAmネットワークの可動架橋点として機能すると考えられる。そのため、高ひずみ領域でPDMAAm鎖が高度に延伸され、その伸びきり効果によって応力が急激に増大したことで高い機械的強度を示したと考えられる。さらに、課題の実施によって得た知見を基に、2つの高強度ハイドロゲルを開発した。1つ目はオリゴマー電解質から構成される超分子フィルムネットワークを有する高強度ゲルである。当該ゲルは超分子フィルムから構成される物理架橋ネットワークの破壊に伴うエネルギー散逸機構によって優れた機械的強度を示した。さらに、当該ゲルは物理架橋ネットワークを有するにも関わらず、動的な機械的特性だけでなく静的な機械的特性を併せ持つことを見出した。2つ目はワンステップかつ高速で調製可能なDNゲルである。DNゲルの2つのネットワークを温和な条件で同時かつ独立に形成できる設計にすることで、今まで成し遂げられていなかったDNゲルのワンステップ高速調製を達成した。

今年，我们观察到纳米复合材料（NC）离子凝胶的网络结构，并讨论了高强度表达的机理。由于使用透射电子显微镜（TEM）进行结构观察的结果，发现在NC离子凝胶中，具有低电子密度区域的二氧化硅二级颗粒在NC离子凝胶中高度分散，与双网络（DN）离子凝胶完全不同。在制备NC离子凝胶中，在存在聚二甲基丙烯酰胺（PDMAAM）网络的情况下形成了二氧化硅颗粒，并猜测在颗粒的生长过程中已经形成了掺入PDMAAM链的次级二氧化硅颗粒。因此，颗粒内部的低电子密度区域表明存在PDMAAM，并认为形成了穿透PDMAAM链的二氧化硅颗粒。 NC离子凝胶显示出特征性应力 - 应变曲线，其中应力在高应变侧迅速增加。融合了PDMAAM链的二氧化硅二级颗粒被认为是PDMAAM网络中的移动交联点。因此，据信，PDMAAM链在高应变区域高度拉伸，并且由于拉伸效果而突然增加了应力，从而导致高机械强度。此外，根据通过实施这些发现获得的发现，开发了两个高强度水凝胶。第一个是高强度凝胶，具有由寡聚电解质组成的超分子膜网络。由于与超分子膜组成的物理交联网络的分解相关的能量耗散机制，凝胶表现出极好的机械强度。此外，尽管具有物理交联网络，但凝胶不仅具有动态机械性能，而且具有静态机械性能。第二个是DN凝胶，可以单个步骤和高速制备。通过设计两个可以在温和条件下同时独立形成的DN凝胶网络，我们已经实现了DN凝胶的一步高速制备，到目前为止尚未实现。