有機・無機ハイブリッド微粒子を基盤とした自己修復型ハードコート材料の開発

本研究では、自己修復材料における硬さ(弾性率)と修復性のトレードオフ解消を目的とし、シルセスキオキサン微粒子 (SQ-NPs) の構造的特性を活用した自己修復型ハイブリッド材料の開発を行った。これまで、イミダゾール含有SQ-NPs を塩化亜鉛との錯体形成することで、高い弾性率（2.13 GPa）と自己修復性（80 % の機械的特性を回復）を有する自己修復ハイブリッドの合成について報告している。しかしながら、得られたハイブリッドの破断ひずみは0.6 % 未満と低く、脆性的な破壊を示すものであった。また、破断面の修復には50℃の加熱処理が必要であり、自律的に破断面を修復することは困難であった。そこで2022年度は、金属錯体ハイブリッドの堅牢性の向上および自律的修復性の獲得に向け、物性と修復メカニズムの相関解明を目的とした。配位子と金属イオンの比率、および対イオンの構造などの金属錯体ハイブリッドを構成する様々な要素を系統的に変化させ、これらの特性に与える影響について粘弾性測定や引張試験の結果から考察した。各種測定から①配位子を過剰に組み込むことで自己触媒的に配位結合の組み換え反応を促進する②対イオンを介して配位結合が組み換わる③表面編析がガラス状態における破断面修復の鍵となることを結果から見出し、自己修復ハイブリッドにおける修復メカニズムと物性の相関を明らかとした。さらに、配位結合の組み換わりメカニズムの理解から配位子交換に由来するイオン伝導性の発現も見出すことに成功した。材料物性が分子鎖の絡み合いや結晶化に依存しないSQ-NPsの構造的特徴により、自己修復材料における配位結合の働きを解明することができた。これにより得られた結果と考察は新たな配位結合を用いた自己修復材料を開発する上で極めて重要な知見となりえる。

本研究では、自己修復材料における硬さ(弾性率)と修復性のトレードオフ解消を目的とし、シルセスキオキサン微粒子 (SQ-NPs) の構造的特性を活用した自己修復型ハイブリッド材料の開発を行った。これまで、イミダゾール含有SQ-NPs を塩化亜鉛との錯体形成することで、高い弾性率（2.13 GPa）と自己修復性（80 % の機械的特性を回復）を有する自己修復ハイブリッドの合成について報告している。しかしながら、得られたハイブリッドの破断ひずみは0.6 % 未満と低く、脆性的な破壊を示すものであった。また、破断面の修復には50℃の加熱処理が必要であり、自律的に破断面を修復することは困難であった。そこで2022年度は、金属錯体ハイブリッドの堅牢性の向上および自律的修復性の獲得に向け、物性と修復メカニズムの相関解明を目的とした。配位子と金属イオンの比率、および対イオンの構造などの金属錯体ハイブリッドを構成する様々な要素を系統的に変化させ、これらの特性に与える影響について粘弾性測定や引張試験の結果から考察した。各種測定から①配位子を過剰に組み込むことで自己触媒的に配位結合の組み換え反応を促進する②対イオンを介して配位結合が組み換わる③表面編析がガラス状態における破断面修復の鍵となることを結果から見出し、自己修復ハイブリッドにおける修復メカニズムと物性の相関を明らかとした。さらに、配位結合の組み換わりメカニズムの理解から配位子交換に由来するイオン伝導性の発現も見出すことに成功した。材料物性が分子鎖の絡み合いや結晶化に依存しないSQ-NPsの構造的特徴により、自己修復材料における配位結合の働きを解明することができた。これにより得られた結果と考察は新たな配位結合を用いた自己修復材料を開発する上で極めて重要な知見となりえる。