Unveiling trans-scale relationship between dynamic bonds and mechanical properties by homogeneous polymer networks

通过均质聚合物网络揭示动态键和机械性能之间的跨尺度关系

• 批准号: 21K14678
• 负责人: 中川 慎太郎
• 金额: $ 3万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K14678/
• 关键词: 架橋高分子; ゴム; エラストマー; 力学特性; 粘弾性; 動的結合; ゲル

ゲルやゴム等の架橋高分子は、多様な用途を有する産業上重要な材料である。架橋高分子を構成する三次元高分子網目に、弱く可逆な動的結合を組み込むことで、力学的な強靭性や自己修復性などの優れた機能を付与することができる。本研究の目的は、種々の動的結合が架橋高分子の物性に及ぼす効果を、動的結合の種類によらない普遍的法則として解明することである。そのために、構造を精密に制御したモデル架橋高分子の合成および特性評価、および量子化学計算等を用いた動的結合の特性評価を組み合わせた、スケール横断的な解析を行う。本年度の研究成果は、大きく分けて以下の2つである。【成果1】　前年度に確立した合成手法に基づき、まず種々の動的結合を導入するための共通のベースとなる高分子を大量に合成した。そして、動的結合として金属-配位子相互作用を有するモデル高分子を合成したほか、新たにイオン相互作用および水素結合を形成する官能基の導入にも成功した。これにより、動作原理の異なる三種類の動的結合を同一条件で定量的に比較評価可能な架橋高分子系を確立した。得られたモデル高分子の動的粘弾性を解析し、動的結合の分子レベルの解離・会合ダイナミクスが粘弾性特性に反映されていることを示唆する予備的結果を得ることができた。【成果2】　前年度に検討したポリエステル系高分子からなる構造均一な架橋高分子の力学特性を調査したところ、当初想定していなかった新たな知見を得た。当該架橋高分子は、顕に動的結合を導入していないにも関わらず優れた伸長性と靭性を示したほか、既存材料をはるかに凌駕する顕著なひずみ硬化性を示した。その場X線散乱法による解析の結果、印加されたひずみにより、高分子鎖が動的に秩序化し硬化することが、特異な物性の原因であることが分かった。当初想定していた形とは異なるが、これも一種の動的な構造による材料強化原理の発見であると言える。

Bridging polymers such as these have a variety of uses and are important materials in the industry. Bridging polymers are composed of three-dimensional polymer meshes, weakly reversible binding, mechanical toughness, self-healing, and excellent function. The purpose of this study is to clarify the general principles of the physical properties and effects of dynamic binding of bridging polymers The synthesis, characterization and quantum chemical calculation of bridging polymers are used to evaluate the properties of the molecules. This year's research results are as follows: [Result 1] In the past year, we have established a method for synthesizing basic materials and a method for introducing common materials into polymer synthesis. The introduction of functional groups into polymer synthesis, new interaction and water binding was successful due to the existence of metal-ligand interaction. A quantitative comparative evaluation of the possible bridging polymer system was carried out under the same conditions. The kinetic viscosity of the polymer was analyzed and the kinetic binding of the molecule was observed. [Result 2] Investigation of mechanical properties of bridged polymers in previous years When the bridging polymer is introduced into the medium, the elongation and toughness of the polymer are improved, and the hardness of the polymer is improved. The analysis results of field X-ray scattering method show that the order of polymer lock movement is hardening, and the cause of specific physical properties is different. The original idea is to determine the shape of a dynamic structure and the principle of material strengthening.

项目成果

ポリ(エーテル-エステル)を用いた均一網目構造を有するゲルの合成

使用聚醚酯合成具有均匀网络结构的凝胶

• 发表时间: 2022
• 作者: 佐々木 怜南;中川 慎太郎;吉江 尚子
• 通讯作者: 吉江 尚子

ポリ(1，5-ジオキセパン-2-オン)からなる均一高分子ゲルの合成

聚(1,5-二氧杂环庚烷-2-酮)均质聚合物凝胶的合成

• 发表时间: 2022
• 作者: 佐々木怜南;中川慎太郎;吉江尚子
• 通讯作者: 吉江尚子

Structure of a Star Bottlebrush Elastomer under Uniaxial Deformation

单轴变形下星形洗瓶刷弹性体的结构

• 发表时间: 2022
• 作者: Huang Xin;Nakagawa Shintaro;Houjou Hirohiko;Yoshie Naoko;中川慎太郎;Shintaro Nakagawa and Naoko Yoshie;Shintaro Nakagawa and Naoko Yoshie
• 通讯作者: Shintaro Nakagawa and Naoko Yoshie

巨大なひずみ硬化を示す高靭性ポリマーネットワーク

坚韧的聚合物网络表现出巨大的应变硬化

• 发表时间: 2022
• 作者: 中川 慎太郎;青木 大輔;吉江 尚子
• 通讯作者: 吉江 尚子

物理架橋の分子特性とデュアルネットワークエラストマーの力学特性のトランススケールな相関

物理交联分子性能与双网络弹性体机械性能之间的跨尺度相关性

• 发表时间: 2021
• 作者: 中川 慎太郎;青木 大輔;吉江 尚子;中川 慎太郎,Xin Huang,吉江 尚子;Shintaro Nakagawa,Xin Huang,Xiang Li,Mitsuhiro Shibayama,Naoko Yoshie;中川 慎太郎,Xin Huang,北條博彦,吉江 尚子
• 通讯作者: 中川 慎太郎,Xin Huang,北條博彦,吉江 尚子