ナノ素材を用いた循環型機械材料の創成

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低エネルギーで循環する機械材料を創出することを目的に、ナノ素材であるグラフェンとポリマーを組み合わせてハイブリッド化させることで、高強度なフィルムを生み出すことに挑戦した。具体的には、グラファイトとセルロースナノファイバー分散液を混ぜ合わせ、3本ロールミルによる純せん断を付与することで、大面積でかつ薄層化したグラフェンの表面に、セルロースナノファイバーが吸着したハイブリッドシートを作り出し、高配向させてフィルム化させることで、ナノハイブリッドフィルムを作製した。まず市販のセルロールナノファイバーとグラファイトの分散液をロールミルしてフィルム化したが、引張強度は100MPa未満であり、目標値を大幅に下回る値が得られた。フィルムの断面観察をしたところ、セルロースナノファイバーのダマ（凝集体）があり、またグラファイトの剥離度も低いことが確認された。そこで、セルロースナノファイバーをpH10程度のアルカリ水で希釈し、高せん断を付与して分散させることで、ダマのない高分散のセルロースナノファイバーの分散液が得られた。この高分散分散液を用いてロールミル処理を行ったところ、ロールミルの処理回数を10回、20回、30回と増やすごとに強度が増加することが確認され、最大で250MPaのフィルムが得られた。剥離グラフェンの形態観察を行ったところ、大きさは約5μm、厚みは10nm程度であった。厚みが10nmであることはグラフェンシートの層数が30層程度あることを意味しており、この状態では層間でのすべりが発生しやすく、内部まで応力が伝わりにくい状態である。よって、目標とする強度まで高強度化されていないものと推察された。目標とするフィルムの強度(1000MPa)を達成するために、グラファイトの更なる薄層化を進め、グラファイトに強く吸着するバインダーを選定するなどの工夫を検討していく。