接着の分子論とその応用展開

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接着剤を用いた材料の接合は、溶接に代わる重要な基盤技術であり、次世代の自動車産業や航空産業など多くの先端工業分野で極めて重要である。一方、界面現象としての接着は興味深い基礎研究でもある。金属材料、炭素材料、無機材料などの被着材と高分子との接着において、それらの界面が原子・分子レベルでどのように形成されるのかについての、分子論的理解は必ずしも得られていない。また、接着界面構造がマクロな力学特性に及ぼす影響や、接着界面の破壊挙動や劣化機構の解明も進んでいない。このような背景のもとに、本研究では第一原理計算による接着と分子間相互作用の理論研究を実施し、「接着の分子論」を確立するとともに、その成果を産業界において応用展開する。我々はこれまでに接着面に垂直な力がかけられたときの引張接着力を求める方法を開発し、応用解析を進めてきた。それらの発展として、当該年度には接着面に平行な力がかけられたときのせん断接着力、および接着剤が端点側から引き剥がされたときのはく離接着力を見積もる方法を開発し、種々の表面に対するエポキシ樹脂の接着力を総合解析した。金属銅表面に対するせん断接着応力は、接着面に対し平行に近づく方向の変位であるほど減少し、摩擦力に類似した周期的な挙動を示した。シリカ表面に対するはく離接着力は、エポキシ樹脂の力点が表面から剥がれる過程と垂直に立ち上がったエポキシ樹脂が表面から離れる過程のそれぞれで極大となり、その最大値は引張接着力の約４割だった。この結果はエポキシ樹脂がはく離方向に弱い傾向を定性的に再現した。さらにアルミナ表面におけるエポキシ樹脂と硬化剤DDSの反応過程を分子動力学計算によってアプローチし、接着界面相互作用の解析を第一原理計算によって明らかにした。