側鎖にイミダゾリウム塩を有するポリマーブラシの界面ダイナミクスの精密解析

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本研究では、高分子電解質ブラシが示す極低摩擦特性に及ぼす分子鎖形態および分子鎖運動特性の影響を明らかにすることを目的とし、カチオン性高分子電解質ブラシをモデルとして研究を行った。高分子電解質ブラシは溶液中のイオン強度により、その膨潤形態や分子鎖形態が変化することが知られており、このような分子鎖形態の変化は低摩擦特性を含む高分子電解質ブラシの表面物性にも大きく影響すると考えられる。本年度は、カチオン性のpoly [2-(methacryloyloxy) ethyltrimethylammonium chloride](PMTAC)ブラシをシリカ粒子上に調製し、塩化ナトリウム水溶液中における分子鎖形態に与えるイオン強度の影響を、超小角X線散乱測定(USAXS)および小角X線散乱測定(SAXS)に基づき評価を行った。さらに、表面間力測定装置を用いて、塩化ナトリウム水溶液中において対向させた2つのPMTACブラシ間に働く摩擦力の塩濃度依存性について調べ、PMTACブラシ鎖の分子鎖形態と摩擦力の相関について検討を行った。小角X線散乱によりPMTACブラシ鎖の膨潤膜厚は、孤立鎖として存在した場合よりも2倍程度大きく、また伸び切り鎖長のおよそ50%程度に達しており、塩化ナトリウム水溶液中においてPMTACブラシ鎖は高度に伸長した形態を取っていることがわかった。シリカ粒子のコア半径が96㎚のPMTACブラシの膨潤挙動は全て濃厚ポリマーブラシ領域のスケーリング則で記述できるのに対し、コア半径が53nmのものは、0.1Mおよび0.5Mの塩化ナトリウム水溶液中において、濃厚ポリマーブラシ領域から準希薄ポリマーブラシ領域への転移が起こっていることが示唆された。一方で、PMTACブラシは0.1、1、10mMの塩化ナトリウム水溶液中においては10^<-4>オーダーの非常に低い摩擦係数を示すものの、塩濃度が100mM以上になると摩擦係数は10^<-2>オーダーに転移した。この急激な摩擦係数の変化は、グラフト鎖の、延伸された形態から収縮した形態への分子鎖形態の変化、およびブラシ鎖間に働く静電反発力が溶液の塩濃度の増大により遮蔽されたことなど、多くの要因が重なって起こったものであると推測される。