Structural Design of Acryl/Silica Nano-Composite Emulsions and Their Films

アクリル／シリカナノコンポジットエマルションおよびそのフィルムの構造設計

2019-09-25

2019-09-25

近年、有機ポリマーと無機フィラーを複合化することによって、両者の特徴を併せ持つ有機／無機ハイブリッド材料を作り出す技術が開発されている。有機ポリマーは、軽量かつ加工性に優れ、柔軟性や耐衝撃性に優れている反面、強度、耐熱性は無機材料に比べて劣っている。両者を複合化した有機-無機ハイブリッド材料では、両方の長所を取り込み、短所をできるだけ排除した材料となるため、様々な高性能、高機能材料が実現される。このような有機／無機ハイブリッド材料に関する研究は1980年代より始まったが、1990年代になると直径がnmオーダーの無機ナノ粒子をハイブリッド化する研究が多くなった。このよう材料は有機／無機ナノコンポジット材料と呼ばれ、少量の無機ナノ粒子を有機ポリマーと複合化することにより材料特性を飛躍的に向上させることが可能となる。また、その特性は、有機ポリマー中の無機粒子の分散度や無機粒子の表面特性に大きく依存するが、無機ナノ粒子が凝集しやすいうえその分散が高剪断撹拌またはボールミル等による混合によって行われることが多いため、均質な混合状態が得られず、粒子のナノサイズ効果が発揮されない場合が多い。より良好な無機ナノ粒子の分散状態を実現するには、無機粒子をマトリックスとなる有機ポリマーで被覆したコア／シェル構造にすることが有力である。以前から、申請者は、比較的低い曇点（Tcp = 40℃）を持つ、非イオン性界面活性剤をナノシリカ粒子の表面改質剤として用い、乳化重合法によってコロイダルシリカとポリアクリレートのナノコンポジット粒子を得ることに成功した。そして、この方法で得られたエマルションを「ナノコンポジットエマルション（NCE）」と命名し、その生成機構と特長となる特性の探索を続けてきた。本研究では、このNCEから得られるハイブリッドフィルムの特性解析を行なうとともに、薄いポリアクリレートシェルからなるNCEを新たに合成し、その構造と用途展開について検討を行い、新しい知見を得た。本論文は、研究の位置づけをのべた序章と次の2章からなる。第1章　アクリル/シリカナノ複合エマルションから調製した無機 - 有機ハイブリッドフィルムの特異な構造と性質　コロイダルシリカ（直径約30nm）に低曇点の非イオン性界面活性剤を混合し、その曇点より以上の温度で撹拌することにより、シリカナノ粒子の表面上に沈積させた後、アクリルモノマーを添加して乳化重合させることにより、ポリアククリレートシェルに包まれたコアシェル型シリカーアクリルナノ粒子（直径約60nm）からなるナノコンポジットエマルジョン（NCE）を作製した。得られたNCEをキャスト成形することにより、シリカーアクリルハイブリッドフィルムを調製した。 得られたフィルムの透明性は、ポリマーに対するシリカ重量含有率が150w%まで保たれたことより、高いナノシリカ粒子の分散性が維持すされることを確認した。また、NCEから得られたハイブリッドフィルムの熱的および機械的性質を様々な方法で評価し、対応するアクリルエマルションとコロイダルシリカの単純ブレンドフィルムの特性と比較した。その結果、透明性の高いハイブリッドフィルムでは高温強度が向上することが明らかとなった。第2章　ポリアクリレートで薄く被覆されたコロイダルシリカ：シリカナノ粒子を凝集させることなくハイブリッドフィルムを調製を可能とする無機エマルション改質材 コロイダルシリカ粒子を非常に薄いポリアクリレート層で被覆した新規なナノコンポジットエマルション（PreEm）を低曇点（Tcp = 40℃）の非イオン性界面活性剤を用いて調整した。得られたコロイド粒子の走査型透過電子顕微鏡像よりシリカナノ粒子の周りに非常に薄いポリアクリレート層（厚さ約1～3nm）の存在が確認できた。これらPreEm粒子は容易に通常のアクリルエマルション（AcEm）に混合することができ、それによりシリカ／アクリル混合エマルションを得た。その混合エマルションを用いることによりシリカ／ポリアクリレート重量比150／100未満において、コロイドシリカ粒子が凝集を生ずることなくポリマーマトリックスに分散した透明なコーティングフィルムを得ることができた。この形態は、裸のコロイダルシリカとAcEmとの混合エマルションや厚いポリアクリレート層で覆われたシリカ粒子からなる従来のナノコンポジットエマルション（NCE）から得られたフィルムに示される粒子凝集形態とは異なっていた。PreEm / AcEmフィルムでは、シリカ含有量を150w％まで増加させることにより表面硬度が増加する傾向を示した。これらのデータは、シリカ - ポリアクリレートハイブリッドフィルムの特性を制御する際のPreEmの有効性を支持している。以上の結果より、NCEの構造-物性相関が明らかとなり、今後のナノコンポジット材料の発展に寄与するものと思われる。

博士(工学)

京都工芸繊維大学

14303甲第942号

http://hdl.handle.net/10212/2552

eng

ETD

12

Thesis or Dissertation

Thesis