 研究目的 〜目に見えない高分子を自在に操る〜 |
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私がこれまで取り組んできた研究は、高分子の構造と物性についての基礎研究です。高分子鎖はヒモのように長いため、互いに絡み合うという特性を持っています。この特性をうまく制御することで、プラスチック製品の強度や透明性を高めることができます。具体的な研究内容としては、プラスチック製造過程での絡み合い特性の変化をリアルタイムで追跡しています。目に見えない高分子のヒモを操ることによって、プラスチック材料の構造や物性を自在に変化させることができる。これが、この研究の学術的なおもしろさです。また、現在は試行錯誤的であるプラスチック製品の製造過程が予測可能なものとなり、結果として製品化におけるコスト削減につながっていくという産業的な可能性にも期待しています。
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| 研究内容 |
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モデルポリマーとして高分子の中で最もシンプルな化学構造を有するポリエチレンを主に取り上げ、その溶融延伸過程における構造形成挙動の解析を行ってきました。特に、超高分子量ポリエチレン（UHMW-PE）の溶融延伸過程においては六方晶への一時通過的な結晶化が起こることが我々の研究から明らかとなっており、この特異な挙動を解析することにより、分子鎖絡み合い状態の変化を顕在化させることが可能であると考えられます。そこで、UHMW-PEの溶融延伸過程における一時通過型結晶化挙動を分子鎖の状態変化の指標とし、その変形過程をin-situ（その場）で計測することで、分子鎖状態の直接的な観察を行いました。
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分子鎖状態の解析として、まず、一時通過型結晶化がどのような分子鎖絡み合い成分によって誘起されているかを定量的に見積もるため、分子鎖絡み合い密度（分子鎖一本あたりの絡み合い数）を変化させたUHMW-PE試料を作製し、SPring-8のシンクロトロン放射光を用いたin-situ X線計測によってその溶融延伸過程における相構造変化を解析しました。その結果、溶融延伸過程においては、分子鎖絡み合いの異なる成分の「相分離」が起こることが明らかとなりました。さらに、この挙動と構造形成が密接に相関していることも見出しました。これらの結果と電子顕微鏡によるモルフォロジー観察とを組み合わせることによって、分子鎖絡み合い特性が構造形成機構を支配していることを総合的に明らかにしています。
このような溶融延伸過程での構造形成メカニズムに関する知見は他の高分子材料にも展開することが可能であることから、本アプローチは成形加工過程における構造変化の解明といった産業的な意味も有しています。
また、溶融非晶鎖の構造変化を直接的に観察する手法として核磁気共鳴分光（NMR）法に注目し、同様にin-situ計測を行うことで絡み合い状態の変化に伴う緩和時間変化を評価しました。その結果、溶融非晶状態における分子鎖構造の成分分離に成功し、溶融延伸過程での分子鎖絡み合いの解きほぐしに伴う構造変化を捉えることができました。すなわち、このin-situ NMR計測によって、これまでは不可能であった成形加工過程における分子鎖絡み合い状態の程度の違いを直接的に検知することに成功しています。
これら一連の研究を通して、高分子材料の構造解析がその機能化を目指すうえで果たす役割について追求してきています。
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 関連論文
- Hiroki Uehara, Masaki Kakiage, Takeshi Yamanobe, Tadashi Komoto, and Syozo Murakami, “Phase Development Mechanism during Drawing from Highly Entangled Polyethylene Melts”, Macromolecular Rapid Communications 2006, 27(12), 966-970.
- Masaki Kakiage, Takeshi Yamanobe, Tadashi Komoto, Syozo Murakami, and Hiroki Uehara, “Effects of Molecular Characteristics and Processing Conditions on Melt-Drawing Behavior of Ultrahigh Molecular Weight Polyethylene”, Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics 2006, 44(17), 2455-2467.
- Masaki Kakiage, Takeshi Yamanobe, Tadashi Komoto, Syozo Murakami, and Hiroki Uehara, “Transient Crystallization during Drawing from Ultra-High Molecular Weight Polyethylene Melts Having Different Entanglement Characteristics”, Polymer 2006, 47(23), 8053-8060.
- Jun-ichi Suwa, Masaki Kakiage, Takeshi Yamanobe, Tadashi Komoto, and Hiroki Uehara, “Molecular Weight Segregation on Surfaces of Polyethylene Blended Films as Estimated from Nanoscratch Tests Using Scanning Probe Microscopy”, Langmuir 2007, 23(11), 5882-5885.
- Hiroki Uehara, Ayako Uehara, Masaki Kakiage, Hiroshi Takahashi, Syozo Murakami, Takeshi Yamanobe, and Tadashi Komoto,
“Solid-State Characterization of Polyethylene Reactor Powders and Their
Structural Changes upon Annealing”, Polymer 2007, 48(15), 4547-4557.
- Hiroki Uehara, Kei-ichi Takeuchi, Masaki Kakiage, Takeshi Yamanobe, and Tadashi Komoto, “Nanoperiodic Arrangement of Crystal/Amorphous Phases Induced by Tensile Drawing of Highly Entangled Polyethylene”, Macromolecules 2007, 40(16), 5820-5826.
- Takashi Morioka, Masaki Kakiage, Takeshi Yamanobe, Tadashi Komoto, Yoshiaki Higuchi, Hiroki Kamiya, Kiyotaka Arai, Syozo Murakami, and Hiroki Uehara,“Oriented Crystallization Induced by Uniaxial Drawing from Poly(tetrafluoroethylene) Melt”, Macromolecules 2007, 40(26), 9413-9419.
- Masaki Kakiage, Miho Sekiya, Takeshi Yamanobe, Tadashi Komoto, Sono Sasaki, Syozo Murakami, and Hiroki Uehara, “In Situ SAXS Analysis of Extended-Chain Crystallization during Melt-Drawing of Ultra-High Molecular Weight Polyethylene”, Polymer 2007, 48(25), 7385-7392.
- 撹上将規、上原宏樹、「ポリエチレン溶融延伸過程における一時通過型結晶化挙動のin-situ計測」、日本放射光学会誌「放射光」、第20巻6号、356-366 (2007).
- Masaki Kakiage, Miho Sekiya, Takeshi Yamanobe, Tadashi Komoto, Sono Sasaki, Syozo Murakami, and Hiroki Uehara, “Phase Transitions during Heating of Melt-Drawn Ultrahigh Molecular Weight Polyethylenes Having Different Molecular Characteristics”, The Journal of Physical Chemistry B 2008, 112(17), 5311-5316.
- Masaki Kakiage, Hiroki Uehara, and Takeshi Yamanobe, “Novel in situ NMR Measurement System for Evaluating Molecular Mobility during Drawing from Highly Entangled Polyethylene Melts”, Macromolecular Rapid Communications 2008, 29(19), 1571-1576.
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