⓪目次
①背景
ポリマーネットワーク材料の歪みと応力の関係は、一般に図1左のような引張試験測定を行うことで調べられます。
この応力-歪み曲線の傾きは弾性率Eに対応しており、材料の硬さを意味します。
加えて、この曲線の積分値はタフネスTに対応しており、材料の靭性を意味します。
ここで、これらEとTは下記Lake-Thomasの式に基づいた関係性を有します。
T ~ νLNU ~ E-1/2
(ν: 架橋密度, L: 架橋点間距離, N: 架橋点間のモノマー数, U: モノマー間結合エネルギー)
すなわち、TはEの(-1/2)乗に比例しますので、硬いポリマーネットワーク材料は脆く、柔らかい材料はタフであるということになります。
これを説明したものが図2になります。
材料が硬くなった場合にはEとνが大きくなりますが、このとき架橋点間のモノマー数Nと架橋点間距離Lはどちらも小さくなり、タフネスに対して不利に働きます。
上述した関係から、「硬いのにタフなポリマーネットワーク材料をつくる」ということは一般的に困難であることが分かります。
そこで、「硬いのにタフなポリマーネットワーク材料をつくる」という試みは長らく研究者の関心を集めてきました。
その方法の一つとして着目されているのが、ダブルネットワーク材料の創製になります。
この材料はその名の通り、2種類の高分子ネットワークを単一材料内で組み合わせることにより真価が発揮されます。
図3左ではPoly(2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid) gel (以下、PAMPS gel)とPolyacrylamide gel (以下、PAAm gel)のS-S curveを例示していますが、それぞれ、単独では「硬いけど伸びないゲル」と「伸びるけど柔らかいゲル」であることが読み取れます。
一方、これら2つのネットワークを単一材料内で組み合わせたDouble Network gel (DN gel)の場合、PAMPS gel並みに硬くありつつも、PAAm gel並みに伸びるという挙動が確認できます。
この挙動をよりイメージしやすくなるように表したものが図3右となりますが、Single Network gel (SN gel, PAMPS gelかPAAm gel)はナイフでさくっと切れるのに対し、DN gelはナイフでもなかなか切れません。
ダブルネットワークゲルが強靭性を示すメカニズムについては図4のように説明されます。
本材料はその内部に1stネットワークと2ndネットワークの2つを内包しており、このうち1stネットワークは初めから伸長状態にあります。
ここでダブルネットワーク材料全体が伸長されると、既に伸長状態となっている1stネットワークの破断が様々な位置で起き、通常起きるような「特定箇所からの破断の進展」が抑制されることとなります。
すなわち、1stネットワークが犠牲結合となることによってエネルギーが散逸され、亀裂の進展が抑制されるということになります。
こうしたメカニズムにより、ダブルネットワーク材料は硬さとタフさを両立できるのです。
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