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平成28年9月28日

東レ株式会社
科学技術振興機構(JST)
内閣府政策統括官(科学技術・イノベーション担当)

環動ポリマー構造を導入し竹のようにしなやかでタフなポリマー材料を開発

ポイント

内閣府 総合科学技術・イノベーション会議が主導する革新的研究開発推進プログラム(ImPACT)の伊藤 耕三 プログラム・マネージャーの研究開発プログラムの一環として、東レ株式会社の小林 定之 研究主幹のグループは、分子結合部がスライドする環動ポリマー構造を導入した「しなやかでタフなポリマー材料」を開発しました。

自動車や家電などに用いられるポリマー材料は、一般的に、硬くすると脆くなり壊れやすくなります。一方、壊れにくくするために柔らかい材料を配合すると、強度が低下するという課題があり、使用時には硬く強く(高剛性)、変形時には壊れにくい(高靭性)、硬くても力を受け流す竹のような材料の開発が望まれていました。

本研究グループは、ポリアミド注6)に、分子結合部がスライドする環動ポリマーの構造を組み込むことで、加えられた力を分子レベルで分散し、硬さや強さを保ちながらも、衝撃を受けても壊れにくい材料を開発することに世界で初めて成功しました。これは、ポリロタキサン注7)の分子設計に加え、2種類以上のプラスチックをナノメートル単位で最適に混合する東レ保有技術であるナノアロイ®を適用することで可能となったものです。開発した材料は、従来のポリアミドに比べて、約6倍の破断伸びと約20倍の屈曲耐久性を示しました。また、車体構造材を想定した衝撃試験では、2倍以上のエネルギーを吸収することがわかりました。

環動ポリマー構造の導入により、ポリマーの持つポテンシャルを最大限に引き出せる可能性があることから、今後、自動車、家電、スポーツ用品など、幅広い分野への応用展開とポリマー材料市場の拡大が期待されます。

本研究は、東京大学の伊藤 耕三 教授、大阪大学の原田 明 特任教授、山形大学の伊藤 浩志 教授、井上 隆 客員教授、九州大学の高原 淳 主幹教授、東京工業大学の中嶋 健 教授、理化学研究所の高田 昌樹 グループディレクターと星野 大樹 研究員、アドバンスト・ソフトマテリアルズ株式会社(ASM)の協力を得て行いました。

本成果は、以下のプログラム・研究開発課題によって得られました。

PM

小林 定之 研究主幹

内閣府 革新的研究開発推進プログラム(ImPACT) http://www.jst.go.jp/impact/

プログラム・マネージャー 伊藤 耕三
研究開発プログラム 超薄膜化・強靱化「しなやかなタフポリマー」の実現
研究開発課題 車体構造用高靭性樹脂の開発
研究開発責任者 小林 定之(東レ株式会社 化成品研究所 研究主幹)
研究期間 平成26年10月~平成30年3月

本研究開発課題では、東レ保有技術のナノアロイ®を駆使して、応力分散性に優れる環動ポリマー構造をナノメートルオーダーで分散させることにより、ポリアミド(ナイロン)を中心とした車体構造用材料の高靭性化に取り組んでいます。

<伊藤 耕三 プログラム・マネージャーのコメント>

PM

本研究チームでは、「車体構造用樹脂強靭化プロジェクト」において、ポリマー材料への環動ポリマー構造の導入により、従来困難であった高剛性と高靭性を高水準で両立した車体構造用材料を開発しています。今回の成果は、東レ保有技術のナノアロイ®の活用やアカデミアとの種々の連携を通して、ポリアミド中に環動ポリマー構造をナノメートルオーダーで分散させることに成功した結果、高剛性を保ったまま、従来の約6倍の伸びと20倍の屈曲耐久性を実現したものです。これにより、プロジェクトの最終目標達成の見通しが立ったと言えます。今後は、成形技術を構築して自動車分野への応用を具現化するとともに、スポーツ・レジャー用品、PC筐体など、自動車以外の分野にも応用展開することを期待しています。

<研究の背景と経緯>

東レは、ImPACT伊藤プログラムにおいて、ポリマー材料をタフでしなやかにする技術の開発に取り組んできました。ポリマー材料は、自動車のバンパーや内装、家電製品の筐体などの身近な部材に用いられることが多く、衝突や落下で壊れない必要があることからタフさが要求されます。一般的にポリマー材料は、硬い程壊れやすく、柔らかい程壊れにくい性質があります。そこで柔軟なゴムなどを添加し、壊れるのを防ぐことができますが、強度が低下するため、強い力には耐えることができません。

ポリマー材料は、長い分子が糸毬状に絡み合った構造を形成しています。力を受けて変形する際には、この糸毬状の分子がほぐれ、最後には一部分に力が集中し、切れることで壊れます。すなわち一部に力が集中してしまうことで、壊れやすくなり、ポリマー材料が本来持っているポテンシャルを十分に発揮しきれていない可能性があると考えられます。

一方、日本人と古くから関わりのある竹のしなやかさの起源は、柔軟な幹と、剛直な節にあります。つまり、節が特定の間隔で存在することで、変形する際に一部に力が集中せず、力が分散されます。このように、分子に加えられた力をできる限り分散させることができれば、竹のように硬くても、しなやかに力を受け流すことができ、ポリマー材料の持つポテンシャルを最大限に発揮させることができるのではないかと考えました。

<研究の内容>

今回、東レは分子結合部がスライドするポリロタキサンの構造をポリマー材料に組み込むことによって、硬さ、強度を保ったまま、伸びを大きく向上させた革新的な材料を開発しました。

ポリロタキサンはリング状の分子をひも状の分子が貫通した、数珠やネックレスのような構造を持ったポリマーです(図1(a))。このリング状の分子と、ポリマーの分子をつなぎ合わせることで、分子結合部がひも状の分子に沿ってスライドする環動ポリマー構造を組み込むことができます(図1(b))。

本プロジェクトでは、2つの工夫を施しました。1つはポリロタキサンの分子設計を行ったこと、もう1つは2種類以上のプラスチックをナノメートル単位で最適に混合する技術である東レのナノアロイ®を適用したことです。この結果、ベース樹脂とポリロタキサンの分子を結合させることが初めて可能となりました。

本技術をポリアミド(ナイロン)に適用することで、材料の破断伸びは環動ポリマー構造を組み込まない場合と比較して、約6倍に向上し、さらに繰り返し曲げ試験における屈曲耐久性を、約20倍に大幅に向上させることができました(図2)。硬さ、強度を保ったまま、これら特性を向上させた材料は、従来の、柔軟材料を添加する手法では得られませんでした。さらに、箱状成形品を用いた衝撃試験では、環動ポリマー構造を組み込むことで、破壊されにくくなり、約2倍強のエネルギー吸収性を示すことがわかりました(図3)。

このような特性の詳細については現在解析を進めています。開発材では、ポリアミドと比較し大きなクラック(ひび割れ)が発生することなく変形可能です。SPring-8や高精度電子顕微鏡を用いることで、数百ナノメートルの大きさの微細な孔を形成しながら大きく変形していることが初めてわかりました(図4)。このような孔の形成は、分子結合部がスライドする環動ポリマー構造がポリマー材料に組み込まれたことと密接に関係していると考えており、本構造により硬さ、強度を保ちながら大きく変形することが可能となっていると推定しています。

<今後の展開>

本研究で開発した環動ポリマー構造の導入技術により、ポリマーの持つポテンシャルを最大限に引き出せる可能性があることから、自動車、家電製品、スポーツ用品など、幅広い応用展開とポリマー材料市場の拡大が期待されます。東レは、本技術を適用したポリマー材料を、自動車用構造部材、衝撃吸収部材など、しなやかさの要求される構造用部材のベースポリマーとして展開し、新規用途の開発を進めます。

<参考図>

図1

  • (a) ポリロタキサン分子の模式図。リング状の分子をひも状の分子が貫通した構造を持っている。
  • (b) ポリロタキサンを架橋した環動ポリマー構造の模式図。引っ張られることで、リング状の分子がひも状の分子に沿って滑るように動く。

図2

  • (a) ダンベル状の試験片の引張試験結果。硬さ・強度を維持しつつ、開発材料は約6倍の破断伸びを示す。
  • (b) 破断までの繰り返し曲げ回数(屈曲耐久性)。厚さ1mmの試験片を繰り返し曲げた際に、破断するまでの曲げ回数。開発材料の耐久性は約20倍に向上。

図3

箱状成形品を用いた衝撃試験。高さ2mからおもりを落下。ポリアミドは変形せずに破壊されたのに対し、開発材料は変形しながらエネルギーを吸収した。

図4 高精度電子顕微鏡による変形時微細構造

<用語解説>

注1) ナノアロイ®
2種類以上のプラスチックをナノメートル単位で最適に混合する技術。(ナノアロイ®は、東レ株式会社の登録商標。図
注2) ポリマー
小さな分子が繰り返し結合してできた、ひも状の分子。プラスチック、化学繊維、ゴムはポリマーからできている。
注3) 環動ポリマー構造
分子の結合部分がスライド可能な分子構造。ポリロタキサン中の環状分子を目的のポリマーと架橋して作成する(図1(b))。
注4) 破断伸び
材料が引っ張られて変形し破断するまでに、どれだけ伸びたかを表す指標。破断伸度。
注5) 屈曲耐久性
試験片を繰り返し曲げ、疲労させた際の耐久性。破断するまでの繰り返し曲げ回数を指標とした。
注6) ポリアミド
ポリマーの1つで、通称ナイロンと呼ばれる。東レが日本で初めて量産を開始。自動車、電子・機械部品や、雑貨、包装、建材の分野まで幅広く用いられている。
注7) ポリロタキサン
リング状の分子をひも状の分子が貫通した、数珠やネックレスのような構造を持ったポリマー(図1(a))。

<お問い合わせ先>

<研究に関すること>

小林 定之
東レ株式会社 化成品研究所 研究主幹
〒455-8502 愛知県名古屋市港区大江町9番地の1
Tel:052-613-5266 Fax:052-613-5168
E-mail:

<ImPACTの事業に関すること>

内閣府 革新的研究開発推進プログラム担当室
〒100-8914 東京都千代田区永田町1-6-1
Tel:03-6257-1339

<ImPACTプログラム内容およびPMに関すること>

科学技術振興機構 革新的研究開発推進室
〒102-0076 東京都千代田区五番町7 K’s五番町
Tel:03-6380-9012 Fax:03-6380-8263
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<報道担当>

東レ株式会社 広報室
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科学技術振興機構 広報課
〒102-0081 東京都千代田区四番町5番地3
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