RESEARCH研究紹介
現在の材料創製産業は大量エネルギー消費型の産業であるため、高分子材料の長寿命化やリサイクルを視野に入れた低環境負荷材料の創製や研究開発は重要となります。今後の課題は環境共生であり、未来型エネルギーの低環境負荷・高効率エネルギー材料も期待されています。未来型エネルギーの低環境負荷・高効率エネルギー材料の一例としては、生分解性プラスチックや天然高分子、天然繊維材料などが挙げられます。石油化学材料の使用量を削減し、天然高分子や天然繊維材料で代替できれば環境にも優しく、地球温暖化防止にも繋がります。
また、新材料の開発や高機能化のためには、高分子材料の定量評価と設計を可能にするための基礎的な材料科学が必要です。当研究室では”ナノ構造制御”と”物性評価”を根幹とした研究を行っており、機能性材料開発や長期耐久性の観点から多くの企業に注目されています。本研究室で得られた成果は、高分子材料科学の発展のみならず、新しいテクノロジーに貢献することを目指し、日々研究しています。
01
ナノ孔薄膜グループ
高分子材料を薄膜化していくことにより、バルク中とは異なった性質を示すようになります。特に数～数十nm厚の超薄膜は表面活性が大きくなり、吸着特性などが向上します。さらに、トップダウン法によるナノ加工またはボトムアップ法によるナノ孔形成を行うことにより、新たな機能性の発現が期待できます。我々の研究室では、スピンコート法やキャスト法により高分子薄膜を作製し、ナノ孔を形成させるとともにナノ構造の評価ならびに制御を目指しています。
また、エレクトロスピニング法のように高電圧印加不要の回転遠心紡糸装置を独自に開発し、ナノ多孔質PLAファイバーの作製に成功しました。このナノ多孔質PLAファイバーは食品油やオイルの吸着性能に優れており、自重の約30倍のオイルを吸着することができます（100gのファイバーがあれば3kgのオイルを吸着できます）。2022年末時点において、世界一オイルを吸着できるナノ多孔質ファイバーマットです。
【関連論文】
1. 発明の名称：機能性ファイバ製造方法、機能性ファイバ製造装置および機能性ファイバ
発明者：山田和志、成田智恵子、特開2019-189985（2019/10/31公開）（特願2018-086371, 2018/04/27出願）
2. "Development of highly oil-absorbent polylactic-acid microfibers with a nanoporous structure via simple one-step centrifugal spinning", Linmei Zhang, Chieko Narita, Yuki Himeda, Hidekazu Honma, Kazushi Yamada*, Separation and Purification Technology, Volume 282, Part B, 2022, 120156. (https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.120156)
3. "Nanofabrication of high throughput 30 nm hole 2D arrays by a simple visible laser ablation technique", Kazushi Yamada*, Chieko Narita, Ramanujam Kumaresan, Takuya Shinohara, Mitsuhiro Terakawa, and Yasuyuki Tsuboi, Applied Surface Science, Vol.420, pp.868-872, 2017. (http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.05.243)
02
プラスチック材料の劣化評価グループ
高分子材料は安価で成形性に優れ、軽量であることから、金属や木材の代替材料として長く使われている。しかしながら、環境問題や石油枯渇問題などの観点から、プラスチック廃棄量を少しでも減らし、プラスチック製品を長く使い続けることは重要である。一方、多くの高分子材料は、光や熱、水など環境の作用を受けると劣化し易いことが知られている。そこで、我々の研究室においても、プラスチック成形品を高温環境下や高湿度下、紫外線照射など過酷な環境に晒すことによって加速劣化させ、プラスチック材料の長期耐久評価に関する研究を行ってきました。
また最近では、蛍光スペクトル法やその他分光法を駆使することにより、劣化前後のプラスチック材料の構造変化を捉えることに成功しています。今後はより簡便かつリアルタイムで計測できる技術の開発を目指しています。
【関連論文】
1."Effect of surface treatment of cotton fibers on the durability of polylactic acid/cotton-fiber biocomposites", Linmei Zhang, Jiaru Zhou, Hiroki Sakamoto, Kazushi Yamada*, Advanced Composite Materials (2022) 2055515. (https://doi.org/10.1080/09243046.2022.2055515)
2."Influence of residual chlorine and pressure on the degradation of water pipes of polyethylene of raised temperature", Takehiro Fujii, Hideo Hirabayashi, Yuichi Matsui, Kazushisa Igawa, Hidekazu Honma, and Kazushi Yamada*, Polymer Degradation and Stability, 194 (2021) 109760. (https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2021.109760)
3."Evaluation of degradation of ultraviolet-C irradiated polylactic acid/carbon-fiber composites using fluorescence spectroscopy", Badin Pinpathomrat, Chieko Narita, Atsushi Yokoyama, and Kazushi Yamada*, Advanced Composite Materials, 2021, Vol.30, 1943108. (https://doi.org/10.1080/09243046.2021.1943108)
03
天然高分子薄膜グループ
近年、環境問題や石油枯渇問題、さらにはマイクロプラスチック問題などの観点から生分解性高分子材料を用いた研究や天然高分子材料を用いた研究が盛んに行われています。我々の研究室においても、シルクフィブロインや漆を用いた薄膜に関する研究を行ってきました。
一方、天然材料は合成高分子と異なり、溶液やフィルムの作製プロセスにおいてノウハウが必要になってきます。そこで、より簡便かつ試薬フリーな薄膜作製方法の開発を試みています。またそれらフィルムに対して光や熱などの外場因子を加えることにより天然高分子薄膜の表面および内部構造に与える影響について評価するとともに新規ナノコンポジット材料の創製を目指しています。
【関連論文】
1."Plasticizing effect of lignin on urushi in bio-composite films", Chieko Narita, Yoko Okahisa, Kazushi Yamada*, Polymer, Vol.161, pp.49-54, 2019. (https://doi.org/10.1016/j.polymer.2018.11.063)
2."Influence of the type of Urushi and substrate on the chemical and physical properties of Urushi films", Chieko Narita, Kazushi Yamada*, Progress in Organic Coatings, Vol.105, pp.183-189, 2017. (http://dx.doi.org/10.1016/j.porgcoat.2017.01.004)
3."Influence of the finishing methods of Urushi products on degradation", Chieko Narita, Yutaro Shimode, Kazushi Yamada*, Progress in Organic Coatings, Vol.101, pp.379-384, 2016. (http://dx.doi.org/10.1016/j.porgcoat.2016.07.024)
04
フィルム接合グループ
普段何気なく買ったり食べたりしているお菓子やその他食料品のパッケージングは、ヒートシール法によりフィルム同士が貼り合わせられています。しかしながら、フィルム接合メカニズムについては十分な研究が行われておらず、不明瞭な部分も多く取り残されています。その結果、特定の使用環境下においてシール部分が破袋してしまったり、フィルム自体が破けたりすることも生じます。
我々の研究室ではプラスチックフィルムのシール部分における微細構造変化・結晶化などに着目しています。様々なプラスチックフィルムを用いてヒートシールを行い、シール時間や温度、シールバー表面形状の違いがシール特性に与える影響について、分光法や顕微鏡を用いて評価します。
【参考論文】
1."フッ素樹脂異種材の表面無損傷レーザ溶着―PFA とPTFE の溶着―", 佐藤 公俊, 山田 和志, Vol.35 No.2, 成形加工 (2023), 63-70. https://doi.org/10.4325/seikeikakou.35.63
2."Molecular Orientation Effect of Heat-Sealed PP Film on Peel Strength and Structure", Kazushi Yamada, Ken Miyata, Reiichi Konishi, Kiyomi Okada, Tetsuya Tsujii, Advances in Materials Physics and Chemistry, 2015, 5, 439-446.
3."A novel methodology for peel strength enhancement of heat-sealed oriented polypropylene/cast polypropylene film by tensile cyclic loading", Kazushi Yamada*, Ken Miyata, and Ramanujam Kumaresan, Materials Chemistry and Physics, Vol.187, pp.112-118, 2017. (http://dx.doi.org/10.1016/j.matchemphys.2016.11.054)