日本信州大學學術研究院的鈴木大介副教授等的研究團隊與橫濱橡膠株式會社（山石昌孝代表取締役社長）共同發佈研究成果稱，透過將輪烷分子導入自主開發的聚合物微粒子中，成功開發出了不需要添加劑和有機溶劑的具有高伸縮性、不易龜裂的聚合體材料。這種材料只需從聚合物微粒子和水組成的微粒子分散液中將水蒸發掉便可以製備，並且將其浸漬在水和乙醇的混合溶劑中，還可以恢復到原來的微粒子狀態。研究人員透過調查這種聚合體材料薄膜的物理性質，證實了其具有高抗裂性。該成果有望爲實施資源循環型社會做出貢獻。相關資料已發表在美國化學會發行的學術期刊《Langmuir》6月16日號上。
圖 可防止龜裂從切口擴展的強韌微粒子薄膜（供圖：信州大學）
此前研究團隊一直在致力於開展旨在自由控制塑膠等聚合體材料的穩定性和降解的研究。今年3月，團隊發佈報告稱，透過將幾十至100奈米左右的聚合物鏈微粒化，然後將其聚合形成聚合物薄膜，同時實施了強韌性和優異的降解性。經證實，只需將形成的聚合物薄膜浸入溶劑中即可分解爲原來的微粒子，並且可以多次重複利用。目前，聚合物的回收利用存在需要對環境負擔大的有機溶劑，以及比製備時更多的能源等課題。
另外，作爲聚合物橡膠的一種合成乳膠，只要將含有聚合物微粒子的微粒子分散液乾燥，就可以使微粒子彼此粘合從而形成微粒子薄膜，但存在的課題是微粒子之間的粘合面容易成爲區隔點，因此需要添加劑以防止該情況的發生。
此次，研究團隊透過將輪烷分子導入由合成橡膠材料聚丙烯酸乙酯和典型塑膠MMA（甲基丙烯酸甲酯）組成的聚合物微粒子中，成功形成了具有高伸縮性且不易龜裂的微粒子薄膜。輪烷分子是具有軸向分子貫穿環狀分子的結構的分子集合體，已知透過該分子交聯的凝膠材料能提升材料的機械性質。
製備時不需要添加劑等，僅透過蒸發含有粒子直徑爲100奈米左右的聚合物微粒子的微粒子分散水溶液的水即可形成微粒子薄膜。此外，將該微粒子薄膜浸進水和乙醇的混合溶劑中約24小時，可在不發生風化作用的情況下重新降解爲原來的聚合物微粒子。
對材料的水溶液施加超音波，形成膠體粒子，透過在該粒子内聚合的微乳化聚合（microemulsion polymerization）法制成聚合物微粒子，將水蒸發後，便可以形成聚合物微粒子相連的微粒子薄膜。據稱，只要微粒子中含有0.02mol％的輪烷分子就可以獲得上述材料特性。
使微粒子薄膜產生龜裂（切口），進行檢查耐久性撕裂試驗，觀察到了爲了阻止龜裂薄膜被拉長，裂紋以鋸齒狀擴展的情況。與此相對，一般薄膜的龜裂會快速擴展，幾乎在不延伸就直接斷裂。
利用小角X射線散射等方法檢查微粒子薄膜的内部結構時，應答了微粒子間的粘合表面處聚合物鏈彼此緊緊糾纏在一起。
爲了調查所製備的微粒子薄膜能夠抑制龜裂擴展的終極因數，研究人員改變撕裂速度（從1毫米/秒-100毫米/秒）進行了實驗，結果發現龜裂擴展爲鋸齒狀的情況隨着速度的增大而消失。這表明其與輪烷分子的環狀分子的運動性質有關。
研究團隊表示，今後將繼續操作研究具有其他性能的聚合體材料，並致力於開發可根據光和溫度等用途來分解和回收利用的材料。由於聚合物還用於半導體的粘合等，因此如果可以替代這些材料，預計將有助於稀有金屬等的回收。
鈴木副教授表示：「聚合物的回收利用通常需要大量能源，並且存在劣化問題，本次的研究成果與之前的成果具有本質上的區別。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
雜誌：Langmuir
論文：Nanoparticle-based Tough Polymers with Crack-propagation Resistance
DOI：https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.3c01226
