日本信州大学学术研究院的铃木大介副教授等的研究团队与横滨橡胶株式会社（山石昌孝代表取缔役社长）共同发布研究成果称，通过将轮烷分子导入自主开发的高分子微粒子中，成功开发出了不需要添加剂和有机溶剂的具有高伸缩性、不易龟裂的高分子材料。这种材料只需从高分子微粒子和水组成的微粒子分散液中将水蒸发掉便可以制备，并且将其浸泡在水和乙醇的混合溶剂中，还可以恢复到原来的微粒子状态。研究人员通过调查这种高分子材料薄膜的物理性质，证实了其具有高抗裂性。该成果有望为实现资源循环型社会做出贡献。相关数据已发表在美国化学会发行的学术期刊《Langmuir》6月16日号上。
图 可防止龟裂从切口扩展的强韧微粒子薄膜（供图：信州大学）
此前研究团队一直在致力于开展旨在自由控制塑料等高分子材料的稳定性和降解的研究。今年3月，团队发布报告称，通过将几十至100纳米左右的高分子链微粒化，然后将其聚合形成高分子薄膜，同时实现了强韧性和优异的降解性。经证实，只需将形成的高分子薄膜浸入溶剂中即可分解为原来的微粒子，并且可以多次重复利用。目前，高分子的回收利用存在需要对环境负担大的有机溶剂，以及比制备时更多的能源等课题。
另外，作为高分子橡胶的一种合成胶乳，只要将含有高分子微粒子的微粒子分散液干燥，就可以使微粒子彼此粘合从而形成微粒子薄膜，但存在的课题是微粒子之间的粘合面容易成为断裂点，因此需要添加剂以防止该情况的发生。
此次，研究团队通过将轮烷分子导入由合成橡胶材料聚丙烯酸乙酯和典型塑料MMA（甲基丙烯酸甲酯）组成的高分子微粒子中，成功形成了具有高伸缩性且不易龟裂的微粒子薄膜。轮烷分子是具有轴向分子贯穿环状分子的结构的分子集合体，已知通过该分子交联的凝胶材料能提升材料的力学性能。
制备时不需要添加剂等，仅通过蒸发含有粒子直径为100纳米左右的高分子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，将该微粒子薄膜浸入水和乙醇的混合溶剂中约24小时，可在不发生老化的情况下重新降解为原来的高分子微粒子。
对材料的水溶液施加超声波，形成胶体粒子，通过在该粒子内聚合的微乳液聚合（microemulsion polymerization）法制成高分子微粒子，将水蒸发后，便可以形成高分子微粒子相连的微粒子薄膜。据称，只要微粒子中含有0.02mol％的轮烷分子就可以获得上述材料特性。
使微粒子薄膜产生龟裂（切口），进行检查耐久性撕裂试验，观察到了为了阻止龟裂薄膜被拉长，裂纹以锯齿状扩展的情况。与此相对，一般薄膜的龟裂会快速扩展，几乎在不伸长就直接断裂。
利用小角X射线散射等方法检查微粒子薄膜的内部结构时，确认了微粒子间的粘合表面处高分子链彼此紧紧纠缠在一起。
为了调查所制备的微粒子薄膜能够抑制龟裂扩展的原因，研究人员改变撕裂速度（从1毫米/秒-100毫米/秒）进行了实验，结果发现龟裂扩展为锯齿状的情况随着速度的增大而消失。这表明其与轮烷分子的环状分子的运动性质有关。
研究团队表示，今后将继续研究具有其他性能的高分子材料，并致力于开发可根据光和温度等用途来分解和回收利用的材料。由于高分子还用于半导体的粘合等，因此如果可以替代这些材料，预计将有助于稀有金属等的回收。
铃木副教授表示：“高分子的回收利用通常需要大量能源，并且存在劣化问题，本次的研究成果与之前的成果具有本质上的区别。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Langmuir
论文：Nanoparticle-based Tough Polymers with Crack-propagation Resistance
DOI：https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.3c01226
