UV照射型3Dプリンターを活用した、異種ポリマーのパターニング技術を開発名古屋工業大学

名古屋工業大学大学院工学研究科の林幹大助教らは2023年6月7日、UV照射型3Dプリンターの新しい利用法に基づき、異種ポリマーのパターニング技術「デジタルフォトパターニング重合」を開発したと発表した。同一樹脂内で、硬／柔、弾性／塑性、親水／疎水など異なる性質を有するポリマーを複合化できる。

自然界では、昆虫、甲殻類の身体、昆虫の翅（羽）、植物など、硬軟層の適材適所のパターニングを利用した機能化が当たり前になされているが、人工樹脂は均質なものがほとんどで、これまで分子開発に注力した機能発現には限界があった。特に次世代産業の中では、力学的にユニークな材料が重宝される場合がほとんどだった。

今回の研究では単一ポリマーからなる均質樹脂では複雑な性質を発現するのは難しいことから、人工樹脂に自然界でよく見られるパターニングの概念をトレースする技術を開発した。

デジタルフォトパターニング技術によるパターニング樹脂調製の概要

樹脂調製プロセスの第1ステップでは、架橋樹脂フィルムをビニルモノマー／光重合開始剤溶液へ浸漬し、モノマーを内包させる。第2ステップとして、UV光を用いた光重合によって内包モノマーをポリマー化する。その際に、光照射型の3Dプリンター（LCDタイプ）を用いて、フィルム上にパソコン上で描いた光照射箇所のデザインを転写し、箇所選択的に重合を進行させる。

未反応モノマー除去／乾燥後、異種ポリマーが光照射パターンに沿って複合化したパターニングフィルムが得られる。複雑な構成ポリマーの合成をせずに、多様なパターニングがデザインソフトによってデジタルな方法でできる。化学的にパターニング界面が連結されるため、接着プロセスが不要で、大変形での界面剥離の問題もない。

開発した技術により、力学的異方性材料や、親水-疎水パターニングよる局所ゲルフィルム、座屈現象に基づくモーフィング（morphing）などユニークな特性を示すパターニング樹脂が調製できる。

最も単純な例として、ゴム状母材樹脂中に、ガラス状ポリマーをパターニングしたフィルムの箇所選択的な変形では、N, N-ジメチルアクリルアミドをパターニング部で重合させた。このパターニングフィルムでは、伸長後の収縮（除荷）過程において、応力が塑性変形性のパターニング部では早々と喪失して伸び切ってしまう。しかし、弾性的な母材樹脂部では長さが回復していく。

除荷過程での各部位の戻りやすさが異なることに起因して、弾性変形部の伸長回復に追従できない塑性変形部が座屈し、リンクルが発現する。また、最大ひずみに応じたリンクル周期（ピッチ）の制御も達成。これは、ボトムアップでの立体成形（morphing）技術としての応用が期待できる。

開発した技術は今後、異種ポリマーの自在のパターニングにより、特に力学的性質（強靭性、ダンピング（制振）性、力学的異方性、摩擦特性）に関する機能に展開。これは、ロボティクス、ドローン、ウェアラブルデバイス、フレキシブルデバイスなどの先端産業分野などへ応用できる。

さらに、構成ポリマーの性質さえ把握しておけば、各パターニング様式に応じた最終的な性質をあらかじめ設計できるという利点もある。これは、デジタルトランスフォーメーション（DX）やAIを含む最先端技術とも融合できる。他分野との研究連携により、単一ポリマーからなる均質樹脂では成し得ない機能発現につながることが期待される。

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