高温での物性安定性、変形安定性を付与した新規熱可塑性エラストマーを開発名古屋工業大学

名古屋工業大学は2024年9月4日、科学技術振興機構（JST）戦略的創造研究推進事業において、結合交換コンセプトを拡張した新規熱可塑性エラストマー（TPE）を開発したと発表した。高温での物性安定性、変形安定性を付与している。

室温でゴム弾性を示し、高温で流動可能（分子運動可能）な工業樹脂であるTPEは、リサイクル性、再成形性という長所を有し、加硫ゴムの代替として需要拡大が見込まれている。しかし、TPEは化学的な架橋結合を有しておらず、高温安定性や変形安定性に課題がある。

今回は、橋架け鎖（ストランド）上にこれまで研究してきた「自発的にナノスケールで凝集する結合組み替えユニット（結合交換性ナノ凝集体）」を導入した、新規ブロックコポリマー型TPEを開発した。この場合、ガラス鎖が集合した架橋ドメイン（主架橋ドメイン）に加え、結合交換性ナノ凝集体も架橋ドメイン（サブ架橋ドメイン）となる「デュアル（二重）架橋ドメイン構造」が形成される。

これまで研究してきたピリジン四級化結合を架橋点として導入した機能性ポリマーの設計を、TPEの典型的な構成ポリマーであるポリスチレン-ポリブタジエン-ポリスチレン（SBS）コポリマーへ展開している。

具体的にはまず、SBSを出発物質とし、ピリジン基をポリブタジエン鎖に導入して、このポリマーを架橋前駆体とする。ジハロゲン化合物を加えて加熱処理すると、ピリジン四級化結合を介してポリブタジエン鎖間が架橋される。ピリジン四級化結合が、高極性な四級化結合と低極性なブタジエン鎖間での斥力により凝集し、この凝集がサブ架橋ドメインの役割を果たす。

サブ架橋ドメインが形成される効果は、動的粘弾性測定における高温での弾性率安定性、室温での引っ張り試験、サイクル試験でのヤング率や、形状回復性などの物性向上へ反映される。一方で、TPEとしての代表的な性質である高温での分子運動性、代表的な機能として再成形、リサイクル性の発現は維持されている。

(a) 温度分散粘弾性測定データ。実線で図示しているように、サブ架橋ドメイン導入後は貯蔵弾性率が3倍程度大きくなっている（左側の縦軸は対数目盛）。また、導入前は100℃付近でポリスチレンのガラス転移により急激な弾性率（貯蔵弾性率：Eʹ）低下が起きているが、サブ架橋ドメイン導入後は200℃近くまで安定した弾性率を示す。
(b) サイクル試験データ。伸長過程では、サブ架橋ドメイン導入によってグラフの傾きが急になっている（つまりヤング率が増大している）。また収縮過程では、最終的に元の長さ（strain=0％）に戻りやすくなっている。
(c) 応力緩和試験データ（縦軸は規格化した緩和弾性率）
(d) 細断した試料に対するリサイクル性の確認。加熱、加圧後に一枚の融合フィルムとして再生していることがわかる。
(c)、(d)はサブ架橋ドメイン導入後の試料に対する結果

リサイクル性は、加熱によりサブ架橋ドメイン内で結合交換が活性化され、分子運動ができることが理由となる。分子の状態で説明すると、結合組み替え機構が活性化している温度領域で、ポリブタジエン鎖の分子運動性が高くなることを意味する。結合交換性サブ架橋ドメインを導入したデュアル架橋ドメイン構造設計により、熱可塑性的性質を維持したままの物性向上を実現できた。

研究の成果であるコンセプトは、TPEとしての長所を喪失させないまま材料物性を向上可能なため、強度、耐熱、リサイクル性を兼ね備えた次世代ゴム材料へと展開できる。

高温での物性安定性、変形安定性を付与した新規熱可塑性エラストマーを開発　名古屋工業大学