教員・研究室紹介
機械システム工学科
教授
棚橋満MITSURU Tanahashi
- 研究分野
- コロイド科学、表界面工学、複合材料工学
- キーワード
- ナノ粒子、ポリマー系ナノコンポジット、分散・凝集制御、異種材料界面
研究内容
脱炭素社会実現に向け、自動車等のモビリティの軽量化技術開発やガソリン車から電気自動車等の環境適応車への転換に不可欠なパワーエレクトロニクス技術開発に貢献するキーマテリアルとしてポリマー系コンポジットが注目されています。私たちの研究室では、樹脂材料における無機微粒子の分散状態をメゾ～ナノスケールで制御した革新的コンポジットの創製と特性評価に関する基礎研究を展開しています。具体的には，以下に記した物質の表界面やコロイド粒子の物理化学を学理とした無機ナノ粒子分散技術を基盤とした研究を実験とシミュレーション解析の両輪で進めています。
当研究室の基盤技術 ～無機ナノ粒子が高分散したポリマー系コンポジットの新規調製法～
フィラーの表面改質による分散性向上を前提とした従来型調製法から180°転換したポリマー中への表面非改質ナノフィラーの新規分散技術を確立しました（下図参照）。
変形抵抗（静的強度）と破壊抵抗（衝撃強度）を両立したポリマー系コンポジット（軽量化構造材料）～強化ナノ粒子／母相界面ぬれ性制御によるポリマー系コンポジットの力学特性向上～
表面非改質親水性シリカ／フッ素樹脂系ナノコンポジットにおいて高弾性率を達成しながらも破断伸びの低下を抑制することに成功しました。
母相と界面はく離し易い親水性表面を有する無機超微粒子フィラーの分散によるポリマーの耐衝撃特性向上（下図参照）を目的とした親水性ナノシリカ／ポリプロピレン系コンポジットの調製と力学特性評価に関する研究を実施しています。
電子機器の熱対策・信頼性向上に貢献する熱物性に優れた電子基板材料～高熱伝導性, 低熱膨張, 高耐熱性を有するエポキシ樹脂系コンポジット～
表面非改質親水性シリカ／エポキシ樹脂系ナノコンポジットにおいて，シリカ／母相間界面相互作用により複合則に基づく予測を凌駕した熱膨張抑制（低CTE化），ならびに耐熱性向上（高Tg化）を達成しました。
六方晶窒化ホウ素（h-BN）ナノフィラーと形状・寸法の異なる無機微粒子をh-BNと併用充填することによるエポキシ樹脂系コンポジットの効率的高熱伝導化（下図参照）を目的とした本系コンポジットの調製と熱物性評価に関する研究を実施しています。
ポリマー母相中でのナノフィラー導入位置制御を施したコンポジット膜の微視構造デザインと創製～特異な光学特性・高熱伝導性付与可能な透明コンポジット膜の調製と物性評価～
サブミクロンサイズのアクリレート系ラテックスと無機ナノ粒子の大小コロイド粒子の自己集積化を活用した無機／アクリル樹脂系透明コンポジット膜の調製および規則的微視構造形成の可能性の検証に関する基礎研究を実施しています。
上図の方法で実現可能なコンポジット内の屈折率調整用無機ナノ粒子の規則的な配列により，母相であるアクリル樹脂の屈折率が大きく変化することが明らかとなり，アクリル系光学樹脂の屈折率制御の有効な技術となり得る可能性を見いだしました。
主な研究業績
表面非改質シリカ／熱可塑性ポリマー系コンポジットの簡易調製法の確立および力学特性
- Tanahashi, M. Deguchi, K. Nomura, Tensile Properties of Crystalline Polymer Composite Systems Filled with Spherical Silica Nanoparticles Having Hydrophilic Surfaces, The 22nd International Conference on Composites Materials (ICCM22), 2019.8, Melbourne (Australia).
- Tanahashi, Y. Watanabe, J.-C. Lee, K. Takeda, T. Fujisawa, Melt Flow and Mechanical Properties of Silica/Perfluoropolymer Nanocomposites Fabricated by Direct Melt-Compounding without Surface Modification on Nano-Silica, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 9(1), (2009), 539-549. https://doi.org/10.1166/jnn.2009.J027
- Tanahashi, M. Hirose, Y. Watanabe, J.-C. Lee, K. Takeda, Silica/Perfluoropolymer Nanocomposites Fabricated by Direct Melt-Compounding: A Novel Method without Surface Modification on Nano-Silica, Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 7(7), (2007), 2433-2442. https://doi.org/10.1166/jnn.2007.425
- シリカ表面の疎水化処理を用いないシリカ／ポリプロピレンナノコンポジットの簡易的調製法の開発および本コンポジットの結晶化挙動（JCOM-37 －材料・構造の複合化と機能化に関するシンポジウム－ 論文賞, 日本材料学会 複合材料部門委員会, 2008年3月）
エポキシ樹脂母相との界面相互作用を活用した親水性ナノシリカ分散によるコンポジットの熱物性向上
- Tanahashi, K. Hirota, A Silica/Epoxy Resin Nanocomposite Exhibiting High Thermal Stability and Low Thermal Expansion Based on the Uniform Dispersion of Hydrophilic Colloidal Silica Nanospheres, Polymers and Polymer Composites, 31, (2023), 09673911231171479 (10 pages). https://doi.org/10.1177/09673911231171479
- フィラー／マトリックス界面相互作用を積極的に活用したナノコンポジットの創製（技術奨励賞「相馬賞」, フィラー研究会, 2018年1月）
無機ナノ粒子の規則配列制御を可能としたポリマー系透明コンポジット膜の創製と諸特性評価
- Mori, H. Imazeki, G. Tsutsui, M. Tanahashi, Evaluation of Nano Particle Slurries by Osmotic Pressure Measurement and Its Application to Fabrication Process of Nano Composite Materials, Nano-Structures & Nano-Objects, 18, (2019), 100306 (11 pages). https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2019.100306
- ラテックス・酸化物ナノ粒子の混合水分散系を用いた高分子複合材料の微構造制御（第13回CERI最優秀発表論文賞, 日本ゴム協会, 2013年12月）
主な装置
- 2軸バッチ式混練機および付設セグメントミキサー
- 自転・公転式遊星撹拌・脱泡装置
- シャルピー衝撃試験機
- ゼータ電位測定装置
- 示差熱－熱重量同時測定装置
- 示差走査熱量計
- 熱機械分析装置