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論文

高エネルギーイオンビームによるナノ構造制御機能膜の研究; フッ素系高分子多孔膜とイオン交換膜を中心に

八巻 徹也*; 喜多村 茜; 澤田 真一*; 越川 博*

日本海水学会誌, 72(2), p.62 - 74, 2018/04

本総説では、高速の単一重イオンによる潜在飛跡を利用したナノ構造制御機能膜として、フッ素系高分子からなる多孔膜とイオン交換膜の研究を報告する。多孔膜とは、潜在飛跡における高分子鎖の切断領域を化学エッチングすることで得られるイオン穿孔膜のことである。一方のイオン交換膜は、このイオン穿孔、あるいは潜在飛跡中の反応活性点を利用し、化学修飾により荷電基を導入したカチオン・アニオン交換膜のことである。われわれの材料はどちらも構造や機能の観点で極めて特異であり、高エネルギーイオンビーム技術でしか得られないことを強調する。このようなナノ構造制御機能膜を作製するための量産的、あるいは最新の照射技術として、それぞれ国内外のイオン照射研究施設も紹介する。

論文

Photochemical introduction of superacidic sites on fluoropolymer surfaces

一ノ瀬 暢之; 河西 俊一

Langmuir, 13(22), p.5805 - 5807, 1997/00

 被引用回数:4 パーセンタイル:26.07(Chemistry, Multidisciplinary)

四フッ化エチレン-六フッ化プロピレン共重合体(FEP)フィルムを窒素置換した亜硫酸ナトリウム水溶液と接触させ、フィルムを通してKrFレーザー光(248nm,18mJcm$$^{-2}$$pulse$$^{-1}$$)を照射した。照射フィルム表面は高い親水性を示し、XPSによる表面分析ではスルホン酸基がナトリウム塩として導入されていることが示された。フィルムを濃硫酸で処理し、ナトリウムを水素にイオン交換すると照射部分がN-ビニルカルバゾールのカチオン重合の触媒として作用することが分かった。これらのことから、本反応によりフッ素系高分子表面を強力な固体酸とすることができるものと結論された。また、フィルム表面上に超強酸サイトをパターニングできることを示した。

論文

レーザーによるフッ素系高分子の表面化学修飾反応

河西 俊一; 一ノ瀬 暢之

レーザー研究, 24(7), p.780 - 786, 1996/07

フッ素系高分子は耐熱性や耐薬品性などに優れているが、表面の接着性、親水性が乏しいことから表面改質の要求が高い。しかしながらフッ素系高分子は化学的に安定なため改質が困難である。そこで、レーザーの単色性や高強度性などによる特異反応を利用した改質の研究が行われるようになってきた。本報告では、レーザーを用いたフッ素系高分子の表面改質についての研究の現状をまとめるとともに、「レーザー有機化学反応の研究」で実施したフッ素系高分子表面のレーザー光化学修飾について紹介する。これは、フッ素系高分子を種々の化合物の水溶液や溶媒中でレーザー光を照射することによって、フッ素系高分子表面に化合物の持つ官能基を選択的に反応させる技術であり、これによってフッ素系高分子表面に任意の機能を付与することができるようになった。さらに、先端レーザーを用いた研究への展望を述べる。

論文

Excimer laser-induced surface reaction of fluoropolymers with liquid water

一ノ瀬 暢之; 河西 俊一

Macromolecules, 29, p.4155 - 4157, 1996/00

 被引用回数:10 パーセンタイル:55.53(Polymer Science)

四フッ化エチレン-六フッ化プロピレン共重合体(FEP)などのフッ素系高分子と水との表面光反応における波長、光源依存性、高分子依存性、酸素による反応の阻害効果を調べ、反応機構を考察した。193nmレーザー光で高分子フィルム-水界面を照射した場合、FEPなどのフッ素化率の高い高分子では表面にカルボキシル基が生成するが、四フッ化エチレン-エチレン共重合体(ETFE)のようなフッ素化率の低い高分子では表面反応は進行せず親水化は起こらない。FEP表面におけるカルボキシル基の生成量とレーザー強度の関係を調べると、カルボキシル基の生成量はレーザー光強度の1.4乗(ArF)および3.2乗(KrF)に比例した。これらのことから本反応は液体の水のレーザー光照射による水和電子の生成と高分子への電子移動によって引き起こされることがわかり、酸素による阻害効果もこれを支持した。

論文

エキシマレーザーを用いたテトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体の表面改質

岡田 淳*; 一ノ瀬 暢之; 河西 俊一

高分子論文集, 52(1), p.66 - 68, 1995/01

 被引用回数:3 パーセンタイル:74.3(Polymer Science)

テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)を希アンモニア水溶液と接触させエキシマレーザー光を照射することにより、表面に高い親水性が付与できた。この場合、ArF光の方がKrF光よりも有効であった。水との接触角は、未照射の106度からArF光の203Jcm$$^{-2}$$の照射により31度まで低下した。X線光電子分光法(XPS)による表面元素比の測定から、PFA表面では光化学反応によりフッ素の脱離と、酸素及び窒素の導入が起こっており、接触角の低下とよい相関を示すことがわかった。表面反応層の深さはおよそ1.5~7.0nmと見積られ、走査型電子顕微鏡(SEM)観察からは、表面の形態変化を伴わない改質方法であることがわかった。

論文

Photochemical surface modification of poly(hexafluoropropylene-co-tetrafluoroethylene)(FEP) film with triethylamine

一ノ瀬 暢之; 円尾 正晴*; 河西 俊一; 泉 佳伸*; 山本 忠史*

Chemistry Letters, 0(10), p.943 - 944, 1995/00

六フッ化プロピレン-四フッ化エチレン共重合体(FEP)フィルムと種々の溶媒のトリエチルアミン(TEA)溶液とのKrFレーザーによる光化学反応を検討した。FEPフィルムをTEAアセトニトリル溶液と接触させKrFレーザー光(35mJcm$$^{-2}$$pulse$$^{-1}$$)を6000ショット照射したところ、フィルム表面は親水性かつ親油性を示した。XPSによる元素分析の結果、フッ素が著しく減少し、わずかに窒素、酸素の増加が認められた。接触角のpH依存性からジエチルアミノエチル化、UV吸収スペクトルからは共役二重結合の生成がそれぞれに示された。この反応の溶媒硬化、および光源の波長依存性などからTEAの光イオン化、溶媒和電子のFEPによる捕捉を経て進行することが結論された。

口頭

Creation of fluoropolymer-based nanostructures by swift-heavy-ion irradiation

八巻 徹也

no journal, , 

保有するイオン加速器施設TIARAにおいて、独自の照射技術と長年の研究で得た照射効果に関する知識をもとに、化学的、熱的に安定で加工が難しいフッ素系高分子のナノ構造形成に挑んでいる。高エネルギー、とりわけ数百MeV以上の重イオンビームによる高分子材料の開発では、何と言っても単一イオンの改質能をいかに利用するかが鍵である。本講演では、単一イオンの軌跡(潜在飛跡)を利用したフッ素系高分子ナノ構造体の創製に関する最近の研究成果を(1)化学エッチングによる多孔質体(イオン穿孔膜)、(2)グラフト重合によるプロトン伝導性膜の開発に分けて発表する。

口頭

Fluoropolymer-based nanostructures created by swift-heavy-ion irradiation

八巻 徹也

no journal, , 

高崎量子応用研究所では、保有する電子、イオン加速器施設(TIARA)において、独自の照射技術と長年の研究で得た照射効果に関する知識をもとに、機能性材料の研究を行っている。本発表では、その代表的成果を紹介するとともに、化学的、熱的に安定で加工が難しいフッ素系高分子のナノ構造形成に関する我々の研究について報告する。高エネルギー、とりわけ数百MeV以上の重イオンビームによる高分子材料の開発では、単一イオンの改質能をいかに利用するかが鍵である。そこで、TIARAサイクロトロンにおける単一イオンの潜在飛跡を利用した最近の研究成果として、化学エッチングによる多孔質体(イオン穿孔膜)とグラフト重合によるプロトン伝導性膜の作製技術について述べる。

口頭

Heavy ion tracks in fluoropolymer film; Recent developments and future prospects

八巻 徹也; Nuryanthi, N.*; 越川 博; 浅野 雅春*; 澤田 真一; 喜多村 茜; 前川 康成; Kay-Obbe, V.*; Severin, D.*; Seidl, T.*; et al.

no journal, , 

本研究では、より速く効率的にポリフッ化ビニリデン(PVDF)イオン穿孔膜を作製することを目指し、"その場"かつ"オンライン"分析によって、潜在飛跡内に存在する化学種の構造や反応性を調べた。その結果、照射と同時に生成したラジカルを介して、PVDF鎖中および切断末端の不飽和結合が主に生成することがわかった。このような飛跡内の生成物にのみ作用しエッチングを加速するための改質過程として、潜在飛跡の酸化に着目したエッチング前処理法を提案できた。この手法は、飛跡内に不飽和結合が形成されるすべての高分子に適用できると考えられることから、PVDF以外のフッ素系高分子からなるイオン穿孔膜の実現可能性についても展望する。

口頭

酸素中での重イオンビーム照射技術を用いたフッ素系高分子イオン穿孔膜の作製

喜多村 茜; 八巻 徹也*; 百合 庸介*; 越川 博*; 澤田 真一*; 湯山 貴裕*

no journal, , 

フッ素系高分子膜におけるイオン穿孔の作製技術は、材料自体の化学的安定性に阻まれているがゆえ、今日までにPVDF膜でしか成功されていない。しかもイオントラック形成後の化学エッチング処理時に、材料自体にも損傷を及ぼす非常に強い酸化剤を使用するため、イオン穿孔膜として使用できる強度が保たれていない。そこで我々は、イオントラックの酸化がエッチング溶液の導入を促すという先行研究の結果を基に、酸素中でイオンビームを照射することによって、イオントラック形成と同時にトラック内部も酸化させるアイディアを得た。本研究では、フッ素系高分子の中でも、素材自体を劣化させる強酸化剤を使用するものの、唯一イオントラックを溶出できる溶液が存在するPVDF膜を対象にイオン穿孔の作製を行った。酸素中でイオンビームを照射できる装置を開発・作製し、330MeVのArビームを照射した。本技術でPVDF膜に形成されたイオントラックは、通常の真空照射によって作製できる穿孔径の2倍もの大きさを有し、かつ6倍もの速さで作製できることがわかった。また、官能基の分析からも、酸素中での照射によって膜内に酸素含有官能基が生成することがわかった。これらの結果から、本技術を用いてイオントラックを形成すると同時に内部を酸化させることによって、強酸化剤を添加せずにPVDF膜のイオン穿孔を作製することが実現した。

口頭

酸素中での大面積均一ビーム照射によるフッ素系高分子のイオン穿孔膜作製技術

喜多村 茜; 八巻 徹也*; 百合 庸介*; 越川 博*; 澤田 真一*; 湯山 貴裕*

no journal, , 

本研究では、イオン飛跡を飛跡の形成と同時に酸化させるというアイディアを基に、酸素中でイオンビーム照射を行う技術を開発し、穿孔形成挙動を検討した。酸素雰囲気下に設置した厚さ25$$mu$$mのポリフッ化ビニリデン(PVDF)に対し、高崎量子応用研究所TIARAのサイクロトロンに設置された大面積均一重イオンビーム形成・照射装置を用いて、520MeVのArビームを照射した。Arビームはビーム移送中にエネルギーが低下し、PVDF膜に達した際に330MeVとなる。従来手法である真空中での330MeV Arビーム照射も行い、孔径と官能基の変化を比較した。結果として、孔径については、酸素中照射の方が、エッチング開始から32時間までの初期過程で穿孔拡大速度が加速し、従来の真空照射では得られない直径500$$mu$$m以上の大きいサイズの孔径を作製できることがわかった。また官能基については、酸素中照射した膜において、酸素含有官能基の生成が優位に検出された。いずれも、イオントラック内部の酸化が起因し、酸素中で照射したことによって、分子鎖が切れて生成した活性種を消滅前に酸素と反応させることができた結果である。酸素中照射により積極的に飛跡内へ親水性官能基を導入することで、エッチング処理時に飛跡内への溶液の浸透が促進され、強酸化剤を添加することなく、効率的に穿孔が形成できることを示した。

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