〈第 37 回山﨑賞〉

温度を感じて変化するポリマーの合成
静岡市立高等学校
２年 福塚優輝 他４名
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動機
ポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）は吸水性を持ち、32℃以下ではその水を保持し、32℃以上では保持した水を放出する性質があることがわかっており、土壌保水材などとしての利用が期待される。しかし、日本で気温が 32℃を超えるのは夏の日中という限られた期間だけであり、実用性に課題があると思った。ポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）は吸収した水をイソプロピル基の周りに保持するため、炭化水素基を変えることで、水を放出する温度を変えられると考えた。
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水の吸収、放出の原理
低温域では、親水性のアミド結合の水和により水が吸収され、架橋したポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）の構造中に水分子を保持することができる。しかし、32℃以上の高温域
では、水分子の熱運動のため水分子を保持できなくなり、水が放出されることが知られている。

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実験１

図１ ポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）の構造式ポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）の合成（１）目的ポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）のポリマーを合成する。
（２） 実験方法
ア サンプル管に N−イソプロピルアクリルアミド 0.50g と N、N’−メチレンビスアクリルア
ミド 0.10g、蒸留水 10mL を入れ、栓をしてよく振り混ぜて溶かした。ただし、蒸留水は溶解している気体を除くため、一度沸騰させたものを冷まして利用した。
イ 全体が均一な溶液になったら過硫酸アンモニウムを 0.020g 加えて溶かした。
ウ サンプル管の溶液を、氷水で冷した。
エ N,N,N’,N’−テトラメチルエチレンジアミン 70μL をサンプル管の溶液に加え、瓶を少し振り、全体をよく混ぜ、平らな場所に静置した。
（３）結果
白色のゲル状のポリマーを合成することができた。

写真１ 合成したポリマー

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実験２ ポリマーが水を放出する温度の測定（１）目的ポリマーが水を放出する温度を調べ、生成したポリマーがポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）であることを確認する。
（２）実験方法
ア

ポリマーの入ったサンプル管内の水をふき取り、サンプル管＋ポリマーの質量を測定した。
イ 30℃から 34℃まで、１℃ずつ温度を変えた水をビーカーに入れた。
1

ウ

各ビーカーの温度を一定に保ち、それぞれのビーカーにポリマーが入ったサンプル管を20 分間つけた。
エ 20 分後、サンプル管内のポリマーが放出した水をふき取り、サンプル管＋ポリマーの質量を測定し、その差から水の放出量を求めた。
オ 実験は３回行った。
（３） 結果32℃以下ではほとんど水を放出しないが、33℃以上では放出する水の量が急増した。
よって生したポリマーは、ポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）であると考えられる。

図２ 温度と放水量の関係

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実験３ ポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）の吸水量の測定（１）目的
ポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）は質量比でどれだけの水を吸収できるか調べる。
（２）実験方法
ア ポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）をデシケーターに入れ、真空ポンプで空気を引っぱることで真空乾燥させた。
イ 乾燥させたポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）に純水を加え、20 分間静置した。
ウ 水を吸収させたポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）少量取り熱分析装置にかけた。
エオ

毎分２℃ずつ 200℃まで温度を上昇させ、熱重量（TG）測定を行った。
実験は２回行った。

（３）結果
+00
+00
TG

80.0

0.00

40.0

0.0

Weight/%Weight/%20.0-40.00

+00
100.0
TG80.0

TG

60.0

TG

-20.00

10.00

D TA

-20.0
-40.0

-60.00

-60.0
-80.0

-80.0060.0
40.0-20.00

20.0

Heat Flow/μ V

0.00

100.0

D TA

-40.000.0-20.0-40.0-60.00-60.0-80.0-80.00-100.0-100.00-125.029.3

60.080.0

100.0120.0

150.6-100.0-100.00-125.024.3

40.0

60.0

80.0

100.0+00

127.4+00

Tempera ture/℃

Tempera ture/℃

図４ TG 測定の結果（２回目）

図３ TG 測定の結果（１回目）

ポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）は自身の質量の９倍程度の質量の水を保持できたとわかる。よって、吸水性ポリマーとしての利用可能な物質であると確認できた。

2

Heat Flow/μ V+00
10.00

６

実験４

ポリ（N,N-ジメチルアクリルアミド）の合成（１）目的
ポリ（N,N-ジメチルアクリルアミド）のポリマーを合成する。

図５ N,N-ジメチルアクリルアミドの構造式（２）仮説

ポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）と同様に感温性のポリマーができる。
（３）仮説設定の理由
N,N-ジメチルアクリルアミドはイソプロピルアクリルアミドと同様に親水性のアミド結合と疎水性の炭化水素基を持つため、似た性質のポリマーを合成できると考えたから。
（４）実験方法
モノマーをイソプロピルアクリルアミドからジメチルアクリルアミド 460μL に変更し、実験１―１と同様にポリマーを合成した。
（５）結果
ポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）と同様の見た目の白いゲル状のポリマーが得られた。ポリ（N,N-ジメチルアクリルアミド）が得られたと予想するが、構造決定の手段がわからないため、得られたポリマーを仮に「ポリマーX」と呼ぶこととした。
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実験５―１ ポリマーX が水を放出する温度の測定①（１）目的ポリマーX が水を放出するおよその温度を調べる。
（２）実験方法
20℃から 40℃まで、５℃ずつ温度を変えた水をビーカーに入れ、実験２と同様に実験を行った。水が放出されるおよその温度を知ることが目的のため、実験は１回だ
け行った。
（３）結果
20℃～40℃では、ほとんど水は放出されなかった。

図６ 温度と放水量の関係

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実験５―２ ポリマーX が水を放出する温度の測定②（１）目的ポリマーX が水を放出する温度を確定する。
（２）実験方法
ア

40℃で十分な水が放出されなかったため、50℃と55℃で実験５―１同様の実験をした。
イ 55℃での水の放出を確認し、51℃、52℃のときも同様に実験した。
ウ

水が放出されるおよその温度を知ることが目的のため、実験は１回だけ行った。
（３）結果

図７ 温度と放水量の関係

ポリマーX は 52℃以上になると放出する水の量が急増すると考えられる。

3

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実験５―３ ポリマーX が水を放出する温度の測定③（１）目的ポリマーX が水を放出する温度を正確に測定する。
（２）実験方法
ア
イ50℃から 53℃まで１℃ずつ温度を変えた水をビーカーに入れた。
実験５―１と同様の手順で水の放出量を３回測定した。

（３）結果・考察
ポリマーX は 50℃以下では水を保持し、52℃前後で多くの水を放出するとわかった。これは N -ポリイソプロピルアクリルアミドを使用したポリマーの反応温度よりも高く、砂漠の貯水材には適しているかもしれないが、日本に生息する植物のための貯水材には適していないと考えた。また、疎水基の小さな N,N-ジメチルアクリルアミドを用いると水を放出する温度が上昇したため、疎水基の大きな N-tert-ブ

図８ 温度と放水量の関係

チルアクリルアミドなどをモノマーとしてポリマーを合成することで、その温度を下げることができると考えた。
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実験６ ポリマーX の吸水量の測定（１）目的ポリマーX は質量比でどれだけの水を吸収することができるか調べる。
（２）実験方法
試料をポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）からポリマーX に変え、実験３と同様に実験を行った。
（３）結果

TGTG

図９ TG 測定の結果（１回目）

図 10

TG 測定の結果（２回目）

ポリマーX は自身の質量の 20 倍近い質量の水を保持することができるとわかる。よって、吸水性ポリマーとしての利用が可能な物質であると考えられる。

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11今後の展望 (課題)
大きな疎水基を持つモノマーを利用してポリマーを合成したり、イソプロピルアクリルアミドとジメチルアクリルアミドを１対１で共重合させたポリマーを合成したりして、そのポリマーが保持できる水の量や、その水を放出する温度を測定していきたい。

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研究の成果
（１）ポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）に高い保水性があることを確認できた。
合成したポリマーを熱分析装置にかけて質量の変化を比較しポリマー自身の質量の９倍以上の水を吸収出来ることが分かった。
（２）ジメチルアクリルアミドを使用してポリマーを合成できた。
N-イソプロピルアクリルアミドの代わりに N、N’−ジメチルアクリルアミドを用いて新たなポリマーを合成することに成功した。
（３）N、N’−ジメチルアクリルアミドを使用したポリマーが水を放出する温度を測定した。
N、N’−ジメチルアクリルアミドを使用したポリマーが水を放出する温度は 50℃から 52℃の間であることを発見した。
（４）ポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）は高い保水性があることを発見した。
合成したポリマーを熱分析装置にかけて質量の変化を比較し、ポリマー自身の質量の 20 倍程度の水を吸収、保持出来ることが分かった。

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感想・課題研究のテーマが高校３年時に学習する有機化学の分野であるため、ポリマーに関して未知のことが多かった。
・ポリマーの反応温度を変えるために、イソプロピルアクリルアミドと似た構造を持っている物質を探し出すのが大変だった。
・実験の時に水の温度を一定に保つことが難しかった。
・合成したポリマーや、それに似た構造のポリマーが土壌保水材などとして製品化されることを望み、またそれに向けて私たちもさらに研究をしていきたいと思う。

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謝辞
静岡大学の近藤満教授、TA の方々、宮崎大学の塩盛弘一郎教授、近畿大学の松本幸三教授にご指導いただきました。深く感謝申し上げます。

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参考文献
・迫原 修治（2005）「感温性ポリマーの親・疎水転移を利用した新規な固液分離法
https://www.jstage.jst.go.jp/article/scej/2005f/0/2005f_0_557/_article/-char/ja/
・塩盛 弘一郎（2018）「温度を感じて変化するポリマーの合成」
https://www.mirai-kougaku.jp/laboratory/pages/180727.php

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