令和4年11月29日 新技術説明会

外気温の変化に応答して遮熱するゲル

秋田大学大学院理工学研究科物質科学専攻
中村彩乃

1背景
世帯当たり

業務他部門
8%

11%

16%
46%

動力・照明用
給湯用
冷房用
暖房用
ちゅう房用

34%
25%

14%

2%
16%

総消費電力の約30％が冷暖房に使用

28%

Fig.1 2020年度の用途別エネルギー消費の推移[1]： 夏場に外から入ってくる熱[2]窓から入る日光により室内の温度が上昇

屋根：11%

換気：6%
外壁：7%

窓 ： 73%
床：3%2[1] 「国内エネルギー動向」、エネルギー白書2022、 https://www.enecho.meti.go.jp/about/whitepaper/2022/pdf/[2] 「効果的な窓の遮熱対策とは？厚さや日差し対策は窓ガラスから]、窓リフォーム研究所、https://shinku-glass.jp/contents/knowledge/solarcontrol/背景
窓から入る日光により室内の温度が上昇窓
遮熱材

遮熱

日光

透光
吸収

反射・日光の入光を制御する
・近赤外光を入ないよう制御する

近赤外光～（700 nm～）の波長は空気を暖める性質がある。

市販されている遮熱材は、室内の温度に関わらず遮熱する。
（切り替え、調節が不可能）

窓から入ってくる近赤外光を制御する(反射させる)必要がある。

目的の室内温度に合わせて透光・遮熱可能な遮熱材が必要である。
3

従来技術



市販されている遮熱材は、調光機能がないため温度に関係なく遮熱する。
調光可能な材料として、二酸化バナジウムにタングステンをドープした遮熱材が報告されている。
⇒材料が高価であること⇒低温時の透過率が低い。

① 安価な材料を用い、簡易的な方法で作製② 目的の温度で透光および遮熱が可能③ 低温時の透過率が高く、高温時の透過率が低い＊このような遮熱材を検討する必要がある。
解決手段
温度応答性高分子を用いたゲル→合成方法が非常に容易で、使用材料も比較的安価→室温付近の温度で、透光および遮熱が可能
4温度応答性高分子⇒ ある温度を境に、水に対する溶解性を変化させる高分子
LCST以下LCST以上下限臨界溶液温度(LCST)

水分子
温度応答性高分子

脱水和しながら収縮
水に不溶水和して水に溶解

透明
光を透過

下限臨界溶液温度(LCST)

白濁
光を散乱
5

温度応答性高分子を使用したゲル
曇った寒い日 (LCST以下)

晴れた暑い日 (LCST以上)

ゲル
日光
日光

ゲル

温度応答性
高分子
光を透過

下限臨界溶液温度(LCST)

収縮した
温度応答性高分子
光を散乱

6温度応答性高分子
本発明で使用した温度応答性高分子
温度応答性高分子：セルロース系 ⇒ ヒドロキシプロピルセルロース (HPC)
下限臨界溶液温度（LCST）：46ºC

ヒドロキシプロピルセルロース (HPC)
温度応答性ヒドロゲルを作製し、透過率の変化および遮熱特性を評価

7

温度応答性ヒドロゲルの作製
ゲルシート製造方法
スクリュー管瓶
蒸留水 20 mL
AAm
BIS

AAm：アクリルアミド
BIS：N,N’-メチレンビスアクリルアミド(架橋剤)撹拌して溶解CaCl2
HPC

1～2 M (mol/L)
CaCl2 : LCSTを下げる

撹拌（室温）

 150～400 cP →H-HPC
 6～10 cP →L-HPC

静置（室温）
冷却8

温度応答性ヒドロゲルの作製

重合開始剤
重合促進剤
→AAmとBISのゲル化

冷却しながら撹拌型に入れ静置(室温) →厚さ：0.5-1mm
温度応答性ヒドロゲル(HPCヒドロゲル)

透過率測定
UV-vis-NIR (300~2500 nm)
全光透過率・拡散反射率の測定

9遮熱材の特性評価
全光透過率および拡散反射率の結果
から日射透過率、反射率を計算

日射透過率(%)
2500

𝑇𝑠𝑜𝑙 =‫׬‬300 𝑇  𝑠𝑜𝑙  𝑑2500‫׬‬300 𝑠𝑜𝑙(1) 𝑑

日射反射率(%)
2500

𝑅𝑠𝑜𝑙 =‫׬‬300 𝑅  𝑠𝑜𝑙  𝑑2500‫׬‬300 𝑠𝑜𝑙

 𝑑

(2)

𝑇  ・・・ 分光透過率(%)
𝑅  ・・・ 分光反射率(%)Φsol  ・・・ 日射に対する重価係数

遮熱材：日射透過率は低いほど、日射反射率は高いほど効果がある。
10温度応答性ヒドロゲル
室温 (LCST以下)

40℃ (LCST以上)

L-HPC 15 wt% : AAm 5wt% : BIS 0.125wt% 厚さ 1mm, CaCl2 1.5M

L-HPC 15 wt% : AAm 5wt% : BIS 0.125wt% 厚さ 0.5 mm, CaCl2 1.5M

11

温度応答性ヒドロゲル
46ºC
30ºC
25ºC
21ºC

H-HPC 7 wt% : AAm 3wt% : BIS : 0.075 wt%, 厚さ1mm(HPC, AAm, BISの条件が変化しても上記の結果が得られた。)

目的のLCSTに調整することが可能である
12全光透過率
L-HPC： 6～10 cP→NIR(b)80
60

L-HPC 5wt%, 20℃
L-HPC 10wt%, 20℃
L-HPC 15wt%, 20℃
L-HPC 5wt%, 45℃
L-HPC 10wt%, 45℃
L-HPC 15wt%, 45℃

40
20

100

Transmittance (%)

Transmittance (%)

100

H-HPC： 150～400 cP

0→NIR

(a)

H-HPC 5wt%, 20℃
H-HPC 7wt%, 20℃
H-HPC 5wt%, 45℃
H-HPC 7wt%, 45℃

80
60

40
200300600

9001200 1500 1800 2100 2400

300600

Wavelength (nm)9001200 1500 1800 2100 2400

Wavelength (nm)AAm 5wt% : BIS 0.125wt%, 厚さ 1mm, CaCl2 1M

LCST以下

 可視光領域の透過率は80％以上

LCST以上 HPC濃度の増加に伴い、透過率は低下した。
 L-HPCの 透過率はH-HPCより低下した。
13拡散反射率
L-HPC： 6～10 cP
→NIR

(d)

Reflectance (%)

8060

L-HPC 5wt%, 20℃
L-HPC 10wt%, 20℃
L-HPC 15wt%, 20℃
L-HPC 5wt%, 45℃
L-HPC 10wt%, 45℃
L-HPC 15wt%, 45℃

40100

40
2000600

900

1200 1500 1800 2100 2400

Wavelength (nm)

H-HPC 5wt%, 20℃
H-HPC 7wt%, 20℃
H-HPC 5wt%, 45℃
H-HPC 7wt%, 45℃

6020300→NIR(c)80Reflectance (%)

100

H-HPC： 150～400 cP

300600900

1200 1500 1800 2100 2400

Wavelength (nm)AAm 5wt% : BIS 0.125wt%, 厚さ 1mm, CaCl2 1M

LCST以上 LCST以下よりも、HPC分子量や濃度に関わらず反射率が増加した。
 近赤外光領域でも反射していることが分かった。
14

日射透過率・反射率
日射透過率および日射反射率(AAm 5% : BIS 0.125, CaCl2 1 M, 厚さ 1 mm)
H-HPC
ヒドロゲル

Below
LCST

Above
LCST

L-HPC
ヒドロゲル

HPC (%)

Tsol (%)

Rsol (%)

Tsol (%)

Rsol (%)

575

3765775376

51076

51576

654420371873620311810282115252615繰り返し透過率測定● 45℃ ● 25℃

近赤外領域(1100nm)の透過率

45℃

可視光領域(550nm)の透過率
45℃

HPC 7 wt% : AAm 3wt% : BIS : 0.075 (AAm : BIS=40:1), 厚さ 1mm, CaCl2 1.5M
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遮熱実験
測定条件
• 温度測定 ４点• 時間 2 h（ランプ点灯 1 h）
サンプル
• ガラス 3 mm
• シリコンゴム 1 mm
電球
• ランプ電力 125 W• 全放射束 80 W以上• 色温度 2300 K
実験装置図
測定サンプル

温度測定箇所①ガラス外側②ガラス内側③箱内(中央)④箱内(外側)20 cm

シリコンシート
間にゲルを挟む

石英ガラス

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遮熱効果
ハロゲンランプ照射 1時間後
Light onTemperature (℃)

45Light off①4043.2℃

35②3033.6℃① ガラスのみ
2501000

2000

3000

4000

5000

Time (s)ランプ照射による箱内↑ 温度変化とサーモ画像→HPCゲルを使用することで温度上昇を抑えることが出来た。
→遮熱材としての利用が期待される。

②ガラス+HPCゲル（L-HPC 15%, AAm 5 %, CaCl2 1 M)
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新技術の特徴と従来技術の比較
従来技術



市販されている遮熱材は、調光機能がないため温度に関係なく遮熱する。
調光可能な材料として、二酸化バナジウムにタングステンをドープした遮熱材が報告されている。
⇒材料が高価であること⇒低温時の透過率が低下してしまう。

① 安価な材料を用いて、混合および冷却など非常に簡単な手法で温度応答性ヒドロゲル遮熱材を作製できた。
② 室温付近での透光および遮熱ができ、LCSTを下げる事も可能である。
③ LCST以下での可視光領域の透過率は80%以上を達成④ LCST以上において、L-HPCはH-HPCよりも日射透過率が低下し、日射反射率は高くなり、箱内温度が抑えられた。
⇒ 遮熱効果が期待される。
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想定される用途
遮熱材⇒家屋、ビル、（電車？）の窓にゲルシートを貼り付けることで外部温度に応じて自動的に室温制御が可能となる。
温度検知材⇒20-45℃で温度変化を知らせることが可能
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実用化に向けた課題
 ある程度の厚さが無いと効果が低減してしまう。
⇒薄膜化の検討が必要
 密閉する容器やフィルム材が必要
 耐熱性の評価が必要⇒データを取得していく予定
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企業への期待 遮熱材の作製や類似技術に興味のある企業との共同研究を希望する。

22

本技術に関する知的財産権
発明の名称

温度応答性遮熱材

発明者

村上賢治、中村彩乃、小粥涼平

出願人

国立大学法人秋田大学

出願番号

特願2020-081208

公開番号

特開2021-175991

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問い合わせ先
秋田大学 産学連携推進機構
特任助教：高橋 朗人 （タカハシ アキト）
E-mail：staff@crc.akita-u.ac.jp
Tel. ： 018-889-2712
Fax ： 018-837-5356

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