東京農工大学 徳山研 研究方針（高分子の工学）
機能性高分子材料の開発とその製造・応用のためのプロセスの構築
機能性高分子材料の創製と特性評価

・ゲル，ソフトマテリアル
・分離材，担体（触媒，薬物放出）

シーズ を社会（化学工業・環境・エネルギーなど）のニーズ とマッチングさせるために 化学工学的なアプローチ
材料を造るためのプロセスの構築

材料を利用したプロセスの構築

・ゲル粒子（ナノ，マイクロ，ミリ） ・吸着分離操作（金属イオンなど）・多孔質ゲル（貫通孔，独立孔）・反応操作（生体触媒反応，有機合成反応）
・エマルションゲル
・物質移動操作（薬物放出）・複合ゲル（生体触媒，金属ナノ粒子） ・センサ（QCM）
・グラフトポリマー/ゲル・反応分離装置への適用可能性（装置開発）
・ポリマーナノファイバー・平衡論と速度論に基づく操作の設計
・膨潤や拡散など基礎特性

高性能，低環境負荷型の材料のシステム設計・成形加工技術を確立

社会実装に向けた化学システムの構築

様々な形態のゲル
nm/mm/mm-sized gel

microcapsulenanofiber gel100 mm

composite gel

nanoparticles, microcapsules, oil droplets, etc

macroporous gel

grafted polymers/gelsmonolith

nonwoven PP film

機能性ゲルの開発
25oC以上で吸着溶液中の金属イオンを検出する
QCMセンサ，金電極表面を機能性ゲルで改質

22oC以下で脱着

温度を変えることで金イオンを吸着または脱着する感温性ゲル粒子

Pd担持ゲル→鈴木・宮浦カップ
リング反応などを触媒する

n-porous gel composite gel

微生物や酵素を固定化したゲル→排水処理や有機合成反応に応用

37℃

39℃

硬い!! 白い!!

軟らかい!! 透明!!

薬物放出を制御できる感温性ゲル（36oCでは放出せず，40oC程度で放出する）

ゲル
ゲルとは コロイド溶液が流動性を失い，多少の弾性と固さをもってゼリー状に固化したもの 「広辞苑」
高分子が架橋されることで三次元的な網目構造を形成し，その内部に溶媒を吸収し膨潤したもの→

固体と液体の中間的な性質
架橋方法の違いにより分類

物理ゲル

水素結合，イオン結合などで架橋熱などの外部刺激により，ゾル－ゲル転移する例） ゼリー（ゼラチン），寒天（多糖類），吸油材
化学ゲル

化学反応による共有結合で架橋構造を壊さない限り溶けず化学的に安定例） 高吸水性高分子，ソフトコンタクトレンズ

架橋点

溶媒
高分子鎖

溶媒が水：ハイドロゲル
溶媒が油：オルガノゲル

アクリル酸ゲル（高吸水性高分子）
アクリル酸（モノマー）

ポリアクリル酸（高分子）

ポリアクリル酸ナトリウム

CH2=CH( CH2–CH )n( CH2–CH )n

O=C

O=C

O=C

OH

Na+

ポリアクリル酸ナトリウムは，乾燥状態の質量の100倍以上の水を吸収する
イオン化したカルボキシ基の親水性と静電反発作用により吸水

O– Na+

OH

Na+

乾燥状態
（未使用時）COO–

COO–Na+COO–

COO–Na+

高吸水性ポリマー（SAP; super absorbent polymer）の製法（水溶液重合法）：アクリル酸部分中和塩と架橋剤とを水に溶解し，ラジカル水溶液重合し，得られたゲルを細分化，乾燥する

吸水（膨潤）状態

SAPメーカー：日本触媒，SDPグローバル株式会社（三洋化成工業子会社）

アルギン酸カルシウムゲル
アルギン酸は，コンブやワカメなどの褐藻類に含まれる多糖類であり，β-Dマンヌロン酸とα-L-グルロン酸（架橋点を形成）がランダムにグリコシド結合した直鎖状ポリマー（分子量： 10000～600000）
アルギン酸ナトリウム（水溶性）とCaイオンが接触すると，アルギン酸カルシウムのエッグボックス型架橋を形成して不溶化する
OO

-

HO

0.5 wt%アルギン酸ナトリウム水溶液

OO

HOO

HOO

O

OH

H

H
O

O

瞬時にゲル化

Ca
O

O
H

H
O

O

HOOH

O

O

OH

Ca2+OOH

O

O

-

Ca2+

Ca2+
Ca2+

1.5 wt%塩化カルシウム水溶液
できたゲルを，例えばクエン酸ナトリウム水溶液（10 wt%）に浸すと，架橋が解けて溶解（ゾル化）する

感温性（温度応答性）ポリマー
poly(N-isopropylacrylamide) （略名poly(NIPA), poly(NIPAM), PNIPAMなど）( CH2–CH )nCHHHNHOOO=C( CH2–CH )nO=CH

H

加熱
約 33oC
LCST
転移温度

CH3 CH3NH
CH

CH3 CH3
冷却

親水性

疎水性

コイル－グロビュール転移

LCST: lower critical solution temperature
・33oCというLCSTは，水中での値
・水に溶質が入るとLCSTは変わる

ポリマーの集合体（凝集体）が分散した状態

ポリマー濃度や共存物質によってはガム状の沈殿を生成

NIPAハイドロゲルの体積相転移
ハイドロゲル：
水を吸収したゲル
溶媒（水）加熱
約 33oC冷却

膨潤（吸水）

収縮（脱水）

ゲルの膨潤・収縮は水中で起こる

フリーラジカル重合によるNIPAゲルの合成
NIPA : MBAA : TEMED : APS = 1000 : 50 : 10 : 1 mol/m3-waterの組成のゲルを10 cm3 つくる
NIPA 1.1316 g

10oC, 15 min

MBAA 0.0771 g

TEMED
0.0116 g

モノマー水溶液
9 cm3N2 ガス
10oC
15 minAPS水溶液1 cm3 (0.0023 g)フリーラジカル重合

架橋モノマー: N, N’-methylenebisacrylamide（MBAA）
重合促進剤: N,N,N’,N’- tetramethylethylenediamine (TEMED)
重合開始剤: ammonium peroxodisulfate (APS)

・MBAAなしで重合すると，直鎖ポリマーが作製できる・重合の溶媒には水を用いればよいが，有機溶媒（エタノールなど）を用いてもよい
・重合温度は何℃でもよいが，LCSTより高いか低いかで高分子網目構造が変わる化学工学的な機能性ソフトマテリアルづくり（分離材，触媒など）【種々の重合・成形加工技術】 【基本特性の評価・解析・マテリアルズインフォマティクス】
・ゲル粒子（ナノ，マイクロ，ミリ）・膨潤特性
塩水溶液中の感温性ポリマーの相転・多孔質ゲル（貫通孔，独立孔）・力学特性
移温度を予測・複合ゲル（生体触媒，金属ナノ粒子） ・物質の拡散
Chem. Eng. Sci.,
・グラフトポリマー/ファイバー・刺激応答性2021
貫通孔

マイクロゲル

独立孔

ナノゲル
金ナノ粒子担持ゲル，
TiO2ナノ粒子担持ナノファイバーミリゲル

エネルギー

環境

資源

化学工業

医薬

non-porous gel composite gel

微生物固定化ゲルによるアンモニ
ア排水処理
酵素固定化ゲルによるバイオディーゼル燃料製造
酵母固定化ゲルによるバイオエタノール発酵

温度を変えて金イオンを吸・脱着する感
ヒ素を検出 温性ゲル粒子するセンサ（表面をゲ 種々のレアメタル分ルで改質） 離用吸着材を開発

37℃

39℃

硬い!! 白い!!

軟らかい!! 透明!!

Pdナノ粒子担持ゲル
薬物徐放ゲル（36oCによる鈴木・宮浦で放出せず，40oC程カップリング反応度で放出）
アミノ酸固定化ゲル触媒の開発と不斉合 温度応答性の形状記憶
成ゲル

ソフトマテリアルをマイクロプラントとする材料の創製および設計指針を構築