低摩擦で強靱なゲル・固体ハイブリッド マテリアル 鶴岡工業高等専門学校 創造工学科 教授 佐藤 貴哉 2017 / 2 / 21 JST東京本部別館１Fホール 潤滑について まぶたをこする、顔を洗う、歯を磨く…日常生活でも何気なく利用される“摩擦” 先進国における機械部品の故障の75% 自動車のエンジンの力学損失の30% 摩擦・摩耗に起因* *Tribology and Interface Engineering Series, 41, 461 (2003) 潤滑による経済効果 合計8.63兆円 保全費・部品費の節減 49.1% 故障で生じる波及損失の削減 24.5% 摩擦減少によるエネルギー消費の節減 14.5% 耐用年数の延長による設備投資の節減 8.1% 稼働率・機械効率の向上による 設備投資の節減 1.7% 労働力の節減 1.5% 潤滑油消費の節減 0.6% 1)「ST/GSC技術開発プログラム構想―ST戦略の具体化に向けて―」(2002) 潤滑研究には大きな社会的ニーズが存在 潤滑研究のイノベーション ２００８年北京オリンピック 競泳 英スピード社製「高速水着」レーザー・レーサー（ＬＲ）の活躍 ・全32種目中25種目で世界新記録が誕生 (2004,2012年は6種目） うち23種目はLR着用者 ・2010年、公式大会において腰より上を 覆う水着は規定により禁止に… 工業応用に留まらず、新しい価値観を創出する可能性 http://www.apalog.com/nissen/archive/441 滑りやすさの指標 低摩擦材料の開発：どうやって比較するか？ 低摩擦=すべりやすさの指標：摩擦係数(m) 摩擦係数(m)＝ (摩擦力) （荷重） m がより小さいほど、摩擦がより小さい 低摩擦シート 100kgのものを動かすのに 100kgの力が必要なとき m＝1.0 100kgのものを動かすのに 0.1kgの力が必要なとき m＝0.001 身の回りの低摩擦材料 ※スケート靴/氷:0.005∼0.01 摩擦係数m ≦10-3は 未だ挑戦的な課題 テフロン樹脂フライパン/水: 0.01 画像はwikipediaより引用 実は体の中の関節は優れた低摩擦材料 数∼数十気圧の高負荷に対して数十年以上機能、交換不要 負荷に応じて潤滑液がしみ出し、ぬるぬるつるつるに 人体関節は潤滑液を豊富に含むゲル材料 →ゲルをベースにした低摩擦材料が期待される 身の回りのゲル そもそもゲルとは何か？ 3次元網目構造をもつ高分子 が溶媒によって膨らんだもの 大量の溶媒を含む 物質透過性に優れる 柔らかく、変形性に富む 身の回りのゲル製品 …etc *いずれの画像もwikipediaより引用 色々な機能性ゲル ポリマーと溶媒の組み合わせにより、様々な機能性ゲルが検討されている 例：温度変化に対して… 2種ポリマーの混合比(r)変化 Non-swellable: “膨らまない”ゲル* *Science, 343,873(2014) 形状記憶により変形するゲル 山形大学 古川教授 →ゲルをベースにした低摩擦材料が期待される一方、 人工ゲルは脆さが実用化のネック… 山形大学 古川教授 高強度ゲルの開発 2 2000年初頭から様々な高強度ゲルが開発：ほとんどが日本発祥 2001 Slide ring gel Adv.Mater 13,485(2001) 2002 Nano Composite gel 2003 Double network gel Adv.Mater 14,1120(2002) Adv.Mater 15,1155(2003) 2008 tetra-PEG gel 2010 Aqua Material Macromolecules 41,5379 (2008) Nature 463,339(2010) ダブルネットワークゲル Hard, Brittle PAMPS charged ( )n O O N H PDAAm ( 3 1st Network O S OH 破断応力 10~40 MPa neutral )n 山形大学 古川教授 Double network gel* *Gong JP et al, Adv. Mater.15, 1155 (2003) 2nd Network Soft, Stretchable 高い含水率(>80wt%) 高いタフネス 圧縮破断強度: ~ 60 MPa 低い摩擦係数: ~≦0.01 生体適合性 80%以上は水！でもゴム並の強度、スケートリンク のような低摩擦を併せ持つゲル材料 ダブルネットワークゲル Hard, Brittle PAMPS charged ( )n O O N H PDAAm ( 3 1st Network O S OH 破断応力 10~40 MPa neutral )n Double network gel* *Gong JP et al, Adv. Mater.15, 1155 (2003) 2nd Network Soft, Stretchable 高い含水率(>80wt%) 高いタフネス 圧縮破断強度: ~ 60 MPa 低い摩擦係数: ~≦0.01 生体適合性 人工関節などの生体材料へ応用が期待、 しかし工業応用にはいくつかハードルが… 実用化への課題１：固定化 つるつる滑る・・・そのままでは基材に固定できず使えない！ 既存の特許：多孔性基板にはめ込む手法(特許第4915867号) 1st 型枠 ゲル溶液 UV照射 2nd 2nd ゲル溶液 溶液浸漬 型 枠 型枠 型 枠 重合 この時点で膨らむ UV照射 欠陥部位ができてしまう 重合 接着強度とゲル性能の両立困難 適用可能材料が限定 新しい固定化手法の開発 基材側の表面処理による固定化手法を開発(特許取得済） シランカップリング剤によるアンカー形成：エタノール溶液に漬けるだけ！ 反応液 （エタノール＋シランカップリング剤） 基材 室温 一晩程度 2nd ゲル溶液 型 枠 O O シランカップリング剤により 基板表面にアクリル酸を固定化 Si 基材側：がっちり固定 UV照射 型 枠 重合 表面改質基材 反対側：つるつる！ 接着強度とゲル性能の両立可能 金属、セラミックスなど幅広く適用可能 実用化への課題２：乾燥の抑制 乾いてしまうと品質劣化・・・高温、低圧、長時間は使えない！ イオン液体を適用！ イオン液体：イオンのみから構成される液体 結晶化しにくい 高い熱安定性 DEME-TFSI 難揮発性 電気化学的に安定 南極(ギネス記録：-89 C)でも、 300 Cで加熱しても、 宇宙空間 でも 液体のまま安定！ 化審法No.取得済み，工業的生産プロセス確立済み DNイオンゲルの構造設計 Ionic liquid normalized dTG 5 %重量減少温度 dW / dT 1.5 DEME-TFSI 1 DEME-TFSI DEME-BF4 0 300 400 Temperature / oC 500 DEME-TFSIを耐熱性のDNイオン ゲルの膨潤溶媒として選択 2ndnetwork ( )n Poly(DEMM-TFSI) DEME-BF4: 306 C 0.5 1st network ( DEME-TFSI: 360 C 相溶性 耐熱性 )n PMMA DNイオンゲルの機械的強度 これまでに報告されたイオンゲルの中で最強の圧縮強度 35 Stress, MPa 30 polyDEMMTFSI-PMMAゲル 25 DNゲル 20 15 10 rate: 10%strain/min 5 0 0 20 PMMA-polyDEMMTFSIゲル 40 60 80 100 Strain, % 圧縮破断強度 30MPa： 従来のDNゲルを上回る高強度化を達成 これまでに報告されたイオンゲルの中で最強の圧縮強度 (例：tetraPEGイオンゲル*：20 MPa) *Soft Matter, 8,1756(2012)など 工業製品への適用性 工業製品の負荷領域例 GPa DNイオンゲルの圧縮破断応力:30 MPa →摺動すき間、すべり軸受やオイルシール としての利用が期待 低摩擦＋密封 の両立 MPa ゴム(高摩擦) KPa ゲル（低摩擦） 高温や真空下で実際に潤滑ゲルとして 機能できるのか？ ゴム製品に比べて低摩擦になるのか？ DNイオンゲルの耐熱性の検証 熱分解曲線からDNイオンゲルの耐熱性を検証 ― ― ― ― Weight loss / % 0 -20 グリセリン ポリαーオレフィン油 DNゲル（DEME-TFSI) イオン液体 (DEME-TFSI) -40 300℃まで熱分解しない -60 一般的な潤滑油に比べ、 100℃以上高い熱安定性 -80 -100 0 100 200 300 o 400 500 Temperature / C 高温でも使える潤滑ゲル DNイオンゲルの潤滑特性 DNイオンゲルのすべり摩擦特性を検証 すべり速度 vs. mk DN iongel 25 vs.CSUJ2球 vs.Cガラス球 50 80 C -1 10 1.0 Coefficient of friction SUJ2 or Glass ball, 10mmf Coefficient of friction Weight 既存ゴムとの比較 シリコーンゴム ＋DEME-TFSI 0.8 0.6 0.4 0.2 DNイオンゲル -2 10 -3 -2 -1 0 10 10 10 10 Sliding speed x solvent viscosity / N・m-1 高温ほど低摩擦 -4 10 -3 -2 10 10 Sliding speed, ms-1 シリコーンゴムに比べ、 広範囲で低摩擦を維持 イオンゲル化による熱安定性の向上 DNイオンゲル 0.05 Coefficient of friction 100 gf Glass ball, 10mmf DN gel or DN iongel 5.0 mm/s DN ゲル Coefficient of friction 0.30 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 25 C 50 C 0.20 0.10 0.00 25 C 50 C 80 C 0 200 400 600 Number of friction / N 800 1000 DNイオンゲルは1000回の繰り返し測定後も安定 特に80℃ではm=0.007を達成 DNゲル（水系）は表面乾燥により摩擦係数が急増 0 100 200 300 400 500 Number of friction cycles 水系ゲルでは困難な高温下でも潤滑ゲルとして機能 真空下での潤滑特性 高真空条件のチャンバー内で摩擦試験 真空チャンバー 繰り返し安定性 20 gf Glass ball, 10mmf DN iongel 5.0 mm/s Coefficient of friction 0.05 vs. SUJ2球 vs. ガラス球 0.04 0.03 0.02 0.01 0.00 0 100 200 300 Number of friction / N 2.2×10-4 Paの高真空条件下でも潤滑状態を維持 過酷な環境下(高温・真空)においてもDNイオンゲルが 安定な潤滑界面を保持することを実証 400 500 Summary つるつるDNゲルを基材に固定化する技術を開発 ・金属やセラミックスなど様々な材料を潤滑可能 適用例：生体材料、医療機器（カテーテル）など イオン液体を適用することで耐久性向上 ・高温・低圧でも安定→工業応用が可能 適用例：すべり軸受、オイルシールなど 低摩擦＋密封 の両立 ゴム(高摩擦) ゲル（低摩擦） お問い合わせ先 鶴岡工業高等専門学校 総務課企画・連携係長 庄司 TEL: 0235-25-9453 FAX: 0235-24-1840 e-mail: [email protected] 由紀彦
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