JP2009056714A - 相互侵入網目構造ゲルと所定の被着材料とから構成される複合材料、その製造方法及び相互侵入網目構造ゲルを所定の被着材料に接着する方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第一網目構造及び第二網目構造を含む相互侵入網目構造ゲルと、表面の少なくとも一部に粗面が形成された被着材料と、から構成される複合材料であって、前記第一網目構造が、前記被着材料の前記粗面上に構築された第一部位1(1)と、前記第一部位1(1)とは別体である、前記第一部位1(1)上に搭載された第二部位1(2)とを有しており、前記第二網目構造が、前記第一網目構造の前記第一部位1(1)及び前記第二部位1(2)内の両間隙に亘り連続的に構築されている、相互侵入網目構造ゲルが被着材料の粗面に直接接着した複合材料。
【選択図】図1
Description
前記第一網目構造が、前記被着材料の前記粗面上に構築された第一部位と、前記第一部位とは別体である、前記第一部位上に搭載された第二部位とを有しており、
前記第二網目構造が、前記第一網目構造の前記第一部位及び前記第二部位内の両間隙に亘り連続的に構築されている、相互侵入網目構造ゲルが被着材料の粗面に直接接着した複合材料である。
前記第一モノマー溶液(2)を含む第一モノマー溶液(2)に対して重合及び架橋反応を実施することにより、第一網目構造の第二部位を得る第二工程、
第二モノマー成分(1)を含む第二モノマー溶液(1)を前記第一網目構造の前記第一部位内に導入する第三工程、
第二モノマー成分(2)を含む第二モノマー溶液(2)を前記第一網目構造の前記第二部位内に導入する第四工程、及び
前記第二モノマー溶液(1)を含有する前記第一部位と前記第二モノマー溶液(2)を含有する前記第二部位とを合わせた状態で、前記第二モノマー溶液(1)及び前記第二モノマー溶液(2)に対して重合及び架橋反応を実施することにより、前記第一網目構造の前記第一部位及び前記第二部位内の両間隙に亘り連続的に第二網目構造を構築する第五工程、
を含む、相互侵入網目構造ゲルと被着材料とから構成される複合材料の製造方法である。
前記第一モノマー溶液(2)を含む第一モノマー溶液(2)に対して重合及び架橋反応を実施することにより、第一網目構造の第二部位を得る第二工程、
第二モノマー成分(1)を含む第二モノマー溶液(1)を前記第一網目構造の前記第一部位内に導入する第三工程、
第二モノマー成分(2)を含む第二モノマー溶液(2)を前記第一網目構造の前記第二部位内に導入する第四工程、及び
前記第二モノマー溶液(1)を含有する前記第一部位と前記第二モノマー溶液(2)を含有する前記第二部位とを合わせた状態で、前記第二モノマー溶液(1)及び前記第二モノマー溶液(2)に対して重合及び架橋反応を実施することにより、前記第一網目構造の前記第一部位及び前記第二部位内の両間隙に亘り連続的に第二網目構造を構築する第五工程、
を含む、相互侵入網目構造ゲルを被着材料に接着する方法である。
本最良形態に係る複合材料は、所定の被着材料にIPNゲルが直接接着した複合材料である。ここで、当該複合材料のIPNゲル部分は、当該被着材料の粗面上に構築された第一網目構造の第一部位と、前記第一部位と別体である、前記第一部位上に搭載された第一網目構造の第二部位と、前記第一部位及び第二部位の両間隙に亘り連続的に構築された第二網目構造と、を有することを一の特徴とする。即ち、このような構造を有することにより、IPNゲルが被着材料に直接接合している。以下、被着材料としてより好適な硬質材料を例に採り、IPNゲル及び硬質材料の組成及び構造をまず説明し、続いて複合材料の性質を詳述することとする。
図1は、本最良形態に係る複合材料の概念図である。尚、当該図はあくまで概念図であり、ポリマーの太さや架橋密度等は実際を反映させたものでは無いことを理解すべきである。そこで、図1を参照しながらIPNゲルを詳述すると、前述のように、第一網目構造(図中の細線)は、第一部位1(1)と第二部位1(2)にもともとは分断されている。ここで、第一部位1(1)と第二部位1(2)は、全く同一の組成(原料や濃度)で形成された網目構造でもよく、異なる組成で形成された網目構造であってもよい。また、第二網目構造(図中の太線)は、第一網目構造内の第一部位1(1)と第二部位1(2)内に亘って連続的に形成されている限り特に限定されず、第一部位1(1)内での組成と第二部位1(2)内での組成が同一でも異なっていてもよい。このことは、IPNゲルを製造する際に使用する原料液に関し、第一網目構造の第一部位1(1)と第二部位1(2)の原料液が同一組成であっても異なる組成であってもよく、更には、第二網目構造の、第一部位1(1)内に導入する原料液と第二部位1(2)内に導入する原料液が同一組成でも異なる組成であってもよいことを意味する。また、当該IPNゲルは、内部にどのような液体媒体(一般に溶媒ともいう)を含有してもよく(例えば水や有機溶媒)、ハイドロゲルでもオルガノゲルでもよい。
続いて、硬質材料について詳述する。硬質材料は、少なくとも一部に粗面を有する限り特に限定されず、全面に粗面が形成された硬質材料及びIPNゲルとの接着部分だけ粗面が形成された硬質材料(例えば、接着部分だけ粗面処理された材料)のいずれでもよく、更には、単一の材質からなるものに限定されず、複数の材料からなる硬質材料(例えば、IPNゲルとの接着部分が硬質材料層であり、当該接着部分と反対側の当該硬質材料層に軟質材料層が更に結合している複合材料)であってもよい。
(強力な接着力)
本最良形態に係る複合材料の特性は、IPNゲルと硬質材料との非常に強い接着力である。第一網目構造は、第一部位及び第二部位に分断しており、それぞれのネットワークが直接結合はしていない。したがって、硬質材料から当該IPNゲルを引き剥がそうとした場合、第一網目構造の第一部位と第二部位の界面で切断されることが通常は予想される。しかしながら、当該予想に反し、硬質材料から当該IPNゲルを引き剥がそうとした場合、第一網目構造の第一部位と第二部位の界面で切断されるよりも、当該IPN自体が先に破断してしまうことが確認された。それ程、強力な接着力でIPNゲルと硬質材料とは接合している。具体的には、本最良形態に係る複合材料の接着面の破壊エネルギーは、20J/m2以上が好適であり、100J/m2以上がより好適であり、900J/m2以上が更に好適である。
本発明に係る硬質材料とIPNゲルとの複合材料の製造方法(IPNゲルを硬質材料に接着する方法)は、
第一モノマー成分(1)を含む第一モノマー溶液(1)を硬質材料の粗面に適用した後に当該溶液に対して重合及び架橋反応を実施することにより、第一網目構造ゲルの第一部位を前記硬質材料の前記粗面上に構築する第一工程、
第一モノマー成分(2)を含む第一モノマー溶液(2)に対して重合及び架橋反応を実施することにより、第一網目構造の第二部位を得る第二工程、
第二モノマー成分(1)を含む第二モノマー溶液(1)を前記第一網目構造の前記第一部位内に導入する第三工程、
第二モノマー成分(2)を含む第二モノマー溶液(2)を前記第一網目構造の前記第二部位内に導入する第四工程、及び
前記第二モノマー溶液(1)を含有する前記第一部位と前記第二モノマー溶液(2)を含有する前記第二部位とを合わせた状態で、前記第二モノマー溶液(1)及び前記第二モノマー溶液(2)に対して重合及び架橋反応を実施することにより、前記第一網目構造の前記第一部位及び前記第二部位内の両間隙に亘り連続的に第二網目構造を構築する第五工程、
を必須的に含む。以下、各工程について詳述する。
本発明に係る複合材料は、水等の溶媒で膨潤させて、ハイドロゲルとして使用することができる。硬質材料とIPNゲルの複合材料は、特異な性質を発現するものと期待でき、その応用分野も広汎である。中でも特に、人工関節軟骨等の生体材料に使用可能である。この場合、硬質材料としてセラミック又は金属といった硬質無機材料を使用し、当該硬質無機材料を骨に固定することにより、当該硬質無機材料を介して骨にIPNゲルを固着することが可能となる。
本実施例において使用した被着材料は、硬質材料に関しては、ガラスフィルタ(P−5、P−16、P−40、P−100、P−160、P−250)、多孔陶磁材(建築分野用)、軟質材料に関しては、スポンジ(白)(メラミンフォームスポンジスポンジ)、スポンジ(黄)(台所用三層型スポンジ)である(図2)。各物質の表面のSEM写真を図3〜図5に示した。SEM写真により、ガラスフィルタP−5の気孔サイズは4〜5.5μm、P−16は10〜16μm、P−40は16〜40μm、P−100は40〜100μm、P−160は100〜160μm、P−250は160〜250μm、スポンジ(白)は約30〜50μmであった。ガラスフィルタ(P−5、P−16、P−40、P−100、P−160、P−250)の表面粗さの測定データを図6に示した。P−5のRaは1.21μmであった。多孔陶磁材の表面粗さの測定データを図7に示した。多孔陶磁材は0.9μmであった。P−5の気孔率は64%、P−16、P−40の気孔率は50%以上、P−100、P−160及びP−250の気孔率は30%ほどであった(図8)。尚、ガラスフィルタP−5、P−16、P−40、P−100、P−160及びP−250のサイズは、直径40mm厚さ4mmであった。尚、台所用三層型スポンジは三つ層を有し、一番上の層はナイロン、ポリエステルで構成され、真中の層はオレンジオイルクレンザーで構成され、網目構造があることが観察され、下層は緻密でポリエチレンで構成されている。
表面粗さは、算術平均粗さ(Ra)を意味し、JIS B0601に規定された方法で測定するものとする。
気孔率=V孔/V総=(V総−V粒)/V総×100%
多孔質材料の体積(V総)=粒子の体積(V粒)+気孔の体積(V孔)
また、V粒の測定は、試料を水中に浸漬して、当該試料の浸漬した試料と水の総体積と試料浸漬前の水の総体積の差である。当該体積差を求めるに際しては、使用する水を真空脱気した後に測定するものとする。
G=W/△S=F△I/d△I
AMPSの混合溶液(AMPS 1M、架橋剤MBAA 4mol%、開始剤KPS 0.1mol%)に被着材料を浸漬し、ポンプで真空脱泡を2時間行い当該被着材料から空気を追い出す脱気処理を実施し、3日間浸漬した。その後、当該被着材料をガラス基板に封入し、ウォーターバスで60℃、10時間、熱重合を行った。これにより、第一網目構造の第一部位(PAMPS)が表面に構築された被着材料を得た。次に、第一網目の第二部位としてのPAMPSゲル(AMPS 1M、架橋剤MBAA 4mol%、開始剤KPS 0.1mol%)と前記の第一部位が構築された当該被着材料とを、AAmの混合溶液(第二モノマー溶液;AAm 2M;MBAA 0.01 mol%;KPS 0.1mol%)に浸漬し、ポンプで真空脱泡を2時間行い、3日間浸漬した。その後、これらをAr雰囲気グローブボックス内に入れて脱気(3時間)後、ガラス基板に両者をしっかり挟んだ状態で封入して袋にいれ、当該グローブボックスから出して、ウォーターバスで60℃、10時間で熱重合を行った。その後、純水溶液に一週間浸漬し、水を取り替えた。図10に当該方法に係る接着工程の概要を示した(ガラスフィルタの場合)。
ガラスフィルタ(P−5、P−16、P−40、P−100、P−160、P−250)について、上記製造方法の手順に従って接着実験を行った。得られた複合体を純水で膨潤させる前と後の接着強度を測定した。図11は、接着した6種類のガラスフィルタとIPNゲルの間の破壊エネルギーの値を示した図である。当該図から分かるように、膨潤前後とも極めて高い接着強度を示した。尚、膨潤前の接着強度は膨潤後の接着強度より強くなる傾向にあることが確認された。これは、IPNゲルの膨潤により、ガラスフィルタ内部に充填したゲルの間に応力が発生し、破壊しやすくなったためではないかと考えられる。また、P−5のフィルタとIPNゲルの間の接着強度が最も高かった。当該結果により、気孔のサイズによりフィルタとIPNゲルの接着力を制御することができると示唆された。
P−5ガラスフィルタを用いて、第二モノマー成分であるAAmの混合溶液の架橋剤MBAAの量を変えて接着実験を行った。尚、当該条件以外は、《複合材料の製造方法》と同様の条件で接着実験を行った。測定した接着強度を図12に示す。当該図にも明記されているように、ガラスフィルタとIPNゲルの界面が破壊されるのではなく、IPNゲル自身が破断された。即ち、ガラスフィルタとIPNゲルの間の接着強度は、IPNゲル自身の破断強度より強いものと考えられる。
《複合材料の製造方法》に従って、ガラスフィルタ(P−5)を用いて、第一網目構造の第一部位に使用する架橋剤MBAAの濃度を1、2、4、8、10mol%と変化させて接着実験を行った。尚、その他のAMPSの混合溶液の組成はAMPS 1M:KPS 0.1mol%とした。また、第一網目構造の第二部位に相当するPAMPSゲルの組成は、AMPS 1M、架橋剤MBAA 4mol%、開始剤KPS 0.1mol%とした。また、AAmの混合溶液の組成はAAm 2M:MBAA 0.01mol%:KPS 0.1mol%として、実験を行った。結果を図13に示す。図13では接着したフィルタ(P−5)とIPNゲルの間の破壊エネルギーの値を示している。第一網目構造の第一部位の架橋MBAAの濃度が大きくなるほど、接着強度が大きくなった。即ち、第一網目構造の第一部位の架橋MBAAの濃度が10mol%の場合、フィルタ(P−5)とIPNゲルとの間の接着強度が一番高いことが判明した。
ガラスフィルタ以外の硬質材料として多孔陶磁材を用い、上記例1の条件に準じて実験を行った。接着強度の測定をおこなった結果、37.7J/m2であった(図14)。また、軟質材料として2種類のスポンジを用い、上記例1の条件に準じて実験を行った。接着強度の測定を行った結果、いずれも200J/m2超であった(図14)。尚、スポンジ(白)に関しては、AAm溶液に浸漬した際、PAMPS化スポンジは3倍程度膨潤し、内部のスポンジ構造は一部破壊された(白い粒としてPAMPSゲル内に残留)。また、スポンジ(黄)に関しては、下層のスポンジが疎水性のポリエチレンで構成されているので、このポリエチレン内には溶液が侵入せずゲルは構築されなかった。
Claims (15)
- 第一網目構造及び第二網目構造を含む相互侵入網目構造ゲルと、表面の少なくとも一部に粗面が形成された被着材料と、から構成される複合材料であって、
前記第一網目構造が、前記被着材料の前記粗面上に構築された第一部位と、前記第一部位とは別体である、前記第一部位上に搭載された第二部位とを有しており、
前記第二網目構造が、前記第一網目構造の前記第一部位及び前記第二部位内の両間隙に亘り連続的に構築されている、相互侵入網目構造ゲルが被着材料の粗面に直接接着した複合材料。 - 前記被着材料が硬質材料である、請求項1記載の複合材料。
- 前記被着材料が多孔質材料であり、前記相互侵入網目構造ゲルが前記多孔質材料の表面上及び孔内に構築されている、請求項1又は2記載の複合材料。
- 前記硬質材料がセラミックス又は金属である、請求項2又は3記載の複合材料。
- 前記第一網目構造は電荷を有する網目構造であり、前記第二網目構造は電気的に中性であるか又は前記第一網目構造よりも少ない電荷を有する網目構造である、請求項1〜4のいずれか一項記載の複合材料。
- 第一モノマー成分(1)を含む第一モノマー溶液(1)を被着材料の粗面に適用した後に当該溶液に対して重合及び架橋反応を実施することにより、第一網目構造ゲルの第一部位を前記被着材料の前記粗面上に構築する第一工程、
前記第一モノマー溶液(2)を含む第一モノマー溶液(2)に対して重合及び架橋反応を実施することにより、第一網目構造の第二部位を得る第二工程、
第二モノマー成分(1)を含む第二モノマー溶液(1)を前記第一網目構造の前記第一部位内に導入する第三工程、
第二モノマー成分(2)を含む第二モノマー溶液(2)を前記第一網目構造の前記第二部位内に導入する第四工程、及び
前記第二モノマー溶液(1)を含有する前記第一部位と前記第二モノマー溶液(2)を含有する前記第二部位とを合わせた状態で、前記第二モノマー溶液(1)及び前記第二モノマー溶液(2)に対して重合及び架橋反応を実施することにより、前記第一網目構造の前記第一部位及び前記第二部位内の両間隙に亘り連続的に第二網目構造を構築する第五工程、
を含む、相互侵入網目構造ゲルと被着材料とから構成される複合材料の製造方法。 - 前記被着材料が硬質材料である、請求項6記載の方法。
- 前記被着材料が多孔質材料である、請求項6又は7記載の方法。
- 前記硬質材料がセラミックス又は金属である、請求項7又は8記載の方法。
- 前記第一モノマー成分が電荷を有するモノマーを主成分とし、前記第二モノマー成分が電気的に中性であるモノマーを主成分とする、請求項6〜9のいずれか一項記載の方法。
- 第一モノマー成分(1)を含む第一モノマー溶液(1)を被着材料の粗面に適用した後に当該溶液に対して重合及び架橋反応を実施することにより、第一網目構造ゲルの第一部位を前記被着材料の前記粗面上に構築する第一工程、
前記第一モノマー溶液(2)を含む第一モノマー溶液(2)に対して重合及び架橋反応を実施することにより、第一網目構造の第二部位を得る第二工程、
第二モノマー成分(1)を含む第二モノマー溶液(1)を前記第一網目構造の前記第一部位内に導入する第三工程、
第二モノマー成分(2)を含む第二モノマー溶液(2)を前記第一網目構造の前記第二部位内に導入する第四工程、及び
前記第二モノマー溶液(1)を含有する前記第一部位と前記第二モノマー溶液(2)を含有する前記第二部位とを合わせた状態で、前記第二モノマー溶液(1)及び前記第二モノマー溶液(2)に対して重合及び架橋反応を実施することにより、前記第一網目構造の前記第一部位及び前記第二部位内の両間隙に亘り連続的に第二網目構造を構築する第五工程、
を含む、相互侵入網目構造ゲルを被着材料に接着する方法。 - 前記被着材料が硬質材料である、請求項11記載の方法。
- 前記被着材料が多孔質材料である、請求項11又は12記載の方法。
- 前記硬質材料がセラミックス又は金属である、請求項12又は13記載の方法。
- 前記第一モノマー成分が電荷を有するモノマーを主成分とし、前記第二モノマー成分が電荷を有しないモノマーを主成分とする、請求項11〜14のいずれか一項記載の方法。
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