JP2018127551A - 低摩擦化された表面を有する高強度ゲルの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
一方、ハイドロゲルは、強度が不十分であるという理由によって、その応用分野が制限されることが多く、ハイドロゲルの機械的強度の向上のための努力がなされてきた。
しかしながら、ゲル材料は柔らかいため、型を使った成形や切削などの加工になじまない。また、乾燥、塩分などにより含水率が変わるなど、寸法が変わりやすく、精密な加工が困難である。したがって、テクスチャリングなどの表面加工によって、高強度ゲルに低摩擦化された表面を付与するのは困難である。
また、ゲル材料の表面にオイルなどの潤滑剤を塗布することにより、高強度ゲルの表面を低摩擦化することも考えられるが、塗布したオイルによってゲル材料の化学的性質が変化してしまうおそれがあり、望ましくない。
通常、物体と物体の摩擦では、摩擦力Fは荷重Nと比例関係がある。すなわち、動摩擦係数μに対してF=μNの関係がある。また、摩擦係数は、物体と物体の接触面積Aや圧力P=N/Aには依存しない。
ところが、ゲルの場合、接触面積Aを一定にしながら荷重Fを大きくすると、摩擦係数が小さくなる関係がある。本発明者らは、この関係が、別の表現をすれば、同じ荷重Nであれば接触面積Aを小さくするほど摩擦係数が下がることを意味している点に着目し、ゲルの表面粗さを増大させることにより、ゲルと摩擦相手基板の間の荷重を実質的に増大させて、見かけの摩擦を下げることができるはずであるとの着想から、本発明に到ったものである。
低摩擦化された表面を有する高強度ゲルの製造方法であって、
高強度ゲルのブロックを作成する工程、
前記高強度ゲルのブロックを加工して、少なくとも1つの面の少なくとも一部の表面粗さを増大させることにより、前記高強度ゲルのブロックに低摩擦表面を付与する工程、
を含むことを特徴とする、前記製造方法である。
本発明の製造方法において、前記高強度ゲルのブロックを加工する工程が、該高強度ゲルのブロックをレーザーカッターにより切断して、表面粗さの増大した表面を得る工程を含むものとすることができる。
また、この場合において、さらに、前記低摩擦表面を付与した高強度ゲルのブロックを、膨潤させる工程を含むこととするのが望ましい。
網目構造を有する第1のポリマーを作製する工程、及び
前記第1のポリマーの前記網目構造に、第2のポリマーが侵入するように、該第2のポリマーを生成する工程、
を含むものとすることができる。
また、2,2,2−トリフルオロエチルメチルアクリレート、2,2,3,3,3−ペンタフルオロプロピルメタクリレート、3−(ペルフルオロブチル)−2−ヒドロキシプロピルメタクリレート、1H,1H,9H−ヘキサデカフルオロノニメタクリレート、2,2,2−トリフルオロエチルアクリレート、2,3,4,5,6−ペンタフルオロスチレンまたはフッ化ビニリデン等のフッ素含有モノマーを使用して得られるものであってもよい。
さらに、ジェラン、ヒアルロン酸、カラギーナン、キチンまたはアルギン酸等の多糖類、あるいはゼラチンやコラーゲン等のタンパク質を、第1のポリマーとして使用してもよい。
また、第1のポリマーと第2のポリマーとによって構成されるハイドロゲルは、第1のポリマーの網目構造に第2のポリマーが侵入する構造を有するのが望ましく、さらに、第1のポリマーと第2のポリマーとが相互に侵入する網目構造を有するのが好ましい。
上記光吸収剤は、光重合開始剤に対してモル比で1:3〜3:1の量で含まれるようにすることができる。
すなわち、まず、第1のモノマー、架橋剤、光重合開始剤を、所定のモル比(例えば、1:4:0.1)で混合し、窒素を使ってバブリングを10分程度行う。その後UV光を約7時間照射して、第1のポリマーを作製する。作製した第1のポリマーを乾燥、粉砕して、微粒子にする。
次に、第2のモノマー、架橋剤、光重合開始剤を、所定のモル比(例えば、1:0.01:0.01)で混合し、ここに紫外線吸収剤などの光吸収剤を、光重合開始剤1モルに対して0.25モルの割合で混合して、第2のポリマーを形成するための混合溶液を作製する。作製した混合溶液と第1のポリマー微粒子とを重量比で30:1になるように混合して、光を照射することにより第1のポリマーと第2のポリマーとがゲルを構成するゲル材料を調製する。
高強度ゲルのブロックを加工する工程としては、高強度ゲルのブロックをレーザーカッターにより切断して、表面粗さの増大した表面を得る工程を採用することができる。
レーザーカッターは、特に制限はないが、例えば炭酸ガスレーザーを光源とするものなどを使用することができ、出力が数ワットから数十ワットであって、数ミリ厚の木板、アクリル板等を切断することが可能なものなどを好適に使用することができる。
具体的には、高強度ゲルの板状のブロックを、まずレーザーカッターにより切断して、レーザー加工面を有する短冊形状とし、この短冊形状の高強度ゲルのレーザー加工面(表面粗さの増大した表面)が残るように、短冊形状の高強度ゲルから円形のレーザー被加工面を有する円柱状の高強度ゲルを、レーザー加工により切り出す。このようにして、表面粗さが増大した上面を有する円柱形状の高強度ゲルブロックとして、低摩擦化された表面を有する高強度ゲルを得ることができる。
さらに、低摩擦表面を付与した高強度ゲルのブロックを、膨潤させてもよい。
これは、例えば上記加工例において、高強度ゲルの作製の際に平衡膨潤させた高強度ゲルの板状のブロックをレーザー加工し、再度平衡膨潤させるものである。
具体的には、常温において、多量の水を満たしたバットに低摩擦表面を付与した高強度ゲルのブロックを入れ、ブロックの低摩擦表面が水面から出ず、ブロックが沈むような状態に、所望の時間だけ静置する。
紙やすりは、特に制限はないが、ウォータープルーフの紙やすりであって、#1000、#1500、#2000のものなどを使用することができ、#1500のものを好適に使用することができる。例えば、高強度ゲルのブロックの表面(被加工面)に対して、荷重100gで紙やすりを押しつけ、摺動速度10mm/秒、摺動サイクル1000で摺動させて、加工を行うことができる。その際、摺動回数は500回以上、例えば1500回以上、好ましくは2000回以上とする。
本発明において、表面粗さは、例えば顕微鏡観察によって高強度ゲルの低摩擦化加工表面の細かい間隔の凹凸を観察することにより、評価することができる。あるいは、三次元共焦点レーザー顕微鏡による線粗さ、面粗さ測定などを行うことにより、表面粗さを評価することもできる。
本発明において、表面の摩擦は、動摩擦係数を評価指標としており、動摩擦係数を測定することのできる公知の方法を使用することにより、評価することができる。
<第1のポリマーの作製>
2−アクリルアミド−2−メチルプロパン−スルホン酸モノマー(AMPS)1Mに対し、このモノマーを架橋する架橋剤として、4モル%のN,N’−メチレンビスアクリルアミド(MBAA)と、光重合開始剤として、0.1モル%のα−ケトグルタル酸(α-keto)とを含むモノマー溶液を60mL準備した。
上記各成分を秤量したモノマー溶液を、スターラーを用いて15分間撹拌した。次いで、モノマー溶液に含まれる酸素が光開始剤の発生させたラジカルを吸収してしまうことによるゲル化の阻害を防止するため、窒素置換(バブリング)を約20分間行うことにより、モノマー溶液中の酸素を除去した。
このモノマー溶液を、厚さ2mmのコの字形のスペーサを挟んだ2枚のガラス板の間に充填し、UVランプを用いてUV光(波長365nm)を約8時間照射して重合を行い、第1のポリマーを作製した。
N,N−ジメチルアクリルアミド(DMAAm)2Mに対し、このモノマーを架橋する架橋剤として、0.02モル%のMBAAと、光重合開始剤として、0.1モル%のα-ketoとを含むモノマー溶液を400mL作製した。
このモノマー溶液についても、上記第1のポリマーの作製のためのモノマー溶液の場合と同様に、撹拌し、バブリングを行った。
第1のポリマーと第2のポリマーのためのモノマー溶液との比率が重量比でおよそ1:20となるような量で、上記のように作製した第2のポリマーのためのモノマー溶液に、第1のポリマーを投入した。
第1のポリマーを、第2のポリマーのためのモノマー溶液中に2日間浸漬して膨潤させた。
第2のポリマーのためのモノマー溶液で膨潤させた第1のポリマーを取り出し、10cm×10cm×1.5cm程度の大きさに切り、これを2枚のガラス板の間に挟んだ状態で、UVランプを用いてUV光(波長365nm)を約8時間照射して第2のポリマーの重合を行い、高強度のハイドロゲルのブロックを作製した(含水率60〜80%程度)。
その後2週間多量の純水中に浸漬したもの(平衡膨潤させたもの(含水率90%程度))を、その後の加工に使用した。
上記のようにして得られた高強度のハイドロゲルのブロックを、以下の条件で、レーザーカッターにより加工した。
レーザーカッターとしては、Oh−Laser社製レーザー加工機HAJIME(波長10〜10.6μm、最大出力30W)を、レーザー出力80%、レーザー送り速度2mm/秒で使用した。
図1を参照して、まず、平衡膨潤させた高強度のハイドロゲルの板状のブロックを、レーザーカッターにより切断して、レーザー加工面を有する短冊形状(10cm×0.2cm×1.5cm程度)とした。次いで、レーザー加工面が上になるようにこの短冊形状のハイドロゲルを配置し、円形(直径5mm)のレーザー被加工面を有する円柱状のハイドロゲルを、レーザー加工により切り出した。
まず、実施例1と同様の方法により、9cm×3cm×0.5cm程度の大きさの高強度のハイドロゲルのブロックを作製した。
得られた高強度のハイドロゲルのブロックを、以下の条件で、紙やすりにより加工した。
図2に、実施例においてハイドロゲルの表面加工に使用した装置の全体概略図を示す。この同じ装置を、ゲルの表面摩擦の評価にも使用した。
図2を参照して、垂直荷重(接触荷重100g重)を印加するための組分銅1を載せたロードセル2の下端に、ヘッド3として紙やすりを取り付けたホルダを取り付けた。
図3に、実施例においてゲルの表面加工及びゲルの表面摩擦の評価に使用した装置の要部であるヘッド3の概略図を示す。
図3(a)を参照して、紙やすりによる高強度ゲルのブロックの加工の場合、樹脂製のホルダ11に紙やすり12を取り付けた。ホルダ11の先端は、半径5mmの半円柱状となっている。ここに、#1500の耐水ペーパー(耐水性紙やすり)を、接着剤で貼着した。このように用意したヘッドをハイドロゲルのブロック16の表面で摺動させて、加工を行った。
再び図2を参照して、純水4の中に浸漬したハイドロゲルのブロック5を収容した試料容器6を、移動テーブル7の上に載置した。ヘッド3の先端の紙やすりがブロック5の表面に押し付けられた状態で、ヘッド3を摺動速度10mm/秒、摺動サイクル1000、摺動回数2000回で摺動させて、ハイドロゲルのブロック5の表面を加工した。
(実施例3)
実施例1と同様の方法により、高強度のハイドロゲルのブロックを作製し、レーザーカッターにより加工した。
次いで、加工したブロックを、純粋中で、1日膨潤させた。
実施例3と同様の方法により、加工したブロックを、1週間膨潤させた。
実施例1と同様の方法により、高強度のハイドロゲルのブロックを作製した。作成したブロックについては、実施例のような加工は行わなかった。
実施例1〜4及び比較例で得られたブロックから、摩擦測定用のサンプルを切り出し、以下の条件で、ゲルの表面摩擦を測定した。
まず、実施例2の試料(紙やすりにより加工した高強度ゲルのブロック)については、図3(b)を参照して、測定子ホルダ13の先端に直径6mmのガラスボール(BK7)14を取り付けた。このように用意したヘッドをハイドロゲルのブロック17の表面で摺動させて、測定を行った。すなわち、再び図2を参照して、この測定子ホルダ13をヘッド3として、その先端(ガラスボール14)が、水を満たしていない試料容器6に収容された試料の表面に押し付けられた状態で、ヘッド3を摺動速度1mm/秒で摺動させて、ロードセルにより測定された摩擦力から垂直荷重を除することで、試料の表面摩擦を測定した。その際、乾燥を防ぐため、試料表面に水を滴下した。
次に、実施例2以外の試料(レーザーカッターにより加工した高強度ゲルのブロック及び比較例の高強度ゲルのブロック)については、図3(c)を参照して、測定子ホルダ13にガラスボール14を用いて円柱状に加工したゲル試料15を加工した面が露出するように押し込み固定した。このように用意したヘッドをガラス板18の表面で摺動させて、測定を行った。すなわち、この測定子ホルダ13をヘッド3として、実施例2の場合と同様に、試料の表面摩擦を測定した。
測定結果を表1に示す。
実施例1、実施例3及び比較例で得られたブロックから、以下の条件で、表面粗さ評価用のサンプルを切り出した。
このサンプルを使用して、以下の条件で、ゲルの表面粗さを評価した。
金属顕微鏡を使用して、倍率10倍で試料の表面を観察して、ゲルの表面粗さを評価した。
観察結果をそれぞれ図4(実施例1)、図5(実施例4)及び図6(比較例)に示す。図から明らかであるように、比較例に比べて、実施例のものは、表面粗さが増大している。
Claims (6)
- 低摩擦化された表面を有する高強度ゲルの製造方法であって、
高強度ゲルのブロックを作製する工程、
前記高強度ゲルのブロックを加工して、少なくとも1つの面の少なくとも一部の表面粗さを増大させることにより、前記高強度ゲルのブロックに低摩擦表面を付与する工程、
を含むことを特徴とする、前記製造方法。 - 前記高強度ゲルのブロックを加工する工程が、該高強度ゲルのブロックをレーザーカッターにより切断して、表面粗さの増大した表面を得る工程を含むことを特徴とする、請求項1に記載の製造方法。
- さらに、
前記低摩擦表面を付与した高強度ゲルのブロックを、膨潤させる工程、
を含むことを特徴とする、請求項1又は2に記載の製造方法。 - 前記高強度ゲルのブロックを加工する工程が、該高強度ゲルのブロックの表面を紙やすりで加工して、表面粗さの増大した表面を得る工程を含むことを特徴とする、請求項1に記載の製造方法。
- 前記高強度ゲルのブロックの表面を紙やすりで加工して、表面粗さの増大した表面を得る工程を、水中で行うことを特徴とする、請求項4に記載の製造方法。
- 前記高強度ゲルのブロックを作成する工程が、
網目構造を有する第1のポリマーを生成する工程、及び
前記第1のポリマーの前記網目構造に、第2のポリマーが侵入するように、該第2のポリマーを生成する工程、
を含むことを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載の製造方法。
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