環境負荷の低い塗料開発を目指して~水性塗料の塗膜形成を分子レベルでシミュレーション~

2025-12-17 東京大学

東京大学と日本ペイントの研究グループは、環境負荷の低い水性塗料の高度化を目指し、塗膜形成初期における高分子の分散・凝集挙動を分子レベルで解明した。分子動力学シミュレーションを用いて、水系・有機系および水―有機溶剤混合系における高分子の挙動を体系的に解析した結果、二成分溶媒では相分離によって有機リッチ領域が形成され、高分子が局所的に凝集することが明らかになった。また、溶媒蒸発過程では高分子―溶媒相互作用の強さが凝集進行や塗膜形成に大きく影響することが示された。これらの知見は、水性塗料における分散安定性と塗膜形成機構の理解を深め、高分子―溶媒系を分子設計の観点から最適化する指針を提供するものである。本成果は、溶剤使用量削減と性能両立を目指す環境調和型塗料開発に貢献する。

環境負荷の低い塗料開発を目指して~水性塗料の塗膜形成を分子レベルでシミュレーション~
高分子の溶媒中・溶媒除去中の凝集の分子動力学シミュレーション

<関連情報>

水-有機二成分溶媒系におけるポリマーコイル形成の分子動力学研究 Molecular Dynamics Study of Polymer Coiling in a Water–Organic Binary Solvent System

Shinya Kawakami,Ryuhei Sato,Hirotaka Ejima,Takahiro Ujii,Koichi Sato,Takanori Ichiki,Yasushi Shibuta
ACS Omega  Published: December 12, 2025
DOI:https://doi.org/10.1021/acsomega.5c05389

Abstract

To investigate how solvents influence the intrachain coiling and interchain aggregation of polymers, we performed coarse-grained molecular dynamics simulations with varying polymer–solvent interactions. In the case of pure solvents, strong polymer–solvent interactions led to well-dispersed chains without polymer coiling, while weaker interactions resulted in spontaneous chain aggregation. In a binary solvent system composed of an aqueous solvent and an organic solvent, polymer aggregation preferentially occurred in the organic-rich domains following phase separation of these solvents. Notably, polymer aggregation was absent in the pure organic solvent with a strong polymer affinity, indicating that phase separation between organic and aqueous solvents plays a role in promoting polymer aggregation and subsequent coiling. To mimic the solvent evaporation process during polymer film formation, we gradually removed solvent molecules and analyzed changes in the coiling and aggregation of the polymer chains. When polymer–solvent interactions were strong, solvent molecules tended to remain between polymer chains during evaporation, preventing full coiling. In contrast, when interactions were weak or moderate, polymers aggregated as the number of remaining solvent molecules decreased, resulting in comparable levels of aggregation regardless of the solvent strength. These results show that polymer–solvent affinity critically affects the polymer coiling, both in solvent and during solvent removal.

0500化学一般
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