「硬くて脆い」プラスチックを「強くしなやか」に ~相分離を抑えたイオン架橋という新しい設計指針~

2026-09-04 東京理科大学,科学技術振興機構

東京理科大学とJSTの研究グループは、従来「硬いが脆い」という課題を抱えていたガラス状高分子を、硬さと強靭さを両立させる新しいイオン架橋設計によって改良した。ポリノルボルネン系のイオン性櫛型ポリマーについて、カルボン酸の対イオンに、かさ高い有機塩基DMAPを用いることで、従来のナトリウムイオンなどで生じるイオンクラスターやナノ相分離を抑制した。放射光小角X線散乱(SAXS)などによる解析から、DMAP系ではイオンが均一に分散し、分子鎖の運動性を維持しながら物理架橋として機能することが判明した。最適条件ではヤング率約0.9 GPa、タフネス約137 MJ/m³、破断伸び約500%を達成し、中和前に比べタフネスは約4倍、弾性率と降伏応力は約2倍に向上した。本成果は、イオン液体を使わず、対イオンと側鎖の分子設計によって高分子の力学特性を制御する新たな材料設計指針を示すもので、輸送機器や電子機器などの構造・機能材料への応用が期待される。

「硬くて脆い」プラスチックを「強くしなやか」に ~相分離を抑えたイオン架橋という新しい設計指針~
図. 本研究結果の概要

<関連情報>

ガラス状イオン性コームポリマーの異常な強化:かさ高い4-ジメチルアミノピリジニウム対イオンによる均一性の維持 Anomalous Toughening of Glassy Ionic Comb Polymers: Retention of Homogeneity Achieved by Bulky 4-Dimethylaminopyridinium Counterions

Kotaro Uchiyama;Ryotaro Miyazawa;Daisuke Aoki;Koji Arimitsu
Macromolecules  Published:September 03, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/acs.macromol.6c00773

Abstract

Overcoming the trade-off between stiffness and toughness is a longstanding challenge for glassy polymers. While ionic toughening with a homogeneous nanostructure offers a potential solution, this behavior remains limited to specific ionic liquid-based systems. Here, we show that incorporating 4-dimethylaminopyridine (DMAP) as a counterion into ionic comb polymers enables effective toughening while maintaining a homogeneous nanostructure. Specifically, the DMAP-neutralized ionic comb polymers demonstrate exceptional toughness (∼137 MJ/m3) and high elastic modulus (∼0.9 GPa)—representing fourfold and twofold increases, respectively, over the non-ionic precursor. SAXS analysis confirmed that these systems maintain a homogeneous nanostructure despite their highly ionized state, as verified by FT-IR. Moreover, DMAP counterions effectively plasticize the polymer matrix, lowering the glass transition temperature (Tg) from 96 to 81 °C. These findings suggest that homogeneous ionic crosslinking, enabled by the combination of bulky side chains and organic bases, is a promising strategy for toughening glassy polymers.

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