主要成果
研究チームは、2つの動的共有結合を組み合わせることで、高強度、迅速な自己修復、および繰り返しの再処理を単一素材で実現したフランベースのエポキシ・ビトリマーを開発しました。特に最適化された組成である「DGFB-1.0」は、引張強度 75.4 ± 2.3 MPa、ヤング率 512.5 ± 5.2 MPaに達しました。この強度は、先行研究で報告されている多くのバイオベース・エポキシ・ビトリマー（10–65 MPa）や、β-ヒドロキシエステル交換のみに依存するフランベース・ビトリマー（10–56 MPa）の範囲を上回る数値です。
技術・詳細
本素材は、動的なボロン酸エステル結合とβ-ヒドロキシエステル結合という、相補的な2つの経路でネットワーク構造を変化させる分子設計を採用しています。具体的には、2,5-フランジカルボン酸から合成したジグリシジルフラン-2,5-ジカルボキシレート（DGF）と、アミノフェニルボロン酸由来の架橋剤（di-BONH2）を用いて作製されました。バイオベース炭素含有量は、DGFB-1.0で25.0%、DGFB-0.7で29.4%となっています。
性能面では、以下の特性が確認されています。
- 自己修復能：表面に設けた幅60–70マイクロメートルの溝を90 °Cで60分間加熱したところ、DGFB-1.0では傷がほぼ消失し、引張強度の98.2%を回復しました。
- 再成形性：切断、熱プレス、再成形のサイクルを3回繰り返した後でも、元の引張強度の81.3%を維持しました。
- 熱安定性：質量が5%減少する温度は、DGFB-1.0で286.7 ± 4.3 °Cに達し、耐熱指数（Ts）は163.3 ± 2.1 °Cでした。
- 動的特性：120 °Cにおける応力緩和時間は、DGFB-1.0で11秒、90 °Cでは29秒となりました。
背景・業界の文脈
従来のエポキシ熱硬化性樹脂は、永久的な架橋ネットワークを形成するため、強度、剛性、化学的耐性、寸法安定性に優れていますが、一度硬化すると再成形や化学的な回収ができないという課題がありました。一方、ビトリマーは架橋構造を維持しながら、特定の条件下で結合交換が可能な動的共有結合を組み込んだ素材です。本研究では、触媒不要で中温域で反応が進むボロン酸エステル交換を、β-ヒドロキシエステル交換と組み合わせることで、エステルのみのビトリマーでしばしば必要となる触媒や高温条件の制約を緩和しつつ、機械的強度と熱安定性を両立させることを目的としています。
今後の展望
本研究の結果は、バイオベース素材を用いながら、従来の熱硬化性樹脂に匹敵する強度と、ビトリマー特有の再利用性を同時に達成できることを示しました。実験室レベルでの実証段階ではありますが、溶媒に不溶で化学的に安定しており、かつ熱的なトリガーで構造再編が可能なため、持続可能な高機能プラスチックとしての応用が期待されます。
元記事: https://bioengineer.org/dual-dynamic-bonds-yield-strong-self-healing-bio-based-epoxy-vitrimers/
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