黃承鈞/工研院材化所研究員
前言
日本高分子學會( Society of Polymer Science, Japan；SPSJ )創立於1951年，是全球歷史最悠久，也是組織最大的高分子組織，為日本文部科學省所核准的非營利組織，會員由日本學界、業界的高分子科學家工程師與政府機構人員所組成，此機構主要目的為促進日本於高分子科學與科技的發展。
SPSJ固定每年於五月底於日本國內舉辦年度會議，今年於北海道札幌會展中心舉辦第六十四屆。會議特別議程“Polymers Today and Beyond”的主要內容為討論日本為期五年( JFY2014-2018 )的高分子創新發展。計畫源於日本首相安倍經濟學的第三支箭：喚起民間投資的成長策略。計畫架構仿效美國國防高等研究計劃署( Defense Advanced Research Projects Agency；DARPA ) 負責研發用於軍事用途的高新科技，目標為發展前瞻與高風險的研究項目。策略名為“Impulsing PAradigm Change through disruptive Technologies ( ImPACT )”，由日本綜合科學技術創新會議( Council for Science, Technology and Innovation；CSTI )負責統籌規劃共550億日圓的研究經費，從180個申請案中選出12個研究主題，其中包括由東京大學伊藤耕三( Kohzo Ito )教授所領導的高分子材料開發主題：”Flexible Tough Polymer with Super Thin Film and Excessive Strengths”。
伊藤教授在會議中提到，開發“柔軟和堅韌的聚合物”是此項計畫的目標，應用載具為新世代的環保汽車材料應用(圖一)。此計畫結合日本運算性能最高的超級電腦「京」與SPring-8（Super Photon ring-8 GeV）同步輻射設施，以同步輻射解析高分子破壞的分子機制，再利用超級電腦模擬分子結構，避免合成材料的Trial & Error，縮短研發時間，加快可材料商業化腳步。目標開發材料項目包括可應用於車體結構的全新超高耐衝擊的透明樹脂，耐衝擊性規格達到 150 J/kg，可降低車體重量，並提升單次充電行駛里程兩倍，達到 300公里以上。燃料汽車中的質子交換膜燃料電池( PEFC )的電解質一般採用全氟化碳類高分子膜Nafion®，旭硝子( Asahi Glass )公司目前正在研發不需要加溼器的質子傳導膜，同時克服 Nafion在低濕度環境易降解的缺點，並將薄膜厚度由 25μm降低至 5μm，且在 10% 溼度下具有同樣的質子傳導率。最後這些研發項目再由日產汽車做整合應用，加速日本於氫燃料汽車的發展與推廣，降低日本對於進口能源的依賴。
以下內容分別介紹本次研討會於高分子領域的近期創新技術，包括活性超分子( Supramolecular Polymers )聚合、有機/無機混成水凝膠材料、非氟系表面抗汙處理技術與硫化高分子於產業新領域之應用等。
高分子之創新應用
1.活性超分子聚合
理化學研究所（Institute of Physical and Chemical Research；RIKEN）新興材料科學研究中心超分子功能化學品部門相田卓三( Takuzo Aida )教授於演講中提出一種活性(Living)聚合超分子聚合物的方法。超分子聚合物是由分子單體通過氫鍵作用力，或是π— π作用力等非共價鍵作用力聚合起來，又可根據不同條件回到單體狀態，具有可逆的特性。傳統活性聚合高分子可透過穩定共價鍵鍵結與活性自由基( Living Radical )將分子量控制在一個極小的範圍，而非共價鍵結與可逆特性使得控制超分子聚合物的分子量分佈比較困難。RIKEN研究團隊透過聚合起始劑(Initiator)與單體的搭配來完成首次的超分子活性聚合。此特殊設計的分子結構如圖二所示，為含有五個側鏈的硫烷基心環烯（Corannulene），具有 C5-symmetric 特性。此單體側鏈上的醯胺( Amide )官能基能夠形成分子內環狀氫鍵，可形成穩定的單體，阻止分子間的氫鍵作用力(圖三)，避免單體的自聚反應。如同雙鍵單體的聚合反應，超分子單體需要能夠引發聚合的起始劑(圖四)，研究人員將起始劑側鏈設計為具有甲基醯胺( N-methylated )官能基，由於甲基化阻止了分子內氫鍵的作用力，醯胺羰基( Carbonyl )保持氫受體( Hydrogen Acceptor )狀態存在，因此起始劑與單體混合即可產生氫鍵作用力(圖五)產生二聚體( Dimer )，並產生新的自由羰基官能基，因此可持續引發聚合反應形成聚合物。
圖二、活性超分子聚合之起始劑與單體分子結構設計
因此，藉由起始劑與單體間的比例控制，可得到相對應分子量的超分子聚合物，利用不同的分析儀器(圖六)，包括 DLS粒徑分析、NMR、AFM 與 SEC都可發現聚合物隨著不同起始劑/單體比例呈現分子量的變化，且具有相當窄的分子量分布，可證明反應為可控制的活性聚合。
圖六、不同分子量的超分子聚合物分析結果
研究人員同時發現，若是在---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
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