セルロースナノファイバーの精密構造解析

纤维素纳米纤维的精确结构分析

基本信息

批准号：
21H04733
负责人：
齋藤継之
金额：
$ 26.62万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-05 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

木材のパルプ繊維をミクロフィブリル単位または微細なミクロフィブリル束にまで解きほぐすとセルロースナノファイバー（CNF）となる。CNF1本の幅は2～3 nmと非常に細いため断面の直接観察は困難であり、断面形状の決定には至っていない。しかしながら、断面形状は繊維材料の重要な構造特性であり、繊維の力学的および光学的な性質を支配する。さらに、断面の形が異なれば、CNF表面における分子鎖の数や向きも異なる。すなわち、CNF1本の断面形状は、CNF材料の機能設計や他素材との複合化において必須の知見といえる。そこで本研究では原子間力顕微鏡（AFM）像の画像解析によってCNFの形状を統計的に評価し、その断面形状を推定することを目的とした。AFM観察で得られたデータは画像解析を用いてCNF部分とその中心線を抽出し、広い観測範囲からCNFの高さ情報を取得した。一方、これまでに提案されている有力な断面モデルを仮定し、測定され得る高さ範囲についてのシミュレーションを行った。これらを比較した結果、観測された高さ分布はいずれの断面モデルでシミュレーションされる高さ範囲よりも広いことがわかった。しかしながらCNFが重なったような部分を除くと、観測データの上限は18本鎖の断面モデルのシミュレーション結果とよく一致した。一方、断面モデルよりも低く観測される箇所が30～40%存在することがわかった。これはCNF表面に凹みが存在する、すなわち分子鎖が欠落したような欠陥が存在することを示唆していた。以上より、AFM観察による統計的なCNFの高さ解析の結果は18本鎖の断面モデルを支持しており、そこには凹み状の欠陥が存在することが明らかになった。

当木浆纤维分解成微纤维单元或细微纤维束时，它们就变成纤维素纳米纤维（CNF）。单个CNF的宽度极薄，为2~3 nm，因此直接观察横截面很困难，并且横截面形状尚未确定。然而，横截面形状是纤维材料的重要结构性能，决定着纤维的机械和光学性能。此外，如果截面形状不同，CNF表面分子链的数量和方向也会不同。换句话说，单个CNF的横截面形状可以说是设计CNF材料的功能以及与其他材料复合时必不可少的知识。因此，本研究的目的是通过分析原子力显微镜（AFM）图像来统计评估CNF的形状并估计其横截面形状。利用AFM观察获得的数据，通过图像分析提取CNF部分及其中心线，并从较宽的观察范围获得CNF的高度信息。另一方面，我们假设了迄今为止提出的有希望的横截面模型，并在可测量的高度范围内进行了模拟。比较结果发现，观测到的高度分布比任一截面模型模拟的高度范围都要宽。然而，排除CNF重叠的区域，观测数据的上限与18股横截面模型的模拟结果吻合良好。另一方面，发现有 30% 至 40% 的位置观察到的值低于横截面模型中的值。这表明CNF表面存在凹痕，即分子链缺失等缺陷。由上可知，使用AFM观察的统计CNF高度分析结果支持18股截面模型，并且已经清楚存在凹缺陷。

项目成果

期刊论文数量（27）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Evaluating the Emulsifying Capacity of Cellulose Nanofibers Using Inverse Gas Chromatography

使用反相气相色谱法评估纤维素纳米纤维的乳化能力

DOI：
10.1021/acs.langmuir.2c03369
发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
3.9
作者：
Yagita Tomohito;Ito Tomoki;Hirano Takayuki;Toyomasu Takayuki;Hasegawa Sai;Saito Tsuguyuki;Fujisawa Shuji
通讯作者：
Fujisawa Shuji

Distribution and Quantification of Diverse Functional Groups on Phosphorylated Nanocellulose Surfaces

磷酸化纳米纤维素表面不同官能团的分布和定量