Pioneering physical properties dependent on degree of fibrillation of wood pulp

开创性的物理特性取决于木浆的原纤化程度

基本信息

批准号：
22H02407
负责人：
上谷幸治郎
金额：
$ 11.23万
依托单位：
Tokyo University of Science
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究では、様々な生物原料から得られるセルロースナノファイバー（CNF）材料の精密高機能化に向けて、CNFの集積構造ならびに界面構造を制御し、材料物性をスペクトル学的に解明することを目指す。2022年度は、CNFに見出された高い熱伝導性がCNFの結晶構造のみならずCNF間の接着界面の性状にも影響されることに着目し、CNFフィルムに各種多価金属イオンを導入することで伝熱性の制御・向上性を詳細に調査した。木材ならびにホヤ殻からTEMPO酸化処理によりCNFを製造し、それらのフィルムに各種金属陽イオンを添加した。乾燥環境下で養生した後、およそ5%RH以下の低湿度を維持した環境中でフィルムの熱拡散率を測定した。その結果、CNFフィルムに添加した金属イオンのイオン半径が小さくなるほど、またイオン金属種の電気陰性度が大きくなるほど、フィルムの面内方向熱拡散率が向上した。CNFフィルムの熱拡散率は、その表面官能基がプロトンで中和されたカルボキシ基であるとき最大化することが確認された。また、分子動力学（MD）計算により、金属イオンはCNF表面同士のカルボキシ基間で選択的に架橋構造を形成するのではなく、CNFの表面に偏在していることが判明した。CNF表面におけるイオンの空間分布は、金属イオンとカルボキシ基の酸素原子の間の最近接距離によって決定され、この距離はイオン半径および実測の熱拡散率と相関した。カルボキシ基間に架橋構造を形成しにくいと考えられるプロトンやナトリウムイオンなど一価イオンでも、多価イオンが示すイオン半径や電気陰性度と熱拡散性との傾向に合致した本結果は、金属イオンがCNF間界面ではなくCNF表面のみに偏在することを示唆している。

在这项研究中，我们的目标是控制CNF的整体结构和界面结构，并通过光谱阐明材料的物理性质，以提高从各种生物原料中获得的纤维素纳米纤维（CNF）材料的精度和功能。 2022年，我们将在CNF薄膜中引入各种多价金属离子，重点关注CNF中发现的高导热性不仅受到CNF晶体结构的影响，而且还受到CNF之间粘合界面特性的影响。详细研究了控制和改善传热的方法。 CNF以木材和海鞘壳为原料，经TEMPO氧化处理制成，并在薄膜中添加各种金属阳离子。在干燥环境中固化后，在保持低湿度约5％RH以下的环境中测量膜的热扩散率。结果，随着添加到CNF膜中的金属离子的离子半径变小以及离子金属物种的电负性增加，膜的面内热扩散率提高。已证实，当 CNF 膜的表面官能团是质子中和的羧基时，其热扩散率最大。此外，分子动力学（MD）计算表明，金属离子不会选择性地在CNF表面的羧基之间形成交联结构，而是不均匀地分布在CNF表面上。 CNF表面上离子的空间分布由金属离子与羧基氧原子之间的最近邻距离决定，该距离与离子半径和测量的热扩散率相关。即使对于质子和钠离子等被认为难以在羧基之间形成交联结构的单价离子，该结果也与多价离子所显示的离子半径、电负性和热扩散率的趋势一致。 CNF仅不均匀地分布在CNF表面上，而不是在CNF-CNF界面上。