親水性セルロース繊維ネットワーク表面のフラクタル解析による紙の超撥水化機構の解明

通过亲水纤维素纤维网络表面的分形分析阐明纸张的超疏水机制

基本信息

批准号：
14703030
负责人：
北岡卓也
金额：
$ 17.56万
依托单位：
Kyushu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
财政年份：
2002
资助国家：
日本
起止时间：
2002 至 2004
项目状态：
已结题

项目摘要

セルロース繊維ネットワークの親水構造を維持したまま、疎水性サイズ分子によるわずかな表面修飾で発現する紙の超撥水化現象を検討してきた。最終年度は、(1)天然繊維を模倣したセルロース分子構造膜の精密設計、(2)基質の表面モルフォロジーを考慮した界面現象および撥水分子との相互作用状態について詳細に検討し、セルロース繊維材料の撥水性応答を司るメカニズムを究明した。【天然セルロースの結晶構造の再構築】天然セルロースはセルロース分子鎖が平行配列したセルロースI型結晶をとる。結晶構造は高分子材料の重要な構造・機能因子であるが、その再構築は熱力学的制約により不可能であった。本研究では、セルロース分子の長軸方向の分子異方性に着目し、セルロースの還元末端にチオール基を選択的に導入後、Au基板上に自己組織化させる新手法により、セルロースI型の結晶構造を有するセルロース膜の調製に初めて成功した。また、その表面凹凸はサブnmオーダーの平滑性を示した。【サイズ紙モデル界面の設計とぬれ性】サイズ処理セルロース基質のモデルとして、表面凹凸を制御したセルロース膜上にAuコロイドを分散担持させ、アルカンチオールの自己組織化により両親媒的な界面を設計した。このモデル界面は面積分率で80%以上がもとの親水性セルロース基質であるにもかかわらず、疎水性アルキルの単分子膜と同程度の撥水性を示した。つまり、親水性のセルロース基質を残したまま海島状に疎水成分が点在するだけで、高い撥水効果を発現する紙のサイズ性特有の現象を部分的に再現することに成功した。セルロース繊維の表面モルフォロジーとぬれ性の関係は、他のバルク材料の固体界面と大きく異なっており、この独自の特徴を活かした生物系繊維材料の機能開発に期待が持たれる。

我们一直在研究纸张的超疏水性现象，这种现象是通过用疏水性大小的分子进行轻微的表面改性，同时保持纤维素纤维网络的亲水性结构而发生的。最后一年，我们重点关注（1）模仿天然纤维的纤维素分子结构膜的精密设计，（2）考虑基材表面形态以及与水相互作用状态的界面现象的详细研究-拒水分子。我们研究了控制拒水反应的机制。 [天然纤维素晶体结构的重建] 天然纤维素形成纤维素分子链平行排列的I型纤维素晶体。晶体结构是高分子材料的重要结构和功能因素，但由于热力学限制，其重构一直是不可能的。本研究重点关注纤维素分子长轴方向的分子各向异性，选择性地将硫醇基引入纤维素的还原端，然后采用新方法在Au基底上自组装形成纤维素I型我们首次成功制备了结构化纤维素膜。此外，表面不规则性表现出亚纳米级的光滑度。 [施胶纸模型界面的设计和润湿性] 作为经过施胶处理的纤维素基材的模型，将Au胶体分散并负载在表面粗糙度受控的纤维素膜上，并通过链烷硫醇的自组装设计了两亲性界面。尽管该模型界面超过 80% 的面积由原始亲水性纤维素基材组成，但它表现出与疏水性烷基单层相当的拒水性。换句话说，通过简单地将疏水性成分分散成海岛图案，同时保留亲水性纤维素基质，我们成功地部分再现了表现出高防水效果的纸张尺寸特有的现象。纤维素纤维的表面形貌与润湿性之间的关系与其他块体材料的固体界面的关系显着不同，利用这一独特特性的生物纤维材料的功能开发令人期待。