ナノ複合材料の設計を目的としたセルロースナノフィブリル材料の構造と特性解析

用于设计纳米复合材料的纤维素纳米原纤材料的结构和表征

基本信息

批准号：
13J07327
负责人：
福住早花
金额：
$ 0.77万
依托单位：
Tokyo Institute of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

再生産可能な天然高分子である木材セルロースは、幅3-4nmの伸びきり鎖からなる繊維状の結晶構造を有しているためナノ材料として補強材や包装材料等の様々な応用が期待されている。これまでの研究で、木材セルロースへの表面酸化と軽微な解繊処理により得られる幅3nmのセルロースナノフィブリルから透明で高い酸素バリア性を有する膜の調製に成功した。乾燥下の酸素透過係数は石油由来のガスバリア高分子であるエチレンビニルアルコールの約10分の1である。本研究ではセルロースナノフィブリルの膜内における自己組織化が膜のガスバリア性に与えるメカニズムを明らかにするため、結晶性、配向性、空隙サイズ等の構造と酸素バリア性を評価し、それを再生セルロースや合成高分子の挙動と比較することで結晶性ナノフィブリルから成るセルロース材料の構造と特性を明らかにすることを目的とした。さまざまな長さ、表面組成を有するナノフィブリル膜のナノ空孔を産業技術総合研究所の協力のもと陽電子消滅法により評価したところ、酸素分子の膜内での拡散遅れがガスバリア性の原因であり、その拡散遅れは、ナノフィブリルのサイズに起因するものとナノフィブリル間の空孔の大きさに依存する2種類の遅れがあることが明らかになった。またナノファイバー膜の空孔は再生セルロース膜や合成高分子よりも小さく、結晶性ナノファイバーが層状に積層し、分子運動が抑制された膜の構造が優れたガスバリア性をもたらすことがわかった。本成果によりガスバリア性発現メカニズムにおける石油由来の高分子と天然高分子ナノファイバー膜の違いが明らかとなり、天然高分子の利用拡大を目指した基礎的知見を得ることができた。本成果は国内学会・研究会にて既に発表され、国際的な科学雑誌に投稿する予定であり、高機能バイオマス材料の有効利用が加速されることが期待される。

木质纤维素是一种可再生的天然聚合物，具有由宽度为3-4纳米的延长链组成的纤维晶体结构，因此有望作为纳米材料用于增强材料和包装材料等多种应用。。在我们前期的研究中，我们成功地利用木材纤维素的表面氧化和轻微原纤化处理获得的宽度为3 nm的纤维素纳米原纤制备了具有高氧阻隔性能的透明膜。干燥条件下的透氧系数约为乙烯乙烯醇（一种源自石油的气体阻隔聚合物）的十分之一。在这项研究中，为了阐明膜内纤维素纳米原纤维的自组装影响膜阻气性能的机制，我们评估了膜的结晶度、取向、孔径和氧气阻隔性能等结构，并然后使用再生纤维素。这项研究的目的是通过将结晶纳米原纤组成的纤维素材料的行为与合成聚合物的行为进行比较来阐明其结构和性能。与日本产业技术综合研究所合作，利用正电子湮没法对不同长度和表面组成的纳米原纤维薄膜中的纳米孔进行了评估，结果发现，薄膜内氧分子的延迟扩散是产生气体的原因。研究表明，存在两种类型的扩散延迟：一种是由于纳米原纤维的尺寸，另一种是取决于纳米原纤维之间的孔隙的尺寸。还发现，纳米纤维膜中的孔比再生纤维素膜或合成聚合物中的孔更小，并且结晶纳米纤维层状堆叠且分子运动受到抑制的膜结构提供了优异的气体阻隔性能。该结果阐明了石油衍生聚合物和天然聚合物纳米纤维膜在阻气性能机理上的差异，为扩大天然聚合物的用途提供了基础知识。该成果已在国内学术会议和课题组上发表，并计划提交至国际科学期刊，有望加速高功能生物质材料的有效利用。