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Measurement of flow-induced orientation of nanofiber suspension in the molding flow by polarization imaging

Research Project

Project/Area Number 19K15299
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 26030:Composite materials and interfaces-related
Research InstitutionNiigata University

Principal Investigator

Sato Taisuke  新潟大学, 研究推進機構, 助教 (70778703)

Project Period (FY) 2019-04-01 – 2021-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000)
Fiscal Year 2020: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Keywordsセルロースナノファイバー / 繊維分散流体 / サスペンション / 偏光イメージング / 繊維配向 / 流動複屈折 / 平面流れ
Outline of Research at the Start

本研究の目的は,ナノ繊維分散流体の流れを明らかにすることである。ナノ繊維分散流体とは,木材から抽出したナノサイズの直径の繊維(ナノ繊維)を含有する流体のことである。本研究では,流れの速度分布や,光学的測定による流動中の繊維の向き(配向)を計測することで,ナノ繊維分散流体の特異な流動特性とそのメカニズムを明らかにすることを目指す。さらに,光学的測定において,偏光イメージング装置を開発することで,流動中のナノ繊維の配向場のリアルタイム計測を試みる。これらの成果は,工業現場でナノ繊維を強化材とする複合材料を効率的に製造するプロセスに応用可能であると期待できる。

Outline of Final Research Achievements

The aim of this research is to clarify the fiber orientation in the molding flow of the cellulose nanofiber suspension. In this study, rheology properties and distribution of the flow-induced birefringence were measured. In addition, polarization imaging device, which was configured by low price optical elements, was developed to measure the fiber orientation. The test fluid exhibits viscosity with shear-thinning behavior and strong elasticity. In the contraction flow, fibers were aligned strongly in the flow direction. In the downstream region, the birefringence decreases and reaches a constant value. The result shows that the fiber orientation induced by the contraction flow was varied to the orientation in the shear flow. Furthermore, it was found that the distance at which the birefringence reaches a constant value is not affected by the flow rate, contraction ratio and aspect ratio.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

現在セルロースナノファイバー(CNF)は,複合材料の強化材としての応用が考えられている。繊維複合材料の成形において,製品中の繊維配向は,成形加工中の材料の流動でほぼ決定され,それが複合材料の歪やソリ,強度ムラといった欠陥に大きく影響する。したがって,目的とする良い材料特性を発現させるには,CNFを含んだ流体の流動に関する基礎的な知見を得ることが極めて重要である。本研究ではCNF分散系において,繊維配向を定量的に評価しており,この成果は,CNFを用いた複合材料の品質向上に大きく寄与すると期待される。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (10 results)

All 2021 2020 2019

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 2 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Journal Article] Effect of Molar Concentration on the Flow Behavior of Micellar Solutions Passing through Small Slits2021

    • Author(s)
      Akiomi Ushida, Ryosuke Chiba, Hikaru Iwasaki, Taisuke Sato, Takatsune Narumi, Tsutomu Takahashi, Keita Saito, and Tomiichi Hasegawa
    • Journal Title

      Nihon Reoroji Gakkaishi

      Volume: 49 Issue: 1 Pages: 15-27

    • DOI

      10.1678/rheology.49.15

    • NAID

      130007998600

    • ISSN
      0387-1533, 2186-4586
    • Year and Date
      2021-02-15
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Flow-Induced Orientation of a Polymer Solution in a Planar Channel with Abrupt Contraction and Expansion2020

    • Author(s)
      Taisuke Sato, Takatsune Narumi, Akiomi Ushida
    • Journal Title

      Nihon Reoroji Gakkaishi

      Volume: 48 Issue: 2 Pages: 129-135

    • DOI

      10.1678/rheology.48.129

    • NAID

      130007843300

    • ISSN
      0387-1533, 2186-4586
    • Year and Date
      2020-04-15
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Flow properties of surfactant solutions of rod-like micelles passing through a small slit2020

    • Author(s)
      Akiomi Ushida, Taisuke Sato, Takatsune Narumi, Tsutomu Takahashi, Takashi Onuma, Masatoshi Ito, Tomiichi Hasegawa
    • Journal Title

      Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics

      Volume: 280 Pages: 104296-104296

    • DOI

      10.1016/j.jnnfm.2020.104296

    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] CNF分散流体の平面急拡大流れにおける繊維配向の測定2021

    • Author(s)
      草野曜圭, 佐藤大祐, 鳴海敬倫, 牛田晃臣
    • Organizer
      日本機械学会 北陸信越支部 第50回学生員卒業研究発表講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] CNF分散流体の流動特性に対する流動反転の影響2021

    • Author(s)
      安部翔太, 佐藤大祐, 鳴海敬倫, 牛田晃臣
    • Organizer
      日本機械学会 北陸信越支部 第58期総会・講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] CNF分散流体の平面縮小流れにおける偏光イメージング計測2021

    • Author(s)
      山之内崚, 佐藤大祐, 鳴海敬倫, 牛田晃臣
    • Organizer
      日本機械学会 北陸信越支部 第50回学生員卒業研究発表講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 平面急縮小流れにおけるセルロースナノファイバー分散系の流動挙動2020

    • Author(s)
      生天目修弥, 佐藤大祐, 鳴海敬倫, 牛田晃臣
    • Organizer
      日本機械学会 第98期流体工学部門講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 平面急縮小流れにおけるCNF分散流体の流動配向2019

    • Author(s)
      佐藤大祐,生天目修弥,鳴海敬倫,牛田晃臣
    • Organizer
      プラスチック成形加工学会第27回秋季大会
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] Flow-induced orientation of cellulose nanofiber suspension in planar channels with an abrupt contraction2019

    • Author(s)
      Taisuke Sato, Syuya Namatame, Takatsune Narumi, Akiomi Ushida
    • Organizer
      The International Conference on Advanced Technology in Experimental Mechanics 2019
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] ゲル状のCNF分散系の流動反転後の変形特性2019

    • Author(s)
      小松諒平,鳴海敬倫,牛田晃臣,佐藤大祐
    • Organizer
      第67回レオロジー討論会
    • Related Report
      2019 Research-status Report

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Published: 2019-04-18   Modified: 2022-01-27  

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