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Revelation of lubrication mechanisms of 100% cellulose nanofiber moldings by a tribo-operand spectroscopic method

Research Project

Project/Area Number 21K20402
Research Category

Grant-in-Aid for Research Activity Start-up

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section 0301:Mechanics of materials, production engineering, design engineering, fluid engineering, thermal engineering, mechanical dynamics, robotics, aerospace engineering, marine and maritime engineering, and related fields
Research InstitutionYokohama National University (2022)
Kyoto Institute of Technology (2021)

Principal Investigator

Okubo Hikaru  横浜国立大学, 大学院環境情報研究院, 助教 (50906352)

Project Period (FY) 2021-08-30 – 2023-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Keywordsセルロースナノファイバー / トライボロジー / その場観察 / 超低摩擦 / オペランド計測 / 分光分析 / 表面改質
Outline of Research at the Start

本研究では,新たな機械要素用バイオマス材料として有望な「100%セルロースナノファイバー(CNF)成形体」の未知な潤滑機構を「摩擦界面のその場分光分析システム」により解明し,得られた知見に基づき,CNF成形体の高機能化を果たすことで,摺動機械要素に応用可能な次世代バイオマス摺動材料の創製を試みる.「100%CNF成形体」は,セルロース分子から構成されたナノファイバー構造体である.従来の機械材料と比較しても遜色ない強度物性を有する「100%CNF成形体」を摺動機械要素材料として応用可能となれば,摺動機械要素の脱石油資源化が可能となるものと考えた.その実現可能性を見極め,具現化を目指す研究である.

Outline of Final Research Achievements

In this study, we investigated the basic tribological properties and friction surface structure of a 100% cellulose nanofiber (CNF) molding. From the results, the CNF molding exhibits ultra-low friction under specific lubrication conditions: under a lubrication with a polar oil or high-temperature dry friction conditions. For the lubrication with the polar oil, the functional group denaturation of the CNF surfaces progresses on the frictional surface, and it results in the formation of a specific solid-liquid interface structure that exhibiting ultra-low friction. Under high-temperature dry friction conditions, amorphous CNFs film forms at the friction interface, and it was concluded that such a specific film exhibits ultra-low friction. We will further elucidate the lubrication mechanism of the CNF moldings and develop the CNF molding with advanced features based on the mechanism.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

CNFを材料に導入することで,機械特性やトライボロジー特性を制御しようとする研究開発はこれまでも実施されているが,いずれも材料に対するセルロース・CNF濃度は数%程度であり,そのトライボロジー現象は母材の材料に依るところが大きい.本研究は,単成分で高い機械的強度と特異的な特性を有するCNFを濃度100%の成形体として摺動材料として取い,超低摩擦性を獲得するシステム設計を見出した点で,学術的・産業的な意義は大きい.また,本研究で扱ったCNF成型体は,カーボンニュートラルに資する100%バイオマス素材で構築された材料であり,この100%CNF成型体の実用性を示した本研究の社会的意義は大きい.

Report

(3 results)
  • 2022 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (9 results)

All 2023 2022 2021

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (5 results) Book (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Tribological properties of 100% cellulose nanofiber (CNF) molding under dry- and boundary lubrication-conditions at CNF/steel contacts2023

    • Author(s)
      H. Okubo, R. Nakae, D. Iba, K. Yamada, H. Hashiba, K. Nakano, K. Sato, S. Sasaki
    • Journal Title

      Cellulose

      Volume: -

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 高濃度セルロースナノファイバー成形体による次世代機械摺動材料の実現に向けた研究2022

    • Author(s)
      大久保光
    • Journal Title

      アグリバイオ (Agricultural Biotechnology)

      Volume: 6 Pages: 357-360

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    • Author(s)
      大久保光
    • Organizer
      プラスチック成型加工シンポジア 京都
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    • Author(s)
      大久保光
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      トライボロジー会議2022 秋 福井
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      中江 亮太
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      2022年度日本機械学会年次大会
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    • Author(s)
      中江 亮太, 大久保 光, 山田 和志, 射場 大輔, 森脇 一郎, 佐々木 信也
    • Organizer
      日本機械学会関西学生会2021年度学生員卒業研究発表講演会
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  • [Presentation] 無潤滑-潤滑油環境下における100%セルロースナノファイバー(CNF)成形体のトライボロジー特性2021

    • Author(s)
      大久保 光, 中江 亮太, 射場 大輔, 森脇 一郎, 山田 和志, 佐々木 信也
    • Organizer
      日本機械学会 第20回機素潤滑設計部門講演会 2021年12月
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  • [Book] アグリバイオ 2022年4月号 農林水産物・食品のブランディング向上2022

    • Author(s)
      大久保光他
    • Total Pages
      50
    • Publisher
      北隆館
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  • [Patent(Industrial Property Rights)] 摺動部材及びその製造方法2022

    • Inventor(s)
      大久保光 , 橋場洋美, 稲用亨, 中込亮太, 射場大輔
    • Industrial Property Rights Holder
      大久保光 , 橋場洋美, 稲用亨, 中込亮太, 射場大輔
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2022
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Published: 2021-10-22   Modified: 2024-01-30  

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