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Faburication of functional cellulose composite filament through nano-structural control using electric and elongational flow fields

Research Project

Project/Area Number 23K22664
Project/Area Number (Other) 22H01393 (2022-2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023)
Section一般
Review Section Basic Section 19010:Fluid engineering-related
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

高奈 秀匡  東北大学, 流体科学研究所, 教授 (40375118)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2024: ¥5,330,000 (Direct Cost: ¥4,100,000、Indirect Cost: ¥1,230,000)
Fiscal Year 2023: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
Keywordsセルロースナノファイバー / ナノ構造制御 / 複合材料 / 配向制御 / 電場 / カーボンナノチューブ / 導電性繊維 / 繊維配向制御 / 混相流 / 新素材創製 / 伸張流 / 電場応答 / 数値シミュレーション / 静電配向 / 伸長流
Outline of Research at the Start

セルロースナノファイバーおよび異種ナノ材料が混在する分散系流体において,電場・流動場下でのナノ粒子・繊維構造が流体としてのレオロジー特性に与える影響をマルチスケール解析により明らかにする。本研究により,実用に資する高強度機能性セルロース複合繊維の創製を目指す。さらに,物理・化学的処方により,高分子溶媒中にCNTや金属ナノ粒子を安定に分散維持し,異なる物性を有するナノ繊維・粒子の電場・流動場での複雑挙動および流体内部のミクロ構造に起因した流動特性を混相流動学の立場から解明することで,ナノ繊維配向制御の高度化を実現する。

Outline of Annual Research Achievements

本研究は,セルロースナノファイバー(CNF)および異種ナノ材料が混在する分散系流体において,電場・流動場下でのナノ粒子・繊維構造が流体としてのレオロジー特性に与える影響をマルチスケール解析により明らかにし,流体科学を基盤とした新たな学問的潮流をナノ材料学分野との融合により築くとともに,実用に資する高強度機能性セルロース複合繊維の創製を目的としたものである。
TEM観察により,単層カーボンナノチューブを複合化したCNFにおいては,カーボンナノチューブの周囲にCNFがらせん状に巻き付くことで安定分散が実現することが明らかとなった。これは,単層カーボンナノチューブ表面にカルボン酸基を修飾することで,カーボンナノチューブ・CNF間に水素結合が生じるためである。
従来技術では、カーボンナノチューブの含有により,ナノセルロースファイバー間の結合が阻害されるため,複合繊維強度が低下することが課題となっていた。本研究においては,電場と流れ場による独自の繊維配向制御法により,50%という高いカーボンナノチューブ含有量においても材料強度を低下させることなく,導電性セルロース複合繊維を創製することに成功した。さらに,得られた導電性セルロース単繊維を微量水分センサーへの応用を検討した。その結果,水分含有時にセルロースが膨張するため,カーボンナノチューブ間の接点が切断することで,電気抵抗が大きくなることが明らかとなった。その後,単繊維が乾燥すると,再びカーボンナノチューブ間の接点が回復するため,電気抵抗が小さくなる。この傾向は含有水分量による膨潤・収縮を繰り返しても常に同じ特性を得ることが得られ,従来の高感度水分センサーに対して約8倍の検出感度を実現することに成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究において,50%という非常に高いカーボンナノチューブ含有量の下で,セルロース単繊維を創製することが可能となり,従来よりも高い材料強度を実現することに成功した。さらに,ワシントン大学との共同研究により,本セルロース複合繊維の水分センサーへの応用について検討を行い,従来の高感度水分センサーに対して約8倍の検出感度を有するセルロース複合繊維の開発に成功した。本成果は多くの報道機関に取り上げられた。
以上の成果から,本研究課題の進捗状況について,おおむね順調に進展していると言える。

Strategy for Future Research Activity

本年度においては,トレンス試薬(アンモニア性硝酸銀水溶液)を用いた新たな銀ナノ粒子担持型セルロースナノファイバーの創製を試みる。トレンス試薬とCNFの混合比を変えることで,銀ナノ粒子担持量を変化させ,銀ナノ粒子担持量に対する創製繊維の材料特性を評価する。また,トレンス試薬濃度が混合溶液のレオロジー特性に与える影響を明らかにする。さらに,交流電場印加による配向上効果を明らかにし,創製繊維の材料特性に与える影響を明らかにする。また,枯草菌を用いた抗菌性評価試験を行い,銀担持の有無による抗菌性の違いを評価する。
さらに,異なる繊維長を有するCNFを混合することにより,CNF繊維長分布を変化させ,線長分布とレオロジー特性との相関を解明する。また,異なる繊維長分布のCNFに対し,単繊維創製を行い,最も高い電場印加効果が得られる繊維長分布を明らかにする。

Report

(2 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • 2022 Annual Research Report
  • Research Products

    (10 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (1 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 1 results) Presentation (3 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results) Remarks (2 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results) Funded Workshop (1 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Washington(米国)

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Int'l Joint Research] University of Washington(米国)

    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Journal Article] Dynamic Assembly of Strong and Conductive Carbon Nanotube/Nanocellulose Composite Filaments and Their Application in Resistive Liquid Sensing2023

    • Author(s)
      Wise Heather G.、Takana Hidemasa、Dichiara Anthony B.
    • Journal Title

      ACS Applied Materials & Interfaces

      Volume: 15 Issue: 30 Pages: 36647-36656

    • DOI

      10.1021/acsami.3c03906

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 急絞り流路を用いたセルロース単繊維創製における電場印加効果2023

    • Author(s)
      平 和佳菜
    • Organizer
      日本機械学会2023年度年次大会
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Presentation] Dynamic Assembly of Strong and Conductive Carbon Nanotube/Nanocellulose Composite Filaments2023

    • Author(s)
      Anthony Dichiara
    • Organizer
      20th International Conference on Flow Dynamics
    • Related Report
      2023 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 電場印加型フローフォーカシング流路内のナノ繊維 配向シミュレーション2022

    • Author(s)
      高奈秀匡,薄井拓巳
    • Organizer
      日本機械学会 第100期 流体工学部門 講演会
    • Related Report
      2022 Annual Research Report
  • [Remarks] 高奈研究室ホームページ

    • URL

      https://www.ifs.tohoku.ac.jp/takana/japanese.html

    • Related Report
      2023 Annual Research Report
  • [Remarks] 高奈研究室ホームページ

    • URL

      http://www.ifs.tohoku.ac.jp/takana/japanese.html

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      2022 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] セルロース繊維の製造装置、セルロース繊維の製造方法2023

    • Inventor(s)
      高奈秀匡
    • Industrial Property Rights Holder
      高奈秀匡
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Filing Date
      2023
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      2023 Annual Research Report
  • [Funded Workshop] 19th International Conference on Flow Dynamics2022

    • Related Report
      2022 Annual Research Report

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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