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Preparation of homogeneous cellulose nanofiber/polymer composite and design of interfacial structure

Research Project

Project/Area Number 23K26963
Project/Area Number (Other) 23H02270 (2023)
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeMulti-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023)
Section一般
Review Section Basic Section 40020:Wood science-related
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

藤澤 秀次  東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 准教授 (80756453)

Project Period (FY) 2023-04-01 – 2026-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2024)
Budget Amount *help
¥18,720,000 (Direct Cost: ¥14,400,000、Indirect Cost: ¥4,320,000)
Fiscal Year 2025: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
Fiscal Year 2024: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2023: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000)
Keywordsナノセルロース / 複合材料 / コンポジット / 樹脂
Outline of Research at the Start

セルロースナノファイバー(CNF)は樹木由来の高強度繊維であり、炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維に代わる持続可能な樹脂の補強材料として利用が期待できる。しかし、CNFと樹脂は水と油のように相反する性質を有するため、複合化した際、混ざりにくい(不均一な構造)、相互作用しにくい(脆弱な物性)という2つの課題があり依然として実用化が難しい。そこで本研究では、申請者が確立した水系での複合化手法およびCNF/樹脂界面の改質技術を用い、均一で強靭なCNF/樹脂複合材料の開発を行う。

Outline of Annual Research Achievements

ナノセルロースは植物由来の高強度繊維であり、炭素繊維、ケブラー繊維やガラス繊維に代わる持続可能な樹脂補強材料として利用が期待されている。ナノセルロースの補強効果を樹脂中で発揮するためには、両者をナノレベルで均一に複合化する必要がある。本研究では、有機溶媒を用いずにナノセルロースと樹脂を均一複合化する材料加工技術の開発を行う。方法として、これまでに申請者が確立している完全水系プロセスを用い、均一なナノセルロース/樹脂複合材料の調製を行う。本年度は、最も高収率でナノセルロース/樹脂複合材料が得られる条件を見出した。まず、木材由来の漂白クラフトパルプに対してTEMPO(2,2,6,6-テトラメチルピペリジン 1-オキシル)触媒酸化を行い、機械処理によって、TEMPO酸化ナノセルロースを得た。このナノセルロース水分散液に重合開始剤を含むモノマーを添加し、エマルションを調製した。このエマルションを加熱することで、モノマーの重合を行った。これにより最終的にナノセルロースおよびポリマーが水中に懸濁したサンプルを得た。反応終了後はメンブレンフィルターによるろ過・洗浄により、ナノセルロース/樹脂複合体を回収した。得られた複合体を乾燥することで収率の計算を行った。収率に対する、①開始剤添加量、②反応温度および③反応時間の関係を調べ、最適な反応条件を得た。得られた複合体の熱成形によりナノセルロース/樹脂複合体を調製した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

ナノセルロース/ポリマー複合材料を高収率で調製できる条件を見出しており、計画通りに研究が行えている。さらに、熱成形によりナノセルロース/樹脂複合体を調製できており、概ね順調に研究が行えていると判断できる。上記のように、ナノセルロース/ポリマー複合化を環境調和性の高い水系プロセスで達成した点は特筆に値する。

Strategy for Future Research Activity

CNFの表面化学修飾を行い、表面修飾CNF/樹脂複合材料を調製する。得られた複合材料の光学、力学、熱機械物性の評価を行い、表面修飾が物性に及ぼす影響を調べる。

Report

(1 results)
  • 2023 Annual Research Report
  • Research Products

    (39 results)

All 2024 2023

All Journal Article (6 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 4 results) Presentation (32 results) (of which Int'l Joint Research: 9 results,  Invited: 3 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Low solid content mouldable chitin physical hydrogel prepared by atypical rupture-free swelling2024

    • Author(s)
      Kaku Yuto、Okada Satoshi、Fujisawa Shuji、Saito Tsuguyuki、Isobe Noriyuki
    • Journal Title

      Soft Matter

      Volume: 20 Issue: 6 Pages: 1245-1252

    • DOI

      10.1039/d3sm01542d

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  • [Journal Article] Catalytic Properties of Nanochitin-Shelled Polymer Microparticles in Knoevenagel Condensation.2023

    • Author(s)
      Yuto Kaku、Noriyuki Isobe、Tsuguyuki Saito、Shuji Fujisawa
    • Journal Title

      Chitin and Chitosan Research

      Volume: 29 Pages: 3-7

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  • [Journal Article] Molecular Dynamics of Drying‐Induced Structural Transformations in a Single Nanocellulose2023

    • Author(s)
      Fujisawa Shuji、Daicho Kazuho、Yurtsever Ayhan、Fukuma Takeshi、Saito Tsuguyuki
    • Journal Title

      Small

      Volume: 19 Issue: 30 Pages: 2302276-2302276

    • DOI

      10.1002/smll.202302276

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  • [Journal Article] Monitoring crystallite fusion of nanocellulose during colloid condensation2023

    • Author(s)
      Doi Yoshinori、Daicho Kazuho、Isobe Noriyuki、Tanaka Reina、Kimura Satoshi、Fujisawa Shuji、Saito Tsuguyuki
    • Journal Title

      Cellulose

      Volume: 30 Issue: 13 Pages: 8287-8297

    • DOI

      10.1007/s10570-023-05354-x

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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Property-Thickness Correlations of Transparent All-Nanocellulose Laminates2023

    • Author(s)
      Ishioka Shun、Hirano Takayuki、Matoba Nobuhiro、Isobe Noriyuki、Fujisawa Shuji、Saito Tsuguyuki
    • Journal Title

      Journal of Fiber Science and Technology

      Volume: 79 Issue: 7 Pages: 156-164

    • DOI

      10.2115/fiberst.2023-0020

    • ISSN
      2189-7654
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    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Morphological Changes of Polymer-Grafted Nanocellulose during a Drying Process2023

    • Author(s)
      Fujisawa Shuji、Daicho Kazuho、Yurtsever Ayhan、Fukuma Takeshi、Saito Tsuguyuki
    • Journal Title

      Biomacromolecules

      Volume: 24 Issue: 8 Pages: 3908-3916

    • DOI

      10.1021/acs.biomac.3c00530

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      藤澤 秀次、齋藤 継之、大長 一帆、高崎 祐一、Yurtsever Ayhan、福間 剛士
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      嵜山 明音、齋藤 継之、藤澤 秀次
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      第74回 日本木材学会大会
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      紀野 紗良、侯 欣怡、佐久間 渉、加部 泰三、藤澤 秀次、岩田 忠久、齋藤 継之
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      第74回 日本木材学会大会
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      石岡 瞬、廣松 雄樹、伊藤 圭樹、後居 洋介、加部 泰三、藤澤 秀次、山口 哲生、岩田 忠久、齋藤 継之
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      第74回 日本木材学会大会
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      富田 有香、八木田 兼仁、齋藤 継之、藤澤 秀次
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      第74回 日本木材学会大会
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  • [Presentation] 熱軟化性パルプと樹脂の溶融混練による高靭性ナノ複合体の調製2024

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      笠松 大裕、石岡 瞬、藤澤 秀次、齋藤 継之、磯部 紀之、木元 克典
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      第74回 日本木材学会大会
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      牧田 亮、藤澤 秀次、齋藤 継之、磯部 紀之
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      第74回 日本木材学会大会
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  • [Presentation] 計算科学を用いたセルロースナノファイバー1本の構造解析2023

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      藤澤秀次
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      藤澤秀次
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      バイオナノマテリアルシンポジウム2023
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      藤澤秀次
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      丸尾京、齋藤継之、藤澤秀次
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  • [Presentation] 透明断熱性 CNF クライオゲルの調製プ ロセスの最適化2023

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      紀野紗良、侯欣怡、佐久間渉、藤澤秀次、齋藤継之、根本純司
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  • [Presentation] 逆相ガスクロマトグラフィーから求めたセルロースナノファイバーの表面自由エネルギーと乳化能の関係2023

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      八木田兼仁、伊藤智樹、齋藤継之、藤澤秀次、平野孝行、豊増孝之、長谷川菜
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      第90回紙パルプ研究発表会
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  • [Presentation] Monitoring crystallite fusion of nanocellulose during colloid condensation2023

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      Yoshinori Doi, Kazuho Daicho, Noriyuki Isobe, Reina Tanaka, Satoshi Kimura, Shuji Fujisawa, Tsuguyuki Saito
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      Shuji Fujisawa, Kazuho Daicho, Ayhan Yurtsever, Takeshi Fukuma, and Tsuguyuki Saito
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      The 5th International Cellulose Conference
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  • [Presentation] Studies on thermally insulating and transparent cryogels of nanocellulose2023

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      Xinyi Hou, Junki Kotsuka, Wataru Sakuma, Tomoki Ito, Shuji Fujisawa, and Tsuguyuki Saito
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      The 5th International Cellulose Conference
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  • [Presentation] セルロースナノファイバーの表面特性と乳化能の関係2023

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      八木田兼仁、伊藤智樹、平野孝行、豊増孝之、長谷川菜、齋藤継之、藤澤秀次
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      セルロース学会第30回年次大会
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  • [Presentation] Mechanically Strong and Transparent Papers of Chemically Modified Wood Pulp with Biodegradability2023

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      Haoguo Zhang, Shun Ishioka, Shuji Fujisawa, Tsuguyuki Sait
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  • [Presentation] High-Molecular-Weight Glucose/Glucuronate Co-polysaccharides Generated as the Major Byproduct in Mechanical Nanofibrillation of Oxidized Cellulose2023

    • Author(s)
      Takumi Haruno, Yoshinori Doi, Tomoki Ito, Kazuho Daicho, Kayoko Kobayashi, Shuji Fujisawa, Tsuguyuki Saito
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      MRM2023/IUMRS ICA2023
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      Yuto Kaku, Noriyuki Isobe, Tsuguyuki Saito, Shuji Fujisawa
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      Yuanting Yang, Tsuguyuki Saito, Shuji Fujisawa
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      Tomoki Ito, Kayoko Kobayashi, Shuji Fujisawa, Tsuguyuki Saito
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  • [Presentation] Investigation of Thickness-Property Correlations of Fully Nanocellulose Based2023

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      Shun Ishioka, Takayuki Hirano, Nobuhiro Matoba, Noriyuki Isobe, Shuji Fujisawa, Tsuguyuki Saito
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  • [Presentation] ナノセルロース分散体の組成解析2023

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      春野巧匠、土井芳徳、伊藤智樹、大長一帆、小林加代子、藤澤秀次、齋藤継之
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      土井芳徳、大長一帆、久住亮介、藤澤秀次、齋藤継之
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      セルロース学会第30回年次大会
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  • [Presentation] 対イオンがリン酸化セルロースナノファイバーフィルムに与える影響の検討2023

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      嵜山明音、齋藤継之、藤澤秀次
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      セルロース学会第30回年次大会
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      丸尾京、齋藤継之、藤澤秀次
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  • [Presentation] w/oエマルションをテンプレートとした多孔性CNF/ポリマー複合材料の調製と物性評価2023

    • Author(s)
      蓮沼 恒太、田村直紀、齋藤 継之、藤澤 秀次
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    • Author(s)
      紀野沙良、侯 欣怡、佐久間渉、藤澤秀次、齋藤継之
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      セルロース学会第30回年次大会
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  • [Book] 木材学(担当216~223ページ)2023

    • Author(s)
      齋藤 継之, 藤澤 秀次
    • Total Pages
      268
    • Publisher
      海青社
    • ISBN
      9784860994051
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      2023 Annual Research Report

URL: 

Published: 2023-04-18   Modified: 2024-12-25  

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