2019 Fiscal Year Research-status Report
Development of innovated cellulose single fiber fabrication by electrostatic alignment of nano fibrils in a micro channel
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19K04187
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
高奈 秀匡 東北大学, 流体科学研究所, 准教授 (40375118)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | セルロースナノファイバー / 電場応答 / 数値シミュレーション / 静電配向 / 伸長流 / 混相流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
植物繊維（パルプ）をナノレベルまで微細化することにより得られるセルロースナノ繊維（CNF）は，高い弾性率と低い線膨張係数を併せ持つ優れた環境適応型新素材として注目を集めている。CNFから創製されるセルロース単繊維は，高い機械的特性を有していることから，次世代複合材料として用いることにより，構造物や自動車車体，航空機部材への利用などが大いに期待されている。
CNFから優れた機械的特性を有するセルロース単繊維を創製するためには，セルロース単繊維中のCNF配向度を向上させることが不可欠である。現在，伸長流動場による配向制御により比較的高い強度を有する単繊維が得られているが，実用化の上では配向度をさらに向上させることが重要となる。
そこで本研究は，伸長流動場による配向に静電場配向を重畳した革新的配向制御法を確立し，微小流路でのナノ繊維静電配向メカニズムを明らかにした上で，セルロース本来の材料特性を有する強靭なセルロース単繊維を創製することを目的とする。
研究の初年度である本年度においては，繊維に作用する静電効果の物理モデルを構築し，流動下におけるセルロースナノ繊維の挙動および配向特性を明らかすることを目的として行った。静電ポテンシャルを考慮した繊維配向分布関数に対するSmoluchowski方程式を流れ場の方程式と連成して解くことにより，流動下での印加電圧に対する繊維配向制御特性を評価することに成功した。本研究成果を国際会議（4件）および国内会議（1件）で発表するとともに，本成果をまとめた論文がNnotechnologyに掲載された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度おいては，繊維に作用する静電効果の物理モデルを構築し，流動下におけるセルロースナノ繊維の挙動および配向特性を明らかすることを目的として行った。静電ポテンシャルを考慮した繊維配向分布関数に対するSmoluchowski方程式を流れ場の方程式と連成して解くことにより，流動下での印加電圧に対する繊維配向制御特性を評価することに成功した。本研究成果を国際会議で発表するとともに，本成果をまとめた論文がNnotechnologyに掲載された。
また，CNF溶媒のレオロジー特性を考慮しつつ，非ニュートン流体解析を行い，伸長流動場における流量比に対する速度分布の変化およびセルロース溶媒のフォーカシング効果を明らかにするとともに，作動条件を最適化した。
以上より，本研究課題の進捗は概ね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，印加電圧による配向向上効果に関して，比較的容易に行うことができるセルロース繊維の複屈折性を利用した光学的手法（偏光観察法）により，繊維配向度を定性的に評価し，計算結果と比較することによりシミュレータの妥当性を評価する。また，流動を遮断した際の繊維再分散過程を偏光観察法により解明し，透過光強度の減衰過程から繊維の回転拡散係数を評価し，交流電場印加による配向保持効果を検証する。
さらに，昨年度に得られた数値シミュレーション結果を基に単繊維の創成実験を行い，引張試験により創製した単繊維の材料特性を明らかにする。また，米国ワシントン大学との共同研究として，X線回折法により創製繊維内におけるCNF配向度を定量的に評価し，交流電場による配向効果を定量的に明らかにする。
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| Causes of Carryover |
理由：共同研究先である米国ワシントン大学のDichiara助教を訪問する予定であったが，先方の都合により訪問することが不可能となったため。
使用計画：来年度において共同研究先を訪問し，前年度の研究成果を報告するとともに，研究をさらに進化させるべく綿密な研究計画の策定と討論を行う予定である。
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