2020 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，軽量でありながら高強度、低熱膨張等の優れた機械特性を有する環境適合型新素材であり，カーボンニューラル材料であることから，脱炭素社会の早期実現に貢献する新素材として，大きな注目を集めている。近年，CNFを再合成することにより創製される新素材としてのセルロース単繊維の研究が精力的に進められている。これまでの研究から単繊維の内部構造が材料特性に大きく影響することが明らかとなっており，CNFを軸方向に配向し，高い配向度を実現することにより，アラミド繊維と同程度の比弾性係数，かつガラス繊維と同程度の比強度を有するセルロース単繊維を創製することが可能となる。しかしながら伸長流による従来の配向法では，十分なCNF配向が得られず，セルロース本来の優れた材料特性を有するセルロース単繊維を創製することが難しかった。
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。
本年度においては，昨年度に構築した繊維配向モデルに基づく数値シミュレーションにより，主流に対するシース流の流入角度が伸長流動場に与える影響を明らかにし，流路形状を最適化し，繊維配向に対する主流に対するシース流の最適流量比を明らかにした。得られた最適条件の下で繊維創製実験を行い，電場印加により引張強度および靭性がそれぞれ63%および120%増加する顕著な材料特性の向上効果が得られた。本結果は，交流電場と伸長流動場によるCNF配向制御により，ほぼ完全配向が実現されたことに起因することがXRDの結果から示され，本創製法の有効性が明らかとなった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度おいては，昨年度に構築した繊維配向モデルに基づく数値シミュレーションにより，流路形状および流量比の最適化に成功し，得られた最適条件の下で単繊維創製実験を行った結果，電場印加により単繊維の顕著な材料特性向上効果が得られた。本成果は，当該分野において権威のある国際学術誌であるACS Applied Materials & Interfaces（IF = 8.795）に掲載されるとともに，日本経済新聞および日経クロステック，産業技術総合誌である月刊JETI（4月号）に掲載されるなど，メディアからも大きな期待と注目を集めた。
以上のことから，本研究課題の進捗は当初の計画以上に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，個々のセルロース繊維に対する回転および並進に関する運動方程式を解くことにより，繊維間の相互作用を考慮したシミュレーションを行い，電場および流動下における繊維配向過程をより詳細に解析する。さらに，繊維長分布を考慮したシミュレーションを行い，繊維長分布が配向制御に与える影響を明らかにする。また，米国ワシントン大学との共同研究として，得られた単繊維のナノ構造解析を進め，繊維長分布が単繊維内のナノ繊維配向度に与える影響を定量的に明らかにする。さらに，ラマン分光解析および赤外線分光法により，電場印加による化学的構造変化についても明らかにする。
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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，コロナウイルス感染拡大の影響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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