2022 Fiscal Year Research-status Report

繊維種テラヘルツスペクトルの定量分析法と繊維中の欠陥評価に関する研究

Research Project

Project/Area Number	22K02154
Research Institution	The Open University of Japan
Principal Investigator	倉林徹放送大学, 秋田学習センター, 特任教授 (90195537)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	淀川信一秋田大学, 理工学研究科, 講師 (90282160)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Keywords	テラヘルツスペクトル / 定量分析法 / 欠陥評価 / セルロース系繊維 / 機械的損傷 / 熱的損傷
Outline of Annual Research Achievements	本研究はテラヘルツ分光分析法を用い，コットンに代表されるセルロース系繊維種について，繊維中に内在する分子間結合によるテラヘルツ波帯固有振動を見出し，セルロース系繊維に機械的損傷や熱的損傷を与えた試料を分析し，損傷度合に応じて繊維中に生じる欠陥密度の定量的識別法を実現することを目的とする。今年度は，まず本研究の核となるテラヘルツ分光分析における定量分析手法を確立するため，これまで試験的に行ってきた試料作製方法，測定データ処理と多変量解析の最適化を試みた。具体的には，繊維種テラヘルツスペクトルの定量分析手法をセルロース系繊維（コットン）に適用し，コットンに含有されるセルロース結晶固有のテラヘルツスペクトルを同定し，このスペクトルの誤差関数を最小化しするための試料濃度の最適化と，スペクトルデータの隣接平均および一次微分処理条件の最適化を行い，定量分析に適した各種パラメータを見出した。得られた分析パラメータを適用し，コットン繊維に機械的，および熱的損傷を加えた時に生じる，繊維中の欠陥密度の定量識別を試みた。機械的損傷に関しては熱的な効果を排除するため，ボールミルによる凍結粉砕時間をパラメータとし，熱的損傷については昇温制御可能な電気炉を用い大気圧下にて一定時間（60分）加熱したときの処理温度をパラメータとし，それぞれの損傷に対するコットン中に含有されるセルロース結晶の損傷度合いを計測した。この研究により，機械的，および熱的損傷を受けたコットン中のセルロース結晶の残留度合いを定量化できることが実験により示され，繊維中の欠陥評価が可能となった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究では，コットンに代表されるセルロース系繊維種に内在するセルロース結晶固有のテラヘルツスペクトルを同定し，分光分析における誤差関数を最小化する試料濃度の最適化，および一次微分テラヘルツスペクトルを用いた多変量解析を適用することにより，コットンに含有されるセルロース結晶の定量分析を実現した。さらにこの分析手法を機械的，および熱的損傷を加えた時に生じる，コットン繊維中の欠陥密度の定量識別に応用し，機械的，および熱的損傷を受けたコ繊維中のセルロース結晶の残留度合いを定量化できることが実験により示された。独自の分析手法によりセルロース系繊維（コットン）中のセルロース結晶欠陥の定量測定が可能となったことから，本研究は概ね順調に進展しているものと考えられる。
Strategy for Future Research Activity	本研究を，セルロースナノファイバー作製工程における解繊処理の評価やセルロースナノファイバー含有の複合樹脂機能性素材の新たな欠陥評価法としての可能性を追求する。具体的には，解繊処理方法の異なる機械的解繊および化学的解繊による数種のセルロースナノファイバーをメーカーより入手し，各素材レベルでの欠陥評価を実施する。さらに粉末状のセルロースナノファイバーに機械的損傷，および熱的損傷を与えた試料を用いその損傷度合を定量化し，コットン繊維における損傷発生との違いを明らかにする。さらに，セルロースナノファイバーと，テラヘルツ電磁波に対し透明性の高い樹脂（ポリエチレンやポリプロピレン）を混ぜ複合樹脂機能性素材を射出成型し，試験片の引っ張りや曲げ試験を行うとともに，各種試験内部のナノファイバーに生じる損傷の評価を試みる。
Causes of Carryover	新型コロナウィルス感染拡大に伴い，大学への出校制限期間が生じたため，実験を担当するアルバイト学生の時間確保が困難な時期があり，実験の進捗に遅れが生じた。このため人件費と物品費の使用が当初計画を下回った他，予定していた出張（学会参加を含む）をすべて取りやめたため，旅費およびその他については使用額が０となった。翌年度は，新型コロナウィルス感染症拡大による移動制限が解除される見通しであり，当初の研究計画に加え，さまざまな研究会や科学技術展示会に出席する他、物品費の使用などにおいても研究を加速する予定である。