| 研究課題/領域番号 |
21K04686
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分26040:構造材料および機能材料関連
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| 研究機関 | 福井大学 |
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研究代表者 |
藤田 聡 福井大学, 学術研究院工学系部門, 教授 (60504652)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2021年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
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| キーワード | ナノファイバー / セルロースナノファイバー / エレクトロスピニング / 生分解性 / 海洋分解性 / PHBH / ポリエチレンオキシド / 配向性 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
セルロースナノファイバー(CNF)は次世代材料として期待されているが，疎水性の高い高分子樹脂中ではうまく配向を制御させることが困難であり，産業利用の障害となっている。そこで本研究では，エレクトロスピニング法を用いたボトムアップアプローチによるCNFの精密配向・集積化技術を提案する。得られた精密配向・高集積CNFシートの機械的特性・光学的特性などを評価し，次世代メタマテリアルとしての可能性を検証する。本技術は生分解性の薄層プリプレグの開発につながり，石油社会から持続的社会への転換に向けた革新的な産業技術となりうる。
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| 研究実績の概要 |
セルロースナノファイバー(CNF)は次世代材料として期待されているが，疎水性の高い高分子樹脂中ではうまく配向を制御させることが困難であり，産業利用の障害となっている。そこで本研究では，エレクトロスピニング法を用いたボトムアップアプローチによるCNFの精密配向・集積化技術を提案する。本技術は生分解性薄層プラスチックシートの開発につながり，石油社会から持続的社会への転換に向けた革新的な産業技術となりうる。
本年度は，生分解性ポリエステルへの応用を検討した。エレクトロスピニング法を利用して，基材となるポリ(3-ヒドロキシ酪酸-3-ヒドロキシヘキサン酸)共重合体（PHBH)の中にCNFを繊維軸方向に精密に配向させて包埋し，PHBHナノファイバー芯部にCNFを封入することでCNFのバンドル化を促進することを検討した。
PHBH溶液とCNF水懸濁液を混合することで，CNF粒子により安定化したピッカリングエマルションが得られる。これのエレクトロスピニングをおこなうことで，CNFを２～6%含むPHBH/CNFナノファイバーシートを作成することに成功した。作成したPHBH/CNFナノファイバーシートの引張試験の結果，わずかなCNF添加量でPEOナノファイバーの機械的強度が著しく向上することが示された。またFTIR，DSC測定からは，内部に包埋されたCNF同士の相互作用が示された。これよりシートの強度の向上はCNFのバンドル化の寄与と考えられた。またTEM観察からも，PHBH/CNF微細繊維の軸方向に沿ってバンドル化したCNFが伸展して存在していることがわかった。以上より，エレクトロスピニング法を用いることで，PHBH微細繊維内部でCNFを配向・集積化できることが示された。さらに海水中での分解試験を実施し，作製したシートが海洋分解性を有することを示した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
本年度の実施計画は，１．CNF紡糸条件の検討，２・CNFの配向性・高次構造形成に関する検討であり，計画通り実施できた。
１．PHBH溶液とCNF水懸濁液に混合し，ピッカリングエマルションを形成させるという手法で，紡糸溶液の安定化をはかった。これにより紡糸性を向上させてエレクトロスピニングを行うことができ，CNF繊維束を包埋したPHBHナノファイバーシートが得られた，作製したシートの特性を評価した。
２．作成したPHBH/CNFシートについて，SEM，引張試験機，ATR-FTIR，DSC，TEMを用いて，形態，機械的特性，分子の集合状態，内部構造の評価を行った。引張試験において，非常に少ないCNF添加量で著しく弾性率および引張強度がともに向上した。またFTIR，DSCからCNF同士の相互作用も示され，シートの強度の向上はCNFのバンドル化の寄与と考えられた。
３．作成したPHBH/CNFシートの海洋分解性を，in vitro環境下およびin situ環境下で実施した。その結果，材料表面に微生物が増殖し，これによりシートが分解されることが示された。
本年度は当初の予定通り，生分解性ポリエステルとCNFの組み合わせでナノファイバーが得られることも見出した。さらにシートのプリプレグ化の予備検討にも成功しており，実験は好調に進捗している。
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| 今後の研究の推進方策 |
生分解性ポリエステルで作成したCNFを用いて，薩美のある不織布シートを作製し，これを積層化したシートを作成する。作成した繊維およびシート内部でのCNFの凝集状態についても評価をおこない，CNF高集積化とその効果を実証する。さらにその透明性に関する評価もおこない，光学材料としての可能性を探求する。
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