| 研究課題/領域番号 |
23K21058
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| 補助金の研究課題番号 |
21H01705 (2021-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2021-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分27020:反応工学およびプロセスシステム工学関連
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
長嶺 信輔 京都大学, 工学研究科, 准教授 (30335583)
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| 研究分担者 |
引間 悠太 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 主任研究員 (50721362)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
17,550千円 (直接経費: 13,500千円、間接経費: 4,050千円)
2024年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2023年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2022年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
2021年度: 10,920千円 (直接経費: 8,400千円、間接経費: 2,520千円)
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| キーワード | セルロースナノファイバー / ポリドーパミン / 樹脂補強フィラー / 表面修飾 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
植物繊維を解繊して得られるセルロースナノファイバー(CNF)は低環境負荷型の樹脂補強フィラーとして期待されているが，その高い親水性のため疎水性の樹脂との複合化には表面修飾等の処理が必要となる。本研究では，様々な固体に接着性を示すポリドーパミン(PDA)によりCNF表面をコーティングし，さらにPDA層に種々の官能基を導入することで，CNFの化学構造を維持したまま簡便に表面修飾を行う手法を開発する。表面修飾CNFと種々の樹脂との複合材料を作製し，それらの機械的強度より補強効果を評価する。CNFの表面修飾が補強効果に及ぼす影響を，導入した官能基の樹脂との親和性，接着性に基づき体系的に整理する。
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| 研究実績の概要 |
セルロースナノファイバー(CNF)の樹脂補強フィラーとしての性能，汎用性を高めるための表面修飾法の開発を行っている。具体的には，様々な固体に接着性を示すポリドーパミン(PDA)によりCNF表面をコーティングし，さらにPDA層に種々の官能基を導入する。今年度はオクタデシルアミン(ODA)を用いた官能基導入による表面修飾を対象とし，官能基導入速度の温度依存性の検討，および反応機構を記述するモデルの構築を試みた。
PDA修飾CNFの分散液にODAを添加し，所定の温度(30~60℃)で反応を進行させ，ODA濃度の経時変化を追跡した。ODA濃度は実験初期の10時間程度で迅速に減少した後，数百時間にわたり緩やかに減少するという2段階の挙動を示した。この経時変化を説明するために，ODAのPDA層表面への平衡吸着および吸着したODAの付加反応から成るモデルを構築した。このモデルにより，実験で見られた2段階のODA濃度変化を良好に表現することができた。またモデルを実験結果にフィッティングし，吸着平衡定数，付加反応速度定数を評価したところ，それらの温度依存性がファントホッフの式，アレニウスの式に従うことを確認でき，モデルの妥当性が示された。
また，マイクロカプセルの高強度化を目的とし，PDA修飾CNFのカプセル殻材への利用についての研究を行っている。蓄熱材料への応用を想定し，室温で固液相転移し融解潜熱の大きいヘキサデカン(HD) を芯物質として選択した。CNFの分散液中でのHDの超音波乳化によりマイクロカプセルを作製した。CNFとHDの重量比により粒径の制御が可能であることを確認した。また，PDA修飾CNFを殻剤に用いることで，ジアルデヒドによる架橋によりファイバー間空隙由来の細孔を低減し，カプセルの密閉性を向上できる可能性が示された。
以上の研究結果の一部は化学工学会第88年会にて発表した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
ODAを用いたPDA層への官能基導入機構についての実験を行い，機構を良好に表現できるモデルを構築した。このモデルは官能基導入の条件選定に活用できると考えている。また，PDA修飾CNFの殻剤としての利用によるマイクロカプセルの強度向上に関する研究にも着手している。以上より概ね順調に進捗していると考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
作製したに官能基導入機構モデルに基づき，最適な官能基導入条件の探索を進めるとともに，繊維径の異なるCNFを用いたモデルの妥当性の検証を行う。また，表面修飾CNFから成るシートを作製し，樹脂板の接着性，親和性を引き剥がし試験により評価する。得られた接着性を表面修飾CNFの樹脂への分散性を表す指標とし，樹脂補強効果との関連性について検討する。
PDA修飾CNFを殻材とした蓄熱材マイクロカプセル開発に関して，熱分析により蓄熱材料としての性能評価，およびカプセルの強度試験を実施する。また，カプセル表面への官能基導入による溶媒，樹脂への分散性の向上について検討する。
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