| 研究課題/領域番号 |
23K22664
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01393 (2022-2023)
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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 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分19010:流体工学関連
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
高奈 秀匡 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (40375118)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 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 |
17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)
2024年度: 5,330千円 (直接経費: 4,100千円、間接経費: 1,230千円)
2023年度: 6,110千円 (直接経費: 4,700千円、間接経費: 1,410千円)
2022年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
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| キーワード | セルロースナノファイバー / ナノ構造制御 / 複合材料 / 配向制御 / 電場 / カーボンナノチューブ / 導電性繊維 / 繊維配向制御 / 混相流 / 新素材創製 / 伸張流 / 電場応答 / 数値シミュレーション / 静電配向 / 伸長流 |
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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および異種ナノ材料が混在する分散系流体において，電場・流動場下でのナノ粒子・繊維構造が流体としてのレオロジー特性に与える影響をマルチスケール解析により明らかにする。本研究により，実用に資する高強度機能性セルロース複合繊維の創製を目指す。さらに，物理・化学的処方により，高分子溶媒中にCNTや金属ナノ粒子を安定に分散維持し，異なる物性を有するナノ繊維・粒子の電場・流動場での複雑挙動および流体内部のミクロ構造に起因した流動特性を混相流動学の立場から解明することで，ナノ繊維配向制御の高度化を実現する。
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| 研究実績の概要 |
本研究は，セルロースナノファイバー（CNF）および異種ナノ材料が混在する分散系流体において，電場・流動場下でのナノ粒子・繊維構造が流体としてのレオロジー特性に与える影響をマルチスケール解析により明らかにし，流体科学を基盤とした新たな学問的潮流をナノ材料学分野との融合により築くとともに，実用に資する高強度機能性セルロース複合繊維の創製を目的としたものである。
TEM観察により，単層カーボンナノチューブを複合化したCNFにおいては，カーボンナノチューブの周囲にCNFがらせん状に巻き付くことで安定分散が実現することが明らかとなった。これは，単層カーボンナノチューブ表面にカルボン酸基を修飾することで，カーボンナノチューブ・CNF間に水素結合が生じるためである。
従来技術では、カーボンナノチューブの含有により，ナノセルロースファイバー間の結合が阻害されるため，複合繊維強度が低下することが課題となっていた。本研究においては，電場と流れ場による独自の繊維配向制御法により，50%という高いカーボンナノチューブ含有量においても材料強度を低下させることなく，導電性セルロース複合繊維を創製することに成功した。さらに，得られた導電性セルロース単繊維を微量水分センサーへの応用を検討した。その結果，水分含有時にセルロースが膨張するため，カーボンナノチューブ間の接点が切断することで，電気抵抗が大きくなることが明らかとなった。その後，単繊維が乾燥すると，再びカーボンナノチューブ間の接点が回復するため，電気抵抗が小さくなる。この傾向は含有水分量による膨潤・収縮を繰り返しても常に同じ特性を得ることが得られ，従来の高感度水分センサーに対して約８倍の検出感度を実現することに成功した。
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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
本研究において，50%という非常に高いカーボンナノチューブ含有量の下で，セルロース単繊維を創製することが可能となり，従来よりも高い材料強度を実現することに成功した。さらに，ワシントン大学との共同研究により，本セルロース複合繊維の水分センサーへの応用について検討を行い，従来の高感度水分センサーに対して約８倍の検出感度を有するセルロース複合繊維の開発に成功した。本成果は多くの報道機関に取り上げられた。
以上の成果から，本研究課題の進捗状況について，おおむね順調に進展していると言える。
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度においては，トレンス試薬（アンモニア性硝酸銀水溶液）を用いた新たな銀ナノ粒子担持型セルロースナノファイバーの創製を試みる。トレンス試薬とCNFの混合比を変えることで，銀ナノ粒子担持量を変化させ，銀ナノ粒子担持量に対する創製繊維の材料特性を評価する。また，トレンス試薬濃度が混合溶液のレオロジー特性に与える影響を明らかにする。さらに，交流電場印加による配向上効果を明らかにし，創製繊維の材料特性に与える影響を明らかにする。また，枯草菌を用いた抗菌性評価試験を行い，銀担持の有無による抗菌性の違いを評価する。
さらに，異なる繊維長を有するCNFを混合することにより，CNF繊維長分布を変化させ，線長分布とレオロジー特性との相関を解明する。また，異なる繊維長分布のCNFに対し，単繊維創製を行い，最も高い電場印加効果が得られる繊維長分布を明らかにする。
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