親水性セルロース繊維ネットワーク表面のフラクタル解析による紙の超撥水化機構の解明

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14703030
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 北岡 卓也 九州大学, 大学院・農学研究院, 助教授 (90304766)
• キーワード: セルロース / サイズ分子 / Wenzel / Cassie理論 / 界面相互作用 / 自己組織化膜 / 表面モルフォロジー / 原始間力顕微鏡 / サイズ性応答機構

研究概要

木本・草本植物の骨格構造をなす構造性生体高分子セルロースの繊維形状を活かした材料設計について、特に、親水性・撥水性などの界面効果に着目して、その機能発現メカニズムの解明を試みた。
1.セルロースモデル膜の表面モルフォロジー制御
セルロース/NMMO/水溶液のスピンコート処理と種々の貧溶媒による析出-膜成型により、異なる表面粗さを持つ再生セルロース膜を調製し、その表面粗さ指数(二乗平均粗さ,RMS)と水の接触角との間に高い相関を見出した。すなわち、Wenzel理論支配的なセルロース膜の調製に成功した。また、従来法では得ることができなかったナノレベルで平滑なセルロース膜についても、セルロース/NMMO/水溶液中でセルロースの還元末端基をチオール基で修飾し、金コート基板上で自己組織化させることで、1μm四方のRMS値が0.1nm以下の超平滑なセルロース単分子膜を得た。これらの膜により、以下に示すセルロース基質の表面モルフォロジーに基づくサイズ性応答機構の詳細な検討が可能となった。
2.表面モルフォロジーに基づくサイズ性発現因子の解析
疎水性アルカンチオールと水酸基末端を持つチオールの2成分混合単分子膜を作製し、AFM・XPS・接触角測定により、ほぼCassie理論支配的な界面であることを確認した。次に、サイズ紙のモデルとして、表面凹凸を制御したセルロース膜上にAuコロイドを分散担持させ、アルカンチオール類で自己組織化させた界面を設計した。このモデル表面に対する水の接触角は極めて高く、アルカンチオール類単独の単分子膜と同程度であった。これらの結果より、親水性のセルロース基質を残したまま、海島状に疎水成分が点在するだけで、高い撥水効果を発現する紙のサイズ性特有の現象を、モデル的に再現することが可能となり、サイズ性応答機構における表面モルフォロジーの重要性が示唆された。

研究成果

• [文献書誌] Yamamoto H., Kitaoka T., Tanaka H.: "Sizing response factors characterized by XPS/PyGC comparative analysis"Sen'i Gakkaishi. 59. 266-271 (2003)
• [文献書誌] Wang F., Kitaoka T., Tanaka H.: "Supramolecular structure and sizing performance of rosin-based emulsion size microparticles"Colloids and Surfaces A : Physicochemical and Engineering Aspects. 221. 19-28 (2003)
• [文献書誌] Kitaoka I., Isogai A.: "Roles of aluminum sulfate in rosin sizing"Sen'i Gakkaishi. 59. 353-357 (2003)
• [文献書誌] Wang F., Kitaoka T., Tanaka H.: "Vinylformamide-based cationic polymers as retention aids in alkaline papermaking"TAPPI Journal. 2-12. 21-26 (2003)
• [文献書誌] Yamamoto H., Kitaoka T., Tanaka H.: "Surface characteristics and sizing response of paper sheets sized by anionic emulsion of fatty acids"Journal of Pulp and Paper Science. 30(in press). (2004)