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Pioneering physical properties dependent on degree of fibrillation of wood pulp

开创性的物理特性取决于木浆的原纤化程度

基本信息

批准号：
22H02407
负责人：
上谷幸治郎
金额：
$ 11.23万
依托单位：
Tokyo University of Science
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

本研究では、様々な生物原料から得られるセルロースナノファイバー（CNF）材料の精密高機能化に向けて、CNFの集積構造ならびに界面構造を制御し、材料物性をスペクトル学的に解明することを目指す。2022年度は、CNFに見出された高い熱伝導性がCNFの結晶構造のみならずCNF間の接着界面の性状にも影響されることに着目し、CNFフィルムに各種多価金属イオンを導入することで伝熱性の制御・向上性を詳細に調査した。木材ならびにホヤ殻からTEMPO酸化処理によりCNFを製造し、それらのフィルムに各種金属陽イオンを添加した。乾燥環境下で養生した後、およそ5%RH以下の低湿度を維持した環境中でフィルムの熱拡散率を測定した。その結果、CNFフィルムに添加した金属イオンのイオン半径が小さくなるほど、またイオン金属種の電気陰性度が大きくなるほど、フィルムの面内方向熱拡散率が向上した。CNFフィルムの熱拡散率は、その表面官能基がプロトンで中和されたカルボキシ基であるとき最大化することが確認された。また、分子動力学（MD）計算により、金属イオンはCNF表面同士のカルボキシ基間で選択的に架橋構造を形成するのではなく、CNFの表面に偏在していることが判明した。CNF表面におけるイオンの空間分布は、金属イオンとカルボキシ基の酸素原子の間の最近接距離によって決定され、この距離はイオン半径および実測の熱拡散率と相関した。カルボキシ基間に架橋構造を形成しにくいと考えられるプロトンやナトリウムイオンなど一価イオンでも、多価イオンが示すイオン半径や電気陰性度と熱拡散性との傾向に合致した本結果は、金属イオンがCNF間界面ではなくCNF表面のみに偏在することを示唆している。

This research aims at the precision and high functionality of Cellosanofacia (CNF) materials obtained from similar biological raw materials, the control of the bulk structure and interface structure of CNF, and the understanding of material physical properties by spin mechanics. In 2022, CNF was found to have high thermal conductivity, and the crystal structure of CNF and the properties of the interface between CNF were investigated in detail. Timber shell is acidified by TEMPO, and various metal cations are added to it. After curing in dry environment, low humidity below 5%RH was maintained, and heat dissipation rate was measured in dry environment. As a result, the radius of the metal species added to the CNF is small, the electric-negative degree of the metal species is large, and the in-plane thermal dispersion rate of the metal species is upward. The thermal dispersion of CNF is confirmed by the neutralization of surface functional groups. Molecular Dynamics (MD) calculations reveal the formation of bridging structures between metal and CNF surfaces. The spatial distribution of CNF surface particles is determined by the closest contact distance between the atoms of the metal particles and the measured thermal dispersion rate. The bridge structure between the metal and CNF is formed by the combination of the radius, the electricity-negative degree and the thermal dispersion.