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。

在这项研究中，我们旨在控制CNF的集成结构和界面结构，并阐明从光谱的基础上的物理特性，以增强从各种生物材料获得的纤维素纳米纤维（CNF）材料的精确度。在2022财年，我们专注于CNF中发现的高热导率，不仅影响CNF的晶体结构，而且还影响CNF之间的粘合剂界面的特性，并通过将各种多体金属离子引入CNF膜中详细研究和改善热传递性能。 CNF是通过木材和喷壳的节奏氧化处理来产生的，并将各种金属阳离子添加到这些膜中。在干燥环境中固化后，在将低湿度保持在大约5％或更少的环境中测量了膜的热扩散率。结果，添加到CNF膜中的金属离子的离子半径越小，离子金属物种的电负性越高，膜的平面内热扩散率越高。已证实，当CNF膜的表面功能组是用质子中和的羧基时，CNF膜的热扩散率最大化。此外，分子动力学（MD）计算表明，金属离子在CNF表面上的羧基之间没有选择性地形成交联的结构，而是在CNF表面上分布不均。离子在金属离子和羧基的氧原子之间的最近距离确定离子在CNF表面上的空间分布与离子半径和测得的热扩散率相关。即使对于诸如质子和钠离子等单价离子（被认为难以形成羧基之间的交联结构），这种结果也与离子半径，电位差和热扩散性的趋势相匹配，而多价离子表现出了高分子，这表明金属离子仅在CNF表面上仅在CNF表面上，而不是在CNF表面上分布在Interface上。