[論文レビュー] Dynamic characterization of cellulose nanofibrils in sheared and extended semi-dilute dispersions

Tomas Rosén, Nitesh Mittal+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Advanced Cellulose Research Studies参考文献 58被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、偏光顕微鏡（POM）および小角X線回折（SAXS）を用いた流れ停止実験を通じて、セルロースナノファイブリル（CNF）の流れ下での動的挙動を調査した。オリエンテーション分布関数（ODF）を測定し、回転拡散が複数の時間スケールで発生すること、せん断流れが延長流れよりも拡散を促進すること、および変形歴が拡散キネティクスに顕著に影響することを明らかにした。これは、ODFのみが拡散速度を決定すると仮定する従来の考え方に疑問を呈するものである。

ABSTRACT

New materials made through controlled assembly of dispersed cellulose nanofibrils (CNF) has the potential to develop into biobased competitors to some of the highest performing materials today. The erformance of these new cellulose materials depends on how easily CNF alignment can be controlled with hydrodynamic forces, which are always in competition with a different process driving the system towards isotropy, called rotary diffusion. In this work, we present a flow-stop experiment using polarized optical microscopy (POM) to study the rotary diffusion of CNF dispersions in process relevant flows and concentrations. This is combined with small angle X-ray scattering (SAXS) experiments to analyze the true orientation distribution function (ODF) of the flowing fibrils. It is found that the rotary diffusion process of CNF occurs at multiple time scales, where the fastest scale seems to be dependent on the deformation history of the dispersion before the stop. At the same time, the hypothesis that rotary diffusion is dependent on the initial ODF does not hold as the same distribution can result in different diffusion time scales. The rotary diffusion is found to be faster in flows dominated by shear compared to pure extensional flows. Furthermore, the experimental setup can be used to quickly characterize the dynamic properties of flowing CNF and thus aid in determining the quality of the dispersion and its usability in material processes.

研究の動機と目的

• 加工中のCNFの整列を制御する水力学的力と回転拡散の競合を理解すること。
• 初期のオリエンテーション分布関数（ODF）が、CNF分散中の回転拡散速度を単独で決定するかどうかを特定すること。
• せん断支配型と純粋な延長流れにおける回転拡散キネティクスを比較すること。
• 材料加工に関連する動的CNF分散特性を特徴付ける迅速な実験手法を開発すること。
• 変形歴が、流れ停止後の再整列ダイナミクスに与える影響を定量化すること。

提案手法

• 流れているCNF分散を急停止させ、その停止後の再整列ダイナミクスを観察する流れ停止実験を実施すること。
• 流れ停止後のCNF整列の進化を可視化・追跡するために偏光顕微鏡（POM）を用いること。
• 流れ中および停止後の繊維の真のオリエンテーション分布関数（ODF）を定量的に測定するために小角X線回折（SAXS）を用いること。
• ODFの時間発展を分析し、異なる流れの種別および歴史における回転拡散時間スケールを抽出すること。
• 制御された分散条件の下で、せん断支配型流れと純粋な延長流れにおける拡散キネティクスを比較すること。
• 流れ停止前の変形歴と観察された回転拡散速度の相関を分析すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 流れ停止後の回転拡散速度に、初期のオリエンテーション分布関数（ODF）がどのように影響するか？
• RQ2 せん断および延長流れ下におけるCNF分散の回転拡散の時間スケールは何か？
• RQ3 CNF分散の変形歴が、流れ停止後の再整列ダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ4 せん断支配型流れは、純粋な延長流れよりも回転拡散が速いか？
• RQ5 流れ停止POM-SAXSセットアップは、材料加工におけるCNF分散品質の迅速な診断ツールとして利用可能か？

主な発見

• CNF分散における回転拡散は、複数の時間スケールで発生しており、最も速いスケールは分散の過去の変形歴に依存する。
• 回転拡散速度が初期ODFにのみ依存するという仮説は否定され、同一のODFでも異なる拡散時間スケールが得られた。
• せん断支配型流れ下では、純粋な延長流れよりも回転拡散が顕著に速い。
• 流れ停止POM-SAXS実験セットアップにより、ODFの時間発展を直接的かつ定量的に測定でき、分散品質およびプロセシング可能性の迅速な評価手法が可能となった。
• 流れ停止前の変形歴は、再整列のキネティクスに重要な役割を果たしており、CNF分散に記憶効果が存在することを示唆している。
• POMとSAXSの併用により、プロセスに実用的な条件での繊維整列ダイナミクスの定性的な可視化と定量的分析の両方が可能となった。