九州シンクロトロン光研究センター
県有ビームライン利 用報告書
課 題 番 号 ： 1912122R

Ｂ Ｌ 番 号 ： BL11

（様式第 5 号）

小角 X 線散乱測定によるセルロースナノファイバー分散系の構 造 解 析 (II)Structural analysis of cellulose nanofiber suspensions
by using small-angle X-ray scattering (II)巽 大輔
Daisuke Tatsumi
九州大学 大学院農学研究院
Faculty of Agriculture, Kyushu University
※１
※２

※３
※４

先 端 創 生 利 用（ 長 期 タ イ プ ）課 題 は 、 実 施 課 題 名 の 末 尾 に 期 を 表 す（ Ⅰ ）、（ Ⅱ ）、（ Ⅲ ）を 追 記
してください。
利 用 情 報 の 公 開 が 必 要 な 課 題 は 、本 利 用 報 告 書 と は 別 に 利 用 年 度 終 了 後 2 年 以 内 に 研 究 成 果 公
開｛ 論 文（ 査 読 付 ）の 発 表 又 は 研 究 セ ン タ ー の 研 究 成 果 公 報 で 公 表 ｝が 必 要 で す (ト ラ イ ア ル
利 用 を 除 く )。
実験に参加された機関を全てご記載ください。
共 著 者 に は 実 験 参 加 者 を ご 記 載 く だ さ い （ 各 実 験 参 加 機 関 よ り 1 人 以 上 ）。

１．概要（注：結論を含めて下さい）
セ ル ロ ー ス 系 不 織 布 お よ び シ ー ト （ セ ロ ハ ン ） の 小 角 X 線 散 乱 （ SAXS） 測 定 を 行 った 。 不 織 布 の SAXS プ ロ フ ァ イ ル は 2 種 類 に 大 別 で き た 。 い ず れ も 小 角 側 で は 同 一 の プ
ロ フ ァ イ ル に 漸 近 し た こ と か ら 、よ り 大 き な オ ー ダ ー で の 構 造 に 差 異 は な い と 考 え ら れた。一方、広角側でのプロファイルの立ち上がりは空隙による散乱と考えられ、不織布の原料となる繊維を調製する際の溶媒の違いが空隙構造に影響を与えている可能性が示唆された。セロハンでは、製造条件による違いは見られず、プロファイルの広角側での立ち上がりはより顕著であった。
（ English ）Small-angle X-ray scattering (SAXS) measu rements of the cellulosic non-woven fabric andsheets (cellophane) have been performed. The SAXS profiles for non-woven fabric can be
categorized into two types. As each profile approached to the one curve on the low q range,
there should be no difference in the structure in the larger scales. On the other hand, therising profile on the high q range is attributed to the scattering from voids, suggesting that thedifference in the solvents used to prepare the fibers as the raw material of the non -woven
fabric may affect the void structure. In the cellophane’s profiles, no difference was founddepending on the manufacturing conditions, and the rise s on the high q range of the profile wasmore remarkable.

２．背景と目的
近年、セルロースナノファイバー（CNF）がその優れた特性のために注目されている。CNF の高強度特性を生かした複合材料への応用事例が多数見受けられるが、そのほとんどが既存の繊維複合材料（FRP）の技術をそのまま転用したものである。これは、CNF 自体および CNF 分散系の性質には未知の部分が多いためである。そこで、本申請研究では、CNF の構造解析を行うため、シンクロトロン光を用いた小角 X 線散乱（SAXS）測定を行うこととした。本年度の第 II 期の利用では、CNFサスペンションの SAXS 測定を行った。
今回（第 III 期）は、CNF データの対照としてセルロース系材料の基礎データを収集するべく、既存のセルロース系材料の SAXS 測定を行った。用いた試料は不織布（繊維の集合体）およびシート（分子の集合体）であり、サイズ的に CNF は両者の中間に位置すると考えられる。

３．実験内容（試料、実験方法、解析方法の説明）
セルロース試料として、不織布およびシートを用いた。シートは、いわゆるセロハンである。製造条件の異なる不織布を23種類、シートを10種類用いた。
上記の不織布およびシートをホルダーに固定し、BL11においてE = 8.0 keV、検出にはPILATUS 300kを用いてSAXS測定を行った。なお、カメラ長は2596 mmとした（図1）。得られたSAXS像はFit2Dを用いて円環平均し、log I(q) vs log qのグラフを作成した。
不織布またはシート
スリット

PILATUS

スリット

X線
真空パス
カメラ長： 2596 mm（小角）図 1 実験レイアウト
４．実験結果と考察
図 2 に、各種不織布およびシートの SAXS プロファイルを示す。不織布のプロファイルは 2 種類に大別できた。左図の赤および黒はそれぞれセルロースを溶解させる溶媒が異なっており、溶媒の違いがプロファイルに影響していることが示唆された。なお、いずれのプロットも小角側ではほぼ一本の曲線に漸近していることから、より大きなオーダーでは構造に差異はないことが示唆される。また、広角側（log q = 0 以上）でのプロファイルの立ち上がりは void による散乱と予想され 1)、溶媒の差異が void 構造に影響を与えていることが考えられる。
一方、シート（図 2 右）では、用いた 10 種類のセロハンでほぼ同じプロファイルを示した。シートのプロファイルは、小角側で不織布のそれとほぼ同様の値を示し、広角側で曲線の立ち上がりがより顕著となった。

44log ( I(q) / a.u. )log ( I(q) / a.u. )Cellophane

20-2-101-1log ( q / nm )20-2-101-1log ( q / nm )図 2 各種セルロース不織布（繊維；左）およびシート（セロハン；右）の SAXS プロファイル
５．今後の課題
今回は、CNF データの対照とするべく、既存のセルロース系材料（不織布およびシート）の SAXS測定を行った。今後はこれをふまえて、CNF についてパラメータ（微細化の程度、サスペンション濃度、原料）を変えながら測定を行う予定である。

６．参考文献
1) Alexander, L. E., 高分子の X 線回折, 浜田文将, 梶 慶輔 訳, 化学同人, 京都, (1973)

７．論文発表・特許（注：本課題に関連するこれまでの代表的な成果）

８．キーワード（注：試料及び実験方法を特定する用語を２～３）
不織布、セロハン、小角 X 線散乱

９．研究成果公開について（注：※２に記載した研究成果の公開について①と②のうち該当しない方を消してください。また、論文（査読付）発表と研究センターへの報告、または研究成果公報への原稿提出時期を記入してください（2018 年度実施課題は 2020 年度末が期限となります）。
長期タイプ課題は、ご利用の最終期の利用報告書にご記入ください。

① 論文（査読付）発表の報告（報告時期：2021 年3 月）