纤维素纳米纤维中弹性模量评价检测方案(扫描探针)

扫描探针显微镜 SPM/原子力显微镜 AFM ApplicationnNo.S54News岛津SHIMADZU用户服务热线电话： 800-810-0439第一版发行行：2020年6月400-650-0439 ApplicationNews 纤维素纳米纤维的弹性模量评价 前言 纤维素是一种多糖型物质，是植物细胞壁的主要成分。通过对纤维素进行解纤处理而得到的直径为几纳米米100纳米的纤维素被称为纤维素纳米纤维 (Cellulose Nanofiber： CNF)。CNF 不仅重量轻、强度高，还具有高阻气性、吸附性、透明性等出色性能。另外，由于其来源于植物纤维，是一种在生产和废弃时对环境负荷小的材料，因此作为尖端的生物质新材料而备受关注，有望在汽车零部件、电子材料、包装材料等方面得到广泛应用。复合材料需要根据用途对强度、重量等进行优化，选择合适种类和强度的 CNF 是非常重要的。但是， CNF的尺寸极小，在开发和制造过程中，存在单纤维强度评价方法难建立的问题。 本文介绍了通过使用扫描探针显微镜(SPM/AFM)的弹性模量测试对 CNF 强度井行了评价。 E. lida Nano 3D MappingTM SPM/AFM 是一种使用微小的探针(悬臂式)对样品表面进行扫描，以高分辨率观察和检测样品三维形状以及局部物理性质的显微镜。装置外观如图1所示。在本次的弹性模量检测中，使用了纳米物理性质评价软件“Nano 3D Mapping”。 “Nano3D Mapping”可以按照指定区域和数据点数获取力曲线，通过各点计算的弹性模量形成弹性模量映射。力曲线是检测悬臂以垂直方向(Z)压向样品表面时作用于悬臂的力，以分析样品粘弹性的方法。详情已经记载于应用新闻 S26中。 图1扫描探针显微镜 SPM-9700HTTM CNF的弹性模量映射 检测的试样是市售的纤维素水分散体体。该 CNF已通过机械解纤处理至纳米尺寸。将其制备为0.001 wt%， 滴在新解离的云母表面上干燥，然后进行弹性模量映射。结果如图2所示。检测尺寸是1 um×1 um， 数据点数是128×128。(a)在形貌图中可以观察到错错缠结的CNF。(b)从弹性模量图可知，弹性模量的大小分布清晰，与云母部分相比， CNF的弹性模量低。 (a) (b) 图2(a)形貌图与(b)弹性模量图的重叠图如图3所示，CNF与云母部分的弹性模量直方图如图4所示。CNF的平均弹性模量约为364 MPa、云母部分的平均弹性模量约为1234 MPa，二者的弹性模量差异明显。直方图的偏差表明样品溶液中的杂质可能存在于样品表面。检测圆柱形样品的弹性模量时，如果在探针可以垂直压向样品的侧面顶部进行检测，可以获得准确的值，因此，参照了11根纤维(图3中的1~11)的侧面顶部的弹性模量。 纤维8(单纤维)顶部具有代表性的力曲线(接近线)，如图5所示。下压导致的纤维变形量为 0.72 nm， 相对于5.9 nm的纤维直径，变形率仅为12%，表明是在不易受到基底影响的变形量下完成的检测。按“载荷=悬臂的弹簧常数×挠曲量”计算，下压载荷约为 13nN。 总结 结果证实，可以通过“Nano 3D Mapping”的弹性模量映射评价 CNF的弹性模量。此外，在力曲线检测中，还可以捕捉到下压CNF时的纤维变形。关于 CNF 的强度评价方法，建立采用能够对每个单纤维进行纳米级检测的 SPM/AFM 弹性模量检测。 ( *1杉野机械株式会社生产的 BiNFi-s"水分散型纤维素 ) ( 品种编号： WMa-10002(标准) ) ( 纳米3D映射及 SPM-9700HT是岛津制作所式式会社在日本和其他国家 的商标。 ) ( BiNFi-s是杉野机械株式会社的注册商标。 ) 1.00 um 图3形貌图和弹性模量图的重叠 图4 CNF与云母部分的弹性模量直方图 【下压过程中的变化】 Z位置(下压量)：AZ=8.80 nm 悬臂挠曲量：Ad=8.08nm样品变变量： AZ-Ad=0.72nm ※悬臂探针前端直径：7nm(厂商标称值) 图5纤维8具有代表性的力曲线 ( 岛津企业管理(中国)有限公司岛津(香港)有限公司 ) ( http：//www.shimadzu.com.cn ) ( *本资料未经许可不得擅自修改、转载、销售； ) ( *本资料中的所有信息仅供参考，不予任何保证。 ) ( 如有变动，恕不另行通知。 ) 纤维素是一种多糖型物质，是植物细胞壁的主要成分。通过对纤维素进行解纤处理而得到的直径为几纳米到100纳米的纤维素被称为纤维素纳米纤维（Cellulose Nanofiber：CNF）。CNF不仅重量轻、强度高，还具有高阻气性、吸附性、透明性等出色性能。另外，由于其来源于植物纤维，是一种在生产和废弃时对环境负荷小的材料，因此作为尖端的生物质新材料而备受关注，有望在汽车零部件、电子材料、包装材料等方面得到广泛应用。复合材料需要根据用途对强度、重量等进行优化，选择合适种类和强度的CNF是非常重要的。但是，CNF的尺寸极小，在开发和制造过程中，存在单纤维强度评价方法难建立的问题。本文介绍了通过使用扫描探针显微镜（SPM/AFM）的弹性模量测试对CNF强度进行了评价。