【研究領域課題番号】19H00908 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生分解性プラスチック / 分解開始スイッチ機能 / 生分解速度制御 / 繊維 / BOD生分解試験 / バイオマスプラスチック / フィルム / 微生物産生ポリエステル / 生分解性脂肪族ポリエステル / 酵素内包 / 自己分解 / ポリカプロラクトン / リパーゼ / 溶融混錬 / 酵素分解性 / 生分解性開始機能 / 生分解性速度制御 / 構造解析 / ポリ乳酸 / 高分子多糖類 / 生分解性制御 / 高性能部材

【研究成果の概要】

現在、非生分解プラスチックによるごみ問題が解決すべき課題として取り上げられている。生分解性プラスチックは解決策の一つとして取り上げられているが、耐熱性や強度などの物性に乏しいことから真の実用化には至っていない。また、使っているときは分解せず、使用後、環境中に流出したら分解が始まる生分解開始機能の付与や、目的の速度で分解する生分解速度制御技術の開発が望まれている。
本年度は、微生物が糖や植物油から生合成する生分解性ポリエステルの一つであるポリヒドロキシアルカノエート（PHA）を用いて、高強度・高伸縮性繊維の開発を行うとともに、その生分解性の評価を行った。さらに、生分解開始機能として、生分解性脂肪族ポリエステルであるポリブチレンサクシネート（PBS）やポリブチレンサクシネートアジペート（PBSA）にリパーゼを内包させ、その生分解性について検討を行った。
PHAを融点以下の温度で溶融紡糸を行ったのち、室温で延伸することにより高強度・伸縮性繊維の開発に成功した。播磨SPring-8の放射光を用いて、繊維の伸縮過程をリアルタイムで測定することにより、高強度と伸縮性は分子鎖がランダムコイル構造から平面ジグザグ構造に変化することにより発現することを明らかにした。さらに、東京湾の海水を用いて、これらの繊維の分解試験を行ったところ、延伸前の繊維より延伸後の繊維の方が分解が速いことがわかった。さらに、繊維表面には桿菌と球菌の両方が集積していることもわかった。
PBSやPBSAにリパーゼを内包させたフィルムを作製した。このフィルムを小さく切った後、バッファーに浸漬したところ、PBSはほとんど分解しなかったが、PBSAは24時間で十分分解することがわかった。今後は、親善環境水（河川水、池水、海水）を用いて分解が生じるかどうかを検討中である。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2019-04-01 - 2024-03-31

【配分額】44,590千円 (直接経費: 34,300千円、間接経費: 10,290千円)

【研究分野】高分子・繊維材料

【研究領域課題番号】15K13778 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオベースプラスチック / 多糖類 / β-1,3-グルカン / エステル誘導体 / 繊維 / フィルム / パラミロン / ミドリムシ / 結晶弾性率 / βー1，3－グルカン / カードラン / ユーグレナ / 熱可塑性

【研究成果の概要】

本研究では、プラスチック生産における石油依存および可食系原料の利用から脱却し、真の持続的な物質循環型社会を構築するために、二酸化炭素と水からミドリムシにより生合成される多糖類の一種であるパラミロン（β－１,３-グルカン）を用いて、グルコース単位当たり３つ存在する水酸基をエステル基で化学修飾することにより熱可塑性を付与し、溶融紡糸法により高強度繊維を作製することに成功した。さらに、大型放射光を用いて、パラミロンエステル誘導体の分子鎖構造の解析に成功した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2015-04-01 - 2017-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】グリーン・環境化学

【研究領域課題番号】26248044 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオマスプラスチック / グルカル酸 / フェルラ酸 / 微生物産生ポリエステル / 物性 / 繊維 / 構造解析 / バイオベースプラスチック / 高分子多糖類 / フィルム / 生分解性プラスチック / 高分子材料 / 高分子構造 / 成型加工 / 酵素分解性 / 材料物性 / グリーンケミストリー / バイオベースポリマー / プルラン / キチン / キトサン / アルギン酸 / セルロース / エステル誘導体 / グルカル酸アセテート / ポリエステル / ポリアミド / バイオリファイナリー

【研究成果の概要】

本研究では、非可食系バイオマスから新規で高性能なバイオマスプラスチックの合成と基礎物性評価を目的とした。木材抽出成分のキシランからポリ乳酸ステレオコンプレックス用の結晶核剤の開発に成功した。バイオマスベース基幹物質の一つであるグルカル酸を出発原料として、結晶性を有するグルカル酸エステルとグルカル酸アミドの合成に成功した。さらに、米ぬかから抽出されるフェルラ酸から2種類の共重合体の合成にも成功した。一方、微生物により生合成された超高分子量バイオポリエステルを、低分子量バイオポリエステルに少量混ぜることで、高強度繊維が作製できることを見出すとともに、その構造を大型放射光のＸ線回折により解明した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2014-04-01 - 2018-03-31

【配分額】42,120千円 (直接経費: 32,400千円、間接経費: 9,720千円)

【研究分野】高分子・繊維材料

【研究領域課題番号】25620168 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオベースプラスチック / 生分解性プラスチック / 微生物産生ポリエステル / フィルム / 繊維 / 酵素分解 / 超高分子量ポリエステル / 生合成 / バイオポリエステル / 生分解性ポリエステル / 高強度繊維 / 超高分子量化 / 手術用縫合糸 / 薬剤徐放 / 冷延伸 / Ｘ線トモグラフィー / バイオマス / 超高分子量 / 溶融紡糸 / 強度 / 延伸 / 熱的性質 / 機械的性質

【研究成果の概要】

本研究では、超高分子量バイオポリエステルを生合成するとともに、新たに開発した冷延伸・二段階延伸法、微結晶核延伸法、冷延伸・中間熱処理法などの延伸法を用いて、破壊強度1GPa以上の生分解性を有するバイオベースプラスチック繊維の開発に成功した。また、通常分子量のバイオポリエステルに超高分子量バイオポリエステルを少量添加することでにより、超高分子量からのみで作製した繊維以上の破壊強度を有する高強度繊維の作製に成功した。さらに、一部の繊維にはミクロンサイズの空孔が存在することがわかり、空孔に薬剤を埋入することにより長期に薬剤をゆっくりと徐放できる高機能性繊維の開発に成功した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】高分子・繊維材料

【研究領域課題番号】25288097 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

結晶化速度 / 分子配向 / ポリエチレンテレフタレート / 一軸配向 / 二軸配向 / 高分子 / 配向 / フィルム / 繊維 / 配向結晶化 / 収縮 / 配向緩和

【研究成果の概要】

配向したポリエチレンテレフタレート(PET)の結晶化速度を高速DSCを用い、熱収縮の影響を除くために予備熱処理を実施する方法を用いることで、定量的に解析する手法を確立し、配向様式及び配向度と結晶化速度の関係について考察を行った。その結果、一軸配向サンプルと等二軸配向サンプルとは異なるアブラミ指数を有し、結晶化速度の温度依存性も異なる事、等二軸配向サンプルにおいて面配向の固有複屈折を用いて配向度を算出すると、同程度の配向度を有する一軸配向サンプルよりも結晶化速度が遅い傾向があることが明らかとなった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2013-04-01 - 2016-03-31

【配分額】19,240千円 (直接経費: 14,800千円、間接経費: 4,440千円)

【研究分野】環境関連化学

【研究領域課題番号】22245026 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオベースプラスチック / 生分解性プラスチック / フィルム / 繊維 / 酵素分解性 / キシラン / ポリ乳酸 / 微生物産生ポリエステル / バイオマス / ヘミセルロース / 天然多糖類 / プラスチック / 機械的物性 / 生分解性 / バイオマスプラスチック / 多糖類 / エステル誘導体 / キシラン誘導体 / 結晶核剤 / 大型放射光 / バイオベース高分子 / 生分解性高分子 / ナノファイバー / 化学修飾 / 球晶観察

【研究成果の概要】

本研究では、非可食系バイオマスから新規なバイオベースプラスチックの合成と環境中で分解する生分解性プラスチックの高性能化を目的とした。木材から抽出されるヘミセルロースの一つであるキシランをエステル化することによりプラスチック材料化に成功した。さらに、キシランエステルが生分解性ポリエステルであるポリ乳酸に対し、非常に優れた結晶核剤効果を示すことを見出した。一方、生合成した超高分子量バイオポリエステルを用いて、高強度フィルムや繊維の作製に成功すると共に、分子鎖構造と結晶構造を大型放射光のＸ線回折により解析を行った。さらに、酵素分解性速度が結晶化度や分子鎖構造により制御できることを見出した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2010-04-01 - 2015-03-31

【配分額】47,840千円 (直接経費: 36,800千円、間接経費: 11,040千円)

【研究分野】高分子構造物性(含繊維)

【研究領域課題番号】13555263 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

生分解性ポリエステル / 超高分子量 / ポリヒドロキシブチレート / フィルム / 繊維 / 延伸 / 結晶化 / 物性 / 冷延伸

【研究成果の概要】

遺伝子組換え大腸菌より生合成した分子量350万以上の超高分子量ポリ([R]-3-ヒドロキシブチレート)(P(3HB))を用いて、冷延伸法・二段階延伸法による高強度繊維の作製を試みた。超高分子量P(3HB)を溶融紡糸(200-220℃)直後、急冷、氷水中(4℃)で巻き取ることにより非晶質繊維を得た。この非晶質繊維は、ガラス転移温度付近である氷水中で容易に延伸が可能であり、高配向非晶質繊維を作製できた。この高配向非晶質繊維に、更に二段階延伸・熱処理を加えることにより破壊強度1.3GPa、ヤング率18GPaを越える高強度繊維を得ることに成功した。二段階延伸により高強度となった繊維のX線繊維図において平面ジグザグ構造が確認されたことから、この平面ジグザグ構造が強度発現の要因であると推測した。
冷延伸法を用いることにより、ポリ([R]-3-ヒドロキシブチレート-co-[R]-3-ヒドロキシヘキサノエート)(P(3HB-co-3HH))共重合体のフィルム強度を、汎用高分子並に増大させることに成功した。この高強度フィルムは、破壊伸びは100%以上もあることから、非常に強くしなやかな材料である。
さらに、P(3HB)分子鎖のらせん構造から平面ジグザグ構造への転移を分子動力学シミュレーションの手法により解析したところ、非常に小さな力で構造転移が生じることが分かった。
本研究において冷延伸、二段階延伸により作製した繊維および配向結晶性フィルムは、室温において6ヶ月間放置しても経時劣化が起こらず、物性変化がないことを確認した。すなわち、冷延伸と熱処理を施した繊維および配向結晶性フィルムは、室温での長期安定性にも優れ、P(3HB)は高強度・高弾性率・高耐久性を兼ね備えた優れた生分解性高分子材料に成り得ることが実証された。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】10,400千円 (直接経費: 10,400千円)