Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

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

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。

環境適合型高分子 / 天然無機ナノフィラー / 表面開始ラジカル重合 / 高性能グリーンナノハイブリッド材料 / イモゴライト / ARGET ATRP / ハイブリッド / α-メチレン-γ-ブチロラクトン / 共重合 / 耐熱性 / ポリ乳酸 / 有機無機ハイブリッド材料 / 界面構造制御 / 生分解性ポリウレタン / ハイブリッドハイドロゲル / 生分解性 / 表面グラフト重合 / ハブリッドハイドロゲル / ハイブリッド材料

本研究では環境適合型高分子と天然無機ナノフィラーを用いて高性能グリーンナノハイブリッド材料を構築のための基盤技術を確立する。得られた成果は(1)天然イモゴライトの精製、イモゴライトの合成と表面処理法の確立、(2)イモゴライトナノフィラーへの表面グラフト重合法の開発、(3)新規環境調和型エラストマーの合成、(4)(生分解性ポリウレタン/ポリ乳酸)ハイブリッド材料の調製とその物性と生分解性の検証、(5)新規生体高分子系ハイブリッド材料の調製、(6)PMMAグラフト化イモゴライトとポリ乳酸のハイブリッドの調製し、新規高性能グリーンナノハイブリッド材料の開発に成功した。

生分解性高分子 / ポリヒドロキシブチレート / ポリ乳酸 / セルロースエステル / 分子鎖構造 / 結晶構造 / 物性 / 酵素分解性 / 生分解性 / 繊維 / 高強度化 / 高次構造 / 延伸 / 分解酵素

生分解性脂肪族ポリエステルであるポリ[(R)-3-ヒドロキシブチレート](P(3HB))と天然高分子誘導体であるセルロースエステル(CE)との一軸延伸ブレンドフィルムを作製したところ、これまでにない特異な分子鎖配向挙動を示すことを見出した。X線回折及びFT-IR分析により、CE分子鎖は延伸方向に平行に配列し、P(3HB)分子鎖はCE分子鎖間において延伸方向に対して垂直に配列していることが分かった。
P(3HB)のエレクトロスピニングにより、直径100nm程度のナノファイバーを作製することに成功した。電子線回折及びX線回折より、ナノファイバーには2回らせん構造と平面ジグザグ構造の2種類の分子鎖構造が存在することが分かった。酵素分解実験を行ったところ、平面ジグザグ構造の方が、2回らせん構造より速く分解されることが分かった。
立体規則性の異なる2種類のポリ乳酸、ポリ(L-乳酸)(PLLA)とポリ(D-乳酸)(PDLA)、を用いて、ステレオコンプレックスフィルムを作製し、その構造及び物性の測定を行った。ソルベントキャストフィルムおよび一軸延伸フィルムにおいては、ステレオコンプレックス結晶とホモポリマー結晶の2種類が観察された。しかし、低倍率の延伸フィルムを熱処理することにより、完全にステレオコンプレックス結晶のみで構成されるフィルムを作製できることが分かった。しかし、破壊強度はホモポリマー結晶とステレオコンプレックス結晶が混在している方が、ステレオコンプレックス結晶のみより強いことが分かった。

ポリ乳酸(PLA) / D体分率 / 高速紡糸 / 温度変調DSC / 広角X線回折 / 複屈折 / 配向結晶化 / 芯鞘型複合繊維 / 溶融紡糸 / ポリ乳酸 / 生分解性

本研究では,D体分率の異なる複数のポリ乳酸(PLA)を用い,複合高速紡糸において,成分間相互作用を利用して新規な高次構造の制御法を試みるというミクロな視点と,各成分の繊維断面内配置を制御するというマクロな視点を組み合わせることを通じ,生分解により繊維が使用できなくなるまでの時間や,それに至るまでの物性変化の挙動を高度に制御した生分解性複合繊維を作製することを目的とした.研究成果を以下に示す.
1.D体分率の異なる3種類のポリ乳酸(PLA)の高速溶融紡糸:
最高巻取速度が10km/minまで到達したことから,PLAは非常に可紡性がよいことが分かった.複屈折,WAXDおよびDSC測定の結果より,低分率D体PLAは高速域5km/minで配向結晶化が起こり,D体分率の増加に伴い結晶化度は低下することが明らかになった.繊維の初期弾性率および強度は,巻取速度10km/minの低分率D体PLAで,それぞれ5.93GPaおよび569MPaと最高値を示した.
2.高速溶融紡糸によってD体分率の異なるPLA極細繊維の作製:
極細繊維の最小直径は3.47μmとなり,通常の繊維直径の約1/7を有する極細繊維が得られた.複屈折,DSC測定および力学特性の結果より,極細化すなわち吐出量の低下に伴い,繊維構造形成は促進されるのに対して,最高巻取速度は低下することが明らかになった.
3.高結晶性である低D体分率ポリ乳酸(PLA)を芯成分,非晶性である高D体分率PLAを鞘成分とする芯鞘型複合繊維の作製:
複合繊維中の低D体分率PLA成分・低D体分率PLA単成分繊維ともに配向結晶化が巻取速度5km/min以上で起こることが明らかになった.力学試験の結果,複合繊維のヤング率・破断強度は,7km/min以上でそれぞれ5GPaおよび400MPa程度であり,最大収縮率は15%以下であった.
4.高速紡糸PLA繊維の熱挙動:
温度変調DSC(TMDSC)により詳細な検討を試みた結果,不可逆成分の吸熱挙動は主に高速紡糸線上あるいは延伸・熱処理過程で形成された完全性の高い結晶の融解に対応することが明らかになった.

【研究分担者】
大塚英幸	九州大学	先導物質化学研究所	准教授	(Kakenデータベース)
和田信一郎	九州大学	農学研究院	准教授	(Kakenデータベース)
山本和弥	九州大学	先導物質化学研究所	特任助教	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
伊藤浩志	東京工業大学	大学院・理工学研究科	助手	(Kakenデータベース)
塩谷正俊	東京工業大学	大学院・理工学研究科	助教授	(Kakenデータベース)