【研究分野】木質科学

【研究領域課題番号】15K14765 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

セルロース / 強度 / キチン / ナノファイバー / セルロースナノファイバー

【研究成果の概要】

セルロースナノファイバー１本の引張強度を解析した結果、平均して約3 GPaであった。これは汎用グレードのもので、低欠陥な高結晶性ナノファイバーであれば、平均6 GPa、最大10 GPaにも至る高強度素材であることが判明した。これらの強度値は、無欠陥なカーボンナノチューブにはとても及ばないが、大量合成された汎用品であれば匹敵するレベルである。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2015-04-01 - 2017-03-31

【配分額】3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円)

【研究分野】木質科学

【研究領域課題番号】14F04083 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

セルロース / ナノファイバー / TEMPO / アミド化 / 耐熱性 / ポリエチレングリコール / 温度応答性 / ドラッグデリバリー / PNIPAm / ナノコンポジット

【研究成果の概要】

水系媒体での水溶性カルボジイミドを触媒とするカルボキシ基のアミド化反応について、様々な反応条件で検討した。しかし、TEMPO酸化セルロースナノファイバー（TOCN）中のカルボキシ基のアミド化率を100％にまで向上させることができなかった。カルボキシ基と水溶性カルボジイミドが形成する中間体のアシルアミン構造が比較的安定なためであると推測した。一方、比較対象としてプロトン型TOCN（TOCN-COOH）と末端アミノ化ポリエチレングリコール（PEG-NH2）とのアルキルアンモニウム塩形成は、水中でほぼ化学量論的に形成すし、100％アンモニウム塩に変換できることが判明した。しかし、共有結合であるアミド結合に比べて、アルキルアンモニウム塩では熱安定性に劣ると考えられた。そこで、塩結合で形成されたTOCN/PEG-NH2複合化フィルムの熱分解挙動を解析したところ、熱分解開始温度が290℃となり、元のTOCNに比べて約90℃熱分解温度が向上し、元のセルロースの熱分解開始温度である300℃にほぼ近接することが判明した。そこで、この耐熱性向上機構を加熱処理物の赤外分光分析によって解析した。その結果、元のアルキルアンモニウム塩が、加熱過程で脱水し、アミド基に変換していることが判明した。TOCNで加熱処理によるアミド化－熱安定化に成功したのは初めてである。今回得られたTOCNの耐熱性の向上は、TOCN含有の軽量高強度複合材料の利用拡大に大きな貢献をするものと期待される。

【研究種目】特別研究員奨励費

【研究期間】2014-04-25 - 2016-03-31

【配分額】2,300千円 (直接経費: 2,300千円)

【研究分野】木質科学

【研究領域課題番号】13F03392 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

セルロース / ナノファイバー / TEMPO / 量子ドット / 蛍光 / 半導体 / quantum dot / cellulose nanofibril / fluorescence / Linear arrays

【研究成果の概要】

当研究室で見出されたTEMPO酸化セルロースナノファイバー（TOCN）は、環境適合型の水系触媒反応で前処理され、低解繊エネルギーで、完全ナノ分散化が可能であり、約3nmと超極細幅の結晶性セルロースミクロフィブリルレベルにまで変換された新規バイオ系ナノ材料である。本研究では、TOCN表面に高密度で規則的にカルボキシル基のNa塩が存在する特異的ナノ構造を利用し、機能性ナノ半導体物質として注目されている量子ドット（Quantum Dot:QD)との複合化による、新規高機能材料の創製に向けた基礎的研究を進めた。試料として、表面にアミン基を有するQD資料を準備し、カルボキシル基をプロトン化したTOCNを水中に分散させ、中和反応によってTOCN表面のカルボキシル基の塩型で、QDナノ粒子をTOCN表面に結合させる最適条件を検討した。原子間力顕微鏡画像から、TOCN表面にQDナノ粒子がイオン結合を介して分布していることが確認できた。また、QDの粒子径によってQD複合化TOCNの水分散液は、紫外線照射によって波長の異なる蛍光を発した。また、QD複合化TOCN水分散液をキャスト－乾燥して得られるフレキシブル透明フィルムについても、紫外線照射によって特異的な蛍光色を示すことが確認でき、TOCN/QD複合化物が蛍光フィルムとして利用可能であることが明らかになった。また、TOCNとQDの結合状態を赤外分光法によって検討したところ、カルボキシル基の全てがQDのアミン基と塩結合を形成しているのではなく、一部のカルボキシル基が塩結合することでQDナノ粒子をTOCN表面上に固定化していることが判明した。

【研究種目】特別研究員奨励費

【研究期間】2013-04-01 - 2015-03-31

【配分額】2,400千円 (直接経費: 2,400千円)

【研究分野】木質科学

【研究領域課題番号】23688020 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

セルロース / 自己組織化 / 液晶 / エアロゲル / 透明 / ナノセルロース / ナノファイバー / 断熱 / セルロースナノファイバー / ゲル

【研究成果の概要】

水中分散したセルロースミクロフィブリルは，自己配列して液晶性を示す。我々は、この液晶性ミクロフィブリル分散液に、希酸を滴下するという簡便な処理で、ミクロフィブリルの自己組織化配列を固定化するプロセスを確立した。その結果、濃度０．１％（水分９９．９％）でも自立する超高弾性率ヒドロゲルや、透明で強靭なエアロゲルを調製することに成功した。特にエアロゲルは、極めて低い熱伝導率を示し、高性能な新規断熱材としての応用展開が期待される。

【研究種目】若手研究(A)

【研究期間】2011-04-01 - 2014-03-31

【配分額】26,910千円 (直接経費: 20,700千円、間接経費: 6,210千円)

【研究分野】木質科学

【研究領域課題番号】21780163 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

セルロース / ナノ材料 / 自己組織化 / 生体模倣 / ナノファイバー / 階層構造

【研究成果の概要】

TEMPO触媒酸化を経て水中分散したセルロースナノフィブリルはネマチック液晶状に自己配列する。本研究では、水中で自己配列したナノフィブリルの集積プロセスを制御し、ハイドロゲル、エアロゲル、フィルム等のバルク材料を構築した。これらのバルク材料は、ナノフィブリルが自己配列した秩序構造を有しており、極めて優れた材料特性を発現した。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2009 - 2010

【配分額】4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)

【研究分野】環境農学

【研究領域課題番号】19380181 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

バイオマス / セルロース / ナノファイバー / ゲル / フィルタ / ナノファイバ / エアロゲル / ナノフィルタ / 柔組織 / 一次壁 / 形成層

【研究成果の概要】

植物バイオマスから得られる天然セルロースナノファイバおよび再生セルロースのナノ多孔体の構造を詳細に解析して多くの有用な知見を得るとともに、それらを高機能材料として利用する技術を開発した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2007 - 2008

【配分額】19,500千円 (直接経費: 15,000千円、間接経費: 4,500千円)

【研究分野】林産科学・木質工学

【研究領域課題番号】18380102 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

環境材料 / ナノ材料 / 糖 / 多糖 / 触媒酸化 / セルロース / TEMPO / 表面改質 / ナノファイバー / 水系媒体 / ガスバリア性 / 機能材料 / ミクロフィブリル / 金属捕捉材

【研究成果の概要】

2, 2, 6, 6-テトラピペリジニル-1-オキシラジカル(TEMPO)を触媒量用いる水系媒体での、セルロースを含む多糖の酸化改質について詳細に検討した。新しく開発した亜塩素酸ナトリウムを主酸化剤とする弱酸性~中性条件でのTEMPO 触媒酸化を、天然セルロース、レーヨンあるいはセルロースビーズのような再生セルロース、その他の多糖類について適用した。その結果、β脱離反応による低分子化が抑えられるために、天然セルロースの酸化-水中解繊処理では、高分子量でアスペクト比の大きいTEMPO 酸化セルロースナノファイバーが得られた。木材セルロースから得られたナノファイバーは幅が4~5nm で、長さは数ミクロン以上あり、新規TEMPO 酸化セルロースナノファイバーの調製方法として確立することができた。天然セルロースをボールミル粉砕して非晶化した場合には、水溶性のポリウロン酸であるセロウロン酸が得られた。一方、レーヨン繊維の亜塩素酸ナトリウム系TEMPO 触媒酸化でも、水溶性のセロウロン酸が得られたが、その分子量は従来法の6 倍以上となり、化学構造も均一であった。再生セロロースビーズに亜塩素酸ナトリウム系TEMPO 触媒酸化を適用したところ、元の多孔質、ビーズ形状を保ったまま、その表面に高密度でカルボキシル基を導入することができた。そのTEMPO 酸化セルロースビーズは、既存のカルボキシメチル化ビーズよりも、高い金属イオン吸着能、カチオン性高分子吸着能を示し、新しい分離用アニオン性セルロースビーズの開発につながるデータを得ることができた。再生セルロースでもレーヨンのようにセロウロン酸が得られる場合と、セルロースビーズのように固体表面のみにカルボキシル基が導入される場合があり、全く異なるがこれは両者の固体構造を反映している。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2006 - 2008

【配分額】17,050千円 (直接経費: 15,100千円、間接経費: 1,950千円)