【研究分野】木質科学

【研究領域課題番号】17H03840 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

セルロース / レベルオフ重合度 / セルロースミクロフィブリル / 非晶領域 / セルロースナノファイバー / セルロースナノクリスタル / TEMPO / TEMPO触媒酸化 / 希酸加水分解

【研究成果の概要】

単離精製された高等植物セルロース繊維を希酸中で加熱処理すると、常に一定の平均重合度200～300に低分子化し、この値はレベルオフ重合度（LODP）として知られている。このLODPが植物セルロースの生合成段階から生成しているのか否かを含め、LODP生成機構の解明を目的とした。その結果、LODPに対応するセルロースミクロフィブリルの長さ方向に周期的に存在する非晶領域は、単離精製した高等植物セルロースのセルロース含有量（純度）および乾燥条件により、後天的に生成することを明らかにした。従って、植物セルロース原料を適正に選択すれば、これまで不可能であった酸性下での多様な化学反応が適用可能になる。

【研究の社会的意義】

これまで植物セルロース繊維の化学反応においては、酸性条件下での反応は著しい分子量低下が避けられないため、合成高分子分野のような幅広く多様な化学反応の適用には限界があった。しかし、本研究により、低分子化の要因となる非晶領域の生成が、単離－精製過程での乾燥条件に依存することが明らかになった。従って、乾燥条件を避けて未乾燥セルロース繊維を出発素材として用いることにより、高強度物性の発現に関与する高分子量を有する、セルロースの誘導体化、セルロースの酸化等の多様な化学反応が、酸性下でも可能となり、再生産可能なバイオマスであるセルロースの有効利用、高機能化につながる成果が得られた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】15,990千円 (直接経費: 12,300千円、間接経費: 3,690千円)

【研究分野】次世代の農資源利用

【研究領域課題番号】17KT0069 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

紙 / エレクトロニクス / 銀ナノ粒子 / ナノセルロース / セルロースナノクリスタル / 銀ナノ粒子インク / インクジェット / Tween80 / 導電性 / 摩擦抵抗性 / セルロース / 油水分離 / フィルタ / メディア / タッチセンサ / 音声ガイダンス / 音波 / 発電 / セルロースナノファイバ / 圧電性 / アクチュエータ / ヤング率 / 森林資源 / 発電デバイス / 木材

【研究成果の概要】

印刷法による紙基板電気回路作製のため、セルロースナノクリスタル（CNC）を使い紙の表面加工を行った。棒状で高電荷密度のCNCは修正大島-Overbeek式への近似で表面電位を適切に求められた。紙表面に印刷したCNC層上に作製した銀配線は高い導電性と摩擦抵抗性を示した。配線用銀ナノ粒子は、硝酸銀水溶液をナノエマルション化する簡便調製法を確立し、使用したTween 80に乳濁能と安定分散能に加えて還元能を見出した。ルミネッセンスを示すナノカーボンドットの簡便な調製法を見出し、紙基板金属センサー応用を可能とした。また油水分離フィルタをセロハン製造法と膨潤性ナノセルロース超撥油性を利用して調製した。

【研究の社会的意義】

エレクトロニクスの基板材料であるガラスやプラスチック類は使用後に廃棄物となり、環境に優しいとは言えない。紙基板のワンウェイユースのエレクトロニクスでこれらが少しでも代替できればリサイクルも可能であり、生分解性の点から環境負荷が少なくてすむ。本研究ではバイオマス材料である紙とナノセルロースの組み合わせで回路印刷適性を向上させることに成功した。併せて超音波分散機などで簡便に調製できる安定性の高い銀ナノ粒子インクの製造法も活用が可能である。また、開発中のカーボンナノドットは紫外線照射による発光を示したが特定の金属イオン存在下では消失することから紙基板金属イオンセンサーへの応用も示唆された。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2017-07-18 - 2020-03-31

【配分額】18,590千円 (直接経費: 14,300千円、間接経費: 4,290千円)

【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】15H04524 (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 / セルロース / エアロゲル / キセロゲル / 断熱材 / ナノカーボン / 発泡体 / 断熱性

【研究成果の概要】

セルロースナノファイバー（ＣＮＦ）を骨格とする新規多孔質の構造と伝熱特性の関係を調査した。その結果、ＣＮＦが網目状に骨格を形成したナノポーラスな多孔体よりも、ＣＮＦが薄膜状に凝集した骨格を有するマクロポーラスな多孔体のほうが、著しく熱拡散率を低下させることが明らかとなった。すなわち、多孔体中の空気の熱拡散を抑制するためには、ナノスケールの網目状骨格により空気分子の自由行程を直接阻害することよりも、薄膜状骨格によりマイクロスケールの閉塞的な空間をつくるほうが効率的であった。その他、常圧乾燥によるＣＮＦ多孔体の調製や、ＣＮＦ多孔体を由来とする新規ナノカーボンの形成についても検討した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】16,250千円 (直接経費: 12,500千円、間接経費: 3,750千円)

【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)