2017 Fiscal Year Research-status Report

ゾル-ゲル反応を利用したシリカコーティングによるセルロースのガラス化

Research Project

Project/Area Number	17K07883
Research Institution	Forest Research and Management Organization
Principal Investigator	戸川英二国立研究開発法人森林研究・整備機構, 森林総合研究所, 主任研究員 (60343810)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords	セルロースフィルム / アルコキシシラン / 気相蒸着
Outline of Annual Research Achievements	セルロースの高性能化を目的として、セルロースフィルム表面へのシリカ（酸化ケイ素；ガラスの成分）コーティング処理によるセルロースの無機複合化を試みている。当年度は、シリカ原料の気相蒸着法によるコーティング処理条件を検討した。セルロース基材としては、これまでに研究報告が無く、また種々の物性評価が可能であることから再生セルロースフィルム（市販セロファンおよび溶液からの自製セルロースフィルム）を採用した。コーティング試薬としてメチルトリメトキシシランを選定した。これらを用い、気相コーティングさせる処理時間や温度などを変化させ、得られたコーティングフィルムの特性を検討し、条件と特性の相関を調べた。気相コーティング実験は、フィルムと試薬を密閉容器内に同封して加熱するだけの簡便な手法を開発した。気相コーティング処理後のフィルムの外観（透明性）は、処理前とほとんど変わらなかった。また、走査電子顕微鏡による表面観察からも、コーティングによる表面形態の変化は見られなかった。処理前後におけるフィルムの吸水率変化から疎水性の程度が推定できるため、コーティング処理温度と吸水率の関係を調べたところ、105℃を超える温度で処理した場合に疎水化効果が高くなることがわかった。また、セロファンよりも自製フィルムの方が疎水化効果が高いことから、結晶化度の低い自製フィルムの方がコーティングされやすいことが示唆された。シラン使用量と吸水率変化から、極少量のシラン使用で効果があることが明らかとなった。また処理時間と吸水率の関係は、一定時間以上の気相処理をしても効果がほとんど向上しないことを示した。コーティングフィルム表面への水滴写真（接触角）から高い表面疎水性が推定された。以上の結果は、アルコキシシランを用いた簡便な気相コーティングによってセルロースフィルムの耐水性が向上できることを示している。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当年度の研究計画では、３官能性のトリアルコキシシランを用いてセルロース表面へのコーティング条件検討ならびに得られたサンプルの構造解析を立案していた。本課題では、コーティングを施すセルロース基材として、再生セルロースフィルムを選択した。これまでアルコキシシラン（シランカップリング剤）を使用したセルロースコーティング研究のほとんどが、繊維や粉体、織物の形状で行なわれてきている。つまり、フィルムを用いたセルロースコーティング研究例は非常に少ない。これは従来の液相コーティング法では、反応試薬の調製や洗浄の際に水を使用するため、フィルムを用いる場合には、水による膨潤や乾燥による収縮が原因で大きな形状の変化が起こる。これを避けるため従来までの研究では、フィルムはサンプルとして採用されてこなかった。しかしながら、フィルムは包装や成分分離に用いられる重要な材料形態のひとつである。本研究ではフィルムを用いて、またこれまでの試薬調製からフィルム洗浄を含めた煩雑な手順が必要な液相コーティング方法ではなく、簡便な気相蒸着法による表面コーティング法を確立しようとする点が独創的である。現在までのところ、セルロースフィルムのアルキルアルコキシシラン（メチルトリメトキシシラン）を用いた簡便な実験手順による気相コーティング処理条件が見出せ、さらに透明性を低下させない状態でセルロースフィルム表面の疎水化に成功している。
Strategy for Future Research Activity	前年度から継続して、アルコキシシランの気相コーティング条件の探索、およびコーティングされたセルロースフィルムの特性解析を行なう。さらに、コーティング試薬のシランの種類（官能基の種類）を変えてコーティング効果の変化を検討する。フィルムの特性解析として具体的には、顕微鏡（電子顕微鏡・原子間力顕微鏡）による形態観察、透明度、引張機械物性（弾性率・強度・伸度）、表面接触角（はっ水性）、吸水率（バルク疎水性）、熱物性（耐熱性）などの測定を行なう。研究遂行上欠かせない接触角の測定に関して、代表者所属機関は保有していないため、現在測定装置の導入を検討しているが、他機関での測定、あるいは測定依頼を考慮している。
Causes of Carryover	理由：フィルムサンプルの高次構造解析に使用していたＸ線回折装置に不具合が発生したため、修理を行なった（スイッチングおよび冷却水フィルターの交換）。この修理に要した費用は想定外であったので、その後の執行計画に支障が出て、次年度使用額が生じた。使用計画：学会などでの成果発表を行なうための旅費に充てる計画である。