Cellulose acetate membranes with TEMPOoxidized cellulose nanofibrils containing alkyl ammonium carboxylates

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K14502
• Research Institution: Kyoto Institute of Technology
• Principal Investigator: 清水 美智子 京都工芸繊維大学, 繊維学系, 准教授 (30759965)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 酢酸セルロース / セルロースナノファイバー / 限外濾過膜 / 抗菌性

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、酢酸セルロース基材に表面改質を行ったセルロースナノファイバーを複合化させ、透水性と強度を両立した新規水処理膜の作製を目的とした。高透水量と膜強度の両立には、疎水性である酢酸セルロース中において親水性のセルロースナノファイバーが十分に分散することが重要となる。一般的に高分子基材にセルロースナノファイバーを複合化させた場合、ヤング率や強度は増加するが破断ひずみは低下する。本研究ではセルロースナノファイバーの表面改質にテトラブチルアンモニウムイオンを用いることで酢酸セルロースとの間での応力伝達が効率的に働き、複合膜の機械特性が向上したものと考えられる。また、陽電子消滅法による膜構造解析の結果と合わせ、セルロースナノファイバーの添加により膜内の空孔密度が減少したことも機械特性の向上に繋がったと考えられる。また、セルロースナノファイバーの表面を4級アンモニウムイオンで修飾することで酢酸セルロースとの親和性が増加し、空孔サイズの増加が限外濾過膜の性能維持までに抑えられたこと、さらに空孔密度が減少することで膜性能と機械強度の両立が達成できたと考えられる。一方、水処理膜を実際に使用する際には微生物の発生による機能低下が重大な問題となる。そこで、本研究で用いるセルロースナノファイバーの表面改質により抗菌性の機能を付与できるか、本年度はナノファイバー単体のフィルムについて検討した。その結果、一部の有機・無機イオンを用いることでセルロースナノファイバー膜は抗菌性を発現することが明らかとなった。また、抗菌性発現のためのイオン量を測定した結果、水処理膜に添加したナノファイバー量では抗菌性発現に達しないことが予想された。ナノファイバー量を増加させると水処理膜の欠陥となるため、本手法による水処理膜への抗菌性付与は難しいと判断した。