2019 Fiscal Year Research-status Report
溶媒デザイン技術を用いた化学改質による木材の超塑性的変形挙動の解明
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19K15890
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
阿部 充 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 材料・化学領域, 研究員 (50734951)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 木材 / 流動成形 / 誘導体化 / エステル化 / 熱可塑性 / 細胞間層 / 細胞壁 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度は、主に木材の誘導体化、特にエステル化の効果について検討した。具体的には、針葉樹であるヒノキと広葉樹であるブナのブロック状試験片について、水酸基をエステル基に置換することで熱可塑性を付与し、流動成形へと展開した。エステル化試薬として、優れたエステル化能を有していることが知られる、トリフルオロ酢酸と種々のカルボン酸の混合液を使用した。60℃で1時間または4時間反応させ、置換度の程度が異なる種々のアセチル化またはプロピオニル化木材を作製した。木材中には様々な成分が混在しており、置換度をそのまま算出することはできないため、反応の進行具合を重量増加率で評価した。その結果、反応条件によって23-55%の重量増加率が認められた。FT-IR測定の結果、4時間のエステル化処理を施すことで、ヒノキとブナのいずれの場合においても観測可能な水酸基のほぼ全てがエステル基に置換されていることが分かった。得られたエステル化木材の木口断面を、SEMを用いて観察したところ、細胞壁が著しく膨潤している様子が確認された。また、粘弾性試験を行ない、プロピオニル化木材が特に顕著な熱可塑性を有することを明らかにした。そこで、エステル化木材を流動成形用素材として用いたところ、カップ状の三次元成形体が作製できた。得られた成形体は高い疎水性を有していた他、複数回の再成形も可能であった。流動したプロピオニル化木材の木口断面についてSEM観察を行ったところ、主に細胞間層で滑りが生じていることが認められた。一方で、一部では細胞壁の破断も生じていたことから、細胞間層における滑りだけが木質流動の原因ではない可能性も示唆された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
木材の誘導体化、特にエステル化について大きな進展が見られた。アルキル鎖長の異なるアセチル化とプロピオニル化の両方を検討し、置換度が同程度であっても、熱可塑性、ひいては木材の流動性に大きな差が生じることを見出した。これは、木材中に導入された成分に起因する微細構造および相互作用力の違いが、加熱圧縮時の木材の流動性というマクロな状態変化に影響を及ぼす好例である。特に大きな流動性を示したプロピオニル化木材については、実際に流動成形に供し、三次元成形体が得られることまで明らかにした。さらに、得られた成形体について接触角測定を行い、高い疎水性を有していることも見出した。これは、現行の流動成形技術における課題の一つであり（提案書にも記載済）、本研究を通じて一つの解を得たことになる。また、得られた成形体は複数回の成形加工が可能であったことから、リサイクル性にも道を拓いた。さらに、当初の計画では最終年度に挑戦することを予定していた樹種の検討についても着手し、針葉樹、広葉樹のいずれにおいても同様の結果が得られることを見出している。一方で、脱成分などの検討については大きな進展がなかったことも勘案し、進捗状況は「（２）おおむね順調」とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度までの検討で、木材へのエステル基の導入により、①木材に熱可塑性を付与できること、②得られた誘導体化木材を流動成形用素材として用いることで三次元成形体が得られること、③得られた成形体が高い疎水性とリサイクル性を有していること、④流動は主に細胞間層の滑りに起因することが見出された。この研究をさらに発展させ、どの程度のエステル基の導入で木材が流動を示すようになるのか、その際のエステル化木材中の微細構造はどのようになっているのか、流動性の有無を決定する因子は何か、について詳細な解析を行う予定である。具体的には、エステル化条件をより細かく検討し、得られたエステル化木材について、NMR、X線回折、DSC、TG/DTA、SEMを用いて、微細構造、分光学的特性、熱力学的特性について調査する。得られた結果と、加熱圧縮時の木材の伸び率（＝流動性）との関係を評価する。
また、リグニンやヘミセルロースなどの木材成分の除去や添加についても検討し、上述のエステル化木材と同様に評価、解析を行う予定である。リグニンに対しては水素結合供与能、多糖類に対しては水素結合受容能が高い溶媒系をデザインして、成分添加・除去溶媒として用いる。また、成分除去においては、イオン液体などを用いた溶媒抽出だけでなく、一般的な成分除去法であるクラフトパルプ法やKlaudiz法も併せて検討する。これにより、除去率や選択性などが異なる木材を幅広く調整する。
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| Causes of Carryover |
物品費については、新型コロナの影響に伴いNMR装置への液体ヘリウムの充填時期が当初の計画よりも遅くなり、一部を次年度に移行したためである。また、旅費については、年度末に開催される学会に参加を予定していたが、新型コロナの影響で学会が中止となり、使用することができなかった。その他については主に英文校正費と論文への掲載料を予定していたものである。英文校正費は計上したものの、昨年度のうちに論文を印刷するには至らず、次年度使用額が生じた。
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