Development of high elongation plastic material based on poly(lactic acid)s with well-defined structure by precise block copolymerization

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K05638
• Research Institution: Osaka Research Institute of Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 門多 丈治 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 森之宮センター, 主任研究員 (40416350)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 平野 寛 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 森之宮センター, 総括研究員 (10416349) ; 岡田 哲周 地方独立行政法人大阪産業技術研究所, 森之宮センター, 研究員 (70633650)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: ポリ乳酸 / 高伸張性 / 有機触媒 / 精密ブロック共重合 / プラスチック

Outline of Annual Research Achievements

廃プラスチック問題の解決策として、生分解性かつバイオマス由来のポリ乳酸への置換が望まれているが、ポリ乳酸は脆く、強度と柔軟性の両立が難しいため、既存プラスチックの代替は進んでいない。柔軟性と強度を両立させる方法として、ブロック共重合による柔軟成分の導入が有望であるが、ポリ乳酸系で、ブロック比・配列を高精度に制御できるブロック共重合法は確立されておらず、学術的課題となっている。
これまでの研究で酵素を模倣した酸塩基有機重合触媒を開発し、分子量と一次構造を正確に制御した特殊構造ポリ乳酸の精密合成を可能としている。本研究課題では、この精密合成法を基盤としてポリ乳酸系の精密ブロック共重合法を確立し、構造と物性の関係を明らかにすることで、柔軟性と高強度を両立させた高伸張ポリ乳酸系プラスチック新素材の開発を目指し、環境問題の解決策に繋げることを目標としている。本年度は、ブロック比・配列を高精度に制御可能なポリ乳酸系精密ブロック共重合法の確立に重点を置き、合成の可能性と限界について検討した。
まず、光学活性なL-およびD-ラクチドを組み合わせたL-/D-ブロック化を試みた結果、設計通りのブロック比に制御されたブロックポリL-/D-乳酸を定量的に得ることができた。一例としてL-/D-モノマー比を１：１にすると、ブロック比がほぼ正確に小数点一桁以内の精度で50/50のブロック共重合体が得られた。直鎖状だけでなく、多官能アルコールを開始剤とすることで、高精度の多分岐長鎖L-/D-ブロック化にも成功した。
得られたブロックポリL-/D-乳酸は理想的なステレオコンプレックスを形成して結晶化度が高く、融点も２００℃以上に達し、安定なエンプラ領域の耐熱性を達成できた。また、剛直/-柔軟鎖からなるABブロックコポリマーは大幅に柔軟性が向上しており、高伸張性ポリ乳酸の開発に繋がる手掛かりを得た。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究の基盤技術となるポリ乳酸系精密ブロック共重合法について、適用範囲が広く、様々なモノマー、開始剤の組み合わせが可能であることを確認し、初年度の目標を達成した。従来法より格段にブロック比の精度を高めたことによって、これまでにない力学的、熱的物性の向上が期待され、実際、L-/D-ブロック化によって結晶性、耐熱性を大幅に向上することに成功した。いずれの成果も当初の期待通りであり、本研究は順調に進行している。高伸張性の発現については、柔軟鎖を有するマクロ開始剤と剛直なポリ乳酸鎖を組み合わせることで柔軟性を制御することができ、次年度に重点的に検討していく手掛かりを得ている。いずれの研究成果も高付加価値なプラスチック新素材に直結する可能性が大きく、工業材料開発の方向へ順調に進行している。一方で、研究成果の公表については、学会発表を予定していたところ、年度中の学会が中止あるいはweb開催となってしまったため、外部研究者と直接議論する機会が制限される状況にあった。次年度も同様の状況が継続すると予想されるが、通常の学会発表だけでなく、展示会等も含めた発表、議論の場を探して成果の情報発信に努める必要があると考えている。

Strategy for Future Research Activity

本年度の研究計画で第一目標であったポリ乳酸系精密ブロック共重合法について一定の目途をつけることができた。次年度では、強度と柔軟性を両立させるため、ラクチドをモノマー（A成分）、柔軟鎖を有するポリエチレングリコールを開始剤（B成分）とするABAタイプのブロック共重合体を精密合成し、ベースとなる市販ポリ乳酸とブレンドすることで親和性および柔軟性の向上を目指す。モノマー/開始剤比によってブロック比の異なる一連のブロック共重合体を合成し、力学的強度、伸張性及び熱的性質の相関を調べることで、柔軟性と強度を保持する最適な配合を探索し、強靭なポリ乳酸新素材の開発に注力する。また、外観観察、相溶性、熱分析によって、柔軟性発現のメカニズムの解明も試みる。
得られた知見については企業への技術移転、特許出願も視野に入れており、企業との情報交換を行いたい。また、成果がまとまり次第、論文投稿を行っていく予定である。

Causes of Carryover

（次年度使用額が生じた理由）計画当初は、厳密な条件に限った精密合成の検討を考えグローブボックスの購入を予定していたが、真空操作を慎重に行うことで対応可能であり、むしろ、想定より正確な秤量の必要性が生じたため、マイクロ天秤の購入を優先させた。最終目標の高伸張ポリ乳酸系新素材の開発に成功すれば、工業材料化およびそれに続く技術移転の段階に発展させることができることから、より簡易で汎用性の高い方法を重視して選択した。
（使用計画）工業材料の開発を目標としているため、合成、物性評価の検討に当初の予定以上の原料、研究物品の購入が必要になると予測される。また、着実に研究成果が得られているものの、本年度未発表にせざるを得なかった成果について、次年度と合わせて学会、論文等で発表することを予定しており、それらの費用の増額が必要になると考えている。以上の状況から、本年度節約できた繰り越し分を、物品費、論文投稿費用等に充当させることで、効率的な研究費の使用が可能になると考えている。