Development of Highly functionalization of biomass plastic materials by compounding with bottlebrush polymers

2022 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21K20598
• Research Institution: Forest Research and Management Organization
• Principal Investigator: 宮城 一真 国立研究開発法人森林研究・整備機構, 森林総合研究所, 任期付研究員 (60909266)
• Project Period (FY): 2021-08-30 – 2023-03-31
• Keywords: バイオマスプラスチック / セルロース誘導体 / ボトルブラシポリマー / 表面濃縮

Outline of Annual Research Achievements

近年、環境調和型の素材としてバイオマスプラスチックが注目を集めているが、合成高分子と比べると化学構造の多様性に乏しく、多様な機能を付与するためには合成高分子との複合化が典型的手法になる。しかしながら、多量の合成高分子を加えると材料中のバイオマスプラスチックの割合（バイオマス度）が低下する問題がある。
主鎖と高密度な側鎖から成る分岐高分子であるボトルブラシポリマー（BBP）は、複合材料中でその表面に自発的に濃縮する特性（表面濃縮特性）を有することが報告されている。材料表面は外部環境と直接的に接触する部位であることから、少量の機能性成分を材料表面に濃縮させることで、効果的に機能発現し得る。そこで本研究では、機能性を持たせた少量のBBPをバイオマスプラスチックと複合化し、BBPの表面濃縮特性を利用したバイオマスプラスチック材料の高機能化法の開発に取り組んだ。
初年度は、あらかじめ側鎖高分子を合成し、主鎖高分子であるヒドロキシプロピルセルロース（HPC）の水酸基を側鎖高分子で化学修飾する方法を試みたが、修飾率が低いことが示唆された。本年度は、まずHPCに重合開始剤を置換基として導入し、HPC分子鎖上でモノマーを重合する手法を試みた。その結果、高密度な側鎖を持つBBPを合成することができた。さらに、合成したBBPをバイオマスプラスチックの一種であるHPCと複合化したフィルムを調製した。このフィルムの表面組成を分析した結果、フィルム表面に近いほどBBPの濃度が高いことがわかり、BBPが複合フィルム中で表面濃縮特性を発現したことが明らかになった。さらに、複合フィルムの表面物性を分析した結果、BBPとの複合化によって撥水性が向上することがわかった。以上の結果から、BBPの表面濃縮特性を利用して、バイオマスプラスチック材料を高機能化できることが明らかになった。