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2011 年度 実績報告書

非可食系バイオマスからの新規生分解性バイオベースプラスチックの創製と高性能化

研究課題

研究課題/領域番号 22245026
研究機関東京大学

研究代表者

岩田 忠久  東京大学, 農学生命科学研究科, 教授 (30281661)

キーワードバイオマスプラスチック / ヘミセルロース / キシラン誘導体 / 微生物産生ポリエステル / フィルム / 繊維 / 結晶核剤 / 大型放射光
研究概要

本研究では、これまでほとんど利用されていないヘミセルロースの主要成分であるキシランに着目し、エステル化によるプラスチック化とポリ乳酸に対する結晶核剤としての応用について検討を行った。広葉樹であるユーカリのクラフトパルプから抽出したキシランを用いて、炭素数が2から16の種々のアシル基で置換されたキシランエステルを温和な化学反応条件下で合成した。その結果、キシランエステル誘導体の分子量は約4-7万であり、透明度の高いキャストフィルムを作製することが出来た。DSCによる熱分析の結果、キシランエステルは融点を持たない非晶性の高分子であるが、ポリスチレンより高いガラス転移点を示すことから熱安定性に優れていることがわかった。さらに、エレクトロスピニング法によりナノファイバーを作製することにも成功した。これらの結果から、キシランエステルがプラスチック製品と成り得ることがわかった。さらに、キシランエステル誘導体をポリ乳酸にわずか0.1%添加するだけで、半結晶化時間が石油合成高分子であるポリプロピレン並みに速くなることを見出した。
また、微生物により合成した超高分子量バイオポリエステルを用いて、冷延伸・二段階延伸法などを用いて高強度フイルム及び繊維の作製に成功した。大型放射光の広角X線回折により、高強度材料には通常の分子鎖構造である2回らせん構造に加え、新たに平面ジグザグ構造が発現していることがわかった。さらに、昇温過程における時分割X線回折とDSC測定を組み合わせることにより、平面ジグザグ構造の熱的挙動についてリアルタイムで観測することに成功した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本研究は、(1)化学合成によるヘミセルロースのプラスチック材料化、(2)微生物合成による新規バイオポリエステルの合成および高性能化、に関する研究を大きな柱としている。これまでヘミセルロースは分子量が小さい、分岐などがあり構造が複雑であるなどの理由からプラスチック原料として利用されてこなかった。しかし、今回我々の研究により非常に透明性の高いフィルムできること、さらにナノオーダーの直径を持つナノファイバーにも加工できることがわかった。さらに、現在最も研究開発が進んでいるバイオベースプラスチックであるポリ乳酸に少量添加するだけで非常に優れた結晶核剤効果を示すことを見出すなど、当初の予想以上の効果が出ている。さらに、微生物により合成したバイオポリエステルも非常に高強度な材料となりえることを見出せたことは、今後の大きな発展につながると考えられる。

今後の研究の推進方策

今回用いたエステル化は非常に簡単な化学合成法であり、キシランだけでなく他の天然多糖類に応用することが可能である。今後は、グルコマンナン、カードラン、プルランなどの様々な天然多糖類に応用し、石油合成プラスチックにない、新しい構造を有するバイオマスプラスチックの創製を行う予定である。一方、今回微生物により合成したバイオポリエステルは、石油化学合成では合成不可能な巨大な分子量を有している。今後は、この巨大高分子量のポリマーの未知の物性を明らかにするとともに、高性能材料創製に向けた新たな成型加工技術の開発を行う予定である。さらに、超高分子量バイオポリエステルと天然多糖類エステル誘導体のブレンド材料を作製し、延伸などの加工を施すことにより、様々な熱的性質や物性を有する材料の開発を行う予定である。

  • 研究成果

    (11件)

すべて 2011 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (7件) (うち招待講演 6件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Structure and mechanical properties of wet-spun fibers made from natural cellulose nanofibers2011

    • 著者名/発表者名
      Sinichiro Iwamoto, Akira Isogai and Tadahisa Iwata
    • 雑誌名

      Biomacromolecules

      巻: 12 ページ: 831-836

    • DOI

      10.1021/bm101510r

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effect of pre-acid-hydrolysis treatment on morphology and properties of cellulose nanowhiskers from coconut hust2011

    • 著者名/発表者名
      Fahma Farar, Shinichiro Iwamoto, Naruhito hori, Tadahisa Iwata and Akio Takemura
    • 雑誌名

      Cellulose

      巻: 18 ページ: 443-450

    • DOI

      10.1007/s10570-010-9480-0

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Mechanical properties, structure analysis and enzymatic degradation of poly[(R)-3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate] uniaxially cold-drawn films2011

    • 著者名/発表者名
      Jiaqi Zhang, Kenichi Kasuya, Takaaki Hikima, Masaki Takada, Akio Takemura, and Tadahisa Iwata
    • 雑誌名

      Polymer Degradation and Stability

      巻: 96 ページ: 2130-2138

    • DOI

      10.1016/j.polymdegradstab.2011.09.011

    • 査読あり
  • [学会発表] 生分解性バイオマスプラスチックの現状2011

    • 著者名/発表者名
      岩田 忠久
    • 学会等名
      第20回ポリマー材料フォーラム
    • 発表場所
      タワーホル船堀(東京)
    • 年月日
      20111124-20111125
    • 招待講演
  • [学会発表] STRUCTURE ANALYSIS AND ENZYMATIC DEGRADATION OF BIO-BASED POLYESTER FIBERS2011

    • 著者名/発表者名
      Tadahisa Iwata
    • 学会等名
      Pacific Polymer Conference
    • 発表場所
      済州島(韓国)
    • 年月日
      20111114-20111117
    • 招待講演
  • [学会発表] Synthesis and Characterization of Xylan Ester Derivatives and Their Crystallization Effects2011

    • 著者名/発表者名
      Tadahisa Iwata, Noreen G. Fundador and Yukiko Enomoto-Rogers
    • 学会等名
      International Conference on Bio-based Polymers 2011
    • 発表場所
      北京(中国)
    • 年月日
      20111018-20111021
    • 招待講演
  • [学会発表] Mechanical properties, structure analysis and enzymatic degradation of microbial polyester fibers2011

    • 著者名/発表者名
      Tadahisa IWATA
    • 学会等名
      MoDeSt
    • 発表場所
      プラハ(チェコ)
    • 年月日
      20110904-20110907
  • [学会発表] ナノ構造制御による生分解性バイオポリエステルの高性能化を目指して

    • 著者名/発表者名
      岩田忠久
    • 学会等名
      第80回千葉地域活動高分子研究交流講演会
    • 発表場所
      出光会館(千葉)
    • 招待講演
  • [学会発表] 未来を拓け!環境にやさしいプラスチック

    • 著者名/発表者名
      岩田 忠久
    • 学会等名
      国際プラスチックフェア
    • 発表場所
      幕張メッセ(千葉)
    • 招待講演
  • [学会発表] 生分解性バイオベースポリマーの高性能化と構造解析

    • 著者名/発表者名
      岩田 忠久
    • 学会等名
      高分子学会中国四国支部 平成23年度高分子講演会
    • 発表場所
      広島大学(広島)
    • 招待講演
  • [備考] 高分子材料学研究室HP

    • URL

      http://www.fp.a.u-tokyo.ac.jp/lab/polymer/index.html

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公開日: 2014-07-24  

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