セルロースナノファイバーを用いた革新的ポリエチレン結晶構造制御

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K13787
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 矢野 浩之 京都大学, 生存圏研究所, 教授 (80192392)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 阿部 賢太郎 京都大学, 生存圏研究所, 准教授 (20402935)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: セルロース / ナノファイバー / シシケバブ構造 / ポリマー / ＨＤＰＥ / ポリエチレン / 射出成形

Outline of Annual Research Achievements

セルロースナノファイバー(CNF)はすべての植物細胞の基本骨格物資である。細胞壁中では幅15nmの伸び切り鎖微結晶からなるナノ繊維として存在し、鋼鉄の1／5の軽さで、鋼鉄の2/3の弾性率、5倍以上の強度により植物体を支えている。近年、化学変性CNFでHDPEを強化し射出成形すると、射出方向にCNFが配向し、CNF間にPEの伸び切り鎖結晶が多数形成されることが発見された(CNFとPE伸び切り鎖結晶をシシとするダブル・シシケバブ構造)。本研究では、CNFの調整・化学変性・樹脂複合化に関する技術を、” PE伸び切り鎖結晶（シシ）を大量に形成する革新的結晶構造制御技術の開発“に特化して進め、PEの大幅な強度特性向上を目指す。
平成27年度は針葉樹漂白クラフトパルプをビーズミル解繊したCNFを化学変性し、押出機によりHDPEと複合化した。CNF添加量は１０％とした。射出成形時の温度を、１３５℃ー１７０℃の範囲で変化させることで樹脂の粘度を変えた状態で厚さ1mmのダンベル型試験片を作製し、引張弾性率の成形温度依存性を明らかにするとともに、ＴＥＭ観察により、ダブル・シシケバブ構造の形成状況について検討した。その結果、１４５℃の成形で最も高い補強性が得られ、いずれの成形温度でも、金型表面に近い部分において、多くのＰＥシシが形成されていた。また、１４５℃での成形の方が、１６０℃での成形に比べ、より多くのシシケバブ構造が形成されることが明らかになった。いずれのシシケバブ構造も成形品を１８０℃で加熱溶融することで消失したことより、シシケバブ構造の形成には射出時のCNF添加PEの熱流動状況が関与していることが推測される。

Current Status of Research Progress

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

Reason

平成27年度は針葉樹漂白クラフトパルプをビーズミル解繊したCNFを化学変性し、押出機によりHDPEと複合化した。射出成形時の温度を１３５℃ー１７０℃の範囲で変化させることで樹脂の粘度を変えた状態でダンベル型試験片を作製し、引張弾性率の成形温度依存性を明らかにするとともに、ＴＥＭ観察により、ダブル・シシケバブ構造の形成状況を確認するとともに、１４５℃の成形で最も高い補強性が得られ、いずれの成形温度でも、金型表面に近い部分において、多くのＰＥシシが形成されることを明らかにした。

Strategy for Future Research Activity

より細く、比表面積の大きい、化学変性セルロースナノファイバーを製造し、ポリエチレンと複合化し、射出成形することで、より多くのシシケバブ構造形成を試み、成形品の物性との関係を明らかにする。