2020 Fiscal Year Research-status Report

イオン結合性架橋の利用による成形可能な高耐久性リグニンエラストマーの創生

Research Project

Project/Area Number	19K15645
Research Institution	National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
Principal Investigator	牛丸和乗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 (10770703)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	ε-ポリ-L-リジン / リグニンスルホン酸 / イオン性高分子 / メイラード反応
Outline of Annual Research Achievements	本研究では木質由来の成分であるリグニンの有効活用に資する技術として、亜硫酸パルプの副産物として得られるリグニンスルホン酸を用いた材料の開発に取り組んでいる。具体的には、アニオン性高分子であるリグニンスルホン酸と種々のカチオン性高分子をイオン結合により複合化することで、リグニン化合物由来の高強度・高耐久性エラストマーの開発を目指す。当該年度は、リグニンスルホン酸/カチオン性高分子複合体（以下、イオン複合体）の調製を進める中で見出した新たな複合体の評価・解析を行った。イオン複合体の原料であるカチオン性高分子の化学的な性質の評価を進める中で、ε-ポリ-L-リジン(ε-PL)やポリアリルアミン(PAA)、ポリエチレンイミン(PEI)と糖類を混合・静置すると溶液が着色することを見出した。本現象そのものは1級もしくは2級アミンと還元糖が反応するメイラード反応として、食品化学や医学分野を中心に広く知られている反応である。このメイラード反応を行う際に各種カチオン性高分子と糖の混合物を開放系で静置して反応の進行と同時に水分を気化させたところ、透明性とゴム様の柔軟性・弾性を併せ持つ固体材料が得られることを新たに見出した。このカチオン性高分子/還元糖複合体（以下、糖複合体）の物性データの収集を進めた結果、「リグニンスルホン酸とカチオン性高分子から成るイオン複合体よりもヤング率は低いが、最大強度では同等の値を示す」、「還元糖の種類・濃度で力学物性を制御可能」、「共有結合を介して架橋されているためイオン複合体と比べて耐水性が高い」などの特徴を見出した。また、これらの評価データをまとめて学術論文として発表を行った。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 1: Research has progressed more than it was originally planned. Reason 当該年度はカチオン性高分子と還元糖から成る複合体（糖複合体）の評価を進め、外観・力学物性・耐水性などの点でイオン複合体とは異なる特徴を有する材料であることを明らかにした。本年度に検討を進めた糖複合体は、本研究の当初の目的であるリグニンの利活用とは異なる方向性であるが、リグニン系化合物を活用したイオン複合体の研究を進める中で見出した新材料であり、イオン複合体と併せてバイオベース高分子を原料とする高強度・高耐久性エラストマーへの展開を検討したいと考えている。糖複合体の調製において利用したメイラード反応は、還元糖という安価かつほぼ無害な架橋剤を用いて水溶液中・室温付近の温和な条件で進行する反応であり、イオン複合体と同様に大規模製造プロセスにも適した有望な材料であると考えている。上記のメイラード反応を利用した架橋技術は研究を開始した時点では想定していなかった新技術であり、ε-PLに代表されるカチオン性バイオベース高分子の用途拡大に貢献する技術といえる。また、カチオン性高分子と添加剤（糖）の反応性に関して得られた知見をイオン複合体の調製技術にフィードバックして、当初の目的であるリグニンスルホン酸を用いたイオン複合体の物性向上にも繋げたいと考えている。
Strategy for Future Research Activity	今後の研究方針としては、リグニンスルホン酸を用いたイオン複合体を主な研究対象としつつ、糖複合体についても物性の向上と用途開拓に取り組みたいと考えている。具体的には、本年度に新たに見出した温和なメイラード反応を利用した架橋反応をイオン複合体に適用することで、力学物性や耐水性の向上を試みたいと考えている。
Causes of Carryover	コロナウイルスの流行に伴い学会旅費を使用しなかったことや、本年度の検討では安価な試薬を用いた実験が大半であったため、次年度への繰り越しが生じた次年度は繰越額を用いて実験補助員を雇用することで、実験をより効率的に推進したいと考えている