研究紹介


セルロースナノファイバーの一般的な製造方法概要

テーマ
セルロースナノファイバー製造技術(一般的方法)
内 容
 一般的に,セルロースナノファイバーはパルプや木粉等の原料を湿式で機械的処理することで製造されます。湿式機械的処理装置としては,当グループでは,ディスクミルとしてマスコロイダー(増幸産業(株)),高圧ホモジナイザーとしてマスコマイザーX(増幸産業(株))を用いています。
 ディスクミルは電動の石臼方式の湿式粉砕装置で,セラミック製のディスクで摩砕して解繊処理を行います。高圧ホモジナイザーは原料分散液に高圧をかけ,細いノズルから大気圧に解放した際の圧力変化で解繊処理を行います。1回の処理で解繊が不十分な場合は,繰り返して処理(5〜30回程度)を行います。どちらの処理の場合も,水は必須です。
 ディスクミル処理の場合,ディスク間のクリアランスを調節すれば,数ミリサイズの原料からスタートすることも出来ますが,操作を容易にするため当グループでは1mm以下の原料を普段処理しています。高圧ホモジナイザーの場合は,詰まり等の原因になるため,100μm以下の原料を用います。木粉等を湿式でディスクミル処理して微細化し,さらに高圧ホモジナイザー処理することで,均一なナノファイバーを製造することも出来ます。
 原料としては,パルプの他,各種木粉,もみ殻,稲わら等を用いることが出来ます。
参考文献等
増幸産業株式会社


固相せん断法による木質由来ナノセルロースの樹脂複合化技術開発

テーマ
固相せん断法による木質由来ナノセルロースの樹脂複合化技術開発
内 容
 高含水状態のナノセルロースを疎水性のポリプロピレンと複合化させる技術として、ナノセルロースの凝集抑制、水の除去および樹脂分散・複合化を実現できる固相せん断法(粉末状樹脂を用い固体状態で複合化)を開発しました
参考文献等
1. ShinichiroIwamoto, Shigehiro Yamamoto, Seung-Hwan Lee, Takashi Endo,Cellulose,2(3),1573-1580 (2014), "Solid-state shear pulverization as effective treatment fordispersing lignocellulose nanofibers in polypropylene composites"


水晶振動子マイクロバランス(QCM)法によるナノセルロース表面特性解析技術の開発
テーマ
水晶振動子マイクロバランス(QCM)法によるナノセルロース表面特性解析技術の開発
内 容
 木質から直接的に製造したリグニン・ヘミセルロースを含有しているナノセルロースを用いて水晶振動子センサーを作製し、基質特異性の高い酵素をプローブとしてナノセルロースの表面状態を明らかにしました。
参考文献等
1. AkioKumagai, Seung-Hwan Lee, Takashi Endo,Biomacromolecules,14(7), 2420-2426 (2013). "Thin Filmof Lignocellulosic Nanofibrils with Different Chemical Composition for QCM-DStudy"
2. AkioKumagai, Shinichiro Iwamoto, Seung-Hwan Lee, Takashi Endo,Cellulose,21(3), 2433-2444 (2014), "Quartz crystal microbalance withdissipation monitoring of the enzymatic hydrolysis of steam-treatedlignocellulosic nanofibrils"


リグノセルロースナノファイバー樹脂複合材料を用いた試作品
   
テーマ
リグノセルロースナノファイバー樹脂複合材料を用いた試作品
内 容
 当グループでは,「文部科学省・気候変動に対応した新たな社会の創出に向けた社会システムの改革プログラム」において岡山県を中核機関とする「森と人が共生するSMART工場モデル実証/平成22−26年度」に参画しました。この事業において産総研はナノファイバーに関する基盤技術の開発や解析・評価を実施し,さらに,ナノファイバー製造装置開発(モリマシナリー株式会社),ナノファイバーを用いた複合材料開発(トクラス株式会社)などを実施しました。その成果として,参画機関で協力して写真のようなナノファイバー複合材料を用いた試作品も作製し,学会や展示会でサンプル展示や配布を行いました。
 特に,ウチワは材料の熱流動性が高くないと成形が容易ではない製品です。我々はナノファイバー複合材料コンパウンドを一般的な成形加工業者に持ち込み,汎用設備で数千本単位で試作できたことから,本事業で開発したナノファイバー複合材料の汎用性は高いと考えています。
参考文献等
おかやまグリーンバイオ・プロジェクト


樹種によるリグノセルロースナノファイバー製造効率の違い

テーマ
樹種によるリグノセルロースナノファイバー製造効率の違い
内 容
 当グループでは,「文部科学省・グリーン・ネットワーク・オブ・エクセレンス(GRENE)事業・植物CO2資源化研究拠点ネットワーク (NC-CARP)プロジェクト」において,単純な機械的解繊処理の場合の,リグノセルロースナノファイバーの製造効率が樹種によりどのように異なるかを評価しました。機械処理は,湿式ボールミル粉砕により行いました。
 (上図)その結果,得られた生成物の比表面積は,樹種によりことなり,広葉樹と比較して,針葉樹はナノファイバー製造効率が高いことが分かりました。ただ,この場合の比表面積は大き場合でも110m2/gであるため,全てが幅20nm以下になっているわけではありません。
 (下図)ユーカリのような広葉樹は,単純な湿式粉砕のみでは,ナノ解繊しにくい樹種ですが,アルカリ添加条件で水熱処理(オートクレーブ処理)を行うと,劇的にナノ解繊が進行しました。しかし,針葉樹であるヒノキでは,その効果はわずかでした。
 以上のように,簡単な前処理と湿式機械的処理を組み合わせることで,リグノセルロースナノファイバーの製造効率は大きく変化します。理由としては,木質成分の部分的分解による木材組織の脆弱化の効果が大きいと考えられます。
参考文献等
植物CO2資源化研究拠点ネットワーク


マレイン酸を用いたシングルセルロースナノファイバー製造方法
テーマ
マレイン酸を用いたシングルセルロースナノファイバー製造方法
内 容
 幅3nm程度の超微細なシングルセルロースナノファイバーの製造方法としては,東京大学の磯貝教授らによるTEMPO酸化法がよく知られています。我々は,木質等からの直接的なリグノセルロースナノファイバー製造技術開発の一環として,木粉やパルプ等をマレイン酸で処理した後,これまでと同様の機械的湿式処理により,幅3nmのシングルナノファイバーが製造できることを見いだしました。この方法のポイントとしては,マレイン酸と混合して加熱する際に,原理の木粉やパルプが乾燥しすぎていると,マレイン酸のエステル化反応の効率が低下します。10%程度以上の水分量を持たせた原料を用いることで,エステル化反応の効率が向上し,シングルナノファイバーが効率的に得られます。
 一般的に,エステル化反応では,水分子が生成するため,無水状態や乾燥状態で反応するのが教科書的な方法ですが,セルロースは乾燥すると水酸基が水素結合等することで,活性が低下し,エステル化反応も進行しにくくなることが,古くから知られています。
参考文献等
Shinichiro Iwamoto, Takashi Endo, ACS Macro letters, 4(1), 80-83 (2015), "3nm Thick Lignocellulose Nanofibers Obtained from Esterified Wood with Maleic Anhydride"