セルロース材料グループでは、「作る」「知る」「使う」のサイクルで研究開発を進めています。

当研究グループで得られた知見や開発した技術の例をご紹介します。

ナノセルロースの凝集特性評価

内容

　ナノセルロース（セルロースナノファイバー/CNF）は、様々な用途への展開が期待され、技術開発が進んでいます。これらナノセルロースの利活用で課題になることは、ナノセルロースの「凝集」です。一般的なナノセルロース製造では、水が必須です。そのため、材料化の際には、水を除去する必要が出てくる場合が多くあります。しかし、脱水・乾燥プロセスを工夫しないと、ナノセルロースは容易に凝集します。一度凝集したナノセルロースは、再び、ナノ繊維にほぐすことは相当に困難です。
　ナノセルロースは、原料や製造方法により多種多様ですが、化学処理を併用せず機械処理のみで製造する場合，高純度のセルロース原料からは、高純度のナノセルロースが得られます。木粉や粗製パルプを原料とした場合、セルロース以外のヘミセルロースやリグニンは、ナノセルロースの表面に吸着・堆積しています（リグノセルロースナノファイバー/LCNF）。材料として利用する場合、用途によってナノセルロースは選択する必要があります。その指標の一つとして、ナノセルロースの凝集性も大切です。
　説明図では、「水晶振動子マイクロバランス（QCM）法」を用いて、ナノセルロースの種類による凝集性を評価した結果です。粗製パルプ（針葉樹/広葉樹）から製造したナノセルロースは、酵素を用いて表面のヘミセルロースのみを加水分解しで、その量を調節しています。このようにして製造した様々なナノセルロースを用いて、水晶振動子センサーをコートし、そのセンサーをフローセルにセットして、同じ種類のナノセルロースをポンプで流しました。相互作用によって、センサーの表面に流した同じナノセルロースが吸着する程度を調べることで、凝集性が評価できます。
　評価の結果、高純度のナノセルロースは、高い凝集性を示しましたが、粗製パルプからのナノセルロースは、凝集性は低く、その程度は、ヘミセルロースにより影響を受けることが分かりました。つまり、高純度ナノファイバーは凝集しやすく、粗製ナノセルロース（リグノセルロースナノファイバー）は凝集しにくいという結果です。ヘミセルロースの凝集抑制効果は、ヘミセルロース同士の相互作用が弱いことや、イオン的官能基の存在などが理由と考えられます。
　このようなナノセルロースの種類による特性は、当研究グループでの複合材料化などのプロセスでも実感しており（リグノセルロースナノファイバーの方が、高純度ナノナノセルロースよりも樹脂補強性が高い）、用途によっては、形状・形態以外にナノセルロースの成分組成も重要であることが確認できました。

※セルロースは、物質としては1種類ですが、ヘミセルロースは、グループ名であり、様々な種類があり、針葉樹と広葉樹でも大きく異なっています。

説明図

参考文献

1. Akio Kumagai, Takashi Endo, Cellulose, 28(1), 259–271(2021), “Effects of hemicellulose composition and content on the interaction between cellulose nanofibers”
2. AkioKumagai, Seung-Hwan Lee, Takashi Endo,Biomacromolecules,14(7), 2420-2426 (2013). "Thin Filmof Lignocellulosic Nanofibrils with Different Chemical Composition for QCM-DStudy"
3. 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"

参考 リンク

「研究紹介」
　水晶振動子マイクロバランス法によるナノセルロース表面特性解析技術

装置・設備への リンク

「物質特性評価・解析装置、サンプル調製用機器」
・水晶振動子マイクロバランス測定装置／アルテック(株)　QSense QCM-D E1

追記事項

セルロース材料グループ