セルロースナノファイバーの充填によるエラストマー複合材料化と高機能化の機構解析

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昨今バイオポリマーおよびナノ構造が注目されているが、中でもセルロースナノファイバー(CNF)は、材料の中でも高い比弾性率、低い熱膨張率などが注目されており、たとえば複合材料のフィラーとして配合することで材料を軽く高強度に変えることが期待される。ところがCNFは親水性であるため、非極性のエラストマーなどによるナノコンポジット化は難しい。そこで、本研究ではCNFの主幹構造を保って強度はそのままに、表面だけを修飾して、非極性マトリックスにも馴染むよう改質する研究に取り組んだ。セルロース原料としてオイルパーム搾取残渣物を扱ったが、オイルパームは食品・界面活性剤・バイオディーゼル産業に不可欠であり、搾取によりセルロースを含む残渣物が大量に産する。この特性を活かし環境負荷の少ないプロセスで機能材料化できれば社会的意義は大きい。オイルパーム空果房から抽出した、最小径のCNFを、2種の異なるタイプの熱可塑性エラストマーにブレンドし、フィラー素材としての構造と物性発現のメカニズムを探った。CNFのナノサイズの効果を活かすには、ナノ分散させることが重要となる。CNF同士が凝集しないよう、エラストマー高分子への親和性を付与するために、CNF表面の改質を次の2方法により試みた。ひとつは、超音波処理を組み合わせた溶媒置換法である。出発段階でのCNFは極性溶媒に分散した状態だが、その分散性を保持したまま、中間的な極性の溶媒を仲立ちとして、徐々にエラストマーポリマーへ置換した。さらに凝集防止のために、超音波照射を組み合わせた。ふたつめは、CNF表面へのアセチル基導入によった。無水酢酸中でのアセチル化反応時間等を調整することで、最適量を検討した。このようにして調整したCNF・エラストマーのナノコンポジットを、キャストしてフィルム試料を作製し、強度試験、熱分析、分光分析によるキャラクタリゼーションを実施した。オイルパームから得たCNFを表面アセチル化して、エラストマーのナノフィラーとし、強度性能の高いコンポジットを得ることに成功した。高表面を持ち凝集力の高いCNFを、反応の過程で凝集させずに、ナノ分散状態を保ったままアセチル化およびマトリクスと混合させることができたため、フィラーとマトリクスの強い相互作用が実現し、高強度コンポジットが得られた。またCNFの表面のみを、芯となる結晶構造が破壊されない軽微なアセチル化により、非極性マトリクスとの相互作用を高めたことで、CNFの高弾性・高強度がコンポジットに活かされた。CNFの利用可能性を、汎用プラスチックのナノフィラーとして展開したことに意義がある。