附木貴行 研究室

ポリプロピレン（Polypropylene：PP）等の熱可塑性樹脂は，結合に関与できる表面官能基が存在しないため，界面接着性が乏しくCFRPとして物性を発現できないため，CFRTPの普及は歩みが遅く，材料の改質による高い物性のCFRTPの開発が望まれる．CFは炭素原子からなるため極性を持たない．CFと母材の界面接着性は低いため，力を加えた際にCFが母材から離れてしまい，CFの強度を十分に発揮することができない．そこで，CFの表面を改質させ，樹脂内での分散性，樹脂との接着性を向上させる処理をする必要がある．繊維と樹脂との間での界面接着性が低いため機械的特性の向上は難しい．既存の界面接着性を改善する方法として，繊維だけでなく樹脂の表面改質も必要であり，表面に官能基を持ったモノマー，ポリマーや重合触媒といった相溶化剤を配合する方法である．相溶化剤とは，有機物や無機物のように混和しにくい物同士を馴染ませる，界面活性剤的役割を持つ物質のことである．これらの方法により，CFとマトリックス樹脂の界面性質が改善され，CFRPの強度が向上する．また、更なる用途拡大や機械的特性向上のために，既存の性能を越える新規相溶化剤の開発が望まれている．我々は，PPの両末端に反応性二重結合を持つポリアクリル酸を共重合した相溶化剤を開発し，CFとPPの界面接着性を改善し，機械的特性の向上を図った．新規相溶化剤としてポリアクリル酸-アイソタクチックポリプロピレン-ポリアクリル酸トリブロック共重合体(Isotactic Polypropylene Polyacrylic acid：iPP-PAA，を株式会社三栄興業と共同研究し、その界面接着性の良さを証明した。図には既存の相溶化剤と新規相溶化剤のiPP-PAAのメカニズムを示す。

バイオマスから合成されるポリ乳酸は，コンポストや土壌中の微生物の代謝作用により分解されて水と炭酸ガスに変換され，再び光合成によってバイオマスとなるバイオリサイクル性素材である．しかし，自然環境中での分解速度は非常に遅く，廃棄されたポリ乳酸製品が環境中（海洋等）に蓄積していくことが予想されるため，バイオリサイクル性素材としての利用拡大は疑問視されてきた．プラスチックのリサイクルプロセスには，焼却して発生する熱を利用するサーマルリサイクル，使用後のプラスチックを再度成形して用いるマテリアルリサイクル，化学原料に変換するケミカルリサイクルがある．本研究室では，ポリ乳酸を原料モノマー（ラクチド）に戻すモノマー還元型ケミカルリサイクルに注目した.　熱分解における解重合触媒の種類・量や末端基保護の効果を制御することで，環状モノマーであるL,L-ラクチドの回収は，最短のケミカルリサイクルプロセスを構築することが可能である．

化学繊維など石油系素材から植物系素材への将来的な転換の試みとして、二輪乗車用ヘルメットの開発に取り組む。現在のヘルメットは、安全性を考慮し、ガラス繊維、アラミド繊維、炭素繊維の組み合わせから構成されている。その一部繊維を木質などのバイオマス由来繊維に置き換え、シェルやシールドなどに採用する。繊維の配置や積層構成を検討することで、貫通試験や衝撃試験に耐えうるヘルメットの商品化を目指す。

バイオマスからセルロース成分を取り出し、ナノ化したセルロースナノファイバー(Cellulose nanofibers：CNF)は軽量(低比重)、高強度・高弾性、低熱膨張などの様々な特徴から現在世界的に注目されており4)、プラスチックの強化剤として期待されている。我々はパルプからの純粋なCNFにとらわれず、バイオマスの主要構成物質であるリグニンやヘミセルロースを含むバイオマス由来の材料を直接ナノファイバー化したリグノセルロースナノファイバー(Lignocellulose nanofibers：LCNF)の有効利用する。繊維はナノファイバーとマイクロファイバーを組み合わせることによって、欠点を補い合い、高弾性率と高強度の双方の特徴を兼ね備えた複合材料を作製する。また解繊と混練を一度に行える機構を発明し、効率よく成形加工を行いコストを下げる。
論文：Sustainable one-pot process for the production of cellulose nanofiber and polyethylene / cellulose nanofiber composites. Journal of Cleaner Production Volume 207, 10 January 2019, Pages 590-599