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微生物産生ポリエステルを用いた高強度フィルムおよび繊維の作製と大型放射光による高次構造解析
https://doi.org/10.15083/00005529
cb688c27-1f06-42b5-bc2a-d1a5fee870ab
| Name / File | License | Actions | |
|---|---|---|---|
39-097090.pdf (10.4 MB)
|
|
| item type | 学位論文 / Thesis or Dissertation(1) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 公開日 | 2014-02-24 | |||||
| タイトル | ||||||
| タイトル | 微生物産生ポリエステルを用いた高強度フィルムおよび繊維の作製と大型放射光による高次構造解析 | |||||
| 言語 | ||||||
| 言語 | jpn | |||||
| 資源タイプ | ||||||
| 資源 | http://purl.org/coar/resource_type/c_46ec | |||||
| タイプ | thesis | |||||
| ID登録 | ||||||
| ID登録 | 10.15083/00005529 | |||||
| ID登録タイプ | JaLC | |||||
| 著者 |
加部, 泰三
× 加部, 泰三 |
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| 著者別名 | ||||||
| 姓名 | ||||||
| 姓名 | カベ, タイゾウ | |||||
| 著者所属 | ||||||
| 東京大学大学院農学生命科学研究科生物材料科学専攻 | ||||||
| Abstract | ||||||
| 内容記述タイプ | Abstract | |||||
| 内容記述 | 現在、プラスチックは生活に欠かすことのできない材料であるが、石油価格の高騰による原料調達問題、埋め立てや焼却などの最終処分が環境に与える負荷、コスト等から、再生可能資源であるバイオマス由来の材料で代替することが望まれている。ポリ[(R)-3-ヒドロキシブチレート](P(3HB))]は微生物が糖や植物油からエネルギー貯蔵物質として生体内で生合成する、熱可塑性プラスチックである。また、P(3HB)は自然環境中の微生物によって分解されるため、環境循環型材料として注目を集めている。しかしながら、近年までP(3HB)は硬くて脆い性質を示すため、材料として注目されていなかった。しかし、超高分子量P(3HB)の生合成と延伸法の開発により、P(3HB)の物性は劇的に上昇し、P(3HB)は材料として注目を浴びるようになった。しかしながら、超高分子量P(3HB)は高密度培養することが難しい。したがって、今後P(3HB)を材料として普及させることを考えると、優れた性質を有する超高分子量P(3HB)を効率的に使用し、生産性の高い野生株産生P(3HB)を主体とする高強度フィルムおよび繊維の開発が求められる。一方、高強度化がなされたP(3HB)材料は二つの結晶構造が存在することが知られている。一つは、溶融結晶化や冷結晶化など通常の結晶化手法で形成される21ヘリックス構造(α構造)であり、もう一方は、延伸したP(3HB)中でのみ検出される平面ジグザグ構造(β構造)である。β構造については熱的挙動などついての報告が非常に少ない。本論文では、野生株産生P(3HB)を主体とし、生産性と高物性を兼ね備えたP(3HB)材料の作製、β構造を有する高強度化されたフィルムの溶融過程の高次構造解析、および新規の延伸法であるゲルフィルム延伸について詳細に研究を行った。第一章「序論」では、ポリ[(R)-3-ヒドロキシブチレート]およびこの共重合体に対する既存の研究を紹介するとともに、本論文の目的を述べた。第二章「野生株産生P(3HB)フィルムにおける超高分子量P(3HB)の添加効果」では、野生株産生P(3HB)に少量の超高分子量P(3HB)を添加し、高強度なフィルムの作製を試みた。超高分子量P(3HB)が熱的特性、結晶化挙動に与える影響を調べた結果、超高分子量を添加しても球晶成長速度に影響はないが、半結晶化時間が上昇しており、このことから、超高分子量P(3HB)は核剤の様に振る舞うことが分かった。その後、P(3HB)フィルム、超高分子量P(3HB)/P(3HB)=5/95ブレンドフイルム、10/90ブレンドフイルムおよび超高分子量P(3HB)フィルムに対して冷延伸法を適用し、高強度フィルムの作製を検討した。冷延伸を適用したところ、超高分子量P(3HB)フィルムを除くサンプルは12倍まで延伸することが出来たが、超高分子量P(3HB)は10倍までしか延伸することができなかった。これは超高分子量P(3HB)が有する、絡まり合いの多さが原因だと考えられる。各サンプルの最大強度は、P(3HB)、5/95ブレンド、10/90ブレンド、超高分子量P(3HB)の順にそれぞれ161、242、211、191 MPaであり、特に5/95ブレンドはP(3HB)の1.5倍、超高分子量P(3HB)の1.3倍の引張強度を有していた。大型放射光X線を用いた高次構造解析を行った結果、ブレンドフィルムは一段階延伸にもかかわらずβ構造が発現していた。さらにβ構造の相対量と引張強度の間には相関がみられた。高次構造解析の結果から、高次構造モデルを構築した。第三章「野生株産生P(3HB)フィルムにおける超高分子量P(3HB)の添加効果」では、野生株産生P(3HB)に少量の超高分子量P(3HB)を添加し、溶融紡糸条件の最適化と一段階および二段階冷延伸を適用することで汎用高分子繊維に匹敵する高強度繊維の作製を試みた。GPCによる熱分解挙動の測定結果から、超高分子量P(3HB)の添加によって熱分解速度が抑制されることが分かった。冷延伸を施した結果、超高分子量P(3HB)を添加したブレンド繊維の強度は、一段階および二段階で530MPa、および740MPaまで改善されており、ポリエチレンテレフタレート繊維並みの強度を有する高強度繊維を作製することが出来た。大型放射光X線回折測定の結果から、超高分子量P(3HB)の添加は、超高分子量P(3HB)を添加していないP(3HB)と比較して、β構造の発現量および配向度の上昇を促すことが明らかとなった。第四章「P(3HB)のβ構造における熱的性質と溶融過程の詳細な高次構造解析」では、β構造が存在するフィルム(βフィルム)に対して、大型放射光を用いた昇温リアルタイムX線測定を行い、β構造の昇温過程での高次構造変化について詳細な分析を行った。昇温リアルタイム広角X線解析の結果から、β構造は110℃付近から減少し始め、130℃で完全に消失した。α構造のみで形成されるフィルム(αフィルム)が温度の上昇と共に結晶由来のピークの減少を伴うのに対して、β構造を含んだフィルムは結晶由来のピークが上昇し、120℃付近から急激な結晶化を示した。昇温リアルタイム小角X線散乱図において、αフィルムは120℃付近から温度の上昇と共に長周期の上昇をおこしていた。これはラメラ結晶の再結晶化によるものである。一方、βフィルムは120℃付近で長周期が一度減少しており、その後140℃において増加することが分かった。これはβ構造が溶融後α構造に転移し、その時の収縮力によりラメラ結晶が動いているためであると考えられる。DSC測定の結果と合わせて、β構造を含むP(3HB)延伸フィルムの溶融モデルを構築した。第五章「微生物産生ポリエステルを用いたゲルフィルムの作製、物性および高次構造」では、高強度フィルムおよび高強度高柔軟性フィルムを作製することを目的として、新規の延伸法であるゲル延伸法を超高分子量P(3HB)およびP(3HB)共重合体に適用した。サンプルには超高分子量P(3HB)あるいは柔軟性の高いP(3HB)共重合体であるP(3HB-co-3HH)を選択した。貧溶媒とポリマーを加熱することで溶解させ、急冷することでゲルを作製した。このゲルを乾燥させてゲルフィルムとし、延伸を施すことで高強度化を試みた。超高分子量P(3HB)ゲルフィルムは非常に脆く、延伸することが難しかった。P(3HB-co-3HH)は室温での延伸が可能であった。P(3HB-co-3HH)延伸ゲルフィルムおよびP(3HB-co-3HH)延伸キャストフィルムの強度は151MPaと103MPaであり、高強度化することが出来た。また、延伸前、延伸後、延伸熱処理後のフィルムに対して大型放射光X線測定を行い、延伸過程の高次構造変化について詳細な分析を行った。第六章「総括」では、本研究の成果を総括するとともに、今後の研究課題や将来展開についてまとめた。 | |||||
| 書誌情報 | 発行日 2012-03-22 | |||||
| 日本十進分類法 | ||||||
| 主題Scheme | NDC | |||||
| 主題 | 578 | |||||
| 学位名 | ||||||
| 学位名 | 博士(農学) | |||||
| 学位 | ||||||
| 値 | doctoral | |||||
| 学位分野 | ||||||
| Agriculture (農学) | ||||||
| 学位授与機関 | ||||||
| 学位授与機関名 | ||||||
| 学位授与機関名 | University of Tokyo (東京大学) | |||||
| 研究科・専攻 | ||||||
| Department of Biomaterial Sciences, Graduate School of Agricultural and Life Sciences (農学生命科学研究科生物材料科学専攻) | ||||||
| 学位授与年月日 | ||||||
| 学位授与年月日 | 2012-03-22 | |||||
| 学位授与番号 | ||||||
| 学位授与番号 | 甲第28090号 | |||||
| 学位記番号 | ||||||
| 博農第3806号 | ||||||
