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セルロース・キチンを活用したセルロース・キチンを活用した
生分解性を有する新規高吸水性高分子生分解性を有する新規高吸水性高分子
高専-技科大 新技術説明会(H23 .1.17)
苫小牧工業高等専門学校物質工学科 准教授 甲野 裕之
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Overview
研究背景~高吸水性高分子(SAP)
~その性質と構造的特徴
新技術①:生分解性高吸水高分子の合成方法
新技術②:“超吸水性”高分子の開発
期待される応用分野と商品像
まとめ
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研究背景: 高吸水性高分子~特性と用途
吸水性材料(高分子吸収体)
- 自重の数百倍の水を吸収(吸水性能)
- 圧力をかけても滲まない (保水性能)
用途
- 衛生用品・・・紙おむつ、生理用品
- ペット用品・・・トイレ、猫砂
- 食品・流通・・保冷剤、鮮度保持用吸水シート
- 農業・・・・・・・土壌保水剤
- 建築・土木・・保水処理剤
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研究背景: 高吸水性高分子~市場規模
世界生産量
国内生産量
50
100
150
200
2006 2007 2010(予測)
189
50生産量/万トン
800
700
600
500
国内生産高/億円
750
年0 400
・ 高齢化社会の進展
・ 途上国の経済発展
出典:冨士キメラ総研市場調査レポート:www.fcr.co.jp
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研究背景: 高吸水性高分子~その問題点
原油価格上昇による製造コストの高騰
埋立処分・・・非生分解性
焼却処分・・・CO2排出
非循環型材料から生分解性を有する循環型材料へ
21世紀型社会の構築
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研究目的
北海道の廃棄物を有効活用し、循環型社会の実現へ
・ 豊富な森林資源(紙・パルプ)・ 農業・水産加工業が発達
セルロース、キチン・キトサンから生分解性を有する高吸水性材料への変換技術開発
北海道産業の地域特性
セルロースキチンキトサン
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実験方法: 高吸水性高分子~構造的特徴
–(CH2–CH) – CH2–CH –(CH2–CH) –
m–(CH2–CH) – CH2–CH –(CH2–CH) –nX
mnCOO-Na+
COO-Na+ COO-Na+
COO-Na+
吸水
+Na-OOC
COO-Na+
水遊離カチオン
網目の中は+イオン濃度が上昇⇒ 浸透圧の発生 ⇒ 吸水力
結合性アニオン電気的反発により網目が広がる
架橋構造
水を閉じ込める ⇒ 保持力
ポリアクリル酸架橋体
乾燥状態
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実験方法: セルロース・キチン・キトサン~構造的特徴
O
HOH
OH
CH2OH
HH
H
O
O
H
O
OH
OH
CH2OH
H
H
HH
n O
HNH
OH
CH2OH
HH
H
O
O
H
O
NH
OH
CH2OH
H
H
HH
COCH3
COCH3
n O
HNH2
OH
CH2OH
HH
H
O
O
H
O
NH2
OH
CH2OH
H
H
HH
n
セルロース キトサンキチン
水素結合により高度に結晶化
汎用的な溶媒に不溶・・・キトサンは希酸に溶解
低吸水性(5~10倍程度)・・・吸水性官能基を持たない
吸水性ポリマーへの変換
分子間架橋と解離(イオン)性官能基の導入
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実験方法: 分子設計~吸水性の付加方法
OHO
OCH2COONa
OHO
OCH2COONa
OHOHO O
n
カルボキシメチルセルロース
OHO
OCH2COONa
OO
OCH2COONa
OHOHO O
OOCH2COONa
OOHO
O
OHO
OH
OHO
HO
OHOHO O
n
OHO
OH
OO
OH
OHOHO O
OOH
O
OHO
O
O
O
COONaNaOOC
セルロース
イオン性官能基を含む架橋剤
低い生分解性
高い生分解性
誘導体化 or 6位酸化によるイオン性官能基の導入
架橋剤
新技術①
新技術②
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新技術①: ポリカルボン酸架橋多糖類系SAP
発明の名称:生分解性高吸水性高分子の合成方法
出願番号: 特願2010-149142
出願人: (独)高専機構
OHO
OH
RO
HO
OHRO O
n
=
セルロース、キチン、キトサン、澱粉(アミロース)
C
COO
OC
C O
O
O
+
ポリカルボン酸無水物(例えばBTCA)
・・・・・・ ・・・
・・・
1)LiCl/NMP, DMAP2)NaOH中和 OCCH2CH2CH2CH2CO
COO-Na+
COO-Na+
O O
・・・
・・・
架橋構造生分解性
★温和な条件下で容易に合成可能★多くの多糖類(バイオマス)を活用できる 廃棄物の有効活用
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新技術①:新技術①: ポリカルボン酸架橋多糖類系SAP~形態ポリカルボン酸架橋多糖類系SAP~形態
仕込比:Cellulose (AHG) : BTCA = 1:2.5三洋化成株式会社サンウェット™
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新技術①:新技術①: ポリカルボン酸架橋多糖類系SAP~形態ポリカルボン酸架橋多糖類系SAP~形態
吸水速度JIS K7224
3.5 g・g-1-polymer/s 56 g・g-1-polymer/s
低流動性
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新技術①: 吸水特性~BTCA仕込量の影響
1:2.5
ポリアクリル酸架橋体(PANa)
吸水時間 / 日
吸水率/ g
/g-p
olym
er
Fig. BTCA架橋パルプの吸水特性比率は仕込のグルコース残基とBTCAのモル比を表す
1:1
1:5
1:0.5
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新技術①: 吸水特性~反応溶媒依存性
LiCl/NMP
TBAF/DMSO
LiCl/DMAc
吸水時間 / 日
930倍
480倍
吸水率/ g
/g-p
olym
er
Fig. BTCA架橋パルプの吸水特性仕込のグルコース残基とBTCAのモル比は1:2.5とした
PANa
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新技術①: 吸水特性~原料セルロースの影響
パルプ
綿
ラミー
吸水時間 / 日
12000
900
230
7750
平均重合度DP
吸水率/ g
/g-p
olym
er
アビセル
PANa
Fig. BTCA架橋セルロースの吸水特性仕込グルコース残基とBTCAのモル比は1:2.5,溶媒はLiCl/NMP系とした
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新技術①: 最大吸水量
Fig. BTCA架橋綿セルロースの吸水特性溶媒はLiCl/NMP系とした
吸水時間 / 日
PANa(既存品)
1150倍
480倍
2.4 倍Up
BTCA架橋綿セルロース仕込比1:5
吸水率/ g
/g-p
olym
er
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新技術①: 保水性能
PANa
44%
22%
保水時間 / 日
保水率
/ %
図 BTCA架橋セルロースの保水特性(25℃, 湿度:25%)
74% /日
1.2倍Up
85% /日BTCA架橋綿セルロース仕込比1:5
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新技術①: 生分解(酵素)特性
セルラーゼ分解率
/ %
時間 / 日
Fig. BTCA架橋パルプの酵素分解性
パルプ
BTCA架橋パルプ
75%
66%
分解条件酵素濃度: 0.2 U /mg-protein50 ml NaOAc-HOAc buffer, pH5温度:40℃
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新技術②: 生分解性を有する“超吸水性”高分子
OCl
ECHaq NaOH
OHO
OCH2COONa
OHO
OCH2COONa
OHOHO O
n
カルボキシメチルセルロース(CMC)
OHO
OH
OHO
HO
OHOHO O
n
セルロース
架橋剤O
HO
OCH2COONa
OO
OCH2COONa
OHOHO O
OOCH2COONa
OOHO
O
OHO
COONa
OO
COONa
OHOHO O
OCOONa
OOHO
O
OCl
ECHaq NaOH
OHO
COONa
OHO
COONa
OHOHO O
n
TEMPO酸化セルロース
aq NaOH
ClCH2COOH
TEMPO, NaClO, aq NaOH
C6位選択的酸化
架橋剤
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新技術②: ECH架橋CMCゲル~形態
1 cm
1 cm
1 cm
アセトン脱水吸水(x 300)
脱水(アセトン)
吸水
凍結乾燥
吸水ゲル
凍結乾燥状態
乾燥状態
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新技術②: 超吸水性高分子~吸水量
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期待される応用分野と商品像
生分解性SAP
土壌改良材土壌保水材種苗ポット苗床水耕栽培支持体
パック用マスク冷却ゲル緊急用携帯トイレ
土木分野
ファイントイレタリー分野
園芸・農芸分野
生活用品紙おむつ,生理用品ペット用トイレ保冷剤
期待される応用分野と商品像
産廃業水産加工業
未利用バイオマス
本技術開発の適用
DDSキャリア止血用スポンジ人口関節
廃棄物等から高付加価値製品へ高い対費用効果
医療
機能性材料ゲル電解質燃料電池ゲルセンサー
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まとめ
• 本研究シーズはセルロース等の多糖類から高吸水性材料への変換方法を可能にし、その技術は実用化レベルにある
• 本研究シーズは木質・水産廃棄物に広く適用可能であり、その応用範囲は極めて広いと考えられる
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問合せ先
苫小牧工業高等専門学校
総務課 企画調査係 担当者: 森 博和
Tel: 0144-67-8901
Fax: 0144-67-0814
e-mail: [email protected]