セルロースの階層構造から考える未来材料

齋藤　継之

摘要

セルロースは、植物の細胞壁を構成する主成分であり、樹木の他、コットンや麻などの天然繊維を資源とする地球上最大のバイオマスである。木材利用では、建材や紙パルプとして多量に消費されており、天然繊維としても衣類になくてはならない素材である。これらの住と衣の分野では、今後のサステイナブルな社会実現において益々利用が進むであろう。それでは、セルロースの「100年後の未来」では、如何に利用が進展しているだろうか。自然界のセルロース生産では、まずは「分子」が合成され、「ミクロフイブリル」と呼ばれる結晶子を形成し、それらが集積することで「細胞壁」を構築している。100年後の未来では、パルプ·繊維として単離された細胞壁から、鋼鉄を上回る強度と、従来の木材加工では成し得ない成形性·耐候性·耐火性を併せもった新たな建材が作られ、オールバイオマスの大規模建築が可能になってほしい。この新たな建材により、製造時のCO_2排出量が大きな鋼鉄やセラミックス等を住環境で代替する。さらに自動車の外装材にも適用していく。そんな社会が実現すれば、著しい低炭素化が進む。セルロース固体の理想強度は約3 GPa、弾性率は約130 GPaであり、代替は不可能ではない。細胞壁の構造的な利点は、理想強度のミクロフィブリルが高密度に集積していることであり、パルプとして扱えば、任意にシート化·積層·立体成形が可能である。克服すべきは、空隙と繊維間結合だが、100年後の未来であり、解決しているであろう。ミクロフィブリルの利用では、近年のセルロースナノファイバー(CNF)研究が結実した未来となっていると信じたい。CNFとは、微細なミクロフイブリル束、またはミクロフイブリル単位の分散体である。水系の添加剤用途は、これまでにも化粧品·食品の分野で実用化しており、医薬への応用も含め、今後のさらなる利用拡大が期待できる。本丸は、ボリュームゾーンと言われるCNF強化樹脂であるが、課題が明確であり、いずれは広く産業に浸透する技術となるであろう。また、CNFからなる多孔質についても、多分野で利用が進むであろう。CNFは、繊維素材である。一般に繊維は網目を形成し、多孔質となる。これらの多孔質は、断熱材や防音材、絶縁材を始めとして、分離材や吸着材、他素材の担体等として機能する。CNF独自の形状が、他素材にはない機能·性能をもった多孔質を実現するが、残念ながら現状は、この分野のCNF研究が最も浅い(難度が高い)。一方、CNFが密に集積したシートや板材などの研究は、上記のような、細胞壁の利用技術に吸収されてしまうのではなかろうか。ここまで考えてきて、ふと感じたのは、細胞壁の構造利用と比べると、未来のCNF利用は、人目には触れない裏方、あるいは名脇役として、主役を惹きたてる起用になる、ということ。CNF研究に注力する1人として、やや寂しい気もするが、ナノ材料とは、本来そのようなものなのだろう。最後に、セルロースの分子利用を考える。セルロースの無水グルコース単位には、3つの水酸基があり、これらを修飾した誘導体は、水系の添加剤を中心に実用化している。セルロースアセテートなど、包材や繊維として利用されているものもあるが、合成高分子と比べると樹脂用途のシェアは圧倒的に小さい。100年後の未来では、バイオリファイナリーの進展により、セルロースの分子量制御が自在であり、修飾基の設計により、誘導体が多様な樹脂物性を発現できるのではないだろうか。バイオベースのPPやPEが普及する未来だとしても、それらと比するほど、熱可塑性のセルロース誘導体もシェアを拡大し、リサイクル技術を確立してほしい。セルロース分子の本質的な弱点は、主鎖を構成する炭素のうち、C1とC4の電子密度が低いことであるが、100年後の未来では、これらの炭素を選択的に安定化できるようになっている。製造·使用·リサイクル時には、オレフィン系樹脂と同等の安定性をもち、一方で生来のセルロース骨格に戻すこともできる、そんな誘導体が作られ、サステイナブルな未来社会を支える素材となっているであろう。以上、妄想を書き散らし、雑ばくな文章となってしまったが、新春企画のお祭りごととしてお許しいただきたい。

セルロースの階層構造から考える未来材料

摘要

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