原子力機構、セルロースナノファイバーを使った高強度ハイドロゲル開発

2020.10.31 

カルボキシメチルセルロースナノファイバー(CM-CNF)の水溶液を-20℃で凍結させ、そこへクエン酸を混ぜて、-4℃で溶かすことで、高い強度と成型性を持つハイドロゲルを作成できることを、日本原子力研究開発機構(原子力機構)が同日付のプレスリリースで公表しました。このゲル材料は2tの圧縮負荷にも耐える強度を持ち、またさまざまな三次元形状に成型できる高い成型性を示すとともに、色素を吸着する性能があることもわかりました。

CM-CNFは分子中に反応性が高いカルボキシル基を持つため、他の物質と反応させてゲルやフィルムを作製することができます。同じくカルボキシル基を持つクエン酸と混ぜ合わせると、水素結合を介してゲルを形成します。しかし室温では、水中で混ざり合ったCM-CNFとクエン酸が反応すると、不均一な構造を形成するため、持ち上げただけでも壊れてしまうほど強度が弱いといった問題がありました。

本研究では、水の凍結時に生じる物質の凝集挙動に着目しました。例えば、砂糖や食塩などの不揮発性物質を含んだ水を冷やすと、0℃でも凍結しないという現象(凝固点降下現象)が見られます。これは氷晶の周りに超濃厚に凝縮した砂糖水が、氷の成長を阻害するために見られる現象です。本研究では、このような凍結時に出現する凝縮構造を利用することで、ゲルのミクロ構造の制御が可能と考えました。CM-CNFを水に分散させた水溶液を凍結させると、一見すると普通の氷ができますが、内部では氷結晶の周りにCM-CNFの凝集体が形成されています。この凝集体は氷が存在している状態でクエン酸と反応します。形成したCMCナノファイバー-クエン酸凝集体は氷が溶けた後もそのまま残り、強固なゲル骨格としてゲルの強度向上に寄与します。

この研究は原子力機構、東京都立産業技術研究センター、東京大学の共同研究によるもので、詳細はACS Applied Polymer Materialsのオンライン公開版に、本日公開されました。

詳細は原子力機構のプレスリリースをご覧ください。

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