ポリ乳酸(PLA)系バイオプラスチック材料の実用化研究

keywords.jpgポリ乳酸,乳酸共重合体,生分解性高分子,バイオプラスチック,耐熱性,耐衝撃性,耐加水分解性 

白浜 博幸 

HIROYUKI SHIRAHAMA

division.jpg産学・地域連携センター 産学連携センター

position.jpg准教授

共同研究者 : 工学研究院 中山祐正准教授

研究概要

研究の背景

ポリエチレン(PE),ポリプロピレン(PP)などの石油由来のプラスチックに替わる材料として,植物由来のポリ乳酸(PLA)系材料などが注目され,徐々に普及の兆しをみせている.
 我々はすでに20年ほど前から,地球環境にやさしい材料として環境中の微生物等により分解される生分解性高分子の開発研究を行ってきた.その過程において,PLA系高分子が今後最も普及する可能性が高いと考え,新規PLA系複合化材や乳酸共重合体の開発を進めてきた.PLAは現在,主にトウモロコシ(デンプン)を原料としてラクチド(乳酸の環ニ量体)から開環重合して製造されている.
 一般的に,PLA系材料は成形後短時間では結晶化せず耐熱性が低い,耐熱性と(これとは相反する)耐衝撃性の両特性を向上させることが困難,高温・多湿下では加水分解が速やかに進行する,などの欠点を有している.そこで本研究では,用途に応じてこれら欠点を改善した材料を開発し,かつ出来る限り安価に提供することを目的としている.

研究内容

 ポリ乳酸(PLA)は上述した生分解性樹脂であると共に,バイオマス(植物)由来のカーボンニュートラルな材料でもある.
 本研究の目的は具体的には,PLAの長所(高融点,機械的特性に優れるなど)は出来る限り維持しながら,硬くて脆い,あるいは結晶化速度が非常に緩慢であるなどのPLAの欠点を改善した,新規なPLA複合化材や乳酸共重合体を開発し実用化することである.
 その結果これまでに,射出成形など短時間の成形時間内でも充分結晶化し,耐熱性および強度に優れたPLA複合体の開発に成功し,すでに自動車内装材として実用化された(下記参照).
 今後,食品包装材料や家電製品などへの応用を含め,用途開発等を積極的に進めていきたい.但し,自動車用内装材もそうであるが,出来る限り安価な材料を提供しないと,メーカーは実際には使用してくれない.そこで現在は,材料の物性は出来る限り高度に維持しながら,価格を如何に低下することが可能かを,添加する副資材(結晶化促進核剤,耐衝撃改善剤,加水分解抑制剤,増量剤など)の種類や量を変化させて検討している.
 

成果

 下記画像1は「地域新生コンソーシアム研究開発事業」で開発した自動車内装材である.画像2は従来より安価かつ耐熱性・耐加水分解性に優れたPLA複合化材料の耐熱性試験結果を示したものである.
 上述した画像1のように,自動車内装材としては(マツダプレマシー水素ロータリーエンジンの)ハイブリッド車(リース車)に実用化されたが,より広範な内装材部位に使用されるためには,材料の低価格化とさらなる物性の追及が必要である.
 また,現在及び今後,より汎用性の高い製品(家電製品,家庭用品,食品包装材など)への実用化を目指して研究中あるいは検討中であるが,このためには用途に応じた添加剤の種類と量の探索・選定,そして最も重要と思われる材料価格の低減が必須であると考える.これらを具現化するために,すでに一部企業との共同研究を行っているが,コンソーシアムを組むなどしてより多くの企業等に参加を望むものである.

実用化に向けて(想定業界・用途、課題、企業への期待など)

・上記分野に関心のある企業等との共同研究・受託研究は可能である.
・知見の提供、技術指導が可能である.
・このテーマに関する講演,助言などが可能である.
・企業と実用化のための共同研究を行いたい.
・これまで我々が研究してきた乳酸共重合体の方が,実用化製品中の添加剤の種類と量がより少なくて済むので好都合であるが,原料となるラクチドの価格が素材製品であるPLAよりもはるかに高いのは納得がいかないので,ラクチド製造企業には原料ラクチドの低価格を期待したい.
・ラクチド合成の原料は今はトウモロコシデンプンが主であるが,これは可食原料であるので,木質セルロースなど非可食原料からのラクチド製造を企業等と一緒に行いたい.
応用分野
・自動車内装材
・家電製品
・家庭用品・文房具類
・包装材料
・土木・農業用資材など

本研究の特徴・優位性

乳酸共重合体では;
・PLA基材等の相溶性に優れた乳酸共重合体である.
・水酸基などの官能基導入も可能である.
・分解速度、柔軟性が任意に調節可能である.
PLA複合化材では;
・より安価なPLAを主剤とした複合化も可能である.
・その際,用途に応じて副資材の種類や量を変化させ,性能と価格のバランスを調節することも可能である.

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・第1回モノづくり連携大賞NEDO賞受賞(2006年10月 日刊工業新聞社主催)

"Synthesis and properties of cationic ionomers from poly(ester-urethane)s
based on polylactide." Y. Nakayama, T. Inaba, Y. Toda, R. Tanaka, Z. Cai, T.

Shiono, H. Shirahama, C. Tsutsumi. J. Polym. Sci., Part A: Polym. Chem., 51,
4423-4428 (2013).

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