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水をはじき,光を通し,つぶしても割れない断熱材を開発 ~ナノ繊維系材料の耐湿性を向上させ,透明断熱材の実現に前進~

 国立研究開発法人 産業技術総合研究所(AIST)は 2017年9月4日,化学プロセス研究部門 階層的構造材料プロセスグループの竹下覚 研究員,依田智 研究グループ長が,エビやカニの甲殻から得られる天然高分子のキトサンを素材とし,撥水性・光透過性・柔軟性を兼ね備えた超低密度の多孔体(撥水エアロゲル)を開発したと発表した.この多孔体は表面が疎水化された微細なキトサン繊維の三次元網目構造からなり,超高空隙率(体積の96~97%が空隙)を示す.疎水化によって,光透過性断熱材としての実用化の可能性を開いた.原著論文は,英国王立化学会の学術誌Nanoscaleのオンライン版に掲載された(注).

 持続可能な社会の発展に向けて,省エネルギー化は社会のあらゆる分野で求められている.建物の省エネルギー化では,断熱構造の壁はもとより,窓やガラス戸などの採光部の断熱も重要である.現状では複層ガラスや真空断熱窓などが利用されているが,重い・厚いなどの難点がある.また,高断熱性と光透過性をあわせ持つ材料として,超低密度のシリカ(SiO2)エアロゲル(乾燥多孔体)があるが,非常にもろく割れやすい,加工性が悪い,破損しやすい等の問題があり,窓用断熱材としては普及していない.

 AISTでは,断熱性・光透過性・柔軟性を兼ね備えた新規材料として,キトサンを骨格とした超低密度の多孔体(キトサンエアロゲル)の開発に取り組んできた.キトサンは,カニ殻やエビ殻の主成分であるキチンをアルカリ水溶液で処理して得られる天然由来の高分子である.キトサンは安価で豊富な原料があることや,生体親和性や環境調和性などが高いことなどから,生体材料の支持体・再生医療素材・廃水処理用凝集剤・吸着材・飼料などに利用されている.この多孔体は直径5~10nmの微細なキトサン繊維が絡み合った三次元網目構造をもち,体積の約97%が空隙である.しかし,キトサンエアロゲルは,水との親和性が高い部位を分子内に多く含むため,本質的に湿気に弱く実用性に問題があった.

 研究グループは,キトサンエアロゲルの耐湿性の向上に取り組んだ.キトサンには,アミノ基(NH2)と水酸基(OH)の2種類の親水性部位が含まれている.今回開発した技術では,アミノ基を架橋し,水酸基を疎水化剤で修飾して疎水化した.次いで高圧CO2を用いてアセトン系溶媒を抽出して乾燥させ,疎水基を保持したまま撥水エアロゲルを得た.今回開発した撥水エアロゲルに水滴を滴下しても,水滴ははじかれて内部へ浸透しない.キトサンエアロゲルの撥水性は疎水基の導入量に依存し,全水酸基の20~30%を疎水基で修飾した場合,水滴接触角は約120°と大きな値を示した.また,従来のキトサンエアロゲルと同等の高い空隙率(96~97%)のナノ構造,光透過性(厚さ1mm,波長800nmで透過率 78%)は維持された.また,撥水エアロゲルの圧縮挙動を調べたところ,疎水基導入量に関わらず,90%程度以上の圧縮変形でも割れずに均一に圧縮された.これは,キトサン繊維を疎水化しても,三次元網目構造による機械的強靭さが保持されていることを示す.

 今後は光透過性断熱材としての実用化を目指し,透明性の向上や,製造プロセスの低コスト化・高速化などに取り組む,としている.

(注)S. Takeshita and  S. Yoda, "Translucent, hydrophobic, and mechanically tough aerogels constructed from trimethylsilylated chitosan nanofibers", Nanoscale, 2017, Vol. 9, pp. 12311-12315; DOI: 10.1039/C7NR04051B; first published on 21 Aug 2017