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資源循環プロセス工学分野研究内容

   
木材の化学修飾による熱可塑性発現機構に関する研究
●エステル化木材の開発
ブロック木材への熱可塑性付与技術の開発を目的として、無水トリフルオロ酢酸法を用いてブロック木材の化学修飾を試みた。
●エステル化木材の緩和挙動の検討
エステル化処理木材の可塑性の発現機構を処理材の静的および動的力学緩和挙動を測定することによって検討した。
●可塑化発現機構の解明
粘弾性挙動の結果に基づき、導入した側鎖長と導入側鎖量の力学緩和挙動に及ぼす効果の等価性から、導入側鎖のファンデアワ-ルス体積が力学特性に寄与していることを明らかにするとともに、熱可塑性発現が側鎖導入によって細胞壁実質に形成された自由体積によるものであることを明らかにした。
 
アルカリ処理による木材の可塑化およびその発現機構に関する研究
●アルカリ処理による木材の可塑化技術開発
水酸化ナトリウムをはじめとしたアルカリ水溶液を用いて木材の可塑性付与に関する研究を行、NaOH、KOH、そしてLiOHの水溶液によって可塑性が付与されることを明らかにした。NaOHでは、10~15%の濃度以上において可塑性が付与された。
●アルカリ処理木材の可塑性発現機構
アルカリ処理に伴う飽水状態での繊維方向収縮のアルカリ濃度依存性と処理温度依存性を検討した。力学緩和過程でのアルカリ溶液置換による緩和挙動の特徴的変化に基づいて、可塑性発現機構を木材の高次構造を考慮して熱力学的に考察し、細胞壁を形成するミクロフィブリル自体の収縮が可塑性発現の要因であること、その収縮がエントロピー弾性力によることを明らかにした。
 
木材実質と金属との相互作用に関する研究
●木材への金属導入処理
木材の改質を目的として木材への金属導入処理を試み、片エステル化による化学修飾の手法を用いて木材への金属導入固定化方法ついて検討した。
●木材と金属との相互作用
極性側鎖を導入した化学修飾木材と金属との相互作用と固定機構を力学緩和挙動から検討した。その結果、両者の相互作用が金属の特性因子であるファンデアワ-ルス半径、電荷、金属導入量に依存することを見出した。これら結果は、Eisenbergの式にこれら因子の効果を導入した新たな式によって金属導入の効果が定式化されることを明らかにした。
 
水分非定常状態の木材緩和挙動に関する研究
●水分非定常状態の緩和
環境変動下での木材の力学挙動を明らかにする目的で、放湿過程の力学挙動を検討した。既知の吸着式を適用して放湿過程の吸着挙動の定式化を試み、放湿過程のクリ-プが定常状態に比べて著しく増大する要因が放湿過程の自由体積形成によること、放湿過程がエントロピー減少過程であり、このことが放湿に続く吸湿過程での回復の要因の一つであることを熱力学的に明らかにした。
●水分非定常状態下での緩和挙動の定式化
自由体積の概念に基づいて放湿過程のクリ-プの定式化を試みた。さらに、緩和スペクトル解析におけるWLF式の木材への適用の妥当性を検討し、基本的には複合系としての木材には適用できないことを明らかにした。この結果に踏まえ、Boltzmannの重畳原理の適用を試み、吸湿過程のクリ-プが定常状態より増大することを平坦な緩和スペクトルの仮定のもとに理論的に明らかにした。
 
非線形領域における木材の疲労挙動に関する研究
●非線形疲労挙動
振動を受ける環境下での木材および積層材の力学特性を解明するために、非線形疲労挙動を検討した。非線形の繰り返し変形が発熱を生じることを見出し、この発熱が変形量と含水率に依存することを明らかにした。
●非線形疲労過程での破壊機構
破壊に至る過程が3つの過程(十分な発熱に至るまでの遅延過程、メカノソ-プティブ効果が発現する過程、微細クラックが成長する過程)から成ることを見出した。積層材においても類似の結果が得られ、加えて積層材全体の力学損失特性(発熱特性)が接着剤の力学特性に依存することを明らかにした。本研究結果は、非線形疲労挙動に基づいた疲労寿命の相対比較の可能性を示唆した。
 
 
木材の接着性能および塗装性能に及ぼす諸因子に関する研究
●構造用接着剤の耐久性能
屋外用集成材の接着性能に及ぼす諸因子の影響を検討した。構造用集成材に使用される接着剤(レゾルシノ-ル接着剤と水性高分子イソシアネ-ト接着剤)の接着性能に及ぼす環境因子の影響を接着剤の力学緩和挙動に基づき考察するとともに、防腐剤処理したラミナを用いた場合の集成材の接着特性を検討した。
●接着剤の硬化に及ぼす金属銅の影響
TBA(Torsional braid analysis)測定と赤外分光測定結果の対比から、防腐剤に含まれる金属銅の存在が硬化反応に影響を与えること、阻害効果機構がレゾルシノ-ル接着剤と水性高分子イソシアネ-ト接着剤の化学構造を反映し互いに異なる機構によるものであることを明らかにした。さらに、木材表面の塗膜の耐久性のおよびそれに影響を及ぼす表面粗さなどの物理的因子、抽出成分の効果阻害などの化学的因子等について検討した。
 
水分吸着における木材の微細構造の影響に関する研究
●水分吸着に及ぼす微細構造の影響
木材の内部表面木材の吸着特性が木材の微細構造に依存することをブロックおよび微粉末状木材の吸着挙動の比較から検討した。この差異は、三層をなす細胞壁構造の最外層のS1と最内層のS3において傾斜角90度でヘリカルワインディングしているミクロフィブリルの拘束の有無によって生じることを熱力学的に明らかにした。
●熱処理木材の内部表面評価
熱処理木材の吸着特性をフラクタルに関するNeimark理論を適用し、熱処理温度250~300oCにおいて生じる木材微細構造の変化によりその吸着特性が顕著な変化を生じることを明らかにした。
 
木材の水分吸着特性
●水分吸脱湿における木材の特異的膨潤特性
木材の繊維方向の膨潤はメカノソ-プティブの発現機構に関わる因子を含んでいる可能性が指摘されており、本研究ではこの挙動を半径・接線方向の膨潤挙動と比較し、その発現機構を検討する。 戻る
●新たな吸着理論に基づく木材および熱処理木材の吸着特性
木材の水分吸着挙動に関して、国内産樹種の吸着等温線の結果用いて新たな解析理論を用いてその吸着挙動および内部表面状態について検討する。
●国産竹材の吸着挙動
木材と並ぶ循環資源である竹は十分な利用がなされていない。そこで、その基礎物性を解明することを目的として、吸着挙動を検討し内部表面材特性を明らかにする。
●種々の木材の吸着等温線の解析
様々な国内産樹種(10樹種)の吸着挙動をHailwood Horrobinn理論を始めとした種々の吸着理論にもとづいて解析し、さらにフラクタル解析やクラスタサイズの計算結果に基づいて内部表面状態を特性化して、国内産樹種の吸着挙動の違いを明らかにした。
●木材の微細表面構造に及ぼす膨潤前処理の影響
種々の溶媒で膨潤前処理を施した試片についての吸着挙動を種々の吸着理論で解析し、膨潤前処理がその吸着パラメ-タにどのような変化を及ぼすかを明らかにした。
 
熱処理木材の吸着特性
●水分吸脱湿における木材の特異的膨潤特性
木材の繊維方向の膨潤はメカノソ-プティブの発現機構に関わる因子を含んでいる可能性が指摘されており、本研究ではこの挙動を半径・接線方向の膨潤挙動と比較し、その発現機構を検討する。 戻る
●新たな吸着理論に基づく木材および熱処理木材の吸着特性
木材の水分吸着挙動に関して、国内産樹種の吸着等温線の結果用いて新たな解析理論を用いてその吸着挙動および内部表面状態について検討する。
●国産竹材の吸着挙動
木材と並ぶ循環資源である竹は十分な利用がなされていない。そこで、その基礎物性を解明することを目的として、吸着挙動を検討し内部表面材特性を明らかにする。
●種々の木材の吸着等温線の解析
様々な国内産樹種(10樹種)の吸着挙動をHailwood Horrobinn理論を始めとした種々の吸着理論にもとづいて解析し、さらにフラクタル解析やクラスタサイズの計算結果に基づいて内部表面状態を特性化して、国内産樹種の吸着挙動の違いを明らかにした。
●木材の微細表面構造に及ぼす膨潤前処理の影響
種々の溶媒で膨潤前処理を施した試片についての吸着挙動を種々の吸着理論で解析し、膨潤前処●低温熱処理木材の吸着特性
熱処理による熱変性は吸着挙動を変化する。その変性機構を解明するために、低温熱処理に伴う吸着挙動を種々の理論を用いて解析し、熱処理に伴う寸法、重量変化、分光学的測定結果との関係から、その変化がどのような過程を経て変性するかを検討した。
●熱処理による木材細胞断面形状に及ぼす変化
木材の熱処理に伴う細胞形状変化を横断面の電子顕微鏡写真の画像解析によって数値化し、熱処理温度の上昇に伴うこれら値の変化を比較検討する。この結果を、フラクタル解析結果と対応させ、マクロ的形状変化とミクロ的内部表面変化との関係を明らかにした。
理がその吸着パラメ-タにどのような変化を及ぼすかを明らかにした。
 
セルロースの機能化に関する研究
セルロースは木材を構成する主要な成分です。セルロースは,木材以外にも,綿,靱皮繊維植物,ホヤ,そして酢酸菌などからも得ることができ,地球上に最も大量に存在するバイオマス資源といえます。 セルロースはD-グルコースがb,1-4結合した直鎖状多糖類であり,その分子中には反応性に富む水酸基がたくさん存在します。この水酸基を他の官能基に置-換える(置換)反応や水酸基を介して合成高分子を導入するグラフト共重合によって,セルロースへ新たな特性を付与することができ,セルロースを機能化することができます。
●セルロースグラフト共重合体系高吸水性ポリマーの開発
セルロースへ軽度に橋架けした電解質ポリマーをグラフト共重合することによって,自重の3,000倍以上の高い吸水能を示す高吸水性ポリマーを調製することができました。この研究成果を基にして,様々なセルロース材料から,それらの特性を活かしたセルロースグラフト共重合体系高吸水性ポリマーの開発を行なっています。
●エチレングリコール変成オリゴマーを導入したオリゴエステル化セルロースの特性
セルロースとの親和性が高いエチレングリコール変成オリゴマーをセルロースの水酸基へ置換導入し,その生分解性を活かした,土壌改良材や生分解性プラスチック原料(および可塑剤)などの機能性セルロース誘導体の開発を行なっています。
 
 
高吸水性ポリマーの開発に関する研究

イオン性基を持つ水溶性の高分子を軽度に橋架けすると,水に不溶となり,自重の1,000倍以上もの水を吸収・保持できる高吸水性ポリマーとなります。セルロースグラフト共重合体系高吸水性ポリマー他に,デンプン(アミロースおよびアミロペクチン)やプルランなどの天然高分子を用い,様々な親水化法や不溶化法によって,高吸水性ポリマーの開発を行なっています。さらに,高吸水性ポリマーが吸水膨潤したハイドロゲルの諸物性について研究しています。
●プルラングラフト共重合体系高吸水性樹脂の開発
高吸水性樹脂は塩類を含む溶液に対して使用されることが多いため,塩類溶液に対する吸水能低下が問題となります。この問題に対して,グラフト共重合体の基材に,pHや塩類の影響を受け難い溶液物性を示すデンプン由来の多糖類である“プルラン”を用いることによって,高い耐塩性を有する高吸水性ポリマーの開発を行なっています。
 
リグノセルロースの機能化に関する研究(グラフト共重合)
木材はセルロースの他に,主要な構成成分としてヘミセルロースとリグニンを含んでいます。そして,木質繊維や木粉のような,リグニンを含んだセルロースをリグノセルロースと称します。 リグニンはポリフェノールの一種であり,セルロースと同じく,その分子中には水酸基が多数存在します。これらの水酸基を反応部位としたグラフト共重合によって,機能性リグノセルロースグラフト共重合体を合成することができます。
グラフト共重合は,基材となる高分子(幹ポリマー)に,側鎖として異種の高分子(枝ポリマー)を接ぎ木(graft:グラフト)する高分子の複合化法・改質法で,これによって幹ポリマーと枝ポリマーの両方の特性を備えた高分子を得ることができます。グラフト共重合によるセルロース,リグノセルロース,その他の天然高分子の機能化や,そのための効率的な開始法について研究しています。
●切削屑を基材とするグラフト共重合体の熱圧成形
木材や竹材中のリグノセルロースへ,ポリメタクリル酸メチルやポリ酢酸ビニルなどの熱可塑性樹脂をグラフト共重合し,得られたグラフト共重合体を積層熱圧成形することによって,接着剤を使用しない自己接合型のボードの開発を行なっています。この研究では,木材や竹材の廃切削屑をリグノセルロースを基材として利用しています。
●非加熱接合を可能とするリグノセルロースグラフト共重合体の開発
リグノセルロース/熱可塑性樹脂グラフト共重合体の積層成形において,さらに省エネルギー型の成形技術を確立することを目的として,用いるリグノセルロース基材や熱可塑性樹脂の熱特性を検討し,加熱せずに常温下での加圧のみで成形可能なグラフト共重合体の開発を行なっています。
●グラフト共重合による竹への熱可塑性の付与
熱可塑性樹脂をグラフト共重合体した竹材は,自己接合性を示すだけではなく,熱可塑性を発現します。チップ状の竹材グラフト共重合体を半径方向にある条件下で熱圧締すると,その繊維方向に対してはほとんどサイズ変化が起こりませんが,接線方向に対しては2倍程度広がり,シート状またはフィルム状に変形できます。この変形物を各種の化粧材や成形品として用いる可能性を追うとともに,その変形機構を解析しています。
 
酵素糖化に関する研究
セルロースやヘミセルロースを加水分解すると,その構成単位であるグルコースやキシロースなどの糖へ変換することができます。酵素糖化は,この加水分解を酵素の作用によって行なうことです。セルロースは,強固な水素結合に基づく結晶構造を有しているために,その酵素糖化は非効率的であるとされています。そこで,酵素糖化を行なう前に,可及的軽度な化学修飾や粉砕・爆砕を施し,セルロースの結晶性を低下させることによって酵素糖化性を向上させる,高効率糖化技術の開発を行なっています。また,竹材のようなヘミセルロースを多く含む資源については,同様の酵素加水分解処理によって,そのヘミセルロースをアラビノースやキシロースおよびそれらのオリゴ糖へと変換し,有用物質を生産する技術の開発を行なっています。
●水素結合解裂剤を用いた竹の酵素糖化促進
竹材中のセルロースおよびヘミセルロースの酵素糖化を促進するための前処理として,これまでに過酸処理や亜塩素酸塩処理について検討を行なってきました。この研究では,セルロースへ水素結合解裂剤を作用させ,その結晶性を低下させることによって,酵素糖化率を向上させる技術について研究しています。
 
未利用材活用に関する研究
スギやポプラのような生育が早い樹種は一般に強度的性能が低い欠点があり、強度が求められる建築材料や建設材料として使用する場合には問題があります。また,低密度の木材は一般に強度が低く、また材料の表面が摩耗しやすいため、住宅部材や家具部材として利用しにくい問題があります。このような理由によって利用が進まない低質材を活用するための技術開発を行なっています。
●低剛性・低強度材を利用する構造用合板、単板積層材の開発
スギ材のような低剛性・低強度材からの単板を,カラマツ材のような高剛性・高強度材からの単板と組み合わせることによって,構造用材料として適う強度を備えた複合合板および単板積層材(LVL)の開発に取り組んでいます。得られる複合合板は住宅の床、壁、天井あるいはコンクリート型枠材のような面材料として、LVLは柱、梁、土台などの軸材料として利用できます。現在は,複合化における両者の構成比率や構成配置について検討を行なっています。
●スギ熱圧密化単板を用いた合板およびLVL製造技術に関する研究
スギ材のような低密度の木材を,高い温度の水蒸気中に置いて高温・高圧の条件で圧密化することによって,その密度を上昇させ,強度性能を改善することができます。単板の圧密化を行う際の効果的な圧密化技術や,得られた圧密化単板を用いた合板およびLVLの製造技術について検討を行なっています。この技術が確立されれば、これまで利用範囲が限られていた低密度材を、住宅の床やテーブルトップなど耐摩耗性が要求される材料として利用できることになります。さらに,この圧密化技術と変形固定技術を応用することにより,単板のような割れ易く脆い材料を立体的に加工することもできます。
 
廃材再資源化に関する研究
伐採された原木丸太は,最初に剥皮加工によって樹皮が剥ぎ取られますが,このときには樹皮が排出されます。そして,得られた剥皮丸太を製材品や木質素材として利用する際には,常に何らかの切削加工が行なわれていますが,そこでは必然的に切削屑が排出されます。また,風倒木や抜去木のような廃樹木も,不定期ながらも大量に排出されています。このような木質系廃材を再資源化するための技術について研究を行なっています。
●酸化カップリング反応による樹皮成形体の製造
伐採された原木丸太は最初に剥皮加工によって樹皮が剥ぎ取られますが,このときに排出される樹皮を有効利用するための研究です。樹皮にはポリフェノール類の一つであるタンニンが多く含まれます。タンニンは酸化カップリング反応によって樹脂化されます。この作用を利用してし,樹皮に酸化カップリング処理を施し,その樹皮を熱圧成形することによって,育苗・園芸用ポットなどの簡易成形体の製造を行なっています。
また,この酸化カップリング反応を利用して,単板の接着力を高める技術の開発を行なっています。
●過酸を用いたタンニンの酸化カップリング反応
含有タンニンの酸化カップリング反応を利用した樹皮の熱圧成形において,酸化カップリング反応液に過酸を用いることによって,樹皮間の接合力が著しく増加することが明らかになりました。このときのタンニンと過酸との酸化カップリング反応挙動について研究しています。
●廃木材および食品残渣の堆肥化
私たちが暮らす社会の中には,商店で廃棄される売れ残り食品や食品加工場から排出される加工滓のような食材残滓が大量に溢れています。この食品残滓については,各々の事業体の自己負担による処理が義務付けられていますが,本来バイオマス資源であるにもかかわらず,その大部分がゴミとして廃棄処理されています。このような食品残滓を廃樹木と混合し,自然環境下で微生物によって発酵させ,堆肥化させることによって再資源化を行なうことができます。実際に堆肥化を行なっている事業体と協力し,堆肥化開始時に添加する堆肥化促進材および堆肥化過程で発生する熱利用について研究を行なっています。
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