産総研,キトサンから撥水/柔軟/透光ゲルを開発

産業技術総合研究所(産総研)は,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(ニュースリリース)。

民生・家庭部門のエネルギー消費量の増加をうけて,建物の省エネルギー化が強く求められている。窓やガラス戸などの採光部は熱の出入りが大きく,冷暖房の効率を著しく低下させることから,採光部に利用できる断熱技術の開発が求められている。

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,曲げられないなどの制約がある。また,高断熱性と光透過性をあわせ持つ材料として,超低密度のシリカゲル(シリカエアロゲル)があるが,非常にもろく割れやすいため,窓用断熱材としては普及していない。

産総研では,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。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%が空隙となっており,シンプルなプロセスで製造することができる。

一方で,キトサンなどの多糖類高分子は,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い。特に外気との接触面積が大きいキトサンエアロゲルは,空気中の湿気で変質するなど実用性に問題があった。

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,従来のキトサンエアロゲルの均質な三次元網目構造を維持しつつ,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。

従来の乾燥プロセスではプロトンが生成され,このプロトンが疎水基を分解・除去してもとの水酸基に戻してしまっていた。そこで,プロトンを生成しないアセトン/CO2系を用いて,疎水基をそのままに乾燥させる乾燥プロセスを確立した。

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は約120°の水滴接触角を示した。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%)のナノ構造と光透過性(厚さ1mm相当に換算して波長800nmで透過率78%)は維持された。また,90%程度以上の圧縮変形でも割れずに均一に圧縮された。

今後は光透過性断熱材としての実用化を目指し,条件を最適化して透明性をより一層向上させる。また,信頼性の高い断熱性能評価ができる大型試料の製造と,製造プロセスの低コスト化・高速化に取り組むとしている。

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