新興ナノセルロース技術。最近の動向

Emerging Nanocellulose Technologies: Recent Developments.

• Akira Isogai

抄録

ナノセルロースは、ユニークな形態、特性、表面ナノ構造を有し、豊富で再生可能な植物バイオマス資源から調製される。したがって、CO2を蓄積するナノセルロースの利用拡大は、持続可能な社会の構築に貢献し、現在の地球環境問題の克服に一役買うことが期待されています。ナノセルロースは、その形態により、セルロースナノネットワーク、セルロースナノフィブリル、セルロースナノクリスタルに分類される。これらの材料はいずれも、まず水性分散体として得られる。特に、セルロースナノフィブリルは、均一な≈3 nmの幅および>500 nmの平均長さを有し、かなりの量の荷電基がその表面に存在する。このような荷電基は、水中での機械的崩壊を介してセルロースナノフィブリルに変換される前の植物セルロース繊維の前処理の間に、カルボキシメチル化、C6-カルボキシル化、リン酸化、亜リン酸エステル化、キサンテーション、硫酸エステル化、およびC2/C3ジカルボキシル化によって形成されます。ナノセルロース中のこれらの表面荷電基は、化学量論的に様々な金属イオンやアルキルアンモニウムイオンに対イオン交換することができ、疎水性、耐水性、触媒性、超脱臭性、ガス分離性などの様々な新しい機能を有する表面修飾ナノセルロースが得られる。しかし、ナノセルロースのさらなる発展のためには、まず多くの基礎的・応用的な課題を克服しなければなりません。

Nanocelluloses have unique morphologies, characteristics, and surface nanostructures, and are prepared from abundant and renewable plant biomass resources. Therefore, expansion of the use of CO -accumulating nanocelluloses is expected to partly contribute to the establishment of a sustainable society and help overcome current global environmental issues. Nanocelluloses can be categorized into cellulose nanonetworks, cellulose nanofibrils, and cellulose nanocrystals, depending on their morphologies. All of these materials are first obtained as aqueous dispersions. In particular, cellulose nanofibrils have homogeneous ≈3 nm widths and average lengths of >500 nm, and significant amounts of charged groups are present on their surfaces. Such charged groups are formed by carboxymethylation, C6-carboxylation, phosphorylation, phosphite esterification, xanthation, sulfate esterification, and C2/C3 dicarboxylation during the pretreatment of plant cellulose fibers before their conversion into cellulose nanofibrils via mechanical disintegration in water. These surface-charged groups in nanocelluloses can be stoichiometrically counterion-exchanged into diverse metal and alkylammonium ions, resulting in surface-modified nanocelluloses with various new functions including hydrophobic, water-resistant, catalytic, superdeodorant, and gas-separation properties. However, many fundamental and application-related issues facing nanocelluloses must first be overcome to enable their further expansion.

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