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テキスタイルと持続可能性

繊維産業には、天然繊維と合成繊維の2種類があります。合成繊維は人造または人工の原料から作られた繊維です。 20世紀以降、合成繊維は衣料品、特にファッション産業において不可欠な役割を担ってきました。最近では、インテリアやヘルスケアなど、合成繊維の用途が大きく変わってきています。しかし、繊維製品の持続可能性や循環型経済に対する懸念は高まっています。循環型経済とは、経済発展への道筋をつけながら、ビジネス、社会、環境に利益をもたらすように設計された組織的なアプローチです。これにより、理想的な循環型経済のケースで繊維を再利用できるようになり、新しい製品に組み込むことが容易になります。

高分子の劣化には数千年かかることが知られており、合成繊維のリサイクル可能性は社会にとって大きな課題となっています。合成繊維には、そのほとんどが埋め立て処理により廃棄されて公害の原因になるという問題があり、これが今後の応用の障害となっています。この問題に対処するためには、合成繊維をリサイクルするしかありません。H&Mなどの大手衣料品コングロマリットは、すでに、合成繊維をバリューチェーンに戻すために古着の受け入れを始めています。

将来の開発

合成繊維は私たちの生活に欠かせないものとなっています。合成繊維には、シワにならない、水を通さないなど、さまざまな利点があるため、その用途は天然繊維を超えて広がり続けています。その一つが電子伝導体分野での応用です。最近の開発では、熱電繊維などのコーティングされた繊維に熱を加えると電気が通ることが分かってきました。人体に近い用途では、体温での発電が可能です。この最新技術はヘルスケア産業でも応用されています。例えば、電子テキスタイルは、さまざまな健康指標の調節や測定に関連するプロセスのモニタリングに使用することができます。この電子テキスタイルは合成繊維をコーティングしたもので、何度か洗濯しても導電性が維持されます。また、電気を通すコーティングを施した生分解性セルロース繊維も開発されました。セルロース（Loncellタイプ）を導電性高分子材料で染色することで、セルロース糸に高い導電性を持たせます。さらに、銀ナノワイヤーを加えれば導電性がさらに強化されます。

合成繊維を持続的に利用できれば、さまざまな用途に利用できます。上記の用途をご覧いただけば、お客様のテキスタイル製品の潜在的な使用事例をご確認いただけます。また、プラスチック製品のリサイクル、再利用、再加工を行う際、Polymerizeでは、製品開発プロセスに適した候補/配合を選択することで、反復的な実験作業を削減します。候補が優れているほど、より良い製品を提供でき、顧客を喜ばせることができます。

エレクトロニクスと環境

半導体チップを金属製のリードフレームに接着するためのポリマー系接着剤や、チップを成型した後に封止するためのモールドコンパウンドなど、電子部品実装ではポリマーがその実現技術となっています。複雑なチップ実装の重要機能の開発では、いくつかのエポキシ系ポリマーやシリコンが利用されてきました。これは主に、ポリマーの特性である加工のしやすさ、高温安定性が活かされています。

科学者たちは1980年代からリビングカチオン重合技術に取り組んできました。高分子化学において、リビング重合とは、成長中の高分子鎖を終わらせる能力が取り除かれた連鎖成長重合の一形態です。金属を含まない有機触媒が重合に使えることがわかったのは、つい最近のことです。今回、金属を含まない有機触媒を用いたビニール系モノマーとスチレン系モノマーの室温反応に初めて成功し、半導体開発において環境にやさしい技術であることを確認しました。

まとめると、有機触媒技術を用いた導電性高分子合成と分解性高分子合成が可能になったのです。実用化に向けて金属不純物を出さないという大きな課題を今回の開発で達成できました。また、高分子材料には、常温で有機触媒を使用でき、水分や酸素の影響を受けにくいという利点があるため、さまざまな用途に使用されています。そのため、他の触媒の吸湿性を排除することができます。その他の利点としては、すぐに入手できること、低コストであること、無毒であること、常温での実験が可能で必要なエネルギーが少ないことなどが挙げられます。

Polymerize.jpは、環境に優しい材料を持続可能な方法で使用した低価格の電子機器への道を開くことができます。最高品質の製品を提供し、循環型経済を実現することで、カーボンフットプリントを削減することを目標としています。

カーボンナノチューブ

カーボンナノチューブ（CNT）は、単層炭素原子（グラフェン）のシートを巻き上げた円柱状の分子です。CNTはユニークな機械的特性を持ち、鋼鉄に勝る利点がいくつかあります。例えば、引張強度は鋼鉄の400倍です。密度が鋼鉄の1/6であるため軽量であり、1000を超える高いアスペクト比を持つスーパー材料として応用されています。カーボンナノチューブを使った高強度の構造用複合材料の用途には、スポーツ用品、布製品、自動車、航空・宇宙があります。

ポリマーマトリクス内にCNTを組み込んだ場合、CNTの細かい特性が無関係になることがあります。主に、CNTはポリマーマトリクスとの相互作用が弱いのです。CNTと周囲のポリマー（高分子）との界面相互作用を求めるには、ナノチューブをマトリクスから引き抜くのに必要な力を計算します。

科学者らは、畳み込みニューラルネットワーク（CNN）と呼ばれるMLモデルを使って、CNTの引き抜き力を決定付ける特徴の空間分布をマッピングしました。このモデルに基づく予測は、従来の手法では数か月かかっていたところを数秒で完了しました。CNT高分子複合材料のバルクスケールの機械的特性を最大化することは、これまで不可能と思われていた用途に新しい道を開くことになります。

Polymerizeでは、非常に複雑な実験の潜在的な成果を把握できるように研究開発者を支援しています。当社独自の機械学習アルゴリズムにより、短期間での製品開発を求める業界に賢明な近道を提供します。詳細についてはwww.Polymerize.jpをご覧ください。

高分子と海藻

生物由来高分子（バイオベースポリマー）の合成プロジェクトで、ポリアクリル酸（PAA）、微生物種全体、および微生物種の不溶性細胞壁を使用しました。これらの成分をそれぞれ変化させることで、機械的、熱的、物理的、化学的に異なる特性を持つ生物高分子（バイオポリマー）を生成しました。

このような生物分解性がある工学製品は、主にビニール袋やペットボトルなどの包装材に使われています。

合成高分子を製品の製造に使用することの最大の利点は、最終特性のオーダーメイドが可能であることです。しかし、プラスチックは分解されにくく、完全に分解されるまでに100年以上かかると言われています。これらのプラスチックのほとんどが埋立地や海洋に廃棄されてしまいます。持続可能性の観点から、生物由来の高分子は、化石燃料由来の合成高分子の代替物と見なすことができます。

微細藻類を使うメリットの一つは、安価で成長が早く、簡単に作れることです。微生物は孵化場で生産され、化粧品産業から薬物送達までさまざまな商業に利用されます。

生分解性高分子の製造における微生物種の有用性を探るプロジェクトでは、生物全体を用いる方法と、細胞壁から得られる不溶性の脂肪酸のみを用いる方法により、シゾキトリウム属の微細藻類を用いて生物由来高分子が開発されました。

この実験の結果、最終製品の熱的特性と弾性的特性は、成分の量の変化に応じて変えることができると結論づけられました。微細藻類全体を用いると粘性と弾性のある高分子が得られ、細胞壁材料だけを用いると硬性が高い高分子が得られることが確認されました。

微細藻類の現在の利用状況や配合方法について詳しくお知りになりたい方は、ぜひ当社にお問い合わせください。最終製品の市場投入が簡単かつ迅速になるように、Polymerizeの材料科学者とAIチームが適切な候補を見つけるお手伝いをさせていただきます。

高分子の新たな応用領域と持続可能な未来

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Claris Chin

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